Как меняется электронная структура и свойства соединения при замещении водорода на галоген в бензольном кольце — сравните влияние F, Cl, Br и I на реакционную способность и полярность молекулы
Коротко — замена H на галоген в бензоле одновременно даёт индуктивное отвлечение электрона (−I) и резонансное донорство через неподелённую пару (+R); в сумме все галогены деактивируют кольцо по отношению к бензолу, но направляют замещение в орто/пара-позиции. Ниже — сравнение по важным свойствам. - Индуктивный эффект (электрооттягивание): F>Cl>Br>I\mathrm{F}>\mathrm{Cl}>\mathrm{Br}>\mathrm{I}F>Cl>Br>I. - Резонансное донорство (p‑p перекрытие lone pair → π): F>Cl>Br>I\mathrm{F}>\mathrm{Cl}>\mathrm{Br}>\mathrm{I}F>Cl>Br>I (для F перекрытие лучше, но его сильный −I часто доминирует). - Общая реакционная способность в электрофильном ароматическом замещении (сравнение с бензолом): все галогензо́нные производные менее реактивны, порядок реактивности среди них примерно Ph–H>Ph–I>Ph–Br>Ph–Cl>Ph–F\mathrm{Ph–H}>\mathrm{Ph–I}>\mathrm{Ph–Br}>\mathrm{Ph–Cl}>\mathrm{Ph–F}Ph–H>Ph–I>Ph–Br>Ph–Cl>Ph–F. (следовательно, I и Br «мягче» в EAS, F — наиболее деактивирующий). - Направленность: все галогены — орто/пара‑директоры за счёт резонансного эффекта, несмотря на общее понижение электронной плотности. - Полярность молекулы / диполь C–X: величина диполя падает вниз по группе: C–F>C–Cl>C–Br>C–I\mathrm{C–F}>\mathrm{C–Cl}>\mathrm{C–Br}>\mathrm{C–I}C–F>C–Cl>C–Br>C–I. - Поляризуемость (легкость искажения электронной плотности) растёт вниз: I>Br>Cl>F\mathrm{I}>\mathrm{Br}>\mathrm{Cl}>\mathrm{F}I>Br>Cl>F. Это даёт более сильные дисперсионные взаимодействия и легче образуются ионические/радикальные процессы с тяжелыми галогенами. - Уходящая способность / лёгкость окислительной аддации (важно для кросс‑спаривания, радиальных ионизаций): I>Br>Cl>F\mathrm{I}>\mathrm{Br}>\mathrm{Cl}>\mathrm{F}I>Br>Cl>F. - SNAr (Meisenheimer) реакции: если кольцо активировано электронно‑принимающими заместителями, то способность стабилизировать промежуточный комплекс делает фторзамещённый фенил часто наиболее реакционноспособным; но если смотреть только по уходящей способности, то I>Br>Cl>F\mathrm{I}>\mathrm{Br}>\mathrm{Cl}>\mathrm{F}I>Br>Cl>F. - Сила связи C–X\mathrm{C–X}C–X: C–F>C–Cl>C–Br>C–I\mathrm{C–F}>\mathrm{C–Cl}>\mathrm{C–Br}>\mathrm{C–I}C–F>C–Cl>C–Br>C–I — влияет на термическую/радикальную стабильность и скорость гомолиза. Итог: фтор даёт сильный −I и большой диполь (молекула наиболее полярна), но хороший p‑перекрытие даёт заметный +R; хлор/бром — промежуточны; иод слабее по −I и диполю, но сильно поляризуем и лучший уходящий фрагмент, поэтому среди галогензофенолов EAS реактивность растёт вниз по группе, а полярность — в обратном порядке.
- Индуктивный эффект (электрооттягивание): F>Cl>Br>I\mathrm{F}>\mathrm{Cl}>\mathrm{Br}>\mathrm{I}F>Cl>Br>I.
- Резонансное донорство (p‑p перекрытие lone pair → π): F>Cl>Br>I\mathrm{F}>\mathrm{Cl}>\mathrm{Br}>\mathrm{I}F>Cl>Br>I (для F перекрытие лучше, но его сильный −I часто доминирует).
- Общая реакционная способность в электрофильном ароматическом замещении (сравнение с бензолом): все галогензо́нные производные менее реактивны, порядок реактивности среди них примерно Ph–H>Ph–I>Ph–Br>Ph–Cl>Ph–F\mathrm{Ph–H}>\mathrm{Ph–I}>\mathrm{Ph–Br}>\mathrm{Ph–Cl}>\mathrm{Ph–F}Ph–H>Ph–I>Ph–Br>Ph–Cl>Ph–F. (следовательно, I и Br «мягче» в EAS, F — наиболее деактивирующий).
- Направленность: все галогены — орто/пара‑директоры за счёт резонансного эффекта, несмотря на общее понижение электронной плотности.
- Полярность молекулы / диполь C–X: величина диполя падает вниз по группе: C–F>C–Cl>C–Br>C–I\mathrm{C–F}>\mathrm{C–Cl}>\mathrm{C–Br}>\mathrm{C–I}C–F>C–Cl>C–Br>C–I.
- Поляризуемость (легкость искажения электронной плотности) растёт вниз: I>Br>Cl>F\mathrm{I}>\mathrm{Br}>\mathrm{Cl}>\mathrm{F}I>Br>Cl>F. Это даёт более сильные дисперсионные взаимодействия и легче образуются ионические/радикальные процессы с тяжелыми галогенами.
- Уходящая способность / лёгкость окислительной аддации (важно для кросс‑спаривания, радиальных ионизаций): I>Br>Cl>F\mathrm{I}>\mathrm{Br}>\mathrm{Cl}>\mathrm{F}I>Br>Cl>F.
- SNAr (Meisenheimer) реакции: если кольцо активировано электронно‑принимающими заместителями, то способность стабилизировать промежуточный комплекс делает фторзамещённый фенил часто наиболее реакционноспособным; но если смотреть только по уходящей способности, то I>Br>Cl>F\mathrm{I}>\mathrm{Br}>\mathrm{Cl}>\mathrm{F}I>Br>Cl>F.
- Сила связи C–X\mathrm{C–X}C–X: C–F>C–Cl>C–Br>C–I\mathrm{C–F}>\mathrm{C–Cl}>\mathrm{C–Br}>\mathrm{C–I}C–F>C–Cl>C–Br>C–I — влияет на термическую/радикальную стабильность и скорость гомолиза.
Итог: фтор даёт сильный −I и большой диполь (молекула наиболее полярна), но хороший p‑перекрытие даёт заметный +R; хлор/бром — промежуточны; иод слабее по −I и диполю, но сильно поляризуем и лучший уходящий фрагмент, поэтому среди галогензофенолов EAS реактивность растёт вниз по группе, а полярность — в обратном порядке.