Chlorowanie Toluenu: Mechanizm Reakcji i Charakterystyka
- Szczegóły
Toluen (metylobenzen) reaguje z chlorem. W zależności od warunków przeprowadzania procesu powstają różne chloropochodne toluenu. Toluen (metylobenzen) to najprostsza alkilopochodna benzenu, w której za atom wodoru podstawiona jest grupa metylowa.
Jest to przykład związku alifatyczno(łańcuchowo)-aromatycznego o następującym wzorze:
Toluen zawiera zarówno część alifatyczną, jak i aromatyczną, dzięki czemu przejawia właściwości dwojakiego rodzaju. Występowanie pierścienia aromatycznego wskazuje na to, że ów związek ulega m.in. reakcjom substytucji elektrofilowej, natomiast występowanie łańcucha bocznego - substytucji rodnikowej. Co więcej, oba fragmenty - alifatyczny i aromatyczny - wpływają na siebie. Grupa metylowa oddziałuje na zmianę właściwości aromatycznych pierścienia, natomiast ten z kolei decyduje o właściwościach alifatycznych łańcucha bocznego.
Przykładowo, w wyniku obecności grupy metylowej nitrowanie pierścienia zachodzi łatwiej niż w samym benzenie. I odwrotnie - halogenowanie (np. bromowanie) grupy metylowej zachodzi łatwiej w obecności pierścienia niż dla samego metanu. Dlatego należy pamiętać, że każdy fragment cząsteczki wpływa na reaktywność drugiego fragmentu, wobec całego związku.
Można zauważyć, że obecność grupy metylowej w cząsteczce toluenu zwiększa gęstość elektronową w okolicy pierścienia, przez co jest ona większa niż w benzenie, a sama grupa metylowa charakteryzuje się bardzo małą gęstością elektronową, najmniejszą w cząsteczce toluenu. To powoduje różnice w reaktywności pierścienia aromatycznego toluenu i benzenu, jak również różnice w reaktywności grupy metylowej toluenu i grupy metylowej węglowodoru alifatycznego lub samego metanu.
Przeczytaj także: Izomeria w Chlorowaniu Trimetylopentanu
Substytucja Elektrofilowa w Pierścieniu Toluenu
Jedną z najważniejszych reakcji w chemii związków aromatycznych jest reakcja substytucji elektrofilowej do pierścienia aromatycznego. Substytucja elektrofilowa to typ reakcji chemicznej, charakterystycznej dla węglowodorów aromatycznych oraz ich pochodnych. Polega na podstawieniu atomu wodoru w pierścieniu aromatycznym drobiną o charakterze elektrofilowym (o ładunku dodatnim). Jest to możliwe dzięki oddziaływaniu chmury elektronowej pierścienia aromatycznego posiadającej ładunek ujemny z drobiną o ładunku dodatnim (z elektrofilem).
Gęstość elektronowa w cząsteczce toluenu jest przesunięta z grupy metylowej w okolice pierścienia. Atomy wodoru pierścienia aromatycznego toluenu nie są równocenne chemicznie, więc w odróżnieniu od benzenu nie bez znaczenia jest to, który atom wodoru ulega podstawieniu.
Grupa metylowa, należąca do grup alkilowych w reakcjach aromatycznego podstawienia elektrofilowego (substytucji elektrofilowej), silnie aktywuje pierścień, czyli wzbogaca go w elektrony. O takiej grupie mówi się wówczas jako o aktywującej lub elektrodonorowej. Tego typu grupy są podstawnikami I rodzaju i kierują inne podstawniki w położenie orto i para.
W wyniku każdej reakcji substytucji elektrofilowej powstaje zatem mieszanina produktów w postaci izomerów orto i para.
Reakcje Substytucji Elektrofilowej Toluenu
- Nitrowanie: Podstawienie atomu wodoru z pierścienia aromatycznego grupy nitrowej, zachodzi w obecności mieszaniny nitrującej, czyli stężonych kwasów: azotowego(V) oraz siarkowego(VI). Zgodnie z wpływem kierującym podstawnika metylowego, produktami reakcji nitrowania toluenu są o-nitrotoluen(1-metylo-2-nitrobenzen) oraz p-nitrotoluen (1-metylo-4-nitrobenzen), czytane jako „orto-nitrotoluen” oraz „para-nitrotoluen”.
- Halogenowanie: Zalicza się m.in. bromowanie oraz chlorowanie, czyli podstawienie za atom wodoru w pierścieniu aromatycznym atomu bromu lub chloru. Reakcje zachodzą pod wpływem katalizatorów, odpowiednio FeBr3 i FeCl3 lub samego żelaza. Dla przykładu, zgodnie z wpływem kierującym podstawnika metylowego, produktami reakcji bromowania toluenu są 1-bromo-2-metylobenzen oraz 1-bromo-4-metylobenzen.
- Alkilowanie: Reakcja podstawienia za atom wodoru pierścienia aromatycznego dowolnej grupy alkilowej, czyli jednowartościowej grupy utworzonej przez oderwanie atomu wodoru od alkanu. Katalizatorem reakcji alkilowania jest AlCl3, reagujący z dowolnym halogenkiem alkilu. Zgodnie z wpływem kierującym podstawnika metylowego, produktami reakcji alkilowania, w poniższym przykładzie metylowania, są 1,2-dimetylobenzen oraz 1,4-dimetylobenzen.
- Acylowanie: Reakcja podstawienia za atom wodoru grupy acylowej, czyli -COR, gdzie R oznacza resztę węglowodorową. Otrzymuje się wówczas odpowiedni keton. Katalizatorem reakcji acylowania jest AlCl3, który reaguje z halogenkiem kwasu karboksylowego - najczęściej chlorkiem kwasowym. Zgodnie z wpływem kierującym podstawnika metylowego, produktami reakcji acylowania (w poniższym przykładzie użyto chlorku kwasu octowego) są 1-(2-metylofenylo)etan-1-on oraz 1-(4-metylofenylo)etan-1-on.
- Sulfonowanie: Reakcja podstawienia za atom wodoru grupy sulfonowej -SO3H, powstającej m.in. w reakcji mieszaniny SO3 i H2SO4, czyli tzw. dymiącego kwasu siarkowego(VI). Zgodnie z wpływem kierującym podstawnika metylowego produktami reakcji sulfonowania toluenu są kwas 2-metylobenzenosulfonowy oraz 4-metylobenzenosulfonowy.
Hydrogenacja Pierścienia
Kolejnym typem reakcji, w której uczestniczy pierścień aromatyczny, jest reakcja addycji wodoru. Toluen w odpowiednich warunkach ulega hydrogenacji, czyli uwodornieniu, pod wpływem katalizatora - np. Pt, Ni lub Pd. Taka reakcja zachodzi zgodnie z mechanizmem addycji na katalizatorze i prowadzi do powstania metylocykloheksanu. Reakcja ta wiąże się z utratą aromatyczności produktu, należącego do grupy cykloalkanów.
Przeczytaj także: Skutki chlorowania wody z fenolem
Substytucja Rodnikowa w Łańcuchu Bocznym
Substytucja rodnikowa to typ reakcji podstawienia dla nasyconych związków organicznych. Jej przebieg wiąże się z wytwarzaniem reaktywnych rodników, najczęściej pod wpływem światła (hν). Grupa metylowa w cząsteczce toluenu ulega zatem reakcji substytucji wolnorodnikowej w wyniku fluorowcowania za pomocą Br2 lub Cl2 w obecności światła. W wyniku chlorowania toluenu otrzymuje się chlorofenylometan o zwyczajowej nazwie chlorek benzylu.
Utlenianie Łańcucha Bocznego
Kolejnym typem reakcji, która dotyczy łańcucha bocznego, jest jego utlenianie za pomocą silnego utleniacza, np. KMnO4, K2Cr2O7 czy HNO3. Utlenianie toluenu prowadzi do otrzymania kwasu benzoesowego (kwasu benzenokarboksylowego). Reduktorem w tej reakcji jest natomiast sama cząsteczka toluenu. Pozostałe produkty reakcji zależą od użytego utleniacza oraz warunków prowadzenia reakcji, tak jak pokazano na poniższych przykładach, gdzie utleniaczem jest np. manganian(VII) potasu oraz dichromian(VI) potasu w środowisku kwasowym.
Przeczytaj także: Płukanie studni: jak to zrobić poprawnie?
tags: #chlorowanie #toluenu #mechanizm #reakcji
