Le mécanisme de la réaction de substitution électrophile. Composés aromatiques Exemples de substitution électrophile

l-Le nuage électronique du noyau aromatique est soumis à l'attaque de réactifs électrophiles.

Les arènes entrent dans des réactions ioniques en passant par le mécanisme de substitution électrophile, désigné par le symbole S.E.(de l'anglais substitution électrophile).

De manière générale, le remplacement d'un proton dans le cycle benzénique par une particule électrophile E+ peut être représenté comme suit :

La réaction se déroule en plusieurs étapes. Tout d'abord, il est nécessaire de créer une particule électrophile à partir d'une molécule de réactif neutre E-Y. Ceci est réalisé en utilisant un catalyseur qui peut soit fortement polariser la liaison E-Y, soit la briser complètement de manière hétérolytique.

Une particule électrophile forme un composé instable n-complexe, dans lequel il est simultanément associé à tous les électrons pi du système aromatique.

Au stade décisif (lent), la particule électrophile forme une liaison covalente avec l'un des atomes de carbone grâce aux deux électrons du système pi de l'anneau. Dans ce cas, l'atome de carbone passe de épisode 2 -à l'état hybride sp 3 et le système aromatique est perturbé. Les quatre électrons pi restants sont répartis entre les cinq atomes de carbone de l'anneau et la molécule de benzène se transforme en complexe sigma(carbocation).

Au stade final (rapide), le complexe o est stabilisé. Pour lui, la stabilisation est plus avantageuse non pas par l'ajout d'une particule nucléophile, comme ce fut le cas dans la réaction d'addition des alcènes, mais par l'abstraction d'un proton de l'atome de carbone associé à l'électrophile. Dans ce cas, avec la participation de deux électrons de la liaison C-H rompante, un système pi aromatique fermé est recréé.

Ci-dessous, en utilisant le benzène comme exemple, les réactions de substitution électrophile les plus importantes sont présentées.

Halogénation. Le benzène ne réagit pas avec le chlore ou le brome dans des conditions normales. La réaction se produit uniquement en présence de catalyseurs, qui sont le plus souvent des halogénures d’aluminium ou de fer (III) anhydres. En conséquence, des arènes halogènes se forment.

Le rôle du catalyseur est de polariser la molécule halogène neutre, la transformant en particule électrophile. Lorsqu'une molécule d'halogène interagit avec un catalyseur, un complexe se forme dans lequel la liaison entre les atomes d'halogène est fortement polarisée. De ce fait, une dissociation du complexe peut se produire avec formation d'un cation halogène, par exemple C1+, qui est un électrophile fort.

Nitration. Le benzène ne réagit pratiquement pas avec l'acide nitrique concentré, même lorsqu'il est chauffé. Cependant, lorsqu'il est exposé à un mélange d'acides nitrique et sulfurique concentrés, ce qu'on appelle mélange nitrant, l'atome d'hydrogène est facilement remplacé par le groupe nitro NO2 - une réaction de nitration.

La particule électrophile attaquante dans cette réaction est le cation nitroyle NO2 +, formé par l'interaction des acides nitrique et sulfurique.

Sulfonation. Le benzène réagit lorsqu'il est chauffé avec de l'acide sulfurique concentré, ou mieux encore - avec de l'oléum (une solution de trioxyde de soufre S0 3 dans l'acide sulfurique). En conséquence, l'atome d'hydrogène est remplacé par un groupe sulfonique S0 3 H avec formation d'acide sulfonique.

La sulfonation des arènes est une réaction réversible. Lorsqu'il est chauffé avec de la vapeur d'eau, une réaction inverse se produit - désulfuration.

Alkylation. L'introduction de groupes alkyles dans le cycle aromatique par l'action d'haloalcanes est connue sous le nom de Réaction de Friedel-Crafts(1877). En conséquence, des homologues des arènes se forment.

L'alkylation se produit en présence des mêmes catalyseurs que dans la réaction d'halogénation, par exemple les halogénures d'aluminium. Le rôle des catalyseurs qui polarisent une molécule d’haloalcane pour former une particule électrophile est également similaire.

Réactions de substitution électrophile(Anglais) réaction électrophile de substitution ) - réactions de substitution dans lesquelles l'attaque est effectuée électrophile- une particule chargée positivement ou présentant un déficit en électrons. Lorsqu'une nouvelle liaison est formée, la particule sortante est électrofuge se sépare sans sa paire d'électrons. Le groupe partant le plus populaire est le proton H+.

Vue générale des réactions de substitution électrophile :

(électrophile cationique)

(électrophile neutre)

Il existe des réactions de substitution électrophile aromatiques (répandues) et aliphatiques (moins courantes). La nature des réactions de substitution électrophile spécifiquement pour les systèmes aromatiques s’explique par la densité électronique élevée du cycle aromatique, qui peut attirer les particules chargées positivement.

