100

Глава 13

Электрофильное ароматическое замещение

13.1. ТИПЫ МЕХАНИЗМА ЭЛЕКТРОФИЛЬНОГОАРОМАТИЧЕСКОГО ЗАМЕЩЕНИЯ

13.2. ЭЛЕКТРОФИЛЬНЫЙ ОБМЕН ВОДОРОДА В АРОМАТИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЯХ

13.2.1. p-Комплексы

13.3. Обобщенный механизм электрофильного ароматического замещения

13.4. РАННЕЕ И ПОЗДНЕЕ ПЕРЕХОДНОЕ СОСТОЯНИЕ

13.5. СТАДИЯ ОТЩЕПЛЕНИЯ ПРОТОНА

13.6. ОРИЕНТАЦИЯ ЭЛЕКТРОФИЛЬНОГО ЗАМЕЩЕНИЯ И РЕАКЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ ЗАМЕЩЕННЫХ БЕНЗОЛОВ

13.6.1. ИЗОМЕРНЫЕ s-КОМПЛЕКСЫ

13.6.2. КЛАССИФИКАЦИЯ ЗАМЕСТИТЕЛЕЙ

13.6. ОРИЕНТАЦИЯ КАК ОТРАЖЕНИЕ СВОЙСТВ s-КОМПЛЕКСА

13.6.4. ФАКТОРЫ ПАРЦИАЛЬНЫХ СКОРОСТЕЙ. ФАКТОРЫ СЕЛЕКТИВНОСТИ

13.6.5. ОРИЕНТАЦИЯ ЗАМЕЩЕНИЯ ПРИ НАЛИЧИИ НЕСКОЛЬКИХ ЗАМЕСТИТЕЛЕЙ

13.6.6. УРАВНЕНИЕ ГАММЕТА ДЛЯ РЕАКЦИЙ ЭЛЕКТРОФИЛЬНОГО АРОМАТИЧЕСКОГО ЗАМЕЩЕНИЯ. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ОБ ЭЛЕКТРОННЫХ ЭФФЕКТАХ

13.6.7. ОРИЕНТАЦИЯ КАК ОТРАЖЕНИЕ СВОЙСТВ ИСХОДНОГО АРЕНА

13.6.8.а. МОЛЕКУЛЯРНО-ОРБИТАЛЬНАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ОРИЕНТАЦИИ ЭЛЕКТРОФИЛЬНОГО АРОМАТИЧЕСКОГО ЗАМЕЩЕНИЯ

13.6.8.б. p-ДОНОРНЫЕ ЗАМЕСТИТЕЛИ

13.6.8.в. p-АКЦЕПТОРНЫЕ ЗАМЕСТИТЕЛИ

13.6.8.г. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ ВЗМО В МОНОЗАМЕЩЕННЫХ БЕНЗОЛАХ И ЕГО СВЯЗЬ С ОРИЕНТАЦИЕЙ

13.6.9. СООТНОШЕНИЕ ОРТО-/ПАРА-

13.7. ОСНОВНЫЕ РЕАКЦИИ ЭЛЕКТРОФИЛЬНОГО АРОМАТИЧЕСКОГО ЗАМЕЩЕНИЯ

13.7.1. НИТРОВАНИЕ

13.7.1.а. ПРИРОДА ЭЛЕКТРОФИЛЬНОГО АГЕНТА

13.7.1.б. ПЕРЕХОДНОЕ СОСТОЯНИЕ И СЕЛЕКТИВНОСТЬ НИТРОВАНИЯ

13.7.1.в. ИПСО - НИТРОВАНИЕ

13.7.1.г. МЕТОДЫ СИНТЕЗА НИТРОСОЕДИНЕНИЙ РЯДА БЕНЗОЛА

13.7.2. ГАЛОГЕНИРОВАНИЕ

13.7.3. АЛКИЛИРОВАНИЕ ПО ФРИДЕЛЮ-КРАФТСУ

13.7.3.a. КИНЕТИКА И МЕХАНИЗМ

13.7.3.б. РЕАКЦИИ АЛКИЛИРОВАНИЯ АРОМАТИЧЕСКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ В ОРГАНИЧЕСКОМ СИНТЕЗЕ

13.7.4. АЦИЛИРОВАНИЕ ПО ФРИДЕЛЮ-КРАФТСУ

13.7.5. ФОРМИЛИРОВАНИЕ АРОМАТИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

13.7.6. СУЛЬФИРОВАНИЕ

13.7.6.а. МЕХАНИЗМ СУЛЬФИРОВАНИЯ

13.7.6.б. СУЛЬФИРОВАНИЕ БЕНЗОЛА И ЕГО ПРОИЗВОДНЫХ

13.7.6.в. СВОЙСТВА АРЕНСУЛЬФОКИСЛОТ

Электрофильное замещение, несомненно, составляет самую важную группу реакций ароматических соединений. Вряд ли найдется какой-нибудь другой класс реакций, которые так детально, глубоко и всесторонне исследован как с точки зрения механизма, так и с точки зрения широкого применения в органическом синтезе. Именно в области электрофильного ароматического замещения впервые была поставлена проблема связи между структурой и реакционной способностью, которая является основным предметом изучения в физической органической химии.

