Сульфирование ароматических углеводородов и их производных

Одно из характерных отличий ароматических углеводородов от парафиновых проявляется в легкости, с какой ароматические углеводороды сульфируются серной кислотой. Для сульфирования ароматических углеводородов используются различные сульфирующие агенты: серная кислота, олеум, серный ангидрид, хлорсульфоновая кислота и др.

Введение сульфогруппы в ароматическое ядро с помощью серной кислоты может быть представлено в общем виде следующим уравнением:

Сульфирование является типичной реакцией электрофильного замещения и подчиняется всем закономерностям, характерным для этого типа реакций.

Однако вопрос о точном строении электрофильной частицы, получающейся из серной кислоты и являющейся активным агентом этой реакции, до сих пор строго не решен. Данные кинетических измерений не дают однозначного ответа на этот вопрос, поскольку в водной и безводной серной кислоте содержится большое число потенциальных электрофильных агентов (SO₃, H₃SO₄⁺, H₂S₂O₇ и др.), относительная концентрация которых зависит от отношения H₂O/SO₃.

Полагают, что электрофильным агентом при сульфировании концентрированной серной кислотой и моногидратом выступает молекула серного ангидрида SО₃, и механизм сульфирования может быть представлен, по-видимому, следующим образом.

Стадия 1. Образование электрофильного реагента:

Стадия 2. Образование σ – комплекса:

Стадия 3. Выброс протона с образованием продукта замещения идет с участием основания – гидросульфат-иона HSO₄ ^‾ :

В теоретическом отношении очень важно выяснить, какая из стадий является более медленной и определяет суммарную скорость реакции. Решение этого вопроса получают, в частности, при изучении кинетического изотопного эффекта (КИЭ) реакции. Кинетический изотопный эффект измеряют как отношение константы скорости реакции обычного соединения к константе скорости реакции аналогичного соединения, меченного дейтерием или тритием, например: k_H / k_D; k_H / k_Т. В тех случаях, когда k_H / k_D или k_H / k_Т больше 1, считают, что кинетический изотопный эффект наблюдается. Наличие КИЭ свидетельствует о том, что стадия разрыва связи С-Н (отрыв протона от σ-комплекса), по крайней мере частично, влияет на скорость всей реакции. В тех случаях, когда k_H / k_D или k_H / k_Т равно 1, считают, что кинетический изотопный эффект отсутствует. Для большинства реакций электрофильного замещения в ароматическом ряду кинетический изотопный эффект не наблюдается. Это указывает на то, что скоростьлимитирующей стадией является образование σ-комплекса. Реакция сульфирования отличается небольшим первичным кинетическим изотопным эффектом дейтерия: k_H / k_D ≈ 2. Этот факт, по-видимому, объясняется большей стабильностью соответствующего промежуточного σ-комплекса.

Переходное состояние реакции сульфирования имеет несколько иную структуру, отличающуюся от других реакций электрофильного замещения, что определенно связано с обратимостью процесса сульфирования.

Рис.1. Диаграмма свободной энергии для реакции,

сопровождающейся КИЭ:

Еа₁ – энергия активации образования σ-комплекса;

Еа₂ – энергия активации для стадии отрыва протона

Приведенная на рис.1 кривая имеет два максимума, между которыми находится σ-комплекс. Первый максимум соответствует энергии, необходимой для образования σ-комплекса, а второй, более высокий, – энергии, необходимой для отрыва протона и образования конечного продукта.

σ-Комплекс в реакции сульфирования представляет собой биполярный ион, в котором скомпенсированы положительный и отрицательный заряды. Тем самым стадия отщепления протона от такого σ-комплекса (стадия 3) несколько замедляется, поэтому лимитирующей стадией реакции сульфирования, в отличие от других реакций электрофильного замещения в ароматическом ряду, является вероятно не образование σ-комплекса, а стадия депротонирования.

При низкой концентрации серной кислоты основным электрофильным агентом является, вероятно, ион H₃SO₄⁺. Кинетический изотопный эффект k_H / k_D при низкой концентрации серной кислоты пренебрежимо мал, поэтому стадией, определяющей скорость реакции, становится уже стадия образования σ-комплекса.

Выбор сульфирующего агента и условий сульфирования ароматических углеводородов и их производных зависит, прежде всего, от природы сульфируемого вещества и типа заместителей в ароматическом ядре. Наиболее легко сульфируются полициклические ароматические углеводороды (антрацен, фенантрен и др.), труднее – нафталин, еще труднее – бензол. Наличие заместителя в ароматическом ядре влияет как на скорость сульфирования, так и на место вступления сульфогруппы в кольцо. Например, алкилбензолы сульфируются в более мягких условиях, чем бензол, а нитропроизводные – в более жестких, при этом они по-разному ориентируют сульфогруппу в кольцо.

Электронодонорные заместители (I рода) облегчают введение сульфогруппы и являются орто-, пара-ориентантами. Активирующее действие заместителей в ряду R-, RCONH-, H₂N-, RO-, HO- (где R = Alkyl) возрастает:

Электроноакцепторные заместители (II рода) затрудняют введение сульфогруппы и ориентируют в мета-положение. Дезактивирующее действие заместителей в ряду -N0₂, -SО₃Н, -СООН, -СНО, -NH₃⁺ падает. Галоиды затрудняют введение сульфогруппы, но являются орто-, пара-ориентантами:

Влияние заместителей в бензольном кольце на направление реакции сульфирования серной кислотой или олеумом и серным ангидридом представлено в таблице.