Les réactions de substitution électrophile aromatique jouent un rôle extrêmement important dans la synthèse organique et sont largement utilisées tant en laboratoire qu'en industrie.

Réactions de substitution électrophile aromatique

Pour les systèmes aromatiques, il existe en fait un mécanisme de substitution électrophile : S E Ar. Mécanisme S E 1(similaire au mécanisme SN 1) - est extrêmement rare, mais S E 2(correspondant par analogie S N 2) - ne se produit pas du tout.

Réactions S E Ar

Mécanisme de réaction S E Ar ou réactions de substitution électrophile aromatique(Anglais) Substitution aromatique électrophile ) est la réaction de substitution de composés aromatiques la plus courante et la plus importante et comprend deux étapes. Dans un premier temps, l'électrophile est ajouté, et dans un deuxième temps, l'électrofuge est séparé :

Au cours de la réaction, un intermédiaire chargé positivement se forme (sur la figure 2b). Ça s'appelle Ueland intermédiaire, ion aronium ou σ-complexe. Ce complexe est généralement très réactif et se stabilise facilement, éliminant rapidement le cation.

Stade limitant dans la grande majorité des réactions S E Ar est la première étape.

Vitesse de réaction S E Ar, généralement présenté sous la forme suivante :

Les particules attaquantes sont généralement des électrophiles relativement faibles, donc dans la plupart des cas la réaction S E Ar se produit sous l'influence d'un catalyseur - l'acide de Lewis. Les plus couramment utilisés sont AlCl 3, FeCl 3, FeBr 3, ZnCl 2.

Dans ce cas, le mécanisme réactionnel est le suivant (en prenant l'exemple de la chloration du benzène, catalyseur FeCl 3) :

1. Dans un premier temps, le catalyseur interagit avec la particule attaquante pour former un agent électrophile actif :

2. Dans une deuxième étape, en effet, le mécanisme est mis en œuvre S E Ar:

Réactions typiques de substitution électrophile aromatique

Dans les benzènes substitués, ce qu'on appelle ipso-attaquer, c'est-à-dire remplacer un substituant existant par un autre :

Réactions de substitution électrophile aliphatique

Réactions S E 1

Mécanisme de réaction S E 1 ou réactions de substitution électrophile monomoléculaire(Anglais) substitution électrophile unimoléculaire ) similaire au mécanisme SN 1 comprend les étapes suivantes :

1. Ionisation du substrat avec formation d'un carbanion (étape lente) :

2. Attaque électrophile du carbanion (étape rapide) :

Le plus souvent, une particule qui s'échappe dans des réactions extrêmement rares S E 1 est un proton.

Réactions S E 2

Mécanisme de réaction S E 2 ou réactions de substitution électrophile bimoléculaire(Anglais) substitution bimoléculaire électrophile ) similaire au mécanisme S N 2, se produit en une seule étape, sans formation intermédiaire d'un intermédiaire :

La principale différence avec le mécanisme nucléophile est que l'attaque de l'électrophile peut être effectuée soit par l'avant, soit par l'arrière, ce qui peut conduire à un résultat stéréochimique différent : à la fois racémisation et inversion.

Un exemple est la réaction de tautomérisation cétone-énol :

Tautomérisation cétone-énol

Remarques

Fondation Wikimédia.

• 2010.
• 
  

- (réaction électrophile d'addition anglaise) réactions d'addition dans lesquelles l'attaque au stade initial est réalisée par une particule électrophile chargée positivement ou présentant un déficit en électrons. Au stade final, le résultat... ... Wikipédia Mécanisme des réactions de substitution électrophile dans le cycle aromatique

1) comprend un certain nombre d'étapes successives. Formation d'une particule électrophile

. Généralement, des espèces électrophiles se forment au cours de la réaction en présence de catalyseurs et de conditions appropriées. Par exemple, lors du chauffage de l'acide nitrique, un cation nitronium se forme (a), de l'acide sulfurique - un cation sulfonium (b), et lors de l'halogénation (par exemple, chloration), une particule électrophile se forme, qui peut être représentée par un cation halogène. ou sous forme de complexe halogène avec un catalyseur (c) :

nitronium sulfonium

cation cation

Ou

complexe de chlore

2) cation avec catalyseur Formation du complexe p se produit lors d'une attaque p- nuage électronique de l'anneau par une particule électrophile, par exemple un complexe de chlore avec un catalyseur, formant ainsi p - complexe par

3)type donneur-accepteur. Formation du complexe s se produit lors d'une attaque se produit lorsqu'une liaison covalente se produit entre un électrophile et l'atome de carbone du cycle benzénique, en raison d'une paire d'électrons système cyclique, qui s'accompagne de la transition de l'atome de carbone de sp système cyclique, qui s'accompagne de la transition de l'atome de carbone de 2 - dans

3 - état hybridé. réalisée grâce à l'abstraction d'un proton d'hydrogène de s- complexe utilisant une base.

