Energijski profil reakcije elektrofilne aromatske substitucije. Elektrofilne substitucijske reakcije

V petdesetih in sedemdesetih letih sta bili dve raziskovalni skupini - K. Ingold (University College London University) in O.A. Reutova (Fakulteta za kemijo, Moskva državna univerza njim. MV Lomonosov), so bile izvedene intenzivne študije mehanizma elektrofilne substitucije na nasičenem atomu ogljika. Za glavne predmete je bilo izbrano živo srebro organske spojine, pri katerem se vez ogljik-živo srebro dokaj enostavno razcepi z delovanjem elektrofilov (kisline, halogeni, kovinske soli itd.).

V tem obdobju so bili tudi drugi izjemno pomembno delo v tej smeri zlasti preučevanje mehanizmov reakcij dodajanja in izločanja, aromatske nukleofilne substitucije, ki so pomembne za modeliranje bioloških sistemov, mehanizmov katalize nukleofilnih reakcij karbonilnih spojin, mehanizmov anorganskih reakcij, reakcij organskih spojin prehodnih kovin itd.

$ Se $ -Reakcije organometalnih spojin

$ \\ Sigma $ vezane organske spojine različnih kovin, od alkalijskih in zemeljskoalkalijskih kovin do težkih neprehodnih, pa tudi prehodne kovine, lantanidi in aktinidi, vstopijo v $ Se $ -reakcije. V tem primeru sta mehanizem in hitrost reakcije močno odvisna od narave kovine. Na primer, pri takem elektrofilu, kot je voda, $ R_2Zn $ cinkovi dialkili reagirajo z eksplozijo, $ R_2Cd $ - počasi in $ R_2Hg $ praktično ne vplivajo, čeprav se živosrebrni dialkili cepijo pod delovanjem raztopin $ HCl $.

Z vidika sintetičnega pomena so najpomembnejše litijeve in organomagnezijeve spojine, zato je treba poznati reakcijske mehanizme teh spojin. Ustrezne študije pa močno zaplete izjemno visoka reaktivnost litijevih in magnezijevih spojin (običajno se uporabljajo in situ, z njimi pa je mogoče hraniti in delati le v anaerobnih pogojih). Poleg tega so organolitijeve spojine v raztopinah močno povezane in organomagnezijeve spojine so v Schlenkovem ravnotežju. Zato so bile litijeve in organomagnezijeve spojine prepoznane kot ne preveč primerne podlage za preučevanje kvantitativnih zakonitosti elektrofilne substitucije. In čeprav so mehanizmi reakcij, ki vključujejo $ RLi $ ali $ RMgX $, naravno preučeni, je najpomembnejšo vlogo pri razjasnitvi mehanizma reakcij $ Se $ odigralo živo srebro in v manjši meri organokositrne spojine, ki so v zraku precej stabilne in reagirajo z elektrofili s hitrostjo ki jih je mogoče izmeriti s konvencionalnimi metodami.

Značilnosti mehanizmov reakcij elektrofilne substitucije

Teoretična obravnava stereokemije elektrofilnih substitucijskih reakcij z mehanizmom $ Se2 $ vodi do zaključka, da v nasprotju z reakcijami $ Sn2 $, ki jih pri nukleofilskem napadu od zadaj dopušča orbitalna simetrija in so v čelnem napadu prepovedane, reakcije $ Se2 $ niso prepovedane niti v čelnem , niti z zadnjim napadom elektrofila. Kljub temu je teoretično čelni napad nekoliko bolj zaželen, saj elektrofil napada najvišjo zasedeno MO (HOMO) vezi $ C-Z $, gostota elektronov te orbite pa je skoncentrirana predvsem v medjedrnem območju:

Slika 1.

Frontalni napad ustreza prehodnim stanjem s tremi središči (5), zadaj pa linearnim (6); v prvem primeru bo stereokemični rezultat ohranitev konfiguracije ogljikovega središča, v drugem pa inverzija konfiguracije:

Slika 2.

Velika večina reakcij elektrofilne substitucije drugega reda nadaljuje z ohranjanjem konfiguracije. Torej, elektrofilna substitucija drugega reda pri atomih ogljika v glavi mostu premostitvenih sklepov se zgodi zelo enostavno. Tudi reakcije $ Se $ neopentilnih substratov $ (CH_3) _3CCH_2Z $, ki v primeru nukleofilne substitucije izjemno počasi reagirajo zaradi prostorskih ovir za zadnji napad, potekajo enostavno.

Znani pa so primeri inverzije konfiguracije, kar kaže na zadnji napad elektrofila.

Vrste elektrofilnih substitucijskih mehanizmov

Na podlagi rezultatov študije $ Se $ -reakcije $ \\ sigma $ -kovinskih spojin je bil oblikovan koncept nukleofilne pomoči elektrofilni substituciji. Njeno bistvo je, da na hitrost in mehanizem $ Se $ -reakcije v raztopinah bistveno vpliva prisotnost enega ali drugega proizvajalca nukleofilnih delcev. Takšni nukleofilni delci so lahko kot "notranji" nukleofili $ Nu ^ - $, ki so del elektrofilnih sredstev $ E-Nu $ (na primer $ C1 ^ - $ v $ HgCl_2 $ ($ E \u003d HgCl ^ + $), $ Br ^ - $ v $ Br_2 $ ($ E \u003d Br ^ + $), dva aniona $ I ^ - $ v $ I ^ (3 -) $ ($ E \u003d I ^ + $) itd.) in navadni nukleofilni delcev.

Tako bi moral dodatek nukleofilov, ki se lahko usklajujejo s kovinskimi atomi, povečati tudi hitrost $ SE1 $ reakcij. Pomožne monomolekularne reakcije so označene s simbolom $ Se (N) $, bimolekularne reakcije z notranjo pomočjo pa s simbolom $ Sei $. Za mehanizem $ Sei $ je značilno prehodno stanje s štirimi središčami 7, v katerem nastajanje vezi $ C-E $ in $ M-Nu $ ter razbijanje vezi $ E-Nu $ in $ C-M $ poteka bolj ali manj sinhrono. Mehanizma $ Se (N) $ in $ SEi $ sta prikazana na spodnjem diagramu:

Nukleofili lahko katalizirajo tudi reakcije $ Se2 $, pri čemer se uskladijo izključno s kovinami, na primer:

Slika 5.

