ebook img

JWB Aromatic 2013.pptx PDF

100 Pages·2013·15.24 MB·English
Save to my drive
Quick download
Download
Most books are stored in the elastic cloud where traffic is expensive. For this reason, we have a limit on daily download.

Preview JWB Aromatic 2013.pptx

Aromatic and Heterocyclic Chemistry 1 Aromatic and Heterocyclic Chemistry 8 Lectures, Trinity 2013 [email protected] handout at: http://burton.chem.ox.ac.uk/teaching.html           ◾  Advanced  Organic  Chemistry:  Parts  A  and  B,  Francis  A.  Carey,  Richard  J.  Sundberg     ◾  Organic  Chemistry,    Jonathan  Clayden,  Nick  Greeves,  Stuart  Warren,  Peter  Wothers   ◾  Advanced  Organic  Chemistry:  Reac7ons,  Mechanisms  and  Structures;  J.  March   ◾  Fron7er  Orbitals  and  Organic  Chemical  Reac7ons;  I.  Fleming   ◾  Heterocyclic  Chemistry;  J.  Joule,  K.  Mills,  G.  Smith   ◾  Aroma7c  Heterocyclic  Chemistry;  D.  Davies   ◾  Reac7ve  Intermediates;  C.  Moody  and  G.  Whitham   ◾  Aroma7c  Chemistry;  M.  Sainsbury Aromatic and Heterocyclic Chemistry 2 Synopsis   ◾  The  Origin  of  AromaGcity  and  General  CharacterisGcs  of  AromaGc  Compounds       ◾  Examples  of  AromaGcity     ◾  Electrophilic  AromaGc  SubsGtuGon     ◾  Nucleophilic  AromaGc  SubsGtuGon     ◾  Arynes     ◾  ReacGons  with  Metals:  Ortho  LithiaGon,  Palladium  Catalysed  Couplings,  Chromium  Complexes  and  Birch  ReducGons     ◾  IntroducGon  of  FuncGonal  Groups     ◾  Pyridine:  Synthesis  and  ReacGons     ◾  Pyrrole,  Thiophene  and  Furan:  Synthesis  and  ReacGons     ◾  Indole:  Synthesis  and  ReacGons     ◾  ReducGon  of  AromaGcs     ◾  AromaGc  Chemistry  in  AcGon Aromatic and Heterocyclic Chemistry 3 Origin  of  Aroma0city    ◾    Typical  reacGons  of  alkenes   ◾  Typical  reacGons  of  benzene   ◾  retains  aromaGc  sextet  of  electrons  in  subsGtuGon  reacGons   ◾  does  not  behave  like  a  “normal”  polyene  or  alkene   ◾  benzene  is  both  kine7cally  and  thermodynamically  very  stable   ◾    Heats  of  hydrogenaGon   ΔHo =  -­‐120  kJmol-­‐1   ΔHo =  3  x  -­‐120  =  -­‐360  kJmol-­‐1     ΔHo =  -­‐210  kJmol-­‐1   hydrog hydrog hydrog (hypotheGcal,  1,3,5-­‐cyclohexatriene)     ◾  benzene  ≈150  kJmol-­‐1  more  stable  than  expected  –  (represents  stability  over  hypotheGcal  1,3,5-­‐ cyclohextriene)    –  termed  the  empirical  resonance  energy  (values  vary  enormously)   ◾  empirical  reso  nance  energy    is  not  the  true  resonance  energy  as  this  would  be  the  difference  between   benzene  and  a  symmetrical  non-­‐delocalised  cyclohexatriene  unit  which  does  not  exist   ◾  we  know  that  delocalisaGon  is  stabilising,  but  how  much  more  stabilising  is  the  delocalisaGon  in   benzene  –  should  compare  benzene  with  a  real  molecule  –  we  will  use  1,3,5-­‐hexatriene   ◾  require  a  theory  which  explains  the  stability  of  benzene Aromatic and Heterocyclic Chemistry 4 Understanding  Aroma0city     ◾  Hückel’s  Rule:  planar,  monocyclic,  completely  conjugated  hydrocarbons  will  be  aroma%c  when  the  ring  contains  (4n     +2)  π-­‐electrons  (n  =  0,  1,  2….posi7ve  integers)     Corollary     ◾  planar,  monocyclic,  completely  conjugated  hydrocarbons  will  be  an%-­‐aroma%c  when  the  ring  contains  (4n)  π-­‐ electrons  (n  =  0,  1,  2….posi7ve  integers)   Hückel  Molecular  Orbital  Theory  (HMOT)   ◾  applicable  to  conjugated  planar  cyclic  and  acyclic  systems     ◾  only  the  π-­‐system  is  included;  the  σ-­‐framework  is  ignored  (in  reality  σ-­‐framework  affects  π-­‐system)     ◾  used  to  calculate  the  wave  funcGons  (ψ)  and  hence  rela7ve  energies  by  the  LCAO  method   i i.e.  