Какие соединения относятся к ароматическим. Ароматические соединения
АРОМАТИЧЕСКИЕ УГЛЕВОДОРОДЫ
К ароматическим соединениям, или аренам, относится большая группа соединений, молекулы которых содержат устойчивую циклическую группировку (бензольное кольцо), обладающую особыми физическими и химическими свойствами.
К таким соединениям относятся прежде всего бензол и его многочисленные производные.
Термин "ароматические" вначале использовался применительно к продуктам природного происхождения, которые имели ароматный запах. Поскольку среди этих соединений было много таких, которые включали бензольные кольца, термин "ароматические" стали применять к любым соединениям (в том числе имеющих и неприятный запах), содержащих бензольное кольцо.
Бензол, его электронное строение
По формуле бензола С 6 Н 6 можно предположить, что бензол является сильно ненасыщенным соединением, аналогичным, например, ацетилену. Однако химические свойства бензола не подтверждают такого предположения. Так, при обычных условиях, бензол не дает реакций, характерных для непредельных углеводородов: не вступает в реакции присоединения с галогенводородами, не обесцвечивает раствор марганцево-кислого калия. В то же время бензол вступает в реакции замещения аналогично предельным углеводородам.
Эти факты говорят о том, что, бензол частично сходен с предельными, частично с непредельными углеводородами и в то же время отличается от тех и других. Поэтому в течение длительного времени между учеными происходили оживленные дискуссии по вопросу о строении бензола.
В 60-е гг. прошлого столетия большинство химиков признали теорию циклического строения бензола на основании факта, что однозамещенные производные бензола (например, бромбензол) не имеют изомеров.
Наибольшее признание получила формула бензола, предложенная в 1865 г. немецким химиком Кекуле, в которой двойные связи в кольце углеродных атомов бензола чередуются с простыми, причем, по гипотезе Кекуле, простые и двойные связи непрерывно перемещаются:
Однако формула Кекуле не может объяснить, почему бензол не проявляет свойств непредельных соединений.
Согласно современным представлениям молекула бензола имеет строение плоского шестиугольника, стороны которого равны между собой и составляют 0,140 нм. Это расстояние является средним значением между величинами 0,154 нм (длина одинарной связи) и 0,134 нм (длина двойной связи). Не только углеродные атомы, но и связанные с ними шесть атомов водорода лежат в одной плоскости. Углы, образованные связями Н - С - С и С - С - С равны 120 °.
Атомы углерода в бензоле находятся в sр 2 -гибрндизации, т.е. из четырех орбиталей атома углерода гибридизированными являются только три (одна 2s- и две 2 р-), которые принимают участие в образовании σ-связей между углеродными атомами. Четвертая 2 р-орбиталь перекрывается с 2 р -орбиталями двух соседних углеродных атомов (справа и слева), шесть делокализованных π-электронов, находящихся на гантелеобразных орбиталях, оси которых перпендикулярны плоскости бензольного кольца, образуют единую устойчивую замкнутую электронную систему.
В результате образования замкнутой электронной системы всеми шестью углеродными атомами, происходит "выравнивание" простых и двойных связей, т.е. в молекуле бензола отсутствуют классические двойные и одинарные связи. Равномерное распределение π-электронной плотности между всеми углеродными атомами и является причиной высокой устойчивости молекулы бензола. Чтобы подчеркнуть выравненность π-электронной плотности в молекуле бензола, прибегают к такой формуле:
Номенклатура и изомерия ароматических углеводородов ряда бензола
Общая формула гомологического ряда бензола С n Н 2 n -6 .
Первый гомолог бензола - метилбензол, или толуол, С 7 Н 8
не имеет изомеров положения, как и все другие однозамещенные производные.
Второй гомолог С 8 Н 10 может существовать в четырех изомерных формах: этилбензол С 6 Н 5 -С 2 Н 5 и три диметилбензола, или ксилола, С б Н 4 (СН 3) 2 (орто-, мета- и пара -ксилолы, или 1,2-, 1,3- и 1,4-диметилбензолы):
Радикал (остаток) бензола С 6 Н 5 - носит название фенил ; названия радикалов гомологов бензола производят от названий соответствующих углеводородов, добавляя к корню суффикс -ил (толил, ксилил и т. д.) и обозначая буквами (о-, м-, п-) или цифрами положение боковых цепей. Общее название для всех ароматических радикалов арилы аналогично названию алкилы для радикалов алканов. Радикал С 6 Н 5 -СН 2 - называется бензил.
Называя более сложные производные бензола из возможных порядков нумерации выбирают тот, при котором сумма цифр номеров заместителей будет наименьшей. Например, диметил этил бензол строения
следует назвать1,4-диметил-2-этилбензол (сумма цифр равна 7), а не 1,4-диметил-6-этилбензол (сумма цифр равна 11).
Названия высших гомологов бензола часто производят не от названия ароматического ядра, а от названия боковой цепи, т. е. рассматривают их как производные алканов:
Физические свойства ароматических углеводородов ряда бензола
Низшие члены гомологического ряда бензола представляют собой бесцветные жидкости с характерным запахом. Плотность и показатель преломления у них значительно выше, чем у алканов и алкенов. Температура плавления тоже заметно выше. Из-за высокого содержания углерода все ароматические соединения горят сильно коптящим пламенем. Все ароматические углеводороды нерастворимы в воде и хорошо растворимы в большинстве органических растворителей: многие из них хорошо перегоняются с водяным паром.
Химические свойства ароматических углеводородов ряда бензола
Для ароматических углеводородов наиболее характерны реакции замещения водорода в ароматическом кольце. В реакции присоединения ароматические углеводороды вступают с большим трудом при жестких условиях. Отличительной особенностью бензола является его значительная стойкость по отношению к окислителям.
Реакции присоединения
Присоединение водорода
В отдельных редких случаях бензол способен к реакциям присоединения. Гидрирование, т. е. присоединение водорода, происходит при действии водорода в жестких условиях в присутствии катализаторов (Ni, Pt, Pd). При этом молекула бензола присоединяет три молекулы водорода с образованием циклогексана:
Присоединение галогенов
Если раствор хлора в бензоле подвергнуть действию солнечного света или ультрафиолетовых лучей, то происходит радикальное присоединение трех молекул галогена с образованием сложной смеси стереоизомеров гексахлорциклогексана:
Гексахлорциклогексаи (товарное название гексахлоран) в настоящее время находит применение как инсектицид - вещества, уничтожающие насекомых, являющихся вредителями сельского хозяйства.
Реакции окисления
Бензол еще более стоек к действию окислителей, чем предельные углеводороды. Он не окисляется разбавленной азотной кислотой, раствором КМпО 4 и т.д. Гомологи бензола окисляются значительно легче. Но и в них бензольное ядро относительно более устойчиво к действию окислителей, чем соединенные с ним углеводородные радикалы. Существует правило: любой гомолог бензола с одной боковой цепью окисляется в одноосновную (бензойную) кислоту:
Гомологи бензола с несколькими боковыми цепями любой сложности окисляются с образованием многоосновных ароматических кислот:
Реакции замещения
1. Галогенирование
В обычных условиях ароматические углеводороды практически не реагируют с галогенами; бензол не обесцвечивает бромной воды, но в присутствии катализаторов (FeCl 3 , FеВг 3 , АlCl 3) в безводной среде хлор и бром энергично вступают в реакцию с бензолом при комнатной температуре:
Реакция нитрования
Для реакции применяют концентрированную азотную кислоту, часто в смеси с концентрированной серной кислотой (катализатор):
В незамещенном бензоле реакционная способность всех шести атомов углерода в реакциях замещения одинакова; заместители могут присоединяться к любому углеродному атому. Если же в бензольном ядре уже имеется заместитель, то под его влиянием состояние ядра изменяется, и положение, в которое вступает любой новый заместитель, зависит от природы первого заместителя. Из этого следует, что каждый заместитель в бензольном ядре проявляет определенное направляющее (ориентирующее) влияние и способствует введению новых заместителей лишь в определенные по отношению к себе положения.
По направляющему влиянию различные заместители подразделяются на две группы:
а) заместители первого рода:
Они направляют любой новый заместитель в орто- и пара-положения по отношению к себе. При этом они почти все уменьшают устойчивость ароматической группировки и облегчают как реакции замещения, так и реакции бензольного ядра:
б) заместители второго рода:
Они направляют любой новый заместитель в мета-положение по отношению к себе. Они увеличивают устойчивость ароматической группировки и затрудняют реакции замещения:
Таким образом, ароматический характер бензола (и других аренов) выражается в том, что это соединение, по составу являясь непредельным, в целом ряде химических реакций проявляет себя как предельное соединение, для него характерны химическая устойчивость, трудность реакций присоединения. Только в особых условиях (катализаторы, облучение) бензол ведет себя так, как будто в его молекуле имеются три двойные связи.
Химия — очень увлекательная наука. Она изучает все вещества, которые существуют в природе, а их огромное множество. Они разделяются на неорганические и органические. В этой статье мы рассмотрим ароматические углеводороды, которые относятся к последней группе.
Что это такое?
Это органические вещества, которые имеют в своем составе одно или несколько бензольных ядер — устойчивых структур из шести атомов углерода, соединенных в многоугольник. Данные химические соединения обладают специфическим запахом, что можно понять из их названия. Углеводороды этой группы относятся к циклическим, в отличие от алканов, алкинов и др.
Ароматические углеводороды. Бензол
Это самое простое химическое соедиение из данной группы веществ. В состав его молекул входят шесть атомов углерода и столько же гидрогена. Все остальные ароматические углеводороды являются производными бензола и могут быть получены с его использованием. Это вещество при нормальных условиях находится в жидком состоянии, оно бесцветное, обладает специфическим сладковатым запахом, в воде не растворяется. Закипать оно начинает при температуре +80 градусов по Цельсию, а замерзать — при +5.
Химические свойства бензола и других ароматических углеводородов
Первое, на что нужно обратить внимание, — галогенирование и нитрование.
Реакции замещения
Первая из них — галогенирование. В этом случае, чтобы химическое взаимодействие могло осуществиться, нужно использовать катализатор, а именно трихлорид железа. Таким образом, если добавить к бензолу (С 6 Н 6) хлор (Cl 2), то мы получим хлорбензол (С 6 Н 5 Cl) и хлороводород (HCl), который выделится в виде прозрачного газа с резким запахом. То есть вследствие этой реакции один атом водорода замещается атомом хлора. То же самое может произойти и при добавлении к бензолу других галогенов (йода, брома и т. д.). Вторая реакция замещения — нитрование — проходит по похожему принципу. Здесь в роли катализатора выступает концентрированный раствор серной кислоты. Для проведения такого рода химической реакции к бензолу необходимо добавить нитратную кислоту (HNO 3), тоже концентрированную, в результате чего образуются нитробензол (C 6 H 5 NO 2) и вода. В этом случае атом гидрогена замещается группой из атома нитрогена и двух оксигена.
Реакции присоединения
Это второй тип химических взаимодействий, в которые способны вступать ароматические углеводороды. Они также существуют двух видов: галогенирование и гидрирование. Первая происходит только при наличии солнечной энергии, которая выступает в роли катализатора. Для проведения этой реакции к бензолу также необходимо добавить хлор, но в большем количестве, чем для замещения. На одну молекулу бензола должно приходиться три хлора. В результате получим гексахлорциклогексан (С 6 Н 6 Cl 6), то есть к имеющимся атомам присоединится еще и шесть хлора.
Гидрирование происходит только в присутствии никеля. Для этого необходимо смешать бензол и гидроген (Н 2). Пропорции те же, что и в предыдущей реакции. Вследствие этого образуется циклогексан (С 6 Н 12). Все остальные ароматические углеводороды также могут вступать в такого типа реакции. Они происходят по такому же принципу, как и в случае с бензолом, только с образованием уже более сложных веществ.
Получение химических веществ этой группы
Начнем все так же с бензола. Его можно получить с помощью такого реагента, как ацетилен (С 2 Н 2). Из трех молекул данного вещества под воздействием высокой температуры и катализатора образуется одна молекула нужного химического соединения.
Также бензол и некоторые другие ароматические углеводороды можно добыть из каменноугольной смолы, которая образуется во время производства металлургического кокса. К получаемым таким способом можно отнести толуол, о-ксилол, м-ксилол, фенантрен, нафталин, антрацен, флуорен, хризен, дифенил и другие. Кроме того, вещества этой группы часто добывают из продуктов переработки нефти.
Как выглядят разнообразные химические соединения этого класса?
Стирол представляет собой бесцветную жидкость с приятным запахом, малорастворимую в воде, температура кипения составляет +145 градусов по Цельсию. Нафталин — кристаллическое вещество, также мало растворяется в воде, плавится при температуре +80 градусов, а закипает при +217. Антрацен в нормальных условиях также представлен в виде кристаллов, однако уже не бесцветных, а имеющих желтую окраску. Это вещество не растворяется ни в воде, ни в органических растворителях. Температура плавления — +216 градусов по шкале Цельсия, кипения — +342. Фенантрен выглядит как блестящие кристалы, которые растворяются только в органических растворителях. Температура плавления — +101 градус, кипения — +340 градусов. Флуорен, как понятно из названия, способен к флуоресценции. Это, как и многие другие вещества данной группы, — бесцветные кристаллы, нерастворимые в воде. Температура плавления — +116, закипания — +294.
Применение ароматических углеводородов
Бензол используется при производстве красителей в качестве сырья. Также он применяется при получении взрывчатки, пестицидов, некоторых лекарств. Стирол используют в производстве полистирола (пенопласта) с помощью полимеризации исходного вещества. Последний широко применяют в строительстве: в качестве тепло- и звукоизолирующего, электроизоляционного материала. Нафталин, как и бензол, участвует в производстве пестицидов, красителей, лекарств. Кроме того, он используется в химической промышленности для получения многих органических соединений. Антрацен также применяют в изготовлении красителей. Флуорен играет роль стабилизатора полимеров. Фенантрен, как и предыдущее вещество и многие другие ароматические углеводороды, — один из компонентов красителей. Толуол широко применяют в химической промышленности для добывания органических веществ, а также для получения взрывчатки.
Характеристика и использование веществ, добываемых с помощью ароматических углеводородов
К таким в первую очередь можно отнести продукты рассмотренных химических реакций бензола. Хлорбензол, к примеру, является органическим растворителем, также используется в производстве фенола, пестицидов, органических веществ. Нитробензол является компонентом полировальных средств для металла, применяется при изготовлении некоторых краситлей и ароматизаторов, может играть роль растворителя и окислителя. Гексахлорциклогексан используется в качестве яда для борьбы с насекомыми-вредителями, а также в химической промышленности. Циклогексан применяют в производстве лакокрасочных изделий, при получении многих органических соединений, в фарамацевтической отрасли промышленности.
Заключение
Прочитав эту статью, можно сделать вывод, что все ароматические углеводороды имеют однотипную химическую структуру, что позволяет объединить их в один класс соединений. Кроме того, их физические и химические свойства также весьма похожи. Внешний вид, температуры кипения и плавления всех химических веществ данной группы не сильно отличаются. Свое применение многие ароматические углеводороды находят в одних и тех же отраслях промышленности. Вещества, которые можно получить вследствие реакций галогенирования, нитрования, гидрирования, также имеют схожие свойства и используются в похожих целях.
Ароматические углеводороды (иначе называемые аренами) - это органические биосоединения, молекулы которых содержат один или несколько циклов с шестью атомами Карбона. Бензольное кольцо, характеризируется особенными физическими и химическими свойствами. Название «арены» вошло в органическую и общую химию в конце 18 - в начале 19 века. К ним относились вещества, которые состояли из двух химических соединений - Карбона и Гидрогена и имели приятный запах (смолы, бальзамы, эфирные Со временем название «ароматические углеводороды» потеряло свое значение, поскольку ароматические вещества встречались и среди других классов органических веществ, а большинство ароматических соединений имеют неприятный или специфический запах. Впервые бензол был выделен еще в начале 19 века из светильного газа. Чуть позже (1845) А.Ф. Гофман выделяет из каменноугольной смолы. В наше время класс аренов (по классификации ИЮПАК) объединяет соединения, в основе молекул которых есть бензельные ядра. Так вот такие соединения разделяют на одно- и многоядерные арены, а также на ароматические углеводороды с конденсированными ядрами.
Одноядерные арены - это которые содержат одно бензольное кольцо. Строение молекулы бензола, типичного представителя аренов, чаще всего демонстрируется формулой Кекуле в виде цикла из шести атомов Карбона, которые поочередно связаны простыми С-С и двойными С=С связями. Данное строение подтверждено данными современного физико-химического анализа.
Основные представления Кекуле о строении бензола таковы: 1) бензол имеет структуру шестиугольного кольца; 2) в бензельном кольце ести три простых и три двойных связей; 3) все шесть атомов Карбона в бензольном кольце равноценны между собой. Формула отображает элементарный состав бензола, соотношение атомов Карбона и Гидрогена в молекуле, отсутствие изомеров для однозамещенных производных бензола.
Ароматические углеводороды достаточно распространены в природе. Они являются составной частью каменноугольной смолы, которую получают после сухой перегонки каменного угля. Арены входят в состав многих сортов нефти и других природных продуктов (смолы, бальзамы и т.д.). В процессе сухой перегонки каменного угля в среднем получают около трех процентов каменноугольной смолы, или каменноугольного дегтя. А из каменноугольного дегтя при фракционной перегонке получают ряд фракций: легкое масло (содержит ксилены, толуол, бензол, тиофен), карболовое масло (содержит крезолы, фенолы и нафтален), креозотое масло (содержит нафтален), (содержит фенантрен, антрацен и другие высшие арены) и пек который используют для покрытия дорог и в качестве строительного материала.
Применение ароматических углеводородов. Бензол характеризируется специфическим запахом, практически нерастворим в воде. Является хорошим растворителем для органических биосоединений. Синтезируют из каменноугольной смолы. Бензол - ценное сырье для производства красителей, медикаментов, взрывчатых веществ, гербицидов, инсектицидов и т.д.
Толуол хорошо растворим в органических растворителях. Получают из каменноугольной смолы, а также из некоторых сортов нефти. Из толуола синтезируют бензольный спирт, бензальдегид, красители, медикаменты, сахарин, тринитротолуол.
Ксилены являются хорошими Получают из каменноугольного масла, а также при фракционной разгонке каменноугольной смолы. Из ксиленов синтезируют фталевый ангидрид, ксилен, искусственное волокно лавсан. Иногда ксилены добавляют к бензинам.
АРОМАТИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ (от греческого?ρωμα - благовония), органические соединения, характеризующиеся главным образом наличием замкнутой системы сопряжённых связей, которая включает, согласно правилу Хюккеля, (4n + 2) π-электронов (n = 0, 1, 2, ...); удовлетворяют всем или нескольким критериям ароматичности. Наиболее известны и важны: ароматические углеводороды (арены), в том числе моноциклические - бензол и его гомологи (например, ксилолы, кумол, толуол, этилбензол) и полициклические, построенные из бензольных колец, непосредственно связанных друг с другом (например, бифенил), связанных через какую-либо группу (например, дифенилметан), конденсированных (например, антрацен, нафталин); производные аренов (например, фенолы); гетероароматические соединения, т. е. обладающие ароматичностью гетероциклические системы (например, пиридин, пиримидин, тиофен, фуран). К ароматическим соединениям относят также некоторые макроциклические аннулены (например, аннулен), элементоорганические соединения (например, ферроцен), тропилия соединения и пр.
Ароматические соединения - жидкости или твёрдые вещества. Для них характерно наличие так называемого магнитного кольцевого тока и резонанс в слабопольной («ароматической») части спектра ЯМР (6,5-8,0 м. д. для 1 Н и 110-170 м. д. для 13 С). Ароматические соединения вступают в реакции электрофильного замещения (например, галогенирование, нитрование, сульфирование, алкилирование и ацилирование по Фриделю - Крафтсу). Введение электрофила Е + в молекулу ароматического соединения облегчается и электрофил направляется преимущественно в орто- и параположения цикла при наличии в молекуле ароматического соединения заместителей, являющихся ориентантами I poдa (алкилы, арилы, атомы галогенов, группы OR, NR 2 , SR, где R - органический радикал), затрудняется и направляется преимущественно в метаположение цикла заместителями - ориентантами II рода (COR, COOR, CN, NO 2 , SO 2 R, SO 3 Н). Электрофильное замещение протекает по механизму присоединения - отщепления через катионный σ-комплекс - интермедиат Уэланда (Х - заместитель):
