ebook img

JWB Aromatic 2014 Arial.pptx PDF

79 Pages·2014·5.36 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 2014 Arial.pptx

Aromatic and Heterocyclic Chemistry 1 Aromatic and Heterocyclic Chemistry 4 Lectures, Michaelmas 2014 [email protected] handout at: http://burton.chem.ox.ac.uk/teaching.html       O O O O   HO NHCO2Me HO NHCO2Me Bergman HO NHCO2Me HO NHCO2Me cyclisation • DNA   S S • S S Osugar Osugar Osugar Osugar + DNA diradical O 2 DNA damage (cid:18535)  Advanced  Organic  Chemistry:  Parts  A  and  B;  Francis  A.  Carey,  Richard  J.  Sundberg     (cid:18535)  Organic  Chemistry;    Jonathan  Clayden,  Nick  Greeves,  Stuart  Warren,  Peter  Wothers   (cid:18535)  Advanced  Organic  Chemistry:  Reac7ons,  Mechanisms  and  Structures;  J.  March   (cid:18535)  Fron7er  Orbitals  and  Organic  Chemical  Reac7ons;  I.  Fleming   (cid:18535)  Heterocyclic  Chemistry;  J.  Joule,  K.  Mills,  G.  Smith   (cid:18535)  Aroma7c  Heterocyclic  Chemistry;  D.  Davies   (cid:18535)  Reac7ve  Intermediates;  C.  Moody  and  G.  Whitham   (cid:18535)  Aroma7c  Chemistry;  M.  Sainsbury   (cid:18535)  The  Chemistry  of  C-­‐C  π-­‐Bonds  –  Lecture  notes;  Dr  MarFn  Smith Aromatic and Heterocyclic Chemistry 2 Synopsis   (cid:18535)  The  Origin  of  AromaFcity  and  General  CharacterisFcs  of  AromaFc  Compounds       (cid:18535)  Examples  of  AromaFcity     (cid:18535)  Nucleophilic  AromaFc  SubsFtuFon     (cid:18535)  Arynes     (cid:18535)  ReacFons  with  Metals:  Ortho  MetallaFon     (cid:18535)  IntroducFon  of  FuncFonal  Groups     (cid:18535)  Pyridine:  Synthesis  and  ReacFons     (cid:18535)  Pyrrole,  Thiophene  and  Furan:  Synthesis  and  ReacFons     (cid:18535)  Indole:  Synthesis  and  ReacFons     (cid:18535)  ReducFon  of  AromaFcs Aromatic and Heterocyclic Chemistry 3 (cid:18535)  typical  reacFons  of  alkenes   Br fast + Br Br Me 2 Me Me not substitution Br addition (cid:18535)  typical  reacFons  of  benzene   Br Br FeBr catalyst 3 + Br + HBr not addition 2 Br substitution (cid:18535) retains  aromaFc  sextet  of  electrons  in  subsFtuFon  reacFons   (cid:18535)  does  not  behave  like  a  “normal”  polyene  or  alkene   (cid:18535)  benzene  is  both  kine7cally  and  thermodynamically  very  stable   (cid:18535)  heats  of  hydrogenaFon   ΔHo  =  -­‐120  kJmol-­‐1   H2/Pt catalyst H2/Pt catalyst hydrog   ΔHo =  -­‐210  kJmol-­‐1   hydrog   H /Pt catalyst ΔHo =  3  x  -­‐120  =  -­‐360  kJmol-­‐1       2 hydrog (hypotheFcal,  1,3,5-­‐cyclohexatriene)   (cid:18535)  benzene  ≈150  kJmol-­‐1  more  stable  than  expected  –  (represents  stability  over  hypotheFcal  1,3,5-­‐ cyclohextriene)  –  termed  the  empirical  resonance  energy  (values  vary  enormously)   (cid:18535)  we  know  that  delocalisaFon  is  stabilising,  but  how  much  more  stabilising  is  the  delocalisaFon  in   benzene  –  should  compare  benzene  with  a  real  molecule  –  we  will  use  1,3,5-­‐hexatriene   (cid:18535)  require  a  theory  which  explains  the  stability  of  benzene Aromatic and Heterocyclic Chemistry 4 Understanding  Aroma2city     (cid:18535)  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     (cid:18535)  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)   (cid:18535)  applicable  to  conjugated  planar  cyclic  and  acyclic  systems     (cid:18535)  only  the  π-­‐system  is  included;  the  σ-­‐framework  is  ignored  (in  reality  σ-­‐framework  affects  π-­‐system)     (cid:18535)  used  to  calculate  the  wave  funcFons  (ψ )  and  hence  rela7ve  energies  by  the  LCAO  method   k i.e.  