Свойства аренов

Физические свойства. По температурам плавления и кипения арены обычно мало отличаются от других углеводородов с близкой молекулярной массой. Запах ароматических углеводородов плохо ассоциируется с понятием «аромат»: бензол, по выражению А.Гофмана, «пахнет стиранными перчатками», а запах нафталина не переносит не только моль. Как уже упоминалось, ароматические соединения имеют характерные особенности электронных, инфракрасных спектров и спектров ядерного магнитного резонанса; эти особенности позволяют достаточно легко обнаруживать ароматические структуры.

Стереохимия. Моноциклические, а также конденсированные би- и трициклические ароматические системы не могут образовывать стереоизомеров, т.к. они плоские и, следовательно, симметричные. Однако ситуация меняется в случае 2,6,2’,6’-тетразамещенных бифенилов (202’):

Если заместители имеют достаточно большой объём, то два бензольных кольца вынуждены располагаться во взаимно перпендикулярных плоскостях, а вращение вокруг ординарной связи между циклами невозможно из-за того, что при этом заместители задевали бы друг друга; таким образом, конформация соединения зафиксирована. При R¹R² и R³R⁴ молекула не имеет плоскости и центра симметрии и, следовательно, хиральна и может существовать в виде двух энантиомеров; переход между ними путем вращения невозможен. Таким образом, фиксированная конформация является в то же время пространственной конфигурацией. Данный вид стереоизомерии называют атропоизомерией. Типичным примером атропоизомерии является стереоизомерия 2,2’,6,6’-динитродифеновых кислот [(202’) R¹=R³=NO₂, R²=R⁴=COOH]; были получены оптически активные энантиомеры этих кислот.

Химические свойства аренов

Для аренов в еще большей мере, чем для сопряженных диенов, характерно сочетание повышенной термодинамической стабильности и высокой реакционной способности. Делокализованная, но в тоже время высокоподвижная, легко поляризуемая π-электронная структура бензольного ядра («ароматический секстет») достаточно легко координируется с различными реагентами, после чего следуют химические реакции.

Реакции аренов весьма многообразны. Целесообразно разделить их на следующие группы:

I. Реакции электрофильного замещения в ароматическом ядре;

II. Реакции присоединения к ароматическому ядру;

III. Реакции боковых цепей, связанных с ароматическими ядрами;

IV. Реакции окисления и восстановления.

I.6.2.1. Реакции электрофильного замещения в ароматическом ядре.

Этот тип реакций является, пожалуй, наиболее специфическим для аренов; склонность именно к этому типу реакций является одним из важнейших признаков ароматичности. Синтетическое значение этих реакций огромно – они позволяют как наращивать углеродный скелет, так и вводить в ароматические ядра разнообразные функциональные группы. Неудивительно, что реакции ароматического электрофильного замещения относятся к наиболее хорошо изученным типам органических реакций.

Общий обзор.

Рассмотрим эти реакции вначале на примере простейшего арена – бензола.

Обладая легко поляризуемой «мягкой» системой π-электронов, бензол склонен к координации с электронодефицитными (электрофильными) реагентами; далее пара электронов из этого секстета используется для образования ковалентной связи с реагентом. В этом отношении бензол аналогичен алкенам. Однако конечный итог реакции здесь в большинстве случаев иной, нежели для алкенов: реакция заканчивается не присоединением к двойной связи, как для алкенов, а замещением атома водорода на электрофильный фрагмент:

Причина здесь достаточно очевидна: в случае присоединения (путь 2) разрушается ароматическая структура, т.е. теряется стабилизация молекулы; напротив, в случае замещения (путь 1) ароматическая структура сохраняется; таким образом, замещение энергетически более выгодно, чем присоединение.

Механизм электрофильного замещения в ароматическом ядре.

Реакция электрофильного ароматического замещения включает две основных стадии. На первой стадии происходит электрофильная атака на бензольное ядро и электрофильная частица присоединяется к ядру:

При этом образуется катионный интермедиат (211), который называют σ-аддуктом или σ-комплексом; другие названия – интермедиат Уэланда, а также, пожалуй, наиболее точное название – аренониевый ион (для бензола – бензолониевый ион). Все же наиболее часто употребляется термин σ-комплекс, хотя, строго говоря, это не комплекс.

