Кратко — сравнение механизмов, примеры ориентирующих заместителей и способы получить преимущественно пара‑изомер.
1) Механизмы — суть и отличие
- Электрофильное ароматическое замещение (EAS): электрофил $E^{+}$ атакует бензольное кольцо → образуется σ‑комплекс (арений‑ион), затем отщепляется протон и ароматичность восстанавливается. Скорость и направленность зависят от способности заместителя стабилизировать/дестабилизировать σ‑комплекс (резонанс/индукция).
Ключевая стадия: образование σ‑комплекса (RDS).
- Нуклеофильное ароматическое замещение (NAS) — два основных варианта:
a) Механизм «аддиция‑элиминация» (Meisenheimer): нуклеофил Nu^- добавляется к карбону, несущему LG, образуется неароматический σ‑комплекс (Meisenheimer), стабилизируемый электронно‑снимающими группами в орто/пара; затем уходит LG и ароматичность восстанавливается. Требует сильных ЭВГ в орто/пара положениях.
b) Механизм бензина (benzyne): при жёстких условиях сильная база отщепляет H и LG с соседних атомов → образуется промежуточный «бензин» (циклический ацетиленоподобный фрагмент), который потом присоединяет нуклеофил; ведёт к смешанному региоизомеру и обычно требует высоких температур/сильной базы.
2) Ориентирующие заместители — обобщение
- Орто/пара‑директоры (активирующие, через +R или гиперконъюгацию): $-\mathrm{OH},-\mathrm{OR},-\mathrm{N}{\mathrm{H}}_2,-\mathrm{NHR},-\mathrm{N}{\mathrm{R}}_2,-\mathrm{R}$. Они стабилизируют σ‑комплекс резонансно → EAS идёт в орто/пара.
- Метa‑директоры (деактивирующие, через −I/−R): $-\mathrm{N}{\mathrm{O}}_2,-\mathrm{C}{\mathrm{F}}_3,-\mathrm{S}{\mathrm{O}}_3\mathrm{H},-\mathrm{C}(\mathrm{O})\mathrm{R},-\mathrm{CN}$. Они дестабилизируют σ‑комплекс в орто/пара → EAS идёт предпочтительно в м‑позицию.
- Галогеновые заместители $-\mathrm{F},-\mathrm{Cl},-\mathrm{Br},-\mathrm{I}$: деактивируют (−I) но через резонанс дают +R вклад, поэтому направляют в орто/пара, но замедляют реакцию в целом.
- Для NAS (аддиция‑элиминация) ключевы сильные ЭВГ в орто/пара относительно LG (пример: $\mathrm{N}{\mathrm{O}}_2,CN,C(O)R$), они стабилизируют отрицательный заряд в Meisenheimer‑комплексе.
3) Примеры (типичные реакции)
- EAS: нитрование анизола → преимущественно пара‑нуктритование (даёт p‑нитроанизол), фенол/аниозол — сильные орто/пара‑директоры.
- NAS (Meisenheimer): $4-\mathrm{N}{\mathrm{O}}_2{\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_4\mathrm{Cl}+\mathrm{NaOC}{\mathrm{H}}_3\to 4-\mathrm{N}{\mathrm{O}}_2{\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_4\mathrm{OC}{\mathrm{H}}_3$ (нуклеофил замещает Cl через Meisenheimer‑интермедиат).
- Benzyne: ${\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_5\mathrm{Cl}+\mathrm{NaN}{\mathrm{H}}_2$ (жёсткие условия) — замещение через бензиновый промежуточный путь, даёт смесь изомеров.
4) Как синтезировать преимущественно пара‑изомер (практически)
- Выбор направляющей группы: использовать сильный орто/пара‑директор (например $-\mathrm{OR}$ или $-\mathrm{N}{\mathrm{R}}_2$), которые по электронной природе дают значительную пара‑селективность.
- Стерическая селекция: иметь громоздкий заместитель, мешающий атаке в орто‑позициях; тогда электрофил предпочитает пара‑позицию. Также использовать крупный электрофил/реагент или «мышечное» условие реакции.
- Блокирующая (временная) группа: сначала ввести временную группу, блокирующую орто‑позиции (или блокирующую нежелательное положение), провести нужное замещение в доступной пара‑позиции, затем удалить блокирующую группу. Примеры блокирования: временная сульфонирование/ацилование/сильные защитные группы в зависимости от субстрата (после замещения проводят десульфонацию/деацетилирование).
- Специфические современные методы: пара‑селективные шаблоны/директирующие группы и методы C–H‑активации, которые адресно доставляют металл/реагент в пара‑позицию (ремуверные шаблоны).
- Для NAS: обеспечить, чтобы LG находился пара относительно сильного ЭВГ — тогда аддиция‑элиминация даст прямо пара‑продукт.
Короткий практический пример: чтобы получить в основном p‑нитросоединение от фенола, можно сначала превратить фенол в его эфир ($-\mathrm{OR}$) — это усилит орто/пара‑направление и за счёт стерики/условий реакции (низкая температура, контролируемый н‑той эквивалент нитрующего агента) увеличить долю пара; альтернативно — временно блокировать орто‑позиции и затем нитровать.
Если нужно, могу привести конкретную пошаговую схему для вашей конкретной замены (исходный заместитель, желаемый продукт).