22.4: Електрофільна ароматична заміна

Сфера застосування та механізм

У цьому розділі нас в основному цікавлять реакції аренів, які передбачають атаку на атоми вуглецю ароматичного кільця. Ми не будемо зараз докладати про реакції замісних груп навколо кільця.

Основними типами реакцій за участю ароматичних кілець є заміщення, додавання та окислення. З них найбільш поширений тип - електрофільна заміщення. Короткий зміст більш важливих реакцій заміщення бензолу наведено на малюнку 22-7. Багато реагентів, які використовуються для досягнення цих замін, будуть знайомі вам у зв'язку з реакціями електрофільного приєднання до алкенів (наприклад\(\ce{Cl_2}\),\(\ce{Br_2}\),\(\ce{H_2SO_4}\), і\(\ce{HOCl}\); Розділ 10-3). Електрофільне додавання до алкенів та електрофільне ароматичне заміщення є полярними, ступінчастими процесами, і ключовим етапом для кожного є атака електрофілу на вуглець з утворенням катіонного проміжного продукту. Ми можемо представити цей тип реакції наступними загальними рівняннями, в яких атакуючий реагент представлений або формально як катіон\(\ce{X}^\ominus\), або як нейтральна, але поляризована молекула,\(\overset{\delta \oplus}{\ce{X}}\) —\(\overset{\delta \ominus}{\ce{Y}}\):

електрофільна ароматична заміна (перший крок)

електрофільне додавання до алкенів (перший крок)

Малюнок 22-7: Типові реакції заміщення бензолу.

Проміжний продукт, показаний для ароматичного заміщення, більше не має ароматичної структури; скоріше, це катіон з чотирма\(\pi\) електронами, делокалізованими над п'ятьма ядрами вуглецю, шостий вуглець насичений\(sp^3\) -гібридними зв'язками. Він може бути сформульований з точки зору наступних вносячих структур, які, як передбачається, сприяють суттєво однаково:

Важливість написання гібридної структури з частковими зарядами на цих трьох позиціях стане очевидною пізніше. Цей вид іона іменується \(\sigma\)комплексом або іоном бензолу.

Ароматичне кільце регенерується з цього катіонного проміжного продукту втратою протона з\(sp^3\) -гібридизованого вуглецю. Електронна пара цього\(\ce{C-H}\) зв'язку потім стає частиною ароматичної\(\pi\) -електронної системи і утворюється продукт заміщення бензолу.\(\ce{C_6H_5X}\)

електрофільне ароматичне заміщення (другий етап)

Посилення стабілізації, пов'язане з регенерацією ароматичного кільця, є досить вигідним, що це, а не поєднання катіону з\(\ce{Y}^\ominus\), як правило, є сприятливим перебігом реакції. У цьому полягає різниця між ароматичним заміщенням і додаванням алкенів. У випадку алкенів зазвичай немає значної резонансної енергії, яку можна отримати втратою протона з проміжного продукту, який, таким чином, має тенденцію реагувати комбінацією з нуклеофільним реагентом.

електрофільне додавання до алкенів (другий крок)

\[\overset{\oplus}{\ce{C}} \ce{H_2-CH_2X} + \ce{Y}^\ominus \rightarrow \ce{YCH_2-CH_2X}\]

Природа замінника

Важливо розуміти, що при ароматичному заміщенні фактичним електрофільним замінником,\(\overset{\oplus}{\ce{X}}\) або\(\overset{\delta \oplus}{\ce{X}}-\overset{\delta \ominus}{\ce{Y}}\), не обов'язково є реагентом, який додається в реакційну суміш. Наприклад, азотування в сумішах азотної та сірчаної кислот спричиняється не атакою молекули азотної кислоти на ароматичну сполуку, а атакою більш електрофільного виду - іона нітронію\(\ce{NO_2^+}\). Цей іон утворюється з азотної кислоти і сірчаної кислоти за наступним рівнянням:

\[\ce{HNO_3} + 2 \ce{H_2SO_4} \rightleftharpoons \ce{NO_2^+} + \ce{H_3O^+} + 2 \ce{HSO_4^-}\]

