Elektrofilinėms pakeitimo reakcijoms S E Tipiškiausios yra tos paliekančios grupės, kurios gali egzistuoti būsenoje su neužpildytu valentiniu apvalkalu.
Tokia grupė gali būti protonas, tačiau jo mobilumas priklauso nuo rūgštingumo. Sočiuosiuose alkanuose vandenilis yra neaktyvus. Vandenilio pakeitimas vyksta lengviau tose padėtyse, kur jis yra pakankamai rūgštus, pavyzdžiui, padėtis karbonilo grupėje arba protonas acetileno jungtyje. Svarbus reakcijos tipas S E yra anijoninis skilimas, apimantis anglies-anglies jungties skilimą, kai paliekanti grupė yra anglis. Ypač linkę į reakcijas S E organiniai metaliniai junginiai.
Alifatinio elektrofilinio pakeitimo mechanizmai
Alifatinis mechanizmas S E skirtingai nei S N nepakankamai ištirtas. Yra keturių tipų mechanizmai S E : S E 1, S E 2 (iš galo), S E 2 (iš priekio), S i. S E Bimolekulinis mechanizmas S N panašus
2 ta prasme, kad naujas ryšys susidaro kartu su senojo nutrūkimu. Tačiau yra reikšmingas skirtumas. S N IN
2, nukleofilas artėja su savo elektronų pora ir, kadangi elektronų poros atstumia viena kitą, jis gali priartėti prie išeinančios elektronų poros tik iš galo. Atliekant elektrofilinį pakeitimą, laisva orbita gali priartėti arba iš galo, pritraukdama elektronų porą, arba iš priekio. Todėl teoriškai svarstomi du galimi mechanizmai.
S E 2 (iš priekio)
S E 2 (iš galo) S E Yra trečiasis bimolekulinis mechanizmas i .
, kai dalis elektrofilinės molekulės skatina išeinančios grupės atsiskyrimą, sudarydama su ja ryšį. Šis mechanizmas vadinamas S S EĮrodymai: mechanizmai S i 2 ir S i nelengva atskirti. Visi jie atitinka antros eilės kinetiką. S E Ir S E 2 (iš priekio) tęskite išlaikydami konfigūraciją. S E 2 (iš galo) tęsiama keičiant konfigūraciją. Mechanizmo patvirtinimas
2 (iš priekio) yra tai, kad tilto viršūnėje esančiuose anglies atomuose gali įvykti elektrofilinis pakeitimas. S E Monomolekulinis elektrofilinio pakeitimo mechanizmas S N 1 yra panašus
1 ir apima du etapus: lėtą jonizaciją ir greitą rekombinaciją. S E Mechanizmo įrodymas
Protonų mainai į deuterį vyksta tokiu pat greičiu kaip ir racemizacija, ir stebimas kinetinis izotopų efektas. Reakcija S N 1 neatsiranda tilto viršūnėje, bet S E 1 eina lengvai, iš ko išplaukia, kad karbanionas nebūtinai turi būti plokščias, jis gali turėti piramidinę struktūrą.
Atliekant elektrofilinį pakeitimą aliliniu substratu, galima gauti pertvarkymo produktą:
Šio tipo procesas yra panašus S N ir gali eiti dviem būdais.
Pirmasis įvyksta susidarant alilo karbaniono tarpiniam junginiui:
Antrasis būdas apima elektrofilinį pridėjimą prie dvigubos jungties su tarpiniu karbokationo susidarymu ir vėlesniu elektrofugos pašalinimu:
Svarbiausios alifatinio elektrofilinio pakeitimo reakcijos
CH rūgščių reakcijos
Jei elektrofilinėse pakeitimo reakcijose paliekama grupė yra vandenilis, kuris pašalinamas protono pavidalu, tai tokie substratai vadinami CH-rūgštimis. Svarbiausios tokio tipo reakcijos pagal mechanizmą S E 1 :
Vandenilio izotopų mainai
;
Dvigubų ir trigubų jungčių migracija
- Derinys su diazonio druskomis
Superrūgštinėje aplinkoje vandenilio pakeitimas gali vykti pagal mechanizmą S E 2 , susidarant karbo jonams:
Metalo organinių junginių reakcijos
Pagrindinės organinių metalų junginių reakcijos yra protodemetalacija, halogenidų demetalacija ir transmetalacija
Proto-demetalacija yra metalo organometaliniame junginyje pakeitimo vandeniliu reakcija, veikiant rūgštims
Halogeno demetalacija vadinamos metalo pakeitimo halogenu reakcijos, veikiant halogenams arba interhalogenams:
Permetalavimas vadinama vieno metalo mainų kitu reakcija. Ir neorganinė metalo druska, ir metalo organinis junginys gali veikti kaip regentas:
Reakcijos, susijusios su heterolitiniu anglies-anglies jungties skilimu
Reakcijos, atsirandančios suskaidžius anglies-anglies ryšį, vadinamos anijoniniu skilimu, dažnai vyksta per mechanizmą. S E 1 su tarpiniu karbaniono susidarymu:
Anijonų skilimo reakcijos paprastai skirstomos į dvi grupes. Pirmoji grupė apima procesus, kuriuose karbonilo junginiai veikia kaip išeinanti grupė. Šios reakcijos substratas yra hidroksilo turintys junginiai. Svarbiausios šios grupės reakcijos yra: retroaldolio reakcija, cianohidrinų skilimas, tretinių alkoholiatų skilimas. Antroji anijoninio skilimo reakcijų grupė vadinama acilo skilimu, nes elektrofugas suskaidomas karboksirūgšties arba jos darinio pavidalu. Šios grupės substratai yra karbonilo junginiai, o procesas prasideda nukleofiliniu bazės pridėjimu prie karbonilo grupės:
Svarbiausios tokio tipo reakcijos yra: β-ketoesterių ir β-diketonų skilimas (rūgščių skilimas veikiant bazėms), haloformų reakcija, karboksilo rūgšties druskų dekarboksilinimo reakcijos.
Elektrofilinis pakaitalas neabejotinai sudaro svarbiausią aromatinių junginių reakcijų grupę. Vargu ar yra kita reakcijų klasė, kuri būtų taip nuodugniai, giliai ir visapusiškai ištirta tiek mechanizmo, tiek taikymo organinėje sintezėje požiūriu. Būtent elektrofilinio aromatinio pakeitimo srityje pirmą kartą buvo iškelta sandaros ir reaktyvumo ryšio problema, kuri yra pagrindinis fizikinės organinės chemijos tyrimo objektas. Apskritai tokio tipo aromatinių junginių reakcija gali būti pavaizduota taip:
AE+H+
1. Literatūros apžvalga
1.1 Elektrofilinis pakaitalas aromatinėse serijose
Šios reakcijos būdingos ne tik pačiam benzenui, bet ir apskritai benzeno žiedui, kad ir kur jis būtų, taip pat kitiems aromatiniams žiedams – benzenoidiniams ir nebenzenoidiniams. Elektrofilinės pakeitimo reakcijos apima platų reakcijų spektrą: nitrinimo, halogeninimo, sulfoninimo ir Friedel-Crafts reakcijos būdingos beveik visiems aromatiniams junginiams; reakcijos, tokios kaip nitrozavimas ir azo jungtis, būdingos tik padidinto aktyvumo sistemoms; reakcijos, tokios kaip desulfuravimas, izotopų mainai ir daugybė ciklizacijos reakcijų, kurios iš pirmo žvilgsnio atrodo gana skirtingos, bet kurios taip pat yra tinkamos priskirti tos pačios rūšies reakcijoms.
Elektrofiliniai agentai E + , nors krūvio buvimas nebūtinas, nes Elektrofilas taip pat gali būti neįkrauta dalelė, kurioje trūksta elektronų (pavyzdžiui, SO 3, Hg(OCOCH 3) 2 ir kt.). Tradiciškai juos galima suskirstyti į tris grupes: stiprius, vidutinio stiprumo ir silpnus.
NO 2 + (nitronio jonas, nitroilo katijonas); Cl 2 arba Br 2 kompleksai su įvairiomis Lewis rūgštimis (FeCl 3, AlBr 3, AlCl 3, SbCl 5 ir kt.); H2OCl+, H2OBr+, RSO2+, HSO3+, H2S2O7. Stiprūs elektriniai pjūklai sąveikauja su benzeno serijos junginiais, kuriuose yra ir elektronus dovanojančių, ir praktiškai bet kokių elektronus ištraukiančių pakaitalų.
Vidutinio stiprumo elektrofilai
Alkilhalogenidų arba acilhalogenidų kompleksai su Lewis rūgštimis (RCl. AlCl 3, RBr. GaBr 3, RCOCl. AlCl 3 ir kt.); alkoholių kompleksai su stipriomis Lewis ir Brønsted rūgštimis (ROH. BF 3, ROH. H 3 PO 4, ROH. HF). Jie reaguoja su benzenu ir jo dariniais, turinčiais elektronus dovanojančių (aktyvuojančių) pakaitų arba halogeno atomų (silpni dezaktyvuojantys pakaitai), bet dažniausiai nereaguoja su benzeno dariniais, turinčiais stiprius dezaktyvuojančius elektronus sutraukiančius pakaitus (NO 2, SO 3 H, COR, CN). ir tt).
Silpni elektrofilai
Diazonio katijonai ArN +є N, iminis CH 2 =N+ H 2, nitrozonis NO + (nitrozoilo katijonas); anglies monoksido (IY) CO 2 (vienas iš silpniausių elektrofilų). silpni elektrofilai sąveikauja tik su benzeno dariniais, turinčiais labai stiprių elektronus dovanojančių (+M) tipo pakaitų (OH, OR, NH 2, NR 2, O- ir kt.).
1.1.2 Elektrofilinio aromatinio pakeitimo mechanizmas
Šiuo metu aromatinis elektrofilinis pakeitimas laikomas dviejų pakopų pridėjimo-eliminavimo reakcija, kai tarpiniu būdu susidaro arenonio jonas, vadinamas σ kompleksu.
I-Arenonio jonas (
-sudėtingas), kaip taisyklė, trumpalaikis. Šis mechanizmas vadinamas S E Ar, t.y. S E (areniumas). Šiuo atveju pirmajame etape dėl elektrofilo atakos benzeno ciklinė aromatinė 6-elektronų π-sistema išnyksta ir I tarpiniame produkte pakeičiama necikline 4-elektronų konjuguota cikloheksadienilo sistema. katijonas. Antrame etape aromatinė sistema vėl atkuriama dėl protono abstrakcijos. Arenonio jono I struktūra vaizduojama įvairiais būdais:
Dažniausiai naudojama pirmoji formulė. σ kompleksą daug geriau stabilizuos donorų pakaitai orto ir para padėtyse nei donorų pakaitai meta padėtyje.
π - Kompleksai
Kaip žinoma, arenai yra π-bazės ir gali sudaryti donoro-akceptoriaus kompleksus su daugeliu elektrofilinių reagentų. Taigi, kai sausas dujinis HCl arba DCl buvo išleistas į benzeno, tolueno, ksilenų ar kitų polialkilbenzenų tirpalą n-heptane, esant -78 °C temperatūrai. o C, pavyko nustatyti 1:1 sudėties molekulinių kompleksų susidarymą (G. Brown, 1952).
Šie kompleksai nėra spalvoti, o jų tirpalai aromatiniuose angliavandeniliuose yra nelaidūs elektrai. Dujinį DCl ištirpinus benzene, toluene, ksilenuose, mezilene, pentametilbenzene, nevyksta H mainai į D Kadangi kompleksų tirpalai nelaidi elektros srovės, jie nėra joninės dalelės, t.y. Tai nėra arenonio jonai.
Tokie donoro-akceptoriaus kompleksai vadinami π-kompleksais. Pavyzdžiui, benzeno ir bromo arba chloro kompleksų, kurių sudėtis 1:1, kristalai, remiantis rentgeno spindulių difrakcijos duomenimis, susideda iš kintančių kompozicijos π donoro (C 6 H 6) ir akceptoriaus (Cl) molekulių grandinių. 2,Br 2), kuriame halogeno molekulė yra statmena žiedo plokštumai išilgai ašies, einančios per jo simetrijos centrą.
σ kompleksai (arenonio jonai)
Kai į alkilbenzeno AlCl 3 arba AlBr 3 tirpalą pridedama HCl ir DCl, tirpalas pradeda vesti elektros srovę. Tokie tirpalai yra spalvoti, o jų spalva keičiasi iš geltonos į oranžiškai raudoną, pereinant iš paraksileno į pentametilbenzeną. ArH-DCl-AlCl 3 arba ArH-DF-BF 3 sistemose aromatinio žiedo vandenilio atomai jau yra pakeisti deuteriu. Tirpalų elektrinis laidumas aiškiai rodo jonų susidarymą trinarėje areno-vandenilio halogenido-aliuminio halogenido sistemoje. Tokių jonų struktūra buvo nustatyta naudojant BMR spektroskopiją 1 H ir 13 C branduoliuose ArH-HF (skystas) -BF 3 arba ArH-HF-SbF 5 sistemoje SO 2 ClF žemoje temperatūroje.
1.1.3 Pakaitų klasifikacija
Monopakeisti benzenai C 6 H 5 X gali būti daugiau ar mažiau reaktyvūs nei pats benzenas. Jei į reakciją įvedamas lygiavertis C 6 H 5 X ir C 6 H 6 mišinys, pakeitimas vyks selektyviai: pirmuoju atveju į reakciją daugiausia pateks C 6 H 5 X, o antruoju atveju. , daugiausia benzenas.
Šiuo metu pakaitai skirstomi į tris grupes pagal jų aktyvinamąjį arba deaktyvuojantį poveikį, taip pat pakeitimo orientaciją benzeno žiede.
1. Orto-para-orientacinių grupių aktyvinimas. Tai apima: NH 2, NHR, NR 2, NHAc, OH, OR, OAc, Alk ir kt.
2. Orto-para-orientacinių grupių išjungimas. Tai halogenai F, Cl, Br ir I.
3. Meta orientuojančių grupių išjungimas. Šią grupę sudaro NO 2, NO, SO 3 H, SO 2 R, SOR, C(O)R, COOH, COOR, CN, NR 3+, CCl 3 ir kt. Tai antros rūšies orientantai.
Natūralu, kad yra ir tarpinio pobūdžio atomų grupių, sukeliančių mišrią orientaciją. Tai, pavyzdžiui, apima: CH 2 NO, CH 2 COCH 3, CH 2 F, CHCl 2, CH 2 NO 2, CH 2 CH 2 NO 2, CH 2 CH 2 NR 3 +, CH 2 PR 3 +, CH 2 SR 2 + ir kt.
1.2 Elektrofilinis pakeitimas π pertekliaus heterocikluose
Furanas, pirolis ir tiofenas pasižymi dideliu reaktyvumu su įprastais elektrofiliniais reagentais. Šia prasme jie primena reaktyviausius benzeno darinius, tokius kaip fenoliai ir anilinai. Padidėjęs jautrumas elektrofiliniam pakeitimui atsiranda dėl asimetrinio krūvio pasiskirstymo šiuose heterocikluose, todėl žiedo anglies atomų neigiamas krūvis yra didesnis nei benzeno. Furanas yra šiek tiek reaktyvesnis nei pirolis, o tiofenas yra mažiausiai reaktyvus.
1.2.1 Elektrofilinis pirolio pakaitalas
Nors pirolis ir jo dariniai nėra linkę į nukleofilines pridėjimo ir pakeitimo reakcijas, jie yra labai jautrūs elektrofiliniams reagentams, o pirolių reakcijos su tokiais reagentais vyksta beveik išimtinai kaip pakeitimo reakcijos. Nepakeistas pirolis, N- ir C-monoalkilpiroliai ir kiek mažesniu mastu C,C-dialkilo dariniai polimerizuojasi stipriai rūgščioje aplinkoje, todėl dauguma elektrofilinių reagentų, naudojamų benzeno dariniams, netinka piroliui ir jo alkilo dariniams.
Tačiau, jei pirolio žiede yra elektronus sutraukiančių grupių, kurios neleidžia polimerizuotis, pavyzdžiui, esterių grupių, tampa įmanoma naudoti stipriai rūgštines terpes, nitrinančius ir sulfoninančius agentus.
Protonacija
Tirpale visose pirolio žiedo padėtyse stebimas grįžtamas protonų pridėjimas. Greičiausiai azoto atomas protonuojasi 2 padėtyje, du kartus greičiau nei 3 padėtyje. Dujų fazėje, naudojant vidutinio stiprumo rūgštis, tokias kaip C 4 H 9 + ir NH 4 +, pirolis; protonuojasi tik anglies atomuose, o polinkis pridėti protoną 2 padėtyje yra didesnis nei 3 padėtyje. Termodinamikai stabiliausias katijonas, 2H-pirolio jonas, susidaro, kai protonas pridedamas 2 padėtyje, o nustatytas pK a pirolio vertė yra susijusi būtent su šiuo katijonu. Silpnas pirolio N-baziškumas atsiranda dėl to, kad nėra galimybės mezomeriškai delokalizuoti teigiamą krūvį 1H-pirolio katijone.
Elektrofilinės pakeitimo reakcijos būdingos aromatinėms, karbociklinėms ir heterociklinėms sistemoms. Dėl p-elektronų delokalizacijos benzeno molekulėje (ir kitose aromatinėse sistemose) p-elektronų tankis pasiskirsto tolygiai abiejose žiedo pusėse. Toks žiedo anglies atomų ekranavimas p-elektronais apsaugo juos nuo nukleofilinių reagentų atakos ir, atvirkščiai, palengvina elektrofilinių reagentų atakos galimybę.
Tačiau skirtingai nei alkenų reakcijos su elektrofiliniais reagentais, aromatinių junginių sąveika su jais nesukelia adityvinių produktų susidarymo, nes tokiu atveju būtų sutrikdytas junginio aromatingumas ir sumažėtų jo stabilumas. Aromatingumas gali išlikti, jei vandenilio katijoną pakeičia elektrofilinė rūšis.
Elektrofilinių pakaitų reakcijų mechanizmas yra panašus į elektrofilinių prisijungimo reakcijų mechanizmą, nes yra bendri reakcijų modeliai.
Bendra elektrofilinių pakaitų reakcijų mechanizmo schema S E:
Pirmajame reakcijos etape p-kompleksas su elektrofiline dalele (greita stadija), kuri vėliau virsta s kompleksas(lėta stadija) dėl formavimosi s- sujungiant vieną iš anglies atomų su elektrofiline dalele. Dėl išsilavinimo s- sujungus su elektrofiline dalele, iš konjugacijos „išsiveržia“ elektronų pora, o gautas produktas įgauna teigiamą krūvį. IN s kompleksas aromatingumas yra sutrikdytas, nes vienas iš anglies atomų yra sp 3 hibridizacijoje, o keturi elektronai ir teigiamas krūvis yra delokalizuoti ant kitų penkių anglies atomų.
Norint regeneruoti termodinamiškai palankią aromatinę sistemą, vyksta heterolitinis C sp 3 -H jungties skilimas. Dėl to H + jonas atsiskiria ir jungiasi elektronų pora, kad atkurtų konjugacijos sistemą, o anglies atomo, kuris pašalino protoną, atominių orbitalių hibridizacija keičiasi iš sp 3 į sp 2 . Aromatinių junginių nitrinimo, sulfoninimo, halogeninimo, alkilinimo, acilinimo reakcijų mechanizmas apima papildomą etapą, nenurodytą bendroje schemoje - elektrofilinės dalelės generavimo etapą.
Reakcijos lygtisnitrinimasbenzenas turi tokią formą:
Nitrinimo reakcijose dėl azoto ir sieros rūgščių sąveikos susidaro elektrofilinė dalelė, dėl kurios susidaro nitronio katijonas NO 2 +, kuris toliau reaguoja su aromatiniu junginiu:
Benzeno molekulėje visi anglies atomai yra ekvivalentiški viename iš jų. Jei molekulėje yra pakaitų, tada elektrofilinės atakos reaktyvumą ir kryptį lemia šio pakaito pobūdis. Atsižvelgiant į jų įtaką reaktyvumui ir atakos kryptį, visi pakaitalai skirstomi į dvi grupes.
Pirmosios rūšies orientatoriai. Šie pakaitai palengvina elektrofilinį pakeitimą, palyginti su benzenu, ir nukreipia įeinančią grupę į orto ir para pozicijas. Tai apima elektronus dovanojančius pakaitus, kurie padidina elektronų tankį benzeno žiede. Dėl jo perskirstymo į 2, 4, 6 pozicijas (orto ir para padėtis) atsiranda daliniai neigiami krūviai, o tai palengvina elektrofilinės dalelės pridėjimą į šias pozicijas. s kompleksas.
Antrosios rūšies orientatoriai. Šie pakaitalai apsunkina elektrofilinių pakeitimų reakcijas, palyginti su benzenu, ir nukreipia įeinančią grupę į vieną iš meta pozicijų. Tai apima elektronus ištraukiančius pakaitus, kurie sumažina elektronų tankį benzeno žiede. Dėl jo perskirstymo 3,5 pozicijose (meta padėtyse) atsiranda daliniai neigiami krūviai ir susidaro elektrofilinė dalelė. s kompleksas vyksta sunkiomis sąlygomis.
Halogeno atomai nukreipia elektrofilinę dalelę į orto arba para padėtį (dėl teigiamo mezomerinio efekto), bet kartu apsunkina reakciją, nes yra elektronus ištraukiantys pakaitalai (-I>+M). Benzeno halogeno darinių reakcijos su elektrofiliniais reagentais vyksta atšiauriomis sąlygomis.
Reakcijų metu sulfonavimas elektrofilinės dalelės vaidmenį atlieka reakcijos metu susidariusi SO 3 molekulė: 2H 2 SO 4 «SO 3 +H 3 O + + HSO 4 - . Sieros atomai šioje molekulėje pasižymi dideliu elektronų tankio trūkumu ir dalinio teigiamo krūvio buvimu, todėl būtent S atomas, kaip elektrofilas, turi jungtis su tolueno benzeno žiedo anglies atomu. .
Metilo grupė toluene yra pirmosios rūšies orientuojantis agentas, o kaip elektronus dovanojantis pakaitas palengvina pakeitimo reakciją ir nukreipia įeinančią grupę į orto ir para pozicijas. Praktikoje pakaitiniai produktai formuojami ir meta padėtyje, tačiau jų kiekis yra žymiai mažesnis nei pakaitinių produktų kiekis orto-para padėtyje.
Halogeninimas benzeno ir daugelio aromatinių junginių, paties halogeno veikimas vyksta tik esant katalizatoriams, tokiems kaip ZnCl 2, AlCl 3, FeBr 3 ir kt. Katalizatoriai paprastai yra Lewis rūgštys. Tarp metalo atomo ir halogeno atomo per donoro-akceptoriaus mechanizmą susidaro jungtis, kuri sukelia halogeno molekulės poliarizaciją ir sustiprina jos elektrofilinį pobūdį. Gautas aduktas gali disociuoti, sudarydamas sudėtingą anijoną ir halogeno katijoną, kuris vėliau veikia kaip elektrofilinė dalelė:
Vandeniniai HO-Hal tirpalai, esant stiprioms rūgštims, taip pat gali būti naudojami kaip halogeninančios medžiagos. Elektrofilinės dalelės susidarymą šiuo atveju galima paaiškinti tokiomis reakcijomis:
Tolesnės Br + arba Cl + katijonų sąveikos mechanizmas nesiskiria nuo nitrinimo su NO 2 + katijonais mechanizmo. Panagrinėkime reakcijos mechanizmą anilino brominimo pavyzdžiu (apsiribosime vienpakeistų produktų susidarymu). Kaip žinoma, anilinas dezaktyvuoja bromo vandenį, galiausiai sudarydamas 2,4,6-tribromaniliną, kuris išsiskiria baltų nuosėdų pavidalu:
Susidariusios elektrofilinės rūšys atakuoja benzeno žiedo p-elektronus, sudarydamos p-kompleksą. Iš gauto p komplekso susidaro du pagrindiniai s-kompleksai, kuriuose anglies-bromo ryšys atsiranda žiedo orto ir para padėtyse. Kitame etape įvyksta protonų abstrakcija, dėl kurios susidaro monopakeisti anilino dariniai. Virš reagento, šie procesai kartojami, todėl susidaro anilino dibromo ir tribromo dariniai.
