Ароматические соединения презентация

Природные ароматические соединения
Примерами ароматических соединений, которые мы используем для вкуса и аромата, являются анизол из аниса, эстрагол из эстрагона и тимол из тимьяна.

Синтетические ароматические соединения в медицине
Ежегодно потребляется более 80 миллиардов таблеток аспирина.
Ацетилсалициловая кислота
(торговое название: аспирин)
Ибупрофе́н — лекарственное средство, обладает болеутоляющим и жаропонижающим действием. Является оптически активным и производится как рацемат.

В ДНК ультрафиолетовое излучение может вызывать образование соседних тиминовых оснований с формированием мутагенных димеров (причина меланомы). Солнцезащитные кремы обеспечивают защиту от ультрафиолетового излучения, поскольку они содержат ароматические молекулы, которые поглощают УФ свет. После чего энергия рассеивается через молекулярные колебания. По сути, УФ-излучение преобразуется в тепло (ИК-излучение). Большинство солнцезащитных кремов имеют структуры, полученные из следующих исходных соединений: п-аминобензойная кислота, 3-фенилпропеновая кислота, бензофенон и салициловая кислота.
Солнцезащитные кремы
2-этилгексил-4-метоксициннамат
(Parsol MCX), λmax 310 нм
Октил 4-N,N-диметиламинобензоат
(Padimate O), λmax 310 нм

В XIX и начале XX-го века бензол использовался в качестве лосьона после бритья и для декофеинизации кофе.
Бензол при длительном контакте с ним вызывает апластическую анемию и лейкемию. Опасен не сам бензол, а образующиеся из него в организме оксиды.

Правило Хюккеля
Ароматическими являются плоские, полностью сопряжённые циклические системы, содержащие (4n+2) π-электронов, имеющие замкнутую электронную оболочку, все электроны которой находятся на связывающих орбиталях. Такие системы обладают повышенной стабильностью.
Подобные системы, содержащие 4n электронов, можно назвать антиароматическими. Очень нестабильны.
Современные критерии ароматичности:
Энергетический (наличие энергии резонанса)
Структурный (одинаковые или близкие к таковым длины связей, промежуточные по длине между одинарными и двойными)
Магнитный (наличие кольцевого тока электронов, взаимодействующего с внешним магнитным полем)

Ароматическая молекула должна быт плоской!
Все p-орбитали должны быть ориентированы параллельно, чтобы максимально перекрываться и делокализировать π электроны.
Так как циклооктатетраен неплоский, то он не ароматичный, и вступает в реакции присоединения, как обычные алкены.
геометрия ванны

Молекула должна быть полностью сопряжённой
Ароматические соединения должны иметь негибридизованную р орбиталь на каждом атоме в цикле.
полностью сопряжённый цикл
Эти циклы не полностью сопряжены

Круги Фроста – предсказание ароматичности соединения
Правильный многоугольник располагается вершиной вниз.
Вокруг него описывается окружность так, чтобы все вершины многоугольника лежали на этой окружности. Тогда относительные энергии молекулярных орбиталей будут соответствовать тем уровням, где вершины касаются окружности. Положение горизонтального диаметра описанной окружности соответствует энергии атомной 2p‑орбитали углерода, равной α.
замкнутая электронная оболочка образуется только в том случае, если π‑система содержит (4n+2) электронов (где n – любое целое число равное 0, 1, 2 и т. д.)

Химические критерии ароматичности
Термическая устойчивость
Нет склонности к окислению
Склонность к реакциям замещения

Полициклические ароматические системы
Длины связей в нафталине
Антрацен
Фенантрен
Кекулен

Суперфенален - это очень большой полициклический ароматический углеводород (ПАУ) с химической формулой C96H30. Формально его можно считать состоящим из трех конденсированных «супербензолов» (короненов).
Получение супербензолов служит одной из основных целей химии ПАУ - синтез модельных соединений графита с определенными молекулярными характеристиками.

Самый маленький из ПАУ, который поглощает видимый свет и, следовательно, приобретает окраску. Все аналоги с меньшим количеством колец или с четырьмя кольцами, расположенными нелинейно, будут поглощать только УФ-свет и, следовательно, будут белыми. Тетрацен является важным материалом в области органических полупроводников и может использоваться в транзисторах, светодиодах и лазерах.

Арены вместе с алканами и циклоалканами входят в состав нефти.
Наибольшие концентрации аренов (37 %) характерны для нефти нафтенового типа, а наименьшие (15%) - для парафинового типа. Среди нефтяных аренов преобладают соединения, содержащие не более трех бензольных циклов в молекуле. Концентрации аренов снижаются в последовательности: бензолы>> нафталины>>фенантрены>>хризены>>пирены>> антрацены.
Ароматические соединения в нефти

Полициклические ароматические системы
Гипотеза мира полиароматических углеводородов (ПАУ) – ПАУ привели к синтезу молекул РНК, что создало предпосылки для мира РНК и возникновения жизни.
Гипотеза объясняет как нуклеотиды могли оказаться в цепочке рядом на расстоянии 0,34 нм для образования первичной РНК.
В 2014 году НАСА опубликовало базу данных по исследованиям из которой следует, что около 20% углерода в туманностях Вселенной представлено в виде ПАУ.
Туманность Кошачья лапа, в которой были обнаружены ПАУ. Зелёные участки показывают области, где излучение горячих звезд сталкивалось с ПАУ, вызывая их флуоресценцию.

Небензоидные ароматические системы
циклопропенил-катион
циклопентадиенил-анион
циклогептриенил-катион
циклооктатетраен-дианион
циклооктатетраен-дикатион

Резонансный гибрид показывает, что все пять атомов углерода в циклопентадиенильном анионе эквивалентны.
Каждый атом углерода несёт одну пятую отрицательного заряда аниона.

Тропилиевый ион
Циклогептатриенильный катион имеет 6 p электронов и пустую p орбиталь.
Каждый атом углерода несёт одну седьмую положительного заряда катиона.
charge equally
distributed

n = 4 N = 18
[18]-аннулен
Небензоидные ароматические системы
азулен

хамазулен
гвайазулен
представляет собой темно-синий кристаллический углеводород, входит в состав некоторых эфирных масел, в основном масла гваякового масла и масла ромашки. Различные мягкие кораллы также содержат гвайазулен в качестве основного пигмента.
Цвет Lactarius indigo вызван гвайазуленом
Хамазулен –вещество сине-фиолетового цвета, входящее в состав эфирного масла ромашки и тысячелистника обыкновенного. Экстрагируется в процессе дистилляции соцветий водяным паром. Вещество обладает выраженным бактерицидным, противовоспалительным и противоаллергическим действием.
Придает цвет синей немецкой ромашке.

*Nat. Chem. 2020,
DOI: 10.1038/s41557-019-0398-3
Рекордсмен в размере ароматической системы – порфириновое молекулярное колесо – 162 π электронов!*

Гетероароматические системы
Если гетероатом имеет π-связь, то его неподелённая пара не участвует в ароматической системе (например, пиридин).
Если гетероатом не имеет π-связи, то его неподелённая пара может участвовать в ароматической системе (например, пиррол).
Больше половины известных органических соединений являются гетероциклическими (ароматическими или не ароматическими).

Антиароматические соединения
оксирен
1Н-азирен
Геометрия на самом деле
прямоугольная
=
Не стабилен выше -240 °С
1.567 Å
1.346 Å
Следуя правилу Хунда, два электрона находятся на отдельных орбиталях.
Этот бирадикал является очень реакционноспособным.

Реакции бензола
Несмотря на то, что бензол сильно ненасыщен, он не вступает в реакции характерные для алкенов.

Каталитическое гидрирование
Требуется повышенная температура и давление.
Возможные катализаторы: Pt, Pd, Ni, Ru, Rh.
Восстановление не может быть остановлено на промежуточной стадии.

Бензол может восставливаться натрием со спиртом в жидком аммиаке и превращаться в 1,4-циклогексадиен.
Восстановление по Бёрчу

Механизм реакции Бёрча

Реакция региоселективная.
Алкилзамещенные арены дают 1,4-циклогексадиены, в которых алкильная группа является заместителем при двойной связи.
Восстановление по Бёрчу

Поскольку «нуклеофил» представляет собой свободные электроны, реакция идет быстрее в ароматических кольцах с электроноакцепторными заместителями и медленнее на ароматических кольцах с электронодонорными заместителями.
Электроноакцепторные заместители и электронодонорные заместители также дают разные продукты. С электроноакцепторными группами протонируется углерод, соединенный с электроноакцепторной группой. С электронодонорными группами протонируется углерод, соседний с углеродом, несущим донорную группу («орто» для донорной).
Восстановление по Бёрчу

Другие реакции с нарушением ароматичности
Если пропускать газообразный хлор через горячий бензол, подвергающийся воздействию ультрафиолетового излучения в течение часа, образуется 1,2,3,4,5,6-гексахлорциклогексан. Бром будет вести себя аналогично.
1,2,3,4,5,6-гексахлорциклогексан (линдан) - эффективный инсектицид, который широко применялся до 2009 г. в сельском хозяйстве для борьбы с паразитами животных.
малеиновый ангидрид
фталевый ангидрид
При высоких температурах бензол может быть окислен воздухом с помощью катализатора на основе пентаоксида ванадия до малеинового ангидрида.
Нафталин может быть аналогичным образом окислен до фталевого ангидрида.

Бензол это нуклеофил, который реагирует с электрофилами.
Электрофильное замещение даёт ароматический продукт, который значительно более стабилен, чем продукт реакции присоединения.
Ароматическое электрофильное замещение
Электрофильное замещение в аренах протекает через карбкатион.

Реакции электрофильного ароматического замещения
галогенирование
нитрование
сульфирование
ацилирование
алкилирование

Бензол (или другой арен) реагирует с электрофилом, используя два своих π-электрона.
Этот первый шаг (этап 1) аналогичен присоединению к обычной двойной связи. Образуется аренониевый ион (карбкатион). Ион стабилизируется резонансом, который делокализует заряд.
В отличие от реакции присоединения алкенов, бензольное кольцо реагирует дальше, так как оно может регенерировать очень стабильную ароматическую систему.
На этапе 2, протон бензольного кольца отщепляется и восстанавливается ароматичность системы.
Общий механизм ароматического электрофильного замещения: интермедиат – аренониевый ион

Влияние заместителей на ароматическое электрофильное замещение
Есть две важные характеристики заместителей в бензоле.
I Ориентация при замещении: Некоторые заместители направляют новые группы или атомы преимущественно в орто- и пара-положения к себе; другие - в мета позиции.
Таким образом заместители классифицируются как орто/пара-ориентанты или мета-ориентанты.
II Скорость реакции замещения: Некоторые заместители приводят к тому, что скорость замещения превышает скорость реакции самого бензола; другие приводят к снижению скорости реакции.
Заместители классифицируются как активирующие или дезактивирующие для дальнейших реакций замещения.
Относительная
Скорость нитрования

Влияние заместителей на ароматическое электрофильное замещение

Природа влияния заместителей на реакции аренов
Эффект заместителя является суммой индуктивного и резонансного эффектов.
Индуктивный эффект – увеличение или уменьшение электронной плотности через σ-связи = полярные ковалентные связи.
Резонансный эффект - увеличение или уменьшение электронной плотности из-за перекрытия p-орбитали заместителя с p-орбиталями ароматического кольца.

Индуктивный эффект
Определяется электроотрицательностью и полярностью связей в функциональных группах.
Галогены, C=O, CN, NO2 стягивают на себя электроны через σ-связь, соединяющую их с кольцом.
Алкильные группы увеличивают электронную плотность кольца.

Резонансный эффект – акцепторы электронов
Заместители C=O, C≡N, NO2 выводят электроны из ароматического кольца посредством резонанса.
π-электроны перемещаются из колец к заместителям.
В таких заместителях есть двойная (или тройная) связь у атома, связанного с кольцом!!

Галоген, ОН, алкоксил (OR) и амино-заместители увеличивают электронную плотность в кольце.
π-электроны текут от заместителей к кольцу.
Эффект наибольший в орто- и пара- положениях.
В таких заместителях есть неподелённая электронная пара на атоме, связанным с кольцом!!
Резонансный эффект – доноры электронов

Эти заместители являются электроноакцепторными и индуктивно и мезомерно (кроме ионов аммония).
Они сильно дезактивируют кольцо для реакций электрофильного ароматического замещения.
Резонансный эффект – акцепторы электронов

Влияние заместителей на скорость электрофильного замещения
Активирующие группы отдают электроны кольцу, стабилизируя промежуточный карбкатион.
Дезактивирующие группы выводят электроны из кольца, дестабилизируя промежуточный карбкатион.

Результат действия индуктивного и мезомерного эффектов
Заместители NH2, OH, OR и Cl являются донорами электронов в результате резонанса, но они также являются акцепторами электронов в результате индуктивного эффекта:
Увеличение электронной плотности в бензольном кольце посредством резонанса часто (но не всегда!) является более значительным, чем индуктивный эффект вывода электронов из кольца.
Сильно активирующие заместители

Заместитель, уже находящийся в кольце, определяет положение в которое вступает новый (второй, далее третий и т.д.) заместитель.
Влияние заместителей на ориентацию электрофильного замещения

Все активирующие заместители являются орто/пара-ориентантами.
Это алкильные группы, OH, OR, NH2, NHR группы.
Влияние заместителей на ориентацию электрофильного замещения

Галогены – слабо дезактивирующие группы, также являются орто/пара-ориентантами.
Влияние заместителей на ориентацию электрофильного замещения

Все заместители, которые дезактивируют ароматическое кольцо сильнее, чем галогены, являются мета-ориентантами.
Влияние заместителей на ориентацию электрофильного замещения

Орто/пара ориентирующий заместитель

Мета ориентирующий заместитель

Орто/пара и мета ориентанты

При наличии более одного заместителя, обладающих разным и несогласованным действием, направление реакции определяется донорным заместителем. В случае нескольких донорных заместителей направление реакции определяется заместителем с большим эффектом.
Пара-замещение обычно преобладает над орто-замещением, и тем в большей степени, чем больше объем заместителя и/или электрофила (стерический фактор).
Правила ориентации при электрофильном аром.замещении

Правила ориентации при электрофильном аром.замещении
Если возможна атака двух или более позиций, предпочтительна наименее стерически затрудненная.

Галогенирование бензола
Фторирование происходит так быстро, что трудно остановить монофторирование кольца. Для этой реакции используются специальные реагенты (например, selectfluor).
Йод настолько неактивен, что необходимо использовать сильный окислитель для его превращения в катион:
Хлорирование и бромирование бензола требует присутствия катализатора - кислоты Льюиса.
Selectfluor

Кислоты Льюиса ослабляют связь Br–Br (или Cl–Cl), что делает галоген более электрофильным.

Механизм бромирования бензола
Катализатор регенерируется:
© 2011 Pearson Education, Inc.

Аминогруппа в анилине и гидроксильная группа в феноле активируют реакции галогенирования и являются орто/пара-ориентантами. Эти группы так активируют кольцо, что катализатор не требуется и происходит полигалогенирование.
Галогенирование производных бензола

Пример биологически активных галогенаренов
Гербициды (дефолианты) активно использовались во Вьетнамской войне, чтобы уничтожить заросли джунглей. Агент Оранж - представлял собой смесь 2,4-дихлорфеноксиуксусной кислоты (2,4-Д) и 2,4,5-трихлорфеноксиуксусной кислоты (2,4,5-T) и содержал значительные концентрации диоксина — мутагена, который вызывает онкологические заболевания и генетические мутации. Из трёх миллионов вьетнамцев — жертв химиката, свыше миллиона человек в возрасте до 18 лет стали инвалидами, страдающими наследственными заболеваниями.

Нитрование бензола

Образование нитроний-катиона:
Ароматическое электрофильное замещение:

Нитрование толуола
Толуол реагирует в 25 раз быстрее, чем бензол. Метильная группа является активирующей группой.
Продуктами в основном являются орто- и пара-замещённые молекулы.

Ориентация при нитровании замещённых бензолов

Факторы парциальных скоростей
Это скорость замещения в каком-то положении ароматического соединения относительно скорости замещения в одном положении в бензоле. Например, фактор парциальной скорости fp для пара-замещения в монозамещенном бензоле C6H5Z связан с константами скорости k(C6H5Z) и k(C6H6) для всех положений в C6H5Z и бензоле, соответственно, и с процентным содержанием продукта пара-замещения в полученной смеси (% para) соотношением:
Аналогично для мета-замещения:

Аренониевый ион (σ-комплекс)
Интермедиат (аренониневый ион) более стабилен, если нитрование происходит в орто- или пара-положение.

