Механизм реакции электрофильного замещения (sе)

S_Е in vitro: галогенирование, нитрование, сульфирование, алкилирование, ацилирование ароматических соединений (бензола, его гомологов и производных).

I стадия: Генерирование электрофильной частицы.

Е – Х → Е^δ+ – Х ^δ– → Е⁺ + Х^–

гетеролиз связи электрофил

II стадия: Образование π-комплекса: вся система π-связей кольца взаимодействует с электрофилом.

III стадия: Образование σ–комплекса: электрофил вытягивает из 6 ē π-системы кольца 2 электрона и образует новую σ–связь с одним из атомов С кольца.

⁺

в π-системе осталось 4 ē, ароматичность нарушена => σ–комплекс неустойчив.

IV стадия: Восстановление ароматичности за счет выброса протона, образование продукта замещения.

+ – Н⁺

Н⁺ + Х^– = НХ

Таблица 1.

Образование электрофилов в реакциях S_Е.

Название реакции	Вводимая группа	Генерирование электрофильной частицы
Галогенирование	–Br, –Cl	Br – Br + FeBr3 → Br+ + FeBr – Cl – Cl + AlCl3 → Cl+ + AlCl4–
Нитрование	–NO2	+H+ HO – NO2 → H2O + NO2+ азотная кислота
Сульфирование	–SO3H	Серный ангидрид SO3 является Е+ благодаря поляризации связей
Алкилирование	–CnH2n+1: –CH3, –C2H5, –C3H7 и т.д.	H3C – Cl + AlCl3 → H3C+ + AlCl4–
Ацилирование	R–CO–: CH3–C–, C2H5–C– и т.д.	CH3–C – Cl + AlCl3 → CH3–C+ + AlCl4–

Таблица 2.

Ориентирующее действие заместителей в бензольном ядре.

Название субстрата	Формула соединения	Заместитель	Эффекты заместителя	Распределение ē плотности	Характер заместителя	Влияние на SЕ	Положения, которые направляется входящая группа	Формулы продуктов реакции SЕ	Род ориентакта
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Толуол		CH3–метил	+I		ЭД, ↑ē плотность в кольце	облегчает	орто– пара–		I
Фенол		OH–гидрокси	–I +M		ЭД, +М > –I	облегчает	орто– пара–		I
Анилин		NH2–амино	–I +M		ЭД, +М > –I	облегчает	орто– пара–		I
Хлор-бензол		Cl–хлор	–I +M		ЭА, +М < –I, ↓ē плотность в кольце	затрудняет	орто– пара–		I
Бром-бензол		Br–бром	–I +M		ЭА, +М < –I	затрудняет	орто– пара–		I
Бензойная кислота		–карбоксил	–I –M		ЭА	затрудняет	мета–		II
Бензаль-дегид		Альдегидная	–I –M		ЭА	затрудняет	мета–		II
Нитро-бензол		нитро–	–I –M		ЭА	Затрудняет	мета–		II

Пример 1. Бромирование анилина.

Схема реакции: + Br₂ o-броманилин + HBr

n-броманилин

Механизм реакции:

I. Образование Е⁺: Br – Br + FeBr₃ → Br⁺ + FeBr₄^–

II. Образование π-комплекса

III. Образование σ–комплекса + и +

IV. Восстановление ароматичности за счет выброса протона, образование продукта реакции

+ – n⁺

+ – n⁺

H⁺ + FeBr₄^– = HBr + FeBr₃

Пример 2. Метилирование бензойной кислоты.

AlCl₃

Схема реакции: + CH₃Cl → + HCl

катализатор

м–метил

Механизм реакции:

I. Образование Е⁺: CH₃ – Cl + AlCl₃ → CH₃⁺ + AlCl₄

II. Образование π–комплекса:

III. Образование σ–комплекса: +

IV. Восстановление ароматичности за счет выброса протона, образование продукта реакции

+ – n⁺ H⁺ + AlCl₄^– = HCl + AlCl₃

(катализатор после реакции

выделяется в неизменном виде).

S_E in vivo

Йодирование тирозина в ходе биосинтеза йодсодержащих гормонов щитовидной железы.

+I₂ +I₂

CH₂ – CH – COOH → CH₂ CH – COOH → фермент фермент

3-йодтирозин

CH­₂ CH – COOH

3,5-дийодтирозин