Lernziel
- Nennen Beispiele für die Arten von Reaktionen, denen aromatische Verbindungen typischerweise unterliegen
Schlüsselpunkte
- Aromatische Verbindungen oder Arene unterliegen Substitutionsreaktionen, bei denen der aromatische Wasserstoff durch ein Elektrophil ersetzt wird, ihre Reaktionen laufen also über elektrophile Substitution ab.
- Are enthalten wie Alkene Doppelbindungen, werden aber nicht elektrophil addiert, da sie dadurch ihre Ringaromatizität verlieren würden.
- Die Reihenfolge der Substitution an aromatischen Verbindungen wird durch die Art der im aromatischen Ring vorhandenen Substituenten bestimmt.
- Bei elektrophilen aromatischen Substitutionsreaktionen wird ein Carbokation gebildet, während bei nucleophilen aromatischen Substitutionen ein Carboanion entsteht.
- Hydrierungsreaktionen wandeln aromatische Verbindungen in gesättigte Verbindungen um.
- Metallische Kreuzkupplungen wie die Suzuki-Reaktion ermöglichen die Bildung von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen zwischen zwei oder mehreren aromatischen Verbindungen.
Begriffe
- NukleophilEine Verbindung oder funktionelle Gruppe, die für Zentren mit positiver Ladung attraktiv ist und Elektronen abgibt; gibt ein Elektronenpaar an ein Elektrophil ab, um eine Bindung zu bilden.
- HydrierungDie chemische Reaktion von Wasserstoff mit einer anderen Substanz, insbesondere mit einer ungesättigten organischen Verbindung, und in der Regel unter dem Einfluss von Temperatur, Druck und Katalysatoren.
- ElektrophilEine Verbindung oder funktionelle Gruppe, die für Zentren mit positiver Ladung attraktiv ist und Elektronen aufnimmt; nimmt ein Elektronenpaar von einem Nukleophil auf, um eine Bindung zu bilden.
Der Benzolring ist häufig für die Stabilität bekannt, die er durch seine Aromatizität erhält. Aromatische Verbindungen können jedoch an einer Vielzahl chemischer Reaktionen teilnehmen, darunter eine Reihe von Substitutions-, Kupplungs- und Hydrierungsreaktionen. Die Elektronen im pi-System des Benzolrings sind für die beobachtete Reaktivität verantwortlich. Während aromatische Verbindungen am besten durch eine kontinuierliche Elektronendichte dargestellt werden, die gleichmäßig um den aromatischen Kern herum verteilt ist, sind die abwechselnd gezeichneten Einfach- und Doppelbindungen bei der Vorhersage der Reaktivität aromatischer Verbindungen sehr nützlich. Viele Reaktionen, die bei Alkenen (Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen) üblich sind, funktionieren in ähnlicher Weise auch mit den „Doppelbindungen“ in aromatischen Verbindungen, obwohl die Aktivierungsbarriere aufgrund der stabilisierenden Kraft der Aromatizität im Allgemeinen höher ist (ca. 36 kcal/mol).
Aromatische Substitution
Ein Beispiel für eine aromatische Substitutionsreaktion ist unten dargestellt. In Gegenwart von starker Schwefel- und Salpetersäure kann eine Nitrogruppe an den Ring angefügt werden.
Nukleophile aromatische Substitutionen
In einer nukleophilen aromatischen Substitutionsreaktion verdrängt ein Nukleophil einen Substituenten an einem aromatischen Ring. Die ersetzte Spezies ist in der Regel eine gute Abgangsgruppe, wie Stickstoffgas oder ein Halogenidion. Das Vorhandensein einer elektronenziehenden Gruppe am Ring kann den Ablauf dieser Art von Reaktionen beschleunigen. Chemisch gesehen ähnelt dies einer Additionsreaktion an einen Michael-Akzeptor oder ein anderes ungesättigtes System mit Elektronenmangel, gefolgt von einer Eliminierungsreaktion.
Elektrophile aromatische Substitutionen
In einer elektrophilen aromatischen Substitutionsreaktion wird ein Substituent an einem aromatischen Ring durch ein Elektrophil verdrängt. Zu diesen Reaktionen gehören die aromatische Nitrierung, die aromatische Halogenierung, die aromatische Sulfonierung sowie Friedel-Crafts-Acylierungen und Alkylierungen. An diesen Reaktionen kann ein resonanzstabilisiertes Carbokation-Zwischenprodukt, ein so genannter Sigma-Komplex, beteiligt sein. Man kann sich die Reaktivität so vorstellen, dass ein Alken eine kationische Spezies angreift, wie z. B. im ersten Schritt einer säurekatalysierten Hydratation eines Alkens.
Eine Reihe von Mustern wurde bei der Reaktion von substituierten Benzolringen beobachtet. Diese Beobachtungen wurden verallgemeinert, um eine Vorhersageregel für elektrophile aromatische Substitutionen zu erstellen. Sie besagt, dass ein elektronenliefernder Substituent im Allgemeinen die Substitution beschleunigt und die Reaktivität auf die ortho- und para-Positionen des Rings lenkt, während ein elektronenziehender Substituent den Reaktionsfortschritt verlangsamt und die meta-Position des Rings begünstigt.
Kopplungsreaktionen
Kopplungsreaktionen sind Reaktionen mit einem Metallkatalysator, die zur Bildung einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung zwischen zwei Resten führen können.
Hydrierung
Durch Hydrierung kann ein vollständig gesättigtes Ringsystem erzeugt werden. Dies ist vergleichbar mit der Hydrierung eines Alkens zu einem Alkan, wenn auch aufgrund der Stabilität des aromatischen Systems schwieriger.