Ароматические соединения вступают также в реакции нуклеофильного замещения при действии нуклеофилов Nu - , например R2N - , RO - , RS - , (RCO)2CH - , галогенид-анионов. При этом в молекуле ароматическго соединения замещаются атомы галогенов, группы NO 2 , NR 2 , OR, SR, SO 3 Н, реже - атомы водорода. Такие реакции часто протекают в жёстких условиях, например при повышенных температурах. Они облегчаются в присутствии соединений меди и, особенно при наличии в орто- или параположении к уходящей группе заместителя - ориентанта II рода. Нуклеофильное замещение протекает главным образом по механизму присоединения - отщепления, через образование анионного σ-комплекса - интермедиат Майзенхаймера (Y - замещаемая группа):
Меньшее значение для ароматического соединения имеет гемолитическое замещение, например арилирование диазосоединениями и гидроксилирование с использованием реагента Фентона (Н 2 О 2 + CuSО 4 + Н 2 SO 4). Ароматические соединения подвергаются металлированию (прямому замещению водорода или обмену галогена на металл при действии металлов или металлоорганических соединений). Реакции ароматического соединения по замещающим группам в целом подобны реакциям соответствующих алифатических соединений. Основные особенности - образование ароматическими аминами с НNO 2 устойчивых диазосоединений, способных к азосочетанию и превращающихся при действии нуклеофилов в различные замещённые ароматические соединения. Из реакций присоединения для ароматических соединений наиболее важно каталитическое гидрирование - общий метод синтеза соединений ряда циклогексана. Ароматические соединения устойчивы к окислению. Алкилароматические соединения обычно окисляются по соседнему с ароматическим циклом атому углерода алкильного заместителя. Таким способом получают ароматические кислоты (например, терефталевую из n-ксилола), альдегиды (n-нитробензальдегид из n-нитротолуола), кетоны (ацетофенон из этилбензола) и спирты (трифенилкарбинол из трифенилметана).
Ароматические соединения содержатся в нефти, однако в основном их получают в промышленности из продуктов коксования каменного угля и ароматизацией углеводородов; затем ароматические соединения превращают в различные производные. Ароматические соединения - важные промежуточные и целевые продукты промышленного органического синтеза; их применяют в производстве красителей, лекарств, средств защиты растений, взрывчатых веществ, полимерных материалов.
Ароматические углеводороды - компоненты высокооктановых бензинов.
Лит.: Горелик М. В., Эфрос Л. С. Основы химии и технологии ароматических соединений. М., 1992.
Реакции электрофильного замещения характерны для ароматических , карбоциклических и гетероциклических систем . В результате делокализации p-электронов в молекуле бензола (и других ароматических систем) p-электронная плотность распределена равномерно по обе стороны цикла. Подобное экранирование p-электронами атомов углерода цикла защищает их от атаки нуклеофильными реагентами и, наоборот, облегчает возможность атаки электрофильными реагентами.
Но в отличие от реакций алкенов с электрофильными реагентами, взаимодействие ароматических соединений с ними не приводит к образованию продуктов присоединения, так как в этом случае нарушалась бы ароматичность соединения и уменьшалась его устойчивость. Сохранение ароматичности возможно в случае, если электрофильная частица заместит катион водорода .
Механизм реакций электрофильного замещения похож на механизм реакций электрофильного присоединения, так как имеются общие закономерности протекания реакций.
Общая схема механизма реакций электрофильного замещения S Е:
На первом этапе реакции образуется p-комплекс с электрофильной частицей (быстрая стадия), который затем превращается в s-комплекс (медленная стадия) за счет образования s- связи одним из атомов углерода с электрофильной частицей. Для образования s- связи с электрофильной частицей из сопряжения «вырывается» пара электронов, а образующийся продукт приобретает положительный заряд. В s-комплексе ароматичность нарушена, так как один из атомов углерода находится в sp 3 -гибридизации, а на пяти других атомах углерода делокализованы четыре электрона и положительный заряд.
Для регенерации термодинамически выгодной ароматической системы происходит гетеролитический разрыв связи C sp 3 -Н. В результате отщепляется ион Н + , а пара электронов связи идет на восстановление системы сопряжения, при этом у атома углерода, отщепившего протон, изменяется гибридизация атомных орбиталей с sp 3 на sp 2 . Механизм реакций нитрования, сульфирования, галогенирования, алкилирования, ацилирования ароматических соединений включает еще дополнительную стадию, не указанную в общей схеме - стадию генерирования электрофильной частицы.
