Природа электрофильного агента

Нитрование

Нитрование является механистическим прототипом всех остальных реакций электрофильного ароматического замещения. Эта реакция находит широкое синтетическое применение и механизм ее изучен наиболее подробно.

Природа электрофильного агента

Различные арены нитруются в самых разнообразных условиях. Наиболее часто в качестве нитрующего агента используют азотную кислоту в смеси с серной кислотой или азотную кислоту в органических растворителях: уксусной кислоте, нитрометане и т.д. Из других реагентов следует упомянуть соли нитрония (обычно NO₂₊ BF_4- в тетраметиленсульфоне и хлористом метилене) и ацетилнитрат AcONO₂ (смешанный ангидрид, образующийся в результате реакции между азотной кислотой и уксусным ангидридом).

Незамещенный бензол обычно нитруют смесью концентрированных азотной и серной кислот при 45-50^оС. Этот реагент называется нитрующей смесью.

Установлено, что в электрофильном нитровании, независимо от природы нитрующего агента, активным электрофилом является ион нитрония NO₂₊ . В избытке концентрированной серной кислоты происходит количественное превращение азотной кислоты в гидросульфат нитрония:

Доказательства такого равновесия получены с помощью самых разнообразных физико-химических методов: спектров комбинационного рассеяния (полоса NO₂₊ при 1400 см- 1 ), из кондуктометрических экспериментов, из данных по электролизу (на катоде образуется N₂O₄), но наиболее убедительные - из криоскопических опытов, которые показали, что каждая молекула HNO₃ при растворении в серной кислоте дает четыре частицы.

При разбавлении серной кислоты водой концентрация иона NO₂₊ уменьшается и вместе с этим резко падает и скорость нитрования. Однако очень реакционноспособные арены нитруются даже в таких условиях, когда обнаружить ион NO₂₊ в растворе какими-либо физическими методами невозможно. Имеются доказательства, что даже в отсутствие серной кислоты нитрование осуществляется ионом нитрония.

В таких условиях реакции очень активных аренов имеют нулевой кинетический порядок по ароматическому субстрату (медленная стадия - образование NO₂₊ без участия ArH). В этих же условиях для менее реакционноспособных аренов кинетический порядок по ArH первый, т.е. лимитирующей скорость стадией становится уже собственно процесс замещения. Подобный эффект наблюдался, например, при нитровании толуола водным раствором азотной и серной кислот. При низкой концентрации H₂SO₄ порядок по толуолу был нулевым, а при более высокой - первым.

В реакциях с HNO₃ в нитрометане или уксусной кислоте кинетический порядок также изменяется от нулевого до первого в зависимости от реакционной способности субстрата и условий нитрования. При нулевом порядке по ArH лимитирующей стадией опять-таки является образование иона нитрония:

Такие реакции замедляются при добавлении нитрат-ионов, которые по закону действия масс уменьшают концентрацию (H₂ONO₂)+ и, следовательно, концентрацию NO₂₊ . Добавки воды тоже замедляют эту реакцию, но в менее заметной степени. Примечательно, что нитрат-ионы не изменяют кинетическое уравнение реакции, а добавки воды приводят к переходу от нулевого к первому порядку. Это связано с тем, что ион нитрония с ArH реагирует медленнее, чем с водой, т.е. обратная реакция k- 2 становится более быстрой, чем реакция k₃. Нитрат-ионы никак не могут изменить соотношение скоростей стадий k₃ и k- 2 .

При использовании в качестве реагента нитрующей смеси (HNO₃ + H₂SO₄) концентрация ионов нитрония в растворе всегда достаточно высока и при избытке реагента постоянна, поэтому нитрование можно рассматривать как двухстадийный процесс.

Медленной стадией этого двухстадийного процесса является образование -комплекса. Это доказывается отсутствием кинетического изотопного эффекта водорода при нитровании аренов и дейтероаренов. Однако введение очень объемистых групп с обеих сторон замещающегося водорода может сильно уменьшить скорость стадии k₂ и привести к появлению изотопного эффекта. Так, в случае 2,4,6-три-трет-бутилтолуола изотопный эффект значителен:

Ипсо-нитрование

Обобщенный механизм электрофильного замещения предполагает, что можно заместить не только водород, но и другую группу, если электрофильный агент атакует атом углерода, имеющий заместитель. Такие реакции получили название ипсо-замещения.

Среди других реакций электрофильного замещения ипсо-замещение чаще всего наблюдалось в реакциях нитрования при несогласованной ориентации двух разветвленных алкильных групп в пара- или орто-положении. Вторичная или третичная алкильная группа отщепляется при этом в виде карбокатиона, который стабилизируется, теряя протон. Типичным примером такого процесса является нитрование 1,4-диизопропилбензола или 1,4-ди-трет-бутилбензола в классических условиях смесью азотной и серной кислот.

Известны примеры ипсо-замещения брома и иода, но не хлора или фтора, так как сама нитрогруппа является лучшей уходящей группой по сравнению со фтором или хлором.

Следует четко различать ипсо-замещение и ипсо-атаку при электрофильном замещении, поскольку ипсо-атака совсем не обязательно приводит к ипсо-замещению. Рассмотрим это на конкретном примере нитрования 2,3,5,6-тетраметиланизола фторборатом нитрония. При низкой температуре -60^оС в сильнокислой среде образуется ипсо- -комплекс с нитрогруппой в положении 3. При повышении температуры до 0^оС он перегруппировывается в более стабильный "нормальный"- -комплекс с нитрогруппой в положении 4, депротонирование которого дает 2,3,5,6-тетраметил-4-нитроанизол - ожидаемый продукт нитрования.

При нитровании пара-цимола (4-изопропилтолуола) фторборатом нитрония получается 85.2% 2-нитро-пара-цимола; 5.3% 3-нитро-пара-цимола и 9.5% 4-нитротолуола - продукта ипсо-замещения изопропильной группы. Аналогичное соотношение продуктов получается при нитровании пара-цимола нитрующей смесью. Однако при нитровании пара-цимола ацетилнитратом в уксусном ангидриде наряду с указанными продуктами в значительном количестве (41%) образуются цис- и транс-изомеры 4-ацетокси-4-изопропил-1-метил-1-нитро-циклогексадиена-2,5 (А), а выход 2-нитро-пара-цимола уменьшается до 40%. Это означает, что ипсо- -комплекс присоединяет ацетат-ион с образованием производного циклогексадиена. Такой способ стабилизации аренониевого иона возможен в нуклеофильной среде (уксусная кислота или уксусный ангидрид), но не в сильнокислой среде. Циклогексадиенилацетат (А) при растворении в серной кислоте превращается в 2-нитро-пара-цимол. Таким образом, не менее половины общего количества 2-нитро-пара-цимола образуется не в результате прямой атаки катиона NO₂₊ в положение 2, а путем ипсо-атаки в положение 1 с последующей перегруппировкой ипсо- -комплекса в термодинамически более стабильный -комплекс с нитрогруппой в положении 2:

Следовательно, самым реакционноспособным положением в молекуле пара-цимола по отношению к электрофильной атаке катионом нитрония оказывается положение I и факторы парциальных скоростей четырех положений пара-цимола относятся как 10:5:1:2,5.Отсюда также следует, что при нитровании 1.4-диалкилбензолов и, возможно, моноалкилбензолов доля орто-нитрозамещенного продукта возрастает также за счет ипсо-атаки по замещенному атому углерода.