Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
48
Глава 15.
НУКЛЕОФИЛЬНОЕ
15.1. МЕХАНИЗМ ОТЩЕПЛЕНИЯ – ПРИСОЕДИНЕНИЯ
15.1.1. СПОСОБЫ ГЕНЕРАЦИИ ДЕГИДРОБЕНЗОЛА
15.1.2. СТРОЕНИЕ ДЕГИДРОБЕНЗОЛА
15.1.3. СТРУКТУРНЫЕ ЭФФЕКТЫ В АРИНОВОМ МЕХАНИЗМЕ ЗАМЕЩЕНИЯ
15.1.4. БИЦИКЛИЧЕСКИЕ АРИНЫ И ГЕТАРИНЫ
15.2. МЕХАНИЗМ SRN1 С УЧАСТИЕМ СВОБОДНЫХ РАДИКАЛОВ
15.3. МЕХАНИЗМ SRN1 В АЛИФАТИЧЕСКОМ НУКЛЕОФИЛЬНОМ ЗАМЕЩЕНИИ
15.4. БИМОЛЕКУЛЯРНЫЙ МЕХАНИЗМ ПРИСОЕДИНЕНИЯ – ОТЩЕПЛЕНИЯ SNAr
15.4.1. АНИОННЫЕ σ-КОМПЛЕКСЫ
15.4.2. КИНЕТИКА РЕАКЦИЙ И КАТАЛИЗ ОСНОВАНИЯМИ
15.4.3. КОМПЛЕКСЫ МЕЙЗЕНГЕЙМЕРА В ОРГАНИЧЕСКОМ СИНТЕЗЕ
15.4.4. ОРИЕНТАЦИЯ ПРИ МЕХАНИЗМЕ SNAr
15.4.5. ВИКАРИОЗНОЕ ЗАМЕЩЕНИЕ
15.4.6. АКТИВАЦИЯ ГАЛОГЕНАРЕНОВ В РЕАКЦИЯХ SNAr С ПОМОЩЬЮ КОМПЛЕКСООБРАЗОВАНИЯ С ПЕРЕХОДНЫМИ МЕТАЛЛАМИ
15.5. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОРБИТАЛИ АРЕНОВ В РЕАКЦИЯХ ПРИСОЕДИНЕНИЯ – ОТЩЕПЛЕНИЯ
15.6. МЕХАНИЗМ ANRORC
15.7. МОНОМОЛЕКУЛЯРНЫЙ МЕХАНИЗМ НУКЛЕОФИЛЬНОГО АРОМАТИЧЕСКОГО ЗАМЕЩЕНИЯ SN1
15.8. РЕАКЦИИ СОЛЕЙ АРЕНДИАЗОНИЯ С МЯГКИМИ ОСНОВАНИЯМИ ЛЬЮИСА
Реакции нуклеофильного ароматического замещения без учета их дательного механизма можно описать следующей общей схемой:
Здесь Z – уходящая (нуклеофугная) группа, X – заместитель в бензольном кольце, Nu-: - нуклеофил, который чаще всего имеет отрицательный заряд (OH-, OR-, NH2- и т.д.), но может быть также и электронейтральным (R2NH, RNH2, ROH и т.д.).
При рассмотрении механизма нуклеофильного ароматического замещения мы невольно начинаем с того, что сравниваем эти реакции, с одной стороны, с нуклеофильным замещением в алифатическом ряду (из-за общности типа замещения), а с другой стороны, с электрофильным ароматическим замещением (из-за общности типа органического субстрата).
Ясно, что механизм SN2, характерный для алифатического ряда, например, для алкилгалогенидов, когда происходит синхронное образование новой и разрыв старой связей в тригональном бипирамидальном переходном состоянии (см. гл. 9, ч.1), в ароматическом ряду осуществиться не может, поскольку арилгалогениды не могут принять конфигурацию, необходимую для синхронного SN2 – замещения, так как тыльная сторона связи C – Z в ArZ блокирована бензольным кольцом.
По аналогии с электрофильным ароматическим замещением, осуществляющимся через катионные σ-комплексы (см. гл. 13), для нуклеофильного ароматического замещения можно предположить механизм с участием аналогичного анионного σ-комплекса:
Однако ароматические соединения по своей природе являются π-основаниями, а не π-кислотами. Поэтому в большинстве своем они не склонны реагировать с нуклеофилами путем присоединения с образованием анионных σ-комплексов. Для ароматических субстратов, в которых заместитель X не очень сильная электроноакцепторная группа, повышение силы нуклеофила, как правило, не приводит к увеличению скорости образования анионного σ-комплекса. Одна из причин состоит в том, что одновременно с возрастанием нуклеофильности (сродства к углеродному центру) гораздо быстрее растет основность (сродство к протону) частицы Nu:-, и поэтому нуклеофил действует как основание, отрывая протон от бензольного кольца (см. 15.1), но не присоединяется по атому углерода. И только в тех случаях, когда X – сильный акцептор электронов (например, X = -N+≡N, NO2, SO2R и т.п.), реакция может идти через анионный σ-комплекс (см. 15.4).
Исследования показали, что механизмы нуклеофильного ароматического замещения очень разнообразны, и тип механизма зависит главным образом от природы ароматического субстрата. Наиболее распространенными являются механизмы отщепления – присоединения (15.1) для так называемых неактивированных субстратов, не содержащих сильные электроноакцепторные заместители X, и присоединения – отщепления (см. 15.4) для активированных субстратов с сильными электроноакцепторными заметителями.
15.1. МЕХАНИЗМ ОТЩЕПЛЕНИЯ – ПРИСОЕДИНЕНИЯ
Неактивированные арилгалогениды, в которых хоты бы одно из двух орто-положений по отношению к атому галогена не занято заместителем, с сильными нуклеофилами реагируют по механизму, включающему последовательные стадии отщепления и присоединения. Нуклеофил Nu:- на первой стадии действует как основание, отщепляя протон в орто-положении к атому галогена ароматического субстрата. Отщепляется именно орто-протон, поскольку в арилгалогенидах орто-протон самый «кислый» (кислотность убывает в ряду орто-H > мета-H > пара-H). Образовавшийся карбанион (I) быстро выбрасывает анион Hal-, в результате чего образуется незаряженная очень нестабильная частица, которую можно представить в виде бензольного кольца с тройной связью (II). На этом заканчивается стадия отщепления:
Частицы типа II получили название аринов, или дегидроаренов; если X = H, то образуется дегидробензол. В связи с этим рассматриваемый в этом разделе механизм замещения называют ариновым механизмом.
