جایگزینی معطر الکتروفیل: مکانیسم

واکنش های جایگزینی معطر الکتروفیلیک (EAS) از طریق یک مکانیسم دو مرحله ای انجام می شود.
در مرحله اول، حلقه آروماتیک که به عنوان یک هسته دوست عمل می کند، به الکتروفیل (E+) حمله می کند.
این مرحله آهسته (تعیین کننده نرخ) است زیرا باعث اختلال در عطر و طعم می شود و منجر به یک ماده میانی کربوکاتیون می شود.
در مرحله دوم (سریع) یک پیوند C-H از پروتونه خارج می شود تا دوباره پیوند C-C pi را تشکیل دهد و آروماتیک بودن را بازیابی کند.
مرحله اول شبیه حمله یک آلکن به H+ است و مرحله دوم شبیه مرحله دوم واکنش E1 است. نتیجه نهایی جایگزینی است. (C-H را بشکنید، فرم C-E).

فهرست مطالب

مکانیسم جایگزینی معطر الکتروفیل،  مرحله 1: حمله الکتروفیل (E) توسط یک پیوند پی از حلقه معطر
مکانیسم جایگزینی آروماتیک الکتروفیل، مرحله 2: پروتون زدایی کربن چهار وجهی پیوند پی را بازسازی می کند
قرار دادن دو گام با هم: مکانیسم عمومی
نمودار انرژی واکنش جایگزینی معطر الکتروفیلیک
فراتر از بنزن: تشکیل بنزن های ارتو، متا و پارا جانشین شده
EAS در بنزنهای تک جایگزین: توزیع ایزومرهای ارتو، متا و پارا تصادفی نیست
یادداشت
(پیشرفته) مراجع و مطالعه بیشتر
1. مکانیسم جایگزینی معطر الکتروفیل،  مرحله 1: حمله الکتروفیل (E) توسط یک پیوند پی از حلقه معطر

آخرین پست در این مجموعه در مورد واکنش های گروه های آروماتیک، گروه های فعال و غیرفعال کننده را در جایگزینی معطر الکتروفیلیک (EAS) معرفی کردیم. ما آموختیم که جانشین های الکترون دهنده روی حلقه آروماتیک سرعت واکنش را افزایش می دهند و جانشین های الکترون گیر سرعت را کاهش می دهند. [در چاپ ریز، ما همچنین اشاره کردیم که شواهد قویاً نشان می‌دهند که واکنش از طریق یک واسطه کربوکاتیونی انجام می‌شود، و شکستن C-H مرحله آهسته نیست.]

پس از اثبات این حقایق، اکنون آماده هستیم تا به مکانیسم کلی این واکنش برویم.

این یک فرآیند دو مرحله ای است.

خبر خوب این است که شما در واقع هر دو مرحله را قبلا (در سازمان 1) دیده اید، اما به عنوان بخشی از واکنش های مختلف!

اولین مرحله جایگزینی آروماتیک الکتروفیل، حمله الکتروفیل (E+) توسط پیوند پی حلقه آروماتیک است. [توجه: هویت الکتروفیل E برای هر واکنش خاص است و تولید الکتروفیل فعال به خودی خود یک مرحله مکانیکی است. در ادامه به واکنش‌های خاص می‌پردازیم. این پست فقط چارچوب کلی برای جایگزینی معطر الکتروفیل را پوشش می دهد].

این نوع گام را قبلاً کجا دیده ایم؟ در فصل آلکن‌ها، مجموعه‌ای از واکنش‌های پیوند پی با الکتروفیل‌ها را دیدیم که کربوکاتیون تولید می‌کنند. یک مثال معمول واکنش آلکن ها با اسید قوی مانند H-Cl است که منجر به تشکیل کربوکاتیون می شود. واکنش بالا همان مرحله است که فقط روی یک حلقه معطر اعمال می شود.

ممکن است به یاد داشته باشید که مرحله دوم افزودن HCl به آلکن ها، حمله کلر به کربوکاتیون است که یک پیوند C-Cl جدید ایجاد می کند. این چیزی نیست که در جایگزینی معطر الکتروفیل اتفاق می افتد. [یادداشت 1]

2. مکانیسم جایگزینی آروماتیک الکتروفیل، مرحله 2: پروتون زدایی کربن چهار وجهی پیوند پی را بازسازی می کند.

مرحله دوم جایگزینی آروماتیک الکتروفیل، پروتون زدایی است. این امر C-H را می شکند و C-C (π) را تشکیل می دهد و عطر را بازیابی می کند. ممکن است به یاد داشته باشید که این به شدت مورد علاقه است – انرژی رزونانس بنزن حدود 36 کیلو کالری در مول است. [این همان پدیده‌ای است که شیمیدان‌ها دوست دارند آن را «سینک ترمودینامیکی» بنامند – با گذشت زمان، واکنش در نهایت به این محصول نهایی جریان می‌یابد و در آنجا باقی می‌ماند. ]

 

آیا قبلاً این نوع گام را دیده بودیم؟ بله – این اساساً مرحله دوم واکنش E1 است، (پس از از دست دادن یک گروه ترک) که در آن کربن مجاور یک کربوکاتیون deprotonated می شود و یک پیوند C-C pi جدید را تشکیل می دهد.

همانطور که در E1، یک پایه قوی در اینجا لازم نیست. معمولاً یک اتم هالوژن (مانند Cl-) و همچنین هر تعداد باز ضعیف دیگر مانند H2O کافی است. هویت دقیق پایه به معرف ها و حلال مورد استفاده در واکنش بستگی دارد.

3. قرار دادن دو مرحله با هم: مکانیسم عمومی

بیایید هر دو مرحله را برای نشان دادن مکانیسم کامل ترکیب کنیم. باز هم، ما وارد جزئیات تولید الکتروفیل E نمی شویم، زیرا این برای هر واکنش خاص است.

توجه داشته باشید که حمله ممکن است در هر یک از شش کربن بنزن رخ دهد و منجر به همان محصول شود.

4. نمودار انرژی واکنش جایگزینی معطر الکتروفیل

نمودار انرژی واکنش جایگزینی آروماتیک الکتروفیل چگونه ممکن است به نظر برسد؟

اول، ظاهر کلی با تعداد حالت های گذار در فرآیند تعیین می شود.

به یاد بیاورید که حالت‌های گذار همیشه پیوندهای جزئی دارند و در «قله‌های» نمودار انرژی واکنش قرار دارند و میانی‌هایی مانند کربوکاتیون‌ها در «دره‌های» بین قله‌ها هستند. واسطه ها را می توان مشاهده و جدا کرد (حداقل در تئوری). در مقابل، حالت‌های گذار طول عمر فمتوثانیه‌ها دارند، و اگرچه ممکن است در موارد خاص به‌طور زودگذر مشاهده شوند، اما می‌توانند

همیشه منزوی شود

جایگزینی آروماتیک الکتروفیل دارای دو مرحله (حمله الکتروفیل و دپروتوناسیون) است که هر کدام حالت گذار خاص خود را دارند. همچنین یک کربوکاتیون واسطه وجود دارد. این بدان معنی است که ما باید یک نمودار انرژی واکنش “دو قوز” داشته باشیم.

دوم، ارتفاع نسبی “قله ها” باید گام محدود کننده نرخ را منعکس کند.

قدم آهسته چیست؟ به عبارت دیگر کدام یک از دو مرحله دارای بیشترین انرژی فعال سازی است؟

یک سرنخ اندازه گیری تأثیر تغییرات کوچک در ماده اولیه بر سرعت واکنش است.

ما در آخرین پست نشان دادیم که جایگزین های الکترون دهنده سرعت واکنش (“فعال”) را افزایش می دهند و جانشین های الکترون گیر سرعت واکنش (“غیرفعال”) را کاهش می دهند. [برعکس، جایگزینی هیدروژن به جای دوتریوم تأثیر بسیار کمی بر سرعت واکنش دارد، که ما را به این نتیجه می رساند که مرحله دوم تعیین کننده سرعت نیست. ]

از آنجایی که جایگزین‌های الکترون دهنده و الکترون‌کشنده بر هسته دوستی پیوند پی (از طریق اهدای پی و پذیرش پی) و همچنین پایداری کربوکاتیون میانی تأثیر می‌گذارند، نتیجه منطقی این است که حمله به الکتروفیل (مرحله 1) مرحله تعیین نرخ بنابراین ما باید آن را با “قوز” بالاتر در نمودار انرژی واکنش خود به تصویر بکشیم که نشان دهنده انرژی فعال سازی بالاتر آن است.

توجه داشته باشید که این نمودار انرژی واکنش مقیاس نیست و بیش از هر چیز دیگری یک طرح است. یک نمودار انرژی واکنش واقعاً دقیق را می‌توان مدل‌سازی کرد در صورتی که انرژی‌های دقیقی از حالت‌های گذار و میانی‌ها داشت که گاهی اوقات از طریق محاسبه در دسترس است.

5. فراتر از بنزن: تشکیل بنزن های ارتو، متا و پارا دیجایگزین شده

پس این تمام چیزی است که برای جایگزینی معطر الکتروفیل وجود دارد؟ بله و خیر.

بله، این جایگزینی معطر الکتروفیلیک برای بنزن را بررسی می کند.

اما همانطور که بدون شک تجربه کرده اید، تغییرات کوچک در ساختار می تواند پیچیدگی را تا حدی افزایش دهد.

تصور کنید ما با بنزن شروع نمی کنیم، بلکه با یک مشتق تک جایگزین، مانند متیل بنزن (تولوئن) شروع می کنیم.

محصولات احتمالی جایگزینی معطر الکتروفیل بر روی مشتقات بنزن تک جایگزین چیست؟

بر خلاف بنزن، که تنها یک محصول EAS به دلیل معادل بودن هر شش هیدروژن ممکن است، جایگزینی معطر الکتروفیلیک بر روی یک مشتق تک جایگزین می‌تواند سه محصول ممکن به دست آورد: ایزومر 1،2 (همچنین به نام «اورتو») ، ایزومر 1،3 (“متا”) و ایزومر 1،4 (“پارا”).

اگر فرض کنیم که واکنش از قوانین آمار تبعیت می کند، بنابراین ممکن است انتظار داشته باشیم که توزیع محصول باید 40% ارتو باشد. 40% متا و 20% پاراگراف

پس آیا این اتفاق می افتد؟

نه! دو مثال مهم گویا هستند.

6. EAS در بنزنهای تک جایگزین: توزیع ایزومرهای ارتو، متا و پارا تصادفی نیست!

در نیتراسیون تولوئن، توزیع محصول از آماری دور است. ما بسیار کمتر از مقدار مورد انتظار متا (5٪) و بیشتر از حد انتظار (57٪) و پارا (37٪) دریافت می کنیم.

از این نظر می‌توان گفت که گروه متیل تمایل دارد به‌عنوان یک اورتو-پارا کارگردان عمل کند: الکتروفیل را به هزینه موقعیت متا به این موقعیت‌ها هدایت می‌کند.

آیا این مورد برای همه جانشین ها وجود دارد؟ خیر

در نیتراسیون نیتروبنزن نتیجه عکس حاصل می شود. ارتو و پارا بسیار کمتر از حد انتظار تولید می‌شود و محصول متا عمده است (۹۳%).

در این مورد گفته می شود که گروه نیترو به عنوان یک متا کارگردان عمل می کند.

جایگزین‌های روی بنزن به یکی از دو دسته تقسیم می‌شوند: کارگردانان ارتو-پارا، یا مدیران متا.

اگر تیزبین هستید، ممکن است قبلاً یک جهش شهودی انجام داده باشید: گروه متیل ارتوپرا جهت‌دهنده یک گروه فعال‌کننده است و گروه نیترو متا هدایتگر در حال غیرفعال شدن است. بنابراین، آیا همه گروه‌های فعال‌کننده، پیش کارگردان هستند و همه گروه‌های غیرفعال‌کننده، متا کارگردان هستند؟

این حدس خوبی است – و تقریباً دقیق! مگس موجود در بوربن هالوژن ها (F، Cl، Br، I) هستند که گرداننده های ارتو-پارا را غیرفعال می کنند.

چرا؟ چه چیزی باعث می‌شود که برخی از جانشین‌ها به عنوان کارگردان‌های متعارف و برخی دیگر به سمت کارگردانان متا هدایت شوند؟

برای بحث کامل باید تا پست بعدی صبر کرد. اما در اینجا یک نکته وجود دارد: این به دوست قدیمی ما، “pi-donation” مربوط می شود.

با تشکر از Mattbew Knowe برای کمک ارزشمند در این پست.

یادداشت

نکته 1 – چرا ضد یون نمی تواند به کربوکاتیون حلقه آروماتیک حمله کند؟ آیا این اتفاق می افتد؟

بله، اما این یک بن بست است.

فرض کنید ما کربوکاتیون را تشکیل می دهیم، و توسط یک هسته دوست ضعیف (که ما آن را X می نامیم) مورد حمله قرار می گیرد.

این محصول اضافی را به ما می دهد.

با این حال، به ندرت یک محصول بسیار پایدار است. X معمولا یک هسته دوست ضعیف است و بنابراین یک گروه ترک خوب است. علاوه بر این، از دست دادن گروه ترک منجر به یک کربوکاتیون بسیار تثبیت شده با تشدید می شود. (به اولین مرحله واکنش SN1 یا E1 فکر کنید).

این کاربوکاتیون را دوباره تولید می‌کند، که می‌تواند برای بازگرداندن آروماتیک بودن، پروتونه شود. وقتی آن حلقه معطر تشکیل شد، راه به جایی نخواهد برد. 🙂

به طور خلاصه، بله، افزودن ممکن است رخ دهد، اما محصول افزودنی در نهایت تحت E1 قرار می گیرد تا محصول معطر را تشکیل دهد.

(شکل زیر)

(پیشرفته) مراجع و مطالعه بیشتر

مکانیسم EAS واکنش‌های مختلفی را پوشش می‌دهد – جایگزینی فریدل کرافت، هالوژناسیون، نیتراسیون و بسیاری دیگر.

بررسی مکانیک کوانتومی جهت گیری جانشین ها در مولکول های معطر
G. W. Wheland
مجله انجمن شیمی آمریکا 1942، 64 (4)، 900-908
DOI: 10.1021/ja01256a047
این ساختار یون آرنیوم را که در واکنش‌های EAS تشکیل می‌شود، که به نام s-complex یا Wheland intermediate نیز شناخته می‌شود، پس از نویسنده‌ای که در اینجا برای اولین بار آن را پیشنهاد کرده است، مورد بحث قرار می‌دهد.
درمان کمی اثرات دستورالعمل در جایگزینی معطر
لئون ام استاک، هربرت سی. براون
فیزیک سازمان شیمی. 1963، 1، 35-154
DOI: 10.1016/S0065-3160(08)60277-4
این یک بررسی بسیار جامع برای زمان خود است، و خلاصه‌ای از کار روی اثرات کارگردانی در EAS (مثلاً تعیین اینکه کدام گروه‌ها در مقابل کارگردانی متا کارگردانی می‌کنند و تا چه اندازه هدایت/غیرفعال می‌شوند).
جایگزینی معطر XXVIII. مکانیسم جایگزینی های معطر الکتروفیل
جورج A. Olah
Acc. شیمی. Res., 1971, 4 (7), 240-248
DOI: 10.1021/ar50043a002
گزارشی از پروفسور Olah در مورد کاری که وی در مورد مطالعه مکانیسم انواع مختلف واکنش های جایگزینی معطر الکتروفیل – نیتراسیون، هالوژناسیون، و همچنین آسیلاسیون و آلکیلاسیون Friedel-Crafts انجام داده بود.
جایگزینی معطر XXXVI. تری کلرید آلومینیوم و پنتا فلوراید آنتیموان آلکیلاسیون فریدل کرافت بنزن و تولوئن را با استرها و هالواسترها کاتالیز کردند.
جورج آ. اولاه و جون نیشیمورا
مجله انجمن شیمی آمریکا 1974، 96 (7)، 2214-2220
DOI: 10.1021/ja00814a035
در این مورد، استرهای کربوکسیلیک مورد مطالعه قرار نمی گیرند (زیرا این استرها به جای آلکیل شدن منجر به اسیلاسیون می شوند). این شامل انواع دیگر استرها در آلکیلاسیون Friedel-Crafts می شود: آلکیل کلروسولفیت ها، آرن سولفینات ها، توزیلات ها، کلرو و فلوروسولفات ها، تری فلورومتان سولفونات ها (تریفلات ها)، پنتافلوروبنزن سولفونات ها و تری فلورواستات ها.
جایگزینی معطر XXXVII. استانیک و کلرید آلومینیوم آلکیلاسیون نفتالین فریدل کرافت را با آلکیل هالیدها کاتالیز کردند. تمایز ترکیبات محصول کنترل شده از نظر جنبشی و ترمودینامیکی و ایزومریزاسیون آلکیل نفتالین ها
جورج ا.اولاه و جودیت ا.اولا
مجله انجمن شیمی آمریکا 1976، 98 (7)، 1839-1842
DOI: 10.1021/ja00423a032
این مقاله مشابهی توسط پروفسور Olah و همسرش، جودیت اوله، در مورد مکانیسم آلکیلاسیون Friedel-Crafts است، به جز استفاده از نفتالین به جای بنزن. نفتالین از این نظر متفاوت است که دو مکان برای تک‌جایگزینی وجود دارد – موقعیت‌های a و b.
کربوکاتیون های پایدار CLXX. یون اتیل بنزنیم و یون هپتا اتیل بنزنیم
جورج آ.اولا، رابرت جی اسپیر، گیسپه مسینا و فیلیپ دبلیو. وسترمن
مجله انجمن شیمی آمریکا 1975، 97 (14)، 4051-4055
DOI: 1021/ja00847a031
این مقاله درباره خصوصیات یون‌های بنزنیم، که واسطه‌های EAS هستند، و خصوصیات یون هپتا اتیل بنزنیم، که یک گونه پایدار است، زیرا فاقد پروتون است و بنابراین به سختی حذف می‌شود، بحث می‌کند.
واکنش غیرعادی فلوروبنزن در جایگزینی آروماتیک الکتروفیلی و پدیده های مرتبط
جوئل روزنتال و دیوید آی شوستر
مجله آموزش شیمی 2003، 80 (6)، 679
DOI: 10.1021/ed080p679
یک مقاله بسیار جالب، مناسب برای دانشجویان کنجکاو در مقطع کارشناسی، و در مورد چیزی بحث می‌کند که اکثر شیمیدان‌های آلی تمرین می‌کنند که به صورت تجربی می‌دانند – فلوروبنزن تقریباً به اندازه بنزن در واکنش‌های EAS یا Friedel-Crafts واکنش‌پذیر است، که وقتی اثرات الکترونیکی را در نظر می‌گیریم غیرمعمول است.
جایگزینی معطر الکتروفیلیک: بینش جدید در مورد یک کلاس قدیمی از واکنش ها
بوریس گالبوف، دیدی نالبانتووا، پل فون آر. شلایر، و هنری اف. شفر، سوم
حساب های تحقیقات شیمی 2016، 49 (6)، 1191-1199
DOI: 10.1021/acs.accounts.6b00120
فقید پروفسور P. v. R. Schleyer یک غول در شیمی آلی فیزیکی بود و این مقاله که پس از مرگش منتشر شد، کارهای انجام شده تا پایان عمر او در تعیین مجدد مکانیسم EAS را پوشش می دهد.
مفهوم مکانیکی یکپارچه نیتراسیون معطر الکتروفیلیک: همگرایی نتایج محاسباتی و داده های تجربی
پیر ام. استیوز، خوزه والکیمار د ام. کارنیرو، شیلا پی. کاردوسو، آندره اچ. باربوسا، کنت ک. لالی، گلام رسول، جی. ک. سوریا پراکاش و جورج ا.
مجله انجمن شیمی آمریکا 2003، 125 (16)، 4836-4849
DOI: 10.1021/ja021307w
این مقاله پدربزرگ در مورد نیتراسیون است که ارزش یک عمر کار روی این موضوع را خلاصه می کند.