Механизм реакции электрофильного замещения

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):

 

а) б)

нитроний сульфоний

катион катион

в)

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^оС с образованием нитробензола.

Сульфирование. При взаимодействии бензола с концентрированной кислотой или олеумом (смесь концентрированной серной кислоты и серного ангидрида – SO₃) 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 атака электрофильными реагентами.

В молекуле нитробензола заместитель (-NO₂) 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.

 

а) б)

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: - NH₂, - 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: - NO₂, - COOH, - SO₃H, >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 – NO₂) 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 (- СН₃) 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: