Mekanismen för den elektrofila substitutionsreaktionen. Aromatiska föreningar Exempel på elektrofila substitutioner

l-Den aromatiska ringens elektronmoln utsätts för attack av elektrofila reagens.

Arener går in i joniska reaktioner som fortskrider genom mekanismen för elektrofil substitution, betecknad med symbolen S E(från engelska substitutionselektrofil).

I allmänhet kan ersättningen av en proton i bensenringen med en elektrofil partikel E+ representeras enligt följande:

Reaktionen fortskrider genom flera steg. Först och främst är det nödvändigt att skapa en elektrofil partikel från en neutral reagensmolekyl E-Y. Detta uppnås genom att använda en katalysator som antingen starkt kan polarisera E-Y-bindningen eller helt bryta den heterolytiskt.

En elektrofil partikel bildar en instabil n-komplex, där den samtidigt är associerad med alla pi-elektroner i det aromatiska systemet.

I det avgörande (långsamma) skedet bildar den elektrofila partikeln en kovalent bindning med en av kolatomerna på grund av de två elektronerna i ringens pi-system. I det här fallet går kolatomen från sp 2 - i sp 3 -hybridtillstånd och det aromatiska systemet störs. De fyra återstående pi-elektronerna är fördelade mellan de fem kolatomerna i ringen, och bensenmolekylen förvandlas till sigma komplex(kolsyra).

I slutskedet (snabbt) stabiliseras o-komplexet. Det är mer fördelaktigt att stabilisera inte genom tillsats av en nukleofil partikel, som var fallet vid additionsreaktionen i alkener, utan genom att en proton utvinns från kolatomen som är associerad med elektrofilen. I detta fall, med deltagande av två elektroner av den brytande CH-bindningen, återskapas ett slutet aromatiskt pi-system.

Nedan, med bensen som exempel, visas de viktigaste elektrofila substitutionsreaktionerna.

Halogenering. Bensen reagerar inte med klor eller brom under normala förhållanden. Reaktionen sker endast i närvaro av katalysatorer, som oftast är vattenfria aluminium- eller järn(III)-halider. Som ett resultat bildas halogensubstituerade arener.

Katalysatorns roll är att polarisera den neutrala halogenmolekylen och omvandla den till en elektrofil partikel. När en halogenmolekyl interagerar med en katalysator bildas ett komplex där bindningen mellan halogenatomerna är mycket polariserad. Som ett resultat kan dissociation av komplexet ske med bildning av en halogenkatjon, till exempel Cl+, som är en stark elektrofil.

Nitrering. Bensen reagerar praktiskt taget inte med koncentrerad salpetersyra även vid upphettning. Men vid exponering för en blandning av koncentrerad salpeter- och svavelsyror kan s.k. nitreringsblandning, ersätts väteatomen lätt av nitrogruppen NO2 - en nitreringsreaktion.

Den angripande elektrofila partikeln i denna reaktion är nitroylkatjonen NO2+, bildad genom växelverkan mellan salpeter- och svavelsyra.

Sulfonering. Bensen reagerar vid upphettning med koncentrerad svavelsyra, eller ännu bättre - med oleum (en lösning av svaveltrioxid S0 3 i svavelsyra). Som ett resultat ersätts väteatomen med en sulfongrupp S03H med bildning av sulfonsyra.

Sulfonering av arener är en reversibel reaktion. Vid upphettning med vattenånga sker en omvänd reaktion - avsvavling.

Alkylering. Införandet av alkylgrupper i den aromatiska ringen genom inverkan av haloalkaner är känt som Friedel-Crafts reaktion(1877). Som ett resultat bildas homologer av arener.

Alkylering sker i närvaro av samma katalysatorer som i halogeneringsreaktionen, till exempel aluminiumhalogenider. Rollen för katalysatorer som polariserar en haloalkanmolekyl för att bilda en elektrofil partikel är också liknande.

Elektrofila substitutionsreaktioner(engelska) substitutionselektrofil reaktion ) - ersättningsreaktioner där attacken utförs elektrofil- en partikel som är positivt laddad eller har brist på elektroner. När en ny bindning bildas är den utgående partikeln elektrofug splittras utan sitt elektronpar. Den mest populära lämnande gruppen är protonen H+.

Allmän syn på elektrofila substitutionsreaktioner:

(katjonisk elektrofil)

(neutral elektrofil)

Det finns aromatiska (utbredda) och alifatiska (mindre vanliga) elektrofila substitutionsreaktioner. Naturen hos elektrofila substitutionsreaktioner specifikt för aromatiska system förklaras av den höga elektrontätheten hos den aromatiska ringen, som kan attrahera positivt laddade partiklar.

