Общий вид реакций электрофильного замещения:
R − X + Y + → R − Y + X + {\displaystyle {\mathsf {R\!\!-\!\!X+Y^{+}}}\rightarrow {\mathsf {R\!\!-\!\!Y+X^{+}}}} (катионный электрофил)
R − X + Y − Z → R − Y + X − Z {\displaystyle {\mathsf {R\!\!-\!\!X+Y\!\!-\!\!Z}}\rightarrow {\mathsf {R\!\!-\!\!Y+X\!\!-\!\!Z}}} (нейтральный электрофил)
Выделяют реакции ароматического (широко распространены) и алифатического (мало распространены) электрофильного замещения. Характерность реакций электрофильного замещения именно для ароматических систем объясняется высокой электронной плотностью ароматического кольца, способного притягивать положительно заряженные частицы.
Реакции ароматического электрофильного замещения играют крайне важную роль в органическом синтезе и широко используются как в лабораторной практике, так и промышленности.
Энциклопедичный YouTube
1 / 5
✪ Электрофильное Ароматическое Замещение
✪ Механизм электрофильного ароматического замещения
✪ Алкены. Механизм реакции электрофильного присоединения.
✪ Механизмы химических реакций. Ч.2. Классификация механизмов. Электрофильные и нуклеофильные реакции.
✪ Классификация реакций: нуклеофилы, электрофилы, радикалы
Субтитры
Мы с вами уже говорили о бензольном кольце. Так, я плохо его нарисовал, давайте я его перерисую. Итак, мы уже обсуждали, что стабильность бензола связана с его ароматичностью. Вот эти электроны на этих π-орбиталях, формирующие двойные связи, принадлежат не только этим связям. Они находятся в постоянном движении. Этот может пойти сюда. Этот - сюда. А этот - вот сюда. Электроны не просто перемещаются туда-сюда. Они «циркулируют» по всему кольцу. Таким образом, ароматическая молекула оказывается более стабильной. Мы уже видели примеры ароматических соединений или, правильнее сказать, мы видели примеры бензольного кольца с введенными заместителями, галоген заместителями или же OH-группой. В этом видеоуроке мне хотелось бы подробнее рассмотреть, как можно присоединить заместитель к бензольному кольцу. Сегодня мы будем изучать электрофильное ароматическое замещение. Давайте запишем. Электрофильное ароматическое замещение. Вы можете справедливо заметить: «Сэл, ты сказал, что ты добавляешь заместители». Но в действительности у бензола уже есть шесть атомов водорода. Здесь один водород, два водорода, три водорода, четыре водорода, пять водородов и, наконец, шесть водородов. Они всегда есть у бензола. И, даже не рисуя их, мы их подразумеваем. Когда мы добавляем хлор или же бром, или же OH-группу, то мы замещаем их на один из атомов водорода. Потому это называется «замещением». А «ароматическое», потому что мы имеем дело с бензольным кольцом. Итак, мы будем рассматривать ароматическую молекулу и мы увидим, что чтобы замещение прошло, нам понадобится очень сильный электрофил. Давайте попробуем представить, как это произойдет. Но прежде позвольте я скопирую и вставлю рисунок, чтобы его не перерисовывать. Давайте скопируем его. Допустим, у нас есть действительно сильный электрофил. В следующем видеоуроке мы рассмотрим несколько конкретных примеров, чтобы вы понимали, что такое сильный электрофил. Но, думаю, слово «электрофил» уже само по себе наводит на мысль, что это что-то, что любит электроны. Электрофил хочет заполучить электроны очень, очень и очень сильно. И обычно у электрофила положительный заряд. Итак, он требует электроны. Давайте немного проясним этот момент. Не будем писать, что электрофилу нужны электроны. Потому что, когда мы говорим об электрофилах или нуклеофилах, то мы имеем в виду их реакционную способность. Запишем это по-другому: принимает электроны. Действительно очень, очень и очень хорошо принимает электроны. Что же произойдет? Как мы уже сказали, бензол это стабильная молекула. Вот эти электроны, эти π-электроны постоянно циркулируют. Что же произойдет, если такая молекула столкнется определенным образом с молекулой электрофила? Давайте обозначим вот этот электрон здесь. Как видно из рисунка, он находится у этого атома углерода. Я думаю, это понятно, что углерод находится здесь. Хотя толком я его и не нарисовал. Но если этот, хорошо принимающий электроны электрофил, столкнется определенным образом с бензолом, то этот электрон перейдет к электрофилу. Итак, таким образом… Давайте я просто скопирую и вставлю первоначальную молекулу. Итак, что же теперь изменилось? Вот этой связи у нас больше нет. Этот углерод теперь связан с электрофилом. Проясним это. Этот электрон раньше был тут. Этот электрон по-прежнему принадлежит этому углероду, а другой электрон переходит к электрофилу, который с удовольствием забирает его себе. Итак, теперь этот электрон принадлежит электрофилу. Электрофил, таким образом, получил электрон. До этого он был положительно заряжен, а теперь нейтрально. Повторюсь, что конкретные примеры мы рассмотрим в следующих видеоуроках. Вернемся к замещению. Эту связь мы теперь наблюдаем вот тут. Этот атом углерода вот тут потерял электрон. И поскольку он потерял электрон, на нем появится положительный заряд. На самом деле проделать такое с резонансно-стабилизированной молекулой не просто. Поэтому, как я уже неоднократно говорил, участвовать в реакции должен действительно сильный электрофил. Стоит отметить, что получившийся карбокатион относительно стабилен. И, несмотря на то, что это всего лишь вторичный карбокатион, он оказывается стабильным благодаря резонансу. Этот электрон может перейти к карбокатиону. Если это произойдет, мы получим вот что. Давайте перерисуем кольцо. Нарисуем резонансные структуры как можно быстрее. Здесь у нас водород. Здесь электрофил. Вообще-то, это больше не электрофил, просто обозначаем этот заместитель буквой «E». Здесь водород. Здесь двойная связь. Давайте нарисуем ее немного аккуратнее. Здесь у нас водород. Здесь водород, здесь водород и вот тут. И я сказал, что эта структура стабилизирована. Электрон отсюда может перепрыгнуть сюда. Если этот электрон перейдет вот сюда, то двойная связь теперь окажется здесь. Еще раз. Электрон перейдет сюда и двойная связь теперь тут. Этот атом углерода отдал свой электрон и теперь он положительно заряжен. Вот почему такая структура оказывается резонансно-стабилизированной. Электрон может вернуть нас к предыдущей структуре, а может сам перескочить вот сюда. Давайте я опять перерисую все это. Нарисуем сразу все атомы водорода. Вот здесь у нас заместитель и атом водорода. Еще водород здесь, еще здесь, здесь и здесь. Обычно столько внимания водородам не уделяют, но поскольку один из этих атомов будет отщепляться в процессе механизма, в данном случае я предпочитаю их обозначить, чтобы не забыть, что атомы водорода здесь есть. Вернемся к резонансной стабилизации. Если это электрон перейдет сюда, тогда эта двойная связь окажется здесь. Этот атом углерода потерял электрон и теперь несет положительный заряд. Вот эту двойную связь, которая была здесь сверху, рисуем там же, где она и была. Мы можем переходить от одной структуры к другой. Электроны постоянно перемещаются по кольцу. Безусловно, мы говорим не о такой сильной стабилизации, если бы эта молекула была полностью ароматической. Электроны перемещались по π-орбиталям снова и снова, тем самым стабилизируя структуру. Но этот карбокатион все равно относительно стабилен благодаря «циркуляции» электронов по кольцу. Мы также можем считать, что этот положительный заряд «размазывается» между этим углеродом, этим углеродом и вот этим углеродом. Тем не менее, стабильности этому соединению не хватает. Молекула вновь хочет стать ароматической, вернуть себе стабильное состояние. И для того, чтобы вернуться в стабильное состояние, карбокатиону нужно каким-то образом получить электрон. Способ, с помощью которого карбокатион может заполучить электрон, заключается в том, чтобы основание из окружающей среды отщепило этот протон, протон атома углерода, который также связан с электрофилом. Итак, это основание отщепляет протон. Мы говорим только про ядро водорода, так как электрон водорода остается здесь. Давайте нарисуем это другим цветом. Точнее, это электрон, который был у водорода, теперь он переходит к атому углерода вот сюда. Такое пересечение линий выглядит немного запутанно. Электрон может перейти к этому углероду. Что же мы тогда получим? А получим мы вот что. Итак, если это произойдет… Давайте нарисуем желтым наше шестичленное кольцо. Теперь нарисуем все водороды. Какой бы цвет выбрать? Давайте нарисуем их вот таким зеленым. Итак, рисуем все атомы водорода. Теперь давайте не будем спешить. Вот этот водород, точнее только его ядро, отщепило основание. Таким образом, атом водорода перешел к основанию. Вот этот электрон был передан атому водорода. Итак, один электрон перешел к этому водороду, а второй электрон по-прежнему принадлежит основанию. Мы получили сопряженную основанию кислоту, другими словами, основание, которое получило протон. А этот атом углерода теперь соединен только с заместителем, который был раньше нашим электрофилом. Давайте для простоты нарисуем это одним цветом. То, что раньше было электрофилом находится вот здесь, а эта связь соответствует этой связи. Осталось немного. Будем придерживаться одних и тех же цветов. Эта двойная связь соответствует этой двойной связи. У нас есть эта двойная связь. Эта двойная связь, которую мы теперь рисуем здесь. И затем этот электрон вернется к верхнему атому углерода. Давайте расставим все по полочкам. Эта связь и этот электрон возвращаются к этому верхнему углероду. Давайте нарисуем связь и электрон, которые вернулись на свои места. Этот верхний углерод перестает быть положительно заряженным. И мы опять получаем резонансно-стабилизированную структуру. Я забыл упомянуть про заряды. Могло случиться так, что это основание было отрицательно заряжено. Хотя совсем не обязательно. Но, если у этого основания был отрицательный заряд, то после того, как оно отдаст свой электрон водороду, отрицательный заряд пропадет. В этом есть своя логика, потому что сначала у нас были как положительные, так и отрицательные заряды, а после того, как все прореагировало заряды пропали. Суммарный заряд равен нулю. Вернемся к вопросу электрофильного ароматического замещения. Мы заместили один из этих водородов. Мы заместили этот водород вот здесь с помощью электрофила. То, что раньше было электрофилом, после того, как получило электрон, теперь является просто заместителем, присоединенным к бензольному кольцу. И, пройдя весь этот сложный путь, мы, наконец, пришли к новой ароматической молекуле с E-заместителем. В следующем видеоуроке мы рассмотрим конкретные примеры электрофилов и оснований. Subtitles by the Amara.org community
Реакции ароматического электрофильного замещения
Для ароматических систем фактически существует один механизм электрофильного замещения - S E Ar . Механизм S E 1 (по аналогии с механизмом S N 1 ) - встречается крайне редко, а S E 2 (соответствующий по аналогии S N 2 ) - не встречается вовсе .
Реакции S E Ar
Механизм реакции S E Ar или реакции ароматического электрофильного замещения (англ. Electrophilic aromatic substitution ) является самым распространенным и наиболее важным среди реакций замещения ароматических соединений и состоит из двух стадий. На первом этапе происходит присоединение электрофила, на втором - отщепление электрофуга:
| Скорость реакции = k** |
В качестве атакующей частицы обычно выступают относительно слабые электрофилы, поэтому в большинстве случаев реакция S E Ar протекает под действием катализатора - кислоты Льюиса. Чаще других используются AlCl 3 , FeCl 3 , FeBr 3 , ZnCl 2 .
В этом случае механизм реакции выглядит следующим образом (на примере хлорирования бензола , катализатор FeCl 3) :
1.На первом этапе катализатор взаимодействует с атакующей частицей с образованием активного электрофильного агента:
C l − C l + F e C l 3 ⇄ C l − C l + ⋅ ⋅ ⋅ F e C l 3 − ⇄ C l + F e C l 4 − {\displaystyle {\mathsf {Cl\!\!-\!\!Cl+FeCl_{3}}}\rightleftarrows {\mathsf {Cl\!\!-\!\!Cl^{+}}}\!\cdot \cdot \cdot {\mathsf {FeCl_{3}^{-}}}\rightleftarrows {\mathsf {Cl^{+}FeCl_{4}^{-}}}}
2. На втором этапе, собственно, и реализуется механизм S E Ar :
H N O 3 + 2 H 2 S O 4 → N O 2 + + H 3 O + + 2 H S O 4 − {\displaystyle {\mathsf {HNO_{3}+2H_{2}SO_{4}}}\rightarrow {\mathsf {NO_{2}^{+}+H_{3}O^{+}+2HSO_{4}^{-}}}}
| Скорость реакции = k** |
X 2 + F e X 3 → X + + F e X 4 − {\displaystyle {\mathsf {X_{2}+FeX_{3}}}\rightarrow {\mathsf {X^{+}+FeX_{4}^{-}}}}
В замещенных бензолах возможна так называемая ипсо -атака, то есть замещение имеющегося заместителя на другой:
Реакции алифатического электрофильного замещения
Реакции S E 1
Механизм реакции S E 1 или реакции мономолекулярного электрофильного замещения (
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.
