Электрофильные ароматические направляющие группы
В реакциях электрофильного ароматического замещения имеющиеся замещающие группы в ароматическом кольце влияют на общую скорость реакции или оказывают направляющее воздействие на позиционный изомер образующихся продуктов .
Группа , отдающая электроны ( EDG ) или группа, освобождающая электроны ( ERG , Z в структурных формулах) — это атом или функциональная группа , которая отдает часть своей электронной плотности в сопряженную π-систему посредством резонанса (мезомерии) или индуктивных эффектов (или индукции), называемых эффектами +M или +I соответственно, что делает π-систему более нуклеофильной . [1] [2] В результате этих электронных эффектов ароматическое кольцо , к которому присоединена такая группа, с большей вероятностью будет участвовать в реакции электрофильного замещения . Поэтому EDG часто называют активирующими группами , хотя стерические эффекты могут мешать реакции.
Группа , оттягивающая электроны (EWG), будет иметь противоположный эффект на нуклеофильность кольца. EWG удаляет электронную плотность из π-системы, делая ее менее реакционноспособной в этом типе реакции, [2] [3] и поэтому называется дезактивирующими группами .
EDG и EWG также определяют положения (относительно себя) на ароматическом кольце, где реакции замещения, скорее всего, будут иметь место. Электронодонорные группы, как правило, являются орто/пара-директорами для электрофильных ароматических замещений , в то время как электроноакцепторные группы (за исключением галогенов ) обычно являются мета-директорами . Селективность, наблюдаемая с EDG и EWG, была впервые описана в 1892 году и известна как правило Крама-Брауна-Гибсона. [4]
Категории
Электронодонорные группы обычно делятся на три уровня активирующей способности («экстремальную» категорию можно рассматривать как «сильную»). Электроноакцепторные группы назначаются в аналогичные группировки. Активирующие заместители благоприятствуют электрофильному замещению около орто- и пара -положений. Слабо дезактивирующие группы направляют электрофилы атаковать молекулу бензола в орто- и пара- положениях, в то время как сильно и умеренно дезактивирующие группы направляют атаки на мета- положение. [5] Это не случай предпочтения мета-положения, как пара- и орто-направляющие функциональные группы, а скорее неблагоприятное отношение к орто- и пара -положениям больше, чем они неблагоприятное отношение к мета -положению.
Активация групп
Активирующие группы в основном являются резонансными донорами (+M). Хотя многие из этих групп также являются индуктивно отводящими (–I), что является дезактивирующим эффектом, резонансный (или мезомерный) эффект почти всегда сильнее, за исключением Cl, Br и I.
| Величина активация | Имя заместителя (в приблизительном порядке) активирующей силы) | Структура | Тип электронного эффекта | Направляющий эффект |
|---|---|---|---|---|
| Экстремальный | оксидогруппа | -О − | +I, +M, металл-водородный обмен | орто , пара |
| Сильный | (замещенные) аминогруппы | -NH2 , -NHR , -NR2 | –Я, +М | |
| гидрокси и алкокси группы | -ОЙ, -ИЛИ | |||
| Умеренный | ациламидогруппы | -NHCOR | ||
| ацилокси группы | -ОКОР | |||
| (ди)алкилфосфино , алкилтио и сульфгидрильные группы [6] | -ПР 2 , -СР, -Ш | +М (слабый) | ||
| Слабый | фенильная (или арильная) группа | -С6Н5 | –I, +M; [7] [8] хотя могут быть задействованы и другие взаимодействия [9] | |
| виниловая группа | -СН=СН 2 | |||
| алкильные группы (например, -CH 3 , -C 2 H 5 ) | -Р | |||
| карбоксилатная группа [10] | -CO2 − | +Я |
В целом, резонансный эффект элементов в третьем периоде и далее относительно слаб. Это в основном из-за относительно слабого перекрытия орбитали 3p (или выше) заместителя с орбиталью 2p углерода.
Из-за более сильного резонансного эффекта и индуктивного эффекта, чем у более тяжелых галогенов, фтор является аномальным. Парциальный фактор скорости электрофильного ароматического замещения на фторбензоле часто больше единицы в пара -положении, что делает его активирующей группой. [11] Наоборот, он умеренно дезактивируется в орто- и мета -положениях из-за близости этих положений к электроотрицательному фтор-заместителю.
Деактивация групп
В то время как все дезактивирующие группы являются индуктивно отводящими (–I), большинство из них также отводят через резонанс (–M). Галогенные заместители являются исключением: они являются резонансными донорами (+M). За исключением галогенидов, они являются мета- направляющими группами.
Галогениды являются орто- , пара -направленными группами, но в отличие от большинства орто- , пара- направленных групп, галогениды мягко дезактивируют арен. Это необычное поведение можно объяснить двумя свойствами:
- Поскольку галогены очень электроотрицательны, они вызывают индуктивный отвод (отвод электронов от атома углерода бензола).
- Поскольку галогены имеют несвязывающие электроны, они могут передавать электронную плотность посредством пи-связи (резонансное донорство).
Индуктивные и резонансные свойства конкурируют друг с другом, но резонансный эффект доминирует в целях направления участков реакционной способности. Например, для нитрования фтор сильно направляется в пара -положение, поскольку орто- положение индуктивно дезактивировано (86% пара , 13% орто , 0,6% мета ). С другой стороны, йод направляется в орто- и пара -положения в сопоставимой степени (54% пара и 45% орто , 1,3% мета ). [12]
| Величина деактивация | Имя заместителя (в приблизительном порядке) дезактивирующей силы) | Структура | Тип электронного эффекта | Направляющий эффект |
|---|---|---|---|---|
| Сильный | трифторметилсульфонильная группа [13] | -SO2CF3 | -Я | мета |
| (замещенные) аммониевые группы [14] | -NR 3 + (R = алкил или H) | -Я | ||
| нитрогруппа | -НОТ 2 | -Я | ||
| сульфоновые кислоты и сульфонильные группы | -SO 3 H, -SO 2 R | |||
| цианогруппа | -С≡Н | |||
| тригалогенметильные группы (самые сильные для группы -CF 3 ) | -CX 3 (X = F, Cl, Br, I) | -Я | ||
| Умеренный | галоформильные группы | -COX (X = Cl, Br, I) | -Я | |
| формильные и ацильные группы | -ЧО, -КОР | |||
| карбоксильные и алкоксикарбонильные группы | -CO2H , -CO2R | |||
| (замещенные) аминокарбонильные группы | -КОНН 2 , -КОНХР, -КОНР 2 | |||
| Слабый | фторогруппа ( орто , мета положения) | -Ф | –I, +M ( орто ) | орто , пара |
| нитрозогруппа | -Н=О | –I, +M (димер) или –М (мономер) | ||
| группы гало | -F(пара), -Cl, -Br, -I [15] | –И, +М (слабый) |
Традиционные рационализации
Хотя полную электронную структуру арена можно вычислить только с помощью квантовой механики , направляющие эффекты различных заместителей часто можно предсказать с помощью анализа резонансных диаграмм.
В частности, любые формальные отрицательные или положительные заряды в второстепенных резонансных вкладчиках (согласующихся с естественной поляризацией, но не обязательно подчиняющихся правилу октета ) отражают местоположения, имеющие большую или меньшую плотность заряда в молекулярной орбитали для связи, которая с наибольшей вероятностью разорвется . Атом углерода с большим коэффициентом будет предпочтительно атакован из-за более благоприятного орбитального перекрытия с электрофилом. [16]
Возмущение сопряженной электроноакцепторной или электронодонорной группы приводит к тому, что распределение π-электронов на бензольном кольце напоминает ( очень немного !) электронно-дефицитный бензильный катион или электронно-избыточный бензильный анион соответственно. Последние виды допускают поддающиеся квантовому расчету расчеты с использованием теории Хюккеля : катион отнимает электронную плотность в орто- и пара -положениях, способствуя мета- атаке, тогда как анион высвобождает электронную плотность в тех же положениях, активируя их для атаки. [17] Это именно тот результат, который предсказывает рисунок резонансных структур.
