Номер 277, страница 67 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

2.277. Почему при алкилировании бензола 1-хлорпропаном в присутствии хлорида алюминия основным продуктом реакции будет изопропилбензол?

Решение

Причина, по которой основным продуктом алкилирования бензола 1-хлорпропаном в присутствии хлорида алюминия ($AlCl_3$) является изопропилбензол, а не ожидаемый н-пропилбензол, заключается в перегруппировке карбокатиона, который является промежуточной частицей в этой реакции (реакция Фриделя-Крафтса).

Механизм реакции протекает в несколько стадий. Сначала катализатор, хлорид алюминия (кислота Льюиса), взаимодействует с 1-хлорпропаном, отрывая ион хлора и образуя первичный карбокатион — н-пропилкатион:
$CH_3CH_2CH_2Cl + AlCl_3 \rightleftharpoons CH_3CH_2\stackrel{+}{C}H_2 + [AlCl_4]^-$

Первичные карбокатионы ($1^\circ$) крайне нестабильны. В данном случае существует возможность для этого катиона превратиться в более стабильную структуру. Происходит быстрая изомеризация (перегруппировка) путем так называемого 1,2-гидридного сдвига: атом водорода вместе с парой электронов мигрирует от соседнего (второго) атома углерода к атому углерода с положительным зарядом.
$CH_3-CH_2-\stackrel{+}{C}H_2 \xrightarrow{\text{1,2-гидридный сдвиг}} CH_3-\stackrel{+}{C}H-CH_3$

В результате этой перегруппировки образуется вторичный карбокатион — изопропилкатион. Он значительно более стабилен, чем первичный н-пропилкатион, благодаря положительному индуктивному эффекту двух алкильных (метильных) групп и эффекту гиперконъюгации (стабилизирующее взаимодействие $\sigma$-связей $C-H$ с вакантной р-орбиталью положительно заряженного атома углерода).

Поскольку перегруппировка в более стабильный изопропилкатион является быстрым и энергетически выгодным процессом, именно он в подавляющем большинстве случаев выступает в роли электрофила и атакует бензольное кольцо. Завершается реакция отщеплением протона от бензольного кольца и регенерацией катализатора, что приводит к образованию изопропилбензола (кумола) как основного продукта:
$C_6H_6 + CH_3-\stackrel{+}{C}H-CH_3 + [AlCl_4]^- \rightarrow C_6H_5CH(CH_3)_2 + HCl + AlCl_3$

Ответ: Основным продуктом реакции является изопропилбензол, потому что в условиях реакции Фриделя-Крафтса образующийся из 1-хлорпропана первичный н-пропильный карбокатион нестабилен и претерпевает быструю перегруппировку (1,2-гидридный сдвиг) в более стабильный вторичный изопропильный карбокатион, который затем и алкилирует бензольное кольцо.