Organicheskaya_khimia

Из энергетического профиля реакции SEAr (рис. 18.1) можно сделать вывод, что первая стадия реакции (образование σ-комплекса) является определяющей. Её энергия активации (Еа1) значительно большее энергии активации второй стадии (Еа2).

E

Ea1	Ea2

H-Ar+-E

Ar-H + E+ Ar-E + H+

координата реакции Рис. 28. Энергетическая диаграмма реакции

ароматического электрофильного замещения (SEAr)

Доказательством правильности изложенного механизма является отсутствие первичного кинетического изотопного эффекта в реакциях SEAr дейтерированного бензола.

Рассмотрение рис. 28 позволяет сделать важный вывод. Высшая точка реакции – переходное состояние, строение которого не может быть установлено, образующееся на первой стадии, по энергии ближе к промежуточному продукту (σ-комплексу). Поэтому все факторы, стабилизирующие σ-комплекс, будут стабилизировать (уменьшать энергию, облегчать реакцию) и переходное состояние. Рассмотрим конкретные реакции замещения, обращая внимание на природу атакующего агента.

Реакция нитрования

Нитрование бензола проводится «нитрующей смесью» (смесь концентрированных азотной и серной кислот). В результате реакции образуется нитробензол.

NO2

HNO3к, H2SO4к

111

Образование электрофильной частицы происходит при взаимодействии кислот.

HO

NO2

+ H2SO4

+

+

NO2

H2O

NO2

-H2O

-HSO -

нитроний-катион

4

Это кислотно-основное равновесие, в котором серная кислота (более сильная) выступает в качестве кислоты (донора протона), а азотная (менее сильная) – в качестве основания (акцептора протона). Образующийся электрофильный нитроний-катион и начинает реакцию.

Галогенирование

Непосредственно в бензольное кольцо реакцией галогенирования можно ввести только хлор и бром. Введение же фтора и йода осуществляют через соли диазония (будет рассмотрено позже).

Реакции идут только в присутствии катализаторов – кислот Льюиса. При хлорировании обычно используют безводный AlCl3, при бромировании – FeBr3. Взаимодействие хлора или брома с соответствующей кислотой Льюиса генерирует в реакционной смеси электрофил:

Cl2 + AlCl3

Cl+ + AlCl4-

Cl

Cl2, AlCl3

Алкилирование по Фриделю-Крафтсу

Гомологи бензола могут быть получены введением в бензольное кольцо алкильной группы по реакции Фриделя-Крафтса. Электрофил генерируется при взаимодействии кислоты Льюиса с моногалогенопроизводным.

Alk-Cl + AlCl	3				Alk+ + AlCl	4

алкильный катион

Alk

Alk-Cl, AlCl3

Известна модификация реакции Фриделя-Крафтса, в которой электрофил генерируется при взаимодействии алкена и минеральной кислоты.

112

	+
H3C CH2	H3C	CH3
	H3C	CH3
	Cl2, AlCl3
	кумол
	(изопропилбензол)

Ацилирование по Фриделю-Крафтсу

Отличие от предыдущей реакции в том, что в кольцо вводят не остаток алкана, а остаток карбоновой кислоты – ацил. В результате реакции образуются кетоны.

R

O

O

+ AlCl4

-

+ AlCl3

R

+

Cl

хлорангидрид

ацилиевый катион

O

R

Cl2, AlCl3

Сульфирование

Сульфирование проводят либо олеумом, либо концентрированной серной кислотой. В любом случае в качестве электрофила выступает оксид серы (VI), в котором атом серы имеет недостаток электронной плотности. Сульфирование отличается от остальных реакций SEAr тем, что она обратима. Варьируя условия можно выполнить как сульфирование, так и десульфирование.

δ+ SO3H H2SO4, SO3

H+, H2O, пар

Причины особенностей реакции сульфирования понятны из рисунка 29. Энергии активации превращений σ-аддукта в продукт реакции (Еапр) и в исходные соединения (Еаоб) очень близки.

113

E

Eaоб	Eaпр

H-Ar+-SO3-

Ar-H + SO3	Ar-SO3H
	координата реакции

Рис. 29. Энергетическая диаграмма реакции сульфирования

Высокие концентрации серной кислоты (обычно используют олеум) сдвигают реакцию в сторону сульфирования. Низкие концентрации серной кислоты (обычно в раствор сульфоновой кислоты в водной H2SO4 пропускают перегретый пар) – в сторону десульфирования.

Эта особенность реакции сульфирования часто используется в органическом синтезе. Проведя реакцию сульфирования, блокируют какое-то положение в бензольном кольце. Затем проводят с веществом необходимые превращения, после чего удаляют сульфогруппу.

•Реакции SEAr в замещенных бензолах. Факторы, влияющие на скорость реакции и соотношение образующихся изомеров. Правила ориентации. Влияние природы заместителя на устойчивость σ-комплексов и

направление SE реакций. Активирующие и дезактивирующие заместители. Орто-, пара- и мета-ориентанты. Согласованная и несогласованная ориентация.

•Реакции гомологов бензола с участием боковой цепи: галогенирование, окисление. Окисление алкилбензолов и конденсированных ароматических углеводородов до карбоновых кислот.

•Реакции присоединения (галогенирование, гидрирование, озонолиз), окисление бензола.

Реакции ароматического электрофильного замещения в монозамещенных бензолах

Если в бензольном кольце есть хотя бы один заместитель, реакции SEAr заметно усложняются. Во-первых, имеющийся заместитель может активировать

114

или дезактивировать кольцо к взаимодействию с электрофильной частицей. Вовторых, дизамещенные бензолы могут существовать в виде трех изомеров. Таким образом, при введении второй группы в бензольный цикл надо ответить на два вопроса:

•как идет реакция (легче или труднее в сравнении с незамещенным бензолом);

•куда идет реакция (в орто-, мета- или пара-положение).

Поскольку определяющая стадия реакции – переходное состояние образования σ-комплекса, строение которого не может быть определено, рассмотрим влияние донорных и акцепторных заместителей на стабильность самого σ-комплекса. В соответствии с постулатом Хэммонда все структурные факторы, стабилизирующие σ-комплекс, будут понижать энергию переходного состояния и, следовательно, облегчать реакцию. Соответственно структурные факторы, дестабилизирующие σ-комплекс, будут затруднять реакцию. Любой уже связанный с ароматическим циклом заместитель может быть либо электронодонорным, либо электроноакцепторным. Рассмотрим, как донорные и акцепторные свойства заместителя (независимо от того, за счет индуктивного I или мезомерного эффекта M эти свойства проявляются) будут влиять на устойчивость σ-комплекса.

Электронодонорные заместители, отдавая часть своей электронной плотности, увеличивают последнюю в цикле, стабилизируя интермедиат. Следовательно, наличие в цикле доноров облегчает протекание реакции SEAr. Донорные группировки (-OH, -NH2, -NHAlk, -NAlk2, -OR, -NHC(=O)R, Alk, Ar – расположены по степени убывания донорных свойств) называют активирующими.

D

+ стабилизация

HE

Электроноакцепторные заместители уменьшают электронную плотность σ-комплекса, дестабилизируя интермедиат. Таким образом, наличие в цикле акцепторов затрудняет протекание реакции SEAr. Акцепторные группы (-CN, - COOH, -COOR, -CHO, -COR, NO2, -N+R3, SO3H, CCl3, галогены и многие другие) называют дезактивирующими. Следует отметить, что дезактивирующие группы невозможно однозначно расположить в ряд по их дезактивирующему действию.

115

W

+ дестабилизация

HE

Таким образом, все донорные заместители активируют кольцо (облегчают реакцию) в реакциях ароматического электрофильного замещения, а все акцепторные – дезактивируют (затрудняют реакцию). Термины «облегчают» и «затрудняют» используют при сравнении однотипных реакций либо по отношению к незамещенному бензолу, либо в однотипных рядах производных.

Для понимания ориентирующих свойств заместителей используется тот же подход, что и для определения активирующих и дезактивирующих. При анализе строения интермедиата нужно найти структурные факторы, которые его стабилизируют или дестабилизируют. Интуитивно понятно, что донорные заместители будут обладать одними, акцепторные – другими ориентирующими свойствами.

Один из самых простых примеров – свойства алкильных групп, обладающих положительным индуктивным (+I) эффектом. Индуктивный эффект проявляется тем сильнее, чем меньше расстояние. При замещении в орто- или пара-положения среди соответствующих граничных структур есть по одной особенно энергетически выгодной. В них донорная группировка непосредственно связана с углеродом, несущим положительный заряд. В случае замещения в мета-положение такой энергетически выгодной структуры нет. Группировки, обладающие +I эффектом, - орто- и пара-ориентанты.

116

CH3		CH3	CH3
		+		пара-замещение
	+		+
H	E	H E	H E
		выгодно
CH3		CH3	CH3
	E	E	E
+	H	H	H	орто-замещение
	выгодно	+	+
CH3		CH3	CH3
	+		+
	E	E		мета-замещение
			E
	H	+ H	H

К аналогичным выводам можно придти при рассмотрении всех других заместителей, обладающих положительным индуктивным эффектом (+I) – доноров.

Рассмотрим свойства группировок, обладающих +М эффектом (способных отдавать электронную плотность за счет эффекта сопряжения) на примере аминогруппы.

При атаке в орто- и пара-положения соответствующие σ-комплексы могут быть изображены с помощью четырех граничных структур. Одна из них энергетически очень выгодна, поскольку она представляет собой не карбониевый, а аммониевый катион. При реакции в мета-положение структуру такого типа написать не удается. Аммониевые катионы очень устойчивы, достаточно вспомнить о существовании большого числа неорганических солей (например, NH4+Cl-), стабильных при комнатной температуре. Кроме того, при оценке стабильности ионов (молекул и свободных радикалов) с использованием граничных структур применяется простое правило: чем больше граничных структур можно написать, тем стабильнее ион (молекула, свободный радикал). Отчетливо видно, что при вхождении электрофила в орто- и пара-положения соответствующие σ-комплексы показаны с помощью

117

четырех структур, а при реакции в мета-положение граничных структур только три.

Рассмотрение других заместителей, обладающих положительным мезомерным (+М) эффектом, например, OH, OR, NHR, NR2, приводит к аналогичным результатам.

NH2		NH2		NH2			+
							NH2
		+					пара-
	+			+
H E		H E		H E		H	E
						очень выгодно
NH2		NH2		NH2			+
	E				E		NH2
		E					E
+	H	H			H		H орто-
		+		+
						очень выгодно
	NH2	NH2			NH2
	+			+
		E	E			E	мета-
	H	+ H			H

Таким образом, донорные заместители активируют все положения кольца к реакции ароматического электрофильного замещения, но орто- и пара- положения активированы в большей степени, чем мета-.

Акцепторные заместители (дезактивирующие) направляют входящий заместитель в мета-положение кольца. Доказательство аналогично изложенному выше. При протекании реакции в орто- или пара-положения есть по одной очень богатой энергией граничной структуре. В них акцептор непосредственно связан с атомом углерода, несущим положительный заряд. Как было указано, индуктивный эффект проявляется на небольших расстояниях. В этих граничных структурах акцептор сильнее всего уменьшает электронную плотность на атоме углерода, т.е. еще больше увеличивает на нем положительный заряд. Энергия орто- и пара-σ-комплексов выше, чем у интермедиата реакции, протекающей в мета-положение. В последнем случае нет особенно невыгодных по энергии структур.

118

Акцепторные (дезактивирующие) заместители дезактивируют все положения бензольного цикла в реакциях ароматического электрофильного замещения, но мета-положение дезактивировано в меньшей степени, чем орто- и пара-. Следовательно, акцепторы являются мета-ориентантами.

В некоторых изданиях орто-, пара-ориентанты называют ориентантами I рода, мета-ориентанты – ориентантами II рода.

NO2

NO2

NO2

		+		пара-замещение
	+		+
H	E	H E	H E
		невыгодно
NO2		NO2	NO2
	E	E	E
+	H	H	H	орто-замещение
		+	+
невыгодно
NO2		NO2	NO2
	+		+
	E	E		мета-замещение
			E
	H	+ H	H

Суммируя вышеизложенное:

•активирующие заместители – орто- и пара-ориентанты;

•дезактивирующие заместители – мета-ориентанты.

Все изложенное имеет одно исключение:

Галогены – дезактивирующие заместители, но орто- и пара- ориентанты.

Причина такого поведения галогенов в их двойственной природе. Они проявляют свойства индуктивных акцепторов (-I-эффект) и, одновременно, мезомерных доноров (+М-эффект).

Анализ строения σ-комплексов, образующихся в ходе реакций электрофильного замещения в галогенопроизводных бензола показывает, что

119

при реакциях в орто- и пара-положения есть по одной энергетически невыгодной граничной структуре, в которых акцепторный атом галогена связан с положительно заряженным углеродом. Кроме того, есть по одной выгодной структуре за счет сопряжения четырех π-электронов цикла с электронной парой атома галогена. При реакциях в мета-положение нет ни особо выгодных, ни особо невыгодных граничных структур. При орто- и пара-замещении интермедиаты могут быть изображены с помощью четырех граничных структур, при мета-замещении – трех. Таким образом, галогены, являясь дезактивирующими заместители, уменьшают реакционную способность всех положений (о-, м- и п-) бензольного цикла, но понижение реакционной способности в орто- и пара-положениях выражено в меньшей степени, чем в

мета-.

	Cl	Cl	Cl
				+ Cl
		+			пара-
	+		+
	H E	H E	H E	H E
		невыгодно		очень выгодно
Cl		Cl	Cl
	E	E	E	+ Cl E
+	H	H	H	H	орто-
		+	+
невыгодно				очень выгодно
	Cl	Cl	Cl
	+		+	мета-замещение
	E	E
			E
	H	+ H	H

Реакции ароматического электрофильного замещения в дизамещенных бензолах

При планировании синтеза тризамещенных бензолов следует учитывать ориентирующие свойства каждого из заместителей. Возможно два варианта их совместного действия:

120