Reakcije elektrofilne supstitucije u aromatskim ugljikovodicima. Mehanizmi kemijskih reakcija

U 1950-70-im godinama, u dvije istraživačke grupe - K. Ingold (University College, University of London) i O.A. Reutov (Kemijski fakultet, Moskovsko državno sveučilište M.V. Lomonosov) proveo je intenzivna istraživanja mehanizma elektrofilne supstitucije na zasićenom ugljikovom atomu. Kao glavni objekti odabrani su organoživini spojevi u kojima se veza ugljik-živa dosta lako cijepa djelovanjem elektrofila (kiseline, halogeni, metalne soli itd.).

U tom su razdoblju u tom smjeru obavljeni i drugi izuzetno važni radovi, posebice proučavanje mehanizama reakcija adicije i eliminacije, aromatske nukleofilne supstitucije, koje su važne za modeliranje bioloških sustava, mehanizama katalize nukleofilnih reakcija karbonila. spojevi, mehanizmi anorganskih reakcija, reakcije organskih spojeva prijelaznih metala itd.

$Se$-Reakcije organometalnih spojeva

$Se$-reakcije uključuju $\sigma$-vezane organske spojeve različitih metala - od alkalijskih i zemnoalkalijskih metala do teških intranzicijskih metala, kao i prijelaznih metala, lantanida i aktinoida. U ovom slučaju mehanizam i brzina reakcije jako ovise o prirodi metala. Na primjer, s elektrofilom kao što je voda, cinkovi dialkili $R_2Zn$ reagiraju eksplozivno, $R_2Cd$ - sporo, a $R_2Hg$ praktički ne reagiraju, iako se živini dialkili razgrađuju djelovanjem otopina $HCl$.

Sa stajališta sintetskog značaja najvažniji su organolitijevi i organomagnezijevi spojevi, pa je potrebno poznavati reakcijske mehanizme upravo ovih spojeva. Međutim, relevantna istraživanja uvelike su komplicirana izuzetno visokom reaktivnošću spojeva litija i magnezija (oni se obično koriste in situ, a mogu se skladištiti i rukovati samo u anaerobnim uvjetima). Osim toga, organolitijevi spojevi u otopinama su snažno povezani, a organomagnezijevi spojevi su u Schlenkovom ekvilibriju. Stoga su organolitijevi i organomagnezijevi spojevi prepoznati kao ne baš prikladni supstrati za proučavanje kvantitativnih obrazaca elektrofilne supstitucije. I premda se mehanizmi reakcija koji uključuju $RLi$ ili $RMgX$ prirodno proučavaju, najvažniju ulogu u rasvjetljavanju mehanizma $Se$ reakcija odigrali su živa i, u manjoj mjeri, organokositreni spojevi, koji su prilično stabilni u zraku i reagiraju s elektrofilima velikim brzinama, koje se mogu mjeriti konvencionalnim metodama.

Značajke mehanizama reakcija elektrofilne supstitucije

Teoretsko razmatranje stereokemije reakcija elektrofilne supstitucije pomoću mehanizma $Se2$ dovodi do zaključka da, za razliku od reakcija $Sn2$, koje su prema orbitalnoj simetriji dopuštene kada nukleofil napada sa stražnje strane, a zabranjene su tijekom frontalnog napada, $Se2$ reakcije nisu zabranjene niti tijekom frontalnog napada, niti tijekom stražnjeg napada od strane elektrofila. Međutim, teoretski, frontalni napad je malo poželjniji, budući da elektrofil napada najviši zaposjednuti MO (HOMO) $C-Z$ veze, a elektronska gustoća ove orbitale koncentrirana je uglavnom u internuklearnom području:

Slika 1.

Prednji napad odgovara trocentralnom (5), a stražnji napad odgovara linearnim (6) prijelaznim stanjima; u prvom slučaju stereokemijski rezultat bit će očuvanje konfiguracije ugljikovog centra, au drugom - inverzija konfiguracije:

Slika 2.

Velika većina reakcija elektrofilne supstitucije drugog reda odvija se uz zadržavanje konfiguracije. Stoga se vrlo lako javlja elektrofilna supstitucija drugog reda na atomima ugljika na čelu mosta premosnih spojeva. Lako se odvijaju i $Se$ reakcije neopentilnih supstrata $(CH_3)_3CCH_2Z$, koji u slučaju nukleofilne supstitucije reagiraju izuzetno sporo zbog prostornih prepreka stražnjem napadu.

Međutim, poznati su primjeri preokreta konfiguracije, što ukazuje na stražnji napad elektrofila.

Vrste mehanizama elektrofilne supstitucije

Na temelju rezultata istraživanja $Se$-reakcija $\sigma$-organometalnih spojeva formuliran je koncept nukleofilne pomoći elektrofilnoj supstituciji. Njegova bit leži u činjenici da na brzinu i mehanizam $Se$ reakcija u otopinama značajno utječe prisutnost određenih proizvođača nukleofilnih čestica. Takve nukleofilne čestice mogu biti "unutarnji" nukleofili $Nu^-$, koji su dio elektrofilnih agenasa $E-Nu$ (na primjer, $C1^-$ u $HgCl_2$ ($E = HgCl^+$), $Br^ -$ u ​​$Br_2$ ($E = Br^+$), dva $I^-$ aniona u $I^(3-)$ ($E = I^+$), itd.), i obične nukleofilne čestice.

Stoga bi dodavanje nukleofila koji se mogu koordinirati s metalnim atomima također trebalo povećati brzinu $SE1$ reakcija. Monomolekularne potpomognute reakcije označavaju se simbolom $Se(N)$, a bimolekularne reakcije s unutarnjom pomoći simbolom $Sei$. Mehanizam $Sei$ karakterizira prijelazno stanje s četiri središta 7, u kojem se stvaranje $C-E$ i $M-Nu$ veza i cijepanje $E-Nu$ i $C-M$ veza odvija više ili manje sinkrono . Mehanizmi $Se(N)$ i $SEi$ prikazani su na donjem dijagramu:

Nukleofili također mogu katalizirati $Se2$ reakcije, koordinirajući isključivo s metalima, na primjer:

Slika 5.

Reakcije elektrofilne supstitucije karakteristične su za aromatske, karbocikličke i heterocikličke sustave. Kao rezultat delokalizacije p-elektrona u molekuli benzena (i drugim aromatskim sustavima), gustoća p-elektrona je ravnomjerno raspoređena na obje strane prstena. Takva zaštita ugljikovih atoma prstena p-elektronima štiti ih od napada nukleofilnih reagensa i, obrnuto, olakšava mogućnost napada elektrofilnim reagensima.

Ali za razliku od reakcija alkena s elektrofilnim reagensima, interakcija aromatskih spojeva s njima ne dovodi do stvaranja adicijskih produkata, jer bi u tom slučaju aromatičnost spoja bila poremećena i njegova bi se stabilnost smanjila. Zadržavanje aromatičnosti moguće je ako elektrofilna vrsta zamijeni vodikov kation.

Mehanizam reakcija elektrofilne supstitucije sličan je mehanizmu reakcija elektrofilne adicije, budući da postoje opći obrasci reakcija.

Opća shema mehanizma reakcija elektrofilne supstitucije S E:

U prvoj fazi reakcije, p-kompleks s elektrofilnom česticom (brzi stupanj), koja se zatim pretvara u s-kompleks(spori stadij) zbog nastajanja s- spajanje jednog od ugljikovih atoma s elektrofilnom česticom. Za obrazovanje s- spajanjem s elektrofilnom česticom, par elektrona "izbija" iz konjugacije, a dobiveni produkt dobiva pozitivan naboj. U s-kompleks aromatičnost je poremećena jer je jedan od ugljikovih atoma u sp 3 hibridizaciji, a četiri elektrona i pozitivan naboj delokalizirani su na ostalih pet ugljikovih atoma.

Za regeneraciju termodinamički povoljnog aromatskog sustava dolazi do heterolitičkog cijepanja C sp 3 -H veze. Kao rezultat toga, H + ion se odvaja, a par veznih elektrona odlazi na obnavljanje sustava konjugacije, dok se hibridizacija atomskih orbitala ugljikovog atoma koji je uklonio proton mijenja iz sp 3 u sp 2 . Mehanizam reakcija nitracije, sulfonacije, halogenacije, alkilacije, acilacije aromatskih spojeva uključuje dodatnu fazu koja nije navedena u općoj shemi - fazu stvaranja elektrofilne čestice.

Jednadžba reakcijenitriranjebenzen ima oblik:

U reakcijama nitriranja dolazi do stvaranja elektrofilne čestice kao rezultat interakcije dušične i sumporne kiseline, što dovodi do stvaranja nitronijevog kationa NO 2 +, koji dalje reagira s aromatskim spojem:

U molekuli benzena, svi atomi ugljika su ekvivalentni; supstitucija se događa na jednom od njih. Ako molekula sadrži supstituente, tada su reaktivnost i smjer elektrofilnog napada određeni prirodom ovog supstituenta. Svi supstituenti se prema utjecaju na reaktivnost i smjeru napada dijele u dvije skupine.

Orijentanti prve vrste. Ovi supstituenti olakšavaju elektrofilnu supstituciju u usporedbi s benzenom i usmjeravaju ulaznu skupinu na orto i para položaj. To uključuje supstituente koji doniraju elektron i povećavaju gustoću elektrona u benzenskom prstenu. Kao rezultat njegove preraspodjele na položaje 2,4,6 (orto- i para-pozicije), nastaju djelomični negativni naboji, što olakšava dodavanje elektrofilne čestice na te položaje s nastankom s-kompleks.

Orijentanti druge vrste. Ovi supstituenti otežavaju reakcije elektrofilne supstitucije u usporedbi s benzenom i usmjeravaju nadolazeću skupinu na jednu od meta pozicija. To uključuje supstituente koji privlače elektrone koji smanjuju gustoću elektrona u benzenskom prstenu. Kao rezultat njegove preraspodjele u položajima 3,5 (meta-pozicije), nastaju djelomični negativni naboji i dodavanje elektrofilne čestice sa stvaranjem s-kompleks ide u teškim uvjetima.

Atomi halogena usmjeravaju elektrofilnu česticu u orto- ili para-položaj (zbog pozitivnog mezomernog učinka), ali istovremeno kompliciraju reakciju, jer su supstituenti koji privlače elektrone (-I>+M). Reakcije benzen halogenih derivata s elektrofilnim reagensima odvijaju se u teškim uvjetima.

U reakcijama sulfoniranje ulogu elektrofilne čestice ima molekula SO 3 nastala kao rezultat reakcije: 2H 2 SO 4 «SO 3 +H 3 O + + HSO 4 - . Atome sumpora u ovoj molekuli karakterizira jak nedostatak gustoće elektrona i prisutnost djelomičnog pozitivnog naboja i, prema tome, atom S je taj koji se, kao elektrofil, mora vezati na atom ugljika benzenskog prstena toluena. .

Metilna skupina u toluenu je orijentacijsko sredstvo prve vrste, a kao supstituent koji donira elektron olakšava reakciju supstitucije i usmjerava nadolazeću skupinu na orto i para položaj. U praksi supstitucijski produkti nastaju iu meta poziciji, ali je njihova količina znatno manja od količine supstitucijskih produkata u orto-para poziciji.

Halogeniranje benzena i mnogih aromatskih spojeva, djelovanje samog halogena događa se samo u prisutnosti katalizatora kao što su ZnCl 2, AlCl 3, FeBr 3 itd. Katalizatori su obično Lewisove kiseline. Veza se stvara između atoma metala i atoma halogena putem donor-akceptorskog mehanizma, što uzrokuje polarizaciju molekule halogena, pojačavajući njen elektrofilni karakter. Rezultirajući adukt može proći disocijaciju kako bi se formirao složeni anion i halogeni kation, koji tada djeluje kao elektrofilna čestica:

Vodene otopine HO-Hal u prisutnosti jakih kiselina također se mogu koristiti kao sredstva za halogeniranje. Stvaranje elektrofilne čestice u ovom slučaju može se objasniti sljedećim reakcijama:

Mehanizam daljnje interakcije Br + ili Cl + kationa ne razlikuje se od mehanizma nitriranja s NO 2 + kationima. Razmotrimo mehanizam reakcije na primjeru bromiranja anilina (ograničit ćemo se na stvaranje monosupstituiranih proizvoda). Kao što je poznato, anilin dekontaminira bromnu vodu, na kraju stvarajući 2,4,6-tribromoanilin, koji se oslobađa u obliku bijelog taloga:

Nastala elektrofilna vrsta napada p-elektrone benzenskog prstena, tvoreći p-kompleks. Iz dobivenog p-kompleksa nastaju dva glavna s-kompleksi u kojima se veza ugljik-brom javlja u orto- i para-položaju prstena. U sljedećoj fazi dolazi do apstrakcije protona, što dovodi do stvaranja monosupstituiranih derivata anilina. U suvišku reagensa ti se procesi ponavljaju, što dovodi do stvaranja dibromo i tribromo derivata anilina.

Alkiliranje(zamjena vodikovog atoma alkilnim radikalom) aromatskih spojeva događa se u njihovoj interakciji s haloalkanima (Friedel-Craftsova reakcija). Interakcija primarnih alkilnih halogenida, na primjer CH3Cl, s aromatskim spojevima u prisutnosti Lewisovih kiselina nije mnogo drugačija u svom mehanizmu od reakcija halogeniranja. Razmotrimo mehanizam na primjeru metilacije nitrobenzena. Nitro skupina, kao orijentacijski agens drugog reda, deaktivira benzenski prsten u reakcijama elektrofilne supstitucije i usmjerava nadolazeću skupinu na jedan od meta položaja.

Općenito, jednadžba reakcije ima oblik:

Stvaranje elektrofilnih vrsta događa se kao rezultat reakcije haloalkana s Lewisovom kiselinom:

Nastali metil kation napada p-elektrone benzenskog prstena, što dovodi do stvaranja p-kompleksa. Rezultirajući p-kompleks zatim polako prelazi u s-kompleks (karbokation) u kojem se veza između metil kationa i ugljikovog atoma prstena javlja primarno u položajima 3 ili 5 (tj. u meta položajima u kojima nastaju djelomični negativni naboji zbog elektroničkih učinaka nitro skupine) . Konačna faza je apstrakcija protona iz s-kompleks i obnova pripadajućeg sustava.

Alkeni ili alkoholi također se mogu koristiti kao alkilirajuća sredstva u alkilaciji benzena umjesto alkil halogenida. Za nastanak elektrofilne čestice - karbokationa - neophodna je prisutnost kiseline. Mehanizam reakcije u ovom slučaju će se razlikovati samo u fazi generiranja elektrofilne čestice. Razmotrimo ovo na primjeru alkilacije benzena s propilenom i propanolom-2:

Generacija elektrofilne čestice:

Kada se kao reagens koristi propilen, nastaje karbokation kao rezultat dodavanja protona (prema Markovnikovljevom pravilu). Kada se kao reagens koristi propanol-2, dolazi do stvaranja karbokationa kao rezultat eliminacije molekule vode iz protoniranog alkohola.

Nastali izopropil kation napada p-elektrone benzenskog prstena, što dovodi do stvaranja p-kompleksa, koji se dalje pretvara u s- kompleks s narušenom aromatičnošću. Naknadno uklanjanje protona dovodi do regeneracije aromatskog sustava:

Reakcije aciliranje(zamjena kationa H + s acilnom skupinom R-C + =O) događa se na sličan način. Razmotrimo primjer reakcije aciliranja metoksibenzena, čija se jednadžba može prikazati na sljedeći način:

Kao i u prethodnim slučajevima, elektrofilna vrsta nastaje reakcijom klorida octene kiseline s Lewisovom kiselinom:

Rezultirajući acilijski kation najprije tvori p-kompleks, iz kojeg nastaju uglavnom dva s-kompleks u kojem nastajanje s- Veza između prstena i elektrofilne čestice javlja se pretežno u orto- i para-položajima, budući da u tim položajima nastaju djelomični negativni naboji zbog elektroničkog utjecaja metoksi skupine.

Aromatski heterocikli također prolaze kroz reakcije elektrofilne supstitucije. U ovom slučaju peteročlani heterocikli - pirol, furan i tiofen - lakše ulaze u S E reakcije, jer su p-suvišni sustavi. Međutim, pri provođenju reakcija s ovim spojevima potrebno je voditi računa o njihovoj acidofobnosti. Nestabilnost ovih spojeva u kiseloj sredini objašnjava se gubitkom aromatičnosti kao rezultat dodatka protona.

Tijekom reakcija elektrofilna čestica zamjenjuje proton u a-položaju; ako su obje a-pozicije zauzete, tada se supstitucija događa na b-poziciji. Inače, mehanizam reakcija elektrofilne supstitucije sličan je gore navedenim slučajevima. Uzmimo bromiranje pirola kao primjer:

Mehanizam reakcije koji uključuje aromatske heterocikle uključuje sve gore razmotrene faze - stvaranje elektrofilne čestice, formiranje p-kompleksa, njegovu transformaciju u s- kompleks (karbokation), apstrakcija protona koja dovodi do stvaranja aromatskog produkta.

Prilikom izvođenja reakcija elektrofilne supstitucije koje uključuju aromatske sustave s nedostatkom p, kao što su piridin i pirimidin, mora se uzeti u obzir njihova inicijalno niža reaktivnost (manjak gustoće p-elektrona otežava stvaranje p-kompleksa i njegovu pretvorbu u s- kompleks), koji se još više smanjuje kada se reakcije provode u kiseloj sredini. Iako aromatičnost ovih spojeva nije narušena u kiselom okruženju, protonacija dušikovog atoma dovodi do povećanog nedostatka gustoće p-elektrona u ciklusu.

Piridin je sposoban za alkilaciju, sulfonaciju, nitraciju, acilaciju i halogenaciju. Međutim, u većini slučajeva, nukleofilniji atom dušika stvara vezu s elektrofilnom česticom, a ne piridinski atomi ugljika.

Ako se reakcija odvija u piridinskom prstenu, supstitucija se događa na jednom od b-položaja, u kojem nastaju djelomični negativni naboji.

Za reakcije elektrofilne supstitucije S E Najtipičnije su one izlazeće skupine koje mogu postojati u stanju s nepopunjenom valentnom ljuskom.

Takva skupina može biti proton, ali njegova pokretljivost ovisi o kiselosti. U zasićenim alkanima vodik je neaktivan. Do supstitucije vodika lakše dolazi u onim položajima gdje je dovoljno kiseo, na primjer, -položaj karbonilne skupine ili proton na acetilenskoj vezi. Važna vrsta reakcije S E je anionsko cijepanje, koje uključuje cijepanje veze ugljik-ugljik, pri čemu je izlazna skupina ugljik. Osobito sklona reakcijama S E organometalni spojevi.

Mehanizmi alifatske elektrofilne supstitucije

Alifatski mehanizam S E Za razliku od S N nedovoljno proučen. Postoje četiri vrste mehanizama S E : S E 1, S E 2 (sa stražnje strane), S E 2 (sprijeda), S ja. Bimolekularni mehanizam S E sličan S N 2 u smislu da nova veza nastaje istodobno s kidanjem stare. Međutim, postoji značajna razlika.

U S N 2, nukleofil se približava sa svojim elektronskim parom i, budući da se elektronski parovi međusobno odbijaju, može se približiti izlaznom elektronskom paru samo sa stražnje strane. U elektrofilnoj supstituciji prazna orbitala može pristupiti ili straga, privlačeći elektronski par, ili sprijeda. Stoga se teoretski razmatraju dva moguća mehanizma.

S E 2 (sprijeda)

S E 2 (sa stražnje strane)

Postoji i treći bimolekularni mehanizam S E, kada dio molekule elektrofila potiče odvajanje odlazeće skupine stvaranjem veze s njom. Ovaj mehanizam se naziva S ja .

Dokaz: Mehanizmi S E 2 i S ja nije lako razlikovati. Svi oni odgovaraju kinetici drugog reda. S ja I S E 2 (sprijeda) nastavite zadržavajući konfiguraciju. S E 2 (sa stražnje strane) nastavlja s obrnutom konfiguracijom. Potvrda mehanizma S E 2 (sprijeda) je da se elektrofilna supstitucija može dogoditi na ugljikovim atomima na vrhu mosta.

Monomolekularni mehanizam elektrofilne supstitucije S E 1 je sličan S N 1 i uključuje dva stupnja, sporu ionizaciju i brzu rekombinaciju.

Dokaz mehanizma S E 1. Jedan od dokaza je kinetika prvog reda podloge. Stereokemijski dokazi u reakciji su važni:

Izmjena protona za deuterij odvija se istom brzinom kao i racemizacija, a opaža se i kinetički izotopni učinak. Reakcija S N 1 se ne pojavljuje na glavi mosta, ali S E 1 ide jednostavno, iz čega proizlazi da karbanion ne mora biti ravan, može imati piramidalnu strukturu.

Kada se provodi elektrofilna supstitucija s alilnim supstratom, može se dobiti proizvod preraspodjele:

Ova vrsta procesa je slična S N i može ići na dva načina.

Prvi se događa stvaranjem alilnog karbanionskog intermedijera:

Drugi put uključuje elektrofilnu adiciju na dvostrukoj vezi s intermedijarnim stvaranjem karbokationa i naknadnom eliminacijom elektrofuga:

Najvažnije reakcije alifatske elektrofilne supstitucije

Reakcije CH kiselina

Ako je u reakcijama elektrofilne supstitucije izlazna skupina vodik, koji se eliminira u obliku protona, tada se takvi supstrati nazivaju CH-kiseline. Najvažnije reakcije ovog tipa slijede mehanizam S E 1 :

Izmjena izotopa vodika

;

Migracija dvostrukih i trostrukih veza

- Kombinacija s diazonijevim solima

U superkiselom okruženju, supstitucija vodika može se odvijati prema mehanizmu S E 2 , stvaranjem karbonijevih iona:

Reakcije organometalnih spojeva

Glavne reakcije organometalnih spojeva su protodemetalacija, halidedemetalacija i transmetalacija

Protodemetalizacija je reakcija zamjene metala u organometalnom spoju vodikom pod djelovanjem kiselina

Demetalacija halogenida nazivaju se reakcije supstitucije metala halogenom pod utjecajem halogena ili interhalogena:

Remetalizacija zove se reakcija izmjene jednog metala za drugi. I anorganska metalna sol i organometalni spoj mogu djelovati kao regent:

Reakcije koje uključuju heterolitičko cijepanje ugljik-ugljik veze

Reakcije koje se događaju s cijepanjem veze ugljik-ugljik, koje se nazivaju anionsko cijepanje, često prolaze kroz mehanizam S E 1 sa srednjim stvaranjem karbaniona:

Reakcije cijepanja aniona konvencionalno se dijele u dvije skupine. Prva skupina uključuje procese u kojima karbonilni spojevi djeluju kao izlazna skupina. Supstrat za ovu reakciju su spojevi koji sadrže hidroksil. Najvažnije reakcije ove skupine su: retroaldolna reakcija, cijepanje cijanohidrina, cijepanje tercijarnih alkoholata. Druga skupina reakcija anionskog cijepanja naziva se acilno cijepanje, budući da se elektrofug cijepa u obliku karboksilne kiseline ili njezinog derivata. Supstrati u ovoj skupini su karbonilni spojevi, a proces počinje nukleofilnom adicijom baze na karbonilnu skupinu:

Najvažnije reakcije ovog tipa su: cijepanje β-ketoestera i β-diketona (cijepanje kiseline pod utjecajem baza), haloformna reakcija, reakcije dekarboksilacije soli karboksilnih kiselina.

Najkarakterističniji za aromatske ugljikovodike reakcije zamjena. U ovom slučaju, reakcije ne rezultiraju uništenjem aromatskog seksteta elektrona. Brojni su i primjeri reakcija radikalno halogeniranje I oksidacija bočni lanci alkilbenzena. Procesi u kojima se uništava stabilan aromatski sustav nisu baš česti.

IV.1 Elektrofilna aromatska supstitucija (seAr)

A. MehanizamS E Ar (supstitucijski elektrofilni u arenima)

Elektrofilna supstitucija u aromatskom prstenu jedna je od najbolje proučenih i najraširenijih organskih reakcija. Najčešće je krajnji rezultat elektrofilne supstitucije zamjena atoma vodika u aromatskom prstenu s drugim atomom ili skupinom atoma:

Reakcije elektrofilne supstitucije u aromatskom prstenu (kao i reakcije elektrofilne supstitucije pristupanje na C=C veze) počinju s nastankom -kompleks - elektrofilno sredstvo koordinira s molekulom benzena zahvaljujući elektronskom sustavu potonjeg:

U benzenskom prstenu sustav se, budući da je stabilan (energija stabilizacije; vidi odjeljak II), ne prekida tako lako kao u alkenima. Stoga se odgovarajući -kompleks ne može fiksirati samo fizikalno-kemijskim metodama, već također istaknuto.(bilješka 24)

U pravilu, faza formiranja β-kompleksa odvija se brzo i Ne granice ubrzati cijeli proces.

Zatim dolazi do poremećaja aromatskog sustava i javlja se kovalentna veza između elektrofila i ugljikovog atoma benzenskog prstena. U tom slučaju, -kompleks se pretvara u karbokation (karbenijev ion), u kojem se pozitivni naboj delokalizira u dienskom sustavu, a atom ugljika napadnut elektrofilom se prenosi iz sp 2 - V sp 3 - hibridno stanje. Ovaj kation se zove -kompleks . Obično, stupanj obrazovanja-kompleks je određivanje brzine. Delokalizacija pozitivnog naboja u -kompleksu ne provodi se ravnomjerno između pet ugljikovih atoma, već zbog 2,4,6-pozicija benzenskog prstena (usporedite s alilnim kationom, gdje je pozitivni naboj raspoređen između 1,3-pozicije):

Pri elektrofilnoj adiciji na alkene također prvo nastaje -kompleks, koji zatim prelazi u -kompleks, ali je daljnja sudbina -kompleksa u slučaju elektrofilnih reakcija alkena i arena drugačija. - Kompleks formiran od alkena je stabiliziran pomoću trans- dodavanje nukleofila; -kompleks nastao iz aromatskog sustava stabilizira se regeneracijom aromatskog seksteta -elektroni: (bilj. 25)

Ispod je energetski profil takve reakcije (bilješka 27) (E a ​​je energija aktivacije odgovarajućeg stupnja):

Još jednom naglasimo da reakcije S E Ar, koje rezultiraju zamjena, Zapravo mehanizam je reakcija dodavanja nakon koje slijedi eliminacija.

B. Orijentacija adicije u monosupstituiranim benzenima

Kada se razmatraju reakcije elektrofilne supstitucije u monosupstituiranim benzenima, javljaju se dva problema: 1. Novi supstituent može ući u orto-, meta- ili par-položaj, kao i zamijeniti postojeći supstituent (potonji, tzv ipso-supstitucija , rjeđe - vidi odjeljak IV.1.D (nitracija). 2. Stopa supstitucije može biti veća ili manja od brzine supstitucije u benzenu.

Utjecaj prisutnog supstituenta na benzenski prsten može se objasniti na temelju njegovih elektroničkih učinaka. Na temelju ovog kriterija supstituenti se mogu podijeliti u 3 glavne skupine:

1. Supstituenti koji ubrzavaju reakciju u usporedbi s nesupstituiranim benzenom ( aktiviranje ) i režijska zamjena u orto ,- par - odredbe.

2. Supstituenti koji usporavaju reakciju ( dekontaminirajući ) i režijska zamjena u orto, -para- položaji .

3. Supstituenti koji usporavaju reakciju ( dekontaminirajući ) i režijska zamjena u meta - odredbe.

Supstituenti navedeni u paragrafima. 1.2 ( orto-, para-orijentatori ) se zovu supstituenti prve vrste ; navedeno u stavku 3 ( meta-orijentatori ) - supstituenti druge vrste . Ispod je dodjela supstituenata koji se često pojavljuju prema njihovim elektroničkim učincima.

Očito je da će doći do elektrofilne supstitucije što je brži, to je supstituent u jezgri više donor elektrona, I što je sporiji, supstituent u jezgri više privlači elektrone.

Za objašnjenje orijentacija supstitucije, razmotrimo strukturu -kompleksa koji su napadnuti u orto-, meta- I par-položaj monosupstituiranog benzena (kao što je već navedeno, formiranje -kompleksa obično je stupanj koji određuje brzinu elektrofilne supstitucije; stoga bi lakoća njihove tvorbe trebala odrediti lakoću supstitucije na danom položaju):

Ako je skupina Z donor elektrona (nije bitno da li je induktivna ili mezomerna), onda kada orto- ili par-napada, može izravno sudjelovati u delokalizaciji pozitivnog naboja u -kompleksu (strukture III, IV, VI, VII). Ako je Z akceptor elektrona, tada će te strukture biti energetski nepovoljne (zbog prisutnosti djelomičnog pozitivnog naboja na atomu ugljika povezanog sa supstituentom koji privlači elektrone) i u ovom slučaju poželjan je meta-napad, u kojem je takav strukture ne nastaju.

Gornje objašnjenje temelji se na tzv dinamički učinak , tj. raspodjela gustoće elektrona u molekuli koja reagira. Orijentacija elektrofilne supstitucije u monosupstituiranim benzenima također se može objasniti sa stajališta statički elektronski efekti - raspodjela gustoće elektrona u molekuli koja ne reagira. Kada se razmatra pomak u gustoći elektrona duž višestrukih veza, može se primijetiti da u prisutnosti supstituenta koji donira elektrone, većina povećana elektronska gustoća u orto- I par- položaja, a u prisustvu supstituenta koji privlači elektrone, tih položaja ima najviše osiromašio elektroni:

Poseban slučaj predstavljaju halogeni - kao supstituenti na benzenskom prstenu deaktiviraju ga u reakcijama elektrofilne supstitucije, ali su orto-, par-orijentatori. Deaktivacija (smanjenje brzine reakcije s elektrofilima) nastaje zbog činjenice da, za razliku od drugih skupina s usamljenim elektronskim parovima (kao što su -OH, -NH 2 itd.), koje imaju pozitivnu mezomernu (+M) i negativnu induktivni učinak (-I), halogene karakterizira prevlast induktivnog učinka nad mezomernim učinkom (+M< -I).(прим.30)

Istovremeno su atomi halogena orto, par-orijentanti, budući da su sposobni, zbog pozitivnog mezomernog učinka, sudjelovati u delokalizaciji pozitivnog naboja u -kompleksu nastalom kada orto- ili par- napadaju (strukture IV, VII u gornjem dijagramu), a samim tim smanjuju energiju njenog nastanka.

Ako benzenski prsten nema jedan, već dva supstituenta, tada se njihovo orijentacijsko djelovanje može podudarati ( dosljedna orijentacija ) ili ne odgovaraju ( nedosljedna orijentacija ). U prvom slučaju možete računati na preferirano stvaranje nekih specifičnih izomera, au drugom će se dobiti složene smjese (bilješka 31).

Ispod su neki primjeri dosljedne orijentacije dvaju supstituenata; mjesto preferencijalnog ulaska trećeg supstituenta prikazano je strelicom.

Potražnja za benzenom određena je razvojem industrija koje ga troše. Glavne primjene benzena su proizvodnja etilbenzena, kumena i cikloheksana i anilina.

Elektrofilna supstitucija nedvojbeno čini najvažniju skupinu reakcija aromatskih spojeva. Teško da postoji bilo koja druga klasa reakcija koja je tako temeljito, duboko i sveobuhvatno proučena kako sa stajališta mehanizma tako i sa stajališta primjene u organskoj sintezi. U području elektrofilne aromatske supstitucije prvi put je postavljen problem odnosa strukture i reaktivnosti, koji je glavni predmet proučavanja fizikalne organske kemije. Općenito, ova vrsta reakcije aromatskih spojeva može se predstaviti na sljedeći način:

ArE+H+

1. Pregled literature

1.1 Elektrofilna supstitucija u aromatskom nizu

Ove reakcije nisu tipične samo za sam benzen, već i za benzenski prsten općenito, gdje god se nalazio, kao i za druge aromatske prstenove - benzenoidne i nebenzenoidne. Reakcije elektrofilne supstitucije pokrivaju širok raspon reakcija: nitriranje, halogeniranje, sulfoniranje i Friedel-Craftsove reakcije karakteristične su za gotovo sve aromatske spojeve; reakcije kao što su nitrozacija i azo sprezanje svojstvene su samo sustavima s povećanom aktivnošću; reakcije kao što su desulfurizacija, izmjena izotopa i brojne reakcije ciklizacije, koje se na prvi pogled čine sasvim različitim, ali koje se također pokazuju prikladnim svrstati u reakcije istog tipa.

Elektrofilna sredstva E + , iako prisutnost naboja nije nužna, jer Elektrofil može biti i nenabijena čestica s manjkom elektrona (npr. SO 3, Hg(OCOCH 3) 2 itd.). Konvencionalno se mogu podijeliti u tri skupine: jake, srednje jakosti i slabe.

NO 2 + (nitronijev ion, nitroil kation); kompleksi Cl 2 ili Br 2 s raznim Lewisovim kiselinama (FeCl 3, AlBr 3, AlCl 3, SbCl 5 itd.); H2OCl+, H2OBr+, RSO2+, HSO3+, H2S2O7. Snažne električne pile stupaju u interakciju sa spojevima iz serije benzena koji sadrže i supstituente koji doniraju elektron i gotovo sve supstituente koji privlače elektron.

Elektrofili srednje jakosti

Kompleksi alkil halida ili acil halida s Lewisovim kiselinama (RCl. AlCl 3, RBr. GaBr 3, RCOCl. AlCl 3 itd.); kompleksi alkohola s jakim Lewisovim i Brønstedovim kiselinama (ROH. BF 3, ROH. H 3 PO 4, ROH. HF). Oni reagiraju s benzenom i njegovim derivatima koji sadrže supstituente koji doniraju elektron (aktivirajuće) ili atome halogena (slabo deaktivirajući supstituenti), ali obično ne reagiraju s derivatima benzena koji sadrže jake dezaktivirajuće supstituente koji privlače elektrone (NO 2, SO 3 H, COR, CN , itd.).

Slabi elektrofili

Diazonijevi kationi ArN +ê N, iminij CH 2 =N+ H 2, nitrozonij NO + (nitrozoil kation); ugljikov 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 aromatska elektrofilna supstitucija smatra dvostupanjskom reakcijom adicije-eliminacije s intermedijernim stvaranjem arenonijevog iona koji se naziva σ-kompleks

I-arenijev ion (

-kompleks), u pravilu, kratkotrajan. Taj se mehanizam naziva S E Ar, t.j. S E (arenij). U ovom slučaju, u prvoj fazi, kao rezultat napada elektrofila, ciklički aromatski 6-elektronski π-sustav benzena nestaje i zamjenjuje se u intermedijaru I necikličkim 4-elektronskim konjugiranim sustavom cikloheksadienila. kation. U drugoj fazi, aromatski sustav se ponovno obnavlja zbog apstrakcije protona. Struktura arenonijevog iona I prikazana je na različite načine:

Najčešće se koristi prva formula. Kompleks σ bit će puno 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 tvoriti donor-akceptorske komplekse s mnogim elektrofilnim reagensima. Dakle, kada se suhi plinoviti HCl ili DCl pusti u otopinu benzena, toluena, ksilena ili drugih polialkilbenzena u n-heptanu. o C, bilo je moguće detektirati stvaranje molekularnih kompleksa sastava 1:1 (G. Brown, 1952).

Ovi kompleksi nisu obojeni, a njihove otopine u aromatskim ugljikovodicima nisu električki vodljive. Kada se plinoviti DCl otopi u benzenu, toluenu, ksilenu, mezitilenu, pentametilbenzenu, ne dolazi do izmjene H za D Budući da otopine kompleksa ne provode električnu struju, oni nisu ionske čestice, tj. To nisu arenonijevi ioni.

Takvi donor-akceptorski kompleksi nazivaju se π-kompleksi. Na primjer, kristali kompleksa benzena s bromom ili klorom sastava 1:1, prema podacima rendgenske difrakcije, sastoje se od lanaca izmjeničnih molekula π-donora sastava (C 6 H 6) i akceptora (Cl 2,Br 2), u kojem se molekula halogena nalazi okomito na ravninu prstena duž osi koja prolazi kroz njegovo središte simetrije.

σ-kompleksi (arenonijevi ioni)

Kada se otopini u alkilbenzenu AlCl 3 ili AlBr 3 dodaju HCl i DCl, otopina počinje provoditi električnu struju. Takve otopine su obojene i njihova boja se mijenja od žute do narančasto-crvene pri prelasku iz para-ksilena u pentametilbenzen. U sustavima ArH-DCl-AlCl 3 ili ArH-DF-BF 3 atomi vodika aromatskog prstena već su zamijenjeni za deuterij. Električna vodljivost otopina jasno ukazuje na stvaranje iona u ternarnom sustavu aren-vodikov halid-aluminijev halid. Struktura takvih iona utvrđena je NMR spektroskopijom na 1 H i 13 C jezgrama u sustavu ArH-HF (tekućina) -BF 3 ili ArH-HF-SbF 5 u SO 2 ClF na niskoj temperaturi.

1.1.3 Podjela supstituenata

Monosupstituirani benzeni C 6 H 5 X 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 u reakciju će ući pretežno C 6 H 5 X, au drugom slučaju , pretežno benzen.

Trenutno su supstituenti podijeljeni u tri skupine, uzimajući u obzir njihov aktivirajući ili deaktivirajući učinak, kao i orijentaciju supstitucije u benzenskom prstenu.

1. Aktiviranje orto-paraorijentacijskih grupa. Tu spadaju: NH2, NHR, NR2, 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 skupinu čine NO 2, NO, SO 3 H, SO 2 R, SOR, C(O)R, COOH, COOR, CN, NR 3+, CCl 3 itd. To su orijentanti druge vrste.

Naravno, postoje i skupine atoma srednje prirode, što uzrokuje 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 + itd.

1.2 Elektrofilna supstitucija u π-suvišnim heterociklima

Furan, pirol i tiofen vrlo su reaktivni s uobičajenim elektrofilnim reagensima. U tom smislu nalikuju najreaktivnijim derivatima benzena, kao što su fenoli i anilini. Povećana osjetljivost na elektrofilnu supstituciju uzrokovana je asimetričnom raspodjelom naboja u tim heterociklima, što rezultira većim negativnim nabojem na atomima ugljika u prstenu nego u benzenu. Furan je nešto reaktivniji od pirola, a tiofen je najmanje reaktivan.

1.2.1 Elektrofilna supstitucija pirola

Iako pirol i njegovi derivati ​​nisu skloni reakcijama nukleofilne adicije i supstitucije, vrlo su osjetljivi na elektrofilne reagense, a reakcije pirola s takvim reagensima odvijaju se gotovo isključivo kao supstitucijske reakcije. Nesupstituirani pirol, N- i C-monoalkilpiroli i, u manjoj mjeri, C,C-dialkil derivati ​​polimeriziraju u jako kiselim sredinama, stoga većina elektrofilnih reagensa koji se koriste u slučaju derivata benzena nisu primjenjivi na pirol i njegove alkil derivate.

Međutim, ako postoje skupine koje privlače elektron u pirolnom prstenu koje sprječavaju polimerizaciju, kao što su esterske skupine, na primjer, postaje moguće koristiti jako kisele medije, sredstva za nitriranje i sulfoniranje.

Protonacija

U otopini se opaža reverzibilna adicija protona na svim položajima pirolnog prstena. Atom dušika se najbrže protonira; dodavanje protona na položaju 2 događa se dvostruko brže nego na položaju 3. U plinovitoj fazi, pri upotrebi kiselina umjerene jakosti, kao što su C 4 H 9 + i NH 4 +, pirol protoniran je isključivo na atomima ugljika, a tendencija dodavanja protona na položaju 2 veća je nego na položaju 3. Termodinamički najstabilniji kation, 2H-pirolijev ion, nastaje kada se proton doda na položaj 2, a određena je pK a vrijednost za pirol povezana je upravo s ovim kationom. Slaba N-bazičnost pirola posljedica je nedostatka mogućnosti mezomerne delokalizacije pozitivnog naboja u kationu 1H-pirola.