Mehanizem reakcije elektrofilne substitucije. Aromatske spojine Primeri elektrofilnih substitucij

l-Elektronski oblak aromatskega obroča je podvržen napadu elektrofilnih reagentov.

Areni vstopajo v ionske reakcije, ki potekajo prek mehanizma elektrofilne substitucije, označene s simbolom J E(iz angleščine nadomestni elektrofilni).

Na splošno lahko zamenjavo protona v benzenovem obroču z elektrofilnim delcem E + predstavimo na naslednji način:

Reakcija poteka skozi več stopenj. Najprej je treba ustvariti elektrofilni delec iz nevtralne molekule reagenta E-Y. To dosežemo z uporabo katalizatorja, ki lahko močno polarizira E-Y vez ali pa jo popolnoma heterolitsko prekine.

Elektrofilni delec tvori nestabilno n-kompleks, v katerem je hkrati povezan z vsemi pi elektroni aromatskega sistema.

Na odločilni (počasni) stopnji tvori elektrofilni delec kovalentno vez z enim od ogljikovih atomov zaradi dveh elektronov pi sistema obroča. V tem primeru gre atom ogljika iz sp 2 - v sp 3 -hibridnem stanju in je aromatski sistem moten. Štirje preostali pi elektroni se porazdelijo med pet ogljikovih atomov obroča in molekula benzena se spremeni v sigma kompleks(karbokation).

V končni (hitri) fazi se o-kompleks stabilizira. Zanj stabilizacija ni ugodnejša z dodatkom nukleofilnega delca, kot je bilo v primeru adicijske reakcije v alkenih, temveč z odvzemom protona iz ogljikovega atoma, povezanega z elektrofilom. V tem primeru se s sodelovanjem dveh elektronov prekinitve C-H vezi ponovno ustvari zaprt aromatski pi sistem.

Spodaj so na primeru benzena prikazane najpomembnejše elektrofilne substitucijske reakcije.

Halogeniranje. Benzen v normalnih pogojih ne reagira s klorom ali bromom. Reakcija poteka samo v prisotnosti katalizatorjev, ki so najpogosteje brezvodni aluminijevi ali železovi (III) halogenidi. Posledično nastanejo s halogenom substituirani areni.

Vloga katalizatorja je, da polarizira nevtralno molekulo halogena in jo pretvori v elektrofilni delec. Ko molekula halogena interagira s katalizatorjem, nastane kompleks, v katerem je vez med atomi halogena močno polarizirana. Posledično lahko pride do disociacije kompleksa s tvorbo halogenskega kationa, na primer C1 +, ki je močan elektrofil.

Nitriranje. Benzen praktično ne reagira s koncentrirano dušikovo kislino tudi pri segrevanju. Ko pa je izpostavljen mešanici koncentrirane dušikove in žveplove kisline, se pojavi t.i mešanica za nitriranje, vodikov atom zlahka zamenjamo z nitro skupino NO2 – reakcija nitracije.

Napadni elektrofilni delec v tej reakciji je nitroil kation NO2 +, ki nastane pri interakciji dušikove in žveplove kisline.

Sulfoniranje. Benzen reagira pri segrevanju s koncentrirano žveplovo kislino ali še bolje - z oleumom (raztopina žveplovega trioksida SO 3 v žveplovi kislini). Posledično se atom vodika nadomesti s sulfonsko skupino S0 3 H s tvorbo sulfonske kisline.

Sulfoniranje arenov je reverzibilna reakcija. Pri segrevanju z vodno paro pride do obratne reakcije - razžveplanje.

Alkiliranje. Uvedba alkilnih skupin v aromatski obroč z delovanjem haloalkanov je znana kot Friedel-Craftsova reakcija(1877). Posledično nastanejo homologi arenov.

Alkilacija poteka v prisotnosti istih katalizatorjev kot pri reakciji halogeniranja, na primer aluminijevih halogenidov. Podobna je tudi vloga katalizatorjev, ki polarizirajo molekulo haloalkana, da nastane elektrofilni delec.

Reakcije elektrofilne substitucije(angleščina) substitucijska elektrofilna reakcija ) - nadomestne reakcije, v katerih se izvede napad elektrofil- delec, ki je pozitivno nabit ali ima pomanjkanje elektronov. Ko nastane nova vez, se odhajajoči delec elektrofuga odcepi brez svojega elektronskega para. Najbolj priljubljena odhajajoča skupina je proton H+.

Splošni pogled na elektrofilne substitucijske reakcije:

(kationski elektrofil)

(nevtralni elektrofil)

Obstajajo aromatske (široko razširjene) in alifatske (manj pogoste) elektrofilne substitucijske reakcije. Narava elektrofilnih substitucijskih reakcij posebej za aromatske sisteme je razložena z visoko gostoto elektronov aromatskega obroča, ki lahko pritegne pozitivno nabite delce.

Reakcije aromatske elektrofilne substitucije igrajo izjemno pomembno vlogo v organski sintezi in se pogosto uporabljajo tako v laboratorijski praksi kot v industriji.

Aromatske elektrofilne substitucijske reakcije

Za aromatske sisteme dejansko obstaja en mehanizem elektrofilne substitucije - S E Ar. Mehanizem S V 1(podobno kot mehanizem S N 1) - je izjemno redka, vendar S V 2(ustreza po analogiji S N 2) - se sploh ne pojavi.

Reakcije S E Ar

Reakcijski mehanizem S E Ar oz aromatske elektrofilne substitucijske reakcije(angleščina) Elektrofilna aromatska substitucija ) je najpogostejša in najpomembnejša reakcija substitucije aromatskih spojin in je sestavljena iz dveh stopenj. Na prvi stopnji dodamo elektrofil, na drugi stopnji pa ločimo elektrofugo:

Med reakcijo nastane pozitivno nabit intermediat (na sliki 2b). Imenuje se Ueland intermediate, aronijev ion oz σ-kompleks. Ta kompleks je na splošno zelo reaktiven in se zlahka stabilizira ter hitro odstrani kation.

Omejevalna faza pri veliki večini reakcij S E Ar je prva stopnja.

Hitrost reakcije S E Ar, običajno predstavljen v naslednji obliki:

Napadajoči delci so običajno razmeroma šibki elektrofili, zato je v večini primerov reakcija S E Ar nastane pod vplivom katalizatorja – Lewisove kisline. Najpogosteje uporabljeni so AlCl 3, FeCl 3, FeBr 3, ZnCl 2.

V tem primeru je reakcijski mehanizem naslednji (na primeru kloriranja benzena, katalizator FeCl 3):

1. Na prvi stopnji katalizator medsebojno deluje z napadajočim delcem, da tvori aktivno elektrofilno sredstvo:

2. Na drugi stopnji se mehanizem dejansko izvaja S E Ar:

Tipične aromatske elektrofilne substitucijske reakcije

V substituiranih benzenih, t.i ipso-napad, to je zamenjava obstoječega substituenta z drugim:

Alifatske elektrofilne substitucijske reakcije

Reakcije S E 1

Reakcijski mehanizem S V 1 oz monomolekularne elektrofilne substitucijske reakcije(angleščina) nadomestni elektrofilni unimolekularni ) podoben mehanizmu S N 1 vključuje naslednje stopnje:

1. Ionizacija substrata s tvorbo karbaniona (počasna stopnja):

2. Elektrofilni napad karbaniona (hitra stopnja):

Najpogosteje uhajajoči delec v izjemno redkih reakcijah S V 1 je proton.

Reakcije S E 2

Reakcijski mehanizem S V 2 oz bimolekularne elektrofilne substitucijske reakcije(angleščina) nadomestni elektrofilni bimolekul ) podoben mehanizmu S N 2, poteka v eni fazi, brez vmesne tvorbe intermediata:

Glavna razlika od nukleofilnega mehanizma je, da se lahko napad elektrofila izvede od spredaj ali od zadaj, kar lahko povzroči drugačen stereokemični rezultat: tako racemizacijo kot inverzijo.

Primer je reakcija tavtomerizacije ketona in enola:

Ketonsko-enolna tavtomerizacija

Opombe

Fundacija Wikimedia.

• 2010.
• 
  

- (angleško adicijska elektrofilna reakcija) adicijske reakcije, pri katerih napad na začetni stopnji izvede elektrofilni delec, ki je pozitivno nabit ali ima pomanjkanje elektronov. Na zadnji stopnji je nastala... ... Wikipedia Mehanizem elektrofilnih substitucijskih reakcij v aromatskem obroču

1) vključuje številne zaporedne stopnje. Nastanek elektrofilnega delca

. Značilno je, da med reakcijo v prisotnosti katalizatorjev in ustreznih pogojev nastanejo elektrofilne vrste. Na primer, pri segrevanju dušikove kisline nastane nitronijev kation (a), žveplova kislina - sulfonijev kation (b), pri halogeniranju (na primer kloriranju) pa nastane elektrofilni delec, ki ga lahko predstavlja halogenski kation ali v obliki kompleksa halogena s katalizatorjem (c):

nitronijev sulfonij

kation kation

oz

klor kompleks

2) kation s katalizatorjem Tvorba p-kompleksa se pojavi med napadom p- elektronski oblak obroča z elektrofilnim delcem, na primer kompleksom klora s katalizatorjem, pri čemer nastane p - kompleks z

3)donorsko-akceptorski tip. Tvorba s-kompleksa se pojavi med napadom nastane, ko med elektrofilom in ogljikovim atomom benzenovega obroča nastane kovalentna vez zaradi para elektronov obročnega sistema, ki ga spremlja prehod ogljikovega atoma iz sp obročnega sistema, ki ga spremlja prehod ogljikovega atoma iz 2 - in

3 - hibridizirano stanje. izvedena zaradi odvzema vodikovega protona iz s- kompleks z uporabo baze.

Shema mehanizma reakcije elektrofilne substitucije v benzenu

na primeru reakcije kloriranja

Elektrofilna substitucija v benzenu povzroči nastanek enega samega monosubstitucijskega produkta, ki je določen z enakomerno porazdelitvijo elektronske gostote v konjugiranem obročnem sistemu in s tem enako verjetnim napadom elektrofila na katerega koli od šestih ogljikovih atomov benzena.

Nadomestne reakcije

Elektrofilna substitucija v benzenu predstavljeni s shemami za sintezo homologov benzena (a) in njegovih derivatov (b).

a) Sinteza homologov benzena:

b) Sinteza benzenovih derivatov:

Halogeniranje. Benzen v normalnih pogojih ne deluje s klorom in bromom. Reakcija poteka le ob prisotnosti katalizatorjev, ki so najpogosteje aluminijevi in ​​železovi halogenidi (Lewisove kisline).

Nitriranje. Benzen nitriramo z mešanico koncentrirane dušikove in žveplove kisline ( mešanica za nitriranje) pri segrevanju na 60 o C s tvorbo nitrobenzena.

Sulfoniranje. Ko benzen reagira s koncentrirano kislino ali oleumom ( mešanica koncentrirane žveplove kisline in žveplovega anhidrida– SO 3) nastane benzensulfonska kislina.

Aciliranje je ena od metod za sintezo aromatskih ketonov. Kislinski kloridi (RCOCI) ali kislinski anhidridi (RCO-O-OCR) se uporabljajo kot acilacijski reagenti. Reakcija poteka v nepolarnem topilu v prisotnosti aluminijevega klorida.

Alkiliranje je eden od načinov pridobivanja homologov benzena. Haloalkani, alkoholi in alkeni v prisotnosti kovinskih halogenidov (aluminij, železo, kositer itd.) se lahko uporabljajo kot alkilirni reagenti.

Orientacijska pravila pri elektrofilnih reakcijah

Substitucije v benzenu

V derivatih benzena in njegovih homologih substituenti porušijo enakomerno porazdelitev elektronske gostote in s tem na določen način vplivajo na reaktivnost in smer napada v benzenovem obroču. Oglejmo si orientacijski vpliv substituentov zaradi skupnega učinka njihovih elektronskih učinkov (glej 2.5; tabela 2.2) na primeru fenola in nitrobenzena.

V molekuli fenol substituent (-OH) kaže negativno induktivno (-jaz ) In pozitivni mezomer (+M ) elektronski učinki, pri čemer slednji prevladujejo v skupnem seštevku dajalec elektronov(ED ) dejanje (a). Elektronski učinek ED substituent vodi do prerazporeditve elektronske gostote v obroču dvigovanje ona noter orto- In par– položaje, v katerih olajšan

V molekuli nitrobenzen substituent (-NO 2) kaže negativno induktivno (-jaz ) In negativna mezomera (+M ) elektronski učinki, ki se kažejo v totalu odvzema elektronov (EA ) dejanje (b). Elektronski učinek EA substituent vodi do prerazporeditve elektronske gostote v obroču, znižanje ona noter orto- In par– položaje, v katerih se mu zdi težko napad z elektrofilnimi reagenti.

fenol nitrobenzen

Pravila zamenjave:

1) Substituenti, ki dajejo elektrone (ED ) povečajo elektronsko gostoto obroča in s tem povečajo hitrost elektrofilne substitucijske reakcije. Substituentom, ki razstavljajo ED skupine vključujejo: - NH 2, - OH, - OR, - R, ki usmerjajo elektrofilno substitucijo v orto- In par- položaj. Izjema so halogeni, ki prednostno usmerjajo elektrofilne vrste par- položaj.

2) Substituenti, ki odvzemajo elektrone (EA ) zmanjšajo elektronsko gostoto obroča in s tem zmanjšajo hitrost reakcije elektrofilne substitucije. Substituentom, ki razstavljajo EA značilnosti, vključujejo skupine: - NO 2, - COOH, - SO 3 H, >C=O itd., ki usmerjajo elektrofilno substitucijo v meta- položaj, ki otežuje.

