Загальний вигляд реакцій електрофільного заміщення:
R − X + Y + → R − Y + X + (\displaystyle (\mathsf (R\!\!-\!\!X+Y^(+)))\rightarrow (\mathsf (R\!\!) -\!\!Y+X^(+))))(катіонний електрофіл)
R − X + Y − Z → R − Y + X − Z (\displaystyle (\mathsf (R\!\!-\!\! \mathsf (R\!\!-\!\!Y+X\!\!-\!\!Z)))(нейтральний електрофіл)
Виділяють реакції ароматичного (широко поширені) та аліфатичного (мало поширені) електрофільного заміщення. Характерність реакцій електрофільного заміщення саме для ароматичних систем пояснюється високою щільністю електронної ароматичного кільця, здатного притягувати позитивно заряджені частинки.
Реакції ароматичного електрофільного заміщення відіграють дуже важливу роль в органічному синтезі і широко використовуються як у лабораторній практиці, так і в промисловості.
Енциклопедичний YouTube
1 / 5
✪ Електрофільне Ароматичне Заміщення
✪ Механізм електрофільного ароматичного заміщення
✪ Алкени. Механізм реакції електрофільного приєднання.
✪ Механізми хімічних реакцій. Ч.2. Класифікація механізмів. Електрофільні та нуклеофільні реакції.
✪ Класифікація реакцій: нуклеофіли, електрофіли, радикали
Субтитри
Ми з вами вже говорили про бензольне кільце. Так, я погано його намалював, давайте його перемалюю. Отже, ми вже обговорювали, що стабільність бензолу пов'язана з його ароматичністю. Ось ці електрони цих π-орбіталях, формують подвійні зв'язку, належать як цим зв'язкам. Вони перебувають у постійному русі. Цей може йти сюди. Цей – сюди. А цей – ось сюди. Електрони не просто переміщуються туди-сюди. Вони «циркулюють» по всьому кільцю. Таким чином, ароматична молекула виявляється стабільнішою. Ми вже бачили приклади ароматичних сполук або, правильніше сказати, ми бачили приклади бензольного кільця з введеними замісниками, галоген замісниками або OH-групою. У цьому відеоуроці мені хотілося б розглянути, як можна приєднати заступник до бензольного кільця. Сьогодні ми вивчатимемо електрофільне ароматичне заміщення. Давайте запишемо. Електрофільне ароматичне заміщення. Ви можете справедливо помітити: "Сел, ти сказав, що ти додаєш заступники". Але насправді бензол уже має шість атомів водню. Тут один водень, два водні, три водні, чотири водні, п'ять водень і, нарешті, шість водень. Вони завжди є у бензолу. І, навіть не малюючи їх, ми розуміємо їх. Коли ми додаємо хлор або бром, або OH-групу, то ми заміщаємо їх на один з атомів водню. Тому це називається "заміщенням". А «ароматичне», бо ми маємо справу з бензольним кільцем. Отже, ми розглядатимемо ароматичну молекулу і побачимо, що щоб заміщення пройшло, нам знадобиться дуже сильний електрофіл. Давайте спробуємо уявити, як це станеться. Але перш за дозвольте я скопіюю і вставлю малюнок, щоб його не перемальовувати. Давайте скопіюємо його. Припустимо, у нас є справді сильний електрофіл. У наступному відеоуроці ми розглянемо кілька конкретних прикладів, щоб ви розуміли, що таке електрофіл. Але, гадаю, слово «електрофіл» вже саме по собі наводить на думку, що це щось, що любить електрони. Електрофіл хоче отримати електрони дуже, дуже і дуже сильно. І зазвичай електрофіл має позитивний заряд. Отже, він потребує електрони. Давайте трохи прояснимо цей момент. Не писатимемо, що електрофілу потрібні електрони. Тому що, коли ми говоримо про електрофіли або нуклеофіли, то ми маємо на увазі їхню реакційну здатність. Запишемо це інакше: приймає електрони. Дійсно дуже, дуже і дуже добре приймає електрони. Що ж станеться? Як ми вже сказали, бензол – це стабільна молекула. Ось ці електрони, ці π-електрони постійно циркулюють. Що ж станеться, якщо така молекула зіткнеться певним чином із молекулою електрофіла? Давайте позначимо цей електрон тут. Як видно з малюнка, він знаходиться у атома вуглецю. Я думаю, це зрозуміло, що вуглець знаходиться тут. Хоча до ладу я його й не намалював. Але якщо цей електрофіл, який добре приймає електрони, зіткнеться певним чином з бензолом, то цей електрон перейде до електрофіла. Отже, таким чином… Давайте просто скопіюю і вставлю початкову молекулу. Отже, що тепер змінилося? Ось цього зв'язку у нас більше немає. Цей вуглець тепер пов'язаний із електрофілом. Прояснимо це. Цей електрон раніше був тут. Цей електрон, як і раніше, належить цьому вуглецю, а інший електрон переходить до електрофіла, який із задоволенням забирає його собі. Тепер цей електрон належить електрофілу. Електрофіл таким чином отримав електрон. До того він був позитивно заряджений, а тепер нейтрально. Повторюся, що конкретні приклади ми розглянемо у наступних відеоуроках. Повернемося до заміщення. Цей зв'язок ми тепер спостерігаємо ось тут. Цей атом вуглецю тут втратив електрон. І оскільки він втратив електрон, то на ньому з'явиться позитивний заряд. Насправді зробити таке з резонансно-стабілізованою молекулою непросто. Тому, як я вже неодноразово говорив, брати участь у реакції має справді сильний електрофіл. Варто відзначити, що карбокатион, що вийшов, відносно стабільний. І, незважаючи на те, що це лише вторинний карбокатіон, він виявляється стабільним завдяки резонансу. Цей електрон може перейти до карбокатіону. Якщо це станеться, ми отримаємо ось що. Давайте перемалюємо кільце. Намалюємо резонансні структури якнайшвидше. Тут у нас водень. Тут є електрофіл. Взагалі-то це більше не електрофіл, просто позначаємо цей заступник буквою «E». Тут водень. Тут подвійний зв'язок. Давайте намалюємо її трохи акуратніше. Тут у нас водень. Тут водень, тут водень і тут. І я сказав, що ця структура стабілізована. Електрон звідси може стрибнути сюди. Якщо цей електрон перейде сюди, то подвійний зв'язок тепер опиниться тут. Ще раз. Електрон перейде сюди і подвійний зв'язок тепер. Цей атом вуглецю віддав свій електрон, і тепер він позитивно заряджений. Ось чому така структура виявляється резонансно-стабілізованою. Електрон може повернути нас до попередньої структури, а може сам перескочити сюди. Давайте знову перемалюю все це. Намалюємо відразу всі атоми водню. Ось тут у нас заступник та атом водню. Ще водень тут, ще тут, тут і тут. Зазвичай стільки уваги водням не приділяють, але оскільки один із цих атомів буде відщеплюватися в процесі механізму, в даному випадку я віддаю перевагу їх позначити, щоб не забути, що атоми водню тут є. Повернімося до резонансної стабілізації. Якщо це електрон перейде сюди, тоді цей подвійний зв'язок опиниться тут. Цей атом вуглецю втратив електрон і тепер має позитивний заряд. Ось цей подвійний зв'язок, який був тут зверху, малюємо там, де він і був. Ми можемо переходити від однієї структури до іншої. Електрони постійно переміщаються кільцем. Безумовно, ми говоримо не про таку сильну стабілізацію, якби ця молекула була повністю ароматичною. Електрони переміщалися по π-орбітал знову і знову, тим самим стабілізуючи структуру. Але цей карбакатіон однаково відносно стабільний завдяки «циркуляції» електронів по кільцю. Ми також можемо вважати, що цей позитивний заряд «розмазується» між цим вуглецем, цим вуглецем і цим вуглецем. Тим не менш, стабільності цієї сполуки не вистачає. Молекула знову хоче стати ароматичною, повернути собі стабільний стан. І щоб повернутися у стабільний стан, карбокатиону потрібно якимось чином отримати електрон. Спосіб, за допомогою якого карбокатіон може отримати електрон, полягає в тому, щоб основа з навколишнього середовища відщепила цей протон, протон атома вуглецю, який також пов'язаний з електрофілом. Отже, ця підстава відщеплює протон. Ми говоримо тільки про ядро водню, тому що електрон водню залишається тут. Давайте намалюємо це іншим кольором. Точніше, це електрон, який був у водню, тепер він переходить до атома вуглецю сюди. Таке перетин ліній виглядає трохи заплутано. Електрон може перейти до цього вуглецю. Що ми тоді отримаємо? А отримаємо ми ось що. Отже, якщо це станеться… Давайте намалюємо жовтим наше шестичленне кільце. Тепер намалюємо усі водні. Який колір вибрати? Давайте намалюємо їх таким зеленим. Отже, малюємо всі атоми водню. Тепер давайте не поспішатимемо. Ось цей водень, точніше лише його ядро, відщепив основу. Таким чином, атом водню перейшов до основи. Ось цей електрон було передано атому водню. Отже, один електрон перейшов до цього водню, а другий електрон, як і раніше, належить основі. Ми отримали сполучену основу кислоту, тобто основу, яка отримала протон. А цей атом вуглецю тепер з'єднаний лише із заступником, який був раніше нашим електрофілом. Давайте для простоти намалюємо це одним кольором. Те, що раніше було електрофілом, знаходиться ось тут, а цей зв'язок відповідає цьому зв'язку. Залишилося небагато. Дотримуватимемося одних і тих же кольорів. Цей подвійний зв'язок відповідає цьому подвійному зв'язку. У нас є цей подвійний зв'язок. Цей подвійний зв'язок, який ми тепер малюємо тут. І потім цей електрон повернеться до верхнього атома вуглецю. Давайте розставимо все по поличках. Цей зв'язок та цей електрон повертаються до цього верхнього вуглецю. Давайте намалюємо зв'язок та електрон, які повернулися на свої місця. Цей верхній вуглець перестає бути позитивно зарядженим. І ми знову отримуємо резонансно-стабілізовану структуру. Я забув згадати про заряди. Могло статися так, що ця основа була негативно заряджена. Хоча зовсім необов'язково. Але, якщо у цієї основи був негативний заряд, то після того, як воно віддасть свій електрон водню, негативний заряд зникне. У цьому є своя логіка, тому що спочатку ми були як позитивні, так і негативні заряди, а після того, як все прореагувало заряди зникли. Сумарний заряд дорівнює нулю. Повернемося до питання електрофільного ароматичного заміщення. Ми замістили один із цих водень. Ми замістили цей водень тут за допомогою електрофіла. Те, що раніше було електрофілом, після того, як отримало електрон, тепер є просто заступником, приєднаним до бензольного кільця. І, пройшовши весь цей складний шлях, ми нарешті прийшли до нової ароматичної молекули з E-заступником. У наступному відеоуроці ми розглянемо конкретні приклади електрофілів та основ. Subtitles by the Amara.org community
Реакції ароматичного електрофільного заміщення
Для ароматичних систем фактично існує один механізм електрофільного заміщення. S E Ar. Механізм S E 1(за аналогією з механізмом S N 1) - зустрічається вкрай рідко, а S E 2(відповідний за аналогією S N 2) - не зустрічається зовсім.
Реакції S E Ar
Механізм реакції S E Arабо реакції ароматичного електрофільного заміщення(англ. Electrophilic aromatic substitution) є найпоширенішим та найбільш важливим серед реакцій заміщення ароматичних сполук та складається з двох стадій. На першому етапі відбувається приєднання електрофіла, на другому - відщеплення електрофуга:
| Швидкість реакції = k** |
Як атакуюча частка часто виступають відносно слабкі електрофіли, тому в більшості випадків реакція S E Arпротікає під впливом каталізатора - кислоти Льюїса. Найчастіше використовуються AlCl 3 , FeCl 3 , FeBr 3 , ZnCl 2 .
