For elektrofile substitusjonsreaksjoner S E de mest karakteristiske er de som forlater grupper som kan eksistere i en tilstand med et ufylt valensskall.
En slik gruppe kan være et proton, men mobiliteten avhenger av surheten. I mettede alkaner er hydrogen inaktivt. Substitusjonen av hydrogen skjer lettere i de posisjonene hvor den er tilstrekkelig sur, for eksempel α-posisjonen til karbonylgruppen, eller protonet i den acetyleniske bindingen. En viktig type reaksjon S E er en anionisk spaltning som involverer brudd av en karbon-karbonbinding, hvorved den utgående gruppen er karbon. Spesielt utsatt for reaksjoner S E organometalliske forbindelser.
Mekanismer for alifatisk elektrofil substitusjon
Mekanisme for alifatisk S E I motsetning til S N utilstrekkelig studert. Det er fire typer mekanismer S E : S E 1, S E 2 (fra baksiden), S E 2 (forfra), S Jeg. Bimolekylær mekanisme S E lignende S N 2 i den forstand at et nytt bånd dannes samtidig med at det gamle brytes. Det er imidlertid en betydelig forskjell her.
I S N 2, nærmer nukleofilen seg med elektronparet sitt, og siden elektronparene frastøter hverandre, kan den bare nærme seg fra baksiden av det utgående elektronparet. Ved elektrofil substitusjon kan en ledig orbital nærme seg både bakfra og tiltrekke seg et elektronpar og forfra. Derfor vurderes to mulige mekanismer teoretisk.
S E 2 (forfra)
S E 2 (bak)
Det er en tredje bimolekylær mekanisme S E når en del av det elektrofile molekylet bidrar til separasjonen av den utgående gruppen, og danner en binding med den. En slik mekanisme kalles S Jeg .
Bevis: Mekanismer S E 2 og S Jeg ikke lett å skille. Alle av dem tilsvarer kinetikken til den andre orden. S Jeg Og S E 2 (fra forsiden) flyt med å lagre konfigurasjonen. S E 2 (fra baksiden) fortsetter med konfigurasjonsinversjon. mekanisme bekreftelse S E 2 (forfra) er at elektrofil substitusjon kan skje ved karbonatomene i brohodet.
Monomolekylær mekanisme for elektrofil substitusjon S E 1 lignende S N 1 og inkluderer to trinn, langsom ionisering og rask rekombinasjon.
Mekanismebevis S E 1. Et av bevisene er førsteordens kinetikk med hensyn til substratet. Viktig er det stereokjemiske beviset i reaksjonen:
Utvekslingen av proton mot deuterium skjer med samme hastighet som racemisering, og en kinetisk isotopeffekt observeres. Reaksjon S N 1 forekommer ikke ved brohodet, men S E 1 flyter lett, hvorav det følger at karbanionen ikke trenger å være flat, den kan ha en pyramideformet struktur.
Når du utfører en elektrofil substitusjon med et allylsubstrat, kan et omorganiseringsprodukt oppnås:
Denne typen prosess er lik S N og kan gå to veier.
Den første fortsetter gjennom dannelsen av et mellomliggende allylkarbanion:
Den andre ruten involverer elektrofil tilsetning ved dobbeltbindingen med mellomliggende dannelse av et karbokation og påfølgende eliminering av elektrofugen:
De viktigste reaksjonene ved alifatisk elektrofil substitusjon
Reaksjoner av CH-syrer
Hvis den utgående gruppen i elektrofile substitusjonsreaksjoner er hydrogen, som spaltes av i form av et proton, kalles slike substrater CH-syrer. De viktigste reaksjonene av denne typen fortsetter i henhold til mekanismen S E 1 :
Iztope utveksling av hydrogen
;
Migrering av dobbelt- og trippelbindinger
- Kombinasjon med diazoniumsalter
I et supersyremedium kan hydrogensubstitusjon fortsette i henhold til mekanismen S E 2 , gjennom dannelsen av karboniumioner:
Reaksjoner av organometalliske forbindelser
Hovedreaksjonene til organometalliske forbindelser er protodemetallering, halogeniddemetallering og remetallering
Protodemetallisering kalt reaksjonen av substitusjon av et metall i en organometallisk forbindelse for hydrogen under påvirkning av syrer
Halogendemetallering kalt substitusjonsreaksjonene til et metall for et halogen under påvirkning av halogener eller interhalogener:
Remetallisering kalt bytte av ett metall med et annet. Både et uorganisk metallsalt og en organometallisk forbindelse kan fungere som en regent:
Reaksjoner med heterolytisk karbon-karbon spaltning
Reaksjoner som fortsetter med spaltningen av karbon-karbonbindingen, kalt anionspaltning, fortsetter ofte i henhold til mekanismen S E 1 med mellomdannelse av et karbanion:
Anioniske spaltningsreaksjoner er konvensjonelt delt inn i to grupper. Den første gruppen inkluderer prosesser der karbonylforbindelser fungerer som utgående gruppe. Substratene til denne reaksjonen er hydroksylholdige forbindelser. De viktigste reaksjonene i denne gruppen er: retroaldolreaksjon, spaltning av cyanohydriner, spaltning av tertiære alkoholater. Den andre gruppen av anioniske spaltningsreaksjoner kalles acyl spaltning, siden elektrofugen spaltes av i form av en karboksylsyre eller dens derivat. Substratene i denne gruppen er karbonylforbindelser, og prosessen begynner med nukleofil addisjon av en base til karbonylgruppen:
De viktigste reaksjonene av denne typen er: spaltning av β-ketoestere og β-diketoner (syrespaltning under påvirkning av baser), haloformreaksjon, dekarboksyleringsreaksjoner av salter av karboksylsyrer.
