Наиболее важными реакциями этого типа являются нитрование, галогенирование, сульфирование, алкилирование, ацилирование.
Механизм ароматического электрофильного замещения.
Большинство реакций ароматического электрофильного замещения протекает по единому механизму:
Реакция начинается с образования p -комплекса, в котором p -электронная система ароматического ядра выступает как донор электронов, а электрофильный реагент (Е +) действует как акцептор. Далее p -комплекс с нарушением ароматической системы медленно перегруппировывается в s -комплекс, в котором электрофил связан s -связью с определенным атомом углерода, а положительный заряд делокализован по сопряженной системе бывшего ароматического кольца. Делокализация положительного заряда в s -комплексе происходит в основном за счет о- и п-положений по отношению к вступающему заместителю, что может быть показано с помощью набора резонансных структур
На последней стадии происходит отщепление протона от s -комплекса под действием основания с восстановлением ароматической системы. Лимитирующей стадией в процессе электрофильного замещения является стадия образования s -комплекса.
Ход реакции и ее механизм иллюстрирует энергетическая диаграмма, представленная на рисунке:
Ориентация и реакционная способность
Если бензольное кольцо уже содержит заместитель, то:
- реакция может протекать быстрее или медленнее, чем с самим бензолом;
- возможно образование трех разных продуктов замещения
Влияние имеющегося в бензольном кольце заместителя можно объяснить исходя из его электронных эффектов. По этому признаку заместители можно разделить на 3 основных группы:
1. Заместители, ускоряющие реакцию по сравнению с незамещенным бензолом (активирующие ) и направляющие замещение в орто ,-пара- положения.
2. Заместители, замедляющие реакцию (дезактивирующие ) и направляющие замещение в орто,-пара- положения .
3. Заместители, замедляющие реакцию (дезактивирующие ) и направляющие замещение в мета - положения.
Заместители, отмеченные в п.п. 1,2 (орто-,пара-ориентанты ) называются заместителями I-го рода ; отмеченные в п.3 (мета-ориентанты ) - заместителями II-го рода . Ниже приведено отнесение обычно встречающихся заместителей в соотвествие с их электронными эффектами.
Таблица 6. Влияние заместителей ароматическом кольце на реакции S E Ar
| Ориентанты I-го рода (орто-, пара- ) | Ориентанты II-го рода (мета- ) | |
| активирующие | дезактивирующие | дезактивирующие |
| Все алкильные группы, -OH, -OR, -O - , -OC(O)R, -NH 2 , -NHR, -NR 2 , NHC(O)R | Галогены: F, Cl, Br, I |
CHO, -C(O)R, -CN, SO 3 H, -COOH, COOR, -NO 2 СHal 3 , -N + R 3 , |
Очевидно, что электрофильное замещение будет происходить тем быстрее, чем более электронодонорным является заместитель в ядре, и тем медленнее, чем более электроноакцепторным является заместитель в ядре.
Для объяснения ориентации замещения рассмотрим строение s -комплексов при атаке в орто -, мета- и пара- положения монозамещенного бензола (как уже отмечалось, образование s -комплексов обычно является скорость-определяющей стадией электрофильного замещения; cледовательно, легкость их образования должна определять легкость протекания замещения в данное положение):
Если группа Z - донор электронов (неважно, индуктивный или мезомерный), то при орто - или пара -атаке она может принимать непосредственное участие в делокализации положительного заряда в s -комплексе (структуры III, IV, VI, VII). Если же Z - акцептор электронов, то указанные структуры будут энергетически невыгодными (из-за наличия частичного положительного заряда на атоме углерода, связанном с электроноакцепторным заместителем) и в этом случае оказывается предпочтительной мета-атака, при которой не возникает таких структур.
