Най-важните реакции от този тип са нитриране, халогениране, сулфониране, алкилиране, ацилиране.
Механизъм на ароматно електрофилно заместване.
Повечето реакции на ароматно електрофилно заместване протичат по един механизъм:
Реакцията започва с образуването на р-комплекс, в който р-електронната система на ароматното ядро действа като донор на електрони, а електрофилният реагент (Е +) действа като акцептор. Освен това p-комплексът с разрушаване на ароматната система бавно се пренарежда в s-комплекс, в който електрофилът е свързан чрез s-връзка към определен въглероден атом и положителният заряд се делокализира по конюгираната система на първия ароматен пръстен. Делокализацията на положителния заряд в s-комплекса възниква главно поради о- и р-позициите по отношение на входящия заместител, което може да се покаже с помощта на набор от резонансни структури
На последния етап протонът се елиминира от s-комплекса под действието на основа с възстановяването на ароматната система. Ограничаващата скоростта стъпка в процеса на електрофилно заместване е стъпката на образуване на s-комплекса.
Ходът на реакцията и нейният механизъм се илюстрират от енергийната диаграма, показана на фигурата:
Ориентация и реактивност
Ако бензеновият пръстен вече съдържа заместител, тогава:
- реакцията може да протича по-бързо или по-бавно, отколкото със самия бензен;
- възможно образуване на три различни заместващи продукта
Влиянието на заместителя, присъстващ в бензеновия пръстен, може да се обясни въз основа на неговите електронни ефекти. На тази основа заместителите могат да бъдат разделени на 3 основни групи:
1. Заместители, които ускоряват реакцията в сравнение с незаместения бензен ( активиране) и ръководства за заместване в орто,-парапозиции.
2. Заместители, които забавят реакцията ( деактивиране) и ръководства за заместване в орто,-пара- позиции.
3. Заместители, които забавят реакцията ( деактивиране) и ръководства за заместване в мета- провизии.
Заместителите, отбелязани в p.p. 1.2( орто-, пара-ориентатори) са наречени заместители от 1-ви вид; отбелязано в параграф 3 ( метаориентанти) - заместители от втори вид. Определянето на често срещаните заместители според техните електронни ефекти е дадено по-долу.
Таблица 6. Ефект на заместителите на ароматния пръстен върху S реакциитед Ар
| Ориентанти от 1-ви вид ( орто-, пара-) | Ориентанти от втори вид ( мета-) | |
| активиране | деактивиране | деактивиране |
| Всички алкилови групи, -OH, -OR, -O -, -OC(O)R, -NH2, -NHR, -NR2, NHC(O)R | Халогени: F, Cl, Br, I |
CHO, -C(O)R, -CN, SO3H, -COOH, COOR, -NO 2 CHal 3, -N + R 3, |
Очевидно е, че електрофилното заместване ще настъпи толкова по-бързо, колкото повече е електронодонорният заместител в ядрото, и колкото по-бавно е, колкото повече електрон-оттеглящ заместител в ядрото.
За да обясните ориентацията на заместването, разгледайте структурата на s-комплексите, атакувани в орто-, мета- и пара-позиции на монозаместен бензен (както вече беше отбелязано, образуването на s-комплекси обикновено е определящата скоростта стъпка на електрофилно заместване; следователно, лекотата на тяхното образуване трябва да определя лекотата на заместване в дадена позиция):
Ако групата Z е донор на електрони (независимо дали е индуктивен или мезомерен), тогава при орто- или двойка-атака, той може да участва пряко в делокализацията на положителния заряд в s-комплекса (структури III, IV, VI, VII). Ако Z е акцептор на електрони, тогава тези структури ще бъдат енергийно неблагоприятни (поради наличието на частичен положителен заряд върху въглеродния атом, свързан с електрон-оттеглящия заместител) и в този случай мета-атаката е за предпочитане, в които такива структури не възникват.
Горното обяснение е дадено на базата на т.нар динамичен ефект, т.е. разпределение на електронната плътност в реагиращата молекула. Ориентацията на електрофилното заместване в монозаместените бензени може да се обясни и от позицията статични електронни ефекти -разпределение на електронната плътност в нереагираща молекула. Когато се разглежда изместването на електронната плътност по множество връзки, може да се види, че в присъствието на електрон-донорен заместител, електронната плътност се увеличава най-много в орто- и пара-позиции, а в присъствието на електрон- оттеглящ се заместител, тези позиции са най-изчерпани на електрони:
Халогените са специален случай - бидейки заместители в бензеновото ядро, те го дезактивират в реакции на електрофилно заместване, но са орто-, чифт-ориентанти. Дезактивирането (намаляване на скоростта на реакция с електрофилите) се дължи на факта, че за разлика от други групи с несподелени електронни двойки (като -OH, -NH 2 и др.), които имат положителен мезомер (+M) и отрицателен индуктивен ефект ( -I), халогените се характеризират с преобладаване на индуктивния ефект над мезомерния (+ M< -I).
В същото време халогенните атоми са орто, двойка-ориентанти, тъй като те са в състояние, поради положителния мезомерен ефект, да участват в делокализацията на положителен заряд в s-комплекса, образуван по време на орто- или двойка- атака (структури IV, VII в горната схема) и по този начин намалява енергията на нейното образуване.
Ако бензеновото ядро има не един, а два заместителя, тогава тяхното ориентиращо действие може да съвпада ( договорена ориентация) или не съвпадат ( несъответстваща ориентация). В първия случай може да се разчита на преобладаващото образуване на някои специфични изомери, а във втория ще се получат сложни смеси.
Следващите са някои примери за координирана ориентация на два заместителя; мястото на преференциално влизане на третия заместител е показано със стрелка.
Примери за реакции на електрофилно заместване.
Нитриране
Нитрирането обикновено се извършва със смес от концентрирани азотна и сярна киселини, т.нар. нитрираща смес. На първия етап от реакцията се образува електрофилен агент - нитрониев йон + NO 2:
След това нитрониевият катион реагира с ароматен субстрат като бензен:
Халогениране
За разлика от нитрирането, по време на халогенирането атаката на ароматния субстрат може да се извърши от различни електрофили. Свободните халогени, като Cl 2 и Br 2, могат лесно да атакуват активирано ароматно ядро (напр. фенол), но не са в състояние да реагират с бензен и алкилбензени. Поляризацията на атакуващата халогенна молекула изисква Катализа с киселина на Люис като AlCl3, FeBr3 и др.; в този случай в молекулата на халогена се появява така нареченият "електрофилен край" (необходимата енергия за образуването на катиона Hal + е много по-висока). По този начин електрофилното заместване е значително улеснено:
Сулфониране
Арените взаимодействат с концентрирана сярна киселина или олеум (разтвор на SO 3 в сярна киселина), за да образуват аренсулфонови киселини:
ArH + H 2 SO 4 ® ArSO 3 H + H 2 O
Електрофилният вид е SO 3 . Атаката на ароматния субстрат се извършва от серния атом, тъй като той е силно положително поляризиран, тоест е електронен дефицит:
Сулфонирането е обратимипроцес. Сулфоновата група може да бъде отстранена от ароматното ядро, което се използва широко в органичния синтез.
Алкилиране на Фридел-Крафтс
Подобно на халогените, алкилхалидите могат да бъдат толкова силно поляризирани от киселините на Люис (алуминиеви и цинкови хлориди, борен трифлуорид и др.), че стават способни на електрофилно заместване в ароматното ядро:
В допълнение към алкилхалогенидите, алкени или алкохоли могат да се използват за алкилиране на ароматни съединения в присъствието на катализатор на протонова киселина:
Наличието на катализатор - протонова киселина - е необходимо за генериране на електрофилна частица - карбокатион:
Алкилирането на арените чрез алкени се извършва в съответствие с правилото на Марковников.
Продуктите на алкилиране влизат в реакции на електрофилно ароматно заместване по-лесно от изходното съединение (Alk е електрон-донорна група), следователно продуктът се алкилира предимно допълнително и се образуват продукти на полиалкилиране. Ако искате да получите продукти на моноалкилиране, тогава трябва да вземете голям излишък от ароматни съединения.
Фридел-Крафтс ацилиране
Арените взаимодействат с киселинни хлориди и анхидриди на карбоксилни киселини, за да образуват кетони:
Киселинните хлориди и анхидриди имат полярна карбонилна група и са способни на електрофилно заместване в ароматни системи:
Електрофилната активност на тези съединения обаче е ниска и трябва да се увеличи чрез действието на киселините на Люис. В резултат на това се образува поляризиран комплекс (и в крайна сметка ацил катион), който действа като електрофил:
Не се наблюдава полиацилиране, тъй като полученият кетон е много по-малко реактивен от изходното съединение. Ароматни съединения със силно дезактивиращи заместители, като нитро или циано групи, също не ацилират според Friedel-Crafts.
Електрофилно заместване в кондензирани ароматни въглеводороди.
Кондензираните ароматни въглеводороди са по-реактивни от бензена, тъй като енергията на конюгиране на един ароматен пръстен е по-малка в тях, отколкото в бензена.
За заместване в нафталин е възможно образуването на два изомерни продукта, когато електрофилът е атакуван в a- или b-позиция. Водородните атоми в a-позиция имат по-висока реактивност и ако реакцията протича при условия на кинетичен контрол (хлориране, нитриране), тогава се образува a-изомер:
Сулфонирането на нафталин с концентрирана сярна киселина при 80 o C води до a-изомера, който се образува с по-висока скорост (кинетичен контрол), а при 160 o C - до термодинамично по-стабилния b-изомер (термодинамичен контрол).
Антраценът е дори по-реактивен от бензена. Във всички случаи атаката на електрофилните реагенти се извършва в централното ядро, докато периферните бензенови ядра се запазват.
Забележка 1
Най-важната група реакции за ароматните съединения са реакциите на електрофилно заместване. Тъй като ароматният пръстен привлича електрофилни, а не нуклеофилни видове, реакциите протичат лесно и се използват широко както в лабораторния, така и в промишления синтез.
Този процес се състои в замяна на една електрофилна частица (обикновено протон) с друга част с дефицит на електрони. Тази реакция използва различни електрофилни реагенти, обозначени със символа $E^+$, и е път към много заместени ароматни съединения. Освен това, когато тази реакция се прилага към бензенови производни, които вече съдържат един или повече заместители, процесът се характеризира с явлението региоселективност (специфичност и посока на заместване), както и селективна реактивност, които се обясняват от теорията.
Видове механизми на електрофилно ароматно заместване
За електрофилно ароматно заместване се предлагат два алтернативни механизма:
Механизъм на едноетапно бимолекулярно заместване от тип $S_E2$
Съгласно този механизъм конфигурацията в ароматния секстет от $\pi$-електрони се запазва по време на реакциите и процесът на заместване се осъществява чрез взаимодействията на LUMO на електрофилите с HOMO връзките на ароматните съединения $C - H$:
Фигура 2.
В преходни състояния се образуват трицентрови двуелектронни връзки между $C-H$ и тези електрофилни атоми $E^+$, върху които LUMO плътността е висока. Образуването на трицентрови преходни състояния $(I)$ не предизвиква теоретични възражения. Двуелектронни трицентрови фрагменти в тези преходни състояния са изоелектронни към ароматни $\pi$-системи от циклопропенилови катиони, които са ароматни. Това означава, че преходните състояния $(I)$ ще бъдат "ароматни", т.е. не много енергийни.
Механизъм на електрофилно заместване на SE-аренон
Вторият механизъм е наречен $S_E(Ar)$ - $S_E$-аренониево електрофилно заместване. Според този механизъм ароматността и шестелектронната система в междинните продукти изчезват, те се заменят с нециклични четириелектронни спрегнати системи от пентадиенилови катиони $(C=C-C=C-C^+)$, а на втория етап, ароматните системи отново се възстановяват в резултат на елиминиране на протони. Атаката на LUMO на електрофилите се случва не върху $\sigma$ орбиталите на връзката, а върху $\pi$ HOMO, така че взаимодействията на граничните MO могат да бъдат представени като две алтернативни схеми:
Фигура 3
Въпреки това, в монозаместения бензен $C_6H_5X$ израждането се премахва. Например във фенол или анилин HOMOs имат формата (a). Структурата на $(II)$ аренониеви йони може да бъде представена по различни начини:
Фигура 4
Най-често се използва първата формула, но другите дадени схематични формули също са подходящи. С помощта на тези алтернативни формули може да се покаже, че положителните заряди на ареноновите йони са главно в орто- И двойка- позиция към геминалните възли на циклохексадиенил катиони. И следователно $\sigma$-комплексите ще бъдат стабилизирани от донорни заместители, които са в орто- И двойка- позиции х, много по-добри от донорните заместители в мета позицията. Ако преходните състояния на бавните етапи на електрофилно заместване са подобни на аренониеви йони, тогава (+М)-заместителят ще насочи електрофила към двойка- И орто- позиция, т.е. реакцията ще бъде региоселективна.
През 1950-70-те години в две изследователски групи - K. Ingold (University College, University of London) и O.A. Реутов (Химически факултет на Московския държавен университет на името на М. В. Ломоносов) бяха проведени интензивни изследвания върху механизма на електрофилно заместване при наситен въглероден атом. Като основни обекти бяха избрани органоживачни съединения, в които връзката въглерод-живак се разцепва доста лесно под действието на електрофили (киселини, халогени, метални соли и др.).
През този период са извършени и други изключително важни работи в тази насока, по-специално изследването на механизмите на реакции на добавяне и елиминиране, ароматно нуклеофилно заместване, които са важни за моделирането на биологични системи, механизми на катализа на нуклеофилни реакции на карбонил съединения, механизми на неорганични реакции, реакции на органични съединения на преходни метали и др.
$Se$-Реакции на органометални съединения
$\sigma$-свързани органични съединения на различни метали влизат в $Se$-реакции - от алкални и алкалоземни метали до тежки непреходни метали, както и преходни метали, лантаниди и актиниди. Механизмът и скоростта на реакцията силно зависят от природата на метала. Например $R_2Zn$ цинковите диалкили реагират експлозивно с електрофил като вода, $R_2Cd$ реагират бавно, а $R_2Hg$ практически не взаимодейства, въпреки че живачните диалкили се разделят под действието на $HCl$ разтвори.
От гледна точка на синтетичното значение органолитиевите и магнезиевите съединения са най-важни, така че е необходимо да се познават реакционните механизми на тези съединения. Въпреки това, съответните изследвания са много сложни поради изключително високата реактивност на литиевите и магнезиевите съединения (те обикновено се използват in situ и могат да се съхраняват и обработват само при анаеробни условия). В допълнение, органолитиевите съединения в разтворите са силно свързани, докато органомагнезиевите съединения са в равновесие на Шленк. Следователно органолитиевите и магнезиевите съединения бяха признати за не много удобни субстрати за изследване на количествените модели на електрофилно заместване. И въпреки че механизмите на реакциите, включващи $RLi$ или $RMgX$, естествено се изучават, най-важната роля в изясняването на механизма на $Se$ реакциите изиграха живакът и в по-малка степен органокалаените съединения, които са доста стабилни във въздуха и реагират с електрофили със скорости, които могат да бъдат измерени с конвенционални методи.
Характеристики на механизмите на реакциите на електрофилно заместване
Теоретичното разглеждане на стереохимията на реакциите на електрофилно заместване според механизма на $Se2$ води до заключението, че за разлика от $Sn2$-реакциите, които са разрешени от орбиталната симетрия, когато нуклеофилът е атакуван отзад и е забранен по време на фронтална атака, $Se2$ реакциите не са забранени нито при фронтална атака, нито при задна атака на електрофил. Въпреки това, теоретично, фронталната атака е малко по-предпочитана, тъй като електрофилът атакува най-високо заетия МО (HOMO) на $C-Z$ връзката и електронната плътност на тази орбитала е концентрирана главно в междуядрената област:
Снимка 1.
Фронталната атака съответства на трицентровите (5), а задната - на линейните (6) преходни състояния; в първия случай стереохимичният резултат ще бъде запазване на конфигурацията на въглеродния център, а във втория случай конфигурацията ще бъде обърната:
Фигура 2.
По-голямата част от реакциите на електрофилно заместване от втори ред протичат със запазване на конфигурацията. По този начин, електрофилно заместване от втори ред възниква много лесно при въглеродните атоми в началото на свързващия мост. $Se$-реакциите на неопентилови субстрати $(CH_3)_3CCH_2Z$ също протичат лесно, които реагират изключително бавно в случай на нуклеофилно заместване поради пространствени препятствия за задна атака.
Известни са обаче примери за обръщане на конфигурацията, което показва задна атака от електрофил.
Видове механизми на електрофилно заместване
Въз основа на резултатите от изследването на $Se$-реакции на $\sigma$-органометални съединения е формулирана концепцията за нуклеофилно подпомагане на електрофилното заместване. Неговата същност се състои в това, че наличието на определени производители на нуклеофилни частици значително влияе върху скоростта и механизма на $Se$-реакциите в разтворите. Такива нуклеофилни частици могат да бъдат като "вътрешни" нуклеофили $Nu^-$, които са част от електрофилните агенти $E-Nu$ (например $C1^-$ в $HgCl_2$ ($E = HgCl^+$) , $Br^ -$ в $Br_2$ ($E = Br^+$), два $I^-$ аниона в $I^(3-)$ ($E = I^+$) и т.н.) и обикновени нуклеофилни частици.
По този начин добавянето на нуклеофили, способни да се координират с метални атоми, също трябва да увеличи скоростта на $SE1$ реакциите. Асистираните мономолекулни реакции се означават с $Se(N)$, а вътрешно подпомаганите бимолекулни реакции с $Sei$. Механизмът $Sei$ се характеризира с преходно състояние с четири центъра 7, в което образуването на $C-E$ и $M-Nu$ връзки и разкъсването на $E-Nu$ и $C-M$ връзките се случват повече или по-малко синхронно . Механизмите $Se(N)$ и $SEi$ са показани на диаграмата по-долу:
Нуклеофилите могат също да катализират $Se2$ реакции, координирайки се изключително с метали, например:
Фигура 5
Под действието на концентрирана азотна киселина или смес от концентрирана азотна и сярна киселини (нитруваща смес) водородните атоми на бензеновия пръстен се заместват с нитро група:
нитробензен
Нитрирането се предхожда от образуването на електрофилен реагент НЕ 2 - нитрониев катион.
При реакция на нитриране на бензен с нитруваща смес нитрониев катион (НЕ 2 ) образува се чрез протониране на азотна киселина с налична концентрирана сярна киселина:
По-нататъшното нитриране е трудно, тъй като нитрогрупата е заместител от втория вид и затруднява реакциите с електрофилни реагенти:
нитробензен 1,3-динитробензен 1,3,5-тринитробензен
Хомолозите на бензола (толуен, ксилен) се нитрират по-лесно от бензена, тъй като алкиловите групи са заместители от първи вид и улесняват реакциите с електрофилни реагенти:
1,3,5-тринитробензен
толуен орто-нитротолуен пара-нитротолуен
1,3,5-тринитробензен
1.2. Реакции на сулфониране.
Когато бензенът и неговите хомолози се третират с концентрирана сярна киселина или серен триоксид, водородните атоми в бензеновото ядро се заменят със сулфо група:
бензенсулфонова киселина
механизъм на реакция
Сулфонирането се предшества от образуването на електрофилен реагент HSO + 3 - хидросулфониев йон:
3H 2 SO 4 → H 3 O + + HSO + 3 + 2HSO - 4
π-комплекс σ-комплекс
H + + HSO - 4 → H 2 SO 4
Още по-активен електрофилен реагент е серен триоксид, при което има дефицит на електронна плътност върху серния атом:
σ-комплекс
биполярен йон
Бензоловите хомолози се сулфонират по-лесно от бензена, тъй като алкиловите групи са заместители от първи вид и улесняват реакциите с електрофилни реагенти:
1.3. реакции на халогениране.
В присъствието на катализатори киселина на Луис (AlCl 3 ; AlBr 3 ; FeCl 3 ; FeBr 3 ; ZnCl 2 ) при стайна температура водородните атоми на бензеновия пръстен се заменят с халогенни атоми:
Освен това хлорът замества водорода в ароматното ядро по-активно от брома и е практически невъзможно да се извърши йодиране и флуориране на арени поради недостатъчна активност на йода и прекомерна активност на флуор.
Ролята на катализатора е да образува или положителен халогенен йон, или комплекс от халоген с киселина на Люис с поляризация на връзката халоген-халоген:
1) образуването на положителен халогенен йон:
2) образуване на комплекс от халоген с киселина на Луис с поляризация на връзката халоген-халоген:
По-нататъшното халогениране е трудно, тъй като халогените пречат на реакциите с електрофилни реагенти, но са орто- и пара-ориентанти:
бромобензен 1,2-дибромобензен 1,4-дибромобензен
Бензоловите хомолози се халогенират по-лесно от бензена, тъй като алкиловите групи са заместители от първи вид и улесняват реакциите с електрофилни реагенти:
толуен орто-хлоротолуен пара-хлоротолуен
По химични свойства арените се различават от наситени и ненаситени въглеводороди. Това се дължи на структурните характеристики на бензеновия пръстен. Делокализацията на шест р-електрона в цикличната система понижава енергията на молекулата, което води до повишена стабилност (ароматност) на бензена и неговите хомолози. Следователно, арените не са склонни към реакции на добавяне или окисление, които водят до загуба на ароматност. За тях най-характерните реакции протичат със запазване на ароматната система, а именно реакциите на заместване на водородните атоми, свързани с цикъла. Наличието на региони с повишена p-електронна плътност от двете страни на плоския ароматен пръстен води до факта, че бензеновият пръстен е нуклеофил и следователно има тенденция да бъде атакуван от електрофилен реагент. По този начин реакциите на електрофилно заместване са най-типични за ароматните съединения.
Нека разгледаме механизма на електрофилно заместване, използвайки примера за нитриране на бензен.
Бензолът реагира с нитруваща смес (смес от концентрирани азотна и сярна киселини):
нитробензен
Реакциите на заместване в пръстена протичат само чрез образуване на положително заредени междинни частици.
р-комплекс 
s-комплекс
Частицата, която трябва да бъде заменена, е протонът.
Съгласно този механизъм протичат реакциите на алкилиране, халогениране, сулфониране, нитриране на ароматни съединения и други, различаващи се само по начина, по който се образува активната частица на реакцията - електрофилът E +
а) сулфониране:
HO–SO 3 H + H–SO 4 H à HSO 3 + + HSO 4 –
б) халогениране
Cl 2 + AlCl 3 a Cl + + AlCl 4 –
в) алкилиране:
CH 3 -CH 2 -Cl + AlCl 3 à CH 3 -CH 2 + + AlCl 4 -
г) ацилиране
CH 3 COCl + AlCl 3 à CH 3 C + \u003d O + AlCl 4 -
В незаместения пръстен на бензена, всичките 6 позиции са еквивалентни за появата на заместителна група. Ситуацията е по-сложна, ако в реакцията влязат хомолози или производни на бензола. В този случай нововлизащата група влиза на определено място в ринга. Това място зависи от заместителя, който вече присъства (или присъства) в пръстена. Например, ако има група донори на електрони в пръстена като: алкил-, -OH, -OCH 3, -NH 2, -NHR, NR 2, -NH-COR, -X (халоген)(заместители от първи вид), тогава заместващата група влиза в орто- или пара-позиции спрямо съществуващата група:
Ако пръстенът вече съдържа електрон-оттегляща група от типа: –NO 2 , –NO, –SO 3 H, –CX 3 , –COOH, –COH, –COR, –CN (заместители от втори вид), тогава нововъведената група става в мета позиция за тях:
таблица 2
Обобщена таблица на заместителите и техните електронни ефекти
| Заместител или група от атоми | Ориентация | ефекти |
| CH 3 > CH 3 –CH 2 > (CH 3) 2 CH | o-, p- ориентация, (дезактивиране на халогени) | +Аз, +М |
| (СН 3) 3 С | + I, M=0 | |
| Атом, свързан към p-системата, има несподелена двойка електрони: X- (халоген), -O -, -OH, -OR, -NH 2, -NHR, -NR 2, -SH, -SR, | – Аз, + М | |
| атомът, свързан към p-системата, на свой ред е свързан с по-електроотрицателен атом: –N=O, –NO 2 , –SO 3 H, –COOH, –COH, –C(O)–R, –COOR, – CN, – CX 3 , –C=N=S, | м-ориентация, с дезактивация | -АЗ СЪМ |
| sp 2 -хибридизиран въглерод: –CH = CH–, –C 6 H 5 (фенил) | o-, p- ориентация | I=0,+M |
| Атом, който няма p-орбитали, но с общ положителен заряд -NH 3 +, -NR 3 +, | m - ориентация, с деактивиране | –I, M=0 |
Ако пръстенът има двама депутати от различен виднасочваща замяна непоследователно, то мястото на влизане на новата група се определя от зам. от първи вид, Например.
