Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Органическая химия.-1

.pdf
Скачиваний:
2
Добавлен:
20.11.2023
Размер:
29.1 Mб
Скачать

2. Заместитель второго рода; реагент электрофильный. Затрудня­ ющее действие заместителя; ж-ориентация:

N0*

м-дннитробензол

3.Заместитель первого рода; реагент нуклеофильный; ж-ориента- ция. Затрудняющее действие заместителя. Примеры таких реакций

сбесспорным механизмом не известны.

4.Заместитель второго рода; реагент нуклеофильный, о-, п-ориен­ тация:

Систематические исследования влияния заместителей на ориента­ цию в бензольном кольце были проведены Голлеманом. Бейлыитейн установил, что при наличии нескольких заместителей-преобладающее направляющее действие оказывает тот из них, который обладает наи­ большим активирующим эффектом.

Главнейшие заместители по селективности ориентирующего дей­ ствия в реакциях электрофильного замещения можно расположить в следующий ряд:

NH2 > ОН > OR > Cl > I > Br > CH3; СООН > S0 3H > NO*

Описанные выше правила не носят характера законов. Речь почти всегда идет только о главном направлении реакции. Очень часто в реакции образуются все возможные продукты, однако преобладают количественно те из них, которые образуются в соответствии с прави­ лами ориентации. Так, при нитровании толуола образуется 62% орто-, 33*5% пара- и 4,5% жета-нитротолуолов.

Небольшое изменение условий проведения реакции замещения обычно не влияет на тип ориентации, однако изменяет соотношение между орто- и пара-изомерами. Сильное изменение условий, напри­ мер сильное повышение температуры, оказывает влияние и на тип ориентации, так как изменяется механизм реакции. Так, например, бромирование толуола при обычной температуре дает преимущест­ венно пара-изомер. При 400° С соотношение между орто-, пара-, жота-изомерами 20, 57, 23%, а при 630° С —18,9, 21,2 и 59,9% (ради­ кальное бромирование).

Влияние растворителей незначительно. Катализаторы могут изменить направление процесса. Так, при бромировании хлорбензола обычно образуется всего 1% мета-изомера. В присутствии А1С13 количество его возрастает до 13%.

Механизм ориентирующего влияния заместителей. Как известно, в молекуле бензола имеет место совершенно равномерное распределе­ ние электронной плотности. Присутствие заместителя нарушает эту равномерность. Появляется полярность углеродных атомов, чередую­ щаяся по всему кольцу. Это так называемый альтернирующий эффект.

Заместитель может взаимодействовать с бензольным ядром двумя способами, могут иметь место два эффекта: индукционный (Л) и со­ пряжения (Б) (см. стр. 39):

©

I II

А

т 2

граничные структуры

©

NR2

| ,-1 /3

- 1 / 3

I Б

N P 0

©

граничные структуры

©

+1/3, l+i/з

+ 1 /3

II

В первом случае изменение плотности в ядре связано с поляриза­ цией a-связи между заместителем и ядром (Л).

Эффект (Б) связан с возникновением сопряжения между р-элек­ тронами заместителя и кольца. При этом возможно два случая: элек­ троны могут смещаться в сторону кольца (I) или в сторону замести­ теля (II)*.

В первом случае увеличивается реакционная способность бензоль­ ного кольца по отношению к электрофильным реагентам, во втором— по отношению к нуклеофильным реагентам.

О существовании двух способов взаимодействия атомов говорит сравнение дипольных моментов производных бензола с соответству­ ющими производными метана. Из данных табл. 16 видно, что величи­ ны дипольных моментов отличаются между собой. Для соединений с заместителями первого рода дипольные моменты у производных бен­

зола меньше,

чем у производных

метана. При

заместителях второго

рода наблюдается обратная картина.

 

 

 

 

 

Таблица 16

Дипольные моменты производных метана и бензола

 

 

Заместители, первого рода

Заместители

второго рода

RX

Х=ОН

CI

CN

КО,

 

СН3Х

Л , 68

1,87

3,94

3,50

С0Н5Х

1,40

1,72

4,39

4,23

 

-1-0.28

+0,15

—0,45

—0,72

Уменьшение дипольного момента происходит, если два эффекта (индукционный и сопряжения) действуют в противоположных направ­ лениях. Наоборот, увеличение дипольных моментов имеет место при одинаковом направлении обоих эффектов:

Г 0 О _ Н

Таким образом, мы видим, что под влиянием заместителей наиболее сильно изменяют свой заряд о- и /г-углеродные атомы. В случае за­ местителей первого рода они обогащаются электронами и становятся весьма реакционноспособными по отношению к электрофильным реа­

* В настоящее время в химической литературе используется несколько способов изображения электронных смещений в бензольном кольце. Каждый из них имеет свои достоинства и недостатки. При изображении молекулы набором граничных формул следует иметь в виду, что реальная молекула имеет только одну структуру, среднюю между несколькими граничными, причем участие в усреднении каждой из граничных структур не одинаково. Между граничными структурами ставится знак <+.

гентам. Водородные атомы в этих положениях, например, легко обме­ ниваются на дейтерий. С этим обогащением о- и «-положений и свя­ зан ориентирующий эффект заместителей первого рода, В момент реакции под влиянием поляризующего действия реагента такое обога­ щение еще более усиливается (динамический эффект).

Заместители второго рода вызывают обеднение кольца электро­ нами, и реакции электрофильного замещения идут в этом случае зна­ чительно труднее. Наиболее обедняются электронами о- и /г-положе­ ния. Поэтому по отношению к электрофильным реагентам эти поло­ жения становятся наименее реакционноспособными. По сравнению с ними более богато электронами здесь ж-положение:

Понятно, что в случае нуклеофильных реагентов наиболее реак­ ционноспособными окажутся здесь наиболее бедные электронами о- и /г-положения.

При всех этих рассуждениях надо иметь в виду, что решающее значение имеет динамический эффект — изменение полярностей в момент реакции. Например, в молекуле хлорбензола в стационарном состоянии превалирует индукционный эффект хлора. Атом хлора является отрицательным концом диполя, что наглядно видно из схе­ мы распределения зарядов в молекуле хлорбензола. Однако в момент реакции под влиянием реагента усиливается эффект сопряжения с участием электронов атома хлора и реагента, в результате чего и на­ блюдается о-, «-ориентация:

Cl Сг"

В последние годы было обращено внимание на другое не менее важное обстоятельство, определяющее направление полярного за­ мещения в бензольном ядре: в зависимости от природы имеющегося заместителя изменяется стабильность возникающего а-комплекса.

При электрофильном замещении заместители первого рода по­ вышают стабильность о-комплексов, отвечающих о- и «-ориентации. Так, например, в случае галогенирования анилина стабилизуются сопряжением только о-комплексы 1 и III. В случае о-комплекса11 такая стабилизация невозможна. Граничные формулы

I II III

отражают крайние состояния о-комплекса. В действительности он существует в промежуточном «мезомерном» состоянии с некоторым смещением электронного облака от состояния А к состоянию Б.

В случае о-комплекса II бензольное кольцо не может принять электронную пару азота (нет сопряжения) и в соответствии с этим нельзя построить граничную структуру с положительным зарядом на атоме азота.

При наличии в бензольном кольце заместителя второго рода со­ пряжение с этим заместителем в о-комплексе невозможно, так как эти заместители не могут отдавать электроны для компенсации положи­ тельного заряда ядра. В этом случае относительно более выгоден о-комплекс типа II, так как при его образовании не появляются два положительных заряда на рядом стоящих атомах, что исключительно невыгодно:

I

П

ее

Таким образом, электронные эффекты облегчают или затрудняют взаимодействие реагентов с определенными атомами в бензольном кольце двумя путями: они изменяют электронную плотность у этих атомов в момент реакции и изменяют устойчивость промежуточного а-комплекса. В последнее время второму фактору придается боль­ шее -значение.

При удалении заместителя, находящегося в боковой цепи от бен­ зольного кольца, ориентирующее влияние его быстро ослабевает. Это, например, видно из опытных данных по нитрованию следующих ни­ тропроизводных:

N 0.,

C H 2N O 2

с н ;

1

л

Л

1

и

1 I

и

«—93%

«<—48%

«<-13%

Ясно, что при наличии нескольких заместителей больше про­ является действие того из них, который способен вызвать большее смещение электронов й сильнее стабилизировать o-комплекс. В каче­ стве примера приведем результаты нитрования различных хлортолуолов (цифры показывают процентное содержание изомеров с данным положением заместителя):

1 7 ,0 3 2 ,3

В рассмотренных нами случаях реагентами были ионы или сильно поляризованные молекулы. Иные соотношения наблюдаются в тех случаях, когда реагент представляет собой радикал.

При атаке бензольного ядра радикалом не возникает кулоновского взаимодействия его с каким-либо определенным атомом углерода, так как радикал нейтрален.

Таким образом, отсутствие ориентирующего влияния различных по природе заместителей может быть доводом в пользу признания для данной реакции радикального механизма.

С сильным увеличением температуры ориентирующее влияние за* местителей постепенно утрачивается, так как скорости всех трех про­ цессов (о-, ж- и я-замещения) выравниваются.

Очень интересен, хотя еще мало изучен, вопрос о соотношении между о- и я-изомерами. Здесь следует учитывать несколько фак­ торов: 1) в бензольном кольце о-положений два, я-положение одно, 2) в о-положении могут иметь место пространственные затруднения (например, при нитровании я-цимола получается 1-метил-2-нитро- продукт); 3) индукционному влиянию особенно подвержены о-места, так как оно сильно убывает по цепи. Следовательно, если замести­ тель индукционьо дезактивирует бензольное кольцо, эта дезактива­ ция проявляется более всего в о-положении. Пример — хлорирование хлорбензола (стр. 397); 4) эффект сопряжения по невыясненным при­ чинам более всего проявляется в я-положении.

Из рассмотренного видно, что наибольшее влияние на направление реакций ароматических соединений оказывает эффект сопряжения. Между тем сопряжение может существовать только в случае, если группы, которые могут участвовать в сопряжении, копланарны. Если оси облаков р-электронов заместителя и р-электронов бензольного кольца не параллельны, сопряжение ослабляется и заместитель те­ ряет свое влияние на бензольное кольцо.

Эта особенность эффекта сопряжения подтверждена многими при­ мерами. Рассмотрим один из них.

Копланарные системы

С1

Cl

Cl

/

I

 

\

 

\

/

 

 

I

 

 

ш 2

 

атом хлора

атомы хлора подвижны благодаря

мало подвижен

влиянию ннтрогрупп

Система, выведенная из копланарности

Cl

I

/ \

ш г

атом хлора мало подвижен

Корреляционный анализ. Полярное влияние на реакционный центр заместителей, находящихся в пара- и же/па-положениях, может быть описано количественно с помощью корреляционного уравнения, пред­ ложенного Гамметом:

. К

te -7Г“ =■ р*. Ло

где К — константа скорости или константа равновесия для замещен­ ного соединения, К0 — аналогичная константа для незамещенного соединения, а-константа, характеризующая полярное влияние за­ местителя, р- константа, определяющая степень чувствительности реакционного центра к полярным эффектам. Константа о зависит только от природы заместителя, а константа р от характера реакции.

Соединения с различными заместителями, но с одним и тем же реакционным центром образуют реакционную серию.

Величины некоторых а-констант заместителей приведены в табл. 17. Величина а положительна, если заместитель оттягивает электроны, и отрицательна, если заместитель является донором электронов. В зависимости от механизма реакции величина р также принимает

положительные или отрицательные значения. Она положительна, если увеличение скорости реакции вызвано уменьшением электронной плотности в реакционном центре, и отрицательна, если увеличение скорости реакции связано с возрастанием электронной плотности в реакционном центре. Таким образом по знаку р можно судить о механизме реакции.

Т аблица 17 Значения а-констант заместителей (по Мак-Даниэлю и Брауну,)

о

Заместитель

мета

н

 

 

0

0

сн3

 

— 0 ,0 6 9

— 0 ,1 7 0

С аН 5

,)3

— 0 ,0 7

— 0 ,1 5 1

С ( С Н

-

0,10

— 0 ,1 9 7

C F з

 

 

0 ,4 3

0 ,5 4

С О О Н

 

 

0 ,3 5 5

0 ,2 6 5

C Q O -

 

-

0,1

0,0

С О О С аН ь

 

0 ,3 7

0 ,4 5

С О С Н з

 

0 ,3 7 6

0 ,5 0 2

F

 

 

0 ,3 3 7

0 ,0 6 2

Cl

 

 

0 ,3 7 3

0 ,2 2 7

Br

 

 

0 ,3 9 1

0 ,2 3 2

ï

 

 

0 ,3 5 2

0 ,1 8

 

 

9

Заместитель

мета

 

 

 

О Н

0 ,1 2 7

— 0 ,3 7

0-

— 0 ,7 0 8

— 0 ,5 1 9

О С Н з

0 ,1 1 5

— 0 ,2 6 8

N H 2

— 0 ,1 6

0,66

N H C O C H 3

0,21

0,00

N (С Н 3)а

- 0,211

— 0 ,8 3

N (C H 3) +

0,88

0 ,8 2

N 0 2

0 ,7 1 0

0 ,7 7 8

sor

0 ,0 5

0 ,0 9

S O aN H a

0 ,4 6

0 ,5 7

Для определения величины р достаточно изучить кинетику пре­ вращений ряда соединений, входящих в данную реакционную се­ рию* Для всех других соединений серии можно рассчитывать констан­ ты скорости реакции, используя значения а из табл. 17.

Установление возможности применения различных корреляцион­ ных уравнений для описания исследуемых реакционных серий назы­ вается корреляционным анализом.

Для о-замещенных соединений простая корреляция обычно не имеет места, так как о-заместители влияют друг на друга не только индукционно, но и различными другими способами (стерический эффект, водородная связь, эффект поля и т. д.).

Корреляционный анализ широко используется в органической химии для установления механизма реакций, строения реагирующих веществ. Отдельные примеры использования уравнения Гаммета при­ ведены на стр. 396, 469, 472.

111. АРОМАТИЧЕСКИЕ ГАЛОГЕНОПРОИЗВОДНЫЕ

Ароматические галогенопроизводные разделяются по строению, свойствам и методам получения на две группы: 1) соединения, содер­ жащие галоген в ядре, и 2) соединения, содержащие галоген в боковой цепи.

Бензол образует одно моногалогенозамещенное, три дигалогенозамещенных (с одинаковыми галогенами), три тетрагалогенозамещенных, одно пента- и одно гексагалогенозамещенное.

Толуолу отвечают 4 моногалогенозамещенных, из которых одно имеет галоген в боковой цепи:

* Если по оси абсцисс отложены значения а, то р для каждой серии опреде­ ляется как тангенс угла наклона соответствующей прямой.

сн3

CHj

сн8

 

/ \ _ni

1

1

 

/ \

I

/ \

/N -C H aC l

1

1

1

 

1

1

1

1 Г\

\ /

\

/

\ /

U

\ /

 

 

 

 

1

 

о-хлортолу

 

 

С1

хлористый бензил

л-хлортолуол

л-хлортолуол

Способы получения. 1. Прямое воздействие галогенов на аромати­ ческие углеводороды.

Галогены могут реагировать с ароматическим углеводородом тре­ мя путями: а) присоединяться к двойным связям бензольного кольца, б) замещать водородный атом бензольного кольца с образованием галогенарила, в) замещать водородный атом в алкильной группе бо­ ковой цепи с образованием арилалкилгалогенида.

Реакция присоединения галогена была рассмотрена выше (стр. 364), При действии на ароматические углеводороды галогенов (хлор, бром) на холоду в присутствии катализаторов происходит замещение

водородных атомов в ядре с выделением галогеноводородов:

Свнв+

FeCl3

HCl

С12 ----------------> QACl +

Катализатором при

этом является хлорид, или бромид железа.

В качестве катализаторов могут быть также использованы и другие хлориды металлов, такие, как А1С13, SbCl3, SbCl5, а также иод.

Роль катализатора заключается в образовании положительного иона галогена, который осуществляет электрофильное замещение в бензольном ядре. В присутствии FeCl3 хлорирование идет, возможно, по схеме

 

FeCl3+:Ci: :С1: —►FeCf + С1:+

 

С0Н6 + С1+

С0Н5С1 + Н+;

Н+ + С12 —►НС1 + С1+ и

т. д.

в присутствии иода — по схеме

 

 

I* + С12 5^

2C1I; СИ ^

С1- + 1+;

1+ + С12 ^ СИ +

С1+

Возможно также, что о-комплекс образуется без предварительной ионизации галогена, например:

+' FeCl3

FeCi; — *.

+HCl