Толуол бромная вода: С бромной водой взаимодействует каждое из двух веществ 1) этилен и бензол 2) толуол и…

Замечательная стабильность ненасыщенного углеводородного бензола обсуждалась в предыдущем разделе. Химическая реакционная способность бензола отличается от реакционной способности алкенов тем, что реакции замещения предпочтительнее реакций присоединения, как показано на следующей диаграмме (некоторые сопоставимые реакции циклогексена показаны в зеленой рамке).

Наблюдалось множество других реакций замещения бензола, пять наиболее полезных перечислены ниже (хлорирование и бромирование — наиболее распространенные реакции галогенирования). Поскольку реагенты и условия, используемые в этих реакциях, являются электрофильными, эти реакции обычно называют Электрофильная ароматическая замена . Катализаторы и сореагенты служат для создания сильных электрофильных частиц, необходимых для осуществления начальной стадии замещения. Конкретный электрофил, который, как считается, действует в каждом типе реакции, указан в правой колонке.

_{2 2}

Тип реакции	Типичное уравнение				Электрофил   E (+)
Галогенирование:	С 6 Н 6	+   Cl 2 & heat     FeCl 3 catalyst	—— >	C 6 H 5 Cl   +   HCl Chlorobenzene	Cl (+) or Br (+)
Нитрование:	C 6 H 6	+ HNO 3 и тепло     H 2 SO 4 катализатор	— — > 0224	C 6 H 5 NO 2   +   H 2 O Нитробензол	НЕТ 2 (+)
Сульфирование:	C 6 H 6	+   H 2 SO 4 + SO 3     & heat	—— >	C 6 H 5 SO 3 H   + H 2 O Бензолсульфокислота	SO 3 H (+)
Алкилирование: Фридель-Крафтс	C 6 H 6	+ R -CL & HEAT ALCL 3 Катализатор	—>	C H 927277727777777777777777777777727. 2 2 2 2 2 2 2 2	C . (+)
Ацилирование: Фридель-Крафтс	С 6 Н 6	+ RCOCl и тепло AlCl 3 катализатор	—— >	C 6 H 5 COR 9 кетон + 0 HCl 9019	РКО (+)

1. Механизм реакций электрофильного замещения бензола

Для этих реакций электрофильного замещения был предложен двухстадийный механизм. На первом, медленном или определяющем скорость, этапе электрофил образует сигма-связь с бензольным кольцом, образуя положительно заряженный промежуточный бензононий . На втором, быстром этапе из этого промежуточного соединения удаляется протон с образованием замещенного бензольного кольца. Следующая иллюстрация, состоящая из четырех частей, показывает этот механизм реакции бромирования. Также можно просмотреть анимированную диаграмму.

Этот механизм электрофильного ароматического замещения следует рассматривать в контексте с другими механизмами, включающими промежуточные карбокатионы. К ним относятся реакции S _N 1 и E1 алкилгалогенидов и реакции присоединения кислот Бренстеда к алкенам.

Подводя итог, можно ожидать, что при образовании промежуточных соединений карбокатионов они будут реагировать по одному или нескольким из следующих режимов:

1. Катион может связываться с нуклеофилом с образованием продукта замещения или присоединения.
2. Катион может переносить протон на основание с образованием двойной связи.
3. Катион может перегруппироваться в более стабильный карбокатион, а затем прореагировать по модулю №1 или №2.

S _N 1 и Е1 реакции являются соответствующими примерами первых двух режимов реакции. Вторая стадия реакций присоединения алкенов протекает по первому типу, и в любой из этих трех реакций может наблюдаться молекулярная перегруппировка, если образуется исходный неустойчивый карбокатион. Промежуточный карбокатион при электрофильном ароматическом замещении (ион бензония) стабилизируется за счет делокализации заряда (резонанс), поэтому он не подвергается перегруппировке. В принципе, он может реагировать либо по способу 1, либо по способу 2, но энергетическое преимущество реформирования ароматического кольца приводит к исключительной реакции по способу 2 (9).0455 т. е. потеря протонов).

2. Реакции замещения производных бензола

Когда замещенные соединения бензола подвергаются реакциям электрофильного замещения, описанным выше, необходимо учитывать две взаимосвязанные особенности:

I. Первая — это относительная реакционная способность соединения по сравнению с самим бензолом. Эксперименты показали, что заместители в бензольном кольце могут сильно влиять на реакционную способность.
Например, гидроксильный или метоксизаместитель увеличивает скорость электрофильного замещения примерно в десять тысяч раз, как показано на примере анизола в виртуальной демонстрации (выше). Напротив, нитрозаместитель снижает реакционную способность кольца примерно на миллион. это активация или дезактивация бензольного кольца в сторону электрофильного замещения может коррелировать с электронодонорным или электроноакцепторным влиянием заместителей, измеряемым молекулярными дипольными моментами. На следующей диаграмме мы видим, что электронодонорные заместители (синие диполи) активируют бензольное кольцо в направлении электрофильной атаки, а электроноакцепторные заместители (красные диполи) деактивируют кольцо (делают его менее реактивным к электрофильной атаке).

Влияние заместителя на реакционную способность бензольного кольца можно объяснить взаимодействием двух эффектов:

Первый индуктивный эффект заместителя. Большинство элементов, кроме металлов и углерода, имеют значительно большую электроотрицательность, чем водород. Следовательно, заместители, в которых атомы азота, кислорода и галогена образуют сигма-связи с ароматическим кольцом, вызывают индуктивный отвод электронов, что дезактивирует кольцо (левая диаграмма ниже).
Второй эффект является результатом сопряжения заместительной функции с ароматическим кольцом. Это конъюгативное взаимодействие облегчает передачу или удаление электронной пары к бензольному кольцу или от него способом, отличным от индуктивного сдвига. Если атом, связанный с кольцом, имеет одну или несколько несвязывающих пар электронов валентной оболочки, как азот, кислород и галогены, электроны могут течь в ароматическое кольцо за счет p-π-сопряжения (резонанса), как на средней диаграмме. Наконец, полярные двойные и тройные связи, сопряженные с бензольным кольцом, могут оттягивать электроны, как на правой диаграмме. Обратите внимание, что в резонансных примерах показаны не все вкладчики. В обоих случаях распределение заряда в бензольном кольце наибольшее в орто- и пара-позициях по отношению к заместителю.
В случае активирующих групп азота и кислорода, показанных в верхнем ряду предыдущей диаграммы, донорство электронов за счет резонанса доминирует над индуктивным эффектом, и эти соединения проявляют исключительную реакционную способность в реакциях электрофильного замещения. Хотя атомы галогенов имеют несвязывающие пары валентных электронов, которые участвуют в p-π-сопряжении, преобладает их сильный индуктивный эффект, и такие соединения, как хлорбензол, менее реакционноспособны, чем бензол. Три примера слева в нижнем ряду (на той же диаграмме) являются примерами отщепления электронов за счет сопряжения с полярными двойными или тройными связями, и в этих случаях индуктивный эффект еще больше усиливает дезактивацию бензольного кольца. Алкильные заместители, такие как метил, увеличивают нуклеофильность ароматических колец так же, как они действуют на двойные связи.

II. Второй фактор, который становится важным в реакциях замещенных бензолов, касается центра, в котором происходит электрофильное замещение. Поскольку монозамещенное бензольное кольцо имеет два эквивалентных орто-сайта, два эквивалентных мета-сайта и уникальный пара-сайт, при таком замещении могут образоваться три возможных структурных изомера. Если реакция протекает одинаково хорошо во всех доступных местах, ожидаемая статистическая смесь изомерных продуктов будет составлять 40% орто, 40% мета и 20% пара. Снова мы обнаруживаем, что природа заместителя существенно влияет на это соотношение продукта. Бромирование метоксибензола (анизола) происходит очень быстро и дает в основном пара-бромизомер, сопровождаемый 10% орто-изомера и лишь след мета-изомера. Бромирование нитробензола требует сильного нагревания и дает в качестве основного продукта мета-бромизомер.

Некоторые дополнительные примеры распределения изомеров продукта в других электрофильных заменах приведены в таблице ниже. Здесь важно отметить, что условия реакции для этих реакций замещения не одинаковы и должны быть скорректированы в соответствии с реакционной способностью реагента C ₆ H ₅ -Y. Например, высокая реакционная способность анизола требует, чтобы первые две реакции проводились в очень мягких условиях (низкая температура и небольшое количество катализатора или его отсутствие). Реагент нитробензол в третьем примере очень нереакционноспособен, поэтому для осуществления этой реакции необходимо использовать довольно жесткие условия реакции.

Эти наблюдения и многие другие подобные им побудили химиков сформулировать эмпирическую классификацию различных групп заместителей, обычно встречающихся в реакциях ароматического замещения. Таким образом, заместители, которые активируют бензольное кольцо в направлении электрофильной атаки, обычно направляют замещение в орто- и пара-положениях. За некоторыми исключениями, такими как галогены, дезактивирующие заместители замещают прямым замещением в мета-местоположении. Следующая таблица суммирует эту классификацию.

Информация, обобщенная в приведенной выше таблице, очень полезна для рационализации и предсказания хода реакций ароматического замещения, но на практике большинство химиков считают желательным понимать основные физические принципы, лежащие в основе этой эмпирической классификации. Мы уже проанализировали активирующие или дезактивирующие свойства заместителей с точки зрения индуктивных и резонансных эффектов, и эти же факторы можно использовать для объяснения их влияния на ориентацию замещения.
Первое, что нужно признать, это то, что пропорции орто-, мета- и паразамещения в данном случае отражают относительную скорость замещения в каждом из этих сайтов. Если мы используем нитрование бензола в качестве эталона, мы можем определить скорость реакции по одному из атомов углерода как 1,0. Поскольку в бензоле шесть эквивалентных атомов углерода, общая скорость будет равна 6,0. Если таким же образом исследовать нитрование толуола, трет-бутилбензола, хлорбензола и этилбензоата, то можно определить относительные скорости орто-, мета- и пара-центров в каждом из этих соединений. Эти относительные скорости показаны (выделены красным) на следующей иллюстрации, а общая скорость, указанная под каждой структурой, отражает отношение орто- и метасайтов к пара-положению 2:1. Общие относительные скорости реакции, отнесенные к бензолу как 1,0, рассчитываются путем деления на шесть. Очевидно, что алкильные заместители активируют бензольное кольцо в реакции нитрования, а хлорные и сложноэфирные заместители дезактивируют кольцо.

По таким данным скорости легко рассчитать пропорции трех изомеров замещения. Толуол дает 58,5% орто-нитротолуола, 37% пара-нитротолуола и только 4,5% мета-изомера. Увеличенная масса трет-бутильной группы препятствует атаке на орто-сайты, общая смесь продуктов включает 16% орто-, 8% мета- и 75% пара-нитропродукта. Хотя хлорбензол гораздо менее реакционноспособен, чем бензол, скорость орто- и пара-замещения значительно превышает скорость мета-замещения, что дает смесь продуктов, состоящую из 30% орто- и 70% пара-нитрохлорбензола. Наконец, сложный эфир бензойной кислоты давал преимущественно мета-нитропродукт (73%), сопровождаемый орто- (22%) и пара-изомерами (5%), как показывают относительные скорости. Эквивалентные исследования скорости и продукта для других реакций замещения приводят к аналогичным выводам. Например, электрофильное хлорирование толуола происходит в сотни раз быстрее, чем хлорирование бензола, но относительные скорости таковы, что продукты на 60% состоят из орто-хлортолуола, 39% пара и 1% мета-изомеров, соотношение аналогично наблюдаемому для нитрования.

То, как конкретные заместители влияют на ориентацию электрофильного замещения бензольного кольца, показано на следующей интерактивной диаграмме. Как отмечено на начальной иллюстрации, этап, определяющий продукт в механизме замещения, является первым этапом, который также является медленным или определяющим скорость этапом. Поэтому неудивительно, что существует грубая корреляция между повышающим скорость эффектом заместителя и его влиянием на сайт. Точное влияние данного заместителя лучше всего видно, если посмотреть на его взаимодействие с делокализованным положительным зарядом на промежуточных соединениях бензонония, образующихся при связывании с электрофилом в каждом из трех мест замещения. Это можно сделать для семи репрезентативных заместителей, используя кнопки выбора под диаграммой.

В случае алкильных заместителей стабилизация заряда наибольшая, когда алкильная группа связана с одним из положительно заряженных атомов углерода бензониевого промежуточного соединения. Это происходит только при орто- и пара-электрофильной атаке, поэтому такие заместители способствуют образованию этих продуктов. Интересно, что первичные алкильные заместители, особенно метильные, обеспечивают большую стабилизацию соседнего заряда, чем большее количество замещенных групп (обратите внимание на большую реакционную способность толуола по сравнению с трет-бутилбензолом).
Нитро (NO ₂ ), сульфокислота (SO ₃ H) и карбонильный (C=O) заместители имеют полный или частичный положительный заряд на атоме, связанном с ароматическим кольцом. Структуры, в которых одноименные заряды расположены близко друг к другу, дестабилизируются из-за отталкивания зарядов, поэтому эти заместители ингибируют орто- и паразамещение больше, чем метазамещение. Следовательно, мета-продукты преобладают, когда вынужденно происходит электрофильное замещение.
Галоген ( X ), OR и NR _{2 9Все заместители 0227 оказывают дестабилизирующий индуктивный эффект на соседний положительный заряд из-за высокой электроотрицательности атомов заместителей. Само по себе это способствовало бы метазамещению; однако все эти атомы-заместители имеют несвязывающие пары валентных электронов, которые служат для стабилизации соседнего положительного заряда за счет пи-связи, что приводит к делокализации заряда. Следовательно, все эти заместители ведут к прямому замещению на орто- и пара-сайты. Баланс между индуктивным отщеплением электронов и p-π-сопряжением таков, что заместители азота и кислорода оказывают общее стабилизирующее влияние на бензониевый промежуточный продукт и заметно увеличивают скорость замещения; тогда как заместители галогена оказывают общее дестабилизирующее влияние.}

3. Характеристики специфических реакций замещения

Условия, обычно используемые для обсуждаемых здесь реакций ароматического замещения, повторяются в таблице справа. Электрофильная реакционная способность этих различных реагентов различается. Мы находим, например, что нитрование нитробензола протекает гладко при 95 ºC, что дает мета-динитробензол, тогда как бромирование нитробензола (катализатор трехвалентного железа) требует температуры 140 ºC. Кроме того, как отмечалось ранее, толуол нитруется примерно в 25 раз быстрее, чем бензол, но хлорирование толуола происходит более чем в 500 раз быстрее, чем бензола. Отсюда можно заключить, что нитрующий реагент более реакционноспособен и менее селективен, чем галогенирующие реагенты.
Как сульфирование, так и нитрование дают воду в качестве побочного продукта. Это не оказывает существенного влияния на реакцию нитрования (обратите внимание на присутствие серной кислоты в качестве дегидратирующего агента), но сульфирование обратимо и завершается добавлением триоксида серы, который превращает воду в серную кислоту. Обратимость реакции сульфирования иногда полезна для удаления этой функциональной группы.
Реагент Фриделя-Крафтса для ацилирования обычно состоит из ацилгалогенида или ангидрида, смешанного с катализатором на основе кислоты Льюиса, таким как AlCl ₃ . Это дает катион ацилия RC≡O ⁽⁺⁾ или родственные ему виды. Такие электрофилы не являются исключительно реакционноспособными, поэтому реакция ацилирования обычно ограничивается ароматическими системами, которые по крайней мере так же реакционноспособны, как хлорбензол. Сероуглерод часто используют в качестве растворителя, так как он нереакционноспособен и легко удаляется из продукта. Если субстрат представляет собой очень реакционноспособное производное бензола, такое как анизол, сложные эфиры карбоновых кислот или кислоты могут быть источником ацилирующего электрофила. Некоторые примеры реакций ацилирования Фриделя-Крафтса показаны на следующей диаграмме. Первый показывает, что в качестве реагентов можно использовать необычные ацилирующие агенты. Второй использует ангидридный ацилирующий реагент, а третий иллюстрирует легкость реакции анизола, как отмечалось ранее. Н ₄ P ₂ O ₇ Реагент, используемый здесь, представляет собой ангидрид фосфорной кислоты, называемый пирофосфорной кислотой. Наконец, четвертый пример иллюстрирует несколько важных моментов. Поскольку нитрогруппа является мощным дезактивирующим заместителем, ацилирование нитробензола по Фриделю-Крафтсу не происходит ни при каких условиях. Однако присутствие второй сильно активирующей замещающей группы делает возможным ацилирование; место реакции является предпочтительным для обоих заместителей.

Общей характеристикой реакций галогенирования, нитрования, сульфирования и ацилирования является то, что они вводят дезактивирующий заместитель в бензольное кольцо. В результате нам обычно не приходится беспокоиться об образовании продуктов дизамещения. Алкилирование Фриделя-Крафтса, с другой стороны, вводит активирующий заместитель (алкильную группу), поэтому может иметь место более одного замещения. Если бензол необходимо алкилировать, как в следующем синтезе трет-бутилбензола, моноалкилированному продукту способствует использование большого избытка этого реагента. Когда молярное отношение бензола к алкилгалогениду падает ниже 1:1, основным продуктом становится пара-ди-трет-бутилбензол.

Электрофилы карбокатионов, необходимые для алкилирования, могут быть получены из алкилгалогенидов (как указано выше), алкенов + сильной кислоты или спиртов + сильной кислоты. Поскольку 1º-карбокатионы склонны к перегруппировке, обычно невозможно ввести 1º-алкильные заместители большего размера, чем этил, путем алкилирования Фриделя-Крафтса. Например, реакция избытка бензола с 1-хлорпропаном и хлоридом алюминия дает хороший выход изопропилбензола (кумола).

C ₆ H ₆ (большой избыток)+CH ₃ CH ₂ CH ₂ -CL+ALCL

6 3 —> C 6 2927777627. H 29276277 29276 29276 29276 29276 29276 29276 29276 29277 2

2

2 —> . ₃ ) ₂  +  HCl

Дополнительные примеры реакций алкилирования Фриделя-Крафтса показаны на следующей диаграмме.

Первый и третий примеры показывают, как алкены и спирты могут быть источником электрофильного карбокатионного реагента. Трифенилметильный катион, образующийся в третьем случае, относительно неактивен из-за обширной делокализации резонансного заряда и замещает только высокоактивированные ароматические кольца. Во втором примере показан интересный случай, когда в качестве алкилирующего агента используется полихлорреагент. Четырехкратный избыток четыреххлористого углерода используется, чтобы избежать триалкилирования этого реагента, процесса, который замедляется из-за стерических затруднений. Четвертый пример иллюстрирует плохую ориентационную селективность, часто встречающуюся в реакциях алкилирования активированных бензольных колец. Объемная трет-бутильная группа оказывается присоединенной к реакционноспособному мета -ксилоловое кольцо в наименее затрудненном участке. Это может не быть местом начального связывания, поскольку полиалкилбензолы перегруппировываются в условиях Фриделя-Крафтса ( параграф -дипропилбензол перегруппировывается в мета -дипропилбензол при нагревании с AlCl ₃ ).

Практической проблемой при использовании реакций электрофильного ароматического замещения в синтезе является разделение смесей изомеров. Это особенно справедливо для случаев орто-паразамещения, при котором часто образуются значительные количества второстепенного изомера. Как правило, преобладают пара-изомеры, за исключением некоторых реакций толуола и родственных алкилбензолов. Разделению этих смесей способствует тот факт, что пара-изомеры имеют значительно более высокие температуры плавления, чем их орто-аналоги; следовательно, фракционная кристаллизация часто является эффективным методом выделения.