در این پست ما در مورد جایگزینی آروماتیک هسته دوست صحبت خواهیم کرد، اما با یک پیچ جدید. یک جایگزین آروماتیک هسته دوست که از یک واسطه عجیب و غریب به نام آرین عبور می کند (اصطلاح عمومی برای خانواده ای از مولکول ها که شامل بنزین است).

فهرست مطالب

جایگزینی آروماتیک نوکلئوفیل – یک جمع بندی سریع
یک “جایگزین آروماتیک هسته دوست” به نام، اما با مکانیسمی متفاوت
واسطه “بنزین”.
واکنش بنزین جایگزین – “آرین”
بنزین تحت واکنش های دیلز-آلدر قرار می گیرد
ساختار بنزین
خلاصه: جایگزینی آروماتیک هسته دوست از طریق بنزین
یادداشت
خودت امتحان کن
(پیشرفته) مراجع و مطالعه بیشتر
1. خلاصه سریع: جایگزینی آروماتیک هسته دوست

قبلاً [نگاه کنید به: جایگزینی معطر هسته دوست] دیدیم که حلقه های معطر فقیر از الکترون حاوی یک گروه ترک می توانند با هسته دوست های غنی از الکترون جایگزین شوند. ما دیدیم که مکانیسم از طریق افزودن یک هسته دوست به حلقه معطر (از طریق یک واسطه غنی از الکترون) و به دنبال از دست دادن یک گروه ترک انجام می شود، در فرآیندی که گاهی اوقات “افزودن-حذف” نامیده می شود.

نکته مهم این است که تنها محصول جایگزین محصولی است که در آن هسته دوست به همان کربنی که حامل گروه خروجی است متصل می شود. (این آن را از جایگزینی معطر الکتروفیلیک متمایز می کند، جایی که می توان مخلوطی از محصولات ارتو، پارا و متا را به دست آورد.)

2. “جایگزینی آروماتیک هسته دوست” به نام، اما با مکانیسم متفاوت

اگرچه مکانیسم “افزودن-حذف” برای جایگزینی آروماتیک هسته دوست حداقل از سال 1902 شناخته شده است (زمانی که مایزنهایمر یک واسطه کلیدی را جدا کرد)، در نیمه اول قرن بیستم به طور فزاینده ای مشخص شد که واکنش های خاصی به عنوان “جایگزینی آروماتیک هسته دوست” طبقه بندی می شوند. به نظر می رسد که در مجموع از طریق مکانیسم متفاوتی پیش می رود.

به عنوان مثال، مشخص شد که تیمار کلروبنزن با آمید سدیم (NaNH2) در آمونیاک مایع (نقطه جوش = -33 درجه سانتیگراد) منجر به تشکیل سریع آمینو بنزن (“آنیلین”) شد:

مکانیزم حذف افزودن در اینجا درست به نظر نمی رسد، با توجه به این که واکنش های جایگزینی آروماتیک هسته دوست با گروه های بسیار قوی تر حذف کننده الکترون (مانند NO2، به جای Cl) به دماهای بالاتر و زمان واکنش طولانی تر نیاز دارند.

مشاهدات دیگر این بود که هیچ واکنشی تحت این شرایط زمانی که موقعیت‌های ارتو به گروه‌های آلکیل متصل شده بودند، رخ نداد. یک هیدروژن در یکی از این موقعیت ها برای ادامه واکنش ضروری است.

(توجه داشته باشید – NaNH2 و KNH2 را می توان اساساً برای اهداف ما یکسان در نظر گرفت)

مشاهده دوم این بود که در مورد زیر فقط محصولات ارتو و متا تشکیل می‌شوند و هرگز پارا- .

3. Benzyne Intermediate

واسطه‌های مختلفی برای توضیح این نتایج پیشنهاد شد، اما سپس در سال 1953، جان دی رابرتز (در آن زمان در MIT) با انتشار یکی از زیباترین آزمایش‌های شیمیایی تمام دوران، آن را ثابت کرد.

او و تیمش کلروبنزن را سنتز کردند اما با یک تفاوت خاص: کربن متصل به کلر یک ایزوتوپ رادیواکتیو کربن (14C) بود، نه کربن (12C).

این اتم کربن رادیواکتیو به‌عنوان یک «برچسب» اتمی عمل می‌کرد که به آن‌ها اجازه می‌داد تا به طور قطعی تعیین کنند که آیا جایگزینی منحصراً در کربن حامل گروه خروجی اتفاق افتاده است یا خیر. (چگونه؟ جزئیات در این پانوشت)

گروه رابرتز این واکنش را تحت شرایطی که قبلاً گزارش شده بود انجام داد و متوجه شد که حدود 50 درصد از محصول به NH2 متصل به کربن برچسب‌گذاری شده ختم شد و 50 درصد دیگر NH2 روی کربن مجاور برچسب داشتند.

این با مکانیسم حذف-افزودن سازگار نیست!

در واقع، نسبت تقریباً 50:50 محصولات حاکی از دخالت یک واسطه متقارن است که به طور مساوی در هر دو طرف مورد حمله قرار می گیرد.

پیشنهاد رابرتز – که امتحانش را پس داده است – دخالت یک واسطه کوتاه مدت با پیوند سه گانه کربن-کربن بود: «بنزین»!

در نگاه اول، این دیوانه کننده به نظر می رسد. پیوند سه گانه در یک حلقه معطر؟

خوب، این یک پیوند سه گانه کاملاً واقعی به روشی که ما با آن آشنا هستیم (یعنی با آلکین ها) نیست. به جای همپوشانی بین دو اوربیتال 2p (مانند یک آلکین)، “پیوند سه گانه” از طریق همپوشانی دو اوربیتال sp2 مجاور در صفحه حلقه (یعنی در زوایای قائم نسبت به سیستم pi معطر و کاملا مستقل از آن) تشکیل می شود. ).

از آنجایی که این اوربیتال ها در واقع از یکدیگر دور هستند، همپوشانی بین آنها ضعیف است و در نتیجه یک “پیوند سه گانه” ایجاد می شود که در واقع بسیار ضعیف است.

انرژی کرنش بنزین حدود 50 کیلوکالری در مول تخمین زده شده است – بیشتر از سیکلوپروپان (28 کیلوکالری در مول)، و فقط کمی کمتر از سیکلوپروپن (54 کیلوکالری در مول).

یک راه شهودی برای اندیشیدن در مورد آن، تصور دخالت دو ساختار تشدید (سمت چپ و سمت راست، پایین) است که سهم قوی (و مساوی) در هیبرید رزونانس کلی دارند، به طوری که هر دو کربن را می توان «الکتروفیل» در نظر گرفت.

[روش دقیق تر برای درمان آن از دیدگاه مداری مولکولی است –

یک پیوند ضعیف منجر به یک LUMO کم انرژی و بنابراین یک سد انرژی کمتر در برابر حمله هسته دوست ها می شود].

هر چقدر هم که عجیب به نظر برسد، واسطه بنزین تمام این مشاهدات مهم و موارد دیگر را توضیح می دهد.

در مرحله اول (حذف) یک پایه قوی هیدروژنی را از کربن مجاور آن حامل گروه ترک خارج می کند و در نتیجه یک واکنش حذفی ایجاد می شود که پیوند سه گانه را تشکیل می دهد. این توضیح می دهد که چرا وقتی هر دو موقعیت مجاور گروه خروجی فاقد هیدروژن هستند، هیچ واکنشی رخ نمی دهد!

در مرحله دوم (افزودن)، حمله قوطی به هر طرف پیوند سه‌گانه می‌آید، که منجر به مخلوطی 1:1 از محصول با NH2 متصل به کربن نشان‌دار (A) و NH2 در مجاورت کربن نشان‌دار می‌شود. ب).

اگرچه استفاده از NH2 به عنوان نوکلئوفیل وسوسه انگیز است، اما احتمال بیشتری وجود دارد که هسته دوست در اینجا حلال، NH3 باشد، که به آسانی با ماده واسط بنزین بسیار فعال واکنش نشان می دهد. پس از حمله NH3، انتقال پروتون به محصول خنثی منجر می شود. [توجه داشته باشید که اگرچه انتقال پروتون درون مولکولی در زیر نشان داده شده است، همچنین می توان نشان داد که از طریق مکانیسم بین مولکولی انجام می شود]

4. واکنش های بنزین جایگزین (“آرین”)

وقتی یک جایگزین روی بنزین وجود دارد چه اتفاقی می‌افتد؟ [توجه: همانطور که ترکیبات جایگزین بنزن «آرن» نامیده می شوند، بنزین های جایگزین «آرین» نامیده می شوند. ]

هنگامی که یک جایگزین وجود دارد، یک آرین نامتقارن ایجاد می شود و حداقل دو محصول (و گاهی اوقات سه) به طور بالقوه می توانند تشکیل شوند. در مثال زیر، حمله NH3 به کربن A منجر به محصول ارتو و حمله NH3 به کربن B منجر به فرامحصول می‌شود.

پس چگونه جانشین های روی حلقه بر روی پیوند سه گانه تأثیر می گذارند؟

از آنجایی که سیستم پی معطر در زوایای قائمه با پیوند سه گانه قرار دارد، چیزی که مهم نیست توانایی اهدای یک جفت تنها به حلقه (مانند OCH3) یا پذیرش یک جفت تنها از آن (مانند NO2) است.

با این حال، اثرات القایی همچنان مرتبط هستند (به عنوان مثال، اثرات خروج الکترون که از طریق پیوندهای منفرد رخ می‌دهند).

چرا؟ اضافه شدن به پیوند سه گانه، بار منفی روی کربن ایجاد می کند و گروه های الکترون گیر بار منفی را تثبیت می کنند: هر چه نزدیک تر، بهتر.

بنابراین یک اصل کلیدی در افزودن نوکلئوفیل‌ها به آرین‌ها این است که  افزودن به گونه‌ای اتفاق می‌افتد که بار منفی را به یک جانشین الکترون‌کشنده نزدیک‌تر می‌کند.

دو مثال کلیدی

وقتی پیوند سه گانه بین متا و پارا کربن باشد، حمله به نفع پارا محصول خواهد بود، زیرا بار منفی به متا کربن ختم می شود (نزدیکتر از پارا).
هنگامی که پیوند سه گانه بین ارتو و متا کربن باشد، حمله به نفع متا محصول خواهد بود، زیرا بار منفی به کربن ارتو ختم می شود (نزدیکتر از متا)

توجه داشته باشید که این فقط برای گروه‌های الکترون‌کشنده مانند CF3 اعمال می‌شود، نه گروه‌های الکترون دهنده مانند CH3 یا آلکیل. نکته جالب این است که OCH3 در این مثال‌ها مانند یک گروه الکترون‌کشنده رفتار می‌کند، زیرا جفت‌های تنها اکسیژن نمی‌توانند با پیوند سه‌گانه برهمکنش داشته باشند.

برای نمونه های بیشتر به پاورقی ها مراجعه کنید.

5. بنزین تحت واکنش های توسکا قرار می گیرد

بنزین همچنین می‌تواند با دی‌ن‌ها در واکنش‌های دیلز-آلدر واکنش نشان دهد. پیوند سه گانه بنزین به عنوان یک دی انوفیل عمل می کند:

6. ساختار بنزین

برای سال‌های متمادی، بنزین از تلاش‌ها برای جداسازی و مشخص‌سازی سرپیچی می‌کرد، وجود آن از طریق آزمایش‌های به دام انداختن با نوکلئوفیل‌ها یا دی‌ن‌ها استنباط می‌شد. سریع زندگی می کند و جوان می میرد.

در نهایت، بنزین در 6K (یعنی شش درجه بالای صفر مطلق) در آرگون منجمد به دام افتاد و از طریق روش‌های مختلف طیف‌سنجی مورد مطالعه قرار گرفت. پیوند سه گانه حدود 1.26 Å، طولانی تر (و ضعیف تر) نسبت به اتین (1.20 Å) و پیوند C-C مجاور حدود 1.39 A است، کمی کوتاه تر از بنزن.

(به مرجع مراجعه کنید). تمام پیوندهای C-C دیگر در 0.01 Å طول پیوند در بنزن هستند.

7. خلاصه: واکنش های جانشینی هسته دوست از طریق بنزین

یک نوع نهایی از واکنش جایگزینی معطر وجود دارد که باید در نظر بگیریم – خانواده ای از واکنش ها به نام واکنش سندمایر که از گاز نیتروژن (N2) به عنوان گروه ترک استفاده می کند. دفعه بعد بیشتر در مورد آن

پست بعدی: واکنش های نمک های دیازونیوم و واکنش سندمایر

یادداشت
چند نمونه دیگر از جایگزینی
روش های تولید بنزین
مطالعه تخریب رابرتز
1. چند نمونه دیگر از بنزین های جایگزین

هنگامی که یک آرین از P-chlorotoluene ساخته می شود، مخلوطی از محصولات پارا و متا به دست می آید.

هنگامی که به جای CH3 از یک جایگزین الکترون‌کشنده مانند CF3 استفاده می‌شود، مقدار بیشتری از پارامتر تشکیل می‌شود – حدود 60:40 که به نفع پاراگراف است. (آمار با 2:1 متا را ترجیح می دهد).

این به این دلیل است که حمله در موقعیت پارا، بار منفی را به گروه الکترون خارج‌کننده نزدیک‌تر می‌کند.

جالب است که OCH3 تقریباً همان نسبت CF3 را می دهد (60:40). این بدان معنی است که اکسیژن صرفاً به عنوان یک گروه الکترون خارج کننده عمل می کند، نه یک اهداکننده pi. (شواهد بیشتر مبنی بر اینکه جفت اکسیژن تنها نمی تواند با پیوند سه گانه تعامل داشته باشد.)

با سری ارتو، نتایج حتی چشمگیرتر هستند. با CH3، حدود مایل مساوی

ترکیبی از محصولات ارتو و متا به دست می آید. با CF3 و OCH3، فقط متا مشاهده می شود.

2. برخی از راه های تولید بنزین

بنزین را می‌توان به روش‌های مختلفی به غیر از پروتون‌زدایی با پایه‌ای قوی مانند NaNH2 یا KNH2 تولید کرد.

معرف های گریگنارد بسیار شبیه کاربانیون ها عمل می کنند. بنابراین یک مسیر متفاوت برای تشکیل بنزین، شروع با دی هالوبنزن مانند O-bromofluorobenzene و درمان آن با فلز منیزیم است. Grignard تشکیل می شود و سپس این “آنیون” می تواند حتی یک گروه خروجی خوب مانند فلوئور را جابجا کند تا پیوند سه گانه ایجاد کند:

مسیر دیگر تولید یک گروه خروجی است که می تواند به صورت گاز برگشت ناپذیری مانند CO2 یا N2 را ترک کند.

در اولین واکنش زیر، نور UV پیوند ضعیف O-O را می شکند و سپس تجزیه همولیتیک منجر به از دست دادن دو مولکول CO2 برای تولید بنزین می شود.

در مثال دوم، اسید آنترانیلیک موجود در بازار (و ارزان) با HNO2 و HCl به یون دیازونیوم تبدیل می شود. گرما منجر به از دست دادن CO2 و N2 می شود:

این فقط نوک کوه یخ است. برای مطالعه بیشتر، این ارائه درباره آرین ها توسط اریک ولین از گروه مک میلان در پرینستون یک مقدمه عالی است.

3. مطالعه تخریب.

امروزه، نتایج آزمایش برچسب‌گذاری رابرتز از طریق تکنیکی به نام رزونانس مغناطیسی هسته‌ای یا NMR در حدود 5 دقیقه مشخص می‌شود.

اما در سال 1954، این تکنیک وجود نداشت. بنابراین لازم بود نسبت را با شکستن محصولات به اجزای ساده‌تر از طریق واکنش‌های شیمیایی کاملاً درک شده، تکنیکی به نام «تجزیه» تعیین کنیم.

آنیلین از طریق تشکیل نمک دیازونیوم و جایگزینی با آب به فنل تبدیل شد. هیدروژناسیون با نیکل رانی تحت فشار بالا سیکلوهگزانول را به وجود آورد که سپس با اسید کرومیک به سیکلوهگزانون اکسید شد. واکنش اشمیت سیکلوهگزانون را به یک لاکتام تبدیل کرد که به اسید آزاد هیدرولیز شد. سپس واکنش دوم اشمیت CO2 را آزاد کرد که با هیدروکسید باریم به دام افتاده بود. مشخص شد که رادیواکتیویته CO2 و محصولات دی آمین تقریباً برابر است (و هر کدام تقریباً نیمی از واکنش‌پذیری کل پیش‌ساز اسید)، بنابراین تأیید می‌کند که حمله نیتروژن در دو کربن مختلف رخ داده است.