Elektrofil substitusjon er utvilsomt den viktigste gruppen av reaksjoner for aromatiske forbindelser. Det er knapt noen annen klasse av reaksjoner som har blitt studert så detaljert, i dybden og omfattende, både fra mekanismens synspunkt og fra synspunktet om anvendelse i organisk syntese. Det var innen elektrofil aromatisk substitusjon at problemet med forholdet mellom struktur og reaktivitet først ble stilt, som er hovedfaget for studier i fysisk organisk kjemi. Generelt kan denne typen reaksjoner av aromatiske forbindelser representeres som følger:
ArE+H+
1. Litteraturgjennomgang
1.1 Elektrofil substitusjon i den aromatiske serien
Disse reaksjonene er karakteristiske ikke bare for selve benzenen, men også for benzenringen generelt, uansett hvor den befinner seg, så vel som for andre aromatiske sykluser - benzenoid og ikke-benzenoid. Elektrofile substitusjonsreaksjoner dekker et bredt spekter av reaksjoner: nitrering, halogenering, sulfonering og Friedel-Crafts-reaksjoner er karakteristiske for nesten alle aromatiske forbindelser; reaksjoner som nitrosering og azokobling er bare iboende i systemer med økt aktivitet; reaksjoner som avsvovling, isotoputveksling og tallrike cykliseringsreaksjoner, som ved første øyekast virker ganske forskjellige, men som også viser seg å være passende å referere til reaksjoner av samme type.
Elektrofile midler E + , selv om tilstedeværelsen av en ladning ikke er nødvendig, fordi en elektrofil kan også være en uladet elektronmangel partikkel (for eksempel SO 3 , Hg(OCOCH 3) 2, etc.). Konvensjonelt kan de deles inn i tre grupper: sterk, middels styrke og svak.
NO 2+ (nitroniumion, nitroylkation); komplekser av Cl 2 eller Br 2 med forskjellige Lewis-syrer (FeCl3, AlBr3, AlCl3, SbCl5 etc.); H2OCl+, H2OBr+, RSO2+, HSO3+, H2S2O7. Sterke elektriske sager samhandler med forbindelser av benzenserien som inneholder både elektrondonerende og praktisk talt alle elektrontiltrekkende substituenter.
Middels styrke elektrofiler
Komplekser av alkylhalogenider eller acylhalogenider med Lewis-syrer (RCl. AlCl3, RBr. GaBr3, RCOCl. AlCl3 etc.); komplekser av alkoholer med sterke Lewis- og Bronsted-syrer (ROH . BF 3 , ROH . H 3 PO 4 , ROH . HF). De reagerer med benzen og dets derivater som inneholder elektrondonerende (aktiverende) substituenter eller halogenatomer (svake deaktiverende substituenter), men reagerer vanligvis ikke med benzenderivater som inneholder sterkt deaktiverende elektrontiltrekkende substituenter (NO 2, SO 3 H, COR, CN osv.).
Svake elektrofiler
Diazoniumkationer ArN +є N, iminium CH 2 \u003d N + H 2, nitrosonium NO + (nitrosoylkation); karbonmonoksid (IY) CO 2 (en av de svakeste elektrofilene). svake elektrofiler samhandler kun med benzenderivater som inneholder svært sterke elektrondonerende substituenter (+M)-type (OH, OR, NH 2, NR 2 , O-, etc.).
1.1.2 Mekanisme for elektrofil aromatisk substitusjon
For tiden betraktes aromatisk elektrofil substitusjon som en to-trinns addisjonselimineringsreaksjon med mellomdannelse av et arenoniumion, kalt σ-komplekset
I-Arenium ion (
-kompleks), vanligvis kortvarig. En slik mekanisme kalles S E Ar, dvs. S E (arenonium). I dette tilfellet, i det første trinnet, som et resultat av angrepet av elektrofilen, forsvinner det sykliske aromatiske 6-elektron π-systemet av benzen og erstattes i mellom I med det ikke-sykliske 4-elektron konjugerte systemet av cykloheksadienyl kation. På det andre trinnet gjenopprettes det aromatiske -systemet igjen på grunn av eliminering av et proton. Strukturen til arenoniumionet I er avbildet på forskjellige måter:
Den første formelen er den mest brukte. σ-komplekset vil bli mye bedre stabilisert av donorsubstituenter i orto- og paraposisjonene enn av donorsubstituenter i metaposisjonen.
π -Komplekser
Som kjent er arener π-baser og kan danne donor-akseptorkomplekser med mange elektrofile reagenser, dannelse av molekylære komplekser med sammensetning 1:1 (G.Brown, 1952).
Disse kompleksene er ikke farget; deres løsninger i aromatiske hydrokarboner er ikke-ledende. Oppløsning av gassformig DCl i benzen, toluen, xylener, mesitylen og pentametylbenzen resulterer ikke i utveksling av H for D. Siden løsningene av kompleksene ikke leder elektrisk strøm, er de ikke ioniske partikler; Dette er ikke arenoniumioner.
Slike donor-akseptorkomplekser kalles π-komplekser. For eksempel består krystaller av benzenkomplekser med brom eller klor med en sammensetning på 1:1, ifølge røntgendiffraksjonsdata, av kjeder av alternerende molekyler av en π-donor med sammensetning (C 6 H 6) og en akseptor ( Cl 2 ,Br 2), der halogenmolekylet er plassert vinkelrett på ringens plan langs en akse som går gjennom dens symmetrisenter.
