الاستبدال العطري المحب للإلكترون

الاستبدال العطري المحب للإلكترون ( S _E Ar ) هو تفاعل عضوي يتم فيه استبدال ذرة مرتبطة بنظام عطري (عادة الهيدروجين) بذرة محبة للإلكترون . بعض أهم عمليات الاستبدال العطري المحب للإلكترون هي النترتة العطرية والهالوجين العطري والسلفنة العطرية والألكلة وتفاعل فريدل-كرافت والأسيلة وتفاعل فريدل-كرافت. ^[1]

المثال الأكثر ممارسة على نطاق واسع لهذا التفاعل هو إيثيل البنزين.

تم إنتاج ما يقرب من 24.700.000 طن في عام 1999. ^[2] (بعد نزع الهيدروجين والبلمرة، يتم إنتاج البوليسترين البلاستيكي السلعي.) في هذه العملية، تُستخدم الأحماض كمحفز لتوليد الكاتيون الكربوني الأولي. يتم إجراء العديد من التفاعلات الأخرى المحبة للإلكترون للبنزين، وإن كان على نطاق أصغر بكثير؛ فهي طرق قيمة للوسطاء الرئيسيين. يتم تحقيق نترات البنزين من خلال عمل أيون النيترونيوم كمحب للإلكترون. تعطي السلفنة بحمض الكبريتيك المدخن حمض البنزين سلفونيك . تعطي الهالوجينات العطرية بالبروم أو الكلور أو اليود هاليدات الأريل المقابلة. يتم تحفيز هذا التفاعل عادةً بواسطة ثلاثي هاليد الحديد أو الألومنيوم المقابل.

يمكن إجراء تفاعل فريدل-كرافت إما كأسيلة أو كألكلة . غالبًا ما يتم استخدام ثلاثي كلوريد الألومنيوم ، ولكن يمكن تطبيق أي حمض لويس قوي تقريبًا . لتفاعل الأسيلة، يلزم كمية متكافئة من ثلاثي كلوريد الألومنيوم.

تبدأ آلية التفاعل الكلية، والتي يرمز لها بالرمز الميكانيكي هيوز-إنجولد S _E Ar ، ^[3] بمهاجمة الحلقة العطرية للمُحب للإلكترون E ⁺ (2a). تؤدي هذه الخطوة إلى تكوين كاتيون حلقي هكسادينيل مشحون إيجابيًا وغير موضعي ، يُعرف أيضًا باسم أيون أرينيوم ، أو وسيط ويلاند، أو معقد أرين سيجما (2b). تم وصف العديد من الأمثلة على هذا الكربون ، ولكن في ظل ظروف التشغيل العادية، ستتبرع هذه الأنواع شديدة الحموضة بالبروتون المرتبط بذرة الكربون sp3 ^للمذيب (أو أي قاعدة ضعيفة أخرى) لإعادة تأسيس العطرية. والنتيجة الصافية هي استبدال H بـ E في الحلقة الأريلية (3).

في بعض الأحيان، تغادر مجموعات أخرى من الكهربيات (المجموعات التي يمكن أن تغادر بدون زوج الإلكترونات الخاص بها ) بجانب H ^{+ لإعادة تأسيس العطرية؛ وتشمل هذه الأنواع مجموعات السيليل (مثل SiR} ₃ ⁺ )، والمجموعة الكربوكسيلية (مثل CO ₂ + H ⁺ )، ومجموعة اليودو (مثل I ⁺ )، ومجموعات الألكيل الثلاثية مثل t -butyl (مثل R ⁺ ). يتم استغلال قدرة هذه الأنواع من البدائل على المغادرة أحيانًا بشكل صناعي، وخاصة في حالة استبدال السيليل بمجموعة وظيفية أخرى ( هجوم ipso ). ومع ذلك، فإن فقدان المجموعات مثل اليودو أو الألكيل غالبًا ما يكون تفاعلًا جانبيًا غير مرغوب فيه.

تتأثر كل من الانتقائية الإقليمية -أنماط استبدال الأرين المتنوعة- وسرعة الاستبدال العطري المحب للإلكترونات بالبدائل المرتبطة بالفعل بحلقة البنزين. من حيث الانتقائية الإقليمية، تعزز بعض المجموعات الاستبدال عند مواضع أورثو أو بارا ، بينما تفضل مجموعات أخرى الاستبدال عند موضع ميتا. تسمى هذه المجموعات إما توجيه أورثو -بارا أو توجيه ميتا ، على التوالي. بالإضافة إلى ذلك، ستزيد بعض المجموعات من معدل التفاعل ( التنشيط ) بينما ستقلل مجموعات أخرى من المعدل ( إلغاء التنشيط ). في حين يمكن تفسير أنماط الانتقائية الإقليمية باستخدام هياكل الرنين ، يمكن تفسير التأثير على الحركية من خلال كل من هياكل الرنين والتأثير الاستقرائي .

يمكن تقسيم البدائل بشكل عام إلى فئتين فيما يتعلق بالاستبدال المحب للإلكترونات: التنشيط وإلغاء التنشيط تجاه الحلقة العطرية. تعمل البدائل المنشطة أو المجموعات المنشطة على تثبيت الوسيط الكاتيوني المتكون أثناء الاستبدال عن طريق التبرع بالإلكترونات في نظام الحلقة، إما عن طريق التأثير الاستقرائي أو تأثيرات الرنين . ومن أمثلة الحلقات العطرية المنشطة التولوين والأنيلين والفينول .

لا يتم توزيع كثافة الإلكترون الإضافية التي يتم توصيلها إلى الحلقة بواسطة البديل بالتساوي على الحلقة بأكملها ولكنها تتركز على الذرات 2 و4 و6، وبالتالي فإن البدائل المنشطة هي أيضًا موجهات أورثو/بارا (انظر أدناه).

من ناحية أخرى، تعمل البدائل المعطلة على زعزعة استقرار الكاتيون الوسيط وبالتالي تقليل معدل التفاعل إما عن طريق التأثيرات الاستقرائية أو الرنينية. وهي تفعل ذلك عن طريق سحب كثافة الإلكترون من الحلقة العطرية. يعني تعطيل النظام العطري أن الظروف الأكثر قسوة مطلوبة بشكل عام لدفع التفاعل إلى الاكتمال. ومن الأمثلة على ذلك نترات التولوين أثناء إنتاج ثلاثي نتروتولوين (TNT). بينما يمكن إجراء النترتة الأولى، على حلقة التولوين المنشطة، في درجة حرارة الغرفة ومع حمض مخفف، فإن النترتة الثانية، على حلقة النيتروتولوين المعطلة، تحتاج بالفعل إلى تسخين مطول وحمض أكثر تركيزًا، والثالثة، على ثنائي نتروتولوين المعطل بشدة، يجب أن تتم في حمض الكبريتيك المركز المغلي . المجموعات التي تسحب الإلكترونات عن طريق الرنين تقلل من كثافة الإلكترونات خاصة في المواضع 2 و4 و6، مما يجعل الموضعين 3 و5 هما الموضعان اللذان يتمتعان بتفاعلية أعلى نسبيًا، لذا فإن هذه الأنواع من المجموعات هي موجهات ميتا (انظر أدناه). الهالوجينات سالبة كهربيًا، لذا فهي تتعطل عن طريق الحث، لكنها تحتوي على أزواج وحيدة، لذا فهي مانحة للرنين وبالتالي موجهة أورثو/بارا.

المجموعات التي تحتوي على أزواج غير مشتركة من الإلكترونات، مثل المجموعة الأمينية للأنيلين ، نشطة بقوة (تتعطل في بعض الأحيان أيضًا في حالة الهاليدات ) وتوجه أورثو/بارا عن طريق الرنين. تتبرع مثل هذه المجموعات المنشطة بتلك الإلكترونات غير المشتركة لنظام باي ، مما يخلق شحنة سالبة على مواضع أورثو وبارا. وبالتالي فإن هذه المواضع هي الأكثر تفاعلية تجاه محب للإلكترونات فقير بالإلكترونات. قد يتم تعويض هذه التفاعلية المتزايدة عن طريق العائق الفراغي بين المجموعة المنشطة والمحب للإلكترونات ولكن من ناحية أخرى يوجد موضعان أورثو للتفاعل ولكن موضع بارا واحد فقط. وبالتالي يصعب التنبؤ بالنتيجة النهائية للاستبدال العطري المحب للإلكترونات، وعادةً ما يتم تحديدها فقط من خلال إجراء التفاعل ومراقبة نسبة الاستبدال أورثو مقابل بارا.

بالإضافة إلى الطبيعة النووية المتزايدة للحلقة الأصلية، عندما يهاجم المحب للإلكترون مواضع أورثو وبارا للأنيلين، يمكن لذرة النيتروجين أن تتبرع بكثافة الإلكترون لنظام باي (مكونة أيون إيمينيوم )، مما يعطي أربعة هياكل رنينية (على عكس ثلاثة في التفاعل الأساسي). وهذا يعزز بشكل كبير استقرار الوسيط الكاتيوني.

عندما يهاجم المحب للإلكترون موضع الميتا، لا تستطيع ذرة النيتروجين التبرع بكثافة الإلكترون لنظام باي ، مما يعطي ثلاثة مساهمين في الرنين فقط. يتوافق هذا المنطق مع العائدات المنخفضة للمنتج المستبدل بالميتا.

قد تتبرع بدائل أخرى، مثل البدائل الألكيلية والأريلية ، أيضًا بكثافة إلكترونية لنظام باي ؛ ومع ذلك، نظرًا لأنها تفتقر إلى زوج متاح غير مشترك من الإلكترونات، فإن قدرتها على القيام بذلك محدودة إلى حد ما. وبالتالي، فإنها تنشط الحلقة بشكل ضعيف فقط ولا تضر بشدة بموضع الميتا .

التوجيه المعدني التقويمي الموجه هو نوع خاص من EAS مع موجهي تقويم خاصين .

المجموعات غير الهالوجينية ذات الذرات الأكثر كهرسلبية من الكربون، مثل مجموعة حمض الكربوكسيل (-CO2H ₎ ، تسحب كثافة إلكترونية كبيرة من نظام باي . هذه المجموعات هي مجموعات تعطيل قوية . بالإضافة إلى ذلك، نظرًا لأن الكربون البديل فقير بالإلكترونات بالفعل، فإن أي بنية لها مساهم رنيني حيث توجد شحنة موجبة على الكربون الذي يحمل مجموعة سحب الإلكترون (أي هجوم أورثو أو بارا ) تكون أقل استقرارًا من غيرها. لذلك، فإن هذه المجموعات الساحبة للإلكترون هي موجهة ميتا لأن هذا هو الموضع الذي لا يحتوي على قدر كبير من عدم الاستقرار.

كما أن التفاعل أبطأ بكثير ( معدل تفاعل نسبي 6×10 ⁻⁸ مقارنة بالبنزين) لأن الحلقة أقل نوكليوفيلية.

بالمقارنة مع البنزين، فإن معدل الاستبدال المحب للإلكترونات على البيريدين أبطأ بكثير، بسبب السالبية الكهربية الأعلى لذرة النيتروجين. بالإضافة إلى ذلك، يحصل النيتروجين في البيريدين بسهولة على شحنة موجبة إما عن طريق البروتونات (من النترتة أو السلفنة ) أو أحماض لويس (مثل AlCl ₃ ) المستخدمة لتحفيز التفاعل. وهذا يجعل التفاعل أبطأ من خلال وجود شحنات رسمية متجاورة على الكربون والنيتروجين أو شحنتين رسميتين على ذرة موضعية. إن إجراء استبدال محب للإلكترونات مباشرة في البيريدين يكاد يكون مستحيلاً.

من أجل إجراء التفاعل، يمكن إجراؤه من خلال تفاعلين محتملين، وكلاهما غير مباشر.

من الطرق الممكنة لإجراء عملية استبدال على البيريدين هي الاستبدال العطري النوكليوفيلي. حتى بدون محفزات، يمكن لذرة النيتروجين، كونها سالبة كهربيًا، أن تحمل الشحنة السالبة بمفردها. طريقة أخرى هي إجراء أكسدة قبل الاستبدال المحب للإلكترون. هذا يجعل البيريدين N- أكسيد ، والذي بسبب ذرة الأكسجين السالبة، يجعل التفاعل أسرع من البيريدين، وحتى البنزين. يمكن بعد ذلك اختزال الأكسيد إلى البيريدين المستبدل.

