2.5.6.8. Электрофилы VII группы [18, 25а, 56]

Известны три общих метода введения галогена в ароматическое соединение с помощью электрофильного реагента. Такими реагентами, в порядке увеличивающейся реакционной способности, являются: 1) молекулярный галоген; 2) молекулярный галоген в присутствии катализатора, такого как галогениды иода, олова(IV), железа (III), сурьмы(V) и алюминия; 3) положительно заряженный галоген, обычно связанный с носителем, например ионом хлорноватистой кислоты. Выбор одног из этих методов зависит от нуклеофильности ароматического субстрата. Так, хотя хлор или бром реагируют с бензолом в полярных или кислых растворителях, однако реакция проходит очень медленно; для завершения реакции между хлором и бензолом требуется несколько дней. С другой стороны, реакция брома с анилином протекает настолько быстро, что ее можно проводить в разбавленных водных растворах при комнатной температуре. Но даже в этих условиях невозможно прекратить реакцию раньше, чем образуется -триброманилин. Это обусловлено, в основном, тем, что каждый из промежуточно образующихся броманилинов является более слабым основанием, чем предыдущий, и поэтому менее способен к протонированию. Для удобства дальнейшее изложение разделено на три части, в которых будут обсуждены реакции фторирования, хлорирования и бромирования, иодирования.

Процесс фторирования ароматических соединений молекулярным фтором при комнатной температуре не поддается контролю. Контролируемое фторирование бензола и ряда его производных можно осуществить, проводя реакцию с фтором в ацетонитриле в интервале температур от —15 до [72]. Присутствие электроноакцепторных заместителей замедляет реакцию и, следовательно, позволяет провести фторирование в верхнем пределе приведенной выше области температур. Ориентация заместителей такая, как и ожидалось для реакций с участием электрофильного фтора. Например, реакция с толуолом приводит к соотношению , тогда как для нитробензола получают соотношение . В одной из работ описано фторирование бензола и фторбензола с помощью дифторида ксенона в четыреххлористом углероде в присутствии следов хлористого водорода [73]. Для этой реакции был предложен радикальнокатионный механизм.

Использование фторокситрифторметана (обычно при температурах от —75 до ) в галогеносодержащих растворителях позволяет вводить фтор непосредственно в должным образом активированные ароматические кольца [74]. Бензол дает при этом только 17% фторбензола, однако выход увеличивается до 65%, если подвергать реакционную смесь фотолизу [75]. По-видимому, последняя реакция проходит по радикальному механизму.

Салициловая кислота реагирует с фторокситрифторметаном хлороформе при с образованием 3- и 5-фторпроизводных в соотношении 1: 4, соответственно (уравнение 136), а из получен . В обоих случаях ориентация отвечает ожидаемой для электрофильного фторирования.

В реакциях -замещенных фенолов в результате ипсо-атаки образуются диеноны. Так, из метилового эфира (77) и ацетата эстрона (78) образуется (уравнение 137). Аналогично (уравнение 138) из этилового эфира -ацетилтирозина образуется диенон. Из -диметилфенола продукт также образуется за счет первоначальной ипсо-атаки. В этом случае (уравнение 139) диенон димеризуется.

Очень много исследований было посвящено разработке методов контролируемого хлорирования и бромирования ароматических соединений. Особое внимание уделялось поведению положительно заряженных хлорирующих и бромирующих агентов. В обзоре [76] рассмотрены как положительные, так и противоречивые результаты этих исследований. Скорость бромирования ароматических соединений бромноватистой кислотой в водном растворе подчиняется следующему уравнению:

Однако не установлено, участвует ли вода в переходном состоянии или нет. В то время как молекулярный бром реагирует с бензолом очень медленно, бромноватистая кислота при достаточно высокой кислотности может бромировать слабо нуклеофильные соединения, такие как нитробензол.

При бромировании молекулярным бромом, как и при нитровании, обнаружено заметное влияние пространственных эффектов, однако они отсутствуют в реакциях с участием «положительного брома». Так бромирование молекулярным бромом трет-бутилбензола проходит в незначительной степени в орто-положение к трет-бутильной группе, однако при использовании «положительного брома» образуются значительные количества о-бром-трет-бутилбензола. Бензол и бензол бромируются с почти одинаковыми скоростями. Имеются доказательства в пользу того, что при низкой кислотности в случае некоторых реакционноспособных субстратов можно достигнуть переходного состояния протонированием первоначально образующегося комплекса [77]. Изотопный эффект растворителя при бромировании бензола в хлорной кислоте (0,16 М) равен . Возникает вопрос, почему такой путь реакции возможен при бромировании, но не при нитровании? По-видимому, ион азотной кислоты не является эффективным электрофилом в реакциях нитрования. Уравнения обобщают современную точку зрения по этому вопросу.

Бромирование бромом в кислотах в присутствии соответствующей соли серебра (I), очевидно, протекает с участием положительно заряженных частиц, поскольку в реакцию вступают ароматические соединения, которые обычно не являются реакционноспособными. Пригодными бромирующими системами являются бром в сочетании с нитратом серебра (I) в азотной кислоте или сульфатом серебра (I) в серной кислоте. Неизвестно, принимает ли участие в процессе или же ионы типа либо .

или

Реакции с участием «положительного хлора» аналогичны реакциям с «положительным бромом», однако «положительный хлор» термодинамически менее выгоден, чем «положительный бром».

Реакции с «положительным хлором» относительно малочувствительны к пространственным эффектам [78].

К другим используемым реагентам относятся -хлор и -бромамиды в присутствии кислот, например -хлорсукцинимид (80), и дибромизоциануровая кислота (82) [79]. Последнее соединение является очень мощным бромирующим агентом [80]; так, при действии его на нитробензол в олеуме при комнатной температуре быстро образуется пента-бромнитробензол.

Галогенирование сильнонуклеофильных ароматических соединений молекулярными хлором и бромом хорошо изучено. Отсутствие первичных кинетических изотопных эффектов указывает на то, что потеря протона не входит в лимитирующую стадию. Принятая в настоящее время точка зрения о механизме обобщена схемой уравнений (146) на примере бромирования.

Эта схема подтверждается тем, что все ее стадии, кроме последней, располагаются в порядке противоположном стадиям следующей схемы (уравнения 147). Катализируемая кислотами прототропная перегруппировка в была изучена в присутствии добавок анионов [81]. В присутствии бромида лития дебромирование конкурирует с прототропной перегруппировкой (схема уравнений 147). Наличие обратного дейтериевого изотопного эффекта растворителя свидетельствует об участии в процессе предравновесной стадии протонирования; следовательно, переходное состояние должно быть таким, как это представлено на схеме. Применение принципа микроскопической обратимости позволяет прийти к выводу, что бромирование -ди-трет-бутилфенола осуществляется через такое же переходное состояние.

Следует отметить (хотя, строго говоря, это и не относится к предмету обсуждения), что он является мягким и селективным бромирующим агентом для ароматических аминов [82].

Так, анилин в метиленхлориде превращается при в смесь - и -броманилинов с выходом 77% (), а из -диэтиланилина получают с выходом 96% (уравнение 148). Обобщены данные о роли циклогексадиенов в галогенировании аренов [83].

Для ряда реакций, обсуждавшихся ранее, подчеркивалась важная роль ипсо-атаки. Этот тип реакции встречается также, например, при хлорировании. Таким путем должно, например, проходить хлорирование гексаметилбензола, которое в этом случае приводит к замещению в боковой цепи, вероятно, так, как показано в уравнении (149) [84].

Хлорирование -трет-бутилбифенила приводит к ряду продуктов, в том числе к -хлорбифенилу . Последний может образоваться в результате атаки в ипсо-положение, а также, что не исключено, в результате последовательных реакций присоединения — элиминирования Так, при взаимодействии брома и солей серебра (I) с -три-трет-бутилбензолом в уксусной кислоте образуются продукты (83) — (86), что, очевидно, связано с последовательными стадиями присоединения — элиминирования с участием (87) и (88) [85].

В ряде случаев промежуточно образующиеся были идентифицированы. Так, при хлорировании бифенила образуются заметные количества . Ряд продуктов был выделен также при хлорировании нафталина молекулярным хлором в уксусной кислоте. Основным продуктом является -хлорнафталин , но образуются также тетрахлорнафталины и ацетокситрихлорнафталины. Сложная смесь продуктов получается также при хлорировании фенантрена хлором в уксусной кислоте, все эти продукты устойчивы в условиях реакции.

Упрощенное объяснение полученных результатов представлено схемой уравнений (150) [86].

Иодирование элементным иодом возможно только в случае сильнонуклеофильных ароматических соединений. Прямое замещение в бензоле осуществляется при использовании в реакции иода и окислителя. Так, бензол и иод в присутствии азотной кислоты дают иодбензол с выходом 86%. Для повышения электрофильности иода используют, помимо азотной кислоты, разнообразные окислители: пероксид водорода, йодную кислоту, триоксид серы, желтый оксид , надуксусную кислоту. Так, при использовании иода и желтого оксида ртути(II) -диметоксибензол дает -иодпроизводное (уравнение 151) с прекрасным выходом.

Природа электрофила в большинстве случаев точно неизвестна. Предполагают, что в реакции с пероксидом водорода электрофилом является ион иодноватистой кислоты. Имеются указания, что в случае перуксусной кислоты электрофил представляет собой ацетилгипоиодит или его протонированную форму. Последняя система перспективна как удобный препаративный метод иодирования, не только потому, что реакция проходит быстрее, чем при обычных методах, но и потому, что более жесткие пространственные требования делают реакцию более селективной. Этот метод приводит к хорошим выходам продуктов даже в присутствии соединений, чувствительных к окислению, при условии тщательного контроля количества надуксусной кислоты [87]. Так, иодирование аценаф-тена дает -иодаценафтен, а флуорена (уравнение 152) — -иод-флуорен с выходом 40 и 65% соответственно.

Факты свидетельствуют в пользу того, что протодеиодирование не является быстрой реакцией, кроме тех случаев, когда ароматическое соединение оказывается мощным нуклеофилом за счет присутствия в молекуле сильных электронодонорных заместителей, как, например, в случае иодфенолов. Даже нитродегалогенирование -галогеноанизолов, когда атакующий электрофил сильнее протона, проходит медленнее, чем нитродепротонирование (нитрование). Так, были получены следующие значения относительных скоростей при использовании азотной кислоты в уксусном ангидриде: 0,18 (I); и 1,0 (Н) [88]. Поэтому не вызывает удивления тот факт, что восстановление -иодтолуола иодистым водородом протекает очень медленно, так, за восемь дней при комнатной температуре реакция проходит только на .Распространенное мнение, что окислители добавляют к иоду с целью окислить йодистый водород и тем самым предотвратить обратную реакцию [90], очевидно, неверно.

Окислитель добавляется с целью генерировать электрофил более мощный, чем молекулярный иод. Исключительно реакционноспособной системой является иод в олеуме. Эту систему можно использовать для введения нескольких атомов иода в молекулы, содержащие сильные электроноакцепторные группы. Например, из фталевого ангидрида, используя -ный олеум при , можно получить тетраиодфталевый ангидрид с выходом 80% (уравнение 153). При более низких температурах и более низкой концентрации свободного гриоксида серы можно контролировать число вводимых атомов иода. При комнатной температуре и использовании -ного олеума нитробензол дает только -иоднитробензол, тогда как при получается -трииоднитробензол [91].