Реакции электрофильного замещения примеры. Ароматическое электрофильное замещение. Реакции алифатического электрофильного замещения

Под действием концентрированной азотной кислоты или смеси концентрированных азотной и серной кислот (нитрующая смесь) атомы водорода бензольного ядра замещаются на нитрогруппу:

нитробензол

Нитрованию предшествует образование электрофильного реагента NO 2 - катиона нитрония.

В реакции нитрования бензола нитрующей смесью катион нитрония (NO 2 ) образуется в результате протонирования азотной кислоты присутствующей концентрированной серной кислотой:

Дальнейшее нитрование происходит с трудом, так как нитрогруппа является заместителем второго рода и затрудняет течение реакций с электрофильными реагентами:

нитробензол 1,3-динитробензол 1,3,5-тринитробензол

Гомологи бензола (толуол, ксилолы) нитруются легче, чем бензол, так как алкильные группы являются заместителями первого рода и облегчают течение реакций с электрофильными реагентами:

1,3,5-тринитробензол

толуол орто-нитротолуол пара-нитротолуол

1,3,5-тринитробензол

1.2. Реакции сульфирования.

При действии на бензол и его гомологи концентрированной серной кислотой или триоксидом серы атомы водорода в бензольном ядре замещаются на сульфогруппу:

бензолсульфокислота

Механизм реакции

Сульфированию предшествует образование электрофильного реагента HSO + 3 - гидросульфониевого иона:

3H 2 SO 4 → Н 3 О + + HSO + 3 + 2HSO - 4

π-комплекс σ-комплекс

H + + HSO - 4 → H 2 SO 4

Еще более активным электрофильным реагентом является триоксид серы, в котором имеется дефицит электронной плотности на атоме серы:

σ- комплекс

биполярный ион

Гомологи бензола сульфируются легче, чем бензол, так как алкильные группы являются заместителями первого рода и облегчают течение реакций с электрофильными реагентами:

1.3. Реакции галогенирования.

В присутствии катализаторов кислот Льюиса (AlCl 3 ; AlBr 3 ; FeCl 3 ; FeBr 3 ; ZnCl 2 ) при комнатной температуре происходит замещение атомов водорода бензольного ядра на атомы галогена:

Причем хлор замещает водород в ароматическом ядре активнее брома, а осуществить иодирование и фторирование аренов практически не удается, вследствие недостаточной активности иода и чрезмерной активности фтора.

Роль катализатора заключается в образовании или положительного иона галогена или комплекса галогена с кислотой Льюиса с поляризацией связи галоген-галоген:

1) образование положительного иона галогена:

2) образование комплекса галогена с кислотой Льюиса с поляризацией связи галоген-галоген:

Дальнейшее галогенирование происходит с трудом, так как галогены затрудняют реакции с электрофильными реагентами, но являются орто- и пара-ориентантами:

бромбензол 1,2-дибромбензол 1,4-дибромбензол

Гомологи бензола галогенируются легче, чем бензол, так как алкильные группы являются заместителями первого рода и облегчают течение реакций с электрофильными реагентами:

толуол орто-хлортолуол пара-хлортолуол

л-Электронное облако ароматического кольца является объектом атаки электрофильными реагентами.

Арены вступают в ионные реакции, протекающие по механиз­му электрофильного замещения, обозначаемого символом S E (от англ. substitution electrophilic).

В общем виде замещение протона в бензольном кольце электрофиль- ной частицей Е + можно представить следующим образом:

Реакция протекает через несколько стадий. Прежде всего необходи­мо создать электрофильную частицу из нейтральной молекулы реагента E-Y. Это достигается применением катализатора, способного либо сильно поляризовать связь E-Y, либо полностью ее разорвать гетеролитически.

Электрофильная частица образует с субстратом нестойкий п-комплекс, в котором она одновременно связана со всеми пи-электронами ароматиче­ской системы.

На решающей (медленной) стадии электрофильная частица обра­зует ковалентную связь с одним из атомов углерода за счет двух электронов пи-системы кольца. При этом атом углерода переходит из sp 2 - в sp 3 -гибридное состояние и ароматическая система нарушается. Четыре оставшиеся пи-электрона распределяются между пятью атома­ми углерода цикла, и молекула бензола превращается в сигма-комплекс (карбокатион).