ربط مجموعة دخول بموضع في مركب عطري يحمل بالفعل مجموعة بديلة (بخلاف الهيدروجين). قد تحل المجموعة الداخلة محل مجموعة البديل تلك ولكن قد يتم طردها أيضًا أو تنتقل إلى موضع آخر في خطوة لاحقة. لا يتم استخدام مصطلح " استبدال ipso " لأنه مرادف للاستبدال. ^[4] أحد الأمثلة الكلاسيكية هو تفاعل حمض الساليسيليك مع خليط من حمض النيتريك وحمض الكبريتيك لتكوين حمض البكريك . تتضمن نترات الموضع 2 فقدان ثاني أكسيد الكربون _{كمجموعة} مغادرة. يعد إزالة السلفونات حيث يتم استبدال مجموعة السلفونيل ببروتون مثالاً شائعًا. انظر أيضًا إعادة ترتيب هاياشي . في المركبات العطرية المستبدلة بالسيليكون، يتفاعل السيليكون عن طريق الاستبدال ipso .

بالمقارنة مع البنزين، فإن الفورانات والثيوفينات والبيرولات أكثر عرضة للهجوم المحب للإلكترونات. تحتوي كل هذه المركبات على ذرة بها زوج غير مشترك من الإلكترونات ( الأكسجين أو الكبريت أو النيتروجين ) كعضو في الحلقة العطرية، مما يعمل على تثبيت الوسيط الكاتيوني بشكل كبير. ومن أمثلة الاستبدالات المحبة للإلكترونات للبيرول تفاعل بيكتيت-شبنجلر وتفاعل بيشلر-نابيرالسكي .

تم تكييف الاستبدالات العطرية المحبة للإلكترونات مع محبات الكربون البروكيرالية للتخليق غير المتماثل عن طريق التحول إلى حفازات حمض لويس الكيرالية خاصة في تفاعلات نوع فريدل-كرافتس . يتعلق أحد الأمثلة المبكرة بإضافة الكلورال إلى الفينولات المحفزة بواسطة كلوريد الألومنيوم المعدل بـ (-)-منثول . ^[5] تمت إضافة مركب جليوكسيلات إلى N , N-ديميثيل أنيلين مع نظام حفاز ثلاثي فلات نحاسي ( II ) ربيطة كيرالية أيضًا في ألكلة هيدروكسيل فريدل-كرافتس : ^[6]

في ألكلة أخرى يتفاعل N-ميثيل بيرول مع كروتونالدهيد المحفز بحمض ثلاثي فلورو أسيتيك المعدل بإيميدازوليدينون كيرالي : ^[7]

يتفاعل الإندول مع الإيناميد المحفز بواسطة حمض الفوسفوريك المشتق من BINOL : ^[8]

في وجود 10-20٪ من المحفز الكيرالي، يمكن تحقيق 80-90٪ من الطاقة الكهربائية .

• تتضمن التفاعلات الأخرى التي تتبع نمط الاستبدال العطري المحب للإلكترون مجموعة من تفاعلات الفورميلة العطرية بما في ذلك تفاعل فيلسمير-هاك وتفاعل جاتيرمان-كوخ وتفاعل رايمر-تيمان .
• ومن بين المواد المحبة للإلكترون الأخرى أملاح الديازونيوم العطرية في اقترانات الديازونيوم ، وثاني أكسيد الكربون في تفاعل كولبي-شميت ، ومجموعات الكاربونيل المنشطة في تكاثف بيشمان ، وأيون هيدروكسي كاربينيوم في كلورو ميثيل بلانك عبر وسيط (هيدروكسي ميثيل) أرين (كحول بنزيل)، وكاتيون الكلوريل (ClO3 ₊ ⁾ للبيركلوريل المحب للإلكترون .
• في تفاعل ليهمشتيدت-تاناسيسكو متعدد الخطوات ، أحد المواد المحبة للإلكترونات هو وسيط N-نيتروزو.
• في تفاعل تشيرنياك-إينهورن (الذي سمي على اسم جوزيف تشيرنياك وألفريد إينهورن ) يكون المحب للإلكترون مشتقًا من مادة N-ميثانول من أميد ^{[9] [10]}

• الهالوجينات المحبة للإلكترون
• الاستبدال العطري النووي

• تفاعلات الاستبدال العطرية – جامعة ولاية ميشيغان