Сулфониране

Това е реакция на сулфониране на бензен. Тук имаме бензен и към него добавяме сярна киселина. Получаваме бензенсулфонова киселина и вода като страничен продукт. Понеже реакцията е в равновесие, можем да изместим равновесието, като използваме различни концентрациии на сярната киселина. Ако използваме концентрирана сярна киселина, ще изместим равновесието надясно и ще получим повече бензенсулфонова киселина. Ако използваме по-разредена сярна киселина, т.е. имаме повече вода, това ще измести равновесието наляво. Фактът, че това е обратима реакция понякога се използва в задачите за синтез. Да разгледаме механизма на присъединяване на SO3H група към бензеновия пръстен. Тук имам две молекули сярна киселина. Едната от тези молекули ще действа като киселина, а едната ще действа като основа. Нека да кажем, че тази отдясно ще действа като киселина. Тя ще отдаде протон. Молекулата отляво ще действа като основа и ще приеме протон. Ако тази несподелена електронна двойка приеме протон, приеме този протон, тогава тези електрони ще останат ето тук при този кислород. Сега да видим резултата от тази реакция на киселина с основа. Имаме сяра, свързана с двойна връзка с кислород. Тук отляво имаме ОН група. После тук отдясно сега сме присъединили протон към този кислород отдясно. Той всъщност има заряд +1. Ако проследим тези електрони, тези електрони тук отдясно ще образуват тази връзка и ще ни дадат заряд +1 при този кислород. Другата молекула сярна киселина, тази, която действа като киселина, ще загуби един протон. Ще ни остане спрегнатата основа, която е HSO4–.... тук ще имаме HSO4– и заряд –1 при този кислород в ОН ето тук. Ако проследим тези електрони, ще ги направя първо червени. Тези електрони ето тук ще дойдат при този кислород, като ще получим HSO4–. Сега да се върнем към варианта с протон на сярната киселина. Можем да видим, че тук има водна молекула, скрита тук, която е много добра напускаща група. Този механизъм е сходен на този, който видяхме в предишното видео при реакцията на нитриране. Тук имаме вода, която е добра напускаща група. Тези електрони ще се преместят тук, което ще изтласка тези електрони при кислорода. Разбира се, сега имаме Н2O като напускаща група. Ето тук отдясно водата ще се отдели ето така. И пак ще проследим някои електрони. Например тези електрони в синьо идват при кислорода и получаваме вода. Ако помислим какво още се получава – все още имаме сяра с двойна връзка към кислород и друга сяра с двойна връзка с друг кислород. Сега всъщност ще имаме сяра с двойна връзка към този трети кислород тук. Към този трети кислород имаме все още водород. Той все още има несподелена електронна двойка, и сега има формален заряд +1. Сега да проследим тези електрони. Ще ги направя зелени. Тези електрони в зелено се преместват тук, за да образуват пи-връзка между сярата и кислорода. Това е наистина вариант с протон на молекулата на серния триоксид, SO3. И сярата е електрофилната част на този йон. Това не е очевидно от пръв поглед по начина, по който е написано тук. Но ако разгледаме кислорода, който е по-електроотрицателен от сярата, можем да запишем резонансната структура за тези електрони в зелено, които се връщат при кислорода. Следователно тук отнемаме връзка от този серен атом. Можем да го запишем така, където имаме кислород, който притежава несподелена електронна двойка. И понеже отнехме връзка от този серен атом, този серен атом сега има формален заряд +1. Това е малко по-очевидно, отколкото, че сярата е електрофилната част. Това е нашият електрофил. Сярата е тази, на която не достигат електрони. Можеш да разгледаш варианта отляво, или можеш да разгледаш варианта отдясно. Няма значение кой разглеждаш. Сярата има недостиг на електрони и в двете резонансни структури. Аз ще използвам тази версия тук отдясно. Ще препиша тази версия с протон на SО3 за следващата част от реакцията. Тук протонираната версия на SО3 реагира с бензеновия пръстен. Ще напиша бензеновия пръстен тук. Ще