Классификация заместителей. Понятие об ориентирующем влиянии заместителей

Если в бензольном кольце находится хотя бы один заместитель то в нем неизбежно нарушение равномерного распределения π–электронной плотности. В результате молекула бензола становится частично поляризованной, что определяет вхождение атакующего реагента в то или иное положение кольца.

Толуол, подобно бензолу, подвергается электрофильному ароматическому замещению, например сульфированию. Хотя возможно образование трех моносульфопродуктов, в действительности в ощутимых количествах получается только два изомера – орто и пара

Изучение нитрования, галогенирования и реакции алкилирования по Фриделю-Крафтсу толуола дает аналогичные результаты. Метильная группа делает кольцо более реакционноспособным, чем незамещенный бензол направляет атаку в орто- и пара-положения кольца.

Совершенно иначе ведет себя нитробензол, который реагирует медленнее, чем бензол, и дает главным образом мета-изомер.

Подобно метильной или нитрогруппе, любая группа, связанная с бензольным кольцом, влияет на реакционную способность кольца и определяет ориентацию замещения. Когда электрофильный реагент атакует ароматическое кольцо, именно природа группы, уже имеющейся в кольце, определяет, насколько легко происходит атака и ее направление.

Группа, под влияние которой кольцо становится более активным, чем кольцо бензола, называется активирующей группой. Группа, делающая его менее активным, чем кольцо бензола, называется дезактивирующей группой.

Группа, направляющая атаку преимущественно в орто- и пара-положения, называется орто- и пара-ориентантом. Группа, которая направляет атаку преимущественно в мета-положение, называется мета-ориентантом.

Определение ориентации. В принципе очень просто выяснить характер ориентирующего влияния группы: для этого надо ввести в реакцию замещения вещество, содержащее в качестве заместителя у бензольного кольца эту группу, и проанализировать образующийся продукт на содержание трех изомеров. Идентификация каждого из изомеров как орто- мета- или пара- обычно производится путем сравнения с заведомым образцом этого изомера, полученным каким либо другим методом из соединения, структура которого известна. Именно таким путем было определено к какому из двух классов: орто-, пара- ориентанты или мета-ориентанты относится та или иная группа.

Из пяти возможных для атаки положений три (60%) находятся в орто- и пара-положениях к заместителю, а два (40%) – в мета-положении к заместителю. Если реакция замещения протекала бы не избирательно, то следовало бы ожидать, что продукт будет состоять на 60% из орто- и пара-изомеров, и на 40% из мета-изомера.

В таблице 1 приведены данные по ориентации при реакции нитрования ряда замещенных бензолов.

Таблица 1

Ориентация при нитровании С₆Н₅Y

―Y	орто	пара	орто+пара	мета
―ОН	50-55	45-50	100	следы
―NHCOCH3	19	79	98	2
―CH3	58	38	96	4
―F	12	88	100	следы
―Cl	30	70	100	следы
―Br	37	62	99	1
―I	38	60	98	2
―NO2	6,4	0,3	6,7	93,3
―N+(CH3)2	0	11	11	89
―CN			19	81
―COOH	19	1	20	80
―SO3H	21	7	28	72
―CHO			28	72

Как видно из таблицы, семь групп направляют нитрование на 96-100% в орто- и пара-полжения, а шесть других – на 72-94% в мета-положение.

Определенная группа проявляет одинаковое ориентирующее действие – преимущественно в орто и пара или преимущественно мета – независимо от природы электрофильного реагенты.

Определение относительной реакционной способности. Реакционную способность бензола и замещенных бензолов сравнивают одним из следующих способов.

Во-первых, можно определить время, необходимое для протекания реакции в идентичных условиях. Например, толуол реагирует с дымящей серной кислотой в 10-20 раз быстрее, чем бензол. Таким образом, толуол более активен, чем бензол, и следовательно, СН₃-группа является активирующей группой.

Во-вторых, можно устанавливать степень жесткости условий, требуемых для протекания сравниваемых реакций за один и тот же период времени. Например, бензол нитруется менее чем за час при 60 ^оС смесью концентрированных серной и азотной кислот. Сравнимая степень нитрования нитробензола требует использования температуры 90 ^оС и смеси дымящей азотной и концентрированной серной кислот. Очевидно, нитробензол менее активен, чем бензол, и нитрогруппа NO₂ является дезактивирующей группой.

В-третьих, для точных количественных сравнений необходимо в идентичных условиях проводить конкурентные реакции, в которых сравниваемые соединения вводят в реакция с недостаточным количеством реагента. Так, например,если эквимолярное количество бензола и толуола обрабатывают небольшим количеством азотной кислоты, то образуется примерно в 25 раз больше нитротолуолов, чем нитробензола. Это свидетельствует о том, что толуол в 25 раз активнее бензола.

Классификация заместителей. Почти все группы относятся к одному из двух классов: активирующие и орто-, пара-ориентирующие или дезактивирующие и мета-ориентирующие. Галогены составляют отдельную группу заместителей: дезактивирующих, но орто-, пара-ориентирующих.

К орто-, пара-ориентанттам (заместителям первого рода) относят все электронодонорные заместители и галогены:

ОН, О^–, OR, OC₆H₅, NH₂, NHR, NR₂, NHCOCH₃, NHCOR, CH₃ и другие алкилы, СH₂Cl.

Причина орто-, пара-ориентирующего влияния перечисленных заместителей заключается в том, что за счет положительного мезомерного эффекта они в большей степени подают электронную плотность в орто- и пара-положения и в большей степени стабилизируют σ-комплексы, образующиеся при вступлении электрофильного агента в эти положения.

Заместители ОН, О^–, OR, OC₆H₅, NH₂, NHR, NR₂, NHCOCH₃, NHCOR, характеризуются большим положительным эффектом сопряжения по сравнению отрицательным индуктивным эффектом.

+M > −I

Эти заместители являются активирующими. Электрофильное замещение в соответствующих монозамещенных бензолах протекает быстрее, чем в бензоле.

К активирующим заместителям относят также метильную группу и другие алкильные группы, для которых характерны электронодонорные эффекты: сверхсопряжение и индуктивный эффект.

+I , +M

Галогены также являются орто-, пара-ориентантами, но при этом дезактивируют электрофильное замещение, поскольку для них характерно большее значение отрицательного индуктивного эффекта по сравнению с положительным мезомерным эффектом (–I > +M): оттягивая электронную плотность от бензольного кольца по σ-системе, частично возвращают электронную плотность по π-системе.

К мета-ориентантам (заместителям второго рода) относят электроно-акцепторные заместители:

NO₂, COOH, COOR, SO₃H, CN, N⁺R₃, CCl₃, CF₃, CHO, COR и т.п.

Все эти заместители являются дезактивирующими. Объяснение мета-ориентации заключается в том, что оттягивают электронную плотность из орто- и пара-положений и в большей степени стабилизируют соответствующие σ-комплексы. Влияние заместителей на реакции электрофильного замещения (S_EAr) обобщено в таблице 2.

Таблица 2.

Влияние заместителей на реакции электрофильного замещения

орто-, пара-ориентанты	мета-ориентанты
Сильно активирующие О–, NH2, NHR, NR2, ОН Умеренно активирующие NHCOCH3, NHCOR, ОСН3, ОR Слабо активирующие CH3 и другие алкилы, С6Н5 Слабо дезактивирующие F, Cl, Br, I	Сильно дезактивирующие NO2, N+R3, CCl3, CF3 Умеренно деактивирующие CN, SO3H, COOH, COOR, CHO, COR

Электрофильное замещение в полизамещенных бензолах. При определении ориентации в реакциях электрофильного замещения в ди- и полизамещенных бензолах необходимо учитывать электронное влияние всех уже присутствующих в исходном соединении заместителей. При этом принципиально возможны два варианта суммарного влияния этих заместителей: согласованная и несогласованная ориентация атаки электрофильного агента.

Согласованная ориентация – ориентация в дизамещенных (или полизамещенных) бензолах, при которой оба (все) заместители направляют атаку электрофила в реакциях электрофильного замещения в одно и то же (или в одни и те же) положение бензольного кольца. В формулах эти положения отмечены звездочкой.

(I – заместитель первого рода, II – заместитель второго рода)

Несогласованная ориентация – ориентация в дизамещенных (или полизамещенных) бензолах, при которой оба (все) заместителя направляют атаку электрофильного агента в реакциях электрофильного замещения в различные положения.

(I – заместитель первого рода, II – заместитель второго рода)

Состав продуктов при несогласованной ориентации заместителей подчиняется следующим правилам:

1. все орто-, пара-ориентанты доминируют над мета-ориентантами:

3-нитро-4-хлортолуол 5-нитро-2-хлортолуол 3-нитро-2-хлортолуол

основные продукты примесь

(пространственный фактор)

2-нитро-5-хлор- 4-нитро-3-хлор-

бензойная кислота бензойная кислота

(основные продукты)

2-нитро-3-хлор- 5-нитро-3-хлор-

бензойная кислота бензойная кислота

(примеси)

2. все активирующие орто-, пара-ориентанты доминируют над галогенами (дезактивирующие орто-, пара-ориентанты):

4-хлор- 2-бром-4-хлор-

N-метиланилин N-метиланилин (87%)

4-хлортолуол 2-нитро-4-хлор- 3-нитро-4-хлор-

толуол толуол

(основной продукт) (примесь)

3. сильно и умеренно активирующие орто-, пара-ориентанты (-NH₂, -OH, OCH₃ и т.п.) доминируют над более слабыми орто-, пара-ориентантами(см. таблицу):

п-толуидин 4-амино- 4-амино-

3-бромтолуол 2-бромтолуол

(основной продукт) (примесь)

При выяснении влияния нескольких заместителей на региоселективность (избирательность атаки электрофила по определенному положению в ароматическом кольце) электрофильного замещения следует учитывать также пространственный фактор. Например, нитрование 4-трет-бутилтолуола идет почти исключительно в орто- положение к метильной группе.

4-трет-бутилтолуол 4-трет-бутил-

2-нитротолуол (88%)

Данные о сравнительной ориентирующей способности заместителей, находящихся в бензольном кольце, позволяют выбрать оптимальный путь синтеза того или иного замещенного бензола.

Например, при выборе способа получения мета-хлорэтилбензола следует исключить хлорирование или алкилирование соответственно этилбензола или хлорбензола, поскольку и хлор, и этильная группа – орто-, пара-ориентанты.

Оптимальной является схема, предполагающая первоначальное ацетилирование бензола, хлорирование полученного ацетофенона, а на завершающей стадии – восстановление карбонила ацетильной группы.

ацетофенон 3-хлорацетофенон 3-хлорэтилбензол

Синтез пара-нитробензойной кислоты – еще один пример такого рода. Поскольку нитро- и карбоксигруппы являются мета-ориентантами, прямое нитрование, например бензойной кислоты, не приведет к необходимому изомеру. Целесообразно использовать толуол в качестве исходного производного бензола. Толуол нитруют в пара-положение, полученный пара-нитротолуол отделяют от орто-изомера, а затем окисляют метильную группу.

толуол п-нитротолуол п-нитробензойная кислота (82-86%)

Лекция 9.