Іон нітронію атакує ароматичне кільце, щоб дати спочатку іон нітробензену, а потім ароматичну нітросполуку:

Загалом, функція каталізатора (який так часто необхідний для сприяння ароматичному заміщенню) полягає в генерації електрофільного замінника з заданих реагентів. Таким чином, необхідно ретельно продумати для кожної реакції заміщення, яким може бути фактичний замінник. Ця проблема не виникає в тій же мірі в електрофільних доповненнях до алкенів, тому що алкени настільки реактивні, ніж арени, що реагенти, які використовуються (наприклад,\(\ce{Br_2}\),,\(\ce{Cl_2}\),\(\ce{HCl}\)\(\ce{HOCl}\)\(\ce{HOBr}\),\(\ce{H_3O}^\oplus\)) самі по собі досить електрофільні, щоб реагувати з алкени без допомоги каталізатора. Насправді умови, що призводять до заміщення аренів, такі як нітровання в сумішах азотної та сірчаної кислот, часто погіршують вуглецевий скелет алкенів.

Тепер розглянемо окремі реакції заміщення, перераховані на малюнку 22-1, щодо природи замінника і корисності для синтезу різних класів ароматичних сполук.

нітровання

Іон нітронію є активним нітруючим агентом у сумішах азотної кислоти та сірчаної кислоти.\(\ce{NO_2^+}\) Нотування метилбензолу (толуолу) є типовим прикладом нітровання, яке добре протікає з використанням азотної кислоти в суміші 1:2 з сірчаною кислотою. Продукт нітровання являє собою суміш 2-, 3- і 4-нітрометилбензолів:

Наявність помітної кількості води в реакційній суміші згубно, оскільки вода має тенденцію до зворотного реакції, за допомогою якої утворюється іон нітронію:

\[\ce{NO_2^+} + \ce{H_2O} \overset{\ce{HSO_4^-}}{\rightleftharpoons} \ce{HNO_3} + \ce{H_2SO_4}\]

З цієї причини потенція суміші азотно-сірчаної кислоти може бути значно збільшена за рахунок використання димних азотних і димових сірчаних кислот. За допомогою таких сумішей може бути досягнуто нітровання відносно нереактивних сполук. Наприклад, 4-нітрометилбензол набагато менш реактивний, ніж метилбензол, але при нагріванні з надлишком азотної кислоти в диму сірчаної кислоти він може послідовно перетворюватися в 2,4-динітрометилбензол і в 2,4,6-тринітрометилбензол (ТНТ):

Є кілька цікавих особливостей щодо реакцій нітровання, які досі обговорюються. Наприклад, умови, необхідні для нітровання 4-нітрометилбензолу, швидко окислюють алкен шляхом розщеплення подвійного зв'язку:

Також мононітрація метилбензолу не призводить до рівних кількостях трьох можливих продуктів. Метиловий замінник, мабуть, орієнтує вхідний замісник переважно на позиції 2 та 4. Цей аспект ароматичної заміщення буде розглянуто в розділі 22-5 спільно з впливом замісників на реакційну здатність ароматичних сполук.

Деякі сполуки досить реактивні, що їх можна нітровувати азотною кислотою в етановій кислоті. Відповідними прикладами є 1,3,5-триметилбензол і нафталін:

Іншими зручними нітратними реагентами є бензоїлнітрат\(\ce{C_6H_5COONO_2}\), і етаноїл нітрат,\(\ce{CH_3COONO_2}\). Ці реагенти є джерелом\(\ce{NO_2^+}\) і мають певну перевагу перед\(\ce{HNO_3} \cdot \ce{H_2SO_4}\) сумішами в тому, що вони розчинні в органічних розчинниках, таких як етанонітрил або нітрометан. Наявність однорідних розчинів особливо важливо для кінетичних досліджень нітровання. Реагенти зазвичай готують у розчині за потребою з відповідного ацилхлориду та нітрату срібла або з кислотного ангідриду та азотної кислоти. Такі реагенти є небезпечними матеріалами і з ними потрібно поводитися з обережністю.

Солі нітронію типу\(\ce{NO_2^+} \ce{X^-}\) є дуже потужними нітруючими агентами. Контріон\(\ce{X^-}\), повинен бути ненуклеофільним і, як правило, є фторборатом,\(\ce{BF_4^-}\) або\(\ce{SbF_4^-}\):

галогенація

Певною мірою ми спростили електрофільне заміщення, нехтуючи можливою роллю комплексів передачі заряду 1:1, які більшість електрофілів утворюють з аренами (див. Розділ 10-3С для обговорення аналогічних комплексів алкенів):

З галогенами, особливо йодом, складне утворення візуально простежується за кольором розчинів галогену в аренах. Хоча утворення комплексу може сприяти заміщенню шляхом приведення галогену та арени в безпосередній близькості, заміщення не обов'язково відбувається. Зазвичай потрібен каталізатор, а каталізаторами, які найчастіше використовуються, є галогеніди металів, які здатні приймати електрони (тобто кислоти Льюїса\(\ce{FeBr_3}\), такі як\(\ce{AlCl_3}\), і\(\ce{ZnCl_2}\)). Їх каталітичну активність можна пояснити їх здатністю поляризувати галоген-галоген-зв'язок наступним чином:

\[\overset{\delta \oplus}{\ce{Br}} \cdots \overset{\delta \ominus}{\ce{Br}} \cdots \ce{FeBr_3}\]

Позитивний кінець диполя атакує ароматичну сполуку, тоді як негативний кінець комплексується каталізатором. Послідовність реакції ми можемо зобразити наступним чином, при цьому повільний крок є утворенням\(\sigma\) зв'язку між\(\ce{Br}^\oplus\) ароматичним кільцем:

Порядок реактивності галогенів становить\(\ce{F_2} > \ce{Cl_2} > \ce{Br_2} > \ce{I_2}\). Фтор занадто реактивний, щоб бути практичним для отримання ароматичних сполук фтору і необхідні непрямі методи (див. Розділ 23-10B). Йод зазвичай нереактивний. Встановлено, що йодування не вдається, оскільки реакція зворотна в результаті відновлювальних властивостей йодистого водню, який утворюється:

\[\ce{C_6H_6} + \ce{I_2} \overset{\rightarrow}{\longleftarrow} \ce{C_6H_5I} + \ce{HI}\]

Ця думка не є правильною, оскільки, як показав сам Кекуле, йодобензол не відновлюється водневою кислотою хіба що при досить високих температурах.

Спосіб досягнення прямого йодування при відсутності потужних активуючих груп замісників полягає в перетворенні молекулярного йоду в деякі більш активні види (можливо\(\ce{H_2OI}^\oplus\) або\(\ce{I}^\oplus\)) за допомогою окислювача, такого як азотна кислота або перекис водню:

\[\begin{align} \ce{I_2} + 4 \ce{HNO_3} &\rightarrow 2 \ce{H_2O-I^+} + 2 \ce{NO_2} + 2 \ce{NO_3^-} \\ \ce{I_2} + \ce{H_2O_2} + 2 \ce{H^+} &\rightarrow 2 \ce{H_2OI^+} \end{align}\]

При комбінаціях цього виду виходять хороші врожаї продуктів йодування:

Реакції заміщення галогенів хлором або бромом повинні проводитися з адекватним захистом від сильного світла. Якщо таких запобіжних заходів не вжити, алкілбензол швидко реагує з галогеном фотохімічним процесом, щоб замінити водень алкільної групи, а не ароматичного кільця. Реакція має світлоіндукований радикально-ланцюговий механізм такого роду, який обговорюється для хлорування пропену (Розділ 14-3A). Таким чином, метилбензол реагує з бромом при освітленні, щоб дати фенілметилбромід; але коли світло виключається і присутній каталізатор кислоти Льюїса, відбувається заміщення, щоб дати головним чином 2- і 4-бромметилбензоли. Набагато менше 3-бромметилбензолу утворюється:

Сам бензол може бути спонуканий додавати галогени при сильному опроміненні для отримання полігалоциклогексанів (див. Розділи 21-3А та 22-9С):

Алкілування

Важливий метод синтезу алкілбензолів використовує алкілгалогенід як алкілуючий агент і галогенід металу, як правило, хлорид алюмінію, як каталізатор:

Цей клас реакції називається алкілуванням Friedel-Crafts на честь його першовідкривачів, К.Фриделя (французький хімік) і Дж.М. Crafts (американський хімік). Металогалогенідний каталізатор функціонує так само, як і в реакціях галогенізації, щоб забезпечити джерело позитивного замінника, який в даному випадку є карбокатіоном:

Алкілування не обмежується алкілгалогенідами; спирти та алкени можуть бути використані для переваги в присутності кислих каталізаторів\(\ce{H_3PO_4}\), таких як\(\ce{H_2SO_4}\),\(\ce{HF}\),\(\ce{BF_3}\), або\(\ce{HF-BF_3}\). Етилбензол виготовляється комерційно з бензолу та етену, використовуючи фосфорну кислоту як каталізатор. Ізопропілбензол виготовляють аналогічно з бензолу і пропену:

У цих умовах карбокатіон, який є активним замінником, генерується протонацією алкену:

\[\begin{align} \ce{CH_2=CH_2} + \ce{H^+} &\rightleftharpoons \ce{CH_3CH_2^+} \\ \ce{CH_3CH=CH_2} + \ce{H^+} &\rightleftharpoons \ce{CH_3} \overset{+}{\ce{C}} \ce{HCH_3} \end{align}\]

За допомогою спиртів електрофіл може утворюватися початковим протонуванням кислотним каталізатором і подальшим розщепленням до карбокатіона:

Обмеження реакцій алкілування

Полізаміщення

Існує кілька факторів, які обмежують корисність реакцій алкілування. По-перше, може бути важко обмежити реакцію монозаміщення, оскільки введення одного алкілзамінника має тенденцію активувати кільце до другої заміщення (див. Розділ 22-5). Тому для отримання розумних врожаїв моноалкілбензолу зазвичай необхідно використовувати великий надлишок щодо алкілуючого агента:

Перестановка алкілуючого агента

Другим обмеженням є схильність до алкілуючого реагенту давати продукти перестановки. Як приклад, алкілування бензолу 1-хлорпропаном призводить до суміші пропілбензолу і ізопропілбензолу. Ми можемо записати реакцію як першу, пов'язану з утворенням пропілкатіона, який є первинним карбокатіоном:

\[\ce{CH_3CH_2CH_2Cl} + \ce{AlCl_3} \rightarrow \ce{CH_3CH_2CH_2^+} + \overset{-}{\ce{Al}} \ce{Cl_4}\]

Цей іон або може алкілювати бензол, щоб дати пропілбензол,

\[\ce{C_6H_6} + \ce{CH_3CH_2CH_2^+} \rightarrow \ce{C_6H_5CH_2CH_2CH_3} + \ce{H^+}\]

або він може перебудовуватися на більш стійкий вторинний іон шляхом перенесення водню з сусіднього вуглецю разом з його зв'язковою електронною парою (тобто зсувом 1,2-гідридів). Позитивний заряд тим самим передається від\(\ce{C_1}\) до\(\ce{C_2}\):

Алкілування бензолу ізопропілкатіоном потім виробляє ізопропілбензол:

\[\ce{C_6H_6} + \ce{CH_3} \overset{\oplus}{\ce{C}} \ce{HCH_3} \rightarrow \ce{C_6H_5CH(CH_3)_2} + \ce{H}^\oplus\]

Перестановки цього типу за участю проміжних продуктів карбокатів часто трапляються при алкілуваннях Фріделя-Крафтса з первинними та вторинними алкільними групами, більшими за\(\ce{C_2}\) і\(\ce{C_3}\). Пов'язані зміни карбокації обговорюються в розділах 8-9B та 15-5E.

