Opšti pogled na reakcije elektrofilne supstitucije:
R − X + Y + → R − Y + X + (\displaystyle (\mathsf (R\!\!-\!\!X+Y^(+)))\strelica nadesno (\mathsf (R\!\! -\!\!Y+X^(+))))(kationski elektrofil)
R − X + Y − Z → R − Y + X − Z (\displaystyle (\mathsf (R\!\!-\!\!X+Y\!\!-\!\!Z))\rightarrow ( \mathsf (R\!\!-\!\!Y+X\!\!-\!\!Z)))(neutralni elektrofil)
Postoje reakcije aromatske (rasprostranjene) i alifatske (ne uobičajene) elektrofilne supstitucije. Specifičnost reakcija elektrofilne supstitucije specifično za aromatične sisteme objašnjava se visokom gustinom elektrona aromatičnog prstena, koji je sposoban da privuče pozitivno naelektrisane čestice.
Aromatične elektrofilne supstitucijske reakcije igraju izuzetno važnu ulogu u organskoj sintezi i imaju široku primjenu kako u laboratorijskoj praksi tako iu industriji.
Enciklopedijski YouTube
1 / 5
✪ Elektrofilna aromatična zamjena
✪ Mehanizam elektrofilne aromatske supstitucije
✪ Alkeni. Mehanizam reakcije elektrofilne adicije.
✪ Mehanizmi hemijskih reakcija. Dio 2. Klasifikacija mehanizama. Elektrofilne i nukleofilne reakcije.
✪ Klasifikacija reakcija: nukleofili, elektrofili, radikali
Titlovi
Već smo govorili o benzenskom prstenu. Dakle, loše sam to nacrtao, dozvolite mi da ga ponovo nacrtam. Dakle, već smo govorili da je stabilnost benzena povezana sa njegovom aromatičnošću. Ovi elektroni na ovim π-orbitalama, koji formiraju dvostruke veze, ne pripadaju samo tim vezama. Oni su u stalnom pokretu. Ovaj može da ide ovde. Ovaj je ovdje. A ovaj je upravo ovdje. Elektroni se ne kreću samo naprijed-nazad. Oni "kruže" kroz ring. Dakle, aromatični molekul je stabilniji. Već smo vidjeli primjere aromatičnih spojeva, ili, tačnije, vidjeli smo primjere benzenskog prstena sa uvedenim supstituentima, halogenim supstituentima ili OH grupom. U ovom video tutorijalu, želio bih detaljnije pogledati kako se supstituent može spojiti na benzenski prsten. Danas ćemo proučavati elektrofilnu aromatičnu supstituciju. Hajde da to zapišemo. Elektrofilna aromatična supstitucija. S pravom možete reći: "Sal, rekao si da dodaješ zamjene." Ali u stvarnosti, benzen već ima šest atoma vodika. Postoji jedan vodonik, dva vodonika, tri vodonika, četiri vodonika, pet vodonika i konačno šest vodonika. Benzen ih uvijek ima. Čak i bez crtanja, mislimo na njih. Kada dodamo hlor, ili brom, ili OH grupu, zamjenjujemo ih jednim od atoma vodika. Zato se to zove "zamjena". I "aromatično", jer imamo posla sa benzenskim prstenom. Dakle, pogledaćemo aromatičnu molekulu i videćemo da nam je potreban veoma jak elektrofil da bi zamena prošla. Pokušajmo zamisliti kako će se to dogoditi. Ali prvo, dozvolite mi da kopiram i zalijepim crtež kako ne bih morao ponovo da ga crtam. Kopirajmo. Recimo da imamo jako jak elektrofil. U sljedećem video tutorijalu pogledat ćemo nekoliko konkretnih primjera kako biste shvatili što je jak elektrofil. Ali mislim da riječ "elektrofil" sama po sebi sugerira da je to nešto što voli elektrone. Elektrofil želi da dobije elektrone jako, vrlo, jako. I obično elektrofil ima pozitivan naboj. Dakle, za to su potrebni elektroni. Hajde da ovo malo raščistimo. Nećemo pisati da su elektrofilu potrebni elektroni. Jer kada govorimo o elektrofilima ili nukleofilima, mislimo na njihovu reaktivnost. Zapišimo to drugačije: prihvata elektrone. Zaista vrlo, vrlo, vrlo dobro prihvata elektrone. Šta će se desiti? Kao što smo rekli, benzen je stabilan molekul. Ovi elektroni, ti π-elektroni stalno kruže. Šta se događa ako se takav molekul na određeni način sudari s molekulom elektrofila? Označimo ovaj elektron ovdje. Kao što se može vidjeti sa slike, nalazi se na ovom atomu ugljika. Mislim da je jasno da je ugljenik ovde. Iako ga nisam baš nacrtao. Ali ako se ovaj elektrofil, koji dobro prihvata elektrone, sudari na određeni način sa benzenom, onda će ovaj elektron otići do elektrofila. Dakle, na ovaj način... Samo da kopiram i zalijepim originalni molekul. Dakle, šta se sada promijenilo? Više nemamo ovu vezu. Ovaj ugljenik je sada vezan za elektrofil. Hajde da raščistimo ovo. Ovaj elektron je nekada bio ovde. Ovaj elektron i dalje pripada ovom ugljeniku, a drugi elektron ide elektrofilu, koji ga rado uzima za sebe. Dakle, sada ovaj elektron pripada elektrofilu. Elektrofil je tako dobio elektron. Prije toga je bio pozitivno nabijen, a sada je neutralan. Ponavljam da ćemo konkretne primjere razmotriti u sljedećim video tutorijalima. Vratimo se zamjeni. Tu vezu sada vidimo ovdje. Ovaj atom ugljika ovdje je izgubio elektron. A pošto je izgubio elektron, imat će pozitivan naboj. U stvari, nije lako uraditi ovo sa rezonantno stabilizovanim molekulom. Stoga, kao što sam više puta rekao, zaista jak elektrofil mora sudjelovati u reakciji. Vrijedi napomenuti da je rezultirajući karbokation relativno stabilan. I, uprkos činjenici da je to samo sekundarni karbokation, on je stabilan zbog rezonancije. Ovaj elektron može ići u karbokation. Ako se ovo desi, dobićemo ovo. Precrtajmo prsten. Nacrtajmo rezonantne strukture što je brže moguće. Ovde imamo vodonik. Evo elektrofila. Zapravo, to više nije elektrofil, samo ovaj supstituent označavamo slovom "E". Evo vodonika. Ovdje postoji dvostruka veza. Nacrtajmo ga