Najważniejszymi reakcjami tego typu są nitrowanie, halogenowanie, sulfonowanie, alkilowanie i acylowanie.
Mechanizm aromatycznej podstawienia elektrofilowego.
Większość reakcji aromatycznego podstawienia elektrofilowego przebiega według jednego mechanizmu:
Reakcja rozpoczyna się od utworzenia kompleksu p, w którym układ p-elektronów jądra aromatycznego pełni rolę donora elektronów, a odczynnik elektrofilowy (E +) działa jako akceptor. Następnie kompleks p z naruszeniem układu aromatycznego powoli przestawia się w kompleks s, w którym elektrofil jest połączony wiązaniem s z określonym atomem węgla, a ładunek dodatni jest delokalizowany wzdłuż sprzężonego układu dawny pierścień aromatyczny. Delokalizacja ładunku dodatniego w kompleksie s następuje głównie na skutek pozycji o i p względem przychodzącego podstawnika, co można wykazać za pomocą zestawu struktur rezonansowych
Na ostatnim etapie proton jest usuwany z kompleksu s pod działaniem zasady, przywracając układ aromatyczny. Etapem ograniczającym proces podstawienia elektrofilowego jest etap tworzenia kompleksu s.
Przebieg reakcji i jej mechanizm ilustruje diagram energii przedstawiony na rysunku:
Orientacja i reaktywność
Jeżeli pierścień benzenowy zawiera już podstawnik, to:
- reakcja może przebiegać szybciej lub wolniej niż w przypadku samego benzenu;
- możliwe jest utworzenie trzech różnych produktów substytucyjnych
Wpływ podstawnika obecnego na pierścieniu benzenowym można wyjaśnić na podstawie jego efektów elektronowych. Na podstawie tego kryterium podstawniki można podzielić na 3 główne grupy:
1. Podstawniki przyspieszające reakcję w porównaniu do niepodstawionego benzenu ( aktywacja) i kierowanie podstawieniem w orto,-pozycje para.
2. Podstawniki spowalniające reakcję ( odkażający) i kierowanie podstawieniem w orto, -para- pozycje.
3. Podstawniki spowalniające reakcję ( odkażający) i kierowanie podstawieniem w meta- postanowienia.
Podstawniki wymienione w akapitach. 1,2 ( orto-, para-orientatory) są nazywane podstawniki pierwszego rodzaju; zauważono w ust. 3 ( metaorientatorzy) - podstawniki drugiego rodzaju. Poniżej znajduje się przypisanie powszechnie występujących podstawników zgodnie z ich efektami elektronowymi.
Tabela 6. Wpływ podstawników pierścienia aromatycznego na reakcje S mi Ar
| Orientanty pierwszego rodzaju ( orto-, para-) | Orientanty drugiego rodzaju ( meta-) | |
| aktywacja | odkażający | odkażający |
| Wszystkie grupy alkilowe, -OH, -OR, -O - , -OC(O)R, -NH2, -NHR, -NR2, NHC(O)R | Halogeny: F, Cl, Br, I |
CHO, -C(O)R, -CN, SO3H, -COOH, COOR, -NIE 2 CHal3, -N + R3, |
Oczywiście podstawienie elektrofilowe nastąpi im szybciej, im bardziej podstawnik w jądrze będzie oddawał elektrony, i im wolniej, tym bardziej podstawnik w jądrze będzie odciągał elektrony.
Aby wyjaśnić orientację podstawienia, rozważ strukturę atakowanych kompleksów s orto-, meta- i para- pozycja monopodstawionego benzenu (jak już zauważono, powstawanie s-kompleksów jest zwykle etapem determinującym szybkość podstawienia elektrofilowego, zatem łatwość ich powstawania powinna determinować łatwość podstawienia w danej pozycji):
Jeśli grupa Z jest donorem elektronów (nie ma znaczenia, czy jest indukcyjna, czy mezomeryczna), to kiedy orto- Lub para-atak, może bezpośrednio uczestniczyć w delokalizacji ładunku dodatniego w kompleksie s (struktury III, IV, VI, VII). Jeżeli Z jest akceptorem elektronów, to struktury te będą niekorzystne energetycznie (ze względu na obecność częściowego ładunku dodatniego na atomie węgla związanego z podstawnikiem odciągającym elektrony) i w tym przypadku preferowany jest metaatak, w którym takie struktury nie powstają.
Powyższe wyjaśnienie opiera się na tzw efekt dynamiczny, tj. rozkład gęstości elektronów w reagującej cząsteczce. Orientację podstawienia elektrofilowego w monopodstawionych benzenach można również wyjaśnić z punktu widzenia statyczne efekty elektroniczne - rozkład gęstości elektronów w niereagującej cząsteczce. Rozważając przesunięcie gęstości elektronowej wzdłuż wiązań wielokrotnych można zauważyć, że w obecności podstawnika oddającego elektrony gęstość elektronów jest najbardziej zwiększona w pozycjach orto i para, a w obecności podstawnika odciągającego elektrony , te pozycje są najbardziej wyczerpanymi elektronami:
Szczególny przypadek stanowią halogeny - będąc podstawnikami w pierścieniu benzenowym, dezaktywują go w reakcjach podstawienia elektrofilowego, ale są orto-, para- orientacje. Dezaktywacja (zmniejszenie szybkości reakcji z elektrofilami) wynika z faktu, że w przeciwieństwie do innych grup z samotnymi parami elektronów (takich jak -OH, -NH2 itp.), które mają dodatni mezomeryczny (+M) i ujemny efekt indukcyjny ( -I), halogeny charakteryzują się przewagą efektu indukcyjnego nad efektem mezomerycznym (+M< -I).
Jednocześnie są atomy halogenu orto, ust-orientanty, ponieważ dzięki dodatniemu efektowi mezomerycznemu mogą brać udział w delokalizacji ładunku dodatniego w kompleksie s powstałym, gdy orto- Lub para- atak (konstrukcje IV, VII na powyższym schemacie), a tym samym zmniejszenie energii jego powstania.
Jeśli pierścień benzenowy ma nie jeden, ale dwa podstawniki, wówczas ich działanie orientujące może się pokrywać ( konsekwentną orientację) lub nie pasuje ( niespójna orientacja). W pierwszym przypadku można liczyć na preferencyjne tworzenie się określonych izomerów, natomiast w drugim otrzymane zostaną złożone mieszaniny.
Poniżej znajduje się kilka przykładów spójnej orientacji dwóch podstawników; miejsce preferowanego wejścia trzeciego podstawnika pokazano strzałką.
Przykłady reakcji podstawienia elektrofilowego.
Nitrowanie
Azotowanie przeprowadza się najczęściej mieszaniną stężonych kwasów azotowego i siarkowego, tzw mieszanina nitrująca. W pierwszym etapie reakcji następuje utworzenie środka elektrofilowego - jon nitronowy + NO 2:
Kation nitroniowy reaguje następnie z podłożem aromatycznym, takim jak benzen:
Halogenowanie
W przeciwieństwie do nitrowania, podczas halogenowania atak substratu aromatycznego może być przeprowadzony przez różne elektrofile. Wolne halogeny, takie jak Cl2 i Br2, mogą łatwo atakować aktywowany pierścień aromatyczny (na przykład fenol), ale nie mogą reagować z benzenem i alkilobenzenami. Aby polaryzować atakującą cząsteczkę halogenu, jest to konieczne Kataliza kwasowa Lewisa takie jak AlCl3, FeBr3, itp.; w tym przypadku w cząsteczce halogenu pojawia się tzw. „koniec elektrofilowy” (energia potrzebna do utworzenia kationu Hal+ jest znacznie wyższa). Dzięki temu podstawienie elektrofilowe jest znacznie łatwiejsze:
Sulfonowanie
Areny reagują ze stężonym kwasem siarkowym lub oleum (roztworem SO 3 w kwasie siarkowym), tworząc kwasy arenosulfonowe:
ArH + H 2 SO 4 ® ArSO 3 H + H 2 O
Cząstką elektrofilową jest SO3. Atak substratu aromatycznego przeprowadza atom siarki, ponieważ jest on silnie spolaryzowany dodatnio, to znaczy brakuje mu elektronów:
Sulfonowanie jest odwracalny proces. Grupę sulfonową można usunąć z pierścienia aromatycznego, co jest szeroko stosowane w syntezie organicznej.