Schéma du mécanisme de la réaction de substitution électrophile dans le benzène

en utilisant l'exemple de la réaction de chloration

La substitution électrophile dans le benzène conduit à la formation d'un seul produit de monosubstitution, qui est déterminé par la distribution uniforme de la densité électronique dans le système cyclique conjugué et, par conséquent, une attaque tout aussi probable par l'électrophile sur l'un des six atomes de carbone du benzène.

Réactions de substitution

Substitution électrophile dans le benzène présenté par des schémas de synthèse d'homologues du benzène (a) et de ses dérivés (b).

a) Synthèse des homologues du benzène :

b) Synthèse de dérivés benzéniques :

Halogénation. Le benzène dans des conditions normales n'interagit pas avec le chlore et le brome. La réaction se produit uniquement en présence de catalyseurs, qui sont le plus souvent des halogénures d'aluminium et de fer (acides de Lewis).

Nitration. Le benzène est nitré avec un mélange d'acides nitrique et sulfurique concentrés ( mélange nitrant) lorsqu'il est chauffé à 60 o C avec formation de nitrobenzène.

Sulfonation. Lorsque le benzène réagit avec un acide concentré ou de l'oléum ( mélange d'acide sulfurique concentré et d'anhydride sulfurique– SO 3) il se forme de l'acide benzènesulfonique.

Acylation est l'une des méthodes de synthèse des cétones aromatiques. Les chlorures d'acide (RCOCI) ou les anhydrides d'acide (RCO-O-OCR) sont utilisés comme réactifs acylants. La réaction est réalisée dans un solvant apolaire en présence de chlorure d'aluminium.

Alkylation est l'un des moyens d'obtenir des homologues du benzène. Les haloalcanes, alcools et alcènes en présence d'halogénures métalliques (aluminium, fer, étain, etc.) peuvent être utilisés comme réactifs alkylants.

Règles d'orientation dans les réactions électrophiles

Substitutions dans le benzène

Dans les dérivés du benzène et de ses homologues, les substituants perturbent la répartition uniforme de la densité électronique et affectent ainsi, d'une certaine manière, la réactivité et la direction d'attaque dans le cycle benzénique. Considérons l'influence orientatrice des substituants, due à l'effet total de leurs effets électroniques (voir 2.5 ; Tableau 2.2), en prenant l'exemple du phénol et du nitrobenzène.

Dans une molécule phénol le substituant (-OH) présente inductif négatif (-je ) Et mésomère positif (+M ) effets électroniques, ces derniers étant prédominants dans le total donneur d'électrons(ED ) action (a). Effet électronique ED le substituant conduit à une redistribution de la densité électronique dans le cycle élevage elle dans ortho- Et paire– les postes dans lesquels soulagé

Dans une molécule nitrobenzène le substituant (-NO 2) présente inductif négatif (-je ) Et mésomère négatif (+M ) effets électroniques, qui se manifestent dans le total attracteur d'électrons (EA ) action (b). Effet électronique EA le substituant entraîne une redistribution de la densité électronique dans le cycle, abaissement elle dans ortho- Et paire– les postes dans lesquels a du mal attaque par des réactifs électrophiles.

phénol nitrobenzène

Règles de remplacement :

1) Substituants donneurs d'électrons (ED ) augmentent la densité électronique de l'anneau et augmentent ainsi la vitesse de réaction de substitution électrophile. Aux substituants présentant ED caractère, les groupes comprennent : - NH 2, - OH, - OR, - R, qui orientent la substitution électrophile dans ortho- Et paire- position. L'exception concerne les halogènes, qui dirigent les espèces électrophiles préférentiellement vers paire- position.

2) Substituants attracteurs d'électrons (EA ) réduisent la densité électronique de l'anneau et réduisent ainsi la vitesse de réaction de substitution électrophile. Aux substituants présentant EA caractère, comprennent des groupes : - NO 2, - COOH, - SO 3 H, >C=O, etc., qui orientent la substitution électrophile dans méta- position, ce qui rend la tâche difficile.