Pravila substitucije je mogoče dokazati v reakcijah nitracije benzena (a) in njegovih derivatov, ki vsebujejo elektrodonatorske (b) in elektronoodvzemne (c) substituente. Predstavljene reakcijske sheme odražajo pogoje in izkoristek reakcijskega produkta (v %), kar odraža aktivnost orientacijskega vpliva substituenta v orto-, meta- ali par– določbe. Reakcijska enačba praviloma kaže smer elektrofilnega napada, ki je v danih reakcijskih pogojih bolj zaželena:

a) nitriranje benzena:

nitrobenzen

b) nitriranje fenola:

orto-nitro- par-nitro-pikrinski

fenol fenol kislina

c) nitriranje nitrobenzena:

meta-dinitrobenzen

Elektronski učinki substituentov omogočajo razporeditev danih spojin v naslednje nize glede na zmanjšanje aktivnosti v reakciji nitriranja: fenol, benzen in nitrobenzen.

Če je na benzenovem obroču več kot en substituent, potem obstajajo orientacijski vpliv Mogoče dogovorjeno oz nedosleden, odvisno od njihove vrste in relativnega položaja.

Primer usklajene orientacije je reakcija nitracije orto- nitrofenol in par- nitrofenola v pikrinsko kislino (reakcija b). V tem primeru oba substituenta (elektrondonatorski - OH, elektronoprivlačni - NO 2) koordinirano usmerjata nadaljnjo elektrofilno substitucijo v orto- In par- položaj glede na hidroksilno skupino.

Usmerjevalni vpliv ED substituent je odločilen pri elektrofilni substitucijski reakciji, v primeru njegovega neskladnega orientacijskega delovanja z EA namestnik

Pravila za orientacijski vpliv substituentov se uporabljajo za ciljno sintezo, vključno z več zaporednimi reakcijami. Na primer za pridobivanje iz toluena orto-, meta- In par- nitrobenzojske kisline morajo biti podvržene reakcijam nitracije in oksidacije v določenem zaporedju.

Metilna skupina (- CH 3) spada med substituente, ki dajejo elektrone; zato po pravilih orientacijskega vpliva usmerja elektrofilno substitucijo orto- In par- določbe (a).

Karboksilna skupina (-COOH) je substituent, ki odvzema elektrone; zato po pravilih orientacijskega vpliva usmerja elektrofilno substitucijo meta- položaj (b).

Tako je za pridobitev vseh izomerov nitrobenzojske kisline iz toluena potrebno izvesti sintezo v skladu s spodaj predstavljenimi reakcijskimi shemami.

a) Shema sinteze orto - In par - izomeri nitrobenzojske kisline vključujejo prvotno izvedbo reakcije nitracije in nato oksidacijo:

b) Sintezna shema meta – izomer nitrobenzojske kisline vključuje prvotno izvedbo reakcije oksidacije in nato nitracije:

Za arene so značilne tri vrste reakcij:

1) elektrofilna substitucija S E Ar (uničenje C-H vezi);

2) adicijske reakcije (uničenje p-vezi);

3) reakcije z uničenjem benzenskega obroča.

Elektrofilna substitucija v arenih (S E Ar)

Reakcije elektrofilne substitucije potekajo po splošni shemi s tvorbo π- in σ-kompleksov

Kot izhaja iz predstavljene sheme, pride do aromatske substitucije S E Ar preko adicijsko-eliminacijskega mehanizma. Za dodajanje elektrofilnega sredstva X+ na aromatski substrat s tvorbo σ-kompleksa, čemur sledi abstrakcija protona, da se tvori reakcijski produkt.

Reakcije elektrofilne substitucije v arenih na splošno sledijo kinetični enačbi drugega reda ( v = k 2[X+]).

Razmislimo o postopnem napredovanju procesa.

1. stopnja Tvorba π-kompleksov

.

π–kompleksi – koordinacijske spojine, v katerih je donor elektronov aromatska spojina, ki ima lahko polarizirajoče π elektrone. π-kompleksov – ne klasične kemične spojine, v katerih je elektrofilna vrsta vezana s kovalentno vezjo na neki kovalentni atom reaktanta. Večina π-kompleksov se zlahka razgradi pri segrevanju ali izpostavljenosti vodi.

Sposobnost tvorbe π-kompleksov v arenih narašča v naslednjem vrstnem redu:

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

Večjo kot ima spojina π-elektronsko gostoto, lažje tvori π-komplekse.

2. stopnja. Tvorba σ-kompleksov

σ-kompleksi- to so kationi, pri nastanku katerih reagent X+ tvori kovalentno vez z enim od ogljikovih atomov zaradi 2 π-elektronov benzenskega obroča, medtem ko ta C-atom prehaja iz sp 2-navaja v sp 3-hibridizacija, pri kateri so vse štiri njegove valence pod kotom ~109 0. Simetrija benzenskega obroča je porušena. skupina X in atom vodika se znajdeta v ravnini, pravokotni na ravnino benzenovega jedra.