malo tačnije. Ovde imamo vodonik. Vodik ovde, vodonik ovde i ovde. I rekao sam da je ova struktura stabilizovana. Elektron može skočiti odavde do ovdje. Ako se ovaj elektron pomakne ovamo, dvostruka veza će sada biti ovdje. Opet. Elektron će se kretati ovdje i dvostruka veza je sada ovdje. Ovaj atom ugljika dao je svoj elektron i sada je pozitivno nabijen. Zbog toga se takva struktura ispostavlja rezonantno stabilizovanom. Elektron nas može vratiti u prethodnu strukturu, ili može sam preskočiti ovdje. Dozvolite mi da to sve ponovo nacrtam. Nacrtajmo sve atome vodonika odjednom. Ovdje imamo supstituent i atom vodonika. Više vodonika ovdje, više ovdje, ovdje i ovdje. Vodonicima se obično ne pridaje tolika pažnja, ali pošto će se jedan od ovih atoma odvojiti tokom mehanizma, u ovom slučaju radije ih označavam da ne zaboravim da ovde postoje atomi vodonika. Vratimo se stabilizaciji rezonancije. Ako se ovaj elektron pomakne ovamo, onda će ova dvostruka veza završiti ovdje. Ovaj atom ugljika je izgubio elektron i sada je pozitivno nabijen. Ovdje crtamo ovu dvostruku vezu, koja je bila ovdje na vrhu, na istom mjestu gdje je bila. Možemo se kretati iz jedne strukture u drugu. Elektroni se stalno kreću oko prstena. Naravno, ne govorimo o tako jakoj stabilizaciji da je ovaj molekul potpuno aromatičan. Elektroni su se kretali kroz π orbitale iznova i iznova, stabilizirajući tako strukturu. Ali ovaj karbokation je još uvijek relativno stabilan zbog "kruženja" elektrona oko prstena. O ovom pozitivnom naboju također možemo razmišljati kao o "razmazanom" između ovog ugljika, ovog ugljika i ovog ugljika ovdje. Međutim, ovoj vezi nedostaje stabilnost. Molekul želi ponovo da postane aromatičan, da povrati svoje stabilno stanje. A da bi se vratio u stabilno stanje, karbokation mora nekako dobiti elektron. Način na koji karbokation može dobiti elektron je da baza u okolini odcijepi taj proton, proton atoma ugljika koji je također vezan za elektrofil. Dakle, ova baza odvaja proton. Govorimo samo o jezgri vodonika, pošto elektron vodonika ostaje ovdje. Obojimo ga drugom bojom. Tačnije, to je elektron koji je imao vodonik, sada ide do atoma ugljika ovdje. Ovaj presek linija izgleda malo zbunjujuće. Elektron može otići do ovog ugljika. Šta ćemo onda dobiti? I evo šta dobijamo. Dakle, ako se ovo desi... Obojimo naš šestočlani prsten u žuto. Sada nacrtajmo sve vodonike. Koju boju biste odabrali? Nacrtajmo ih ovako zelenom bojom. Dakle, crtamo sve atome vodika. Sada nemojmo žuriti. Ovaj vodonik, tačnije, samo njegovo jezgro, odcijepilo se od baze. Dakle, atom vodonika se preselio u bazu. Ovaj elektron ovdje je prebačen na atom vodonika. Dakle, jedan elektron je otišao ovom vodoniku, a drugi elektron još uvijek pripada bazi. Dobili smo kiselinu konjugatu sa bazom, drugim riječima, bazu koja je dobila proton. A ovaj atom ugljika sada je povezan samo sa supstituentom, koji je nekada bio naš elektrofil. Nacrtajmo ovo u jednoj boji radi jednostavnosti. Ono što je nekada bio elektrofil je upravo ovdje, a ova veza odgovara ovoj vezi. Malo lijevo. Držaćemo se istih boja. Ova dvostruka veza odgovara ovoj dvostrukoj vezi. Imamo ovu dvostruku vezu. Ova dvostruka veza koju sada crtamo ovdje. A onda će se taj elektron vratiti na gornji atom ugljika. Stavimo sve na police. Ova veza i ovaj elektron se vraćaju na ovaj gornji ugljenik. Hajde da nacrtamo vezu i elektron koji su ponovo na mestu. Ovaj gornji ugljik prestaje biti pozitivno nabijen. I opet dobijamo strukturu stabilizovanu rezonancom. Zaboravio sam da pomenem optužbe. Moguće je da je ova baza bila negativno nabijena. Iako nije apsolutno neophodno. Ali, ako je ova baza imala negativan naboj, onda nakon što preda svoj elektron vodiku, negativni naboj će nestati. To ima svoju logiku, jer smo u početku imali i pozitivne i negativne naboje, a nakon što je sve reagovalo, naboji su nestali. Ukupna naplata je nula. Vratimo se pitanju elektrofilne aromatske supstitucije. Zamenili smo jedan od ovih vodonika. Zamenili smo ovaj vodonik upravo ovde sa elektrofilom. Ono što je nekada bio elektrofil, nakon što je dobio elektron, sada je samo supstituent vezan za benzenski prsten. I, prošavši sav ovaj težak put, konačno smo došli do novog aromatičnog molekula sa E-supstituentom. U sljedećem video tutorijalu pogledat ćemo konkretne primjere elektrofila i baza. Titlovi Amara.org zajednice
Reakcije aromatične elektrofilne supstitucije
Za aromatične sisteme zapravo postoji jedan mehanizam elektrofilne supstitucije - S E Ar. Mehanizam S E 1(po analogiji sa mehanizmom S N 1) je izuzetno rijedak, i S E 2(odgovara po analogiji S N 2) se uopšte ne javlja.
S E Ar reakcije
mehanizam reakcije S E Ar ili aromatične elektrofilne supstitucijske reakcije(engleski) Elektrofilna aromatična supstitucija) je najčešća i najvažnija reakcija aromatične supstitucije i sastoji se od dva koraka. U prvoj fazi se pričvršćuje elektrofil, u drugoj fazi se elektrofuga odvaja:
| Brzina reakcije = k** |
Relativno slabi elektrofili obično djeluju kao napadačka čestica, tako da je u većini slučajeva reakcija S E Ar se odvija pod dejstvom katalizatora Lewisove kiseline. Češće od ostalih koriste se AlCl 3, FeCl 3, FeBr 3, ZnCl 2.
