Химическое строение

Атомы углерода в молекуле бензола образуют правильный плоский шестиугольник, хотя обычно его рисуют вытянутым.

Окончательно строение молекулы бензола подтверждено реакцией образования его из ацетилена. В структурной формуле изображается по три одинарных и три двойных чередующихся углерод-углеродных связей. Но такое изображение не передает истинного строения молекулы. В действительности углерод-углеродные связи в бензоле равноценны, и они обладают свойствами, не похожими на свойства ни одинарных, ни двойных связей. Эти особенности объясняются электронным строением молекулы бензола.

Электронное строение бензола

Каждый атом углерода в молекуле бензола находится в состоянии sp 2 -гибридизации. Он связан с двумя соседними атомами углерода и атомом водорода тремя у-связями. В результате образуется плоский шестиугольник: все шесть атомов углерода и все у-связи С--С и С--Н лежат в одной плоскости. Электронное облако четвертого электрона (р-электрона), не участвующего в гибридизации, имеет форму гантели и ориентировано перпендикулярно к плоскости бензольного кольца. Такие р-электронные облака соседних атомов углерода перекрываются над и под плоскостью кольца. В результате шесть р-электронов образуют общее электронное облако и единую химическую связь для всех атомов углерода. Две области большой электронной плоскости расположены по обе стороны плоскости у-связей.

p-Электронное облако обусловливает сокращение расстояния между атомами углерода. В молекуле бензола они одинаковы и равны 0,14 нм. В случае простой и двойной связи эти расстояния составили бы соответственно 0,154 и 0,134 нм. Значит, в молекуле бензола нет простых и двойных связей. Молекула бензола - устойчивый шестичленный цикл из одинаковых СН-групп, лежащих в одной плоскости. Все связи между атомами углерода в бензоле равноценны, чем и обусловлены характерные свойства бензольного ядра. Наиболее точно это отражает структурная формула бензола в виде правильного шестиугольника с окружностью внутри (I). (Окружность символизирует равноценность связей между атомами углерода.) Однако часто пользуются и формулой Кекуле с указанием двойных связей (II)

Ароматические УВ (арены) – это УВ, молекулы которых содержат одно или несколько бензольных колец.

Примеры ароматических УВ:

Арены ряда бензола (моноциклические арены)

Общая формула: C n H 2n-6 , n≥6

Простейшим представителем ароматических УВ является бензол, его эмпирическая формула С 6 Н 6 .

Электронное строение молекулы бензола

Общая формула моноциклических аренов C n H 2 n -6 показывает, что они являются ненасыщенными соединениями.

В 1856 г. немецкий химик А.Ф. Кекуле предложил циклическую формулу бензола с сопряженными связями (чередуются простые и двойные связи) - циклогексатриен-1,3,5:

Такая структура молекулы бензола не объясняла многие свойства бензола:

• для бензола характерны реакции замещения, а не реакции присоединения, свойственные ненасыщенным соединениям. Реакции присоединения возможны, но протекают труднее, чем для ;
• бензол не вступает в реакции, являющиеся качественными реакциями на непредельные УВ (с бромной водой и раствором КМnО 4).

Проведенные позже электронографические исследования показали, что все связи между атомами углерода в молекуле бензола имеют одинаковую длину 0,140 нм (среднее значение между длиной простой связи С-С 0,154 нм и двойной связи С=С 0,134 нм). Угол между связями у каждого атома углерода равен 120 о. Молекула представляет собой правильный плоский шестиугольник.

Современная теория для объяснения строения молекулы С 6 Н 6 использует представление о гибридизации орбиталей атома .

Атомы углерода в бензоле находятся в состоянии sp 2 -гибридизации. Каждый атом «С» образует три σ-связи (две с атомами углерода и одну с атомом водорода). Все σ-связи находятся в одной плоскости:

Каждый атом углерода имеет один р-электрон, который не участвует в гибридизации. Негибридизованные р-орбитали атомов углерода находятся в плоскости, перпендикулярной плоскости σ-связей. Каждое р-облако перекрывается с двумя соседними р-облаками, и в результате образуется единая сопряженная π-система (вспомните эффект сопряжения р-электронов в молекуле бутадиена-1,3, рассмотренный в теме «Диеновые углеводороды»):

Сочетание шести σ-связей с едиой π-системой называется ароматической связью.

Цикл из шести атомов углерода, связанных ароматической связью, называется бензольным кольцом, или бензольным ядром .

В соответствии с современными представлениями об электронном строении бензола молекулу С 6 Н 6 изображают следующим образом:

Физические свойства бензола

Бензол при обычных условиях - бесцветная жидкость; t o пл = 5,5 о С; t o кип. = 80 о С; имеет характерный запах; не смешивается с водой, хороший растворитель, сильно токсичен.

Химические свойства бензола

Ароматическая связь определяет химические свойства бензола и других ароматических УВ.

6π-электронная система является более устойчивой, чем обычные двухэлектроиные π-связи. Поэтому реакции присоединения менее характерны для ароматических УВ, чем для непредельных УВ. Наиболее характерными для аренов являются реакции замещения.

I . Реакции замещения

1.Галогенирование

2. Нитрование

Реакцию осуществляют смесью и кислот (нитрующая смесь):

3.Сульфирование

4.Алкилирование (замещение атома «Н» на алкильную группу) – реакции Фриделя-Крафтса , образуются гомологи бензола:

Вместо галогеналканов можно использовать алкены (в присутствии катализатора – AlCl 3 или неорганической кислоты):

II . Реакции присоединения

1.Гидрирование

2.Присоединение хлора

III. Реакции окисления

1. Горение

2С 6 Н 6 + 15О 2 → 12СО 2 + 6Н 2 О

2. Неполное окисление (KMnO 4 или K 2 Cr 2 O 7 в кислой среде). Бензольное кольцо устойчиво к действию окислителей. Реакция не происходит.

Получение бензола

В промышленности:

1) переработка нефти и угля;

2) дегидрирование циклогексана:

3) дегидроциклизация (ароматизация) гексана:

В лаборатории:

Сплавление солей бензойной кислоты со :

Изомерия и номенклатура гомологов бензола

Любой гомолог бензола имеет боковую цепь, т.е. алкильные радикалы, связанные с бензольным ядром. Первый гомолог бензола представляет собой бензольное ядро, связанное с метильным радикалом:

Толуол не имеет изомеров, поскольку все положения в бензольном ядре равноценны.

Для последующих гомологов бензола возможен один вид изомерии – изомерия боковой цепи, которая может быть двух видов:

1) изомерия числа и строения заместителей;

2) изомерия положения заместителей.

Физические свойства толуола

Толуол - бесцветная жидкость с характерным запахом, не растворимая в воде, хорошо растворяется в органических растворителях. Толуол менее токсичен, чем бензол.

Химические свойства толуола

I . Реакции замещения

1.Реакции с участием бензольного кольца

Метилбензол вступает во все реакции замещения, в которых участвует бензол, и проявляет при этом более высокую реакционную способность, реакции протекают с большей скоростью.

Метильный радикал, содержащийся в молекуле толуола, является заместителем рода, поэтому в результате реакций замещения в бензольном ядре получаются орто- и пара-производные толуола или при избытке реагента - трипроизводные общей формулы:

а) галогенирование

При дальнейшем хлорировании можно получить дихлорметилбензол и трихлорметилбензол:

II . Реакции присоединения

Гидрирование

III. Реакции окисления

1.Горение
C 6 H 5 CH 3 + 9O 2 → 7CO 2 + 4H 2 O

2. Неполное окисление

В отличие от бензола его гомологи окисляются некоторыми окислителями; при этом окислению подвергается боковая цепь, в случае толуола – метильная группа. Мягкие окислители типа MnO 2 окисляют его до альдегидной группы, более сильные окислители (KMnO 4) вызывают дальнейшее окисление до кислоты:

Любой гомолог бензола с одной боковой цепью окисляется сильным окислителем типа KMnO4 в бензойную кислоту, т.е. происходит разрыв боковой цепи с окислением отщепившейся части ее до СО 2 ; например:

При наличии нескольких боковых цепей каждая из них окисляется до карбоксильной группы и в результате образуются многоосновные кислоты, например:

Получение толуола:

В промышленности:

1) переработка нефти и угля;

2) дегидрирование метилциклогексана:

3) дегидроциклизация гептана:

В лаборатории:

1) алкилирование по Фриделю-Крафтсу;

2) реакция Вюрца-Фиттига (взаимодействие натрия со смесью галогенбензола и галогеналкана).

Среди огромного арсенала органических веществ можно выделить несколько соединений, открытие и изучение которых сопровождалось многолетними научными спорами. К ним по праву относится бензол. Строение бензола в химии было окончательно принято лишь к началу 20 столетия, тогда как элементный состав вещества определили еще в 1825 году, выделив его из каменноугольной смолы, которую получали как побочный продукт коксования угля.

Бензол вместе с толуолом, антраценом, фенолом, нафталином в настоящее время относят к ароматическим углеводородам. В нашей статье мы рассмотрим, каковы же этого углеводорода, выясним физические свойства, например, такие как растворимость, температуру кипения и плотность бензола, а также обозначим области применения соединения в промышленности и сельском хозяйстве.

Что такое арены?

Химия органических соединений классифицирует все известные вещества на несколько групп, например, такие как алканы, алкины, спирты, альдегиды и т.д. Главной отличительной чертой каждого класса веществ является наличие определенных типов связей. Молекулы предельных углеводородов содержат только сигма-связь, вещества ряда этилена - двойную, у алкинов связь тройная. К какому же классу относится бензол?

Строение бензола указывает на присутствие в его молекуле ароматического кольца, названного бензольным ядром. Все соединения органической природы, содержащие одно или несколько таких колец в составе своих молекул, относят к классу аренов (ароматических углеводородов). Кроме бензола, который мы сейчас рассматриваем, в эту группу входит большое количество очень важных веществ, каких как толуол, анилин, фенол и другие.

Как решили проблему строения молекулы ароматического углеводорода

Вначале ученые установили выразив его формулой С 6 Н 6 , согласно которой относительная молекулярная масса бензола равна 78. Затем было предложено несколько вариантов структурных формул, но ни одна из них не соответствовала реальным физическим и химическим свойствам бензола, наблюдаемым химиками в лабораторных опытах.

Прошло около сорока лет, прежде чем немецкий исследователь А. Кекуле представил свою версию структурной формулы, которую имеет молекула бензола. В ней присутствовали три двойных связи, указывающие на возможный непредельный характер химических свойств углеводорода. Это вступало в противоречие с действительно существующим характером взаимодействий соединения формулы С 6 Н 6 с другими веществами, например, с бромом, нитратной кислотой, хлором.

Только после выяснения электронной конфигурации молекулы бензола в его структурной формуле появилось обозначение бензольного ядра (кольца), а сама она до сих пор используется в курсе органической химии.

Электронная конфигурация молекулы С6Н6

Какую же пространственную структуру имеет бензол? Строение бензола окончательно было подтверждено благодаря двум реакциям: тримеризации ацетилена с образованием бензола и его восстановления водородом до циклогексана. Оказалось, что атомы углерода, соединяясь между собой, образуют плоский шестиугольник и находятся в состоянии sp 2 -гибридизации, используя на связи с другими атомами три из четырех своих валентных электронов.

Оставшиеся шесть свободных p-электронов располагаются перпендикулярно плоскости молекулы. Перекрываясь между собой, они формируют общее электронное облако, названное бензольным ядром.

Природа полуторной химической связи

Хорошо известно, что физические и химические свойства соединений зависят, прежде всего, от их внутреннего строения и типов химических связей, возникающих между атомами. Рассмотрев электронную структуру бензола, можно прийти к выводу, что его молекула не имеет ни простых, ни двойных связей, которые можно увидеть в формуле Кекуле. Наоборот, между атомами углерода все химические связи равноценны. Более того, общее π-электронное облако (всех шести атомов С) образует химический тип связи, названный полуторной, или ароматической. Именно этот факт обуславливает специфические свойства бензольного кольца и, как следствие, характер химического взаимодействия ароматических углеводородов с другими веществами.

Физические свойства

При понижении температуры жидкость переходит в твердую фазу, и бензол превращается в белую кристаллическую массу. Она легко плавится при температуре 5,5 °С. В обычных условиях вещество представляет собой бесцветную жидкость со своеобразным запахом. Его температура кипения составляет 80,1 °С.

Плотность бензола меняется в зависимости от изменения температуры. Чем температура выше, тем плотность меньше. Приведем несколько примеров. При температуре 10° плотность составляет 0,8884 г/мл, а при 20° - 0,8786 г/мл. Молекулы бензола неполярные, поэтому вещество нерастворимо в воде. Зато само соединение является хорошим например, для жиров.

Особенности химических свойств бензола

Экспериментально установлено, что ароматическое бензольное ядро устойчиво, т.е. характеризуется высокой стойкостью к разрыву. Этот факт служит объяснением склонности вещества к протеканию реакций по типу замещения, например, с хлором при обычных условиях, с бромом, с нитратной кислотой в присутствии катализатора. Нужно отметить высокую устойчивость бензола к действию окислителей, таких как перманганат калия и бромная вода. Это еще раз подтверждает факт отсутствия в молекуле арена двойных связей. Жесткое окисление, иначе называемое горением, характерно для всех ароматических углеводородов. Так как процентное содержание углерода в молекуле С 6 Н 6 велико, горение бензола сопровождается коптящим пламенем с образованием частиц сажи. В результате реакции образуется углекислый газ и вода. Интересным представляется вопрос: может ли ароматический углеводород вступать в реакции присоединения? Рассмотрим его далее более подробно.

К чему приводит разрыв бензольного ядра?

Напомним, что в молекулах аренов присутствует полуторная связь, возникшая в результате перекрывания шести р-электронов атомов карбона. Она и лежит в основе бензольного ядра. Чтобы его разрушить и провести реакцию присоединения, необходим ряд специальных условий, например, таких как световое облучение, высокие температура и давление, катализаторы. Смесь бензола и хлора вступает в реакцию присоединения под действием ультрафиолетового излучения. Продуктом такого взаимодействия будет гексахлорциклогексан - токсическое кристаллическое вещество, применяемое в сельском хозяйстве в качестве инсектицида. В молекуле гексахлорана уже нет бензольного ядра, по месту его разрыва произошло присоединение шести атомов хлора.

Области практического применения бензола

В различных отраслях промышленности вещество широко используется как растворитель, а также как сырье для дальнейшего получения лаков, пластических масс, красителей, в качестве добавки к моторному топливу. Еще больший диапазон применения имеют производные бензола и его гомологи. Например, нитробензол С 6 Н 5 NO 2 является основным реагентом для получения анилина. В результате с хлором в присутствии хлорида алюминия в качестве катализатора получают гексахлорбензол. Его применяют для предпосевной обработки семян, а также используют в деревообрабатывающей промышленности для защиты древесины от вредителей. Нитрованием гомолога бензола (толуола) получают взрывчатое вещество, известное как тротил или тол.

В данной статье мы рассмотрели такие свойства ароматического соединения, как реакции присоединения и замещения, горение бензола, а также определили области его применения в промышленности и сельском хозяйстве.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

по курсу органической химии

«АРОМАТИЧЕСКИЕ УГЛЕВОДОРОДЫ »

Ростов-на-Дону

Методические указания по курсу органической химии «Ароматические углеводороды». - Ростов н/Д: Рост. гос. строит. ун-т, 2007. - 12 с.

Излагаются теоретические положения по теме “Ароматические углеводороды”. Дается определение ароматическим углеводородам, а также понятию “ароматичности”. Описывается строение молекулы бензола. Рассматривается номенклатура и изомерия ароматических соединений с одним бензольным ядром. Приведены основные методы получения аренов, также рассмотрены физические и химические свойства ароматических углеводородов.

Рассчитано на студентов I и II курсов дневной и заочной форм обучения специальностей ПСМ, ЗЧС, ССП, БТП и АС.

Составители: канд. хим. наук, доц.

М.Н. Мицкая,

канд. хим. наук, ассист.

Е.А. Левинская

Рецензент: канд. хим. наук, доц.

Л.М. Астахова

© Ростовский государственный

строительный университет, 2007

Ароматические соединения (арены) - органические соединения с плоской циклической структурой, в которой все углеродные атомы создают единую делокализованную π-электронную систему, содержа­щую (4n+2) π-электронов.

К ароматическим соединениям относятся прежде всего бензол С 6 Н 6 и его многочисленные гомологи и производные. Ароматические соединения могут содержать в молекуле одно или не­сколько бензольных ядер (многоядерные ароматические соединения). Но мы рассмотрим ароматические соединения с одним бензольным ядром.

Строение молекулы бензола

Бензол обнаружен М. Фарадеем в 1825 г. в светильном (кок­совом) газе, а строение молекулы бензола чаще всего выражают формулой, пред­ложенной немецким химиком А. Кекуле (1865)

Согласно современным представлениям молекула бензола имеет строение плоского шестиугольника, стороны которого равны между собой и составляют 0,14 нм. Это расстояние является средним значе­нием между величинами 0,154 нм (длина одинарной связи) и 0,134 нм (длина двойной связи). Не только углеродные атомы, но и связанные с ними шесть атомов водорода лежат в одной плоскости. Углы, образо­ванные связями Н-С-С и С-С-С, равны 120°:

Все углеродные атомы в молекуле бензола находятся в состоянии sр 2 -гибридизации. Каждый из них связан тремя своими гибридными орбиталями с двумя такими же орбиталями двух соседних углеродных атомов и одной орбиталью атома Н, образуя три σ-связи (см. рисунок). Четвертая, негибридизованная 2р-орбиталь атома углерода, ось которой перпендикулярна плоскости бензольного кольца, перекрывается с подобными орбиталями двух со­седних углеродных атомов, расположенных справа и слева.

Схема образования σ-связей и π-связей в молекуле бензола

Такое перекрывание происходит над и под плоскостью бензольного кольца. В результа­те образуется единая замкнутая система π-электронов. В результате такого равномерного пере­крывания 2р-орбиталей всех шести углерод­ных атомов происходит «выравнивание» простых и двойных связей, т.е. в бензольном кольце отсутствуют классические двойные и одинарные связи. Равномерное распределение π-электронной плотности между всеми углеродными атомами, обусловленное π-электронной делокализацией, и является причиной высокой устойчивости молекулы бензола. В настоящее время нет единого способа графического изображения молекулы бензола с учетом его реальных свойств. Но чтобы подчеркнуть выравненность π-электронной плотности в молекуле бензола, прибегают к помощи следующих формул:

Необходимо, однако, помнить, что ни одна из этих формул не отвечает действительному физическому состоянию молекулы, а тем более не может отразить все многообразие ее свойств. Формула Кекуле в насто­ящее время является лишь символом молекулы бензола. Однако ее ши­роко применяют, помня при этом о ее недостатках.

Бензол является ненасыщенным соединением, но мы выяснили, что в его структуре нет двойных связей, а есть ароматическая связь – делокализованное электронное облако. Типичные реакции непредельных углеводородов – электрофильное присоединение и окисление – для бензола не характерны. Так, он не обесцвечивает бромную воду, не даёт реакции Вагнера (окисление раствором перманганата калия при комнатной температуре). Для бензола характерны реакции, не приводящие к нарушению замкнутой сопряжённой системы, – реакции замещения. Чтобы выяснить, какой тип замещения (радикальное, электрофильное, нуклеофильное) характерен для бензола, вспомните его электронное строение: σ-скелет молекулы плоский, а над и под плоскостью расположено ароматическое облако. Чтобы провзаимодействовать с этим ароматическим облаком, реагент должен быть электрофильным. Итак, для бензола (и ароматических соединений вообще) характерны реакции электрофильного замещения . Примерами реакций S E являются:

На первой стадии электрофил подходит к молекуле бензола и взаимодействует со всем ароматическим облаком (они притягиваются друг к другу). Образуется π-комплекс . Для образования новой ковалентной связи углерод-электрофил необходима пара электронов. Электрофил вырывает её из ароматического облака, образуется σ-комплекс . Он не является замкнутой сопряжённой системой, т.к. атом углерода, образовавший новую σ-связь, перешёл в sp 3 -гибридизацию (он вышел из плоскости и больше не имеет негибридной p z -орбитали). Остальные пять атомов углерода продолжают участвовать в сопряжении, образуя общее электронное облако, в котором делокализовано четыре электрона (6-2=4), поэтому положительный заряд в σ-комплексе обозначается не на конкретном атоме углерода, а в центре разомкнутого кольца. Итак, σ-комплекс не является ароматической структурой. Для того чтобы вернуть ароматичность, ему необходимо отщепить протон водорода (H +). Его забирает оставшийся в реакционной среде нуклеофил (Nu -). Два электрона связи C-H возвращаются в ароматическое облако, атом углерода вновь становится
sp 2 -гибридизованным и может участвовать в сопряжении.

Лимитирующей стадией реакции электрофильного замещения является стадия образования σ-комплекса, т.к. при этом происходит потеря ароматичности, что требует затрат энергии.

Различные реакции электрофильного замещения в бензоле протекают по общему механизму и отличаются только стадией образования электрофильной частицы.

Реакция нитрования бензола протекает под действием смеси концентрированных азотной и серной кислот (схему реакции см. выше). Рассмотрим её механизм.

На первой стадии реакции азотная кислота взаимодействует с серной. В данном случае азотная кислота выполняет роль основания, принимая протон от молекулы серной кислоты (по теории Бренстеда, кислота – это молекула или ион, отдающие протон, а основание – молекула или ион, принимающие протон водорода). Образуется протонированная азотная кислота, которая, отщепляя молекулу воды, превращается в катион нитрония, или нитроний-катион. Это и есть электрофильная частица. Таким образом, серная кислота выполняет роль катализатора, принимая участие в образовании электрофильного реагента. Вторая роль серной кислоты – это роль водоотнимающего средства. Воду необходимо отводить из сферы реакции, чтобы сместить её равновесие вправо.

После образования электрофила – катиона нитрония - реакция протекает по общему механизму, через образование π- и
σ-комплексов:

Обратите внимание: на стадии превращения σ-комплекса в нитробензол (стадии возвращения ароматичности) протон водорода отщепляется под действием аниона серной кислоты, при этом вновь образуется серная кислота, что доказывает, что она являлась катализатором данной реакции.

Катализатором реакции галогенирования являются так называемые кислоты Льюиса (по теории Льюиса, кислоты – это нейтральные молекулы или ионы, способные принимать пару электронов): FeCl 3 , FeBr 3 , AlCl 3 , AlBr 3 и т.п. Катализатор необходим, чтобы поляризовать молекулу галогена. Кислота Льюиса смещает на себя неподелённую электронную пару хлора, образуя комплекс, в котором на одном из атомов хлора сосредоточивается частичный положительный заряд:

На стадии образования π-комплекса происходит дальнейшая поляризация связи Cl-Cl, и она разрывается гетеролитически, причём Cl + сразу участвует в образовании σ-комплекса.

Аналогично протекают реакции алкилирования (реакция Фриделя-Крафтса).

Связь C-Cl в метилхлориде недостаточно полярна, чтобы разорваться гетеролитически. Под действием кислоты Льюиса увеличивается частичный положительный заряд на атоме углерода, и комплекс реагента с катализатором является более сильным электрофилом, чем исходный метилхлорид.

Реакция сульфирования бензола протекает под действием олеума (раствор серного ангидрида SO 3 в концентрированной серной кислоте).

Молекула серного ангидрида является электрофилом из-за большого по величине частичного положительного заряда на атоме серы.

При образовании π-комплекса связь S=O (в первую очередь π-связь) поляризуется и разрывается по гетеролитическому типу, поэтому при образовании σ-комплекса на атоме кислорода возникает полный отрицательный заряд. Для восстановления ароматичности протон водорода отщепляется от атома углерода кольца и переходит к отрицательно заряженному кислороду. Образуется бензолсульфокислота.

Когда мы рассматриваем реакции электрофильного замещения в бензоле, перед нами не стоит вопрос, в каком положении протекает реакция, т.к. все атомы углерода абсолютно равноценны. Другое дело, если в бензольном кольце уже есть заместитель. В этом случае в результате электрофильного замещения принципиально возможно образование трёх изомеров:

Чтобы ответить на вопрос, какой из этих возможных продуктов является преобладающим, необходимо рассматривать электронные эффекты заместителя.

Отвлечёмся от реакций электрофильного замещения в бензоле и его производных и рассмотрим электронные эффекты в целом.

Взаимное влияние атомов в молекулах органических
соединений. Электронные эффекты

Атомы и атомные группы в молекулах органических соединений влияют друг на друга, причём не только атомы, непосредственно связанные друг с другом. Это влияние каким-то образом передаётся по молекуле. Передача влияния атомов в молекулах за счёт поляризации связей называетсяэлектронными эффектами . Существует два вида электронных эффектов: индуктивный и мезомерный эффект.

Индуктивный эффект - это передача влияния заместителей по цепи σ-связей за счёт их поляризации. Индуктивный эффект обозначается символом I. Рассмотрим его на примере 1-хлорбутана:

Связь C-Cl полярна из-за более высокой электроотрицательности хлора. На атоме углерода возникает частичный положительный заряд (δ+). Электронная пара следующей σ-связи смещается в сторону электронодефицитного атома углерода, т.е. поляризуется. За счёт этого на следующем атоме углерода также возникает частичный положительный заряд (δ+’) и т.д. Таким образом, хлор индуцирует поляризацию не только «собственной» σ-связи, но и последующих в цепи. Обратите внимание, что каждый последующий частичный положительный заряд по величине меньше предыдущего (δ+>δ+’>δ+’’>δ+’’’), т.е. индуктивный эффект передаётся по цепи с затуханием. Это можно объяснить низкой поляризуемостью σ-связей. Принято считать, что индуктивный эффект распространяется на 3-4 σ-связи. В приведенном примере атом хлора смещает электронную плотность по цепи связей на себя . Такой эффект называют отрицательным индуктивным эффектом и обозначают –I Cl .

Большинство заместителей проявляют отрицательный индутивный эффект, т.к. в их структуре есть атомы, более электроотрицательные, чем водород (индуктивный эффект водорода принят равным нулю). Например: -F, -Cl, -Br, -I, -OH, -NH 2 , -NO 2 ,
-COOH, >C=O .

Если заместитель смещает электронную плотность по цепи σ-связей от себя , он проявляет положительный индуктивный эффект (+I). Например:

Кислород с полным отрицательным зарядом проявляет положительный индуктивный эффект.

В молекуле пропена углерод метильной группы sp 3 -гибридизован, а атомы углерода при двойной связи sp 2 -гибридизованы, т.е. более электроотрицательны. Поэтому метильная группа смещает электронную плотность от себя, проявляя положительный индуктивный эффект (+I CH 3) .

Итак, индуктивный эффект может проявляться в любой молекуле, в которой есть разные по электроотрицательности атомы.

Мезомерный эффект – это передача электронного влияния заместителей в сопряжённых системах, посредством поляризации π-связей. Мезомерный эффект передаётся без затухания, т.к. π-связи поляризуются легко. Обратите внимание: мезомерным эффектом обладают только те заместители, которые сами являются частью сопряжённой системы. Например:

Мезомерный эффект может быть как положительный (+М), так и отрицательный (-М).

В молекуле хлорвинила неподелённая электронная пара хлора участвует в p,π-сопряжении, т.е. вклад хлора в сопряжённую систему больше, чем у каждого из атомов углерода. Поэтому хлор проявляет положительный мезомерный эффект.

Молекула акрилового альдегида – это
π.π-сопряжённая система. Атом кислорода отдаёт в сопряжение один электрон – столько же, как и каждый атом углерода, но при этом электроотрицательность кислорода выше, чем у углерода, поэтому кислород смещает электронную плотность сопряжённой системы на себя, альдегидная группа в целом проявляет отрицательный мезомерный эффект.

Итак, заместители, отдающие в сопряжение два электрона, обладают положительным мезомерным эффектом. К ним относятся:

а) заместители с полным отрицательным зарядом, например, –O - ;

б) заместители, в структуре которых есть атомы с неподелёнными электронными парами на p z -орбитали, например: -NH 2 , -OH,
-F, -Cl, -Br-, -I, -OR (-OCH 3 , -OC 2 H 5).

Заместители, смещающие электронную плотность по сопряжённой системе на себя, проявляют отрицательный мезомерный эффект. К ним относятся заместители, в структуре которых есть двойные связи, например:

Заместитель может проявлять и индуктивный, и мезомерный эффекты одновременно. В некоторых случаях направление этих эффектов совпадает (например, -I и –M), в других – они действуют в противоположных направлениях (например, -I и +M). Как в этих случаях определить общее влияние заместителя на остальную часть молекулы (другими словами, как определить, является данный заместитель электронодонорным или электроноакцепторным)? Заместители, повышающие электронную плотность в остальной части молекулы, называют электронодонорными, а заместители, понижающие электронную плотность в остальной части молекулы, – электроноакцепторными.

Чтобы определить общее влияние заместителя, необходимо сравнить его электронные эффекты по величине. Если преобладает положительный по знаку эффект, заместитель является электронодонорным. Если преобладает отрицательный по знаку эффект, заместитель является электроноакцепторным. Нужно отметить, что, как правило, мезомерный эффект проявляется сильнее, чем индуктивный (из-за большей способности π-связей к поляризации). Однако есть и исключения из этого правила: индуктивный эффект галогенов проявляется сильнее, чем мезомерный.

Рассмотрим конкретные примеры:

В этом соединении аминогруппа является электронодонорным заместителем, т.к. её положительный мезомерный эффект проявляется сильнее, чем отрицательный индуктивный.

В этом соединении аминогруппа является электроноакцепторным заметителем, т.к. проявляет только отрицательный индуктивный эффект.

В молекуле фенола гидроксильная группа является электронодонорным заместителем из-за преобладания положительного мезомерного эффекта над отрицательным индуктивным.

В молекуле бензилового спирта гидроксильная группа не участвует в сопряжении и проявляет только отрицательный индуктивный эффект. Поэтому она является электроноакцепторным заместителем.

Эти примеры показывают, что нельзя рассматривать влияние какого-либо заместителя вообще, а нужно рассматривать его влияние в конкретной молекуле.

Только галогены всегда являются электроноакцепторными заместителями, т.к. их отрицательный индуктивный эффект проявляется сильнее, чем положительный мезомерный. Например:

А теперь вернёмся к реакциям электрофильного замещения в производных бензола. Итак, мы выяснили, что заместитель, уже имеющийся в кольце, влияет на ход реакций электрофильного замещения. В чём же выражается это влияние?

Заместитель влияет на скорость реакций S E и на положение второго заместителя, вводимого в кольцо . Рассмотрим оба этих аспекта влияния.

Влияние на скорость реакции . Чем выше электронная плотность в кольце, тем легче протекают реакции электрофильного замещения. Понятно, что электронодонорные заместители облегчают реакции S E (являются активаторами цикла), а электроноакцепторные заместители – затрудняют их (дезактивируют цикл). Поэтому реакции электрофильного замещения в производных бензола, содержащих электроноакцепторные заместители, проводят в более жёстких условиях.

Сравним активность фенола, толуола, бензола, хлорбензола и нитробензола в реакции нитрования.

Так как фенол и толуол содержат электронодонорные заместители, они более активны в реакциях S E , чем бензол. Наоборот, хлорбензол и нитробензол менее активны в этих реакциях, чем бензол, т.к. содержат электроноакцепторные заместители. Фенол активнее толуола из-за положительного мезомерного эффекта OH-группы. Хлор не такой сильный электроноакцепторный заместитель, как нитрогруппа, т.к. нитрогруппа проявляет и отрицательный индуктивный, и отрицательный мезомерный эффекты. Итак, в данном ряду активность в реакциях электрофильного замещения убывает от фенола к нитробензолу. Экспериментально установлено, что если скорость реакции нитрования бензола принять за 1, то этот ряд будет выглядеть так:

Вторым аспектом влияния заместителя в ароматическом кольце на ход реакций электрофильного замещения является так называемое ориентирующее действие заместителей . Все заместители можно подразделить на две группы: орто-, пара-ориентанты (заместители 1 рода) и мета-ориентанты (заместители 2 рода).

К заместителям 1 рода относятся: -OH, -O - , -NH 2 , алкильные группы (-CH 3 , -C 2 H 5 и т.д.) и галогены. Вы можете видеть, что все эти заместители проявляют положительный индуктивный эффект и (или) положительный мезомерный эффект. Все они, кроме галогенов, повышают электронную плотность в кольце, особенно в орто- и пара-положениях. Поэтому электрофил и направляется в эти положения. Рассмотрим это на примере фенола:

За счёт положительного мезомерного эффекта гидроксильной группы происходит перераспределение электронной плотности по сопряжённой системе, и в орто- и пара-положениях она особенно повышена.

При бромировании фенола образуется смесь орто- и пара-бромфенола:

Если бромирование проводить в полярном растворителе (бромной водой) и использовать избыток брома, реакция протекает сразу по трём положениям:

Заместителями 2 рода являются: -NH 3 + , -COOH, -CHO (альдегидная группа), -NO 2 , -SO 3 H. Все эти заместители понижают электронную плотность в ароматическом кольце, но из-за её перераспределения в мета-положениях она понижена не так сильно, как в орто- и пара-. Рассмотрим это на примере бензойной кислоты:

Карбоксильная группа проявляет отрицательный индуктивный и отрицательный мезомерный эффекты. За счёт перераспределения по сопряжённой системе в мета-положениях электронная плотность остаётся более высокой, чем в орто- и пара-, поэтому электрофил будет атаковать мета-положения: