Cea mai utilizată reacție a benzenului este înlocuirea unuia sau mai multor atomi de hidrogen cu o grupare electrofilă. Multe substanțe importante sunt sintetizate în acest fel. Alegerea grupărilor funcționale care pot fi introduse în compușii aromatici în acest mod este foarte largă și, în plus, unele dintre aceste grupări pot fi transformate în alte grupări după introducerea în ciclul benzenic. Ecuația generală a reacției este:
Mai jos sunt cinci dintre cele mai frecvente reacții de acest tip și exemple de utilizare a acestora.
Nitrare:
Sulfonare:
Dichilarea Friedel-Crafts:
Acilarea Friedel-Crafts:
Halogenare (doar clorurare și bromurare):
Următoarele reacții sunt adesea folosite pentru a transforma în continuare compușii rezultați din substituția electrofilă aromatică.
Restaurare lanț lateral:
Reducerea grupului nitro:
Diazotizare și transformări ulterioare
Anilina și înlocuitorii săi pot fi transformați în compuși foarte reactivi numiți săruri de diazoniu:
Sărurile de diazoniu servesc ca materii prime pentru sinteza unei mari varietăți de compuși aromatici (Schema 9-1). În multe cazuri, metoda de sinteză a sării de diazoniu este singura modalitate de a introduce orice grup funcțional într-un compus aromatic.
Înlocuirea grupului diazoniu cu atomi de clor și brom, precum și cu o grupare ciano, se realizează prin interacțiunea sărurilor de diazoniu cu sărurile de cupru (1). Atomii de iod și fluor nu pot fi introduși în ciclul aromatic prin halogenare directă. Iodurile și fluorurile aromatice sunt preparate prin tratarea sărurilor de diazoniu cu iodură de potasiu și, respectiv, acid fluorhidric.
Acizii carboxilici aromatici pot fi preparați fie prin hidroliza grupării nitril, fie prin acțiunea dioxidului de carbon asupra reactivului Grignard (mai multe despre această reacție vor fi discutate în capitolul 12). Fenolii din laborator se obțin cel mai adesea prin hidroliza sărurilor de diazoniu.
Diagrama 9-2. Reacții ale sărurilor de diazoniu
Gruparea diazoniu (și prin urmare, de asemenea, gruparea amino și gruparea nitro) poate fi îndepărtată (adică înlocuită cu un atom de hidrogen) prin acțiunea sărurilor de diazoniu ale acidului hipofosforic
În cele din urmă, interacțiunea sărurilor de diazoniu cu compușii aromatici activați duce la formarea coloranților azoici. Coloranții pot fi de culori foarte diferite în funcție de natura substituenților de pe ambele inele aromatice.
Acidul azot, care este utilizat pentru obținerea sărurilor de diazoniu, este o substanță slab stabilă și este preparat in situ (adică direct în vasul de reacție) din azotit de sodiu și acid clorhidric. În diagrama de reacție, tratamentul cu acid azot poate fi prezentat într-unul din două moduri, care sunt utilizate mai jos:
Iată câteva exemple de reacții ale sărurilor de diazoniu:
Prepararea substanțelor practic importante folosind reacții de substituție electrofilă
Coloranți. Sinteza portocaliului de metil este prezentată mai jos. Dacă luați compușii originali cu alți substituenți în inelele aromatice, culoarea colorantului va fi diferită.
Polimeri. Polistirenul este produs prin polimerizarea stirenului (vezi capitolul 6), care, la rândul său, poate fi sintetizat după cum urmează. Benzenul este acilat de către Friedel-Crafts folosind anhidridă acetică în loc de clorură de acetil, cetona rezultată este redusă la alcool, care este apoi deshidratat folosind hidrogen sulfat de potasiu ca catalizator acid:
Medicamente.în sinteza sulfonamidei (streptocid), primele două etape sunt reacții pe care le-am întâlnit deja. A treia etapă este protecția grupării amino. Acest lucru este necesar pentru a preveni interacțiunea acidului clorosulfonic cu gruparea amino. După ce gruparea reacţionează cu amoniacul, gruparea protectoare poate fi îndepărtată.
Streptocidul a fost unul dintre primele medicamente antimicrobiene din grupul sulfonamidelor. Este folosit și astăzi.
Reacțiile de substituție electrofilă permit introducerea multor grupări diferite în inelul aromatic. Multe dintre aceste grupuri pot fi apoi transformate în timpul sintezei.
Mecanism de substituție electrofilă aromatică
S-a stabilit că substituția electrofilă în compușii aromatici are loc în două etape. În primul rând, un electrofil (care poate fi generat prin diferite metode) este adăugat la inelul benzenic. În acest caz, se formează un cation carbohidrat stabilizat rezonant (mai jos în paranteze). Acest cation pierde apoi un proton și devine un compus aromatic.
Aici, pentru claritate, formulele compușilor aromatici sunt prezentate cu duble legături. Dar, bineînțeles, vă amintiți că de fapt există un nor de electroni delocalizați.
Mecanismele celor două reacții, inclusiv etapa de generare a electrofililor, sunt prezentate mai jos. Haogenare
Generare electrofilă:
Substituţie:
Acilarea Friedel-Crafts Generarea de electrofili:
Substituţie:
Influența deputaților
Când un benzen substituit reacționează cu un electrofil, structura substituentului deja prezent pe inelul benzenic are un efect semnificativ asupra orientării substituției și vitezei acesteia.
Pe baza influenței lor asupra vitezei și orientării substituției electrofile, toți substituenții posibili pot fi împărțiți în trei grupuri.
