Ароматичность, критерии ароматичности.Правило Хюккеля.

Ароматичностьособое свойство некоторых химических соединений, благодаря которому сопряженноекольцо ненасыщенных связей проявляет аномально высокую стабильность; большую чем та, которую можнобыло бы ожидать только при одном сопряжении.Ароматичность не имеет непосредственного отношения к запаху органических соединений, и являетсяпонятием, характеризующим совокупность структурных и энергетических свойств некоторых циклическихмолекул, содержащих систему сопряженных двойных связей. Термин «ароматичность» был предложенпотому, что первые представители этого класса веществ обладали приятным запахом. Наиболее распространены ароматические соединения, содержащие в цикле шесть углеродных атомов; родоначальником этого ряда является бензол C₆H₆. Рентгеноструктурный анализ показывает, что молекула бензола плоская, а длина С—С связей составляет 0,139 нм. Из этого следует, что все шесть атомов углерода в бензоле находятся в sp² -гибридном состоянии, каждый атом углерода образует σ-связи с двумя другими атомами углерода и одним атомом водорода, лежащими в одной плоскости, валентные углы составляют 120º. Таким образом, σ-скелет молекулы бензола представляет собой правильный шестиугольник. При этом каждый атом углерода имеет негибридную p -орбиталь, расположенную перпендикулярно плоскому скелету молекулы; все шесть негибридных p -электронов взаимодействуют между собой, образуя π-связи, не локализованные в пары, а объединенные в единое π-электронное облако. Таким образом, в молекуле бензола осуществляется круговое сопряжение. Графически строение бензола можно передать следующей формулой:

Круговое сопряжение дает выигрыш в энергии в 154 кДж/моль – эта величина составляет энергию сопряжения – количество энергии, которое нужно затратить, чтобы разрушить ароматическую систему бензола.

Для образования устойчивой ароматической системы необходимо, чтобы p -электроны формально группировались в 3, 5, 7 и т. д. двойных связей; математически это выражается правилом Хюккеля: повышенной термодинамической стабильностью обладают циклические соединения, имеющие плоское строение и содержащие в замкнутой системе сопряжения (4n + 2) электронов, где n – натуральный ряд чисел.

 

31. Реакции электрофильного замещения в бензоле (галогенирование, нитрование, сульфирование, алкилирование, ацилирование). Представление о механизме реакций электрофильного замещения в ароматическом ряду, σ- и π-комплексы.

Галогенирование

Для введения галогена в ароматическое кольцо в качестве реагентов используют комплексы галогенов с кислотами Льюиса. Роль последних заключается в поляризации связи галоген-галоген, в результате чего один из атомов приобретает положительный заряд, тогда как другой образует связь с кислотой Льюиса за счет ее вакантной d -орбитали.

Нитрование

Бензол и его гомологи превращаются в нитросоединения действием нитрующей смеси, которая состоит из концентрированных серной и азотной кислот (2:1). Нитрующей частицей (электрофилом) является катион нитрония NO₂⁺, существование которого в нитрующей смеси доказано криоскопическим методом: измерения температур замерзания азотной и серной кислот и их смеси указывает на присутствие четырех частиц в растворе.

Сульфирование

Реакция сульфирования аренов, как считают, протекает в олеуме при действии триоксида серы, а в серной кислоте - с участием катиона HSO₃⁺. Триоксид серы проявляет электрофильный характер благодаря полярности связей S–O.

Алкилирование по Фриделю-Крафтсу

Одним из способов получения гомологов бензола является реакция алкилирования. Превращение носит имя Ш. Фриделя и Дж. М. Крафтса, которые его открыли. В реакцию, как правило, вводят галогеналканы и галогениды алюминия в качестве катализаторов. Считают, что катализатор – кислота Льюиса – поляризует связь С-галоген, создавая на атоме углерода дефицит электронной плотности, т.е. механизм аналогичен реакции галогенирования

Ацилирование по Фриделю-Крафтсу

Сходной с реакцией алкилирования является реакция ацилирования ароматических соединений. В качестве реагентов применяют ангидриды или галогенангидриды карбоновых кислот, продуктами являются ароматические кетоны. Механизм этой реакции включает образование комплексного соединения между ацилирующим реагентом и кислотой Льюиса. В результате положительный заряд на атоме углерода несравненно возрастает, что делает его способным к атаке ароматического соединения.

Нужно отметить, что, в отличие от реакции алкилирования, в данном случае необходимо брать избыток катализатора по отношению к количеству реагентов, т.к. продукт реакции (кетон) сам способен к комплексообразованию и связывает кислоту Льюиса.

