مواضيع المحاضرة: المركبات الاروماتية
background image

 

 

 

Aromatic compounds 

Aromatic 

compounds, 

also 

known 

as arenes or aromatics, 

are chemical compounds 

that 

contain conjugated planar 

ring 

systems  with  delocalized  π-electrons clouds  instead  of  discrete 
alternating single and double  bonds.  Typical  aromatic  compounds 
are benzene and toluene. They should satisfy Hückel's rule. 

 

 

The Criteria for Aromaticity — Hückel’s Rule 
Four structural criteria must be satisfied for a compound to be aromatic. 
1-Amolecule must be cyclic. 
 

 

 
To be aromatic, each p orbital must overlap with p orbitals on adjacent 
atoms.  
2-Amolecule must be planar

 (

all atoms in the molecule lie in the same 

plane) 
3- Amolecule must be completely conjugated . 
4- 

The molecule has 4n+2π electrons (

 Hückel’s rule)  

  Aromatic compounds 


background image

 

 

Hückel’s rule  

A cyclic ring  molecule  follows Hückel's  rule when  the  number  of 

its π-electrons equals  4n+2  where n is  zero  or  any  positive  integer  ,  The 
most common case in six 

 electrons (n=1) which is found for example in 

benzene ,pyrrole ,furan ,and pyridine . 

 

 

 

 

Aromatic Molecules 

 

    

 

    

   

 

 
 

 

Pyrrole 

6

  electrons 

n = 1 

 

Naphthalene 

10 

electrons 

n = 2 

 

 

 

 

 

Furan 

6  

electrons 
n = 1 

 

Pyridine 

6 

 electrons 

n = 1 

 

Imidazole 

6 

 electrons 

n = 1 


background image

 

 

Non aromatic  Molecules 

 

    

 

    

 

Cyclobutadiene 

4 

 electrons 

  Cyclopentadienyl cation 

electrons 

  Cyclooctatetraene 

8 

 electrons 

Benzene 

•     Benzene (C

6

H

6

) is the simplest aromatic hydrocarbon (or arene). 

•  Whereas  unsaturated  hydrocarbons  such  as  alkenes,  alkynes  and 

dienes readily undergo addition reactions, benzene does not. 

 
 

 

 

•  Benzene does react with bromine, but only in the presence of FeBr

3

 

(Lewis acid), and the reaction is a substitution, not an addition. 

 
 

 

•  Proposed structures of benzene must account for its high degree of 

unsaturation  and  its  lack  of  reactivity  towards  electrophilic 
addition. 

•  August Kekulé proposed that benzene was a rapidly equilibrating 

mixture  of  two  compounds,  each  containing  a  six-membered  ring 
with three alternating 

 bonds. 

•  In the Kekulé description, the bond between any two carbon atoms 

is sometimes a single bond and sometimes a double bond. 

 

•  These structures are known as Kekulé structures. 


background image

 

 

 

 

•  Although  benzene  is  still  drawn  as  a  six-membered  ring  with 

alternating 

 bonds, in reality there is no equilibrium between the 

two different kinds of benzene molecules. 

•  Current  descriptions  of  benzene  are  based  on  resonance  and 

electron delocalization due to orbital overlap. 

•  In the nineteenth century, many other compounds having properties 

similar  to  those  of  benzene  were  isolated  from  natural  sources. 
Since these compounds possessed strong and characteristic odors, 
they were called aromatic compounds. It should be noted, however, 
that  it  is  their  chemical  properties,  and  not  their  odor,  that  make 
them special.  

     Any structure for benzene must account for the following facts: 

1.  It contains a six-membered ring and three additional degrees of 

unsaturation. 

2.  It is planar. 
3.  All C—C bond lengths are equal. 
•  The  resonance  description  of  benzene  consists  of  two  equivalent 

Lewis structures, each with three double bonds that alternate with 
three single bonds.  

•  The  true  structure  of  benzene  is  a  resonance  hybrid  of  the  two 

Lewis structures, with the dashed lines of the hybrid indicating the 
position of the 

 bonds. 

•  We will use one of the two Lewis structures and not the hybrid in 

drawing  benzene.  This  will  make  it  easier  to  keep  track  of  the 
electron pairs in the 

 bonds (the 

 electrons). 