1. Activarea ortopara-orientanţilor. În prezența unui substituent al acestei grupe într-un compus aromatic, acesta reacționează mai repede decât benzenul nesubstituit, iar electrofilul este direcționat către pozițiile orto și para ale substituentului și se formează un amestec de benzeni orto și para-disubstituiți. . Această grupă include următorii substituenți:
2. Dezactivarea meta-orientanților. Acești substituenți încetinesc reacția în comparație cu benzenul și direcționează electrofilul în poziția meta. Acest grup include:
3. Decontaminarea orto-, para-orientanţilor. Acest grup include atomi de alogeni.
Exemple de orientare pentru substituția electrofilă:
Explicația influenței substituenților
De ce substituenții diferiți au efecte atât de diferite asupra naturii substituției electrofile? Răspunsul la această întrebare poate fi obținut analizând stabilitatea intermediarilor formați în fiecare caz. Unii dintre acești carbocationi intermediari vor fi mai stabili, alții mai puțin stabili. Amintiți-vă că, dacă un compus poate reacționa în mai multe moduri, reacția va merge pe calea care produce cel mai stabil intermediar.
Mai jos sunt prezentate structurile de rezonanță ale particulelor intermediare formate în timpul atacului electrofil al unui cation în pozițiile orto și para ale fenolului, care are un substituent activator puternic - orto, para-orientant, toluen, care are un substituent cu același , dar proprietăți mult mai slabe, și nitrobenzenul, care are în care gruparea nitro este un agent de orientare și dezactivează inelul:
Când un electrofil atacă atât pozițiile orto cât și para ale fenolului, pot fi scrise mai multe structuri de rezonanță pentru intermediarul rezultat decât pentru intermediarul de meta-substituție. Mai mult, această structură „extra” (încercuită într-un cadru) aduce o contribuție deosebit de mare
în stabilizarea cationului, deoarece toți atomii din acesta au un octet de electroni. Astfel, la un atac orto- sau para-orientat al unui electrofil, apare un cation mai stabil decât la un atac în poziţia meta, deci substituţia are loc predominant în poziţiile orto- şi para-. Deoarece cationul rezultat dintr-o astfel de substituție este mai stabil decât cationul format din benzen nesubstituit, fenolul suferă reacții de substituție electrofilă mult mai ușor decât benzenul. Rețineți că toți substituenții care activează puternic sau moderat inelul aromatic în reacțiile de substituție electrofilă au un atom asociat cu inelul cu perechi singure de electroni. Acești electroni pot fi introduși în inel. În acest caz, apare o structură de rezonanță cu sarcină pozitivă pe un atom electronegativ (oxigen sau azot). Toate acestea stabilizează intermediarul și măresc viteza de reacție (activare prin rezonanță).
În cazul toluenului, substituția atât în pozițiile orto- cât și în pozițiile d are ca rezultat un cation mai stabil decât atunci când electrofilul atacă metapoziția.
În structurile de rezonanță în casete, sarcina pozitivă este pe atomii de carbon terțiari (carbocationi terțiari, vezi capitolul 5). La atacarea poziției meta, nu se formează carbocation terțiar. Din nou, orto- și para-substituția trece prin specii intermediare puțin mai stabile decât meta-substituția și decât substituția în benzen în sine. Prin urmare, substituția în toluen este direcționată către pozițiile orto și para și are loc ceva mai repede decât substituția în Lysol (activare datorită efectului inductiv).
Toate grupele de dezactivare, inclusiv gruparea nitro, au proprietatea de a retrage electroni din inelul aromatic. Rezultatul este destabilizarea cationului intermediar. In mod deosebit
(click pentru a vizualiza scanarea)
Intermediarii care decurg din atacul la pozițiile orto și para sunt puternic destabilizați, deoarece sarcina pozitivă parțială este situată imediat lângă grupul nitro (structurile de rezonanță corespunzătoare sunt în casete). Prin urmare, substituția meta este preferată față de substituția orto și para. Nitrobenzenul suferă o substituție electrofilă mult mai dificilă decât benzenul, deoarece densitatea electronilor din inel este redusă și atracția reciprocă a inelului aromatic și a electrofilului este slăbită.
Reacțiile de adiție electrofile au loc în două etape prin formarea unui cation intermediar. Substituenți diferiți de pe ciclul benzenic au efecte diferite asupra ratelor și orientărilor de substituție. Acest efect poate fi explicat ținând cont de stabilitatea intermediarilor formați în fiecare caz.
Reacții de substituție electrofilă(Engleză) reacție electrofilă de substituție ) - reacții de substituție în care se efectuează atacul electrofil- o particulă care este încărcată pozitiv sau are o deficiență de electroni. Când se formează o nouă legătură, particula care iese este electrofuge se desprinde fără perechea de electroni. Cel mai popular grup de plecare este protonul H+.
Vedere generală a reacțiilor de substituție electrofilă:
(electrofil cationic)
(electrofil neutru)
Există reacții de substituție electrofile aromatice (răspândite) și alifatice (mai puțin frecvente). Natura reacțiilor de substituție electrofile specifică sistemelor aromatice se explică prin densitatea mare de electroni a inelului aromatic, care poate atrage particule încărcate pozitiv.
Reacțiile de substituție electrofilă aromatică joacă un rol extrem de important în sinteza organică și sunt utilizate pe scară largă atât în practica de laborator, cât și în industrie.
Reacții de substituție electrofilă aromatică
Pentru sistemele aromatice, există de fapt un mecanism de substituție electrofilă - S E Ar. Mecanism S E 1(similar cu mecanismul S N 1) - este extrem de rar, dar S E 2(corespunzător prin analogie S N 2) - nu apare deloc.
Reacții S E Ar
Mecanismul de reacție S E Ar sau reacții de substituție electrofilă aromatică(Engleză) Substituție electrofilă aromatică ) este cea mai frecventă și mai importantă dintre reacțiile de substituție a compușilor aromatici și constă din două etape. În prima etapă, se adaugă electrofilul, iar în a doua etapă, se separă electrofuge:
În timpul reacției, se formează un intermediar încărcat pozitiv (în Figura 2b). Se numeste Ueland intermediar, ion de aroniu sau σ-complex. Acest complex este în general foarte reactiv și se stabilizează ușor, eliminând rapid cationul.
Stadiul limitativ în marea majoritate a reacțiilor S E Ar este prima etapă.
