Ćwiczenie
Produkty reakcji mononitrowania toluenu
Jedną z najważniejszych reakcji w chemii związków aromatycznych jest reakcja substytucji elektrofilowej do pierścienia aromatycznego. W reakcji podstawienie benzenu tworzy się zwykle tylko jeden produkt. Natomiast w reakcji substytucji, w której uczestniczy wcześniej podstawiona pochodna benzenu (np.: toluenu, chlorobenzenu, fenolu) mogą powstawać trzy izomery: orto, meta i para. Czynnikiem decydującym o proporcjach produktów końcowych jest rozkład ładunku na atomach węgla i stabilności kompleksu (sigma). Energia powstawania produktów przejściowych (izomery meta lub orto, para) decyduje o końcowych produktach reakcji. Jeśli energia produktu pośredniego jest mniejsza wówczas jest większe prawdopodobieństwo powstanie tego produktu.
Porównując energie produktów reakcji możemy określić główny produkt, a także określić rodzaj podstawnika (I-rzędowy, II-rzędowy). Podstawniki I rodzaju powodują podstawienie w pozycji orto i para, są zwykle aktywującymi: grupy alkilowe (-CH3), hydroksylowa (-OH), aminowa (-NH2) i halogeny (-F, -Cl, -Br, -I, dezaktywują). Podstawniki II rodzaju kierują w pozycję meta i są zawsze dezaktywujące: grupa nitrowa (-NO2), karboksylowa (-COOH), amidowa (-CONH2), aldehydowa (-CHO), nitrylowa (-CN), sulfonowa (-SO3H).
Ćwiczenie A
W reakcji nitrowania możliwe jest powstanie trzech produktów przejściowych.
Na podstawie energii zoptymalizowanych struktur (B3LYP/6-31G(d)) odpowiadającym produktom przejściowym tej reakcji określ główny produkt mononitrowania toluenu. Porównaj długości wiązań C-C dla każdego produktu przejściowego w pierścieniu aromatycznym ze strukturami rezonansowymi.
Ćwiczenie B
Przeprowadź podobna analizę, lecz dla reakcji sulfonowania lub chlorowania toluenu. Porównaj wyniki z badaniami eksperymentalnymi zawartymi w literaturze.