Alkilowanie Friedela-Craftsa
Podobnie jak halogeny, halogenki alkilu mogą być tak silnie spolaryzowane przez kwasy Lewisa (chlorki glinu i cynku, trifluorek boru itp.), Że stają się zdolne do podstawienia elektrofilowego w pierścieniu aromatycznym:
Oprócz halogenków alkilu, do alkilowania związków aromatycznych w obecności katalizatora – kwasu protonowego, można zastosować alkeny lub alkohole:
Do wytworzenia cząstki elektrofilowej – karbokationu niezbędna jest obecność katalizatora – kwasu protonowego:
Alkilowanie arenów alkenami odbywa się zgodnie z regułą Markownikowa.
Produkty alkilowania łatwiej ulegają reakcjom elektrofilowego podstawienia aromatycznego niż związek macierzysty (Alk jest grupą dostarczającą elektrony), dlatego produkt jest następnie preferencyjnie alkilowany i powstają produkty polialkilowania. Chcąc otrzymać produkty monoalkilowania należy pobrać duży nadmiar związku aromatycznego.
Acylowanie Friedela-Craftsa
Areny reagują z chlorkami kwasowymi i bezwodnikami kwasów karboksylowych, tworząc ketony:
Chlorki i bezwodniki kwasowe mają polarną grupę karbonylową i są zdolne do podstawienia elektrofilowego w układach aromatycznych:
Aktywność elektrofilowa tych związków jest jednak niska i musi być wzmocniona działaniem kwasów Lewisa. W efekcie powstaje spolaryzowany kompleks (i w granicach kation acylowy), pełniący rolę elektrofila:
Nie obserwuje się poliacylowania, ponieważ powstały keton jest znacznie mniej reaktywny niż związek macierzysty. Związki aromatyczne z silnie dezaktywującymi podstawnikami, takimi jak grupy nitrowe lub cyjanowe, również nie są acylowane metodą Friedela-Craftsa.
Podstawienie elektrofilowe w skondensowanych węglowodorach aromatycznych.
Skondensowane węglowodory aromatyczne są bardziej reaktywne niż benzen, ponieważ energia sprzęgania na pierścień aromatyczny w nich jest mniejsza niż w benzenie.
W przypadku podstawienia w naftalenie możliwe jest utworzenie dwóch produktów izomerycznych, gdy elektrofil atakuje pozycję a lub b. Atomy wodoru w pozycji a mają wyższą reaktywność i jeśli reakcja przebiega w warunkach kontroli kinetycznej (chlorowanie, nitrowanie), powstaje izomer a:
Sulfonowanie naftalenu stężonym kwasem siarkowym w temperaturze 80 o C prowadzi do izomeru a, który powstaje z większą szybkością (kontrola kinetyczna), a w temperaturze 160 o C - do bardziej stabilnego termodynamicznie izomeru b ( sterowanie termodynamiczne).
Antracen ma jeszcze wyższą reaktywność w porównaniu do benzenu. We wszystkich przypadkach atak odczynników elektrofilowych następuje na rdzeń centralny, podczas gdy peryferyjne jądra benzenu zostają zachowane.
Notatka 1
Najważniejszą grupą reakcji związków aromatycznych są reakcje podstawienia elektrofilowego. Ponieważ pierścień aromatyczny przyciąga gatunki elektrofilowe, a nie nukleofilowe, reakcje przebiegają łatwo i są szeroko stosowane zarówno w syntezie laboratoryjnej, jak i przemysłowej.
Proces ten polega na zastąpieniu jednej cząstki elektrofilowej (zwykle protonu) inną częścią pozbawioną elektronów. W tej reakcji wykorzystuje się różne odczynniki elektrofilowe, oznaczone jako $E^+$ i jest to droga prowadząca do wytworzenia wielu podstawionych związków aromatycznych. Ponadto, gdy reakcję tę stosuje się do pochodnych benzenu zawierających już jeden lub więcej podstawników, proces ten wykazuje zjawisko regioselektywności (specyficzności i kierunkowości podstawienia) oraz reaktywności selektywnej, które oba są wyjaśnione teorią.
Rodzaje mechanizmów elektrofilowej substytucji aromatycznej
W przypadku elektrofilowego podstawienia aromatycznego proponuje się dwa mechanizmy zmierzające w alternatywnych kierunkach:
Mechanizm jednoetapowej substytucji bimolekularnej typu $S_E2$
Zgodnie z tym mechanizmem podczas reakcji konfiguracja $\pi$-elektronów w sekstecie aromatycznym zostaje zachowana, a proces podstawienia zachodzi poprzez oddziaływania LUMO elektrofilów z wiązaniami HOMO związków aromatycznych $C – H$:
Rysunek 2.