перестановка виробів

Подальші ускладнення виникають через те, що реакції алкілування іноді знаходяться під контролем рівноваги, а не кінетичним контролем. Продукти часто ізомеризуються і непропорційні, особливо при наявності великої кількості каталізатора. Таким чином 1,2- і 1,4-диметилбензоли (орто - і пара-ксилоли) перетворюються великими кількостями каталізаторів Фріделя-Крафтса в 1,3-диметилбензол (мета -ксилол):

Етилбензол непропорційно під впливом надлишку\(\ce{HF-BF_3}\) бензолу і 1,3-діетилбензолу:

Ацилювання

Ацилювання і алкілування аренів тісно пов'язані між собою. Обидві реакції були розроблені в результаті співпраці між Фриделем та ремеслами в 1877 році. Реакція ацилювання вводить ацильну групу\(\ce{RCO}\), в ароматичне кільце і продукт являє собою арилкетон:

Зазвичай використовуються ацилюючі реагенти - галогеніди карбонової кислоти\(\ce{RCOCl}\)\(\ce{(RCO)_2O}\), ангідриди або сама кислота\(\ce{RCO_2H}\). Сильний протон або інший каталізатор Льюїса є важливим. Функції каталізатора для генерації ацильного катіону:

Каталізатором, який найчастіше використовується з ацилгалогенідами та ангідридами, є хлорид алюмінію:

Ацилювання відрізняється від алкілування тим, що реакція зазвичай проводиться в розчиннику, зазвичай сірковуглецю\(\ce{CS_2}\), або нітробензолі. Крім того, ацилювання вимагає більше каталізатора, ніж алкілування, оскільки більша частина каталізатора пов'язана і інактивується комплексним утворенням з кетоном продукту:

На відміну від алкілування, ацилювання контролюється легко, щоб дати монозаміщення, оскільки після приєднання ацильної групи до бензольного кільця неможливо ввести другу ацильну групу в те ж кільце. Через це з ацилювання починається зручний синтез алкілбензолів з подальшим відновленням карбонільної групи цинком і соляною кислотою (Розділ 16-6). Наприклад, пропілбензол найкраще готується цим двоступеневим шляхом, оскільки, як ми вже зазначали, пряме алкілювання бензолу пропілхлоридом дає значну кількість ізопропілбензолу та продуктів полізаміщення:

При ацилюванні алкілбензолу продуктом майже завжди є параізомер. Синтез (4- трет-бутилфеніл) етанону ілюструє це, а також послідовне використання реакцій алкілування та ацилювання:

Хіміки схильні давати назви реакцій, які пов'язують їх або зі своїми першовідкривачами, або з продуктами, які вони дають. Ця практика може бути заплутаною, оскільки багато названих реакцій (або «реакцій на ім'я»), які колись вважалися зовсім не пов'язаними, виявилися дуже схожими механізмами. Таким чином, у нас є дві тісно пов'язані реакції ацилювання: одна - це синтез кетону Фріделя-Крафтса, в якому знаходиться електрофіл\(\ce{R} \ce{-} \overset{\oplus}{\ce{C}} \ce{=O}\); а інша - синтез альдегіду Гаттерманна-Коха, в якому електрофіл\(\ce{H} \ce{-} \overset{\oplus}{\ce{C}} \ce{=O}\):

Остання реакція використовує чадний газ і\(\ce{HCl}\) під тиском в присутності хлориду алюмінію. Електрофіл можна вважати утвореним наступним чином:

\[\ce{C=O} + \ce{HCl} + \ce{AlCl_3} \rightleftharpoons \ce{H} \ce{-} \overset{\oplus}{\ce{C}} \ce{=O} + \overset{\ominus}{\ce{Al}} \ce{Cl_4}\]

Сульфонація

Заміна сірчанокислотної\(\left( \ce{-SO_3H} \right)\) групи на водень ароматичного вуглеводню може здійснюватися нагріванням вуглеводню з невеликим надлишком концентрованої або димлящейся сірчаної кислоти:

Фактичним сульфірующим агентом в нормі є\(\ce{SO_3}\) молекула, яка, хоча і нейтральна, має потужний електрофільний атом сірки:

Сульфонація оборотна і\(\ce{-SO_3H}\) група може бути видалена шляхом гідролізу при\(180^\text{o}\):

Корисний альтернативний препарат сульфонільних похідних можливий з хлорсульфоновою кислотою:

Ця процедура має перевагу перед прямим сульфонацією в тому, що сульфонілхлориди зазвичай розчинні в органічних розчинниках і можуть бути легко відокремлені від реакційної суміші. Також сульфонілхлорид є більш корисним проміжним продуктом, ніж сульфонова кислота, але при бажанні може бути перетворений в кислоту шляхом гідролізу:

Сульфонація важлива при комерційному виробництві важливого класу миючих засобів - алкілбензолсульфонатів натрію:

Синтез ілюструє кілька важливих типів реакцій, які ми обговорювали в цьому та попередніх розділах. По-перше, алкільна група\(\ce{R}\) зазвичай являє собою\(\ce{C_{12}}\) групу, отриману з прямоланцюгового вуглеводню, додекану, який при фотохлоруванні дає суміш хлорододеканів:

Ця суміш хлорододеканов використовується для алкілірованія бензолу, тим самим даючи суміш ізомерних додецилбензолів, званих миючим алкілатом:

Сульфонацію миючого алкілата дають виключно 4-додецилбензолсульфонові кислоти, які з гідроксидом натрію утворюють водорозчинні додецилбензолсульфонати:

У багатьох країнах законодавством заборонено продавати миючі засоби такого типу, які мають сильно розгалужені алкільні групи. Причина полягає в тому, що четвертинні вуглеці і, меншою мірою, третинні вуглеці не деградуються бактеріями на очисних спорудах:

водневий обмін

Можлива заміна кільцевих воднів багатьох ароматичних сполук шляхом обміну сильними кислотами. Коли використовується ізотопічно\(\ce{D_2SO_4}\) маркована кислота, така як, ця реакція є простим способом введення дейтерію. Механізм аналогічний іншим електрофільним замінникам:

Пердейтеріобензол\(^3\) може бути виготовлений з бензолу з хорошим виходом, якщо використовується досить великий надлишок дейтеріосірчаної кислоти. Повторення може здатися конкурентоспроможним із сульфонацією, але дейтерація насправді відбувається в набагато більш м'яких умовах.

Ароматичне заміщення електрофільним металюванням

Оскільки метали є електропозитивними елементами, їх можна вважати потенційними електрофілами. Їх реакції з аренами були досліджені найбільш ретельно на предмет ртуті. Бензол можна замінити\(\ce{HgX}^\oplus\) отриманою з ртутної солі\(\ce{HgX_2}\), в присутності кислотного каталізатора. Найбільш часто використовується сіль - етаноат ртуті,\(\ce{Hg(OOCCH_3)_2}\). Вважається, що каталізатор функціонує шляхом сприяння генерації активного електрофілу,\(\ce{HgX}^\oplus\). Інші метали, які можуть бути введені безпосередньо в ароматичне кільце таким чином, включають талій і свинець.

\(^3\)Префікс per, як і в perdeuterio- або perftuoro-, означає, що всі водні були замінені на названий замінник,\(\ce{D}\) або\(\ce{F}\). Perhydro означає насичений або повністю гідрогенізований.

Дописувачі та атрибуція

Template:ContribRoberts