Reacția rapidă S E Ar, prezentate de obicei sub următoarea formă:
| Viteza de reacție = k** |
Particulele care atacă sunt de obicei electrofile relativ slabe, deci în majoritatea cazurilor reacția S E Ar apare sub influența unui catalizator - acidul Lewis. Cele mai utilizate sunt AlCl3, FeCl3, FeBr3, ZnCl2.
În acest caz, mecanismul de reacție este următorul (folosind exemplul de clorurare a benzenului, catalizatorul FeCl 3):
1. În prima etapă, catalizatorul interacționează cu particula atacantă pentru a forma un agent electrofil activ:
2. La a doua etapă, de fapt, mecanismul este implementat S E Ar:
Reacții de substituție electrofile aromatice tipice
| Viteza de reacție = k** |
În benzeni substituiți, așa-numitele ipso-atac, adică înlocuirea unui substituent existent cu altul:
Reacții de substituție electrofile alifatice
Reacții S E 1
Mecanismul de reacție S E 1 sau reacții de substituție electrofilă monomoleculară(Engleză) substituție electrofilă unimoleculară ) similar cu mecanismul S N 1 cuprinde următoarele etape:
1. Ionizarea substratului cu formarea unui carbanion (etapă lentă):
2. Atacul electrofil al carbanionului (etapă rapidă):
Cel mai adesea o particulă care scapă în reacții extrem de rare S E 1 este un proton.
Reacții S E 2
Mecanismul de reacție S E 2 sau reacții de substituție electrofilă bimoleculară(Engleză) bimoleculară electrofilă de substituție ) similar cu mecanismul S N 2, are loc într-o singură etapă, fără formarea intermediară a unui intermediar:
Principala diferență față de mecanismul nucleofil este că atacul electrofilului poate fi efectuat fie din față, fie din spate, ceea ce poate duce la un rezultat stereochimic diferit: atât racemizare, cât și inversare.
Un exemplu este reacția de tautomerizare cetonă-enol:
Tautomerizare cetonă-enol
Note
| Reacții chimice în chimia organică | |
|---|---|
| Reacții de substituție | Reacții de substituție nucleofilă Reacții de substituție electrofilă· Reacții de substituție radicală |
| Reacții de adaos | Reacții de adiție nucleofile Reacții de adiție electrofile Reacții de adiție radicală Reacții de adiție sincronă |
| Reacții de eliminare | Reacții de eliminare heterolitică Reacții de eliminare periciclice Reacții de eliminare radicală |
| Reacții de regrupare | Rearanjamente nucleofile Rearanjamente electrofile Rearanjamente radicale |
| Reacții de oxidare și reducere | Reacții de oxidare Reacții de reducere |
| Alte | Reacții numite în chimia organică |
Fundația Wikimedia. 2010.
- - (Englez addition electrophilic reaction) reacții de adiție în care atacul în stadiul inițial este efectuat de o particulă electrofilă care este încărcată pozitiv sau are o deficiență de electroni. În etapa finală, rezultatul... ... Wikipedia
Arenele se caracterizează prin trei tipuri de reacții:
1) substituție electrofilă S E Ar (distrugerea legăturii C-H);
2) reacții de adiție (distrugerea legăturii p);
3) reacții cu distrugerea inelului benzenic.
Substituția electrofilă în arene (SE Ar)
Reacțiile de substituție electrofilă se desfășoară conform schemei generale prin formarea de complexe π și σ
După cum rezultă din schema prezentată, substituția aromatică S E Ar are loc prin mecanismul de adăugare-eliminare. Pentru adăugarea unui agent electrofil X+ la substratul aromatic cu formarea unui complex σ, urmată de extracția unui proton pentru a forma produsul de reacție.
Reacțiile de substituție electrofilă în arene urmează, în general, o ecuație cinetică de ordinul doi ( v = k 2[X+]).
Să luăm în considerare evoluția pas cu pas a procesului.
Etapa 1. Formarea complexelor π
.
π–Complexe – compuși de coordonare în care donorul de electroni este un compus aromatic care are electroni π ușor polarizabili. π-complexe – nu compuși chimici clasici în care o specie electrofilă este legată printr-o legătură covalentă de un atom covalent al reactantului. Majoritatea complexelor π se descompun ușor atunci când sunt încălzite sau expuse la apă.
Capacitatea de a forma complexe π în arene crește în următoarea ordine:
C6H6< 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
Cu cât densitatea de electroni π are un compus, cu atât formează mai ușor complexe π.
Etapa 2. Formarea complexelor σ
σ-Complexe- aceștia sunt cationi, la formarea cărora reactivul X+ formează o legătură covalentă cu unul dintre atomii de carbon datorită a 2 electroni π ai inelului benzenic, în timp ce acest atom C trece de la sp 2-afirmă în sp 3-hibridarea, în care toate cele patru valențe ale sale sunt la un unghi de ~109 0. Simetria inelului benzenic este ruptă. grup X iar atomul de hidrogen se găsește într-un plan perpendicular pe planul nucleului benzenic.
Stabilitatea complexelor σ crește odată cu creșterea bazicității inelului benzenic
Această etapă este cea mai lentă etapă a întregii reacții și se numește limitare.
Etapa 3. Desprinderea unui proton dintr-un complex σ
În ultima etapă, protonul este detașat din complexul σ și se restabilește norul de electroni 6π (structură aromatică). Acest proces are loc cu un câștig de energie de ~ 42 kJ/mol. În multe reacții, extracția unui proton în stadiul final este facilitată de baza adecvată prezentă în soluție.
Conform mecanismului luat în considerare, în arene apar următoarele reacții.
Cu toate acestea, schema propusă nu trebuie considerată ca fiind absolut dovedită și universală. În diferite procese, cursul reacției este influențat de:
Ø structura substratului;
Ø activitatea chimica a reactivului;
Ø conditii pentru proces;
Ø natura, activitatea catalizatorului si alti factori, care pot conduce la abateri in cazuri particulare de la schema de proces propusa.
Să ne uităm la câteva exemple de substituție electrofilă în benzen.