Электрофильные агенты, которые мы будем для простоты обозначать символом Е⁺, хотя наличие заряда не обязательно, так как электрофил может быть и незаряженной электронодефицитной частицей (например, SO₃, Hg(OCOCH₃)₂ и т. п.), условно могут быть разделены на три группы: сильные, средней силы и слабые.

1. Сильные электрофилы

Ион нитрония (нитроил-катион) NO₂⁺, комплексы Cl₂ и Br₂ с различными кислотами Льюиса (FeCl₃, AlBr₃, AlCl₃, SbCl₅ и т. д.); H₂OCl⁺, H₂OBr⁺, RSO₂⁺, HSO₃⁺, H₂S₂O₇.

2. Электрофилы средней силы

Комплексы алкилгалогенидов и ацилгалогенидов с кислотами Льюиса (RCl·AlCl₃, RBr·GaBr₃, RCOCl·AlCl₃ и др.); комплексы спиртов с сильными кислотами Льюиса и Бренстеда (ROH·BF₃, ROH·H₃PO₄, ROH·HF).

3. Слабые электрофилы

Катионы диазония ArN⁺ºN, иминия CH₂=N⁺H₂, нитрозония (нитрозоил-катион) NO⁺, оксид углерода (IV) CO₂ (один из самых слабых электрофилов).

Сильные электрофилы взаимодействуют с соединениями ряда бензола, содержащими как электронодонорные, так и практически любые электроноакцепторные заместители. Электрофилы второй группы реагируют с бензолом и его производными, содержащими электронодонорные (активирующие) заместители или атомы галогенов (слабо дезактивирующие заместители), но обычно не реагируют с производными бензола, содержащими сильные дезактивирующие электроноакцепторные заместители (-NO₂, -SO₃H, -COR, -CN и др.). Наконец, слабые электрофилы взаимодействуют только с производными бензола, содержащими очень сильные электронодонорные заместители (+M)-типа (-OH, -OR, -NH₂, -NR₂, -O^- и др.).

Хотя такое деление довольно условно и между электрофилами разных групп нет резких границ, оно позволяет предварительно оценить перспективы планируемого превращения.

13.1. ТИПЫ МЕХАНИЗМА ЭЛЕКТРОФИЛЬНОГОАРОМАТИЧЕСКОГО ЗАМЕЩЕНИЯ

Теоретически для электрофильного замещения водорода в бензоле можно предположить два альтернативных механизма.

1. Одностадийное бимолекулярное замещения типа S_E2 (от английского substitution electrophilic bimolecular), в котором атака электрофила происходит синхронно с разрывом связи C - H:

Существенным в этом процессе является то, что ароматический секстет p-электронов бензола в ходе реакции сохраняется, и замещение происходит путем взаимодействия НСМО электрофила с ВЗМО связи С(ароматический) - Н:

В переходном состоянии образуется трехцентровая двухэлектронная связь между С, Н и тем атомом электрофила Е⁺, на котором плотность НСМО достаточно велика. Образование трехцентрового переходного состояния (I) не вызывает теоретических возражений. В самом деле, двухэлектронный трехцентровый фрагмент в этом переходном состоянии изоэлектронен ароматической p-системе циклопропенильного катиона, которая ароматична. Значит, переходное состояние (I) будет «ароматичным», т. е. не слишком высоким по энергии. Правда, «ароматичность» в данном случае не столь сильно выраженной, как для катиона циклопропенилия, поскольку ароматическую структуру образуют не p-орбитали, а С_sp2, Н_1s и НСМО электрофила. Но без учета пространственной направленности орбитали обе сравниваемые структуры эквивалентны.

2. Двухстадийная реакция присоединения - отщепления с промежуточным образованием аренониевого иона, называемого s-комплексом:

Такой механизм получил название S_E(Ar), т. е. S_E-аренониевый. В этом случае ароматическая шестиэлектронная в интермедиате исчезает и заменяется на нециклическую четырехэлектронную сопряженную систему пентадиенильного катиона (С=С-С=С-C⁺), а на второй стадии ароматическая система вновь восстанавливается в результате отщепления протона. Атака НСМО электрофила происходит не на s-орбитали связи, а на p-ВЗМО, поэтому взаимодействие граничных орбиталей можно представить двумя альтернативными схемами:

Однако в монозамещенных бензолах С₆Н₅Х вырождение снимается, например, в анилине или феноле ВЗМО имеет форму (а).

