Реакции электрофильного замещения

Большая доступность (по энергии) ВЗМО пятичленных гетероароматических соединений по сравнению с бензолом является причиной их повышенной реакционной способности, прежде всего в реакциях электрофильного ароматического замещения. Например, пиррол способен к реакциям замещения даже с такими слабыми электрофилами, как ионы арендиазония.

+ C₆H₅N⁺ ≡ NCl^– + HCl

N N N = NC₆H₅

H H

пиррол бензолдиазоний хлорид 2 – (фенилазо)пиррол

Относительная активность пятичленных гетероаренов в реакциях S_E Ar снижается в ряду:

пиррол > фуран > тиофен

Так, относительная скорость реакции ацетилирования трифторуксусным ангидридом соответственно растет: тиофен – 1, фуран – 140, пиррол – 5,3 · 10⁷.

Но даже тиофен значительно превосходит бензол по реакционной способности. Факторы парциальных скоростей для реакции электрофильного замещения в тиофене в присутствии трифторуксусной кислоты выглядят следующим образом:

1,9·10⁴

3,2·10⁷

S

Атака электрофилом гетероцикла облегчается и идет в первую очередь в α-положение кольца, то есть по сравнению с бензолом кольцо гетероцикла более нуклеофильное, в котором гетероатом играет роль заместителя 1-го рода. Если α-положение кольца занято, то атакуется β-положение кольца. Такое направление реакции определяется большей стабильностью σ-комплексов при α-замещении, чем при β-замещении:

Н Н

Э Э

•• Н + Н •• +

Х Э Х Э Х Х

σ –комплекс при α-замещении σ –комплекс при β -замещении

(в сопряжении участвует двойная связь) (сопряжение меньше, в нем не участвует двойная связь)

Согласно концепции граничных орбиталей, предпочтительность электрофильной атаки положений 2 и 5 пятичленных гетероаренов определяется большими значениями собственных коэффициентов ВЗМО именно в этих положениях.

–0,37 0,37

+ Э⁺ продукт

–0,60 0,60

Х

гетероарен электрофил

(донор) (акцептор)

В связи с повышенной чувствительностью пятичленных гетероароматических соединений к сильным кислотам в ряде их реакций электрофильного замещения применяют модифицированные электрофильные реагенты. При использовании этих реагентов исключается сильнокислая среда.

Например,

О

СН₃ – С + (CH₃CO)₂O

ONO₂

ацетилнитрат уксусный ангидрид нитрующие агенты

HNO₃ + CH₃COOH

N⁺–SO₃^– сульфирующий агент

пиридинсульфотриоксид

(CH₃CO)₂O + кислота Льюиса ацетилирующий агент

(BF₃, SnCl₄, ZnCl₂)

С использованием этих реагентов реакции с пятичленными гетероароматическими соединениями идут в мягких условиях и с хорошим выходом.

Реакции электрофильного замещения идут с высокой региоселективностью и преимущественно в положение 2 (5) цикла.

А) Галогенирование

Реакция галогенирования идет в мягких условиях, например, хлорирование идет в присутствии хлористого сульфурила сначала в положения α, α΄, а затем в β-положение:

Cl

SO₂Cl₂ SO₂Cl₂ SO₂Cl₂

•• –HCl, –SO₂ •• –HCl, –SO₂ •• –HCl, –SO₂ ••

О O Cl Cl O Cl Cl O Cl

•• •• •• ••

фуран 2-хлорфуран 2,5-дихлорфуран 2,3,5-трихлорфуран

(α-хлорфуран) (α, α΄-дихлорфуран) (α, α΄, β-трихлорфуран)

Другой пример, бромирование тиофена:

CH₃COOH

•• + 2Br₂ •• + 2 HBr

S Br S Br

•• ••

тиофен 2,5-дибромтиофен

Б) Нитрование

Нитрование происходит в мягких условиях. Азотная кислота применяется только для тиофена, а фуран нитруется ацетилнитратом в пиридине:

HNO₃ (H₂SO₄)

•• •• + H₂O

S S NO₂

•• ••

тиофен 2-нитротиофен

CH₃COONO₂

•• + CH₃COOH

(CH₃CO)₂O, 10⁰C S NO₂

••

2-нитротиофен

(α-нитротиофен)

C₅H₅N

•• + СH₃COONO₂ •• + CH₃COOH

О O NO₂

•• ••

фуран 2-нитрофуран

(α-нитрофуран)

(CH₃CO)₂O, 5⁰C

+ CH₃COONO₂ + CH₃COOH

•• ••

N N NO₂

H H

пиррол 2-нитропиррол

(α-нитропиррол)

В) Сульфирование

Сульфирование происходит легче бензола. Тиофен сульфируется концентрированной серной кислотой, а фуран и пиррол – комплексом триоксида серы в пиридине:

0⁰С

•• + H₂SO₄ (конц.) •• + H₂O

S S SO₃H

•• ••

тиофен тиофен-2-сульфокислота

•• + С₅H₅N – SO₃ •• +

О O SO₃H N

•• ••

фуран фуран–2–сульфокислота пиридин

(фуран- α-сульфокислота)

•• + С₅H₅N – SO₃ •• + C₅H₅N

N N SO₃H

HH

пиррол пиррол-2-сульфокислота

Г) Ацилирование

Ацилирование проходит в мягких условиях, часто ацилирующими агентами служат ангидриды карбоновых кислот в присутствии кислот Льюиса (реакции изучены Терентьевым).

BF₃

•• + (CH₃CO)₂O •• O + CH₃COOH

O O C

•• •• CH₃

фуран 2-ацетилфуран

(α-ацетилфуран)

(CH₃CO)₂O, 20⁰C

•• O + CH₃COOH

•• N C

N H CH₃

H 2-ацетилпиррол

(α-ацетилпиррол)

CHCl₃, 3KOH

Тиофен наиболее ароматичен по сравнению с пирролом и фураном, так как атом серы может быть 4-х валентным и 10-электронным благодаря переходу 3р-электрона на высшую 3d- или 4s-орбитали.

Атом S, n = 3 B=2 B=4

По реакционной способности в реакциях замещения электрофильного характера на первом месте находится пиррол, на втором – фуран, на третьем – тиофен.

То есть пятичленные гетероциклы более реакционноспособные, чем бензол, в реакциях S_E2.

Сравнивая бензол и нафталин в реакциях S_E2, безусловно, нафталин является более реакционноспособным по сравнению с бензолом из-за наличия в нафталине 10-π-электронной ароматической связи (по правилу Хюккеля 4n+2, при n=2). К тому же выравненность связей в нафталине нарушена (см. тему «Нафталин»).

Поэтому в указанном ряду по реакционной способности в реакциях S_E2 соединения будут расположены следующим образом:

пиррол > фуран > тиофен > нафталин > бензол