Alkilinimas(vandenilio atomo pakeitimas alkilo radikalu) aromatinių junginių atsiranda, kai jie sąveikauja su halogenalkanais (Fridelio-Craftso reakcija). Pirminių alkilo halogenidų, pavyzdžiui, CH 3 Cl, sąveika su aromatiniais junginiais, dalyvaujant Lewis rūgštims, savo mechanizmu mažai skiriasi nuo halogeninimo reakcijų. Panagrinėkime mechanizmą naudodami nitrobenzeno metilinimo pavyzdį. Nitro grupė, kaip antros eilės orientuojantis agentas, deaktyvuoja benzeno žiedą elektrofilinėse pakeitimo reakcijose ir nukreipia įeinančią grupę į vieną iš meta pozicijų.
Apskritai reakcijos lygtis yra tokia:
Elektrofilinės rūšys susidaro dėl halogenalkano reakcijos su Lewis rūgštimi:
Susidaręs metilo katijonas atakuoja benzeno žiedo p-elektronus, todėl susidaro p-kompleksas. Tada gautas p-kompleksas lėtai virsta s- kompleksas (karbokationas), kuriame ryšys tarp metilo katijono ir žiedo anglies atomo pirmiausia yra 3 arba 5 padėtyse (t. y. meta padėtyse, kuriose dėl nitro grupės elektroninio poveikio atsiranda daliniai neigiami krūviai) . Paskutinis etapas yra protono paėmimas iš s-sudėtingas ir susijusios sistemos atkūrimas.
Alkenai arba alkoholiai taip pat gali būti naudojami kaip alkilinimo agentai alkilinant benzeną vietoj alkilo halogenidų. Norint susidaryti elektrofilinei dalelei – karbokacijai – būtinas rūgšties buvimas. Reakcijos mechanizmas šiuo atveju skirsis tik elektrofilinės dalelės generavimo etape. Panagrinėkime tai naudodami benzeno alkilinimo propilenu ir propanoliu-2 pavyzdį:
Elektrofilinės dalelės generavimas:
Kai propilenas naudojamas kaip reagentas, dėl protono pridėjimo (pagal Markovnikovo taisyklę) susidaro karbokationas. Kai propanolis-2 naudojamas kaip reagentas, dėl vandens molekulės pašalinimo iš protonuoto alkoholio susidaro karbokationas.
Gautas izopropilo katijonas atakuoja benzeno žiedo p-elektronus, todėl susidaro p-kompleksas, kuris toliau virsta s- Sumažėjusio aromatingumo kompleksas. Vėlesnis protono pašalinimas sukelia aromatinės sistemos regeneraciją:
Reakcijos acilinimas(H + katijono pakeitimas acilo grupe R-C + =O) vyksta panašiai. Panagrinėkime metoksibenzeno acilinimo reakcijos pavyzdį, kurio lygtis gali būti pavaizduota taip:
Kaip ir ankstesniais atvejais, elektrofilinės rūšys susidaro reaguojant acto rūgšties chloridui su Lewis rūgštimi:
Gautas acilo katijonas pirmiausia sudaro p-kompleksą, iš kurio daugiausia susidaro du s-kompleksas, kuriame formuojasi s- Ryšys tarp žiedo ir elektrofilinės dalelės daugiausia vyksta orto ir para padėtyse, nes šiose padėtyse dėl elektroninės metoksi grupės įtakos atsiranda daliniai neigiami krūviai.
Aromatiniuose heterocikluose taip pat vyksta elektrofilinės pakeitimo reakcijos. Tuo pačiu metu penkių narių heterociklai - pirolis, furanas ir tiofenas - lengviau patenka į SE reakcijas, nes tai yra p-pertekliaus sistemos. Tačiau, vykdant reakcijas su šiais junginiais, būtina atsižvelgti į jų acidofobiškumą. Šių junginių nestabilumas rūgštinėje aplinkoje paaiškinamas aromatingumo praradimu dėl protono pridėjimo.
Reakcijų metu elektrofilinė dalelė pakeičia protoną a padėtyje; jei užimtos abi a padėtys, tai pakeitimas įvyksta b padėtyje. Priešingu atveju elektrofilinių pakaitų reakcijų mechanizmas yra panašus į aukščiau aptartus atvejus. Kaip pavyzdį paimkime pirolio brominimą:
Reakcijos mechanizmas, kuriame dalyvauja aromatiniai heterociklai, apima visus aukščiau aptartus etapus – elektrofilinės dalelės susidarymą, p-komplekso susidarymą, jo pavertimą s- kompleksas (karbokacija), protono abstrakcija, dėl kurios susidaro aromatinis produktas.
Vykdant elektrofilines pakeitimo reakcijas, kuriose dalyvauja p-trūkumo aromatinės sistemos, pvz., piridinas ir pirimidinas, reikia atsižvelgti į jų iš pradžių mažesnį reaktyvumą (dėl p-elektronų tankio trūkumo sunku sudaryti p-kompleksą ir jį paversti į s- kompleksas), kuris dar labiau sumažėja, kai reakcijos vyksta rūgščioje aplinkoje. Nors rūgščioje aplinkoje šių junginių aromatingumas nesumažėja, azoto atomo protonavimas lemia padidėjusį p-elektronų tankio trūkumą cikle.
Piridinas gali alkilinti, sulfoninti, nitrinti, acilinti ir halogeninti. Tačiau daugeliu atvejų labiau nukleofilinis azoto atomas sudaro ryšį su elektrofiline dalele, o ne su piridino anglies atomais.
Jei reakcija vyksta piridino žiede, pakeitimas įvyksta vienoje iš b padėčių, kurioje atsiranda daliniai neigiami krūviai.
Plačiausiai naudojama benzeno reakcija yra vieno ar daugiau vandenilio atomų pakeitimas kokia nors elektrofiline grupe. Taip susintetinama daug svarbių medžiagų. Funkcinių grupių, kurias tokiu būdu galima įvesti į aromatinius junginius, pasirinkimas yra labai platus, be to, kai kurios iš šių grupių po įvedimo į benzeno žiedą gali virsti kitomis grupėmis. Bendroji reakcijos lygtis yra tokia:
Žemiau pateikiamos penkios dažniausiai pasitaikančios tokio tipo reakcijos ir jų naudojimo pavyzdžiai.
Nitravimas:
Sulfonavimas:
Friedel-Crafts dikilinimas:
Friedel-Crafts acilinimas:
Halogeninimas (tik chlorinimas ir brominimas):
Toliau nurodytos reakcijos dažnai naudojamos toliau transformuojant junginius, atsirandančius dėl aromatinio elektrofilinio pakeitimo.
Šoninės grandinės atstatymas:
Nitro grupės sumažinimas:
Diazotizacija ir tolesnės transformacijos
Anilinas ir jo pakaitalai gali būti paverčiami labai reaktyviais junginiais, vadinamais diazonio druskomis:
Diazonio druskos yra pradinės medžiagos įvairių aromatinių junginių sintezei (9-1 schema). Daugeliu atvejų diazonio druskos sintezės metodas yra vienintelis būdas į aromatinį junginį įtraukti bet kokią funkcinę grupę.
Diazonio grupės pakeitimas chloro ir bromo atomais, taip pat ciano grupe pasiekiamas diazonio druskoms sąveikaujant su vario druskomis (1). Jodo ir fluoro atomai negali būti įvesti į aromatinį žiedą tiesioginiu halogeninimu. Aromatiniai jodidai ir fluoridai gaunami apdorojant diazonio druskas atitinkamai kalio jodidu ir hidrofluorboro rūgštimi.
Aromatines karboksirūgštis galima gauti hidrolizuojant nitrilo grupę arba anglies dioksidui veikiant Grignardo reagentą (daugiau apie šią reakciją bus aptarta 12 skyriuje). Laboratorijoje fenoliai dažniausiai gaunami diazonio druskų hidrolizės būdu.
9-2 diagrama. Diazonio druskų reakcijos
Diazonio grupę (taigi ir amino grupę bei nitro grupę) galima pašalinti (t. y. pakeisti vandenilio atomu) veikiant hipofosforo rūgšties diazonio druskoms.
Galiausiai diazonio druskų sąveika su aktyvuotais aromatiniais junginiais lemia azodažų susidarymą. Dažai gali būti labai skirtingų spalvų, priklausomai nuo abiejų aromatinių žiedų pakaitų pobūdžio.
Azoto rūgštis, kuri naudojama diazonio druskoms gauti, yra mažai stabili medžiaga ir yra gaminama in situ (t. y. tiesiogiai reakcijos inde) iš natrio nitrito ir druskos rūgšties. Reakcijos diagramoje apdorojimas azoto rūgštimi gali būti parodytas vienu iš dviejų būdų, kurie naudojami toliau:
Štai keletas diazonio druskų reakcijų pavyzdžių:
Praktiškai svarbių medžiagų paruošimas naudojant elektrofilines pakeitimo reakcijas
Dažikliai.Žemiau parodyta metilo apelsino sintezė. Jei imsite originalius junginius su kitais pakaitais aromatiniuose žieduose, dažų spalva bus kitokia.
Polimerai. Polistirenas gaunamas polimerizuojant stireną (žr. 6 skyrių), kuris, savo ruožtu, gali būti susintetintas taip. Benzeną acilina Friedel-Crafts, vietoj acetilo chlorido naudodamas acto anhidridą, gautas ketonas redukuojamas į alkoholį, kuris vėliau dehidratuojamas naudojant kalio vandenilio sulfatą kaip rūgšties katalizatorių:
Vaistai. sulfonamido (streptocido) sintezėje pirmieji du etapai yra reakcijos, su kuriomis jau susidūrėme. Trečias etapas – amino grupės apsauga. Tai būtina siekiant užkirsti kelią chlorosulfonrūgšties sąveikai su amino grupe. Grupei sureaguojus su amoniaku, apsauginę grupę galima pašalinti.
Streptocidas buvo vienas iš pirmųjų sulfonamidų grupės antimikrobinių vaistų. Jis naudojamas ir šiandien.
Elektrofilinės pakeitimo reakcijos leidžia į aromatinį žiedą įvesti daug skirtingų grupių. Daugelis šių grupių gali būti transformuotos sintezės metu.
Aromatinio elektrofilinio pakeitimo mechanizmas
Nustatyta, kad elektrofilinis pakeitimas aromatiniuose junginiuose vyksta dviem etapais. Pirma, prie benzeno žiedo pridedamas elektrofilas (kuris gali būti generuojamas įvairiais metodais). Tokiu atveju susidaro rezonansiniu būdu stabilizuotas karbo katijonas (žemiau skliausteliuose). Tada šis katijonas praranda protoną ir tampa aromatiniu junginiu.
Čia, siekiant aiškumo, aromatinių junginių formulės parodytos su dvigubomis jungtimis. Bet jūs, žinoma, atsiminkite, kad iš tikrųjų yra delokalizuotų elektronų debesis.
Toliau pateikiami dviejų reakcijų mechanizmai, įskaitant elektrofilų generavimo etapą. Haogenacija
Elektrofilų karta:
Pakeitimas:
Friedel-Crafts acilinimo elektrofilų karta:
Pakeitimas:
Deputatų įtaka
Kai pakeistas benzenas reaguoja su elektrofilu, benzeno žiede jau esančio pakaito struktūra turi reikšmingos įtakos pakeitimo orientacijai ir jo greičiui.
Remiantis jų poveikiu elektrofilinio pakeitimo greičiui ir orientacijai, visus galimus pakaitus galima suskirstyti į tris grupes.
1. Ortopara-orientantų aktyvinimas. Aromatiniame junginyje esant šios grupės pakaitui, jis reaguoja greičiau nei nepakeistas benzenas, o elektrofilas nukreipiamas į pakaito orto ir para padėtis ir susidaro orto ir para-dipakeista benzeno mišinys. . Ši grupė apima šiuos pakaitus:
2. Metaorientantų išjungimas. Šie pakaitalai sulėtina reakciją, palyginti su benzenu, ir nukreipia elektrofilą į meta padėtį. Į šią grupę įeina:
3. Orto-, paraorientantų nukenksminimas. Šiai grupei priklauso alogenų atomai.
Elektrofilinio pakeitimo orientacijos pavyzdžiai:
Pakaitų įtakos paaiškinimas
Kodėl skirtingi pakaitai turi tokį skirtingą poveikį elektrofilinio pakeitimo pobūdžiui? Atsakymą į šį klausimą galima gauti išanalizavus kiekvienu atveju susidarančių tarpinių produktų stabilumą. Kai kurie iš šių tarpinių karbokationų bus stabilesni, kiti – mažiau stabilūs. Prisiminkite, kad jei junginys gali reaguoti keliais būdais, reakcija vyks tuo keliu, kuriuo susidaro stabiliausia tarpinė medžiaga.
