Следовательно, 59% орто-изомера образуется по пути б, т.е. связано с орбительными коэффициентами и зарядами на атомах связей С(1)-С(2) (С(1)-С(6)) и С(3)-С(4) (С(4)-С(5)), а также с относительной термодинамической устойчивостью изомерных -комплексов (см. табл. 13.3).

Следует подчеркнуть, что в модели «атаки по связи» высокая доля орто-изомера в продукте реакции толуола по сравнению с пара-изомерами обусловлена орбитальным контролем на стадии первоначального связывания гидроксилирующего агента исходной молекулой арена. Обращение соотношения орто- и пара-изомеров при переходе от толуола к фторбензолу, имеющему аналогичную ВЗМО, объясняется различием зарядового и термодинамического (устойчивость изомерных -комплексов) факторов для реакций этих соединений. В исходных молекулах толуола и фторбензола заряды распределены не так, как плотность ВЗМО:

Очевидно, что орто-ипсо-атака электрофила в случае толуола предпочтительнее, чем в случае фторбензола.

Модель «атака по связи», по-видимому, более точна, чем модель «атака по атому», поскольку пустая орбиталь атакующего электрофила взаимодействует с ВЗМО арена, которая является связывающей, и, следовательно, максимальная -электронная плотность сосредоточена в межъядерной плоскости.

Теперь рассмотрим ориентацию при наличии сильных акцепторных заместителей. Для примера возьмем нитробензол. Как уже было сказано выше, нитробензол имеет две почти вырожденные верхние занятые орбитали (см. рис. 13.9). Электронная плотность на этих орбиталях распределена по атомам бензольного кольца следующим образом:

Разность энергий этих орбиталей составляет всего 0,7 ккал/моль, поэтому обе орбитали могут контролировать ориентацию, что усложняет анализ. Вначале мы сконцентрируем внимание на орбитали I, как на самой высшей занятой.

Электронная плотность на этой орбитали в мета- и орто-положениях одинакова (в ипсо- и пара-положениях равна нулю), однако в молекулу нитробензола электрофил вступает преимущественно в мета-положение. Например, для гидроксилирования и хлорирования нитробензола получены следующие данные:

Это связано с влиянием заряда.

Фактором, препятствующем орто-атаке, является меньшая термодинамическая устойчивость орто-комплекса по сравнению с соответствующим мета-комплексом (см. табл. 13.3). Следовательно, при атаке по связи С(2)-С(3) преимущественно должен образовываться мета-изомер:

При взаимодействии элеткрофила с орбиталью I пара-изомер или вообще не должен образовываться (так как плотность ВЗМО в пара-положении равна нулю), или должен получаться в результате перегруппировки мета-комплекса в пара-комплекс:

Такая перегруппировка термодинамически невыгода, поскольку пара-комплекс на 4 ккал/менее устойчив, чем мета-комплекс (при Е⁺=Н⁺; см. табл. 13.3). Этим можно объяснить, почему субстраты, имеющие -акцепторные функциональные группы (NO₂, COR, CN, SO₂R и т.д.), неизменно обладают более высокой реакционной способностью орто-положения по сравнению с пара-положением (например, при нитровании ацетофенона C₆H₅COCH₃ f_o/f_n = 6). пара-Изомер может образовываться также при участии в реакции орбитали II, где на пара-углеродном атоме плотность электронной плотности не равна нулю.

13.6.9. СООТНОШЕНИЕ ОРТО-/ПАРА-

При рассмотрении реакций электрофильного замещения в монозамещенных бензолах обычно ограничиваются сопоставлением мета- и пара-ориентации, так как на замещение в орто-положении могут оказывать сильное влияние пространственные факторы отталкивания между заместителями и вступающим электрофильным агентом. Например, факторы парциальных скоростей при нитровании алкилбензолов ацетилнитратом при 0 ^оС имеют следующие значения:

R в С₆H₅ CH₃ C₂H₅ CH(CH₃)₂ C(CH₃)₃

f_o 49,7 31,4 14,8 4,5

f_м 1,3 2,3 2,4 3,0

f_n 60,0 69,5 71,6 75,5

Факторы f_м и f_n изменяются относительно мало, однако фактор f_o при переходе от толуола к трет-бутилбензолу падает в 10 раз, что, несомненно, связано с увеличением объема алкильной группы.

Аналогично, чем больше объем электрофила, тем более затрудняется атака в орто-положение. Например, для алкилирования толуола по Фриделю-Крафтсу алкилбромидами в присутствии GaBr₃ отношение f_o/f_n меняется следующим образом:R в RBr СН₃ C₂H₅ СН(СН₃)₂ С(СН₃)₃

f_o/f_n 0,81 0,47 0,30 0,0

Однако пространственные препятствия далеко не всегда иг­рают существенную роль. Так, соотношение opmo-/napa- при нитровании галогенбензолов азотной кислотой в 67,5%-й H₂SO₄ возрастает в ряду F < С1 < Вr < I, т.е. с увеличением размеров ато­ма галогена:

Х в С₆H₅Х: F Cl Br I

% орто- 12 30 38 41

% пара- 87 70 62 59

орто-/пара- 0,14 0,43 0,60 0,69

Такую закономерность, по крайней мере отчасти, можно объяс­нить полярным эффектом галогенов. Чем более электроотрица­телен галоген, тем более будет дезактивировано орто-положение. На углеродном атоме в пара-положении такая дезактивация долж­на сказываться меньше.

Влияние природы электрофильного агента на соотношение орто-/пара- тоже нельзя свести к одним лишь пространствен­ным причинам. Например, при постепенном возрастании электроотрицательности ацилирующего агента увеличивается выход орто-ацилтолуола:

R орто- мета- пара- (%)

СН₃ 2 2 96

СlСН₂ 11 2 87

Cl₂CH 17 3 80

Увеличение числа атомов хлора могло бы уменьшить степень орто-атаки по стерическим причинам, но вместо этого наблюда­ется обратная картина.

Иногда количество орто-изомера оказывается больше удво­енного количества пара-изомера. Примером является реакция гидроксилирования толуола, где соотношение opmo-/napa- равно 3:1, т.е. гидроксилирующий агент легче всего вступает в про­странственно более затрудненное положение.

Таким образом, в отличие от соотношения мета- и пара-изомеров, которое относительно жестко определяется устойчивос­тью соответствующих -комплексов (если заместитель I рода, то образуется мало метa-изомера, а если заместитель II рода, то главным продуктом является мета-изомер), соотношение орто-и пара-изомеров очень изменчиво. Оно сильно зависит от при­роды субстрата, электрофильного агента и условий реакции.

Влияние природы заместителя Х в молекуле C₆Н₅X на соот­ношение орто-/пара- в данной конкретной реакции с одним и тем же электрофильным агентом в одинаковых условиях объяс­няется на основе метода молекулярных орбиталей и модели ме­ханизма образования -комплекса, который включает первона­чальную атаку электрофила не на отдельный атом углерода бензольного кольца, а «на -связь». Поскольку электрофил один и тот же, коэффициент, с которым входит его реакционный центр (например, атом N в NO₂⁺) в НСМО, постоянен для всех С₆Н₅Х. Постоянен также заряд на реагирующем атоме электрофила. При этих условиях в выражение для энергии возмущения граничных орбиталей арена и электрофила в качестве перемен­ных останутся лишь заряды и коэффициенты ВЗМО арена С₆Н₅Х. (зависящие от X).

Высшая занятая МО аренов с заместителями I рода обычно имеет узловую поверхность, проходящую через ребра С(2)-С(3) и С(5)-С(6), а с заместителями II рода - узловую поверхность, проходящую через атомы X, С(1) и С(4) (см. 13.6.9).

заместители I рода

заместители II рода

Таблица 13.7

Наблюдаемые и рассчитанные соотношения изомеров opmo-/napa- и мета-/пара-, образующихся при электрофнльном ароматическом замещении¹

Х в С6Н5Х	орто-/пара-		мета-/пара-
	эксперимент	расчет	эксперимент	расчет
1. Гидроксилирование: HOF + HF; 25 oС
СН3	4,14	4,14	0,30	0,20
F	0,52	0,52	0,0	0,14
С1	1,68	1,64	0,07	0,14
OCH3	1,51	1,57	0,10	0,003
NO2	37,7% орто-	31% орто-	63,3% мета-	69/0,0
2. Хлорирование: С12 + НСlO4 + AgCIO4 ; 25 oС
СН3	3,23	3,34	0,09	0,06
С1	0,58	0,58	0,02	0,03
OCH3	0,54	0,40	65,1% пара-	73,4% пара-
NO2	11,7	19,9% орто-	53,9	79% мета-
CN	8,0	24% орто-	25,5	80% мета-
СНО	5,3	22% орто-	10,9	78% мета-
CF3
3. Нитрованне: CH3COONO2 + BF3; 25oС
СН3	1,95	1,55	0,10	0,03
F	0,12	0,09	0,003	0,002
С1	0,46	0,59	0,01	0,01
ОСН3	0,39	0,30	0,02	76,7% пара-

Если X - заместитель I рода, то первоначальная атака электрофила осуществляется «по связи» 1-2 (1-6) или 3-4 (4-5).

Для заместителей II рода ВЗМО имеет иную симметрию, и поэтому преобладающей должна быть атака «по связи» 2-3 (5-6) с последующим образованием орто- и мета--комплексов (в со­ответствии с их термодинамической устойчивостью). Образова­ние значительных количеств пара-изомеров исключено, что под­тверждается экспериментальными исследованиями (ср. 13.6.9.г).

Рассмотренное методом ВЗМО соотношение изомеров при электрофильном замещении в монозамещенных бензолах, как видно из табл. 13.7, хорошо согласуется с экспериментом, что подтверждает правильность теории.

13.7. ОСНОВНЫЕ РЕАКЦИИ ЭЛЕКТРОФИЛЬНОГО АРОМАТИЧЕСКОГО ЗАМЕЩЕНИЯ

13.7.1. НИТРОВАНИЕ

Нитрование является механистическим прототипом всех ос­тальных реакций электрофильного ароматического замещения. Эта реакция находит широкое синтетическое применение, и ме­ханизм ее изучен наиболее подробно.

13.7.1.а. ПРИРОДА ЭЛЕКТРОФИЛЬНОГО АГЕНТА

Различные арены нитруются самыми разнообразными реаген­тами. Наиболее часто в качестве нитрующего агента используют азотную кислоту в смеси с серной кислотой или азотную кислоту в органических растворителях: уксусной кислоте, нитрометане и т.д. Из других реагентов следует упомянуть еще и соли нитрония (обычно NO₂⁺BF₄^- в тетраметиленсульфоне и CH₂Cl₂) и ацетилнитрат AcONO; (смешанный ангидрид, образующийся в резуль­тате реакции между азотной кислотой и уксусным ангидридом).