Stabilnost σ-kompleksov narašča z večanjem bazičnosti benzenskega obroča

Ta stopnja je najpočasnejša stopnja celotne reakcije in se imenuje omejevanje.

3. stopnja. Odcepitev protona od kompleksa σ

V zadnji fazi se proton odcepi od σ-kompleksa in obnovi se 6π-elektronski oblak (aromatska struktura). Ta proces poteka s pridobitvijo energije ~ 42 kJ/mol. V mnogih reakcijah abstrakcijo protona na končni stopnji olajša ustrezna baza, prisotna v raztopini.

V skladu z obravnavanim mehanizmom se v arenih odvijajo naslednje reakcije.

Vendar predlagane sheme ne bi smeli šteti za popolnoma dokazano in univerzalno. V različnih procesih na potek reakcije vplivajo:

Ø struktura substrata;

Ø kemična aktivnost reagenta;

Ø pogoji za postopek;

Ø narava, aktivnost katalizatorja in drugi dejavniki, ki lahko v posameznih primerih povzročijo odstopanje od predlagane sheme postopka.

Oglejmo si nekaj primerov elektrofilne substitucije v benzenu.

Primer 1: Bromiranje benzena

Molekularni brom je prešibko elektrofilno sredstvo in v odsotnosti katalizatorja ne reagira z benzenom.

Najpogosteje se reakcija bromiranja benzena izvaja v prisotnosti železovega (III) bromida, ki igra vlogo Lewisove kisline; slednji se dobi v reakcijski masi z neposredno interakcijo broma z železom

1. stopnja Tvorba elektrofilnega reagenta E + .

Molekula broma se aktivira s kislinsko-bazično reakcijo z Lewisovo kislino.

2. stopnja. Tvorba π-kompleksa 1.

Prosti bromonijev ion ali ion kot del ionskega para je aktivno elektrofilno sredstvo, ki lahko reagira z benzenom; v tem primeru najprej nastane π-kompleks 1

Vlogo elektrofilnega sredstva na tej stopnji lahko opravlja tudi donorsko-akceptorski kompleks .

3. stopnja. Preureditev π-kompleksa 1 in tvorba σ-kompleksa ali arenonijevega iona.

To je najpočasnejša faza celotne reakcije

4. stopnja. Preureditev σ-kompleksa v π-kompleks 2 substitucijski produkt. Proton se odcepi od ogljikovega atoma, ki je podvržen substituciji; v ciklu ponovno nastane aromatski sekstet elektronov - opazimo rearomatizacijo

5. stopnja. Disociacija π-kompleksa 2 s tvorbo substitucijskega produkta

Mehanizem elektrofilnega bromiranja benzena ponazarja energijski diagram reakcije, prikazan na sliki 11.

riž. 11. Energijski diagram reakcije

elektrofilno bromiranje benzena;

PS – prehodno stanje.

Koraka 2 in 5, vključno s π-kompleksi začetnega arena in substitucijskega produkta, sta v shemah mehanizma elektrofilne aromatske substitucije pogosto izpuščena. S tem pristopom dejanska elektrofilna aromatska substitucija vključuje samo tri stopnje.

Faza 1" – tvorba elektrofilnega sredstva.

Faza 2" – tvorba σ-kompleksa, mimo π-kompleksa 1.

Faza 3" - razpad σ-kompleksa s tvorbo substitucijskega produkta, mimo π-kompleksa 2.

Primer 2 Nitriranje arenov

Nitriranje vključuje zamenjavo vodikovega atoma benzenskega obroča z nitro skupino NO 2 . Benzen reagira s koncentrirano dušikovo kislino počasi tudi pri segrevanju. Zato se nitriranje najpogosteje izvaja z uporabo bolj aktivnega nitrirnega sredstva - mešanica za nitriranje– mešanice koncentrirane dušikove in žveplove kisline. Nitracija arenov z nitrirno mešanico je glavna metoda za pridobivanje aromatskih nitro spojin

Nitracija benzena z nitrirno mešanico se izvaja pri 45–50 0 C. Ker je reakcija nitracije nepovratna, dušikovo kislino uporabimo v minimalnem presežku (5–10%), s čimer dosežemo skoraj popolno pretvorbo benzena.

Žveplova kislina v mešanici za nitriranje je potrebna za povečanje koncentracije elektrofilnega sredstva - nitronijevega iona NO 2 +.

1. stopnja Tvorba elektrofilnega sredstva.

Aktivno elektrofilno sredstvo pri nitriranju je nitronijev ion, ki je potencialno prisoten v celem razredu spojin.

Na primer: HO _ NO2, O2N _ O _ NE 2 itd.

Njihova nagnjenost k tvorbi nitronijevega iona se poveča z naraščajočo elektronegativnostjo substituenta, vezanega na nitro skupino.

Hidroksilne skupine kot take ni mogoče odcepiti, zato nitronijev ion iz dušikove kisline nastane le v kislem okolju

V najpreprostejšem primeru se dušikova kislina lahko protonira ("samoprotonacija")

Vendar je ravnotežje premaknjeno v levo, zato dušikova kislina šibko nitrira.

Ko dodamo koncentrirano žveplovo kislino, se koncentracija kationa močno poveča

Nitrirni učinek zmesi dušikove in žveplove kisline (nitrirna mešanica) je veliko močnejši od učinka same dušikove kisline. Nadaljnje povečanje reaktivnosti je mogoče doseči z uporabo dimljene dušikove kisline in oleuma.

2. stopnja. Nastanek kompleksa σ

3. stopnja. Emisija protona, da nastane nadomestni produkt

V praksi je potrebno uskladiti aktivnost nitrirnega sredstva z reaktivnostjo aromatskega jedra.

Tako na primer fenole in fenolne etre nitriramo z že razredčeno dušikovo kislino, medtem ko nitriranje benzaldehida, benzojske kisline, nitrobenzena itd. zahteva mešanico kadeče se dušikove in žveplove kisline.

m-dinitrobenzen se težko nitrira tudi z mešanico kadeče se dušikove in žveplove kisline (5 dni, 110 0 C; izkoristek 45 %).

Med nitriranjem je najpogostejša stranska reakcija oksidacija. Prednost ima povišanje reakcijske temperature. Postopek oksidacije določa sproščanje dušikovih oksidov. Aldehidi, alkilaril ketoni in v manjši meri alkilbenzeni so prav tako dovzetni za oksidacijo med nitriranjem.

Primer 3 Alkilacija arenov

R-HIg, ROH, R-CH=CH2 lahko uporabimo kot alkilirna sredstva v prisotnosti ustreznih katalizatorjev (zlasti AICI 3, AIBr 3, H 2 SO 4).

Katalizatorji generirajo (tvorijo) elektrofilni delec - karbokation

Reakcije alkiliranja imajo tri resne omejitve:

1) reakcijo je težko ustaviti na stopnji monoalkilacije, tj. nadaljuje se naprej, s tvorbo polialkilbenzenov; Za zatiranje polialkilacije se običajno uporablja presežek arena;

2) če aren vsebuje samo elektroakceptorske substituente (na primer -NO 2), potem reakcije alkiliranja ni mogoče izvesti;

3) reakcijo alkilacije spremlja prerazporeditev alkilnega radikala.

Prerazporeditev alkilnega radikala v najbolj stabilnega je značilna lastnost karbokationov

Pravila orientacije

Reakcije substitucije vodika v benzenu potekajo enako pri katerem koli ogljikovem atomu, saj je molekula benzena simetrična. Če pa ima benzen že substituent, postanejo prosti položaji za elektrofilne substitucijske reakcije neenaki.

Zakoni, ki določajo smeri substitucijskih reakcij v benzenovem obroču, se imenujejo orientacijska pravila.

– Aktivna skupina– substituent, zaradi katerega je benzenov obroč bolj reaktiven v reakcijah elektrofilne substitucije v primerjavi z nesubstituiranim benzenom.

– skupina za dekontaminacijo– substituent, zaradi katerega je benzenov obroč manj reaktiven v reakcijah elektrofilne substitucije v primerjavi z nesubstituiranim benzenom.

– o-, p-orientant– substituent, ki usmeri napad elektrofila pretežno na o- ali p-položaj benzenskega obroča.

– m-orientant– substituent, ki usmeri napad elektrofila pretežno na m-položaj benzenskega obroča.

Na splošno lahko elektrofilna substitucija v monosubstituiranem benzenu poteka v treh smereh

Reaktivnost ogljikovih atomov v tem primeru določajo trije dejavniki:

1) naravo obstoječega substituenta;

2) naravo učinkovine;

3) reakcijski pogoji.

Glede na njihov vpliv na orientacijo v teh reakcijah delimo vse substituente v dve skupini: substituente prve vrste (orto-, para-orientanti) in substituente druge vrste (meta-orientanti).

Najbolj razširjena reakcija benzena je zamenjava enega ali več vodikovih atomov z neko elektrofilno skupino. Na ta način se sintetizirajo številne pomembne snovi. Izbira funkcionalnih skupin, ki jih lahko na ta način vnesemo v aromatske spojine, je zelo široka, poleg tega pa lahko nekatere od teh skupin po vnosu v benzenski obroč pretvorimo v druge skupine. Splošna reakcijska enačba je:

Spodaj je pet najpogostejših reakcij te vrste in primeri njihove uporabe.

Nitracija:

sulfonacija:

Friedel-Craftsova dikilacija:

Friedel-Craftsovo aciliranje:

Halogeniranje (samo kloriranje in bromiranje):

Naslednje reakcije se pogosto uporabljajo za nadaljnjo transformacijo spojin, ki izhajajo iz aromatske elektrofilne substitucije.

Obnova stranske verige:

Redukcija nitro skupine:

Diazotizacija in nadaljnje transformacije

Anilin in njegove nadomestke je mogoče pretvoriti v visoko reaktivne, sposobne spojine, imenovane diazonijeve soli:

Diazonijeve soli služijo kot izhodne snovi za sintezo najrazličnejših aromatskih spojin (Shema 9-1). V mnogih primerih je metoda sinteze diazonijeve soli edini način za vnos katere koli funkcionalne skupine v aromatično spojino.

Zamenjava diazonijeve skupine z atomi klora in broma ter s ciano skupino se doseže z interakcijo diazonijevih soli z bakrovimi solmi (1). Atomov joda in fluora ni mogoče vnesti v aromatski obroč z neposrednim halogeniranjem. Aromatski jodidi in fluoridi se pripravijo z obdelavo diazonijevih soli s kalijevim jodidom oziroma fluoroborovo kislino.

Aromatske karboksilne kisline lahko pripravimo s hidrolizo nitrilne skupine ali z delovanjem ogljikovega dioksida na Grignardov reagent (več o tej reakciji bomo razpravljali v 12. poglavju). Fenole v laboratoriju največkrat pridobivamo s hidrolizo diazonijevih soli.

Diagram 9-2. Reakcije diazonijevih soli

Diazonijevo skupino (in torej tudi amino in nitro skupino) je mogoče odstraniti (tj. nadomestiti z vodikovim atomom) z delovanjem diazonijevih soli hipofosforjeve kisline.

Končno interakcija diazonijevih soli z aktiviranimi aromatičnimi spojinami povzroči nastanek azo barvil. Barvila so lahko zelo različnih barv, odvisno od narave substituentov na obeh aromatskih obročih.

Dušikova kislina, ki se uporablja za pridobivanje diazonijevih soli, je nizko stabilna snov in se pripravlja in situ (tj. neposredno v reakcijski posodi) iz natrijevega nitrita in klorovodikove kisline. V reakcijskem diagramu lahko obdelavo z dušikovo kislino prikažemo na enega od dveh načinov, ki sta uporabljena spodaj:

Tukaj je nekaj primerov reakcij diazonijevih soli:

Priprava praktično pomembnih snovi z elektrofilnimi substitucijskimi reakcijami

Barvila. Spodaj je prikazana sinteza metiloranža. Če vzamete prvotne spojine z drugimi substituenti v aromatičnih obročih, bo barva barvila drugačna.

Polimeri. Polistiren se pridobiva s polimerizacijo stirena (glej poglavje 6), ki se nato lahko sintetizira na naslednji način. Benzen acilira Friedel-Crafts z uporabo anhidrida ocetne kisline namesto acetil klorida, nastali keton se reducira v alkohol, ki se nato dehidrira z uporabo kalijevega hidrogensulfata kot kislega katalizatorja:

Zdravila. pri sintezi sulfonamida (streptocida) sta prvi dve stopnji reakciji, ki smo ju že srečali. Tretja stopnja je zaščita amino skupine. To je potrebno za preprečitev interakcije klorosulfonske kisline z amino skupino. Ko skupina reagira z amoniakom, lahko zaščitno skupino odstranimo.

Streptocid je bil eno prvih protimikrobnih zdravil iz skupine sulfonamidov. Uporablja se še danes.

Reakcije elektrofilne substitucije omogočajo uvedbo številnih različnih skupin v aromatski obroč. Mnoge od teh skupin se lahko nato transformirajo med sintezo.

Mehanizem aromatske elektrofilne substitucije

Ugotovljeno je bilo, da elektrofilna substitucija v aromatskih spojinah poteka v dveh stopnjah. Najprej se benzenovemu obroču doda elektrofil (ki ga je mogoče ustvariti z različnimi metodami). V tem primeru nastane resonančno stabiliziran ogljikov hidrat kation (spodaj v oklepaju). Ta kation nato izgubi proton in postane aromatična spojina.

Tukaj so zaradi jasnosti formule aromatskih spojin prikazane z dvojnimi vezmi. Toda seveda se spomnite, da dejansko obstaja oblak delokaliziranih elektronov.

Mehanizmi obeh reakcij, vključno s korakom generiranja elektrofilov, so podani spodaj. Haogenacija

Generacija elektrofilov:

Zamenjava:

Friedel-Craftsova acilacija Nastajanje elektrofilov:

Zamenjava:

Vpliv poslancev

Ko substituirani benzen reagira z elektrofilom, struktura substituenta, ki je že prisoten na benzenovem obroču, pomembno vpliva na orientacijo substitucije in njeno hitrost.

