Реакции электрофильного замещения примеры. Механизмы химических реакций. Электрофилы средней силы
Под действием концентрированной азотной кислоты или смеси концентрированных азотной и серной кислот (нитрующая смесь) атомы водорода бензольного ядра замещаются на нитрогруппу:
нитробензол
Нитрованию предшествует образование электрофильного реагента NO 2 - катиона нитрония.
В реакции нитрования бензола нитрующей смесью катион нитрония (NO 2 ) образуется в результате протонирования азотной кислоты присутствующей концентрированной серной кислотой:
Дальнейшее нитрование происходит с трудом, так как нитрогруппа является заместителем второго рода и затрудняет течение реакций с электрофильными реагентами:
нитробензол 1,3-динитробензол 1,3,5-тринитробензол
Гомологи бензола (толуол, ксилолы) нитруются легче, чем бензол, так как алкильные группы являются заместителями первого рода и облегчают течение реакций с электрофильными реагентами:
1,3,5-тринитробензол
толуол орто-нитротолуол пара-нитротолуол
1,3,5-тринитробензол
1.2. Реакции сульфирования.
При действии на бензол и его гомологи концентрированной серной кислотой или триоксидом серы атомы водорода в бензольном ядре замещаются на сульфогруппу:
бензолсульфокислота
Механизм реакции
Сульфированию предшествует образование электрофильного реагента HSO + 3 - гидросульфониевого иона:
3H 2 SO 4 → Н 3 О + + HSO + 3 + 2HSO - 4
π-комплекс σ-комплекс
H + + HSO - 4 → H 2 SO 4
Еще более активным электрофильным реагентом является триоксид серы, в котором имеется дефицит электронной плотности на атоме серы:
σ- комплекс
биполярный ион
Гомологи бензола сульфируются легче, чем бензол, так как алкильные группы являются заместителями первого рода и облегчают течение реакций с электрофильными реагентами:
1.3. Реакции галогенирования.
В присутствии катализаторов кислот Льюиса (AlCl 3 ; AlBr 3 ; FeCl 3 ; FeBr 3 ; ZnCl 2 ) при комнатной температуре происходит замещение атомов водорода бензольного ядра на атомы галогена:
Причем хлор замещает водород в ароматическом ядре активнее брома, а осуществить иодирование и фторирование аренов практически не удается, вследствие недостаточной активности иода и чрезмерной активности фтора.
Роль катализатора заключается в образовании или положительного иона галогена или комплекса галогена с кислотой Льюиса с поляризацией связи галоген-галоген:
1) образование положительного иона галогена:
2) образование комплекса галогена с кислотой Льюиса с поляризацией связи галоген-галоген:
Дальнейшее галогенирование происходит с трудом, так как галогены затрудняют реакции с электрофильными реагентами, но являются орто- и пара-ориентантами:
бромбензол 1,2-дибромбензол 1,4-дибромбензол
Гомологи бензола галогенируются легче, чем бензол, так как алкильные группы являются заместителями первого рода и облегчают течение реакций с электрофильными реагентами:
толуол орто-хлортолуол пара-хлортолуол
Наиболее важными реакциями этого типа являются нитрование, галогенирование, сульфирование, алкилирование, ацилирование.
Механизм ароматического электрофильного замещения.
Большинство реакций ароматического электрофильного замещения протекает по единому механизму:
Реакция начинается с образования p -комплекса, в котором p -электронная система ароматического ядра выступает как донор электронов, а электрофильный реагент (Е +) действует как акцептор. Далее p -комплекс с нарушением ароматической системы медленно перегруппировывается в s -комплекс, в котором электрофил связан s -связью с определенным атомом углерода, а положительный заряд делокализован по сопряженной системе бывшего ароматического кольца. Делокализация положительного заряда в s -комплексе происходит в основном за счет о- и п-положений по отношению к вступающему заместителю, что может быть показано с помощью набора резонансных структур
На последней стадии происходит отщепление протона от s -комплекса под действием основания с восстановлением ароматической системы. Лимитирующей стадией в процессе электрофильного замещения является стадия образования s -комплекса.
Ход реакции и ее механизм иллюстрирует энергетическая диаграмма, представленная на рисунке:
Ориентация и реакционная способность
Если бензольное кольцо уже содержит заместитель, то:
- реакция может протекать быстрее или медленнее, чем с самим бензолом;
- возможно образование трех разных продуктов замещения
Влияние имеющегося в бензольном кольце заместителя можно объяснить исходя из его электронных эффектов. По этому признаку заместители можно разделить на 3 основных группы:
1. Заместители, ускоряющие реакцию по сравнению с незамещенным бензолом (активирующие ) и направляющие замещение в орто ,-пара- положения.
2. Заместители, замедляющие реакцию (дезактивирующие ) и направляющие замещение в орто,-пара- положения .
3. Заместители, замедляющие реакцию (дезактивирующие ) и направляющие замещение в мета - положения.