Данный интермедиат является сопряженным карбокатионом, где положительный заряд делокализован по трем положениям –двум орто-положениям и пара-положению к присоединившейся группе Х [(резонансные структуры (211’), (211’’), (211’’’), резонансный гибрид, изображенный формулой (211а); часто используется изображение σ-аддукта формулой (211b)].

На второй стадии от интермедиата (211) отщепляется протон; отщеплению протона способствует отрицательно заряженная частица Y‾, выполняющая роль основания; образуется продукт замещения (212):

В значительном большинстве случаев реакции контролируются кинетически.

Скоростьопределяющей (лимитирующей) стадией является, как правило, первая; поэтому скорость реакции зависит в первую очередь от устойчивости интермедиата - σ -комп- лекса (σ -аддукта).

Образованию σ- аддукта часто предшествует образование π-комплекса арена с электрофильной частицей:

В этом отношении ситуация аналогична электрофильному присоединению к алкенам. Далее π-комплексы медленно превращаются в σ-аддукты. Образование π-комплексов в ряде случаев строго доказано. Однако их образование не является скоростьопределяющей стадией; поэтому при дальнейшем обсуждении основное внимание будет уделяться σ-аддуктам.

Реакции электрофильного замещения весьма многообразны. Рассмотрим некоторые наиболее важные из них – на примере бензола:

Реакция 1 – изотопный обмен водорода (дейтерирование). Реакция протекает при действии на арен дейтерированных сильных кислот, например D₂SO₄ или DBF₄. Роль электрофильной частицы, естественно, выполняет дейтерон D⁺ (если рассматривать приведенные реакции как частные случаи приведенной выше общей схемы электрофильного замещения, то в данном случае Х⁺=D⁺) Можно заместить на дейтерий один атом водорода или более – вплоть до полного дейтерирования арена. Поскольку в качестве второго продукта реакции образуется также сильная кислота (например, DHSO₄), реакция обратима. Данная реакция не имеет особого синтетического значения, однако она очень полезна для исследования закономерностей протекания реакций электрофильного замещения: данная реакция является простейшей среди реакций электрофильного замещения и, к тому же, очень удобна для кинетических исследований.

Все последующие реакции исключительно широко используются в синтетической практике.

Реакция 2 – нитрование. Оно протекает при действии на арены азотной кислоты и некоторых других нитрующих реагентов; для нитрования бензола и ряда других аренов нитрование обычно проводят под действием смеси конц. НNO₃ и конц. H₂SO₄ (“нитрующей смеси”). В роли электрофильной частицы выступает нитроний-катион NO₂⁺ . Этот катион образуется в нитрующей смеси при взаимодействии азотной и серной кислот:

П ри этом взаимодействии серная кислота выполняет роль кислоты Бренстеда, а азотная – основания Бренстеда – она присоединяет протон с образованием протонированной формы (213); последняя распадается с образованием молекулы воды и нитроний-катиона. Образующийся из серной кислоты гидросульфат-анион HSO₄‾ помогает уходу протона из σ-комплекса на второй стадии; таким образом, в общей схеме электрофильного замещения для данного случая X⁺ = NO₂⁺, Y‾ = HSO₄‾.

То, что нитроний-катион действительно может выступать в роли электрофильной частицы, доказано тем, что устойчивые соли нитрония, такие, как борфторид нитрония NO₂⁺ BF₄‾, являются хорошими нитрующими реагентами для аренов.

Продуктами реакции нитрования являются ароматические нитросоединения (для бензола – нитробензол).

Реакция 3 – сульфирование. Реакция замещения водорода на сульфогруппу – сульфирование – происходит при действии на арены концентрированной или дымящей H₂SO₄, еще быстрее – при действии SO₃. Изучение механизма этой реакции связано с рядом трудностей; считается, что электрофильной частицей здесь является триоксид серы SO₃ или протонированный триоксид серы ⁺SO₃Н. Последний образуется при взаимодействии двух молекул серной кислоты:

Д анное превращение вполне аналогично схеме образования нитроний-катиона. Таким образом, для сульфирования в данном случае Х⁺ = ⁺SO₃H, Y‾= HSO₄‾. Сульфирование, в отличие от нитрования (и последующих реакций), заметно обратимо, что в некоторых случаях отражается на результате реакции.

