炭化水素の構造と特性の関係を調査する - セッション 3

求電子置換反応。フリーデルクラフツアルキル化。フリーデルクラフツアシル化。ベンゼンのニトロ化。ベンゼンのハロゲン化。ベンゼンの接触水素化。

ベンゼンのさまざまなタイプの求電子置換反応について説明します。しかし、先に進む前に、求電子置換反応が何を意味するのか教えていただけますか?。求電子剤は、電子を引き付ける力を持つ電子不足の種です。置換という言葉は、置き換えを意味します。したがって、ベンゼンの求電子置換とは、ベンゼン内の 1 つ以上の原子または基を置換することによってベンゼンに求電子剤を導入することを意味します。生成物として置換ベンゼンが生成されます。

フリーデルクラフツアルキル化は、芳香族化合物にアルキル基を導入する求電子置換反応です。発見者であるチャールズ・フリーデルとジェームズ・クラフツにちなんで名付けられました。この反応は、芳香族化合物、アルキルハロゲン化物、およびルイス酸触媒の相互作用によって起こります。生成される生成物はアルキル化芳香族化合物とハロゲン化水素です。これは求電子置換反応です。この反応では、アルキル基が求電子剤として作用します。芳香族化合物の水素原子を置換します。

フリーデル・クラフツアルキル化のメカニズムを理解するために、ベンゼンと塩化メチルの例を見てみましょう。ベンゼンを塩化メチルと塩化アルミニウムと反応させます。ベンゼンは芳香族化合物です。塩化メチルはアルキル化剤として作用します。塩化アルミニウムはルイス酸触媒として作用します。生成される生成物はトルエンです。副産物として塩化水素も生成されます。

ここで、ベンゼンのフリーデルクラフツアルキル化の詳細なメカニズムについて説明します。最初のステップは塩化メチルの活性化です。塩化アルミニウムは塩化メチルと反応してメチルカチオンと呼ばれる反応性物質を生成し、 AlCl₄⁻。メチルカチオンは電子不足であるため求電子剤として作用します。

次のステップは共鳴安定化カルボカチオンの形成です。このステップでは、生成されたメチルカチオンがベンゼン分子と相互作用します。ベンゼンの二重結合がメチルカチオンを攻撃します。メチルカチオンがベンゼン環に付加されます。共鳴安定化カルボカチオンが形成される。

取りましょう AlCl₄⁻例として。アルキル基が結合したカルボカチオンの炭素原子から水素イオンを引き継ぎます。その結果、カルボカチオンはメチル化ベンゼンに変換されます。このメチル化されたベンゼンはトルエンと呼ばれます。水素イオンを除去した後 AlCl₄⁻イオンは塩化アルミニウムと塩化水素に変換されます。

フリーデルクラフツアシル化は、芳香族化合物にアシル基を導入する反応です。この反応は、芳香族化合物、塩化アシル、およびルイス酸触媒の相互作用によって起こります。 Rアシル塩化物では任意のアルキル基を表します。生成される生成物は、アシル化芳香族化合物とハロゲン化水素です。これは求電子置換反応です。この反応では、アシル基が求電子剤として作用します。芳香族化合物の水素原子を置換します。

ここで、ベンゼンのフリーデルクラフツアシル化の詳細なメカニズムについて説明します。反応は塩化アシルの活性化から始まります。ルイス酸触媒（典型的には塩化アルミニウム）を反応混合物に加えます。塩化アルミニウムは塩化アシルと反応してアシルイオンを生成し、 AlCl4-イオン。

次のステップは共鳴安定化カルボカチオンの形成です。このステップでは、アシルイオンがベンゼン分子と相互作用します。ベンゼンの二重結合がアシルイオンを攻撃します。アシルイオンがベンゼン環に付加されます。共鳴安定化カルボカチオンが形成される。

さて、考えてみましょう AlCl₄⁻イオン。アシル基が結合したカルボカチオンの炭素原子から水素イオンを引き継ぎます。その結果、カルボカチオンはアシル化ベンゼンに変換されます。アシル化ベンゼンはケトンです。水素イオンを除去した後 AlCl₄⁻イオンは塩化アルミニウムと塩化水素に変換されます。ベンゼンを塩化アセチルでフリーデルクラフツアシル化すると、どのような生成物が形成されるかわかりますか？ CH₃COClの存在下で AlCl₃?。

ベンゼンのニトロ化は、 -NO2ベンゼン環に導入されます。これは求電子置換反応でもあります。この反応は硝酸と硫酸の混合物を使用して行われますこの混合物はニトロ化剤と呼ばれます。生成される生成物はニトロベンゼンです。

反応はニトロニウムイオンの生成から始まります。ニトロニウムイオンはベンゼンのニトロ化を担う求電子種です。濃硝酸と濃硫酸を混合するとニトロニウムイオンが生成されます。硫酸は硝酸に水素イオンを与えます。その結果、ニトロニウムイオンと亜硫酸水素イオンが生成されます。

ニトロニウムイオンは求電子剤として作用します。電子が豊富なベンゼン環を攻撃します。ベンゼン環はニトロニウムイオンに電子対を供与します。その結果、アレニウムイオンとしても知られるシグマ錯体が形成されます。アレーンイオンは、正電荷がベンゼン環上に非局在化した共鳴安定化中間体です。

芳香族系は、アレニウムイオンの脱プロトン化によって安定性を取り戻します。重硫酸イオンはアレニウムイオンから陽子を抽出します。その結果、ニトロベンゼンが生成されます。副産物として硫酸も生成されます。

ベンゼンのハロゲン化も求電子置換反応です。ベンゼンにハロゲンを導入する反応です。このプロセスで使用される触媒は臭化鉄または塩化鉄です。例えば、ベンゼンの臭素化では、塩化鉄の存在下でベンゼンが臭素と反応します。この反応で生成される生成物はブロモベンゼンです。

この反応のメカニズムについて議論しましょう。まず、臭素は臭化鉄と反応して錯体を形成します。この錯体では、臭化鉄が末端臭素原子を分極します。末端臭素原子は臭素陽イオンになります。ベンゼン環は臭素陽イオンに電子対を供与します。その結果、カルボカチオンが形成されます。その後、 FeBr₄⁻イオンは臭素原子が結合したカルボカチオンの炭素原子から水素イオンを受け取ります。その結果、臭化ベンゼンが生成されます。副産物として臭化水素が生成されます。

ベンゼンの接触水素化は、触媒の存在下でベンゼンが水素ガスと反応してシクロヘキサンを形成する化学反応です。ベンゼンの接触水素化は求電子置換反応ではありません。それは付加反応です。この反応では、ベンゼンの炭素二重結合に水素原子が追加されます。非常に細かく分割されたニッケルは、この反応の触媒として使用できます。

アルキルハライドの構造と特性の関係を調査する - セッション 1

炭化水素の構造と特性の関係を調査する - セッション 3

求電子置換反応。 フリーデルクラフツアルキル化。 フリーデルクラフツアシル化。 ベンゼンのニトロ化。 ベンゼンのハロゲン化。 ベンゼンの接触水素化。

求電子置換反応。フリーデルクラフツアルキル化。フリーデルクラフツアシル化。ベンゼンのニトロ化。ベンゼンのハロゲン化。ベンゼンの接触水素化。