Написать реакции нитрования следующих соединениях: а) бензола; б) толуола; в) фенола; г) хлорбензол;...

Нитрование — это процесс введения нитрогруппы (-NO₂) в органическое соединение, обычно с использованием смеси концентрированной азотной и серной кислот, известной как нитрующая смесь. Рассмотрим реакции нитрования для каждого из указанных соединений и объясним, почему скорость нитрования различается.

а) Нитрование бензола:

Бензол ((C_6H_6)) реагирует с нитрующей смесью, образуя нитробензол ((C_6H_5NO_2)):

[ C_6H_6 + HNO_3 \rightarrow C_6H_5NO_2 + H_2O ]

Бензол является стабильным ароматическим соединением, и его реакция с нитрующей смесью протекает умеренно. Строение бензола позволяет равномерно распределять электроны по кольцу, что делает его реакцию менее активной, чем у других ароматических соединений с активирующими заместителями.

б) Нитрование толуола:

Толуол ((C_6H_5CH_3)) нитруется быстрее, чем бензол, из-за присутствия метильной группы ((-CH_3)), которая является активирующим заместителем:

[ C_6H_5CH_3 + HNO_3 \rightarrow C_6H_4(CH_3)(NO_2) + H_2O ]

Метильная группа оказывает +I эффект (индуктивный) и +M эффект (мезомерный), увеличивая электронную плотность на кольце и, следовательно, активируя его к электрофильному замещению. Основные продукты нитрования толуола — это орто- и пара-нитротолуолы.

в) Нитрование фенола:

Фенол ((C_6H_5OH)) нитруется еще быстрее из-за сильного активирующего эффекта гидроксильной группы ((-OH)):

[ C_6H_5OH + HNO_3 \rightarrow C_6H_4(OH)(NO_2) + H_2O ]

Гидроксильная группа оказывает сильный +M эффект, значительно увеличивая электронную плотность на кольце. Это делает фенол очень реакционноспособным, и при мягких условиях реакции преимущественно образуется орто- и пара-нитрофенол. В более жестких условиях возможно образование 2,4,6-тринитрофенола (пикриновой кислоты).

г) Нитрование хлорбензола:

Хлорбензол ((C_6H_5Cl)) нитруется медленнее, чем бензол, из-за присутствия хлора, который имеет -I эффект, уменьшающий электронную плотность на кольце:

[ C_6H_5Cl + HNO_3 \rightarrow C_6H_4(Cl)(NO_2) + H_2O ]

Хлор является слабо деактивирующим, но орто- и пара-направляющим заместителем. Поэтому нитрование приводит к образованию преимущественно орто- и пара-нитрохлорбензолов.

д) Нитрование нитробензола:

Нитробензол ((C_6H_5NO_2)) нитруется очень медленно из-за сильного деактивирующего эффекта нитрогруппы:

[ C_6H_5NO_2 + HNO_3 \rightarrow C_6H_4(NO_2)_2 + H_2O ]

Нитрогруппа имеет сильный -M и -I эффекты, значительно уменьшающие электронную плотность на бензольном кольце. Это делает реакцию нитрования нитробензола значительно менее активной.

Объяснение различий в скорости нитрования:

Скорость нитрования определяется активирующими или деактивирующими эффектами заместителей на бензольном кольце. Активирующие группы, такие как метильная и гидроксильная, увеличивают электронную плотность на кольце, ускоряя реакцию. Деактивирующие группы, такие как хлор и нитро, уменьшают электронную плотность, замедляя процесс. Направляющий эффект заместителей (орто-, пара- или мета-) также играет роль в формировании продукта реакции.

а) Реакция нитрования бензола происходит при воздействии смеси концентрированной азотной и серной кислот. В результате образуется нитробензол. Реакция происходит медленнее, чем у других соединений, из-за недостатка активирующих заместителей.

б) Толуол, содержащий метильную группу, быстрее нитруется, чем бензол, из-за наличия активирующего метильного заместителя. При нитровании толуола образуется метилнитробензол.

в) Фенол реагирует с азотной и серной кислотами быстрее, чем бензол, из-за наличия активирующей гидроксильной группы. В результате образуется нитрофенол.

г) Хлорбензол нитруется быстрее, чем бензол, из-за наличия электроактивирующего хлорзаместителя. В результате образуется нитрохлорбензол.

д) Нитробензол уже содержит нитрогруппу, что делает его более реакционноспособным, чем другие соединения. Нитрование нитробензола происходит очень быстро и без использования катализаторов.

Таким образом, скорость нитрования различных соединений зависит от наличия активирующих или деактивирующих заместителей в молекуле, которые влияют на электрофильность атома азота в нитрировании.