Les règles de substitution peuvent être démontrées dans les réactions de nitration du benzène (a) et de ses dérivés contenant des substituants donneurs d'électrons (b) et attracteurs d'électrons (c). Les schémas réactionnels présentés reflètent les conditions et le rendement du produit de réaction (en %), reflétant l'activité de l'influence orientatrice du substituant dans ortho-, méta- ou paire– les dispositions. En règle générale, l'équation de réaction indique la direction d'attaque électrophile qui est la plus préférable dans des conditions de réaction données :

a) nitration du benzène :

nitrobenzène

b) nitration du phénol :

ortho-nitro- paire-nitro- picrique

phénol phénol acide

c) nitration du nitrobenzène :

méta-dinitrobenzène

Les effets électroniques des substituants permettent de classer les composés donnés dans la série suivante en fonction de la diminution d'activité de la réaction de nitration : phénol, benzène et nitrobenzène.

S'il y a plus d'un substituant sur le cycle benzénique, alors il y a influence d'orientation Peut être convenu ou incompatible, en fonction de leur type et de leur position relative.

Un exemple d'orientation coordonnée est la réaction de nitration ortho- le nitrophénol et paire- nitrophénol en acide picrique (réaction b). Dans ce cas, les deux substituants (donneur d'électrons - OH, attracteur d'électrons - NO 2) orientent de manière coordonnée la substitution électrophile ultérieure dans ortho- Et paire- position par rapport au groupe hydroxyle.

Influence d’orientation ED le substituant est décisif dans la réaction de substitution électrophile, dans le cas de son action d'orientation incompatible avec EA adjoint

Les règles d'influence orientatrice des substituants sont utilisées pour une synthèse ciblée, comprenant plusieurs réactions séquentielles. Par exemple, pour obtenir du toluène ortho-, méta- Et paire- les acides nitrobenzoïques doivent subir des réactions de nitration et d'oxydation dans un certain ordre.

Le groupe méthyle (- CH 3) appartient aux substituants donneurs d'électrons ; par conséquent, selon les règles d'influence orientatrice, il dirige la substitution électrophile vers ortho- Et paire- les dispositions (a).

Le groupe carboxyle (-COOH) est un substituant attracteur d'électrons ; par conséquent, selon les règles d'influence orientante, il dirige la substitution électrophile vers méta- le poste (b).

Ainsi, afin d'obtenir tous les isomères de l'acide nitrobenzoïque à partir du toluène, il est nécessaire d'effectuer la synthèse conformément aux schémas réactionnels présentés ci-dessous.

a) Schéma de synthèse ortho - Et paire - les isomères de l'acide nitrobenzoïque implique de réaliser dans un premier temps une réaction de nitration, puis d'oxydation :

b) Schéma de synthèse méta – l'isomère de l'acide nitrobenzoïque implique dans un premier temps de réaliser une réaction d'oxydation, puis de nitration :

Les arènes sont caractérisées par trois types de réactions :

1) substitution électrophile S E Ar (destruction de la liaison C-H) ;

2) réactions d'addition (destruction de la liaison p) ;

3) réactions avec destruction du cycle benzénique.

Substitution électrophile dans les arènes (S E Ar)

Les réactions de substitution électrophile se déroulent selon le schéma général par la formation de complexes π et σ

Comme il ressort du schéma présenté, la substitution aromatique S E Ar se produit via le mécanisme d'addition-élimination. Pour l'ajout d'un agent électrophile X+ au substrat aromatique avec formation d'un complexe σ, suivie de l'abstraction d'un proton pour former le produit de réaction.

Les réactions de substitution électrophile dans les arènes suivent généralement une équation cinétique du second ordre ( v = k2[X+]).

Considérons la progression étape par étape du processus.

Étape 1. Formation de complexes π

.

π–Complexes – composés de coordination dans lesquels le donneur d'électrons est un composé aromatique qui possède des électrons π facilement polarisables. π-complexes – pas des composés chimiques classiques dans lesquels une espèce électrophile est liée par une liaison covalente à un atome covalent du réactif. La plupart des complexes π se décomposent facilement lorsqu'ils sont chauffés ou exposés à l'eau.

La capacité à former des complexes π dans les arènes augmente dans l'ordre suivant :

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

Plus la densité électronique d’un composé est élevée, plus il forme facilement des complexes π.

Étape 2. Formation de complexes σ

σ-Complexes- ce sont des cations, lors de la formation desquels le réactif X+ forme une liaison covalente avec l'un des atomes de carbone grâce aux 2 électrons π du cycle benzénique, tandis que cet atome de C passe de épisode 2-états dans épisode 3-hybridation, dans laquelle ses quatre valences forment un angle de ~109 0. La symétrie du cycle benzénique est rompue. Groupe X et l'atome d'hydrogène se retrouve dans un plan perpendiculaire au plan du noyau benzénique.

La stabilité des complexes σ augmente avec l'augmentation de la basicité du cycle benzénique

Cette étape est la plus lente de toute la réaction et est appelée limitant.

