Электрофильное ароматическое замещение - Electrophilic aromatic substitution

Электрофильное ароматическое замещение является органическая реакция в котором атом, присоединенный к ароматическая система (обычно водород) заменяется электрофил. Некоторые из наиболее важных электрофильных ароматических замещений: ароматическое нитрование, ароматическое галогенирование, ароматическое сульфирование, а также алкилирование и ацилированиеРеакция Фриделя – Крафтса.[1]

Иллюстративные реакции

Наиболее широко распространенный пример этой реакции - этилирование бензола.

Этилирование бензола.svg

В 1999 году было произведено около 24 700 000 тонн.[2] (После дегидрирования и полимеризации товарный пластик полистирол производится.) В этом процессе твердые кислоты используются в качестве катализатора для образования зарождающегося карбокатиона. Проводятся многие другие электрофильные реакции бензола, хотя в гораздо меньших масштабах они являются ценными путями к ключевым промежуточным соединениям. Нитрование бензола достигается за счет действия ион нитрония как электрофил. В сульфирование с дымом серная кислота дает бензолсульфоновая кислота. Ароматическое галогенирование с бром, хлор, или же йод дает соответствующие арилгалогениды. Эта реакция обычно катализируется соответствующим тригалогенидом железа или алюминия.

Галогенирование бензола en.svg

В Реакция Фриделя – Крафтса может выполняться как ацилирование или как алкилирование. Часто, трихлорид алюминия используется, но почти любой сильный Кислота Льюиса может быть применено. Для реакции ацилирования a стехиометрический требуется количество трихлорида алюминия.

Бензол Friedel-Crafts acylation.svg
Бензол Фридель-Крафтс алкилирование.svg

Механизм реакции

Общий механизм реакции, обозначенный Механистический символ Хьюза-Ингольда SEAr,[3] начинается с ароматического кольца, атакующего электрофила E+. Этот шаг приводит к образованию положительно заряженного и делокализованный циклогексадиенил катион, также известный как арений ион, Промежуточное звено Веланда или арен σ-комплекс. Много примеров этого карбокатион были охарактеризованы, но при нормальных рабочих условиях эти высококислотные частицы будут отдавать протон, присоединенный к sp3 углерод к растворителю (или любому другому слабому основанию) для восстановления ароматичности. Конечный результат - замена H на E в арильном кольце. Иногда другие электробурги (группы, которые могут уйти без их электронной пары) рядом с H+ уйдет, чтобы восстановить ароматичность; эти виды включают силильные группы (как SiR3+), карбоксильная группа (как CO2 + H+), группа йода (как I+) и третичные алкильные группы, такие как т-бутил (как R+). Способность этих типов заместителей уходить иногда используется синтетически, особенно в случае замены силила другой функциональной группой (ipso атака). Однако потеря таких групп, как йод или алкил, чаще является нежелательной побочной реакцией.

Механизм реакции электрофильного ароматического замещения.

Влияние групп заместителей

Основная статья: Электрофильные ароматические направляющие группы

Оба региоселективность - разнообразные паттерны замещения аренов - и скорость электрофильного ароматического замещения зависят от заместителей, уже присоединенных к бензольному кольцу. Что касается региоселективности, некоторые группы способствуют замещению в орто- или пара-положениях, тогда как другие группы способствуют замене в мета-положении. Эти группы называются либо орто – пара направление или же мета-режиссура, соответственно. Кроме того, у некоторых групп увеличится скорость реакции (активация), а другие уменьшат скорость (деактивация). Хотя закономерности региоселективности можно объяснить с помощью резонансные структуры, влияние на кинетика можно объяснить как резонансные структуры и индуктивный эффект.

Скорость реакции

Заместители обычно можно разделить на два класса в отношении электрофильного замещения: активирующие и дезактивирующие по отношению к ароматическому кольцу. Активирующие заместители или же активация групп стабилизировать катионный промежуточный продукт, образующийся во время замещения, отдавая электроны в кольцевую систему, либо индуктивный эффект или же резонансные эффекты. Примеры активированных ароматических колец: толуол, анилин и фенол.

Дополнительная электронная плотность, доставляемая в кольцо заместителем, не распределяется равномерно по всему кольцу, а концентрируется на атомах 2, 4 и 6, поэтому активирующие заместители также являются орто / пара директорами (см. Ниже).

С другой стороны, дезактивирующие заместители дестабилизируют промежуточный катион и тем самым уменьшают скорость реакции либо индуктивными, либо резонансными эффектами. Они делают это за счет удаления электронной плотности из ароматического кольца. Дезактивация ароматической системы означает, что обычно требуются более жесткие условия для завершения реакции. Примером этого является нитрование толуола при производстве тринитротолуол (ТНТ). В то время как первое нитрование активированного толуольного кольца можно проводить при комнатной температуре и с разбавленной кислотой, второе нитрование дезактивированного нитротолуольного кольца уже требует длительного нагревания и более концентрированной кислоты, а третье - при очень сильно дезактивированной динитротолуол, должен производиться в кипящем концентрированном серная кислота. Группы, которые отводят электроны за счет резонанса, уменьшают электронную плотность, особенно в положениях 2, 4 и 6, оставляя положения 3 и 5 как группы со сравнительно более высокой реакционной способностью, поэтому эти типы групп являются мета-директорами (см. Ниже). Галогены являются электроотрицательными, поэтому они деактивируются индукцией, но у них есть неподеленные пары, поэтому они являются донорами резонанса и, следовательно, орто / пара директорами.

