РУҚА
Задания № 17, 18, 25 · ЕГЭ

Электрофильное замещение в аренах

Механизм, ориентирующее действие заместителей и правила предсказания продуктов
6 мин чтенияСложность: Обновлено 29 сентября 2026

Электрофильное замещение — основной тип реакций аренов: атом водорода в ароматическом ядре заменяется электрофилом, а ароматическая система после реакции восстанавливается. Знание механизма помогает определить условия реакции, преимущественное положение нового заместителя и состав продукта.

Сущность электрофильного замещения

Ароматичность бензола объясняет его устойчивость: шесть \(\pi\)-электронов делокализованы в кольце. Поэтому бензол обычно не присоединяет реагент, а замещает атом водорода, сохраняя ароматическую систему. Реакцию обозначают как \(\mathrm{Ar-H + E^+ \rightarrow Ar-E + H^+}\), где \(\mathrm{Ar}\) — ароматический остаток, а \(\mathrm{E^+}\) — электрофил.

D
Электрофил

Электрофил — частица, испытывающая недостаток электронной плотности и принимающая электронную пару. В реакциях аренов это может быть катион \(\mathrm{NO_2^+}\), атом брома в поляризованной молекуле \(\mathrm{Br_2}\) или карбкатион \(\mathrm{R^+}\).

T
Общий механизм

Электрофильное замещение проходит в три стадии: образование сильного электрофила; атака \(\pi\)-электронной системы бензольного кольца с образованием σ-комплекса; отщепление протона и восстановление ароматичности. Стадия образования σ-комплекса обычно определяет скорость реакции.

Стадии механизма

  1. В присутствии катализатора или сильной кислоты из реагента образуется электрофил. Например, при нитровании возникает катион нитрония \(\mathrm{NO_2^+}\).
  2. Электрофил атакует бензольное кольцо. Одна из π-связей образует связь с электрофилом, поэтому ароматичность временно нарушается. Возникает σ-комплекс, или арений-катион.
  3. Основание отщепляет протон от атома углерода, связанного с электрофилом. Электроны связи C–H возвращаются в кольцо, и ароматичность восстанавливается.

σ-комплекс стабилизируется за счёт резонансного распределения положительного заряда по нескольким атомам углерода кольца. Чем устойчивее промежуточный σ-комплекс, тем легче протекает замещение.

\[\mathrm{Ar-H + E^+ \rightarrow [Ar(H)(E)]^+ \rightarrow Ar-E + H^+}\]

Типичные реакции аренов

Основные реакции бензола изучаются на реакциях замещения бензола. Во всех случаях меняется атом водорода в кольце, но электрофил и условия различаются.

РеакцияЭлектрофил и условияУравнение
Нитрованиеконцентрированные \(\mathrm{HNO_3}\) и \(\mathrm{H_2SO_4}\), нагревание не требуется\(\mathrm{C_6H_6 + HNO_3 \rightarrow C_6H_5NO_2 + H_2O}\)
Галогенирование\(\mathrm{Cl_2}\) или \(\mathrm{Br_2}\), катализатор \(\mathrm{FeCl_3}\) или \(\mathrm{FeBr_3}\)\(\mathrm{C_6H_6 + Br_2 \rightarrow C_6H_5Br + HBr}\)
Сульфированиеконцентрированная \(\mathrm{H_2SO_4}\) или олеум\(\mathrm{C_6H_6 + H_2SO_4 \rightarrow C_6H_5SO_3H + H_2O}\)
Алкилирование Фриделя—Крафтсагалогеналкан и безводный \(\mathrm{AlCl_3}\)\(\mathrm{C_6H_6 + RCl \rightarrow C_6H_5R + HCl}\)

В нитровании электрофил образуется так: серная кислота протонирует азотную кислоту, затем отщепляется вода. Получается катион нитрония.

\[\mathrm{HNO_3 + H_2SO_4 \rightarrow NO_2^+ + HSO_4^- + H_2O}\]
C6H6 + HNO3 → C6H5NO2 + H2OНитрование бензола концентрированными кислотами.
C6H6 + Br2 → C6H5Br + HBrБромирование бензола в присутствии катализатора \(\mathrm{FeBr_3}\) или железа.
Важно различать условия

Раствор брома обесцвечивается алкенами по реакции присоединения, но бензол реагирует с бромом только в присутствии катализатора Льюиса, например \(\mathrm{FeBr_3}\). Это признак различия алкенов и аренов.

Микропроверка

Какой электрофил непосредственно атакует бензольное кольцо при нитровании?

Ориентирующее действие заместителей

Если в бензольном кольце уже есть заместитель, он влияет на электронную плотность и направление следующего замещения. Положение относительно первого заместителя называют: орто- (2-), мета- (3-) или пара- (4-).

Тип заместителяПримерыНаправлениеВлияние на скорость
Ориентанты I рода\(\mathrm{-CH_3}\), \(\mathrm{-OH}\), \(\mathrm{-NH_2}\), \(\mathrm{-OR}\)орто- и пара-обычно ускоряют
Галогены\(\mathrm{-Cl}\), \(\mathrm{-Br}\)орто- и пара-замедляют
Ориентанты II рода\(\mathrm{-NO_2}\), \(\mathrm{-COOH}\), \(\mathrm{-CHO}\), \(\mathrm{-COR}\), \(\mathrm{-SO_3H}\)мета-обычно замедляют

Заместители I рода повышают электронную плотность кольца за счёт +I-эффекта, сопряжения или неподелённой электронной пары. В результате σ-комплекс при орто- и пара-атаке стабилизируется лучше. Алкильные группы, например в алкилбензолах, направляют новый заместитель преимущественно в орто- и пара-положения.

Заместители II рода оттягивают электронную плотность за счёт −I- или −M-эффекта. При орто- и пара-атаке одна из резонансных форм σ-комплекса особенно неустойчива, поэтому преимущественно образуется мета-продукт.

T
Правило ориентации

Электронодонорные заместители обычно являются орто-пара-ориентантами и активируют кольцо. Электроноакцепторные заместители обычно являются мета-ориентантами и дезактивируют кольцо. Галогены — исключение: они дезактивируют кольцо, но направляют замещение в орто- и пара-положения.

При наличии нескольких заместителей учитывают совместное действие. Если заместители направляют в одно положение, оно становится главным. Если их указания различаются, сильнее влияет активирующий заместитель; также учитывают пространственные препятствия, поэтому пара-изомер часто образуется в большем количестве, чем орто-изомер.

Разобранный пример: нитрование толуола

№
Задание экзаменационного типа

Определите преимущественный продукт нитрования толуола и назовите его. Условия: концентрированные \(\mathrm{HNO_3}\) и \(\mathrm{H_2SO_4}\).

1
В толуоле заместитель \(\mathrm{-CH_3}\) является электронодонорным заместителем и активирует бензольное кольцо.
\(\displaystyle \mathrm{-CH_3:\ ortho\text{-}para\text{-}ориентант}\)
2
Свободные положения относительно метильной группы — 2, 3, 4, 5 и 6. Орто-положения — 2 и 6, пара-положение — 4.
\(\displaystyle \mathrm{C_6H_5CH_3\xrightarrow[H_2SO_4]{HNO_3}\ o\text{-}CH_3C_6H_4NO_2+p\text{-}CH_3C_6H_4NO_2}\)
3
Орто- и пара-изомеры образуются преимущественно. Пара-изомер часто преобладает из-за меньших пространственных препятствий для нитрогруппы.
\(\displaystyle \mathrm{p\text{-}CH_3C_6H_4NO_2\ обычно\ основной\ продукт}\)

Ответ: образуется смесь 2-нитротолуола и 4-нитротолуола, причём обычно преобладает 4-нитротолуол. 3-нитротолуол является минорным продуктом, так как метильная группа не направляет в мета-положение.

!
Частые ошибки

1. Нельзя считать все заместители орто-пара-ориентантами. Нитрогруппа, карбоксильная и альдегидная группы направляют в мета-положение. 2. Нельзя путать направление и скорость: галогены направляют в орто-пара, но замедляют реакцию. 3. В названии продукта сначала указывают положение заместителей и только затем выбирают главное углеродное соединение. 4. Не следует записывать присоединение брома к бензолу без катализатора.

Алгоритм решения задач

  1. Запишите строение исходного арена и найдите уже имеющийся заместитель.
  2. Определите его тип: орто-пара-ориентант, мета-ориентант или галоген.
  3. Определите электрофил по реагентам: \(\mathrm{NO_2^+}\) при нитровании, активированный бром или хлор при галогенировании, сульфирующий электрофил при сульфировании.
  4. Расставьте возможные положения нового заместителя и исключите положения, запрещённые правилом ориентации.
  5. Учтите стерический фактор: при орто-пара-ориентации пара-изомер часто выгоднее.
  6. Проверьте молекулярную формулу, тип реакции и уравняйте уравнение.

Для расчётных заданий полезно помнить, что в реакции замещения один атом водорода бензольного кольца заменяется на заместитель. Поэтому при замещении не меняется число атомов углерода в ядре, а число атомов водорода уменьшается на один; состав введённой группы определяется реагентом.

Приём для выбора изомера

Сначала определите направление по электронным эффектам, а затем сравните пространственные препятствия. Если возможны орто- и пара-продукты, в школьных задачах чаще выбирают пара-продукт как преимущественный, если нет дополнительных условий.

Q
Быстрый тест по теме

Проверь себя

~ 2 мин4 вопроса
Вопрос 1 / 4
Вопрос 1 из 4 · механизм
Какой тип замещения даёт нитрование бензола?
Главное за минуту

Главное

  • Электрофильное замещение сохраняет ароматичность: электрофил временно образует σ-комплекс, затем отщепляется протон.
  • Нитрование, галогенирование, сульфирование и алкилирование относятся к типичным реакциям аренов.
  • Электронодонорные группы обычно активируют кольцо и направляют в орто- и пара-положения.
  • Электроноакцепторные группы дезактивируют кольцо и направляют в мета-положение.
  • Галогены — особое исключение: они замедляют реакцию, но сохраняют орто-пара-ориентацию.
  • При выборе основного продукта учитывают и электронные эффекты, и пространственные препятствия.