Uvod

Elektrofilne substitucijske reakcije so substitucijske reakcije, pri katerih napad izvede elektrofil (delec, ki ima pomanjkanje elektrona), in ko nastane nova vez, se delci odcepijo brez svojega elektronskega para (reakcije tipa SE).

Splošni pogled na reakcijo

Elektrofilna sredstva

Elektrofilna sredstva lahko pogojno razdelimo v 3 skupine:

.Močni elektrofili:

.NO2 + (nitronijev ion); kompleksi Cl2 ali Br2 z različnimi Lewisovimi kislinami (FeCl3, AlBr3, AlCl3, SbCl5 itd.); H2OCl +, H2OBr +, RSO2 +, HSO3 +, H2S2O7.

.Elektrofili srednje moči:

Kompleksi alkil halogenidov ali acil halogenidov z Lewisovimi kislinami (RCl. AlCl3 ,. AlCl3 itd.); kompleksi alkoholov z močnimi Lewisovimi in Bronstedovimi kislinami (ROH. BF3, ROH. H3PO4, ROH. HF).

.Šibki elektrofili:

Diazonij, iminij kationi CH2 \u003d N + H2, nitrozonij NO + (nitrozoil kation); ogljikov monoksid (IV) CO2.

Močni elektrofili medsebojno delujejo s spojinami iz benzenske serije, ki vsebujejo tako darovalce elektronov kot praktično vse substituente, ki odvajajo elektrone. Elektrofili druge skupine reagirajo z benzenom in njegovimi derivati, ki vsebujejo nadomestila, ki donirajo (aktivirajo) elektrone, ali atome halogena, ponavadi pa ne reagirajo z derivati \u200b\u200bbenzena, ki vsebujejo močne deaktivirajoče substituente, ki odvajajo elektrone (NO2, SO3H, COR, CN itd.). Na koncu šibki elektrofili sodelujejo le z benzenskimi derivati, ki vsebujejo zelo močne elektronsko-donatorske substituente (+ M) -tipa (OH, OR, NH2, NR2, O- itd.).

Vrste mehanizmov

Obstajata dva možna mehanizma za nadomestitev protona v aromatski molekuli z elektrofilnim reagentom.

.Izločanje protona lahko poteka hkrati z nastankom nove vezi z elektrofilnim reagentom E in reakcija bo v tem primeru potekala v eni fazi:

Za sinhroni postopek mora biti sprememba naboja na substratu med reakcijo razmeroma majhna. Poleg tega, ker je CH vez pretrgana na stopnji reakcije, ki določa hitrost, lahko pričakujemo, da mora v primeru sinhronega mehanizma reakcijo spremljati pomemben kinetični izotopski učinek vodika.

Na začetku se elektrofilno sredstvo pritrdi na π- aromatičnega jedrnega sistema nastane nizko stabilen intermediat. Nadalje se iz tvorjenega kationa pod delovanjem baze, ki je lahko molekula topila, odcepi proton:

Za reakcije, ki potekajo po tem mehanizmu, bi morala biti značilna visoka stopnja občutljivosti na elektronske učinke substituentov, saj je vmesni vmesni kation. Poleg tega, če je stopnja določanja hitrosti prva, v kateri ne pride do kršitve komunikacija C-H, reakcije ne sme spremljati pomemben kinetični izotopski učinek.

Interakcija aromatskih spojin z elektrofilnimi reagenti lahko privede do nastanka dveh vrst kompleksov, ki sta lahko vmesna snov v elektrofilnih substitucijskih reakcijah. Če elektrofilno sredstvo elektronike bistveno ne uniči π- nastanejo aromatični jedrni sistem π- kompleksi.

Obstoj π- kompleksov potrjujejo podatki UV-spektroskopije, spremembe topnosti, parnega tlaka, ledišč. Izobraževanje π- kompleksi so dokazani, na primer za interakcijo aromatskih ogljikovodikov z vodikovim kloridom ali ionom Ag +:

Ker se elektronska struktura aromatskega obroča spreminja nepomembno (lahko potegnemo analogijo med temi kompleksi in kompleksi s prenosom naboja), med tvorbo π -kompleksi, v spektrih ni bistvenih sprememb, ni opaziti povečanja električne prevodnosti. Vpliv elektronskih učinkov substituentov v aromatskem obroču na stabilnost π- kompleksi so razmeroma majhni, saj je prenos naboja v π -kompleksi so majhni.

Ko se aromatski ogljikovodiki raztopijo v tekočem vodikovem fluoridu, se molekula aromatskega ogljikovodika protonira s tvorbo arenonijevega iona in dobimo komplekse druge vrste - δ- kompleksi.

Trajnost δ -kompleksi (arenonijevi ioni), v nasprotju s stabilnostjo -kompleksi, je zelo odvisno od števila in narave substituentov v benzenskem obroču. ...

Izobraževanje δ -komplicira stabilizacijo protioiona zaradi interakcije z borovim fluoridom (III) ali drugimi Lewisovimi kislinami:

V prisotnosti Lewisovih kislin δ -kompleksi nastajajo tudi z vodikovim kloridom.

Vmesni δ- kompleks ima več resonančnih struktur in zelo spominja na "superperalni kation", saj je pozitivni naboj v njem porazdeljen med tri od petih razpoložljivih p-orbitalov. Ta sistem vključuje dva enaka orto-ogljikova atoma glede na ogljikov atom sp3-hibridisovain in en parakarbonski atom glede na isti atom. Dva enakovredna meta položaja obroča nimata formalnega naboja, vendar sta zaradi sosednjih pozitivno nabitih atomov ogljika nedvomno nekoliko elektropozitivna:

V izobraževanju δ -kompleksi, se močno poveča električna prevodnost raztopine.

Glavni način pretvorbe arenonijevih ionov v raztopini je abstrakcija protona z regeneracijo aromatskega sistema.

Ker je med tvorbo arenovega iona v aromatskem obroču lokaliziran cel pozitiven naboj, je vpliv elektronskih učinkov substituentov na relativno stabilnost δ -kompleksov mora biti bistveno več kot v primeru π- kompleksi.

Tako lahko pričakujemo, da bo reakcija elektrofilne substitucije najprej potekala skozi fazo tvorjenja π- in nato δ- zapleteno.

Izomerna δ- kompleksi

V prehodnem stanju pred izobraževanjem δ -kompleks, med molekulo monosubstituiranega benzena C6H5X in pozitivno nabitim elektrofilom E +, je naboj razdeljen med napadalnim elektrofilom in benzenskim obročem. Če je prehodno stanje "zgodnje" (podobno kot reagenti), potem je naboj v benzenskem obroču majhen in je večinoma lokaliziran na elektrofilu, če pa je prehodno stanje "pozneje" (podobno kot arenonijev ion), pa je naboj večinoma lokaliziran na ogljikovih atomih benzenskega obroča. Za reakcije monosubstituiranih benzenov lahko obstajajo štirje kompleksi: orto-, meta-, para- in ipso-:

orto- meta- par- ipso

V skladu s tem lahko obstajajo štiri različna prehodna stanja, katerih energija je odvisna od stopnje interakcije substituenta X s pozitivnim nabojem obroča. V "poznem" prehodnem stanju bi moral biti polarni učinek X substituenta bolj izrazit kot v "zgodnjem" prehodnem stanju, vendar bi moral biti učinek enega in istega substituenta kvalitativno enak.

Produkti substitucije vodika nastajajo iz orto-, meta- in parakompleksov (z izločanjem protona), vendar lahko substitucijski produkt skupine X nastane iz ipso-kompleksa z izločanjem kationa X +. ipso-substitucija je značilna za organometalne spojine; kovina se v njih praviloma lažje zamenja kot proton:

Razvrstitev substituentov

Trenutno so substituenti razdeljeni v tri skupine, ob upoštevanju njihovega aktivirajočega ali deaktivirajočega učinka ter usmerjenosti substitucije v benzenskem obroču.

1.Aktiviranje orto-para-orientacijskih skupin. Sem spadajo: NH2, NHR, NR2, NHAc, OH, OR, OAc, Alk itd.

2.Deaktiviranje orto-para-orientacijskih skupin. To so halogeni F, Cl, Br in I.

Ti dve skupini (1 in 2) substituentov se imenujejo orientacije tipa I.

3.Deaktiviranje meta-orientacijskih skupin. To skupino sestavljajo NO2, NO, SO3H, SO2R, SOR, C (O) R, COOH, COOR, CN, NR3 +, CCl3 itd. To so orientacije tipa II.

Seveda obstajajo tudi skupine atomov vmesne narave, ki povzročajo mešano usmeritev. Sem spadajo na primer: CH2NO, CH2COCH3, CH2F, CHCl2, CH2NO2, CH2CH2NO2, CH2CH2NR3 +, CH2PR3 +, CH2SR2 + itd.

Primeri vpliva orientantov:

Osnovne reakcije elektrofilne aromatske substitucije

Nitriranje.

Ena najbolj razširjenih substitucijskih reakcij v aromatskih sistemih je nitriranje.

Različne arene se nitrirajo v najrazličnejših pogojih. Najpogosteje se kot nitratno sredstvo uporablja dušikova kislina, pomešana z žveplovo kislino ali dušikovo kislino v organskih topilih: ocetna kislina, nitrometan itd.

Nesubstituirani benzen se običajno nitrira z mešanico koncentrirane dušikove in žveplove kisline pri 45-50 ° C. Ta reagent se imenuje nitratna zmes.

Ugotovljeno je bilo, da je pri elektrofilni nitraciji, ne glede na naravo nitracijskega sredstva, dušikov ion NO2 + aktivni elektrofil. V presežku koncentrirane žveplove kisline pride do kvantitativne pretvorbe dušikove kisline v nitronijev hidrogen sulfat:

Ko žveplovo kislino razredčimo z vodo, se koncentracija iona NO2 + zmanjša, hkrati pa hitrost nitriranja močno pade. Vendar se zelo reaktivni areni nitrirajo tudi v pogojih, ko kateri koli zazna ion NO2 + v raztopini fizikalne metode nemogoče. Obstajajo dokazi, da tudi v odsotnosti žveplove kisline nitriranje izvaja nitronijev ion.

V teh pogojih imajo reakcije zelo aktivnih aren ničelni kinetični red glede na aromatični substrat (počasna stopnja - tvorba NO2 + brez sodelovanja ArH). Pod enakimi pogoji za manj reaktivne arene je najprej kinetični red v ArH, tj. sam postopek nadomestitve postane stopnja, ki omejuje stopnjo. Podoben učinek so opazili na primer med nitriranjem toluena z vodno raztopino dušikove in žveplove kisline. Pri nizki koncentraciji H2SO4 je bil vrstni red glede na toluen enak nič, pri višji koncentraciji pa prvi.

Kadar se kot reagent uporablja nitratna zmes (HNO3 + H2SO4), je koncentracija dušikovih ionov v raztopini vedno precej visoka in s presežkom reagenta konstantna, zato lahko nitriranje štejemo za dvostopenjski postopek.

Počasna stopnja tega dvostopenjskega procesa je tvorba -kompleks. To dokazuje odsotnost kinetičnega izotopskega učinka vodika med nitriranjem arenov in deuteroarenov. Vendar pa lahko uvedba zelo obsežnih skupin na obeh straneh substituiranega vodika močno zmanjša stopnjo k2 stopnje in povzroči pojav izotopskega učinka.

Do halogeniranja (na primer bromiranja) benzena z delovanjem samega halogena pride le v prisotnosti katalizatorjev, kot so ZnCl2, FeBr3, A1Br3 itd. Lewisove kisline so običajno katalizatorji. Povzročajo določeno polarizacijo molekule halogena in s tem okrepijo njen elektrofilni značaj, nakar takšna polarizirana molekula napade π - elektroni aromatskega obroča na mestu, ki nosi pozitiven naboj:

Po cepitvi vezi brom-brom, δ- kompleks z benzenom, iz katerega nastane negativno nabit kompleks -Br FeBr3 odstrani proton, da dobi bromobenzen.

Vodne raztopine HO-Hal lahko uporabimo tudi kot halogenacijska sredstva, seveda v prisotnosti močnih kislin. Obstajajo zanesljivi dokazi, da je na primer pri kloriranju sredstvo za kloriranje ion Cl +, ki nastane kot posledica reakcije:

Mehanizem nadaljnje interakcije ionov Cl + z benzenom se ne razlikuje od mehanizma nitriranja z ioni NO2 +. Podobnost teh dveh procesov potrjuje dejstvo, da sama HCl kislina, pa tudi HNO3, zelo šibko sodeluje z benzenom; v obeh primerih so za sproščanje ionov Cl + in NO2 + s protonacijo "nosilnih molekul" potrebne močne kisline:

Nadaljnji dokazi v prid substitucijskih snovi, ki so halogenski kationi ali kompleksi, ki vsebujejo polarizirani halogen, so bili pridobljeni s preučevanjem reakcij med interhalogenidnimi in aromatskimi spojinami. Tako na primer delovanje BrCl vodi le do bromiranja, ICl pa le do jodiranja, torej se v molekulo aromatske spojine vedno vnese manj elektronegativni halogen, ki nosi delno pozitiven naboj v začetni molekuli interhalidne spojine, na primer:

δ+ δ- → Kl

Sulfoniranje.

Še vedno ni soglasja glede resnične narave elektrofilnega sulfonacijskega sredstva. Podatki kinetičnih meritev na to vprašanje ne dajo enoznačnega odgovora, saj vodna in brezvodna žveplova kislina vsebuje veliko število potencialnih elektrofilnih snovi, katerih relativna koncentracija je odvisna od razmerja H2O / SO3.

Pri koncentraciji žveplove kisline pod 80% se vzpostavijo predvsem naslednja ravnovesja:

Pri višji koncentraciji žveplove kisline v območju od 85 do 98% stanje žveplove kisline v glavnem opisujejo enačbe:

V 100% žveplovi kislini in v oleumu so poleg H2S2O7 še druge polisveplove kisline - H2S3O10; H2S4O13 itd. Vse to izjemno otežuje razlago podatkov o kinetiki sulfonacije.

V vodni žveplovi kislini pri koncentraciji pod 80% je hitrost sulfonacije linearno korelirana z aktivnostjo iona H3SO4 +. Pri koncentraciji žveplove kisline nad 85% opazimo linearno korelacijo z aktivnostjo H2S2O7. Ta dva delca sta očitno dva glavna resnična elektrofilna sredstva za sulfoniranje aromatskih spojin v vodni žveplovi kislini. Lahko jih obravnavamo kot molekulo SO3, usklajeno z ionom H3O + oziroma žveplovo kislino. Pri prehodu iz 85% na 100% žveplove kisline se koncentracija iona H3O + močno zmanjša in koncentracija H2SO4 se poveča. V 91% kisline \u003d, ker pa je H2S2O7 (SO3. H2SO4) močnejše elektrofilno sredstvo kot H3SO4 + (H3O +. SO3), prevladuje kot elektrofil ne le v 91%, ampak celo v 85% žveplova kislina.

Tako je sulfonacijski mehanizem mogoče očitno predstaviti na naslednji način:

Kinetični izotopski učinek kH / kD pri koncentraciji žveplove kisline pod 95% je zanemarljiv. Vendar pa pri sulfonaciji z 98-100% H2SO4 ali oleumom opazimo kinetični izotopski učinek kH / kD v območju 1,15-1,7, tj. stopnja (2) že postane odločilna. Pri koncentraciji žveplove kisline pod 95% se proton iz -kompleks se odcepi z vodikovim sulfatnim ionom HSO4- in pri višji koncentraciji žveplove kisline ima sam H2SO4 vlogo zelo šibke baze. Zato se stopnja stopnje (2) močno zmanjša in opazimo kinetični izotopski učinek.

V oleumu se hitrost sulfonacije močno poveča. Elektrofilno sredstvo v tem primeru očitno ni vezano na kompleksen SO3. Faza (2) je počasna.

Friedel-Craftsova alkilacija.

Reakcija S. Friedel-J. Crafts (1877) je priročna metoda za neposreden vnos alkilne skupine v aromatski obroč. Alkiliranje aromatskih spojin poteka pod vplivom alkil halogenidov, le v prisotnosti primerne Lewisove kisline kot katalizatorja: AlBr3, AlCl3, GaBr3, GaCl3, BF3, SbF5, SbCl5, FeCl3, SnCl4, ZnCl2 itd.

Najaktivnejši katalizatorji so brezvodni sublimirani aluminijevi in \u200b\u200bgalijevi bromidi, antimonov pentafluorid, aluminijevi in \u200b\u200bgalijevi kloridi, manj aktivni železovi (III) halogenidi, SbCl5, med nizkoaktivne katalizatorje spadajo SnCl4 in ZnCl2. Na splošno se aktivnost Lewisovih kislin kot katalizatorjev za alkilacijo benzena zmanjša po vrstnem redu AlBr3\u003e GaBr3\u003e AlCl3\u003e GaCl3\u003e FeCl3\u003e SbCl5\u003e TiCl4\u003e BF3\u003e BCl3\u003e SnCl4\u003e SbCl3. Najpogostejši katalizator te reakcije je predhodno sublimiran aluminijev klorid.

Na primer, reakcijski mehanizem benzilacije z benzil kloridom v nitrobenzenu v prisotnosti brezvodnega AlCl3 kot katalizatorja je naslednji:

kjer je B: \u003d AlCl4-; H2O ali druga baza. Hitrost reakcije je omejena z drugo stopnjo.

Natančna struktura intermediata (RCl. AlCl3) ni znana. Načeloma si lahko predstavljamo celo vrsto struktur, od molekularnega kompleksa do disociiranih karbokacij.

Sodelovanje prostih karbokacij kot alkilirajočih snovi je malo verjetno.

Če bi bila alkilirajoča sredstva prosti karbokationi, bi bila stopnja njihovega nastanka (k1) počasna, reakcija z areni pa hitra in tretjega reda ne bi smeli opazovati. Zelo malo verjetno je, da je alkilirno sredstvo molekularni kompleks. Pri nizkih temperaturah je mogoče komplekse alkilhalogenidov izolirati z Lewisovimi kislinami. Zanje je značilna počasna izmenjava halogenov po shemi:

Tečaj se poveča v vrstici prvega R< втор.R<трет.R, что можно объяснить и ион-парным строением, и структурой координационного аддукта.

Mnogi raziskovalci, ki delajo na tem področju, verjamejo, da je struktura RX. MXn se postopoma spreminja iz strukture koordinacijskega adukta v primeru R \u003d CH3 v strukturo ionskega para v primeru R \u003d t-Bu, vendar to še ni eksperimentalno potrjeno.

Sposobnost atoma halogena v RX, da se kompleksira z AlCl3 ali drugo trdo Lewisovo kislino, se močno zmanjša iz fluora v jod; posledično se aktivnost alkil halogenidov kot alkilirajočih snovi v reakciji Friedel-Crafts zmanjša tudi v seriji RF\u003e RCl\u003e RBr\u003e RI Iz tega razloga se alkil jodidi ne uporabljajo kot alkilirajoče sredstvo. Razlika v aktivnosti alkil fluoridov in alkil bromidov je tako velika, da omogoča selektivno nadomeščanje fluora v prisotnosti broma v isti molekuli.

Friedel-Crafts acilacija

Vnos acilne skupine v aromatski obroč z uporabo acilirnega sredstva in Lewisove kisline se imenuje Friedel-Craftsova acilacija. Sredstva za aciliranje so običajno kislinski halogenidi in anhidridi v prisotnosti aluminijevih halogenidov, borovega trifluorida ali antimonovega pentafluorida kot Lewisovih kislin. Acilhalogenidi in anhidridi kislin tvorijo donor-akceptorske komplekse 1: 1 in 1: 2 z Lewisovo kislino. S spektralnimi metodami je bilo ugotovljeno, da so aluminijev klorid, borov trifluorid in antimonov pentafluorid koordinirani na atomu karbonilnega kisika, saj je bolj bazičen kot sosednji atom klora. Elektrofilno sredstvo v reakciji aciliranja aromatskih spojin je bodisi ta donor-akceptorski kompleks bodisi acilni kation, ki nastane med njegovo disociacijo.

Predvidevamo lahko, da je počasna stopnja reakcije napad enega od treh elektrofilov (RCO +, RCOCl. AlCl3, RCOCl. Al2Cl6) na areno, kar vodi do -kompleks. Učinkovitost teh acilirajočih delcev je odvisna od narave substrata, acil halida in topila ter od količine uporabljenega katalizatorja.

Pri aciliranju arenov z acil halogenidi, ki jih katalizirata klorid ali aluminijev bromid v polarnih aprotičnih topilih (nitrobenzen, nitrometan itd.), Je acilirno sredstvo acilni kation, medtem ko je v mediju z nizko polarnostjo (metilen klorid, dikloroetan ali tetrakloroetan prevzame akceptor) ... Narava acil halogenida vpliva tudi na tvorbo in stabilnost acilnih soli. Mehanizem Friedel-Craftsove acilacije aren pod delovanjem kompleksa donor-akceptor

opisano z naslednjim diagramom:

Aromatski keton je več močna podlaga Lewis kot acil halid in tvori stabilen kompleks z AlCl3 ali drugo Lewisovo kislino. Zato aciliranje aromatskih spojin z acil halogenidi zahteva nekoliko več ekvimolarne količine katalizatorja, medtem ko aciliranje s kislimi anhidridi zahteva dva mola katalizatorja (saj vsebujeta dva atoma kisika karbonil). Keton izoliramo z razgradnjo njegovega kompleksa z AlCl3 z vodo ali klorovodikovo kislino.

Friedel-Craftsova acilacija je popolnoma brez tistih pomanjkljivosti, ki so značilne za reakcijo alkilacije. Med acilacijo se uvede samo ena acilna skupina, saj aromatični ketoni ne vstopajo v nadaljnjo reakcijo (pa tudi drugi areni, ki vsebujejo močne elektronske odvzemne skupine: NO2, CN, COOR). Druga prednost te reakcije pred alkilacijo je odsotnost prerazporeditev v acilirnem sredstvu. Poleg tega za acilacijo niso značilne reakcije nesorazmerja reakcijskih produktov.

Bibliografija

reakcija substitucije aromatske molekule

1.Kurtz A. L., Livantsov M. V., Livantsova L. I. Elektrofilna substitucija v aromatski seriji: Metodični razvoj za študente tretjega letnika.-Moskva, 1997.

2.Dneprovsky A.S. itd. Teoretične osnove organska kemija/ A.S. Dneprovsky, T.I. Temnikova: Učbenik za univerze. - 2. izd., Popravljeno. - L .: Kemija, 1961. - 560.

3.Terney A. Sodobna organska kemija 1. zvezek: Učbenik.-Mir, 1981.-680s.

.Reutov O.A., Kurtz A.L., Butin K.P. Organska kemija: Učbenik - M.: Moskovska državna univerza, 1999. - 560.

.Sykes P. Mehanizmi reakcij v organski kemiji. Per. iz angleščine. izd. Prof. Varšavski M. Ed. 3., M., "Kemija", 1977. - 320-ih.

Za elektrofilne substitucijske reakcije S E najbolj značilne so tiste zapuščajoče skupine, ki lahko obstajajo v stanju z neizpolnjeno valentno lupino.

Takšna skupina je lahko proton, vendar je njena mobilnost odvisna od kislosti. V nasičenih alkanih je vodik neaktiven. Zamenjava vodika se lažje zgodi v tistih položajih, kjer je dovolj kisel, na primer položaj for do karbonilne skupine ali protona na acetilenski vezi. Pomembna vrsta reakcije S E je anionsko cepitev, ki vključuje prekinitev vezi ogljik-ogljik, pri čemer je izhodna skupina ogljik. Še posebej nagnjeni k reakcijam S E organokovinske spojine.

Mehanizmi alifatske elektrofilne substitucije

Alifatski mehanizem S E Za razliko S N premalo preučena. Obstajajo štiri vrste mehanizmov S E : S E 1, S E 2 (od zadaj), S E 2 (od spredaj), S jaz ... Bimolekularni mehanizem S E je podobno S N 2 v smislu, da se nova vez tvori hkrati s prekinitvijo stare. Vendar je tu pomembna razlika.

IN S N 2, nukleofil pripravi svoj elektronski par in ker sta elektronska para medsebojno odbojna, lahko pride zgolj od zadnjega do odhajajočega elektronskega para. Pri elektrofilni substituciji lahko prosta orbitala prihaja tako od zadaj, privablja elektronski par, kot od spredaj. Zato sta teoretično obravnavana dva možna mehanizma.

S E 2 (od spredaj)

S E 2 (zadaj)

Obstaja tretji bimolekularni mehanizem S E , ko del elektrofilne molekule spodbuja ločevanje odhajajoče skupine in tvori vez z njo. Tak mehanizem se imenuje S jaz .

Dokazi: Mehanizmi S E 2 in S jaz ni lahko zaznati. Vsi ustrezajo kinetiki drugega reda. S jaz in S E 2 (od spredaj) tok ob ohranjanju konfiguracije. S E 2 (od zadaj) teče z inverzijo konfiguracije. Potrditveni mehanizem S E 2 (od spredaj) je, da lahko pri atomih ogljika v glavi mostu pride do elektrofilne substitucije.

Monomolekularni mehanizem elektrofilne substitucije S E 1 je podoben S N 1 in vključuje dve stopnji, počasno ionizacijo in hitro rekombinacijo.

Mehanizem dokazov S E 1. Eden od dokazov je kinetika prvega reda v substratu. Pomembni so stereokemijski dokazi v reakciji:

Izmenjava protona z devterijem poteka z enako hitrostjo kot racemizacija in opazimo kinetični izotopski učinek. Reakcija S N 1 se ne pojavi na vrhu mostu, ampak S E 1 nadaljuje enostavno, iz česar izhaja, da karbanion ni nujno raven, lahko ima piramidalno strukturo.

Pri elektrofilni substituciji z alilnim substratom lahko dobimo produkt prerazporeditve:

Ta vrsta postopka je podobna S N in lahko gre na dva načina.

Prva se nadaljuje z oblikovanjem vmesnega alilnega karbaniona:

Druga pot vključuje elektrofilno dodajanje pri dvojni vezi z vmesnim tvorjenjem karbokacije in naknadno odstranitvijo elektrofuge:

Najpomembnejše reakcije alifatske elektrofilne substitucije

Reakcije CH kislin

Če je v reakcijah elektrofilne substitucije odhodna skupina vodik, ki se izloči v obliki protona, potem se takšni substrati imenujejo CH-kisline. Najpomembnejše tovrstne reakcije, ki se pojavijo po mehanizmu S E 1 :

Istopična izmenjava vodika

;

Migracija dvojnih in trojnih vezi

- Kombinacija z diazonijevimi solmi

V super kislem okolju lahko nadomeščanje vodika poteka po mehanizmu S E 2 , s tvorbo karbonijevih ionov:

Organokovinske reakcije

Glavne reakcije organometalnih spojin so protodemetalizacija, halogendemetalacija in remetalacija

Protodemetalling se imenuje reakcija zamenjave kovine v organometalni spojini z vodikom pod delovanjem kislin

Halogenirana kovina imenovana reakcija nadomestitve kovine s halogenom pod delovanjem halogenov ali interhalogenov:

Predelavase imenuje reakcija zamenjave ene kovine z drugo. Tako anorganska kovinska sol kot organometalna spojina lahko delujeta kot regent:

Reakcije s heterolitičnim cepljenjem vezi ogljik-ogljik

Reakcije, ki se pojavijo s cepitvijo vezi ogljik-ogljik, imenovano anionska cepitev, pogosto potekajo po mehanizmu S E 1 z vmesno tvorbo karbaniona:

Anionske cepitvene reakcije običajno delimo v dve skupini. Prva skupina vključuje procese, v katerih karbonilne spojine delujejo kot odhodna skupina. Substrati za to reakcijo so spojine, ki vsebujejo hidroksil. Najpomembnejše reakcije te skupine so: reakcija retroaldola, cepitev cianohidrinov, cepitev terciarnih alkoholatov. Druga skupina reakcij anionskega cepljenja se imenuje acilna cepitev, saj se elektrofuga cepi v obliki karboksilne kisline ali njenega derivata. Substrati v tej skupini so karbonilne spojine, postopek pa se začne z nukleofilnim dodajanjem baze karbonilni skupini:

Najpomembnejše tovrstne reakcije: cepitev β-ketoesterjev in β-diketonov (kislinsko cepljenje z bazami), reakcija haloforma, reakcije dekarboksilacije soli karboksilne kisline.

Elektrofilne substitucijske reakcije so značilne za aromatske, karbociklične in heterociklične sisteme. Kot rezultat delokalizacije p-elektronov v molekuli benzena (in drugih aromatskih sistemih) se p-elektronska gostota enakomerno porazdeli na obe strani cikla. Takšna zaščita s p-elektroni obročastih atomov ogljika jih ščiti pred napadi nukleofilnih reagentov in nasprotno olajša možnost napada z elektrofilnimi reagenti.

Toda v nasprotju z reakcijami alkenov z elektrofilnimi reagenti interakcija aromatičnih spojin z njimi ne vodi do nastanka adicijskih produktov, saj bi bila v tem primeru motena aromatičnost spojine in njena stabilnost bi se zmanjšala. Ohranjanje aromatičnosti je možno, če elektrofilni delček nadomesti vodikov kation.

Mehanizem reakcij elektrofilne substitucije je podoben mehanizmu reakcij elektrofilnega dodajanja, saj obstajajo splošni zakoni, ki urejajo potek reakcij.

Splošna shema mehanizma reakcij elektrofilne substitucije S Е:

Na prvi stopnji reakcije p-kompleks z elektrofilnim delcem (hitra stopnja), ki se nato spremeni v s-kompleks(počasna stopnja) zaradi tvorbe s-vezanje enega od ogljikovih atomov z elektrofilnim delcem. Za izobraževanje s-povezave z elektrofilnim delcem par elektronov "izbije" iz konjugacije in nastali produkt dobi pozitiven naboj. IN s-kompleksaromatičnost je kršena, ker je eden izmed atomov ogljika v sp 3-hibridizaciji, na ostalih petih atomih ogljika pa se delokalizirajo štirje elektroni in pozitivni naboj.

Za regeneracijo termodinamično ugodnega aromatskega sistema pride do heterolitičnega cepljenja vezi C sp 3 -H. Posledično se ion H + odcepi in par veznih elektronov gre v obnovo konjugacijskega sistema, medtem ko se hibridizacija atomskih orbitalov iz sp 3 v sp 2 spremeni na ogljikovem atomu, ki je odstranil proton. Mehanizem reakcij nitriranja, sulfonacije, halogeniranja, alkiliranja, aciliranja aromatskih spojin vključuje dodatno stopnjo, ki ni navedena v splošni shemi - stopnjo ustvarjanja elektrofilnih delcev.

Reakcijska enačbanitriranjebenzen ima obliko:

Pri nitracijskih reakcijah nastane elektrofilni delček kot posledica interakcije dušikove in žveplove kisline, kar vodi do tvorbe dušikovega kationa NO 2 +, ki nato reagira z aromatsko spojino:

V molekuli benzena so vsi atomi ogljika enakovredni, pri enem izmed njih pride do substitucije. Če so v molekuli prisotni substituenti, potem sta reaktivnost in smer elektrofilnega napada odvisni od narave tega substituenta. Z vplivom na reaktivnost in v smeri napada so vsi nadomestki razdeljeni v dve skupini.

Orientanti prve vrste... Ti substituenti olajšajo elektrofilno substitucijo v primerjavi z benzenom in usmerjajo prihajajočo skupino v orto in para položaj. Sem spadajo elektron-donatorski substituenti, ki povečajo gostoto elektronov v jedru benzena. Kot rezultat njegove prerazporeditve na položaje 2,4,6 (orto- in para-položaji) nastanejo delni negativni naboji, kar olajša pritrditev elektrofilnega delca na te položaje s tvorbo s-kompleks.

Orientanti druge vrste... Ti substituenti ovirajo elektrofilne substitucijske reakcije v primerjavi z benzenom in usmerjajo vstopajočo skupino v enega od meta-položajev. Sem spadajo substituenti, ki odvajajo elektrone in zmanjšujejo gostoto elektronov v benzenskem obroču. Kot rezultat njegove prerazporeditve na položajih 3,5 (meta-položaji) se delni negativni naboji in pritrditev elektrofilnega delca tvorijo s-kompleks gre v težkih pogojih.

Atomi halogena usmerjajo elektrofilni delček v orto- ali para-položaj (zaradi pozitivnega mezomernega učinka), hkrati pa zapletejo reakcijo, saj so substituenti, ki uvajajo elektrone (-I\u003e + M). Reakcije halogeniranih derivatov benzena z elektrofilnimi reagenti potekajo v težkih pogojih.

V reakcijah sulfonacija vlogo elektrofilnega delca ima molekula SO 3, ki nastane kot posledica reakcije: 2H 2 SO 4 «SO 3 + H 3 O + + HSO 4 -. Za atome žvepla v tej molekuli je značilen močan primanjkljaj elektronske gostote in prisotnost delnega pozitivnega naboja, zato se mora atom S kot elektrofil vezati na atom ogljika benzenskega obroča toluena.

Metilna skupina v toluenu je orientacijsko sredstvo prve vrste in kot substituent donorja elektronov olajša substitucijsko reakcijo in usmerja vstopajočo skupino v orto in para položaj. V praksi nastajajo tudi substitucijski produkti v meta položaju, vendar je njihovo število bistveno manjše od količine substitucijskih produktov v orto-para položaju.

Halogeniranje benzen in številne aromatske spojine z delovanjem samega halogena nastanejo le v prisotnosti katalizatorjev, kot so ZnCl 2, AlCl 3, FeBr 3 itd. Lewisove kisline so običajno katalizatorji. Med kovinskim atomom in atomom halogena se tvori vez v skladu z donor-akceptorskim mehanizmom, ki povzroči polarizacijo molekule halogena in okrepi njen elektrofilni značaj. Nastali adukt se lahko disociira s tvorbo kompleksnega aniona in halogenskega kationa, ki nadalje deluje kot elektrofilni delci:

Kot halogenacijska sredstva lahko uporabimo tudi vodne raztopine HO-Hal v prisotnosti močnih kislin. Nastanek elektrofilnega delca v tem primeru lahko razložimo z naslednjimi reakcijami:

Mehanizem nadaljnjega medsebojnega delovanja kationov Br + ali Cl + se ne razlikuje od mehanizma nitriranja s kationi NO 2 +. Poglejmo si reakcijski mehanizem na primeru bromiranja anilina (omejimo se na tvorbo monosubstituiranih produktov). Kot veste, anilin razgradi bromovo vodo in sčasoma tvori 2,4,6-tribromanilin, ki se sprosti v obliki bele oborine:

Nastali elektrofilni delci napadejo p-elektrone benzenskega obroča in tvorijo p-kompleks. Iz nastalega p-kompleksa sta dva glavna s -kompleksi, v katerih se vez ogljik-brom pojavi na orto in para položaju obroča. V naslednji fazi se odstrani proton, kar vodi do tvorbe monosubstituiranih derivatov anilina. V presežku reagenta se ti postopki ponovijo, kar vodi do tvorbe dibromo in tribromo derivatov anilina.

Alkilacija(zamenjava vodikovega atoma z alkilnim radikalom) aromatskih spojin se izvede z njihovo interakcijo s haloalkani (Reakcija Friedel-Crafts). Reakcija primarnih alkil halogenidov, na primer CH 3 Cl, z aromatskimi spojinami v prisotnosti Lewisovih kislin se po svojem mehanizmu malo razlikuje od reakcij halogeniranja. Razmislimo o mehanizmu na primeru metilacije nitrobenzena. Nitro skupina kot orientant druge vrste deaktivira benzenski obroč v elektrofilnih substitucijskih reakcijah in usmerja vstopajočo skupino v enega od meta-položajev.

Na splošno je reakcijska enačba:

Nastanek elektrofilnih delcev nastane kot rezultat interakcije haloalkana z Lewisovo kislino:

Nastali metilni kation napada p-elektrone benzenskega obroča, kar vodi do tvorbe p-kompleksa. Nastali p-kompleks se nato počasi pretvori v s-kompleks (karbokacija), pri katerem se vez med metilnim kationom in obročnim ogljikom pojavlja predvsem na položajih 3 ali 5 (tj. na meta-položajih, pri katerih delni negativni naboji nastanejo zaradi elektronskih učinkov nitro skupine). Zadnja faza je izločanje protona iz s-kompleks in obnova pripadajočega sistema.

Alkeni ali alkoholi se lahko uporabljajo tudi kot alkilirajoča sredstva pri alkilaciji benzena namesto alkil halogenidov. Za tvorbo elektrofilnega delca - karbokacije - je potrebna kislina. Reakcijski mehanizem se bo v tem primeru razlikoval le na stopnji tvorjenja elektrofilnega delca. Upoštevajmo to na primeru alkilacije benzena s propilenom in propanolom-2:

Nastajanje elektrofilnih delcev:

V primeru uporabe propilena kot reagenta nastane karbokacija kot posledica dodajanja protona (po pravilu Markovnikova). Kadar se propanol-2 uporablja kot reagent, nastane karbokacija kot posledica odstranjevanja molekule vode iz protoniranega alkohola.

Nastali izopropilni kation napada p-elektrone benzenskega obroča, kar vodi do tvorbe p-kompleksa, ki se nato spremeni v s-kompleks z oslabljeno aromo. Kasnejša odstranitev protona vodi do regeneracije aromatskega sistema:

Reakcije acilacija (substitucija H + kationa za acil skupina R-C + \u003d O) se pojavljajo na podoben način. Oglejmo si primer reakcije aciliranja metoksibenzena, katerega enačbo lahko predstavimo na naslednji način:

Kot v prejšnjih primerih se zaradi interakcije kislega klorida tvori elektrofilni delček ocetna kislina z Lewisovo kislino:

Nastali acilijev kation najprej tvori p-kompleks, iz katerega v glavnem dva s-kompleksi, v katerih je tvorba s-vez med obročem in elektrofilnim delcem se pojavlja predvsem v orto in para položaju, saj v teh položajih zaradi elektronskega učinka metoksi skupine nastanejo delni negativni naboji.

Aromatski heterocikli so podvrženi tudi elektrofilnim substitucijskim reakcijam. V tem primeru petčlenski heterocikli - pirol, furan in tiofen - zlahka vstopijo v reakcije S E, saj so p-presežni sistemi. Pri izvajanju reakcij s temi spojinami pa je treba upoštevati njihovo acidofobičnost. Nestabilnost teh spojin v kislo okolje je razloženo s kršitvijo aromatičnosti zaradi dodajanja protona.

Pri izvajanju reakcij elektrofilni delček nadomesti proton v položaju a; če sta zasedena oba položaja a, potem pride do zamenjave na položaju b. V nasprotnem primeru je mehanizem reakcij elektrofilne substitucije podoben zgoraj obravnavanim primerom. Primer je bromiranje pirola:

Reakcijski mehanizem z udeležbo aromatskih heterociklov vključuje vse zgoraj obravnavane faze - nastanek elektrofilnega delca, tvorba p-kompleksa, njegova pretvorba v s-kompleks (karbokacija), izločanje protona, kar vodi do tvorbe aromatičnega produkta.

Pri izvajanju reakcij elektrofilne substitucije, ki vključujejo p-pomanjkljive aromatične sisteme, kot sta piridin in pirimidin, je treba upoštevati njihovo sprva nižjo reaktivnost (pomanjkanje p-elektronske gostote otežuje tvorbo p-kompleksa in njegovo preoblikovanje v s-kompleks), ki se še bolj zmanjša pri izvajanju reakcij v kislem mediju. Čeprav aromatičnost teh spojin v kislem mediju ni motena, protoniranje dušikovega atoma vodi v povečanje primanjkljaja p-elektronske gostote v ciklu.

Piridin je sposoben alkilacije, sulfonacije, nitriranja, aciliranja in halogeniranja. Vendar v večini primerov bolj nukleofilni atom dušika, namesto piridinskih atomov ogljika, tvori vez z elektrofilnim delcem.

V primeru reakcije v piridinskem obroču pride do substitucije na enem od b-položajev, v katerem nastanejo delni negativni naboji.

Pod vplivom koncentrirane dušikove kisline ali mešanice koncentrirane dušikove in žveplove kisline (nitrirajoča zmes) se atomi vodika v jedru benzena nadomestijo z nitro skupino:

nitrobenzen

Pred nitriranjem nastane elektrofilni reagent ŠT 2 - nitronijev kation.

V reakciji nitriranja benzena z nitratno zmesjo nitronijev kation (ŠT 2 ) nastane s protoniranjem dušikove kisline s prisotno koncentrirano žveplovo kislino:

Nadaljnja nitracija se pojavi s težavo, saj je nitro skupina substituent druge vrste in otežuje potek reakcij z elektrofilnimi reagenti:

nitrobenzen 1,3-dinitrobenzen 1,3,5-trinitrobenzen

Homologi benzen (toluen, ksilen) nitrirajo lažje kot benzen, saj so alkilne skupine substituenti prve vrste in olajšajo potek reakcij z elektrofilnimi reagenti:

1,3,5-trinitrobenzen

toluen orto-nitrotoluen para-nitrotoluen

1,3,5-trinitrobenzen

1.2. Sulfonacijske reakcije.

Ko na benzen in njegove homologe deluje koncentrirana žveplova kislina ali žveplov trioksid, se atomi vodika v jedru benzena nadomestijo s sulfo skupino:

benzensulfonska kislina

Mehanizem reakcije

Pred sulfoniranjem nastane elektrofilni reagent Hso + 3 - hidrosulfonijev ion:

3H 2 SO 4 → H 3 O + + HSO + 3 + 2 HSO - 4

π-kompleks σ-kompleks

H + + HSO - 4 → H 2 SO 4

Še bolj aktiven elektrofilni reagent je žveplov trioksid, pri katerem na atomu žvepla primanjkuje elektronske gostote:

σ-kompleks

bipolarni ion

Homologi benzena se sulfonirajo lažje kot benzen, saj so alkilne skupine substituenti prve vrste in olajšajo potek reakcij z elektrofilnimi reagenti:

1.3. Reakcije halogeniranja.

V prisotnosti katalizatorjev Lewisove kisline (AlCl 3 ; AlBr 3 ; FeCl 3 ; FeBr 3 ; ZnCl 2 ) pri sobni temperaturi se vodikovi atomi jedra benzena nadomestijo z atomi halogena:

Poleg tega klor nadomešča vodik v aromatskem jedru bolj aktivno kot brom, jodiranje in fluoriranje arenov pa je praktično nemogoče zaradi nezadostne aktivnosti joda in prekomerne aktivnosti fluora.

Vloga katalizatorja je, da tvori pozitiven halogenski ion ali halogenski kompleks z Lewisovo kislino s polarizacijo halogensko-halogene vezi:

1) tvorba pozitivnega halogenskega iona:

2) tvorba kompleksa halogena z Lewisovo kislino s polarizacijo halogensko-halogenske vezi:

Nadaljnje halogeniranje se zgodi s težavo, saj halogeni ovirajo reakcije z elektrofilnimi reagenti, vendar so orto- in para-orientacijska sredstva:

bromobenzen 1,2-dibromobenzen 1,4-dibromobenzen

Homologi benzena so halogenirani lažje kot benzen, saj so alkilne skupine substituenti prve vrste in olajšajo potek reakcij z elektrofilnimi reagenti:

toluen orto-klorotoluen para-klorotoluen