Наиболее широко применяемой реакцией бензола является реакция замещения одного или нескольких атомов водорода на какую-либо электрофильную группу. Многие важные вещества синтезируют именно таким способом. Выбор функциональных групп, которые таким образом можно вводить в ароматические соединения, весьма широк, а кроме того, некоторые из этих групп можно трансформировать в другие группы уже после введения в бензольное кольцо. Общее уравнение реакции таково:
Ниже приведены пять наиболее употребительных реакций этого типа и примеры их использования.
Нитрование:
Сульфирование:
Длкилирование по Фриделю-Крафтсу:
Ацилирование по Фриделю - Крафтсу:
Галогенирование (только хлорирование и бромирование):
Для дальнейшей трансформации соединений, полученных в результате ароматического электрофильного замещения, часто используются следующие реакции.
Восстановление боковой цепи:
Восстановление нитрогруппы:
Диазотирование и дальнейшие превращения
Анилин и его замещенные можно превращать в весьма реакционно, способные соединения, носящие название диазониевых солей:
Диазониевые соли служат исходными веществами для синтеза самых разнообразных ароматических соединений (схема 9-1). Во многих случаях метод синтеза через диазониевые соли является единственным путем введения какой-либо функциональной группы в ароматическое соединение.
Замена диазониевой группы на атомы хлора и брома, а также на цианогруппу достигается взаимодействием солей диазония с солями меди (1). Атомы иода и фтора не могут быть введены в ароматическое кольцо прямым галогенированием. Ароматические иодиды и фториды получают, обрабатывая соли диазония соответственно иодидом калия и борофтористоводородной кислотой.
Ароматические карбоновые кислоты можно получить либо гидролизом нитрильной группы, либо действием диоксида углерода на реактив Гриньяра (подробнее об этой реакции речь пойдет в гл. 12). Фенолы в лаборатории чаще всего получают гидролизом диазониевых солей.
Схема 9-2. Реакции диазониевых солей
Диазониевая группа (а значит, также аминогруппа и нитрогруппа) может быть удалена (т. е. заменена атомом водорода) при действии на диазониевые соли фосфорноватистой кислоты
И наконец, взаимодействие диазониевых солей с активированными ароматическими соединениями приводит к образованию азокрасителей. Красители могут быть самого разного цвета в зависимости от природы заместителей в обоих ароматических кольцах.
Азотистая кислота, которая используется для получения солей диазония, является малостабильным веществом и приготовляется in situ (т. е. прямо в реакционном сосуде) из нитрита натрия и соляной кислоты. На схеме реакции обработку азотистой кислотой можно пока-, зывать одним из двух способов, которые применены ниже:
Приведем несколько примеров реакций диазониевых солей:
Получение практически важных веществ с помощью реакций электрофильного замещения
Красители. Ниже показан синтез метилоранжа. Если взять исходные соединения с другими заместителями в ароматических кольцах, то цвет красителя будет другим.
Полимеры. Полистирол получают полимеризацией стирола (см. гл. 6), который, в свою очередь, можно синтезировать следующим образом. Бензол ацилируюг по Фриделю-Крафтсу, используя уксусный ангидрид вместо ацетил хлорида, полученный кетон восстанавливают до спирта, который затем дегидратируют, применяя гидросульфат калия в качестве кислого катализатора:
Лекарственные препараты. в синтезе сульфаниламида (стрептоцида) первые две стадии представляют собой реакции, с которыми мы уже встречались. Третья стадия - защита аминогруппы. Это необходимо, чтобы предотвратить взаимодействие хлорсульфоновой кислоты с аминогруппой. После того как группа прореагирует с аммиаком, защитная группа может быть снята.
Стрептоцид был одним из первых противомикробных препаратов группы сульфаниламидов. Применяется он и сейчас.
Реакции злектрофильного замещения позволяют вводить в ароматическое кольцо множество различных групп. Многие из зтих групп могут быть затем трансформированы в ходе синтеза.
Механизм ароматического злектрофильного замещения
Установлено, что электрофильное замещение в ароматических соединениях протекает в две стадии. Сначала электрофил (который можно генерировать различными методами) присоединяется к бензольному кольцу. При этом образуется резонансно стабилизированный карб-катион (ниже в скобках). Затем этот катион теряет протон и превращается в ароматическое соединение.
Здесь для наглядности формулы ароматических соединений показаны с двойными связями. Но Вы, конечно, помните, что на самом деле существует облако делокализованных электронов.
Ниже приведены механизмы двух реакций, включая стадию генерации электрофила. Гааогенирование
Генерация электрофила:
Замещение:
Ацилирование по Фриделю - Крафтсу Генерирование электрофила:
Замещение:
Влияние заместителей
Когда замещенный бензол реагирует с каким-либо электрофилом, строение уже имеющегося в бензольном кольце заместителя оказывает существенное влияние на ориентацию замещения и на его скорость.
По своему влиянию на скорость и ориентацию электрофильного замещения все возможные заместители можно разделить на три группы.
1. Активирующие ортопара-ориентанты. При наличии заместителя этой группы в ароматическом соединении оно реагирует быстрее, чем незамещенный бензол, а электрофил направляется в орто- и пара-положения к заместителю и образуется смесь орто- и пара-дизамещенных бензолов. К этой группе относятся следующие заместители:
2. Дезактивирующие мета-ориентанты. Эти заместители замедляют реакцию по сравнению с бензолом и направляют электрофил в мета-положение. К этой группе относятся:
3. Дезактивирующие орто-, параориентанты. Кзтой группе относятся атомы алогенов.
Примеры ориентации при электрофильном замещении:
Объяснение влияния заместителей
Почему же различные заместители оказывают столь различное влияние на характер электрофильного замещения? Ответ на этот вопрос можно получить, анализируя стабильность интермедиатов, образующихся в каждом случае. Некоторые из этих промежуточных карбкатионов окажутся более стабильными, другие - менее стабильными. Напомним, что, если соединение может реагировать несколькими путями, реакция направится по тому пути, в котором образуется наиболее стабильный интермедиат.
Ниже показаны резонансные структуры промежуточных частиц, образующихся при электрофильной атаке катиона в ортомета- и пара-попожения фенола, имеющего мощный активирующий заместитель - орто, пара-ориентант, толуола, имеющего заместитель с такими же, но гораздо слабее выраженными свойствами, и нитробензола, имеющаяся в котором нитрогруппа является.мегд-ориентантом и дезактивирует кольцо:
При атаке электрофила как в орто-, так и в пара-положение фенола для возникающего интермедиата можно написать больше резонансных структур, чем для интермедиата при мета-замещении. Причем эта "лишняя" структура (обведена в рамку) вносит особенно большой вклад
в стабилизацию катиона, так как в ней все атомы имеют октет электронов. Таким образом, при орто- или пара-ориентации атаки электрофила возникает более стабильный катион, чем при атаке в мета-положение, поэтому замещение идет преимущественно в орто- и пара-положения. Поскольку возникающий при таком замещении катион стабильнее, чем катион, образующийся из незамещенного бензола, фенол вступает в реакции электрофильного замещения гораздо легче, чем бензол. Обратите внимание, что все заместители, которые сильно или умеренно активируют ароматическое кольцо в реакциях электрофильного замещения, имеют связанный с кольцом атом с неподеленными электронными парами. Эти электроны могут подаваться в кольцо. При этом возникает резонансная структура с положительным зарядом на электроотрицательном атоме (кислорода или азота). Все это стабилизирует интермедиат и увеличивает скорость реакции (резонансная активация).
В случае толуола при замещении как в орто-, так и в «д-положение возникает более стабильный катион, чем при атаке электрофила в мета-положение.
В обведенных в рамку резонансных структурах положительный заряд находится на третичных углеродных атомах (третичные карбкатионом, см. гл. 5). При атаке в мета-положение третичного карбкатиона не возникает. Здесь опять орто- и пара-замещение идет через немного более стабильные промежуточные частицы, чем мета-замещение и чем замещение в самом бензоле. Поэтому замещение в толуоле направляется в орто- и пара-положения и протекает несколько быстрее, чем замещение в Лизоле (активация за счет индуктивного эффекта).
Все дезактивирующие группы, включая нитрогруппу, обладают свойством оттягивать электроны из аромашческого кольца. Результатом этого является дестабилизация промежуточного катиона. Особенно
(кликните для просмотра скана)
сильно дестабилизированы интермедиаты, возникающие при атаке в орто- и пара-положения, поскольку частичный положительный заряд находится непосредственно рядом с нитрогруппой (соответствующие резонансные структуры обведены в рамку). Поэтому мета-замещение предпочтительнее, чем орто- и пара-замещение. Нитробензол подвергается электрофильному замещению значительно труднее, чем бензол, поскольку плотность электронов в кольце понижена и взаимное притяжение ароматического кольца и электрофила ослаблено.
Реакции злектрофильного присоединения протекают в две стадии через образование промежуточного катиона. Различные заместители в бензольном кольце по-разному влияют на скорости и ориентации замещения. Это влияние может быть объяснено с учетом стабильности образующихся в каждом случае интермедиатов.
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).
Для реакций электрофильного замещения S E наиболее характерны такие уходящие группы, которые могут существовать в состоянии с незаполненной валентной оболочкой.
Такой группой может быть протон, но его подвижность зависит от кислотности. В насыщенных алканах водород малоподвижен. Более легко замещение водорода происходит в тех положениях, где он достаточо кислый, это, например, -положение к карбонильной группе, или протон при ацетиленовой связи. Важным типом реакции S E является анионное расщепление, включающее разрыв связи углерод-углерод, при этом уходящей группой является углерод. Особенно склонны к реакциям S E металлорганические соединения.
Механизмы алифатического электрофильного замещения
Механизм алифатического S E в отличие от S N изучен недостаточно. Различают четыре типа механизмов S E : S E 1, S E 2 (с тыла), S E 2 (с фронта), S i . Бимолекулярный механизм S E аналогичен S N 2 в том смысле, что новая связь образуется одновременно с разрывом старой. Однако здесь есть существенное различие.
В S N 2 нуклеофил подходит со своей электронной парой и, поскольку электронные пары взаимно отталкиваются, он может подходить только с тыла к уходящей электронной паре. В электрофильном замещении вакантная орбиталь может подходить как с тыла, притягивая на себя электронную пару, так и с фронта. Поэтому теоретически рассматривают два возможных механизма.
S E 2 (с фронта)
S E 2 (с тыла)
Существует третий бимолекулярный механизм S E , когда часть молекулы электрофила способствует отделению уходящей группы, образуя с ней связь. Такой механизм называют S i .
Доказательства: Механизмы S E 2 и S i непросто различить. Всем им соответствует кинетика второго порядка. S i и S E 2(с фронта) протекают с сохранением конфигурации. S E 2(с тыла) протекает с обращением конфигурации. Подтверждением механизма S E 2(с фронта) является то, что электрофильное замещение может протекать у атомов углерода в голове моста.
Мономолекулярный механизм электрофильного замещения S E 1 аналогичен S N 1 и включает две стадии, медленную ионизацию и быструю рекомбинацию.
Доказательства механизма S E 1. Одним из доказательств служит кинетика первого порядка по субстрату. Важным является стереохимическое доказательство в реакции:
Обмен протона на дейтерий происходит с той же скоростью, что и рацемизация, и наблюдается кинетический изотопный эффект. Реакция S N 1 не происходит в голове моста, а S E 1 протекает легко, из чего следует, что карбанион не обязательно должен быть плоским, он может иметь пирамидальное строение.
При проведении электофильного замещения с аллильным субстратом может быть получен продукт перегруппировки:
Процесс такого типа аналогичен S N и может идти двумя путями.