Далее следует стадия присоединения HNu: к молекуле арина, ведущая к образованию конечного продукта:
Механизм с промежуточным образованием дегидробензола реализуется при замещении галогена в арилгалогенидах, не содержащих электроноакцепторных групп, активирующих нуклеофильное замещение. При замещении хлора в орто-хлортолуоле на гидроксильную группу при нагревании с 15%-м водным раствором щелочи при 350 – 400ºС под давлением образуется смесь орто- и мета-крезолов в соотношении 2 : 3. В тех же условиях из пара-хлортолуола образуется смесь мета- и пара-крезолов:
Аналогично при взаимодействии орто-хлортолуола с амидом калия в жидком аммиаке образуется смесь орто- и мета-толуидинов, а 1-метокси-2-хлорнафталин в тех же условиях дает 1-метокси-3-аминонафталин:
Образование смесей изомерных фенолов или аминов означает, что во всех этих реакциях первоначально образуется нестабильный интермедиат, а именно, арин, который затем присоединяет нуклеофильный агент OH- или NH2- с низкой региоселективностью Такое предположение было впервые высказано в 1942 г. Г. Виттигом, который изучал реакцию фениллития с фтор-, хлор-, бром- и йодбензолом в эфире, где неожиданно оказалось, что скорость образования 2-литийбифенила уменьшается в ряду C6H5F >> C6H5Cl > C5H5Br ~ C6H5I. Для объяснения образования 2-литийбифенила и аномальной реакционной способности фенилгалогенидов Виттиг предложил следующую схему:
В 1953 г. Дж. Робертс привел убедительное доказательство образования дегидробензола как промежуточного продукта в реакции хлорбензола с амидом калия в жидком аммиаке. Хлорбензол, меченый в положении 1 радиоактивным изотопом 14C, образует почти равные количества анилина-1-14C и анилин-2-14C:
Процесс промышленного получения фенола из хлорбензола также идет через стадию дегидробензола:
Одно из доказательств, представленных впоследствии Виттигом (1956) в пользу существования дегидробензола, основывалось на улавливании этого крайне нестабильного интермедиата как диенофила с помощью диенов в реакции Дильса-Альдера. Так, при встряхивании раствора орто-фторбромбензола в фуране с амальгамой лития был получен 1,4-дигидронафталин-1,4-эндооксид, который при кислотном гидролизе превращается в 1-нафтол:
При использовании в качестве диеновой ловушки дегидробензола антрацена образуется своеобразный углеводород, называемый триптиценом:
При отсутствии нуклеофильных агентов или других «ловушек» дегидробензол превращается в димер (дифенилен) и тример (трифенилен):
15.1.1. СПОСОБЫ ГЕНЕРАЦИИ ДЕГИДРОБЕНЗОЛА
В настоящее время разработан ряд методом генерации короткоживущего дегидробензола. Мы приведем наиболее важные. исторически первым методом образования дегидробензола было взаимодействие арилгалогенидов с сильными основаниями (амид калия, фениллитий, пиперидид лития и др.). Образующийся при этом дегидробензол далее взаимодействует с основанием с образованием конечного продукта нуклеофильного замещения галогена. Поэтому этот метод неудобен для изучения стабильности аринов. Этого недостатка лишены другие методы, основанные на генерации аринов из ариланионов, содержащих в орто-положении хорошую уходящую группу. Такому условию удовлетворяют приведенные выше реакции орто-дигалогенбензолов с амальгамой лития или магния. В этих реакциях дегидробензол образуется из орто-галогензамещенных арил-анионов при отщеплении галогенид-иона. Более удобный способ образования дегидробензола основан на диазотировании антраниловой кислоты аминлнитритом в ТГФ или другом органическом растворителе (CH2Cl2) с образованием относительно стабильного бетаина 2-карбоксибензолдиазония. Этот бетаин при нагревании или облучении разлагается с синхронным отщеплением азота и CO2 с образованием дегидробензола:
Это один из лучших и наиболее простых методов генерации дегидробензола, поскольку выход продукта захвата различных диенов обычно превышает 75%. Аналогичным способом дегидробензол может быть генерирован и при диазотировании орто-аминобензолсульфиновой кислоты, в качестве промежуточного соединения при этом образуется бензотиадиазол-1,1-диоксид, который при термическом разложении или фотолизе расщепляется с образованием дегидробензола:
Окисление доступного 1-аминобензотриазола в очень мягких условиях тетраацетатом свинца или другими окислителями приводит к дегидробензолу в качестве интермедиата:
Серди других нейтральных уходящих групп наиболее эффективным оказывается йодбензол. Например, при термическом разложении 2-карбоксифенилйодония в присутствии тетрафенилциклопентадиенона как реакционноспособного диена образуется тетрафенилнафталин с выходом 68%:
Дегидробензол в качестве индивидуального соединения, а не предполагаемого интермедиата, впервые был зафиксирован только в 1973 г. при фотолизе фталоилпероксида или бензциклобутен-1,2-диона в твердой аргонной матрице при – 265ºС. Уже при –230ºС он легко взаимодействует с фураном:
15.1.2. СТРОЕНИЕ ДЕГИДРОБЕНЗОЛА
Для правильного понимания строения дегидробензола необходимо иметь в виду, что при sp-гибридизации двух атомов углерода, связанных тройной связью, валентный угол должен быть равен 180º. Это означает, что эти два атома углерода и два атома углерода, непосредственно с ними связанные, должны быть расположены линейно. В шестичленном цикле дегидробензола по геометрическим соображениям это невозможно. Поэтому вторая «π-связь» «тройной связи» дегидробензола, лежащая в плоскости кольца дегидробензола, может образоваться только за счет перекрывания sp2-гибридных орбиталей соседних атомов углерода. При боковом перекрывании sp2-орбиталей (находящихся в плоскости бензольного кольца) образуется связь приблизительно вдвое слабее обычной π-связи, так как этидве sp2-орбитали сильно удалены друг от друга что резко уменьшает область их перекрывания. Хотя дегидробензол и относится к ароматическим структурам, удовлетворяющим правилу Хюккеля (4n + 2), он очень склонен к присоединению. Однако в реакциях присоединения участвует не ароматический секстет, а ортогональная ему боковая π-связь:
Реакционная способность дегидробензола и других аринов чрезвычайно велика, вследствие чего промежуточные соединения такого типа никогда не удавалось выделить в нормальных условиях. Спектроскопические данные указывают на их существование в газовой фазе лишь в течение нескольких микросекунд. Неустойчивость аринов обусловлена тем, что в боковой π-связи перекрывание плохое, и вследствие этого возмущение sp2-гибридных орбиталей, образующих эту связь, невелико. Следовательно, ВЗМО боковой π-связи расположена значительно выше, а НСМО – значительно ниже соответствующих граничных орбиталей нормальной π-связи в ацетилене. По этой причине арины энергично присоединяют по боковой π-связи даже очень слабые нуклеофилы, и селективность при присоединении различных нуклеофилов мала. Так, например, относительная активность галогенид-ионов по отношению к дегидробензолу уменьшается в ряду I- (60) > Br- (10) > Cl- (1). Этанов, метанол и другие спирты реагируют с ними лишь в сто раз медленнее, чем бромид-ион. Реакционная способность дегидробензола по отношению к нуклеофильным агентам убывает в ряду RS- > (C6H5)3C- > C6H5C≡C- > енолят-ионы > C6H5O- ~ I- > Br- > Cl- > ROH ~ H2O, характеризующим дегидробензол как легко поляризуемую мягкую кислоту Льюиса. Легкая поляризуемость обусловлена узкой энергетической щелью между ВЗМО и НСМО.
15.1.3. СТРУКТУРНЫЕ ЭФФЕКТЫ
В АРИНОВОМ МЕХАНИЗМЕ ЗАМЕЩЕНИЯ
Чтобы правильно объяснить влияние строения ароматического субстрата на скорость реакции замещения, необходимо установить, какая из стадий процесса является смой медленной.
При проведении реакции равномолекулярной смеси бромбензола и орто-дейтеробромбензола с недостатком амид-аниона выделенный непрореагировавший бромид содержит больше дейтеробромбензола, чем бромбензола. Из этого факта следует, что дейтеробромбензол менее реакционноспособен, чем бром бензол, а также то, что отщепление H+ или D+ под действием NH2- происходит в медленную стадию реакции, определяющую скорость процесса в целом:
орто-Дейтерофторбензол очень медленно реагирует с NH2-, превращаясь в анилин, но быстро теряет свой дейтерий, давая немеченый фторбензол:
И в этом случае на первой стадии отщепляется протон (дейтерон) с образованием карбаниона, но, прежде чем в карбанионе разорвется прочная связь углерод – фтор, карбанион реагирует с аммиаком (немеченым), в результате чего регенерируется фторбензол, но уже не содержащий дейтерия.
В случае орто-дейтеробромбензола разрыв относительно слабой (по сравнению с C – F) связи C – Br в карбанионе протекает гораздо быстрее, чем протонирование под действием аммиака, и карбанион, как только он образуется, теряет бром-анион, превращаясь в дегидробензол. По этой причине изотопный обмен водорода в бромбензоле не осуществляется в заметной степени. Не исключено даже, что отрыв протона и отщепление бром-аниона протекает синхроно, в одну стадию.
Общая схема этих процессов может быть изображена следующим образом:
Промежуточное образование дегидробензола должно быть невозможным в случае 2,6-дизамещеных галогенбензолов.
Действительно, например, в случае 2-бром-3-метокситолуола бром не замещается на аминогруппу:
В целом можно сказать, что во всех случаях скорость реакции замещения по ариновому механизму (отщепления – присоединения) определяется скоростью образования арина, что естественно, так как арины очень реакционноспособные соединения, поэтому вторая стадия присоединения идет очень быстро. Однако отщепление галогеноводорода, приводящее к арину, состоит из двух стадий: отрыва протона и отщепления галогенид-иона от арильного аниона (стадии k1 и k2) и в зависимости от природы галогена и основания (нуклеофила) любая из этих стадий может стать самой медленной, определяющей скорость образования арина.
Замещенные арины могут давать два разных продукта, соотношение которых зависит от относительных скоростей альтернативных путей быстрой стадии присоединения к ариновому интермедиату.
При действии амида калия в жидком NH3 на орто-, мета- или пара-замещенные галогенбензолы могут оразовываться лишь два ариновых интермедиата (I и II, см. приведенную ниже схему), присоединение нуклеофила (в данном случае NH2-) к которым может привести к четырем карбанионам – III, IV, V и VI:
Из орто-замещенного галогенбензола может образоваться лишь I, из пара-замещенного – лишь II, а из мета-замещенного оба изомерных дегидробензола. Из I образуются карбанионы III и IV, а из II – карбанионы V и VI, Реакция идет через преимущественное образование более стабильного карбаниона (если считать, что переходное состояние присоединения к дегидробензолам по структуре ближе к карбаниону, чем к дегидробензолу). Поскольку в карбанионе (и похожем на него переходном состоянии) орбиталь, несущая отрицательный заряд, ортогональна π-системе бензола, то сопряжения между ними нет, и, следовательно, влияние заместителя должно быть в основном связано с его индуктивным эффектом и эффектом поля. (-I)-заместители, притягивающие электроны, должны стабилизировать отрицательный заряд в соседнем положении, и поэтому I при наличии таких заместителей будет давать преимущественно анион IV. Аналогично, хотя и с меньшим различием, такие заместители лучше стабилизируют мета-анион (VI), чем пара-анион (V), и поэтому II должны преимущественно давать анион VI. (+I)-заместители, т.е. индуктивные доноры электронов, оказывают противоположное влияние. Для них путь реакции через анионы III и V предпочтительнее путей через анионы IV и VI.
Мезомерный эффект заместителей играет, конечно, вторичную роль, но все же им пренебречь нельзя. Если входящий нуклеофил (в рассматриваемом случае аминогруппа) имеет неподеленную пару электронов и если переходное состояние позднее, т.е. связь C – N в нем в достаточной степени сформировалась, то возможно сопряжение неподеленной пары с π-акцепторными (-M)-заместителями, что должно понизить энергию переходного состояния. Экспериментальные данные, приведенные в табл. 15.1, подтверждают такую точку зрения.
Таблица 15.1
Продукты реакции XC6H4Br с KNH2/NH3 (%)
|
X |
Для орто-XC6H4Br (через I) |
Для пара-XC6H4Br (через II) |
||
|
орто- |
мета- |
мета- |
пара- |
|
|
F |
< 1 |
> 99 |
20 – 25 |
75 – 80 |
|
CN |
10 – 15 |
85 – 90 |
0 – 5 |
95 – 100 |
|
OCH3 |
0 – 5 |
95 – 100 |
45 – 50 |
50 – 55 |
|
CH3 |
55 |
45 |
60 |
40 |
|
O- |
85 - 90 |
10 - 15 |
100 |
0 |
Фтор, сильный (-I)-заместитель, способствует образованию почти исключительно мета-продукта (через анион IV) из I и в меньшей степени образованию пара-продукта из II. Цианогруппа по индуктивному (-I)-эффекту сравнима с фтором (см. 2.3, ч.1), но она обладает к тому же и сильным (-M)-эффектом. Мезомерный эффект между NH2 и X = CN в анионе VI увеличивает стабильность этого аниона (образующегося из II), но не проявляется в случае аниона V, Следовательно, анион VI должен быть стабильнее аниона V не только из-за индуктивного, но и из-за мезомерного эффекта CN-группы. С другой стороны, в случае анионов III и IV (образующихся из I) мезомерный эффект CN действует в менее стабильном анионе III; он стабилизирует этот анион, но не делает его более стабильным, чем анион IV, так как главную роль все время играет индуктивный эффект заместителя X. Это приводит лишь к тому, что доля второстепенного продукта в случае I (орто-) больше доли второстепенного продукта, образующегося из II (мета-) (см. табл. 15.1). Метоксигруппа ведет себя аналогично фтору, но ее влияние слабее. Метильная группа имеет небольшой эффект (+I). Группа –O- (оксидная группа) является сильным (+I)- и сильным (+M)-заместителем (см. гл.2), и поэтому ее влияние диаметрально противоположно влиянию CN (-I, -M-группы).
15.1.4. БИЦИКЛИЧЕСКИЕ АРИНЫ И ГЕТАРИНЫ
Кроме дегидробензола известны многие другие дегидроарены и дегидрогетарены, объединяемые общим термином «арины». Методы получения этих частиц аналогичны методам, используемым для получения и фиксации дегидробензола. В качестве примера приведем получение бициклического 1,2-дигидронафталина и гетероциклических аринов (3,4-дегидропиридина и 3,4-дегидрохинолина):
15.2. МЕХАНИЗМ SRN1 С УЧАСТИЕМ СВОБОДНЫХ РАДИКАЛОВ
В 1970 г. Дж. Баннет сформулировал анион-радикальный механизм нуклеофильного ароматического замещения и предложил принципиально новый способ активации ароматических соединений, не содержащих активирующих электроноакцепторных заместителей, в нуклеофильном замещении галогена. Этот механизм обозначается символом SRN1 (замещение радикально-нуклеофильное, мономолекулярное). Реакция инициируется переносом одного электрона от восстановителя к арилгалогениду. В качестве восстановителя-инициатора радикальной цепи может быть использован так называемый «сольватированный электрон», который образуется при растворении металлического калия или натрия в жидком аммиаке, но обычно функцию одноэлектронного восстановителя выполняет сам нуклеофильный агент Nu:-. В этом случае для инициирования реакции требуется УФ-облучение. В результате переноса одного электрона на молекулу арилгалогенида образуется анион-радикал ArX•-, из которого при отщеплении галогенид-иона получается арил-радикал Ar•. Он присоединяет нуклеофильный агент Nu- с образованием анион-радикала ArNu•-. Перенос электрона от анион-радикала ArNu•- к исходному субстрату ArX завершает развитие радикальной цепи. Три стадии этого анион-радикального процесса могут быть выражены с помощью следующей последовательности превращений:
Нетрудно заметить, что нуклеофильный агент Nu- служит «ловушкой» для радикала Ar•, и эта стадия является ключевой для развития ион-радикальной цепи. Арилйодиды более склонны к восстановлению до анион-радикалов по сравнению с арилбромидами и тем более арилхлоридами и арилфторидами. Поэтому в приведенном выше примере (15.1) триметилйодбензолы реагируют с амидом калия по SRN1-механизму, тогда как для аналогичных хлор- и бромпроизводных реализуется ариновый механизм замещения галогена на аминогруппу. Однако это не означает, что арилбромиды и арилхлориды не способны вступать в реакции по механизму SRN1 с подходящими нуклеофильными агентами и при соответствующем способе инициирования цепного процесса. В общем виде цепную реакцию SRN1 можно представить следующей схемой, где Z – уходящая группа, а Nu- - нуклеофильный агент:
Ниже приведены некоторые наиболее типичные и важные примеры реакций, в которых реализуется этот механизм замещения галогена на самые разнообразные группы. В качестве нуклеофильных агентов используются енолят-ионы, тиолят-ионы, карбанионы, амид-ион, анионы различных фосфорорганических соединений, анионы R3Э-, где Э = Si, Ge, Sn, и другие нуклеофилы, но не алкоксид- или феноксид-ионы (табл. 15.2).
Таблица 15.2
Примеры нуклеофильного ароматического замещения по механизму SRN1
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
Для многих из приведенных в табл. 15.2 соединений трудно предложить какой-либо рациональный альтернативный способ получения. Это обстоятельство сыграло важную роль в быстром развитии метода ароматического нуклеофильного замещения.
Как уже отмечалось выше, некоторые реакции, для которых характерен механизм отщепления – присоединения с образованием аринов в качестве интермедиата, в присутствии подходящего восстановителя изменяют механизм на SRN1, что отражается в изменении состава продуктов реакции. Так, например, при взаимодействии орто-броманизола с амидом калия в жидком аммиаке образуется 95% мета-анизидина (см. табл. 15.1), что определенно указывает на образование дегидроанизола в качестве промежуточного продукта. Та же самая реакция в присутствии металлического калия как инициатора цепного ион-радикального процесса приводит к орто-анизидину в качестве единственного продукта реакции:
В реакцию SRN1 вступают не только арилгалогениды, но и ряд других ароматических субстратов. Для солей арендиазония этот механизм будет рассмотрен ниже в разделе 15.8.
15.3. МЕХАНИЗМ SRN1 В АЛИФАТИЧЕСКОМ
НУКЛЕОФИЛЬНОМ ЗАМЕЩЕНИИ
Механизм радикально-нуклеофильного замещения реализуется и для некоторых случаев замещения у насыщенного атома углерода. Исторически пара-нитробензильные производные п-NO2C6H4CH2Z были первыми соединениями, для которых был обнаружен SRN1-подобный механизм замещения уходящей группы Z под действием самых разнообразных нуклеофильных реагентов (Н. Корнблюм, 1965). Анионы нитроалканов представляют собой типичные амбидентные нуклеофилы (см. гл. 22, ч.3), которые могут алкилироваться как по углеродному, так и по кислородному центру:
Алкилирование анионов нитроалканов под действием разнообразных алкилгалогенидов и бензилгалогенидов протекает по SN2-механизму с участием исключительно кислородного центра этих амбидентных анионов (O-алкилирование), например:
Однако пара-нитробензилхлорид в реакции с натриевой солью 2-нитропропана образует продукт C-алкилирования с выходом 92% и только 6% продукта O-алкилирования. Это определенно указывает на изменение механизма реакции. Действительно, акцепторы электронов ингибируют реакцию C-алкилирования, а доля продукта O-алкилирования при этом сильно возрастает. Так, в присутствии 0,2 эквивалента 1,4-динитробензола как акцептора электронов выход продукта C-алкилирования уменьшается с 92 до 6%, а выход продукта O-алкилирования возрастает с 6 до 88%. Это позволяет предположить, что O-алкилирование анионов нитроалканов действительно протекает как SN2-замещение у насыщенного атома углерода, тогда как для C-алкилирования реализуется альтернативный ион-радикальный цепной процесс, аналогичный SRN1-механизму для замещения в ароматическом ряду:
Анион-радикал конечного продукта 2-(4-нитробензил)-2-нитропропана был обнаружен с помощью ЭПР-спектроскопии.
Конкуренция между SRN1 и SN2-механизмами в значительной степени зависит от природы уходящей группы (табл. 15.3). Уходящие группы – мягкие основания Льюиса – способствуют SN2-механизму змещения, тогда как жесткие основания Льюиса в качестве уходящей группы делают предпочтительным SRN1-механизм.
Таблица 15.3
Направление реакции п-NO2C6H4CH2X с анионом 2-нитропропана
в ДМФА в зависимости от природы уходящей группы X
|
X |
Выход продукта, % |
X |
Выход прдукта, % |
||
|
C-алкилирование |
O-алкилирование |
C-алкилирование |
O-алкилирование |
||
|
(CH3)3N+ |
93 |
0 |
TSO |
40 |
32 |
|
C6Cl5COO |
93 |
0 |
Br |
17 |
65 |
|
Cl |
92 |
6 |
I |
7 |
81 |
Помимо анионов нитроалканов в качестве нуклеофильных агентов в алифатическом SRN1-замещении могут быть использованы тиолят- (RS-), нитрит-, сульфинат- (RSO2-), цианид-ионы, а также енолят-ионы. В этом случае в качестве интермедиатов также были зафиксированы соответствующие анион-радикалы.
Наиболее важной особенностью алифатического ион-радикального замещения является возможность замещения у третичного атома углерода. Известно (см. гл. 9), что третичные алкилгалогениды инертны в реакциях SN2 и вместо этого подвергаются элиминированию по механизму E2. Однако третичный пара-нитрокумилхлорид п-NO2C6H4C(CH3)2Cl и его производные легко взаимодействуют с самыми разнообразными нуклеофильными агентами по SRN1-механизму:
Все эти реакции проводились в ДМФА или ДМСО при УФ-облучении. Помимо пара-нитрокумилхлорида в такие реакции вступают и другие соединения с третичным атомом углерода: 4-(1-метил-1-нитроэтил)пиридин PyC(CH3)2NO2, эфиры α-нитрокарбоновых кислот, α-нитронитрилы, 1,1-динитроалканы и циклоалканы, геминальные галогеннитроалканы (Н. Корнблюм):
Приведенные выше реакции лежат в основе синтеза полифункциональных соединений, а также α,β-непредельных нитрилов, сложных эфиров, кетонов и нитросоединений после отщепления HNO2 при нагревании в ГМФТА при 120ºС.
15.4. БИМОЛЕКУЛЯРНЫЙ МЕХАНИЗМ
ПРИСОЕДИНЕНИЯ – ОТЩЕПЛЕНИЯ SNAr
Этот механизм является весьма распространенным и хорошо изученным. Такой способ замещения наиболее типичен для соединений, содержащих один, два или три сильных электроноакцепторных заместителя: NO2, NO, RSO2, N2+, CN, активирующих присоединение нуклеофильного агента, от чего сам процесс называется реакцией активированного ароматического нуклеофильного замещения (символ SNAr, Дж. Баннет, 1958).
В табл. 15.4 приведены некоторые примеры реакций активированного ароматического нуклеофильного замещения с участием самых разнообразных нуклеофильных агентов OH-, OR-, SR-, RNH2, R2NH, NH 2NH2 и др.
Таблица 15.4
Реакции активированного ароматического нуклеофильного замещения
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
Связывание нуклеофильного реагента, как и при электрофильном замещении, первоначально происходит на счет межмолекулярного взаимодействия, ведущего к образованию ковалентной связи в σ-комплексе. Таким образом, SNAr-механизм формально подобен SEAr-механизму электрофильного ароматического замещения, различие между ними заключается в том, что в SNAr-процессах субстрат является акцептором, а атакующая частица – донором пары электронов. Для SNAr-механизма также характерно образование σ-комплекса в качестве интермедиата, только в отличие от электрофильного замещения он несет не положительный, а отрицательный заряд. Анионные σ-комплексы часто называют комплексами Мейзенгеймера, который в 1902 г. выделил в индивидуальном виде комплекс (VIII) 2,4,6-тринитрофенетола с метилат-ионом. Этот же комплекс образуется в реакции 2,4,6-тринитроанизола с этилат-ионом:
15.4.1. АНИОННЫЕ σ-КОМПЛЕКСЫ
Согласно рентгеноструктурным данным, в симметричном комплексе, изображенном формулой IX, все атомы углерода бензольного кольца и атомы азота всех трех нитрогрупп лежат в одной плоскости, а два атома кислорода метоксильных групп находятся в плоскости, перпендикулярной плоскости кольца. Валентный угол αC(6) – C(1) – C(2) равен тетраэдрическому (109º), а угол β в перпендикулярной плоскости составляет 100º. Распределение длин связей, представленное в формуле IX, указывает на значительную деформацию правильного шестиугольника и соответствует значительному вкладу пара-хиноидной структуры: связи C(2) – C(3), C(5) – C(6) и C(4) NO2 сильно укорочены по сравнению со связями C(3) – C(4), C(4) – C(5) и C(2) – NO2:
Анионные σ-комплексы представляют собой ярко окрашенные солеобразные соединения, стабильность которых достигается участием в делокализации заряда одной или нескольких электроноакцепторных группировок:
Если в орто- и пара-положении бензольного кольца находятся две или три сильные электроноакцепторные группыировки (NO2; SO2R; CN) и уходящая группа «плохая» (Z = H, OR, OAr), то анионные σ-комплексы могут быть выделены или идентифицированы в растворе с помощью различных физико-химических методов (УФ, ЯМР). Решающую роль в определении структуры и стабильности σ-комплексов играет спектроскопия ПМР и ЯМР 13C.
Если уходящей группой Z оказывается атом галогена или группа OSO2R, σ-комплекс зафиксировать не удается, так как он быстро распадается с образованием конечных продуктов. При наличии в кольце только одной активирующей группы σ-комплекс, как правило, также не поддается прямому наблюдению, по-видимому, вследствие низкой стабильности.
При тщательном исследовании строения анионных σ-комплексов с помощью методов, пригодных для изучения быстрых реакций, было установлено, что во многих случаях анионному 1,1-σ-комплексу (ипсо-комплексу) предшествует другой, изомерный ему σ-комплекс. В этом изомерном σ-комплексе нуклеофильный агент находится при незамещенном атоме углерода в мета-положении по отношению к уходящей группе. Такой комплекс впервые был зафиксирован при взаимодействии 2,4,6-тринитроанизола с метилат-ионом в ДМСО:
Присоединение метилат-иона протекает обратимо по двум направлениям: быстро – в положении 3, с образованием термодинамически менее стабильного 1,3-σ-комплекса (комплекс К. Скрвиса) и медленно – в положении 1, с образованием более стабильного 1,1-σ-комплекса Мейзенгеймера. Первый преобладает при кинетическом, второй – при термодинамическом контроле реакции. Более высокую стабильность 1,1-σ-комплексов связывают с уменьшением стерического напряжения вследствие вывода алкокси-группы или другой группы Z из копланарности с нитрогруппами в орто-положении. При отщеплении уходящей группы из 1,1-σ-комплекса образуется конечный продукт замещения.
Подобно тому как в электрофильном ароматическом замещении в качестве модели переходного состояния используется катионный комплекс – аренониевый ион (см. гл. 13), подходящей моделью для переходного состояния SNAr-механизма является 1,1-σ-комплекс Мейзенгеймера. Данные разнообразных кинетических исследований, включающие анализ влияния природы уходящей группы, заместителей, нуклеофильного агента, основного катализа и растворителя, находятся в соответствии со следующей схемой механизма SNAr:
В некоторых случаях с помощью спектрофотометрического метода остановленной струи удалось в одном процессе раздельно наблюдать две последовательные стадии образования 1,1-σ-комплекса и его разложение на конечные продукты. Лимитирующей стадией, определяющей скорость всего процесса, в большинстве случаев оказывается образование новой связи с нуклеофильным агентом в σ-комплексе, а не разрыв старой связи C – Z. Это вывод основывается прежде всего на противоположном по сравнению с алифатическими нуклеофилами замещением влиянием природы уходящей группы Z. Как уже было отмечено ране в главе 9, в SN2-реакциях алкилгалогенидов скорость реакции уменьшается в ряду I > Br > Cl >> F. В реакциях ароматического нуклеофильного замещения SNAr обычно наблюдается прямо противоположная последовательность: F >> Cl > Br ~ I. Поскольку энергия гетеролитического разрыва связи углерод – галоген наибольшая для связи C – F, это означает, что разрыв связи C – Z при SNAr-механизме, как правило, не определяет скорость всего процесса. Известны, однако, слечаи, когда имено разрыв старой связи в анионном σ-комплексе определяет скорость реакции (см. следующий раздел). Наиболее веским аргументом в пользу двухстадийного механизма замещения служит тот факт, что при замещении галогена в реакции моно-, ди- и тринитроарилгалогенидов под действием первичных и вторичных аминов наблюдается общий основной катализ или бифункциональный катализ, при этом роль основания играет амин:
15.4.2. КИНЕТИКА РЕАКЦИИ И КАТАЛИЗ ОСНОВАНИЯМИ
Если применить принцип стационарности (см. гл. 3, ч.1) к реакции, идущей через промежуточное образование малоустойчивого комплекса Мейзенгеймера (М), то для схемы
получим следующее кинетическое выражение:
(15.2)
Это выражение строго соответствует реакции второго кинетического порядка с наблюдаемой (т.е. измеряемой на опыте) константой скорости:
Больше из этого уравнения ничего извлечь нельзя. Например, измеряя kнабл, мы не можем ответить на вопрос: какая стадия лимитирует скорость – образование интермедиата M (тогда k2 > k-1) или его диссоциации (тогда k-1 > k-2). Из одних лишь кинетических измерений мы даже не смогли бы сказать, образуется ли вообще комплекс Мейзенгеймера или реакция идет как согласованный процесс, в котором M является не интермедиатом, а переходным состоянием.
Однако исследование основного катализа, проведенное для реакций активированных ароматических субстратов с первичными и вторичными аминами, позволяет ответить на эти вопросы.
В реакциях такого типа интермедиат Мейзенгеймера (X) является цвиттерионом. Следовательно, на второй стадии реакции, чтобы получился нейтральный N,N-замещенный анилин, этот интермедиат должен потерять не только уходящую группу Z, но и протон, откуда автоматически следует возможность катализа реакции основаниями B.Отщепление H+ может быть согласованным (E2) или стадийным (E1cB) процессом (см. гл.3), но в обоих случаях скорость этого процесса пропорциональна k3[B]. Тогда уравнение (15.2) превращается в уравнение (15.3):
(15.3)
Если скорость определяется первой стадией (k-1 << { k2 + k3[B]}, то
(15.4)
Если скорость определяется стадией диссоциации M, то
(15.5)
Последнее выражение можно записать в более простой форме:
kнабл = k + k’[B] (15.6)
Такая кинетика наблюдалась во многих случаях, если Z была плохой уходящей группой (и поэтому k-1 >> k2). Например. реакция 2,4-динитрофенилового спирта с пиперидином катализируется ионами OH-. При низких концентрациях OH- наблюдается заметный каталитический эффект, а дальнейшее добавление NaOH больше не увеличивает скорость. Это значит, что без OH- комплекс Мейзенгеймера быстрее отщепляет нейтральную молекулу пиперидина, а не фенолят-ион (т.е. k-1 > k2). При добавлении основания бывшая медленной стадия отщепления PhO- начинает катализироваться (уравнения (15.5) и (15.6)) и в конце концов становится быстрее первой стадии. Теперь кинетика реакции подчиняется уравнению (15.4), в которое не входит концентрация основания. Пиперидин и сам как основание может катализировать реакцию, тогда
cкорость = k[ArZ]{R2NH] + k’[ArZ][R2NH]2 (15.7)
Наблюдение основного катализа SNAr-реакций с первичными или вторичными аминами в качестве нуклеофилов доказывает, что комплекс Мейзенгеймера действительно образуется, так как протон может отщепляться только от реального интермедиата.
Выше уже отмечалось, что в тех реакциях, где скорость определяется первой стадией, галогениды как уходящие группы (Z) располагаются в ряд F >> Cl > Br > I. Бывают, однако, случаи, что сам входящий нуклеофил (Nu) является настолько хорошей уходящей группой (увеличивающей k-1), что определяющей скорость становится вторая стадия (k2). Тогда ряд галогенидов может обратиться, например:
Hal F Cl Br
Относительная скорость 1 17 2000
Вторая стадия определяет также скорости реакции 1,4-динитро- и 2,4,6-тринитрогалогенбензолов с енолят-ионами малонового, ацетоуксусного и цианоуксусного эфиров. Анионные σ-комплексы, образующиеся из этих нуклеофилов, очень устойчивы (константы устойчивости kуст ≈ 106 л/моль). В ходе реакции они сначала накапливаются в растворе (k1 велика) и постепенно исчезают при высоких степенях превращения. К таким реакциям принцип стационарных концентраций (d[M]/dt=0) неприменим.
15.4.3. КОМПЛЕКСЫ МЕЙЗЕНГЕЙМЕРА
В ОРГАНИЧЕСКОМ СИНТЕЗЕ
В настоящее время с помощью ЯМР- и УФ-спектроскопии идентифицированы и охарактеризованы сотни анионных 1,1-σ-комплексов Мейзенгеймера 1,3-динитробензола, 1,3,5-тринитробензола, полинитрозамещеных производных нафталина, а также 1,3,5-тризамещенных сульфонов ряда бензола с гидроксид-, алкоксид-, енолят-ионами, CCl3-, R3Э- и даже фторид- и гидрид-ионами:
В качестве источника енолят-ионов кетонов могут быть использованы также ртутьорганические или оловоорганические производные общей формулы (RCOCH2)2Hg и RCOCH2Sn(CH3)3.
Гидрид-ион является очень плохой уходящей группой, и это препятствует распаду анионного σ-комплекса с образованием продукта замещения. Тем не менее такие комплексы могут быть окислены под действием брома, K3Fe(CN)6, катионов тропилия и трифенилметила. Это открывает удобный способ синтеза целого ряда содеинений, получения которых другими способами сопряжено со значительными трудностями:
Образование изомерных 1,3-замещенных анионных σ-комплексов Сервиса делает понятными некоторые случаи аномального, так называемого кинезамещения, при котором нуклеофильный агент присоединяется не к тому атому углерода, где находится уходящая группа. Классическим примером такого рода является реакция В. Рихтера – превращение пара-замещенных нитробензолов в мета-замещенные бензойные кислоты под действием цианистого калия в этаноле:
Другим интересным примером ароматического нуклеофильного замещения, протекающего по механизму присоединения – отщепления, является перегруппировка Смайлса орто-метилдиарилсульфонов в сульфиновые кислоты в присутствии н-бутиллития. Эта внутримолекулярная перегруппировка включает образование спироциклического карбанионного σ-комплекса, распад которого приводит к соли сульфиновой кислоты (В. Трус):
Тщательное изучение механизма этой перегруппировки (В.Н. Дрозд) позволило установить более сложный характер наблюдаемых превращений. Помимо сульфиновых кислот в продуктах перегруппировки в значительном количестве были обнаружены производные дигидротиоксантендиоксидов. Так, при обработке фенилмезитилсульфона бутиллитием в эфире или ТГФ помимо 2-бензил-4,6-диметилбензолсульфиновой кислоты из изомерного σ-комплекса образуется трициклическое гетероциклическое соединение:
В этой реакции аномальные продукты также образуются не из 1,1-σ-комплекса, а из изомерного ему анионного 1,2-σ-комплекса. В настоящее время термин «перегруппировка Смайлса» объединяет целую группу родственных превращений, описываемых уравнением
Ключевой стадией такого рода изомеризации является образование анионных спирокомплексов Мейзенгеймера, как это имеет место в нижеприведенном примере синтеза производного бензотиазина, где X = S, а Y = NR:
15.4.4. ОРИЕНТАЦИЯ ПРИ МЕХАНИЗМЕ SNAr
Ориентацию замещения по механизму SNAr обычно изучают на полигалогенбензолах, в которых один из атомов углерода бензольного кольца связан с заместителем X, ориентирующий эффект которого необходмо исследовать, а все другие атомы углерода бензольного кольца – с атомами галогена. Удобными объектами для выяснения ориентации являются пентафторфенильные соединения C6F5X, так как, во-первых, в большинстве случаев в реакциях SNAr фтор замещается легче, чем другие галогены, а во-вторых, полифторароматические соединения относятся к типу активированных субстратов.
Как и следовало ожидать, заместители, ориентирующие электрофильное замещение SEAr в орто- и пара-положения, ориентируют нуклеофильное замещение SNAr в мета-положение. Наоборот, заместители, являющиеся в SEAr-реакциях мета-ориентантами, в реакциях SNAr проявляют орто-пара-ориентирующее действие. Например, пентафторнитробензол при реакции с аммиаком образует с суммарным выходом 95% смесь 2-нитро-3,4,5,6- и 4-нитро-2,3,5,6-тетрафторанилинов:
Группы –NH2, -OCH3, -O-, а также CH3 – преимущественно ориентируют замещение в мета-положение:
Фтор, а также другие галогены являются мета-ориентантами (в SEAr-реакциях орто-пара-ориентанты), причем мета-ориентирующее влияние фтора больше, чем у водорода, что видно из следующих примеров:
В разделе (15.5) мы рассмотрим интерпретацию региоселективности реакций SNAr с точки зрения теории молекулярных орбиталей. Однако предварительно следует подчеркнуть, что ориентация нуклеофильного замещения чрезвычайно чувствительна к пространственным эффектам. Ярким примером является реакция 2,5-динитро-мета-ксилола с водным аммиаком. При нагревании в запаянной трубке происходит замещение нитрогруппы в положении 2, пространственно блокированном двумя орто-метильными заместителями, а не в пространственно свободном положении 5:
Причина состоит в том, что нитрогруппа в положении 2 выведена из плоскости бензольного кольца и поэтому не может стабилизировать комплекс Мейзенгеймера, образовавшийся путем атаки NH3 в положение 5. Другими словами, 2-NO2-группа «выключена» из активации кольца, в то время как група в положении 5 активирует замещение. По аналогичной причине в 2,3-динитротолуоле замещается нитрогруппа в положении 2:
Точно так же можно объяснить тот факт, что в хлорнитродуроле, формула которого приведена ниже, нитрогруппа не оказывает активирующего влияния на замещение хлора в пара-положении:
15.4.5. ВИКАРИОЗНОЕ ЗАМЕЩЕНИЕ
Обычно в реакциях нуклеофильного ароматического замещения, независимо от их механизма (SNAr, SRN1, аринового и т.д.), происходит замещение галогена или иной нуклеофугной группы. Атом водорода не замещается в анионных комплексах, где уходящей группой является гидрид-ион, поскольку отщепление гидрид-иона идет слишком медленно по сравнению с диссоциацией комплекса на исходные реагенты. Чтобы получить продукт замещения водорода, необходимо найти путь легкого удаления водорода из σ-комплекса, содержащего в геминальном узле H и Nu. Одним из таких путей является использование в качестве нуклеофилов α-хлоркарбанионов. Например, такой карбанион, образующийся из хлорметилфенилсульфона в суперосновной среде раствора KOH в безводном ДМСО (H_ = 26; гл. 3), замещает водород в нитробензоле, причем замещение ориентируется в активированные орто- и пара-положения (М. Макоша):
В результате реакции образуются продукты, содержащие группу CH2SO2Ph, а не CHClSO2Ph. Из этого легко вывести механизм реакции, особенностью которого является наличие стадии отщепления хлороводорода от первоначального анионного σ-комплекса . Водород из геминального узла анионного σ-комплекса отщепляется не в виде гидрид-иона, а в виде протона:
В 1,3,5-тринитробензоле можно заменить все три атома водорода:
Ввиду того, что вместо «нормального» отщепления H- происходит отщепление H+, а уходящим нуклеофилом является анион Cl-, расположенный не в геминальном узле анионного σ-комплекса, а в боковой цепи, этот тип замещения получил название викариозного нуклеофильного замещения (от англ. vicarious – действующий вместо другого, по уполномочению).
Викариозное нуклеофильное замещение можно использовать для алкилирования нитробензола реагентами, являющимися достаточно сильными CH-кислотами, чтобы давать заметную концентрацию карбанионов в данной среде (например, в смеси ДМСО – KOH). Эти карбанионы должны содержать в α-положении группу X (не обязательно Cl), способную отщепляться в виде HX от промежуточного σ-комплекса:
15.4.6. АКТИВАЦИЯ ГАЛОГЕНАРЕНОВ В РЕАКЦИЯХ SNAr С ПОМОЩЬЮ КОМПЛЕКСООБРАЗОВАНИЯ
С ПЕРЕХОДНЫМИ МЕТАЛЛАМИ
Неактивные галогенарены можно активировать в реакции типа SNAr с помощью металлокомплексных гомогенных катализаторов. Например, в присутствии (C6H6)Rh(C5Me4Et)(BF4)2 (XI) фторбензол реагирует со спиртами в нитрометане при 80ºС, образуя анизол с выходом 7%. Процесс является каталитическим. В ходе реакции вначале бензойный π-лиганд в родиевом катализаторе (XI) замещается на фторбензол, при этом образуется новый π-комплекс (XII). В этом комплексе π-электронная плотность стянута с бензольного кольца на атом родия, благодаря чему фтор легко замещается по механизму SNAr даже такими слабыми нуклеофилами, как спирты. Реакцию можно представить следующей схемой:
Образование π-комплекса (XII) активирует фтор к нуклеофильному замещению в такой же степени, как введение в бензольное кольцо трех нитрогрупп в положения 2,4,6.
15.5. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОРБИТАЛИ АРЕНОВ В РЕАКЦИЯХ ПРИСОЕДИНЕНИЯ – ОТЩЕПЛЕНИЯ
В первой стадии замещения по механизму присоединения – отщепления SNAr, которая в большинстве случаев определяет скорость реакции (см. предыдущий раздел), происходит взаимодействие несвязывающей орбитали нуклеофила с НСМО арена. Если встать на точку зрения, что реакционная способность аренов, по крайней мере частично, определяется ео молекулярными свойствами в статическом нереагирующем состоянии, то можно полагать, что скорость и ориентация замещения должны зависеть от формы НСМО арена. В главе 13 мы показали, что такой подход оказывается эффективным при объяснении электрофильного ароматического замещения, а теперь применим его к нуклеофильному замещению SNAr, медленной стадией которого является атака нуклеофила на π-систему арена.