Glede na njihov vpliv na hitrost in usmeritev elektrofilne substitucije lahko vse možne substituente razdelimo v tri skupine.

1. Aktiviranje ortopara-orientantov. V prisotnosti substituenta te skupine v aromatski spojini reagira hitreje kot nesubstituirani benzen, elektrofil pa se usmeri na orto- in para-pozicije substituenta in nastane mešanica orto- in paradisubstituiranih benzenov. . Ta skupina vključuje naslednje substituente:

2. Deaktiviranje meta-orientantov. Ti substituenti upočasnijo reakcijo v primerjavi z benzenom in usmerijo elektrofil v meta položaj. Ta skupina vključuje:

3. Dekontaminacijski orto-, para-orientanti. Ta skupina vključuje atome alogenov.

Primeri orientacije za elektrofilno substitucijo:

Razlaga vpliva substituentov

Zakaj imajo različni substituenti tako različne učinke na naravo elektrofilne substitucije? Odgovor na to vprašanje lahko dobimo z analizo stabilnosti intermediatov, ki nastanejo v vsakem primeru. Nekateri od teh vmesnih karbokationov bodo bolj stabilni, drugi manj stabilni. Spomnimo se, da če lahko spojina reagira na več načinov, bo reakcija potekala po poti, ki proizvaja najstabilnejši intermediat.

Spodaj so prikazane resonančne strukture vmesnih delcev, ki nastanejo med elektrofilnim napadom kationa v orto- in para-položajih fenola, ki ima močan aktivacijski substituent - orto, para-orientant, toluen, ki ima substituent z enako , vendar veliko šibkejše lastnosti, in nitrobenzen, ki ima v katerem je nitro skupina orientacijsko sredstvo in deaktivira obroč:

Ko elektrofil napade tako orto kot para položaj fenola, lahko zapišemo več resonančnih struktur za nastali intermediat kot za meta-substitucijski intermediat. Poleg tega ima ta "dodatna" struktura (obkrožena v okvirju) še posebej velik prispevek

pri stabilizaciji kationa, saj imajo vsi atomi v njem oktet elektronov. Tako se pri orto- ali para-orientiranem napadu elektrofila pojavi bolj stabilen kation kot pri napadu v meta položaju, zato se substitucija pojavi pretežno v orto- in para-položajih. Ker je kation, ki izhaja iz take substitucije, stabilnejši od kationa, ki nastane iz nesubstituiranega benzena, je fenol veliko lažje podvržen reakcijam elektrofilne substitucije kot benzen. Upoštevajte, da imajo vsi substituenti, ki močno ali zmerno aktivirajo aromatični obroč v elektrofilnih substitucijskih reakcijah, atom, povezan z obročem z osamljenimi pari elektronov. Ti elektroni se lahko dovajajo v obroč. V tem primeru se pojavi resonančna struktura s pozitivnim nabojem na elektronegativnem atomu (kisiku ali dušiku). Vse to stabilizira intermediat in poveča hitrost reakcije (resonančna aktivacija).

V primeru toluena substitucija tako na orto- kot na d-položaju povzroči bolj stabilen kation kot takrat, ko elektrofil napade meta-položaj.

V škatlastih resonančnih strukturah je pozitivni naboj na terciarnih atomih ogljika (terciarni karbokationi, glej poglavje 5). Pri napadu na meta položaj ne nastane terciarni karbokation. Tudi tukaj poteka orto- in para-substitucija skozi nekoliko bolj stabilne vmesne vrste kot meta-substitucija in kot substitucija v samem benzenu. Zato je substitucija v toluenu usmerjena v orto in para položaj in poteka nekoliko hitreje kot substitucija v lizolu (aktivacija zaradi induktivnega učinka).

Vse deaktivacijske skupine, vključno z nitro skupino, imajo lastnost odvzemanja elektronov iz aromatskega obroča. Rezultat tega je destabilizacija vmesnega kationa. Še posebej

(kliknite za ogled skeniranega)

Intermediati, ki nastanejo zaradi napada na orto in para položajih, so zelo destabilizirani, saj se delni pozitivni naboj nahaja tik ob nitro skupini (ustrezne resonančne strukture so v okvirju). Zato je meta substitucija prednostna pred orto in para substitucijo. Nitrobenzen je veliko težje podvržen elektrofilni substituciji kot benzen, saj se elektronska gostota v obroču zmanjša in medsebojna privlačnost aromatskega obroča in elektrofila oslabi.

Elektrofilne adicijske reakcije potekajo v dveh stopnjah s tvorbo vmesnega kationa. Različni substituenti na benzenovem obroču imajo različne učinke na stopnje substitucije in orientacije. Ta učinek je mogoče razložiti ob upoštevanju stabilnosti intermediatov, ki nastanejo v vsakem primeru.