Реакции электрофильного замещения
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:
<math>\mathsf{R\!\!-\!\!X+Y^+}\rightarrow\mathsf{R\!\!-\!\!Y+X^+}</math> (катионный электрофил)
<math>\mathsf{R\!\!-\!\!X+Y\!\!-\!\!Z}\rightarrow\mathsf{R\!\!-\!\!Y+X\!\!-\!\!Z}</math> (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.
Содержание
Реакции ароматического электрофильного замещения
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
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:
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:
<math>\mathsf{Cl\!\!-\!\!Cl + FeCl_3}\rightleftarrows\mathsf{Cl\!\!-\!\!Cl^+}\!\cdot\cdot\cdot\mathsf{FeCl_3^-}\rightleftarrows\mathsf{Cl^+FeCl_4^-}</math>
2. На втором этапе, собственно, и реализуется механизм SEAr:
Типичные реакции ароматического электрофильного замещения
1. Нитрование ароматических систем азотной кислотой в присутствии серной кислоты с получением нитросоединений:
Образование активной частицы[2]:
<math>\mathsf{HNO_3+2H_2SO_4}\rightarrow\mathsf{NO_2^++H_3O^++2HSO_4^-}</math>
| Скорость реакции = k*[ArH]*[NO2+] |
2. Сульфирование бензола с получением сульфокислоты:
Активной частицей в реакции является SO3.
3. Галогенирование бензола бромом, хлором или йодом приводит к образованию арилгалогенидов. Катализатором реакции выступает галогенид железа (III):
Образование активной частицы[2]:
<math>\mathsf{X_2+FeX_3}\rightarrow\mathsf{X^++FeX_4^-}</math>
| 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.
| Скорость реакции = k*[ArH]*[RX]*[AlCl3] |
Реакционная способность и ориентация в производных бензола
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][4]:
| 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:
Реакции алифатического электрофильного замещения
Реакции SE1
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):
<math>\mathsf{R\!\!-\!\!X}\rightleftarrows\mathsf{R^-+X^+}</math>
2. Электрофильная атака карбаниона (быстрая стадия):
<math>\mathsf{R^-+Y^+}\rightarrow\mathsf{R\!\!-\!\!Y}</math>
Чаще всего уходящей частицей в крайне редких реакциях SE1 является протон.
Реакции SE2
Механизм реакции SE2 или реакции бимолекулярного электрофильного замещения (англ. substitution electrophilic bimolecular ) аналогичен механизму SN2, происходит в одну стадию, без промежуточного образования интермедиата:
<math>\mathsf{R\!\!-\!\!X + Y^+}\rightarrow\mathsf{[Y}\cdot\cdot\cdot\mathsf{R}\cdot\cdot\cdot\mathsf{X]}\rightarrow\mathsf{R\!\!-\!\!Y + X^+}</math>
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:
Напишите отзыв о статье "Реакции электрофильного замещения"
Примечания
- ↑ 1 2 3 4 Mарч Дж. Органическая химия, пер. с англ., т. 2, — M.: Мир, 1988
- ↑ 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
- ↑ Травень В. Ф. Органическая химия, М.: ИКЦ «Академкнига», 2004. — ISBN 5-94628-068-6.
- ↑ Керри Ф, Сандберг Р. Углубленный курс органической химии: пер. с англ., в 2-х томах. — М.: Химия, 1981.
| ||||||||||||||||||||||||||
Отрывок, характеризующий Реакции электрофильного замещения
Он открыл глаза и поглядел вверх. Черный полог ночи на аршин висел над светом углей. В этом свете летали порошинки падавшего снега. Тушин не возвращался, лекарь не приходил. Он был один, только какой то солдатик сидел теперь голый по другую сторону огня и грел свое худое желтое тело.«Никому не нужен я! – думал Ростов. – Некому ни помочь, ни пожалеть. А был же и я когда то дома, сильный, веселый, любимый». – Он вздохнул и со вздохом невольно застонал.
– Ай болит что? – спросил солдатик, встряхивая свою рубаху над огнем, и, не дожидаясь ответа, крякнув, прибавил: – Мало ли за день народу попортили – страсть!
Ростов не слушал солдата. Он смотрел на порхавшие над огнем снежинки и вспоминал русскую зиму с теплым, светлым домом, пушистою шубой, быстрыми санями, здоровым телом и со всею любовью и заботою семьи. «И зачем я пошел сюда!» думал он.
На другой день французы не возобновляли нападения, и остаток Багратионова отряда присоединился к армии Кутузова.
Князь Василий не обдумывал своих планов. Он еще менее думал сделать людям зло для того, чтобы приобрести выгоду. Он был только светский человек, успевший в свете и сделавший привычку из этого успеха. У него постоянно, смотря по обстоятельствам, по сближениям с людьми, составлялись различные планы и соображения, в которых он сам не отдавал себе хорошенько отчета, но которые составляли весь интерес его жизни. Не один и не два таких плана и соображения бывало у него в ходу, а десятки, из которых одни только начинали представляться ему, другие достигались, третьи уничтожались. Он не говорил себе, например: «Этот человек теперь в силе, я должен приобрести его доверие и дружбу и через него устроить себе выдачу единовременного пособия», или он не говорил себе: «Вот Пьер богат, я должен заманить его жениться на дочери и занять нужные мне 40 тысяч»; но человек в силе встречался ему, и в ту же минуту инстинкт подсказывал ему, что этот человек может быть полезен, и князь Василий сближался с ним и при первой возможности, без приготовления, по инстинкту, льстил, делался фамильярен, говорил о том, о чем нужно было.
Пьер был у него под рукою в Москве, и князь Василий устроил для него назначение в камер юнкеры, что тогда равнялось чину статского советника, и настоял на том, чтобы молодой человек с ним вместе ехал в Петербург и остановился в его доме. Как будто рассеянно и вместе с тем с несомненной уверенностью, что так должно быть, князь Василий делал всё, что было нужно для того, чтобы женить Пьера на своей дочери. Ежели бы князь Василий обдумывал вперед свои планы, он не мог бы иметь такой естественности в обращении и такой простоты и фамильярности в сношении со всеми людьми, выше и ниже себя поставленными. Что то влекло его постоянно к людям сильнее или богаче его, и он одарен был редким искусством ловить именно ту минуту, когда надо и можно было пользоваться людьми.
Пьер, сделавшись неожиданно богачом и графом Безухим, после недавнего одиночества и беззаботности, почувствовал себя до такой степени окруженным, занятым, что ему только в постели удавалось остаться одному с самим собою. Ему нужно было подписывать бумаги, ведаться с присутственными местами, о значении которых он не имел ясного понятия, спрашивать о чем то главного управляющего, ехать в подмосковное имение и принимать множество лиц, которые прежде не хотели и знать о его существовании, а теперь были бы обижены и огорчены, ежели бы он не захотел их видеть. Все эти разнообразные лица – деловые, родственники, знакомые – все были одинаково хорошо, ласково расположены к молодому наследнику; все они, очевидно и несомненно, были убеждены в высоких достоинствах Пьера. Беспрестанно он слышал слова: «С вашей необыкновенной добротой» или «при вашем прекрасном сердце», или «вы сами так чисты, граф…» или «ежели бы он был так умен, как вы» и т. п., так что он искренно начинал верить своей необыкновенной доброте и своему необыкновенному уму, тем более, что и всегда, в глубине души, ему казалось, что он действительно очень добр и очень умен. Даже люди, прежде бывшие злыми и очевидно враждебными, делались с ним нежными и любящими. Столь сердитая старшая из княжен, с длинной талией, с приглаженными, как у куклы, волосами, после похорон пришла в комнату Пьера. Опуская глаза и беспрестанно вспыхивая, она сказала ему, что очень жалеет о бывших между ними недоразумениях и что теперь не чувствует себя вправе ничего просить, разве только позволения, после постигшего ее удара, остаться на несколько недель в доме, который она так любила и где столько принесла жертв. Она не могла удержаться и заплакала при этих словах. Растроганный тем, что эта статуеобразная княжна могла так измениться, Пьер взял ее за руку и просил извинения, сам не зная, за что. С этого дня княжна начала вязать полосатый шарф для Пьера и совершенно изменилась к нему.
– Сделай это для нее, mon cher; всё таки она много пострадала от покойника, – сказал ему князь Василий, давая подписать какую то бумагу в пользу княжны.
Князь Василий решил, что эту кость, вексель в 30 т., надо было всё таки бросить бедной княжне с тем, чтобы ей не могло притти в голову толковать об участии князя Василия в деле мозаикового портфеля. Пьер подписал вексель, и с тех пор княжна стала еще добрее. Младшие сестры стали также ласковы к нему, в особенности самая младшая, хорошенькая, с родинкой, часто смущала Пьера своими улыбками и смущением при виде его.
Пьеру так естественно казалось, что все его любят, так казалось бы неестественно, ежели бы кто нибудь не полюбил его, что он не мог не верить в искренность людей, окружавших его. Притом ему не было времени спрашивать себя об искренности или неискренности этих людей. Ему постоянно было некогда, он постоянно чувствовал себя в состоянии кроткого и веселого опьянения. Он чувствовал себя центром какого то важного общего движения; чувствовал, что от него что то постоянно ожидается; что, не сделай он того, он огорчит многих и лишит их ожидаемого, а сделай то то и то то, всё будет хорошо, – и он делал то, что требовали от него, но это что то хорошее всё оставалось впереди.
Более всех других в это первое время как делами Пьера, так и им самим овладел князь Василий. Со смерти графа Безухого он не выпускал из рук Пьера. Князь Василий имел вид человека, отягченного делами, усталого, измученного, но из сострадания не могущего, наконец, бросить на произвол судьбы и плутов этого беспомощного юношу, сына его друга, apres tout, [в конце концов,] и с таким огромным состоянием. В те несколько дней, которые он пробыл в Москве после смерти графа Безухого, он призывал к себе Пьера или сам приходил к нему и предписывал ему то, что нужно было делать, таким тоном усталости и уверенности, как будто он всякий раз приговаривал:
