Invloed van positierichtende groep op mono-, di- en trisubstitutie

PdeJongh

PdeJongh, , gefeliciteerd !!

Deze topic is door de gebruikers van Wetenschapsforum genomineerd als

Hallowa.

Ik zit met een vraagstuk en hoop dat iemand me hiermee kan helpen.

Achtergrond

Op school ben ik momenteel bezig met mijn minorproject over de synthese van 1-broom-3-chloor-5-joodbenzeen vanuit aniline. Dit is een zes stappen tellende synthese die bestaat uit de volgende zes delen:

Synthese van acetanilide uit aniline
Synthese van 4-broomacetanilide uit acetanilide
Synthese van 4-broom-2-chlooracetanilide uit 4-broomacetanilide
Synthese van 4-broom-2-chlooraniline vanuit 4-broom-2-chlooracetanilide
Synthese van 4-broom-2-chloor-6-joodaniline vanuit 4-broom-2-chlooraniline
Synthese van 1-broom-3-chloor-5-joodbenzeen vanuit 4-broom-2-chloor-6-joodaniline

Voor het gemak heb ik het ook even weergeven in onderstaande afbeelding:

De amine (en later amide) is de zijgroep aan de ring die ervoor moet zorgen dat de halogenen op de juiste posities terecht komen. De amine is een sterke positierichtende groep en wordt eerst omgebouwd tot de amide, die minder sterk is als positierichtende groep. Door er een minder sterke groep van te maken, wordt er di- en tribromering (op de orthoposities) en in de volgende stap dichlorering (op twee i.p.v. één orthopositie) voorkomen.

Vervolgens moet er nog jood aangehangen worden, maar daarvoor is de amide niet sterk genoeg. Daarom wordt deze weer omgebouwd tot de oorspronkelijke amine. Daarna is het wel mogelijk om het jood eraan te hangen. Tot slot wordt de amine eraf gehaald.

Probleem

Het is natuurlijk makkelijk gezegd dat de amide zwakker is dan de amine. Als betrouwbare literatuur dat zegt, zal dat vast wel kloppen. Maar waarom is dat nou eigenlijk? Dat is het grote vraagstuk waar ik mee zit.

Op de orthopositie is natuurlijk enige sterische hindering van de zijgroep die wel enigszins kan verklaren waarom er slechts monobromering plaatsvindt (op de parapositie). Maar vervolgens wordt er wel een chloor op de ene orthopositie gezet. Als er eentje kan, waarom zou er dan geen dichlorering plaatsvinden? Er zal misschien een klein beetje gedichloreerd worden, maar voornamelijk monochlorering. Dat moet ook wel, want de andere orthopositie moet vrij blijven voor het jood. En als de amide wel ervoor kan zorgen dat er een waterstofatoom wordt vervangen door een chlooratoom, waarom kan er dan geen joodatoom op de plaats van een ander waterstofatoom gezet worden? Waarom moet daarvoor de amide weer een amine worden?

De centrale vraag

Wat is nu de theorie achter de invloed van de positierichtende zijgroep op mono-, di- en trisubstitutie?

Eigen gedachten

Helaas heb ik zelf geen enkel idee. De bron waar ik de informatie vandaag heb (Wade Jr., L.G. (2006). Organic chemistry. 6th edition. Upper Saddle River, Verenigde Staten van Amerika: Pearson Education Inc. p. 763-770), geeft vrij weinig informatie over de 'kracht' van positierichtende groepen.

Er wordt slechts vermeldt dat er grofweg drie groepen zijn:

Sterkte ortho- en pararichters, zoals -OH, OR en NR₂
Middelmatige ortho- en pararichters, zoals alkylgroepen en halogenen
Metarichters, zoals ketonen en nitrogroepen

De positierichtende groepen die ik gebruik vallen allebei onder nummer 1, want zowel de amine als amide vallen onder de groep NR₂. Hier heb ik dus niets aan om het verschil in 'kracht' te achterhalen.

