Электрофильное замещение в ароматических системах

T Vasilieva
Электрофильное замещение в
ароматических системах
Лекция 7
T Vasilieva
Качественные реакции на
ненасыщенность для алкенов и алкинов
1)
Обесцвечивание бромной воды
H3C
2)
CH2
CH
CH2
+
Br2
CCl4, 20 °C
H3C
CH2
CHBr
CH2Br
Обесцвечивание раствора перманганата калия (реакция Вагнера):
3CH2 = CH2 + 2КМnО4 + 4H2О
3НОCH2 - CH2ОН + МnО2↓+ 2 КОН
Для аренов не характерны реакции присоединения,
свойственные алкенам и алкинам
T Vasilieva
Строение молекулы бензола
Схема образования π-связей
в молекуле бензола
Делокализация электронной
плотности в молекуле бензола
Масштабная модель молекулы бензола с
обозначением делокализованного 6π-электронного
облака
T Vasilieva
Вывод
Для ароматических соединений
характерные реакции электрофильного
замещения (SE)
Ar
H
+
X
+
Ar
X
+
H
+
T Vasilieva
Электрофилы
+
Электрофильные реагенты (Е, Е ) – это частицы, образующие
новые ковалентные связи за счет пары электронов
партнера
- положительно заряженные ионы
H
+
Hal
протон
+
NO2+
галоген-катионы
нитроил-катион
+
NO
нитрозил-катион
C
+
карбокатион
- нейтральные молекулы, имеющие электронодефицитный центр
δ+
C
Х
Х – группа с – I- и/или
– М-эффектом
SO3
BF3, BCl3, FeBr3, AlCl3
Триоксид серы
Кислоты Льюиса
T Vasilieva
Механизм реакций SE в ароматическом
кольце
Стабилизация σ-комплекса
Образование π-комплекса
быстро
быстро
sp3-гибридизация
E
E
:B
+
субстрат
E
+
E
π-комплекс
+
+
H
σ-комплекс
Образование σ-комплекса
медленно
- BH+
продукт
T Vasilieva
Образование π-комплекса
AE
SE
T Vasilieva
Механизм реакций SE в ароматическом
кольце
V = k[ArH][E+]
Реакция второго порядка
T Vasilieva
Влияние электрофильного агента на
реакционную способность SE
Кислоты Льюиса – акцепторы пары электронов
агенты нитрования > агенты сульфирования > галогены >
агенты нитрозирования > агенты хлорметилирования > диазонийкатионы
В каждой группе активность электрофильного агента варьирует в широких пределах
T Vasilieva
Влияние строения субстрата на SE
1)
Как заместитель в бензольном кольце влияет на скорость SE в
целом?
2)
Как заместитель в бензольном кольце влияет на направление
атаки электрофильного агента (региоспецифичность реакций
SE)?
T Vasilieva
Влияние заместителей на скорость SE
1)
Электронодонорные заместители (D) повышают электронную
плотность кольца и увеличивают скорость реакции SE
(активирующие заместители): -NH2, -OH, -OR, -NHR, -NR2, -NH-C(O)R,
алкильные группы
2)
Электроноакцепторные заместители (А) понижают электронную
плотность кольца и уменьшают скорость реакции SE
(дезактивирующие заместители): -NO2, -CF3, -SO3H, -NR3, -CN
D
+I-эффект
или
+М-эффект > -I-эффект
:D
A
-I-эффект
или
-М-эффект
T Vasilieva
Правила ориентации в монозамещенных
аренах
Ориентирующее влияние заместителей обуславливают:
1) Электронные эффекты заместителей (статический фактор):
распределение электронной плотности в молекуле субстрата
O
O
..
CH3
толуол
OCH3
метоксибензол
орто- и пара-положения активируются
больше, чем мета-положения
N+
C
_
OH
O
нитробензол
бензойная кислота
орто- и пара-положения дезактивируются
больше, чем мета-положения
2) Стабильность образующихся σ-комплексов (динамический
фактор): стабилизирующее или дестабилизирующее влияние заместителя
T Vasilieva
Активируют сильно (+ + +), умеренно (+ +), слабо (+); дезактивируют сильно ( _ _ _ ), умеренно ( _ _ ), слабо (_)
T Vasilieva
Влияние галогенов на ориентацию
SE в ароматическом ядре
-I>+M
•Дезактивация кольца
•Уменьшение скорости
реакции по сравнению с
незамещенным бензолом
..
:Cl:
+
•Стабилизация σ-комплексов
..
:Cl:
.. ++
: Cl
E
E
H
H
.. +
: Cl +
+
H
E
Вносят наибольший вклад в стабилизацию σ-комплексов
H
E
T Vasilieva
Электрофильное замещение в
монозамещенных бензольных
субстратах: резюме
Активирующие, орто-, пара-ориентанты
X+
X:
X+
-
X+
-
Более высокая электронная
плотность, чем в бензоле,
особенно в орто- и параположениях к заместителю Х.
Поэтому электрофил
направляется к этим атомам
-
Дезактивирующие, мета-ориентанты
X
-X
-X
-
+
X
+
+
Более низкая электронная
плотность, чем в бензоле.
Частичный положительный
заряд в орто- и параположениях к заместителю Х.
Поэтому электрофил
направляется в метаположение
T Vasilieva
Влияние стерического фактора:
распределение изомеров при нитровании
производных бензола
Заместитель
(G)
Распределение продуктов, %
орто
пара
Мета
-CH3
58
38
4
-F
12
88
-
-Cl
30
70
-
-Br
37
62
1
-I
38
60
2
-CO2H
19
1
80
-CONH2
27
<3
70
-
11
89
+
-N(CH3)3
T Vasilieva
Правила ориентации в дизамещенных
аренах: согласованное влияние
заместителей
Заместители направляют электрофильный агент в одно и то же
положение кольца
CH3
OH
COOH
NHCOCH3
CN
SO 3H
SO 3H
NO2
OH
OH
+
O 2N
+
Br2
O 2N
4-нитрофенол
Br
2-бромо-4-нитрофенол
HBr
T Vasilieva
Правила ориентации в дизамещенных
аренах: несогласованное влияние
заместителей
Ориентирующее влияние одного заместителя не совпадает по
направлению с влиянием другого заместителя
OH
NHCOCH3
CH3
COOH
SO3H
Cl
CH3
CH3
CH3
NO2
Заместители конкурируют друг с другом, что приводит к образованию смеси
продуктов
T Vasilieva
Правила ориентации в дизамещенных
аренах: несогласованное влияние
заместителей
Если в бензольном кольце имеются сильная и слабая активирующие
группы, то ориентация в основном определяется сильной группой
OH
OH
NO2
+
HNO3
CH3
+
HBr
4-метил-2-нитрофенол
NHCOCH3
+
CH3
H2O
CH3
4-метилфенол
N-(4-метилфенил)ацетамид
+
NHCOCH3
Br2
NO2
Br
FeBr3
CH3
N-(4-метил-2-нитрофенил)ацетамид
T Vasilieva
Правила ориентации в дизамещенных
аренах: несогласованное влияние
заместителей
Если в бензольном кольце имеются активирующая и
дезактивирующая группы, то ориентация определяется главным
образом активирующей группой
OH
OH
OH
Br
+
Br2
FeBr3
+
- HBr
CHO
CHO
Br
CHO
T Vasilieva
Реакции электрофильного замещения
(SE) аренов
1) Галогенирование
2) Нитрование
3) Сульфирование
4) Алкилирование
Ar
Ar
Ar
Ar
H
H
+
+
кислота Льюиса
Ar
X2
X
-НХ
H2SO4
HONO2
Ar
-Н2O
NO2
H2SO4
H
+
SO3
H
+
R
Ar
X
SO 3H
кислота Льюиса
Ar
R
-НХ
O
5) Ацилирование
Ar
H
+
R
C
O
кислота Льюиса
Cl
-HCl
Ar
C
R
T Vasilieva
Галогенирование моноядерных аренов
+
δ+
Cl
Cl
δ-
FeCl 3
δ+
быстро
δ-
Cl
Cl
медленно
FeCl 3
Генерирование
электрофильного агента
π-комплекс
Cl
медленно
H
+
быстро
[FeCl4]-
Cl
+
FeCl 3
+
HCl
σ-комплекс
CH3
+
Cl2
FeCl3
+
Cl
толуол
CH3
CH3
орто-хлоротолуол
Cl
пара-хлоротолуол
T Vasilieva
Галогенирование in vivo
Реакция йодирования α-аминокислоты - тирозина в ходе биосинтеза
йодсодержащих гормонов щитовидной железы до 3-йодтирозина и
далее до 3,5-дийодтирозина:
тирозин
3-йодтирозин
3,5-дийодтирозин
T Vasilieva
Нитрование моноядерных аренов:
синтез 2,4,6-тринитротолуола
CH3
CH3
+
HNO3
CH3
NO2
H2SO4, 30 °C
+
толулол
NO2
орто-толулол
CH3
CH3
CH3
NO2
HNO3, H2SO4, 60 °C
+
пара-толулол
O 2N
CH3
NO2
NO2
+
NO2
NO2
CH3
O 2N
NO2
HNO3, 5% олеум , 140 °C
2,4,6тринитротолуол
NO2
тротил
T Vasilieva
Сульфирование толуола
CH3
CH3
CH3
SO3H
90% H2SO4, 100 °C
+
SO3H
толуол
ортотолуолсульфоновая
кислота
паратолуолсульфоновая
кислота
Синтез
сахарина
Синтез
хлорамина-Т
T Vasilieva
Реакция Фриделя-Крафтса (1877-1878)
James Mason Crafts
Charles Friedel
T Vasilieva
Реакция Фриделя-Крафтса
Введение в бензольное кольцо алкильных или ацильных групп
Алкилирующие реагенты: галогеноалканы, алкены, спирты
Ацилирующие реагенты: хлорангидриды и ангидриды кислот
Осуществляется в присутствии кислот Льюиса
Синтез:
z
z
z
z
Поверхностно-активных веществ
Душистых веществ
Этилбензола
этилбензол
Кумола, тимола
CH3
H3C
CH3
CH2
стирол
O
Ароматических кетонов (промежуточные продукты
в производстве фармацевтических препаратов
H3C
N
и красителей)
кумол
z
CH3
N
кетон Михлера
CH3
CH3
T Vasilieva
Алкилирование по Фриделю-Крафтсу
+
H3C
δ+
CH 2
δBr
CH 2 CH 3
AlCl3, 80 °C
CH 3 CH 2Br
+
AlCl 3
+
H 3C
δ+
CH 2
δAlCl 3
Br
H3C
Комплекс с катализатором
+
H 3C
+
CH 2 AlCl 3 Br
быстро
H Br
+
CH 2 AlCl 3 Br
Ионная пара
+
CH 2 AlCl 3 Br
CH 2CH 3
медленно
+
CH3
субстрат
электрофил
быстро
AlCl3 Br
π-комплекс
σ-комплекс
CH 2CH 3
продукт
+
H Br
+
AlCl 3
H
T Vasilieva
Ограничения реакции
алкилирования Фриделя-Крафтса
1)
Обратимая реакция (обратная реакция – дезалкилирование)
2)
Соединения с электроноакцепторными заместителями ( дезактивируют кольцо) в
реакцию не вступают: алкилирование нитробензола не происходит
3)
Тенденция алкилирующего агента перегруппировываться в более стабильный
карбокатион
+
- HCl
пропилбензол, 30-35%
CH3CH2CH2
Cl
+
AlCl 3
CH(CH3)2
CH2CH2CH3
CH3CH2CH2Cl, AlCl3, 0 °C
δ+
CH
H
3CH
2CH
2CH
2CH
3C2
Cl
изоропилбензол, 65-70%
δAlCl 3
+
CH3CH2CH2 AlCl 4
перегруппировка
+
CH3CH2CH2 AlCl 4первичный карбокатион
4)
H3C
+
CH
CH3
+
AlCl 4
-
вторичный карбокатион
Образующиеся алкилбензолы более реакционноспособны в реакциях, чем бензол:
ди- и полиалкилирование бензольного кольца
T Vasilieva
Ацилирование по Фриделю-Крафтсу
O
C
O
+
H 3C
CH 3
AlCl3, 80 °C
C
+
HCl
Cl
ацетофенон,
95%
O
R
O
+
C
R
AlCl 3
Cl
δAlCl 3
δ+
C
R
Cl
комплекс с
катализатором
хлорангидрид
кислоты
+
C
O
R
-
ацил-катион
O
C
O
+
AlCl 4
+
C
O
AlCl 4
+
C
-
O
π-комплекс
+
R
σ-комплекс
C
R
+
AlCl 3
R
H
+
HCl
AlCl4-
T Vasilieva
Реакции SE конденсированных аренов
и небензоидных ароматических систем
A
D
A
D
(CH3)3CCl, AlCl3
Fe
2+
C(CH3)3
Fe2+
O
C
CH3COCl, AlCl3
Fe
-
2+
CH3