U ovom slučaju, mehanizam reakcije je sljedeći (na primjeru hloriranja benzena, FeCl 3 katalizatora):
1. U prvoj fazi, katalizator stupa u interakciju sa česticom koja napada da bi formirala aktivno elektrofilno sredstvo:
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. U drugoj fazi, zapravo, mehanizam je implementiran 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)^(-))))
| Brzina reakcije = k** |
X 2 + F e X 3 → X + + F e X 4 − (\displaystyle (\mathsf (X_(2)+FeX_(3)))\rightarrow (\mathsf (X^(+)+FeX_(4) ^(-))))
U supstituisanim benzenima, tzv ipso-napad, odnosno zamjena postojeće zamjene drugom:
Alifatske elektrofilne supstitucijske reakcije
Reakcije S E 1
mehanizam reakcije S E 1 ili monomolekularne elektrofilne supstitucijske reakcije (
Reakcije elektrofilne supstitucije su karakteristične za aromatične, karbociklične i heterociklične sisteme. Kao rezultat delokalizacije p-elektrona u molekulu benzena (i drugim aromatičnim sistemima), gustoća p-elektrona je ravnomjerno raspoređena na obje strane ciklusa. Takvo skriniranje atoma ugljika u ciklusu p-elektronima štiti ih od napada nukleofilnih reagensa i, obrnuto, olakšava mogućnost napada elektrofilnih reagensa.
Ali za razliku od reakcija alkena s elektrofilnim reagensima, interakcija aromatskih spojeva s njima ne dovodi do stvaranja adicijskih produkata, jer bi se u tom slučaju narušila aromatičnost spoja i smanjila bi se njegova stabilnost. Očuvanje aromatičnosti je moguće ako elektrofilna čestica zamijeni vodonik kation.
Mehanizam reakcija elektrofilne supstitucije sličan je mehanizmu reakcija elektrofilne adicije, jer postoje opšti obrasci reakcija.
Opća shema mehanizma reakcija elektrofilne supstitucije S E:
U prvom koraku reakcije, p-kompleks sa elektrofilnom česticom (brza faza), koja se zatim pretvara u s-kompleks(spora faza) zbog formiranja s- veze jednog od atoma ugljika s elektrofilnom česticom. Za obrazovanje s- U vezi s elektrofilnom česticom, par elektrona "izbija" iz konjugacije, a rezultirajući proizvod dobiva pozitivan naboj. IN s-kompleks aromatičnost je narušena, jer je jedan od atoma ugljika u sp 3 hibridizaciji, a četiri elektrona i pozitivan naboj su delokalizirani na pet drugih atoma ugljika.
Da bi se regenerisao termodinamički povoljan aromatični sistem, dolazi do heterolitičkog cepanja C sp 3 -H veze. Kao rezultat toga, H+ jon se odvaja, a par vezanih elektrona odlazi da obnovi sistem konjugacije, dok atom ugljenika koji je odvojio proton menja hibridizaciju atomskih orbitala sa sp 3 na sp 2 . Mehanizam reakcija nitriranja, sulfoniranja, halogenacije, alkilacije, acilacije aromatskih jedinjenja uključuje dodatni stupanj koji nije naznačen u općoj shemi - fazu stvaranja elektrofilne čestice.
Jednačina reakcijenitriranjebenzen izgleda ovako:
U reakcijama nitriranja dolazi do stvaranja elektrofilne čestice kao rezultat interakcije dušične i sumporne kiseline, što dovodi do stvaranja nitronijevog kationa NO 2 +, koji zatim reagira s aromatičnim spojem:
U molekuli benzena, svi atomi ugljika su ekvivalentni, na jednom od njih dolazi do supstitucije. Ako su supstituenti prisutni u molekuli, tada je reaktivnost i smjer elektrofilnog napada određen prirodom ovog supstituenta. Prema uticaju na reaktivnost i smer napada svi supstituenti se dele u dve grupe.
Orijentanti prve vrste. Ovi supstituenti olakšavaju elektrofilnu supstituciju u poređenju sa benzenom i usmeravaju ulaznu grupu na orto i para položaj. To uključuje supstituente koji doniraju elektrone koji povećavaju gustinu elektrona u jezgri benzena. Kao rezultat njegove preraspodjele na položaje 2,4,6 (orto- i para-položaji), nastaju djelomični negativni naboji, što olakšava vezivanje elektrofilne čestice na ove položaje sa formiranjem s-kompleks.
Orijentanti druge vrste. Ovi supstituenti otežavaju reakcije elektrofilne supstitucije od benzena i usmjeravaju ulaznu grupu na jednu od meta pozicija. To uključuje supstituente koji povlače elektrone koji smanjuju gustoću elektrona u benzenskom prstenu. Kao rezultat njegove preraspodjele na pozicijama 3,5 (meta-pozicije), nastaju djelomični negativni naboji i dodavanje elektrofilne čestice sa formiranjem s-kompleks ide pod teškim uslovima.
Atomi halogena usmjeravaju elektrofilnu česticu u orto- ili para-položaj (zbog pozitivnog mezomernog efekta), ali u isto vrijeme ometaju reakciju, budući da su supstituenti koji povlače elektrone (-I>+M). Reakcije halogenih derivata benzena sa elektrofilnim reagensima odvijaju se u teškim uslovima.
U reakcijama sulfoniranje ulogu elektrofilne čestice igra molekula SO 3, koja nastaje kao rezultat reakcije: 2H 2 SO 4 «SO 3 + H 3 O + + HSO 4 -. Atome sumpora u ovoj molekuli karakteriše jak deficit elektronske gustine i prisustvo delimičnog pozitivnog naboja, pa je zato S atom taj koji se, kao elektrofil, mora vezati za atom ugljenika benzenskog prstena toluen.
Metilna grupa u toluenu je orijentant prve vrste, i kao supstituent koji donira elektrone, olakšava reakciju supstitucije i usmerava dolaznu grupu na orto i para položaj. U praksi se supstitucijski proizvodi formiraju i u meta poziciji, ali je njihova količina znatno manja od količine supstitucijskih proizvoda u orto-para pozicijama.