На завершающей (быстрой) стадии происходит стабилизация о-комплекса. Для него более выгодна стабилизация не за счет присоеди­нения нуклеофильной частицы, как это имело место в реакции при­соединения в алкенах, а путем отщепления протона от атома углерода, связанного с электрофилом. При этом с участием двух электро­нов разрывающейся связи С-Н воссоздается замкнутая ароматическая пи-система.

Ниже на примере бензола показаны наиболее важные реакции электро- фильного замещения.

Галогенирование. Бензол не взаимодействует с хлором или бромом при обычных условиях. Реакция протекает только в присутствии катали­заторов, которыми чаще всего являются безводные галогениды алюминия или железа(Ш). В результате образуются галогенозамещенные арены.

Роль катализатора заключается в поляризации нейтральной молекулы галогена с превращением ее в электрофильную частицу. При взаимодей­ствии молекулы галогена с катализатором образуется комплекс, в кото­ром связь между атомами галогена сильно поляризована. В результате этого может произойти диссоциация комплекса с образованием катиона галогена, например С1 + , являющегося сильным электрофилом.

Нитрование. Бензол практически не реагирует с концентрированной азотной кислотой даже при нагревании. Однако при действии на него смеси концентрированных азотной и серной кислот, так называемой нитрующей смеси , легко происходит замещение атома водорода нитро­группой NO2 - реакция нитрования.

Атакующей электрофильной частицей в этой реакции является нитроил-катион NO2 + , образующийся при взаимодействии азотной и сер­ной кислот.

Сульфирование. Бензол реагирует при нагревании с концентрирован­ной серной кислотой, а еще лучше - с олеумом (раствором триоксида серы S0 3 в серной кислоте). В результате атом водорода замещается суль- фогруппой S0 3 H с образованием сульфоновой кислоты.

Сульфирование аренов - обратимая реакция. При нагревании с водя­ным паром происходит обратная реакция - десульфирование.

Алкилирование. Введение алкильных групп в ароматическое коль­цо действием галогеноалканов известно как реакция Фриделя -Крафтса (1877). В результате образуются гомологи аренов.

Алкилирование протекает в присутствии тех же катализаторов, что и в реакции галогенирования, например галогенидов алюминия. Сходна и роль катализаторов, поляризующих молекулу галогеноалкана с образованием электрофильной частицы.

По химическим свойствам арены отличаются от предельных и непредельных углеводородов. Это объясняется особенностями строения бензольного кольца. Делокализация шести p-электронов в циклической системе понижает энергию молекулы, что обусловливает повышенную устойчивость (ароматичность) бензола и его гомологов. Поэтому арены не склонны вступать в реакции присоединения или окисления, которые ведут к нарушению ароматичности. Для них наиболее характерны реакции, идущие с сохранением ароматической системы, а именно, реакции замещения атомов водорода, связанных с циклом. Наличие областей повышенной p-электронной плотности с двух сторон плоского ароматического цикла ведет к тому, что бензольное кольцо является нуклеофилом и в связи с этим склонно подвергаться атаке электрофильным реагентом. Таким образом, для ароматических соединений наиболее типичны реакции электрофильного замещения.

Рассмотрим механизм электрофильного замещения на примере нитрования бензола.

Бензол реагирует с нитрующей смесью (смесью концентрированных азотной и серной кислот):

нитробензол

Реакции замещения в кольцо протекают только через образование положительно заряженных промежуточных частиц.

p-комплекс s-комплекс

Замещаемой частицей является протон.

По такому механизму протекают реакции алкилирования, галогенирования, сульфирования, нитрования ароматических соединений и другие, различаясь лишь способом образования активной частицы реакции – электрофила Е +

а) сульфирование:

HO–SO 3 H + H–SO 4 H à HSO 3 + + HSO 4 –

б) галогенирование

Cl 2 + AlCl 3 à Cl + + AlCl 4 –

в) алкилирование:

CH 3 –CH 2 –Cl + AlCl 3 à CH 3 –CH 2 + + AlCl 4 –

г) ацилирование

СН 3 СOCl + AlCl 3 à СН 3 С + =O + AlCl 4 –

В незамещенном кольце бензола все 6 положений равноценны для вхождения замещающей группы. Сложнее обстоит дело, если в реацию вступают гомологи или производные бензола. В этом случае вновь входящая группа вступает в определенное место в кольце. Это место зависит от уже имеющегося (или имеющихся) в кольце заместителя. Например, если в кольце имеется электронодонорная группировка типа: алкил–, –ОН, –ОСН 3 , –NH 2 , –NHR, NR 2 , –NH–COR, –Х (галоген) (заместители первого рода ), то замещающая группа вступает в орто- или пара- положения относительно имеющейся группы:

Если в кольце уже имеется электроноакцепторная группировка типа: –NO 2 , –NO, –SO 3 H, –CX 3 , –COOH, –COH, –COR, –CN (заместители второго рода ), то вновь вступающая группа становится в мета- положение к ним:

Таблица 2

Сводная таблица заместителей и их электронных эффектов

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

Механизм реакций электрофильного замещения в ароматическом кольце включает ряд последовательных стадий.

1) Образование электрофильной частицы . Как правило электрофильные частицы образуются в процессе реакции в присутствии катализаторов и соответствующих условиях. Например, при нагревании азотной кислоты образуется нитроний катион (а), серной кислоты - сульфоний катион (б), а при галогенировании (например, хлорирование) образуется электрофильная частица, которая может быть представлена катионом галогена или в виде комплекса галогена с катализатором (в):

нитроний сульфоний

катион катион

Или

хлор комплекс

катион с катализатором

2) Образование p - комплекса происходит при атаке p - электронного облака кольца электрофильной частицей, например, комплексом хлора с катализатором, при этом образуется p - комплекс по донорно – акцепторному типу.

3) Образование s - комплекса происходит при возникновении ковалентной связи между электрофилом и атомом углерода бензольного кольца, за счет пары электронов p - системы кольца, что сопровождается переходом атома углерода из sp 2 - в sp 3 - гибридизованное состояние.

4) Образование конечного продукта осуществляется за счет отщепления протона водорода от s - комплекса с помощью основания.

Схема механизма реакции электрофильного замещения в бензоле

на примере реакции хлорирования

Электрофильное замещение в бензоле приводит к образованию единственного продукта монозамещения, что определяется равномерным распределением электронной плотности в сопряженной системе кольца и, соответственно, равновероятной атакой электрофилом любого из шести атомов углерода бензола.

Реакции замещения

Электрофильное замещение в бензоле представлено схемами синтеза гомологов бензола (а) и его производных (б).

а) Синтез гомологов бензола:

б) Синтез производных бензола:

Галогенирование. Бензол в обычных условиях не взаимодействует с хлором и бромом. Реакция протекает только в присутствии катализаторов, которыми чаще всего являются галогениды алюминия, железа (кислоты Льюиса).

Нитрование . Бензол нитруется смесью концентрированных азотной и серной кислот (нитрующая смесь ) при нагревании до 60 о С с образованием нитробензола.

Сульфирование. При взаимодействии бензола с концентрированной кислотой или олеумом (смесь концентрированной серной кислоты и серного ангидрида – SO 3) образуется бензолсульфоновая кислота.

Ацилирование представляет собой один из методов синтеза ароматических кетонов. В качестве ацилирующих реагентов используют хлорангидриды кислот (RCOCI) или ангидриды кислот (RCO-O-OCR). Реакцию проводят в неполярном растворителе в присутствии хлорида алюминия.

Алкилирование является одним из способов получения гомологов бензола. В качестве алкилирующих реагентов можно использовать галогеналканы, спирты и алкены в присутствии галогенидов металлов (алюминия, железа, олова и др.).

Правила ориентации в реакциях электрофильного

Замещения в бензоле

В производных бензола и его гомологов заместители нарушают равномерное распределение электронной плотности и тем самым, определенным образом, влияют на реакционную способность и направление атаки в бензольном кольце. Ориентирующее влияние заместителей, обусловленое суммарным действием их электронных эффектов (см. 2.5; табл.2.2), рассмотрим на примере фенола и нитробензола.

В молекуле фенола заместитель (- ОН) проявляет отрицательнй индуктивный (-I ) и положительный мезомерный (+M ) электронные эффекты, последний является преобладающим в суммарном электронодонорном (ЭД ) действии (а). Электронный эффект ЭД заместителя приводит к перераспределению электронной плотности в кольце повышая ее в орто - и пара – положениях, в которых облегчается

В молекуле нитробензола заместитель (-NO 2) проявляет отрицательнй индуктивный (-I ) и отрицательный мезомерный (+M ) электронные эффекты, что проявляется в суммарном электроноакцепторном (ЭА ) действии (б). Электронный эффект ЭА заместителя приводит к перераспределению электронной плотности в кольце, понижая ее в орто - и пара – положениях, в которых затрудняется атака электрофильными реагентами.

фенол нитробензол

Правила замещения:

1) Электронодонорные заместители (ЭД ) повышают электронную плотность кольца и тем самым увеличивают скорость реакции электрофильного замещения. К заместителям, проявляющим ЭД характер, относятся группы: - NH 2 , - OH, - OR, - R, которые ориентируют электрофильное замещение в орто - и пара - положение. Исключение составляют галогены, которые направляют электрофильную частицу предпочтительно в пара - положение.

2) Электроноакцепторные заместители (ЭА ) понижают электронную плотность кольца и тем самым уменьшают скорость реакции электрофильного замещения. К заместителям, проявляющим ЭА характер, относятся группы: - NO 2 , - COOH, - SO 3 H, >C=O и др., которые ориентируют электрофильное замещение в мета - положение, затрудняя его.

Правила замещения можно продемонстрировать на реакции нитрования бензола (а) и его производных, содержащих электронодонорный (б) и электроноакцепторный (в) заместители. В представленных схемах реакций отражены условия и выход продукта реакции (в %), отражающий активность ориентирующего влияния заместителя в орто -, мета - или пара – положения. Как правило, в уравнении реакции указывают то направление электрофильной атаки, которое более предпочтительно в данных условиях реакции:

а) нитрование бензола:

нитробензол

б) нитрование фенола:

орто -нитро- пара -нитро- пикриновая

фенол фенол кислота

в) нитрование нитробензола:

мета -динитробензол

Электронные эффекты заместителей позволяют расположить приведенные соединения в следующий ряд по снижению активности в реакции нитрования: фенол, бензол и нитробензол.

Если в бензольном кольце заместителей больше, чем один, то их ориентирующее влияние может быть согласованным или несогласованным, в зависимости от их типа и взаимного расположения.

Примером согласованной ориентации может служить реакция нитрования орто - нитрофенола и пара - нитрофенола до пикриновой кислоты (реакция б). В данном случае оба заместителя (электронодонорный – ОН, электроноакцепторный – NO 2) согласованно ориентируют последующее электрофильное замещение в орто - и пара - положения по отношению к гидроксильной группе.

Ориентирующее влияние ЭД заместителя является определяющим в реакции электрофильного замещения, в случае его несогласованного ориентирующего действия с ЭА заместителем.

Правила ориентирующего влияния заместителей используют для целенаправленного синтеза, включающего несколько последовательных реакций. Например, чтобы получить из толуола орто -, мета - и пара - нитробензойные кислоты необходимо в определенной последовательности провести реакции нитрования и окисления.

Метильная группа (- СН 3) относится к электронодонорным заместителям, соответственно по правилам ориентирующего влияния направляет электрофильное замещение в орто - и пара - положения (а).

Карбоксильная группа (- СООН) является электроноакцепторным заместителем, соответственно по правилам ориентирующего влияния направляет электрофильное замещение в мета - положение (б).

Таким образом, чтобы получить из толуола все изомеры нитробензойной кислоты необходимо провести синтез в соответствии со схемами реакций, представленными ниже.

а) Схема синтеза орто - и пара - изомеров нитробензойной кислоты предполагает первоначально провести реакцию нитрования, а затем – окисления:

б) Схема синтеза мета – изомера нитробензойной кислоты предполагает первоначально провести реакцию окисления, а затем – нитрования:

Для реакций электрофильного замещения S E наиболее характерны такие уходящие группы, которые могут существовать в состоянии с незаполненной валентной оболочкой.

Такой группой может быть протон, но его подвижность зависит от кислотности. В насыщенных алканах водород малоподвижен. Более легко замещение водорода происходит в тех положениях, где он достаточо кислый, это, например, -положение к карбонильной группе, или протон при ацетиленовой связи. Важным типом реакции S E является анионное расщепление, включающее разрыв связи углерод-углерод, при этом уходящей группой является углерод. Особенно склонны к реакциям S E металлорганические соединения.

Механизмы алифатического электрофильного замещения

Механизм алифатического S E в отличие от S N изучен недостаточно. Различают четыре типа механизмов S E : S E 1, S E 2 (с тыла), S E 2 (с фронта), S i . Бимолекулярный механизм S E аналогичен S N 2 в том смысле, что новая связь образуется одновременно с разрывом старой. Однако здесь есть существенное различие.

В S N 2 нуклеофил подходит со своей электронной парой и, поскольку электронные пары взаимно отталкиваются, он может подходить только с тыла к уходящей электронной паре. В электрофильном замещении вакантная орбиталь может подходить как с тыла, притягивая на себя электронную пару, так и с фронта. Поэтому теоретически рассматривают два возможных механизма.

S E 2 (с фронта)

S E 2 (с тыла)

Существует третий бимолекулярный механизм S E , когда часть молекулы электрофила способствует отделению уходящей группы, образуя с ней связь. Такой механизм называют S i .

Доказательства: Механизмы S E 2 и S i непросто различить. Всем им соответствует кинетика второго порядка. S i и S E 2(с фронта) протекают с сохранением конфигурации. S E 2(с тыла) протекает с обращением конфигурации. Подтверждением механизма S E 2(с фронта) является то, что электрофильное замещение может протекать у атомов углерода в голове моста.

Мономолекулярный механизм электрофильного замещения S E 1 аналогичен S N 1 и включает две стадии, медленную ионизацию и быструю рекомбинацию.

Доказательства механизма S E 1. Одним из доказательств служит кинетика первого порядка по субстрату. Важным является стереохимическое доказательство в реакции:

Обмен протона на дейтерий происходит с той же скоростью, что и рацемизация, и наблюдается кинетический изотопный эффект. Реакция S N 1 не происходит в голове моста, а S E 1 протекает легко, из чего следует, что карбанион не обязательно должен быть плоским, он может иметь пирамидальное строение.

При проведении электофильного замещения с аллильным субстратом может быть получен продукт перегруппировки:

Процесс такого типа аналогичен S N и может идти двумя путями.

Первый протекает через образование промежуточного аллильного карбаниона:

Второй путь включает электрофильное присоединение по двойной связи с промежуточным образованием карбокатиона и последующим отщеплением электрофуга:

Важнейшие реакции алифатического электрофильнорго замещения

Реакции СН кислот

Если в реакциях электрофильного замещения уходящей группой является водород, отщепляющийся в виде протона, то такие субстраты называются СН-кислотами. Наиболее важные реакции этого типа идущие по механизму S E 1 :

Изтопный обмен водорода

;

Миграция двойных и тройных связей

- Сочетание с солями диазония

В суперкислой среде замещение водорода может идти по механизму S E 2 , через образование карбониевых ионов:

Реакции металлорганических соединений

Основные реакции металлорганических соединений - протодеметаллирование, галогендеметаллирование и переметаллирование

Протодеметаллированием называют реакцию замещения металла в металлорганическом соединении на водород под действием кислот

Галогендеметаллированием называют реакции замещения металла на галоген под действием галогенов или интергалогенов:

Переметаллированием называют реакцию обмена одного металла на другой. В качестве регента может выступать как неорганическая соль металла, так и металлорганическое соединение:

Реакции с гетеролитическим разрывом связи углерод-углерод

Ракции протекающие с расщеплением углерод-углеродной связи, называются анионным расщеплением, часто проходят по механизму S E 1 с промежуточным образованием карбаниона:

Реакции анионного расщепления условно делят на две группы. К первой группе относят процессы, в которых в качнстве уходящей группы выступают карбонильные соединения. Субстратави этой реакции являются гидроксилсодержащие соединения. Наиболее важные реакции этой группы: ретроальдольная реакция, расщепление циангидринов, расщепление третичных алкоголятов. Вторая группа реакций анионного расщепления носит название ацильного расщепления, так как электрофуг отщепляется в виде карбоновой кислоты или ее производного. Субстратами в этой группе являются карбонильные соединения, а процесс начинается с нуклеофильного присоединения основания к карбонильной группе:

Наиболее важные реакции этого типа: расщепление β-кетоэфиров и β-дикетонов (кислотное расщепление под действием оснований), галоформная реакция, реакции декарбоксилирования солей карбоновых кислот.