Строение аренониевых ионов (II) изображают различными способами:

Наиболее часто употребляется первая формула, которой мы и будем придерживаться. Однако другие приведенные формулы также полезны, так как они ясно показывают, что положительный заряд аренониевого иона в основном находится в орто- и пара- положениях к геминальному узлу (CHE) циклогексадиенильного катиона, и поэтому s-комплекс будет стабилизироваться донорными заместителями, находящимися в орто- и пара- положениях, гораздо лучше, чем донорными заместителями в мета-положении. Если переходное состояние медленной стадии электрофильного замещения похоже на аренониевый ион (см. 13.6.4), то (+М)-заместитель будет направлять электрофил в пара- и орто- положение, т. е. реакция будет региоселективной.

Первый механизм не реализуется, поскольку в большинстве реакций электрофильного ароматического замещения кинетический изотопный эффект водорода не наблюдался. Например, нитрование С₆Н₆, С₆D₆ и С₆Т₆ смесью азотной и серной кислот протекает с одинаковой скоростью. Скорости нитрования C₆H₅NO₂ и C₆D₆NO₂ практически не отличаются, тоже относится и к паре С₆Н₅Br/C₆D₅Br. Отсутствие кинетического изотопного эффекта означает, что протон отщепляется в быстрой стадии ступенчатого процесса. Следовательно, по крайней мере, для реакций нитрования синхронный механизм неприемлем, и, значит, надо принять второй механизм, в котором медленной стадией является образование аренониевого иона, а отщепление протона происходит быстро.

Однако не во всех реакций ароматического замещения изотопный эффект отсутствует. В некоторых случаях, например, в реакциях азосочетания, сульфирования, нитрозирования наблюдался отчетливо выраженный, а иногда значительный кинетический изотопный эффект. Но это не означает, что происходит принципиальное изменение механизма от ступенчатого к синхронному. Если медленной стадией механизма S_E(Ar) становится отщепление протона от s-комплекса, то кинетический изотопный эффект должен наблюдаться. Отсутствие кинетического изотопного эффекта водорода позволяет отвергнуть механизм (1), но наличие этого эффекта не позволяет отвергнуть механизм (2).

К рассмотрению кинетического изотопного эффекта в реакциях электрофильного ароматического замещения мы вернемся в разделе 13.5.

13.2. ЭЛЕКТРОФИЛЬНЫЙ ОБМЕН ВОДОРОДА В АРОМАТИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЯХ

Из двух возможных механизмов замещения под действием электрофильных агентов на основании экспериментальных исследований следует отдать предпочтение механизму присоединения – отщепления S_E(Ar). Этот механизм является универсальным для реакции любого субстрата с любым электрофилом, однако, в рамках единого механизма любая конкретная реакция имеет свои характерные отличия. Эти отличия связаны в первую очередь с тем фактом, что процесс S_E(Ar) включает ряд последовательных стадий, в простейшем cлучае - две: арен  аренониевый ион и аренониевый ион  продукт замещения. Поэтому наблюдаемая скорость в зависимости от конкретной реакции может быть связана со скоростью разных стадий или даже со скоростями обеих стадий.

Интермедиаты, возникающие в ходе реакции S_E(Ar), мы рассмотрим на примере простейшей реакции – изотопного обмена водорода в ароматических субстратах под действием различных галогеноводородных кислот, например:

Эта реакция характеризуется минимальными структурными изменениями, и обнаруженные в ней закономерности легко перенести на другие, более сложные реакции электрофильного замещения.

13.2.1. -Комплексы

При пропускании сухих газообразных HCl или DCl в раствор бензола, толуола, ксилолов или других полиалкилбензолов в н-гептане при –78^о С, удалось обнаружить образование молекулярных комплексов состава 1:1 (Г. Браун, 1952). Эти комплексы не окрашены, их растворы в ароматических углеводородах не электропроводны. При растворении газообразного DCl в бензоле, толуоле, ксилолах, мезитилене, пентамилбензоле не происходит обмена Н на D, т.е. реакция (13.1) не идет. Поскольку растворы комплексов не проводят электрический ток, они не являются ионными частицами, т.е. это не аренониевые ионы. Такие донорно-акцепторные комплексы получили название -комплексов. Как известно, арены являются -основаниями, поэтому они могут образовывать донорно-акцепторные комплексы с любыми кислотам Льюиса и с недиссоциированной молекулой DCl или HCl. Другие электрофильные агенты также могут образовывать -комплексы с ароматическими углеводородами ряда бензола, нафталина и др. Кристаллы комплексов бензола с бромом или хлором состава 1:1, согласно рентгеноструктурным данным, состоят из цепочек чередующихся молекул -донора (Cl₂, Br₂), в которых молекула галогена расположена перпендикулярно плоскости кольца вдоль оси, проходящей через его центр симметрии. Возможна и иная ориентация акцептора относительно ароматического ядра. Например, в комплексе бензола с перхлоратом серебра состава 1:1 каждый катион серебра координируется с двумя бензольными кольцами, располагаясь над и под углерод-углеродными связями С(1)-С(2) и С(4)-С(5):