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).
По химическим свойствам арены отличаются от предельных и непредельных углеводородов. Это объясняется особенностями строения бензольного кольца. Делокализация шести p-электронов в циклической системе понижает энергию молекулы, что обусловливает повышенную устойчивость (ароматичность) бензола и его гомологов. Поэтому арены не склонны вступать в реакции присоединения или окисления, которые ведут к нарушению ароматичности. Для них наиболее характерны реакции, идущие с сохранением ароматической системы, а именно, реакции замещения атомов водорода, связанных с циклом. Наличие областей повышенной p-электронной плотности с двух сторон плоского ароматического цикла ведет к тому, что бензольное кольцо является нуклеофилом и в связи с этим склонно подвергаться атаке электрофильным реагентом. Таким образом, для ароматических соединений наиболее типичны реакции электрофильного замещения.
Рассмотрим механизм электрофильного замещения на примере нитрования бензола.
Бензол реагирует с нитрующей смесью (смесью концентрированных азотной и серной кислот):
нитробензол
Реакции замещения в кольцо протекают только через образование положительно заряженных промежуточных частиц.
p-комплекс 
s-комплекс
Замещаемой частицей является протон.
По такому механизму протекают реакции алкилирования, галогенирования, сульфирования, нитрования ароматических соединений и другие, различаясь лишь способом образования активной частицы реакции – электрофила Е +
а) сульфирование:
HO–SO 3 H + H–SO 4 H à HSO 3 + + HSO 4 –
б) галогенирование
Cl 2 + AlCl 3 à Cl + + AlCl 4 –
в) алкилирование:
CH 3 –CH 2 –Cl + AlCl 3 à CH 3 –CH 2 + + AlCl 4 –
г) ацилирование
СН 3 СOCl + AlCl 3 à СН 3 С + =O + AlCl 4 –
В незамещенном кольце бензола все 6 положений равноценны для вхождения замещающей группы. Сложнее обстоит дело, если в реацию вступают гомологи или производные бензола. В этом случае вновь входящая группа вступает в определенное место в кольце. Это место зависит от уже имеющегося (или имеющихся) в кольце заместителя. Например, если в кольце имеется электронодонорная группировка типа: алкил–, –ОН, –ОСН 3 , –NH 2 , –NHR, NR 2 , –NH–COR, –Х (галоген) (заместители первого рода ), то замещающая группа вступает в орто- или пара- положения относительно имеющейся группы:
Если в кольце уже имеется электроноакцепторная группировка типа: –NO 2 , –NO, –SO 3 H, –CX 3 , –COOH, –COH, –COR, –CN (заместители второго рода ), то вновь вступающая группа становится в мета- положение к ним:
Таблица 2
Сводная таблица заместителей и их электронных эффектов
| Заместитель или группа атомов | Ориентация | Эффекты |
| СН 3 > CH 3 –CH 2 > (CH 3) 2 CH | о-, п- ориентация, (галогены–дезактивирующие) | + I, +M |
| (CH 3) 3 C | + I, M=0 | |
| Атом, присоединенный к p–системе, имеет неподеленную пару электронов: X– (галоген), –O – , –OH, –OR, –NH 2 , –NHR, –NR 2 , –SH, –SR, | – I, + M | |
| присоединенный к p–системе атом в свою очередь связан с более электроотрицательным атомом: –N=O,–NO 2 , –SO 3 H, –COOH, –COH, –C(O)–R, –COOR, –CN, –CX 3 , –C=N=S, | м-ориентация, с дезактивированием | – I, –M |
| sp 2 -гибридизованный углерод: –СН=СН–, –С 6 Н 5 (фенил) | о-, п- ориентация | I=0,+M |
| Атом, не имеющий р–орбиталей, но с полным положительным зарядом –NH 3 + , –NR 3 + , | м- ориентация, с дезактивированием | –I, M=0 |
Если в кольце имеется два заместителя разного рода , направляющие замещение несогласованно , то место вступления новой группы определяется по заместителю первого рода , например.
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.