Kinetika naspram termodinamiki kintrolisane reakcijeU prethodnom delu bilo je govora da odnos produkata reakcije supstitucije, tanije, odnos orto- meta-, i para-izomera, zavisi od relativne brzine kojim ovi izomeri nastaju, tj. ovde se radi o kinetiki kontrolisanim produktima reakcije.To nije u praksi uvek tako u reakciji Friedel-Crafts-ovog alkilovanja metil-benzena (Me grupa je o-/p- dirigujua) sa benzil bromidom i u prisustvu GaBr3 kao Lewisove kiseline, na 25C, naeno je de je raspodela izomera sledea:

ak i nakon 0.01 sekunde, kada koliina nastalog proizvoda reakcije nije dovoljno velika da bi smeli da se donose jasni zakljuci o odnosu nastalih izomera, koliina m-izomera nije zanemarljivo mala, a nakon 10 minuta, koliina nastalog meta-izomera je u viku u odnosu na ostale izomere.

Nakon 10 minuta u reakcionoj smei je dominirao najstabilniji m-izomer, koji je proizvod termodinamiki kontrolisane reakcije.

Postavlja se pitanje da li termodinamiki-kontrolisan produkt reakcije nastaje pregrupisavanjem unutar izomera nastalih kao kinetiki proizvodi reakcije, ili je reakcija reverzibilna, usled ega ponovo nastaje poetni molekul, koji zatim stupa u termodinamiki kontrolisanu reakciju supstitucije.

U svakom sluaju, treba imati na umu da se relativna termodinamika stabilizacija deava pod odreenim reakcionim uslovima, i da molekulske vrste nisu izolovane jedna od druge, kao ni od uticaja sredine u reakcionoj smei.

Elektrofilna supstitucija na drugim aromatinim vrstamaKod naftalena je naeno da se elektrofilana supstitucija deava pre svega u poloaju 1- (), pre nego u poloaju 2- (). Ovo je posledica bolje delokalizacije are kada se supstitucija deava u poloaju 1:

Kako u delokalizaciji are uestvuje i prsten na kome nije dolo do supstitucije, to proizvod supstitucije gde je supstitucija izvrena u poloaju 1 ima sedam rezonantnih oblika, dok proizvod kod koga je supstitucija izvrena u poloaju 2 ima est kanonskih oblika.Ova velika stabilizacija proizvoda rezonancijom nas navodi na pomisao da je supstituciju u naftalenu mnogo lake izvesti nego u samom benzenu.

Sulfonovanjem naftalena u prisustvu koncetrovane sumporne kiseline na 80C nastaje skoro sasvim prizvod supstitucije u poloaju 1, jer je brzina supstitucije u poloaju 2 veoma spora na ovoj temperaturi, pa je ovo kinetiki kontrolisana reakcija.

Sulfonovanjem na 160C, meutim, nastaje bar 80% proizvoda supstitucije u poloaju 2, a ostatak je 1-izomer.

Odavde se vidi da je termodinamiki kontrolisan proizvod zapravo izomer 2. Vea stabilnost izomera 2 posledica je sternih odbijanja, naime, ukoliko se SO3H uvodi u poloaj 1, njemu e smetati H-atom koji je u poloaju 8. Kod 2-izomera, H-atomi u poloaju 1 i 3 su dovoljno udaljeni od SO3H grupe, tako da sternih smetnji nema.

Interkonverzija 1- i 2- sulfonske kiseline u prisustvu H2SO4 na 160C ili intramolekulskom izomerizacijom, ili reverzibilnom reakcijom sulfonovanja, nakon ega dolazi do nove supstitucione reakcije samo u drugom poloaju. Ispitivanja su izvrena uvoenjem S35 izomera, ali je pitanje jo uvek otvoreno.

Piridin, slino benzenu, ima 6 -elektrona, ali su ovde -orbitale deformisane, usled pomeraja ka elektronegativnijem azotu. Ovo se reflektuje u dipolnom momentu piridina:

Piridin je stog -deficitaran heterocikl, pa bi se oekivalo da je deaktivirajui prema elektrofilnim supstituentima.Supstitucija se ipak deava, uistinu teko, na poziciji 3, u kanonskim strukturama 64 i 65 gde se supstitucija vri u poloajima 2 i 4, pozitivna ara je lokalizovana na azotu, koji je tada dvovalentan, to je njegovo jako nestabilno stanje:

Pirol takoe ima 6 -elektrona, ali ovde azot daje svoja dva elektrona kako bi se stvorio aromatini sekstet.Dipolni momenat pirola ima suprotan smer u odnosu na dipolni momenat piridina, sa pozitivnim krajem na azotu, a negativnim krajem u prstenu:

Pirol se stoga moe smatrati -bogatim heterociklom, koji lako podlee reakciji elektrofilne supstitucije.U prisustvu jake kiseline, pirol se protonuje, to naruava aromatini karakter, a nastali katjon se ponaa kao dien, i lako se polimerizuje

Elektrofilna supstitucija pirola se ipak deava pod specijalnim uslovima: acilovanje sa (MeCO)2O/BF3, sulfonovanje u prisustvu kompleksa piridina i SO3 (C5H5NSO3) .... Reakcija se radije deava u poloaju 2 nego u poloaju 3.

Nukleofilni napad na aromatini sistem-Supstitucija vodonika-

Oekuje se da je napad nukleofila na nesupstituisan benzenov prsten mnogo tei nego napad elektrofila. To zaista i jeste tako, prevashodno iz sledeih razloga:-elektronski oblak benzenovog prstena na neki nain odbija dolazei nukleofil,-orbitalni sistem mnogo tee delokalizuje (a time i stabilizuje) negativno-naelektrisani, nego pozitivno naelektrisani intermedijer:

Ipak, nukleofilna supstitucija u benzenovom prstenu je mogua ukoliko je u prstenu ve prisutan neki elektron-privlani supstituent:

Naeno je eksperimentalno da KOH moe da reaguje sa nitrobenzenom u prisustvu vazduha, usled ega nastaje o-nitrofenol, i nato malo p-nitrofenola.

Kao to smo mogli da oekujemo, elektron-privlani supstituent NO2, za koji se zna da diriguje elektrofilnu supstituciju u meta-poloaju, sada diriguje nukleofilnu supstituciju u o- i p- poloaju.

Piridinu nije potrebno nikakvo dodatno naelektrisanje sem onog koje sam ima, kako bi bio meta napada snanog nukleofila NH2 grupe u prisustvu N,N-dimetilanilinu kao rastvarau:

Odlazea grupa, H, kasnije uklanja proton sa uvedene NH2 grupe. Na taj nain nastali anjon moe u reakciji sa vodom da se protonuje, pri emu nastaje eljeni 2-aminopiridin

Supstitucija atoma koji nije vodonikH je za razliku od H+ veoma slabo odlazea grupa, pa je u sluaju nukleofilne supstitucije Ipso-supstitucija veoma esta pojava.U tom smisli, Cl, Br, N2, SO32, NR2, i slino, su meu najbolje-odlazeim grupama, i njihovom zamenom esto nastaju proizvodi reakcije nukleofilne supstitucije.

Veoma est primer supstitucija N2 u preparativnim reakcijama diazonijum soli, ArN2+:

Naeno je da brzina reakcije odgovara jednaini:

to znai da bzina reakcije ne zavisi od koncentracije Y-, i da odgovara SN1 mehanizmu.

Reakcija nastajanja visoko-reaktivnog i neselektivnog (prema nukleofilima) fenil-katjona je prvo to iznenauje. Iz tog razloga je razlaganje diazonijum soli reverzibilna reakcija, i lako se N2 ponovo moe vezati za fenil-katjon. To je potvreno uvoenjem izotopa N15:

Brojne reakcije diazonijum soli, naroito u manje polarnim rastvaraima, mogu da se dese poevi od inicijalnog nastajanja aril-radikala.

Verovatno najea reakcija nukleofilne supstitucije je reakcija supstitucija halogena iz fenil-halogenida aktiviranog nekom elektron-privlanom grupom:

Naeno je da je brzina ove reakcije:Po izrazu za brzinu reakcije ova reakcija odgovara SN2 supstituciji. Ipak, razlika je u tome to dolazei nukleofil mora, zbog prisustva aromatinog prstena da prie sa iste strane odakle odlazi i odlazea grupa

Izolovani su i neki intermedijeri ije je postojanje dokazano NMR spektroskopijom, i difrakcijom X-zraka:

Diektan dokaz o tome koji korak odreuje brzinu hemijske reakcije obezbeen je uporeivanjem brzina reakcije supstitucije serije supstrata koji imaju razliite odlazee grupe, sa istim nukleofilima: 2,4-dinitrohalogenbenzeni sa piperidinom:

Naeno je da su relativne brzine za X = Cl, Br, i I 4.3, 4.3 i 1.0, to je dokaz da se reakcija verovatno ne deava u jednom koraku, ili da su naa oekivanja da e razlike u brzinama biti vee, prevelika. Za X = F je meutim naeno da je brzina veoma velika, to se povezuje ili sa velikom elektronegativnou F, usled ijeg prisustva ugljenik postaje utoliko elektropozitivniji, pa time meta za napad nukleofila, to je obrnuto srazmerno sa lakoom odlaska supsitutenta; drugo objanjenje je da F stabilizuje anjonski intermedijer (88):