Приведенное выше объяснение дано на основании так называемого динамического эффекта , т.е. распределения электронной плотности в реагирующей молекуле. Ориентацию электрофильного замещения в монозамещенных бензолах можно объяснить и с позиции статическихэлектронных эффектов - распределения электронной плотности в нереагирующей молекуле. При рассмотрении смещения электронной плотности по кратным связям можно заметить, что при наличии электронодонорного заместителя более всего повышена электронная плотность в орто- и пара- положениях, а при наличии электроноакцепторного заместителя эти положения наиболее обеднены электронами:
Особый случай представляют собой галогены - будучи заместителями в бензольном ядре, они дезактивируют его в реакциях электрофильного замещения, однако являются орто -, пара- ориентантами. Дезактивация (снижение скорости реакции с электрофилами) связана с тем, что, в отличие других группировок с неподеленными электронными парами (таких как -OH, -NH 2 и т.п.), обладающих положительным мезомерным (+М) и отрицательным индуктивным эффектом (-I), для галогенов характерно преобладание индуктивного эффекта над мезомерным (+М< -I).
В то же время, атомы галогенов являются орто,пара -ориентантами, поскольку способны за счет положительного мезомерного эффекта участвовать в делокализации положительного заряда в s -комплексе, образующемся приорто - или пара - атаке (структуры IV, VII в приведенной выше схеме), и тем самым снижают энергию его образования.
Если в бензольном ядре имеется не один, а два заместителя, то их ориентирующее действие может совпадать (согласованная ориентация ) или не совпадать (несогласованная ориентация ). В первом случае можно рассчитывать на преимущественное образование каких-то определенных изомеров, а во втором будут получаться сложные смеси.
Ниже приведены некоторые примеры согласованной ориентации двух заместителей; место преимущественного вступления третьего заместителя показано стрелкой.
Примеры реакций электрофильного замещения.
Нитрование
Нитрование, как правило, проводят смесью концентрированных азотной и серной кислот, так называемойнитрующей смесью . На первой стадии реакции происходит образование электрофильного агента - иона нитрония + NO 2:
Затем катион нитрония вступает в реакцию с ароматическим субстратом, например бензолом:
Галогенирование
В отличие от нитрования, при галогенировании атака ароматического субстрата может осуществляться различными электрофилами. Свободные галогены, например, Cl 2 и Br 2 , могут легко атаковать активированное ароматическое ядро (например, фенола), но не способны реагировать с бензолом и алкилбензолами. Для поляризации атакующей молекулы галогена необходим катализ кислотами Льюиса , такими как AlCl 3 , FeBr 3 , и т.п.; при этом в молекуле галогена появляется так называемый "электрофильный конец" (энергия же, требующаяся для образования катиона Наl + существенно выше). Тем самым электрофильное замещение существенно облегчается:
Сульфирование
Арены взаимодействуют с концентрированной серной кислотой или олеумом (раствор SO 3 в серной кислоте) с образованием аренсульфокислот:
ArH + H 2 SO 4 ® ArSO 3 H + H 2 O
Электрофильной частицей является SO 3 . Атаку ароматического субстрата осуществляет атом серы, поскольку он сильно положительно поляризован, то есть электронодефицитен:
Сульфирование является обратимым процессом. Сульфогруппа может удаляться из ароматического ядра, что широко используется в органическом синтезе.
Алкилирование по Фриделю-Крафтсу
Подобно галогенам, алкилгалогениды могут быть так сильно поляризованы кислотами Льюиса (хлоридами алюминия и цинка, трифторидом бора и др.), что они становятся способными к электрофильному замещению в ароматическом ядре:
Кроме алкилгалогенидов для алкилирования ароматических соединений могут использоваться алкены или спирты в присутствие катализатора - протонной кислоты:
Присутствие катализатора - протонной кислоты необходимо для генерирования электрофильной частицы - карбокатиона:
Алкилирование аренов алкенами происходит в соответствии с правилом Марковникова.
Продукты алкилирования легче вступают в реакции электрофильного ароматического замещения, чем исходное соединение (Alk - электронодонорная группа), поэтому дальше преимущественно алкилируется продукт и образуются продукты полиалкилирования. Если хотят получить продукты моноалкилирования, то необходимо брать большой избыток ароматического соединения.
Ацилирование по Фриделю-Крафтсу
Арены взаимодействуют с хлорангидридами и ангидридами карбоновых кислот с образование кетонов:
Хлорангидриды и ангидриды, имеют полярную карбонильную группу и в способны к электрофильному замещению в ароматических системах:
Электрофильная активность этих соединений, однако, невелика, и должна быть повышена действием кислот Льюиса. В результате образуется поляризованный комплекс (а в пределе - ацилкатион), действующий как электрофил:
Полиацилирования не наблюдается, поскольку образующийся кетон значительно менее реакционноспособен, чем исходное соединение. Ароматические соединения с сильнодезактивирующими заместителями, например, нитро- или циано- группами, также не ацилируются по Фриделю-Крафтсу.