اجداد شیمیایی ما مجبور بودند کار ایوب را فقط برای به دست آوردن یک ساختار انجام دهند.

کسی که بیش از هر کس دیگری برای توسعه و رایج کردن استفاده از NMR به عنوان تکنیکی برای تعیین ساختار ترکیبات آلی تلاش کرد و در نتیجه ما را از این بدبختی رها کرد؟

جان رابرتز، که مدت کوتاهی پس از انتشار این مطالعه بنزینی شروع به کار بر روی آن کرد.

خودت امتحان کن

 

(پیشرفته) مراجع و مطالعه بیشتر

در این دو مقاله اول، جورج ویتیگ، برنده جایزه نوبل، واکنش های O-fluorophenyllithium را توصیف می کند و پیشنهاد می کند که آنها از طریق یک واسطه زوئیتریونی عبور کنند (اگرچه در مقاله 2 او همچنین از یک ساختار با پیوند سه گانه برای o-benzyne استفاده می کند).

Über die Bildung von Diphenyl aus Fluorbenzol und Phenyl-lithium (IV. Mitteil. über Austauschreaktionen mit Phenyl-lithium)
گئورگ ویتگ، گوستاو پیپر، گرهارد فورمن
بر. 1940، 73 (11)، 1193-1197
DOI: 10.1002/cber.19400731113
فنیل لیتیوم، der Schlüssel zu einer neuen Chemie metallorganischer Verbindungen
گئورگ ویتگ
Naturwissenschaften نوامبر 1942، جلد 30، شماره 46-47، صفحات 696-703
DOI:1007/BF01489519 این مقالات کلاسیک پروفسور J. D. Roberts هستند که در آنها از کلروبنزن نشاندار شده با 14C و KNH2 برای اثبات واسطه بودن بنزین به دلیل به هم خوردن برچسب 14C پس از واکنش استفاده کرد.
بازآرایی در واکنش کلروبنزن-1-C14 با آمید پتاسیم
جان دی رابرتز، هاوارد ای. سیمونز جونیور، ال. ای. کارلسمیت، و سی. ویتون وان
مجله انجمن شیمی آمریکا 1953 75 (13)، 3290-3291
DOI: 1021/ja01109a523
مکانیسم آمیناسیون هالوبنزن ها
جان دی. رابرتز، دوروتی آ. سمنو، هاوارد ای. سیمونز جونیور، و ال. ای. کارلسمیت
مجله انجمن شیمی آمریکا 1956 78 (3)، 601-611
DOI: 1021/ja01584a024
TRIPTYCEN
گئورگ ویتگ
مصنوعی. 1959، 39، 75
DOI: 10.15227/orgsyn.039.0075
این روش در Organic Syntheses، منبعی از روش‌های آزمایشی شیمی آلی مصنوعی قابل اعتماد و مستقل، نیز از Georg Wittig است و یک روش کلاسیک برای تهیه بنزین است.
1،2 ناشی از فلوراید – حذف O-TRIMETHYLSILYLPENYL TRIFLATE به بنزین در شرایط خفیف
یوشیو هیمیشیما، تاکاکی سونودا، هیروشی کوبایاشی
Lett. 1983، 1211-1214
DOI: 10.1246/cl.1983.1211
این مقاله بسیار تأثیرگذار در شیمی آلی است، زیرا این شیمی تولید بنزین را در شرایط بسیار ملایم (دمای اتاق یا کمتر) امکان پذیر می کند.
آسیل آلکیلاسیون مستقیم آرین ها [تهیه متیل 2-(2-استیل فنیل)استات]
دیوید سی. ابنر، اوتام کی تامبار، و برایان ام. استولتز
مصنوعی. 2009، 86، 161
DOI: 10.15227/orgsyn.086.0161
نمونه ای از یک روش مصنوعی مدرن شامل بنزین، با استفاده از شیمی توسعه یافته توسط کوبایاشی (مراجعه 6). پروفسور برایان استولتز (Caltech) بسیاری از روش های ترکیبی جالب را با استفاده از بنزین توسعه داده است (و به توسعه ادامه می دهد).