У цьому випадку механізм реакції виглядає наступним чином (на прикладі хлорування бензолу каталізатор FeCl 3) :
1.На першому етапі каталізатор взаємодіє з атакуючою часткою з утворенням активного електрофільного 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 другому етапі, власне, і реалізується механізм 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)^(-))))
| Швидкість реакції = k** |
X 2 + F e X 3 → X + + F e X 4 − (\displaystyle (\mathsf (X_(2)+FeX_(3)))\rightarrow (\mathsf (X^(+)+FeX_(4)) ^(-))))
У заміщених бензолах можлива так звана іпсо-Атака, тобто заміщення наявного заступника на інший:
Реакції аліфатичного електрофільного заміщення
Реакції S E 1
Механізм реакції S E 1або реакції мономолекулярного електрофільного заміщення (
Реакції електрофільного заміщення характерні для ароматичних, карбоциклічних та гетероциклічних систем. Через війну делокалізації p-електронів у молекулі бензолу (та інших ароматичних систем) p-електронна щільність розподілена рівномірно з обох боків циклу. Подібне екранування p-електронами атомів вуглецю циклу захищає їх від атаки нуклеофільними реагентами і навпаки полегшує можливість атаки електрофільними реагентами.
Але на відміну від реакцій алкенів з електрофільними реагентами, взаємодія ароматичних сполук з ними не призводить до утворення продуктів приєднання, оскільки в цьому випадку порушувалася ароматичність з'єднання і зменшувалася його стійкість. Збереження ароматичності можливе у випадку, якщо електрофільна частка замістить катіон водню.
Механізм реакцій електрофільного заміщення схожий механізм реакцій електрофільного приєднання, оскільки є загальні закономірності перебігу реакцій.
Загальна схема механізму реакцій електрофільного заміщення S Е:
На першому етапі реакції утворюється p-комплексз електрофільною частинкою (швидка стадія), який потім перетворюється на s-комплекс(повільна стадія) за рахунок освіти s-зв'язку одним із атомів вуглецю з електрофільною часткою. Для освіти s-зв'язку з електрофільною часткою зі сполучення «виривається» пара електронів, а продукт, що утворюється, набуває позитивного заряду. У s-комплексіароматичність порушена, тому що один з атомів вуглецю знаходиться в sp 3 -гібридизації, а на п'яти інших атомах вуглецю ділокалізовано чотири електрони та позитивний заряд.
Для регенерації термодинамічно вигідної ароматичної системи відбувається гетеролітичний розрив зв'язку C sp 3-Н. В результаті відщеплюється іон Н + , а пара електронів зв'язку йде на відновлення системи сполучення, при цьому у атома вуглецю, що відщепив протон, змінюється гібридизація атомних орбіталей sp 3 на sp 2 . Механізм реакцій нітрування, сульфування, галогенування, алкілування, ацилювання ароматичних сполук включає ще додаткову стадію, не вказану у загальній схемі - стадію генерування електрофільної частки.
Рівняння реакціїнітруваннябензолу має вигляд:
У реакціях нітрування генерування електрофільної частинки відбувається в результаті взаємодії азотної та сірчаної кислот, що призводить до утворення катіону нітронію NO 2 + , який далі реагує з ароматичною сполукою:
У молекулі бензолу всі атоми вуглецю рівноцінні, заміщення відбувається в одного з них. Якщо в молекулі присутні заступники, то реакційна здатність та напрямок електрофільної атаки визначається природою цього заступника. За впливом на реакційну здатність і напрям атаки всі заступники діляться на дві групи.
Орієнтанти I роду. Ці заступники полегшують електрофільне заміщення порівняно з бензолом і направляють вхідну групу в орто-і пара-положення. До них відносяться електронодонорні замісники, що збільшують електронну щільність у бензольному ядрі. В результаті її перерозподілу в положення 2,4,6 (орто-і пара-положення) виникають часткові негативні заряди, що полегшує приєднання електрофільної частки до цих положень з утворенням s-комплексу.
Орієнтанти ІІ роду. Ці заступники ускладнюють реакції електрофільного заміщення порівняно з бензолом і направляють вхідну групу в одне мета-положень. До них відносяться електроноакцепторні замісники, що зменшують електронну щільність у бензольному кільці. Внаслідок її перерозподілу в положеннях 3,5 (мета-положення) виникають часткові негативні заряди та приєднання електрофільної частинки з утворенням s-комплексуйде у жорстких умовах.
Атоми галогенів направляють електрофільну частинку в орто- або пара-положення (за рахунок позитивного мезомерного ефекту), але при цьому ускладнюють перебіг реакції, оскільки є електроноакцепторними замісниками (-I>+M). Реакції галогенпохідних бензолу з електрофільними реагентами йдуть у жорстких умовах.
у реакціях сульфуванняроль електрофільної частинки виконує молекула SO 3 утворюється в результаті реакції: 2H 2 SO 4 « SO 3 +H 3 O + + HSO 4 - . Атоми сірки у цій молекулі характеризуються сильним дефіцитом електронної щільності та наявністю часткового позитивного заряду і, отже, саме атом S має, як електрофіл, зв'язуватися з атомом вуглецю бензольного кільця толуолу.
Метильна група в толуолі є орієнтантом першого роду, і як електронодонорний заступник полегшує реакцію заміщення і направляє вхідну групу в орто-і пара-положення. На практиці утворюються продукти заміщення і в мета-положенні, але їх кількість істотно менша за кількість продуктів заміщення в орто-пара-положення.
Галогенуваннябензолу та багатьох ароматичних сполук дією самого галогену протікає тільки у присутності каталізаторів, таких як ZnCl 2 , AlCl 3, FeBr 3 і т.д. Каталізаторами зазвичай є кислоти Льюїса. Між атомом металу та атомом галогену утворюється зв'язок за донорно-акцепторним механізмом, що викликає поляризацію молекули галогену, посилюючи її електрофільний характер. Отриманий аддукт може піддаватися дисоціації з утворенням комплексного аніону та катіону галогену, що виступає далі як електрофільна частка:
Як галогенуючі засоби можуть застосовуватися також водні розчини НО-Hal у присутності сильних кислот. Утворення електрофільної частки у разі можна пояснити такими реакціями:
Механізм подальшої взаємодії катіонів Br+ або Cl+ нічим не відрізняється від механізму нітрування катіонами NO2+. Розглянемо механізм реакції з прикладу бромування аніліну (обмежимося освітою монозамещенных продуктів). Як відомо, анілін знецінює бромну воду, утворюючи в результаті 2,4,6-триброманілін, що виділяється у вигляді білого осаду:
Електрофільна частка, що утворилася, атакує p-електрони бензольного кільця, утворюючи p-комплекс. З p-комплексу, що виник, утворюються два основних s-комплексу, в яких зв'язок вуглець-бром виникає в орто-і пара-положеннях циклу. На наступному етапі відбувається відщеплення протона, що призводить до утворення монозаміщених похідних аніліну. У надлишку реагенту ці процеси повторюються, приводячи до утворення дибром-і трибромпохідних аніліну.
Алкілювання(заміщення атома водню на алкільний радикал) ароматичних сполук здійснюється за їх взаємодії з галогеналканами (Реакція Фріделя-Крафтса).Взаємодія первинних алкілгалогенідів, наприклад, СН 3 Cl, з ароматичними сполуками в присутності кислот Льюїса мало чим відрізняється за своїм механізмом від реакцій галогенування. Розглянемо механізм з прикладу метилювання нітробензолу. Нітрогрупа, як орієнтант другого роду, дезактивує бензольне кільце в реакціях електрофільного заміщення і направляє вхідну групу в одне з мета-положень.
У загальному вигляді рівняння реакції має вигляд:
Генерування електрофільної частинки відбувається в результаті взаємодії галогеналкану з кислотою Льюїса:
Метильний катіон, що утворюється, атакує p-електрони бензольного кільця, що призводить до утворення p-комплексу. p-комплекс, що утворився, далі повільно перетворюється на s-комплекс (карбкатіон), у якому зв'язок між метильним катіоном і атомом вуглецю циклу виникає головним чином у положеннях 3 або 5 (тобто в мета-положеннях, в яких через електронні ефекти нітрогрупи виникають часткові негативні заряди). Завершальною стадією є відщеплення протону від s-комплексу та відновлення сполученої системи.
Як алкілуючі агенти при алкілуванні бензолу замість алкілгалогенідів можуть використовуватися також алкени або спирти. Для утворення електрофільної частинки – карбкатіону – необхідна наявність кислоти. Механізм реакції в цьому випадку буде відрізнятися лише на стадії генерування електрофільної частинки. Розглянемо це на прикладі алкілування бензолу пропіленом та пропанолом-2:
Генерування електрофільної частинки:
У разі використання як реагент пропілену утворення карбкатіону відбувається в результаті приєднання протона (за правилом Марковникова). При використанні реагенту пропанолу-2 утворення карбкатіону відбувається в результаті відщеплення молекули води від протонованого спирту.
Ізопропільний катіон, що утворився, атакує p-електрони бензольного кільця, що призводить до виникнення p-комплексу, який далі перетворюється на s-комплекс із порушеною ароматичністю. Подальше відщеплення протона веде до регенерації ароматичної системи:
Реакції ацилювання(Заміщення катіону Н + на ацильную групу R-C + =O) відбуваються аналогічним чином. Розглянемо з прикладу реакції ацилювання метокисибензола, рівняння якої можна наступним чином:
Як і в попередніх випадках, електрофільна частка генерується в результаті взаємодії хлорангідриду оцтової кислоти з кислотою Льюїса:
Катіон ацилія, що утворюється, спочатку утворює p-комплекс, з якого виникають головним чином два s-комплексу, в яких формування s-зв'язки між циклом і електрофільною часткою відбувається переважно в орто-і пара-положеннях, так як у цих положеннях виникають часткові негативні заряди через електронний вплив метоксигрупи.
Ароматичні гетероцикли також вступають у реакції електрофільного заміщення. При цьому п'ятичленові гетероцикли - пірол, фуран і тіофен - легше вступають у реакції S E , оскільки є p-надмірними системами. Однак при проведенні реакцій із цими сполуками необхідно враховувати їхню ацидофобність. Нестабільність цих сполук у кислому середовищі пояснюється порушенням ароматичності внаслідок приєднання протону.
При проведенні реакцій електрофільна частка заміщує протон в a-положенні; якщо обидва a-положення зайняті, заміщення протікає по b-положению. В іншому механізм реакцій електрофільного заміщення аналогічний розглянутим вище випадкам. Як приклад наведемо бромування піролу:
Механізм реакції за участю ароматичних гетероциклів включає всі розглянуті вище стадії - генерування електрофільної частинки, утворення p-комплексу, перетворення його на s-комплекс (карбкатіон), відщеплення протона, що призводить до утворення ароматичного продукту.
При проведенні реакцій електрофільного заміщення за участю p-дефіцитних ароматичних систем, таких як піридин і піримідин, потрібно враховувати їх спочатку нижчу реакційну здатність (дефіцит p-електронної щільності ускладнює утворення p-комплексу та його перетворення на s-комплекс), яка ще сильніше знижується при проведенні реакцій у кислому середовищі. Хоча в кислому середовищі ароматичність цих сполук не порушується, протонування атома азоту призводить до посилення дефіциту p-електронної густини в циклі.
Пиридин здатний алкілуватися, сульфуватися, нітруватися, ацилюватися та галогенуватися. Однак у більшості випадків з електрофільною частинкою утворює зв'язок нуклеофільніший атом азоту, а не атоми вуглецю піридину.
У разі перебігу реакції в піридиновому циклі заміщення йде по одному з b-положень, в яких виникають негативні часткові заряди.
Для арен характерні три типи реакцій:
1) електрофільне заміщення S E Ar (руйнування зв'язку С-Н);
2) реакції приєднання (руйнування p-зв'язку);
3) реакції із руйнуванням бензольного кільця.
Електрофільне заміщення в аренах (S E Ar)
Реакції електрофільного заміщення протікають за загальною схемою через утворення π- та σ-комплексів
Як випливає з представленої схеми, ароматичне заміщення S E Ar протікає за механізмом приєднання відщеплення. За приєднанням електрофільного агента Х+до ароматичного субстрату з утворенням σ-комплексу слід відщеплення протона з утворенням продукту реакції.
Реакції електрофільного заміщення в аренах, як правило, йдуть за кінетичним рівнянням другого порядку ( v = k 2[X +]).
Розглянемо постадійне перебіг процесу.
Стадія 1Освіта π-комплексів
.
π–Комплекси –координаційні сполуки, в яких донором електронів є ароматична сполука, що має π–електрони, що легко поляризуються. π–комплекси – не класичні хімічні сполуки, в яких електрофільна частка зв'язується з ковалентним зв'язком з будь-яким ковалентним атомом реагуючої речовини. Більшість π-комплексів легко розкладається при нагріванні або вплив води.
Здатність до утворення π-комплексів у аренів зростає 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
Чим більшої π-електронної щільністю має з'єднання, тим з більшою легкістю воно утворює π-комплекси.
Стадія 2Освіта σ-комплексів
σ-Комплекси– це катіони, при утворенні яких реагент Х+утворює ковалентний зв'язок з одним з атомів вуглецю за рахунок 2-х π-електронів бензольного ядра, при цьому цей С-атом переходить з sp 2-стану в sp 3-гібридизацію, в якій всі чотири його валентності знаходяться під кутом ~1090. Симетрія бензольного ядра порушується. Група Хі атом водню опиняються у площині перпендикулярної площині бензольного ядра.
Стійкість σ–комплексів зростає із збільшенням основності бензольного ядра
Ця стадія є найповільнішою стадією всієї реакції і називається лімітує.
Стадія 3Відщеплення протону від σ – комплексу
В останній стадії відбувається відщеплення від σ-комплексу протона і відновлення 6π-електронної хмари (ароматичної структури). Цей процес протікає з виграшем енергії ~ 42 кДж/моль. У багатьох реакціях відриву протона на заключній стадії сприяє відповідна основа, що є в розчині.
За розглянутим механізмом в аренах протікають наступні реакції.
Однак запропоновану схему не слід розглядати як абсолютно доведену та універсальну. У різних процесах на хід реакції впливає:
Ø структура субстрату;
Ø хімічна активність реагенту;
Ø умови проведення процесу;
Ø характер, активність каталізатора та інші фактори, що може призводити до відхилення в окремих випадках від запропонованої схеми процесу.
Розглянемо деякі приклади електрофільного заміщення у бензолі.
Приклад 1. Бромування бензолу
Молекулярний бром є надто слабким електрофільним агентом і, за відсутності каталізатора, не реагує з бензолом.
Найчастіше реакцію бромування бензолу здійснюють у присутності броміду заліза (III), що грає роль кислоти Льюїса, останній отримують у реакційній масі безпосереднім взаємодією брому із залізом
Стадія 1Утворення електрофільного реагенту Е + .
Молекула брому активується за схемою кислотно-основної реакції із кислотою Льюїса.
Стадія 2Освіта π – комплексу 1.
Вільний іон бромонієвий або іон у складі іонної пари є активним електрофільним агентом, здатним реагувати з бензолом; при цьому спочатку утворюється π-комплекс 1
Роль електрофільного агента на цій стадії може виконати і донорно-акцепторний комплекс 
.
Стадія 3Перегрупування π-комплексу 1 і освіта σ-комплексу, або аренонієвого іона.
Це найбільш повільна стадія всієї реакції
Стадія 4Перегрупування σ-комплексу в π-комплекс 2 продукту заміщення. Протон відщеплюється від атома вуглецю, у якого відбувається заміщення; у циклі знову формується ароматичний секстет електронів – спостерігається реароматизація
Стадія 5Дисоціація π-комплексу 2 з утворенням продукту заміщення
Механізм електрофільного бромування бензолу ілюструється енергетичною діаграмою реакції, показаної на рис.11.
Мал. 11. Енергетична діаграма реакції
електрофільного бромування бензолу;
ПС – перехідний стан.
Стадії 2 і 5, що включають π–комплекси вихідного арена та продукту заміщення, у схемах механізму ароматичного електрофільного заміщення часто опускають. За такого підходу власне електрофільне ароматичне заміщення включає лише три стадії.
Стадія 1" – освіта електрофільного агента.
Стадія 2" – освіта σ-комплексу, минаючи π-комплекс 1.
Стадія 3" – розпад σ-комплексу з утворенням продукту заміщення, минаючи π-Комплекс 2.
Приклад 2. Нітрування аренів
Нітрування полягає у заміщенні атома водню бензольного кільця на нітрогрупу NO 2 . Бензол реагує з концентрованою азотною кислотою повільно навіть за нагріванні. Тому нітрування найчастіше проводять дією активного нітруючого агента - нітруючої суміші– суміші концентрованих азотної та сірчаної кислот. Нітрування аренів нітруючою сумішшю є основним способом отримання нітросполук ароматичного ряду
Нітрування бензолу нітруючою сумішшю проводять при 45–50 0 С. Оскільки реакція нітрування незворотня, азотну кислоту застосовують у мінімальному надлишку (5–10%), досягаючи практично повного перетворення бензолу.
Сірчана кислота у складі нітруючої суміші необхідна підвищення концентрації електрофільного агента – нітроній-іона NO 2 + .
Стадія 1Утворення електрофільного агента.
Діючим електрофільним агентом при нітруванні є іон нітронію, який потенційно є в цілому з'єднань.
Наприклад: HO _ NO 2 , O 2 N _ O _ NO 2 та ін.
Їхня схильність до утворення іона нітронію збільшується з підвищенням електронегативності заступника, пов'язаного з нітрогрупою.
Гідроксильна група як така відщеплюватися не може, тому іон нітронію з азотної кислоти утворюється тільки в кислому середовищі.
У найпростішому випадку азотна кислота може протонуватися сама («самопротонізація»)
Однак рівновага зміщена в ліву сторону, тому азотна кислота нітрує слабо.
При додаванні концентрованої сірчаної кислоти концентрація катіону сильно підвищується.
Нітруюча дія суміші азотної та сірчаної кислоти (нітруючої суміші) набагато сильніша, ніж однієї азотної кислоти. Подальше підвищення реакційної здатності можна досягти, застосовуючи димну азотну кислоту та олеум.
Стадія 2Освіта σ-комплексу
Стадія 3Викид протона з утворенням продукту заміщення
На практиці необхідно узгоджувати активність нітруючого засобу з реакційною здатністю ароматичного ядра.
Так, наприклад, феноли та прості ефіри фенолів нітруються вже розведеною азотною кислотою, нітрування ж бензальдегіду, бензойної кислоти, нітробензолу і т.д. вимагає суміші димної азотної кислоти із сірчаною.
м-Дінітробензол насилу нітрується навіть сумішшю димної азотної та сірчаної кислот (5 діб, 110 0 С; вихід 45%).
При нітруванні найчастіше побічною реакцією є окислення. Йому сприяє підвищення температури реакції. Процес окислення визначають виділення оксидів азоту. Альдегіди, алкіларил – кетони і меншою мірою алкілбензоли при нітруванні також схильні до окислення.
Приклад 3. Алкілювання аренів
Як алкілувальні засоби можуть бути використані R-HIg, ROH, R-CH=CH 2 у присутності відповідних каталізаторів (зокрема AICI 3 , AIBr 3 , H 2 SO 4).
Каталізатори генерують (утворюють) електрофільну частинку – карбкатіон
Реакції алкілування мають три серйозні обмеження:
1) реакцію важко зупинити на стадії моноалкілування, тобто. вона протікає далі, з утворенням поліалкілбензолів; для придушення поліалкілування зазвичай використовують надлишок арена;
2) якщо в арені тільки електроакцепторні замісники (наприклад -NO 2), то реакцію алкілування не вдається здійснити;
3) реакція алкілування супроводжується перегрупуванням алкільного радикала.
Перегрупування алкільного радикала на найбільш стійкий є характерною властивістю карбкатіонів.
Правила орієнтації
Реакції заміщення водню в бензолі йдуть за будь-якого атома вуглецю однаково, оскільки молекула бензолу симетрична. Однак якщо в бензолі вже є заступник, положення, що залишаються вільними для реакцій електрофільного заміщення, стають нерівноцінними.
Закономірності, що визначають напрями реакцій заміщення у бензольному ядрі, називаються правилами орієнтації.
-Активуюча група– заступник, який робить кільце бензолу більш реакційно здатним у реакціях електрофільного заміщення порівняно із незаміщеним бензолом.
-Деактивуюча група– заступник, який робить бензольне кільце менш реакційним у реакціях електрофільного заміщення порівняно з незаміщеним бензолом.
– о-, п-орієнтант- Заступник, що направляє атаку електрофіла переважно в про- або п-положення бензольного кільця.
- М-орієнтант- Заступник, що направляє атаку електрофіла переважно в м-положення бензольного кільця.
У загальному випадку електрофільне заміщення у монозаміщеному бензолі може протікати у трьох напрямках.
Реакційна здатність атомів вуглецю в цьому випадку визначається трьома факторами:
1) природою вже існуючого заступника;
2) природою чинного агента;
3) умов проведення реакції.
За своїм впливом на орієнтацію у цих реакціях усі заступники поділяються на дві групи: заступники першого роду (орто-, пара-орієнтанти) та заступники другого роду (мета-орієнтанти).
За хімічними властивостями арени відрізняються від граничних та ненасичених вуглеводнів. Це особливостями будови бензольного кільця. Делокалізація шести p-електронів у циклічній системі знижує енергію молекули, що зумовлює підвищену стійкість (ароматичність) бензолу та його гомологів. Тому арени не схильні вступати в реакції приєднання чи окислення, що ведуть до порушення ароматичності. Для них найбільш характерні реакції, що йдуть зі збереженням ароматичної системи, а саме реакції заміщення атомів водню, пов'язаних з циклом. Наявність областей підвищеної p-електронної щільності з двох сторін плоского ароматичного циклу веде до того, що бензольне кільце є нуклеофілом і у зв'язку з цим схильні атакувати електрофільним реагентом. Таким чином, для ароматичних сполук найбільш типовими є реакції електрофільного заміщення.
Розглянемо механізм електрофільного заміщення з прикладу нітрування бензолу.
Бензол реагує з нітруючою сумішшю (сумішою концентрованих азотної та сірчаної кислот):
нітробензол
Реакції заміщення в кільце протікають через утворення позитивно заряджених проміжних частинок.
p-комплекс 
s-комплекс
Часткою, що заміщається, є протон.
За таким механізмом протікають реакції алкілування, галогенування, сульфування, нітрування ароматичних сполук та інші, розрізняючись лише способом утворення активної частки реакції електрофіла Е +
а) сульфування:
HO–SO 3 H + H–SO 4 H à HSO 3 + + HSO 4 –
б) галогенування
Cl 2 + AlCl 3 à Cl + + AlCl 4 –
в) алкілування:
CH 3 -CH 2 -Cl + AlCl 3 à CH 3 -CH 2 + + AlCl 4 -
г) ацилювання
СН 3 СOCl + AlCl 3 à СН 3 С + =O + AlCl 4 –
У незаміщеному кільці бензолу всі 6 положень рівноцінні для входження групи, що заміщає. Складніша справа, якщо в реацію вступають гомологи або похідні бензолу. І тут знову входить група входить у певне місце у кільці. Це місце залежить від наявного (або наявних) в кільці заступника. Наприклад, якщо в кільці є електронодонорне угруповання типу: алкіл-, -ВІН, -ОСН 3 , -NH 2 , -NHR, NR 2 , -NH-COR, -Х (галоген)(заступники першого роду), то заміщаюча група вступає в орто- або пара-положення щодо наявної групи:
Якщо в кільці вже є електроноакцепторне угруповання типу: -NO 2 , -NO, -SO 3 H, -CX 3 , -COOH, -COH, -COR, -CN (заступники другого роду), то знову вступає група стає мета- становище до них:
Таблиця 2
Зведена таблиця заступників та їх електронних ефектів
| Заступник чи група атомів | Орієнтація | Ефекти |
| СН 3 > CH 3 -CH 2 > (CH 3) 2 CH | о-, п-орієнтація, (галогени-дезактивуючі) | + I, +M |
| (CH 3) 3 C | + I, M = 0 | |
| Атом, приєднаний до p–системи, має неподілену пару електронів: X– (галоген), –O – , –OH, –OR, –NH 2 , –NHR, –NR 2 , –SH, –SR, | - I, + M | |
| приєднаний до p–системи атом у свою чергу пов'язаний з більш електронегативним атомом: –N=O,–NO 2 , –SO 3 H, –COOH, –COH, –C(O)–R, –COOR, –CN, – CX 3 -C=N=S, | м-орієнтація, з дезактивуванням | - I, -M |
| sp 2 -гібридизований вуглець: -СН=СН-, -З 6 Н 5 (феніл) | про-, п-орієнтація | I=0+M |
| Атом, який не має р-орбіталей, але з повним позитивним зарядом –NH 3 + , –NR 3 + , | м-орієнтація, з дезактивуванням | -I, M = 0 |
Якщо в кільці є два заступники різного роду, що направляють заміщення неузгоджено, то місце вступу нової групи визначається за заступнику першого родунаприклад.
Електрофільне заміщення, безсумнівно, становить найважливішу групу реакцій ароматичних сполук. Навряд чи знайдеться якийсь інший клас реакцій, який так детально, глибоко та всебічно досліджено як з погляду механізму, так і з точки зору застосування в органічному синтезі. Саме в галузі електрофільного ароматичного заміщення вперше було поставлено проблему зв'язку між структурою та реакційною здатністю, яка є основним предметом вивчення у фізичній органічній хімії. Загалом цей тип реакцій ароматичних сполук може бути представлений наступним чином:
ArE + H +
1. Літературний огляд
1.1 Електрофільне заміщення в ароматичному ряду
Ці реакції характерні не тільки для самого бензолу, а й взагалі для бензельного кільця, де б воно не знаходилося, а також для інших ароматичних циклів – бензоїдних та небензоїдних. Реакції електрофільного заміщення охоплюють широке коло реакцій: нітрування, галогенування, сульфування та реакції Фріделя - Крафтса властиві багатьом ароматичним сполукам; реакції типу нітрозування та азопоєднання властиві лише системам з підвищеною активністю; такі реакції, як десульфирование, ізотопний обмін, і численні реакції циклізації, які з погляду здаються дуже різними, але які також виявляється доцільним зарахувати до реакцій тієї ж типу.
Електрофільні агенти Е + хоча наявність заряду не обов'язково, т.к. електрофіл може бути і незарядженою електронодефіцитною частинкою (наприклад, SO 3 Hg(OCOCH 3) 2 і т.п.). Умовно їх можна поділити на три групи: сильні, середньої сили та слабкі.
NO 2 + (Іон нітронію, нітроїл-катіон); комплекси Cl 2 або Br 2 з різними кислотами Льюїса (FeCl 3 AlBr 3 AlCl 3 SbCl 5 і т.д.); H 2 OCl + , H 2 OBr + , RSO 2 + , HSO 3 + , H 2 S 2 O 7 . Сильні електропили взаємодіють із сполуками ряду бензолу, що містять як електронодонорні, так і практично будь-які електроноакцепторні замісники.
Електрофіли середньої сили
Комплекси алкілгалогенідів або ацилгалогенідів з кислотами Льюїса (RCl . AlCl 3 , RBr . GaBr 3 , RCOCl . AlCl 3 та ін); комплекси спиртів із сильними кислотами Льюїса та Бренстеда (ROH . BF 3 , ROH . H 3 PO 4 , ROH . HF). Реагують з бензолом та його похідними, що містять електронодонорні (активуючі) заступники або атоми галогенів (слабкі дезактивуючі заступники), але зазвичай не реагують з похідними бензолу, що містять сильні дезактивуючі електроноакцепторні заступники (NO 2 , SO 3 H, COR, .
Слабкі електрофіли
Катіони діазонію ArN +є N, імінія CH 2 =N+ H 2 , нітрозонію NO + (нітрозоїл-катіон); оксид вуглецю (IY) СО 2 (один із найслабших електрофілів). слабкі електрофіли взаємодіють тільки з похідними бензолу, що містять дуже сильні електронодонорні замісники (+М)-типу (OH, OR, NH 2 , NR 2 , O- та ін).