Halogenacija benzena i mnogih aromatičnih spojeva, djelovanje samog halogena odvija se samo u prisustvu katalizatora kao što su ZnCl 2 , AlCl 3 , FeBr 3 itd. Katalizatori su obično Lewisove kiseline. Veza između atoma metala i atoma halogena nastaje mehanizmom donor-akceptor, što uzrokuje polarizaciju molekula halogena, pojačavajući njegov elektrofilni karakter. Rezultirajući adukt može biti podvrgnut disocijaciji sa formiranjem kompleksnog anjona i halogenog kationa, koji dalje djeluje kao elektrofilna čestica:
Vodene otopine HO-Hal u prisustvu jakih kiselina mogu se koristiti i kao halogenirajuća sredstva. Formiranje elektrofilne čestice u ovom slučaju može se objasniti sljedećim reakcijama:
Mehanizam dalje interakcije Br + ili Cl + katjona se ne razlikuje od mehanizma nitriranja sa NO 2 + katjonima. Razmotrimo mehanizam reakcije na primjeru bromiranja anilina (ograničavamo se na stvaranje monosupstituiranih proizvoda). Kao što je poznato, anilin obezvređuje bromnu vodu, formirajući na kraju 2,4,6-tribromanilin, koji se oslobađa kao bijeli talog:
Rezultirajuće elektrofilne vrste napadaju p-elektrone benzenskog prstena, formirajući p-kompleks. Iz rezultirajućeg p-kompleksa, dva glavna s-kompleksi u kojima se veza ugljik-brom javlja u orto- i para-položajima ciklusa. U sljedećoj fazi dolazi do eliminacije protona, što dovodi do stvaranja monosupstituiranih derivata anilina. U višku reagensa, ovi procesi se ponavljaju, što dovodi do stvaranja anilin dibromo i tribromo derivata.
Alkilacija(zamjena atoma vodika alkil radikalom) aromatskih jedinjenja vrši se njihovom interakcijom sa haloalkanima (Friedel-Craftsova reakcija). Interakcija primarnih alkil halida, na primjer, CH 3 Cl, sa aromatičnim jedinjenjima u prisustvu Lewisovih kiselina malo se razlikuje po svom mehanizmu od reakcija halogeniranja. Razmotrite mehanizam na primjeru metilacije nitrobenzena. Nitro grupa, kao orijentaciono sredstvo druge vrste, deaktivira benzenski prsten u reakcijama elektrofilne supstitucije i usmerava ulaznu grupu na jednu od meta pozicija.
Općenito, jednadžba reakcije ima oblik:
Generiranje elektrofilne čestice nastaje kao rezultat interakcije haloalkana s Lewisovom kiselinom:
Rezultirajući metil kation napada p-elektrone benzenskog prstena, što rezultira stvaranjem p-kompleksa. Rezultirajući p-kompleks se zatim polako pretvara u s-kompleks (karbokation), u kojem se veza između metil kationa i atoma ugljika ciklusa javlja uglavnom na pozicijama 3 ili 5 (tj. u meta pozicijama, u kojima nastaju djelomični negativni naboji zbog elektronskih efekata nitro grupe ). Poslednji korak je eliminacija protona iz s-kompleks i obnova konjugovanog sistema.
Alkeni ili alkoholi se također mogu koristiti kao agensi za alkilaciju u alkilaciji benzena umjesto alkil halida. Za formiranje elektrofilne čestice - karbokationa - neophodno je prisustvo kiseline. Mehanizam reakcije u ovom slučaju će se razlikovati samo u fazi stvaranja elektrofilne čestice. Razmotrite ovo na primjeru alkilacije benzena s propilenom i propanolom-2:
Generisanje elektrofilnih čestica:
U slučaju upotrebe propilena kao reagensa, formiranje karbokationa nastaje kao rezultat dodavanja protona (prema Markovnikovom pravilu). Kada se propanol-2 koristi kao reagens, formiranje karbokationa nastaje kao rezultat eliminacije molekule vode iz protoniranog alkohola.
Nastali izopropil kation napada p-elektrone benzenskog prstena, što dovodi do stvaranja p-kompleksa, koji se zatim pretvara u s- kompleks sa poremećenom aromatičnošću. Naknadna eliminacija protona dovodi do regeneracije aromatičnog sistema:
Reakcije acilacija(supstitucija H + kationa acilnom grupom R-C + =O) se dešavaju na sličan način. Razmotrimo primjer reakcije acilacije metoksibenzena, čija se jednadžba može predstaviti na sljedeći način:
Kao iu prethodnim slučajevima, elektrofilna čestica nastaje kao rezultat interakcije klorida octene kiseline s Lewisovom kiselinom:
Rezultirajući acilijum kation prvo formira p-kompleks, od kojih uglavnom dva s-kompleksi u kojima se formira s- veze između ciklusa i elektrofilne čestice se javljaju pretežno u orto i para pozicijama, jer se u tim pozicijama javljaju parcijalni negativni naboji zbog elektronskog uticaja metoksi grupe.
Aromatični heterocikli također ulaze u reakcije elektrofilne supstitucije. Istovremeno, petočlani heterocikli - pirol, furan i tiofen - lakše ulaze u S E reakcije, budući da su p-suvišni sistemi. Međutim, prilikom izvođenja reakcija s ovim spojevima, potrebno je uzeti u obzir njihovu acidofobnost. Nestabilnost ovih spojeva u kiseloj sredini objašnjava se kršenjem aromatičnosti kao rezultat dodavanja protona.
Prilikom izvođenja reakcija, elektrofilna čestica zamjenjuje proton u a-poziciji; ako su oba a-pozicija zauzeta, onda se zamjena nastavlja na b-poziciji. Inače, mehanizam reakcija elektrofilne supstitucije je sličan gore navedenim slučajevima. Kao primjer navodimo bromiranje pirola:
Mehanizam reakcije koji uključuje aromatične heterocikle uključuje sve faze o kojima smo gore govorili - stvaranje elektrofilne čestice, formiranje p-kompleksa, njegovu transformaciju u s- kompleks (karbokation), uklanjanje protona, što dovodi do stvaranja aromatičnog proizvoda.
Prilikom izvođenja reakcija elektrofilne supstitucije u kojima su uključeni aromatični sistemi s nedostatkom p, kao što su piridin i pirimidin, mora se voditi računa o njihovoj inicijalno nižoj reaktivnosti (deficit gustoće p-elektrona ometa nastanak p-kompleksa i njegovu transformaciju u s- kompleks), koji se još više smanjuje kada se reakcije izvode u kiseloj sredini. Iako aromatičnost ovih jedinjenja nije narušena u kiseloj sredini, protonacija atoma azota dovodi do povećanja deficita gustoće p-elektrona u ciklusu.
Piridin može biti alkiliran, sulfoniran, nitriran, aciliran i halogeniran. Međutim, u većini slučajeva, nukleofilniji atom dušika, umjesto atoma ugljika piridina, formira vezu s elektrofilnom česticom.
U slučaju reakcije u piridinskom prstenu, do supstitucije dolazi na jednoj od b-položaja, u kojoj nastaju parcijalni negativni naboji.
Arene karakteriziraju tri vrste reakcija:
1) elektrofilna supstitucija S E Ar (destrukcija C-H veze);
2) reakcije adicije (razgradnja p-veze);
3) reakcije sa destrukcijom benzenskog prstena.
Elektrofilna supstitucija u arenima (S E Ar)
Reakcije elektrofilne supstitucije se odvijaju prema općoj shemi kroz formiranje π- i σ-kompleksa
Kao što slijedi iz prikazane sheme, aromatična supstitucija S E Ar se odvija mehanizmom dodavanja-eliminacije. Iza dodavanja elektrofilnog sredstva X + aromatični supstrat sa formiranjem σ-kompleksa je praćen eliminacijom protona sa formiranjem produkta reakcije.
Reakcije elektrofilne supstitucije u arenima općenito slijede kinetičku jednadžbu drugog reda ( v = k2[X+]).
Razmotrimo postupni tok procesa.
Faza 1 Formiranje π-kompleksa
.
π–kompleksi – koordinaciona jedinjenja u kojima je donor elektrona aromatično jedinjenje koje ima π-elektrone koji se lako polarizuju. π-kompleksi – neklasična hemijska jedinjenja u kojima je elektrofilna čestica povezana sa kovalentnom vezom sa nekim kovalentnim atomom reaktanta. Većina π-kompleksa lako se raspada kada se zagrije ili kada se izloži vodi.
Sposobnost formiranja π-kompleksa u arenama raste u nizu:
C 6 H 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
Što je veća π-elektronska gustina jedinjenja, to lakše formira π-komplekse.
Faza 2 Formiranje σ-kompleksa
σ-kompleksi su kationi, u čijem formiranju je reagens X + formira kovalentnu vezu s jednim od atoma ugljika zbog 2 π-elektrona jezgra benzena, dok ovaj C-atom prelazi iz sp 2-navodi u sp 3-hibridizacija, u kojoj su sve četiri njene valencije pod uglom od ~109 0 . Simetrija jezgra benzena je narušena. Grupa X i atom vodonika su u ravni okomitoj na ravan jezgra benzena.
Stabilnost σ-kompleksa raste sa povećanjem bazičnosti benzenskog prstena
Ovaj korak je najsporiji korak u cijeloj reakciji i naziva se ograničavajući.
Faza 3 Odvajanje protona od σ-kompleksa
U posljednjoj fazi, proton se odvaja od σ-kompleksa i 6π-elektronski oblak (aromatična struktura) se obnavlja. Ovaj proces se nastavlja uz energetski dobitak od ~42 kJ/mol. U mnogim reakcijama, uklanjanje protona u završnoj fazi je olakšano odgovarajućom bazom koja je prisutna u otopini.
Prema razmatranom mehanizmu, u arenima se odvijaju sljedeće reakcije.
Međutim, predloženu shemu ne treba smatrati apsolutno dokazanom i univerzalnom. U različitim procesima na tok reakcije utiču:
Ø struktura podloge;
Ø hemijska aktivnost reagensa;
Ø uslovi za proces;
Ø priroda, aktivnost katalizatora i drugi faktori, koji u pojedinim slučajevima mogu dovesti do odstupanja od predložene šeme procesa.
Razmotrite neke primjere elektrofilne supstitucije u benzenu.
Primjer 1 Bromiranje benzena
Molekularni brom je preslab elektrofilni agens i, u nedostatku katalizatora, ne reagira s benzenom.
Najčešće se reakcija bromiranja benzena odvija u prisustvu željezovog (III) bromida, koji ima ulogu Lewisove kiseline, a potonja se u reakcionoj masi dobija direktnom interakcijom broma sa željezom.
Faza 1 Formiranje elektrofilnog reagensa E + .
Molekul broma se aktivira prema shemi kiselinsko-bazne reakcije s Lewisovom kiselinom.
Faza 2 Formiranje π-kompleksa 1.
Slobodni bromonijev ion ili ion u sastavu jonskog para je aktivno elektrofilno sredstvo koje može reagirati s benzenom; u ovom slučaju, π-kompleks 1
Ulogu elektrofilnog agensa u ovoj fazi može obavljati i kompleks donor-akceptor 
.
Faza 3 Preuređenje π-kompleksa 1 i formiranje σ-kompleksa ili arenonijevog jona.
Ovo je najsporiji korak u cijeloj reakciji.
Faza 4 Preuređenje σ-kompleksa u π-kompleks 2 supstitucijskog proizvoda. Proton je odvojen od atoma ugljika, koji se zamjenjuje; u ciklusu se ponovo formira aromatični sekstet elektrona - uočava se rearomatizacija
Faza 5 Disocijacija π-kompleksa 2 sa formiranjem supstitucijskog proizvoda
Mehanizam elektrofilnog bromiranja benzena ilustrovan je energetskim dijagramom reakcije prikazanom na Sl.11.
Rice. 11. Energetski dijagram reakcije
elektrofilno bromiranje benzena;
PS - prelazno stanje.
Faze 2 i 5, koje uključuju π-komplekse polaznog arena i supstitucijskog proizvoda, često su izostavljene u shemama mehanizma elektrofilne aromatske supstitucije. Ovim pristupom, odgovarajuća elektrofilna aromatična supstitucija uključuje samo tri faze.
Faza 1" - formiranje elektrofilnog agensa.
Faza 2" – formiranje σ-kompleksa, zaobilazeći π-kompleks 1.
Faza 3" je raspad σ-kompleksa sa formiranjem supstitucijskog proizvoda, zaobilazeći π-kompleks 2.
Primjer 2 Nitracija arena
Nitracija se sastoji u zamjeni atoma vodika u benzenskom prstenu sa nitro grupom NO 2. Benzen reaguje sa koncentrovanom azotnom kiselinom polako čak i kada se zagreje. Stoga se nitriranje najčešće provodi djelovanjem aktivnijeg nitriranja - nitrirajuća smeša- mješavine koncentrisane dušične i sumporne kiseline. Nitracija arena sa nitrirajućom smešom je glavna metoda za dobijanje aromatičnih nitro jedinjenja.
Nitracija benzena sa nitrirajućom smešom vrši se na 45–50 0 C. Pošto je reakcija nitriranja ireverzibilna, azotna kiselina se koristi u minimalnom višku (5–10%), čime se postiže skoro potpuna konverzija benzena.
Sumporna kiselina u sastavu smjese za nitriranje neophodna je za povećanje koncentracije elektrofilnog agensa - nitronijevog jona NO 2+.
Faza 1 Formiranje elektrofilnog agensa.
Aktivni elektrofilni agens u nitraciji je nitronijum jon, koji se potencijalno nalazi u čitavom rodu jedinjenja.
Na primjer: HO _ NO 2 , O 2 N _ O _ NO 2 itd.
Njihova sklonost formiranju nitronijevog jona raste sa povećanjem elektronegativnosti supstituenta povezanog sa nitro grupom.
Hidroksilna grupa se kao takva ne može odvojiti, pa se nitronijev jon iz azotne kiseline formira samo u kiseloj sredini.
U najjednostavnijem slučaju, dušična kiselina može sama protonirati ("samoprotonizacija")
Međutim, ravnoteža je pomjerena ulijevo, pa dušična kiselina slabo nitratira.
Kada se doda koncentrirana sumporna kiselina, koncentracija kationa se jako povećava
Nitrirajući učinak mješavine dušične i sumporne kiseline (smjesa za nitraciju) je mnogo jači nego samo dušične kiseline. Dalje povećanje reaktivnosti može se postići upotrebom dimljene dušične kiseline i oleuma.
Faza 2 Formiranje σ-kompleksa
Faza 3 Izbacivanje protona sa stvaranjem supstitucijskog proizvoda
U praksi je potrebno uskladiti aktivnost nitracionog agensa sa reaktivnošću aromatičnog jezgra.
Tako se, na primjer, fenoli i etri fenola nitriraju već razrijeđenom dušičnom kiselinom, dok se nitriranje benzaldehida, benzojeve kiseline, nitrobenzola itd. zahtijeva mješavinu dimljene dušične kiseline sa sumpornom kiselinom.
m-Dinitrobenzen se teško nitrira čak i sa mješavinom dimeće dušične i sumporne kiseline (5 dana, 110 0 C; prinos 45%).
Kod nitriranja, najčešća nuspojava je oksidacija. Njemu pogoduje povećanje temperature reakcije. Proces oksidacije je određen oslobađanjem dušikovih oksida. Aldehidi, alkilaril-ketoni i, u manjoj mjeri, alkilbenzeni su također podložni oksidaciji tokom nitriranja.
Primjer 3 Alkilacija arena
R-HIg, ROH, R-CH=CH 2 se mogu koristiti kao alkilirajući agensi u prisustvu odgovarajućih katalizatora (npr. AICI 3 , AIBr 3 , H 2 SO 4 ).
Katalizatori stvaraju (formiraju) elektrofilnu česticu - karbokation
Reakcije alkilacije imaju tri glavna ograničenja:
1) reakcija se teško zaustavlja u fazi monoalkilacije, tj. nastavlja dalje, sa formiranjem polialkilbenzena; višak arena se obično koristi za suzbijanje polialkilacije;
2) ako u areni postoje samo elektroakceptorski supstituenti (npr. -NO 2), onda se reakcija alkilacije ne može izvesti;
3) reakcija alkilacije je praćena preuređivanjem alkil radikala.
Preuređenje alkil radikala u najstabilniji je karakteristično svojstvo karbokatjona
Pravila orijentacije
Reakcije supstitucije vodika u benzenu se odvijaju na isti način na bilo kojem atomu ugljika, budući da je molekula benzena simetrična. Međutim, ako benzen već ima supstituent, tada položaji koji ostaju slobodni za reakcije elektrofilne supstitucije postaju nejednaki.
Obrasci koji određuju smjer supstitucijskih reakcija u jezgri benzena nazivaju se orijentacijska pravila.
-aktivirajuća grupa- supstituent koji čini benzenski prsten reaktivnijim u reakcijama elektrofilne supstitucije u poređenju sa nesupstituisanim benzenom.
– Deaktiviranje grupe- supstituent koji čini benzenski prsten manje reaktivnim u reakcijama elektrofilne supstitucije u poređenju sa nesupstituisanim benzenom.
- o-, p-orijentant- supstituent koji usmjerava napad elektrofila uglavnom na o- ili p-poziciju benzenskog prstena.
– m-orijentator je supstituent koji usmjerava napad elektrofila uglavnom na m-poziciju benzenskog prstena.
Općenito, elektrofilna supstitucija u monosupstituiranom benzenu može se odvijati u tri smjera
Reaktivnost atoma ugljika u ovom slučaju određuju tri faktora:
1) prirodu postojećeg supstituenta;
2) prirodu vršioca dužnosti;
3) uslovi reakcije.
Prema njihovom uticaju na orijentaciju u ovim reakcijama, svi supstituenti se dele u dve grupe: supstituenti prve vrste (orto-, para-orijentišući agensi) i supstituenti druge vrste (meta-orijentišući agensi).
Po hemijskim svojstvima arene se razlikuju od zasićenih i nezasićenih ugljikovodika. To je zbog strukturnih karakteristika benzenskog prstena. Delokalizacija šest p-elektrona u cikličnom sistemu smanjuje energiju molekula, što dovodi do povećane stabilnosti (aromatičnosti) benzena i njegovih homologa. Stoga areni nisu podložni reakcijama dodavanja ili oksidacije koje dovode do gubitka aromatičnosti. Za njih se najkarakterističnije reakcije odvijaju uz očuvanje aromatičnog sistema, naime, reakcije supstitucije atoma vodika povezanih s ciklusom. Prisutnost područja povećane gustoće p-elektrona na obje strane planarnog aromatičnog prstena dovodi do činjenice da je benzenski prsten nukleofil i stoga ima tendenciju da bude napadnut od strane elektrofilnog reagensa. Stoga su reakcije elektrofilne supstitucije najtipičnije za aromatične spojeve.
Razmotrimo mehanizam elektrofilne supstitucije na primjeru nitracije benzena.
Benzen reagira sa nitrirajućom smjesom (mješavina koncentrirane dušične i sumporne kiseline):
nitrobenzen
Reakcije supstitucije u prstenu se odvijaju samo kroz formiranje pozitivno nabijenih međučestica.
p-kompleks 
s-kompleks
Čestica koju treba zamijeniti je proton.
Po ovom mehanizmu odvijaju se reakcije alkilacije, halogenacije, sulfonacije, nitriranja aromatičnih jedinjenja i druge, razlikuju se samo po načinu formiranja aktivne čestice reakcije - elektrofila E +
a) sulfoniranje:
HO–SO 3 H + H–SO 4 H à HSO 3 + + HSO 4 –
b) halogeniranje
Cl 2 + AlCl 3 a Cl + + AlCl 4 –
c) alkilacija:
CH 3 -CH 2 -Cl + AlCl 3 à CH 3 -CH 2 + + AlCl 4 -
d) acilacija
CH 3 COCl + AlCl 3 à CH 3 C + \u003d O + AlCl 4 -
U nesupstituiranom prstenu benzena, svih 6 pozicija su ekvivalentne za pojavu supstituentske grupe. Situacija je složenija ako u reakciju uđu homolozi ili derivati benzena. U ovom slučaju, novopridošla grupa ulazi na određeno mjesto u ringu. Ovo mjesto zavisi od supstituenta koji je već prisutan (ili prisutan) u prstenu. Na primjer, ako postoji grupa donora elektrona u prstenu kao: alkil-, -OH, -OCH 3, -NH 2, -NHR, NR 2, -NH-COR, -X (halogen)(supstituenti prve vrste), tada zamjenska grupa ulazi u orto- ili para-pozicije u odnosu na postojeću grupu:
Ako prsten već sadrži grupu koja povlači elektrone tipa: –NO 2 , –NO, –SO 3 H, –CX 3 , –COOH, –COH, –COR, –CN (supstituenti druge vrste), tada nova grupa postaje u meta poziciji za njih:
tabela 2
Zbirna tabela supstituenata i njihovih elektronskih efekata
| Supstituent ili grupa atoma | Orijentacija | efekti |
| CH 3 > CH 3 –CH 2 > (CH 3) 2 CH | o-, p- orijentacija, (halogeni-deaktiviraju) | +I, +M |
| (CH 3) 3 C | + I, M=0 | |
| Atom vezan za p-sistem ima nepodijeljeni par elektrona: X- (halogen), -O -, -OH, -OR, -NH 2, -NHR, -NR 2, -SH, -SR, | – ja, + M | |
| atom vezan za p-sistem je zauzvrat vezan za elektronegativniji atom: –N=O, –NO 2 , –SO 3 H, –COOH, –COH, –C(O)–R, –COOR, – CN, – CX 3 , –C=N=S, | m-orijentacija, sa deaktivacijom | -JA SAM |
| sp 2 -hibridizirani ugljik: –CH = CH–, –C 6 H 5 (fenil) | o-, p- orijentacija | I=0,+M |
| Atom koji nema p-orbitale, ali sa ukupnim pozitivnim nabojem -NH 3 +, -NR 3 +, | m - orijentacija, sa deaktivacijom | –I, M=0 |
Ako prsten ima dva poslanika različite vrste vodeći zamjena nedosledno, tada se odredi mjesto ulaska nove grupe zamenik prve vrste, Na primjer.
Elektrofilna supstitucija je nesumnjivo najvažnija grupa reakcija za aromatične spojeve. Jedva da postoji neka druga klasa reakcija koja je proučavana tako detaljno, duboko i sveobuhvatno, kako sa stanovišta mehanizma tako i sa gledišta primjene u organskoj sintezi. U polju elektrofilne aromatske supstitucije prvi put je postavljen problem odnosa strukture i reaktivnosti, što je glavni predmet proučavanja fizičke organske hemije. Općenito, ova vrsta reakcija aromatičnih spojeva može se predstaviti na sljedeći način:
ArE+H+
1. Pregled literature
1.1 Elektrofilna supstitucija u aromatičnoj seriji
Ove reakcije su karakteristične ne samo za sam benzen, već i za benzenski prsten općenito, gdje god se on nalazio, kao i za druge aromatske cikluse - benzenoidne i nebenzenoidne. Reakcije elektrofilne supstitucije pokrivaju širok raspon reakcija: nitriranje, halogeniranje, sulfoniranje i Friedel-Craftsove reakcije karakteristične su za gotovo sva aromatična jedinjenja; reakcije kao što su nitrozacija i azo sprega inherentne su samo sistemima sa povećanom aktivnošću; reakcije kao što su odsumporavanje, izotopska izmjena i brojne reakcije ciklizacije, koje na prvi pogled izgledaju prilično različite, ali koje se također pokazuju prikladnim da se odnose na reakcije istog tipa.
Elektrofilni agensi E+, iako prisustvo naboja nije neophodno, jer elektrofil može biti i nenabijena čestica s nedostatkom elektrona (na primjer, SO 3 , Hg(OCOCH 3) 2, itd.). Uobičajeno se mogu podijeliti u tri grupe: jake, srednje jake i slabe.
NO 2 + (nitronijum jon, nitroil kation); kompleksi Cl 2 ili Br 2 sa raznim Lewisovim kiselinama (FeCl 3 , AlBr 3 , AlCl 3 , SbCl 5 itd.); H 2 OCl + , H 2 OBr + , RSO 2 + , HSO 3 + , H 2 S 2 O 7 . Jake električne pile stupaju u interakciju sa spojevima serije benzena koji sadrže i elektrone-donirajuće i praktično sve supstituente koji povlače elektrone.
Elektrofili srednje snage
Kompleksi alkil halogenida ili acil halogenida sa Lewisovim kiselinama (RCl. AlCl 3 , RBr . GaBr 3 , RCOCl . AlCl 3 itd.); kompleksi alkohola sa jakim Lewisovim i Bronstedovim kiselinama (ROH . BF 3 , ROH . H 3 PO 4 , ROH . HF). Reaguju s benzenom i njegovim derivatima koji sadrže supstituente koji doniraju (aktiviraju) elektrone ili atome halogena (slabi deaktivirajući supstituenti), ali obično ne reagiraju s derivatima benzena koji sadrže jake deaktivirajuće supstituente za povlačenje elektrona (NO 2, SO 3 H, COR, CN itd.).
Slabi elektrofili
Diazonijum kationi ArN +ê N, iminijum CH 2 \u003d N + H 2, nitrozonijum NO + (nitrozoil kation); ugljen monoksid (IY) CO 2 (jedan od najslabijih elektrofila). slabi elektrofili stupaju u interakciju samo s derivatima benzena koji sadrže vrlo jake supstituente koji doniraju elektrone (+M)-tipa (OH, OR, NH 2, NR 2 , O-, itd.).