Hopelijk is het probleem duidelijk en weet iemand ook hoe het in elkaar steekt.

Bij voorbaat dank.

Ensiferum

Amines (op aryl) zijn o/p richters die vlot substitutie laten doorgaan omdat ze elektronen geven aan de ring, die daardoor vlotter reageert met elektrofielen (want o en p plaats worden negatiever). Dat is net tegenovergesteld aan wat er met benzoëzuur of benzaldehyde gebeurt, want die zuigen elektronen weg door hun carbonyl. Als je de aminogroep acetyleert, ga je er dus elektronen van wegzuigen, waardoor er minder aan de ring gegeven kunnen worden en de substitutie minder vlot zal verlopen.

Dijood is het minst reactief van de drie hier beschouwde halogenen (chloor het reactiefst). Daarom zul je de acetylgroep er weer af moeten halen.

PdeJongh

Dat verklaart inderdaad al een deel. Omdat de substitutie minder makkelijk verloopt, zal de bromering alleen op de parapositie plaatsvinden. Daar is immers de minste sterische hindering.

Het verklaart alleen nog niet helemaal waarom er bij de volgende stap slechts monochlorering plaatsvindt. Chloor is het meest reactief van de halogenen en kan daarom zelfs gesubstitueerd worden als de elektronendichtheid in de ring minder is (als gevolg van de acetylatie). Maar als er één chloor gesubstitueerd kan worden, waarom dan niet twee?

Zou dat toe te schrijven kunnen zijn aan de elektronegativiteit van het chlooratoom? Hierdoor vermindert de elektronendichtheid in de ring. Als ik het dan goed beredeneer, versterkt dat dan nog eens het effect van de acetylatie. De carbonyl zuigt al een deel van de elektronendichtheid weg via de stikstof en het reeds gesubstitueerde chlooratoom zuigt ook nog een deel van de elektronendichtheid weg. Daardoor is er op de tweede orthopositie nog te weinig elektronendichtheid over voor dichlorering. Klopt deze beredenering?

Ensiferum

Dat verklaart inderdaad al een deel. Omdat de substitutie minder makkelijk verloopt, zal de bromering alleen op de parapositie plaatsvinden. Daar is immers de minste sterische hindering.

Ik weet niet of er geen bromering op de ortho plaats mogelijk is. Het kan ook gewoon trager gaan, zodat het aandeel dubbel gebromeerde ringen verwaarloosbaar is.

Het verklaart alleen nog niet helemaal waarom er bij de volgende stap slechts monochlorering plaatsvindt. Chloor is het meest reactief van de halogenen en kan daarom zelfs gesubstitueerd worden als de elektronendichtheid in de ring minder is (als gevolg van de acetylatie). Maar als er één chloor gesubstitueerd kan worden, waarom dan niet twee?

Halogenen op de ring maken substitutie moeilijker, al zijn het o/p richters. Dat kan nog meespelen.

Zou dat toe te schrijven kunnen zijn aan de elektronegativiteit van het chlooratoom? Hierdoor vermindert de elektronendichtheid in de ring. Als ik het dan goed beredeneer, versterkt dat dan nog eens het effect van de acetylatie. De carbonyl zuigt al een deel van de elektronendichtheid weg via de stikstof en het reeds gesubstitueerde chlooratoom zuigt ook nog een deel van de elektronendichtheid weg. Daardoor is er op de tweede orthopositie nog te weinig elektronendichtheid over voor dichlorering. Klopt deze beredenering?

Je mag kinetiek hier ook niet uitsluiten, of reactieomstandigheden. Bij het produceren van 2,4-D kun je ook te ver chloreren (met PCDD-vorming als gevolg), maar dit is blijkbaar binnen de perken te houden. Misschien moet je eens in die richting zoeken.

PdeJongh

Ik weet niet of er geen bromering op de ortho plaats mogelijk is. Het kan ook gewoon trager gaan, zodat het aandeel dubbel gebromeerde ringen verwaarloosbaar is.

Met ruim twee equivalenten broom per equivalent van acetanilide, zal dat waarschijnlijk wel mogelijk zijn. Maar ik gebruik net een kleine overmaat zodat de verhouding 1:1 is. Daardoor zal het aantal digesubstitueerde ringen inderdaad verwaarloosbaar zijn.

Halogenen op de ring maken substitutie moeilijker, al zijn het o/p richters. Dat kan nog meespelen.

De amide is de sterkste positierichter en dus moet vanuit daar gekeken worden. Vanuit die positie wordt er o/p-gesubstitueerd. De positie waar het jood komt (of mogelijk de dichlorering) is zowel vanuit broom als vanuit chloor gezien de metapositie en daar richten de halogenen niet heen.

Je mag kinetiek hier ook niet uitsluiten, of reactieomstandigheden. Bij het produceren van 2,4-D kun je ook te ver chloreren (met PCDD-vorming als gevolg), maar dit is blijkbaar binnen de perken te houden. Misschien moet je eens in die richting zoeken.

2,4-D? PCDD?

Ensiferum

De amide is de sterkste positierichter en dus moet vanuit daar gekeken worden. Vanuit die positie wordt er o/p-gesubstitueerd. De positie waar het jood komt (of mogelijk de dichlorering) is zowel vanuit broom als vanuit chloor gezien de metapositie en daar richten de halogenen niet heen.

Maar dat ze niet activerend zijn maakt dat ze wel verdere substitutie kunnen vertragen.

2,4-D? PCDD?

2,4-D staat voor 2,4-Dichloorfenoxyazijnzuur, een herbicide. Om dat te produceren moet fenol eerst gedichloreerd worden, maar hier kan natuurlijk ook trichlorering of zelfs meer voorkomen. In dat geval treedt echter ook dimerisatie op en dan krijg je PolyChlorinated DibenzoDioxins of ook wel dioxines genoemd, die persistent, carcinogeen en toxisch zijn.

Maar naar ik gehoord heb kun je 2,4-D produceren zonder zulke overchlorering (en anders zou het me ook wel sterk lijken dat het nog gebruikt mag worden), wat me wel interessant lijkt als je wil weten waarom een hogere halogenering ergens niet optreedt.

PdeJongh

Maar dat ze niet activerend zijn maakt dat ze wel verdere substitutie kunnen vertragen.

Dat is inderdaad wel logisch. Ze richten wel op o/p net als activerende groepen, maar ze zijn eigenlijk deactiverend en daardoor beperken ze de substitutie. Logisch!

2,4-D staat voor 2,4-Dichloorfenoxyazijnzuur, een herbicide. Om dat te produceren moet fenol eerst gedichloreerd worden, maar hier kan natuurlijk ook trichlorering of zelfs meer voorkomen. In dat geval treedt echter ook dimerisatie op en dan krijg je PolyChlorinated DibenzoDioxins of ook wel dioxines genoemd, die persistent, carcinogeen en toxisch zijn.

Aha.

Maar naar ik gehoord heb kun je 2,4-D produceren zonder zulke overchlorering (en anders zou het me ook wel sterk lijken dat het nog gebruikt mag worden), wat me wel interessant lijkt als je wil weten waarom een hogere halogenering ergens niet optreedt.

Waarschijnlijk vooral zorgen dat er gewoon niet genoeg chloor aanwezig is. Als er per fenol twee equivalenten Cl^- aanwezig is, zal je dus substitutie op de parapositie en op één orthopositie krijgen. Dan is er simpelweg bijna geen Cl^- meer over om ook op de andere positie te gaan zitten.

Bij mijn uitvoering van deze stap gebruik ik namelijk ook lichte overmaat. Ik gebruik dan natriumchloraat (opgelost in water, het 4-broomacetanilide bevindt zich in een oplossing van azijnzuur en zoutzuur) dat de volgende redoxreactie ondergaat om in situ chloorgas te creëren:

5Cl^- + ClO₃^- + 6H₃O⁺ --> 3Cl₂ + 9H₂O

Per twee equivalenten 4-broomacetanilide gebruik ik één equivalent natriumchloraat. Na de redoxreactie heb ik dus drie equivalenten chloorgas per twee equivalenten 4-broomacetanilide. Geen zes, want van de Cl₂ gaat er een Cl^- aan de ring zitten en de ander vormt zoutzuur samen met het waterstofatoom dat eraf gaat.

Met drie equivalenten Cl^- per twee equivalenten 4-broomacetanilide, zou er dus op zich genoeg Cl^- over blijven om grofweg de helft te dichloreren. Er zijn echter twee redenen, zover ik kan bedenken, waarom het toch niet gebeurd:

Zoals gezegd zijn halogenen aan de ring deactiverend, waardoor verdere substitutie er niet makkelijker op wordt.
Van het gevormde chloorgas zal ook gelijk een deel opgaan in de lucht. Door het in situ te creëren wordt dat zoveel mogelijk beperkt, maar zodra er enig chloorgas boven de oplossing uitkomt, zal deze moeiteloos de oplossing verlaten. In een niet verwarmde refluxopstelling dat tegen proberen te houden met een waterkoeler werkt niet (die koelt niet genoeg om chloorgas vloeibaar te maken) en de reactiekolf volledig afsluiten met stoppen leidt tot drukopbouw waardoor de stoppen er vanzelf af vliegen.

Vanwege de tweede reden zal er dus bijna geen chloorgas over zijn voor dichloreringen. Het beetje dat over is, zal waarschijnlijk ook nog maar beperkt voor dichlorering zorgen, vanwege de eerste reden.

Ja, ik snap het. Bedankt!

Marko

De eerste reden is de belangrijkste. De effecten van activering en deactivering kunnen gigantisch zijn. Niet helemaal een rechtvaardige vergelijking, maar ik meen dat de reactiviteit voor electrofiele aromatische substitutie van tolueen zo'n 1000 keer groter is dan die van benzeen - alleen door het elektron-stuwende karakter van de methylgroep!

PdeJongh

Dat heb ik inderdaad meegekregen uit de lessen die daarover gingen. Dat had ik ook al als belangrijkste reden bestempeld. De tweede reden sloeg meer op de relatief grote overmaat chloorgas dat er gecreëerd wordt, omdat daar ook nog een deel van verloren gaat.

Off topic: ik zie dat dit topic het predikaat [topic="92891"]'Heerlijk huiswerktopic'[/topic] heeft gekregen. Bedankt en excuses voor de lange titel :eusa_whistle:

Jan van de Velde

Off topic: ik zie dat dit topic het predikaat [topic="92891"]'Heerlijk huiswerktopic'[/topic] heeft gekregen.

Meer dan terecht lijkt ons. :eusa_whistle:

Wetenschapsforum

Laatste berichten

Nieuwsberichten

Invloed van positierichtende groep op mono-, di- en trisubstitutie

Invloed van positierichtende groep op mono-, di- en trisubstitutie

Re: Invloed van positierichtende groep op mono-, di- en trisubstitutie

Re: Invloed van positierichtende groep op mono-, di- en trisubstitutie

Re: Invloed van positierichtende groep op mono-, di- en trisubstitutie

Re: Invloed van positierichtende groep op mono-, di- en trisubstitutie

Re: Invloed van positierichtende groep op mono-, di- en trisubstitutie

Re: Invloed van positierichtende groep op mono-, di- en trisubstitutie

Re: Invloed van positierichtende groep op mono-, di- en trisubstitutie

Re: Invloed van positierichtende groep op mono-, di- en trisubstitutie

Re: Invloed van positierichtende groep op mono-, di- en trisubstitutie