Étape 3. Détachement d'un proton d'un complexe σ

Dans la dernière étape, le proton est détaché du complexe σ et le nuage d'électrons 6π (structure aromatique) est restauré. Ce processus se produit avec un gain d'énergie d'environ 42 kJ/mol. Dans de nombreuses réactions, l'abstraction d'un proton au stade final est facilitée par la base appropriée présente dans la solution.

Selon le mécanisme considéré, les réactions suivantes se produisent dans les arènes.

Cependant, le système proposé ne doit pas être considéré comme absolument prouvé et universel. Dans divers processus, le déroulement de la réaction est influencé par :

Ø structure du substrat ;

Ø activité chimique du réactif ;

Ø conditions du processus ;

Ø la nature, l'activité du catalyseur et d'autres facteurs, qui peuvent conduire à des écarts dans des cas particuliers par rapport au schéma de procédé proposé.

Examinons quelques exemples de substitution électrophile dans le benzène.

Exemple 1 : Bromation du benzène

Le brome moléculaire est un agent électrophile trop faible et, en l'absence de catalyseur, ne réagit pas avec le benzène.

Le plus souvent, la réaction de bromation du benzène est réalisée en présence de bromure de fer (III), qui joue le rôle d'acide de Lewis, ce dernier étant obtenu dans la masse réactionnelle par interaction directe du brome avec le fer ;

Étape 1. Formation de réactif électrophile E + .

La molécule de brome est activée par une réaction acide-base avec un acide de Lewis.

Étape 2. Formation du π-complexe 1.

L'ion bromonium libre ou l'ion faisant partie d'une paire d'ions est un agent électrophile actif capable de réagir avec le benzène ; dans ce cas, le π-complexe 1 est d'abord formé

Le rôle d'un agent électrophile à ce stade peut également être joué par un complexe donneur-accepteur. .

Étape 3. Réarrangement du complexe π 1 et formation d'un complexe σ ou ion arénonium.

C'est l'étape la plus lente de toute la réaction

Étape 4. Réarrangement du complexe σ en produit de substitution du complexe π 2. Un proton est séparé de l’atome de carbone en cours de substitution ; dans le cycle, un sextet aromatique d'électrons se forme à nouveau - une réaromatisation est observée

Étape 5. Dissociation du π-complexe 2 avec formation d'un produit de substitution

Le mécanisme de bromation électrophile du benzène est illustré par le diagramme énergétique de la réaction présenté sur la figure 11.

Riz. 11. Diagramme énergétique de la réaction

bromation électrophile du benzène;

PS – état de transition.

Les étapes 2 et 5, y compris les complexes π de l'arène initial et du produit de substitution, sont souvent omises dans les schémas du mécanisme de substitution aromatique électrophile. Avec cette approche, la substitution aromatique électrophile réelle ne comporte que trois étapes.

Étape 1" – formation d'un agent électrophile.

Étape 2" – formation d'un complexe σ, contournant le complexe π 1.

Étape 3" – décomposition du σ-complexe avec formation d'un produit de substitution, contournant le π-Complexe 2.

Exemple 2 Nitration des arènes

La nitration consiste à remplacer l'atome d'hydrogène du cycle benzénique par le groupe nitro NO 2 . Le benzène réagit lentement avec l'acide nitrique concentré, même lorsqu'il est chauffé. Par conséquent, la nitration est le plus souvent réalisée à l'aide d'un agent nitrant plus actif - mélange nitrant– des mélanges d'acides nitrique et sulfurique concentrés. La nitration des arènes avec un mélange nitrant est la principale méthode d'obtention de composés nitro aromatiques

La nitration du benzène avec un mélange nitrant est effectuée à 45-50 0 C. La réaction de nitration étant irréversible, l'acide nitrique est utilisé en excès minime (5-10 %), permettant une conversion presque complète du benzène.

L'acide sulfurique dans le mélange nitrant est nécessaire pour augmenter la concentration de l'agent électrophile - l'ion nitronium NO 2 +.

Étape 1. Formation d'un agent électrophile.

L’agent électrophile actif lors de la nitration est l’ion nitronium, potentiellement présent dans toute une classe de composés.

Par exemple : HO _ NO2, O2N _ Ô _ NON 2, etc.

Leur propension à former des ions nitronium augmente avec l'électronégativité du substituant lié au groupe nitro.

Le groupe hydroxyle en tant que tel ne peut pas être clivé, c'est pourquoi l'ion nitronium de l'acide nitrique ne se forme que dans un environnement acide.

Dans le cas le plus simple, l’acide nitrique peut se protoner (« auto-protonation »)

Cependant, l'équilibre est déplacé vers la gauche, donc l'acide nitrique nitrate faiblement.

