Кратко и по существу — сравнение механизмов, региоизбирательности и основных побочных реакций.
1) Механизм электрофильного ароматического замещения (ЭАЗ)
- Общая схема: образование сильного электрофила $E^{+}$, атака ароматического ядра, образование вельланд‑интермедиата (арений‑ион, σ‑комплекс), дегидрирование (восстановление ароматичности).
- В простом виде: $\mathrm{Ar}-\mathrm{H}+{\mathrm{E}}^{+}\to [\mathrm{Ar}(\mathrm{E}){]}^{+}\to \mathrm{Ar}-\mathrm{E}+{\mathrm{H}}^{+}$.
- Ключевые особенности: сохраняется ароматичность в исходном и конечном состоянии, но временно теряется в σ‑комплексе; скорость определяется стабилизацией σ‑комплекса и доступностью $E^{+}$.
- Типичные реакции: нитрование, сульфонация, алкилирование/ацилювання (Фриделья–Крафтса), галогенирование (в присутствии активатора).
2) Механизм радикального замещения, применимый к ароматическим системам
- Два основных варианта:
a) Радикальная замещение на боковой (бензильной) позиции (обычно): инициирование → H‑абстракция → бензильный радикал → захват галогена/субституента → терминация/продолжение цепи.
- Схема: $\mathrm{Ph}-\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2-\mathrm{H}\stackrel{•\mathrm{X},\mathrm{init}}{}\mathrm{Ph}-\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2^{•}\to \mathrm{Ph}-\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2-\mathrm{X}$.
- Очень выгодно, так как бензильный радикал стабилен резонансом; не нарушается ароматичность ядра.
b) Прямая радикальная атака на кольцо (реже для бензольных; чаще для гетероароматических и сильно активируемых систем, либо при SRN1/Minisci): радикал присоединяется к кольцу с образованием циклохексадил‑радикала, далее восстановление ароматичности (абстракция H или одноэлектронное окисление/электронный перенос).
- Схема для Minisci (гетероарен): $\mathrm{He}{\mathrm{t}}^{+}+{\mathrm{R}}^{•}\to \mathrm{Het}-{\mathrm{R}}^{•}\to \mathrm{Het}-\mathrm{R}+{\mathrm{H}}^{+}$.
- Ключевые особенности: радикальные пути — цепные, часто идут при более мягких электрофильных условиях; легче дают замещение на боковых позициях; для прямой замены в кольце нужно преодолеть потерю ароматичности, поэтому такие реакции менее селективны и требуют специальных условий.
3) Факторы, определяющие направление (региселективность)
- Для ЭАЗ:
- Электронно‑донорные заместители (EDG: $-\mathrm{OH},-\mathrm{OR},-\mathrm{N}{\mathrm{H}}_2,-\mathrm{R}$) активируют кольцо и направляют в орто/пара (стабилизируют σ‑комплекс через +R или +I).
- Электронно‑принимающие заместители (EWG: $-\mathrm{N}{\mathrm{O}}_2,-\mathrm{C}{\mathrm{F}}_3,-\mathrm{C}(\mathrm{O})\mathrm{R}$) деактивируют и направляют в мета (не стабилизируют σ‑комплекс в орто/пара положительным центра).
- Галогены (‑F,‑Cl,‑Br) деактивируют по индукции, но направляют в орто/пара за счёт донорного резонансного эффекта.
- Стерические и сопряжённые эффекты (большие группы мешают орто; сопряжённые функции могут изменить направление).
- Для радикальных реакций:
- Стабильность радикального промежуточного состояния: бензильные и дегазирующие радикалы предпочтительнее.
- Для прямого радикального присоединения к кольцу — распределение спиновой плотности в промежуточном радикале/радикал‑анионе определяет позицию (напр., в Minisci ориентир — позиции с наибольшей положительной плотностью в протонированном гетероароме).
- БЭН (bond dissociation energy) и сродство к H определяют, где будет абстракция H (бензильная H легче отрывается).
- Растворитель, температура и природа инициатора/переносчика электронов влияют на селективность.
4) Основные побочные реакции и проблемы
- Для ЭАЗ:
- Полиалкилирование или полинитрование (особенно при алкилировании — образование мультисубституированных продуктов).
- Перегрев/окисление чувствительных заместителей (напр., нитрование фенолов ведёт к окислению/поликонденсации).
- Для Фридельс‑Крафтса — перестановки карбокатионных интермедиа (реарранжменты), дегидратация, образование смол.
- Для галогенирования — вероятность пара- и орто‑смесей, каталитическое замещение/дегалогенирование.
- Для радикальных реакций:
- Димеризация/склеивание радикалов (побочные поликонденсации, смолы).
- Неселективная абстракция H с боку или в других местах молекулы → смеси продуктов.
- Для прямого радикального замещения на кольце — низкие выходы из‑за трудного восстановления ароматичности; образование восстановленных/неароматизированных побочных продуктов.
- При SRN1 — побочные одноэлектронные побочные реакции (рекомбинация радикалов, восстановление аренил‑аниона в арил‑гидриды).
- При бензильном галогенировании — дальнейшая гипергалогенизация, замещение или гидролиз бензильных галогенидов.
5) Практические выводы (кратко)
- Для направленного замещения на собственно кольце обычно удобнее ЭАЗ: высокая селективность при контролируемых условиях и предсказуемое влияние заместителей.
- Для модификации боковых бензильных цепей — радикальные методы (высокая селективность по бензильной позиции).
- Для сложных случаев (гетероарены, трудноактивируемые кольца) используют радикальные методы типа Minisci или SRN1, но с учётом ограничений по селективности и побочным реакциям.
Если нужно, могу привести конкретные примеры реакций (нитрование, бромирование бензильной группы, Minisci, SRN1) с механизмами и типичными условиями.