 

 

 

 


background image

 

•  In benzene, the actual bond length (1.39 Å) is intermediate 

between the carbon—carbon single bond (1.53 Å) and the 
carbon—carbon double bond (1.34 Å). 
 

 

 

 
 

 

 
 
Stability of the benzene ring. Heats of hydrogenation and combustion: 
 
Heats  of  hydrogenation  and  combustion  of  benzene  are  lower  than 
expected, 
 Heat of hydrogenation is the quantity of heat   evolved when one mole 
of an unsaturated compound is hydrogenated. In most cases the value is 
about 28-30 kcal for each double bond the compound contains. It is not 
surprising,  then,  that  cyclohexene  has  a  heat  of  hydrogenation  of  28.6 
kcal  and  cyclohexadiene  has  one  about  twice  that  (55.4  kcal.)We  might 
reasonably expect cyclohexatriene to have a heat of hydrogenation about 
three times as large as cyclohexene, that is, about 85.8 kcal. Actually, the 
value for benzene (49.8 kcal) is 36 kcal less than this expected amount. 
This  can  be  more  easily  visualized,  perhaps,  by  means  of  an  energy 
diagram, in which the height of a horizontal line represents the potential 
energy  content  of  a  molecule.  The  broken  lines  represent  the  expected 
values,  based  upon  three  equal  steps  of  28.6  kcal.  The  final  product, 
cyclohexane, is the same in all three cases. 


background image

 

           

 

The fact that benzene evolves 36 kcal less energy than predicted can only 
mean that benzene contains 36 kcal less energy than predicted; in other 
words, benzene is more stable by 36 kcal than we would have expected 
cyclohexatriene to be. The heat of combustion of benzene is also lower 
than that expected, and by about the same amount. 
 
Reactions of benzene 
 
Benzene undergoes substitution rather than addition. Kekule's structure of 
benzene is one that we would call "cyclohexatriene." We would expect 
this cyclohexatriene, like the very similar compounds, cyclohexadiene 
and cyclohexene, to undergo readily the addition reactions characteristic 
of the alkene structure. As the examples in the following table show, this 
is not the case; under conditions that cause an alkene to undergo rapid 
addition, benzene reacts either not at all or very slowly.  


background image

 

               

  

  
In place of addition reactions, benzene readily undergoes a new set of 
reactions, all involving substitution. The most important are shown below 
Electrophilic Aromatic Substitution 

 

1.  Nitration: 

 

 

 
2.  Sulfonation: 

 

 

 

3.  Halogenation: 

 

 

 

 
 

 


background image

 

4.  Friedel-Crafts alkylation: 

 

 

 
 

 

 

5.  Friedel-Crafts acylation: 

 

 

 
 

 

 
In each of these reactions an atom or group has been substituted for one 
of the hydrogen atoms of benzene. The product can itself undergo further 
substitution  of  the  same  kind;  the  fact  that  it  has  retained  the 
characteristic  properties  of  benzene  indicates  that  it  has  retained  the 
characteristic  structure  of  benzene.  It  would  appear  that  benzene  resists 
addition, in which the benzene ring system would be destroyed, whereas 
it readily undergoes substitution, in which the ring system is preserved. 

 

 

 

 

 


background image

 

Nomenclature of benzene derivatives  

All compounds that contain a benzene ring are aromatic, and substituted 
derivatives of benzene make up the largest class of aromatic compounds. 
Many such compounds are named by attaching the name of the 
substituent as a prefix to benzene. 

 

 

 

 

Many simple monosubstituted derivatives of benzene have common 
names of long standing that have been retained in the IUPAC system. 

 


background image

 

10 

 

The prefix ortho signifies a 1,2-disubstituted benzene ring, meta signifies 
1,3-disubstitution, and para signifies 1,4-disubstitution.  

  


background image

 

11 

 

 

 

  Dimethyl derivatives of benzene are called xylenes. There are three 
xylene isomers, the ortho (o)-, Meta (m)-, and para (p) - substituted 
derivatives. 

