Бензол не вступает в реакции свободнорадикального замещения с хлором или бромом, которые являются типичными реакциями для алканов и циклоалканов. Энергия связи $C-H$ в бензоле составляет 110 ккал/моль, что значительно превышает энергию вторичной $CH$-связи в алканах (95 ккал/моль). Поэтому уже на первой стадии предполагаемого цепного радикального замещения наблюдается энергетическое препятствие и она оказывается эндотермической, что препятствует процессу замещения в целом:
Рисунок 1.
Энергетически предпочтительнее оказывается радикальное присоединение хлора к бензолу с образованием гексахлорциклогексана.
Рисунок 2.
Замещение атома водорода атомом галогена в боковой цепи
В боковой цепи атом галогена вводят при нагревании в присутствии радикальных инициаторов или под действием облучения по механизму радикального замещения. Например, хлорирование толуола выглядит так:
Рисунок 3.
Механизм этой реакции состоит в преобразованиях:
Рисунок 4.
Протеканию такой реакции способствуют легкость образования и большая устойчивость бензильного радикала благодаря х-р-сопряжению неспаренного свободного электрона с $\pi$-связями бензольного кольца. Поэтому при галогенирования аренов в с большими чем метательный боковыми цепями атака реагентом в первую очередь происходит в $\alpha$-положении к бензольному кольцу с получением устойчивых радикалов бензильного типа:
Рисунок 5.
Бромирование толуола
Бромирование толуола проходит более селективно, чем хлорирование с образованием только дибромзамищенных соединений:
Рисунок 6.
Как инициатор используют азодиизобутиронитрил.
Рисунок 7.
Селективность галогенирования растет с уменьшением реакционной способности агента в ряде $F_2 > Cl_2 > Br_2 > J_2$.
Йодирование не применяется как препаративный метод, потому что молекулярный йод имеет низкую энергию, недостаточную для ведения радикального процесса. Йод - ингибитор реакции.
Непосредственное взаимодействие углеводородов с фтором дает углерод и фтороводород. Свободный фтор вызывает крекинг углеводородного цепи, потому что эта реакция сильно экзотермическая. Фторпроизводные углеводородов получают с помощью неорганических фторидов ($CoF_3$), тетрафторэтилена, фторотана ($CHClBr - F_3C$).
Бромирование в боковую цепь ароматических соединений $N$-бромсукцинимидом
$N$-Бромсукцинимид (БСИ, NBS) - $N$-бромид янтарной кислоты. Широко применяется в синтетической органической химии в качестве бромирующего реагента.
Галогенирование $N$-бромсукцинимидами в боковую цепь ароматических соединений является радикальной реакцией, аналогечной рассмотренным ранее. Ему способствуют УФ-облучение или радикальные инициаторы (бензоилпероксид, AIBN и т.д.). Самой распространенной реакцией является галогенирование метильной группы, прямо соединенной с ароматическим ядром. Этот процесс характеризуется высокой селективностью.
Например, толуол не реагирует с $N$-бромосукцинимидом без катализатора, но в присутствии перекиси бензоила образует бромистый бензил (64%). При наличии в бензольном ядре заместителя, способного оказывать негативный индуктивный эффект (о-хлоротолуен, п-нитротолуен), бромирование боковой цепи может происходить и без катализатора, однако присутствие катализатора увеличивает выход бромопроихводного и сокращает время реакции.
Аналогично в других алкилзамещенных ароматических соединениях замещения можно направить в ядро или в метильную группу в зависимости от применяемых условий. Замещения в боковой цепи происходит без катализаторов также для 1- и 2-метилнафталенов, ди- и трифенилметанов, флуорена и родственных соединений. При действии NBS на 2,6- и 2,3-диметилнафталины селективно бромируется одна из метильных групп.
Интересный случай составляет 1-етилнафталин, в котором наблюдается бромирование в боковую цепь, причем образуется винилнафталин (73%), в противовес около родственному аценафтену, для которого реакция происходит в ядро. В присутствии пероксида преобладает первая реакция и образуется аценафтилен.
Если субстрат содержит две метильные группы, связанные с ароматическим ядром, возможно образование бис-бромометильных производных:
Рисунок 8.
Применяя облучение видимым светом к арену и соответствующему количеству NBS, можно селективно фотобромировать одну или две боковые метильные группы в диметиларенах. Так, фотобромирование 1,4, 1,8-, 2,3- и 2,6-диметилнафталенов, 4,4'-диметилбифенила с помощью 2.2 мл. экв. NBS дает соответствующие бис-бромометильные арены, тогда как с 1.1 мл. экв. NBS получают бромометиларены.
При изучении реакций бромирования ароматических соединений в боковую цепь с помощью NBS установлено, что селективность атаки брома зависит от примененного растворителя.
Реакции бромирования NBS различных алкил-арилов, проведенные с чистыми реагентами или в воде, в присутствии ультразвука или при микроволновом облучении демонстрируют различную хемоселективнисть. Так, при проведении реакции в водном растворе с применением ультразвука наблюдается замещение в ядро, тогда как с микроволнами происходит как $\alpha$-монобрмирование в боковую цепь, так и замещение в ядро.
