خلاصه ای سریع درباره آنچه که امروز درباره آن صحبت خواهیم کرد، در مورد فعال سازی و غیرفعال کردن گروه ها در جایگزینی معطر الکتروفیل:

این پست چیزهای زیادی دارد، بنابراین در اینجا یک فهرست سریع وجود دارد:

فهرست مطالب

فعال سازی و غیرفعال کردن گروه ها
اندازه‌گیری نرخ‌های واکنش می‌تواند بینشی در مورد مکانیسم ارائه دهد
“فعال کردن” و “غیرفعال کردن” گروه ها – یک تعریف
اهداکنندگان و پذیرندگان “سیگما” (σ) (که به عنوان “اثرات القایی” شناخته می شود)
Pi (π) اهداکنندگان و پذیرندگان (اغلب فقط “رزونانس” نامیده می شود)
اکسیژن و نیتروژن های حاوی جفت های تنها در صورت اتصال مستقیم به حلقه بسیار فعال می شوند.
هالوژن ها (F، Cl، Br، I)  در حال غیرفعال شدن هستند
گروه های پذیرنده Pi به شدت غیرفعال می شوند
جدول فعال و غیرفعال کردن گروه ها
خلاصه: این در مورد مکانیسم جایگزینی معطر الکتروفیلیک به ما چه می گوید؟
یادداشت
(پیشرفته) مراجع و مطالعه بیشتر
1. فعال و غیرفعال کردن گروه ها

آخرین پست در این مجموعه جایگزینی معطر الکتروفیل را معرفی کردیم. در اینجا مورد کلی است:

می‌پرسید چرا این یک واکنش جایگزینی است؟ زیرا ما در حال تشکیل و شکستن پیوندی روی همان کربن هستیم. ما C-E را تشکیل می دهیم (که در آن “E” یک اصطلاح عمومی برای “اتم الکتروفیل” است) و C-H را می شکنیم.

[در مورد هویت خاص “E”، ما شش واکنش کلیدی جایگزینی آروماتیک الکتروفیلیک را در پست آخر ذکر کردیم (بروماسیون، کلرزنی، نیتراسیون، سولفونیلاسیون، آلکیلاسیون Friedel-Crafts و آسیلاسیون Friedel-Crafts) که در نهایت به بررسی آنها خواهیم پرداخت. جزئیات اما هنوز نه. ]

بنابراین، اگر این خلاصه‌ای از آنچه اتفاق می‌افتد باشد، سؤال واضح بعدی این است: چگونه اتفاق می‌افتد؟

به عبارت دیگر، مکانیسم چیست؟

گفتار اجباری قبل از مکانیسم: شما نمی توانید مکانیسم یک واکنش شیمیایی را صرفاً از طریق استنتاج منطقی از اصول اولیه تعیین کنید. مطمئناً، شما می توانید حدس هایی بزنید – حتی حدس هایی خوب! اما آزمون نهایی یک فرضیه مکانیکی این است که چقدر با آزمایش مطابقت دارد، و این معمولاً مستلزم کارهای آزمایشگاهی زیادی است. آنچه در یک دوره مقدماتی به شما آموزش داده می شود، نوک ترین لایه برف روی کوه یخ است. ما بهترین پاسخ را به شما می‌دهیم و در نگاهی به گذشته واضح به نظر می‌رسد. آنچه شما نمی بینید تمام شکست ها، چرخش های اشتباه و فرضیه های نادرستی است که در مسیر تعیین مکانیسم صحیح اتفاق افتاده است. با این حال، مکانیسم‌های این واکنش‌ها که در مورد آن‌ها خواهید آموخت، برای اکثر کاشفان آن‌ها، که از درخشان‌ترین و بهترین شیمیدان‌های زمان خود بودند، واضح نبود. به یاد داشته باشید که.

2. اندازه گیری نرخ واکنش می تواند بینشی در مورد مکانیسم ارائه دهد

تا آنجا که به مکانیسم های تعیین مربوط می شود، یکی از بهترین ابزارهایی که در زرادخانه تجربی خود داریم، توانایی اندازه گیری نرخ واکنش است.

با اندازه‌گیری تأثیر تغییرات جزئی در شرایط آزمایشی (مانند ساختار واکنش‌دهنده، دما، حلال) بر سرعت، می‌توانیم بینش‌های مفیدی در مورد نحوه عملکرد یک واکنش «زیر هود» جمع‌آوری کنیم.

