2.2.1. Основные теоретические положения
Атомы водорода в бензольных кольцах ароматических соединений способны замещаться на галогены (-Сl, -Вr), остатки неорганических (-NО2, -SО3H) и органических (R-CO-) кислот, алкильные группы (-СН3, -СН2СН3, -СН(СН3)2 и др.). Характерной чертой этих реакций является участие в них электрофильных реагентов – частиц нуждающихся в электронах, часто положительно заряженных. Поэтому такой тип реакций называется электрофильным замещением и обозначается SE.
Некоторые реакции электрофильного замещения бензола:
|
хлорирование |
|
нитрование |
|
сульфирование
|
|
Ацилирование по методу Фриделя-Крафтса
|
| алкилирование по методу Фриделя-Крафтса |
Все реакции электрофильного замещения проходят по одной общей схеме:
где Е+– электрофил, т.е. частица, "любящая электроны", R – заместитель в бензольном кольце, положение которого (орто-, мета- или пара) в этих формулах не указано.
Электрофилы образуются в результате кислотно-основных взаимодействий, как правило, в растворителях, способных сильно сольватировать ионы. Следовательно, в реакционных смесях SE-процессов обязательно должны присутствовать сильные протонные или апротонные кислоты: Н2SО4 (конц.), НNО3 (конц.), AlCl3 (безв.), FeCl3, BF3, SO3 и т.п.
В в реакциях (1 – 6) в качестве электрофилов выступают соответственно Cl+, NO2+, HSO3+, SO3, CH3CO+ и CH3CH2+.
Примером образования электрофила NO2+ – нитроний-катиона – является реакция:
Доказано, что переходные состояния всех реакций электрофильного замещения бензола и его производных образуются в результате столкновения двух частиц, содержат как молекулу ароматического соединения, так и электрофил. Бимолекулярность реакции обозначают цифрой 2: SE2.
Известно также, что в переходном состоянии SE2-процесса еще сохраняется ковалентная связь между углеродным атомом бензольного кольца и уходящим атомом водорода.
Этим экспериментальным фактам соответствует следующий механизм реакций SE2:
1. Образование электрофила Е+ (см., напр., образование NO2+).
2. Образование -комплекса (“пи-комплекса”):
3. Образование -комплекса (“сигма-комплекса”):
4. Отщепление протона:
Для большинства реакций SE2 стадия 3, т. е. образование -комплекса, требует наибольшей энергии активации, поэтому она проходит медленнее других стадий.
Та из последовательных стадий процесса, которая имеет наибольшую энергию активации, называется лимитирующей стадией. Образование -комплекса – лимитирующая стадия процесса SE2. Чем легче образуется -комплекс, тем быстрее проходит электрофильное замещение у соответствующего атома углерода в бензольном кольце.
Переход ароматического соединения в -комплекс требует значительных затрат энергии. Во-первых, -комплекс является карбокатионом, а карбокатионы, как известно, неустойчивы, и во-вторых, при образовании -комплекса разрушается ароматическая -электронная система и теряется энергия ароматической стабилизации. Атом углерода, присоединивший электрофильный реагент, из sp2-переходит в sp3-состояние и образуется не ароматическая разомкнутая π-система. У σ-комплекса 5 атомов углерода остаются в sp2-гибридном состоянии и их pz-орбитали образуют две связывающих, две разрыхляющих и одну несвязывающую орбиталь. Положительный заряд σ-комплекса, главным образом, находится на НСМО, т.е. в о- и п-положениях по отношению к sp3-гибридному атому углерода.
-Комплекс по энергии близок к переходному состоянию рис. 15.
Рис. 15. Энергетические диаграммы нитрования ароматических соединений: 1 – нитробензола, 2 – бензола, 3 – толуола
В соответствии с принципом Хеммонда это означает, что они близки и по структуре). Видно также, что энергетические уровни -комплексов и соответствующих переходных состояний меняются симбатно, т.е. рост энергии -комплекса сопровождается увеличением энергии активации реакции. Можно сказать, что энергетический уровень -комплекса предопределяет величину энергии активации реакции ароматического соединения.
Из рис. 15 следует, что при нитровании ароматических соединений величины энергии активации последовательно уменьшаются в ряду: нитробензол, бензол, толуол. В соответствии с этим при одинаковых условиях толуол нитруется легче, чем бензол, а бензол – легче, чем нитробензол.
От относительной легкости образования соответствующих -комплексов зависит и преимущественное образование тех или иных изомеров при замещении в молекулах монозамещенных бензола. В общем виде образование различных изомеров при электрофильном замещении можно представить в виде схемы:
Электронодонорные заместители А (-NH2, -NHCH3, -N(CH3)2, -OH, -OCH3, CH3, другие алкилы и т. д.) стабилизируют орто- и пара--комплексы, поэтому среди продуктов электрофильного замещения в молекулах соответствующих ароматических соединений преобладают орто- и пара- замещенные, а мета-изомеры образуются в небольших количествах (до 5 %). Такие заместители называются орто-, пара-ориентирующими или заместителями первого рода. Электронодонорные заместители облегчают электрофильное замещение в молекуле Рh-А по сравнению с незамещенным бензолом Рh-Н, (см. энергетическую диаграмму).
Электроноакцепторные заместители:
наоборот, способствуют энергетической дестабилизации -комплексов, увеличивают Е реакций электрофильного замещения и уменьшают их скорость. Особенно сильное влияние они оказывают на орто- и пара-положения Ph-A. В их присутствии энергия активации замещения в мета-места ниже, чем в орто- и в пара-, поэтому они направляют электрофильные частицы Е+ преимущественно в мета-положение. Такие заместители называются мета-ориентирующими или заместителями второго рода.
Особенным образом в качестве заместителей ведут себя галогены. Они, являясь электроноакцепторами, несколько замедляют процессы SE2-типа, но при этом направляют атакующие электрофилы Е+ преимущественно в пара- и (в меньшей степени) в орто-положения.
Нафталин подвергается электрофильному замещению легче, чем бензол, так как оба возможных -комплекса: - и - образуются легче, чем соответствующий -комплекс бензола:
--комплекс | --комплекс | -комплекс бензола |
Легкость образования -комплекса зависит от степени делокализации в нем положительного заряда. Об эффективности делокализации можно судить по величине суммы зарядов на атомах, соседних с тем, который изменил свое валентное состояние от sр2- до sр3- в результате присоединения к нему электрофила Е+. Чем больше эта сумма, тем меньше делокализован положительный заряд, тем сильнее дестабилизирован -комплекс (его Епот на энергетической диаграмме выше), а значит и меньше реакционная способность ароматического соединения. Можно видеть, что соответствующие суммы равны: у --комплекса 1/11 + 4/11 = 5/11 = 0,454, у --комплекса 1/2 + 1/8 = 5/8 = 0,625, у -комплекса бензола 1/3 + 1/3 = 2/3 = 0,667. Найденные суммы соответствуют уменьшению реакционной способности в ряду: -положение нафталина > -положение нафталина > бензол.
Степень делокализации положительного заряда по углеродным атомам колец -комплексов, образующихся из ароматических соединений бензоидного типа, можно оценить, пользуясь методом расчета, предложенным Лонге-Хиггинсом. Этот метод изложен в указании [8] (см. список литературы в конце этого пособия).
- О. А. Голубчиков
- Органический практикум
- Санкт-Петербург
- Нии химии сПбГу – 2012
- Оглавление
- Предисловие
- 1. Общие правила и методы работы
- 1.1. Планирование работ и ведение рабочего журнала
- 1.1.1. Форма ведения записей в лабораторном журнале
- 1.1.2. Пояснения к составлению таблиц
- 1.1.3. План экспериментальной работы. Отчет о выполнении работы
- 1.2. Правила техники безопасности в лаборатории органического синтеза
- 1.2.1. Общие правила работы
- 1.2.2. Правила обращения с ядовитыми и едкими веществами
- 1.2.3. Правила при работе с огнеопасными веществами
- 1.2.4. Правила при работах, которые могут сопровождаться взрывами или выбросами веществ
- 1.2.5. Правила обращения со стеклом
- 1.3. Основные методы выделения и очистки органических соединений
- 1.3.1 Перекристаллизация Принцип метода
- Подбор растворителя
- Практика проведения перекристаллизации
- Обесцвечивание горячих насыщенных растворов