Заместители, отмеченные в п.п. 1,2 (орто-,пара-ориентанты ) называются заместителями I-го рода ; отмеченные в п.3 (мета-ориентанты ) - заместителями II-го рода . Ниже приведено отнесение обычно встречающихся заместителей в соотвествие с их электронными эффектами.
Таблица 6. Влияние заместителей ароматическом кольце на реакции S E Ar
| Ориентанты I-го рода (орто-, пара- ) | Ориентанты II-го рода (мета- ) | |
| активирующие | дезактивирующие | дезактивирующие |
| Все алкильные группы, -OH, -OR, -O - , -OC(O)R, -NH 2 , -NHR, -NR 2 , NHC(O)R | Галогены: F, Cl, Br, I |
CHO, -C(O)R, -CN, SO 3 H, -COOH, COOR, -NO 2 СHal 3 , -N + R 3 , |
Очевидно, что электрофильное замещение будет происходить тем быстрее, чем более электронодонорным является заместитель в ядре, и тем медленнее, чем более электроноакцепторным является заместитель в ядре.
Для объяснения ориентации замещения рассмотрим строение s -комплексов при атаке в орто -, мета- и пара- положения монозамещенного бензола (как уже отмечалось, образование s -комплексов обычно является скорость-определяющей стадией электрофильного замещения; cледовательно, легкость их образования должна определять легкость протекания замещения в данное положение):
Если группа Z - донор электронов (неважно, индуктивный или мезомерный), то при орто - или пара -атаке она может принимать непосредственное участие в делокализации положительного заряда в s -комплексе (структуры III, IV, VI, VII). Если же Z - акцептор электронов, то указанные структуры будут энергетически невыгодными (из-за наличия частичного положительного заряда на атоме углерода, связанном с электроноакцепторным заместителем) и в этом случае оказывается предпочтительной мета-атака, при которой не возникает таких структур.
Приведенное выше объяснение дано на основании так называемого динамического эффекта , т.е. распределения электронной плотности в реагирующей молекуле. Ориентацию электрофильного замещения в монозамещенных бензолах можно объяснить и с позиции статическихэлектронных эффектов - распределения электронной плотности в нереагирующей молекуле. При рассмотрении смещения электронной плотности по кратным связям можно заметить, что при наличии электронодонорного заместителя более всего повышена электронная плотность в орто- и пара- положениях, а при наличии электроноакцепторного заместителя эти положения наиболее обеднены электронами:
Особый случай представляют собой галогены - будучи заместителями в бензольном ядре, они дезактивируют его в реакциях электрофильного замещения, однако являются орто -, пара- ориентантами. Дезактивация (снижение скорости реакции с электрофилами) связана с тем, что, в отличие других группировок с неподеленными электронными парами (таких как -OH, -NH 2 и т.п.), обладающих положительным мезомерным (+М) и отрицательным индуктивным эффектом (-I), для галогенов характерно преобладание индуктивного эффекта над мезомерным (+М< -I).
В то же время, атомы галогенов являются орто,пара -ориентантами, поскольку способны за счет положительного мезомерного эффекта участвовать в делокализации положительного заряда в s -комплексе, образующемся приорто - или пара - атаке (структуры IV, VII в приведенной выше схеме), и тем самым снижают энергию его образования.
Если в бензольном ядре имеется не один, а два заместителя, то их ориентирующее действие может совпадать (согласованная ориентация ) или не совпадать (несогласованная ориентация ). В первом случае можно рассчитывать на преимущественное образование каких-то определенных изомеров, а во втором будут получаться сложные смеси.
Ниже приведены некоторые примеры согласованной ориентации двух заместителей; место преимущественного вступления третьего заместителя показано стрелкой.
Примеры реакций электрофильного замещения.
Нитрование
Нитрование, как правило, проводят смесью концентрированных азотной и серной кислот, так называемойнитрующей смесью . На первой стадии реакции происходит образование электрофильного агента - иона нитрония + NO 2:
Затем катион нитрония вступает в реакцию с ароматическим субстратом, например бензолом:
Галогенирование
В отличие от нитрования, при галогенировании атака ароматического субстрата может осуществляться различными электрофилами. Свободные галогены, например, Cl 2 и Br 2 , могут легко атаковать активированное ароматическое ядро (например, фенола), но не способны реагировать с бензолом и алкилбензолами. Для поляризации атакующей молекулы галогена необходим катализ кислотами Льюиса , такими как AlCl 3 , FeBr 3 , и т.п.; при этом в молекуле галогена появляется так называемый "электрофильный конец" (энергия же, требующаяся для образования катиона Наl + существенно выше). Тем самым электрофильное замещение существенно облегчается:
Сульфирование
Арены взаимодействуют с концентрированной серной кислотой или олеумом (раствор SO 3 в серной кислоте) с образованием аренсульфокислот:
ArH + H 2 SO 4 ® ArSO 3 H + H 2 O
Электрофильной частицей является SO 3 . Атаку ароматического субстрата осуществляет атом серы, поскольку он сильно положительно поляризован, то есть электронодефицитен:
Сульфирование является обратимым процессом. Сульфогруппа может удаляться из ароматического ядра, что широко используется в органическом синтезе.
Алкилирование по Фриделю-Крафтсу
Подобно галогенам, алкилгалогениды могут быть так сильно поляризованы кислотами Льюиса (хлоридами алюминия и цинка, трифторидом бора и др.), что они становятся способными к электрофильному замещению в ароматическом ядре:
Кроме алкилгалогенидов для алкилирования ароматических соединений могут использоваться алкены или спирты в присутствие катализатора - протонной кислоты:
Присутствие катализатора - протонной кислоты необходимо для генерирования электрофильной частицы - карбокатиона:
Алкилирование аренов алкенами происходит в соответствии с правилом Марковникова.
Продукты алкилирования легче вступают в реакции электрофильного ароматического замещения, чем исходное соединение (Alk - электронодонорная группа), поэтому дальше преимущественно алкилируется продукт и образуются продукты полиалкилирования. Если хотят получить продукты моноалкилирования, то необходимо брать большой избыток ароматического соединения.
Ацилирование по Фриделю-Крафтсу
Арены взаимодействуют с хлорангидридами и ангидридами карбоновых кислот с образование кетонов:
Хлорангидриды и ангидриды, имеют полярную карбонильную группу и в способны к электрофильному замещению в ароматических системах:
Электрофильная активность этих соединений, однако, невелика, и должна быть повышена действием кислот Льюиса. В результате образуется поляризованный комплекс (а в пределе - ацилкатион), действующий как электрофил:
Полиацилирования не наблюдается, поскольку образующийся кетон значительно менее реакционноспособен, чем исходное соединение. Ароматические соединения с сильнодезактивирующими заместителями, например, нитро- или циано- группами, также не ацилируются по Фриделю-Крафтсу.
Электрофильное замещение в конденсированных ароматических углеводородах.
Конденсированные ароматические углеводородв обладают большей реакционной способностью, чем бензол, так как энергия сопряжения, приходящаяся на одно ароматическое кольцо в них меньше, чем в бензоле.
Для замещении в нафталине возможно образование двух изомерных продуктов при атаке электрофила в a - или в b -положение. Атомы водорода в a -положении обладают более высокой реакционной способностью и, если реакция протекает в условиях кинетического контроля (хлорирование, нитрование), то образуется a -изомер:
Сульфирование нафталина концентрированной серной кислотой при 80 о С приводит к a-изомеру, который образуется с большей скоростью(кинетический контроль), а при 160 о С - к термодинамически более стабильному b -изомеру (термодинамический контроль).
Еще более высокой реакционной способностью по сравнению с бензолом обладает антрацен. При этом во всех случаях атака электрофильных реагентов происходит по центральному ядру, а периферийные бензольные ядра сохраняются.
Для аренов характерны три типа реакций:
1) электрофильное замещение S E Ar (разрушение связи С-Н);
2) реакции присоединения (разрушение p-связи);
3) реакции с разрушением бензольного кольца.
Электрофильное замещение в аренах (S E Ar)
Реакции электрофильного замещения протекают по общей схеме через образование π- и σ-комплексов
Как следует из представленной схемы, ароматическое замещение S E Ar протекает по механизму присоединения – отщепления. За присоединением электрофильного агента Х + к ароматическому субстрату с образованием σ- комплекса следует отщепление протона с образованием продукта реакции.
Реакции электрофильного замещения в аренах, как правило, следуют по кинетическому уравнению второго порядка (v = k 2 [X + ]).
Рассмотрим постадийное протекание процесса.
Стадия 1. Образование π- комплексов
.
π–Комплексы – координационные соединения, в которых донором электронов является ароматическое соединение, имеющее легко поляризуемые π–электроны. π–комплексы – не классические химические соединения, в которых электрофильная частица связывается с ковалентной связью с каким-либо ковалентным атомом реагирующего вещества. Большинство π–комплексов легко разлагается при нагревании или при воздействии воды.
Способность к образованию π–комплексов у аренов возрастает в ряду:
C 6 Н 6 < C 6 Н 5 СН 3 < п - СН 3 –С 6 Н 4 –СН 3 ~ п - СН 3 –О–С 6 Н 4 СН 3 <
<м - СН 3 –С 6 Н 4 -СН 3 < 1,3,5 (СН 3) 3 С 6 Н 3
Чем большей π–электронной плотностью обладает соединение, тем с большей легкостью оно образует π–комплексы.
Стадия 2. Образование σ- комплексов
σ-Комплексы – это катионы, при образовании которых реагент Х + образует ковалентную связь с одним из атомов углерода за счет 2-х π-электронов бензольного ядра, при этом этот С-атом переходит из sp 2 -состояния в sp 3 -гибридизацию, в которой все четыре его валентности находятся под углом ~109 0 . Симметрия бензольного ядра нарушается. Группа Х и атом водорода оказываются в плоскости перпендикулярной плоскости бензольного ядра.