W stanach przejściowych powstają trójśrodkowe wiązania dwuelektronowe pomiędzy $C-H$ a atomami elektrofilowymi $E^+$, na których gęstość LUMO jest wysoka. Powstawanie trójośrodkowych stanów przejściowych $(I)$ nie budzi zastrzeżeń teoretycznych. Dwuelektronowe, trójśrodkowe fragmenty w tych stanach przejściowych są izoelektroniczne w aromatycznych układach kationów cyklopropenylu, które są aromatyczne. Oznacza to, że stany przejściowe $(I)$ będą „aromatyczne”, tj. niezbyt bogate w energię.
Mechanizm podstawienia elektrofilowego SE-Arenonium
Drugi mechanizm nazwano substytucją elektrofilową $S_E(Ar)$ - $S_E$-arenonium. Zgodnie z tym mechanizmem w związkach pośrednich zanika aromatyczność i układ sześcioelektronowy, zastępowane są one niecyklicznymi czteroelektronowymi sprzężonymi układami kationów pentadienylowych $(C=C-C=C-C^+)$, a w drugim etapie układy aromatyczne są ponownie przywracane w wyniku eliminacji protonów. Atak elektrofilów LUMO nie następuje na orbitale wiązań $\sigma$, ale na orbitale $\pi$-HOMO, dlatego oddziaływania granicznych MO można przedstawić w postaci dwóch alternatywnych schematów:
Rysunek 3.
Jednakże w monopodstawionym benzenie $C_6H_5X$ degeneracja jest usunięta. Na przykład w fenolu lub anilinie HOMO mają postać (a). Strukturę jonów arenonium $(II)$ można przedstawić na różne sposoby:
Rysunek 4.
Najczęściej stosuje się pierwszą formułę, jednak inne podane schematyczne wzory są również istotne. Korzystając z tych alternatywnych wzorów można wykazać, że dodatnie ładunki jonów arenu występują głównie w orto- I para- położenie względem węzłów bliźniaczych kationów cykloheksadienylowych. I dlatego kompleksy $\sigma$ będą stabilizowane przez znajdujące się w nich podstawniki donorowe orto- I para- pozycje, znacznie lepsze niż podstawniki donorowe w pozycji meta. Jeśli stany przejściowe powolnych etapów podstawienia elektrofilowego są podobne do jonów arenonium, wówczas podstawnik (+M) skieruje elektrofil do para- I orto- pozycja, tj. reakcja będzie regioselektywna.
W latach 50.-70. XX w. w dwóch grupach badawczych – K. Ingolda (University College, University of London) i O.A. Reutow (Wydział Chemii Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego im. M.V. Łomonosowa) przeprowadził intensywne badania mechanizmu podstawienia elektrofilowego przy nasyconym atomie węgla. Jako główne obiekty wybrano organiczne związki rtęci, w których wiązanie węgiel-rtęć dość łatwo ulega rozszczepieniu pod wpływem działania elektrofilów (kwasów, halogenów, soli metali itp.).
W tym okresie prowadzono także inne niezwykle ważne prace w tym kierunku, w szczególności badanie mechanizmów reakcji addycji i eliminacji, aromatycznej podstawienia nukleofilowego, które są ważne w modelowaniu układów biologicznych, mechanizmów katalizy reakcji nukleofilowych karbonylu związki, mechanizmy reakcji nieorganicznych, reakcje związków organicznych metali przejściowych itp.
$Se$ – Reakcje związków metaloorganicznych
W reakcjach $Se$ biorą udział $\sigma$-związane związki organiczne różnych metali - od metali alkalicznych i ziem alkalicznych po ciężkie metale przejściowe, a także metale przejściowe, lantanowce i aktynowce. W tym przypadku mechanizm i szybkość reakcji silnie zależą od charakteru metalu. Na przykład z elektrofilem, takim jak woda, dialkile cynku $R_2Zn$ reagują wybuchowo, $R_2Cd$ - powoli, a $R_2Hg$ praktycznie nie reagują, chociaż dialkile rtęci rozkładają się pod wpływem roztworów $HCl$.