Aromatiska elektrofila substitutionsreaktioner spelar en extremt viktig roll i organisk syntes och används i stor utsträckning både i laboratoriepraxis och inom industrin.

Aromatiska elektrofila substitutionsreaktioner

För aromatiska system finns det faktiskt en mekanism för elektrofil substitution - S E Ar. Mekanism S E 1(liknar mekanismen S N 1) - är extremt sällsynt, men S E 2(motsvarande i analogi S N 2) - förekommer inte alls.

Reaktioner S E Ar

Reaktionsmekanism S E Ar eller aromatiska elektrofila substitutionsreaktioner(engelska) Elektrofil aromatisk substitution ) är den vanligaste och viktigaste av substitutionsreaktionerna av aromatiska föreningar och består av två steg. I det första steget läggs elektrofilen till, och i det andra steget separeras elektrofugen:

Under reaktionen bildas en positivt laddad mellanprodukt (i figur 2b). Det heter Ueland mellanliggande, aroniumjon eller σ-komplex. Detta komplex är i allmänhet mycket reaktivt och stabiliseras lätt, vilket snabbt eliminerar katjonen.

Begränsande stadium i de allra flesta reaktioner S E Arär det första steget.

Reaktionshastighet S E Ar, vanligtvis presenterad i följande form:

De angripande partiklarna är vanligtvis relativt svaga elektrofiler, så i de flesta fall reaktionen S E Ar sker under påverkan av en katalysator - Lewis-syra. De vanligaste är AlCl 3, FeCl 3, FeBr 3, ZnCl 2.

I det här fallet är reaktionsmekanismen följande (med exemplet med bensenklorering, katalysator FeCl 3):

1. I det första steget interagerar katalysatorn med den attackerande partikeln för att bilda ett aktivt elektrofilt medel:

2. I det andra steget implementeras faktiskt mekanismen S E Ar:

Typiska aromatiska elektrofila substitutionsreaktioner

I substituerade bensener, de s.k ipso-attack, det vill säga ersätta en befintlig substituent med en annan:

Alifatiska elektrofila substitutionsreaktioner

Reaktioner S E 1

Reaktionsmekanism S E 1 eller monomolekylära elektrofila substitutionsreaktioner(engelska) substitution elektrofil unimolekylär ) liknande mekanismen S N 1 innehåller följande steg:

1. Jonisering av substratet med bildning av en karbanjon (långsamt stadium):

2. Elektrofil attack av karbanjon (snabbt stadium):

Oftast en partikel som rymmer i extremt sällsynta reaktioner S E 1är en proton.

Reaktioner S E 2

Reaktionsmekanism S E 2 eller bimolekylära elektrofila substitutionsreaktioner(engelska) substitution elektrofil bimolekylär ) liknande mekanismen S N 2, sker i ett steg, utan mellanliggande bildning av en mellanprodukt:

Huvudskillnaden från den nukleofila mekanismen är att attacken av elektrofilen kan utföras antingen framifrån eller bakifrån, vilket kan resultera i ett annat stereokemiskt resultat: både racemisering och inversion.

Ett exempel är keton-enol-tautomeriseringsreaktionen:

Keton-enol tautomerisering

Anteckningar

Wikimedia Foundation.

• 2010.
• 
  

- (Engelsk additionselektrofil reaktion) additionsreaktioner där attacken i det inledande skedet utförs av en elektrofil partikel som är positivt laddad eller har en brist på elektroner. I slutskedet, den resulterande... ... Wikipedia Mekanism för elektrofila substitutionsreaktioner i den aromatiska ringen

1) omfattar ett antal på varandra följande steg. Bildning av en elektrofil partikel

. Typiskt bildas elektrofila ämnen under reaktionen i närvaro av katalysatorer och lämpliga betingelser. Till exempel, vid uppvärmning av salpetersyra, bildas en nitroniumkatjon (a), svavelsyra - en sulfoniumkatjon (b), och vid halogenering (till exempel klorering) bildas en elektrofil partikel, som kan representeras av en halogenkatjon eller i form av ett halogenkomplex med en katalysator (c):

nitroniumsulfonium

katjon katjon

Eller

klorkomplex

2) katjon med katalysator Bildning av p-komplex inträffar under en attack p- elektronmoln i ringen av en elektrofil partikel, t.ex. ett komplex av klor med en katalysator, och bildar därigenom p - komplex av

3)donator-acceptor typ. Bildning av s-komplexet inträffar under en attack uppstår när en kovalent bindning uppstår mellan en elektrofil och kolatomen i bensenringen, på grund av ett elektronpar ringsystem, som åtföljs av övergången av kolatomen från sp ringsystem, som åtföljs av övergången av kolatomen från 2 - in

3 - hybridiserat tillstånd. utförs på grund av utvinningen av en väteproton från s- komplex med hjälp av en bas.

Schema för mekanismen för den elektrofila substitutionsreaktionen i bensen

med exemplet med kloreringsreaktionen

Elektrofil substitution i bensen leder till bildandet av en enda monosubstitutionsprodukt, som bestäms av den likformiga fördelningen av elektrontäthet i det konjugerade ringsystemet och följaktligen ett lika troligt angrepp av elektrofilen på någon av de sex kolatomerna i bensen.

Substitutionsreaktioner

Elektrofil substitution i bensen presenteras av scheman för syntes av bensenhomologer (a) och dess derivat (b).

a) Syntes av bensenhomologer:

b) Syntes av bensenderivat:

Halogenering. Bensen under normala förhållanden interagerar inte med klor och brom. Reaktionen sker endast i närvaro av katalysatorer, som oftast är aluminium- och järnhalogenider (Lewis-syror).

Nitrering. Bensen nitreras med en blandning av koncentrerad salpetersyra och svavelsyra ( nitreringsblandning) vid upphettning till 60 o C med bildning av nitrobensen.

Sulfonering. När bensen reagerar med koncentrerad syra eller oleum ( blandning av koncentrerad svavelsyra och svavelsyraanhydrid– SO 3) bildas bensensulfonsyra.

Acyleringär en av metoderna för syntes av aromatiska ketoner. Syraklorider (RCOCI) eller syraanhydrider (RCO-O-OCR) används som acyleringsreagens. Reaktionen utförs i ett opolärt lösningsmedel i närvaro av aluminiumklorid.

Alkyleringär ett av sätten att få bensenhomologer. Haloalkaner, alkoholer och alkener i närvaro av metallhalider (aluminium, järn, tenn, etc.) kan användas som alkyleringsreagens.

Orienteringsregler i elektrofila reaktioner

Substitutioner i bensen

I derivat av bensen och dess homologer stör substituenter den enhetliga fördelningen av elektrondensitet och påverkar därigenom på ett visst sätt reaktiviteten och attackriktningen i bensenringen. Låt oss överväga den orienterande inverkan av substituenter, på grund av den totala effekten av deras elektroniska effekter (se 2.5; Tabell 2.2), med hjälp av exemplet fenol och nitrobensen.

I en molekyl fenol substituenten (-OH) uppvisar negativ induktiv (-jag ) Och positiv mesomerisk (+M ) elektroniska effekter, varvid de sistnämnda är dominerande i totalen elektrondonator(ED ) åtgärd (a). Elektronisk effekt ED substituent leder till omfördelning av elektrondensitet i ringen höjning henne in orto- Och par– positioner där lättad

I en molekyl nitrobensen substituenten (-NO2) uppvisar negativ induktiv (-jag ) Och negativ mesomerisk (+M ) elektroniska effekter, vilket visar sig i det totala elektronbortdragande (EA ) åtgärd (b). Elektronisk effekt EA substituent leder till en omfördelning av elektrontätheten i ringen, sänkning henne in orto- Och par– positioner där tycker det är svårt angrepp av elektrofila reagens.

fenol nitrobensen

Ersättningsregler:

1) Elektrondonerande substituenter (ED Öka elektrondensiteten hos ringen och därigenom öka hastigheten för den elektrofila substitutionsreaktionen. Till de substituenter som uppvisar ED karaktär, inkluderar grupperna: - NH 2, - OH, - OR, - R, som orienterar elektrofil substitution i orto- Och par- position. Undantaget är halogener, som riktar den elektrofila arten företrädesvis till par- position.

2) Elektronbortdragande substituenter (EA 30 ringens elektrondensitet och därigenom minska hastigheten för elektrofil substitutionsreaktion. Till de substituenter som uppvisar EA karaktär, inkluderar grupper: - NO 2, - COOH, - SO 3 H, >C=O, etc., som orienterar elektrofil substitution i meta- position, vilket gör det svårt.

Reglerna för substitution kan demonstreras i nitreringsreaktionerna av bensen (a) och dess derivat innehållande elektrondonerande (b) och elektronbortdragande (c) substituenter. De presenterade reaktionsschemana återspeglar förhållandena och utbytet av reaktionsprodukten (i %), vilket återspeglar aktiviteten av den orienterande inverkan av substituenten i orto-, meta- eller par– bestämmelser. Som regel indikerar reaktionsekvationen riktningen för elektrofil attack som är mer att föredra under givna reaktionsförhållanden:

a) nitrering av bensen:

nitrobensen

b) nitrering av fenol:

orto-nitro- par-nitro- picric

fenol fenolsyra

c) nitrering av nitrobensen:

meta-dinitrobensen

De elektroniska effekterna av substituenter gör det möjligt att ordna de givna föreningarna i följande serier enligt minskningen av aktiviteten i nitreringsreaktionen: fenol, bensen och nitrobensen.

Om det finns mer än en substituent på bensenringen, så finns det orienterande inflytande Kan vara kommit överens om eller inkonsekvent, beroende på deras typ och relativa position.

Ett exempel på en koordinerad orientering är nitreringsreaktionen orto- nitrofenol och par- nitrofenol till pikrinsyra (reaktion b). I detta fall orienterar båda substituenterna (elektrondonerande - OH, elektronbortdragande - NO 2) den efterföljande elektrofila substitutionen i orto- Och par- position i förhållande till hydroxylgruppen.

Orienterande inflytande ED substituenten är avgörande i den elektrofila substitutionsreaktionen, i fallet med dess inkonsekventa orienterande verkan med EA vice

Reglerna för orienterande inverkan av substituenter används för målinriktad syntes, inklusive flera sekventiella reaktioner. Till exempel att få från toluen orto-, meta- Och par- nitrobensoesyror måste genomgå nitrerings- och oxidationsreaktioner i en viss sekvens.

Metylgruppen (-CH 3) tillhör elektrondonerande substituenter, enligt reglerna för orienterande påverkan, riktar den elektrofil substitution till; orto- Och par- bestämmelser (a).

Karboxylgruppen (-COOH) är en elektronbortdragande substituent, enligt reglerna för orienterande inflytande, riktar den elektrofil substitution till; meta- position (b).

Sålunda, för att erhålla alla isomerer av nitrobensoesyra från toluen, är det nödvändigt att utföra syntesen i enlighet med reaktionsschemana som presenteras nedan.

a) Syntesschema orto - Och par - isomerer av nitrobensoesyra innebär initialt att utföra en nitreringsreaktion och sedan oxidation:

b) Syntesschema meta – Isomeren av nitrobensoesyra innebär att man initialt utför en oxidationsreaktion och sedan nitrering:

Arenes kännetecknas av tre typer av reaktioner:

1) elektrofil substitution S E Ar (destruktion av CH-bindningen);

2) additionsreaktioner (destruktion av p-bindning);

3) reaktioner med destruktion av bensenringen.

Elektrofil substitution i arenor (S E Ar)

Elektrofila substitutionsreaktioner fortskrider enligt det allmänna schemat genom bildning av π- och σ-komplex

Som följer av det presenterade schemat sker den aromatiska substitutionen S E Ar via additions-elimineringsmekanismen. För tillsats av ett elektrofilt medel X+ till det aromatiska substratet med bildning av ett σ-komplex, följt av abstraktion av en proton för att bilda reaktionsprodukten.

Elektrofila substitutionsreaktioner i arener följer i allmänhet en andra ordningens kinetisk ekvation ( v = k 2[X+]).

Låt oss överväga processens framsteg steg för steg.

Steg 1. Bildning av π-komplex

.

π–Komplex – koordinationsföreningar där elektrondonatorn är en aromatisk förening som har lätt polariserbara π-elektroner. π-komplex – inte klassiska kemiska föreningar där en elektrofil art är bunden av en kovalent bindning till någon kovalent atom i reaktanten. De flesta π-komplex sönderdelas lätt när de värms upp eller utsätts för vatten.

Förmågan att bilda π-komplex i arener ökar i följande ordning:

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

Ju högre π-elektrondensitet en förening har, desto lättare bildar den π-komplex.

Steg 2. Bildning av σ-komplex

σ-komplex- dessa är katjoner, varvid reagenset bildas X+ bildar en kovalent bindning med en av kolatomerna på grund av 2 π-elektroner i bensenringen, medan denna C-atom passerar från sp 2-stater i sp 3-hybridisering, där alla dess fyra valenser har en vinkel på ~109 0. Bensenringens symmetri är bruten. Grupp X och väteatomen befinner sig i ett plan vinkelrätt mot planet för bensenkärnan.

Stabiliteten av σ-komplex ökar med ökande basicitet hos bensenringen

Detta stadium är det långsammaste steget i hela reaktionen och kallas begränsande.

Steg 3. Frigörelse av en proton från ett σ-komplex

I det sista steget lösgörs protonen från σ-komplexet och 6π-elektronmolnet (aromatisk struktur) återställs. Denna process sker med en energivinst på ~ 42 kJ/mol. I många reaktioner underlättas abstraktionen av en proton i slutskedet av den lämpliga basen som finns i lösningen.

Enligt den övervägda mekanismen inträffar följande reaktioner i arenor.

Det föreslagna systemet bör dock inte betraktas som absolut beprövat och universellt. I olika processer påverkas reaktionens förlopp av:

Ø substratstruktur;

Ø kemisk aktivitet hos reagenset;

Ø villkor för processen;

Ø Katalysatorns natur, aktivitet och andra faktorer som i särskilda fall kan leda till avvikelser från det föreslagna processschemat.

Låt oss titta på några exempel på elektrofil substitution i bensen.

Exempel 1: Bromering av bensen

Molekylärt brom är ett för svagt elektrofilt medel och, i frånvaro av en katalysator, reagerar det inte med bensen.

Oftast utförs bromeringsreaktionen av bensen i närvaro av järn(III)bromid, som spelar rollen som en Lewis-syra, den senare erhålls i reaktionsmassan genom direkt interaktion av brom med järn

Steg 1. Bildning av elektrofilt reagens E + .

Brommolekylen aktiveras av en syra-bas-reaktion med en Lewis-syra.

Steg 2. Bildning av π-komplex 1.

Den fria bromjonen eller -jonen som en del av ett jonpar är ett aktivt elektrofilt medel som kan reagera med bensen; i detta fall bildas först π-komplexet 1

Rollen av ett elektrofilt medel i detta skede kan också utföras av ett donator-acceptorkomplex .

Steg 3. Omarrangemang av π-komplex 1 och bildandet av ett σ-komplex, eller arenoniumjon.

Detta är det långsammaste steget i hela reaktionen

Steg 4. Omarrangemang av σ-komplexet till π-komplex 2-substitutionsprodukt. En proton delas av från kolatomen som genomgår substitution; i cykeln bildas återigen en aromatisk sextett av elektroner - rearomatisering observeras

Steg 5. Dissociation av π-komplex 2 med bildning av en substitutionsprodukt

Mekanismen för elektrofil bromering av bensen illustreras av energidiagrammet för reaktionen som visas i fig. 11.

Ris. 11. Energidiagram över reaktionen

elektrofil bromering av bensen;

PS – övergångstillstånd.

Steg 2 och 5, inklusive π-komplex av den initiala arenen och substitutionsprodukten, utelämnas ofta i scheman för mekanismen för elektrofil aromatisk substitution. Med detta tillvägagångssätt involverar den faktiska elektrofila aromatiska substitutionen endast tre steg.

Steg 1" - bildandet av ett elektrofilt medel.

Steg 2" – bildandet av ett σ-komplex, förbi π-komplex 1.

Steg 3" - sönderdelning av σ-komplexet med bildning av en substitutionsprodukt, förbi π-komplex 2.

Exempel 2 Nitrering av arener

Nitrering innebär att väteatomen i bensenringen ersätts med nitrogruppen NO 2 . Bensen reagerar långsamt med koncentrerad salpetersyra även vid upphettning. Därför utförs nitrering oftast med ett mer aktivt nitreringsmedel - nitreringsblandning– blandningar av koncentrerad salpetersyra och svavelsyra. Nitrering av arener med en nitreringsblandning är huvudmetoden för att erhålla aromatiska nitroföreningar

Nitrering av bensen med en nitreringsblandning utförs vid 45–50 0 C. Eftersom nitreringsreaktionen är irreversibel används salpetersyra i ett minimalt överskott (5–10 %), vilket uppnår nästan fullständig omvandling av bensen.

Svavelsyra i nitreringsblandningen är nödvändig för att öka koncentrationen av det elektrofila medlet - nitroniumjon NO 2 +.

Steg 1. Bildning av ett elektrofilt medel.

Det aktiva elektrofila medlet under nitrering är nitroniumjon, som potentiellt finns i en hel klass av föreningar.

Till exempel: HO _ NO2, O2N _ O _ NO 2 osv.

Deras benägenhet att bilda nitroniumjon ökar med ökande elektronegativitet hos substituenten bunden till nitrogruppen.

Hydroxylgruppen som sådan kan inte klyvas, därför bildas nitroniumjonen från salpetersyra endast i en sur miljö

I det enklaste fallet kan salpetersyra protonera sig själv ("självprotonering")

Men jämvikten förskjuts åt vänster, så salpetersyra nitrerar svagt.

När koncentrerad svavelsyra tillsätts ökar koncentrationen av - katjonen kraftigt

Nitreringseffekten av en blandning av salpetersyra och svavelsyra (nitrerande blandning) är mycket starkare än den för enbart salpetersyra. Ytterligare ökningar i reaktivitet kan uppnås genom att använda rykande salpetersyra och oleum.

Steg 2. Bildning av σ-komplexet

Steg 3. Emission av en proton för att bilda en substitutionsprodukt

I praktiken är det nödvändigt att matcha nitreringsmedlets aktivitet med den aromatiska kärnans reaktivitet.

Så till exempel nitreras fenoler och fenoletrar med redan utspädd salpetersyra, medan nitrering av bensaldehyd, bensoesyra, nitrobensen, etc. kräver en blandning av rykande salpetersyra och svavelsyra.

m-dinitrobensen är svår att nitrera även med en blandning av rykande salpetersyra och svavelsyra (5 dagar, 110 °C; utbyte 45%).

Under nitrering är den vanligaste bireaktionen oxidation. Det gynnas av en ökning av reaktionstemperaturen. Oxidationsprocessen bestäms av frigörandet av kväveoxider. Aldehyder, alkylarylketoner och, i mindre utsträckning, alkylbensener är också känsliga för oxidation under nitrering.

Exempel 3 Alkylering av Arenes

R-HIg, ROH, R-CH=CH2 kan användas som alkyleringsmedel i närvaro av lämpliga katalysatorer (särskilt AICI3, AIBr3, H2SO4).

Katalysatorer genererar (bildar) en elektrofil partikel - en karbokatjon

Alkyleringsreaktioner har tre allvarliga begränsningar:

1) reaktionen är svår att stoppa vid monoalkyleringssteget, dvs. det fortsätter vidare, med bildning av polyalkylbensener; För att undertrycka polyalkylering används vanligtvis ett överskott av aren;

2) om arenen endast innehåller elektroacceptorsubstituenter (till exempel -NO2), kan alkyleringsreaktionen inte utföras;

3) alkyleringsreaktionen åtföljs av omlagring av alkylradikalen.

Omlagring av alkylradikalen till den mest stabila är en karakteristisk egenskap hos karbokater

Orienteringsregler

Vätesubstitutionsreaktioner i bensen sker lika vid vilken kolatom som helst, eftersom bensenmolekylen är symmetrisk. Men om bensen redan har en substituent, blir positionerna som förblir fria för elektrofila substitutionsreaktioner ojämlika.

De lagar som bestämmer riktningarna för substitutionsreaktionerna i bensenringen kallas orienteringsregler.

– Aktiverande grupp– en substituent som gör bensenringen mer reaktiv i elektrofila substitutionsreaktioner jämfört med osubstituerad bensen.

–Saneringsgrupp– en substituent som gör bensenringen mindre reaktiv i elektrofila substitutionsreaktioner jämfört med osubstituerad bensen.

– o-, p-orientant– en substituent som riktar angreppet av elektrofilen övervägande till o- eller p-positionen i bensenringen.

– m-orientant– en substituent som riktar angreppet av elektrofilen övervägande till m-positionen i bensenringen.

I allmänhet kan elektrofil substitution i monosubstituerad bensen fortgå i tre riktningar

Kolatomers reaktivitet i detta fall bestäms av tre faktorer:

1) naturen hos den existerande substituenten;

2) naturen hos det aktiva medlet;

3) reaktionsbetingelser.

Enligt deras inflytande på orienteringen i dessa reaktioner är alla substituenter uppdelade i två grupper: substituenter av det första slaget (orto-, para-orientanter) och substituenter av det andra slaget (meta-orientanter).

Den mest använda reaktionen av bensen är att ersätta en eller flera väteatomer med någon elektrofil grupp. Många viktiga ämnen syntetiseras på detta sätt. Valet av funktionella grupper som kan införas i aromatiska föreningar på detta sätt är mycket brett, och dessutom kan vissa av dessa grupper omvandlas till andra grupper efter införande i bensenringen. Den allmänna reaktionsekvationen är:

Nedan är fem av de vanligaste reaktionerna av denna typ och exempel på hur de används.

Nitrering:

Sulfonering:

Friedel-Crafts dikylering:

Friedel-Crafts acylering:

Halogenering (endast klorering och bromering):

Följande reaktioner används ofta för att ytterligare transformera föreningar som är resultatet av aromatisk elektrofil substitution.

Återställning av sidokedjor:

Minskning av nitrogruppen:

Diazotisering och ytterligare transformationer

Anilin och dess substitut kan omvandlas till mycket reaktiva, kapabla föreningar som kallas diazoniumsalter:

Diazoniumsalter tjänar som utgångsmaterial för syntesen av en mängd olika aromatiska föreningar (schema 9-1). I många fall är diazoniumsaltsyntesmetoden det enda sättet att införa någon funktionell grupp i en aromatisk förening.

Ersättningen av diazoniumgruppen med klor- och bromatomer, såväl som med en cyanogrupp, uppnås genom interaktion av diazoniumsalter med kopparsalter (1). Jod- och fluoratomer kan inte införas i den aromatiska ringen genom direkt halogenering. Aromatiska jodider och fluorider framställs genom behandling av diazoniumsalter med kaliumjodid respektive fluorvätesyra.

Aromatiska karboxylsyror kan framställas antingen genom hydrolys av nitrilgruppen eller genom inverkan av koldioxid på Grignard-reagenset (mer om denna reaktion kommer att diskuteras i kapitel 12). Fenoler i laboratoriet erhålls oftast genom hydrolys av diazoniumsalter.

Diagram 9-2. Reaktioner av diazoniumsalter

Diazoniumgruppen (och därför även aminogruppen och nitrogruppen) kan avlägsnas (dvs. ersättas med en väteatom) genom inverkan av diazoniumsalter av hypofosforsyra

Slutligen leder interaktionen av diazoniumsalter med aktiverade aromatiska föreningar till bildandet av azofärgämnen. Färgämnen kan ha mycket olika färger beroende på arten av substituenterna på båda aromatiska ringarna.

Salpetersyrlighet, som används för att erhålla diazoniumsalter, är en lågstabil substans och framställs in situ (dvs direkt i reaktionskärlet) av natriumnitrit och saltsyra. I reaktionsdiagrammet kan behandling med salpetersyrlighet visas på ett av två sätt, som används nedan:

Här är några exempel på reaktioner av diazoniumsalter:

Framställning av praktiskt viktiga ämnen med hjälp av elektrofila substitutionsreaktioner

Färgämnen. Syntesen av metylorange visas nedan. Om du tar de ursprungliga föreningarna med andra substituenter i de aromatiska ringarna kommer färgen på färgen att vara annorlunda.

Polymerer. Polystyren framställs genom polymerisation av styren (se kapitel 6), som i sin tur kan syntetiseras enligt följande. Bensen acyleras av Friedel-Crafts med ättiksyraanhydrid istället för acetylklorid, den resulterande ketonen reduceras till alkohol, som sedan dehydreras med kaliumvätesulfat som en syrakatalysator:

Mediciner. i syntesen av sulfonamid (streptocid) är de två första stegen reaktioner som vi redan har stött på. Det tredje steget är skyddet av aminogruppen. Detta är nödvändigt för att förhindra interaktionen mellan klorsulfonsyra och aminogruppen. Efter att gruppen reagerat med ammoniak kan skyddsgruppen avlägsnas.

Streptocide var ett av de första antimikrobiella läkemedlen i sulfonamidgruppen. Den används än idag.

Elektrofila substitutionsreaktioner tillåter införandet av många olika grupper i den aromatiska ringen. Många av dessa grupper kan sedan transformeras under syntesen.

Mekanism för aromatisk elektrofil substitution

Det har fastställts att elektrofil substitution i aromatiska föreningar sker i två steg. Först tillsätts en elektrofil (som kan genereras med olika metoder) till bensenringen. I detta fall bildas en resonansstabiliserad kolhydratkatjon (nedan inom parentes). Denna katjon förlorar sedan en proton och blir en aromatisk förening.

Här, för tydlighetens skull, visas formlerna för aromatiska föreningar med dubbelbindningar. Men du kommer naturligtvis ihåg att det faktiskt finns ett moln av delokaliserade elektroner.

Mekanismerna för de två reaktionerna, inklusive elektrofilgenereringssteget, ges nedan. Haogenering

Generering av elektrofiler:

Utbyte:

Friedel-Crafts acyleringselektrofilgenerering:

Utbyte:

Inflytande av suppleanter

När en substituerad bensen reagerar med en elektrofil har strukturen av substituenten som redan finns på bensenringen en signifikant effekt på orienteringen av substitutionen och dess hastighet.

Baserat på deras inflytande på hastigheten och orienteringen av elektrofil substitution kan alla möjliga substituenter delas in i tre grupper.

1. Aktivera ortopara-orientanter. I närvaro av en substituent av denna grupp i en aromatisk förening reagerar den snabbare än osubstituerad bensen, och elektrofilen riktas till orto- och para-positionerna av substituenten och en blandning av orto- och para-disubstituerade bensener bildas . Denna grupp inkluderar följande substituenter:

2. Inaktivera metaorientanter. Dessa substituenter saktar ner reaktionen jämfört med bensen och riktar elektrofilen till metapositionen. Denna grupp inkluderar:

3. Dekontaminerande orto-, para-orientanter. Denna grupp inkluderar atomer av alogener.

Exempel på orientering för elektrofil substitution:

Förklaring av inverkan av substituenter

Varför har olika substituenter så olika effekter på karaktären av elektrofil substitution? Svaret på denna fråga kan erhållas genom att analysera stabiliteten hos de mellanprodukter som bildas i varje enskilt fall. Vissa av dessa mellanliggande karbokater kommer att vara mer stabila, andra mindre stabila. Kom ihåg att om en förening kan reagera på flera sätt, kommer reaktionen att gå längs den väg som ger den mest stabila mellanprodukten.

Nedan visas resonansstrukturerna för mellanliggande partiklar som bildas under den elektrofila attacken av en katjon i orto- och para-positionerna av fenol, som har en kraftfull aktiverande substituent - orto, para-orientant, toluen, som har en substituent med samma , men mycket svagare egenskaper, och nitrobensen, som har där nitrogruppen är ett orienterande medel och deaktiverar ringen:

När en elektrofil angriper både orto- och parapositionerna för fenolen kan fler resonansstrukturer skrivas för den resulterande mellanprodukten än för meta-substitutionsintermediären. Dessutom ger denna "extra" struktur (inringad i en ram) ett särskilt stort bidrag

i stabiliseringen av katjonen, eftersom alla atomer i den har en oktett av elektroner. Sålunda, med en orto- eller para-orienterad attack av en elektrofil, uppträder en mer stabil katjon än med en attack i metapositionen, så substitutionen sker övervägande i orto- och para-positionerna. Eftersom katjonen som resulterar från sådan substitution är mer stabil än katjonen som bildas av osubstituerad bensen, genomgår fenol elektrofila substitutionsreaktioner mycket lättare än bensen. Observera att alla substituenter som starkt eller måttligt aktiverar den aromatiska ringen i elektrofila substitutionsreaktioner har en atom associerad med ringen med ensamma elektronpar. Dessa elektroner kan matas in i ringen. I detta fall uppträder en resonansstruktur med en positiv laddning på en elektronegativ atom (syre eller kväve). Allt detta stabiliserar mellanprodukten och ökar reaktionshastigheten (resonansaktivering).

När det gäller toluen resulterar substitution i både orto- och d-positionen i en mer stabil katjon än när elektrofilen angriper metapositionen.

I de boxade resonansstrukturerna finns den positiva laddningen på de tertiära kolatomerna (tertiära karbokater, se kapitel 5). När man angriper metapositionen bildas ingen tertiär karbokation. Även här sker orto- och para-substitution genom något mer stabila intermediära arter än meta-substitution och än substitution i bensen själv. Därför riktas substitution i toluen till orto- och parapositionerna och går något snabbare än substitution i Lysol (aktivering på grund av den induktiva effekten).

Alla deaktiverande grupper, inklusive nitrogruppen, har egenskapen att dra ut elektroner från den aromatiska ringen. Resultatet av detta är destabilisering av den mellanliggande katjonen. Särskilt

(klicka för att se skanningen)

Intermediärer som härrör från attack vid orto- och parapositionerna är mycket destabiliserade, eftersom den partiella positiva laddningen är belägen omedelbart bredvid nitrogruppen (motsvarande resonansstrukturer är inramade). Därför är metasubstitution att föredra framför orto- och parasubstitution. Nitrobensen genomgår elektrofil substitution mycket svårare än bensen, eftersom elektrondensiteten i ringen reduceras och den ömsesidiga attraktionen av den aromatiska ringen och elektrofilen försvagas.

Elektrofila additionsreaktioner sker i två steg genom bildandet av en mellankatjon. Olika substituenter på bensenringen har olika effekter på substitutionshastigheter och orienteringar. Denna effekt kan förklaras med hänsyn till stabiliteten hos de bildade mellanprodukterna i varje fall.