Электрофильное замещение в конденсированных ароматических углеводородах.
Конденсированные ароматические углеводородв обладают большей реакционной способностью, чем бензол, так как энергия сопряжения, приходящаяся на одно ароматическое кольцо в них меньше, чем в бензоле.
Для замещении в нафталине возможно образование двух изомерных продуктов при атаке электрофила в a - или в b -положение. Атомы водорода в a -положении обладают более высокой реакционной способностью и, если реакция протекает в условиях кинетического контроля (хлорирование, нитрование), то образуется a -изомер:
Сульфирование нафталина концентрированной серной кислотой при 80 о С приводит к a-изомеру, который образуется с большей скоростью(кинетический контроль), а при 160 о С - к термодинамически более стабильному b -изомеру (термодинамический контроль).
Еще более высокой реакционной способностью по сравнению с бензолом обладает антрацен. При этом во всех случаях атака электрофильных реагентов происходит по центральному ядру, а периферийные бензольные ядра сохраняются.
Замечание 1
Самой важной группой реакций для ароматических соединений являются реакции электрофильного замещения. Поскольку ароматическое кольцо притягивает электрофильные, а не нуклеофильные частицы, то реакции по этому проходят легко и широко используются как в лабораторном, так и в промышленном синтезе.
Данный процесс заключается в замещении одной электрофильной частицы (обычно - протона) другой электронно-дефицитной частью. В этой реакции используют разнообразные электрофильные реагенты обозначаемые символом $E^+$, и она является путем получения многих замещенных ароматических соединений. Более того, когда эту реакцию применяют к производным бензола, уже содержащим один или более заместитель, для процесса характерно явление региоселективности (специфичности и направленности замещения), а также выборочная реакционная способность, которые объясняются теорией.
Типы механизмов электрофильного ароматического замещения
Для электрофильного ароматического замещения предполагается два механизма идущих по альтернативным направлениям:
Механизм одностадийного бимолекулярного замещения типа $S_E2$
По данному механизму в конфигурация в ароматическом секстете $\pi$-электронов в ходе реакций сохраняется, и процесс замещения происходит путем взаимодействий НСМО электрофилов с ВЗМО связями ароматических соединей $C - H$:
Рисунок 2.
В переходных состояниях образуются трехцентровые двухэлектронные связи между $C-H$ и теми атомами электрофилов $E^+$, на которых плотность НСМО велика. Образование трехцентровых переходных состояний $(I)$ не вызывает теоретических возражений. Двухэлектронные трехцентровые фрагменты в этих переходных состояниях изоэлектроннв ароматическим $\pi$-системам циклопропенильных катионов, которые ароматичны. Значит, переходные состояния $(I)$ будут «ароматичными», т. е. не слишком высокими по энергии.
Механизм SE-аренониевого электрофильного замещения
Второму механизму было дано название $S_E(Ar)$ - $S_E$-аренониевое электрофильное замещение. По этому механизму ароматичность и шестиэлектронная система в интермедиатах исчезает, они заменяются на нециклические четырехэлектронные сопряженные системы пентадиенильных катионов $(C=C-C=C-C^+)$, а на второй стадии ароматические системы вновь восстанавливаются в результате отщеплений протонов. Атака НСМО электрофилов происходит не на $\sigma$-орбиталям связей, а на $\pi$- ВЗМО, поэтому взаимодействия граничных МО можно представить в виде двух альтернативных схемам:
Рисунок 3.
Однако в монозамещенном бензоле $C_6H_5X$ вырождение снимается. Так например, в феноле или анилине ВЗМО имеют форму (а). Строение аренониевых ионов $(II)$ можно изобразить различными способами:
Рисунок 4.
Наиболее часто употребляют первую формулу, однако и другие приведенные схематические формулы также актуальны. Используя эти альтернативные формулы можно показать, что положительные заряды аренониевых ионов в основном находятся в орто - и пара - положении к геминальным узлам циклогексадиенильных катионов. И поэтому $\sigma$-комплексы будут стабилизироваться донорными заместителями , которые находятся в орто - и пара - положениих, гораздо лучше, чем донорными заместителями в мета- положении. Если переходные состояния медленных стадий электрофильного замещения похожи на аренониевые ионы, то (+М)-заместитель будет направлять электрофил в пара - и орто - положение, т. е. реакция будет региоселективной.
В 1950 -70-х годах в двух исследовательских группах - К. Ингольда (Университетский колледж Лондонского университета) и О.А. Реутова (Химический факультет Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова) проводились интенсивные исследования механизма электрофильного замещения у насыщенного атома углерода. В качестве основных объектов были выбраны ртутьорганические соединения, в которых связь углерод-ртуть достаточно легко расщепляется при действии электрофилов (кислоты, галогены, соли металлов и др.).
В этот период также проводились и другие чрезвычайно важные работы в этом направлении, в частности изучение механизмов реакций присоединения и элиминирования, ароматического нуклеофильного замещения, имеющих значение для моделирования биологических систем, механизмов катализа нуклеофильных реакций карбонильных соединений, механизмов неорганических реакций, реакций органических соединений переходных металлов и т.д.
$Se$-Реакции металлорганических соединений
В $Se$-реакции вступают $\sigma$-связанные органические соединения различных металлов - от щелочных и щелочноземельных до тяжелых непереходных, а также переходных металлов, лантаноидов и актинидов. При этом механизм и скорость реакции сильно зависят от природы металла. Например, с таким электрофилом, как вода, цинкдиалкилы $R_2Zn$ реагируют со взрывом, $R_2Cd$ - медленно, а $R_2Hg$ практически не взаимодействуют, хотя ртутьдиалкилы расщепляются под действием растворов $HCl$.
С точки зрения синтетической значимости наиболее важными являются литий- и магнийорганические соединения, поэтому необходимо знать механизмы реакций именно этих соединений. Однако соответствующие исследования сильно осложняются из-за чрезвычайно высокой реакционной способности соединений лития и магния (обычно их используют in situ, а хранить и работать с ними можно только в анаэробных условиях). Кроме того, литийорганические соединения в растворах сильно ассоциированы, а магнийорганические соединения находятся в равновесии Шленка. Поэтому литий- и магнийорганические соединения были признаны не очень удобными субстратами для изучения количественных закономерностей электрофильного замещения. И хотя механизмы реакций с участием $RLi$ или $RMgX$, естественно, изучаются, наиболее важную роль в выяснении механизма $Se$-реакций сыграли ртуть- и в меньшей степени оловоорганические соединения, которые достаточно устойчивы на воздухе и реагируют с электрофилами со скоростями, которые могут быть измерены обычными методами.
Особенности механизмов реакций электрофильного замещения
Теоретическое рассмотрение стереохимии реакций электрофильного замещения по механизму $Se2$ приводит к выводу, что в отличие от $Sn2$- реакций, которые по орбитальной симметрии разрешены при атаке нуклеофила с тыла и запрещены при фронтальной атаке, реакции $Se2$ не запрещены ни при фронтальной, ни при тыловой атаке электрофила. Тем не менее, теоретически несколько более предпочтительна фронтальная атака, поскольку электрофил атакует высшую занятую МО (ВЗМО) связи $C-Z$, а электронная плотность этой орбитали концентрируется в основном в межъядерной области:
Рисунок 1.
Фронтальная атака соответствует трехцентровому (5), а тыловая - линейному (6) переходным состояниям; в первом случае стереохимическим результатом будет сохранение конфигурации углеродного центра, а во втором - инверсия конфигурации:
Рисунок 2.
Подавляющее большинство реакций электрофильного замещения второго порядка протекает с сохранением конфигурации. Так, очень легко происходит электрофильное замещение второго порядка у атомов углерода в голове моста мостиковых соединений. Легко протекают также $Se$-реакции неопен- тильных субстратов $(CH_3)_3CCH_2Z$, которые в случае нуклеофильного замещения реагируют исключительно медленно из-за пространственных препятствий тыловой атаке.
Однако известны примеры обращения конфигурации, что свидетельствует о тыловой атаке электрофила.
Виды механизмов электрофильного замещения
На основании результатов исследования $Se$-реакций $\sigma$-металлоорганических соединений была сформулирована концепция нуклеофильного содействия электрофильному замещению. Суть ее заключается в том, что на скорость и механизм $Se$-реакций в растворах оказывает значительное влияние присутствие тех или иных продуцентов нуклеофильных частиц. Такими нуклеофильными частицами могут бытькак «внутренние» нуклеофилы $Nu^-$, входящие в состав электрофильных агентов $E-Nu$ (например, $C1^-$ в $HgCl_2$ ($E = HgCl^+$), $Br^-$ в $Br_2$ ($E = Br^+$), два аниона $I^-$ в $I^{3-}$ ($E = I^+$) и др.), так и обычные нуклеофильные частицы.
Таким образом, добавка нуклеофилов, которые способны координироваться с атомами металлов, также должна увеличивать скорость $SE1$-реакций. Мономолекулярные реакции с содействием обозначаются символом $Se(N)$, а бимолекулярные реакции с внутренним содействием - символом $Sei$. Для механизма $Sei$ характерно четырехцентровое переходное состояние 7, в котором образование связей $C-E$ и $M-Nu$ и разрыв связей $E-Nu$ и $C-M$ происходят в большей или меньшей степени синхронно. Механизмы $Se(N)$ и $SEi$ представлены на схеме ниже:
Нуклеофилы могут катализировать также и реакции $Se2$, координируясь исключительно с металлами, например:
Рисунок 5.
Под действием концентрированной азотной кислоты или смеси концентрированных азотной и серной кислот (нитрующая смесь) атомы водорода бензольного ядра замещаются на нитрогруппу:
нитробензол
Нитрованию предшествует образование электрофильного реагента NO 2 - катиона нитрония.
В реакции нитрования бензола нитрующей смесью катион нитрония (NO 2 ) образуется в результате протонирования азотной кислоты присутствующей концентрированной серной кислотой:
Дальнейшее нитрование происходит с трудом, так как нитрогруппа является заместителем второго рода и затрудняет течение реакций с электрофильными реагентами:
нитробензол 1,3-динитробензол 1,3,5-тринитробензол
Гомологи бензола (толуол, ксилолы) нитруются легче, чем бензол, так как алкильные группы являются заместителями первого рода и облегчают течение реакций с электрофильными реагентами:
1,3,5-тринитробензол
толуол орто-нитротолуол пара-нитротолуол
1,3,5-тринитробензол
1.2. Реакции сульфирования.
При действии на бензол и его гомологи концентрированной серной кислотой или триоксидом серы атомы водорода в бензольном ядре замещаются на сульфогруппу:
бензолсульфокислота
Механизм реакции
Сульфированию предшествует образование электрофильного реагента HSO + 3 - гидросульфониевого иона:
3H 2 SO 4 → Н 3 О + + HSO + 3 + 2HSO - 4
π-комплекс σ-комплекс
H + + HSO - 4 → H 2 SO 4
Еще более активным электрофильным реагентом является триоксид серы, в котором имеется дефицит электронной плотности на атоме серы:
σ- комплекс
биполярный ион
Гомологи бензола сульфируются легче, чем бензол, так как алкильные группы являются заместителями первого рода и облегчают течение реакций с электрофильными реагентами:
1.3. Реакции галогенирования.
В присутствии катализаторов кислот Льюиса (AlCl 3 ; AlBr 3 ; FeCl 3 ; FeBr 3 ; ZnCl 2 ) при комнатной температуре происходит замещение атомов водорода бензольного ядра на атомы галогена:
Причем хлор замещает водород в ароматическом ядре активнее брома, а осуществить иодирование и фторирование аренов практически не удается, вследствие недостаточной активности иода и чрезмерной активности фтора.
Роль катализатора заключается в образовании или положительного иона галогена или комплекса галогена с кислотой Льюиса с поляризацией связи галоген-галоген:
1) образование положительного иона галогена:
2) образование комплекса галогена с кислотой Льюиса с поляризацией связи галоген-галоген:
Дальнейшее галогенирование происходит с трудом, так как галогены затрудняют реакции с электрофильными реагентами, но являются орто- и пара-ориентантами:
бромбензол 1,2-дибромбензол 1,4-дибромбензол
Гомологи бензола галогенируются легче, чем бензол, так как алкильные группы являются заместителями первого рода и облегчают течение реакций с электрофильными реагентами:
толуол орто-хлортолуол пара-хлортолуол
По химическим свойствам арены отличаются от предельных и непредельных углеводородов. Это объясняется особенностями строения бензольного кольца. Делокализация шести p-электронов в циклической системе понижает энергию молекулы, что обусловливает повышенную устойчивость (ароматичность) бензола и его гомологов. Поэтому арены не склонны вступать в реакции присоединения или окисления, которые ведут к нарушению ароматичности. Для них наиболее характерны реакции, идущие с сохранением ароматической системы, а именно, реакции замещения атомов водорода, связанных с циклом. Наличие областей повышенной p-электронной плотности с двух сторон плоского ароматического цикла ведет к тому, что бензольное кольцо является нуклеофилом и в связи с этим склонно подвергаться атаке электрофильным реагентом. Таким образом, для ароматических соединений наиболее типичны реакции электрофильного замещения.
Рассмотрим механизм электрофильного замещения на примере нитрования бензола.
Бензол реагирует с нитрующей смесью (смесью концентрированных азотной и серной кислот):
нитробензол
Реакции замещения в кольцо протекают только через образование положительно заряженных промежуточных частиц.
p-комплекс 
s-комплекс
Замещаемой частицей является протон.
По такому механизму протекают реакции алкилирования, галогенирования, сульфирования, нитрования ароматических соединений и другие, различаясь лишь способом образования активной частицы реакции – электрофила Е +
а) сульфирование:
HO–SO 3 H + H–SO 4 H à HSO 3 + + HSO 4 –
б) галогенирование
Cl 2 + AlCl 3 à Cl + + AlCl 4 –
в) алкилирование:
CH 3 –CH 2 –Cl + AlCl 3 à CH 3 –CH 2 + + AlCl 4 –
г) ацилирование
СН 3 СOCl + AlCl 3 à СН 3 С + =O + AlCl 4 –
В незамещенном кольце бензола все 6 положений равноценны для вхождения замещающей группы. Сложнее обстоит дело, если в реацию вступают гомологи или производные бензола. В этом случае вновь входящая группа вступает в определенное место в кольце. Это место зависит от уже имеющегося (или имеющихся) в кольце заместителя. Например, если в кольце имеется электронодонорная группировка типа: алкил–, –ОН, –ОСН 3 , –NH 2 , –NHR, NR 2 , –NH–COR, –Х (галоген) (заместители первого рода ), то замещающая группа вступает в орто- или пара- положения относительно имеющейся группы:
Если в кольце уже имеется электроноакцепторная группировка типа: –NO 2 , –NO, –SO 3 H, –CX 3 , –COOH, –COH, –COR, –CN (заместители второго рода ), то вновь вступающая группа становится в мета- положение к ним:
Таблица 2
Сводная таблица заместителей и их электронных эффектов
| Заместитель или группа атомов | Ориентация | Эффекты |
| СН 3 > CH 3 –CH 2 > (CH 3) 2 CH | о-, п- ориентация, (галогены–дезактивирующие) | + I, +M |
| (CH 3) 3 C | + I, M=0 | |
| Атом, присоединенный к p–системе, имеет неподеленную пару электронов: X– (галоген), –O – , –OH, –OR, –NH 2 , –NHR, –NR 2 , –SH, –SR, | – I, + M | |
| присоединенный к p–системе атом в свою очередь связан с более электроотрицательным атомом: –N=O,–NO 2 , –SO 3 H, –COOH, –COH, –C(O)–R, –COOR, –CN, –CX 3 , –C=N=S, | м-ориентация, с дезактивированием | – I, –M |
| sp 2 -гибридизованный углерод: –СН=СН–, –С 6 Н 5 (фенил) | о-, п- ориентация | I=0,+M |
| Атом, не имеющий р–орбиталей, но с полным положительным зарядом –NH 3 + , –NR 3 + , | м- ориентация, с дезактивированием | –I, M=0 |
Если в кольце имеется два заместителя разного рода , направляющие замещение несогласованно , то место вступления новой группы определяется по заместителю первого рода , например.
