Электрофильное замещение в ароматических системах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Реакции электрофильного замещения - реакции замещения, в которых атаку осуществляет электрофил (частица, имеющая дефицит электронов), а при образовании новой связи частица отщепляется без своей электронной пары (реакции SЕ-типа).

Общий вид реакции

Электрофильные агенты

Электрофильные агенты условно могут быть разделены на 3 группы:

1. Сильные электрофилы:

2. NO2+(Ион нитрония); комплексы Cl2 или Br2 с различными кислотами Льюиса (FeCl3, AlBr3, AlCl3, SbCl5 и т.д.); H2OCl + , H2OBr + , RSO2+ , HSO3+ , H2S2O7 .

3. Электрофилы средней силы:

Комплексы алкилгалогенидов или ацилгалогенидов с кислотами Льюиса (RCl. AlCl3,

RCOCl. AlCl3 и др.); комплексы спиртов с сильными кислотами Льюиса и Бренстеда (ROH. BF3, ROH. H3PO4, ROH. HF).

4. Слабые электрофилы:

Катионы диазония, иминия CH2=N+ H2, нитрозония NO+(нитрозоил-катион); оксид углерода (IV) СО2.

Сильные электрофилы взаимодействуют с соединениями ряда бензола, содержащими как электронодонорные, так и практически любые электроноакцепторные заместители. Электрофилы второй группы реагируют с бензолом и его производными, содержащими электронодонорные (активирующие) заместители или атомы галогенов, но обычно не реагируют с производными бензола, содержащими сильные дезактивирующие электроноакцепторные заместители (NO2, SO3H, COR,CN и др.). Наконец, слабые электрофилы взаимодействуют только с производными бензола, содержащими очень сильные электронодонорные заместители (+М)-типа (OH, OR, NH2, NR2, O- и др.). [1]

Типы механизмов

Можно представить два возможных механизма замещения протона в ароматической молекуле на электрофильный реагент.

1. Отщепление протона может происходить одновременно с образованием новой связи с электрофильным реагентом Е, и рекакция в этом случае будет идти в одну стадию:

Для синхронного процесса изменение заряда на субстрате в процессе реакции должно быть сравнительно невелико. Кроме того, так как связь С--Н разрывается на скоростьопределяющей стадии реакции, можно ожидать, что при синхронном механизме реакция должна сопровождаться значительным кинетическим изотопным эффектом водорода.

2.Первоначально происходит присоединение электрофильного агента к р-системе ароматического ядра, образуется мало-стабильный интермеднат. Далее происходит отщепление протона от образовавшегося катиона под действием основания, в качестве которого может выступать молекула растворителя:

Реакции, идущие по этому механизму, должны характеризоваться высокой чувствительностью скорости к электронным эффектам заместителей, так как промежуточный интермедиат является катионом. Кроме того, если скоростьопределяющей стадией является первая, в которой не происходит нарушения связи С--Н, реакция не должна сопровождаться значительным кинетическим изотопным эффектом.

При взаимодействии ароматических соединений с электрофильными реагентами может происходить образование двух типов комплексов, которые могут быть интермедиатами в реакциях электрофильного замещения. Если электрофильный агент не разрушает существенным образом электронную р-систему ароматического ядра, образуются р-комплексы.

Существование р-комплексов подтверждается данными УФ-спектроскопии, изменениями в растворимости, давлении пара, температурах замерзания. Образование р-комплексов доказано, например, для взаимодействия ароматических углеводородов с хлороводородом или ионом Ag+:

Так как электронное строение ароматического кольца меняется незначительно (можно провести аналогию между этими комплексами и комплексами с переносом заряда), при образовании р-комплексов не происходит существенных изменений в спектрах, не наблюдается увеличения электрической проводимости. Влияние электронных эффектов заместителей в ароматическом кольце на стабильность р-комплексов сравнительно невелико, так как перенос заряда в р-комплексах мал.

При растворении ароматических углеводородов в жидком фтороводороде происходит протонирование молекулы ароматического углеводорода с образованием аренониевого иона, и получаются комплексы другого типа -- д-комплексы. [2]

Устойчивость д-комплексов (аренониевых ионов), в отличие от устойчивости -комплексов, очень сильно зависит от числа и природы заместителей в бензольном кольце. [1].

Образованию д-комплексов способствует стабилизация противоиона за счет взаимодействия с фторидом бора(Ш) или другими кислотами Льюиса:

В присутствии кислот Льюиса д-комплексы образуются и с хлороводородом. [2]

Промежуточный д-комплекс имеет несколько резонансных структур и весьма напоминает «супераллил-катион» тем, что положительный заряд в нем распределяется по трем из пяти доступных р-орбиталей. Эта система включает два одинаковых орто-углеродных атома по отношению к sp3-гибридизоваиному атому углерода и один пара-углеродный атом по отношению к этому же атому. Два эквивалентных мета-положения кольца не несут формального заряда, но они, несомненно, имеют слегка электроположительный характер из-за соседних положительно заряженных атомов углерода:

[3]

При образовании д-комплексов происходит резкое увеличение электрической проводимости раствора.

Основным путем превращения аренониевых ионов в растворе является отрыв протона с регенерацией ароматической системы.

Поскольку при образовании аренонневого иона в ароматическом кольце локализуется целый положительный заряд, влияние электронных эффектов заместителей на относительную стабильность д-комплексов должно быть значительно больше, чем в случае р-комплексов.

Таким образом, можно ожидать, что реакция электрофильного замещения будет происходить через стадию образования сначала р-комплекса, а затем д-комплекса.[2]

Изомерные д-комплексы

В переходном состоянии, предшествующем образованию д-комплекса, между молекулой монозамещенного бензола С6Н5Х и положительно заряженным электрофилом Е+ заряд поделен между атакующим электрофилом и бензольным кольцом. Если переходное состояние «раннее» (похожее на реагенты), то заряд в бензольном кольце невелик и в основном локализован на электрофиле, а если переходное состояние «позднее» (похожее на аренониевый ион), то заряд в основном локализован на атомах углерода бензольного кольца. Для реакций монозамещенных бензолов могут существовать четыре комплекса: орто-, мета-, пара- и ипсо- :

орто- мета- пара- ипсо-

В соответствии с этим могут быть четыре разных переходных состояния, энергия которых зависит от степени взаимодействия заместителя Х с положительным зарядом кольца. В «позднем» переходном состоянии полярный эффект заместителя Х должен быть выражен сильнее, чем в «раннем» переходном состоянии, но качественно влияние одного и того же заместителя должно быть одинаковым.

Из орто-, мета- и пара-комплексов образуются продукты замещения водорода (путем отщепления протона), но из ипсо-комплекса может образоваться продукт замещения группы Х путем отщепления катиона Х+. ипсо-Замещение характерно для металлоорганических соединений; как правило, в них металл замещается легче протона: [4]

Классификация заместителей

В настоящее время заместители делят на три группы с учетом их активирующего или дезактивирующего влияния, а также ориентации замещения в бензольном кольце.

1. Активирующие орто-пара-ориентирующие группы. К ним относятся: NH2, NHR, NR2, NHAc, OH, OR, OAc, Alk и др.

2. Дезактивирующие орто-пара-ориентирующие группы. Это галогены F, Cl, Br и I.

Эти две группы (1 и 2) заместителей называют ориентантами I-го рода.

3. Дезактивирующие мета-ориентирующие группы. Эту группу составляют NO2, NO, SO3H, SO2R, SOR, C(O)R, COOH, COOR, CN, NR3+ ,CCl3 и др. Это ориентанты II-го рода.

Естественно, что существуют и группировки атомов промежуточного характера, обусловливающие смешанную ориентацию. К ним, например, относятся: CH2NO, CH2COCH3, CH2F, CHCl2, CH2NO2, CH2CH2NO2, CH2CH2NR3+, CH2PR3+, CH2SR2+ и др.

Примеры влияния ориентантов: [1]

Основные реакции электрофильного ароматического замещения

Нитрование.

Одной из наиболее широко исследованных реакций замещения в ароматических системах является нитрование.

Различные арены нитруются в самых разнообразных условиях. Наиболее часто в качестве нитрующего агента используют азотную кислоту в смеси с серной кислотой или азотную кислоту в органических растворителях: уксусной кислоте, нитрометане и т.д.

Незамещенный бензол обычно нитруют смесью концентрированных азотной и серной кислот при 45-50оС. Этот реагент называется нитрующей смесью.

Установлено, что в электрофильном нитровании, независимо от природы нитрующего агента, активным электрофилом является ион нитрония NO2+ . В избытке концентрированной серной кислоты происходит количественное превращение азотной кислоты в гидросульфат нитрония:

При разбавлении серной кислоты водой концентрация иона NO2+ уменьшается и вместе с этим резко падает и скорость нитрования. Однако очень реакционноспособные арены нитруются даже в таких условиях, когда обнаружить ион NO2+ в растворе какими-либо физическими методами невозможно. Имеются доказательства, что даже в отсутствие серной кислоты нитрование осуществляется ионом нитрония.

В таких условиях реакции очень активных аренов имеют нулевой кинетический порядок по ароматическому субстрату (медленная стадия - образование NO2+ без участия ArH). В этих же условиях для менее реакционноспособных аренов кинетический порядок по ArH первый, т.е. лимитирующей скорость стадией становится уже собственно процесс замещения. Подобный эффект наблюдался, например, при нитровании толуола водным раствором азотной и серной кислот. При низкой концентрации H2SO4 порядок по толуолу был нулевым, а при более высокой - первым.

При использовании в качестве реагента нитрующей смеси (HNO3 + H2SO4) концентрация ионов нитрония в растворе всегда достаточно высока и при избытке реагента постоянна, поэтому нитрование можно рассматривать как двухстадийный процесс.

Медленной стадией этого двухстадийного процесса является образование -комплекса. Это доказывается отсутствием кинетического изотопного эффекта водорода при нитровании аренов и дейтероаренов. Однако введение очень объемистых групп с обеих сторон замещающегося водорода может сильно уменьшить скорость стадии k2 и привести к появлению изотопного эффекта. [1]

Галогенирование

Галогенирование (например, бромирование) бензола действием самого галогена протекает только в присутствии катализаторов, таких как ZnCl2, FeBr3, А1Вr3 и т. д. Катализаторами являются обычно кислоты Льюиса. Они вызывают некоторую поляризацию молекулы галогена, усиливая тем самым ее электрофильный характер, после чего такая поляризованная молекула атакует р-электроны ароматического кольца участком, несущим положительный заряд:

После расщепления связи бром -- бром образуется д-комплекс с бензолом, от которого возникающий отрицательно заряженный комплекс -Br*FeBr3 отрывает протон, давая бром-бензол.

В качестве галогенирующих средств могут применяться также водные растворы НО--Hal, разумеется, в присутствии сильных кислот. Имеются надежные доказательства того, что, например при хлорировании, хлорирующим агентом является ион Сl+, образующийся в результате реакции:

Механизм дальнейшего взаимодействия ионов Cl+ с бензолом не отличается от механизма нитрования ионами NO2+. Сходство этих двух процессов подтверждается тем, что кислота НОCl сама по себе, так же как и НNO3 очень слабо взаимодействует с бензолом; как в том, так и в другом случае для высвобождения ионов Cl+ и NO2+ путем протонирвоания «молекул-носителей» требуются сильные кислоты:

Дальнейшие доказательства в пользу того, что замещающими агентами являются галоген-катионы или комплексы, содержащие поляризованный галоген, были получены при изучении реакций между межгалогенидными и ароматическими соединениями. Так, например, действие BrCl приводит только к бромированию, a ICl--только к иодированию, т. е. в молекулу ароматического соединения всегда вводится менее электроотрицательный галоген, который в исходной молекуле межгалогенидного соединения несет на себе частичный положительный заряд, например:

д+ д-

Br>Cl [5]

Сульфирование.

До сих пор нет единого мнения относительно истинной природы электрофильного агента сульфирования. Данные кинетических измерений не дают однозначного ответа на этот вопрос, поскольку в водной и безводной серной кислоте содержится большое число потенциальных электрофильных агентов, относительная концентрация которых зависит от отношения H2O/SO3.

При концентрации серной кислоты ниже 80% устанавливаются главным образом следующие равновесия:

При более высокой концентрации серной кислоты в интервале 85-98% состояние серной кислоты в основном описывается уравнениями:

В 100%-ной серной кислоте и в олеуме помимо H2S2O7 существуют и другие полисерные кислоты - H2S3O10; H2S4O13 и т.д. Все это крайне затрудняет интерпретацию данных по кинетике сульфирования.