ψ  =  c φ  +  c φ  +  c φ  +  c φ  +  c φ  …..   i 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 ◾  HMOT  solves  energy  (E)  and  coefficients  c     i i ◾  there  are  now  many  more  sophisGcated  methods  for  calculaGng  the  stabilisaGon  energy  in  conjugated  systems;     however,  HMOT  is  adequate  for  our  purposes. Aromatic and Heterocyclic Chemistry 5 Understanding  Aroma0city     HMOT  in  Ac0on     ◾  For  cyclic  and  acyclic  systems:  Molecular  Orbital  Energies  =  E  =  α  +  mβ     i j ◾  α  =  coulomb  integral  -­‐  energy  associated  with  electron  in  an  isolated  2p  orbital  (albeit  in  the  molecular  environment)   –  α  is  negaGve  (stabilising)  and  is  the  same  for  any  p-­‐orbital  in  π-­‐system     ◾  β  =  resonance  integral  –  energy  associated  with  having  electrons  shared  by  atoms  in  the  form  of  a  covalent  bond  –  β   is  negaGve  (stabilising)  and  is  set  to  zero  for  non-­‐adjacent  atoms.   ◾  (all  overlap  integrals  S  assumed  to  be  zero,  electron  correlaGon  ignored)       ◾  linear  polyenes      m  =  2cos[jπ/(n+1)]  j  =  1,  2……n          (n  =  number  of  carbon  atoms  in     j              conjugated  system)   ◾ cyclic  polyenes    m  =  2cos(2jπ/n)  j  =  0,  ±1,  ±2……±[(n-­‐1)/2]  for  odd  n,  ±n/2  for  even  n   j ◾  1,3,5-­‐Hexatriene  vs  Benzene  –  linear  polyene   ◾  six  2p  atomic  orbitals  give  6π  molecular  orbitals;  n  =  6,  j  =  1,  2,  3,  4,  5,  6           ◾  m  =  2cos(π/7)  =  1.80      2cos(2π/7)  =  1.25      2cos(3π/7)  =  0.45......   j            and  the  corresponding  negaGve  values           ◾  energy  E  =  α  +  1.80β      α  +  1.25β      α  +  0.45β      α  –  0.45β…..etc Aromatic and Heterocyclic Chemistry 6 ◾  1,3,5-­‐Hexatriene  vs  Benzene   ◾  six  2p  atomic  orbitals  give  6π  molecular  orbitals;  n  =  6,  j  =  1,  2,  3,  4,  5,  6       ◾  m  =  2cos(π/7)  =  1.80      2cos(2π/7)  =  1.25      2cos(3π/7)  =  0.45......   j            and  the  corresponding  negaGve  values   ◾  energy  E  =  α  +  1.80β      α  +  1.25β      α  +  0.45β      α  –  0.45β…..etc   MO   no.  nodes   energy   HMOT  MO  (calculated)   ψ   5   α  -­‐  1.80β   6 ψ   4   α  -­‐  1.25β   5 ψ   3   α  -­‐  0.45β   4 α   ψ   2   α  +  0.45β   3     ψ   1   α  +  1.25β   2 ψ   0   α  +  1.80β   1 ◾  stabilisaGon  energy  =  E =  2(3α  +  3.5β)  =  6α  +  7β   stab Aromatic and Heterocyclic Chemistry 7 ◾  Benzene  m  =  2cos(2jπ/n)  j  =  0  ±1,  ±[(n-­‐1)/2]  for  odd  n;              ±n/2  for  even  n   j ◾  six  2p  atomic  orbitals  give  6π  molecular  orbitals;  n  =  6,  j  =  0  ±1,  ±2,  ±3   ◾  m  =  2cos(0)  =  2,    2cos(±2π/6)  =  1,    2cos(±4π/6)  =  -­‐1,    2cos(±6π/6)=  -­‐2   j ◾  energy  E  =  α  +  2β,      α  +  β,      α  -­‐  β,      α  –  2β   MO   no.  nodes   energy   HMOT  MO  (calculated)   ψ   6   α  -­‐  