Мезомерный эффект галогенов

Особый вопрос возникает при интерпретации мезомерных эффектов галогенов. Этот вопрос достаточно сложен и требует серьезного внимания. Почему мезомерные эффекты галогенов относительно малы и почему фтору в пара-положении приписывают слабый электронодонорный эффект, а другим галогенам - слабый электроноакцепторный эффект? Прежде всего необходимо иметь в виду, что величина и направление эффекта определяются из экспериментальных наблюдений. Если, например, мы наблюдали, что пара-F-заместитель увеличивает скорость сольволиза трет-кумилхлорида (уравнение 2.1) по сравнению с незамещенным (пара-Н) соединением, а пара-Cl, пара-Br и пара-I-заместители не увеличивают (или уменьшают) скорость, то мы должны приписать фтору донорный (+М)-эффект и считать, что хлор, бром и йод (+М)-эффекта в этой реакции не проявляют. С другой стороны, поскольку введение в пара-положение Cl, Br или I смещает равновесие кислотной ионизации фенола (уравнение 2.2) вправо, а введение пара-F-заместителя не изменяет положения равновесия (или сдвигает его влево), мы должны приписать хлору, брому и иоду (-М)-эффект. Такие выводы возможны, если влияние галогенов трудно объяснить просто индуктивным (-I)-эффектом. Этого сделать нельзя, так как фтор, обладающий мощным (-I)-эффектом, должен был замедлять реакцию (2.1), а на практике наблюдалось ускорение. В реакции (2.2) кислотность фенолов увеличивается в ряду: Н (рКа в воде 9,99) < F (9,89) < Cl (9,41) < Br (9,37) < I (9,33), хотя индуктивный эффект, который должен стабилизировать замещенный фенолят-ион и тем самым увеличивать кислотность, действует в обратном направлении. Значит, экспериментальный эффект (т.е. обратный порядок изменения кислотности фенолов) связан с мезомерией.

Принципиально галогены должны проявлять (+М)-эффект, так как они имеют

Принципиально галогены должны проявлять (+М)-эффект, так как они имеют неподеленные пары электронов, одна из которых сопряжена с π-системой остальной части молекулы. Теоретически π-донорная подвижность этой р-пары должна, во-первых, уменьшаться с ростом электроотрицательности атома (I > Br > Cl > F), но, во-вторых, увеличиваться от йода к фтору (F > Cl > Br > I) в соответствии с тем, что фтор - элемент того же периода (второго), что и углерод, и кислород, поэтому для фтора перекрывание р-(π-)-типа эффективнее. Второй фактор подвижности преобладает над первым.(-М)-эффект, теоретически возможный для пара-галогенозамещенных фенолят-ионов, может проявляться только для тяжелых галогенов, например, йода:

Йод имеет относительно низко лежащие пустые π-уровни, и поэтому может

Йод имеет относительно низко лежащие пустые π-уровни, и поэтому может расширять свою валентную оболочку до децета. Для фтора (-М)-эффект или очень мал, или равен нулю, поскольку его пустые уровни (скажем, 3р) лежат слишком высоко и не заселяются. Следовательно, по теоретическому (-М)-эффекту галогены можно расположить в ряд: I > Br > Cl (>> F).(+М)-эффект возможен для реакции (2.1), в которой образуется катион, и невозможен для реакции (2.2), в которой образуется анион. Наоборот, (-М)-эффект тяжелых галогенов возможен для реакции (2.2) и невозможен для реакции (2.1).Мезомерные эффекты действуют на фоне сильных индуктивных эффектов галогенов. Эти (-I)-эффекты замедляют реакцию (2.1) (более всего для фтора) и способствуют смещению равновесия (2.2) вправо. Получается сложная картина наложения (-I)-эффектов на (+М)-эффекты в реакции (2.1) и (-М)-эффекты в реакции (2.2). От тонкого баланса различных электронных смещений и зависит экспериментально наблюдаемое изменение скорости или положения равновесия. Поэтому электронные эффекты в группе галогенов меняются «неправильным» образом. В случае менее электроотрицательных заместителей (-NR2, -OR) индуктивный (-I)-эффект меньше и одновременно возрастает способность к (+М)-смещению. (-М)-Эффектами этих заместителей второй группы Периодической системы можно пренебречь. Поэтому мезомерный эффект легче отделить от индуктивного.

Смотрите также

Энтальпия и ее отношение к теплоте химической реакции. Типы химических связей
...

Основные понятия координационной химии
...

Биоразлагаемые полимерные материалы
В последние годы, как в нашей стране, так и за рубежом возрос интерес к биоразлагаемым полимерным материалам и упаковкам из них, которые разрушаются при воздействии различных микроорганизмо ...