σ-komplekser (arenoniumioner)
Når HCl og DCl innføres i en løsning i alkylbenzenene AlCl 3 eller AlBr 3, begynner løsningen å lede en elektrisk strøm. Slike løsninger er farget og deres farge endres fra gul til oransje-rød når de går fra para-xylen til pentametylbenzen. I ArH-DCl-AlCl 3- eller ArH-DF-BF 3-systemene er hydrogenatomene i den aromatiske ringen allerede byttet ut med deuterium. Den elektriske ledningsevnen til løsningene indikerer definitivt dannelsen av ioner i det ternære systemet aren-hydrogenhalogenid-aluminiumhalogenid. Strukturen til slike ioner ble bestemt ved bruk av 1H og 13C NMR-spektroskopi i ArH-HF (væske)-BF3- eller ArH-HF-SbF5-systemet i S02ClF ved lav temperatur.
1.1.3 Substitutklassifisering
Monosubstituerte C 6 H 5 X benzener kan være mer eller mindre reaktive enn benzen selv. Hvis en ekvivalent blanding av C 6 H 5 X og C 6 H 6 introduseres i reaksjonen, vil substitusjonen skje selektivt: i det første tilfellet vil C 6 H 5 X hovedsakelig reagere, og i det andre tilfellet, hovedsakelig benzen .
For tiden er substituenter delt inn i tre grupper, tar hensyn til deres aktiverende eller deaktiverende effekt, samt orienteringen av substitusjonen i benzenringen.
1. Aktivering av orto-para-orienterende grupper. Disse inkluderer: NH 2 , NHR, NR 2 , NHAc, OH, OR, OAc, Alk, etc.
2. Deaktivere orto-para-orienterende grupper. Dette er halogenene F, Cl, Br og I.
3. Deaktivering av metaorienterende grupper. Denne gruppen består av NO 2, NO, SO 3 H, SO 2 R, SOR, C(O)R, COOH, COOR, CN, NR 3+, CCl 3 mfl. Dette er orientanter av den andre typen.
Naturligvis er det også grupperinger av atomer av mellomnatur, som bestemmer den blandede orienteringen. Disse inkluderer for eksempel: 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 + id.
1.2 Elektrofil substitusjon i π-overskudd heterosykler
Furan, pyrrol og tiofen er svært reaktive med vanlige elektrofile reagenser. I denne forstand ligner de de mest reaktive benzenderivatene, som fenoler og aniliner. Den økte følsomheten for elektrofil substitusjon skyldes den asymmetriske ladningsfordelingen i disse heterosyklene, noe som resulterer i en større negativ ladning på karbonatomene i ringen enn i benzen. Furan er noe mer reaktivt enn pyrrol, mens tiofen er minst reaktivt.
1.2.1 Elektrofil substitusjon av pyrrol
Mens pyrrol og dets derivater ikke er utsatt for nukleofile addisjons- og substitusjonsreaksjoner, er de veldig følsomme for elektrofile reagenser, og reaksjonene til pyrroler med slike reagenser foregår nesten utelukkende som substitusjonsreaksjoner. Usubstituert pyrrol, N- og C-monoalkylpyrroler, og i mindre grad, C,C-dialkylderivater polymeriserer i sterkt sure medier, så de fleste av de elektrofile reagensene som brukes i tilfelle av benzenderivater er ikke anvendelige for pyrrol og dets alkyl derivater.
Men i nærvær av elektrontiltrekkende grupper i pyrrolringen som forhindrer polymerisering, for eksempel estergrupper, blir det mulig å bruke sterkt sure medier, nitrerings- og sulfoneringsmidler.
protonasjon
I løsning observeres reversibel tilsetning av et proton ved alle posisjoner av pyrrolringen. Nitrogenatomet protoneres raskest, tilsetningen av et proton i posisjon 2 er dobbelt så raskt som i posisjon 3. I gassfasen, ved bruk av syrer med moderat styrke, som C 4 H 9 + og NH 4 +, pyrrol er protonert utelukkende ved karbonatomer, og tilbøyeligheten til å feste et proton i posisjon 2 er høyere enn i posisjon 3. Det mest termodynamisk stabile kationet, 2H-pyrroliumionet, dannes ved tilsetning av et proton i posisjon 2, og pKa verdi bestemt for pyrrol er assosiert nøyaktig med denne kation. Den svake N-basisiteten til pyrrol skyldes fraværet av mesomerisk delokalisering av den positive ladningen i 1H-pyrroliumkationen.
Elektrofile substitusjonsreaksjoner er karakteristiske for aromatiske, karbosykliske og heterosykliske systemer. Som et resultat av delokaliseringen av p-elektroner i benzenmolekylet (og andre aromatiske systemer), er p-elektrontettheten fordelt jevnt på begge sider av syklusen. Slik screening av karbonatomene i syklusen ved hjelp av p-elektroner beskytter dem mot angrep av nukleofile reagenser og, omvendt, letter muligheten for angrep av elektrofile reagenser.
Men i motsetning til reaksjonene til alkener med elektrofile reagenser, fører ikke interaksjonen av aromatiske forbindelser med dem til dannelsen av tilleggsprodukter, siden i dette tilfellet vil aromatisiteten til forbindelsen bli krenket og stabiliteten vil avta. Bevaring av aromatisitet er mulig hvis den elektrofile partikkelen erstatter hydrogenkationet.
Mekanismen for elektrofile substitusjonsreaksjoner ligner mekanismen for elektrofile addisjonsreaksjoner, siden det er generelle reaksjonsmønstre.
Generelt skjema for mekanismen for elektrofile substitusjonsreaksjoner SE:
I det første trinnet av reaksjonen, p-kompleks med en elektrofil partikkel (rask stadium), som deretter blir til s-kompleks(langsomt stadium) på grunn av formasjonen s- bindinger av et av karbonatomene med en elektrofil partikkel. For utdanning s- I forbindelse med den elektrofile partikkelen "bryter" et elektronpar ut fra konjugasjonen, og det resulterende produktet får en positiv ladning. I s-kompleks aromatisiteten brytes, siden ett av karbonatomene er i sp 3 hybridisering, og fire elektroner og en positiv ladning er delokalisert på fem andre karbonatomer.