Lorsque de l'acide sulfurique concentré est ajouté, la concentration du cation - augmente considérablement

L'effet nitrant d'un mélange d'acide nitrique et sulfurique (mélange nitrant) est beaucoup plus fort que celui de l'acide nitrique seul. Des augmentations supplémentaires de la réactivité peuvent être obtenues en utilisant de l'acide nitrique fumant et de l'oléum.

Étape 2. Formation du complexe σ

Étape 3.Émission d'un proton pour former un produit de substitution

En pratique, il faut faire correspondre l'activité de l'agent nitrant avec la réactivité du noyau aromatique.

Ainsi, par exemple, les phénols et les éthers phénols sont nitrés avec de l'acide nitrique déjà dilué, tandis que la nitration du benzaldéhyde, de l'acide benzoïque, du nitrobenzène, etc. nécessite un mélange d’acide nitrique fumant et d’acide sulfurique.

Le m-Dinitrobenzène est difficile à nitrater même avec un mélange d'acides nitrique et sulfurique fumants (5 jours, 110 0 C ; rendement 45 %).

Lors de la nitration, la réaction secondaire la plus courante est l’oxydation. Elle est favorisée par une augmentation de la température de réaction. Le processus d'oxydation est déterminé par la libération d'oxydes d'azote. Les aldéhydes, les alkylarylcétones et, dans une moindre mesure, les alkylbenzènes sont également sensibles à l'oxydation lors de la nitration.

Exemple 3 : Alkylation des arènes

R-HIg, ROH, R-CH=CH 2 peuvent être utilisés comme agents alkylants en présence de catalyseurs appropriés (notamment AICI 3, AIBr 3, H 2 SO 4).

Les catalyseurs génèrent (forment) une particule électrophile - un carbocation

Les réactions d'alkylation ont trois limitations sérieuses :

1) la réaction est difficile à arrêter au stade de monoalkylation, c'est-à-dire on procède ensuite à la formation de polyalkylbenzènes ; Pour supprimer la polyalkylation, un excès d'arène est généralement utilisé ;

2) si l'arène ne contient que des substituants électroaccepteurs (par exemple, -NO 2), alors la réaction d'alkylation ne peut pas être réalisée ;

3) la réaction d'alkylation s'accompagne d'un réarrangement du radical alkyle.

Le réarrangement du radical alkyle en le radical le plus stable est une propriété caractéristique des carbocations

Règles d'orientation

Les réactions de substitution de l'hydrogène dans le benzène se produisent également au niveau de n'importe quel atome de carbone, puisque la molécule de benzène est symétrique. Cependant, si le benzène possède déjà un substituant, alors les positions restant libres pour les réactions de substitution électrophile deviennent inégales.

Les lois qui déterminent les directions des réactions de substitution dans le cycle benzénique sont appelées règles d'orientation.

–Activation du groupe– un substituant qui rend le cycle benzénique plus réactif dans les réactions de substitution électrophile par rapport au benzène non substitué.

–Groupe de décontamination– un substituant qui rend le cycle benzénique moins réactif dans les réactions de substitution électrophile par rapport au benzène non substitué.

– o-, p-orientant– un substituant qui dirige l’attaque de l’électrophile principalement vers la position o ou p du cycle benzénique.

– m-orientant– un substituant qui dirige l’attaque de l’électrophile principalement vers la position m du cycle benzénique.

En général, la substitution électrophile dans le benzène monosubstitué peut se dérouler dans trois directions

La réactivité des atomes de carbone dans ce cas est déterminée par trois facteurs :

1) la nature du substituant existant ;

2) la nature de l'agent actif ;

3) conditions de réaction.

Selon leur influence sur l'orientation dans ces réactions, tous les substituants sont divisés en deux groupes : les substituants du premier type (ortho-, para-orientants) et les substituants du second type (méta-orientants).

La réaction du benzène la plus largement utilisée est le remplacement d’un ou plusieurs atomes d’hydrogène par un groupe électrophile. De nombreuses substances importantes sont ainsi synthétisées. Le choix des groupes fonctionnels pouvant être ainsi introduits dans les composés aromatiques est très large, et de plus, certains de ces groupes peuvent être transformés en d'autres groupes après introduction dans le cycle benzénique. L’équation générale de la réaction est :

Vous trouverez ci-dessous cinq des réactions les plus courantes de ce type et des exemples de leur utilisation.

Nitration:

Sulfonation :

Dikylation de Friedel-Crafts :

Acylation de Friedel-Crafts :

Halogénation (chloration et bromation uniquement) :

Les réactions suivantes sont souvent utilisées pour transformer davantage les composés résultant d'une substitution électrophile aromatique.

