Structural effects on the bromination rate and selectivity of alkylbenzenes and alkoxybenzenes in aqueous solution

文献情報

出版日 2021-07-28
DOI 10.1039/D1CP02422A
インパクトファクター 3.676
著者

Marella H. Schammel, Kayla R. Martin-Culet, Garrett A. Taggart, John D. Sivey


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要旨

Aqueous free bromine species (e.g., HOBr, BrCl, Br2, BrOCl, Br2O, and H2OBr+) can react with activated aromatic compounds via electrophilic aromatic substitution to generate products with industrial applications, environmental consequences, and potentially adverse biological effects. The relative contributions of these brominating agents to overall bromination rates can be calculated via nonlinear regression analyses of kinetic data collected under a variety of solution conditions, including variations in parameters (e.g., [Cl−], [Br−], and pH) known to influence free bromine speciation. Herein, kinetic experiments conducted in batch reactors were employed to evaluate the contributions of steric and electronic effects on bromination of monosubstituted alkylbenzenes (ethyl, isopropyl, tert-butyl) and alkoxybenzenes (ethoxy, isopropoxy, tert-butoxy) and to elucidate the inherent reactivities of aqueous brominating agents towards these aromatic compounds. For bromination at the para position of alkylbenzenes, overall reactivity increased from tert-butyl < ethyl ≈ isopropyl. For bromination at the para position of alkoxybenzenes, reactivity increased from tert-butoxy < ethoxy < isopropoxy. In going from ethyl to tert-butyl and ethoxy to isopropoxy, unfavorable steric effects attenuated the favorable electronic effects imparted by the substituents. When comparing unsubstituted benzene, alkyl-, and alkoxybenzenes, the structure of the substituent has a significant effect on bromination rates, nucleophile regioselectivity, and electrophile chemoselectivity. Hirshfeld charges were useful predictors of reactivity and regioselectivity. The experimental results were also modeled using Taft equations. Collectively, these findings indicate that steric effects, electronic effects, and brominating agents other than HOBr can influence aromatic compound bromination in solutions of free bromine.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
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自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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