1.1.2 Механізм електрофільного ароматичного заміщення
В даний час ароматичне електрофільне заміщення розглядається як двостадійна реакція приєднання-відщеплення з проміжним утворенням аренонієвого іона, званого σ-комплексом
I-Аренонієвий іон (
-комплекс), як правило, короткоживучий. Такий механізм отримав назву S E Ar, тобто. S Е (аренонієвий). У цьому випадку на першій стадії в результаті атаки електрофіла циклічна ароматична 6-електронна π-система бензолу зникає та замінюється в інтермедіаті I на нециклічну 4-електронну сполучену систему циклогексадієнільного катіону. На другій стадії знову відновлюється ароматична -система за рахунок відщеплення протона.
Найчастіше використовується перша формула. σ-комплекс буде набагато краще стабілізуватися донорними замісниками, що знаходяться в орто-і пара-положеннях, ніж донорними замісниками у мета-положенні.
π -Комплекси
Як відомо, арени є π-підставами і можуть утворювати донорно-акцепторні комплекси з багатьма електрофільними реагентами. утворення молекулярних комплексів складу 1:1 (Г. Браун, 1952).
Ці комплекси не забарвлені, їх розчини в ароматичних вуглеводнях неелектропровідні. При розчиненні газоподібного DCl в бензолі, толуолі, ксилолах, мезитилені, пентаметилбензоле не відбувається обмін H на D. Оскільки розчини комплексів не проводять електричний струм, вони є іонними частинками, тобто. це не аренонієві іони.
Такі донорно-акцепторні комплекси отримали назву π-комплексів. Наприклад, кристали комплексів бензолу з бромом або хлором складу 1:1 згідно з рентгеноструктурними даними складаються з ланцюжків молекул молекул π-донора складу (C 6 H 6) і акцептора (Cl 2 ,Br 2), в яких молекула галогену розташована перпендикулярно площині кільця вздовж осі, що проходить через центр симетрії.
σ-комплекси (аренонієві іони)
При введенні в розчин HCl і DCl в алкілбензол AlCl 3 або AlBr 3 розчин починає проводити електричний струм. Такі розчини забарвлені і їхнє забарвлення змінюється від жовтого до оранжево-червоного при переході від пара-ксилолу до пентаметилбензолу. У системах ArH-DCl-AlCl 3 або ArH-DF-BF 3 атоми водню ароматичного кільця вже обмінюються на дейтерій. Електропровідність розчинів безперечно вказує на утворення іонів у потрійній системі арен-галогенводень-галогенід алюмінію. Будова таких іонів була встановлена за допомогою ЯМР-спектроскопії на ядрах 1 Н і 13 С в системі ArH-HF (рідина) -BF 3 або ArH-HF-SbF 5 SO 2 ClF при низькій температурі.
1.1.3 Класифікація заступників
Монозаміщені бензоли С6Н5Х можуть бути більш менш реакційноздатними, ніж сам бензол. Якщо в реакцію ввести еквівалентну суміш З 6 Н 5 Х і З 6 Н 6 то заміщення відбуватиметься селективно: в першому випадку в реакцію вступатиме переважно З 6 Н 5 Х, а в другому випадку - переважно бензол.
В даний час заступники ділять на три групи з урахуванням їхнього активуючого або дезактивуючого впливу, а також орієнтації заміщення в бензольному кільці.
1. Активуючі орто-пара-орієнтуючі групи. До них відносяться: NH 2 , NHR, NR 2 , NHAc, OH, OR, OAc, Alk та ін.
2. Дезактивуючі орто-пара-орієнтуючі групи. Це галогени F, Cl, Br та I.
3. Дезактивуючі метаорієнтуючі групи. Цю групу складають NO 2 , NO, SO 3 H, SO 2 R, SOR, C(O)R, COOH, COOR, CN, NR 3+ ,CCl 3 та ін. Це орієнтанти ІІ-го роду.
Природно, що є й угруповання атомів проміжного характеру, що зумовлюють змішану орієнтацію. До них, наприклад, відносяться: 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 + ідр.
1.2 Електрофільне заміщення у π-надлишкових гетероциклах
Фуран, пірол і тіофен мають значну реакційну здатність по відношенню до звичайних електрофільних реагентів. У цьому сенсі вони нагадують найбільш реакційно-здатні похідні бензолу, такі як феноли та аніліни. Підвищена чутливість до електрофільного заміщення викликана несиметричним розподілом заряду у цих гетероциклах, внаслідок чого на вуглецевих атомах циклу є більший негативний заряд, ніж у бензолі. Фуран має дещо більшу реакційну здатність, ніж пірол, а найменш реакційноздатний тіофен.
1.2.1 Електрофільне заміщення піролу
У той час як пірол і його похідні не схильні до креакцій нуклеофільного приєднання і заміщення, вони дуже чутливі до електрофільних реагентів, і реакції піролів з такими реагентами протікають практично виключно як реакції заміщення. Незаміщений пірол, N- і С-моноалкілпіроли і найменшою мірою С,С-діалкілпохідні полімеризуються в сильнокислих середовищах, тому більшість електрофільних реагентів, що використовуються у разі похідних бензолу, не застосовні для піролу та його алкілпохідних.
Однак за наявності в пірольному циклі електроноакцепторних груп, що перешкоджають полімеризації, наприклад, таких, як складноефірна, стає можливим використання сильнокислих середовищ, нітруючих та сульфуючих агентів.
Протонування
У розчині спостерігається оборотне приєднання протона за всіма положеннями піррольного циклу. Найбільш швидко протонується атом азоту, приєднання протона за положенням 2 проходить вдвічі швидше, ніж за положенням 3. У газовій фазі при використанні кислот помірної сили, таких, як C 4 H 9 + і NH 4 + , пірол протонується виключно по атомах вуглецю , причому схильність до приєднання протона за положенням 2 вище, ніж за положенням 3. Найбільш термодинамічно стабільний катіон - 2Н-піролієвий іон - утворюється при приєднанні протона за положенням 2 і значення рКА для пірола пов'язано саме з цим катіоном. Слабка N-основність піролу обумовлена відсутністю можливості для мезомерної делокалізації позитивного заряду в 1H-піролієвому катіоні.
Лікування наркоманії Красноярськ