Exemplul 1: Bromurarea benzenului
Bromul molecular este un agent electrofil prea slab și, în absența unui catalizator, nu reacționează cu benzenul.
Cel mai adesea, reacția de bromurare a benzenului se realizează în prezența bromurii de fier (III), care joacă rolul unui acid Lewis; acesta din urmă se obține în masa de reacție prin interacțiunea directă a bromului cu fierul.
Etapa 1. Formarea reactivului electrofil E + .
Molecula de brom este activată printr-o reacție acido-bazică cu un acid Lewis.
Etapa 2. Formarea complexului π 1.
Ionul sau ionul de bromoniu liber ca parte a unei perechi de ioni este un agent electrofil activ capabil să reacţioneze cu benzenul; în acest caz, complexul π 1 este mai întâi format
Rolul unui agent electrofil în această etapă poate fi îndeplinit și de un complex donor-acceptor 
.
Etapa 3. Rearanjarea complexului π 1 și formarea unui complex σ, sau ion arenoniu.
Aceasta este cea mai lentă etapă a întregii reacții.
Etapa 4. Rearanjarea complexului σ în produs de substituție al complexului π 2. Un proton este desprins de atomul de carbon în curs de substituție; în ciclu se formează din nou un sextet aromatic de electroni - se observă rearomatizare
Etapa 5. Disocierea π-complexului 2 cu formarea unui produs de substituție
Mecanismul de bromurare electrofilă a benzenului este ilustrat de diagrama energetică a reacției prezentată în Fig. 11.
Orez. 11. Diagrama energetică a reacției
bromurarea electrofilă a benzenului;
PS – stare de tranziție.
Etapele 2 și 5, inclusiv complexele π ale arenei inițiale și ale produsului de substituție, sunt adesea omise în schemele mecanismului de substituție aromatică electrofilă. Cu această abordare, substituția aromatică electrofilă reală implică doar trei etape.
Etapa 1" - formarea unui agent electrofil.
Etapa 2" – formarea unui complex σ, ocolind complexul π 1.
Etapa 3" – descompunerea complexului σ cu formarea unui produs de substituție, ocolind π-Complexul 2.
Exemplul 2 Nitrarea arenelor
Nitrarea presupune înlocuirea atomului de hidrogen al inelului benzenic cu gruparea nitro NO 2 . Benzenul reacționează lent cu acidul azotic concentrat chiar și atunci când este încălzit. Prin urmare, nitrarea se realizează cel mai adesea folosind un agent de nitrare mai activ - amestec de nitrare– amestecuri de acizi azotic și sulfuric concentrați. Nitrarea arenelor cu un amestec de nitrare este principala metodă de obținere a compușilor nitro aromatici
Nitrarea benzenului cu un amestec de nitrare se realizează la 45–50 0 C. Deoarece reacția de nitrare este ireversibilă, acidul azotic este utilizat într-un exces minim (5–10%), realizând conversia aproape completă a benzenului.
Acidul sulfuric din amestecul de nitrare este necesar pentru a crește concentrația agentului electrofil - ion de nitroniu NO 2 +.
Etapa 1. Formarea unui agent electrofil.
Agentul electrofil activ în timpul nitrării este ionul de nitroniu, care este potențial prezent într-o întreagă clasă de compuși.
De exemplu: HO _ NO2, O2N _ O _ NR 2 etc.
Înclinația lor de a forma ioni de nitroniu crește odată cu creșterea electronegativității substituentului legat de gruparea nitro.
Gruparea hidroxil ca atare nu poate fi scindată, prin urmare ionul de nitroniu din acidul azotic se formează numai într-un mediu acid
În cel mai simplu caz, acidul azotic se poate protona singur („autoprotonare”)
Cu toate acestea, echilibrul este deplasat spre stânga, astfel încât acidul azotic se azota slab.
Când se adaugă acid sulfuric concentrat, concentrația cationului - crește foarte mult
Efectul de nitrare al unui amestec de acid azotic și sulfuric (amestec de nitrare) este mult mai puternic decât cel al acidului azotic singur. Creșteri suplimentare ale reactivității pot fi obținute prin utilizarea acidului azotic fumos și oleum.
Etapa 2. Formarea complexului σ
Etapa 3. Emisia unui proton pentru a forma un produs de substituție
În practică, este necesar să se potrivească activitatea agentului de nitrare cu reactivitatea nucleului aromatic.
Deci, de exemplu, fenolii și eterii fenolici sunt nitrați cu acid azotic deja diluat, în timp ce nitrarea benzaldehidei, acidului benzoic, nitrobenzenului etc. necesită un amestec de acid azotic fumos și acid sulfuric.
m-Dinitrobenzenul este greu de nitrat chiar și cu un amestec de acizi azotic și sulfuric fumogen (5 zile, 110 0 C; randament 45%).
În timpul nitrării, cea mai frecventă reacție secundară este oxidarea. Este favorizată de creșterea temperaturii de reacție. Procesul de oxidare este determinat de eliberarea de oxizi de azot. Aldehidele, alchilaril cetonele și, într-o măsură mai mică, alchilbenzenii sunt de asemenea susceptibile la oxidare în timpul nitrării.
Exemplul 3 Alchilarea arenelor
R-HIg, ROH, R-CH=CH2 pot fi utilizaţi ca agenţi de alchilare în prezenţa catalizatorilor corespunzători (în special AICI3, AIBr3, H2S04).
Catalizatorii generează (formează) o particulă electrofilă - un carbocation
Reacțiile de alchilare au trei limitări serioase:
1) reacția este dificil de oprit în stadiul de monoalchilare, adică se procedează mai departe, cu formarea de polialchilbenzeni; Pentru a suprima polialchilarea, se folosește de obicei un exces de arenă;
2) dacă arena conține numai substituenți electroacceptori (de exemplu, -NO2), atunci reacția de alchilare nu poate fi efectuată;
3) reacția de alchilare este însoțită de rearanjarea radicalului alchil.
Rearanjarea radicalului alchil în cel mai stabil este o proprietate caracteristică carbocationilor
Reguli de orientare
Reacțiile de substituție cu hidrogen în benzen apar în mod egal la orice atom de carbon, deoarece molecula de benzen este simetrică. Cu toate acestea, dacă benzenul are deja un substituent, atunci pozițiile care rămân libere pentru reacțiile de substituție electrofilă devin inegale.
Legile care determină direcțiile reacțiilor de substituție în inelul benzenic se numesc reguli de orientare.
- Grupul de activare– un substituent care face inelul benzenic mai reactiv în reacțiile de substituție electrofilă în comparație cu benzenul nesubstituit.
– Grup de decontaminare– un substituent care face inelul benzenic mai puțin reactiv în reacțiile de substituție electrofilă în comparație cu benzenul nesubstituit.
– o-, p-orientant– un substituent care direcționează atacul electrofilului predominant către poziția o sau p a inelului benzenic.
– m-orientator– un substituent care direcționează atacul electrofilului predominant către poziția m a inelului benzenic.
În general, substituția electrofilă în benzenul monosubstituit poate avea loc în trei direcții
Reactivitatea atomilor de carbon în acest caz este determinată de trei factori:
1) natura substituentului existent;
2) natura agentului activ;
3) condiţii de reacţie.
După influența lor asupra orientării în aceste reacții, toți substituenții sunt împărțiți în două grupe: substituenți de primul fel (orto-, para-orientanți) și substituenți de al doilea fel (meta-orientanți).
Introducere
Reacțiile de substituție electrofilă sunt reacții de substituție în care atacul este efectuat de un electrofil (o particulă care are o deficiență de electroni), iar atunci când se formează o nouă legătură, particula este scindată fără perechea sa de electroni (reacții de tip SE).
Vedere generală a reacției
Agenți electrofili
Agenții electrofili pot fi împărțiți în 3 grupe:
.Electrofili puternici: .NO2+(ion de nitroniu); complexe de Cl2 sau Br2 cu diverși acizi Lewis (FeCl3, AlBr3, AlCl3, SbCl5 etc.); H2OCl+, H2OBr+, RSO2+, HSO3+, H2S2O7. .Electrofili de putere medie: Complexe de halogenuri de alchil sau halogenuri de acil cu acizi Lewis (RCl. AlCl3,. AlCl3, etc.); complexe de alcooli cu acizi Lewis și Bronsted puternici (ROH. BF3, ROH. H3PO4, ROH. HF). .Electrofili slabi: Diazoniu, cationi iminiu CH2=N+ H2, nitrozonium NO+ (cation nitrozoil); monoxid de carbon (IV) CO2. Electrofilii puternici interacționează cu compușii din seria benzenului care conțin atât substituenți donatori de electroni, cât și practic orice substituenți care atrag electroni. Electrofilii din al doilea grup reacționează cu benzenul și derivații săi care conțin substituenți donatori de electroni (activatori) sau atomi de halogen, dar, de obicei, nu reacţionează cu derivaţii benzenici care conțin substituenți dezactivatori puternici atrăgători de electroni (NO2, SO3H, COR, CN etc.) . În cele din urmă, electrofilii slabi interacționează numai cu derivați de benzen care conțin substituenți foarte puternici de tip donator de electroni (+M) (OH, OR, NH2, NR2, O- etc.). Tipuri de mecanisme Se pot imagina două mecanisme posibile pentru înlocuirea unui proton dintr-o moleculă aromatică cu un reactiv electrofil. .Abstracția unui proton poate avea loc simultan cu formarea unei noi legături cu reactivul electrofil E, iar reacția în acest caz se va desfășura într-o singură etapă: Pentru un proces sincron, modificarea sarcinii pe substrat în timpul reacției ar trebui să fie relativ mică. În plus, deoarece legătura C-H este ruptă în etapa de determinare a vitezei a reacției, se poate aștepta ca într-un mecanism sincron reacția să fie însoțită de un efect cinetic de izotop al hidrogenului semnificativ. Inițial, se adaugă agentul electrofil π- sistem al nucleului aromatic, se formează un intermediar slab stabil. Apoi, un proton este îndepărtat din cationul rezultat sub acțiunea unei baze, care poate fi o moleculă de solvent: Reacțiile care se desfășoară prin acest mecanism trebuie să fie caracterizate printr-o sensibilitate la viteză mare la efectele electronice ale substituenților, deoarece intermediarul este un cation. În plus, dacă etapa de determinare a vitezei este prima, în care legătura C-H nu este ruptă, reacția nu ar trebui să fie însoțită de un efect izotop cinetic semnificativ. Când compușii aromatici interacționează cu reactivii electrofili, se pot forma două tipuri de complexe, care pot fi intermediari în reacțiile de substituție electrofilă. Dacă agentul electrofil nu distruge în mod semnificativ electronul π- se formează un sistem de inele aromatice π- complexe. Existenţă π- complexe este confirmată de datele spectroscopiei UV, modificări ale solubilității, presiunii vaporilor și temperaturilor de îngheț. Educaţie π- complexe s-au dovedit, de exemplu, pentru interacțiunea hidrocarburilor aromatice cu acid clorhidric sau ion Ag+: Deoarece structura electronică a inelului aromatic se modifică ușor (se poate face o analogie între acești complecși și complecșii de transfer de sarcină), la formare π -complexe nu există modificări semnificative ale spectrelor, nu se observă o creștere a conductibilității electrice. Influența efectelor electronice ale substituenților asupra inelului aromatic asupra stabilității π- complexele sunt relativ mici, deoarece transferul de sarcină la π -complexele sunt mici. Când hidrocarburile aromatice sunt dizolvate în acid fluorhidric lichid, molecula de hidrocarbură aromatică este