ψ  =  c φ  +  c φ  +  c φ  +  c φ  +  c φ  …..   k 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 ø ø 2 4 ø1 ø3 ø5 (cid:18535)  HMOT  solves  energy  (E )  and  coefficients  c     k k (cid:18535)  there  are  now  many  more  sophisFcated  methods  for  calculaFng  the  stabilisaFon  energy  in  conjugated  systems;     however,  HMOT  is  adequate  for  our  purposes. Aromatic and Heterocyclic Chemistry 5 Understanding  Aroma2city     HMOT  in  Ac2on     (cid:18535)  For  cyclic  and  acyclic  systems:  molecular  orbital  energies  =  E  =  α  +  mβ     k j (cid:18535)  α  =  coulomb  integral  -­‐  energy  associated  with  electron  in  an  isolated  2p  orbital  (albeit  in  the  molecular  environment)   –  α  is  negaFve  (stabilising)  and  is  the  same  for  any  p-­‐orbital  in  π-­‐system     (cid:18535)  β  =  resonance  integral  –  energy  associated  with  having  electrons  shared  by  atoms  in  the  form  of  a  covalent  bond  –  β   is  negaFve  (stabilising)  and  is  set  to  zero  for  non-­‐adjacent  atoms.   (cid:18535)  (all  overlap  integrals  S  assumed  to  be  zero,  electron  correlaFon  ignored)       (cid:18535)  linear  polyenes      m  =  2cos[jπ/(n+1)]  j  =  1,  2……n          (n  =  number  of  carbon  atoms  in     j              conjugated  system)   (cid:18535) cyclic  polyenes    m  =  2cos(2jπ/n)  j  =  0,  ±1,  ±2……±[(n-­‐1)/2]  for  odd  n,  ±n/2  for  even  n   j Ethene   α  -­‐  β   (cid:18535)  two  2p  atomic  orbitals  give  2π  molecular  orbitals       (cid:18535) m  =  2cos(π/3)    and  2cos(2π/3)      =  1  or  -­‐1                    E  =  α  ±  β     j   α   (cid:18535) stabilisaFon  energy  E  =  2α  +  2β   stab α  +  β Aromatic and Heterocyclic Chemistry 6 (cid:18535)  1,3,5-­‐hexatriene  vs  benzene   (cid:18535)  six  2p  atomic  orbitals  give  6π  molecular  orbitals;  n  =  6,  j  =  1,  2,  3,  4,  5,  6       (cid:18535)  m  =  2cos(π/7)  =  1.80      2cos(2π/7)  =  1.25      2cos(3π/7)  =  0.45......   j            and  the  corresponding  negaFve  values   (cid:18535)  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 (cid:18535)  stabilisaFon  energy  =  E =  2(3α  +  3.5β)  =  6α  +  7β         (cid:18535)  stabilisaFon  energy  ethene  =  2α  +  2β         stab Aromatic and Heterocyclic Chemistry 7 (cid:18535)  Benzene  m  =  2cos(2jπ/n)  j  =  0  ±1,  ±[(n-­‐1)/2]  for  odd  n;              ±n/2  for  even  n   j (cid:18535)  six  2p  atomic  orbitals  give  6π  molecular  orbitals;  n  =  6,  j  =  0  ±1,  ±2,  ±3   (cid:18535)  m  =  2cos(0)  =  2,    2cos(±2π/6)  =  1,    2cos(±4π/6)  =  -­‐1,    2cos(±6π/6)=  -­‐2   j (cid:18535)  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 (cid:18535)  stabilisaFon  energy  =  E =  2(α  +  2β)  +  4(α  +  β)  =  6α  +  8β;  stabilisaFon  energy  w.r.t.  1,3,5-­‐hexatriene  =  β   stab (cid:18535)  HMOT  predicts  benzene  is  more  stable  than  1,3,5-­‐hexatriene   (cid:18535)  aroma7c  compounds  are  those  with  a  π-­‐system  lower  in  energy  than  that  of  acyclic  counterpart   (cid:18535)  an7-­‐aroma7c  compounds  are  those  with  a  π-­‐system  higher  in  energy  than  that  of  acyclic  counterpart Aromatic and Heterocyclic Chemistry 8 Frost-­‐Musulin  Diagram  –  Frost  Circle     (cid:18535)  simple  method  to  find  the  energies  of  the  molecular  orbitals  for  an  aromaFc  compound   (cid:18535)  inscribe  the  regular  polygon,  with  one  vertex  poinFng  down,  inside  a  circle  of  radius  2β,  centred  at  energy  α     (cid:18535)  each  intersecFon  of  the  polygon  with  the  circumference  of  the  circle  corresponds  to  the  energy  of  a  molecular   orbital   α"$"2β α"$"2β E α"$"β α α 2β α"+"β 2β α"+"2β α"+"2β cyclobutadiene benzene induced magnetic field General  CharacterisFcs  of  AromaFc  Compounds   (cid:18535)  planar  fully  conjugates  cyclic  polyenes   (cid:18535)  more  stable  than  acyclic  analogues   > > (cid:18535)  bonds  of  nearly  equal  length  i.e.  not  alternaFng  single  and  double  bonds   B > > (cid:18535)  undergo  subsFtuFon  reacFons  (rather  than  addiFon  reacFons)   0 H > (cid:18535)  support  a  diamagneFc  ring  current  -­‐  good  test  for  aromaFc  character  of  a  compound     H ring current H applied field δ = 5-6 ppm δ = 7.26 ppm H H aromatics δ = 7-8 ppm H Aromatic and Heterocyclic Chemistry 9 Examples  of  AromaFc  and  AnF-­‐AromaFc  Compounds   (cid:18535)Hückel’s  rule  [(4n  +2)  π-­‐electrons  for  aromaFc  compounds  [4n  π-­‐electrons  for  anF-­‐aromaFc  compounds]  holds  for   anions,  caFons  and  neutrals       Cyclopropenium  caFon   (cid:18535)  (4n  +2),  n  =  0,  2π  electrons;  stabilisaFon  energy  =  2α  +  4β  –  stabilisaFon  energy  of  allyl  caFon  =  2α  +  2.8β     α!$!β SbCl H 5 E (Lewis acid) Cl H SbCl 6 α!+!2β H (cid:18535)  insoluble  in  non-­‐polar  solvents;  1  signal  in  1H  NMR  δ  =  11.1  ppm  -­‐  aromaFc  and  a  caFon   H (cid:18535)  compare  with  cyclopropyl  caFon  which  is  subject  to  rearrangement  to  the  allyl  caFon     Nu Nu Cl Cyclopropenium  anion   (cid:18535)  (4n),  n  =  1,  4π  electrons  –  anF-­‐aromaFc   (cid:18535)  stabilisaFon  energy  E =  4α  +2β;  stabilisaFon  energy  of  allyl  anion  =  4α  +2√2β   stab α!$!β Ph Ph Ph Ph Ph Ph Ph Ph - H+ E NC H NC H Ph H Ph α!+!2β (cid:18535)rate  of  proton  exchange:   cyclopropane/cyclopropene  =  10000 Aromatic and Heterocyclic Chemistry 10 Benzene   (cid:18535)  (4n  +2),  n  =  1,  6π  electrons      δ  =  7.26  ppm,  planar  molecule;  bond  length  =  1.39  Å C-­‐C   sp3-­‐sp3   1.54  Å   H     1.40 Å C-­‐C   sp3-­‐sp2   1.50  Å   H δ = 7.46 H H δ = 7.01 C-­‐C   sp3-­‐sp   1.47  Å   isoelectronic  with  pyridine   2.2 D 1.39 Å C-­‐C   sp2-­‐sp2   1.46  Å   N H δ = 8.50 C-­‐C   benzene   1.39  Å   1.34 Å C=C     1.34  Å   C≡C   1.21  Å   Cyclopentadienyl  Anion     (cid:18535)  (4n  +2),  n  =  1,  6π  electrons   base E H B:   CF 3 F C 3 H H H CF F C 3 3 CF 3 pK  =  16   pK  =  43   pK  <  -­‐2     a a a pK  H O  =  15.74   pK  HNO  =  -­‐1.3   a 2 a 3

Description:
Aromatic and Heterocyclic Chemistry. 1. Aromatic and Heterocyclic Chemistry. 4 Lectures, Michaelmas 2014 [email protected] handout
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.