Реакции электрофильного замещения σ- и π-комплексы характерны для ароматических карбоциклических и гетероциклических систем. В результате делокализации p-электронов в молекуле бензола (и других ароматических систем) p-электронная плотность распределена равномерно по обе стороны цикла. Подобное экранирование p-электронами атомов углерода цикла защищает их от атаки нуклеофильными реагентами и, наоборот, облегчает возможность атаки электрофильными реагентами. Но в отличие от реакций алкенов с электрофильными реагентами, взаимодействие ароматических соединений с ними не приводит к образованию продуктов присоединения, так как в этом случае нарушалась бы ароматичность соединения и уменьшалась его устойчивость. Сохранение ароматичности возможно в случае, если электрофильная частица заместит катион водорода.Механизм реакций электрофильного замещения похож на механизм реакций электрофильного присоединения, так как имеются общие закономерности протекания реакций.

Общая схема механизма реакций электрофильного замещения S_Е:

Образование пи-комплекса идет за счет пи-связи в соединении, а сигма-комплекса - за счет сигма-связи.

Образование π-комплекса. Образовавшийся электрофил Х+(например, ион Br+) атакует богатое электронной плотностью бензольное ядро, образуя π-комплекс.

Превращение π-комплекса в σ-комплекс. Электрофил отбирает 2 электрона у π-системы, образуя σ−связь с одним из атомов углерода бензольного кольца. Разница между пи- и сигма-связью: Сигма связь более крепкая, сигма связь образуется гибридными орбиталями Пи связь, которая образована негибридизованными пи-орбиталями.Пи-связь более удалены от центров, соединяемых атомов, поэтому она менее крепкая и её легче разорвать.

32. Ароматические углеводороды. Влияние заместителей в бензольном кольце на изомерный состав продуктов и скорость реакции. Активирующие и дезактивирующие заместители. Орто-, пара- и мета -ориентанты. Реакции радикального замещения и окисления в боковой цепи.

Существенной особенностью реакций получения и превращений про­изводных ароматических углеводородов является то, что новые заместите­ли вступают в бензольное кольцо в определенные положения по отноше­нию к уже имеющимся заместителям. Закономерности, определяющие направление реакций замещения в бензольном ядре, называются прави­лами ориентации.

Реакционная способность того или иного атома углерода в бензольном кольце определяется следующими факторами: 1) положением и природой уже имеющихся заместителей, 2) природой действующего агента, 3) усло­виями проведения реакции. Решающее влияние имеют два первых фактора.

Заместители в бензольном кольце можно разделить на две группы.

Электронодонорные (первого рода) — это группировки атомов, способные отдавать электроны. К ним относятся ОН, OR, RCOO, SH, SR, NH₂, NHR, NR₂, NHCOR, —N=N—, CH₃, CH₂R, CR₃, F, CI, Br, I.

Электроноакцепторные заместители (второго рода) — это атом­ные группировки, способные оттягивать, принимать электроны от бензо­льного ядра. К ним относятся S0₃H, N0₂, CHO, COR, COOH, COOR, CN, СС1₃, и т. д.

Действующие на ароматические соединения полярные реагенты можно разделить на две группы: электрофильные и нуклеофильные. Наиболее характерны для ароматических соединений процессы алкилирования, галогенирования, сульфирования и нитрования. Эти процессы идут при взаимодействии ароматических соединений с электрофильными реагента­ми. Известны и реакции с нуклеофильными реагентами (NaOH, NH₂Na и т. д.), например реакции гидроксилирования, аминирования.

Заместители первого рода облегчают реакции с электрофильными реагентами, причем они ориентируют новый заместитель в орто- и пара -положения.

Заместители второго рода затрудняют реакции с электрофильными ре­агентами: они ориентируют новый заместитель в мета-положение. В то же время эти заместители облегчают реакции с нуклеофильными реагентами.

Рассмотрим примеры реакций с различными ориентирующим действи­ем заместителей.

1. Заместитель первого рода; реагент электрофильный. Облегчающее реакцию действие заместителя, о-, п-ориентация:

2. Заместитель второго рода; реагент электрофильный. Затрудняющее реакцию действие заместителя; м-ориентация:

3. Заместитель первого рода; реагент нуклеофильный; м-ориентация. Затрудняющее действие заместителя. Примеры таких реакций с бесспор­ным механизмом неизвестны.

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

Правила ориентации при электрофильном замещении в бензольном кольце основаны на взаимном влиянии атомов в молекуле. Если в незамещенном бензоле С₆Н₆электронная плотность в кольце распределена равномерно, то в замещенном бензоле С₆Н₅Х под влиянием заместителя Х происходит перераспределение электронов и возникают области повышенной и пониженной электронной плотности. Это оказывает влияние на легкость и направление реакций электрофильного замещения. Место вступления нового заместителя определяется природой уже имеющегося заместителя.

Правила ориентации

Заместители, имеющиеся в бензольном ядре, направляют вновь вступающую группу в определенные положения, т.е. оказывают ориентирующее действие.

По своему направляющему действию все заместители делятся на две группы: ориентанты первого рода и ориентанты второго рода.

Ориентанты 1-го рода (орто-пара -ориентанты) направляют последующее замещение преимущественно в орто - и пара -положения. К ним относятся электронодонорные группы (электронные эффекты групп указаны в скобках):

-R (+I); -OH (+M,-I); -OR (+M,-I); -NH₂ (+M,-I); -NR ₂ (+M,-I)+M-эффект в этих группах сильнее, чем -I-эффект.

Ориентанты 1-го рода повышают электронную плотность в бензольном кольце, особенно на углеродных атомах в орто - и пара -положениях, что благоприятствует взаимодействию с электрофильными реагентами именно этих атомов. Пример:

Ориентанты 1-го рода, повышая электронную плотность в бензольном кольце, увеличивают его активность в реакциях электрофильного замещения по сравнению с незамещенным бензолом.

Особое место среди ориентантов 1-го рода занимают галогены, проявляющие электроноакцепторные свойства: - F (+M<–I), - Cl (+M<–I), - Br (+M<–I).Являясь орто-пара -ориентантами, они замедляют электрофильное замещение. Причина - сильный –I -эффект электроотрицательных атомов галогенов, понижащий электронную плотность в кольце.

Ориентанты 2-го рода (мета -ориентанты) направляют последующее замещение преимущественно в мета -положение. К ним относятся электроноакцепторные группы:

-NO₂ (–M, –I); -COOH (–M, –I); -CH=O (–M, –I); -SO₃H (–I); -NH₃⁺ (–I); -CCl₃ (–I).

Ориентанты 2-го рода уменьшают электронную плотность в бензольном кольце, особенно в орто - и пара -положениях. Поэтому электрофил атакует атомы углерода не в этих положениях, а в мета -положении, где электронная плотность несколько выше. Пример:

Все ориентанты 2-го рода, уменьшая в целом электронную плотность в бензольном кольце, снижают его активность в реакциях электрофильного замещения.

Таким образом, легкость электрофильного замещения для соединений (приведенных в качестве примеров) уменьшается в ряду:

толуол C₆H₅CH₃ > бензол C₆H₆ > нитробензол C₆H₅NO₂.

Реакции радикального замещения и окисления в боковой цепи

Вторая по важности группа реакций алкилароматических углеводородов - свободнорадикальное замещение атома водорода боковой цепи в a -положении по отношению к ароматическому ядру.

Преимущественное замещение в a -положении объясняется высокой устойчивостью соответствующих алкилароматических радикалов, а следовательно, сравнительно небольшой прочностью a -С-Н-связи. Например, энергия разрыва связи С-Н в боковой цепи молекулы толуола составляет 327 кДж/моль - на 100 кДж/моль меньше, чем энергия связи С-Н в молекуле метана (427 кДж/моль). Это означает, что энергия стабилизации свободного радикала бензила С₆Н₅-СН₂^· равна 100 кДж/моль.

Причиной высокой устойчивости бензильного и других алкилароматических радикалов с неспаренным электроном у a -углеродного атома является возможность распределения спиновой плотности неспаренного электрона на несвязывающей молекулярной орбитали, охватывающей атомы углерода 1', 2, 4 и 6.

В результате распределения (делокализации) спиновая плотность неспаренного электрона только на 4/7 остается у некольцевого атома углерода, остальные 3/7 спиновой плотности распределены между одним пара - и двумя орто - углеродными атомами ароматического ядра.

Реакции окисления

Реакции окисления в зависимости от условий и природы окислителя могут протекать по разным направлениям.

Молекулярный кислород при температуре около 100 ^оС окисляет изопропилбензол по радикально-цепному механизму до сравнительно устойчивого гидропероксида.

 

33. Конденсированные ароматические углеводороды: нафталин, антрацен, фенантрен, бензпирен. Их структурные фрагменты в природных и биологически активных веществах (стероидов, алкалоидов, антибиотиков).

Нафтали́н — С₁₀Н₈ твердое кристаллическое вещество с характерным запахом. В воде не растворяется, но хорошо растворим в бензоле, эфире, спирте, хлороформе. Нафталин по химическим свойствам сходен с бензолом: легко нитруется, сульфируется, взаимодействует с галогенами. Отличается от бензола тем, что ещё легче вступает в реакции. Нафталин получают из каменноугольной смолы.

Антраце́н — бесцветные кристаллы, t_пл 218° C. Нерастворим в воде, растворим в ацетонитриле и ацетоне, при нагревании растворим в бензоле. Антрацен получают из каменноугольной смолы. По химическим свойствам сходен с нафталином (легко нитруется, сульфируется и т. д.), но отличается от него тем, что легче вступает в реакции присоединения и окисления.

Антрацен может фотодимеризоваться под действием УФ излучения. Это приводит к существенному изменению свойств вещества.

В димере имеются две ковалентные связи, образованные в результате [2+2] циклоприсоединения. Димер распадается обратно на две молекулы антрацена при нагревании или при УФ облучении с длиной волны ниже 300 нм.Фенантрен — трициклический ароматический углеводород. Фенантрен представляет собой блестящие бесцветные кристаллы. Не растворяется в воде, растворяется в органических растворителях (диэтиловом эфире, бензоле, хлороформе, метаноле, уксусной кислоте). Растворы фенантрена светятся голубым цветом.

По химическим свойствам напоминает нафталинБензпире́н, или бензапире́н^[1] — ароматическое соединение, представитель семейства полициклических углеводородов, вещество первого класса опасности.

Образуется при сгорании углеводородного жидкого, твёрдого и газообразного топлива (в меньшей степени при сгорании газообразного).

В окружающей среде накапливается преимущественно в почве, меньше в воде. Из почвы поступает в ткани растений и продолжает своё движение дальше в пищевой цепи, при этом на каждой её ступени содержание БП в природных объектах возрастает (см. Биомагнификация).

Контроль содержания бензпирена в природных продуктах производится методом жидкостной хроматографии.

Обладает сильной люминесценцией в видимой части спектра (в концентрированной серной кислоте — А 521 нм (470 нм); F 548 нм (493 нм)), что позволяет обнаруживать его в концентрациях до 0,01 миллиардных долей люминесцентными методами.

 

34. Галогенпроизводные углеводородов. Классификация, номенклатура, изомерия.

Классифицировать галогенопроизводные можно несколькими способами:

1. в соответствии с общей классификацией углеводородов (т.е. алифатические, алициклические, ароматические, предельные или непредельные галогенопроизводные)

2. по количеству и качеству атомов галогенов

3. по типу атома углерода, к которому присоединён атом галогена: первичные, вторичные, третичные галогенопроизводные.

По номенклатуре ИЮПАК положение и название галогена указывается в приставке. Нумерация начинается с того конца молекулы, к которому ближе расположен атом галогена. Если присутствует двойная или тройная связь, то именно она определяет начало нумерации, а не атом галогена: До сих пор широко используется т.н. “рациональная номенклатура” для составления названий галогенопроизводных. В этом случае название строится следующим образом: углеводородный радикал + галогенид.

Некоторые галогенопроизводные имеют тривиальные названия, например ингаляционный анестетик 1,1,1-трифтор-2-бром-2-хлорэтан (CF₃-CBrClH) имеет тривиальное название фторотан. 3. Изомерия

3.1. Cтруктурная изомерия 3.1.1. Изомерия положения заместителей

1-бромбутан 2-бромбутан

3.1.2. Изомерия углеродного скелета

1-хлорбутан 2-метил-1-хлорпропан

3.2. Пространственная изомерия

Стереоизомерия может проявляться при наличии четырёх разных заместителей у одного атома углерода (энантиомерия) или при наличии разных заместителей при двойной связи, например:

транс-1,2-дихлорэтен цис-1,2-дихлорэтен

35. Реакции нуклеофильного замещения атома галогена, их использование в синтезе органических соединений различных классов (спиртов, простых и сложных эфиров, аминов, тиолов и сульфидов, нитроалканов, нитрилов). - позволяет получать представители практически всех классов органических соединений (спирты, эфиры, амины, нитрилы и др.), поэтому эти реакции широко применяются в синтезе лекарственных веществ. Основные механизмы реакций

Замещение галогена у sp³-гибридного атома углерода может осуществляться как по S_N1, так и по S_N2 механизмам. Замещение галогена у sp²-гибридного атома углерода (в арил- и винилгалогенидах) идет либо по типу присоединения-отщепления, либо по типу отщепления-присоединения и значительно труднее, чем у sp³-гибридного. - S_N1 механизм включает две стадии: а) диссоциация алкилгалогенида на ионы; б) взаимодействие катиона с нуклеофиломНуклеофильная атака контактной ионной пары, в которой асимметрия в значительной мере сохраняется, приводит к обращению конфигурации. В сольватно-разделенной ионной паре одна сторона катиона экранируется сольватированным галогенид-ионом и атака нуклеофила более вероятна с другой стороны, что приводит к преимущественному обращению конфигурации, но селективность снижается, и рацемизация увеличивается. Полная рацемизация возможна лишь при образовании свободного катиона (с). Однако, полная рацемизация для оптически активных галогенидов при механизме S_N1 обычно не наблюдается. Рацемизация составляет от 5 до 20%, следовательно, сольватированный катион практически не образуется.

- Стадия образования карбокатиона является лимитирующей, а, следовательно, стабильность катиона определяет быстроту прохождения процесса. Скорость процесса зависит также от концентрации алкилгалогенида и не зависит от концентрации нуклеофила.

- Образование карбокатиона может являться причиной ряда побочных процессов: изомеризация углеродной цепи, элиминирование (EI) и др

Нуклеофил Nu^-атакует субстрат со стороны, противоположной уходящей группе. При этом реакция идет в одну стадию с образованиемпереходного состояния, в которомsp³-гибридизация центрального атома углерода изменяется наsp²- с р-орбиталью, перпендикулярной плоскости расположения гибридных орбиталей. Одна доля этойр-орбитали перекрывается с нуклеофилом, а вторая – с уходящей группой.Связь С-Nu образуется одновременно с разрывом связи С-Y.

- Скорость превращения исходных веществ в продукты реакции зависит: 1)от величины положительного заряда на атоме углерода субстрата, 2)пространственных факторов, 3)силы нуклеофила и 4)в кинетической области от концентрации как нуклеофила, так и алкилгалогенида. При большом избытке нуклеофила реакция может протекать попервому или дробному порядку. (Термины S_N1 и S_N2 указывают лишь на молекулярность, но не на порядок реакции.)

- Реакция всегда сопровождается обращением конфигурации.Побочной может быть реакция элиминирования Е2.

- Механизм S_NAr (присоединение - отщепление) -обычно реализуетсяпри наличие электроноакцепторных заместителей, которые создаютd+ (направляют нуклеофил) и стабилизируютs-комплекс. В гетероциклах их роль выполняет гетероатом. В отличие от механизмаS_N2 для алкилгалогенидов нуклеофил образует новую связь раньше, чем рвется старая.

Пиридин и хинолин можно рассматривать как аналоги нитробензола. Как и в нитробензоле, большое значение имеет положение галогена в кольце. 3-Галогенпиридины похожи на галогенбензолы, 2-,4-замещенные аналогичны нитрогалогенбензолам, при этом 4-галогенпиридин активнее 2-замещенного. Реакционная способность алкилгалогенидов в реакциях нуклеофильного замещения в протонных растворителях уменьшается (уменьшается способность групп уходить) в следующем ряду: RI > RBr > RCl > RF.

В случае активированных галогенаренов появление положительного заряда у реакционного центра зависит не только от количества, расположения и природы других заместителей в ядре, но и от природы замещаемого галогена. Поэтому атомы галогена могут быть замещены с возрастающей легкостью в ряду I < Br < Cl < F.Катализ замещения галоген в аренах медью – один из важных технологических приемов, позволяющий ускорить реакцию замещения неактивированного галогена в аренах, снизить температуру реакции (~ на 100^оС), увеличить селективность процесса и выход продукта. Предполагают, что реакция идет через стадию образования медь-органических комплексов

Ароматические субстраты (арилгалогениды) должны быть активированными, иначе выход целевого продукта (эфира) может оказаться низким за счет побочных процессов..Замена галогена в первичных и вторичных алкилгалогенидах на амино группу осуществляется нагреванием их со спиртовым, водным или водно-спиртовым раствором аммиака, первичного или вторичного амина под давлением (в автоклаве). При этом образуется смесь солей первичных, вторичных, третичных аминов и четвертичных солей аммония