Орто / пара директора

Группы с неразделенные пары электронов, таких как амино- группа анилин, сильно активация и орто / пара-направление резонансом. Такой активация групп пожертвовать эти неподеленные электроны число Пи система, создающая отрицательный заряд в орто и пара положениях. Таким образом, эти позиции наиболее реактивны по отношению к бедным электронами электрофилам. Наибольшая концентрация электронов находится как в орто, так и в пара-положениях,[требуется разъяснение ] хотя эта повышенная реактивность может быть компенсирована стерическое препятствие между заместителем и электрофилом. Таким образом, конечный результат электрофильного ароматического замещения может быть трудно предсказать, и он обычно устанавливается только путем проведения реакции и определения соотношения орто-замещения по сравнению с пара-замещением.

резонансные структуры для орто-атаки электрофила на анилин

В дополнение к повышенной нуклеофильной природе исходного кольца, когда электрофил атакует орто и параграф позиции анилина, азот атом может отдавать электронную плотность число Пи система (формирующая иминиевый ион ), что дает четыре резонансные структуры (в отличие от трех в основной реакции). Это существенно увеличивает стабильность катионного промежуточного продукта.

Резонансные конструкции для пара-атаки

Когда электрофил атакует мета положение, атом азота не может отдавать электронную плотность число Пи система, дающая только три вкладчика резонанса. Это рассуждение согласуется с низкой урожайностью мета-замещенный продукт.

резонансные структуры для мета-атаки электрофила на анилин

Другие заместители, такие как алкил и арил заместители, может также передавать электронную плотность число Пи система; однако, поскольку у них отсутствует доступная неподеленная пара электронов, их способность делать это довольно ограничена. Таким образом, они лишь слабо активируют кольцо и не сильно затрудняют мета позиция.

Направленная орто-металлизация особый тип EAS со специальными орто-директора.

Мета директора

Негалогеновые группы с более электроотрицательными атомами, чем углерод, такие как группа карбоновой кислоты (-CO2H), удаляют значительную электронную плотность из число Пи система. Эти группы сильно деактивация групп. Кроме того, поскольку замещенный углерод уже беден электронами, любая структура, имеющая вклад в резонанс, в которой имеется положительный заряд на углероде, несущем электроноакцепторную группу (т.е. орто или же параграф атака) менее стабильна, чем другие. Следовательно, эти электроноакцепторные группы являются мета режиссура, потому что это позиция, не имеющая такой дестабилизации.

Реакция также намного медленнее (относительная скорость реакции из 6 × 10−8 по сравнению с бензолом), потому что кольцо менее нуклеофильно.

Реакция на пиридин

По сравнению с бензолом скорость электрофильного замещения на пиридин происходит намного медленнее из-за более высокой электроотрицательности атома азота. Кроме того, азот в пиридине легко получает положительный заряд за счет протонирование (из нитрование или же сульфирование ) или же Кислоты Льюиса (Такие как AlCl3 ) используется для катализирования реакции. Это делает реакцию еще медленнее за счет наличия смежных формальных зарядов на углероде и азоте или двух формальных зарядов на локализованном атоме. Выполнить электрофильное замещение непосредственно в пиридине практически невозможно.

Чтобы провести реакцию, они могут быть проведены с помощью 2 возможных реакций, которые обе являются косвенными.

Одним из возможных способов замещения пиридина является нуклеофильное ароматическое замещение. Даже без катализаторов атом азота, будучи электроотрицательным, может удерживать отрицательный заряд сам по себе. Другой способ - провести окисление перед электрофильным замещением. Это делает пиридин N-окись, который из-за отрицательного атома кислорода делает реакцию более быстрой, чем пиридин и даже бензол. Затем оксид можно восстановить до замещенного пиридина.

Ипсо атака

Присоединение входящей группы к положению в ароматическом соединении, уже имеющем группу заместителя (кроме водорода). Входящая группа может вытеснить эту замещающую группу, но также сама может быть вытеснена или перемещена в другое положение на следующем этапе. Период, термин 'ipso-замещение 'не используется, так как это синоним подстановки.[4] Классический пример - реакция салициловая кислота со смесью азотный и серная кислота формировать пикриновая кислота. Нитрование 2 позиции влечет за собой потерю CO.2 как уходящая группа. Десульфирование, при котором сульфонильная группа замещена протоном, является обычным примером. Смотрите также Перестановка Хаяши. В ароматических соединениях, замещенных кремнием, кремний реагирует ipso подмена.

Пятичленные гетероциклы

По сравнению с бензолом, фураны, тиофены, и пирролы более подвержены электрофильному нападению. Все эти соединения содержат атом с неподеленной парой электронов (кислород, сера, или же азот ) как член ароматического кольца, которое существенно стабилизирует катионный промежуточный продукт. Примерами электрофильных замещений пиррола являются Реакция Пикте – Шпенглера и Реакция Бишлера – Наперальского.

Асимметричное электрофильное ароматическое замещение

Электрофильные ароматические замещения с прохиральный углеродные электрофилы были адаптированы для асимметричный синтез переключившись на хиральный Кислота Льюиса катализаторы, особенно в Реакции типа Фриделя – Крафтса.. Ранний пример касается добавления хлорал к фенолы катализируется хлорид алюминия изменен с (-)-ментол.[5] А глиоксилат соединение было добавлено к N, N-диметиланилин с хиральным бисоксазолиновый лиганд –трифлат меди (II) каталитическая система также в Гидроксиалкилирование Фриделя – Крафтса:[6]

Асимметричное гидроксиалкилирование Фриделя – Крафтса

В другом алкилировании N-метилпиррол реагирует с кротоновый альдегид катализируется трифторуксусная кислота модифицированный хиральным имидазолидинон:[7]

Friedel Crafts Asymmetric Adding to Pyrrole

Индол реагирует с энамид катализируется хиральной БИНОЛ полученный фосфорная кислота:[8]

Friedel Crafts Alkylation Indole Asymmetric

В присутствии 10–20% хирального катализатора 80–90% ее достижимо.

Другие реакции

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Смит, Майкл Б .; Марш, Джерри (2007), Продвинутая органическая химия: реакции, механизмы и структура (6-е изд.), Нью-Йорк: Wiley-Interscience, ISBN  978-0-471-72091-1
  2. ^ Винсент А. Велч, Кевин Дж. Фэллон, Хайнц-Петер Гелбке "Этилбензол" Энциклопедия промышленной химии Ульмана, Wiley-VCH, Weinheim, 2005. Дои:10.1002 / 14356007.a10_035.pub2
  3. ^ Гоули, Роберт Э. (1999-06-04). «Предложение по (небольшой) модификации механистических дескрипторов Хьюза-Ингольда для реакций замещения». Буквы Тетраэдра. 40 (23): 4297–4300. Дои:10.1016 / S0040-4039 (99) 00780-7. ISSN  0040-4039.
  4. ^ ИЮПАК, Сборник химической терминологии, 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (2006–) "ipso-атака ". Дои:10.1351 / goldbook.I03251
  5. ^ Асимметричное электрофильное замещение фенолов в гидроксиалкилировании Фриделя – Крафтса. Энантиоселективное орто-гидроксиалкилирование, опосредованное хиральными алкоксиалюминийхлоридами Франка Биджи, Джованни Казираги, Джузеппе Казнати, Джованни Сартори, Джованна Гаспарри Фава и Мариса Феррари Белички J. Org. Chem.; 1985; 50 (25) pp 5018–5022; Дои:10.1021 / jo00225a003
  6. ^ Каталитические энантиоселективные реакции Фриделя – Крафтса ароматических соединений с глиоксилатом: простая процедура синтеза оптически активных эфиров ароматической миндальной кислоты Николас Гэтергуд, Вэй Чжуан и Карл Анкер Джргенсен Варенье. Chem. Soc.; 2000; 122 (50) pp 12517–12522; (Статья) Дои:10.1021 / ja002593j
  7. ^ Новые стратегии в органическом катализе: первое энантиоселективное органокаталитическое алкилирование Фриделя – Крафтса Ник А. Парас и Дэвид В. К. Макмиллан Варенье. Chem. Soc.; 2001; 123 (18) с. 4370–4371; (Коммуникация) Дои:10.1021 / ja015717g
  8. ^ Энантиоселективная реакция Фриделя – Крафтса индолов и а-ариленамидов, катализируемая хиральной кислотой Бренстеда: построение четвертичных атомов углерода И-Ся Цзя, Цзюнь Чжун, Шоу-Фей Чжу, Цань-Мин Чжан и Ци-Линь Чжоу Энгью. Chem. Int. Эд. 2007, 46, 5565 –5567 Дои:10.1002 / anie.200701067
  9. ^ Verfahren zur Darstellung von Benzylphtalimiden Иосиф Черняк Немецкий патент 1902, DE-134,979
  10. ^ Ueber die N-Methylolverbindungen der Säureamide [Erste Abhandlung.] Альфред Эйнхорн, Эдуард Бишкопфф, Бруно Селински, Густав Шупп, Эдуард Шпренгертс, Карл Ладиш и Теодор Мауэрмайер Либигс Аннален 1905, 343, стр. 207–305 Дои:10.1002 / jlac.19053430207

внешняя ссылка