18.4
في تفاعل الاستبدال العطري الإلكتروفيلي، يستبدل الإلكتروفيل ذرة هيدروجين في مركب عطري.
يمكن إضافة العديد من المجموعات الوظيفية إلى المركبات العطرية عن…
البدائل العطرية المحبة للكهرباء هي تفاعلات يحل فيها المحبة للكهرباء محل أحد الهيدروجينات العطرية.
تسمح هذه التفاعلات بإدخال مجموعات وظيفية مختلفة على الحلقات العطرية.
في الخطوة الأولى من آلية التفاعل ، يهاجم النظام π للحلقة العطرية المحبة للكهرباء لتشكيل أيون أرينيوم ، وهو مستقر بالرنين.
يطلقعلى أيون الأرينيوم أيضا اسم مركب سيجما لأن المحبة للكهرباء تشكل رابطة سيجما مع الحلقة العطرية.
في الخطوة الثانية ، يتم إزالة البروتون من أيون الأرينيوم ، واستعادة الروائح وإعطاء المنتج البديل.
كما يتضح من مخطط الطاقة الحرة ، فإن الخطوة الأولى هي منشط للطاقة لأن الحلقة تفقد ثباتها العطري. تحتوي هذه الخطوة على طاقة حرة أعلى للتنشيط وهي بطيئة. وبالتالي ، فهي خطوة تحديد المعدل.
في المقابل ، فإن الخطوة الثانية مفرطة للطاقة لأنها تعيد الاستقرار العطري للنظام. لديها طاقة حرة أقل للتنشيط وسريعة.
بشكل عام ، البدائل العطرية المحبة للكهرباء هي تفاعلات طاردة للطاقة.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: What happens in the first step of an electrophilic aromatic substitution reaction?
In the first step, the π system of the aromatic ring attacks the electrophile, forming an arenium ion, also called a sigma complex. This intermediate is resonance-stabilized because the electrophile forms a sigma bond with the aromatic ring. This step is endergonic and rate-determining because the ring loses its aromatic stability.
Q2: Why is the first step of electrophilic aromatic substitution the rate-determining step?
The first step is rate-determining because it has a higher free energy of activation and is slow. During this step, the aromatic ring loses its aromatic stability, making the reaction endergonic. The second step, which restores aromaticity, is fast and exergonic with lower activation energy.
Q3: What is an arenium ion in aromatic substitution?
An arenium ion is the resonance-stabilized intermediate formed when the π system of an aromatic ring attacks an electrophile. It is also called a sigma complex because the electrophile forms a sigma bond with the aromatic ring. This intermediate is then deprotonated in the second step to restore aromaticity.
Q4: How does the second step of electrophilic aromatic substitution restore aromaticity?
In the second step, the arenium ion is deprotonated, which restores the aromatic character of the ring and yields the substituted product. This step is exergonic because it restores aromatic stability to the system. It has a lower free energy of activation and proceeds rapidly compared to the first step.
Q5: What functional groups can be introduced through electrophilic aromatic substitution?
Many functional groups can be added to aromatic compounds through electrophilic aromatic substitution reactions. These include halogens, nitro groups, sulfonic acid groups, and alkyl or acyl groups. The specific functional group introduced depends on the electrophile used in the reaction.
Q6: Is electrophilic aromatic substitution an overall exergonic or endergonic reaction?
Overall, electrophilic aromatic substitution reactions are exergonic. Although the first step is endergonic and rate-determining, the second step is exergonic and restores aromatic stability. The favorable energy release in the second step outweighs the energy cost of the first step, making the overall process thermodynamically favorable.
Q7: How does a free energy diagram illustrate the two-step mechanism of electrophilic aromatic substitution?
A free energy diagram shows that the first step has a higher activation energy and is endergonic, representing the rate-determining step where aromaticity is lost. The second step has lower activation energy and is exergonic, restoring aromaticity. The overall reaction is exergonic, with the final product at lower free energy than the starting material.