Например, анилин имеет резонансные структуры с отрицательными зарядами вокруг кольцевой системы:
Атака происходит в орто- и пара -позициях, поскольку (частичные) формальные отрицательные заряды в этих позициях указывают на локальный избыток электронов. С другой стороны, резонансные структуры нитробензола имеют положительные заряды вокруг кольцевой системы:
Атака происходит в мета -положении, поскольку (частичные) формальные положительные заряды в орто- и пара -положениях указывают на дефицит электронов в этих положениях.
Другой распространенный аргумент, который делает идентичные предсказания, рассматривает стабилизацию или дестабилизацию заместителями промежуточных соединений Уэланда в результате электрофильной атаки в орто / пара или мета положениях. Постулат Хаммонда затем диктует, что относительные энергии переходного состояния будут отражать различия в энергиях основного состояния промежуточных соединений Уэланда. [14] [18]
Карбонилы, сульфоновые кислоты и нитро
Из-за полного или частичного положительного заряда на элементе, непосредственно присоединенном к кольцу для каждой из этих групп, все они имеют умеренный или сильный электронно-акцепторный индуктивный эффект (известный как эффект -I). Они также проявляют электронно-акцепторные резонансные эффекты (известные как эффект -M):
Таким образом, эти группы делают ароматическое кольцо очень бедным электронами (δ+) по сравнению с бензолом и, следовательно, они сильно дезактивируют кольцо (т.е. реакции протекают гораздо медленнее в кольцах, содержащих эти группы, по сравнению с реакциями в бензоле).
Из-за разницы в электроотрицательности углерода и кислорода/азота будет наблюдаться небольшой эффект оттягивания электронов через индуктивный эффект (известный как эффект –I). Однако другой эффект, называемый резонансом, добавляет электронную плотность обратно в кольцо (известный как эффект +M) и доминирует над индуктивным эффектом. Следовательно, результатом является то, что они являются EDG и орто / пара директорами.
Фенол является орто/пара-директором, но в присутствии основания реакция протекает быстрее. Это связано с более высокой реакционной способностью фенолят-аниона . Отрицательный кислород был «вынужден» отдать электронную плотность углеродам (поскольку он имеет отрицательный заряд, он имеет дополнительный эффект +I). Даже в холодном состоянии и с нейтральными (и относительно слабыми) электрофилами реакция все равно происходит быстро.
Алкильные группы
Алкильные группы являются группами, отдающими электроны. Углерод в них sp 3 гибридизирован и менее электроотрицателен, чем те, которые sp 2 гибридизированы . Они имеют перекрытие на связях углерод-водород (или углерод-углеродных связях в соединениях типа трет -бутилбензола) с кольцевой p-орбиталью. Следовательно, они более реакционноспособны, чем бензол, и являются орто / пара -директорами.
Карбоксилат
Индуктивно отрицательно заряженный карбоксилатный ион умеренно отталкивает электроны в связи, прикрепляя его к кольцу. Таким образом, существует слабый электронодонорный эффект +I. Существует почти нулевой -M-эффект, поскольку электроноакцепторная резонансная емкость карбонильной группы эффективно удаляется делокализациями отрицательного заряда аниона на кислороде. Таким образом, в целом карбоксилатная группа (в отличие от карбоксильной группы) оказывает активирующее влияние. [10]
Алкиламмоний и трифторметильная группа
Эти группы обладают сильным индуктивным эффектом оттягивания электронов (-I) либо в силу своего положительного заряда, либо из-за сильной электроотрицательности галогенов. Эффект резонанса отсутствует, поскольку нет орбиталей или электронных пар, которые могут перекрываться с орбиталями кольца. Индуктивный эффект действует так же, как и для карбоксилат-аниона, но в противоположном направлении (т. е. он создает небольшие положительные заряды в орто- и пара - положениях, но не в мета -положении, и дестабилизирует промежуточное соединение Уиланда ). Следовательно, эти группы являются дезактивирующими и мета- направляющими:
Конкурирующие эффекты галогенидов
Индукция против резонанса
Фтор является чем-то вроде аномалии в этом случае. Выше он описан как слабая электроноакцепторная группа, но это верно лишь отчасти. Верно, что фтор имеет эффект -I, который приводит к индуктивному отводу электронов. Однако другой эффект, который играет роль, - это эффект +M, который добавляет электронную плотность обратно в бензольное кольцо (таким образом, оказывая противоположный эффект эффекту -I, но по другому механизму). Это называется мезомерным эффектом (отсюда +M), и результат для фтора заключается в том, что эффект +M приблизительно отменяет эффект -I. Эффект этого для фторбензола в пара -положении - это реакционная способность, которая сравнима (или даже выше) таковой у бензола . Поскольку индуктивные эффекты сильно зависят от близости, мета- и орто- положения фторбензола значительно менее реакционноспособны, чем бензол. Таким образом, электрофильное ароматическое замещение на фторбензоле является сильно параселективным .
Этот эффект -I и +M справедлив для всех галогенидов - у каждого из них есть некоторый электроноакцепторный и донорный характер. Чтобы понять, почему происходят изменения реакционной способности, нам нужно рассмотреть перекрытия орбиталей, происходящие в каждом из них. Валентные орбитали фтора - это 2p-орбитали, что то же самое для углерода - следовательно, они будут очень близки по энергии, и перекрытие орбиталей будет благоприятным. У хлора есть 3p-валентные орбитали, поэтому орбитальные энергии будут дальше друг от друга, а геометрия менее благоприятной, что приводит к меньшему донорству, стабилизирующему карбокатионный промежуточный продукт, поэтому хлорбензол менее реакционноспособен, чем фторбензол . Однако бромбензол и иодбензол примерно такие же или немного более реакционноспособны, чем хлорбензол, потому что, хотя резонансное донорство еще хуже, индуктивный эффект также ослаблен из-за их более низкой электроотрицательности. Таким образом, общий порядок реакционной способности имеет U-образную форму с минимумом в хлорбензоле/бромбензоле (относительные скорости нитрования по сравнению с бензолом = 1 в скобках): PhF (0,18) > PhCl (0,064) ~ PhBr (0,060) < PhI (0,12). [12] Но все же все галогенбензолы реагируют медленнее, чем сам бензол.
Обратите внимание, что иодбензол все еще менее реактивен, чем фторбензол, поскольку поляризуемость также играет роль. Это также может объяснить, почему фосфор в фосфанах не может отдавать электронную плотность углероду через индукцию (т.е. эффект +I), хотя он менее электроотрицателен, чем углерод (2,19 против 2,55, см. список электроотрицательностей ), и почему иодистоводородная кислота ( pKa = -10) гораздо более кислая, чем плавиковая кислота (pKa = 3). (Это в 10 13 раз более кислая, чем плавиковая кислота)
Направляющий эффект
Благодаря неподеленной паре электронов галогенные группы доступны для отдачи электронов. Поэтому они являются орто / пара -директорами.
Нитрозогруппа
Индукция
Из-за разницы в электроотрицательности углерода и азота нитрозогруппа имеет относительно сильный эффект -I, но не такой сильный, как нитрогруппа. (Положительно заряженные атомы азота на катионах алкиламмония и на нитрогруппах имеют гораздо более сильный эффект -I)
Резонанс
Нитрозогруппа имеет как эффект +М, так и эффект -М, но эффект -М более благоприятен.