از پارامترهای ذکر شده در بالا،  تغییر بستر (واکنش‌دهنده) احتمالاً قوی‌ترین راه برای بررسی مکانیسم است، زیرا به شما امکان می‌دهد میزان غنی از الکترون (هسته دوست) یا فقیر الکترون (الکتروفیل) آن را تنظیم کنید.

بگذارید منظورم را به شما نشان دهم.

بیایید خودسرانه یک واکنش جایگزینی معطر الکتروفیل را انتخاب کنیم: نیتراسیون.

ما می دانیم که با افزودن اسید نیتریک و H2SO4،  بنزن می تواند تحت نیتراسیون قرار گیرد تا نیتروبنزن را تشکیل دهد (C-H را بشکند، C-NO2 را تشکیل دهد)
ما حتی می توانیم سرعت این واکنش را در دما، غلظت و حلال معین اندازه گیری کنیم.
با استفاده از شرایط آزمایشی دقیقاً یکسان، می‌توانیم سرعت واکنش را زمانی که تولوئن (متیل بنزن، C6H5CH3) به‌جای بنزن به‌عنوان بستر استفاده می‌شود، اندازه‌گیری کنیم.
نیتراسیون تولوئن 23 برابر سریعتر از بنزن است. [مراجعه 1]
با استفاده از همان شرایط آزمایشی، می‌توانیم از تری فلورومتیل بنزن (C6H5CF3) نیز به عنوان بستر استفاده کنیم و سرعت واکنش را اندازه‌گیری کنیم.
نیتراسیون تری فلورومتیل بنزن 40000 برابر کندتر از بنزن است (2.5×10-5).

خط پایانی: اگر هیدروژن را روی بنزن با یک گروه متیل مبادله کنیم، واکنش سریعتر است. اگر یک هیدروژن را با یک گروه تری فلورومتیل مبادله کنیم، واکنش کندتر است.

معلوم می‌شود که این الگو برای سایر واکنش‌های جایگزینی آروماتیک الکتروفیل (کلرزنی، برم‌سازی، فریدل کرافت و غیره) عمومی است.

3. “فعال کردن” و “غیرفعال کردن” گروه – یک تعریف

بیایید یک گروه فعال کننده را صدا کنیم که سرعت یک واکنش جایگزینی معطر الکتروفیل را نسبت به هیدروژن افزایش می‌دهد. همانطور که دیدیم، CH3 نمونه کاملی از یک گروه فعال کننده است. هنگامی که هیدروژن را روی بنزن جایگزین CH3 می کنیم، سرعت نیتراسیون افزایش می یابد.

از سوی دیگر، یک گروه غیرفعال‌کننده، سرعت یک واکنش جایگزینی معطر الکتروفیل را نسبت به هیدروژن کاهش می‌دهد. گروه تری فلورومتیل، CF3، سرعت نیتراسیون را هنگامی که جایگزین هیدروژن روی بنزن می‌شود، به شدت کاهش می‌دهد.

این تعریف در نهایت مبتنی بر داده‌های سرعت واکنش تجربی است. به ما نمی‌گوید چرا هر گروه رای را تسریع یا کاهش می‌دهد

شما «فعال کردن» و «غیرفعال کردن» فقط به تأثیر هر جایگزین بر روی نرخ نسبت به H اشاره دارد.

باشه پس پس چرا ممکن است CH3 سرعت واکنش را افزایش دهد و CF3 آن را کاهش دهد؟

4. اهداکنندگان و پذیرندگان “سیگما” (σ) (در غیر این صورت به عنوان “اثرات القایی” شناخته می شود)

بیایید به سرعت به آنچه در مورد گروه های آلکیل (مانند CH3) و گروه های هالوآلکیل (مانند CF3) می دانیم فکر کنیم و سعی کنیم به این سؤال بپردازیم.

در CH3، اتم کربن الکترونگاتیوتر (2.5) از هیدروژن (2.2) است. این بدان معناست که کربن کمی بیشتر از سهم مساوی از چگالی الکترون را از پیوند کووالانسی با H جذب می‌کند و در نتیجه یک بار منفی جزئی (δ–) روی کربن و یک بار مثبت جزئی (δ+) روی هیدروژن ایجاد می‌کند. سپس این بار منفی جزئی برای اهدا به اتم مجاور در دسترس است. از این رو، ما تمایل داریم به CH3 به عنوان یک گونه غنی از الکترون فکر کنیم. یک الکترون دهنده

در CF3 الکترون ها در جهت مخالف کشیده می شوند. سه اتم فلوئور بسیار الکترونگاتیو (4.0) چگالی الکترون را از اتم کربن (2.5) دور می‌کنند و در نتیجه یک بار مثبت جزئی (δ+) روی کربن ایجاد می‌شود. کربن به‌جای اهدای چگالی الکترونی، تمایل دارد چگالی الکترونی را از اتم‌های مجاور بپذیرد (این اثر القایی آشنا است) ما معمولاً CF3 را گونه‌ای فقیر از الکترون می‌دانیم. یک گیرنده الکترون

از آنجایی که این اثرات القایی صرفاً از طریق پیوندهای منفرد («سیگما» یا σ باندها عمل می‌کنند)، این رفتار گاهی «اهدای سیگما» (مانند CH3) یا «پذیرش سیگما» (برای CF3) نامیده می‌شود.

بنابراین فرضیه خوبی به نظر می رسد که

گروه‌های فعال کننده الکترون اهداکننده هستند (نسبت به H) و
گروه‌های غیرفعال کننده الکترون‌کشنده هستند (نسبت به H)

5. اهداکنندگان و پذیرندگان Pi (π) (به‌طور دیگری به عنوان “رزونانس” شناخته می‌شود)

اهدا و پذیرش سیگما به ما کمک می کند تا تأثیر گروه های آلکیل را بر جایگزینی آروماتیک الکتروفیل درک کنیم. پس سایر گروه های عملکردی چطور؟ مثلاً یک گروه هیدروکسیل چه تأثیری می تواند بر سرعت نیتراسیون داشته باشد؟

زمان امتحان آیا فکر می کنید – OH برای جایگزینی معطر الکتروفیلیک (مانند نیتراسیون) فعال می شود (سرعت را افزایش می دهد) یا غیرفعال می کند (سرعت را کاهش می دهد)؟ حدس زدن اشکالی ندارد!

بر اساس آنچه که گفتیم، اگر بگویید «غیرفعال کردن» کاملاً قابل درک است. از این گذشته، اکسیژن بسیار الکترونگاتیو است (3.4) و از طریق القاء، چگالی الکترون را از طریق پیوند می کشد. به عبارت دیگر، این یک گیرنده سیگما است.

با این حال، واقعیت این است که OH به شدت سرعت را تسریع می‌کند، مرتبه‌هایی با بزرگی بیشتر از CH3. در واقع من نمی‌توانم داده‌های سرعت خوبی را در مقایسه OH با CH3 پیدا کنم، زیرا در مورد -OH، واکنش همان چیزی است که “نظارت کنترل شده” نامیده می‌شود. این تقریباً به این معنی است که “به محض تماس واکنش دهنده با الکتروفیل، یک واکنش رخ می دهد.” به عبارت دیگر، گروه –OH به شدت فعال است.

واضح است که در اینجا غیر از اثر القایی اکسیژن، چیز دیگری نیز باید در جریان باشد!

6. اکسیژن و نیتروژن های حاوی جفت تنها زمانی که مستقیماً به حلقه متصل می شوند بسیار فعال می شوند.

همانطور که در فصل خود در مورد رزونانس دیدیم، گروه های هیدروکسیل اهداکنندگان عالی pi هستند. جفت‌های تنها روی اتم اکسیژن می‌توانند با یک اتم مجاور حاوی یک اوربیتال p موجود، پیوند پی تشکیل دهند.

این اثر اهدایی (یا “رزونانس”) باید از برداشت الکترون از طریق اثرات القایی بیشتر باشد، در غیر این صورت مشاهده می کنیم که گروه های هیدروکسیل در حال غیرفعال شدن هستند.

همین امر در مورد گروه های نیتروژن با جفت های تنها، مانند آمین ها و آمیدها (در زیر) صادق است.

[یکی از معیارهای اهمیت اهدای پی در ماهیت فعال کننده آمین ها در رفتار آنها در شرایط شدید اسیدی دیده می شود. اگر جفت نیتروژن تنها با اسید قوی پروتونه شود یا تحت واکنش جایگزینی قرار گیرد تا NR3+ را تشکیل دهد، اهدای pi غیر ممکن است و گروه به شدت غیرفعال می شود (جدول زیر را ببینید). ]