Naeno je da brzine reakcije zavise od mogunosti supstituenta X da svojom elektron-privlanou utie na dostupnost supstrata napadu nukleofila.Kada ista serija halogenida reaguje sa C6H5NHMe (u nitrobenzenu na 120C) relativne brzine supstitucije za X = F, Cl, i Br su 1, 15, i 46, to znai da zavise od lakoe odlaska odlazee grupe

Konaan zakljuak kada je u pitanju mehanizam po kome se ova vrsta supstitucije deava, jeste da veza nukleofil- benzenov prsten nastane istovremeno sa raskidanjem veze prsten-supstituent, to znai da je ova veza kombinacija procesa adicije/eliminacije.

Znaajna stabilizacija intermedijera nastaje kada je neka elektron-privlana grupa u o- / p- poloaju u odnosu na odlazeu grupu, a stabilizacija je praena mezomernim efektom:

Supstitucija preko arina kao intermedijeraRelativna inertnost neaktiviranih aromatinih halogenida pod normalnim uslovima, u suprotnosti je sa njihovom znaajnom reaktivnou prema nukleofilima koji su takoe jake baze. Tako hlorbenzen lako prelazi u anilin u reakciji sa NH2(NaNH2) u tenom amonijaku na -33C:

Ova neoekivana razlika u reaktivnosti ukazuje na to da se reakcija deava reakcionim putem koji je razliit od SN2 aromatinog mehanizma.Naeno je i da p-hlormetilbenzen (93) podlee istoj reakciji (sa jednakom lakoom) dajui ne samo oekivani p-aminometilbenzen (94), ve i m-aminometilbenzen (95), i to u relativno visokom prinosu:

Orto-izomer se u ovom sluaju uopte ne dobija, a takoe je potvreno i da p-aminometilbenzen i m-aminometilbenzen pod ovim uslovima reakcije ne stupaju reakciju interkonverzije.Ovo, zajedno sa poznatom injenicom da je NH2 sposoban da uklanja proton (deuterijum) iz benzenovog prstena 106 puta bre iz fluorobenzena sa o-supstituentom nego iz samog deuteriobenzena, ukazuje na to da se ovde NH2 ponaa kao baza koja vri napad na vodonikov atom koji je u o-poloaju u odnosu na Cl, pre nego kao nukleofil koji napada ugljenik C-Cl veze:

Odlazak protona iz jedinjenja (93) mogao bi da bude istovremen sa odlaskom Cl, ili da bude praen odlaskom Cl, ime kao intermedijer nastaje arin (97).Na arinu se sada nalaze dve pozicije na kojima bi NH2 sada mogao da izvri napad, a nastajanje krajnjih produkata bilo bi kompletirano apstrakcijom protona iz rastvaraa NH3.Ne moemo oekivati da se dva izomera dobiju u identinom prinosu, jer arinski intermedijer nije simetrina vrsta, pa ni dva mogua mesta napada NH2 nisu identina.Ovo je jasno tip reakcije kombinacije mehanizama eliminacija / adicija.Direktan dokaz postojanja arina kao intermedijera jeste da halogenidi (98), (99), i (100) reaguju sa NH2 samo pod znatno rigoroznim uslovim.

Arini predstavljaju zanimljivu grupu molekula. Oni ne mogu biti acetileni u pravom smislu, jer bi to zahtevalo veliku deformaciju prstena sp1 hibridizovane orbiale zaklapaju ugao od 180.

Izgleda da su delokalizovane -orbitale netaknute, i da je aromatina stabilizacija nepromenjena. To bi znailo da su dva elektrona koja su na raspolaganju smetena u originalnim sp2 orbitalama.

Preklapanje izmeu ovih orbitala je veoma malo, a nastala veza je slaba:

Sam benzin je izolovan u tanom argonu na temperaturi od 8 K

Kad benzin nastane u uslovima gde nema drugih vrsta koje bi mogle da reaguju sa njim, onda on vrlo brzo podlee dimerizaciji do stabilnih bifenilena:

Reakcije neaktiviranih halogenida sa slabijim bazama, koje se deavaju samo pod intenzivnijim uslovima, mogu kao intermedijere da imaju i arine, ali i da se deavaju po mehanizmu SN2 aromatine supstitucije.

Relativni odnos ovih reakcionih puteva, odnosno, produkata koji nastaju jednim i drugim mehanizmom zavisi od nukleofila (baze), strukture aromatinog supstrata, i od reakcionih uslova.