- Фильтрование с отсасыванием
- Сушка органических веществ
- Определение температуры плавления вещества
- Контрольные вопросы
- 1.3.2. Перегонка органических жидкостей
- 1.3.2. Простая перегонка при атмосферном давлении
- Перегонка при уменьшенном давлении (под вакуумом)
- Перегонка с водяным паром
- Фракционная перегонка и перегонка с дефлегматором
- Контрольные вопросы
- 1.3.3. Хроматография
- Газо-жидкостная хроматография
- Тонкослойная и бумажная хроматография
- Нуклеофильное замещение у sp3-гибридизованного атома углерода
- Нуклеофильное замещение у sp2-гибридизованного карбонильного углерода
- Контрольные вопросы
- 2.1.2. Бромистый изопропил
- Примечания:
- Пояснения к синтезу
- Контрольные вопросы
- 2.1.3. Ацетанилид (метод а)
- 2.1.4. Ацетанилид (метод б)
- Пояснения к синтезу
- Контрольные вопросы
- 2.1.5. Ацетилсалициловая кислота (аспирин)
- Пояснения к синтезу
- Контрольные вопросы
- Пояснения к синтезу
- 2.2. Электрофильное замещение в ароматическом ряду
- 2.2.1. Основные теоретические положения
- 2.2.2. Нитротолуолы (смесь изомеров)
- Хроматографическое определение изомерного состава нитротолуолов
- Пояснения к синтезу
- Контрольные вопросы
- Пояснения к синтезу
- Контрольные вопросы
- 2.2.4. Cульфаниловая кислота
- Пояснения к синтезу
- Контрольные вопросы
- 2.3. Восстановление нитросоединений
- 2.3.1. Основные теоретические положения
- Восстановление металлами в присутствии растворов электролитов
- Восстановление в кислой среде металлами
- Пути восстановления нитросоединений в зависимости от pH среды Восстановление в кислой среде
- Восстановление в щелочной среде
- Восстановление в щелочной среде растворами сульфидов. Селективное восстановление полинитросоединений
- Определение конца реакции
- Выделение продуктов реакции
- Меры предосторожности при работе с ароматическими аминами
- 2.3.2. Анилин
- Выделение анилина из реакционной смеси
- 2.3.3. Выделение и идентификация аминов
- Пояснения к синтезу
- Экстракция органических веществ из водных растворов
- Контрольные вопросы
- 2.3.4. Мета-Нитроанилин
- Пояснения к синтезу
- Контрольные вопросы
- 2.4. Получение и превращения диазосоединений
- 2.4.1. Основные теоретические положения
- Получение ароматических диазосоединений
- Механизм диазотирования
- Факторы, влияющие на скорость диазотирования
- Контроль диазотирования
- Формы диазосоединений
- Превращения диазосоединений Азосочетание
- Реакции солей диазония с выделением азота
- 2.4.2. Йодбензол
- Пояснения к синтезу
- Пояснения к синтезу
- Пояснения к синтезу
- Контрольные вопросы
- 2.4.5. Метилоранж
- Примечания к синтезу
- Метиловый оранжевый:
- 2.4.6. Кислотный оранжевый (-нафтолоранж)
- Азосочетание
- 2.4.7. Резорциновый желтый (тропеолин)
- Азосочетание
- 2.4.8. Спектрофотометрическое определение содержания красителя в растворе
- 2.4.9. Пояснения к синтезам азокрасителей
- Контрольные вопросы
- 2.5. Окисление
- 2.5.1. Основные теоретические положения
- 2.5.2. Бензойная кислота (из толуола)
- Примечание
- 2.5.3. Бензойная кислота (из бензилового спирта)
- Пояснения к синтезам бензойной кислоты (2.5.2 и 2.5.3)
- Контрольные вопросы
- 2.5.4. Масляный альдегид (бутаналь)
- Пояснения к синтезу
- Контрольные вопросы
- 2.5.5. Бензальдегид
- Пояснения к синтезу
- Контрольные вопросы
- 3. Синтез гетероциклических соединений
- Пояснения к синтезу
- Пояснения к синтезу
- Пояснения к синтезу
- Пояснения к синтезу
- Бензимидазол
- Пояснения к синтезу
- Пояснения к синтезу
- Хинолин (синтез Скраупа)
- Пояснения к синтезу
- Фенилизоиндолизин
- Пояснения к синтезу
- Фенотиазин
- Пояснения к синтезу
- 5,10,15,20-Тетрафенилпорфирины
- 5,10,15,20-Тетрафенилпорфирин
- Пояснения к синтезу
- Хроматографическая очистка тетрафенилпорфирина
- 5,10,15, 20-Тетракис(4-нитрофенил)порфирин
- Пояснения к синтезу
- 5,10,15,20-Тетракис(4-бромфенил)порфирин
- Приложение
- Список рекомендуемой литературы