Азот имеет неподеленную пару электронов. Однако неподеленная пара его мономерной формы неблагоприятна для донорства через резонанс. Только димерная форма доступна для эффекта +M. Однако димерная форма менее стабильна в растворе. Поэтому нитрозогруппа менее доступна для донорства электронов.
Напротив, оттягивание электронной плотности более выгодно: (см. рисунок справа).
.jpg/1280px-Nitrosobenzene_resonance_(by_pi_bonds).jpg)
В результате нитрозогруппа является дезактиватором. Однако она может отдавать электронную плотность бензольному кольцу в промежуточном соединении Уиланда , что делает ее по-прежнему орто / пара -директором .
В бензоле есть 2 орто- , 2 мета- и 1 пара -положение, когда к нему присоединена группа. Когда группа является орто-/пара- директором с орто- и пара -положениями, реагирующими с одинаковым парциальным фактором скорости, мы могли бы ожидать в два раза больше орто- продукта, чем пара- продукта из-за этого статистического эффекта. Однако парциальные факторы скорости в орто- и пара -положениях, как правило, не равны. Например, в случае фторсодержащего заместителя парциальный фактор скорости орто намного меньше пара- из-за более сильного эффекта индуктивного отвода в орто- положении. Помимо этих эффектов, часто также наблюдается стерический эффект из-за повышенного стерического препятствия в орто -положении, но не в пара -положении, что приводит к большему количеству пара - продукта.
Эффект проиллюстрирован для электрофильных ароматических замещений с алкильными заместителями с различными стерическими требованиями к электрофильному ароматическому нитрованию. [19]
| Субстрат | толуол [-CH 3 ] | этилбензол [-СН 2 СН 3 ] | кумол [-СН(СН 3 ) 2 ] | трет- бутилбензол [-С( СН3 ) 3 ] |
|---|---|---|---|---|
| орто продукт | 58 | 45 | 30 | 16 |
| мета- продукт | 5 | 6 | 8 | 11 |
| пара продукт | 37 | 59 | 62 | 73 |
| соотношение орто/пара | 1.57 | 0,76 | 0,48 | 0,22 |
Метильная группа в толуоле мала и приведет к орто- продукту, являющемуся основным продуктом. С другой стороны, t -бутильная группа очень объемная (к одному атому углерода присоединено 3 метильные группы) и приведет к пара- продукту, являющемуся основным. Даже с толуолом продукт не 2:1, а имеет немного меньше орто- продукта.
Направляющее воздействие на множественные заместители
Когда два заместителя уже присутствуют в кольце, новое расположение третьего заместителя относительно предсказуемо. Если существующие заместители усиливают или молекула высокосимметрична, то неоднозначности может и не быть. В противном случае: [20]
- Наиболее активирующий заместитель обычно контролирует менее активирующий.
Заместители добавляют орто-положение к амину в диэтил-( пара -метил)анилине и орто-положение к амиду в пара -цианобензамиде - В частности, орто / пара -директора контролируют мета- директора.
Заместители присоединяются к орто-положению амина в диэтил-( мета -трифторметил)анилине и к орто-положению фторида в пара -фторбензальдегиде - Когда несколько заместителей активируют в равной степени, стерические препятствия доминируют над региоселективностью.
Заместители добавляют орто-группу к метильной группе в пара- ( трет- бутил)толуоле - В частности, положение между двумя заместителями, каждый из которых находится в мета-положении по отношению к другому, реагирует последним.
Новые заместители добавляют пара-положение к любому заместителю в мета -хлортолуоле
.jpg){kind=link}
Смотрите также
Ссылки
- ^ "Электронно-акцепторная группа". Иллюстрированный глоссарий органической химии . Кафедра химии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе . Получено 16 ноября 2012 г.
- ^ ab Hunt, Ian. "Substitute Effects". Кафедра химии Калгарийского университета . Получено 16 ноября 2012 г.
- ^ "Группа-донор электронов". Иллюстрированный глоссарий органической химии . Кафедра химии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе . Получено 16 ноября 2012 г.
- ^ Браун, А. Крам ; Гибсон, Джон (1892). «XXX.—Правило определения, даст ли данное монопроизводное бензола мета-дипроизводное или смесь орто- и пара-дипроизводных». J. Chem. Soc. 61 : 367– 369. doi :10.1039/ct8926100367.
- ^ "Substitute Effects". www.mhhe.com . Получено 2 апреля 2015 г. .
- ^ Джеймс, Эшенхерст (29 января 2018 г.). «Орто-, пара- и мета-директора в электрофильном ароматическом замещении». Мастер органической химии .
- ^ Норман, Ричард О.К.; Коксон, Джеймс М. (1993). Принципы органического синтеза (3-е изд.). CRC Press. стр. 353–354 . ISBN 9780748761623.
- ^ Сальвателла, Луис (октябрь 2017 г.). «Алкильная группа представляет собой заместитель –I + R». Образование Кимика . 28 (4): 232–237 . doi :10.1016/j.eq.2017.06.004. hdl : 10261/184773 . S2CID 46641895.
- ^ Hoggett, JG; Moodie, RB; Penton, JR; Schofield, K. (1971). Нитрация и ароматическая реакционная способность . Лондон: Cambridge University Press. стр. 200. ISBN 0521080290. OCLC 205846.
- ^ ab Smith, Ed (12 февраля 2018 г.). "ЛЕКЦИЯ 2" (PDF) . Раздаточные материалы для лекций по органической химии, прочитанных в Имперском колледже Лондона, химия . стр. 3.
- ^ Розенталь, Джоэл; Шустер, Дэвид И. (2003-06-01). «Аномальная реакционная способность фторбензола в электрофильном ароматическом замещении и связанных с ним явлениях». Журнал химического образования . 80 (6): 679– 690. Bibcode : 2003JChEd..80..679R. doi : 10.1021/ed080p679. ISSN 0021-9584.
- ^ ab Jonathan., Clayden (2012). Органическая химия . Гривз, Ник., Уоррен, Стюарт Г. (2-е изд.). Оксфорд: Oxford University Press. ISBN 9780199270293. OCLC 761379371.
- ^ Эндрю, Д. Абелл; Брент, К. Наббс; Алан, Р. Баттерсби (12 февраля 1998 г.). «Синтез и свойства дезактивированных дейтерированных (гидроксиметил)пирролов» (Synthesis and Properties of Ring-Deactivated Deuterated (Hydroxymethyl)pyrroles). Журнал Американского химического общества . 120 (8). doi :10.1021/ja973656+.
- ^ ab C., Vollhardt, K. Peter (2018-01-29). Органическая химия: структура и функция . Schore, Neil Eric, 1948- (8-е изд.). Нью-Йорк. ISBN 9781319079451. OCLC 1007924903.
{{cite book}}: CS1 maint: местоположение отсутствует издатель ( ссылка ) CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ "Реакции замещения производных бензола". Chemistry LibreTexts . 2013-10-02 . Получено 2021-09-18 .
- ^ Э., Льюис, Дэвид (2016). Продвинутая органическая химия . Нью-Йорк. ISBN 9780199758975. OCLC 933277973.
{{cite book}}: CS1 maint: местоположение отсутствует издатель ( ссылка ) CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Флеминг, Ян (1976). Граничные орбитали и органические химические реакции . Лондон: Wiley. ISBN 0471018201. OCLC 2048204.
- ^ Кэри, Фрэнсис А. (07 января 2013 г.). Органическая химия . Джулиано, Роберт М., 1954- (Девятое изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк. ISBN 9780073402741. OCLC 822971422.
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ) - ^ Питер, Сайкс (1979). "2" (PDF) . Некоторые пути органических реакций . стр. 32. ISBN 0851869998.
- ^ "12.15. Эффекты множественных множественных заместителей" (PDF) . стр. 7.