20.3.2020
1
Ústav chemických léčiv, Farmaceutická fakulta VFU,
Palackého 1/3, 642 12 Brno
Doc. Ing. Pavel Bobáľ, CSc.
Organická chemie
12. Benzen a aromaticita,
chemie benzenu, elektrofilní
aromatická substituce
2
12. Benzen a aromaticita, chemie benzenu, elektrofilní
aromatická substituce Organická chemie
Aromatické látky – rozdílné než vonné látky
2
Benzen a aromaticita
CH3
O
H
O
OH
benzen toluen benzaldehyd kyselina benzoová
O
HO
H H
H
CH3
estron
O
N CH3
HO
HO
N
N
O
H3C
Cl
morfin diazepam
3
12. Benzen a aromaticita, chemie benzenu, elektrofilní
aromatická substituce Organická chemie
Uhlí – základní zdroj – zahřívání na 1 000 °C za nepřístupu vzduchu – tepelné
štěpení makromolekul v uhlí – destiluje dehet,
- frakční destilace dehtu – směs aromatických sloučenin (benzen, toluen, xyleny,
naftalen, …),
Ropa – alifatické látky x Uhlí – aromatické látky
3
Zdroje aromatických uhlovodíků
CH3 CH3
CH3
benzen toluen xylen inden
naftalen bifenyl anthracen fenanthren
4
12. Benzen a aromaticita, chemie benzenu, elektrofilní
aromatická substituce Organická chemie
Triviální názvy některých aromatických sloučenin
4
Názvosloví aromatických sloučenin
20.3.2020
2
5
12. Benzen a aromaticita, chemie benzenu, elektrofilní
aromatická substituce Organická chemie
Monosubstituované deriváty benzenu
5
Názvosloví aromatických sloučenin
brombenzen nitrobenzen propylbenzen
Br NO2
CH2
fenylová skupina 2-fenylheptan benzylová skupina
6
12. Benzen a aromaticita, chemie benzenu, elektrofilní
aromatická substituce Organická chemie
Disubstituované benzeny – ortho-, meta-, para-
6
Názvosloví aromatických sloučenin
Cl
Cl
C
O
H
Cl
CH3H3C
1
2
2
13
3
1
2
4
meta-xylen
m-xylen
para-chlorbenzaldehyd
p-chlorbenzaldehyd
ortho-dichlorbenzen
o-dichlorbenzen
X
para
meta meta
orthoortho CH3 CH3
Br
Br2
FeBr3
toluen p-bromtoluen
7
12. Benzen a aromaticita, chemie benzenu, elektrofilní
aromatická substituce Organická chemie
Více než dva substituenty – lokanty nejnižší čísla
– substituenty podle abecedy
7
Názvosloví aromatických sloučenin
CH3
CH31
2
4-brom-1,2-dimethylbenzen
Br
3
4
Cl
NO2
1
2
2-chlor-1,4-dinitrobenzen
O2N
3
4
NO2
1
2
2,4,6-trinitrotoluen (TNT)
3
4
CH3
NO2
O2N
5
6
Br
1
2
2,6-dibromfenol
3
4
OH
Br
5
6 1
2
m-chlorbenzoová kyselina
3Cl
O
OH
8
12. Benzen a aromaticita, chemie benzenu, elektrofilní
aromatická substituce Organická chemie
Benzen – „nenasycená“ sloučenina – nemá charakter alkenů,
– nedává adiční produkty,
– dává substituční produkty
8
Struktura a stabilita benzenu
+ Br2 + HBr
Br Br
Br
H
H
benzen brombenzen
(substituční produkt)
adiční produkt
(nevzniká)
FeBr3
20.3.2020
3
9
12. Benzen a aromaticita, chemie benzenu, elektrofilní
aromatická substituce Organická chemie
Porovnání hydrogenačních tepel:
9
Struktura a stabilita benzenu
10
12. Benzen a aromaticita, chemie benzenu, elektrofilní
aromatická substituce Organická chemie
Délky vazeb:
10
Struktura a stabilita benzenu
154 pm (teoreticky)
134 pm (teoreticky)
139 pm (skutečnost)
139 pm (skutečnost)
Rezonanční struktury:
11
12. Benzen a aromaticita, chemie benzenu, elektrofilní
aromatická substituce Organická chemie
Aromatická molekula - cyklická konjugovaná,
- planární,
- Hückelovo pravidlo – 4n+2 elektronů π,
11
Hückelovo pravidlo – 4n+2
cyklobutadien cyklooktatetraen
- antiaromatické
H
H H
H
HH
benzen
12
12. Benzen a aromaticita, chemie benzenu, elektrofilní
aromatická substituce Organická chemie
cyklopentadienylový
anion
12
Aromatické látky
H H
H
HH
-
cykloheptatrienylový
kation
H
H
HH
H
+-
H
H
H
HH
H
H
NH
H H
HH
N
pyridin
NH H
H
HH
N
H
pyrrol
20.3.2020
4
13
12. Benzen a aromaticita, chemie benzenu, elektrofilní
aromatická substituce Organická chemie
thiofen
13
Aromatické látky
furan
naftalen
SH
H
HH
S O
Br
+ HBr
Br2, Fe
zahřívání
- substituce – ne adice
14
12. Benzen a aromaticita, chemie benzenu, elektrofilní
aromatická substituce Organická chemie14
Chemie benzenu: elektrofilní aromatická substituce
H
H
H
H
H
H
+ E+
E
H
H
H
H
H
+ H+
H CX
NO2 R
SO3H
R
O
acylacehalogenace
nitrace alkylace
sulfonace
15
12. Benzen a aromaticita, chemie benzenu, elektrofilní
aromatická substituce Organická chemie15
Chemie benzenu: elektrofilní aromatická substituce
Bromace
+ Br2 + HBr
Br
FeBr3
H Cl
H
Cl
+
-
HCl
16
12. Benzen a aromaticita, chemie benzenu, elektrofilní
aromatická substituce Organická chemie16
Chemie benzenu: elektrofilní aromatická substituce
Bromace
Br Br
 FeBr3
Br3Fe Br Br
 
BrBr
 
Br
H
+
Br
H
+
Br
H
+
FeBr3
FeBr4

Br
+ HBr + FeBr3
pomalu
rychle
20.3.2020
5
17
12. Benzen a aromaticita, chemie benzenu, elektrofilní
aromatická substituce Organická chemie17
Chemie benzenu: elektrofilní aromatická substituce
energie
reakční koordináta →
Porovnání reakce elektrofilu s alkenem a benzenem
Galken
<
Gbenzen
18
12. Benzen a aromaticita, chemie benzenu, elektrofilní
aromatická substituce Organická chemie18
Chemie benzenu: elektrofilní aromatická substituce
energie
reakční koordináta →
Energetický diagram elektrofilní bromace benzenu
substituce
adice
(neprobíhá)
19
12. Benzen a aromaticita, chemie benzenu, elektrofilní
aromatická substituce Organická chemie19
Chemie benzenu: elektrofilní aromatická substituce
Chlorace a jodace
+ Cl2
FeCl3
katalyzátor
+ HCl
Cl
I2 + 2 Cu2+
2 I+
+ 2 Cu+
I+
I2 + CuCl2
l
l
H
B
20
12. Benzen a aromaticita, chemie benzenu, elektrofilní
aromatická substituce Organická chemie20
Chemie benzenu: elektrofilní aromatická substituce
Nitrace
O N
O
OH
+
+
H2SO4 O N
O
OH
+
-
H
+
N+H2O +
O
O
nitroniový ion
- elektrofilem je NO2
+
N
+
OO
N
H
O
O
-+
O H
H
N
O
O
-+
+
H3O
+
20.3.2020
6
21
12. Benzen a aromaticita, chemie benzenu, elektrofilní
aromatická substituce Organická chemie21
Chemie benzenu: elektrofilní aromatická substituce
Sulfonace
- elektrofilem je HSO3
+, nebo SO3,
- oleum nebo koncentrovaná kyselina sírová
O
S
OO
+
+
H2SO4
O
S
OO
+ + HSO4
-
H
O
S
OO
+
H
S
H
OHO
O
+
-
B
+
S
OH
O O+
kyselina
benzensulfonová
22
12. Benzen a aromaticita, chemie benzenu, elektrofilní
aromatická substituce Organická chemie22
Chemie benzenu: elektrofilní aromatická substituce
Alkylace – Friedelova – Craftsova reakce
+
Cl
+ HCl
kumen
85 %
AlCl3
Cl
AlCl3+ + AlCl4
+
AlCl4
-
H
+
AlCl4
+
HCl + AlCl3
23
12. Benzen a aromaticita, chemie benzenu, elektrofilní
aromatická substituce Organická chemie23
Chemie benzenu: elektrofilní aromatická substituce
Alkylace – Friedelova – Craftsova reakce
+
Cl
AlCl3 , 0 °C
sek-butylbenzen
(65 %)
butylbenzen
(35 %)
H
C
C
C
C
H
H H H H
HH H
+
H
C
C
C
C
H
H H
HH H H
H
+
24
12. Benzen a aromaticita, chemie benzenu, elektrofilní
aromatická substituce Organická chemie24
Chemie benzenu: elektrofilní aromatická substituce
Alkylace – Friedelova – Craftsova reakce
+
H3C
Cl
H3C CH3 CH3
H3C CH3
AlCl3
H3C
H
H3C CH3
H
+ H3C
CH3
+
CH3
H H
20.3.2020
7
25
12. Benzen a aromaticita, chemie benzenu, elektrofilní
aromatická substituce Organická chemie25
Chemie benzenu: elektrofilní aromatická substituce
Acylace – Friedelova – Craftsova acylace
+
Cl
O
+ HCl
O
AlCl3
80 °C
acetylchlorid acetofenon
(95 %)
R
Cl
O AlCl3
R C O
+
R C O+ + AlCl4
acyliový
ion
R C O
+
+
H
R
O
+ AlCl4
-
O
R + HCl + AlCl3
26
12. Benzen a aromaticita, chemie benzenu, elektrofilní
aromatická substituce Organická chemie26
Chemie benzenu: elektrofilní aromatická substituce
Substituční efekty
relativní
rychlost
nitrace
- substituenty ovlivňují reaktivitu aromatického kruhu
27
12. Benzen a aromaticita, chemie benzenu, elektrofilní
aromatická substituce Organická chemie27
Chemie benzenu: elektrofilní aromatická substituce
Substituční efekty
- substituenty ovlivňují regioselektivitu reakce
28
12. Benzen a aromaticita, chemie benzenu, elektrofilní
aromatická substituce Organická chemie28
Chemie benzenu: elektrofilní aromatická substituce
Substituční efekty
- ortho- a para- orientující aktivující skupiny,
- ortho- a para- orientující deaktivující skupiny,
- meta- orientující deaktivující skupiny,
20.3.2020
8
29
12. Benzen a aromaticita, chemie benzenu, elektrofilní
aromatická substituce Organická chemie29
Chemie benzenu: elektrofilní aromatická substituce
Substituční efekty
- reaktivita a orientace při elektrofilní aromatické substituci je řízena souhrou
induktivního a rezonančního (mezomerního) efektu,
- induktivní efekt
30
12. Benzen a aromaticita, chemie benzenu, elektrofilní
aromatická substituce Organická chemie30
Chemie benzenu: elektrofilní aromatická substituce
Substituční efekty
- rezonanční (mezomerní) efekt – způsoben donorním nebo akceptroním
posunem elektronové hustoty po π–vazbách v důsledku překryvu p-orbitalu
substituentu s π–orbitalem aromatického kruhu,
- odtahování elektronů: –M- efekt (elektronakceptory)
31
12. Benzen a aromaticita, chemie benzenu, elektrofilní
aromatická substituce Organická chemie31
Chemie benzenu: elektrofilní aromatická substituce
Substituční efekty
- rezonanční (mezomerní) efekt – způsoben donorním nebo akceptroním
posunem elektronové hustoty po π–vazbách v důsledku překryvu p-orbitalu
substituentu s π–orbitalem aromatického kruhu,
- poskytování elektronů: +M- efekt (elektrondonory)
32
12. Benzen a aromaticita, chemie benzenu, elektrofilní
aromatická substituce Organická chemie32
Chemie benzenu: elektrofilní aromatická substituce
Substituční efekty
- aktivace a deaktivace aromatických kruhů
20.3.2020
9
33
12. Benzen a aromaticita, chemie benzenu, elektrofilní
aromatická substituce Organická chemie33
Chemie benzenu: elektrofilní aromatická substituce
Ortho- a para-orientující aktivující skupiny
CH3 CH3 CH3 CH3
CH3 CH3 CH3
CH3 CH3 CH3
H H
H
NO2
H
NO2 NO2
H
NO2
H
NO2
H
NO2
H
H NO2 NO2 NO2
+
+ +
+ +
+
+
+
+
toluen
ortho
para
meta
atak
atak
atak
nejstabilnější
nejstabilnější
CH3
3 %
NO2
CH3
63 %
CH3
34 %
NO2
NO2
34
12. Benzen a aromaticita, chemie benzenu, elektrofilní
aromatická substituce Organická chemie34
Chemie benzenu: elektrofilní aromatická substituce
Ortho- a para-orientující aktivující skupiny
OH OH OH OH
OH OH OH
OH OH OH
H H
H
NO2
H
NO2 NO2
H
NO2
H
NO2
H
NO2
H
H NO2 NO2 NO2
+
+ +
+ +
+
+
+
+
toluen
ortho
para
meta
atak
atak
atak
nejstabilnější
OH
H NO2
+
OH
H
NO2
+
nejstabilnější50 %
50 %
0 %fenol
35
12. Benzen a aromaticita, chemie benzenu, elektrofilní
aromatická substituce Organická chemie35
Chemie benzenu: elektrofilní aromatická substituce
Ortho- a para-orientující deaktivující skupiny
Cl Cl Cl Cl
+ +
NO2
NO2
NO2
35 % 1 % 64 %
HNO3
36
12. Benzen a aromaticita, chemie benzenu, elektrofilní
aromatická substituce Organická chemie36
Chemie benzenu: elektrofilní aromatická substituce
Meta-orientující deaktivující skupiny
CHO CHO CHO
CHO CHO CHO
CHO CHO
H H
H
Cl
H
Cl Cl
H
Cl
H
Cl
H
Cl
H
H Cl Cl Cl
+
+ +
+ +
+
++
toluen
ortho
para
meta
atak
atak
atak
nejméně
stabilní
19 %
9 %
72 %
O H

CHO
+
nejméně
stabilní
CHO
Cl
CHO
CHO
Cl
Cl
benzaldehyd
20.3.2020
10
37
12. Benzen a aromaticita, chemie benzenu, elektrofilní
aromatická substituce Organická chemie37
Chemie benzenu: elektrofilní aromatická substituce
Souhrn substitučních efektů
Substituční efekty při elektrofilní aromatické substituci
38
12. Benzen a aromaticita, chemie benzenu, elektrofilní
aromatická substituce Organická chemie38
Chemie benzenu: elektrofilní aromatická substituce
Aditivita efektů
CH3
NO2
nitroskupina orientuje
methyl orientuje do této polohy
CH3
NO2
NO2
HNO3
H2SO4
OH
CH3
OH
CH3
Br
Br2
methyl orientuje
OH orientuje do této polohy
39
12. Benzen a aromaticita, chemie benzenu, elektrofilní
aromatická substituce Organická chemie39
Chemie benzenu: elektrofilní aromatická substituce
Aditivita efektů
CH3
Cl
příliš bráněná
poloha
Cl orientuje
Cl orientuje
CH3 orientuje
CH3 orientuje
Cl2
FeCl3
CH3
Cl
CH3
Cl
CH3
Cl
Cl
Cl
Cl
+
40
12. Benzen a aromaticita, chemie benzenu, elektrofilní
aromatická substituce Organická chemie40
Chemie benzenu: nukleofilní aromatická substituce
Cl
Cl
-
+
+
orbital sp2
(nestabilní kation)
Cl
Nu
-
reakce
neprobíhá
arylhalogenid
20.3.2020
11
41
12. Benzen a aromaticita, chemie benzenu, elektrofilní
aromatická substituce Organická chemie41
Chemie benzenu: nukleofilní aromatická substituce
- mechanizmus adičně – eliminační: vznik Meisenheimerova aduktu
- stabilizace karbanionu nitroskupinou (v ortho- a para- polohe)
- k stabilizaci v meta- polohe nedochází!
NO2
Cl
O2N
NO2
NO2
OH
O2N
NO2
1. OH-
2. H3O+
+ Cl-
Cl
NO2
OH
-
NO2
OH
NO2
Cl
OH
-
42
12. Benzen a aromaticita, chemie benzenu, elektrofilní
aromatická substituce Organická chemie42
Chemie benzenu: nukleofilní aromatická substituce
- mechanizmus eliminačně – adiční: vznik benzynu (1,2-dehydrobenzenu)
Cl OH
NaOH
340 °C, 18 MPa
Cl
H
OH
-
OH
H
benzyn
H2O
- HCl
43
12. Benzen a aromaticita, chemie benzenu, elektrofilní
aromatická substituce Organická chemie43
Chemie benzenu: nukleofilní aromatická substituce
benzyn
44
12. Benzen a aromaticita, chemie benzenu, elektrofilní
aromatická substituce Organická chemie44
Chemie benzenu: nukleofilní aromatická substituce
Nukleofilní aromatická substituce – pouze substrát se silně
elektronakceptorní skupinou (nejlépe více) a pouze:
- mechanizmem adičně – eliminačním: vznik Meisenheimerova aduktu
- mechanizmem eliminačně – adičním: vznik benzynu (1,2-dehydrobenzenu)
!
20.3.2020
12
45
12. Benzen a aromaticita, chemie benzenu, elektrofilní
aromatická substituce Organická chemie45
Chemie benzenu: oxidace postranních řetězců alkylbenzenů
Samostudium: str. 555 – 557
Chemie benzenu: redukce aromatických sloučenin
Samostudium: str. 558 – 559