Травень В.Ф. - Органическая химия. В 3 т. Т. 2

Задача 9.5. Факторы парциальных скоростей нитрования трет-бутилбензола показаны на диаграмме:

C(CH3)3

5,5

4 75

Какова относительная скорость нитрования трет-бутилбензола по сравнению с бензолом?

9.6.ЭЛЕКТРОФИЛЬНОЕ ЗАМЕЩЕНИЕ В ПОЛИЗАМЕЩЕННЫХ БЕНЗОЛАХ. СОГЛАСОВАННАЯ

И НЕСОГЛАСОВАННАЯ ОРИЕНТАЦИЯ

При определении ориентации в реакциях электрофильного замещения в ди- и полизамещенных бензолах необходимо учитывать электронное влияние всех уже присутствующих в исходном соединении заместителей. При этом принципиально возможны два варианта суммарного влияния этих заместителей: согласованная и несогласованная ориентация атаки электро-

фильного агента.

Cогласованная ориентация — ориентация в дизамещенных (или полизамещенных) бензолах, при которой оба (все) заместителя направляют атаку электрофила в реакциях SEAr в одно и то же (или в одни и те же) положение бензольного кольца. Ниже в формулах эти положения отмечены звездочкой.

(I — заместитель первого рода, II — заместитель второго рода)

Далее приведены примеры соединений, в которых имеет место согласованная ориентация заместителей.

В молекуле 4-нитротолуола

32

O2N 41 CH3

56

метильная группа как орто,пара-ориентант направляет электрофильную атаку в реакциях SEAr в положения 2 и 6; нитрогруппа как мета-ориентант направляет электрофильную атаку в те же положения 2 и 6.

В молекуле 3-трифторметилбензойной кислоты

F3C

и карбоксильная, и трифторметильная группы как мета-ориентанты направляют электрофильную атаку в положение 5.

Несогласованная ориентация — ориентация в дизамещенных (или полизамещенных) бензолах, при которой оба (все) заместителя направляют атаку электрофильного агента в реакциях SEAr в различные положения бензольного кольца.

Несогласованная ориентация заместителей заметно затрудняет проведение реакций электрофильного ароматического замещения в препаративных целях. Ситуация, однако, не является столь безнадежной, какой она может показаться на первый взгляд. Дело в том, что состав продуктов реакции при несогласованной ориентации заместителей подчиняется определенным правилам:

1) все орто,пара-ориентанты доминируют над мета-ориентантами:

примеси

84 Глава 9. Электрофильное замещение в ароматическом ряду

2) все активирующие орто,пара-ориентанты доминируют над галогенами (дезактивирующие орто,пара-ориентанты):

NHCH3 NHCH3

Br

3) сильно и умеренно активирующие орто,пара-ориентанты (–NH2, –OH, –OCH3 и т.п.) доминируют над более слабыми орто,пара-ориентан- тами (CH3, СН2СН3 и т. п.):

При обсуждении влияния нескольких заместителей на региоселективность электрофильного замещения следует учитывать также и пространственный фактор. Например, нитрование 4-трет-бутилтолуола идет почти исключительно в орто-положение к метильной группе:

Данные о сравнительной ориентирующей способности заместителей, находящихся в бензольном ядре, позволяют выбирать оптимальный путь синтеза того или иного замещенного бензола. Например, при выборе способа получения м-хлорэтилбензола следует исключить хлорирование или алкилирование, соответственно, этилбензола или хлорбензола, поскольку и хлор, и этильная группа — орто,пара-ориентанты.

Оптимальной является схема, предполагающая первоначальное ацетилирование бензола, хлорирование полученного ацетофенона, а на завершающей стадии — восстановление карбонила ацетильной группы:

Синтез п-нитробензойной кислоты — еще один пример такого рода. Поскольку нитро- и карбоксигруппы являются мета-ориентантами, прямое нитрование, например бензойной кислоты, не приведет к искомому изомеру. Целесообразно применить толуол в качестве исходного производного бензола. Толуол нитруют в пара-положение, полученный п-нитротолуол отделяют от орто-изомера, а затем окисляют метильную группу:

Задача 9.6. Покажите, какой продукт преимущественно образуется в следующих реакциях:

Для углубленного изучения!

РЕАКЦИИ АРЕНОВ С ДРУГИМИ ЭЛЕКТРОФИЛАМИ

Выше были подробно рассмотрены наиболее важные реакции электрофильного ароматического замещения. Необходимо кратко остановиться и на ряде реакций ароматических субстратов с другими электрофилами. Эти реакции не являются столь же универсальными, как и выше рассмотренные, но имеют значение для синтетической практики.

Большая часть из обсуждаемых в этом разделе электрофильных агентов относится к числу так называемых слабых электрофилов. Такие электрофилы способны реагировать лишь с ароматическими углеводородами, содержащими активирующие заместители (амино- и гидроксигруппы, алкиль-

ные группы).

Формилирование ArH действием оксида углерода и HCl в присутствии кислоты Льюиса (реакция Гаттермана–Коха, 1897 г.). Катализатор в этой

реакции активируют добавками Cu2Cl2 или NiCl2:

AlCl3

ArH + CO + HCl Cu2Cl2 , 40°C ArCHO.

Электрофильным агентом в реакции выступает комплекс HCOAlCl4. Реакцию проводят с бензолом, хлорбензолом, алкилбензолами, конденсированными бензоидными углеводородами.

Гаттерман предложил еще один метод введения формильной группы в арены с применением смеси безводного НCN и газообразного HCl. Чтобы избежать работы с ядовитой синильной кислотой, Адамс предложил заменить ее цианидом цинка. Формилирование аренов действием цианида цинка и HCl (часто в присутствии хлористого алюминия) с последующим

гидролизом промежуточного продукта получило название реакции Гаттер- мана–Адамса (1898 г.) [1]:

Формилирование ArH действием амидов других карбоновых кислот и РОСl3 является развитием реакции Вильсмейера–Хаака. Реакцию применяют для ароматических соединений, активированных присутствием диал- киламино-, алкокси- и гидроксигрупп [4].

С6H5—C—С6H4N(CH3)2

п-диметиламино- бензофенон (72–77%)

Нитрозирование ArH действием нитрита натрия в присутствии сильной минеральной кислоты:

Электрофильный агент в этой реакции образуется при взаимодействии азотистой и минеральной кислот:

И хлористый нитрозил, и бромистый нитрозил, и ион нитрозония отно-

сятся к числу слабых электрофилов. Например, ион нитрозония NO, образующийся в смеси нитрита натрия с концентрированной серной кислотой,

в 1014 раз менее активен, чем ион нитрония NO2. Нитрозированию подвергают поэтому лишь активированные ароматические соединения (подробнее об этой реакции см. в разд. 17.4.4 и в т. III, разд. 23.4.4).

Азосочетание ArH с солями арендиазония

Соли арендиазония также относятся к числу слабых электрофилов и могут взаимодействовать только с активированными ароматическими соединениями.

ArH + Ar'N2 X Ar NN Ar' + HX

Особенностью реакции азосочетания является значительный изотопный кинетический эффект (подробнее об этой реакции см. в т. III, гл. 24).

Реакции SEAr производных карбоновых и сульфоновых кислот

составляют особую группу электрофильных реагентов. Они отличаются тем, что в ходе реакций с ароматическими субстратами легко отщепляют низкоосновные карбонат- и сульфат-ионы, например СF3COO и CF3SO2O , являющиеся очень хорошими уходящими группами (подробнее см. об этом в разд. 13.4.1). Благодаря этому применение указанных производных, как правило, не требует присутствия катализатора [5]. Некоторые из электрофильных реагентов этой группы уже были названы выше.

ArH + CH3COONO2 ArNO2 + CH3COOH

ацетилнитрат

ArH + CF3COOBr ArBr + CF3COOH

трифтороацетилгипобромит

ArH + CF3SO2OCOCH3 ArCOCH3 + CF3SO2OH

ацетилтрифлат

Особое внимание следует обратить на новые ацилирующие агенты — ацилпроизводные трифторметансульфоновой кислоты (ацилтрифлаты). Эти производные представляют собой смешанные ангидриды карбоновых кислот и трифторметансульфоновой кислоты и обладают высокой активностью [6, 7]. Они способны, например, ацилировать бензол в отсутствие ка- кого-либо катализатора:

По-видимому, по такой же схеме реагирует с ароматическими соединениями и ряд других производных уксусной и трифторуксусной кислот: