Реакции электрофильного ароматического замещения

1.

2.

РЕАКЦИИ ЭЛЕКТРОФИЛЬНОГО
ЗАМЕЩЕНИЯ - SE2 Ar
Основные типы реакций электрофильного замещения:
2

3.

ПОДГОТОВКА
ЭЛЕКТРОФИЛЬНОГО РЕАГЕНТА
При галогенировании:
При нитровании:
При сульфировании:
3

4.

ПОДГОТОВКА
ЭЛЕКТРОФИЛЬНОГО РЕАГЕНТА
При алкилировании:
При ацилировании:
а) хлорангидридами
4

5.

ПОДГОТОВКА
ЭЛЕКТРОФИЛЬНОГО РЕАГЕНТА
При ацилировании:
б) ангидридами
5

6.

МЕХАНИЗМ РЕАКЦИИ
ЭЛЕКТРОФИЛЬНОГО ЗАМЕЩЕНИЯ
6
На основе кинетических данных: V=k[C6H6][E+] – реакция второго порядка, т.е. бимолекулярная
и в медленной стадии участвует оба реагента;
На основании изотопных исследований: C6H6 и C6D6 во всех реакциях электрофильного
замещения, кроме сульфирования, реагируют с одинаковой скоростью, т.е. кинетический
изотопный эффект отсутствует. Связь C–H разрывается в быстрой стадии реакции, в противном
случае, поскольку связь C–D более прочная, чем C–H, замена H на D привела бы к замедлению
реакции, т.е. КИЭ (кинетический изотопный эффект) был бы больше 1.
На основе этих и других данных был предложен бимолекулярный механизм реакции
SE2 Ar через промежуточное соединение – σ-комплекс
Реакция начинается с образования π-комплекса, в котором электрофильный реагент
связывается со всеми π-электронами кольца (перекрывание орбиталей донора – ароматической
системы и вакантной орбитали электрофила);

7.

МЕХАНИЗМ РЕАКЦИИ
ЭЛЕКТРОФИЛЬНОГО ЗАМЕЩЕНИЯ
7
Далее π-комплекс медленно перегруппировывается в σ-комплекс, в котором атомы водорода и
электрофила связываются одинаковыми ковалентными связями с sp3-гибридным атомом
углерода (то есть атом углерода кольца изменяет своё гибридное состояние с sp2- в sp3-), при этом
бензольное кольцо приобретает целый положительный заряд, а остальные 4p-электрона
распределяются в поле 5 ядер;
σ-Комплекс представляет собой промежуточное соединение, которое в некоторых реакциях
может быть выделено (является устойчивым) и охарактеризовано спектрально. В σ-комплексе
целый положительный заряд неравномерно распределён по пяти атомам углерода – теория
резонанса позволяет описать строение σ-комплекса набором из трёх резонансных структур, из
которых видно, что целый положительный заряд может оказаться в каждом из орто-положений и
в пара-положении по отношении к вступающей группе;
Далее от σ-комплекса в быстрой стадии реакции отщепляется протон (под действием основания,
образованного
на
стадии
подготовки
электрофильного
реагента),
пара
электронов
σ-связи с отщепляемым атомом водорода возвращается в ароматическую систему и образуется
конечный продукт – стадия реароматизации.

8.

МЕХАНИЗМ РЕАКЦИИ
ЭЛЕКТРОФИЛЬНОГО ЗАМЕЩЕНИЯ
8
Энергетическая диаграмма реакции ароматического электрофильного замещения:

9.

ОСОБЕННОСТИ КОНКРЕТНЫХ
РЕАКЦИЙ
9
Реакции галогенирования
Как в большинстве реакций галогенирования, экзотермичность электрофильного замещения
падает от фтора к иоду;
Фторирование является наиболее экзотермично, поэтому протекает со взрывом;
Практическое значение имеет хлорирование и бромирование; требуется присутствие
катализатора – кислоты Льюиса – FeCl3, FeBr3, AlCl3, ZnCl2;
Иодирование является эндотермичным, поэтому не проводится;
Гомологи бензола реагирует с большей скоростью:

10.

ОСОБЕННОСТИ КОНКРЕТНЫХ
РЕАКЦИЙ
10
Реакции нитрования
Реакция нитрования бензола проводится смесью азотной (63%) и серной (100%, моногидрат)
кислот:
В зависимости от характера заместителя в кольце:
При ЭД-заместителе – мягкие условия и используются мягкие электрофильные агенты:
Азотная кислота (63%) в AcOH, а также азотная кислота различной концентрации; в этом случае:
При ЭА-заместителе – жёсткие условия и используются сильные электрофильный агенты:
Нитрат натрия (калия) и конц. серная кислота (или моногидрат); соли нитрония:
Если субстрат
ацетилнитрат:
ацидофобен
(фуран,
пиррол),
то
используется
мягкий
электрофил
–

11.

ОСОБЕННОСТИ КОНКРЕТНЫХ
РЕАКЦИЙ
11
Реакции алкилирования
Реакция алкилирования сопровождается перегруппировками:
Реакция осложняется полиалкилированием, поскольку ЭД алкильный заместитель облегчает
введение последующей алкильной группы;
Алкилирование нельзя проводить винилгалогенидами и арилгалогенидами:
Реакция не идёт при наличии ЭА-группы:

12.

ОСОБЕННОСТИ КОНКРЕТНЫХ
РЕАКЦИЙ
12
Реакции ацилирования
В реакции ацилирования катализатор – хлорид алюминия, используется в большом избытке
(1.2-2.0 M), т.к. он образует комплекс и выводится из реакции:
В реакции образуется моноацильное производное, в котором заместитель
ЭА-характер, поэтому в отличие от алкилирования не происходит полиацилирования;
Ацилирование не протекает при наличии ЭА-группы:
проявляет

13.

ОСОБЕННОСТИ КОНКРЕТНЫХ
РЕАКЦИЙ
13
Реакции сульфирования
Необходимо использовать
арилсульфохлориды:
избыток
серной
кислоты,
иначе
образуются
Для проведения реакции используют сульфирующие агенты:
а) купоросное масло – 93-95% H2SO4
б) моногидрат – 100% H2SO4
в) олеум – раствор SO3 в 100% H2SO4
г) хлорсульфоновая кислота –HSO3Cl
д) пиридинсульфотриоксид – используется для ацидофобных субстратов
сульфоны
или

14.

ОСОБЕННОСТИ КОНКРЕТНЫХ
РЕАКЦИЙ
14
Реакции сульфирования
В качестве электрофила используется электронейтральная молекула SO3 с частичным
положительным зарядом на атоме серы, реакция является обратимой и имеет КИЭ = kH/kD = 2,
следовательно, протон отщепляется в медленно стадии реакции:
Причинами возникновения КИЭ являются:
1) Образование устойчивого σк, представляющего собой биполярный ион, поэтому протон
отщепляется в медленной стадии;
2) Обратимость реакции, поскольку k2 и k-1 приблизительно равны, следовательно, σк легко
отщепляет как протон, так и молекулу SO3, что приводит к замедлению стадии отщепления
протона.

15.

ОСОБЕННОСТИ КОНКРЕТНЫХ
РЕАКЦИЙ
15
Реакции сульфирования
В связи с этим энергетическая диаграмма реакции сульфирования отличается от
энергетической диаграммы реакций галогенирования, нитрования и реакций Фриделя-Крафтса:
а) Энергетический барьер слева и справа от σк почти одинаков и σк практически с одинаковыми
скоростями отщепляет и протон и SO3, т.е. реакция является обратимой;
б) Замена H на D приводит к увеличению энергии активации последней стадии (образования
ПС2) и снижению k2 , т.е. происходит замедление реакции в целом и появлению КИЭ. Эта стадия
становится лимитирующей:

16.

ОСОБЕННОСТИ КОНКРЕТНЫХ
РЕАКЦИЙ
16
Реакции сульфирования
Гомологи бензола сульфируются легче:
При этом о-толуолсульфокислота является менее устойчивой, но образуется быстрее, реакция
имеет кинетический контроль, в то время как п-толуолсульфокислота термодинамически
более стабильна и при высокой температуре образуется практически только этот изомер, реакция
имеет термодинамический контроль.
Учитывая обратимость реакции сульфирования, можно удалить группу –SO3H:
Таким образом, реакцию сульфирования используют для защиты п-положения кольца в случае
получения исключительно о-производных.

17.

17
ВЛИЯНИЕ ЗАМЕСТИТЕЛЕЙ НА ОРИЕНТАЦИЮ И
РЕАКЦИОННУЮ СПОСОБНОСТЬ В РЕАКЦИЯХ
ЭЛЕКТРОФИЛЬНОГО ЗАМЕЩЕНИЯ
Если в бензольном кольце уже есть какой-то заместитель X, то положения неравноценны и
новый заместитель может вступать в три различные положения – орто-, мета-, пара- (о-, м-, п-).
При этом характер заместителя X будет также влиять и на реакционную способность самой
ароматической системы.
Заместитель
X
Выход изомеров в%
Орто-
Мета-
Пара-
Отношение
скоростей
C6H5X и C6H6
CH3
56,5
3,5
40
24
Cl
29,6
0,9
69,5
0,03
NO2
6,4
93,3
0,6
10-7
Вывод
о,п-ориентант,
облегчает замещение –
АКТИВИРУЮЩЕЕ действие
о,п-ориентант, более селективен
затрудняет замещение –
ДЕЗАКТИВИРУЮЩЕЕ действие
м-ориентант,
затрудняет замещение – сильное
ДЕЗАКТИВИРУЮЩЕЕ действие

18.

18
ВЛИЯНИЕ ЗАМЕСТИТЕЛЕЙ НА ОРИЕНТАЦИЮ И
РЕАКЦИОННУЮ СПОСОБНОСТЬ В РЕАКЦИЯХ
ЭЛЕКТРОФИЛЬНОГО ЗАМЕЩЕНИЯ
Заместители оказывают сильное влияние, как на соотношение изомеров, так и на скорость
замещения. По этим признакам заместители делятся на группы:
По ориентирующему влиянию делятся на 2 группы:
ЗАМЕСТИТЕЛИ I РОДА – о,п-ориентанты
ЗАМЕСТИТЕЛИ II РОДА –м-ориентанты
По влиянию на реакционную способность делятся на 3 группы:
1 группа – о,п-ориентанты
активирующего действия
(увеличивают скорость реакции)
2 группа – о,п-ориентанты
дезактивирующего действия
(снижают скорость реакции)
3 группа – м-ориентанты все сильно
дезактивирующего действия
Характерные признаки заместителей I и II рода:
За исключением алкильных групп имеют НЭП на атоме, Имеют
положительный
или
частичный
связанном с бензольным кольцом и обладают +Mэф или эффектом положительный заряд на атоме, связанном с
гиперконъюгации (в случае алкильных групп)
бензольным кольцом

19.

19
ПРАВИЛА ОРИЕНТАЦИИ
Заместители I рода – о-, п-ориентанты
Первая группа – активирующее действие
Таким образом, ЭД заместители I рода первой группы увеличивают устойчивость
σ-комплексов при о- и п-атаке, поэтому заместитель вступает в о- и п-положения. Эти
σ–комплексы более устойчивы, чем для бензола, поэтому скорость реакции выше по сравнению с
бензолом.

20.

20
ПРАВИЛА ОРИЕНТАЦИИ
Заместители I рода – о-, п-ориентанты
Вторая группа – дезактивирующее действие
Таким образом, ЭА заместители I рода второй группы уменьшают устойчивость σ-комплексов
за счёт большего значения –Iэф, следовательно, скорость реакции ниже по сравнению с бензолом,
но устойчивость σ-комплексов при о- и п-атаке выше, чем при м-атаке за счёт +Mэф, поэтому
заместитель вступает преимущественно в о- и п-положения.

21.

21
ПРАВИЛА ОРИЕНТАЦИИ
Заместители II рода – м-ориентанты
Третья группа – все сильно дезактивирующего действия
Таким образом, все заместители II рода понижают устойчивость всех σ-комплексов за счёт
большего значения –Iэф и –Mэф, но особенно σ-комплексов при о- и п-атаке, т.к. среди них есть
такая, где два положительно заряженных атома соседствуют друг с другом (самая неустойчивая),
а при м-атаке такой структуры нет, поэтому электрофил вступает в м-положение. При этом
скорость реакции снижается значительно по сравнению с бензолом.

22.

22
ПРАВИЛА ОРИЕНТАЦИИ
Электронный характер заместителя имеет важное значение, но это не единственный фактор,
определяющий соотношение изомеров. Так же необходимо учитывать:
1) Пространственный фактор в субстрате
Особенно велико такое влияние при о-атаке, т.к. сам заместитель X может экранировать подход к
о-положению и снижать выход о-изомера.
2) Характер электрофильного реагента
Он в первую очередь связан с его размерами. Так, более объёмный электрофильный катион брома
более склонен к п-атаке в силу стерических препятствий, а не к о-атаке, нежели катион хлора.
Кроме того, важно учитывать жёсткость и мягкость электрофила, которая объясняется методом
молекулярных орбиталей в соответствии с концепцией граничных орбиталей.

23.

23
ДИЗАМЕЩЁННЫЕ БЕНЗОЛА
Для определения состава продуктов реакции элетрофильного замещения в случае дизамещённых
необходимо учитывать характер обоих заместителей. Влияние заместителей носит аддитивный
характер. Возможны следующие случаи:
1. Согласованная ориентация
Заместитель ориентирует вступающий электрофил в одно и тоже положение. Так, например,
в п-нитротолуоле наблюдается образование одного изомера с хорошим выходом. Для
о-нитротолуола будет не менее двух изомеров, но заместители действуют согласовано:

24.

24
ДИЗАМЕЩЁННЫЕ БЕНЗОЛА
2. Несогласованная ориентация
1)Оба заместителя приблизительно одинаковой силы и как результат образуется приблизительно
равная по составу смесь, как в случае:
2) Заместители различной силы. В этом случае, если заместители одного рода, то состав продукта
оценивается по более сильному донору (когда оба заместителя донорные), либо по более слабому
акцептору (когда оба заместителя акцепторные).

25.

25
ДИЗАМЕЩЁННЫЕ БЕНЗОЛА
В этом же случае, если в молекуле заместители разного рода, то, как правило, электрофильный
реагент подчиняется активирующему заместителю I рода:
Таким образом, пользуясь
рациональный путь синтеза:
правилами
замещения
можно
выбрать
наиболее

26.

26
ПРИМЕРЫ ПУТЕЙ СИНТЕЗА