Restauration de la chaîne latérale :

Réduction du groupe nitro :

Diazotation et autres transformations

L'aniline et ses substituts peuvent être convertis en composés hautement réactifs et capables appelés sels de diazonium :

Les sels de diazonium servent de matières premières pour la synthèse d'une grande variété de composés aromatiques (Schéma 9-1). Dans de nombreux cas, la méthode de synthèse du sel de diazonium est le seul moyen d’introduire un groupe fonctionnel dans un composé aromatique.

Le remplacement du groupe diazonium par des atomes de chlore et de brome, ainsi que par un groupe cyano, est obtenu par l'interaction des sels de diazonium avec des sels de cuivre (1). Les atomes d'iode et de fluor ne peuvent pas être introduits dans le cycle aromatique par halogénation directe. Les iodures et fluorures aromatiques sont préparés en traitant respectivement les sels de diazonium avec de l'iodure de potassium et de l'acide hydrofluoroborique.

Les acides carboxyliques aromatiques peuvent être préparés soit par hydrolyse du groupe nitrile, soit par action du dioxyde de carbone sur le réactif de Grignard (plus d'informations sur cette réaction seront discutées au chapitre 12). Les phénols en laboratoire sont le plus souvent obtenus par hydrolyse de sels de diazonium.

Diagramme 9-2. Réactions des sels de diazonium

Le groupe diazonium (et donc également le groupe amino et le groupe nitro) peut être éliminé (c'est-à-dire remplacé par un atome d'hydrogène) par l'action des sels de diazonium de l'acide hypophosphoreux.

Enfin, l'interaction des sels de diazonium avec les composés aromatiques activés conduit à la formation de colorants azoïques. Les colorants peuvent être de couleurs très différentes selon la nature des substituants présents sur les deux noyaux aromatiques.

L'acide nitreux, qui est utilisé pour obtenir des sels de diazonium, est une substance peu stable et est préparé in situ (c'est-à-dire directement dans le récipient de réaction) à partir de nitrite de sodium et d'acide chlorhydrique. Dans le diagramme de réaction, le traitement à l'acide nitreux peut être représenté de deux manières, utilisées ci-dessous :

Voici quelques exemples de réactions de sels de diazonium :

Préparation de substances pratiquement importantes à l'aide de réactions de substitution électrophile

Colorants. La synthèse du méthylorange est présentée ci-dessous. Si vous prenez les composés d'origine avec d'autres substituants dans les cycles aromatiques, la couleur du colorant sera différente.

Polymères. Le polystyrène est obtenu par polymérisation du styrène (voir chapitre 6), qui, à son tour, peut être synthétisé comme suit. Le benzène est acylé par Friedel-Crafts en utilisant de l'anhydride acétique au lieu du chlorure d'acétyle, la cétone résultante est réduite en alcool, qui est ensuite déshydratée en utilisant de l'hydrogénosulfate de potassium comme catalyseur acide :

Médicaments. dans la synthèse du sulfamide (streptocide), les deux premières étapes sont des réactions que nous avons déjà rencontrées. La troisième étape est la protection du groupe amino. Ceci est nécessaire pour empêcher l'interaction de l'acide chlorosulfonique avec le groupe amino. Une fois que le groupe a réagi avec l'ammoniac, le groupe protecteur peut être éliminé.

Le streptocide a été l'un des premiers médicaments antimicrobiens du groupe des sulfamides. Il est encore utilisé aujourd'hui.

Les réactions de substitution électrophile permettent l’introduction de nombreux groupes différents dans le cycle aromatique. Beaucoup de ces groupes peuvent ensuite être transformés lors de la synthèse.

Mécanisme de substitution électrophile aromatique

Il a été établi que la substitution électrophile des composés aromatiques se produit en deux étapes. Tout d’abord, un électrophile (qui peut être généré par diverses méthodes) est ajouté au cycle benzénique. Dans ce cas, un cation glucides stabilisé par résonance est formé (ci-dessous entre parenthèses). Ce cation perd alors un proton et devient un composé aromatique.

Ici, pour plus de clarté, les formules des composés aromatiques sont représentées avec des doubles liaisons. Mais vous, bien sûr, rappelez-vous qu’il existe en réalité un nuage d’électrons délocalisés.

Les mécanismes des deux réactions, y compris l'étape de génération électrophile, sont indiqués ci-dessous. Haogénation

Génération électrophile :

Substitution:

Acylation Friedel-Crafts Génération électrophile :

Substitution:

Influence des députés

Lorsqu'un benzène substitué réagit avec un électrophile, la structure du substituant déjà présent sur le cycle benzénique a un effet significatif sur l'orientation de la substitution et sa vitesse.

En fonction de leur effet sur le taux et l'orientation de la substitution électrophile, tous les substituants possibles peuvent être divisés en trois groupes.

1. Activation des orthopara-orientants. En présence d'un substituant de ce groupe dans un composé aromatique, il réagit plus rapidement que le benzène non substitué, et l'électrophile est dirigé vers les positions ortho et para du substituant et un mélange de benzènes ortho et para disubstitués se forme . Ce groupe comprend les substituants suivants :

2. Désactivation des méta-orientants. Ces substituants ralentissent la réaction par rapport au benzène et dirigent l'électrophile vers la position méta. Ce groupe comprend :

3. Décontamination des ortho-, para-orientants. Ce groupe comprend les atomes d'alogènes.

Exemples d’orientation pour la substitution électrophile :

Explication de l'influence des substituants

Pourquoi différents substituants ont-ils des effets si différents sur la nature de la substitution électrophile ? La réponse à cette question peut être obtenue en analysant la stabilité des intermédiaires formés dans chaque cas. Certains de ces carbocations intermédiaires seront plus stables, d’autres moins stables. Rappelons que si un composé peut réagir de plusieurs manières, la réaction suivra le chemin qui produit l’intermédiaire le plus stable.

Ci-dessous, les structures de résonance des particules intermédiaires formées lors de l'attaque électrophile d'un cation en positions ortho et para du phénol, qui possède un puissant substituant activateur - ortho, para-orientant, toluène, qui possède un substituant avec le même , mais des propriétés beaucoup plus faibles, et le nitrobenzène, qui possède dans lequel le groupe nitro est un agent d'orientation et désactive le cycle :

Lorsqu'un électrophile attaque à la fois les positions ortho et para du phénol, davantage de structures de résonance peuvent être écrites pour l'intermédiaire résultant que pour l'intermédiaire de méta-substitution. De plus, cette structure « supplémentaire » (encerclée dans un cadre) apporte une contribution particulièrement importante

dans la stabilisation du cation, puisque tous les atomes qu'il contient possèdent un octet d'électrons. Ainsi, avec une attaque ortho- ou para-orientée d'un électrophile, un cation plus stable apparaît qu'avec une attaque en position méta, donc la substitution se produit principalement en positions ortho- et para. Étant donné que le cation résultant d'une telle substitution est plus stable que le cation formé à partir du benzène non substitué, le phénol subit des réactions de substitution électrophile beaucoup plus facilement que le benzène. Notez que tous les substituants qui activent fortement ou modérément le cycle aromatique dans les réactions de substitution électrophile ont un atome associé au cycle avec des paires d'électrons libres. Ces électrons peuvent être introduits dans l’anneau. Dans ce cas, une structure de résonance apparaît avec une charge positive sur un atome électronégatif (oxygène ou azote). Tout cela stabilise l'intermédiaire et augmente la vitesse de réaction (activation de la résonance).

Dans le cas du toluène, la substitution aux positions ortho et d donne un cation plus stable que lorsque l'électrophile attaque la position méta.

Dans les structures de résonance en boîte, la charge positive se trouve sur les atomes de carbone tertiaires (carbocations tertiaires, voir chapitre 5). Lors de l'attaque de la position méta, aucun carbocation tertiaire n'est formé. Là encore, les ortho- et para-substitutions passent par des espèces intermédiaires légèrement plus stables que la méta-substitution et que la substitution dans le benzène lui-même. Par conséquent, la substitution dans le toluène est dirigée vers les positions ortho et para et se déroule un peu plus rapidement que la substitution dans le Lysol (activation due à l'effet inductif).

Tous les groupes désactivants, y compris le groupe nitro, ont la propriété de retirer des électrons au cycle aromatique. Il en résulte une déstabilisation du cation intermédiaire. En particulier

(cliquez pour voir l'analyse)

Les intermédiaires résultant de l'attaque aux positions ortho et para sont fortement déstabilisés, puisque la charge positive partielle est située immédiatement à côté du groupe nitro (les structures de résonance correspondantes sont encadrées). Par conséquent, la méta-substitution est préférée à la substitution ortho et para. Le nitrobenzène subit une substitution électrophile beaucoup plus difficilement que le benzène, car la densité électronique dans le cycle est réduite et l'attraction mutuelle du cycle aromatique et de l'électrophile est affaiblie.

Les réactions d'addition électrophile se déroulent en deux étapes par formation d'un cation intermédiaire. Différents substituants sur le cycle benzénique ont des effets différents sur les taux et les orientations de substitution. Cet effet peut être expliqué en tenant compte de la stabilité des intermédiaires formés dans chaque cas.