10.2.3. Физические свойства

Среди галогенопроизводных ароматических углеводородов преобладающее большинство — жидкости. Температуры кипения зависят от природы галогена и увеличиваются от фторопроизводных к йодопроизводным, так как с увеличением геометрических размеров молекул и их поляризуемости возрастают силы сцепления между молекулами. Плотность галогенопроизводных больше 1 г/мл и при увеличении числа атомов галогена в кольце заметно увеличивается. Все галогенопроизводные, как правило, нерастворимы в воде, но растворяются в органических растворителях. Соединения с атомом галогена в -положении боковой цепи обладают сильным слезоточивым запахом.

10.2.4. Химические свойства

Химические свойства рассматриваемых соединений должны определяться, с одной стороны, возможностью протекания реакций по ароматическому кольцу (как для любых замещённых бензолов), а с другой стороны — способностью к взаимодействиям с участием атома галогена.

10.2.4.1. Электрофильное замещение в ароматическом кольце арилгалогенидов

За счёт электроноакцепторного индуктивного эффекта галогена электронная плотность на бензольном кольце понижена по сравнению с незамещённым бензолом, и поэтому электрофильные реакции затруднены. Реакции нитрования, сульфирования и галогенирования протекают в более жёстких условиях и с меньшей скоростью, чем для бензола.

Атомы галогенов в этих реакциях ориентируют вступающие группы в о-ип-положения, что обусловлено проявлением этими атомами +М-эффекта по отношению к бензольному кольцу, который усиливается благодаря временной поляризации молекулы субстрата при приближении электрофила:

Поэтому механизм взаимодействия хлорбензола с электрофильной частицей можно представить следующим образом:

Примеры реакций электрофильного замещения в молекуле хлорбензола:

При этом преимущественное направление реакции (в о- или п-положение) и относительные количества орто- и пара-изомеров определяются различными факторами (гл. 10.1.2).

10.2.4.2. Нуклеофильное замещение в ароматическом кольце арилгалогенидов

Реакционная способность по отношению к нуклеофилам у арилгалогенидов низкая. Для замещения их галогена требуются жёсткие условия, активные реагенты либо наличие активирующих функциональных групп, особенно в орто- ипара-положениях относительно галогена. Как правило, взаимодействие протекает при температурах выше 450К. Это является следствием того, что атом галогена в этих соединениях менее подвижен, чем в алкилгалогенидах (см.строение арилгалогенидов, гл. 10.2.2). Наиболее типичные случаи замещения атома галогена в бензольном кольце приведены на схеме:

Эти реакции могут быть использованы для получения различных функциональных производных аренов.

Если в молекуле галогенобензола нет других заместителей или содержится алкильный заместитель, то такие соединения называют неактивированными. Нуклеофильное замещение в молекулах таких арилгалогенидов возможно, например, при взаимодействии хлорбензола с 40%-м водным растворомNaОH при температуре 600—650Ки давлении 30МПа, а также при взаимодействии того же хлорбензола (а также бромбензола, йодбензола) с амидами щелочных металлов (NaNH₂,KNH₂) в жидком аммиаке.

Неактивированные субстраты вступают в реакции нуклеофильного замещения по ариновому механизму (механизм отщепления-присоединения). На первой, медленной, стадии происходит отщепление частиц Н⁺ иСl¯; затем на второй стадии — быстрое присоединение нуклеофильного реагента:

дегидробензол

В общем случае при использовании галогенаренов возможно образование двух изомерных продуктов примерно в равных количествах. Например, из п-хлортолуола в результате замещения хлора гидроксид-ионом образуются м- и п-крезолы:

п-крезол м-крезол

Если в бензольном кольце исходной молекулы галогенарена имеются дополнительные заместители, то они могут сильно влиять на подвижность атома галогена. Присутствие сильных электронодонорных заместителей (-ОН, -NН₂ и др.) делает эту реакцию неосуществимой из-за высокой электронной плотности на бензольном кольце и невозможности подхода нуклеофила. Напротив, сильные электроноакцепторные заместители в бензольном кольце (-NO₂, -CN и др.) будут активировать молекулу арилгалогенида в реакции нуклеофильного замещения. Такие соединения (с дополнительными акцепторными группами) называютактивированнымидля нуклеофильной атаки.

Арилгалогениды с сильными электроноакцепторными заместителями могут вступать во взаимодействие с нуклеофилами по механизму бимолекулярного нуклеофильного замещения (механизм присоединения-отщепления). Для того чтобы наблюдался такой механизм, достаточно в структуре арилгалогенида хотя бы одного сильного электроноакцепторного заместителя в орто- или пара-положении к замещаемой группе, так как именно в этих положениях заместители, обладающие –М-эффектом, понижают электронную плотность. При этом увеличивается положительный заряд на атоме углерода, связанном с галогеном, и становится возможной нуклеофильная атака по нему. Первая стадия протекания реакции (медленная и обратимая) — присоединение нуклеофильной частицы к молекуле субстрата за счёт образования новой -связи, а вторая стадия — отрыв галогенид-иона (быстрая и необратимая):

-комплекс

Примером протекания реакции по механизму S_N2_аром является щелочной гидролиз п-нитрохлорбензола:

,

который протекает в водном растворе при температуре 420 К и давлении 0.6 МПа. Для орто-изомера аналогичная реакция протекает в более мягких условиях (400 К и 0.3 МПа) из-за сильного –I-эффекта нитрогруппы, который сказывается главным образом на ближайших атомах (т.е. в орто-положении). Так получают о-нитроанизол при нагревании в автоклаве при 380 К о-нитрохлорбензола с 80—90%-м метиловым спиртом и щёлочью в течение 4—5 часов:

о-нитроанизол

о-Нитроанизол служит для получения о-анизидина, а последний используется для синтеза гваякола и лекарственных препаратов на его основе.

В отличие от орто- и пара-нитрохлорбензолов для м-изомера щелочной гидролиз протекает в значительно более жёстких условиях — это соединение реагирует, по-видимому, по ариновому механизму.

Реакционная способность арилгалогенидов определяется величиной частичного положительного заряда на атоме углерода, связанном с галогеном. Поэтому наиболее легко будет замещаться атом фтора за счёт большого индуктивного эффекта этого атома во фторбензолах, а труднее всего — атом йода. Наличие нескольких электроноакцепторных заместителей в орто- и пара-положениях также будет существенно увеличивать реакционную способность арилгалогенидов. Однако скорость реакции определяется не только строением субстрата, но и нуклеофильностью реагента, поэтому, например, взаимодействие с амидами осуществляется легче, чем с гидроксидами, и в ряде случаев реакцию проводят с аммиаком или аминами. Так, например, действием аммиака на амид п-хлорбензолсульфокислоты можно получить важный лекарственный препарат белый стрептоцид:

п-аминобензолсульфамид

(белый стрептоцид)

С другой стороны, замещение хлора в полихлорбензолах будет протекать, по-видимому, по ариновому механизму из-за слабого акцепторного влияния атомов хлора в бензольном кольце. При действии на такие соединения спиртовой щёлочи можно заместить лишь один атом хлора. Таким образом могут быть получены п-хлорфенол

п-хлорфенол

и пентахлорфенол (являющийся антисептиком)

пентахлорфенол

10.2.4.3. Взаимодействие с металлами

При участии щелочных металлов арилгалогениды вступают в реакцию Вюрца–Фиттига, которая приводит к получению ароматических углеводородов (гл. 9.6).

Магний реагирует с арилгалогенидами в условиях, обычных для образования магнийорганических соединений – в среде диэтилового эфира:

Ar-Br + Mg  Ar- MgBr

Образующиеся в этой реакции магнийорганические соединения относятся к реактивам Гриньяра и могут использоваться в различных органических синтезах (гл. 6.1.4.1, п.6), в частности для введения ароматического радикала (т.е. для арилирования).

10.2.4.4. Реакции галогенаренов с атомом галогена в боковой цепи

На реакции электрофильного замещения в ароматическом кольце атом галогена, находящийся в боковой алкильной цепи, будет влиять только за счёт своего индуктивного эффекта. При этом наиболее сильное влияние оказывает атом (или атомы) галогена в-положении боковой цепи. Так, в-хлорметилтолуоле за счёт этого будут затруднены электрофильные реакции в кольцо, однако ориентация электрофильного замещения будет такая же, как и в толуоле, — ворто-ипара-положения. При наличии у-углеродного атома нескольких атомов галогена значительно увеличивается суммарный акцепторный эффект и меняется ориентация замещения. Так, например, группировка -CCl₃сильно дезактивирует кольцо и ориентирует вступающий электрофил исключительно вмета-положение за счёт обратной гиперконъюгации. А такой заместитель, как -CНCl₂, будет ориентировать во все положения кольца, но преимущественно вм-положение.

Наличие атома галогена у -углеродного атома и далее (-, -) в углеродной цепи мало сказывается на скорости и направлении электрофильного замещения. Такие соединения ведут себя аналогично аренам. Акцепторное влияние атома галогена на скорость замещения будет уменьшаться по мере его удаления от бензольного кольца.

Нуклеофильное замещение атома галогена в боковой цепи в значительной мере зависит от природы атома углерода, связанного с галогеном. -Галогенозамещённые аренов отличаются высокой активностью в реакциях нуклеофильного замещения по механизму S_N1:

Такая лёгкость протекания реакции связана с образованием устойчивого катиона бензильного типа, в котором положительный заряд делокализован с участием -электронной системы кольца (за счёт р--сопряжения):

Реакционная способность соединений, в которых атом галогена находится у -углеродного атома и далее (-, -) в углеродной цепи, по отношению к нуклеофилам близка реакционной способности соответствующих галогеналканов. Скорость и механизм замещения определяются в соответствии с факторами, рассмотренными для нуклеофильного замещения в галогеналканах (гл. 3.1.1).