8.6. Электрофильные реакции

Характер разрыва связей реакционного центра субстрата опре­деляется природой реагента, атакующего этот центр.

Электрофильные реакции подразумевают атаку электрофила на нуклеофильный (т.е. обогащенный электронами) реакционный центр; при этом как в молекуле реагента, так и в реакционном центре субстрата происходит гетеролиз связи.

* С пространственными препятствиями связана также инертность карбониль-

Электрофильное присоединение (А_Е-реакции) — это реакции присоединения электрофильного реагента к кратной связи (тс-из- быточной системе) согласно общей схеме:

О

II

ной группы в гексаметилацетоне (СН₃)₃С—С—С(СН₃)₃. Поэтому в целом альде­гиды более активны по сравнению с кетонами в реакциях нуклеофильного при­соединения.

Электрофильное замещение (S_E-реакции) с участием sp²-гиб- ридизованного атома углерода — это реакции, включающие атаку электрофилом ароматической π-электронной структуры (нуклео­фильного реакционного центра) с замещением атома водорода связи С —Н.

Общая схема:

Рассмотрим подробнее механизм каждой из этих реакций.

( Реакции электрофильного присоединения (ае)

Реакции ^протекают по нуклеофильному реакционному цен­тру, представляющему собой кратную связь С=С (sp²-гибридизо- ванный атом углерода) или —С С — (sp-гибридизованный атом углерода), являющийся областью с повышенной электронной плот­ностью. Реакции А_Ехарактерны прежде всего для соединений, содержащих алкеновые, алкиновые или диеновые фрагменты.

Электрофильная частица, атакующая данный реакционный центр, образуется в результате поляризации связи в молекуле ре­агента под действием π-электронов кратной связи с последующим ее гетеролизом. Интермедиатами в таких реакциях могут быть либо карбкатионы, либо циклические галогенониевые ионы.

Реакции А_Е с участием алкенов. 1. Реакции галогенирования. Общая схема реакции имеет вид

Электроны двойной связи (π-электроны) поляризуют связь в молекуле брома с образованием неустойчивого π-комплекса I. При дальнейшей поляризации связи Вr—Вr она гетеролитически рас­щепляется и образуется циклический бромониевый ион II. Этот катион атакуется нуклеофильным ионом Вг, что приводит к об­разованию конечного продукта реакции присоединения — дибро­мида (структура III). Атака нуклеофила Вг^- происходит со сторо­ны противоположной Вг⁺, что объясняется пространственными (стерическими) затруднениями, возникающими при подходе нук­леофила к достаточно объемному иону Вг⁺. Такое присоединение двух атомов брома с противоположных сторон плоской молекулы алкена называют антиприсоединением (конформация образу­ющегося продукта показана с помощью проекционной формулы Ньюмена IV).

Реакции присоединения фтора и иода не имеют практического значения, поскольку прямая реакция со фтором протекает очень бурно и сопровождается разрывом углерод-углеродной связи в молекуле субстрата, а реакция иодирования чрезвычайно легко обратима. Присоединение хлора к двойной связи протекает пре­имущественно с образованием карбкатиона:

Такой механизм реакции связан с тем, что атом хлора не скло­нен делить свою электронную пару с соседним атомом углерода в силу своей высокой электроотрицательности.

Карбкатионный механизм реакции хлорирования подтвержда­ется одновременным образованием продукта как анти-, так и син- присоединения, т.е. нестереоспецифичностью.

Реакции присоединения хлора и брома ускоряются в присут­ствии кислот Льюиса (А1С1₃ или FeCl₃), поскольку они поляризу­ют молекулу галогена, придавая одному из атомов значительные электрофильные свойства:

С1₂ + А1С1₃ -> [А1С1₄]-Сl⁺

Реакцию галогенирования можно рассматривать как межмоле­кулярную реакцию окисления алкена.

2. Реакции присоединения полярных реагентов. Реакции элек­трофильного присоединения полярных реагентов к двойной свя­зи рассмотрим на примере гидрогалогенирования (присоедине­ния молекулы галогеноводорода) и гидратации (присоединения молекулы воды). Оба типа реакций имеют общие черты:

1) электрофилом служит протон Н⁺;

2) реакции идут через стадию образования карбкатиона; эта стадия реакции — лимитирующая.

Все галогеноводороды проявляют кислотные свойства, отщеп­ляя при ионизации ион водорода, причем сила кислот убывает в ряду: HI > НВr > НС1 > HF.

II

Не всегда удается формально применить правило Марковни- кова. Так, ориентация присоединения к пентену-2:

определяется только степенью делокализации заряда карбкатио­на. Оба карбкатиона вторичные, но возможностей для делокали­зации заряда больше у катиона I.

Изменение ориентации присоединения происходит и в том случае, если атом углерода двойной связи имеет электроноакцеп­торный заместитель. В этом случае происходит перераспределе­ние электронной плотности я-связи в сторону акцепторной груп­пы. Электрофил Н⁺ атакует обогащенный электронами (нуклео­фильный) атом углерода алкенового фрагмента. Например, в ак­риловой кислоте, содержащей π,π- и p,π-сопряженные системы, перераспределение электронов вследствие -M-эффекта карбоксиль­ной группы показано стрелками:

Реакция присоединения молекулы воды к двойной связи идет только в присутствии кислоты (кислотный катализ), поскольку молекулы воды, являясь чрезвычайно слабым электролитом, не могут служить источником электрофила — ионов водорода. В та­ких реакциях используют разбавленные водные растворы кислот, образующих при ионизации анионы — слабые нуклеофилы, на­пример серную кислоту: H₂S0₄ >Н⁺ + HSO₄.

Схема реакции:

В этом случае интермедиат — карбкатион I атакуется более сильным нуклеофилом — молекулой Н₂O, в результате чего обра­зуется оксониевый ион II, который стабилизируется путем гете­ролиза связи О —Н с образованием иона Н⁺; происходит так на­зываемый возврат катализатора. Таким образом, кислота служит катализатором присоединения воды к двойной связи, реакция легко обратима. Обратная реакция — дегидратация спиртов (структура III) — реакция элиминирования также катализируется кислотами, с той разницей, что стабилизация образующегося карб- катиона может происходить двумя способами:

1) путем выброса протона и замыкания двойной связи С=С:

2) путем атаки карбкатиона нуклеофильной частицей — дру­гой молекулой спирта — с образованием в качестве продукта ре­акции простого эфира:

Оба направления элиминирования конкурируют между собой; преимущественное образование того или иного продукта зависим от условий проведения реакции (повышение температуры спо­собствует образованию алкена).

Реакции A_Ес участием сопряженных систем. Реакции присое­динения в сопряженных системах протекают всегда через стадию образования карбкатиона. Поскольку положительный заряд в карб- катионе в этом случае значительно делокализован, атака аниона X^- может идти по двум направлениям — с образованием продукта 1,2-присоединения или 1,4-присоединения (см. ниже структуры I и II соответственно). Общая схема (для обозначения делокализа­ции заряда использованы резонансные структуры) имеет вид

В реальности всегда образуется смесь двух изомерных продук­тов, соотношение которых зависит от условий реакции (темпера­туры, полярности растворителя, природы реагента). При обыч­ных и повышенных температурах в водном растворе преимуще­ственно образуется продукт 1,4-присоединения.

Реакции A_E с участием алкинов. Реакции электрофильного при­соединения к тройной связи — С=С— протекают медленнее, чем для алкенов. Это можно объяснить двумя причинами:

1. атом углерода в состоянии sp-гибридизации более электро­отрицателен, следовательно сильнее удерживает л-электроны;

2. образующиеся в результате протонирования винилкатионы

менее устойчивы, чем алкилкатионы

Наиболее синтетически важной является реакция присоедине­ния воды к алкиновым фрагментам (реакция Кучерова), механизм которой аналогичен механизму реакции гидратации алкенового фрагмента, с той лишь разницей, что образующийся при депрото­нировании оксониевого иона II енол, или виниловый спирт III, подвергается таутомерному превращению в кетоформу IV.

Реакцию используют на практике для получения кетонов:

Реакции электрофильного замещения

Реакции S_E (табл. 8.5) протекают по нуклеофильному центру, представляющему собой ароматическую структуру (область повы­шенной электронной плотности). Реакции S_E характерны для аро­матических углеводородов, в том числе для бензола, их производ­ных, а также для ароматических гетероциклических систем.

Что касается производных бензольного ряда, то некоторые за­местители в бензольном кольце, например группы —ОН, — NH₂, —NHR, облегчают атаку электрофила, а некоторые заместители ( —NO₂, —СООН и др.), наоборот, затрудняют ее. Подробнее во­прос о направлении атаки в монозамещенном бензоле — ориен­тация замещения — рассмотрен выше.

Общая схема реакции S_E (Е — электрофил) имеет вид

Лимитирующей стадией двухстадийной реакции является об­разование катионного интермедиата I, в котором положительный заряд, вносимый электрофилом, делокализован по ароматической системе. Такой интермедиат получил название σ-комплекса. Ста­билизация a-комплекса происходит путем гетеролиза связи С—Н и отщепления протона с образованием конечного ароматического продукта II.

Реакции нитрования. Реакция нитрования — введение нитро­группы —NO₂ в бензольное кольцо. Особенность данной реак­ции — протекание ее только в присутствии концентрированной серной кислоты, которая сама не взаимодействует с бензольным кольцом, а участвует в реакции только в сочетании с концентри­рованной HNO₃. Роль серной кислоты сводится к протонирова­нию азотной кислоты и воды с образованием ионов нитрония, гидроксония и гидросульфат-ионов:

Электрофилом в реакции является ион нитрония NO₂⁺.

Реакции галогенирования. Свободные галогены С1₂, Вr₂, I₂ не вступают в реакции S_E из-за недостаточно выраженных электро­фильных свойств молекулы галогена, катализаторами реакции служат галогениды железа(Ш) и алюминия, выступающие акцеп­торами электронных пар, т. е. кислотами Льюиса. Под действием катализатора происходит поляризация молекулы галогена и один атом становится электронодефицитным (δ+), т.е. электрофильным, например:

Реакция протекает по схеме:

Реакции алкилирования. Электрофильными агентами в реак­циях алкилирования могут быть либо устойчивые карбкатионы, например третичные типа (СН₃)₃С⁺, либо поляризованный комп­лекс галогеналкана с кислотой Льюиса: R••• Cl ••• А1С1₃. В послед­нем случае алкилирования галогенами реакция носит название Реакции Фриделя — Крафта.

Одним из недостатков реакции алкилирования как синтети­ческого препаративного метода является то, что продукт реакции C₆H₅R атакуется электрофилом легче, чем сам бензол. Поэтому реакцию трудно остановить на стадии моноалкилирования.

Напротив, введение ацильного заместителя в бен-

зольное кольцо (реакция ацилирования) препятствует дальней­шей атаке электрофила, поэтому продукты полиацилирования не образуется. На практике алкилирование проводят не непосредственно, а путем ацилирования с последующим восстановлением продукта ацилирования амальгамированными металлами: