Реакции электрофильного замещения

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Реакции электрофильного замещения (англ. substitution electrophilic reaction) — реакции замещения, в которых атаку осуществляет электрофил — частица, заряженная положительно или имеющая дефицит электронов. При образовании новой связи уходящая частица — электрофуг отщепляется без своей электронной пары. Самой популярной уходящей группой является протон H+.

Все электрофилы являются кислотами Льюиса.

Общий вид реакций электрофильного замещения:

(катионный электрофил)

(нейтральный электрофил)

Выделяют реакции ароматического (широко распространены) и алифатического (мало распространены) электрофильного замещения. Характерность реакций электрофильного замещения именно для ароматических систем объясняется высокой электронной плотностью ароматического кольца, способного притягивать положительно заряженные частицы.

Реакции ароматического электрофильного замещения играют крайне важную роль в органическом синтезе и широко используются как в лабораторной практике, так и промышленности.

Реакции ароматического электрофильного замещения[править | править код]

Для ароматических систем фактически существует один механизм электрофильного замещения — SEAr. Механизм SE1 (по аналогии с механизмом SN1) — встречается крайне редко, а SE2 (соответствующий по аналогии SN2) — не встречается вовсе[1].

Реакции SEAr[править | править код]

Механизм реакции SEAr или реакции ароматического электрофильного замещения (англ. Electrophilic aromatic substitution) является самым распространенным и наиболее важным среди реакций замещения ароматических соединений и состоит из двух стадий. На первом этапе происходит присоединение электрофила, на втором — отщепление электрофуга:

Электрофильное замещение

В ходе реакции образуется промежуточный положительно заряженный интермедиат (на рисунке — 2b). Он носит название интермедиат Уэланда, арениевый ион, арений-катион, или σ-комплекс. Этот комплекс, как правило, очень реакционноспособен и легко стабилизируется, быстро отщепляя катион.

Лимитирующей стадией в подавляющем большинстве реакций SEAr является первый этап.

Скорость реакции SEAr обычно представляется в следующем виде[2]:

 Скорость реакции = k*[ArX]*[E+]

В качестве атакующей частицы обычно выступают относительно слабые электрофилы, поэтому в большинстве случаев реакция SEAr протекает под действием катализатора — кислоты Льюиса. Чаще других используются AlCl3, FeCl3, FeBr3, ZnCl2.

В этом случае механизм реакции выглядит следующим образом (на примере хлорирования бензола, катализатор FeCl3)[3]:

1.На первом этапе катализатор взаимодействует с атакующей частицей с образованием активного электрофильного агента:

2. На втором этапе, собственно, и реализуется механизм SEAr:

SEAR-mechanism.png

Прямое электрофильное аминирование[править | править код]

Реакция прямого электрофильного аминирования ароматических углеводородов с получением ароматических аминов долгое время считалась неосуществимой. Над поиском условий такой реакции и её осуществлением трудились ряд химиков в течение многих лет, в том числе лауреат Нобелевской премии по химии Джордж Ола, однако безуспешно. В 2019 году российские ученые из Томского политехнического университета под руководством руководителя Научно-образовательного центра им. Н. М. Кижнера профессора В. Д. Филимонова впервые в мире осуществили реакцию прямого электрофильного аминирования ароматического ядра[4]. Томские исследователи доказали, что прямое аминирование аренов гидразойной кислотой идёт по классическому механизму SEAr, причём электрофилом является катион аминодиазония H2N3+ [5]. Особенность электронной структуры H2N3+ была описана с использованием нового метода трассировки молекулярных орбиталей. С помощью методов квантовой химии исследователи описали все стадии реакции прямого аминирования и нашли интермедиат — промежуточное соединение, через которое идёт реакция. Им оказалась соль аминодиазония. Скорость реакции прямого аминирования определяется ранним переходным состоянием между π- и σ- комплексами[5]. Российские химики показали, что по своему механизму реакция прямого аминирования аренов HN3 близка к реакциям нитрования и галогенирования, занимая промежуточное положение между ними[5]. Исследователи надеются, что открытая ими новая химическая реакция не только значительно облегчит получение исходного сырья для многих лекарственных препаратов и другой полезной продукции[6], но и подскажет химикам пути осуществления многолетней мечты — прямого синтеза анилина из бензола[7]. Результаты исследования опубликованы в журнале Chemistry Select[5]

Типичные реакции ароматического электрофильного замещения[править | править код]

1. Нитрование ароматических систем азотной кислотой в присутствии серной кислоты с получением нитросоединений:

BenzeneNitration.png

Образование активной частицы[2]:

 Скорость реакции = k*[ArH]*[NO2+]

2. Сульфирование бензола с получением сульфокислоты:

BenzeneSulfonation.png

Активной частицей в реакции является SO3.

3. Галогенирование бензола бромом, хлором или йодом приводит к образованию арилгалогенидов. Катализатором реакции выступает галогенид железа (III):

BenzeneHalogenation.png

Образование активной частицы[2]:

 Скорость реакции = k*[ArH]*[X2]*[FeX3]

4. Реакция Фриделя-Крафтса — ацилирование или алкилирование с использованием ацил- или алкилгалогенидов. Типичным катализатором реакции служит хлорид алюминия, но может использоваться любая другая сильная кислота Льюиса.

BenzeneFriedelCraftsAlkylation.png

 Скорость реакции = k*[ArH]*[RX]*[AlCl3]

Реакционная способность и ориентация в производных бензола[править | править код]

Заместители в бензольном кольце могут как способствовать реакции замещения (активирующие заместители), так и замедлять скорость реакции (дезактвирующие заместители). Некоторые группы ориентируют замещение в орто- и пара- положения, другие — в мета.

Влияние различных групп на реакционную способность объясняется устойчивостью, иначе говоря энергией активации, требующейся для получения трех возможных промежуточных интермедиатов[1].

Реакционная способность и ориентация различных групп в производных бензола[1][8]:

Положение Сильноактивирующие заместители Активирующие заместители Дезактивирующие заместители Сильно дезактивирующие заместители
орто- и пара- замещение OH, NH2, NHR, NRR' Ar, R, OR, NHCOR, OCOR, SR Cl, Br, I нет
мета- замещение нет нет CHO, COR, COOH, COOR, CCl3 NO2, CN, NH3+

В замещенных бензолах возможна так называемая ипсо-атака, то есть замещение имеющегося заместителя на другой:

Ipso-substitution.png

Реакции алифатического электрофильного замещения[править | править код]

Реакции SE1[править | править код]

Механизм реакции SE1 или реакции мономолекулярного электрофильного замещения (англ. substitution electrophilic unimolecular) аналогичен механизму SN1 включает следующие стадии:

1. Ионизация субстрата с образованием карбаниона (медленная стадия):

2. Электрофильная атака карбаниона (быстрая стадия):

Чаще всего уходящей частицей в крайне редких реакциях SE1 является протон.

Реакции SE2[править | править код]

Механизм реакции SE2 или реакции бимолекулярного электрофильного замещения (англ. substitution electrophilic bimolecular ) аналогичен механизму SN2, происходит в одну стадию, без промежуточного образования интермедиата:

Главное отличие от нуклеофильного механизма заключается в том, что атака электрофила может осуществляться как с фронта, так и с тыла, что в результате может привести к различному стереохимическому результату: как рацемизации, так и инверсии[1].

Примером может служить реакция кетонно-енольной таутомеризации:

Ketoenol2.png

Примечания[править | править код]

  1. 1 2 3 4 Mарч Дж. Органическая химия, пер. с англ., т. 2, — M.: Мир, 1988
  2. 1 2 3 Сайкс П. Механизмы реакций в органической химии, 4-е изд. / Пер. с англ.,под редакцией В. Ф. Травеня — M.: Химия, 1991 — ISBN 5-7245-0191-0
  3. Травень В. Ф. Органическая химия, М.: ИКЦ «Академкнига», 2004. — ISBN 5-94628-068-6.
  4. Российские химики нашли способ быстрого получения ароматических аминов. indicator.ru. Дата обращения 25 мая 2019.
  5. 1 2 3 4 Ksenia S. Stankevich, Alexander A. Bondarev, Anastasia K. Lavrinenko, Victor D. Filimonov. Mechanism of Direct Electrophilic Aromatic Amination: an Electrophile is Found by Quantum-Chemical Study (англ.) // ChemistrySelect. — 2019. — Vol. 4, iss. 10. — P. 2933–2940. — ISSN 2365-6549. — DOI:10.1002/slct.201803911.
  6. Ученые назвали механизм быстрого получения сырья для лекарств. Planet Today (20 Мая 2019 18:51).
  7. Ученые определили механизм быстрого получения сырья для лекарств и красителей. ТАСС. Дата обращения 25 мая 2019.
  8. Керри Ф, Сандберг Р. Углубленный курс органической химии: пер. с англ., в 2-х томах. — М.: Химия, 1981.