7. هالوژن ها (F، Cl، Br، I)  در حال غیرفعال شدن هستند

همه گروه هایی که قادر به اهدای pi هستند، گروه ها را فعال نمی کنند. به عنوان مثال، هالوژن ها (F، Cl، Br، I) تمایل به غیرفعال شدن دارند. سرعت واکنش‌های جایگزینی معطر الکتروفیل بر روی فلوروبنزن، کلروبنزن، بروموبنزن و یدوبنزن همگی کندتر از خود بنزن است. در این موارد، اثرات استقرایی (“پذیرش سیگما”) به نظر می رسد که تأثیر بیشتری بر نرخ نسبت به هر اهدای pi از جفت های تنها داشته باشد. [پی اهدای < پذیرش سیگما]. [چرا؟]

یک قانون سرانگشتی خوب برای توانایی اهدای pi، اساسی بودن جفت تنها است. آمین ها بازهای بهتری نسبت به اکسیژن دارند که بازهای بسیار بهتری نسبت به هالوژن ها هستند.

بسیار خوب. اگر الکترون ها در جهت مخالف جریان پیدا کنند چه؟ آیا نقطه مقابل “pi donor” وجود دارد؟

8. گروه های پذیرنده Pi به شدت غیرفعال می شوند

آره! همانطور که قبلاً می دانید، نقطه مقابل “pi-donor” یک “pi پذیرنده” است. برخی از گروه‌های عاملی می‌توانند به جای اهدای پیوند پی از حلقه بپذیرند، که منجر به ایجاد یک جفت تنها جدید در یک اتم جایگزین می‌شود. به عنوان مثال می توان به NO2، گروه های کربونیل (C=O)، سولفونیل، سیانو (CN) اشاره کرد. این گروه ها به طور جهانی غیرفعال می شوند و سرعت آرو الکتروفیل را کاهش می دهند

جایگزینی ماتیک

از نظر رزونانس، می توان یک پیوند پی از حلقه آروماتیک ترسیم کرد که با اتم متصل به حلقه پیوند پی را تشکیل می دهد و در نتیجه یک جفت تک جدید روی یک اتم الکترونگاتیو روی جانشین تشکیل می شود. توجه داشته باشید که چگونه این منجر به بار مثبت روی حلقه می شود!

پس چگونه همه این عوامل را ثابت نگه داریم؟

این مثالی است از این که چرا من می گویم رزونانس مهمترین مفهوم کلیدی برای بررسی برای Org 2 است. در بخش شیمی معطر، این موضوع با یک انتقام برمی گردد.

9. جدول فعال و غیرفعال کردن گروه ها

اکنون زمان مناسبی برای ارائه یک جدول بزرگ از فعال سازی و غیرفعال کردن گروه ها به نظر می رسد. رتبه بندی دقیقاً بر اساس قدرت دشوار است زیرا تأثیر آن در چندین نوع واکنش به طور میانگین محاسبه می شود.

اوه عزیز، به نظر می رسد این چیزهای زیادی برای یادآوری باشد. چگونه همه چیز را صاف نگه داریم؟

من پنج “سطل” اصلی را در زیر پیشنهاد می کنم:

نیتروژن و اکسیژن با جفت‌های تنها – آمین‌ها (NH2، NHR، NR2)، فنل (OH) و پایه مزدوج آن O–  گروه‌های فعال‌کننده بسیار قوی به دلیل اهدای پی (رزونانس) هستند. گروه های الکوکسی، آمیدی، استری با شدت کمتری فعال می شوند.
گروه‌های آلکیل – (بدون گروه‌های خارج‌کننده الکترون). به طور متوسط ​​از طریق اثر القایی فعال می شود.
هالوژن ها – نسبتاً غیرفعال می شوند. ماهیت حذف الکترون (بسیار الکترونگاتیو) بر اهدای چگالی الکترون از طریق یک جفت منفرد برتری دارد.
اتم‌های دارای پیوند پی به گروه‌های الکترونگاتیو –  به شدت غیرفعال می‌شوند. NO2،  CN، SO3H، CHO، COR، COOH، COOR، CONH2. همه گیرنده های pi.
گروه‌های خروج الکترون بدون پیوند پی یا جفت تنها – به شدت غیرفعال می‌شوند. CF3، CCl3، و NR3 (+). اثر القایی خالص.

هنگامی که این واقعیت تا حدی غیرمعمول را به یاد آورید که گروه‌های عملکردی با پیوند O و N با جفت‌های تنها در حال فعال شدن هستند و هالوژن‌ها در حال غیرفعال شدن هستند، بقیه چیزها نسبتاً ساده است.

یک کلام پایانی جدول گروه های “فعال” و “غیرفعال” ما کمی شبیه به جدول pKa است. چگونه؟ ما می‌توانیم چندین عامل را ارزیابی کنیم که بر pKa تأثیر دارند، اما آزمون نهایی اینکه کدام عامل مهم‌تر است، اندازه‌گیری تجربی ثابت تعادل است. به همین ترتیب، با فعال و غیرفعال کردن گروه‌ها، می‌توانیم عواملی را شناسایی کنیم که ممکن است گروه خاصی را فعال یا غیرفعال کنند یا نه، اما در نهایت، موقعیت آن در نمودار به اندازه‌گیری‌های تجربی نرخ واکنش کاهش می‌یابد.

10. خلاصه: این در مورد مکانیسم جایگزینی معطر الکتروفیلیک به ما چه می گوید؟

خوب. پس همه اینها به ما چه می گوید؟

از آنجایی که نرخ نسبت به اهدای الکترون یا برداشت الکترون گروه بسیار حساس است («اثرات الکترونیکی»، همانطور که شیمیدان‌های آلی ممکن است به سرعت آن را خلاصه کنند)، نشان می‌دهد که مرحله تعیین‌کننده سرعت، تشکیل گونه‌ای نسبتاً ناپایدار فقیر از الکترون است. مانند کربوکاتیون.

CH3 و CF3 را به یاد بیاورید. ممکن است به یاد داشته باشید که ترتیب پایداری کربوکاتیون (ثالثیه > ثانویه > اولیه) به این دلیل است که کربوکاتیون ها توسط گروه های آلکیل مجاور (مانند CH3) تثبیت می شوند و برعکس، توسط گروه های خارج کننده الکترون مجاور (مانند CF3) بی ثبات می شوند. .

به همین ترتیب، کربوکاتیون ها توسط اتم های مجاور که می توانند جفت های تنها (مانند O و N) را از طریق تشدید اهدا کنند، تثبیت می شوند و توسط گیرنده های pi مانند C=O، NO2 و غیره بی ثبات می شوند.

اولین قدم احتمالی چیزی شبیه به این خواهد بود:

ما در پست بعدی به مکانیسم کامل جایگزینی معطر الکتروفیل خواهیم پرداخت، اما جزئیات بیشتری را در یک مبحث جایزه در زیر تکمیل خواهیم کرد.

یادداشت

دو نکته مرتبط دیگر برای تعیین میزان جایگزینی آروماتیک الکتروفیل.

1. [پیشرفته] هیچ اثر ایزوتوپ دوتریوم در جایگزینی معطر الکتروفیل مشاهده نمی شود

در جایگزینی آروماتیک الکتروفیلیک پیوند C-H شکسته می شود. یکی از راه‌های بررسی مکانیسم‌های واکنش‌هایی که شامل برش پیوند C-H می‌شوند، استفاده از برچسب‌گذاری دوتریوم (D) است. در واکنش‌هایی که شکستن پیوند C-H یک مرحله تعیین‌کننده سرعت است (به عنوان مثال حذف E2)، پیوند C-H می‌تواند 6-7 برابر سریع‌تر از پیوند C-D شکسته شود. این اثر ایزوتوپ دوتریوم نامیده می شود و قابل اندازه گیری است.

واکنش های جایگزینی آروماتیک الکتروفیل هیچ اثر ایزوتوپ دوتریوم قابل توجهی ندارد. [توجه] این به شدت نشان می دهد که شکستن پیوند C-H مرحله تعیین کننده نرخ نیست.

2. واسطه های کربوکاتیونی جدا شده اند که به شدت از مکانیسم پیشنهادی حمایت می کنند

در اینجا گونه ای مشاهده شده است که وقتی 1،3،5-تری متیل بنزن (مزیتلن) با اتیل فلوراید و تری فلوراید بور در دمای 80- درجه سانتیگراد تیمار می شود، مشاهده شده است (به هر حال، این یک واکنش آلکیلاسیون فریدل کرافت است).

حد واسط کربوکاتیون (به نام “یون آرنیوم” یا “واسط Wheland” به عنوان یک جامد سفید با نقطه ذوب -15 درجه سانتیگراد جدا شد و با طیف‌سنجی NMR تجزیه و تحلیل شد.

همانطور که اریک یاکوبسن ممکن است بگوید: “مکانیسم ها هرگز قابل اثبات نیستند، اما ….” . (این تا حد زیادی مهر و موم معامله). در پست بعدی به جزئیات بیشتر خواهیم پرداخت.

مرجع اول: مارس، ویرایش پیشرفته شیمی آلی، صفحه 692.