For å regenerere et termodynamisk gunstig aromatisk system, skjer heterolytisk spaltning av Csp 3 -H-bindingen. Som et resultat spaltes H+-ionet, og et par bindingselektroner går for å gjenopprette konjugasjonssystemet, mens karbonatomet som splitter av protonet endrer hybridiseringen av atomorbitaler fra sp 3 til sp 2. Reaksjonsmekanismen for nitrering, sulfonering, halogenering, alkylering, acylering av aromatiske forbindelser inkluderer et ekstra trinn som ikke er angitt i det generelle skjemaet - trinnet for å generere en elektrofil partikkel.
Reaksjonsligningnitreringbenzen ser slik ut:
I nitreringsreaksjoner skjer genereringen av en elektrofil partikkel som et resultat av samspillet mellom salpetersyre og svovelsyre, noe som fører til dannelsen av nitroniumkation NO 2 +, som deretter reagerer med en aromatisk forbindelse:
I benzenmolekylet er alle karbonatomer ekvivalente, substitusjon skjer ved ett av dem. Hvis substituenter er tilstede i molekylet, bestemmes reaktiviteten og retningen til det elektrofile angrepet av naturen til denne substituenten. I henhold til påvirkningen på reaktiviteten og angrepsretningen er alle substituenter delt inn i to grupper.
Orientanter av den første typen. Disse substituentene letter elektrofil substitusjon sammenlignet med benzen og leder den innkommende gruppen til orto- og para-posisjonene. Disse inkluderer elektrondonerende substituenter som øker elektrontettheten i benzenkjernen. Som et resultat av omfordelingen til posisjonene 2,4,6 (orto- og para-posisjoner), oppstår partielle negative ladninger, noe som letter festingen av en elektrofil partikkel til disse posisjonene med dannelsen s-kompleks.
Orientanter av den andre typen. Disse substituentene gjør elektrofile substitusjonsreaksjoner vanskeligere enn benzen og leder den innkommende gruppen til en av metaposisjonene. Disse inkluderer elektrontiltrekkende substituenter som reduserer elektrontettheten i benzenringen. Som et resultat av omfordelingen i posisjoner 3,5 (metaposisjoner), oppstår partielle negative ladninger og tilsetning av en elektrofil partikkel med dannelsen s-kompleks går under tøffe forhold.
Halogenatomer leder den elektrofile partikkelen til orto- eller para-posisjonene (på grunn av den positive mesomere effekten), men hindrer samtidig reaksjonen, siden de er elektrontrekkende substituenter (-I>+M). Reaksjoner av halogenderivater av benzen med elektrofile reagenser foregår under alvorlige forhold.
I reaksjoner sulfonering rollen til den elektrofile partikkelen spilles av SO 3-molekylet, som dannes som et resultat av reaksjonen: 2H 2 SO 4 «SO 3 + H 3 O + + HSO 4 -. Svovelatomene i dette molekylet er preget av et sterkt underskudd av elektrontetthet og tilstedeværelsen av en delvis positiv ladning, og derfor er det S-atomet som, som en elektrofil, må binde seg til karbonatomet i benzenringen til toluen.
Metylgruppen i toluen er en orientant av den første typen, og som en elektrondonerende substituent letter den substitusjonsreaksjonen og leder den innkommende gruppen til orto- og paraposisjonene. I praksis dannes også substitusjonsprodukter i metaposisjonen, men mengden er betydelig mindre enn mengden av substitusjonsprodukter i orto-para-posisjonene.
Halogenering benzen og mange aromatiske forbindelser, skjer virkningen av selve halogenet bare i nærvær av katalysatorer som ZnCl 2 , AlCl 3 , FeBr 3 , etc. Katalysatorene er vanligvis Lewis-syrer. En binding dannes mellom metallatomet og halogenatomet ved donor-akseptormekanismen, som forårsaker polarisering av halogenmolekylet, og forsterker dets elektrofile karakter. Det resulterende adduktet kan gjennomgå dissosiasjon med dannelse av et kompleks anion og et halogenkation, som videre fungerer som en elektrofil partikkel:
Vandige løsninger av HO-Hal i nærvær av sterke syrer kan også brukes som halogeneringsmidler. Dannelsen av en elektrofil partikkel i dette tilfellet kan forklares ved følgende reaksjoner:
Mekanismen for ytterligere interaksjon av Br + eller Cl + kationer er ikke forskjellig fra mekanismen for nitrering med NO 2 + kationer. La oss vurdere reaksjonsmekanismen ved å bruke eksemplet med anilinbromering (vi begrenser oss til dannelsen av monosubstituerte produkter). Som kjent devaluerer anilin bromvann, og danner til slutt 2,4,6-tribromanilin, som frigjøres som et hvitt bunnfall:
Den resulterende elektrofile arten angriper p-elektronene i benzenringen, og danner et p-kompleks. Fra det resulterende p-komplekset, to hoved s-komplekser der karbon-brombindingen oppstår i orto- og paraposisjonene i syklusen. På neste trinn skjer eliminering av et proton, noe som fører til dannelsen av monosubstituerte anilinderivater. I overkant av reagenset gjentas disse prosessene, noe som fører til dannelse av anilin-dibrom- og tribromderivater.
Alkylering(erstatning av et hydrogenatom med et alkylradikal) av aromatiske forbindelser utføres ved deres interaksjon med haloalkaner (Friedel-Crafts reaksjon). Samspillet mellom primære alkylhalogenider, for eksempel CH 3 Cl, med aromatiske forbindelser i nærvær av Lewis-syrer skiller seg lite i sin mekanisme fra halogeneringsreaksjoner. Vurder mekanismen ved å bruke eksemplet på metylering av nitrobenzen. Nitrogruppen, som et orienterende middel av den andre typen, deaktiverer benzenringen i elektrofile substitusjonsreaksjoner og dirigerer den innkommende gruppen til en av metaposisjonene.
Generelt har reaksjonsligningen formen:
Genereringen av en elektrofil partikkel skjer som et resultat av interaksjonen mellom en haloalkan og en Lewis-syre:
Det resulterende metylkation angriper p-elektronene i benzenringen, noe som resulterer i dannelsen av et p-kompleks. Det resulterende p-komplekset blir deretter sakte til s-kompleks (karbokation), der bindingen mellom metylkationet og karbonatomet i syklusen skjer hovedsakelig i posisjon 3 eller 5 (dvs. i metaposisjoner, der partielle negative ladninger oppstår på grunn av de elektroniske effektene av nitrogruppen ). Det siste trinnet er eliminering av et proton fra s-kompleks og restaurering av det konjugerte systemet.
Alkener eller alkoholer kan også brukes som alkyleringsmidler ved alkylering av benzen i stedet for alkylhalogenider. For dannelsen av en elektrofil partikkel - en karbokation - er tilstedeværelsen av en syre nødvendig. Reaksjonsmekanismen i dette tilfellet vil avvike bare på stadiet for å generere en elektrofil partikkel. Tenk på dette ved å bruke eksemplet med benzenalkylering med propylen og propanol-2:
Generering av elektrofile partikler:
Ved bruk av propylen som reagens skjer dannelsen av et karbokation som et resultat av tilsetning av et proton (i henhold til Markovnikov-regelen). Når propanol-2 brukes som reagens, oppstår dannelsen av et karbokation som et resultat av eliminering av et vannmolekyl fra protonert alkohol.
Det resulterende isopropylkation angriper p-elektronene i benzenringen, noe som fører til dannelsen av et p-kompleks, som deretter blir til s- kompleks med forstyrret aromatisitet. Den påfølgende elimineringen av et proton fører til regenerering av det aromatiske systemet:
Reaksjoner acylering(substitusjon av H+-kationen med acylgruppen R-C + =O) skjer på lignende måte. Tenk på eksemplet på acyleringsreaksjonen til metoksybenzen, hvis ligning kan representeres som følger:
Som i de foregående tilfellene genereres en elektrofil partikkel som et resultat av interaksjonen av eddiksyreklorid med en Lewis-syre:
Det resulterende acyliumkation danner først et p-kompleks, hvorav hovedsakelig to s-komplekser der dannelsen s- bindingene mellom syklusen og den elektrofile partikkelen forekommer hovedsakelig i orto- og paraposisjonene, siden partielle negative ladninger oppstår i disse posisjonene på grunn av den elektroniske påvirkningen av metoksygruppen.
Aromatiske heterosykler inngår også elektrofile substitusjonsreaksjoner. Samtidig går femleddede heterosykler - pyrrol, furan og tiofen - lettere inn i S E-reaksjoner, siden de er p-overskuddssystemer. Men når du utfører reaksjoner med disse forbindelsene, er det nødvendig å ta hensyn til deres acidofobicitet. Ustabiliteten til disse forbindelsene i et surt miljø forklares av brudd på aromatisitet som et resultat av tilsetning av et proton.
Når man utfører reaksjoner, erstatter en elektrofil partikkel et proton i a-posisjonen; hvis begge a-posisjonene er besatt, fortsetter substitusjonen ved b-posisjonen. Ellers er mekanismen for elektrofile substitusjonsreaksjoner lik de tilfellene som er vurdert ovenfor. Som et eksempel gir vi bromering av pyrrol:
Reaksjonsmekanismen som involverer aromatiske heterosykler inkluderer alle stadiene diskutert ovenfor - generering av en elektrofil partikkel, dannelse av et p-kompleks, dens transformasjon til s- kompleks (karbokation), fjerning av et proton, som fører til dannelsen av et aromatisk produkt.
Når man utfører elektrofile substitusjonsreaksjoner som involverer p-mangelfulle aromatiske systemer, som pyridin og pyrimidin, må man ta hensyn til deres opprinnelige lavere reaktivitet (underskuddet av p-elektrontetthet hindrer dannelsen av p-komplekset og dets transformasjon til s- kompleks), som avtar enda mer når reaksjoner utføres i et surt medium. Selv om aromatisiteten til disse forbindelsene ikke forstyrres i et surt medium, fører protoneringen av nitrogenatomet til en økning i underskuddet av p-elektrontetthet i syklusen.
Pyridin kan være alkylert, sulfonert, nitreert, acylert og halogenert. I de fleste tilfeller danner imidlertid det mer nukleofile nitrogenatomet, snarere enn pyridinkarbonatomene, en binding med den elektrofile partikkelen.
Ved en reaksjon i pyridinringen skjer substitusjonen ved en av b-posisjonene, hvor partielle negative ladninger oppstår.
Den mest brukte benzenreaksjonen er erstatning av ett eller flere hydrogenatomer med en elektrofil gruppe. Mange viktige stoffer syntetiseres på denne måten. Valget av funksjonelle grupper som dermed kan introduseres i aromatiske forbindelser er svært bredt, og i tillegg kan noen av disse gruppene omdannes til andre grupper etter innføring i benzenringen. Den generelle reaksjonsligningen er:
Nedenfor er de fem vanligste reaksjonene av denne typen og eksempler på deres bruk.
Nitrering:
Sulfonering:
Dkylering ifølge Friedel-Crafts:
Friedel-Crafts acylering:
Halogenering (kun klorering og bromering):
Følgende reaksjoner brukes ofte til å transformere forbindelser som er et resultat av aromatisk elektrofil substitusjon.
Sidekjedegjenoppretting:
Gjenoppretting av nitrogruppen:
Diazotisering og videre transformasjoner
Anilin og dets substituerte forbindelser kan omdannes til svært reaktive forbindelser kalt diazoniumsalter:
Diazoniumsalter tjener som utgangsmaterialer for syntese av en lang rekke aromatiske forbindelser (skjema 9-1). I mange tilfeller er metoden for syntese gjennom diazoniumsalter den eneste måten å introdusere en funksjonell gruppe i en aromatisk forbindelse.
Erstatningen av diazoniumgruppen med klor- og bromatomer, så vel som med cyanogruppen, oppnås ved interaksjon av diazoniumsalter med kobbersalter (1). Jod- og fluoratomer kan ikke innføres i den aromatiske ringen ved direkte halogenering. Aromatiske jodider og fluorider oppnås ved å behandle diazoniumsalter med henholdsvis kaliumjodid og hydroborsyre.
Aromatiske karboksylsyrer kan oppnås enten ved hydrolyse av nitrilgruppen, eller ved påvirkning av karbondioksid på et Grignard-reagens (mer om denne reaksjonen vil bli diskutert i kapittel 12). Fenoler i laboratoriet oppnås oftest ved hydrolyse av diazoniumsalter.
Diagram 9-2. Reaksjoner av diazoniumsalter
Diazoniumgruppen (og dermed også aminogruppen og nitrogruppen) kan fjernes (dvs. erstattes med et hydrogenatom) ved å virke på diazoniumsaltene av hypofosforsyre
Til slutt fører interaksjonen av diazoniumsalter med aktiverte aromatiske forbindelser til dannelsen av azofargestoffer. Fargestoffer kan ha svært forskjellige farger avhengig av arten av substituentene på begge aromatiske ringene.
Salpetersyrling, som brukes til å fremstille diazoniumsalter, er et lite stabilt stoff og fremstilles in situ (dvs. direkte i reaksjonsbeholderen) fra natriumnitritt og saltsyre. I reaksjonsskjemaet kan behandling med salpetersyre vises på en av to måter, som brukes nedenfor:
Her er noen eksempler på reaksjoner av diazoniumsalter:
Innhenting av praktisk talt viktige stoffer ved hjelp av elektrofile substitusjonsreaksjoner
Fargestoffer. Syntesen av metyloransje er vist nedenfor. Hvis du tar de originale forbindelsene med andre substituenter i aromatiske ringer, vil fargen på fargestoffet være annerledes.
Polymerer. Polystyren oppnås ved polymerisering av styren (se kap. 6), som igjen kan syntetiseres som følger. Benzen acyleres i henhold til Friedel-Crafts, ved å bruke eddiksyreanhydrid i stedet for acetylklorid, det resulterende ketonet reduseres til en alkohol, som deretter dehydreres ved bruk av kaliumhydrogensulfat som en syrekatalysator:
Medisiner. i syntesen av sulfanilamid (streptocid) er de to første trinnene reaksjoner som vi allerede har møtt. Den tredje fasen er beskyttelsen av aminogruppen. Dette er nødvendig for å forhindre interaksjon av klorsulfonsyre med aminogruppen. Etter at gruppen har reagert med ammoniakk, kan beskyttelsesgruppen fjernes.
Streptocid var et av de første antimikrobielle stoffene i sulfonamidgruppen. Det brukes også nå.
Elektrofile substitusjonsreaksjoner gjør at mange forskjellige grupper kan introduseres i den aromatiske ringen. Mange av disse gruppene kan deretter transformeres under syntese.
Mekanisme for aromatisk elektrofil substitusjon
Det er fastslått at elektrofil substitusjon i aromatiske forbindelser foregår i to trinn. Først festes en elektrofil (som kan genereres ved forskjellige metoder) til benzenringen. I dette tilfellet dannes et resonansstabilisert karbokation (under i parentes). Denne kationen mister deretter et proton og blir til en aromatisk forbindelse.
Her, for klarhetens skyld, er formlene for aromatiske forbindelser vist med dobbeltbindinger. Men du husker selvfølgelig at det faktisk er en sky av delokaliserte elektroner.
Nedenfor er mekanismene til de to reaksjonene, inkludert elektrofilgenereringstrinnet. Haogenering
Elektrofil generering:
Bytte:
Friedel-Crafts acylering elektrofil generering:
Bytte:
Innflytelse av varamedlemmer
Når en substituert benzen reagerer med en elektrofil, har strukturen til substituenten som allerede er tilstede på benzenringen en betydelig effekt på orienteringen av substitusjonen og på dens hastighet.
I henhold til deres effekt på hastigheten og orienteringen av elektrofil substitusjon, kan alle mulige substituenter deles inn i tre grupper.
1. Aktivering av ortopara-orientanter. I nærvær av en substituent av denne gruppen i en aromatisk forbindelse, reagerer den raskere enn usubstituert benzen, og elektrofilen går til orto- og para-posisjonene til substituenten og en blanding av orto- og para-disubstituerte benzener dannes. Denne gruppen inkluderer følgende substituenter:
2. Deaktivering av metaorienterende midler. Disse substituentene bremser reaksjonen sammenlignet med benzen og dirigerer elektrofilen til metaposisjonen. Denne gruppen inkluderer:
3. Deaktivering av orto-, paraorientanter. Denne gruppen inkluderer atomer av alogener.
Orienteringseksempler for elektrofil substitusjon:
Forklaring på påvirkning av substituenter
Hvorfor har forskjellige substituenter så ulik effekt på arten av den elektrofile substitusjonen? Svaret på dette spørsmålet kan fås ved å analysere stabiliteten til mellomproduktene som dannes i hvert enkelt tilfelle. Noen av disse mellomkarbokasjonene vil være mer stabile, andre mindre stabile. Husk at hvis en forbindelse kan reagere på mer enn én måte, vil reaksjonen ta den ruten som produserer det mest stabile mellomproduktet.
Nedenfor er resonansstrukturene til mellompartikler dannet under det elektrofile angrepet av et kation i orto-meta- og para-posisjonene til fenol, som har en kraftig aktiverende substituent - orto, para-orienterende, toluen, som har en substituent med de samme, men mye mindre uttalte egenskapene, og nitrobenzen, tilgjengelig der nitrogruppen er en megd-orientant og deaktiverer ringen:
Når en elektrofil angripes i både orto- og paraposisjonene til fenolen, kan flere resonansstrukturer skrives for det fremvoksende mellomproduktet enn for mellomproduktet ved metasubstitusjon. Dessuten gir denne "ekstra" strukturen (sirklet i en boks) et spesielt stort bidrag
inn i stabiliseringen av kationen, siden alle atomer i den har en oktett av elektroner. Dermed oppstår et mer stabilt kation i orto- eller para-orienteringen av angrepet av elektrofilen enn i angrepet til meta-posisjonen; derfor skjer substitusjonen hovedsakelig i orto- og para-posisjonene. Siden kationen som oppstår fra en slik substitusjon er mer stabil enn kationen dannet fra usubstituert benzen, går fenol mye lettere inn i elektrofile substitusjonsreaksjoner enn benzen. Merk at alle substituenter som sterkt eller moderat aktiverer en aromatisk ring i elektrofile substitusjonsreaksjoner har et enkelt ensomt atom festet til ringen. Disse elektronene kan mates inn i ringen. I dette tilfellet oppstår en resonansstruktur med positiv ladning på et elektronegativt atom (oksygen eller nitrogen). Alt dette stabiliserer mellomproduktet og øker reaksjonshastigheten (resonansaktivering).
Når det gjelder toluen, resulterer substitusjon i både orto- og d-posisjonene i et mer stabilt kation enn når en elektrofil angriper i meta-posisjonen.
I de innrammede resonansstrukturene er den positive ladningen på de tertiære karbonatomene (tertiær ved karbokasjon, se kapittel 5). Ved angrep i metaposisjon oppstår ikke den tertiære karbokasjonen. Også her går orto- og para-substitusjonen gjennom litt mer stabile mellomarter enn meta-substitusjonen og enn substitusjonen i selve benzen. Derfor er substitusjonen i toluen rettet mot orto- og paraposisjonene og går noe raskere enn substitusjonen i Lysol (aktivering på grunn av den induktive effekten).
Alle deaktiverende grupper, inkludert nitrogruppen, har egenskapen til å trekke elektroner fra aromaringen. Resultatet av dette er destabilisering av det mellomliggende kation. Spesielt
(klikk for å se skanningen)
mellomproduktene som oppstår ved angrep i orto- og para-posisjonene er sterkt destabilisert, siden den partielle positive ladningen er lokalisert rett ved siden av nitrogruppen (de tilsvarende resonansstrukturene er omringet). Derfor foretrekkes meta-substitusjon fremfor orto- og para-substitusjon. Nitrobenzen gjennomgår elektrofil substitusjon mye vanskeligere enn benzen, siden elektrontettheten i ringen senkes og den gjensidige tiltrekningen av den aromatiske ringen og elektrofilen svekkes.
Elektrofile addisjonsreaksjoner foregår i to trinn gjennom dannelsen av et mellomkation. Ulike substituenter på benzenringen har forskjellige effekter på substitusjonshastighetene og orienteringene. Denne påvirkningen kan forklares under hensyntagen til stabiliteten til mellomproduktene som dannes i hvert enkelt tilfelle.
Mest karakteristisk for aromatiske hydrokarboner reaksjoner substitusjon. I dette tilfellet, som et resultat av reaksjonene, blir den aromatiske sekstetten av elektroner ikke ødelagt. Tallrike eksempler på reaksjoner er også kjent. radikal halogenering Og oksidasjon sidekjeder av alkylbenzener. Prosesser der et stabilt aromatisk system ødelegges er lite typiske.
IV.1 Elektrofil aromatisk substitusjon (seAr)
EN. MekanismeS E Ar (erstattende elektrofil i Arenes)
Elektrofil substitusjon i den aromatiske ringen er en av de mest godt studerte og mye brukte organiske reaksjonene. Oftest er sluttresultatet av elektrofil substitusjon erstatning av et hydrogenatom i den aromatiske kjernen med et annet atom eller gruppe av atomer:
Elektrofile substitusjonsreaksjoner i den aromatiske kjernen (så vel som elektrofile tiltredelse til C=C-bindinger) begynner med dannelsen -kompleks - det elektrofile middelet er koordinert med benzenmolekylet på grunn av det -elektroniske systemet til sistnevnte:
I benzenringen forstyrres -systemet, som er stabilt (stabiliseringsenergi; se avsnitt II), ikke like lett som i alkener. Derfor kan det tilsvarende -komplekset ikke bare fikses ved hjelp av fysisk-kjemiske metoder, men også tildelt.(note 24)
Som regel fortsetter dannelsesstadiet av α-komplekset raskt og Ikke grenser hastighet hele prosessen.
Videre brytes det aromatiske systemet, og en kovalent binding av elektrofilen med karbonatomet i benzenringen oppstår. I dette tilfellet blir -komplekset til et karbokation (karbeniumion), der den positive ladningen delokaliseres i diensystemet, og karbonatomet som er angrepet av elektrofilen går fra sp 2 - V sp 3 hybrid tilstand. En slik kation kalles -kompleks . Som oftest, utdanningsstadiet-kompleks er satsen bestemmende. Delokaliseringen av den positive ladningen i -komplekset utføres ikke jevnt mellom fem karbonatomer, men på grunn av 2,4,6-posisjonene til benzenringen (sammenlign med allylkationen, hvor den positive ladningen er fordelt mellom 1,3-posisjoner):
Ved elektrofil tilsetning til alkener dannes det også først et α-kompleks, som deretter går over i et α-kompleks, men den videre skjebnen til α-komplekset ved elektrofile reaksjoner av alkener og arener er annerledes. -Komplekset dannet av alkener stabiliseres av transe- tillegg av en nukleofil; -komplekset dannet fra det aromatiske systemet stabiliserer seg med regenerering av den aromatiske sekstetten -elektroner: (note 25)
Nedenfor er energiprofilen til en slik reaksjon (merknad 27) (E a er aktiveringsenergien til det tilsvarende trinnet):
Vi understreker nok en gang at reaksjonene S Е Ar, som ifølge resultatet er substitusjon, Faktisk i henhold til mekanismen er de addisjonsreaksjoner etterfulgt av eliminering.
B. Orientering av tilsetning i monosubstituerte benzener
Når man vurderer elektrofile substitusjonsreaksjoner i monosubstituerte benzener, oppstår to problemer: 1. En ny substituent kan inngå orto-, meta- eller par-stillinger, samt å erstatte en eksisterende vikar (sistnevnte, den såkalte ipso substitusjon , mindre vanlig - se avsnitt IV.1.E (nitrering). 2. Substitusjonshastigheten kan være større eller mindre enn substitusjonshastigheten i benzen.
Påvirkningen av substituenten tilstede i benzenringen kan forklares på grunnlag av dens elektroniske effekter. På dette grunnlaget kan substituenter deles inn i 3 hovedgrupper:
1. Substituenter som fremskynder reaksjonen sammenlignet med usubstituert benzen ( aktiverer ) og substitusjonsguider i orto ,- par - stillinger.
2. Substituenter som bremser reaksjonen ( deaktivering ) og substitusjonsguider i orto,-para- posisjoner .
3. Substituenter som bremser reaksjonen ( deaktivering ) og substitusjonsguider i meta - bestemmelser.
Substituenter notert i p.p. 1,2( orto-, para-orientatorer ) er kalt substituenter av 1. type ; nevnt i avsnitt 3 ( metaorientanter ) - substituenter av den andre typen . Tildelingen av vanlig forekommende substituenter i henhold til deres elektroniske effekter er gitt nedenfor.
Det er klart at elektrofil substitusjon vil forekomme jo raskere, jo mer elektrondonerende substituent i kjernen, Og jo langsommere, jo mer elektrontiltrekkende substituent i kjernen.
Til forklaring orientering substitusjon, vurder strukturen til -komplekser under angrep i orto-, meta- Og par- posisjoner av monosubstituert benzen (som allerede nevnt, er dannelsen av - komplekser vanligvis det hastighetsbestemmende trinnet for elektrofil substitusjon; derfor bør den enkle dannelsen avgjøre hvor lett substitusjonen er i en gitt posisjon):
Hvis Z-gruppen er en elektrondonor (enten induktiv eller mesomerisk), så kl orto- eller par-angrep, kan det være direkte involvert i delokaliseringen av den positive ladningen i -komplekset (strukturer III, IV, VI, VII). Hvis Z er en elektronakseptor, vil disse strukturene være energetisk ugunstige (på grunn av tilstedeværelsen av en delvis positiv ladning på karbonatomet assosiert med den elektronuttrekkende substituenten), og i dette tilfellet er et meta-angrep å foretrekke, i som slike strukturer ikke oppstår.
Ovenstående forklaring er gitt på grunnlag av den såkalte dynamisk effekt , dvs. elektrontetthetsfordelinger i det reagerende molekylet. Orienteringen av elektrofil substitusjon i monosubstituerte benzener kan også forklares fra posisjonen statisk elektroniske effekter - fordelinger av elektrontetthet i et ikke-reagerende molekyl. Når man vurderer skiftet i elektrontettheten over flere bindinger, kan man se at i nærvær av en elektrondonerende substituent, mest av alt økt elektrontetthet i orto- Og par- posisjoner, og i nærvær av en elektrontrekkende substituent er disse posisjonene de fleste utarmet elektroner:
Halogener er et spesielt tilfelle - som substituenter i benzenkjernen, deaktiverer de den i elektrofile substitusjonsreaksjoner, men de er orto-, par-orientatorer. Deaktivering (reduksjon i reaksjonshastigheten med elektrofiler) skyldes det faktum at, i motsetning til andre grupper med ikke-delte elektronpar (som -OH, -NH 2, etc.), som har en positiv mesomerisk (+M) og negativ induktiv effekt ( -I), halogener er preget av overvekt av den induktive effekten over den mesomere (+ M< -I).(прим.30)
Samtidig er halogenatomer orto, par-orientanter, siden de er i stand til, på grunn av den positive mesomeriske effekten, å delta i delokaliseringen av en positiv ladning i -komplekset dannet under orto- eller par- angrep (strukturer IV, VII i ovennevnte skjema), og reduserer derved energien til dannelsen.
Hvis benzenkjernen ikke har én, men to substituenter, kan deres orienteringsvirkning falle sammen ( avtalt orientering ) eller ikke samsvarer ( feilaktig orientering ). I det første tilfellet kan man regne med den dominerende dannelsen av noen spesifikke isomerer, og i det andre vil man få komplekse blandinger (Note 31)
Det følgende er noen eksempler på koordinert orientering av to substituenter; stedet for foretrukket inntreden av den tredje substituenten er vist med en pil.
Etterspørselen etter benzen bestemmes av utviklingen av industrier som forbruker det. De viktigste bruksområdene for benzen er produksjon av etylbenzen, kumen og cykloheksan og anilin.