Электрофильные ароматические направляющие группы
В электрофильного ароматического замещения реакциях существующие группы- заместители в ароматическом кольце общую скорость реакции или оказывают направляющее влияние на позиционный изомер продуктов влияют на образующихся .
Электронодонорная группа ( EDG ) или электроновысвобождающая группа ( ERG , Z в структурных формулах) — это атом или функциональная группа , которая отдает часть своей электронной плотности сопряженной π-системе посредством резонанса (мезомерии) или индуктивных эффектов (или индукции) — называемые 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.
Электроноакцепторная группа (EWG) будет оказывать противоположное влияние на нуклеофильность кольца. EWG удаляет электронную плотность из π-системы, делая ее менее реакционноспособной в реакциях этого типа. [ 2 ] [ 3 ] и поэтому называются деактивирующими группами .
EDG и EWG также определяют положения (относительно себя) в ароматическом кольце, где наиболее вероятны реакции замещения. Электронодонорные группы обычно являются орто/пара-директорами электрофильных ароматических замещений , тогда как электроноакцепторные группы (за исключением галогенов ) обычно являются мета-директорами . Селективность, наблюдаемая с помощью EDG и EWG, была впервые описана в 1892 году и известна как правило Крама Брауна – Гибсона. [ 4 ]
Категории
[ редактировать ]Группы, отдающие электроны, обычно делятся на три уровня активирующей способности («крайнюю» категорию можно рассматривать как «сильную».) Группы, отдающие электроны, относят к аналогичным группам. Активирующие заместители способствуют электрофильному замещению в орто- и пара -положениях. Слабо дезактивирующие группы направляют электрофилы на атаку молекулы бензола в орто- и пара- положениях, тогда как сильно и умеренно дезактивирующие группы направляют атаку на мета- положение. [ 5 ] Это не тот случай, когда предпочтение отдается мета-позиции, подобной пара- и орто-направленным функциональным группам, а скорее неблагоприятное воздействие на орто- и пара -позиции больше, чем на мета -позицию.
Активация групп
[ редактировать ]Активирующие группы в основном являются резонансными донорами (+М). Хотя многие из этих групп являются также индуктивно-акцепторными (–I), что является дезактивирующим эффектом, резонансный (или мезомерный) эффект почти всегда сильнее, за исключением Cl, Br и I.
Величина
активация |
Название заместителя (в приблизительном порядке
активации силы) |
Структура | Тип электронного эффекта | Режиссёрский эффект |
---|---|---|---|---|
Экстрим | оксидная группа | -ТОТ − | +I, +M, металл-водородный обмен | орто , пункт |
Сильный | (замещенные) аминогруппы | -NH2 , , -NHR -NR2 | –Я, +М | |
гидрокси- и алкокси-группы | -ОЙ,
-ИЛИ | |||
Умеренный | ациламидные группы | -НВКОР | ||
ацилоксигруппы | -ОКОР | |||
(ди)алкилфосфино , алкилтио и сульфгидрильные группы [ 6 ] | -ПР 2 ,
-СР, -Ш |
+М (слабый) | ||
Слабый | фенильная (или арильная) группа | -С 6 Н 5 | –Я, +М; [ 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 ] | -СО 2 − | +я |
В целом резонансное влияние элементов третьего периода и далее относительно слабое. Это происходит главным образом из-за относительно плохого перекрытия орбиталей 3p-орбитали заместителя (или более высокой) с 2p-орбиталью углерода.
Из-за более сильного резонансного эффекта и индуктивного эффекта, чем у более тяжелых галогенов, фтор является аномальным. Парциальный коэффициент скорости электрофильного ароматического замещения фторбензола часто больше, чем коэффициент в пара -положении, что делает его активирующей группой. [ 11 ] И наоборот, он умеренно дезактивирован в орто- и мета- положениях из-за близости этих положений к электроотрицательному фторзаместителю.
Деактивация групп
[ редактировать ]Хотя все дезактивирующие группы удаляются индуктивно (–I), большинство из них также удаляются посредством резонанса (–M). Исключение составляют галогеновые заместители: они являются резонансными донорами (+М). За исключением галогенидов, они являются мета- направляющими группами.
Галогениды представляют собой орто- , пара -направляющие группы, но в отличие от большинства орто- , пара -направляющих, галогениды слегка дезактивируют арен. Такое необычное поведение можно объяснить двумя свойствами:
- Поскольку галогены очень электроотрицательны, они вызывают индуктивный отвод (отход электронов от атома углерода бензола).
- Поскольку галогены имеют несвязывающие электроны, они могут жертвовать электронную плотность за счет пи-связи (резонансное донорство).
Индуктивные и резонансные свойства конкурируют друг с другом, но при управлении участками реактивности доминирует резонансный эффект. Например, при нитровании фтор сильно направляется в пара -положение, поскольку орто- положение индуктивно деактивируется (86% пара , 13% орто , 0,6% мета ). С другой стороны, йод направляется в орто- и пара сравнительно -позиции (54% пара и 45% орто , 1,3% мета ). [ 12 ]
Величина
деактивация |
Название заместителя (в приблизительном порядке
деактивации силы) |
Структура | Тип электронного эффекта | Режиссёрский эффект |
---|---|---|---|---|
Сильный | трифторметилсульфонильная группа [ 13 ] | -SO 2 CF 3 | -Я | мета |
(замещенные) аммониевые группы [ 14 ] | -№ 3 + (R = алкил или H) | -Я | ||
нитро группа | -НЕТ 2 | -Я | ||
сульфоновые кислоты и сульфонильные группы | -SO 3 H,
-SO 2 Р | |||
цианогруппа | -C≡N | |||
тригалогенметильные группы (наиболее сильные для -CF 3 группы ) | -CX 3 (X = F, Cl, Br, I) | -Я | ||
Умеренный | галоформильные группы | -ЦОГ
(X = Cl, Br, I) |
-Я | |
формильные и ацильные группы | -ДАВАТЬ,
-COR | |||
карбоксильные и алкоксикарбонильные группы | -СО 2 Н,
-СО 2 Р | |||
(замещенные) аминокарбонильные группы | -CONH 2 ,
-КОНПЧ, -КОНР 2 | |||
Слабый | группа фтора ( орто- , мета- положения) | -Ф | –I, +M ( орто ) | орто , пункт |
группа нитрозо | -Н=О | –I, +M (димер) или
–М (мономер) | ||
группы гало | -F(пара), -Cl, -Br, -I [ 15 ] | –I, +M (слабый) |
Традиционные рационализации
[ редактировать ]Хотя полную электронную структуру арена можно рассчитать только с помощью квантовой механики , о направляющем влиянии различных заместителей часто можно догадаться посредством анализа резонансных диаграмм .
В частности, любые формальные отрицательные или положительные заряды в вкладчиках второстепенного резонанса (соответствующие естественной поляризации, но не обязательно подчиняющиеся правилу октетов ) отражают места, имеющие большую или меньшую плотность заряда на молекулярной орбитали для связи, которая с наибольшей вероятностью разорвется . Атом углерода с большим коэффициентом будет атакован преимущественно из-за более благоприятного перекрытия орбиталей с электрофилом. [ 16 ]
Возмущение сопрягающей электроноакцепторной или электронодонорной группы приводит к тому, что распределение π-электронов на бензольном кольце напоминает ( очень незначительно !) электронодефицитный бензильный катион или электроноизбыточный бензильный анион соответственно. Последние виды допускают поддающиеся квантовому расчету с использованием теории Хюккеля : катион удаляет электронную плотность в орто- и пара -положениях, отдавая предпочтение метаатаке , тогда как анион высвобождает электронную плотность в те же позиции, активируя их для атаки. [ 17 ] Это именно тот результат, который мог бы предсказать рисунок резонансных структур.
Например, анилин имеет резонансные структуры с отрицательными зарядами вокруг кольцевой системы:
Атака происходит в орто- и пара -положениях, 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 позициях.
Другой распространенный аргумент, который делает идентичные предсказания, рассматривает стабилизацию или дестабилизацию заместителями промежуточных продуктов Уиланда в результате электрофильной атаки в орто- / пара- или мета- положениях. Затем постулат Хаммонда гласит, что относительные энергии переходного состояния будут отражать различия в энергиях основного состояния промежуточных продуктов Уиланда. [ 14 ] [ 18 ]
Карбонилы, сульфоновые кислоты и нитро
[ редактировать ]Из-за полного или частичного положительного заряда элемента, непосредственно прикрепленного к кольцу для каждой из этих групп, все они обладают электроноакцепторным индуктивным эффектом от умеренного до сильного (известный как эффект -I). Они также демонстрируют эффекты электроноакцепторного резонанса (известные как эффект -M):
Таким образом, эти группы делают ароматическое кольцо очень бедным электронами (δ+) по сравнению с бензолом и, следовательно, сильно дезактивируют кольцо (т.е. реакции протекают гораздо медленнее в кольцах, несущих эти группы, по сравнению с реакциями в бензоле).
Анилины , фенолы и эфиры (например, анизол )
[ редактировать ]Из-за разницы в электроотрицательности между углеродом и кислородом/азотом будет наблюдаться небольшой эффект захвата электронов за счет индуктивного эффекта (известный как эффект –I). Однако другой эффект, называемый резонансом, возвращает электронную плотность кольцу (известный как эффект +M) и доминирует над индуктивным эффектом. Следовательно, в результате 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» придать электронную плотность атомам углерода (поскольку он имеет отрицательный заряд, он оказывает дополнительный эффект +I). Даже в холодном состоянии и с нейтральными (и относительно слабыми) электрофилами реакция все равно протекает быстро.
Алкильные группы
[ редактировать ]Алкильные группы являются электронодонорными группами. Углерод при этом sp 3 гибридизованы и менее электроотрицательны, чем те, которые sp 2 гибридизированный . Они перекрывают связи углерод-водород (или связи углерод-углерод в таких соединениях, как трет- бутилбензол) с p-орбиталью кольца. Следовательно, они более реакционноспособны, чем бензол, и являются орто / пара -директорами.
Карбоксилат
[ редактировать ]Индуктивно отрицательно заряженный ион карбоксилата умеренно отталкивает электроны в связи, прикрепляющей его к кольцу. Таким образом, имеет место слабый электронодонорный +I-эффект. Эффект -M практически нулевой, поскольку электроноакцепторная резонансная способность карбонильной группы эффективно устраняется за счет делокализации отрицательного заряда аниона на кислороде. Таким образом, в целом карбоксилатная группа (в отличие от карбоксильной ) оказывает активирующее влияние. [ 10 ]
Алкиламмоний и трифторметильная группа
[ редактировать ]Эти группы обладают сильным электроноакцепторным индуктивным эффектом (-I) либо в силу своего положительного заряда, либо из-за сильной электроотрицательности галогенов. Эффекта резонанса нет, поскольку нет орбиталей или электронных пар, которые могли бы перекрываться с орбиталями кольца. Индуктивный эффект действует аналогично эффекту 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 дезактивируют и мета- направляют :
Конкурирующие эффекты галогенидов
[ редактировать ]Индукция против резонанса
[ редактировать ]В этих обстоятельствах фтор является чем-то вроде аномалии. Выше она описана как слабая электроноакцепторная группа, но это верно лишь отчасти. Верно, что фтор обладает эффектом -I, который приводит к индуктивному отводу электронов. Однако другой эффект, который играет роль, - это эффект +M, который возвращает электронную плотность обратно в бензольное кольцо (таким образом, оказывая эффект, противоположный эффекту -I, но по другому механизму). Это называется мезомерным эффектом (отсюда +M), и в случае фтора эффект +M примерно компенсирует эффект -I. Эффектом этого для фторбензола в пара -положении является реакционная способность, сравнимая с реакционной способностью бензола (или даже более высокая) . Поскольку индуктивные эффекты сильно зависят от близости, мета- и орто- положения фторбензола значительно менее реакционноспособны, чем бензол. Таким образом, электрофильное ароматическое замещение фторбензола является сильно параселективным .
Этот эффект -I и +M справедлив для всех галогенидов - каждый из них обладает некоторым электроноакцепторным и отдающим характером. Чтобы понять, почему происходят изменения реактивности, нам необходимо рассмотреть перекрытие орбит, происходящее в каждой из них. Валентные орбитали фтора - это 2p-орбитали, которые одинаковы для углерода - следовательно, они будут очень близки по энергии, и перекрытие орбиталей будет благоприятным. Хлор имеет валентные орбитали 3p, следовательно, энергии орбиталей будут дальше друг от друга, а геометрия будет менее благоприятной, что приведет к меньшему вкладу в стабилизацию карбокатионного промежуточного продукта, следовательно, хлорбензол менее реакционноспособен, чем фторбензол . Однако бромбензол и иодбензол примерно так же или немного более реакционноспособны, чем хлорбензол, поскольку, хотя резонансная отдача еще хуже, индуктивный эффект также ослаблен из-за их меньшей электроотрицательности. Таким образом, общий порядок реакционной способности имеет U-образную форму с минимумом при хлорбензоле/бромбензоле (относительная скорость 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 йодбензол все еще менее реакционноспособен, чем фторбензол, поскольку поляризуемость также играет роль. Это также может объяснить, почему фосфор в фосфанах не может отдавать электронную плотность углероду посредством индукции (т. е. эффект +I), хотя он менее электроотрицательен, чем углерод (2,19 против 2,55, см. список электроотрицательности ), и почему иодистоводородная кислота ( pKa = -10) значительно более кислая, чем плавиковая кислота (pKa = 3). (Это 10 13 раз кислее плавиковой кислоты)
Режиссёрский эффект
[ редактировать ]Благодаря неподеленной паре электронов галогенные группы доступны для отдачи электронов. Следовательно, они являются орто / парадиректорами .
Группа Нитрозо
[ редактировать ]Индукция
[ редактировать ]Из-за разницы в электроотрицательности углерода и азота нитрозогруппа оказывает относительно сильный -I-эффект, но не такой сильный, как нитрогруппа. (Положительно заряженные атомы азота на катионах алкиламмония и на нитрогруппах оказывают гораздо более сильный эффект -I)
Резонанс
[ редактировать ]Нитрозогруппа оказывает как +М, так и -М эффект, но эффект -М более благоприятный.
Азот имеет неподеленную пару электронов. Однако неподеленная пара его мономерной формы неблагоприятна для отдачи в результате резонанса. Для эффекта +M доступна только димерная форма. Однако димерная форма менее стабильна в растворе. Следовательно, нитрозогруппа менее доступна для отдачи электронов.
И наоборот, удаление электронной плотности более выгодно: (см. рисунок справа).
В результате нитрозогруппа является дезактиватором. Тем не менее, он может жертвовать электронную плотность бензольному кольцу во время промежуточного соединения Уиланда , что делает его по-прежнему орто- / пара -директором .
У бензола есть 2 орто- положения, 2 мета -положения и 1 пара- положение, когда к нему присоединена группа. Когда группа является орто-/пара- директором, где орто- и пара мы ожидаем вдвое больше орто- продукта, чем пара- -позиции реагируют с одним и тем же коэффициентом частичной скорости, из-за этого статистического эффекта продукта. Однако коэффициенты частичной скорости в орто- и пара -положениях обычно не равны. Например, в случае фтористого заместителя коэффициент частичной орто- скорости намного меньше, чем пара- , из-за более сильного индуктивного эффекта удаления в орто- положении. Помимо этих эффектов, часто существует также стерический эффект из-за увеличения стерических препятствий в орто -положении, но не в пара- положении, что приводит к увеличению количества пара- продукта.
Эффект проиллюстрирован для электрофильных ароматических замещений алкильными заместителями с различной стерической потребностью при электрофильном ароматическом нитровании. [ 19 ]
Субстрат | толуол [-CH 3 ] | этилбензол
[-СН 2 СН 3 ] |
общий
[-СН(СН 3 ) 2 ] |
трет- бутилбензол
[-С(СН 3 ) 3 ] |
---|---|---|---|---|
орто продукт | 58 | 45 | 30 | 16 |
метапродукт | 5 | 6 | 8 | 11 |
парапродукт | 37 | 59 | 62 | 73 |
орто/пара соотношение | 1.57 | 0.76 | 0.48 | 0.22 |
Метильная группа в толуоле небольшая, поэтому основным продуктом является орто- продукт. С другой стороны, трет -бутильная группа очень объемна (к одному углероду присоединены 3 метильные группы) и будет считать пара- продукт основным. Даже с толуолом продукт не имеет соотношения 2:1, а имеет немного меньшее количество орто- продукта.
Направленное действие на несколько заместителей
[ редактировать ]Когда в кольце уже присутствуют два заместителя, новое расположение третьего заместителя относительно предсказуемо. Если существующие заместители усиливают или молекула обладает высокой симметрией, не может быть никакой двусмысленности. В противном случае: [ 20 ]
- Наиболее активирующий заместитель обычно контролирует менее активирующий.
- В частности, орто / пара -директора контролируют мета- директора.
- Когда несколько заместителей активируют сравнительно, стерические препятствия доминируют над региоселективностью.
- В частности, положение между двумя заместителями, каждый мета по отношению к другому, реагирует последним.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Электронакцепторная группа» . Иллюстрированный словарь органической химии . Химический факультет Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе . Проверено 16 ноября 2012 г.
- ^ Перейти обратно: а б Хант, Ян. «Эффекты-заместители» . Химический факультет Университета Калгари . Проверено 16 ноября 2012 г.
- ^ «Группа доноров электронов» . Иллюстрированный словарь органической химии . Химический факультет Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе . Проверено 16 ноября 2012 г.
- ^ Браун, А. Крам ; Гибсон, Джон (1892). «XXX. — Правило определения того, должно ли данное монопроизводное бензола давать мета -ди-производное или смесь орто- и пара -дипроизводных» . Дж. Хим. Соц. 61 : 367–369. дои : 10.1039/ct8926100367 .
- ^ «Эффекты-заместители» . www.mhhe.com . Проверено 2 апреля 2015 г.
- ^ Джеймс, Ашенхерст (29 января 2018 г.). «Орто-, пара- и мета-директора при электрофильном ароматическом замещении» . Магистр органической химии .
- ^ Норман, Ричард О.К.; Коксон, Джеймс М. (1993). Принципы органического синтеза (3-е изд.). ЦРК Пресс. стр. 353–354. ISBN 9780748761623 .
- ^ Сальвателла, Луис (октябрь 2017 г.). «Алкильная группа представляет собой заместитель –I + R» . Химическое образование . 28 (4): 232–237. дои : 10.1016/j.eq.2017.06.004 . hdl : 10261/184773 . S2CID 46641895 .
- ^ Хоггетт, Дж. Г.; Муди, РБ; Пентон, младший; Шофилд, К. (1971). Нитрование и ароматическая реакционная способность . Лондон: Издательство Кембриджского университета. п. 200 . ISBN 0521080290 . OCLC 205846 .
- ^ Перейти обратно: а б Смит, Эд (12 февраля 2018 г.). «ЛЕКЦИЯ 2» (PDF) . Раздаточные материалы для лекций по органической химии, читаемых в Имперском колледже Лондона, химия . п. 3.
- ^ Розенталь, Джоэл; Шустер, Дэвид И. (1 июня 2003 г.). «Аномальная реакционная способность фторбензола при электрофильном ароматическом замещении и связанные с ним явления». Журнал химического образования . 80 (6): 679–690. Бибкод : 2003ЖЧЭд..80..679Р . дои : 10.1021/ed080p679 . ISSN 0021-9584 .
- ^ Перейти обратно: а б Джонатан., Клейден (2012). Органическая химия . Гривз, Ник., Уоррен, Стюарт Г. (2-е изд.). Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. ISBN 9780199270293 . OCLC 761379371 .
- ^ Эндрю, Д. Абелл; Брент, К. Наббс; Алан, Р. Баттерсби (12 февраля 1998 г.). «Синтез и свойства дезактивированных по кольцу дейтерированных (гидроксиметил)пирролов». Журнал Американского химического общества . 120 (8). дои : 10.1021/ja973656+ .
- ^ Перейти обратно: а б К., Воллхардт, К. Питер (29 января 2018 г.). Органическая химия: строение и функции . Шор, Нил Эрик, 1948- (8-е изд.). Нью-Йорк. ISBN 9781319079451 . OCLC 1007924903 .
{{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ) CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ «Реакции замещения производных бензола» . Химия LibreTexts . 02.10.2013 . Проверено 18 сентября 2021 г.
- ^ Э., Льюис, Дэвид (2016). Передовая органическая химия . Нью-Йорк. ISBN 9780199758975 . OCLC 933277973 .
{{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ) CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Флеминг, Ян (1976). Пограничные орбитали и органические химические реакции . Лондон: Уайли. ISBN 0471018201 . ОСЛК 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 . п. 32. ISBN 0851869998 .
- ^ «12.15. Эффекты множественных множественных заместителей» (PDF) . п. 7.