Первый протекает через образование промежуточного аллильного карбаниона:
Второй путь включает электрофильное присоединение по двойной связи с промежуточным образованием карбокатиона и последующим отщеплением электрофуга:
Важнейшие реакции алифатического электрофильнорго замещения
Реакции СН кислот
Если в реакциях электрофильного замещения уходящей группой является водород, отщепляющийся в виде протона, то такие субстраты называются СН-кислотами. Наиболее важные реакции этого типа идущие по механизму S E 1 :
Изтопный обмен водорода
;
Миграция двойных и тройных связей
- Сочетание с солями диазония
В суперкислой среде замещение водорода может идти по механизму S E 2 , через образование карбониевых ионов:
Реакции металлорганических соединений
Основные реакции металлорганических соединений - протодеметаллирование, галогендеметаллирование и переметаллирование
Протодеметаллированием называют реакцию замещения металла в металлорганическом соединении на водород под действием кислот
Галогендеметаллированием называют реакции замещения металла на галоген под действием галогенов или интергалогенов:
Переметаллированием называют реакцию обмена одного металла на другой. В качестве регента может выступать как неорганическая соль металла, так и металлорганическое соединение:
Реакции с гетеролитическим разрывом связи углерод-углерод
Ракции протекающие с расщеплением углерод-углеродной связи, называются анионным расщеплением, часто проходят по механизму S E 1 с промежуточным образованием карбаниона:
Реакции анионного расщепления условно делят на две группы. К первой группе относят процессы, в которых в качнстве уходящей группы выступают карбонильные соединения. Субстратави этой реакции являются гидроксилсодержащие соединения. Наиболее важные реакции этой группы: ретроальдольная реакция, расщепление циангидринов, расщепление третичных алкоголятов. Вторая группа реакций анионного расщепления носит название ацильного расщепления, так как электрофуг отщепляется в виде карбоновой кислоты или ее производного. Субстратами в этой группе являются карбонильные соединения, а процесс начинается с нуклеофильного присоединения основания к карбонильной группе:
Наиболее важные реакции этого типа: расщепление β-кетоэфиров и β-дикетонов (кислотное расщепление под действием оснований), галоформная реакция, реакции декарбоксилирования солей карбоновых кислот.
Реакции электрофильного замещения характерны для ароматических , карбоциклических и гетероциклических систем . В результате делокализации p-электронов в молекуле бензола (и других ароматических систем) p-электронная плотность распределена равномерно по обе стороны цикла. Подобное экранирование p-электронами атомов углерода цикла защищает их от атаки нуклеофильными реагентами и, наоборот, облегчает возможность атаки электрофильными реагентами.
Но в отличие от реакций алкенов с электрофильными реагентами, взаимодействие ароматических соединений с ними не приводит к образованию продуктов присоединения, так как в этом случае нарушалась бы ароматичность соединения и уменьшалась его устойчивость. Сохранение ароматичности возможно в случае, если электрофильная частица заместит катион водорода .
Механизм реакций электрофильного замещения похож на механизм реакций электрофильного присоединения, так как имеются общие закономерности протекания реакций.
Общая схема механизма реакций электрофильного замещения S Е:
На первом этапе реакции образуется p-комплекс с электрофильной частицей (быстрая стадия), который затем превращается в s-комплекс (медленная стадия) за счет образования s- связи одним из атомов углерода с электрофильной частицей. Для образования s- связи с электрофильной частицей из сопряжения «вырывается» пара электронов, а образующийся продукт приобретает положительный заряд. В s-комплексе ароматичность нарушена, так как один из атомов углерода находится в sp 3 -гибридизации, а на пяти других атомах углерода делокализованы четыре электрона и положительный заряд.
Для регенерации термодинамически выгодной ароматической системы происходит гетеролитический разрыв связи C sp 3 -Н. В результате отщепляется ион Н + , а пара электронов связи идет на восстановление системы сопряжения, при этом у атома углерода, отщепившего протон, изменяется гибридизация атомных орбиталей с sp 3 на sp 2 . Механизм реакций нитрования, сульфирования, галогенирования, алкилирования, ацилирования ароматических соединений включает еще дополнительную стадию, не указанную в общей схеме - стадию генерирования электрофильной частицы.
Уравнение реакции нитрования бензола имеет вид:
В реакциях нитрования генерирование электрофильной частицы происходит в результате взаимодействия азотной и серной кислот, что приводит к образованию катиона нитрония NO 2 + , который далее реагирует с ароматическим соединением:
В молекуле бензола все атомы углерода равноценны, замещение происходит у одного из них. Если в молекуле присутствуют заместители, то реакционная способность и направление электрофильной атаки определяется природой этого заместителя. По влиянию на реакционную способность и на направление атаки все заместители делятся на две группы.
Ориентанты I рода . Эти заместители облегчают электрофильное замещение по сравнению с бензолом и направляют входящую группу в орто- и пара-положения. К ним относятся электронодонорные заместители, увеличивающие электронную плотность в бензольном ядре. В результате ее перераспределения в положения 2,4,6 (орто- и пара-положения) возникают частичные отрицательные заряды, что облегчает присоединение электрофильной частицы в эти положения с образованием s-комплекса.
Ориентанты II рода . Эти заместители затрудняют реакции электрофильного замещения по сравнению с бензолом и направляют входящую группу в одно из мета-положений. К ним относятся электроноакцепторные заместители, уменьшающие электронную плотность в бензольном кольце. В результате ее перераспределения в положениях 3,5 (мета-положения) возникают частичные отрицательные заряды и присоединение электрофильной частицы с образованием s-комплекса идет в жестких условиях.
Атомы галогенов направляют электрофильную частицу в орто- или пара- положения (за счет положительного мезомерного эффекта), но при этом затрудняют протекание реакции, так как являются электроноакцепторными заместителями (-I>+M). Реакции галогенпроизводных бензола с электрофильными реагентами идут в жестких условиях.
В реакциях сульфирования роль электрофильной частицы выполняет молекула SO 3 , образующаяся в результате реакции: 2H 2 SO 4 « SO 3 +H 3 O + + HSO 4 - . Атомы серы в этой молекуле характеризуются сильным дефицитом электронной плотности и наличием частичного положительного заряда и, следовательно, именно атом S должен, как электрофил, связываться с атомом углерода бензольного кольца толуола.
Метильная группа в толуоле является ориентантом первого рода, и как электронодонорный заместитель облегчает реакцию замещения и направляет входящую группу в орто- и пара-положения. На практике образуются продукты замещения и в мета-положении, но их количество существенно меньше количеств продуктов замещения в орто- пара-положения.
Галогенирование бензола и многих ароматических соединений действием самого галогена протекает только в присутствии катализаторов, таких как ZnCl 2 , AlCl 3, FeBr 3 и т.д. Катализаторами обычно являются кислоты Льюиса . Между атомом металла и атомом галогена образуется связь по донорно-акцепторному механизму, что вызывает поляризацию молекулы галогена, усиливая ее электрофильный характер. Полученный аддукт может подвергаться диссоциации с образованием комплексного аниона и катиона галогена, выступающего далее в качестве электрофильной частицы:
В качестве галогенирующих средств могут применяться также водные растворы НО-Hal в присутствии сильных кислот. Образование электрофильной частицы в этом случае можно объяснить следующими реакциями:
Механизм дальнейшего взаимодействия катионов Br + или Cl + ничем не отличается от механизма нитрования катионами NO 2 + . Рассмотрим механизм реакции на примере бромирования анилина (ограничимся образованием монозамещенных продуктов). Как известно, анилин обесцечивает бромную воду, образуя в итоге 2,4,6-триброманилин, выделяющийся в виде белого осадка:
Образовавшаяся электрофильная частица атакует p-электроны бензольного кольца, образуя p-комплекс. Из возникшего p-комплекса образуются два основных s -комплекса, в которых связь углерод-бром возникает в орто- и пара-положениях цикла. На следующем этапе происходит отщепление протона, что приводит к образованию монозамещенных производных анилина. В избытке реагента эти процессы повторяются, приводя к образованию дибром- и трибромпроизводных анилина.
Алкилирование (замещение атома водорода на алкильный радикал) ароматических соединений осуществляется при их взаимодействии с галогеналканами (реакция Фриделя-Крафтса). Взаимодействие первичных алкилгалогенидов, например СН 3 Cl, с ароматическими соединениями в присутствии кислот Льюиса мало чем отличается по своему механизму от реакций галогенирования. Рассмотрим механизм на примере метилирования нитробензола. Нитрогруппа, как ориентант второго рода, дезактивирует бензольное кольцо в реакциях электрофильного замещения и направляет входящую группу в одно из мета-положений.
