Mechanizm reakcji nitrowania. Nitrowanie jako elektrofilowa substytucja w pierścieniu aromatycznym. Wpływ podstawników - reaktywność i kierunek ataku.

Reakcje substytucji elektrofilowej (podstawienia elektrofilowego) należą do najbardziej typowych reakcji związków aromatycznych benzoidowych jak i niebenzoidowych. Czynnikiem atakującym ujemny biegun układu aromatycznego (elektrofilem) jest w tych reakcjach kation lub dodatni biegun spolaryzowanej cząsteczki odczynnika. Jeśli elektrofil jest jonem dodatnim to atakuje pierścień odciągając parę elektronów od sekstetu, wskutek czego powstaje karbokation:

Powstały karbokation jest hybrydą rezonansową (1), przedstawianą często w sposób skrótowy (2). Fragment okręgu zaznaczony w pierścieniu linią przerywaną symbolizuje cztery elektrony Π na zdelokalizowanym orbitalu obejmującym pięć atomów węgla pierścienia. Szósty nasycony atom węgla, do którego nastąpiło przyłączenie elektrofila E⁺ ma hybrydyzację sp³. Jony tego typu noszą nazwę kompleksów σ. Pojawienie się stanu nienasyconego stabilizowanego jedynie przez rezonans sprawia, że przejściowy karbokation (kompleks σ) jest na ogół bardzo reaktywnym związkiem i musi ulegać stabilizacji w wyniku dalszej reakcji. Najdogodniejszą drogą stabilizacji kompleksu σ jest rearomatyzacja układu przez odszczepienie kationu X⁺. Jest to, jak wykazały badania izotopowe Melandera, drugi etap przebiegu substytucji w układach aromatycznych.

Pierwszy etap reakcji (tworzenie kompleksu σ ) jest prawie zawsze wolniejszy od etapu drugiego (stabilizacja kompleksu, a zatem on limituje szybkość całego procesu.

Jeśli elektrofilem nie jest jon, lecz dipol, to przejściowy kompleks σ musi być naładowany ujemnie, chyba że część dipola wraz z parą elektronów odchodzi podczas procesu np.:

Przekonywującym dowodem świadczącym o słuszności powyższego mechanizmu substytucji w układach aromatycznych było wyodrębnienie przejściowych kompleksów σ. Dokonali tego Olah i Khum, wydzielając związek (3) w postaci ciała stałego o temperaturze topnienia -15 ^oC :

Powstaje on w prowadzonej w temperaturze -80 ^oC reakcji 1,3,5-trimetylobenzenu z fluoroetanem wobec fluorku boru jako katalizatora.

Substytucja elektrofilowa w pierścieniu aromatycznym obejmuje reakcje nitrowania, halogenowania, sulfonowania, reakcje Friedla-Craftsa i wiele innych [1]. Wszystkie zmiany jakim ulega pierścień aromatyczny w trakcie tych reakcji są w zasadzie takie same, niezależnie od rodzaju czynnika elektrofilowego. Z tego powodu najwięcej uwagi przy badaniu mechanizmu substytucji poświęcono identyfikowaniu czynnika atakującego i sposobom jego wytwarzania.

Mechanizm nitrowania arenów

Poszukujący elektronów kation nitroniowy znajduje je szczególnie łatwo w chmurze elektronów Π pierścienia aromatycznego (np. benzenu). Pierwszy produkt przejściowy ma charakter luźnego adduktu, w którym elektrofilowy jon nitroniowy związany jest z całym układem Π-elektronowym bez wyróżnienia jakiegokolwiek położenia.

Powstały addukt nazywany jest kompleksem z przeniesieniem ładunku, kompleksem donorowo-akceptorowym lub kompleksem Π . W następnym etapie kation NO₂⁺ przyłącza się do jednego z atomów węgla za pomocą zwykłego wiązania kowalencyjnego, tworząc karbokation (kompleks σ) - jon nitrobenzeniowy.

Jon ten można przedstawić za pomocą trzech struktur, które różnią się od siebie tylko położeniem wiązań podwójnych i ładunku dodatniego. Rzeczywisty jon musi więc być hybrydą rezonansową tych trzech struktur. Oznacza to, że ładunek dodatni nie jest zlokalizowany na jednym atomie węgla ale jest rozproszony w całej cząsteczce, przy czym gęstość jego jest szczególnie duża na atomach węgla w pozycjach orto i para w stosunku do atomu węgla połączonego z grupą _NO₂. Rozproszenie ładunku dodatniego w całej cząsteczce wskutek rezonansu powoduje, że jon ten jest trwalszy od jonu ze zlokalizowanym ładunkiem dodatnim.

W ostatnim etapie procesu obecne w środowisku reakcji jony zasadowe (np. HSO₄^-) odrywają jon wodorowy i tworzy się produkt substytucji, w którym podobnie jak w substracie zachowany jest pierścień stabilizowany przez sekstet elektronowy (następuje rearomatyzacja pierścienia).

Grupa odszczepiająca może tworzyć przejściowy kompleks Π zanim ostatecznie opuści otoczenie pierścienia.

Tworzenie się kompleksu σ jest z reguły etapem najtrudniej zachodzącym i kontrolującym szybkość całego procesu. Natychmiast po utworzeniu jon nitrobenzeniowy traci proton, szybko przekształcając się w cząsteczkę produktu, a cały proces ma charakter procesu nieodwracalnego. Zmiany energii Gibbsa w toku reakcji, w której tworzenie kompleksu σ jest etapem kontrolującym szybkość procesu przedstawiono na rys. 1.

Etap przyłączenia kationu NO₂⁺ do atomu węgla zachodzi trudno ponieważ bariera energetyczna (E_act) oddzielająca kompleks σ od substratów reakcji jest bardzo duża. Utworzony karbokation przekształca się w produkt bo bariera energetyczna z prawej strony (przed karbokationem) jest znacznie niższa od bariery energetycznej z lewej strony (za karbokationem). Wynika z tego jasno, dlaczego reakcje nitrowania nie są reakcjami odwracalnymi. W reakcji odwrotnej do nitrowania nitrobenzen ulega protonowaniu tworząc kompleks σ,

który oczywiście nie różni się niczym od jonu powstałego w procesie nitrowania i zachowuje się tak samo tzn. dąży do uprzywilejowanego energetycznie odtworzenia nitrobenzenu przez odszczepienie protonu.

Rys. 1. Nitrowanie benzenu mieszaniną HNO₃/H₂SO₄. Powstawanie kompleksu σ jest etapem kontrolującym szybkość reakcji.

Badania reakcji nitrowania benzenu i jego pochodnych metylowych za pomocą fluoroboranu nitroniowego w roztworze sulfolanu (1,1-ditlenek tetrahydrotiofenu) wykazały, że w tym przypadku proces jest kontrolowany etapem tworzenia się pierwotnego kompleksu Π. Ilustrację teorii limitowania szybkości reakcji tworzeniem kompleksów Π przedstawiono na rys. 2. O tym, że powstawanie kompleksów Π jest etapem ograniczającym szybkość procesu nitrowania oraz, że w toku reakcji tworzą się kompleksy σ, świadczy niewielki wpływ rodzaju arenu na szybkość procesu przy jednoczesnym zachowaniu kierującego wpływu podstawników w pierścieniu aromatycznym. Dodatkowym potwierdzeniem jest występowanie korelacji pomiędzy szybkością nitrowania polimetylobenzenów za pomocą NO₂BF₄ z trwałością ich kompleksów Π z chlorowodorem .

Rys. 2. Nitrowanie toluenu za pomocą NO₂BF₄ w roztworze sulfolanu. Tworzenie się pierwotnego kompleksu Π decyduje o szybkości reakcji bo E^Π_akt >E^σ_akt .

Reasumując, można stwierdzić, że reakcja nitrowania arenów jest procesem wieloetapowym, w którym związkiem przejściowym jest karbokation (kompleks σ). Powstawanie kompleksu Π stanowi pierwszy etap reakcji, ale w większości przypadków etapem determinującym szybkość nitrowania jest etap tworzenia kompleksu σ. W każdym przypadku przejściowy karbokation stabilizuje się w bardzo szybkiej reakcji deprotonowania prowadzącej ostatecznie do odtworzenia aromatycznego charakteru pierścienia.

Wpływ podstawników - reaktywność i kierunek ataku

Gdy reakcji nitrowania ulega monopodstawiony benzen, wówczas grupa nitrowa może być skierowana w pozycje orto, meta lub para, a podstawienie może być wolniejsze lub szybsze niż w samym benzenie. Grupa już związana z pierścieniem decyduje o tym, którą pozycję zajmie grupa nitrowa oraz o tym, czy reakcja będzie przebiegała wolniej, czy szybciej niż z benzenem. Grupy, które zwiększają szybkość reakcji nazywamy aktywującymi, a te, które zmniejszają szybkość dezaktywujacymi. Niektóre grupy kierują głównie w położenie meta; wszystkie one są dezaktywujące. Inne grupy kierują przede wszystkim w pozycje orto i para; niektóre z nich są także dezaktywujące lecz większość stanowią grupy aktywujące.

Wpływ każdej grupy na kierunek podstawienia oraz na reaktywność tłumaczy się w oparciu o wpływ efektów indukcyjnych i mezomerycznych na trwałość przejściowych kompleksów σ . Wiadomo, że kompleks ten jest hybrydą trzech struktur, w których ładunek dodatni jest rozproszony pomiędzy pozostałe atomy pierścienia, przy czym największą gęstością ładunku dodatniego charakteryzują się pozycje orto i para względem zaatakowanego atomu węgla. Jeżeli w zaatakowanym pierścieniu znajduje się wcześniej wprowadzony podstawnik G to oczywiste jest, że będzie on wywierał wpływ na trwałość karbokationu na skutek zmniejszania lub zwiększania gęstości ładunku dodatniego zależnie od właściwości przyciągania lub odpychania elektronów przez ten podstawnik. Wszystkie grupy G↓ o elektronodonorowym efekcie indukcyjnym stabilizują tworzący się karbokation, ponieważ przyczyniają się do zmniejszenia ładunku dodatniego w pierścieniu:

Grupa oddająca elektrony (G↓) staje się sama bardziej dodatnia. Wywołane tym rozproszenie ładunku powoduje stabilizację karbokationu i przyspieszenie reakcji nitrowania w stosunku do nitrowania niepodstawionego układu aromatycznego.

Grupy elektronoakceptorowe G↑, które zwiększają ładunek dodatni w pierścieniu, destabilizują przejściowy karbokation i tym samym zmniejszają szybkość reakcji nitrowania:

Reaktywność podstawionych arenów w reakcji nitrowania zależy więc od charakteru podstawnika uwalniającego lub przyciągającego elektrony. Grupa, która oddaje elektrony - aktywuje pierścień, grupa która wyciąga elektrony - dezaktywuje pierścień.

Różnice we względnej trwałości kompleksów σ są także przyczyną znanego wpływu kierującego elektronodonorów w pozycję orto i para oraz elektronoakceptorów w pozycję meta. Możliwe struktury kompleksów σ powstałych w skutek przyłączenia grupy nitrowej w pozycji orto, meta i para względem podstawnika elektronodonorowego G↓ są następujące:

Grupa elektronodonorowa kieruje elektrony do wszystkich pozycji pierścienia, jednak działanie indukcyjne przejawia się najsilniej na węglu z nią związanym. Z trzech kompleksów jedynie orto i para mają ładunek dodatni na tym węglu. W konsekwencji struktury te są szczególnie trwałe, a atak w pozycje orto i para jest uprzywilejowany w porównaniu z atakiem w pozycje meta. W efekcie grupa elektronodonorowa nie tylko działa aktywująco, ale także kieruje atak elektrofilowy w pozycje orto i para.