В водной серной кислоте при концентрации ниже 80% скорость сульфирования линейно коррелирует с активностью иона H3SO4+ . При концентрации серной кислоты выше 85% наблюдается линейная корреляция с активностью H2S2O7. Эти две частицы, по-видимому, и есть два главных реальных электрофильных агента сульфирования ароматических соединений в водной серной кислоте. Их можно рассматривать как молекулу SO3, координированную соответственно с ионом H3O+ или серной кислотой. При переходе от 85%-ной к 100%-ной серной кислоте концентрация иона H3O+ резко уменьшается, а концентрация H2SO4 увеличивается. В 91%-ной кислоте [H3SO4+ ] = [H2S2O7], но так как H2S2O7 (SO3 . H2SO4) более сильный электрофильный агент, чем H3SO4+ (H3O+ . SO3), он доминирует как электрофил не только в 91%-ной, но даже и в 85%-ной серной кислоте.

Таким образом, механизм сульфирования может быть представлен, по-видимому, следующим образом:

Кинетический изотопный эффект kH/kD при концентрации серной кислоты ниже 95% пренебрежимо мал. Но при сульфировании 98-100%-ной H2SO4 или олеумом наблюдается кинетический изотопный эффект kH/kD в диапазоне 1.15-1.7, т.е. определяющей скорость стадией становится уже стадия (2). При концентрации серной кислоты ниже 95% протон от -комплекса отщепляется гидросульфат-ионом HSO4- , а при более высокой концентрации серной кислоты роль очень слабого основания играет сама H2SO4. Поэтому скорость стадии (2) резко уменьшается, и наблюдается кинетический изотопный эффект.

В олеуме скорость сульфирования резко возрастает. Электрофильным агентом в этом случае, по-видимому, является не связанный в комплекс SO3. Медленной является стадия (2). [1]

Алкилирование по Фриделю-Крафтсу.

Реакция Ш.Фриделя-Дж.Крафтса (1877 г.) представляет собой удобный метод прямого введения алкильной группы в ароматическое кольцо. Алкилирование ароматических соединений осуществляется под действием алкилгалогенидов, только в присутствии в качестве катализатора подходящей кислоты Льюиса: AlBr3, AlCl3, GaBr3, GaCl3, BF3, SbF5, SbCl5, FeCl3, SnCl4, ZnCl2 и др.

Наиболее активными катализаторами являются безводные сублимированные бромиды алюминия и галлия, пятифтористая сурьма, хлориды алюминия и галлия, менее активны галогениды железа (III), SbCl5, к малоактивным катализаторам относятся SnCl4 и ZnCl2. В целом активность кислот Льюиса, как катализаторов алкилирования бензола, уменьшается в ряду AlBr3> GaBr3> AlCl3> GaCl3> FeCl3> SbCl5> TiCl4> BF3> BCl3> SnCl4> SbCl3. Самым распространенным катализатором этой реакции является предварительно сублимированный хлористый алюминий.

Например, механизм реакции бензилирования хлористым бензилом в нитробензоле в присутствии безводного AlCl3 в качестве катализатора следующей схемой:

где В: =AlCl4- ; H2O или другое основание. Скорость реакции лимитируется второй стадией.

Точное строение интермедиата (RCl .AlCl3) неизвестно. В принципе, можно представить целый ряд структур от молекулярного комплекса до диссоциированных карбокатионов.

Участие свободных карбокатионов как алкилирующих агентов маловероятно.

Если бы алкилирующими агентами были свободные карбокатионы, то медленной стадией была бы стадия их образования (k1), а реакция с аренами была бы быстрой и третьего порядка не должно было наблюдаться. Крайне маловероятно, что алкилирующим агентом является молекулярный комплекс. При низких температурах иногда удается выделить комплексы алкилгалогенидов с кислотами Льюиса. Для них характерен медленный обмен галогенов по схеме:

Скорость обмена возрастает в ряду перв.R< втор.R<трет.R, что можно объяснить и ион-парным строением, и структурой координационного аддукта.

Многие исследователи, работающие в данной области, полагают, что строение комплексов RX. MXn постепенно изменяется от структуры координационного аддукта в случае R=СН3 до структуры ионной пары в случае R=t-Bu, однако экспериментально это пока не подтверждено.

Способность атома галогена в RX к комплексообразованию с AlCl3 или другой жесткой кислотой Льюиса резко уменьшается от фтора к иоду, вследствие этого активность алкилгалогенидов в качестве алкилирующих агентов в реакции Фриделя-Крафтса также уменьшается в ряду RF> RCl> RBr> RI. По этой причине алкилиодиды не применяют в качестве алкилирующего агента. Различие в активности алкилфторидов и алкилбромидов настолько велико, что позволяет селективно замещать фтор в присутствии брома в одной и той же молекуле. [1]

Ацилирование по Фриделю-Крафтсу

Введение ацильной группы в ароматическое кольцо с помощью ацилирующего агента и кислоты Льюиса называют ацилированием по Фриделю-Крафтсу. Ацилирующими агентами обычно являются галогенангидриды и ангидриды кислот в присутствии галогенидов алюминия, трифторида бора или пентафторида сурьмы в качестве кислот Льюиса. Ацилгалогениды и ангидриды кислот образуют с кислотой Льюиса донорно-акцепторные комплексы состава 1:1 и 1:2. Спектральными методами было установлено, что хлорид алюминия, трифторид бора и пентафторид сурьмы координируются по карбонильному атому кислорода, так как он более основен чем соседний атом хлора. Электрофильным агентом в реакции ацилирования ароматических соединений является либо этот донорно-акцепторный комплекс, либо катион ацилия, образующийся при его диссоциации.

Можно полагать, что медленной стадией реакции является атака одного из трех электрофилов (RCO+ , RCOCl . AlCl3, RCOCl . Al2Cl6 ) на арен, приводящая к -комплексу. Эффективность этих ацилирующих частиц зависит от природы субстрата, ацилгалогенида и растворителя, а также от количества взятого катализатора.

При ацилировании аренов ацилгалогенидами, катализируемом хлоридом или бромидом алюминия в полярных апротонных растворителях (нитробензоле, нитрометане и др.), ацилирующим агентом является катион ацилия, тогда как в малополярной среде (хлористом метилене, дихлорэтане или тетрахлорэтане) в реакции принимает участие донорно-акцепторный комплекс. Природа ацилгалогенида также оказывает влияние на образование и стабильность солей ацилия. Механизм реакции ацилирования аренов по Фриделю-Крафтсу под действием донорно-акцепторного комплекса

описывается следующей схемой:

Ароматический кетон представляет собой более сильное основание Льюиса, чем ацилгалогенид и образует стабильный комплекс с AlCl3 или другой кислотой Льюиса. Поэтому для ацилирования ароматических соединений ацилгалогенидами требуется несколько больше эквимолярного количества катализатора, а при ацилировании ангидридами кислот два моля катализатора (т.к. они содержат два карбонильных атома кислорода). Кетон выделяют, разлагая его комплекс с AlCl3 водой или соляной кислотой.

Ацилирование по Фриделю-Крафтсу полностью лишено тех недостатков, которые присущи реакции алкилирования. При ацилировании вводится только одна ацильная группа, поскольку ароматические кетоны не вступают в дальнейшую реакцию (так же, как и другие арены, содержащие сильные электроноакцепторные группы: NO2, CN, COOR). Еще одним преимуществом этой реакции по сравнению с алкилированием является отсутствие перегруппировок в ацилирующем агенте. Кроме того, для ацилирования не характерны реакции диспропорционирования продуктов реакции. [1]

Список используемой литературы

замещение ароматический молекула реакция

1. Курц А Л., Ливанцов М.В., Ливанцова Л.И. Электрофильное замещение в ароматическом ряду:Методическая разработка для студентов III курса.-Москва, 1997.

2. Днепровский А.С. и др. Теоретические основы органической химии/А.С. Днепровский, Т.И. Темникова: Учебник для вузов.- 2-е изд., перераб.- Л.:Химия, 1961.- 560с.

3. Терней А. Современная органическая химия.Том1:Учебник.-Мир, 1981.-680с.

4. Реутов О.А., Курц А.Л., Бутин К.П. Органическая химия: Учебник - М.: МГУ,1999. - 560с.

5. Сайкс П. Механизмы реакций в органической химии. Пер. с англ. под ред. Проф. ВаршавскогоЯ. М. Изд. 3-е, М., «Химия»,1977. - 320с.

Размещено на Allbest.ru