Zadanie 18 – Reakcje p-ksylenu z bromem

1. Krok 1: Analiza reakcji p-ksylenu z bromem pod wpływem światła ($h\nu$)

   Światło (promieniowanie UV) inicjuje homolityczny rozpad cząsteczki bromu:

   $$\text{Br}_2 \xrightarrow{h\nu} 2\,\text{Br}^{\bullet}$$

   Powstałe rodniki bromu atakują grupę metylową ($-\text{CH}_3$) znajdującą się w łańcuchu bocznym pierścienia. Jeden atom wodoru z grupy metylowej jest zastępowany atomem bromu. Reakcja jest więc substytucją, a jej mechanizm – rodnikowy (przebiega przez wolne rodniki).

   Uproszczony zapis reakcji (bromowanie łańcucha bocznego):

   $$\underbrace{p\text{-CH}_3\text{-C}_6\text{H}_4\text{-CH}_3}_{p\text{-ksylen}} + \text{Br}_2 \xrightarrow{h\nu} p\text{-CH}_3\text{-C}_6\text{H}_4\text{-CH}_2\text{Br} + \text{HBr}$$

   Atak rodnika na łańcuch boczny, a nie na pierścień aromatyczny, wynika z tego, że wolny rodnik nie wchodzi w interakcje elektrostatyczne z elektronami $\pi$ pierścienia – nie ma ładunku i nie jest elektrofilem.

2. Krok 2: Analiza reakcji p-ksylenu z bromem w obecności żelaza (Fe jako katalizator)

   Żelazo reaguje z bromem, tworząc bromek żelaza(III) ($\text{FeBr}_3$), który pełni rolę katalizatora kwasu Lewisa:

   $$\text{Fe} + \frac{3}{2}\text{Br}_2 \rightarrow \text{FeBr}_3$$

   Bromek żelaza(III) polaryzuje cząsteczkę $\text{Br}_2$, generując elektrofil $\text{Br}^+$:

   $$\text{Br}_2 + \text{FeBr}_3 \rightarrow \text{Br}^{+}\cdots\text{Br}\text{FeBr}_3^{-}$$

   Elektrofil $\text{Br}^+$ atakuje pierścień aromatyczny (podstawienie w pierścieniu), przy czym system aromatyczny zostaje zachowany. Reakcja przebiega mechanizmem elektrofilowym i jest również substytucją (jeden atom H w pierścieniu zostaje zastąpiony atomem Br).

   $$p\text{-CH}_3\text{-C}_6\text{H}_4\text{-CH}_3 + \text{Br}_2 \xrightarrow{\text{Fe}} p\text{-CH}_3\text{-C}_6\text{H}_3(\text{Br})\text{-CH}_3 + \text{HBr}$$

   Grupy metylowe ($-\text{CH}_3$) są podstawnikami aktywującymi i orto/para-kierującymi, więc brom wchodzi do pierścienia w pozycję orto lub meta względem jednej z grup metylowych (faktycznie pozycja 2 lub podobna).

3. Krok 3: Uzupełnienie tabeli

   	Pod wpływem światła ($h\nu$)	W obecności Fe
   Typ reakcji	substytucja	substytucja
   Mechanizm reakcji	rodnikowy	elektrofilowy

Wynik końcowy:

• Pod wpływem światła: typ reakcji – substytucja, mechanizm – rodnikowy (bromowanie łańcucha bocznego, wolne rodniki $\text{Br}^{\bullet}$).
• W obecności Fe: typ reakcji – substytucja, mechanizm – elektrofilowy (bromowanie pierścienia aromatycznego, elektrofil $\text{Br}^+$ aktywowany przez $\text{FeBr}_3$).