Z punktu widzenia znaczenia syntetycznego najważniejsze są związki litoorganiczne i magnezoorganiczne, dlatego konieczne jest poznanie mechanizmów reakcji tych konkretnych związków. Jednakże odpowiednie badania są znacznie skomplikowane ze względu na niezwykle wysoką reaktywność związków litu i magnezu (są one zwykle stosowane na miejscu i można je przechowywać i manipulować wyłącznie w warunkach beztlenowych). Ponadto związki litoorganiczne w roztworach są silnie powiązane, a związki magnezoorganiczne znajdują się w równowadze Schlenka. Dlatego też związki litoorganiczne i magnezoorganiczne uznano za niezbyt dogodne substraty do badania ilościowych wzorców podstawienia elektrofilowego. I chociaż mechanizmy reakcji z udziałem $RLi$ czy $RMgX$ są w sposób naturalny badane, to najważniejszą rolę w wyjaśnieniu mechanizmu reakcji $Se$ odegrała rtęć i w mniejszym stopniu związki cynoorganiczne, które są dość trwałe w powietrzu i reagują z elektrofilami z dużą szybkością, co można zmierzyć konwencjonalnymi metodami.
Cechy mechanizmów reakcji podstawienia elektrofilowego
Teoretyczne rozważenie stereochemii reakcji podstawienia elektrofilowego z wykorzystaniem mechanizmu $Se2$ prowadzi do wniosku, że w przeciwieństwie do reakcji $Sn2$, które zgodnie z symetrią orbitalną są dozwolone, gdy nukleofil atakuje od tyłu, a są zabronione podczas ataku frontalnego, reakcje $Se2$ nie są zabronione ani podczas ataku frontalnego, ani podczas ataku od tyłu przez elektrofila. Jednak teoretycznie atak czołowy jest nieco bardziej preferowany, ponieważ elektrofil atakuje najwyżej zajęte MO (HOMO) wiązania $C-Z$, a gęstość elektronów tego orbitalu koncentruje się głównie w obszarze międzyjądrowym:
Obrazek 1.
Atak przedni odpowiada trójśrodkowemu (5), a atak tylny odpowiada liniowym (6) stanom przejściowym; w pierwszym przypadku efektem stereochemicznym będzie zachowanie konfiguracji centrum węglowego, a w drugim odwrócenie konfiguracji:
Rysunek 2.
Zdecydowana większość reakcji podstawienia elektrofilowego drugiego rzędu przebiega z zachowaniem konfiguracji. Zatem podstawienie elektrofilowe drugiego rzędu zachodzi bardzo łatwo na atomach węgla na czele mostka związków mostkujących. Łatwo zachodzą także reakcje $Se$ substratów neopentylowych $(CH_3)_3CCH_2Z$, które w przypadku podstawienia nukleofilowego reagują niezwykle wolno ze względu na przestrzenne przeszkody w ataku tylnym.
Znane są jednak przykłady odwrócenia konfiguracji, które wskazują na atak od tyłu ze strony elektrofila.
Rodzaje mechanizmów podstawienia elektrofilowego
Na podstawie wyników badań reakcji $Se$ związków $\sigma$-organometalicznych sformułowano koncepcję nukleofilowego wspomagania podstawienia elektrofilowego. Jej istota polega na tym, że na szybkość i mechanizm reakcji $Se$ w roztworach istotny wpływ ma obecność określonych producentów cząstek nukleofilowych. Takimi cząstkami nukleofilowymi mogą być „wewnętrzne” nukleofile $Nu^-$, które są częścią czynników elektrofilowych $E-Nu$ (na przykład $C1^-$ w $HgCl_2$ ($E = HgCl^+$), $Br^ -$ w $Br_2$ ($E = Br^+$), dwa aniony $I^-$ w $I^(3-)$ ($E = I^+$), itd.), oraz zwykłe cząstki nukleofilowe.
Zatem dodanie nukleofili zdolnych do koordynowania z atomami metali powinno również zwiększyć szybkość reakcji $SE1$. Reakcje monocząsteczkowe wspomagane są oznaczone symbolem $Se(N)$, a reakcje dwucząsteczkowe wspomagane wewnętrznie symbolem $Sei$. Mechanizm $Sei$ charakteryzuje się czteroośrodkowym stanem przejściowym 7, w którym tworzenie wiązań $C-E$ i $M-Nu$ oraz rozszczepienie wiązań $E-Nu$ i $C-M$ zachodzą mniej więcej synchronicznie . Mechanizmy $Se(N)$ i $SEi$ przedstawia poniższy schemat:
Nukleofile mogą również katalizować reakcje $Se2$, koordynując wyłącznie z metalami, na przykład:
Rysunek 5
Pod działaniem stężonego kwasu azotowego lub mieszaniny stężonych kwasów azotowych i siarkowych (mieszanina nitrująca) atomy wodoru pierścienia benzenowego zastępuje się grupą nitrową:
nitrobenzen
Nitrowanie poprzedza utworzenie się odczynnika elektrofilowego NIE 2 - kation nitronowy.
W reakcji nitrowania benzenu z mieszaniną nitrującą kation nitronowy (NIE 2 ) powstający w wyniku protonowania kwasu azotowego obecnym stężonym kwasem siarkowym:
Dalsze nitrowanie zachodzi z trudem, ponieważ grupa nitrowa jest podstawnikiem drugiego rodzaju i komplikuje przebieg reakcji z odczynnikami elektrofilowymi:
nitrobenzen 1,3-dinitrobenzen 1,3,5-trinitrobenzen
Homologi benzenu (toluen, ksyleny) ulegają nitrowaniu łatwiej niż benzen, ponieważ grupy alkilowe są podstawnikami pierwszego rodzaju i ułatwiają reakcje z odczynnikami elektrofilowymi:
1,3,5-trinitrobenzen
toluen orto-nitrotoluen para-nitrotoluen
1,3,5-trinitrobenzen
1.2. Reakcje sulfonowania.
Kiedy benzen i jego homologi poddaje się działaniu stężonego kwasu siarkowego lub trójtlenku siarki, atomy wodoru w pierścieniu benzenowym zastępuje się grupą sulfo:
kwas benzenosulfonowy
Mechanizm reakcji
Sulfonowanie poprzedza utworzenie odczynnika elektrofilowego HSO + 3 - jon hydrosulfoniowy:
3H 2 SO 4 → H 3 O + + HSO + 3 + 2HSO - 4
π-kompleks σ-kompleks
H + + HSO - 4 → H 2 SO 4
Jeszcze bardziej aktywnym odczynnikiem elektrofilowym jest trójtlenek siarki, w którym występuje niedobór gęstości elektronowej na atomie siarki:
σ-kompleks
jon dwubiegunowy
Homologi benzenu łatwiej ulegają sulfonowaniu niż benzen, ponieważ grupy alkilowe są podstawnikami pierwszego rodzaju i ułatwiają reakcje z odczynnikami elektrofilowymi:
1.3. Reakcje halogenowania.
W obecności katalizatorów kwasowych Lewisa (AlCl 3 ; AlBr 3 ; FeCl 3 ; luty 3 ; ZnCl 2 ) w temperaturze pokojowej atomy wodoru pierścienia benzenowego zastępuje się atomami halogenu:
Ponadto chlor zastępuje wodór w pierścieniu aromatycznym aktywniej niż brom, a jodowanie i fluorowanie arenów jest praktycznie niemożliwe ze względu na niewystarczającą aktywność jodu i nadmierną aktywność fluoru.
Rolą katalizatora jest utworzenie albo dodatniego jonu halogenowego, albo kompleksu halogenowego z kwasem Lewisa z polaryzacją wiązania halogen-halogen:
1) tworzenie dodatniego jonu halogenowego:
2) utworzenie kompleksu halogenowego z kwasem Lewisa z polaryzacją wiązania halogenowo-halogenowego:
Dalsze halogenowanie zachodzi z trudem, ponieważ halogeny utrudniają reakcje z odczynnikami elektrofilowymi, ale są orto- i para-orientantami:
bromobenzen 1,2-dibromobenzen 1,4-dibromobenzen
Homologi benzenu łatwiej ulegają halogenowaniu niż benzen, ponieważ grupy alkilowe są podstawnikami pierwszego rodzaju i ułatwiają reakcje z odczynnikami elektrofilowymi:
toluen, orto-chlorotoluen, para-chlorotoluen
Właściwości chemiczne arenów różnią się od węglowodorów nasyconych i nienasyconych. Wyjaśnia to cechy strukturalne pierścienia benzenowego. Delokalizacja sześciu p-elektronów w układzie cyklicznym powoduje obniżenie energii cząsteczki, co powoduje zwiększoną stabilność (aromatyczność) benzenu i jego homologów. Dlatego areny nie są podatne na reakcje addycji lub utleniania, które prowadzą do utraty aromatyczności. Najbardziej typowymi dla nich reakcjami są te, które przebiegają z zachowaniem układu aromatycznego, a mianowicie reakcje podstawienia atomów wodoru związane z cyklem. Obecność obszarów o zwiększonej gęstości p-elektronów po obu stronach płaskiego pierścienia aromatycznego prowadzi do tego, że pierścień benzenowy jest nukleofilem i dlatego jest podatny na atak odczynnika elektrofilowego. Zatem reakcje podstawienia elektrofilowego są najbardziej typowe dla związków aromatycznych.
Rozważmy mechanizm podstawienia elektrofilowego na przykładzie nitrowania benzenu.
Benzen reaguje z mieszaniną nitrującą (mieszaniną stężonych kwasów azotowych i siarkowych):
nitrobenzen
Reakcje podstawienia w pierścieniu przebiegają jedynie poprzez utworzenie dodatnio naładowanych cząstek pośrednich.
kompleks p 
s-kompleks
Zastąpiona cząstka to proton.
Reakcje alkilowania, halogenowania, sulfonowania, nitrowania związków aromatycznych i inne przebiegają według tego mechanizmu, różniąc się jedynie sposobem tworzenia aktywnej cząstki reakcji - elektrofila E +
a) sulfonowanie:
HO–SO 3 H + H–SO 4 H à HSO 3 + + HSO 4 –
b) halogenowanie
Cl 2 + AlCl 3 do Cl + + AlCl 4 –
c) alkilowanie:
CH 3 –CH 2 –Cl + AlCl 3 do CH 3 –CH 2 + + AlCl 4 –
d) acylowanie
CH 3 COCl + AlCl 3 do CH 3 C + =O + AlCl 4 –
W niepodstawionym pierścieniu benzenowym wszystkie 6 pozycji jest równoważnych włączeniu grupy podstawnikowej. Sytuacja jest bardziej skomplikowana, jeśli do reakcji wchodzą homologi lub pochodne benzenu. W tym przypadku nowo wchodząca grupa wchodzi w określone miejsce na ringu. To położenie zależy od podstawnika już obecnego (lub istniejącego) w pierścieniu. Na przykład, jeśli pierścień ma grupę dostarczającą elektrony, taką jak: alkil–, –OH, –OSH 3 , –NH2 , –NHR, NR 2 , –NH–COR, –X (halogen)(podstawniki pierwszego rodzaju), wówczas grupa podstawnikowa zajmuje pozycje orto lub para w stosunku do istniejącej grupy:
Jeśli pierścień ma już grupę odciągającą elektrony, taką jak: –NO 2 , –NO, –SO 3H, –CX 3 , –COOH, –COH, –COR, –CN (podstawniki drugiego rodzaju), wówczas nowo wchodząca grupa staje się dla nich meta-pozycją:
Tabela 2
Tabela podsumowująca podstawniki i ich efekty elektronowe
| Podstawnik lub grupa atomów | Orientacja | Efekty |
| CH 3 > CH 3 –CH 2 > (CH 3) 2 CH | orientacja o-, p-, (halogeny – dezaktywacja) | +ja, +M |
| (CH3)3C | + Ja, M=0 | |
| Atom przyłączony do układu p ma wolną parę elektronów: X– (halogen), –O–, –OH, –OR, –NH 2, –NHR, –NR 2, –SH, –SR, | – Ja, + M | |
| atom przyłączony do układu p jest z kolei połączony z atomem bardziej elektroujemnym: –N=O, –NO 2, –SO 3 H, –COOH, –COH, –C(O)–R, –COOR, – CN, – CX 3 , –C=N=S, | orientacja m, z dezaktywacją | -JESTEM |
| sp 2 -węgiel hybrydowy: –CH=CH–, –C 6H 5 (fenyl) | orientacja o-, p- | Ja=0,+M |
| Atom, który nie ma orbitali p, ale ma całkowity ładunek dodatni –NH 3 +, –NR 3 +, | m- orientacja, z dezaktywacją | –Ja, M=0 |
Jeśli pierścień ma dwa różne rodzaje podstawników, kierowanie substytucją niespójny, wówczas punkt wejścia nowej grupy jest określany przez zastępca pierwszej klasy, Na przykład.