 

 


background image

 

12 

The prefixes o , m, and p can be used when a substance is named as a 
benzene derivative or when a specific base name such as 

 

 

 

 

 

 

 

The o, m, and p prefixes are not used when three or more substituents are 
present on benzene; numerical locants must be used instead. 


background image

 

13 

In these examples the base name of the benzene derivative determines the 
carbon at which numbering begins: anisole has its methoxy group at C-l, 
toluene its methyl group at C-l, and aniline its amino group at C-1. The 
direction of numbering is chosen to give the next substituted position the 
lowest  number  irrespective  of  what  substituent  it  bears. The  order  of 
appearance  of  substituents  in  the  name  is  alphabetical.  When  no 
simple base  name  other  than  benzene  is  appropriate,  positions  are 
numbered so as to give the lowest locant at the first point of difference. 
Thus, each of the following examples is named as a 1, 2, 4-trisubstituted 
derivative of benzene rather than as a 1, 3, 4-derivative: 

 

 


background image

 

14 

 

When the benzene ring is named as a substituent, the word phenyl stands 
for C

6

H

5

–. Similarly, an arene named as a substituent is called an aryl 

group. A benzyl group is C

6

H

5

CH

2

- . 

 

 

 

Biphenyl is the accepted IUPAC name for the compound in which two 
benzene rings are connected by a single bond. 


background image

 

15 

 

Electrophilic Aromatic Substitution 
It is not surprising that in its typical reactions the benzene ring serves as a 
source of electrons, that is, as a base. The compounds with which it reacts 
are deficient in electrons, that is, are electrophilic reagents or acids. Just 
as the typical reactions of the alkenes are electrophilic addition reactions, 
so the typical reactions of the benzene ring are electrophilic substitution 
reactions.
 Electrophilic aromatic substitution includes a wide variety of 
reactions:  nitration,  halogenation,  sulfonation,  and  Friedel-Crafts 
reactions,  undergone  by  nearly  all  aromatic  rings;  reactions  like 
nitrosation  and  diazo  coupling,  undergone  only  by  rings  of  high 
reactivity. 

 

Electrophilic  Aromatic  Substitution  (EAS)  is  a  substitution  reaction 
usually involving the benzene ring; more specifically it is “a reaction in 
which  the  hydrogen  atom  of  an  aromatic  ring  is  replaced  as  a 
consequence of electrophilic attack on the aromatic ring.” 

 

An electrophileE

+

, is an electron poor species that will react with 

an electron rich species. 

 

 
There are three fundamental components to an electrophilic substitution 
reaction: 

1.  formation of the new   bond from a C=C in the arene nucleophile 
2.  removal of the proton by breaking the C-H   bond 
3.  reform the C=C and restore aromaticity 

 


background image

 

16 

The mechanism is represented by the following series of events: 

 

Formation of the reactive electrophile, E

+

 

 

Slow reaction of the arene C=C with the E

+

 to give a resonance 

stabilized carbocation (see below) 

 

Loss of H

+

 from the carbocation to restore the C=C and the 

aromatic system 

The reaction of the electrophile E

+

 with the arene is the slow step since it 

results in the loss of aromaticity even though the resulting cation is still 
resonance stabilized. 

 

 
 

1.  Nitration: 

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 


background image

 

17 

Mechanism of nitration 

1)  Nitration of an aromatic is accomplished by first obtaining a 

reactive electrophile  NO

2

+

 and  then combining it with an 

aromatic : 

 

 

 

 
 

    
 
 
 
 
 


background image

 

18 

  2 .Sulfonation

        
 

 

 
 
Mechanism of reaction 

 

 
 

 

 
 
 
 
 
 
 
 


background image

 

19 

2)  halogenation 

 

 
 

 

 
 
 

 

 
 
  Mechanism Of halogenation     

 
 

 

 
 


background image

 

20 

 

 

3)    Friedel-Crafts Alkylation 

 
 

 

 
                        R = 2

o

, 3

o

, -CH

3

, -CH

2

CH

3

 

                          Primary alkyl groups other than Me or Et rearrange. 


background image

 

21 

 

 

 

 

 
                                                                     

 

 

 
 
 Mechanism of alkylation 
 

 

 
 
 
 
 


background image

 

22 

 

 

4)   Friedel-Crafts Acylation 

                       .  

 

                       R = alkyl or aryl group
This reaction works with acid chlorides (or acyl) or acid 
anhydrides. 

