Elektrophile, nucleophile und radikalische Substitutionen ...

1 Kapitel 7 Elektrophile, nucleophile und radikalische Substitutionen an aromatischen Kohlenwasserstoffen und aromatischen Heterocyclen bersicht Elektrophile aromatische Halogenierung zu Arylhalogeniden Elektrophile aromatische Nitrierung; Kupplung von Diazoniumsalzen zu Azofarbstoffen Elektrophile aromatische Alkylierung, Hydroxyalkylierung, Acylierung und Formylierung nucleophile und radikalische aromatische Substitutionsreaktionen 7. Elektrophile, nucleophile und radikalische Substitutionen an Aromaten bersicht Benzol ist der klassische Vertreter aromatischer Verbindungen, es besitzt ein cyclisch konjugiertes System mit 6 -Elektronen ( aromatisches Sextett ) in einem planaren 6-Ring. Gegen ber dem hypothetischen Cyclohexatrien besitzt Benzol eine Resonanz- oder Stabilisierungsenegie von 152 kJ/mol (36 kcal/mol).

2 Die Stabilisierungsenergie wird aus Hydrierenthalpien oder Verbrennungsw rmen abgeleitet. HHHHHHHHHHHHHHHHHH = ppm Die einfachste Methode zur Charakterisierung aromatischer Systeme ist die 1H-NMR-Spektroskopie. Im 1H-NMR-Spektrum wird im Benzol durch das angelegte u ere Mag-netfeld ein so genannter Ringstrom induziert, der das angelegte Magnetfeld au erhalb des Rings verst rkt, innerhalb des Rings schw cht. Durch diesen diatropen Effekt wer-den in aromatischen Ringsystemen die Signale der u eren Protonen zu tiefem Feld (gr ere -Werte, (Benzol) = ppm), die von inneren Protonen zu hohem Feld (kleinere -Werte, bis zu 10 ppm) verschoben (siehe unten).[1, 2] Der Begriff der Aromatizit t wurde durch E. H ckel 1931 wesentlich erweitert. Hiernach besitzen alle planaren, cyclisch konjugierten Systeme mit (4n+2) -Elektronen aromati-sche Bindungsverh ltnisse (H ckel-Regel):[3] HHHHHHHHHHHHHHHHHHHH2 -Elektronenn = 06 -Elektronenn = 16 -Elektronenn = 110 -Elektronenn = 2 = ppm10 -Elektronenn = 2 Die wichtigsten Reaktionen von Benzol und aromatischen Kohlenwasserstoffen sind die elektrophilen aromatischen Substitutionen .

3 In einem 2-stufigen Mechanismus ber bersicht nicht aromatische -Komplexe (Areniumionen) bilden sich nach Abgabe eines Protons die substituierten aromatischen Systeme. Der Bildung des -Komplexes kann ein -Komplex vorgeschaltet sein:[4] HEHHEHHEHHEEE langsam -Komplex (Areniumion, Wheland-Intermediat)+HEEH -Komplex -Komplex Die -Komplexe k nnen in speziellen F llen bei tiefen Temperaturen isoliert werden, wenn die positive Ladung durch elektronenspendende Substituenten in o- und p-Position stabilisiert wird. Die elektrophile Zweitsubstitution an monosubstituierten Benzolen kann prinzipiell in o-, m- oder p-Stellung erfolgen.

4 -Komplex(X=NR2) -Komplex(X=NO2) -Komplex(X=Cl) o Erstsubstituenten X = +M: O, NR2, NH2, OH, OR, NHCOR (Donorsubstituenten) erh hen die Reaktivit t des Systems verglichen mit Benzol und dirigieren in die o- und p-Position. Der zum -Komplex f hrende bergangszustand ( Z) wird durch die Konjugation mit dem freien Elektronenpaar am Substituenten X stabilisiert ( G (o,p) << G (m)); die Substitution verl uft in o- und p-Position schneller als in m-Position. o Erstsubstituenten X = M: NO2, CN, CHO, COR, CO2H, CO2R, CONR2 (Acceptor-substituenten) desaktivieren verglichen mit Benzol und dirigieren in die meta-Posi-tion, die am wenigsten desaktiviert ist. o F r Erstsubstituenten X = I/+M: F, Cl, Br, I beobachtet man eine Desaktivierung al-ler Positionen durch den I-Effekt und eine o- und p-Orientierung (Stabilisierung der Z durch +M-Effekt).

5 O Erstsubstituenten X = +I: Alkyl; X = +M: Aryl zeigen o- und p-Orientierung mit schwacher Aktivierung verglichen mit Benzol. 7. Elektrophile, nucleophile und radikalische Substitutionen an Aromaten o Da die Orientierungsregeln auf der kinetisch kontrollierten Produktbildung beruhen, sind sie nur bei irreversibler Reaktionsf hrung g ltig. Sofern die Reaktionen thermo-dynamisch kontrolliert sind, bestimmt der Energieinhalt der Substitutionsprodukte das Produktverh ltnis. Quantitative Aussagen und Vorhersagen ber die Reaktionsgeschwindigkeiten f r be-stimmte Substitutionsreaktionen in m- und p-Stellung als Funktion des Elektrophils lie-fert die Hammett-Gleichung. Die Reaktionsgeschwindigkeiten in o-, m- und p-Position lassen sich durch die partiellen Geschwindigkeitsfaktoren (fo, fm, fp) beschreiben.

6 Die wichtigsten elektrophilen aromatischen Substitutionsreaktionen sind die Halogenie-rung (E = Hal), die Nitrierung (E = NO2), die Sulfonierung (E = SO3H), die Friedel-Crafts-Alkylierung (E = Alkyl) und -Acylierung (E = COR), die Formylierung (E = CHO), die Azokupplung (E = N=N Ar), die Hydroxymethylierung (E = CH2OH),[5] die Chlormethylierung (E = CH2Cl), und die Aminoalkylierung (E = CH2NR2).[6] Im Vergleich zur elektrophilen aromatischen Substitution spielt die nucleophile aromatische Substitution ( von Halogen) eine deutlich weniger wichtige Rolle. Im Gegensatz zur SN2-Reaktion am sp3-Kohlenstoff aliphatischer Alkylhalogenide kann die Substitution am sp2-Kohlenstoff nur ber einen Additions-Eliminierungs-Mechanis-mus mit einem -Komplex als Zwischenstufe verlaufen.[7] Die nucleophile Substitution nach dem SN2Ar-Mechanismus verl uft praktisch nur, wenn in 2,4- oder 2,4,6-Stellung elektronenziehende Substituenten stehen, die im Z die nega-tive Ladung delokalisieren k nnen (N2, NO, NO2, CN, CHO, COR, CO2R).

7 NuHalNOONO2 NuNO2NO2 HalNO2NO2Nu-Hal -Komplex Eine gro e Zahl von -Komplexen der SN2Ar-Reaktion konnte als tieffarbige Salze in Substanz isoliert werden, man bezeichnet sie nach ihrem Entdecker als Meisen-heimer-Komplexe.[8] OONO2O2 NNO2RR'KR,R' = Alkyl Die Umsetzung von Chlorbenzol mit konz. NaOH bei 300 C verl uft nicht nach SN2Ar sondern nach einem Eliminierungs-Additions-Mechanismus ber Dehydrobenzol.[9] OHHalHNuHalNu -KomplexNuOHH2O-HalDehydrobenzol bersicht In Diazoniumsalzen mit Stickstoff als Abgangsgruppe verlaufen Substitutionsreaktionen nach einem SN1Ar-Mechanismus,[10] der hnlichkeit mit den SN1-Reaktionen am sp3-Kohlenstoff hat: NHHNNuHHHHNu Nu = F , Cl , Br , I , H , OH , SCN , SR , N3 In Gegenwart von Metallionen ( Cu) laufen auch radikalische Mechanismen ab.

8 Aromatische Heterocyclen bieten ein differenziertes Bild: Bei den elektronenreichen 5-gliedrigen Heteroaromaten Furan, Thiophen und Pyrrol verlaufen elektrophile aromatische Substitutionen in allen Positionen leichter als beim Benzol; die -Stellung ist vor der -Position bevorzugt. Pyridin dagegen wird wesentlich schwerer elektrophil substituiert als Benzol; die Sub-stitution erfolgt in 3- und 5-Position. Beim elektronenarmen Pyridin dominiert die nucleophile aromatische Substitution in 2-Stellung. NNHRLiNR-LiH(R Li )Ziegler-Reaktion[11] Bei der klassischen Chichibabin-Reaktion reagieren Pyridine mit freier -Position mit NaNH2 in fl ssigem Ammoniak zu 2-Aminopyridinen:[12] NHNHNH2 NNH2 NNHNNH2+ NH2- H+ H / - H2H / H2O Halogene in 2- und 4-Position am Pyridin werden sehr leicht nach einem SN2Ar -Mecha-nismus durch nucleophile substituiert.

9 NHalNHalNuNNu+ Nu+ Hal 7. Elektrophile, nucleophile und radikalische Substitutionen an Aromaten Die leicht zug nglichen Pyridin-N-oxide sind bifunktionell. Sie k nnen in Abh ngigkeit von den Abgangsgruppen sowohl nucleophil als auch elektrophil substituiert werden (siehe Kap. ). Literatur [1] Haddon, J. Am. Chem. Soc. 1979, 101, 1722 1728. [2] Haddon, T. Fukunaga, Tetrahedron Lett. 1980, 21, 1190 1192. [3] a) T. Nakajima, Pure Appl. Chem. 1971, 28, 219 238; b) T. Nakajima, Fortschr. Chem. Forsch. 1972, 32, 1 42. [4] R. Taylor, Electrophilic Aromatic Substitution, John Wiley & Sons, New York 1990. [5] a) G. Casiraghi, G. Casnati, G. Puglia, G. Sartori, Synthesis 1980, 124 125; b) H. Schnell, H. Krimm, Angew.

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