protonată pentru a forma un ion de arenoniu și se obțin complexe de alt tip - δ- complexe. Durabilitate δ -complexe (ioni de arenium), spre deosebire de stabilitate -complexe, depinde foarte mult de numărul și natura substituenților din ciclul benzenic. . Educaţie δ -complexele contribuie la stabilizarea contraionului datorită interacțiunii cu fluorura de bor(III) sau alți acizi Lewis: În prezenţa acizilor Lewis δ -se formează complexe și cu acid clorhidric. Intermediar δ- complexul are mai multe structuri de rezonanță și este foarte asemănător cu „cationul superalilic” prin faptul că sarcina pozitivă din el este distribuită pe trei dintre cei cinci orbitali p disponibili. Acest sistem include doi atomi de carbon orto identici în raport cu atomul de carbon hibridizat cu sp3 și un atom de para carbon în raport cu același atom. Cele două metapoziții echivalente ale inelului nu poartă nicio sarcină formală, dar sunt în mod clar ușor electropozitive din cauza atomilor de carbon adiacenți încărcați pozitiv: În timpul educației δ -complexe se produce o crestere brusca a conductibilitatii electrice a solutiei. Principala modalitate de transformare a ionilor de arenoniu în soluție este extracția de protoni cu regenerarea sistemului aromatic. Deoarece formarea unui ion de arenonen localizează o întreagă sarcină pozitivă în inelul aromatic, influența efectelor electronice ale substituenților asupra stabilității relative δ - ar trebui să existe mult mai multe complexe decât în cazul respectiv π- complexe. Astfel, se poate aștepta ca reacția de substituție electrofilă să aibă loc mai întâi prin etapa de formare π- complex și apoi δ- complex. Izomeric δ- complexe Într-o stare de tranziție premergătoare formării δ -complex, între molecula de benzen monosubstituit C6H5X și electrofilul încărcat pozitiv E+, sarcina este împărțită între electrofilul atacator și inelul benzenic. Dacă starea de tranziție este „devreme” (similară cu reactanții), atunci sarcina de pe inelul benzenic este mică și localizată în principal pe electrofil, iar dacă starea de tranziție este „târzie” (asemănătoare cu ionul de arenoniu), atunci sarcina este localizată în principal pe atomii de carbon din ciclul benzenic. Pentru reacțiile benzenilor monosubstituiți pot exista patru complexe: orto-, meta-, para- și ipso-: orto- meta- pereche- ipso- În consecință, pot exista patru stări de tranziție diferite, a căror energie depinde de gradul de interacțiune a substituentului X cu sarcina pozitivă a inelului. În starea de tranziție „târzie”, efectul polar al substituentului X ar trebui să fie mai pronunțat decât în starea de tranziție „timpurie”, dar calitativ influența aceluiași substituent ar trebui să fie aceeași. Produșii de substituție cu hidrogen se formează din complexele orto, meta și para (prin eliminarea unui proton), dar un produs de substituție al grupului X poate fi format dintr-un complex ipso prin eliminarea cationului X+. Ipso-Substituția este tipică pentru compușii organometalici; De regulă, în ele metalul este înlocuit mai ușor decât protonul: Clasificarea substituenților În prezent, substituenții sunt împărțiți în trei grupe în funcție de efectul lor de activare sau dezactivare, precum și de orientarea substituției în ciclul benzenic. 1.Activarea grupurilor orto-para-orientatoare. Acestea includ: NH2, NHR, NR2, NHAc, OH, OR, OAc, Alk etc. 2.Dezactivarea grupurilor orto-para-orientatoare. Aceștia sunt halogenii F, Cl, Br și I. Aceste două grupe (1 și 2) de substituenți sunt numite orientanți de primul fel. 3.Dezactivarea grupurilor de meta-orientare. Acest grup este format din NO2, NO, SO3H, SO2R, SOR, C(O)R, COOH, COOR, CN, NR3+, CCl3, etc. Aceștia sunt orientanți de al doilea fel. Desigur, există și grupuri de atomi de natură intermediară, care determină o orientare mixtă. Acestea includ, de exemplu: CH2NO, CH2COCH3, CH2F, CHCl2, CH2NO2, CH2CH2NO2, CH2CH2NR3+, CH2PR3+, CH2SR2+ etc. Exemple de influență a orientărilor: Reacții de substituție aromatică electrofile de bază Nitrare. Una dintre cele mai studiate reacții de substituție în sistemele aromatice este nitrarea. Diferite arene sunt nitrate într-o mare varietate de condiții. Cel mai adesea, acidul azotic amestecat cu acid sulfuric sau acid azotic în solvenți organici: acid acetic, nitrometan etc. sunt utilizate ca agent de nitrare. Benzenul nesubstituit este de obicei nitrat cu un amestec de acizi azotic și sulfuric concentrați la 45-50°C. Acest reactiv se numește amestec de nitrare. S-a stabilit că în nitrarea electrofilă, indiferent de natura agentului de nitrare, electrofilul activ este ionul de nitroniu NO2+. Într-un exces de acid sulfuric concentrat, are loc o transformare cantitativă a acidului azotic în sulfat acid de nitroniu: Când acidul sulfuric este diluat cu apă, concentrația ionului NO2+ scade și, în același timp, rata de nitrare scade brusc. Cu toate acestea, arenele foarte reactive sunt nitrate chiar și în condițiile în care este imposibil să se detecteze ionul NO2+ în soluție prin orice metodă fizică. Există dovezi că chiar și în absența acidului sulfuric, nitrarea este efectuată de ion de nitroniu. În astfel de condiții, reacțiile arenelor foarte active au ordin cinetic zero față de substratul aromatic (etapa lentă este formarea NO2+ fără participarea ArH). În aceleași condiții, pentru arenele mai puțin reactive, ordinea cinetică în ArH este prima, adică. Etapa de limitare a ratei este procesul de înlocuire în sine. Un efect similar a fost observat, de exemplu, în timpul nitrarii toluenului cu o soluție apoasă de acizi azotic și sulfuric. La concentrații scăzute de H2SO4 ordinea în toluen a fost zero, iar la concentrații mai mari a fost prima. Când se utilizează un amestec de nitrare (HNO3 + H2SO4) ca reactiv, concentrația ionilor de nitroniu în soluție este întotdeauna destul de mare și este constantă atunci când reactivul este în exces, astfel încât nitrarea poate fi considerată un proces în două etape. Etapa lentă a acestui proces în două etape este formarea -complex. Acest lucru este dovedit de absența efectului de izotop cinetic al hidrogenului în timpul nitrarii arenelor și deuteroarenelor. Cu toate acestea, introducerea de grupări foarte voluminoase pe ambele părți ale hidrogenului de substituție poate reduce foarte mult viteza etapei k2 și poate duce la apariția unui efect izotop. Halogenarea (de exemplu, bromurarea) benzenului prin acțiunea halogenului în sine are loc numai în prezența catalizatorilor, cum ar fi ZnCl2, FeBr3, AlBr3 etc. Catalizatorii sunt de obicei acizi Lewis. Ele provoacă o anumită polarizare a moleculei de halogen, sporind astfel caracterul electrofil al acesteia, după care o astfel de moleculă polarizată atacă π -electronii inelului aromatic prin regiunea care poartă o sarcină pozitivă: După scindarea legăturii brom-brom, δ- complex cu benzen, din care rezultă complexul încărcat negativ -Br FeBr3 extrage un proton, dând brom-benzen. Soluțiile apoase de HO-Hal pot fi utilizate și ca agenți de halogenare, desigur în prezența acizilor puternici. Există dovezi sigure că, de exemplu în clorurare, agentul de clorinare este ionul Cl+, care se formează ca rezultat al reacției: Mecanismul de interacțiune ulterioară a ionilor de Cl+ cu benzenul nu diferă de mecanismul de nitrare cu ioni de NO2+. Asemănarea acestor două procese este confirmată de faptul că acidul HOCl însuși, precum și HNO3, interacționează foarte slab cu benzenul; în ambele cazuri, sunt necesari acizi puternici pentru a elibera ionii Cl+ și NO2+ prin protonarea „moleculelor purtătoare”: O dovadă suplimentară că agenții de substituție sunt cationi halogen sau complecși polarizați care conțin halogen au venit din studiile reacțiilor dintre compușii interhalogenuri și aromatici. Deci, de exemplu, acțiunea BrCl duce numai la bromurare, iar ICl numai la iodare, adică un halogen mai puțin electronegativ este întotdeauna introdus în molecula unui compus aromatic, care în molecula originală a compusului interhalogenură poartă un pozitiv parțial. taxa, de exemplu: δ+ δ- →Cl Sulfonare. Nu există încă un consens cu privire la adevărata natură a agentului de sulfonare electrofilă. Datele de măsurare cinetică nu oferă un răspuns clar la această întrebare, deoarece acidul sulfuric apos și anhidru conține un număr mare de agenți electrofili potențiali, a căror concentrație relativă depinde de raportul H2O/SO3. Când concentrația de acid sulfuric este sub 80%, se stabilesc în principal următoarele echilibre: La concentrații mai mari de acid sulfuric în intervalul 85-98%, starea acidului sulfuric este descrisă în principal de ecuațiile: În acid sulfuric 100% și în oleum, pe lângă H2S2O7, există și alți acizi polisulfuric - H2S3O10; H2S4O13 etc. Toate acestea fac extrem de dificilă interpretarea datelor privind cinetica sulfonării. În acidul sulfuric apos la concentrații sub 80%, rata de sulfonare se corelează liniar cu activitatea ionului H3SO4+. La concentrații de acid sulfuric peste 85%, se observă o corelație liniară cu activitatea H2S2O7. Aceste două particule, aparent, sunt cei doi agenți electrofili reali principali pentru sulfonarea compușilor aromatici în acid sulfuric apos. Ele pot fi considerate ca o moleculă de SO3 coordonată cu un ion H3O+ sau, respectiv, acid sulfuric. Când se trece de la 85% la 100% acid sulfuric, concentrația ionului H3O+ scade brusc, iar concentrația de H2SO4 crește. În acid 91% = , dar întrucât H2S2O7 (SO3 . H2SO4) este un agent electrofil mai puternic decât H3SO4+ (H3O+ . SO3), domină ca electrofil nu numai în 91%, ci chiar și în acid sulfuric 85%. Astfel, mecanismul de sulfonare poate fi aparent reprezentat după cum urmează: Efectul izotop cinetic kH/kD la concentrații de acid sulfuric sub 95% este neglijabil. Dar atunci când este sulfonat cu 98-100% H2SO4 sau oleum, se observă un efect de izotop cinetic kH/kD în intervalul 1,15-1,7, adică. Etapa (2) devine etapa determinantă a ratei. Când concentrația de acid sulfuric este sub 95%, protonul din -complexul este scindat de ionul sulfat de hidrogen HSO4-, iar la concentrații mai mari de acid sulfuric, H2SO4 însuși joacă rolul unei baze foarte slabe. Prin urmare, rata etapei (2) scade brusc și se observă un efect de izotop cinetic. În oleum, rata de sulfonare crește brusc. Agentul electrofil în acest caz, aparent, este SO3 care nu este legat într-un complex. Etapa (2) este lentă. Alchilare conform Friedel-Crafts. Reacția S. Friedel-J. Crafts (1877) este o metodă convenabilă pentru introducerea directă a unei grupări alchil într-un ciclu aromatic. Alchilarea compușilor aromatici se realizează sub acțiunea halogenurilor de alchil, numai în prezența unui acid Lewis adecvat ca catalizator: AlBr3, AlCl3, GaBr3, GaCl3, BF3, SbF5, SbCl5, FeCl3, SnCl4, ZnCl2 etc. Cei mai activi catalizatori sunt bromurile de aluminiu și galiu sublimate anhidru, pentafluorura de antimoniu, clorurile de aluminiu și galiu; halogenurile de fier (III) și SbCl5 sunt mai puțin active; catalizatorii cu activitate scăzută includ SnCl4 și ZnCl2. În general, activitatea acizilor Lewis ca catalizatori pentru alchilarea benzenului scade în ordinea AlBr3> GaBr3> AlCl3> GaCl3> FeCl3> SbCl5> TiCl4> BF3> BCl3> SnCl4> SbCl3. Cel mai comun catalizator pentru această reacție este clorura de aluminiu presublimată. De exemplu, mecanismul reacției de benzilare cu clorură de benzii în nitrobenzen în prezența AlCl3 anhidru ca catalizator este următorul: unde B: =AlCI4-; H2O sau altă bază. Viteza de reacție este limitată de a doua etapă. Structura exactă a intermediarului (RCl .AlCl3) este necunoscută. În principiu, pot fi imaginate o gamă largă de structuri, de la complexe moleculare până la carbocationi disociați. Este puțin probabilă participarea carbocationilor liberi ca agenți de alchilare. Dacă agenții de alchilare ar fi carbocationi liberi, atunci etapa lentă ar fi etapa formării lor (k1), iar reacția cu arenele ar fi rapidă și nu ar trebui respectată ordinul trei. Este extrem de puțin probabil ca agentul de alchilare să fie un complex molecular. La temperaturi scăzute, uneori este posibil să se izoleze complexe de halogenuri de alchil cu acizi Lewis. Ele sunt caracterizate printr-un schimb lent de halogen conform următoarei scheme: Cursul de schimb crește în seria R primar< втор.R<трет.R, что можно объяснить и ион-парным строением, и структурой координационного аддукта. Mulți cercetători care lucrează în acest domeniu cred că structura RX. MXn se schimbă treptat de la structura unui aduct de coordonare în cazul R=CH3 la structura unei perechi de ioni în cazul R=t-Bu, dar acest lucru nu a fost încă confirmat experimental. Capacitatea atomului de halogen din RX de a forma complecși cu AlCl3 sau alt acid Lewis dur scade brusc de la fluor la iod, drept urmare activitatea halogenurilor de alchil ca agenți de alchilare în reacția Friedel-Crafts scade și ea în ordinea RF > RCl> RBr> RI. Din acest motiv, iodurile de alchil nu sunt utilizate ca agent de alchilare. Diferența de activitate dintre fluorurile de alchil și bromurile de alchil este atât de mare încât permite înlocuirea selectivă a fluorului în prezența bromului în aceeași moleculă. Acilarea Friedel-Crafts Introducerea unei grupări acil într-un inel aromatic folosind un agent de acilare și un acid Lewis se numește acilare Friedel-Crafts. Agenții de acilare sunt de obicei halogenuri și anhidride acide în prezența halogenurilor de aluminiu, trifluorura de bor sau pentafluorura de antimoniu ca acizi Lewis. Halogenurile de acil și anhidridele acide formează complexe donor-acceptor de compoziție 1:1 și 1:2 cu acidul Lewis. Prin metode spectrale, s-a stabilit că clorura de aluminiu, trifluorura de bor și pentafluorura de antimoniu sunt coordonate la atomul de oxigen carbonil, deoarece este mai bazic decât atomul de clor vecin. Agentul electrofil în reacția de acilare a compușilor aromatici este fie acest complex donor-acceptor, fie cationul de acil format la disociere. Se poate presupune că etapa lentă a reacției este atacul unuia dintre cei trei electrofili (RCO+, RCOCl. AlCl3, RCOCl. Al2Cl6) asupra arenei, conducând la -complex. Eficacitatea acestor specii de acilare depinde de natura substratului, halogenură de acil și solvent, precum și de cantitatea de catalizator utilizată. În timpul acilării arenelor cu halogenuri de acil, catalizate de clorură sau bromură de aluminiu în solvenți aprotici polari (nitrobenzen, nitrometan etc.), agentul de acilare este cationul de aciliu, în timp ce într-un mediu cu polar scăzut (clorura de metilen, dicloroetanul sau tetraclorul). ) la reacție ia parte un complex donor-acceptor. Natura halogenurei de acil afectează, de asemenea, formarea și stabilitatea sărurilor de acil. Mecanismul de acilare Friedel-Crafts a arenelor sub acțiunea unui complex donor-acceptor este descrisă de următoarea diagramă: O cetonă aromatică este o bază Lewis mai puternică decât o halogenură de acil și formează un complex stabil cu AlCl3 sau alt acid Lewis. Prin urmare, pentru acilarea compușilor aromatici cu halogenuri de acil este necesară o cantitate echimolară ceva mai mare de catalizator, iar pentru acilarea cu anhidride acide, doi moli de catalizator (deoarece conțin doi atomi de oxigen carbonil). Cetona se izolează prin descompunerea complexului său cu AlCl3 cu apă sau acid clorhidric. Acilarea Friedel-Crafts este complet lipsită de dezavantajele care sunt inerente reacției de alchilare. În timpul acilării, este introdusă o singură grupare acil, deoarece cetonele aromatice nu reacţionează în continuare (la fel ca şi alte arene care conţin grupări puternice atrăgătoare de electroni: NO2, CN, COOR). Un alt avantaj al acestei reacții în comparație cu alchilarea este absența rearanjamentelor în agentul de acilare. În plus, acilarea nu este caracterizată prin reacții de disproporționare a produselor de reacție. Bibliografie reacție de substituție a moleculei aromatice 1.Kurts A.L., Livantsov M.V., Livantsova L.I. Substituția electrofilă în seria aromatică: Dezvoltarea metodologică pentru studenții din anul III. - Moscova, 1997. 2.Dneprovsky A.S. şi altele.Bazele teoretice ale chimiei organice/A.S. Dneprovsky, T.I. Temnikova: Manual pentru universități.- ed. a II-a, revăzută.- L.: Chimie, 1961. - 560 p. 3.Terney A. Modern organic chemistry.Volum 1: Manual.-Mir, 1981.-680 p. .Reutov O.A., Kurts A.L., Butin K.P. Chimie organică: Manual - M.: MSU, 1999. - 560 de ani. .Sykes P. Mecanisme de reacție în chimia organică. Pe. din engleza editat de Prof. VarshavskyYa. M. Ed. 3, M., „Chimie”, 1977. - 320 de ani.