Продуктами реакции являются аренсульфокислоты (для бензола – бензолсульфокислота).

Реакция 4 – галогенирование в ядро. Наиболее распространенный вариант проведения реакции - действие галогенов в присутствии катализаторов. Наиболее типичные катализаторы – галогениды железа или алюминия:

П рактически чаще всего используют галогены в присутствии железа; галогенид железа образуется непосредственно в реакционной смеси по реакции железа с галогеном. Роль галогенида металла – поляризация молекулы галогена и последующее образование комплексного соединения (215); оно содержит галоген-катион, который и является электрофильной частицей; таким образом, в данном случае Х⁺ = Hal⁺, Y‾ = [FeHal₄]‾

В качестве галогенов в данном варианте используют только хлор и бром. Фторирование аренов связано с большими трудностями из-за слишкой высокой реакционной способности фтора; для введения атомов фтора в арены предпочитают использовать не прямое фторирование, а другие методы – один из них будет рассмотрен в разделе «Диазосоединения». Иод, напротив, мало активен; для иодирования аренов применяют смесь иода с окислителем (HNO₃, HIO₃, HgO и др.). Механизмы окислительного иодирования выяснены недостаточно; не вполне ясно, что здесь является электрофилом.

Продуктами галогенирования в ядро являются ароматические галогенпроизводные.

Во всех рассмотренных выше реакциях возникала связь углерод – элемент. В следующих двух реакциях образуется связь углерод-углерод, т.е. происходит наращивание углеродного скелета.

Реакция 5 – Алкилирование ароматического ядра; реакцию часто называют алкилированием по Фриделю-Крафтсу (по именам французского химика Ш. Фриделя и американского химика Д. Крафтса, впервые исследовавших эту реакцию). Здесь электрофильными частицами являются карбокатионы (алкил-катионы) R⁺. Для их генерирования можно использовать несколько вариантов; эти варианты лежат в основе нескольких методов алкилирования:

А. В качестве алкилирующих реагентов используются алкилгалогениды

R -Hal в присутствии катализаторов - неорганических кислот Льюиса: АlCl₃, FeCl₃, TiCl₄ и др.; наиболее широко используется самый активный из этих катализаторов – безводный хлорид алюминия. При взаимодействии алкилгалогенида и катализатора происходит поляризация связи С-Hal и образование комплексного соединения (216), включающего карбокатион:

Таким образом, в этом варианте X⁺ = R⁺, Y‾ = [AlCl₄]‾.

Б. В качестве алкилирующих реагентов используют спирты; в качестве катализаторов здесь удобно использовать протонные кислоты (например, серную); карбокатион здесь генерируется по схеме:

К ислота протонирует спирт по неподеленной паре атома кислорода с образованием оксониевой соли (217); от оксониевого катиона отщепляется вода с образованием карбокатиона R⁺. В данном варианте Х⁺ = R⁺, Y‾ = HSO₄‾.

В. В качестве алкилирующих реагентов используют алкены, в качестве катализаторов – протонные кислоты . Протон кислоты присоединяется к связи С=С, генерируя карбокатион (см. описанную ранее первую стадию электрофильного присоединения реагентов типа НХ к алкенам):

В случае несимметрично замещенных алкенов в соответствии с правилом Марковникова образуется более замещенный карбокатион.

На практике применяются все три рассмотренных варианта. В результате алкилирования в ароматические ядра вводят боковые цепи (алкильные группы) - образуются гомологи исходных аренов. Практическое проведение реакций алкилирования часто связано с рядом сложностей; некоторые из них будут рассмотрены ниже.

Реакция 6 – ацилирование ароматического ядра (ацилирование по Фриделю-Крафтсу). Итог данной реакции – замещение атома водорода в ароматическом ядре на ацильную группу (RCO). [Это – первый в данном курсе пример реакций ацилирования. Данный тип реакций чрезвычайно важен в органической и биоорганической химии (особенно ацилирование гидрокси- и аминосоединений)]

Как правило, данная реакция протекает при действии на арены хлорангидридов карбоновых кислот в присутствии безводного хлорида алюминия в качестве катализатора. Механизм ацилирования до конца не выяснен; вероятно, электрофильной частицей здесь является ацил-катион RCO⁺; его образование аналогично генерации алкил-катиона при алкилировании по варианту А:

Д анная реакция препаративно более удобна, чем алкилирование. Продуктами реакции при RН являются ароматические кетоны. Частный случай ацилирования – получение ароматических альдегидов (R=Н), т.е. замещение водорода на группу СНО (формильную группу); этот случай называют формилированием аренов. Исходя из общей схемы, здесь ацилирующим (формилирующим) реагентом должен быть хлорангидрид муравьиной кислоты НСО-Сl. Однако этот хлорангидрид неустойчив – при попытке его получения он разлагается на СО и НCl. Для формилирования аренов используют смесь CO и HCl в присутствии AlCl₃ и CuCl; этот вариант называют синтезом Гаттермана-Коха:

Реакции 2-6 являются важнейшими реакциями аренов. Их значение определяется тем, что продукты данных реакций сами по себе имеют большое практическое значение, а кроме того, исходя из них можно получать другие классы ароматических соединений, вводить практически любые функциональные группы. В частности, из ароматических нитросоединений получают ароматические амины, а из последних – многие другие классы; из сульфокислот получают фенолы и ароматические нитрилы и т.д.

Известно большое число других реакций электрофильного ароматического замещения, в частности, хлорметилирование, нитрозирование, азосочетание, конденсация с карбонильными соединениями и др. Ряд таких реакций будет рассмотрен позднее.

Реакционная способность (активность) и селективность при электрофильном замещении. Правила ориентации.

В приведенном выше общем обзоре реакции электрофильного замещения рассматривались для простейшего арена – бензола, причем на примере замещения одного атома водорода. Гораздо более общим случаем является электрофильное замещение в соединениях, где ароматическое ядро уже содержит заместители – углеводородные радикалы и (или) функциональные группы.

Частный случай – замещение двух и более атомов водорода в ходе электрофильной реакции.

В данной ситуации необходимо рассмотреть, как влияет заместитель в ядре (Z) на протекание реакции электрофильного замещения. Необходимо знать:

А. Влияние заместителя на реакционную способность ( скорость реакций).

Б. Влияние заместителя на региоселективность и регионаправленность реакции; иначе говоря – в какое положение (или в какие положения) – o-, m- или p- - направляет уже имеющийся заместитель вновь вступающую группу.

Для оценки влияния заместителя прежде всего рассмотрим наиболее типичный случай – реакции электрофильного замещения контролируются кинетически, лимитирующей стадией является первая - образование σ-аддукта.

В этом случае решающее значение для протекания реакции имеет устойчивость интермедиата - σ-аддукта. Поэтому оценка влияния заместителя Z сводится к тому, как он влияет на устойчивость σ -аддукта.

А. Влияние на скорость. σ-Аддукт является катионом и, следовательно, стабилизируется электронодонорными группами и дестабилизируется электроноакцепторными. Поэтому электронодонорные заместители ускоряют реакции электрофильного замещения, электроноакцепторные – замедляют.

Б. Влияние на региоселективность и регионаправленность.

Реакции электрофильного замещения в ароматическом ядре, как правило, являются региоселективными, т.е. находящиеся в ядре заместители ориентируют вновь вступающие группы в определенные положения. По характеру ориентации заместители разделяются на два типа:

Ориентанты первого рода (заместители первого рода) ориентируют входящую группу в орто- и пара-положения (орто-, пара- ориентанты).

Ориентанты второго рода (заместители второго рода) ориентируют входящую группу в мета-положение (мета-ориентанты):

К ориентантам первого рода относятся:

А. Заместители, обладающие положительным индуктивным (+I)-эффектом

Б. Заместители, обладающие положительным мезомерным (+М)-эффектом – независимо от знака индуктивного эффекта.

А. Наиболее типичные +I- заместители – алкильные группы. Их o-,р- ориентирующее действие становится ясным из сравнения устойчивости σ-аддуктов при о- или р-ориентации с одной стороны и при m-ориентации – с другой. Лимитирующая стадия реакции выглядит следующим образом:

Рассмотрение резонансных структур σ-аддуктов показывает, что при о- и р-ориентациях одна из резонансных структур обладает повышенной устойчивостью [соответственно (218’) и (219’)], потому что в ней катионный центр связан непосредственно с донорным заместителем, следовательно, заряд в ней компенсирован в наибольшей степени. При m-ориентации таких структур нет. Поэтому σ-аддукты (218) и (219) устойчивее σ-аддукта (220); следовательно, о- и р-ориентация имеют преимущество по сравнению с m-ориентацией.

Алкильные группы, являясь донорами электронов, ускоряют реакции электрофильного замещения по сравнению с соответствующими реакциями бензола. Поскольку +I-эффект алкильных групп невелик, эти группы не относятся к сильным «активаторам» бензольного ядра; однако в ряде случаев и их присутствия достаточно для значительного облегчения протекания реакций электрофильного замещения: например, введение трех нитрогрупп в бензол связано с большими сложностями, в то время как в толуол они вводятся значительно проще.

Б. Еще более очевидно о-, р-ориентирующее действие заместителей с +М- эффектом. Рассмотрим образование σ-аддукта в случае, когда заместитель в субстрате имеет неподеленную электронную пару, например, Z= ОR:

В случаях о- и р-ориентации при образовании σ-аддукта появляется дополнительная резонансная структура [соответственно (221’’) и (222’’) – за счет сопряжения катионного центра в структурах, соответственно, (221’) и (222’) с неподеленной парой электронов заместителя. Эти дополнительные структуры являются наиболее устойчивыми, т.к. в них имеется ониевый катионный центр (8 электронов вокруг катионного атома). Таким образом, происходит значительная делокализация положительного заряда с участием гетероатома (в данном примере – атома кислорода). Это в значительной степени снижает энергию σ-аддукта. В случае m-ориентации неподеленная пара заместителя не принимает участия в делокализации заряда, т.к. ни в одной из резонансных структур нет сопряжения с неподеленной электронной парой гетероатома. Таким образом, σ-аддукты (221) и (222) значительно устойчивее аддукта (223), и о-, р- ориентация предпочтительней m-ориентации.

Практически все электронейтральные заместители с +M-эффектом одновременно обладают –I-эффектом (группы ОН, ОR, NH₂, NHR, NR₂, Hal). Возникает вопрос о влиянии таких заместителей на скорость реакции. Это влияние зависит от суммарного эффекта данного заместителя.

Для азот- и кислородсодержащих заместителей (ОН, NH₂ и т.д.) величина положительного мезомерного эффекта заметно превосходит величину отрицательного индуктивного эффекта (особенно сильно для азотсодержащих заместителей); такие заместители являются в сумме сильными донорами и поэтому весьма значительно активируют ароматическое ядро к электрофильной атаке. Рассмотренные ранее реакции электрофильного замещения протекают для ароматических аминов, фенолов и их производных на много порядков быстрее, чем для бензола; кроме того, для них становятся возможными такие электрофильные реакции, которые для бензола (да и для его алкилзамещенных) не протекают (нитрозирование, азосочетание и др.).

Для заместителей – галогенов картина обратная: величина –I-эффекта превосходит величину +М-эффекта; поэтому эти заместители проявляют суммарный электроноакцепторный эффект (особенно F и Cl); они дезактивируют ядро к электрофильной атаке. Обычные электрофильные реакции для галогенбензолов идут труднее, чем для бензола. Однако еще раз напомним – галогены ориентируют вступающую группу в о- и р-положения: здесь главную роль играет +М эффект (т.е. делокализация) – независимо от соотношения I- и М-эффектов.

Заместитель, имеющий отрицательный заряд (-O‾), который находится в фенолят-ионе, имеет сильнейший +М- эффект и значительный +I-эффект. Он является сильнейшим активатором ароматического ядра к электрофильной атаке. Это хорошо иллюстрируется анализом σ-аддукта (на примере р-замещения):

З десь имеется нейтральная резонансная структура (224’), которая намного устойчивее заряженных; σ-аддукт (224) имеет более низкую энергию, чем большинство других σ-аддуктов.

Итак, по степени активирования бензольного ядра ориентанты первого рода можно расположить в ряд: О‾ > NH₂, NHR, NR₂ > OH, OR > R.

Галогены дезактивируют бензольное ядро к электрофильной атаке.

К ориентантам второго рода относятся заместители, обладающие – I-эффектом (но не обладающие +М-эффектом).

Некоторые из них обладают только –I-эффектом (триалкиламмониевые группы –⁺NR₃ и тригалогенметильные группы –СHal₃), другие обладают как -I, так и –М-эффектами (нитрогруппа –NO₂, цианогруппа -СN, сульфогруппа -SO₃H, карбонильная группа –СО-R, карбоксильная группа -СООН и ряд других). Все ориентанты второго рода являются электроноакцепторными, поэтому они затрудняют протекание реакций электрофильного замещения.

Характер ориентации вступающих групп заместителями второго рода вытекает из анализа устойчивости σ-аддуктов:

Все три σ-аддукта (225)-(227) имеют пониженную устойчивость, т.к. связаны с акцепторными группами; однако в случаях о- и р-замещения имеются резонансные структуры [соответственно (225’) и (226’)], в которых катионный центр непосредственно связан с акцепторной группой и, следовательно, обладающие особо низкой устойчивостью; в то же время при m-ориентации таких форм нет. Таким образом, аддукты (225) и (226) менее устойчивы (точнее – более неустойчивы), чем аддукт (227), поэтому вступающая группа ориентируется в мета-положение; в данном случае имеет место ситуация «выбора лучшего из худшего».

По степени дезактивирующего влияния на ароматическое ядро ориентанты второго рода можно расположить в ряд:

-⁺NR₃ > -NO₂ > -SO₃H > -COR > -CN > -COOH

Если в ароматическом субстрате имеется два заместителя (или более), то необходимо учитывать влияние обоих (всех) заместителей как на скорость, так и на регионаправленность реакций электрофильного замещения. При оценке регионаправленности реакций возможны два варианта:

А. Заместители ориентируют вступающую группу в одно и то же (одни и те же) положение(я); этот вариант называют согласованной ориентацией.

Б. Заместители ориентируют вступающую группу в разные положения (несогласованная ориентация).

Например, первый вариант имеет место для мета-метилфенола (m-крезола) (228) и для пара-нитрофенола (230), второй – для орто-метилфенола (о-крезола) (229) и для мета-нитрофенола (231):

Д ействительно, в соединении (228) два ориентанта первого рода согласованно ориентируют вступающую группу в положения 2, 4 и 6, в то время как в соединении (229) группа ОН ориентирует вступающий заместитель в положения 4 и 6, а группа СН₃ – в положения 3 и 5. Аналогично, в соединении (230) орто-, пара-ориентант (ОН) и мета-ориентант (NO₂) согласованно ориентируют в положения 2 и 6, а в соединении (231) группа ОН ориентирует в положения 2,4 и 6, а группа NО₂ – в положение 5.

Из приведенных схем можно сделать вывод, что согласованная ориентация наблюдается в тех случаях, когда два заместителя одного рода находятся в мета-положении или два заместителя разного рода – в орто- или пара-положениях. В других случаях ориентация несогласованная.

При согласованной ориентации реакции электрофильного замещения протекают региоселективно. При несогласованной ориентации региоселективность может быть лишь частичной или вообще отсутствовать, если заместители сходны или, тем более одинаковы по электронному влиянию (два заместителя одного рода и сравнимой силы или, тем более, два одинаковых заместителя в о- или р-положениях). Если электронное влияние заместителей заметно различается, то преимущественно будет ориентировать более донорный заместитель, и реакция будет протекать достаточно региоселективно. Поэтому для соединения (229) вступающая группа ориентируется преимущественно в положения 4 и 6, т.к. группа ОН значительно более донорная, чем группа СН₃; для соединения (231), естественно, ориентация идет в положения 2, 4 и 6, но не в положение 5.

137