препиша и тази хидрирана форма тук. Тук имаме хидрираната версия на серния триоксид. Отново, знаем, че сярата е електрофилната част на този йон. Р-електроните ще действат като нуклеофил. Нуклеофилът ще атакува нашия електрофил. Това е сярата, която ще изтласка тези електрони обратно при кислорода. Резултатът от нуклеофилната атака е... тези р-електрони ще са в пръстена. Ще имаме водород към пръстена. И ще имаме връзка със сярата. Сярата е свързана с двойна връзка с няколко кислорода. Тук отдясно има ОН. Пак ще проследя електроните. Тези р-електрони в цикламено действат като нуклеофил и образуват връзка между този въглерод и сярата. Отнемаме връзка от този въглерод, което означава, че той получава заряд –1. Това е полученият катион. Сега мога да напиша още две резонансни структури на този катион и вече сме виждали как се прави в някои предишни видео уроци. Само за да пестя време, сега няма да пиша тези резонансни структури. Но това ще представлява нашият сигма-комплекс. Следващата стъпка в електрофилното ароматно заместване е отделянето на протон от сигма-комплекса. Можеш да разглеждаш тази водна молекула като основа. Тази несподелена електронна двойка се приближава и отнема този протон, като оставя тези електрони, а те се преместват тук и се възстановява бензеновият пръстен. Да покажем какво се получава. Възстановява се ароматният пръстен. И сега имаме SO3Н като група, свързана с бензеновия пръстен. Готови сме с реакцията. Ако проследя тези електрони, ще ги направя сини. Тези електрони в синьо се преместват тук, за да възстановят бензеновия пръстен и се получава бензенсулфонова киселина като продукт. Показах, че тази водна молекула действа като основа и отнема този протон. В някои учебници... ако дойда ето тук... показват аниона HSO4– като основа, която отнема протона и възстановява сярната киселина като катализатор. Това е нещо, по което можеш да помислиш. Водата вероятно е малко по-основна от НSO4–. Затова го показах по този начин. Но тази реакция силно зависи от условията на протичане. Да кажем, че трябва да проведеш тази реакция, като добавиш още серен триоксид. Вместо да се получи хидрираната версия на серния триоксид, се получава молекула сярна киселина. Можеш да продължиш и да започнеш реакцията с повече серен триоксид. Нека само да напиша молекулата на серния триоксид. Тук има двойни връзки при всички кислородни атоми. Ако добавиш сярна киселина, сярната киселина ще отдаде протон на серния триоксид. Това е първата стъпка. Тази несподелена електронна двойка ще отнеме този протон от сярната киселина, като тези електрони ще останат при кислорода. Можем да покажем тази реакция между киселина и основа, където серният триоксид сега е хидриран. Имаме хидрирана версия на серния триоксид. Отново, проследяваме нашите електрони, тези електрони ето тук... показвам как те отнемат този протон за хидрираната версия на серния триоксид. Така се получава НSО4–, спрегнатата основа на сярната киселина. Сега можеш да разглеждаш тази реакция че протича точно по начина, по който показахме тук горе. Няма никакво значение как получаваш хидрирания серен триоксид. Това е просто още един начин за това. Ако започнеш с наличен серен триоксид, тогава ще изместиш равновесието изцяло надясно. Ще го покажа наистина бързо. Ще реагираме бензен и сярна киселина. Но този път ще добавим и серен триоксид. Значи имаме SO3 и H2SO4 като катализатор, за да получим хидриран SO3. Това се присъединява към бензеновия пръстен, като се получава бензенсулфонова киселина. Отново, добавянето на излишък от SO3 означава, че ще получиш по-голям добив от продукта ето тук. В механизма, който ти показах, хидрираният SO3 действаше като електрофил. Но сулфониращият агент може да бъде само SO3, а не хидриран SO3, зависи от различните условия на реакцията. Можеш да видиш различни механизми на сулфониране в различните учебници. Използвай този, който твоят преподавател иска да използваш на изпита. Аз ти показах един от двата варианта в това видео.