Устойчивость σ–комплексов возрастает с увеличением основности бензольного ядра
Эта стадия является самой медленной стадией всей реакции и называется лимитирующей .
Стадия 3. Отщепление протона от σ – комплекса
В последней стадии происходит отщепление от σ–комплекса протона и восстановление 6π–электронного облака (ароматической структуры). Этот процесс протекает с выигрышем энергии ~ 42 кДж/моль. Во многих реакциях отрыву протона на заключительной стадии способствует соответствующее основание, присутствующее в растворе.
По рассмотренному механизму в аренах протекают следующие реакции.
Однако предложенную схему не следует рассматривать как абсолютно доказанную и универсальную. В различных процессах на ход реакции оказывает влияние:
Ø структура субстрата;
Ø химическая активность реагента;
Ø условия проведения процесса;
Ø характер, активность катализатора и другие факторы, что может приводить к отклонению в частных случаях от предложенной схемы процесса.
Рассмотрим некоторые примеры электрофильного замещения в бензоле.
Пример 1. Бромирование бензола
Молекулярный бром является слишком слабым электрофильным агентом и, в отсутствии катализатора, не реагирует с бензолом.
Чаще всего реакцию бромирования бензола осуществляют в присутствии бромида железа (III), играющего роль кислоты Льюиса, последний получают в реакционной массе непосредственным взаимодействием брома с железом
Стадия 1. Образование электрофильного реагента Е + .
Молекула брома активируется по схеме кислотно–основной реакции с кислотой Льюиса.
Стадия 2. Образование π – комплекса 1.
Свободный бромониевый ион или ион в составе ионной пары является активным электрофильным агентом, способным реагировать с бензолом; при этом сначала образуется π-комплекс 1
Роль электрофильного агента на этой стадии может выполнить и донорно–акцепторный комплекс 
.
Стадия 3. Перегруппировка π-комплекса 1 и образование σ- комплекса, или аренониевого иона.
Это наиболее медленная стадия всей реакции
Стадия 4. Перегруппировка σ-комплекса в π-комплекс 2 продукта замещения. Протон отщепляется от атома углерода, у которого проходит замещение; в цикле вновь формируется ароматический секстет электронов – наблюдается реароматизация
Стадия 5. Диссоциация π-комплекса 2 с образованием продукта замещения
Механизм электрофильного бромирования бензола иллюстрируется энергетической диаграммой реакции, показанной на рис.11.
Рис. 11. Энергетическая диаграмма реакции
электрофильного бромирования бензола;
ПС – переходное состояние.
Стадии 2 и 5, включающие π–комплексы исходного арена и продукта замещения, в схемах механизма электрофильного ароматического замещения часто опускают. При таком подходе собственно электрофильное ароматическое замещение включает лишь три стадии.
Стадия 1" – образование электрофильного агента.
Стадия 2" – образование σ-комплекса, минуя π-комплекс 1.
Стадия 3" – распад σ-комплекса с образованием продукта замещения, минуя π-Комплекс 2.
Пример 2. Нитрование аренов
Нитрование заключается в замещении атома водорода бензольного кольца на нитрогруппу NO 2 . Бензол реагирует с концентрированной азотной кислотой медленно даже при нагревании. Поэтому нитрование чаще всего проводят действием более активного нитрующего агента – нитрующей смеси – смеси концентрированных азотной и серной кислот. Нитрование аренов нитрующей смесью является основным способом получения нитросоединений ароматического ряда
Нитрование бензола нитрующей смесью проводят при 45–50 0 С. Поскольку реакция нитрования необратима, азотную кислоту применяют в минимальном избытке (5–10%), добиваясь практически полного превращения бензола.
Серная кислота в составе нитрующей смеси необходима для повышения концентрации электрофильного агента – нитроний-иона NO 2 + .
Стадия 1. Образование электрофильного агента.
Действующим электрофильным агентом при нитровании является ион нитрония , который потенциально имеется в целом роде соединений.
Например: HO _ NO 2 , O 2 N _ O _ NO 2 , и др.
Их склонность к образованию иона нитрония увеличивается с повышением электроотрицательности заместителя, связанного с нитрогруппой.
Гидроксильная группа как таковая отщепляться не может, поэтому ион нитрония из азотной кислоты образуется только в кислой среде
В простейшем случае азотной кислота может протонироваться сама («самопротонизация»)
Однако равновесие смещено в левую сторону, поэтому азотная кислота нитрует слабо.
При добавлении концентрированной серной кислоты концентрация - катиона сильно повышается
Нитрующее действие смеси азотной и серной кислоты (нитрующей смеси) намного сильнее, чем одной азотной кислоты. Дальнейшее повышение реакционной способности можно достигнуть, применяя дымящую азотную кислоту и олеум.
Стадия 2. Образование σ-комплекса
Стадия 3. Выброс протона с образованием продукта замещения
На практике необходимо согласовывать активность нитрующего средства с реакционной способностью ароматического ядра.