Analogiczne hybrydy rezonansowe karbokationów z podstawnikiem elektrono- akceptorowym G↑ (tzn. wywierającym ujemny efekt indukcyjny) zawierają szczególnie nietrwałe struktury, w których ładunek dodatni jest na atomie węgla wiążącym ten podstawnik:

Ujemny efekt indukcyjny grupy G↑ powoduje pojawienie się cząstkowego ładunku dodatniego na najbliższym atomie węgla i dlatego atom ten wykazuje małą tendencję do przyjęcia dodatniego ładunku karbokationu. Udział struktur w stabilizacji karbokationów orto i para jest w związku z tym niewielki i są one w istocie hybrydą tylko dwóch struktur. Ostatecznie kompleksy orto i para posiadające podstawnik elektronoakceptorowy są mniej trwałe niż trójstrukturowa hybryda powstała wskutek ataku na pozycję meta. Stąd wynika kierujący wpływ elektronoakceptorów w pozycję meta.

Poza oddziaływaniem indukcyjnym, pomiędzy grupą G i pierścieniem, często istnieje oddziaływanie rezonansowe, które również wpływa na względną trwałość kompleksu σ. Wpływ tego oddziaływania jest taki sam jak efektu indukcyjnego albo też przeciwny. Niektóre grupy (oznaczone symbolem G; np. G = _NH₂, _OH i ich pochodne) mają wolną parę elektronów, które mogą zostać przesunięte w kierunku pierścienia. Karbokationy powstałe wskutek ataku na pozycję orto i para są hybrydą rezonansową nie tylko znanych już trzech struktur z ładunkiem dodatnim na atomach węgla pierścienia, ale także struktury, w której ładunek dodatni znajduje się na atomie związanym z pierścieniem i należącym do grupy G . Trwałość kompleksów orto i para jest zwiększona nie tylko dlatego, że ich budowę można przedstawić za pomocą jeszcze jednej struktury, ale także dlatego, że odpowiada im niższa energia, a tym samym większy udział w hybrydach rezonansowych. Każdy atom (oczywiście z wyjątkiem atomu wodoru) w tych strukturach ma pełny oktet elektronowy, podczas gdy wszystkie inne struktury zawierają jeden atom węgla z sekstetem elektronów. Obniżenie energii jest ponadto wynikiem rozprzestrzenienia się ładunku dodatniego na większy obszar tzn. poza pierścień.

W przypadku kompleksu meta nie jest możliwe powstanie dodatkowej struktury i dlatego ten kierunek ataku elektrofilowego jest najmniej atrakcyjny.

Mezomeryczne przeniesienie ładunku dodatniego z pierścienia na grupę posiadającą wolną parę elektronów na atomie związanym z pierścieniem sprawia, że wszystkie te grupy kierują atak elektrofilowy w pozycje orto i para. Jednoczesna aktywacja pierścienia na substytucję elektrofilową ma miejsce wtedy gdy efekt rezonansowy jest silniejszy od właściwego dla tych grup ujemnego efektu indukcyjnego. Tłumaczy to pozornie anormalne zachowanie się podstawników halogenowych (fluorowców), dezaktywujących pierścień lecz kierujących w położenia orto i para. Atom halogenu przyciąga elektrony i dezaktywuje pierścień wskutek efektu indukcyjnego, a oddaje wskutek efektu rezonansowego. W tym przypadku wielkości obydwu efektów są porównywalne i dlatego obserwuje się jednocześnie skutki ich działania. Mezomeryczne przeniesienie ładunku dodatniego na atom halogenu w położeniu orto lub para wystarcza do stabilizacji odpowiednich karbokationów, nie może jednak przeciwdziałać efektowi polarnego ściągania elektronów i dezaktywacji pierścienia.

Ogólnie można stwierdzić, że zarówno reaktywność, jak i orientacja w reakcji nitrowania arenów określona jest przez szybkość tworzenia się przejściowych karbokationów. Wzrost szybkości ich powstawania jest porównywalny ze wzrostem ich trwałości, przy czym trwałość karbokationów jest determinowana przez elektronodonorowe lub elektronoakceptorowe właściwości podstawników. Podstawnik może przekazywać elektrony do pierścienia lub wyciągać je z niego na skutek efektu indukcyjnego, rezonansowego lub obu efektów jednocześnie. Efekty te są przeciwstawne tylko w przypadku grup _NH₂ i _OH (i ich pochodnych), a także atomów halogenów (_X). Dla tych pierwszych efekt rezonansowy jest dominujący, natomiast dla halogenów obydwa efekty są porównywalne.

9

---