Žemiau parodytos tarpinių dalelių, susidarančių elektrofilinio poveikio metu fenolio orto ir para padėtyse esančio katijono, turinčio galingą aktyvuojantį pakaitą – orto, paraorientantą, tolueną, kurio pakaitalą turi tokį patį pakaitą, rezonansinės struktūros. , bet daug silpnesnės savybės ir nitrobenzenas, kuriame nitro grupė yra orientacinė medžiaga ir deaktyvuoja žiedą:
Kai elektrofilas atakuoja ir fenolio orto, ir para pozicijas, gautam tarpiniam junginiui galima parašyti daugiau rezonansinių struktūrų nei meta-pakeitimo tarpinei medžiagai. Be to, ši „papildoma“ konstrukcija (apjuosta rėmelyje) įneša ypač didelį indėlį
katijono stabilizavime, nes visi jame esantys atomai turi elektronų oktetą. Taigi, esant orto- arba para-orientuotam elektrofilo atakai, atsiranda stabilesnis katijonas nei meta padėtyje, todėl pakeitimas daugiausia vyksta orto ir para padėtyse. Kadangi dėl tokio pakeitimo susidaręs katijonas yra stabilesnis nei katijonas, susidaręs iš nepakeisto benzeno, fenolis daug lengviau nei benzenas patiria elektrofilines pakeitimo reakcijas. Atkreipkite dėmesį, kad visi pakaitai, kurie stipriai arba vidutiniškai aktyvuoja aromatinį žiedą elektrofilinėse pakeitimo reakcijose, turi atomą, susietą su žiedu su vienišomis elektronų poromis. Šie elektronai gali būti tiekiami į žiedą. Tokiu atveju atsiranda rezonansinė struktūra su teigiamu elektronneigiamo atomo (deguonies arba azoto) krūviu. Visa tai stabilizuoja tarpinę medžiagą ir padidina reakcijos greitį (rezonanso aktyvacija).
Tolueno atveju pakeitimas tiek orto, tiek d padėtyse lemia stabilesnį katijoną nei tada, kai elektrofilas atakuoja meta padėtį.
Dėžutinėse rezonansinėse struktūrose teigiamas krūvis yra tretiniuose anglies atomuose (tretiniai karbokationai, žr. 5 skyrių). Atakuojant meta padėtį, nesusidaro tretinė karbokacija. Čia vėlgi, orto ir para pakeitimas vyksta per šiek tiek stabilesnes tarpines rūšis nei meta pakaitalai ir nei pakeitimas pačiame benzene. Todėl pakeitimas toluene nukreipiamas į orto ir para pozicijas ir vyksta šiek tiek greičiau nei pakeitimas lizolyje (aktyvinimas dėl indukcinio poveikio).
Visos deaktyvuojančios grupės, įskaitant nitro grupę, turi savybę atitraukti elektronus iš aromatinio žiedo. Dėl to destabilizuojasi tarpinis katijonas. Ypač
(spustelėkite norėdami peržiūrėti nuskaitymą)
Tarpiniai produktai, atsirandantys dėl atakos orto ir para padėtyse, yra labai destabilizuoti, nes dalinis teigiamas krūvis yra iškart šalia nitro grupės (atitinkamos rezonansinės struktūros yra įdėtos į dėžutes). Todėl pirmenybė teikiama meta pakeitimui, o ne orto ir para pakeitimui. Nitrobenzenas elektrofiliškai pakeičiamas daug sunkiau nei benzenas, nes sumažėja elektronų tankis žiede ir susilpnėja aromatinio žiedo ir elektrofilo tarpusavio trauka.
Elektrofilinės prisijungimo reakcijos vyksta dviem etapais, susidarant tarpiniam katijonui. Skirtingi benzeno žiedo pakaitai turi skirtingą poveikį pakeitimo greičiui ir orientacijai. Šį poveikį galima paaiškinti atsižvelgiant į kiekvienu atveju susidarančių tarpinių produktų stabilumą.
Labiausiai būdingas aromatiniams angliavandeniliams reakcijos pakeitimas. Šiuo atveju reakcijos nesuardo aromatinio elektronų seksteto. Taip pat yra daug reakcijų pavyzdžių radikalus halogeninimas Ir oksidacija alkilbenzenų šoninės grandinės. Procesai, kurių metu sunaikinama stabili aromatinė sistema, nėra labai dažni.
IV.1 Elektrofilinis aromatinis pakaitalas (seAr)
A. MechanizmasS E Ar (pakaitinė elektrofilinė Arenuose)
Elektrofilinis pakaitalas aromatiniame žiede yra viena iš labiausiai ištirtų ir plačiai paplitusių organinių reakcijų. Dažniausiai galutinis elektrofilinio pakeitimo rezultatas yra vandenilio atomo pakeitimas aromatiniame žiede kitu atomu ar atomų grupe:
Elektrofilinės pakeitimo reakcijos aromatiniame žiede (taip pat elektrofilinės pakeitimo reakcijos prisijungimas prie C=C jungčių) pradeda formuotis - kompleksas - elektrofilinis agentas koordinuojasi su benzeno molekule dėl pastarosios elektronų sistemos:
Benzeno žiede sistema, būdama stabili (stabilizavimo energija; žr. II skyrių), nėra taip lengvai suardoma kaip alkenuose. Todėl atitinkamą kompleksą galima ne tik nustatyti fizikiniais ir cheminiais metodais, bet ir paryškintas.(24 pastaba)
Paprastai β komplekso formavimosi stadija vyksta greitai ir Ne ribos greitis visą procesą.
Toliau suardoma aromatinė sistema ir atsiranda kovalentinis ryšys tarp elektrofilo ir benzeno žiedo anglies atomo. Šiuo atveju - kompleksas virsta karbokationu (karbenio jonu), kuriame teigiamas krūvis delokalizuojamas dienų sistemoje, o elektrofilo atakuotas anglies atomas perkeliamas iš sp 2 - V sp 3 - hibridinė būsena. Šis katijonas vadinamas - kompleksas . kaip taisyklė, ugdymo etapas-kompleksas lemia greitį. Teigiamo krūvio delokalizacija komplekse vyksta ne tolygiai tarp penkių anglies atomų, o dėl benzeno žiedo 2,4,6 padėčių (palyginkite su alilo katijonu, kur teigiamas krūvis pasiskirsto tarp 1,3 padėtys):
Elektrofilinio prisijungimo prie alkenų metu taip pat pirmiausia susidaro -kompleksas, kuris vėliau virsta -kompleksu, tačiau tolesnis -komplekso likimas alkenų ir arenų elektrofilinių reakcijų atveju yra kitoks. -Iš alkenų susidaręs kompleksas stabilizuojamas transas- nukleofilo pridėjimas; -iš aromatinės sistemos susidaręs kompleksas stabilizuojamas regeneruojant aromatiniam sekstetui -elektronai: (25 pastaba)
Žemiau pateikiamas tokios reakcijos energijos profilis (27 pastaba) (E a yra atitinkamo etapo aktyvavimo energija):
Dar kartą pabrėšime, kad reakcijos S E Ar, kurios sukelia pakeitimas, Tiesą sakant mechanizmas yra pridėjimo reakcija, po kurios seka pašalinimas.
B. Pridėjimo kryptis monopakeistuose benzenuose
Nagrinėjant elektrofilines pakeitimo reakcijas monopakeistuose benzenuose, iškyla dvi problemos: 1. Gali atsirasti naujas pakaitas. orto-, meta- arba pora-padėtyje, taip pat pakeisti esamą pakaitą (pastarasis, vadinamasis ipso pakeitimas , rečiau – žr. IV.1.D skyrių (nitravimas). 2. Pakeitimo greitis gali būti didesnis arba mažesnis už benzeno pakeitimo greitį.
Esamo pakaito įtaka benzeno žiedui gali būti paaiškinta remiantis jo elektroniniais efektais. Remiantis šiuo kriterijumi, pakaitus galima suskirstyti į 3 pagrindines grupes:
1. Pakaitalai, kurie pagreitina reakciją, palyginti su nepakeistu benzenu ( aktyvuojantis ) ir nukreipiant pakeitimą į orto ,- pora - nuostatos.
2. Reakciją lėtinantys pakaitalai ( nukenksminti ) ir nukreipiant pakeitimą į orto, -para- padėtys .
3. Reakciją lėtinantys pakaitalai ( nukenksminti ) ir nukreipiant pakeitimą į meta - nuostatos.
Pastraipose pažymėti pakaitalai. 1,2 ( orto-, paraorientatoriai ) yra vadinami pirmosios rūšies pakaitalai ; pažymėta 3 dalyje ( meta orientatoriai ) - antrosios rūšies pakaitalai . Žemiau pateikiamas dažniausiai pasitaikančių pakaitų priskyrimas pagal jų elektroninį poveikį.
Akivaizdu, kad įvyks elektrofilinis pakeitimas kuo greičiau, tuo daugiau elektronų dovanoja pakaitas branduolyje, Ir kuo lėtesnis, tuo labiau elektronus ištraukiantis pakaitas branduolyje.
Dėl paaiškinimo orientacija pakaitalai, panagrinėkime atakuojamų -kompleksų struktūrą orto-, meta- Ir pora-monopakeisto benzeno padėtis (kaip jau minėta, kompleksų susidarymas paprastai yra elektrofilinio pakeitimo greitį lemianti stadija, todėl jų susidarymo paprastumas turėtų lemti pakeitimo lengvumą tam tikroje padėtyje):
Jei grupė Z yra elektronų donorė (nesvarbu, ar ji indukcinė, ar mezomerinė), tai kada orto- arba pora-ataką, gali tiesiogiai dalyvauti teigiamo krūvio delokalizavime -komplekse (III, IV, VI, VII struktūros). Jeigu Z yra elektronų akceptorius, tai šios struktūros bus energetiškai nepalankios (dėl dalinio teigiamo krūvio anglies atome, susietame su elektronus ištraukiančiu pakaitu), ir šiuo atveju pageidautina metaataka, kai tokia struktūros neatsiranda.
Aukščiau pateiktas paaiškinimas grindžiamas vadinamuoju dinaminis efektas , t.y. elektronų tankio pasiskirstymas reaguojančioje molekulėje. Elektrofilinio pakeitimo orientacija monopakeistuose benzenuose taip pat gali būti paaiškinta iš požiūrio taško statinis elektroniniai efektai - elektronų tankio pasiskirstymas nereaguojančioje molekulėje. Svarstant elektronų tankio poslinkį išilgai kelių ryšių, galima pastebėti, kad esant elektronus dovanojančiam pakaitui, dauguma padidėjo elektronų tankis in orto- Ir pora- padėtys, o esant elektronus ištraukiančiam pakaitui, šios pozicijos yra labiausiai nuskurdę elektronai:
Ypatingą atvejį vaizduoja halogenai – būdami benzeno žiedo pakaitais, jie jį deaktyvuoja elektrofilinėse pakeitimo reakcijose, tačiau orto-, pora- orientuotojai. Dezaktyvacija (reakcijos su elektrofilais greičio sumažėjimas) atsiranda dėl to, kad, skirtingai nuo kitų grupių su vienišomis elektronų poromis (pvz., -OH, -NH 2 ir kt.), kurios turi teigiamą mezomerinį (+M) ir neigiamą. indukcinis efektas (-I), halogenai pasižymi tuo, kad indukcinis efektas vyrauja prieš mezomerinį efektą (+M< -I).(прим.30)
Tuo pačiu metu yra halogeno atomai orto, para-orientantai, nes dėl teigiamo mezomerinio efekto gali dalyvauti teigiamo krūvio delokalizacijoje susidariusiame komplekse orto- arba pora- atakuoti (IV, VII struktūros aukščiau pateiktoje diagramoje) ir taip sumažinti jo susidarymo energiją.
Jei benzeno žiedas turi ne vieną, o du pakaitus, tai jų orientacinis veiksmas gali sutapti ( nuosekli orientacija ) arba nesutampa ( nenuosekli orientacija ). Pirmuoju atveju galite tikėtis kai kurių specifinių izomerų susidarymo, o antruoju atveju bus gauti sudėtingi mišiniai (31 pastaba).
Žemiau pateikiami keli nuoseklios dviejų pakaitų orientacijos pavyzdžiai; trečiojo pakaito pirmenybinio įėjimo vieta rodoma rodykle.
Benzeno paklausą lemia jį vartojančių pramonės šakų plėtra. Pagrindinės benzeno naudojimo sritys yra etilbenzeno, kumeno ir cikloheksano bei anilino gamyba.