1.1.2 Mehanizam elektrofilne aromatske supstitucije
Trenutno se aromatična elektrofilna supstitucija smatra dvostepenom reakcijom adicije-eliminacije sa srednjim formiranjem arenonijevog jona, nazvanog σ-kompleks
I-Arenijum jon (
-složeni), obično kratkotrajni. Takav mehanizam se naziva S E Ar, tj. S E (arenonij). U ovom slučaju, u prvoj fazi, kao rezultat napada elektrofila, ciklički aromatični 6-elektronski π-sistem benzena nestaje i zamjenjuje se u intermedijeru I necikličnim 4-elektronskim konjugiranim sistemom cikloheksadienila. kation. U drugoj fazi, aromatični sistem se ponovo obnavlja zbog eliminacije protona.Struktura arenonijevog jona I je prikazana na različite načine:
Prva formula je najčešće korištena. σ-kompleks će biti mnogo bolje stabiliziran donorskim supstituentima u orto i para pozicijama nego donorskim supstituentima u meta poziciji.
π -Kompleksi
Kao što je poznato, areni su π-baze i mogu formirati donorsko-akceptorske komplekse sa mnogim elektrofilnim reagensima formiranje molekularnih kompleksa sastava 1:1 (G.Brown, 1952).
Ovi kompleksi nisu obojeni, njihovi rastvori u aromatičnim ugljovodonicima su neprovodni. Otapanje gasovitog DCl u benzenu, toluenu, ksilenu, mezitilenu i pentametilbenzenu ne dovodi do razmene H za D. Pošto rastvori kompleksa ne provode električnu struju, oni nisu jonske čestice; Ovo nisu joni arenonija.
Takvi donor-akceptorski kompleksi nazivaju se π-kompleksi. Na primjer, kristali kompleksa benzena sa bromom ili hlorom sastava 1:1, prema podacima rendgenske difrakcije, sastoje se od lanaca naizmjeničnih molekula π-donora sastava (C 6 H 6) i akceptora ( Cl 2 ,Br 2), u kojem se molekul halogena nalazi okomito na ravan prstena duž ose koja prolazi kroz njegov centar simetrije.
σ-kompleksi (joni arenonija)
Kada se HCl i DCl uvedu u otopinu u alkilbenzenima AlCl 3 ili AlBr 3, otopina počinje da provodi električnu struju. Takvi rastvori su obojeni i njihova boja se menja od žute do narandžasto-crvene pri prelasku iz para-ksilena u pentametilbenzen. U sistemima ArH-DCl-AlCl 3 ili ArH-DF-BF 3, atomi vodonika aromatičnog prstena su već razmijenjeni za deuterijum. Električna provodljivost rastvora definitivno ukazuje na formiranje jona u ternarnom sistemu aren-hidrogen-halogenid-aluminijum-halid. Struktura takvih jona određena je pomoću 1H i 13C NMR spektroskopije u sistemu ArH-HF (tečnost)-BF 3 ili ArH-HF-SbF 5 u SO 2 ClF na niskoj temperaturi.
1.1.3 Klasifikacija supstituenata
Monosupstituirani C 6 H 5 X benzeni mogu biti više ili manje reaktivni od samog benzena. Ako se u reakciju uvede ekvivalentna smjesa C 6 H 5 X i C 6 H 6, tada će se supstitucija dogoditi selektivno: u prvom slučaju će pretežno reagirati C 6 H 5 X, au drugom slučaju uglavnom benzen .
Trenutno su supstituenti podijeljeni u tri grupe, uzimajući u obzir njihov aktivirajući ili deaktivirajući učinak, kao i orijentaciju supstitucije u benzenskom prstenu.
1. Aktiviranje orto-para-orijentacionih grupa. To uključuje: NH 2 , NHR, NR 2 , NHAc, OH, OR, OAc, Alk, itd.
2. Deaktiviranje orto-para-orijentacijskih grupa. To su halogeni F, Cl, Br i I.
3. Deaktiviranje meta-orijentacijskih grupa. Ovu grupu čine NO 2 , NO, SO 3 H, SO 2 R, SOR, C(O)R, COOH, COOR, CN, NR 3+, CCl 3 i dr. To su orijentanti druge vrste.
Naravno, postoje i grupe atoma srednje prirode, koje određuju mješovitu orijentaciju. To, na primjer, uključuje: 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 + id.
1.2 Elektrofilna supstitucija u heterociklima π-viška
Furan, pirol i tiofen su visoko reaktivni sa uobičajenim elektrofilnim reagensima. U tom smislu, oni liče na najreaktivnije derivate benzena, kao što su fenoli i anilini. Povećana osjetljivost na elektrofilnu supstituciju je posljedica asimetrične raspodjele naboja u ovim heterociklima, što rezultira većim negativnim nabojem na atomima ugljika u prstenu nego u benzenu. Furan je nešto reaktivniji od pirola, dok je tiofen najmanje reaktivan.
1.2.1 Elektrofilna supstitucija pirola
Dok pirol i njegovi derivati nisu skloni reakcijama nukleofilne adicije i supstitucije, oni su vrlo osjetljivi na elektrofilne reagense, a reakcije pirola s takvim reagensima odvijaju se gotovo isključivo kao reakcije supstitucije. Nesupstituirani pirol, N- i C-monoalkilpiroli i, u manjoj mjeri, C,C-dialkil derivati polimeriziraju se u jako kiselim medijima, tako da većina elektrofilnih reagensa koji se koriste u slučaju derivata benzena nije primjenjiva na pirol i njegov alkil derivati.
Međutim, u prisustvu grupa koje povlače elektrone u pirolnom prstenu koje sprečavaju polimerizaciju, na primjer, kao što su esterske grupe, postaje moguće koristiti jako kisele medije, nitrirajuća i sulfonirajuća sredstva.
protonacija
U rastvoru se primećuje reverzibilno dodavanje protona na svim pozicijama pirolnog prstena. Atom dušika se najbrže protonira, dodavanje protona na poziciji 2 je dvostruko brže nego na poziciji 3. U gasnoj fazi, kada se koriste kiseline umjerene jačine, kao što su C 4 H 9 + i NH 4 + , pirol protonira se isključivo na atomima ugljika, a sklonost ka vezivanju protona na poziciji 2 je veća nego na poziciji 3. Termodinamički najstabilniji kation, 2H-pirolijev ion, nastaje dodavanjem protona na poziciji 2, a pKa vrijednost određena za pirol je povezana upravo s ovim katjonom. Slaba N-bazičnost pirola je zbog odsustva mezomerne delokalizacije pozitivnog naboja u 1H-pirolijum kationu.