2β   6 ψ   4   α  -­‐  β   4,5 α   ψ   2   α  +  β   2,3     ψ   0   α  +  2β   1 ◾  stabilisaGon  energy  =  E =  2(α  +  2β)  +  4(α  +  β)  =  6α  +  8β;  stabilisaGon  energy  w.r.t.  1,3,5-­‐hexatriene  =  β   stab ◾  HMOT  predicts  benzene  is  more  stable  than  1,3,5-­‐hexatriene   ◾  aroma7c  compounds  are  those  with  a  π-­‐system  lower  in  energy  than  that  of  acyclic  counterpart Aromatic and Heterocyclic Chemistry 8 ◾  Cyclobutadiene  vs  1,3-­‐butadiene   ◾  four  2p  atomic  orbitals  give  4π  molecular  orbitals;  n  =  4,  j  =  0  ±1,  ±2   ◾  m  =  2cos(0)  =  2      2cos(±2π/4)  =  0    2cos(±4π/4)  =  -­‐2   j ◾  energy  E  =  α  +  2β      α      α  –  2β   cyclobutadiene   1,3-­‐butadiene   no.   HMOT  MO   energy   MO   energy   nodes   (calculated)     ψ   4   α  -­‐  2β   α  -­‐  1.62β   4 α  -­‐  0.62β   ψ   2   α   α   2,3 α  +  0.62β         ψ   0   α  +  2β   α  +  1.62β   1   ◾  stabilisaGon  energy  =  E =  4α  +  4β        ■ stabilisaGon  energy     stab             E =  4α  +  4.4β     stab   ◾HMOT  predicts  cyclobutadiene  is  less  stable  than  1,3-­‐butadiene   ◾  an7-­‐aroma7c  compounds  are  those  with  a  π-­‐system  higher  in  energy  than  that  of  acyclic  counterpart Aromatic and Heterocyclic Chemistry 9 Frost-­‐Musulin  Diagram  –  Frost  Circle     ◾  simple  method  to  find  the  energies  of  the  molecular  orbitals  for  an  aromaGc  compound   ◾  inscribe  the  regular  polygon,  with  one  vertex  poinGng  down,  inside  a  circle  of  radius  2β,  centred  at  energy  α     ◾  each  intersecGon  of  the  polygon  with  the  circumference  of  the  circle  corresponds  to  the  energy  of  a  molecular  orbital   α0202β α0202β E α020β α α 2β α0+0β 2β α0+02β α0+02β cyclobutadiene benzene General  CharacterisGcs  of  AromaGc  Compounds   ◾  planar  fully  conjugates  cyclic  polyenes   ◾  more  stable  than  acyclic  analogues   ◾  bonds  of  nearly  equal  length  i.e.  not  alternaGng  single  and  double  bonds   ◾  undergo  subsGtuGon  reacGons  (rather  than  addiGon  reacGons)   ◾  support  a  diamagneGc  ring  current  -­‐  good  test  for  aromaGc  character  of  a  compound     H H δ "="56"ppm δ "="7.26"ppm H H aroma.cs"δ "="78"ppm H Aromatic and Heterocyclic Chemistry 10 Examples  of  AromaGc  and  AnG-­‐AromaGc  Compounds   ◾Hückel’s  rule  [(4n  +2)  π-­‐electrons  for  aromaGc  compounds;  4n  π-­‐electrons  for  anG-­‐aromaGc  compounds]  holds  for   anions,  caGons  and  neutrals       Cyclopropenium  caGon   ◾  (4n  +2),  n  =  0,  2π  electrons;  stabilisaGon  energy  =  2α  +  4β  –  stabilisaGon  energy  of  allyl  caGon  =  2α  +  2.8β     α"%"β E α"+"2β ◾  insoluble  in  non-­‐polar  solvents;  1  signal  in  1H  NMR  δ  =  11.1  ppm  -­‐  aromaGc  and  a  caGon   H ◾  compare  with  cyclopropyl  caGon  which  is  subject  to  rearrangement  to  the  allyl  caGon     Cyclopropenones

Description:
handout at: http://burton.chem.ox.ac.uk/teaching.html. ◾ Advanced Advanced Organic Chemistry: Reacfions, Mechanisms and Structures; J. March. ◾ Fronfier Orbitals and Organic Chemical Reacfions; I. Fleming. ◾ Heterocyclic
See more

The list of books you might like

Most books are stored in the elastic cloud where traffic is expensive. For this reason, we have a limit on daily download.