Так, например, фенолы и простые эфиры фенолов нитруются уже разбавленной азотной кислотой, нитрование же бензальдегида, бензойной кислоты, нитробензола и т.д. требует смеси дымящей азотной кислоты с серной.
м-Динитробензол с трудом нитруется даже смесью дымящей азотной и серной кислот (5 сут, 110 0 С; выход 45 %).
При нитровании наиболее часто побочной реакцией является окисление. Ему благоприятствует повышение температуры реакции. Процесс окисления определяют по выделению окислов азота. Альдегиды, алкиларил – кетоны и в меньшей степени алкилбензолы при нитровании также подвержены окислению.
Пример 3. Алкилирование аренов
В качестве алкилирующих средств могут быть использованы R-HIg, ROH, R-CH=CH 2 в присутствии соответствующих катализаторов (в частности AICI 3 , AIBr 3 , H 2 SO 4).
Катализаторы генерируют (образуют) электрофильную частицу – карбкатион
Реакции алкилирования имеют три серьезных ограничения:
1) реакцию трудно остановить на стадии моноалкилирования, т.е. она протекает дальше, с образованием полиалкилбензолов; для подавления полиалкилирования обычно используют избыток арена;
2) если в арене только электроакцепторные заместители (например, -NO 2), то реакцию алкилирования не удается осуществить;
3) реакция алкилирования сопровождается перегруппировкой алкильного радикала.
Перегруппировка алкильного радикала в наиболее устойчивый является характерным свойством карбкатионов
Правила ориентации
Реакции замещения водорода в бензоле идут при любом атоме углерода одинаково, так как молекула бензола симметрична. Однако если в бензоле уже имеется заместитель, то положения, остающиеся свободными для реакций электрофильного замещения, становятся неравноценными.
Закономерности, определяющие направления реакций замещения в бензольном ядре, называются правилами ориентации.
–Активирующая группа – заместитель, который делает кольцо бензола более реакционно способным в реакциях электрофильного замещения по сравнению с незамещенным бензолом.
–Дезактивирующая группа – заместитель, который делает бензольное кольцо менее реакционноспособным в реакциях электрофильного замещения по сравнению с незамещенным бензолом.
– о-, п-ориентант – заместитель, направляющий атаку электрофила преимущественно в о- или п-положение бензольного кольца.
– м-ориентант – заместитель, направляющий атаку электрофила преимущественно в м-положение бензольного кольца.
В общем случае электрофильное замещение в монозамещенном бензоле может протекать в трех направлениях
Реакционная способность атомов углерода в этом случае определяется тремя факторами:
1) природой уже имеющегося заместителя;
2) природой действующего агента;
3) условиями проведения реакции.
По своему влиянию на ориентацию в этих реакциях все заместители делятся на две группы: заместители первого рода (орто-, пара-ориентанты) и заместители второго рода (мета-ориентанты).
Механизм реакций электрофильного замещения в ароматическом кольце включает ряд последовательных стадий.
1) Образование электрофильной частицы . Как правило электрофильные частицы образуются в процессе реакции в присутствии катализаторов и соответствующих условиях. Например, при нагревании азотной кислоты образуется нитроний катион (а), серной кислоты - сульфоний катион (б), а при галогенировании (например, хлорирование) образуется электрофильная частица, которая может быть представлена катионом галогена или в виде комплекса галогена с катализатором (в):
нитроний сульфоний
катион катион
Или 
хлор комплекс
катион с катализатором
2) Образование p - комплекса происходит при атаке p - электронного облака кольца электрофильной частицей, например, комплексом хлора с катализатором, при этом образуется p - комплекс по донорно – акцепторному типу.
3) Образование s - комплекса происходит при возникновении ковалентной связи между электрофилом и атомом углерода бензольного кольца, за счет пары электронов p - системы кольца, что сопровождается переходом атома углерода из sp 2 - в sp 3 - гибридизованное состояние.
4) Образование конечного продукта осуществляется за счет отщепления протона водорода от s - комплекса с помощью основания.
Схема механизма реакции электрофильного замещения в бензоле
на примере реакции хлорирования
Электрофильное замещение в бензоле приводит к образованию единственного продукта монозамещения, что определяется равномерным распределением электронной плотности в сопряженной системе кольца и, соответственно, равновероятной атакой электрофилом любого из шести атомов углерода бензола.
Реакции замещения
Электрофильное замещение в бензоле представлено схемами синтеза гомологов бензола (а) и его производных (б).
а) Синтез гомологов бензола:
б) Синтез производных бензола:
Галогенирование. Бензол в обычных условиях не взаимодействует с хлором и бромом. Реакция протекает только в присутствии катализаторов, которыми чаще всего являются галогениды алюминия, железа (кислоты Льюиса).
Нитрование . Бензол нитруется смесью концентрированных азотной и серной кислот (нитрующая смесь ) при нагревании до 60 о С с образованием нитробензола.
Сульфирование. При взаимодействии бензола с концентрированной кислотой или олеумом (смесь концентрированной серной кислоты и серного ангидрида – SO 3) образуется бензолсульфоновая кислота.
Ацилирование представляет собой один из методов синтеза ароматических кетонов. В качестве ацилирующих реагентов используют хлорангидриды кислот (RCOCI) или ангидриды кислот (RCO-O-OCR). Реакцию проводят в неполярном растворителе в присутствии хлорида алюминия.
Алкилирование является одним из способов получения гомологов бензола. В качестве алкилирующих реагентов можно использовать галогеналканы, спирты и алкены в присутствии галогенидов металлов (алюминия, железа, олова и др.).
Правила ориентации в реакциях электрофильного
Замещения в бензоле
В производных бензола и его гомологов заместители нарушают равномерное распределение электронной плотности и тем самым, определенным образом, влияют на реакционную способность и направление атаки в бензольном кольце. Ориентирующее влияние заместителей, обусловленое суммарным действием их электронных эффектов (см. 2.5; табл.2.2), рассмотрим на примере фенола и нитробензола.
В молекуле фенола заместитель (- ОН) проявляет отрицательнй индуктивный (-I ) и положительный мезомерный (+M ) электронные эффекты, последний является преобладающим в суммарном электронодонорном (ЭД ) действии (а). Электронный эффект ЭД заместителя приводит к перераспределению электронной плотности в кольце повышая ее в орто - и пара – положениях, в которых облегчается
В молекуле нитробензола заместитель (-NO 2) проявляет отрицательнй индуктивный (-I ) и отрицательный мезомерный (+M ) электронные эффекты, что проявляется в суммарном электроноакцепторном (ЭА ) действии (б). Электронный эффект ЭА заместителя приводит к перераспределению электронной плотности в кольце, понижая ее в орто - и пара – положениях, в которых затрудняется атака электрофильными реагентами.
фенол нитробензол
Правила замещения:
1) Электронодонорные заместители (ЭД ) повышают электронную плотность кольца и тем самым увеличивают скорость реакции электрофильного замещения. К заместителям, проявляющим ЭД характер, относятся группы: - NH 2 , - OH, - OR, - R, которые ориентируют электрофильное замещение в орто - и пара - положение. Исключение составляют галогены, которые направляют электрофильную частицу предпочтительно в пара - положение.
2) Электроноакцепторные заместители (ЭА ) понижают электронную плотность кольца и тем самым уменьшают скорость реакции электрофильного замещения. К заместителям, проявляющим ЭА характер, относятся группы: - NO 2 , - COOH, - SO 3 H, >C=O и др., которые ориентируют электрофильное замещение в мета - положение, затрудняя его.
Правила замещения можно продемонстрировать на реакции нитрования бензола (а) и его производных, содержащих электронодонорный (б) и электроноакцепторный (в) заместители. В представленных схемах реакций отражены условия и выход продукта реакции (в %), отражающий активность ориентирующего влияния заместителя в орто -, мета - или пара – положения. Как правило, в уравнении реакции указывают то направление электрофильной атаки, которое более предпочтительно в данных условиях реакции:
а) нитрование бензола:
нитробензол
б) нитрование фенола:
орто -нитро- пара -нитро- пикриновая
фенол фенол кислота
в) нитрование нитробензола:
мета -динитробензол
Электронные эффекты заместителей позволяют расположить приведенные соединения в следующий ряд по снижению активности в реакции нитрования: фенол, бензол и нитробензол.
Если в бензольном кольце заместителей больше, чем один, то их ориентирующее влияние может быть согласованным или несогласованным, в зависимости от их типа и взаимного расположения.
Примером согласованной ориентации может служить реакция нитрования орто - нитрофенола и пара - нитрофенола до пикриновой кислоты (реакция б). В данном случае оба заместителя (электронодонорный – ОН, электроноакцепторный – NO 2) согласованно ориентируют последующее электрофильное замещение в орто - и пара - положения по отношению к гидроксильной группе.
Ориентирующее влияние ЭД заместителя является определяющим в реакции электрофильного замещения, в случае его несогласованного ориентирующего действия с ЭА заместителем.
Правила ориентирующего влияния заместителей используют для целенаправленного синтеза, включающего несколько последовательных реакций. Например, чтобы получить из толуола орто -, мета - и пара - нитробензойные кислоты необходимо в определенной последовательности провести реакции нитрования и окисления.
Метильная группа (- СН 3) относится к электронодонорным заместителям, соответственно по правилам ориентирующего влияния направляет электрофильное замещение в орто - и пара - положения (а).
Карбоксильная группа (- СООН) является электроноакцепторным заместителем, соответственно по правилам ориентирующего влияния направляет электрофильное замещение в мета - положение (б).
Таким образом, чтобы получить из толуола все изомеры нитробензойной кислоты необходимо провести синтез в соответствии со схемами реакций, представленными ниже.
а) Схема синтеза орто - и пара - изомеров нитробензойной кислоты предполагает первоначально провести реакцию нитрования, а затем – окисления:
б) Схема синтеза мета – изомера нитробензойной кислоты предполагает первоначально провести реакцию окисления, а затем – нитрования:
Электрофильное замещение, несомненно, составляет самую важную группу реакций ароматических соединений. Вряд ли найдется какой-нибудь другой класс реакций, который так детально, глубоко и всесторонне исследован как с точки зрения механизма, так и с точки зрения применения в органическом синтезе. Именно в области электрофильного ароматического замещения впервые была поставлена проблема связи между структурой и реакционной способностью, которая является основным предметом изучения в физической органической химии. В общем виде этот тип реакций ароматических соединений может быть представлен следующим образом:
ArE + H +
1. Литературный обзор
1.1 Электрофильное замещение в ароматическом ряду
Эти реакции характерны не только для самого бензола, но и вообще для бензельного кольца, где бы оно ни находилось, а также для других ароматических циклов - бензоидных и небензоидных. Реакции электрофильного замещения охватывают широкий круг реакций: нитрование, галогенирование, сульфирование и реакции Фриделя - Крафтса свойственны почти всем ароматическим соединениям; реакции типа нитрозирования и азосочетания присущи лишь системам с повышенной активностью; такие реакции, как десульфирование, изотопный обмен, и многочисленные реакции циклизации, которые с первого взгляда кажутся совсем различными, но которые также оказывается целесообразным отнести к реакциям того же типа.
Электрофильные агенты Е + , хотя наличие заряда не обязательно, т.к. электрофил может быть и незаряженной электронодефицитной частицей (например, SO 3 , Hg(OCOCH 3) 2 и т.п.). Условно их можно разделить на три группы: сильные, средней силы и слабые.
NO 2 + (Ион нитрония, нитроил-катион); комплексы Cl 2 или Br 2 с различными кислотами Льюиса (FeCl 3 , AlBr 3 , AlCl 3 , SbCl 5 и т.д.); H 2 OCl + , H 2 OBr + , RSO 2 + , HSO 3 + , H 2 S 2 O 7 . Сильные электропилы взаимодействуют с соединениями ряда бензола, содержащими как электронодонорные, так и практически любые электроноакцепторные заместители.
Электрофилы средней силы
Комплексы алкилгалогенидов или ацилгалогенидов с кислотами Льюиса (RCl . AlCl 3 , RBr . GaBr 3 , RCOCl . AlCl 3 и др.); комплексы спиртов с сильными кислотами Льюиса и Бренстеда (ROH . BF 3 , ROH . H 3 PO 4 , ROH . HF). Реагируют с бензолом и его производными, содержащими электронодонорные (активирующие) заместители или атомы галогенов (слабые дезактивирующие заместители), но обычно не реагируют с производными бензола, содержащими сильные дезактивирующие электроноакцепторные заместители (NO 2 , SO 3 H, COR,CN и др.).
Слабые электрофилы
Катионы диазония ArN +є N, иминия CH 2 =N+ H 2 , нитрозония NO + (нитрозоил-катион); оксид углерода (IY) СО 2 (один из самых слабых электрофилов). слабые электрофилы взаимодействуют только с производными бензола, содержащими очень сильные электронодонорные заместители (+М)-типа (OH, OR, NH 2 , NR 2 , O- и др.).
1.1.2 Механизм электрофильного ароматического замещения
В настоящее время ароматическое электрофильное замещение рассматривается как двухстадийная реакция присоединения-отщепления с промежуточным образованием аренониевого иона, называемого σ-комплексом
I-Аренониевый ион (
-комплекс), как правило, короткоживущий. Такой механизм получил название S E Ar, т.е. S Е (аренониевый). В этом случае на первой стадии в результате атаки электрофила циклическая ароматическая 6-электронная π-система бензола исчезает и заменяется в интермедиате I на нециклическую 4-электронную сопряженную систему циклогексадиенильного катиона. На второй стадии вновь восстанавливается ароматическая -система за счет отщепления протона.Строение аренониевого иона I изображают различными способами:
Наиболее часто употребляется первая формула. σ-комплекс будет гораздо лучше стабилизироваться донорными заместителями, находящимися в орто- и пара-положениях, чем донорными заместителями в мета-положении.
π -Комплексы
Как известно, арены являются π-основаниями и могут образовывать донорно-акцепторные комплексы со многими электрофильными реагентами.Так, при пропускании сухих газообразных HCl или DCl в раствор бензола, толуола, ксилолов или других полиалкилбензолов в н-гептане при -78 о С удалось обнаружить образование молекулярных комплексов состава 1:1 (Г.Браун, 1952 г.).
Эти комплексы не окрашены, их растворы в ароматических углеводородах неэлектропроводны. При растворении газообразного DCl в бензоле, толуоле, ксилолах, мезитилене, пентаметилбензоле не происходит обмен H на D. Поскольку растворы комплексов не проводят электрический ток, они не являются ионными частицами, т.е. это не аренониевые ионы.
Такие донорно-акцепторные комплексы получили название π-комплексов. Например, кристаллы комплексов бензола с бромом или хлором состава 1:1 согласно рентгеноструктурным данным состоят из цепочек чередующихся молекул π-донора состава (C 6 H 6) и акцептора (Cl 2 ,Br 2), в которых молекула галогена расположена перпендикулярно плоскости кольца вдоль оси, проходящей через его центр симметрии.
σ-комплексы (аренониевые ионы)
При введении в раствор HCl и DCl в алкилбензолах AlCl 3 или AlBr 3 раствор начинает проводить электрический ток. Такие растворы окрашены и их окраска изменяется от желтой до оранжево-красной при переходе от пара-ксилола к пентаметилбензолу. В системах ArH-DCl-AlCl 3 или ArH-DF-BF 3 атомы водорода ароматического кольца уже обмениваются на дейтерий. Электропроводность растворов определенно указывает на образование ионов в тройной системе арен-галогенводород-галогенид алюминия. Строение таких ионов было установлено с помощью ЯМР-спектроскопии на ядрах 1 Н и 13 С в системе ArH-HF (жидк) -BF 3 или ArH-HF-SbF 5 в SO 2 ClF при низкой температуре.
1.1.3 Классификация заместителей
Монозамещенные бензолы С 6 Н 5 Х могут быть более или менее реакционноспособны, чем сам бензол. Если в реакцию ввести эквивалентную смесь С 6 Н 5 Х и С 6 Н 6 , то замещение будет происходить селективно: в первом случае в реакцию будет вступать преимущественно С 6 Н 5 Х, а во втором случае - преимущественно бензол.
В настоящее время заместители делят на три группы с учетом их активирующего или дезактивирующего влияния, а также ориентации замещения в бензольном кольце.
1. Активирующие орто-пара-ориентирующие группы. К ним относятся: NH 2 , NHR, NR 2 , NHAc, OH, OR, OAc, Alk и др.
2. Дезактивирующие орто-пара-ориентирующие группы. Это галогены F, Cl, Br и I.
3. Дезактивирующие мета-ориентирующие группы. Эту группу составляют NO 2 , NO, SO 3 H, SO 2 R, SOR, C(O)R, COOH, COOR, CN, NR 3+ ,CCl 3 и др. Это ориентанты II-го рода.
Естественно, что существуют и группировки атомов промежуточного характера, обусловливающие смешанную ориентацию. Кним, например, относятся: CH 2 NO, CH 2 COCH 3 , CH 2 F, CHCl 2 , CH 2 NO 2 , CH 2 CH 2 NO 2 , CH 2 CH 2 NR 3 + , CH 2 PR 3 + , CH 2 SR 2 + идр.
1.2 Электрофильное замещение в π-избыточных гетероциклах
Фуран, пиррол и тиофен обладают значительной реакционной способностью по отношению к обычным электрофильным реагентам. В этом смысле они напоминают наиболее реакционно-способные производные бензола, такие, как фенолы и анилины. Повышенная чувствительность к электрофильному замещению вызвана несимметричным распределением заряда в этих гетероциклах, в результате чего на углеродных атомах цикла имеется больший отрицательный заряд, чем в бензоле. Фуран обладает несколько большей реакционной способностью, чем пиррол, а наименее реакционноспособен тиофен.
1.2.1 Электрофильное замещение пиррола
В то время как пиррол и его производные не склонны креакциям нуклеофильного присоединения и замещения, они очень чувствительны к электрофильным реагентам, и реакции пирролов с такими реагентами протекают практически исключительно как реакции замещения. Незамещенный пиррол, N- и С-моноалкилпирролы и в наименьшей степени С,С-диалкилпроизводные полимеризуются в сильнокислых средах, поэтому большинство электрофильных реагентов, использующихся в случае производных бензола, не применимы для пиррола и его алкилпроизводных.
Однако при наличии в пиррольном цикле электроноакцепторных групп, препятствующих полимеризации, например, таких, как сложноэфирная, становится возможным использование сильнокислых сред, нитрующих и сульфирующих агентов.
Протонирование
В растворе наблюдается обратимое присоединение протона по всем положениям пиррольного цикла. Наиболее быстро протонируется атом азота, присоединение протона по положению 2 проходит в два раза быстрее, чем по положению 3. В газовой фазе при использовании кислот умеренной силы, таких, как C 4 H 9 + и NH 4 + , пиррол протонируется исключительно по атомам углерода, причем склонность к присоединению протона по положению 2 выше, чем по положению 3. Наиболее термодинамически стабильный катион - 2Н-пирролиевый ион - образуется при присоединении протона по положению 2 и определяемое значение рК а для пиррола связано именно с этим катионом. Слабая N-основность пиррола обусловлена отсутствием возможности для мезомерной делокализации положительного заряда в 1H-пирролиевом катионе.
