8.11: Кілька замісників - режисерські ефекти

\[An image of disubstituted benzenes.\]

Як ми бачили, нітробензол можна отримати шляхом обробки бензолу сумішшю азотної і сірчаної кислот. Якщо ця реакція проводиться при кімнатній температурі, виробляється нітробензол. Якщо реакційна суміш нагрівається, з часом виходить інший продукт. Поки є три можливих продукту (1,2- або 1,3- або 1,4-динітробензол) утворюється тільки 1,3-динітробензол (або мета -нітробензол). Крім того, він утворюється набагато повільніше і досить легко виділити тільки мононітропродукт.

Щоб зрозуміти, чому утворюється тільки один подальший продукт і чому швидкість другого заміщення повільніше (щоб йому потрібно більше енергії для подолання енергетичного бар'єру активації), давайте розглянемо сам нітробензол. Зверніть увагу, що позитивно заряджений азот прилягає до кільця. Ми можемо очікувати, що це видалить деяку електронну щільність з кільця, і це дійсно так. Ми можемо побачити цей ефект як у спектрах\(\mathrm{C-}\) 13, так і в\({}^{1}\mathrm{H}\) ЯМР, де піки зміщуються до нижнього поля. Нагадаємо, що всі\(\mathrm{H}\) сигнали бензолу з'являються в\(7.3\) той час як в нітробензолі ми бачимо, що не тільки є різні сигнали, але і що всі вони знаходяться в нижчому полі, ніж бензол. Є хімічно помітні водні в нітробензолі (2 орто, 2 мета і 1 пункт).

Найнижчий\({}^{2}\mathrm{H}\) дуплет поля в\(8.2 \mathrm{~ppm}\) відповідає орто\(\mathrm{H}\) s,\({}^{2}\mathrm{H}\) сигнал в\(7.6 \mathrm{~ppm}\) - це два мета\(\mathrm{H}\) s, а сигнал в\(7.5\) - пункт\(\mathrm{H}\). У спектрі\(\mathrm{C}-13\) ЯМР всі вуглеці в бензолі з'являються при\(128 \mathrm{~ppm}\). У нітробензолі вуглець\(\mathrm{C}-1\), пов'язаний з нітрогрупою, як ми могли очікувати, зміщений вниз\(148 \mathrm{~ppm}\) через його близькість до позитивно зарядженого азоту.

Докази показують нам, що нітробензол менш багатий електронами, ніж бензол - насправді він реагує з електрофілами в 10 000 разів повільніше, ніж бензол - але чому він виробляє лише один продукт на динітрації? Відповідь на це криється в будові проміжного сигма-комплексу. Якщо ви витягнете резонансні форми для реакції на орто, мета та пара-позиціях, стає зрозумілим, що мета позиція є єдиною, яка не (не може) розміщувати негативний заряд на вихідному нітро- заміщений вуглець. Як орто, так і паразаміщення дуже непридатні, оскільки ці проміжні продукти мають таку високу енергію (через сусідні позитивні заряди), і, отже, утворюється лише мета-продукт.

Нітрогрупи належать до класу замісників, які деактивують мета директорів. Іншими замінниками, які належать до цієї групи, є сульфонові кислоти (\(\mathrm{SO}_{3}\mathrm{H}\)) і будь-яка група з карбонілом поруч з кільцем (альдегіди, кетони, карбонові кислоти та похідні). Всі ці групи дестабілізуються, маючи позитивний заряд на сусідній вуглець.

Це має сенс тоді, що існує ще одна група замісників, які активують орто, для директорів. Наприклад, всі алкільні групи потрапляють до цієї класифікації, оскільки вони є електронними пожертвами індукції. Толуол (метилбензол) є найпростішим прикладом, і справді, коли ми нітратуємо толуол, ми бачимо суміш орто і парапродуктів, тому що зараз це проміжні сигма-комплекси, які можуть бути безпосередньо стабілізовані індукцією з метильної групи.

У цьому випадку продукти заміни орто і пара стабілізуються і виробляються переважно. Співвідношення продуктів приблизно 2:1 ortho до para (тому що є два можливі орто позиції). Дійсно, толуол можна нітрувати далі, поки всі орто і пара-позиції не будуть замінені, щоб дати 2,4,6-тринітротолуол, інакше відомий як тротил. ^[8]

Інша група орто, пара директорів - це замінники, які прикріплені до кільця\(\mathrm{O}\) або\(\mathrm{N}\) (тобто фенол) алкоксибензоли або анілін та його похідні. Хоча на перший погляд може здатися, що ці електронегативні атоми будуть відводити електрони шляхом індукції, ми знаємо, що вони також можуть пожертвувати електрони через резонанс з кільцем. Ми можемо побачити обидва режими роботи, якщо подивитися на докази\(\mathrm{C}-13\) ЯМР. \(\mathrm{C}-1\)з'являється при значно нижчому полі (\(158 \mathrm{~ppm}\)), ніж бензол (\(128 \mathrm{~ppm}\)), імовірно тому, що він безпосередньо прикріплений до відведення електронів\(\mathrm{O}\). Але орто- і паравуглеці з'являються на трохи вищому полі, ніж бензол, оскільки ці позиції збагачені в електронній щільності резонансом.

Насправді фенол більш реактивний, ніж бензол, і зупинити реакцію на стадії мононітровання важко. Знову ж таки, ми спостерігаємо суміш орто- і пара-продуктів, тому що перехідний стан на шляху до проміжного сигма-комплексу можна стабілізувати резонансом.

Як правило, будь-які похідні бензолу з самотньою парою, яка доступна для стабілізації проміжного продукту, буде орто, директор, включаючи анілін (і будь-які N-алкільовані аналоги) і анізол (метоксибензол). Сюди також входять сполуки, які мають самотню пару, яка повинна бути розділена між кільцем і карбонільною групою: наприклад, фенілові ефіри або аміди.

Існує ще одна класифікація напрямних груп: галогени аномальні тим, що вони деактивують орто, пара директорів. Галогени є електронегативними і виводять електрони з кільця шляхом індукції, тим самим знижуючи реактивність. Однак галогени також мають самотні пари, які можна використовувати для стабілізації позитивного заряду резонансом. Ефект резонансу не такий великий, як для\(\mathrm{N}-\) або\(\mathrm{O}-\) замінених кілець, але він все ще може працювати. Тому галозаміщені бензольні кільця, як правило, реагують повільніше, ніж бензол, але вони виробляють орто- і пара-продукти.

Кілька замісників: Хоча відносно легко передбачити положення заміни на однозаміщеному кільці (той, який ви вмієте робити), передбачити результат, коли їх два або більше часто стає проблематичним. Іноді обидва замінники будуть «вказувати» на одні й ті ж позиції. Наприклад, в р -нітрофенолі обидва і\(\mathrm{NO}_{2}\) направляють замінник в одне\(\mathrm{OH}\) і те ж положення, але в м -нітрофенолі вони направляють в різні положення, як показано на малюнку.

Тому іноді можна передбачити позицію третього замінника, але, найчастіше, це не так. Незалежно від цієї проблеми, більшість ароматичних реакцій заміщення мають потенціал для виробництва декількох продуктів, або тому, що утворюються як орто, так і пара-продукти, або тому, що продукт може бути більш реактивним, ніж реагент. Наприклад, будь-яку електрофільну ароматичну заміну, яка додає активуючу групу в кільце, може бути важко зупинитися на одній заміні. Алкілування Фриделя Crafts важко зупинити лише на одному алкілуванні. Насправді, замість того, щоб алкілювати кільце, часто краще ацилювати кільце з подальшим зменшенням ацильної групи. Існує ряд відновлювальних реагентів, які можуть приймати альдегід або кетон аж до алкільної групи: наприклад, як показано тут, зменшення Клемменсена включає амальгаму цинку-ртуті\(\mathrm{HCl}\).