Взрывчатые вещества должны генерировать большое количество газа, чтобы создавать большое давление при взрыве. Соединения, содержащие несколько нитрогрупп, способны выделять газообразный NO2 или N2.
Тротил является составной частью многих взрывчатых средств. Тротил синтезируется в три этапа:
Тринитротолуол (тротил)

Сульфирование бензола

Сульфокислоты являются сильными кислотами:

Сульфирование, в отличие от других реакций электрофильного замещения, обратимо:
Для сульфокислот возможно проведение ипсо-замещения (замещение сульфогруппы на нитрогруппу):

Обычное распределение продуктов замещения при наличии в цикле орто/пара ориентанта – 60 на 40% (больше пара).
Для замещения только по орто положению используют заместители, которые можно обратимо установить на бензол - (SO3H) и трет-бутильную группу.
Сульфирование – метод блокирования пара положения для селективного замещения по орто положению

Бриллиантовый пурпурный 4R (E124) Тартразин (желтый) (E102)
Сульфирование увеличивает растворимость соединений в воде
Ниже приведены два примера водорастворимых красителей, содержащих сульфогруппы.

Алкилирование бензола (реакция Фриделя-Крафтса)

Недостаток реакции: катион может перегруппировываться в более стабильный.
Алкилирование бензола (реакция Фриделя-Крафтса)

При использовании сильно разветвлённых галогеналканов преимущественно получается продукт перегруппировки:
Алкилирование бензола (реакция Фриделя-Крафтса)

Алкилирование можно проводить алкенами или спиртами в присутствии кислот

Ограничения реакции алкилирования
Можно использовать только галогеналканы (F,Cl, I, Br). Арилгалогениды и виниловые галогениды не реагируют (их карбкатионы слишком нестабильны).
Часто протекает полиалкилирование субстратов.
Реакция не будет протекать с кольцами, содержащими аминогруппу или сильную электроноакцепторную группу.

Ацилирование по Фриделю-Крафтсу
Реакция хлорангидридов кислот (RCOCl) или ангидридов и ароматического кольца в присутствии AlCl3 вводит ацильную группу –COR.
Электрофилом является ацилий-катион:

Аналогичен алкилированию.
Электрофил: резонансно стабилизированный ацильный катион.
Ацильный катион не перегруппировывается!!
Не протекает полизамещения, так как ацильная группа – дезактивирует кольцо!!
Механизм реакции ацилирования

Механизм реакции ацилирования:
Должен быть использован более чем один эквивалент AlCl3:

Синтез ароматических альдегидов
(реакция формилирования)
Реакция Гаттермана-Коха — метод формилирования аренов (включая полициклические арены) действием на них моноксида углерода и хлороводорода в присутствии кислот Льюиса:

Формилирование
по Гаттерману-Коху
Формилхлорид нестабилен. Используется смесь из CO, HCl и катализатора под высоким давлением .
Продукт - бензальдегид.

Укажите, являются соединения ароматическими, антиароматическими или не ароматическими.
Задания

Пентален является неуловимой молекулой, которая была выделена только в жидком азоте (-196 °С). Дианион пенталена, однако, хорошо известен и довольно стабилен. Объясните почему?
Индол является гетероциклом, содержащим бензольное и пиррольное кольцо. Он встречается в человеческом кале и имеет неприятный запах. Однако при очень низких концентрациях он имеет цветочный запах и является составной частью многих цветочных ароматов (например, цветов апельсина) духов. Является ли индол ароматическим соединением?

Укажите, являются ли пиримидиновые и пуриновые основания, входящие в состав ДНК, ароматическими?

Назовите соединения:

Когда следующее соединение обрабатывают Br2 в присутствии
кислоты Льюиса преобладает один продукт. Нарисуйте его структуру.

Предскажите структуру продукта/продуктов мононитрования для нарисованных соединений:
Предскажите структуру продукта алкилирования a) изопропилбензола с помощью 3-хлор-2,2-диметилбутана и хлорида алюминия (III), b) трет-бутилбензола с помощью 2-метилпропена и HF.

Какое из соединений наименее активно в условия реакции Фриделя – Крафтса?

Какой продукт будет получен в результате реакции алкилирования Фриделя-Крафтса?

Напишите продукты реакций.

Предскажите в соединениях реакционный центр для электрофильного замещения?

Какова структура продукта реакций?

Для каждой из следующих групп соединений определите, какие
соединение будет реагировать наиболее быстро с этилхлоридом в присутствии трихлорида алюминия и предскажите ожидаемые продукты реакции.

В какие положения будут проходить реакции электрофильного ароматического замещения?
Стирол – продукт для синтеза полимера (полистирола) получают в промышленности дегидрированием этилбензола. Какой ещё способ получения стирола из бензола можно предложить, используя известные реакции электрофильного и радикального замещений и отщепления?

4-изопропилацетофенон используется в парфюмерии, имеет запах фиалки. Предложите его синтез из бензола.