求電子芳香族配向基

求電子芳香族置換反応 では、芳香族環上の既存の置換基が全体の反応速度に影響を与えたり、生成される生成物の位置異性体に誘導効果を及ぼしたりします。

電子供与基（EDG ）または電子放出基（ERG、構造式ではZ ）は、共鳴（メソメリズム）または誘導効果（または誘導）（それぞれ+M効果または+I効果と呼ばれる）を介して共役πシステムに電子密度の一部を供与し、πシステムをより求核的にする原子または官能基である。^{[1] [2]これらの}電子効果の結果として、そのような基が結合している芳香族環は、求電子置換反応に関与する可能性が高くなります。そのため、EDGは活性化基と呼ばれることが多いが、立体効果が反応を妨げる可能性がある。

電子吸引基（EWG）は環の求核性に逆の効果をもたらします。EWGはπ系から電子密度を取り除き、このタイプの反応における反応性を低下させます^{[2] [3] 。そのため、}不活性化基と呼ばれます。

EDGとEWGは、芳香族環上の置換反応が最も起こりやすい位置（それら自身に対する相対位置）も決定します。電子供与基は一般に求電子芳香族置換反応のオルト/パラディレクターであり、電子吸引基（ハロゲンを除く）は一般にメタディレクターです。EDGとEWGで観察される選択性は1892年に初めて説明され、クラム・ブラウン・ギブソン則として知られています。^[4]

電子供与基は、通常、活性化能力の3つのレベルに分けられます（「極端」なカテゴリは「強い」と見なすことができます）。電子吸引基は同様のグループに割り当てられます。活性化置換基は、オルト位とパラ位の周りの求電子置換に有利です。弱く不活性化する基は、求電子剤にオ​​ルト位とパラ位でベンゼン分子を攻撃するように指示し、強く中程度の不活性化する基は、メタ位を攻撃するように指示します。^[5]これは、パラ位とオルト位を指示する官能基のようにメタ位に有利なケースではなく、オルト位とパラ位がメタ位に不利なよりも不利なケースです。

活性化基は主に共鳴供与体（+M）です。これらの基の多くは誘導的吸引（–I）でもあり、これは不活性化効果ですが、Cl、Br、およびIを除いて、共鳴（またはメソメリック）効果の方がほぼ常に強くなります。

一般的に、第 3 周期以降の元素の共鳴効果は比較的弱いです。これは主に、置換基の 3p (またはそれ以上の) 軌道と炭素の 2p 軌道の 軌道重なりが比較的少ないためです。

フッ素は、より重いハロゲンよりも強い共鳴効果と誘導効果のため、異常である。フルオロベンゼンの求電子芳香族置換の部分速度係数は、パラ位で1よりも大きいことが多く、活性化基となる。^{[11]逆に、}オルト位とメタ位では、これらの位置が電気陰性フッ素置換基に近いため、 中程度に不活性化される。

すべての不活性化基は誘導的に求引性 (–I) ですが、そのほとんどは共鳴によっても求引性 (–M) があります。ハロゲン置換基は例外で、共鳴供与体 (+M) です。ハロゲン化物を除いて、それらはメタ誘導基です。

ハロゲン化物はオルト、パラ配向基ですが、ほとんどのオルト、パラ配向基とは異なり、ハロゲン化物はアレーンを穏やかに不活性化します。この異常な動作は、次の 2 つの特性によって説明できます。

1. ハロゲンは電気陰性度が非常に高いため、誘導性引き抜き反応（ベンゼンの炭素原子からの電子の引き抜き反応）を引き起こします。
2. ハロゲンは非結合電子を持っているため、π結合（共鳴供与）を通じて電子密度を供与することができます。

誘導性と共鳴性は互いに競合するが、反応部位を誘導する目的では共鳴効果が優勢である。例えばニトロ化の場合、フッ素はオルト位が誘導的に不活性化されるため、パラ位に強く誘導される（パラ位86% 、オルト位13% 、メタ位0.6% ）。一方、ヨウ素はオルト位とパラ位に同程度に誘導される（パラ位54% 、オルト位45% 、メタ位1.3% ）。^[12]

アレーンの完全な電子構造は量子力学を使用してのみ計算できますが、異なる置換基の指向効果は共鳴図の分析を通じて推測できることがよくあります。

具体的には、共鳴に寄与する原子（自然分極に一致するが、必ずしもオクテット則に従わない原子）の形式的な負電荷または正電荷は、最も切断されやすい結合の分子軌道において、電荷密度が大きいか小さいかの位置を反映している。より大きな係数を持つ炭素原子は、より有利な軌道の重なりにより、優先的に攻撃される。^[16]

共役電子吸引基または電子供与基の摂動により、ベンゼン環上のπ電子分布は、それぞれ電子不足ベンジルカチオンまたは電子過剰ベンジルアニオンに（ごくわずかですが）似たものになります。後者の種は、ヒュッケル理論を使用した扱いやすい量子計算が可能です。つまり、カチオンはオルト位とパラ位で電子密度を引き下げてメタ攻撃を有利にし、一方アニオンは同じ位に電子密度を解放して攻撃を活性化します。^[17] これはまさに共鳴構造の描画から予測される結果です。

たとえば、アニリンは環系の周囲に負電荷を持つ共鳴構造を持ちます。

攻撃はオルト位とパラ位で起こる。なぜなら、これらの位置での（部分的な）形式的負電荷は局所的な電子過剰を示すからである。一方、ニトロベンゼンの共鳴構造は環系の周囲に正電荷を持つ。

オルト位とパラ位の（部分的な）形式上の正電荷はこれらの位置での電子不足を示している ため、攻撃はメタ位で発生します。

同様の予測をするもう一つの一般的な議論は、オルト/パラまたはメタ 位での求電子攻撃の結果として生じるウェランド中間体の置換基による安定化または不安定化を考慮するものである。ハモンドの仮説は、相対的な遷移状態エネルギーがウェランド中間体の基底状態エネルギーの差を反映すると規定している。^{[14] [18]}

これらの各グループの環に直接結合した元素の完全または部分的な正電荷のため、それらはすべて中程度から強い電子吸引誘導効果（-I 効果として知られる）を持ちます。また、電子吸引共鳴効果（-M 効果として知られる）も示します。

したがって、これらの基はベンゼンに比べて芳香族環を非常に電子不足 (δ+) にし、その結果、環を強く不活性化します (つまり、これらの基を持つ環では、ベンゼンの反応に比べて反応がはるかに遅く進行します)。

炭素と酸素/窒素の電気陰性度の差により、誘導効果（-I 効果として知られる）によるわずかな電子吸引効果があります。ただし、共鳴と呼ばれる別の効果により、リングに電子密度が戻り（+M 効果として知られる）、誘導効果よりも優位になります。したがって、結果として、これらは EDG およびオルト/パラディレクターになります。

フェノールはオルト/パラのディレクターですが、塩基が存在すると、反応はより速くなります。これは、フェノラートアニオンの反応性が高いためです。負の酸素は、炭素に電子密度を与えるように「強制」されました（負電荷を持っているため、追加の +I 効果があります）。冷たく、中性（比較的弱い）求電子剤を使用している場合でも、反応は依然として急速に起こります。

アルキル基は電子供与基です。アルキル基上の炭素はsp ³混成で、sp ²混成の炭素よりも電気陰性度が低くなります。アルキル基は、環 p 軌道と炭素-水素結合（またはtert-ブチルベンゼンなどの化合物の炭素-炭素結合）が重なっています。そのため、アルキル基はベンゼンよりも反応性が高く、オルト/パラ配向性があります。

誘導的に、負に帯電したカルボキシレートイオンは、環に結合する結合の電子を適度に反発する。したがって、弱い電子供与性の+I効果がある。カルボニル基の電子吸引共鳴能力は、酸素上のアニオンの負電荷の非局在化によって効果的に除去されるため、-M効果はほぼゼロである。したがって、カルボキシレート基は（カルボキシル基とは異なり）全体的に活性化の影響を及ぼす。^[10]

これらの基は、正電荷のためか、ハロゲンの強力な電気陰性度のためか、強い電子吸引誘導効果 (-I) を持っています。環の軌道や電子対と重なり合う軌道や電子対がないため、共鳴効果はありません。誘導効果はカルボキシレートアニオンの場合と同様に機能しますが、方向が逆です (つまり、オルト位とパラ位に小さな正電荷を生成し、メタ位には生成せず、ウェランド中間体を不安定化します)。したがって、これらの基は不活性化し、メタ配向します。

フッ素は、この状況ではやや異例です。上で、フッ素は弱い電子吸引基として説明されていますが、これは部分的にしか正しくありません。フッ素には -I 効果があり、その結果、電子が誘導的に吸引されるというのは正しいです。しかし、役割を果たすもう 1 つの効果は、ベンゼン環に電子密度を戻す +M 効果です (したがって、-I 効果とは逆の効果がありますが、メカニズムが異なります)。これはメソメリー効果(したがって +M) と呼ばれ、フッ素の場合、+M 効果により -I 効果がほぼ打ち消されます。パラ位でのフルオロベンゼンに対するこの効果は、ベンゼンと同等 (またはそれ以上) の反応性です。誘導効果は近接性に大きく依存するため、フルオロベンゼンのメタ位とオルト位はベンゼンよりも反応性が大幅に低くなります。したがって、フルオロベンゼンに対する求電子芳香族置換は、パラ位選択性が強くなります。

この -I および +M 効果は、すべてのハロゲン化物に当てはまります。それぞれに、ある程度の電子吸引性と電子供与性があります。反応性が変化する理由を理解するには、それぞれで発生する軌道の重なりを考慮する必要があります。フッ素の価電子軌道は 2p 軌道で、炭素と同じです。したがって、それらのエネルギーは非常に近く、軌道の重なりは有利になります。塩素は3p 価電子軌道であるため、軌道エネルギーはさらに離れ、形状は不利になり、カルボカチオン中間体を安定化させる供与が少なくなります。そのため、クロロベンゼンはフルオロベンゼンよりも反応性が低くなります。ただし、ブロモベンゼンとヨードベンゼンはクロロベンゼンとほぼ同じか、少しだけ反応性が高くなっています。共鳴供与はさらに悪いものの、電気陰性度が低いため誘導効果も弱まるためです。したがって、全体的な反応性の順序はU字型であり、クロロベンゼン/ブロモベンゼン（括弧内はベンゼンと比較した相対的なニトロ化速度 = 1）で最小になります：PhF（0.18）> PhCl（0.064）〜PhBr （ 0.060）< PhI（0.12）。^[12]しかし、それでもすべてのハロベンゼンはベンゼン自体よりも反応が遅いです。

ヨードベンゼンは、分極率も影響するため、フルオロベンゼンよりも反応性が低いことに注意してください。これは、ホスファン中のリンが炭素よりも電気陰性度が低いにもかかわらず (2.19 vs 2.55、電気陰性度リストを参照)、誘導(つまり +I 効果)によって炭素に電子密度を付与できない理由と、ヨウ化水素酸( pKa = -10) がフッ化水素酸(pKa = 3)よりもはるかに酸性である理由も説明できます。(これは、フッ化水素酸の 10 ^{13倍の酸性です)}

ハロゲン基は孤立電子対を持っているため、電子を供与することができます。そのため、ハロゲン基はオルト/パラ配向性を持っています。

炭素と窒素の電気陰性度の差により、ニトロソ基は比較的強い -I 効果を持ちますが、ニトロ基ほど強くはありません。(アルキルアンモニウム陽イオンおよびニトロ基上の正に帯電した窒素原子は、はるかに強い -I 効果を持ちます)

ニトロソ基には +M 効果と -M 効果の両方がありますが、-M 効果の方が有利です。

窒素は孤立電子対を持っています。しかし、そのモノマー形態の孤立電子対は共鳴を通して供与するには不利です。二量体形態のみが +M 効果に利用できます。しかし、二量体形態は溶液中では安定性が低くなります。そのため、ニトロソ基は電子を供与するのにあまり利用できません。

逆に、電子密度を引き抜く方が有利です (右の図を参照)。

その結果、ニトロソ基は不活性化剤となりますが、ウェランド中間体中にベンゼン環に電子密度を供与することができるため、依然としてオルト/パラディレクターとして機能します。

ベンゼンに基が結合している場合、オルト位が 2 つ、メタ位が 2 つ、パラ位が 1 つあります。基がオルト / パラディレクターであり、オルト位とパラ位が同じ部分速度係数で反応する場合、この統計的効果により、オルト生成物がパラ生成物の2 倍になると予想されます。ただし、オルト位とパラ位の部分速度係数は一般に等しくありません。たとえば、フッ素置換基の場合、オルト位での誘導離脱効果がより強いため、オルト部分速度係数はパラよりもはるかに小さくなります。これらの効果とは別に、オルト位での立体障害が増加するがパラ位では増加しないため、立体効果も発生することが多く、パラ生成物の量が多くなります。

この効果は、求電子芳香族ニトロ化に対する立体的要求が異なるアルキル置換基を用いた求電子芳香族置換反応で例証されている。^[19]

トルエンのメチル基は小さいため、オルト生成物が主生成物となります。一方、t-ブチル基は非常に大きく（1つの炭素に3つのメチル基が結合している）、パラ生成物が主生成物となります。トルエンでも生成物は2:1ではなく、オルト生成物がわずかに少なくなります。

環上にすでに2つの置換基が存在する場合、3つ目の置換基の新しい位置は比較的予測可能である。既存の置換基が補強するか、分子が高度に対称的である場合、曖昧さは生じない可能性がある。それ以外の場合：^[20]

1. 最も活性化する置換基が、通常は、活性化の低い置換基を制御します。

   

2. 特に、オルト/パラディレクターはメタディレクターを制御します。

   

3. 複数の置換基が同程度に活性化する場合、立体障害が位置選択性を支配します。

   

4. 特に、互いに メタ位にある 2 つの置換基間の位置は最後に反応します。

   

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