Уравнение реакции нитрования бензола имеет вид:
В реакциях нитрования генерирование электрофильной частицы происходит в результате взаимодействия азотной и серной кислот, что приводит к образованию катиона нитрония NO 2 + , который далее реагирует с ароматическим соединением:
В молекуле бензола все атомы углерода равноценны, замещение происходит у одного из них. Если в молекуле присутствуют заместители, то реакционная способность и направление электрофильной атаки определяется природой этого заместителя. По влиянию на реакционную способность и на направление атаки все заместители делятся на две группы.
Ориентанты I рода . Эти заместители облегчают электрофильное замещение по сравнению с бензолом и направляют входящую группу в орто- и пара-положения. К ним относятся электронодонорные заместители, увеличивающие электронную плотность в бензольном ядре. В результате ее перераспределения в положения 2,4,6 (орто- и пара-положения) возникают частичные отрицательные заряды, что облегчает присоединение электрофильной частицы в эти положения с образованием s-комплекса.
Ориентанты II рода . Эти заместители затрудняют реакции электрофильного замещения по сравнению с бензолом и направляют входящую группу в одно из мета-положений. К ним относятся электроноакцепторные заместители, уменьшающие электронную плотность в бензольном кольце. В результате ее перераспределения в положениях 3,5 (мета-положения) возникают частичные отрицательные заряды и присоединение электрофильной частицы с образованием s-комплекса идет в жестких условиях.
Атомы галогенов направляют электрофильную частицу в орто- или пара- положения (за счет положительного мезомерного эффекта), но при этом затрудняют протекание реакции, так как являются электроноакцепторными заместителями (-I>+M). Реакции галогенпроизводных бензола с электрофильными реагентами идут в жестких условиях.
В реакциях сульфирования роль электрофильной частицы выполняет молекула SO 3 , образующаяся в результате реакции: 2H 2 SO 4 « SO 3 +H 3 O + + HSO 4 - . Атомы серы в этой молекуле характеризуются сильным дефицитом электронной плотности и наличием частичного положительного заряда и, следовательно, именно атом S должен, как электрофил, связываться с атомом углерода бензольного кольца толуола.
Метильная группа в толуоле является ориентантом первого рода, и как электронодонорный заместитель облегчает реакцию замещения и направляет входящую группу в орто- и пара-положения. На практике образуются продукты замещения и в мета-положении, но их количество существенно меньше количеств продуктов замещения в орто- пара-положения.
Галогенирование бензола и многих ароматических соединений действием самого галогена протекает только в присутствии катализаторов, таких как ZnCl 2 , AlCl 3, FeBr 3 и т.д. Катализаторами обычно являются кислоты Льюиса . Между атомом металла и атомом галогена образуется связь по донорно-акцепторному механизму, что вызывает поляризацию молекулы галогена, усиливая ее электрофильный характер. Полученный аддукт может подвергаться диссоциации с образованием комплексного аниона и катиона галогена, выступающего далее в качестве электрофильной частицы:
В качестве галогенирующих средств могут применяться также водные растворы НО-Hal в присутствии сильных кислот. Образование электрофильной частицы в этом случае можно объяснить следующими реакциями:
Механизм дальнейшего взаимодействия катионов Br + или Cl + ничем не отличается от механизма нитрования катионами NO 2 + . Рассмотрим механизм реакции на примере бромирования анилина (ограничимся образованием монозамещенных продуктов). Как известно, анилин обесцечивает бромную воду, образуя в итоге 2,4,6-триброманилин, выделяющийся в виде белого осадка:
Образовавшаяся электрофильная частица атакует p-электроны бензольного кольца, образуя p-комплекс. Из возникшего p-комплекса образуются два основных s -комплекса, в которых связь углерод-бром возникает в орто- и пара-положениях цикла. На следующем этапе происходит отщепление протона, что приводит к образованию монозамещенных производных анилина. В избытке реагента эти процессы повторяются, приводя к образованию дибром- и трибромпроизводных анилина.
Алкилирование (замещение атома водорода на алкильный радикал) ароматических соединений осуществляется при их взаимодействии с галогеналканами (реакция Фриделя-Крафтса). Взаимодействие первичных алкилгалогенидов, например СН 3 Cl, с ароматическими соединениями в присутствии кислот Льюиса мало чем отличается по своему механизму от реакций галогенирования. Рассмотрим механизм на примере метилирования нитробензола. Нитрогруппа, как ориентант второго рода, дезактивирует бензольное кольцо в реакциях электрофильного замещения и направляет входящую группу в одно из мета-положений.
В общем виде уравнение реакции имеет вид:
Генерирование электрофильной частицы происходит в результате взаимодействия галогеналкана с кислотой Льюиса:
Образующийся метильный катион атакует p-электроны бензольного кольца, что приводит к образованию p-комплекса. Образовавшийся p-комплекс далее медленно превращается в s -комплекс (карбкатион), в котором связь между метильным катионом и атомом углерода цикла возникает главным образом в положениях 3 или 5 (т.е. в мета-положениях, в которых из-за электронных эффектов нитрогруппы возникают частичные отрицательные заряды). Завершающей стадией является отщепление протона от s -комплекса и восстановление сопряженной системы.
В качестве алкилирующих агентов при алкилировании бензола вместо алкилгалогенидов могут использоваться также алкены или спирты. Для образования электрофильной частицы - карбкатиона - необходимо наличие кислоты. Механизм реакции в этом случае будет отличаться лишь на стадии генерирования электрофильной частицы. Рассмотрим это на примере алкилирования бензола пропиленом и пропанолом-2:
Генерирование электрофильной частицы:
В случае использования в качестве реагента пропилена образование карбкатиона происходит в результате присоединения протона (по правилу Марковникова). При использовании в качестве реагента пропанола-2 образование карбкатиона происходит в результате отщепления молекулы воды от протонированного спирта.
Образовавшийся изопропильный катион атакует p-электроны бензольного кольца, что приводит к возникновению p-комплекса, который далее превращается в s- комплекс с нарушенной ароматичностью. Последующее отщепление протона ведет к регенерации ароматической системы:
Реакции ацилирования (замещения катиона Н + на ацильную группу R-C + =O) происходят аналогичным образом. Рассмотрим на примере реакции ацилирования метокисибензола, уравнение которой можно представить следующим образом:
Как и в предыдущих случаях, электрофильная частица генерируется в результате взаимодействия хлорангидрида уксусной кислоты с кислотой Льюиса:
Образующийся катион ацилия сначала образует p-комплекс, из которого возникают главным образом два s -комплекса, в которых формирование s- связи между циклом и электрофильной частицей происходит преимущественно в орто- и пара-положениях, так как в этих положениях возникают частичные отрицательные заряды из-за электронного влияния метоксигруппы.
Ароматические гетероциклы также вступают в реакции электрофильного замещения. При этом пятичленные гетероциклы - пиррол, фуран и тиофен - легче вступают в реакции S E , так как являются p-избыточными системами. Однако при проведении реакций с этими соединениями необходимо учитывать их ацидофобность. Нестабильность этих соединений в кислой среде объясняется нарушением ароматичности в результате присоединения протона.
При проведении реакций электрофильная частица замещает протон в a-положении; если оба a-положения заняты, то замещение протекает по b-положению. В остальном механизм реакций электрофильного замещения аналогичен рассмотренным выше случаям. В качестве примера приведем бромирование пиррола:
Механизм реакции с участием ароматических гетероциклов включает все рассмотренные выше стадии - генерирование электрофильной частицы, образование p-комплекса, превращение его в s- комплекс (карбкатион), отщепление протона, приводящее к образованию ароматического продукта.
При проведении реакций электрофильного замещения с участием p-дефицитных ароматических систем, таких как пиридин и пиримидин, нужно учитывать их изначально более низкую реакционную способность (дефицит p-электронной плотности затрудняет образование p-комплекса и его превращение в s- комплекс), которая еще сильнее снижается при проведении реакций в кислой среде. Хотя в кислой среде ароматичность этих соединений не нарушается, протонирование атома азота приводит к усилению дефицита p-электронной плотности в цикле.
Пиридин способен алкилироваться, сульфироваться, нитроваться, ацилироваться и галогенироваться. Однако в большинстве случаев с электрофильной частицей образует связь более нуклеофильный атом азота, а не атомы углерода пиридина.
В случае протекания реакции в пиридиновом цикле замещение идет по одному из b-положений, в которых возникают частичные отрицательные заряды.
