Elektrofilne substitucije fb
 

Elektrofilne substitucije




Ana ČEVDEK, avtor/ica gradiva, nudi inštrukcije kemije v naslednjih krajih: Nova Gorica.

Skype Učitelj/ica omogoča inštrukcije tudi prek Skypa.


Elektrofilne substitucije so reakcije značilne za benzenov obroč:


Slika 1: Benzenov obroč, na katerem potekajo elektrofilne substitucije.



Delokalizirane vezi, značilne za aromatske spojine, so vir elektronske gostote in zato mesta bogata z elektroni. Taka mesta so idealna za napad elektrofilov.


Elektrofili so lahko:

  • pozitivno nabiti delci ,

  • neionski elektrofili .


Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


Da teke reakcije potečejo, je velikokrat potrebno segrevanje ali pa dodati katalizator. Pogoje reakcij si bomo natančneje pogledali na posameznih reakcijah.


Nastanek monosubstituiranih derivatov



Na benzenovem obroču so vsi ogljiki med seboj enakovredni in zato je (s stališča opisovanja reakcije) vseeno, na katerem se zgodi prva zamenjava z vodikom. Pri vseh nadaljnjih zamenjavah pa moramo biti pazljivejši, saj so z mestom, kjer se veže naslednja molekula, določene tudi lastnosti benzenovega obroča.


Za začetek si najprej poglejmo osnovne reakcije na benzenovem obroču. Poznamo sledeče reakcije:

  • nitriranje (nastane nitro skupina ),

  • sulfoniranje (nastane sulfonska skupina ),

  • halogeniranje (vodik se zamenja z halogenim elementom),

  • alkiliranje (vodik se zamenja z alkilno verigo),

  • aciliranje (vodik se zamenja z acilno skupino in nastanejo ketoni).

Poglejmo si podrobneje vsako reakcijo posebej.


Nitriranje benzenovega obroča



Pri nitriranju benzenovega obroča nastane nitrobenzen. Reakcija poteče, če sta v reakciji prisotna:

  • reagent v obliki dušikove (V) kisline ,

  • katalizator v obliki žveplove (VI) kisline

Pri reakciji nastane delec s pozitivnim nabojem in ta napade benzenov obroč ter se nanj tudi veže.


Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


Mehanizem odcepa protona v benzenov obroč (glej gornji primer) se dogodi pri vseh elektrofilnih substitucijah in ga v nadaljevanju gradiva ne bomo posebej omenjali.



Sulfoniranje benzenovega obroča



Pri sulfoniranju nastane benzensulfonska kislina. Reakcija poteče pod pogojem, če je prisotna:

  • žveplova (VI) kislina ,

  • nasičena s (oleum).

Kislina deluje kot vir elektrofila in kot katalizator.


Pri reakciji delec s primanjkljajem elektronov napade benzenov obroč ter se nanj veže. Pri tem vodik ni izrinjen iz molekule temveč samo spremeni pozicijo.


Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


Halogeniranje benzenovega obroča



Pri halogeniranju nastane halogenobenzen. Da reakcija poteče, potrebujemo prisotnost:

  • reagenta v obliki halogenega elementa ,

  • katalizatorja v obliki aluminijevega trihalogenida (npr. ) oziroma elektron deficitarno molekulo, ki spodbuja heterolitsko cepitev vezi.


Pri taki reakciji nastane delec s pozitivnim nabojem , ki napade benzenov obroč ter se nanj veže. Jod je posebnost: reakcija jodiranje ne poteče, saj je jod nereaktiven.


Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


Alkiliranje benzenovega obroča



Pri alkiliranju nastanejo alkilbenzeni. Reakcija alkiliranja spada pod t.i. Friedel-Craftsove reakcije. Da reakcija poteče, potrebujemo:

  • reagent v obliki halogenoalkana (npr. klorometan ),

  • katalizator, ki je .


Pri reakciji nastane delec s pozitivnim nabojem . Delec napade benzenov obroč ter se nanj veže. V tem primeru na nastane toluen.


Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


Aciliranje benzenovega obroča



Aciliranje benzenovega obroča je podobno alkiliranju. Tudi v tem primeru reakcija spada pod t.i. Friedel-Craftsove reakcije. Da reakcija poteče, potrebujemo:

  • reagent v obliki alklaoil klorida (npr. acetil klorid ),

  • katalizator v obliki .


Pri reakciji nastane delec s pozitivnim nabojem , ki napade benzenov obroč ter se nanj veže. V tem primeru nastane keton feniletanon.


Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


Elektrofilna substitucija substituiranih derivatov benzena



Skupine vezane na benzenov obroč spremenijo njegovo reaktivnost. Ogljiki si niso več enakovredni in posamezne skupine vplivajo, na katero pozicijo se bodo vezale vse nadaljne skupine. Substituente delimo v dve skupini:


  • Aktivirajoče skupine


    Akitivirajoče skupine so skupine, ki stabilizirajo obroč in usmerjajo skupine, ki se naknadno vežejo na benzenov obroč, na orto in para pozicije (glej sliko 14).


  • Deaktivirajoče skupine


    Deaktivirajoče skupine pa so tiste, ki destabilizirajo aromatski obroč. Slednje raje usmerjajo skupine, ki se naknadno vežejo na benzenov obroč, na meta pozicijo (glej sliko 21).


Orto in para usmerjanje



Aktivirajoče skupine se običajno vežejo na benzenov obroč preko najbolj elektronegativnega atoma in imajo možnost, da delijo z obročem svoje nevezane elektronske pare. Mednje sodijo:

  • aminske skupine

  • halogeni elementi

  • hidroksilna skupina

  • alkoksi skupina

  • alkilne skupine


Če je ena izmed teh skupin vezana na benzenov obroč, bo naslednje skupine usmerjala na orto in para pozicijo na benzenovem obroču:


Slika 14: Aktivirajoče skupine usmerjajo na orto in para pozicijo.



Pri takih reakcijah nastaneta dva produkta: v enem produkut je skupina vezana na orto, v drugem pa na para pozicijo.


Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


V primeru alkilbenzenovih derivatov moramo biti precej pozorni pri halogeniranju spojine. Pazljivi moramo biti predvsem na reakcijske pogoje, saj lahko ob ustreznih pogojih poteče tudi radikalska substitucija na alkilni verigi.



Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


Meta usmerjanje



Deaktivirajoče skupine se običajno vežejo na benzenov obroč preko najmanj elektronegativnega atoma. Posledica je, da bolj elektronegativni atomi v obroču privlačijo elektrone vezane skupine, s tem pa destabilizirajo reakcijski intermediat. Primeri skupin, ki se vežejo na najmanj elektronegativni atom, so:

  • ciano skupina

  • nitro skupina

  • sulfonska skupina

  • karboksilna skupina

  • aldehidna in ketonska karbonilna skupina


Če je ena izmed teh skupin vezana na benzenov obroč, bo novodošle skupine usmerjala na meta pozicijo benzenovega obroča:


Slika 21: Deaktivirajoče skupine usmerjajo na meta pozicijo.



Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »



glavni avtor in urednik gradiva: Ana ČEVDEK