В общем виде уравнение реакции имеет вид:
Генерирование электрофильной частицы происходит в результате взаимодействия галогеналкана с кислотой Льюиса:
Образующийся метильный катион атакует p-электроны бензольного кольца, что приводит к образованию p-комплекса. Образовавшийся p-комплекс далее медленно превращается в s -комплекс (карбкатион), в котором связь между метильным катионом и атомом углерода цикла возникает главным образом в положениях 3 или 5 (т.е. в мета-положениях, в которых из-за электронных эффектов нитрогруппы возникают частичные отрицательные заряды). Завершающей стадией является отщепление протона от s -комплекса и восстановление сопряженной системы.
В качестве алкилирующих агентов при алкилировании бензола вместо алкилгалогенидов могут использоваться также алкены или спирты. Для образования электрофильной частицы - карбкатиона - необходимо наличие кислоты. Механизм реакции в этом случае будет отличаться лишь на стадии генерирования электрофильной частицы. Рассмотрим это на примере алкилирования бензола пропиленом и пропанолом-2:
Генерирование электрофильной частицы:
В случае использования в качестве реагента пропилена образование карбкатиона происходит в результате присоединения протона (по правилу Марковникова). При использовании в качестве реагента пропанола-2 образование карбкатиона происходит в результате отщепления молекулы воды от протонированного спирта.
Образовавшийся изопропильный катион атакует p-электроны бензольного кольца, что приводит к возникновению p-комплекса, который далее превращается в s- комплекс с нарушенной ароматичностью. Последующее отщепление протона ведет к регенерации ароматической системы:
Реакции ацилирования (замещения катиона Н + на ацильную группу R-C + =O) происходят аналогичным образом. Рассмотрим на примере реакции ацилирования метокисибензола, уравнение которой можно представить следующим образом:
Как и в предыдущих случаях, электрофильная частица генерируется в результате взаимодействия хлорангидрида уксусной кислоты с кислотой Льюиса:
Образующийся катион ацилия сначала образует p-комплекс, из которого возникают главным образом два s -комплекса, в которых формирование s- связи между циклом и электрофильной частицей происходит преимущественно в орто- и пара-положениях, так как в этих положениях возникают частичные отрицательные заряды из-за электронного влияния метоксигруппы.
Ароматические гетероциклы также вступают в реакции электрофильного замещения. При этом пятичленные гетероциклы - пиррол, фуран и тиофен - легче вступают в реакции S E , так как являются p-избыточными системами. Однако при проведении реакций с этими соединениями необходимо учитывать их ацидофобность. Нестабильность этих соединений в кислой среде объясняется нарушением ароматичности в результате присоединения протона.
При проведении реакций электрофильная частица замещает протон в a-положении; если оба a-положения заняты, то замещение протекает по b-положению. В остальном механизм реакций электрофильного замещения аналогичен рассмотренным выше случаям. В качестве примера приведем бромирование пиррола:
Механизм реакции с участием ароматических гетероциклов включает все рассмотренные выше стадии - генерирование электрофильной частицы, образование p-комплекса, превращение его в s- комплекс (карбкатион), отщепление протона, приводящее к образованию ароматического продукта.
При проведении реакций электрофильного замещения с участием p-дефицитных ароматических систем, таких как пиридин и пиримидин, нужно учитывать их изначально более низкую реакционную способность (дефицит p-электронной плотности затрудняет образование p-комплекса и его превращение в s- комплекс), которая еще сильнее снижается при проведении реакций в кислой среде. Хотя в кислой среде ароматичность этих соединений не нарушается, протонирование атома азота приводит к усилению дефицита p-электронной плотности в цикле.
Пиридин способен алкилироваться, сульфироваться, нитроваться, ацилироваться и галогенироваться. Однако в большинстве случаев с электрофильной частицей образует связь более нуклеофильный атом азота, а не атомы углерода пиридина.
В случае протекания реакции в пиридиновом цикле замещение идет по одному из b-положений, в которых возникают частичные отрицательные заряды.
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.