 

 

 

Acid chloride     acid anhydride 

An important feature of this reaction:  no rearrangements occur. The 
mechanism involves the formation of the acylium ion (acyl cation).the 
stability of this ion (due to resonance stabilization) avoids rearrangement. 
 
 


background image

 

23 

 

 
                                        Acylium ion (acyl cation) 

 

 

 
 
Mechanism of acylation
:- 
 

 

 

 


background image

 

24 

 

 
 
5). Diazo coupling: 
 

 

Effect of substituent groups 
 
Like  benzene,  toluene  undergoes  electrophilic  aromatic  substitution: 
sulfonation,  for  example.  Although  there  are  three  possible  mono 
sulfonation products, this reaction actually yields appreciable amounts of 
only two of them: the o- and p- isomers. 
 


background image

 

25 

      

 

 
On  the  other  hand,  nitrobenzene,  to  take  a  different  example,  has  been 
found  to  undergo  substitution  more  slowly  than  benzene,  and  to  yield 
chiefly  the  meta  isomer.  Like  methyl  or  nitro,  any  group  attached  to  a 
benzene  ring  affects  the  reactivity  of  the  ring  and  determines  the 
orientation  of  substitution.  When  an  electrophilic  reagent  attacks  an 
aromatic ring, it is the group already attached to the ring that determines 
how readily the attack occurs and where it occurs. 
 A  group  that  makes  the  ring  more  reactive  than  benzene  is  called  an 
activating group
 A  group  that  makes  the  ring  less  reactive  than  benzene  is  called  a 
deactivating group
A group that causes attack to occur chiefly at positions ortho and para to 
it is called an ortho , para director
A group that causes attack to occur chiefly at positions Meta to it is called  
Meta  director. 
 
Classification of substituent groups 
Nearly all groups fall into one of two glasses: activating and ortho, para- 
directing, or deactivating and meta-directing. The halogens are in a class 
by themselves, being deactivating but ortho-, para- directing. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


background image

 

26 

Effect of groups on electrophilic aromatic substitution 

     
   

 

Ortho/para directors 
Groups  with unshared  pairs of  electrons,  such  as  the amino group 
of aniline, 

are 

strongly activating and ortho/para-directing. 

Such activating groups donate those unshared electrons to the pi system. 
When  the  electrophile  attacks  the ortho and para positions  of  aniline, 
the nitrogen atom  can  donate  electron  density  to  the pi system  (forming 
an iminium  ion),  giving  four resonance  structures This  substantially 
enhances the stability of the cationic intermediate. 
ortho 

Para 
 

 


background image

 

27 

Compare  this  with  the  case  when  the  electrophile  attacks 

the Meta position. In that case, the nitrogen atom cannot donate electron 

density  to  the pi system,  giving  only  three  resonance  contributors.  For 

this  reason,  the meta-substituted  product  is  produced  in  much  smaller 

proportion to the ortho and para products. 

Meta 
 

 

Meta directors 
 
Electron withdrawing groups
 (EWG) with pi bonds to electronegative 
atoms
 (e.g. -C=O,  -NO

2

)  adjacent  to  the pi system deactivate the 

aromatic  ring  by  decreasing  the  electron  density  on  the  ring  through 
resonance  withdrawing  effect.   The  resonance  only  decreases  the 
electron  density  at  the  ortho-  and  para-  positions.  Hence  these  sites 
are less nucleophilic, and so the system tends to react with electrophiles 
at the meta sites. 

 

 

Halogens: -   Are a special case since they are deactivating groups yet 
are ortho  /para directors. 

1)  They are deactivating due to their high electronegativities  (inductive 

effects). 

2)    They are ortho/para directors since they can, via their lone pairs, 

donate electrons into  the pi system of the ring when substitution is o/p 
(resonance effect) 

3)  The  high  electronegativity  of  halogen  atoms  leads  to  overall  ring 

deactivating by their electron-withdrawing inductive effect .However 
,their electro-donating resonance effect causes substitution to be more 
favorable  ortho  and  para  positions  than  at  meta  positions  
 


background image

 

28 

 

 

 




رفعت المحاضرة من قبل: Dunya Isam
المشاهدات: لقد قام 11 عضواً و 344 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل