Лекция 15 · 2004. 12. 24. · Лекция 15 Реакция...
37
Лекция 15 Реакция электрофильного замещения S E Ar Non scholae, sed vitae discimus Мы учимся не для школы, а для жизни
Transcript of Лекция 15 · 2004. 12. 24. · Лекция 15 Реакция...
Лекция 15Реакция электрофильного замещения SEAr
Non scholae, sed vitae discimusМы учимся не для школы, а для жизни
Классификация реакций ароматического электрофильного замещения. Общие представления о механизме реакций, кинетический изотопныйэффект в реакциях электрофильного замещения водорода в бензольномкольце. Представление о - и -комплексах. Аренониевые ионы вреакциях электрофильного замещения. Влияние природы заместителяна ориентацию и скорость реакции электрофильного замещения.Электронодонорные и электроноакцепторные заместители. Согласованная и несогласованная ориентация двух или несколькихзаместителей в в бензольном и нафталиновом рядах. Ориентантыпервого и второго рода.Электрофильное замещение в ароматическом ряду. Обобщенныймеханизм реакции. π- и σ-Комплексы. Методы установлениямеханизма. Кинетические изотопные эффекты. Протонирование аренови Н/D-изотопный обмен в них. Аренониевые ионы и ихперегруппировки. Нитрование. Нитрующие агенты. Механизм реакции нитрования. Нитрование бензола и его производных. Нитрование нафталина,бифенила, анилинов и других аренов. Получениеполинитросоединений. Понятие о реакции нитрозирования, нитрозирование фенолов изамещенных анилинов.
Реакция электрофильного замещенияH
+ E+
EH E
+ H+
EH EH EH
EH EH EH
δ+
δ+
δ+
+
Первая стадия – образование π-комплекса
Br
BrAg
Ag
Упрощенный энергетический профиль электрофильного замещения
Кинетический изотопный эффектКИЕ=kH/kD
в случае участия разрыва связи CH (CD) в скорость определяющей стадии наблюдается КИЕ=5-7
Скорость определяющая стадия –образование σ-комплекса (карбокатиона)
EXX
E H
X
E
H
XH
E
орто- мета- пара- ипсо-
Различная региоселективность электрофильного замещения
NO2
OMe
CH3COOH
Br2
OMe
Br
NO2
NO2
OMe
Br
NO2
NO2
NO2
O2N
OMe
Br
(96 %)пара-броманизол
(4 %)орто-броманизол
(0 %)мета-броманизол
+ +
+ +98 % HNO3 / H2SO4
100 °C
(1 %) (6 %) (93 %)
X X EH
XE
H
SiMe3
HCl
H SiMe3
Cl-
EX
H
E
X
H
+ E+ ~ E
~ X
ипсо-σ-комплекс орто-σ-комплекс
орто-σ-комплексорто-продукт
- Me3SiCl
-H+
-H+
Ипсо-замещение
Устойчивость сигма-комплексов – определяет региоселективность
OCH3
H E
OCH3
E
H
OCH3
E
H
OCH3
E
H
OCH3
H E
OCH3
E
H
OCH3
H E
OCH3
E
H
OCH3
E
H
OCH3
H E
OCH3
E
H
ХОРОШО
NE
H
NE
H
NE
H
N N N
H E H E H E
N
E
H
N
E
H
N
E
H
O O O O O O
O O O O O O
O OO O O O
ПЛОХО
ClE
H
ClE
H
ClE
H
ClE
H
Cl Cl Cl Cl
H E H E H E H E
Cl
E
H
Cl
E
H
Cl
E
H
OH, OR, OCOR, SH, SR, NH2, NHR, NR2, NHCOR, -N=N-, CH3, CH2R, CHR2, CR3, CH2Cl, CH2OH, F, Cl, Br, I
Ориентанты 1 рода (орто-, пара -)
SO3H, NO2, COOH, COOR, CONH2, COCl, SO2R, NO, CHO, COR, CN, CCl3; CF3, NH3+, NR3+; +PR3, +SR2, POR2, B(OH)2
Ориентанты 2 рода (мета -)
Промежуточные (плохая региоселективность)
CH2F, CHCl2, CH2NO2, CH2CH2NO2, CH2CH2N+R3, CH2P+R3, CH2S+R2
HO NO2
HNO3
CCl4
(CH3CO)2O
Br
HO NO2
O2N
10 °C+ Br2
(80 - 82 %)
(43%)
Согласованное и несогласованное влияние заместителейСоотношение продуктов при нитровании
Cl
Cl
CH3
NO2
COOH
Br
CH3
Cl
OCH3
F
COOH
Br
CH3
Cl
CH3
Cl
NHCOCH3
OCH3
(4 %)
(96 %)
(> 99 %)
(< 1 %) (20 %)(80 %)
(32%)
(59 %) (9 %)(66 %)
(3 %)(31 %)
(87 %)
(13 %)
(21 %)
(43 %)
(17 %)
(19 %)
(58 %)
(42 %)
(2 %)
(14 %)
(84 %)
Дейтерообмен
S
O
O
OOD
D
H
DD
D
D
D D
D
D
Нитрование аренов
NO2 +
H NO2
B
Z Z
H3C
O
O
NO2
Z
NO2
HNO3 + 2 H2SO4 NO2 + H3O + 2 HSO4
k1 (медленно)
k-1k2 (быстро) + HB
B = HSO4
HNO3 + Ac2O
нитрующая смесь
ацетилнитрат
NO2
H2SO4 (конц.)
CF3
H2SO4
NO2
NO2
CF3
NO2
NO2
NO2
CF3
NO2
NO2
NO2
CF3
NO2
HNO3 (конц.)
100 °C
+ +
(93 %) (6 %) (1 %)
HNO3 (конц.)+ +
(91 %) (6 %) (3 %)
NHCOCH3
NO2
OCH3
NHCOCH3
NO2
HNO3
HNO3
NHCOCH3
OCH3
NO2
HNO3
(CH3CO)2OH2SO4
OCH3
NO2
NHCOCH3
NO2
NHCOCH3
NO2
45 °C
(40 %) (60 %)
+
+
20 °C
+
(90 %) (10 %) (30 %) (70 %)
Анилины нужно защищать
CH3
HNO3
HNO3
H2SO4
H2SO4
NO2
CH3
NO2
CH3
O2N
O2N
+
58% 38%
+
12% 79%
OCH3
Br
HNO3
H2SO4
HNO3
(CH3CO)2O
NO2
OCH3
Br
NO2
OCH3
NO2
NO2
+
(70 %) (30 %)
+
Арен Доляобразовавшегося
продукта
орто мета пара
PhF 13 0.6 86 0.18
PhCl 35 0.9 64 0.06
PhBr 43 0.9 56 0.064
PhI 45 1.3 54 0.12
Скоростьнитрования(бензол=1)
Субстрат Доля образовавшегосяпродукта
Условия Скоростьнитрования
орто мета параPhH 1
PhCH3 62 5 33 HNO3/H2SO425 º C
25
PhOCH3 71 1 28 HNO3 /Ac2O 10 º C
PhOH 54 1 45 HNO3 /H2O 20 º C
1000
PhNO2 7 88 1 HNO3/H2SO4100 ºC
6 *10-8
PhN(Me)3+ 1 89 10 10-6
HNO3
(CH3CO)2ONO2
NO2
NO2
NO2NO2
NO2
50 - 70 °C
+
+
95%
5%
Региохимия для нафталинаH E H E H E
H EH E
H
E
H
E
H
E
H
E
H
E
и т. д.
и т. д .
Региохимия для замещенных нафталинов
и т.д.
XH
E
H
E
X
E H
X
E H
X
E H
X
E HX
E HX
E HX
X:
H
E
X
H
E
и т.д .
и т.д .
и т.д .
Реакция нитрозирования – пример электрофильного замещения
N(CH3)2
OH
HCl
NaNO2
HNO2
N(CH3)2
HON OH
N O
N(CH3)2
NO
- H+
HNO2 + HCl NOCl (H2NO2+, NO+)
Сульфирование аренов
SO3X
H
H
SO3- ArSO3H + X+ X
X = H3O+ или H2SO4
Реакция сульфирования обратима
Сульфирующие реагенты
ArSO3H + ClSO3H
NSO3
O
OSO3
ArSO3H + HCl
ArSO3H + H3O+
ArH + ClSO3H
ArSO2Cl + H2SO4
ArH + H3SO4+
H2SO4 + H2SO4 H3SO4 + HSO4-
Термодинамический и кинетический контроль
SO3H
SO3H
SO3H
SO3H
SO3H
98 %-ная H2SO4 +5 °C
ClSO3Hили SO3
- 10 °C
+
96 %-ная H2SO4
160 °C
(84 %) (16 %)
(10 %) (90 %)(100 %)
CH2Cl2
H
HHH
H
SO3
Cl
SO3H
SO3H
H2SO4
O2N SO3H
O2N
SO3H
SO3H
Cl SO3H
SO3H
SO3H
+20 %
100 °C90 %
235 °C
(90 %) (34 %) (66 %)
98 % H2SO4
80 - 100 °C
60 % SO3
80 - 100 °C(65 %)
OH
OH
OH
SO3H
OH
HO3S
OH
SO3H
OH
HO3S
OH
HO3S
+
+
98 % H2SO4
100 °C
20 °C
(10 %) (90 %)
(49 %) (51 %)
98 % H2SO4
Для сульфирования анилинов используют запекание
NH3HSO4 NHSO3H NH2
SO3H
- H2O
орто-дихлорбензол орто-дихлорбензол
180 - 200 °C
Обратимость сульфирования используем в синтезеOH
OH
SO3
Br SO3
OH
SO3H
SO3H
OH
Br
H2SO4 (конц.)
100 °C 3 ч. 2. Br2
1. NaOH (aq)
H2SO4 / H2O
200 °C
Другие S-электрофилы
SCl2
AlCl3
O
AlCl3
AlCl3
S8
S8
S
S
O
S
Роданирование анилинов – синтез бензотиазолов
NH2
H2N
KNCSBr2
NaSCN
NaSCN
Br2
Br2
NCS SCN
NH2
S
C
N
Br2
H2N S
C
N
BrSCN
S
N
N
Электрофильное гидроксилирование аренов
CF3COOOH
O2N O2N
OH
OHH2O2 / H+
