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.

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:

1. 1. реакция может протекать быстрее или медленнее, чем с самим бензолом;
   2. 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

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.

Наиболее характерны для ароматических углеводородов реакции замещения . При этом в результате реакций не происходит разрушения ароматического секстета электронов. Известны также многочисленные примеры реакций радикального галогенирования и окисления боковых цепей алкилбензолов. Процессы, в которых разрушается стабильная ароматическая система, мало характерны.

IV.1 Электрофильное ароматическое замещение (seAr)

А . Механизм S E Ar (Substitution Electrophilic in Arenes)

Электрофильное замещение в ароматическом ядре является одной из наиболее хорошо изученных и широко распространенных органических реакций. Чаще всего, конечным результатом электрофильного замещения является замещение атома водорода в ароматическом ядре на другой атом или группу атомов:

Реакции электрофильного замещения в ароматическом ядре (как и реакции электрофильногоприсоединения к С=С связи) начинаются с образования -комплекса - электрофильный агент координируется с молекулой бензола за счет -электронной системы последнего:

В бензольном ядре -система, будучи устойчивой (энергия стабилизации; см. раздел II), не нарушается столь легко, как в алкенах. Поэтому соответствующий -комплекс может быть не только зафиксирован с помощью физико-химических методов, но и выделен .(прим.24)

Как правило, стадия образования -комплекса протекает быстро и не лимитирует скорости всего процесса.

Далее ароматическая система нарушается, и возникает ковалентная связь электрофила с атомом углерода бензольного ядра. При этом -комплекс превращается в карбокатион (карбениевый ион), в котором положительный заряд делокализован в диеновой системе, а атакованный электрофилом атом углерода переходит из sp 2 - в sp 3 -гибридное состояние. Такой катион называется -комплексом . Как правило, стадия образования -комплекса является скорость определяющей . Делокализация положительного заряда в -комплексе осуществляется не равномерно между пятью атомами углерода, а за счет 2,4,6-положений бензольного кольца (ср. с аллильным катионом, где положительный заряд распределен между 1,3-положениями):

При электрофильном присоединении к алкенам также сначала образуется -комплекс, переходящий затем в -комплекс, однако дальнейшая судьба -комплекса в случае электрофильных реакций алкенов и аренов различна. -Комплекс, образующийся из алкенов, стабилизируется за счет транс -присоединения нуклеофила; -комплекс, формирующийся из ароматической системы, стабилизируется с регенерацией ароматического секстета -электронов:(прим.25)

Ниже приведен энергетический профиль такой реакции (прим.27) (Е а - энергия активации соответствующей стадии):

Еще раз подчеркнем, что реакции S Е Ar, по результату представляющие собой замещение , на самом деле по механизму являются реакциями присоединения с последующим отщеплением .

Б. Ориентация присоединения в монозамещенных бензолах

При рассмотрении реакций электрофильного замещения в монозамещенных бензолах возникает две проблемы: 1. Новый заместитель может вступать в орто -, мета - илипара -положения, а также замещать уже имеющийся заместитель (последнее, так называемое ипсо-замещение , менее распространено - см. раздел IV.1.Д (нитрование). 2. Скорость замещения может быть больше или меньше скорости замещения в бензоле.

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.

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 -комплексов при атаке в орто -, мета - и пара -положения монозамещенного бензола (как уже отмечалось, образование -комплексов обычно является скоростьопределяющей 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 -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 статических электронных 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 являютсяорто -, 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).(прим.30)

В то же время, атомы галогенов являются орто,пара -ориентантами, поскольку способны за счет положительного мезомерного эффекта участвовать в делокализации положительного заряда в -комплексе, образующемся при орто - 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.(прим.31)

Ниже приведены некоторые примеры согласованной ориентации двух заместителей; место преимущественного вступления третьего заместителя показано стрелкой.

Спрос на бензол определяется развитием потребляющих его отраслей. Основные области применения бензола - производство этилбензола, кумола и циклогексана и анилина.

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

Если в кольце имеется два заместителя разного рода , направляющие замещение несогласованно , то место вступления новой группы определяется по заместителю первого рода , например.

Для аренов характерны три типа реакций:

1) электрофильное замещение S E Ar (разрушение связи С-Н);

2) реакции присоединения (разрушение p-связи);

3) реакции с разрушением бензольного кольца.

Электрофильное замещение в аренах (S E Ar)

Реакции электрофильного замещения протекают по общей схеме через образование π- и σ-комплексов

Как следует из представленной схемы, ароматическое замещение S E Ar протекает по механизму присоединения – отщепления. За присоединением электрофильного агента Х + к ароматическому субстрату с образованием σ- комплекса следует отщепление протона с образованием продукта реакции.

Реакции электрофильного замещения в аренах, как правило, следуют по кинетическому уравнению второго порядка (v = k 2 [X + ]).

Рассмотрим постадийное протекание процесса.

Стадия 1. Образование π- комплексов

.

π–Комплексы – координационные соединения, в которых донором электронов является ароматическое соединение, имеющее легко поляризуемые π–электроны. π–комплексы – не классические химические соединения, в которых электрофильная частица связывается с ковалентной связью с каким-либо ковалентным атомом реагирующего вещества. Большинство π–комплексов легко разлагается при нагревании или при воздействии воды.

Способность к образованию π–комплексов у аренов возрастает в ряду:

C 6 Н 6 < C 6 Н 5 СН 3 < п - СН 3 –С 6 Н 4 –СН 3 ~ п - СН 3 –О–С 6 Н 4 СН 3 <

<м - СН 3 –С 6 Н 4 -СН 3 < 1,3,5 (СН 3) 3 С 6 Н 3

Чем большей π–электронной плотностью обладает соединение, тем с большей легкостью оно образует π–комплексы.

Стадия 2. Образование σ- комплексов

σ-Комплексы – это катионы, при образовании которых реагент Х + образует ковалентную связь с одним из атомов углерода за счет 2-х π-электронов бензольного ядра, при этом этот С-атом переходит из sp 2 -состояния в sp 3 -гибридизацию, в которой все четыре его валентности находятся под углом ~109 0 . Симметрия бензольного ядра нарушается. Группа Х и атом водорода оказываются в плоскости перпендикулярной плоскости бензольного ядра.

Устойчивость σ–комплексов возрастает с увеличением основности бензольного ядра

Эта стадия является самой медленной стадией всей реакции и называется лимитирующей .

Стадия 3. Отщепление протона от σ – комплекса

В последней стадии происходит отщепление от σ–комплекса протона и восстановление 6π–электронного облака (ароматической структуры). Этот процесс протекает с выигрышем энергии ~ 42 кДж/моль. Во многих реакциях отрыву протона на заключительной стадии способствует соответствующее основание, присутствующее в растворе.

По рассмотренному механизму в аренах протекают следующие реакции.

Однако предложенную схему не следует рассматривать как абсолютно доказанную и универсальную. В различных процессах на ход реакции оказывает влияние:

Ø структура субстрата;

Ø химическая активность реагента;

Ø условия проведения процесса;

Ø характер, активность катализатора и другие факторы, что может приводить к отклонению в частных случаях от предложенной схемы процесса.

Рассмотрим некоторые примеры электрофильного замещения в бензоле.

Пример 1. Бромирование бензола

Молекулярный бром является слишком слабым электрофильным агентом и, в отсутствии катализатора, не реагирует с бензолом.

Чаще всего реакцию бромирования бензола осуществляют в присутствии бромида железа (III), играющего роль кислоты Льюиса, последний получают в реакционной массе непосредственным взаимодействием брома с железом

Стадия 1. Образование электрофильного реагента Е + .

Молекула брома активируется по схеме кислотно–основной реакции с кислотой Льюиса.

Стадия 2. Образование π – комплекса 1.

Свободный бромониевый ион или ион в составе ионной пары является активным электрофильным агентом, способным реагировать с бензолом; при этом сначала образуется π-комплекс 1

Роль электрофильного агента на этой стадии может выполнить и донорно–акцепторный комплекс .

Стадия 3. Перегруппировка π-комплекса 1 и образование σ- комплекса, или аренониевого иона.

Это наиболее медленная стадия всей реакции

Стадия 4. Перегруппировка σ-комплекса в π-комплекс 2 продукта замещения. Протон отщепляется от атома углерода, у которого проходит замещение; в цикле вновь формируется ароматический секстет электронов – наблюдается реароматизация

Стадия 5. Диссоциация π-комплекса 2 с образованием продукта замещения

Механизм электрофильного бромирования бензола иллюстрируется энергетической диаграммой реакции, показанной на рис.11.

Рис. 11. Энергетическая диаграмма реакции

электрофильного бромирования бензола;

ПС – переходное состояние.

Стадии 2 и 5, включающие π–комплексы исходного арена и продукта замещения, в схемах механизма электрофильного ароматического замещения часто опускают. При таком подходе собственно электрофильное ароматическое замещение включает лишь три стадии.

Стадия 1" – образование электрофильного агента.

Стадия 2" – образование σ-комплекса, минуя π-комплекс 1.

Стадия 3" – распад σ-комплекса с образованием продукта замещения, минуя π-Комплекс 2.

Пример 2. Нитрование аренов

Нитрование заключается в замещении атома водорода бензольного кольца на нитрогруппу NO 2 . Бензол реагирует с концентрированной азотной кислотой медленно даже при нагревании. Поэтому нитрование чаще всего проводят действием более активного нитрующего агента – нитрующей смеси – смеси концентрированных азотной и серной кислот. Нитрование аренов нитрующей смесью является основным способом получения нитросоединений ароматического ряда

Нитрование бензола нитрующей смесью проводят при 45–50 0 С. Поскольку реакция нитрования необратима, азотную кислоту применяют в минимальном избытке (5–10%), добиваясь практически полного превращения бензола.

Серная кислота в составе нитрующей смеси необходима для повышения концентрации электрофильного агента – нитроний-иона NO 2 + .

Стадия 1. Образование электрофильного агента.

Действующим электрофильным агентом при нитровании является ион нитрония , который потенциально имеется в целом роде соединений.

Например: HO _ NO 2 , O 2 N _ O _ NO 2 , и др.

Их склонность к образованию иона нитрония увеличивается с повышением электроотрицательности заместителя, связанного с нитрогруппой.

Гидроксильная группа как таковая отщепляться не может, поэтому ион нитрония из азотной кислоты образуется только в кислой среде

В простейшем случае азотной кислота может протонироваться сама («самопротонизация»)

Однако равновесие смещено в левую сторону, поэтому азотная кислота нитрует слабо.

При добавлении концентрированной серной кислоты концентрация - катиона сильно повышается

Нитрующее действие смеси азотной и серной кислоты (нитрующей смеси) намного сильнее, чем одной азотной кислоты. Дальнейшее повышение реакционной способности можно достигнуть, применяя дымящую азотную кислоту и олеум.

Стадия 2. Образование σ-комплекса

Стадия 3. Выброс протона с образованием продукта замещения

На практике необходимо согласовывать активность нитрующего средства с реакционной способностью ароматического ядра.

Так, например, фенолы и простые эфиры фенолов нитруются уже разбавленной азотной кислотой, нитрование же бензальдегида, бензойной кислоты, нитробензола и т.д. требует смеси дымящей азотной кислоты с серной.

м-Динитробензол с трудом нитруется даже смесью дымящей азотной и серной кислот (5 сут, 110 0 С; выход 45 %).

При нитровании наиболее часто побочной реакцией является окисление. Ему благоприятствует повышение температуры реакции. Процесс окисления определяют по выделению окислов азота. Альдегиды, алкиларил – кетоны и в меньшей степени алкилбензолы при нитровании также подвержены окислению.

Пример 3. Алкилирование аренов

В качестве алкилирующих средств могут быть использованы R-HIg, ROH, R-CH=CH 2 в присутствии соответствующих катализаторов (в частности AICI 3 , AIBr 3 , H 2 SO 4).

Катализаторы генерируют (образуют) электрофильную частицу – карбкатион

Реакции алкилирования имеют три серьезных ограничения:

1) реакцию трудно остановить на стадии моноалкилирования, т.е. она протекает дальше, с образованием полиалкилбензолов; для подавления полиалкилирования обычно используют избыток арена;

2) если в арене только электроакцепторные заместители (например, -NO 2), то реакцию алкилирования не удается осуществить;

3) реакция алкилирования сопровождается перегруппировкой алкильного радикала.

Перегруппировка алкильного радикала в наиболее устойчивый является характерным свойством карбкатионов

Правила ориентации

Реакции замещения водорода в бензоле идут при любом атоме углерода одинаково, так как молекула бензола симметрична. Однако если в бензоле уже имеется заместитель, то положения, остающиеся свободными для реакций электрофильного замещения, становятся неравноценными.

Закономерности, определяющие направления реакций замещения в бензольном ядре, называются правилами ориентации.

–Активирующая группа – заместитель, который делает кольцо бензола более реакционно способным в реакциях электрофильного замещения по сравнению с незамещенным бензолом.

–Дезактивирующая группа – заместитель, который делает бензольное кольцо менее реакционноспособным в реакциях электрофильного замещения по сравнению с незамещенным бензолом.

– о-, п-ориентант – заместитель, направляющий атаку электрофила преимущественно в о- или п-положение бензольного кольца.

– м-ориентант – заместитель, направляющий атаку электрофила преимущественно в м-положение бензольного кольца.

В общем случае электрофильное замещение в монозамещенном бензоле может протекать в трех направлениях

Реакционная способность атомов углерода в этом случае определяется тремя факторами:

1) природой уже имеющегося заместителя;

2) природой действующего агента;

3) условиями проведения реакции.

По своему влиянию на ориентацию в этих реакциях все заместители делятся на две группы: заместители первого рода (орто-, пара-ориентанты) и заместители второго рода (мета-ориентанты).