В молекуле незамещенного бензола имеется пара вырожденных π-ВЗМО и пара вырожденных π-НСМО (гл.2). Введение заместителя Z приводит к тому, что оба вырождения снимаются (в большей или меньшей степени в зависимости от природы Z), так что в C6H5Z уже имеется только одна π-ВЗМО и одна π-НСМО. В главе 13 уже было сказано, что форма π-ВЗМО зависит от того, относится ли Z к заместителям I или II рода, т.е. является ли он π-донором или π-акцептором: если Z – π-донорный заместитель, то и-ВЗМО имеет узел, проходящий через противоположные (параллельные) связи орто-C-мета-C, а если Z – π-акцепторный заместитель, что узел проходит через Z, ипсо-C и пара-C. Подобное правило справедливо и для π-НСМО замещенных бензолов. Когда Z является π-донором, одна из узловых плоскостей (в бензоле каждая НСМО имеет по две узловых плоскости) проходит через Z, ипсо-C и пара-C, а вторая – через середину противоположных связей между орто-C и мета-C. Однако если Z – акцептор, то узловые плоскости проходят через противоположные связи ипсо-C – орто-C и мета-C – пара-C.
Уже сама форма РСМО показывает, что атака нуклеофила в том случае, если Z – π-донорный заместитель (т.е. заместитель типа (+M)), должна идти только в орто- и мнта-положения, но не в ипсо- и не в пара-положения, так как плотность НСМО на ипсо- и пара-атомах углерода равна нулю. В случае электроноакцепторных заместителей (типа (-M)) плотность НСМО имеется на всех углеродных атомах бензольного кольца, и поэтому принципиально возможна и пара-, и мета-, и орто-, и ипсо-атака.
В какое положение атака более вероятна? Чтобы разобраться в этом, необходимо знать коэффициенты, с которыми p-АО каждого атома углерода входит в линейную комбинацию, описывающую НСМО. Эти коэффициенты рассчитываются квантово-механическими методами, и для некоторых замещенных бензолов они имеют величину, указанную на приведенных ниже диаграммах:
Из этих диаграмм следует, что коэффициенты имеют наибольше значение в мета-положении для π-донорных и в пара-положении для π-акцепторных групп, что вполне соответствует ориентирующему влиянию заместителей в реакциях нуклеофильного ароматического замещение. Однако для Z = F и NH2 коэффициент РСМО для мета-положения лишь немного выше, чем для орто-положения, и казалось бы, орто- и мета-атака должны быть равновероятными. Чтобы объяснить преимущество мета-атаки, необходимо рассмотреть относительную стабильность образующихся анионных σ-комплексов. Такой комплекс в случае орто-атаки будет в значительной степени дестаблизирован из-за отталкивания между неподеленной парой азота и пентадиенильной π-системой анионного σ-комплекса. При атаке в мета-положение такая дестабилизация невозможна, поскольку ВЗМО пентадиенильного аниона имеет узел (нулевую электронную плотность) как раз на мета-атомах углерода σ-комплекса:
Если Z = NO2 или CN (см. приведенную выше диаграмму), тов принципе нуклеофил может атаковать пара- или ипсо-положения. пара-Атака по величине орбитальных коэффициентов более вероятна, но зато в ипсо-σ-комплексе легко происходит отщепление Z (при наличии активирующих групп, например, NO2 в орто- или пара-положении), так как NO2-, CN- и другие подобные заместители являются хорошими уходящими группами (хорошими нуклеофугами), а гидрид-ион, который должен отщепиться от пара-σ-комплекса, относится к «исключительно плохим» уходящим группам. Атака нуклеофила в соответствии с орбитальными коэффициентами предпочтительно будет идти в пара-положение, но затем от пара-σ-комплекса будет отщепляться не H-, а только что присоединившийся нуклеофил, т.е. фактически реакции не будет. Образование 1,3-комплексов Сервиса, по-видимому, также связано с высоким орбитальным коэффициентом на атоме C(3).
Теперь рассмотрим форму и коэффициенты НСМО дизамещенных бензолов, содержащих один заместитель π-акцепторного типа и один заместитель π-донорного типа. В качестве примера возьмем изомерные фторнитробензолы. В главе 13 мы говорили, что при одновременном наличии донорного и акцепторного заместителей форма ВЗМО арена определяется донорным заместителем. В противоположность этому форма НСМО определяется акцепторной группой. Это видно из приведенных ниже диаграмм:
Из диаграмм следует, что в орто- и пара-фторнитробензолах плотность π-НСМО наибольшая у атома углерода, связанного с фтором, а в мета-изомере на этом атоме углерода плотность π-НСМО практически равна нулю. Это хорошо согласуется с сильным орто-пара-активирующим влиянием нитрогруппы при замещении галогена.
15.6. МЕХАНИЗМ ANRORC
Механизм ANRORC – это механизм раскрытия цикла при присоединении нуклеофильного агента с последующей рециклизацией.
Нуклеофильное замещение в гетероциклических системах сопровождается раскрытием цикла с последующей циклизацией, так что конечный результат оказывается таким же, как при нормальном или кине-замещении. Первоначально такой механизм был установлен и доказан с помощью меченых атомов для производных пиримидина (Х. Ван-дер-Плас, 1970). 2-Бром-4-фенилпиримидин, содержащий в кольце два атома 15N, реагирует с KNH2 в жидком аммиаке только на 15% по обычному механизму присоединения – отщепления SNAr с образованием 2-амино-4-фенилпиримидина, сохраняющего оба меченых атома азота в цикле. Главным направлением (85%) является присоединение амид-аниона в положение 6 с последующим раскрытием цикла и рециклизацией, приводящим к 2-амино-4-фенилпиримидину, содержащему 15N в аминогруппе:
Такой механизм нуклеофильного замещения в ароматическом ряду получил название ANRORC-механизма (Addition of Nucleophile followed by Ring Opening and Ring Closure). Этот же механизм характерен для целого ряда перегруппировок азотистых гетероциклических соединений в изомерные ароматические и гетероциклические амины под действием оснований, описанные А.Н. Костом (1976 – 1980). Общая схема этих перегруппировок может быть формализована следующим образом:
В соответствии с этой схемой индолизины перегруппировываются в индолы, пиримидины – в 2-аминопиридины, и пиридиниевые соли – в замещенные анилины, хотя механизм этих перегруппировок не был предметом специального изучения, и приведенные ниже примеры отражают только логически обоснованную цепь превращений:
По сходному механизму осуществляется перегруппировка Димрота, заключающаяся в обмене местами между циклическим и экзоциклическим атомами азота в N-замещенных 2-иминопиримидинах в щелочной среде:
15.7. МОНОМОЛЕКУЛЯРНЫЙ МЕХАНИЗМ НУКЛЕОФИЛЬНОГО АРОМАТИЧЕСКОГО ЗАМЕЩЕНИЯ SN1
Арилгалогениды не склонны реагировать по механизму SN1 с промежуточным образованием арил-катиона. Это можно понять при рассмотрении строения фенил-катиона. Если считать, что в катионе C6H5+ ароматический секстет не нарушается (см. ниже), то в этом катионе пустая орбиталь будет sp2-гибридной и будет находиться в плоскости бензольного кольца, т.е. ортогональна ароматическому секстету электронов (формула XIII):
При таком строении π-электронная система не принимает учатия в стабилизации фенил-катиона. Кроме того, наличие sp2-гибридной вакантной орбитали делает его менее стабильным по сравнению с алкильными катионами, где пустой является негибридная p-орбиталь (гл. 9). В самом деле, в алкильных катионах шесть валентных электронов располагаются на трех sp2-гибридных орбиталях, а в фенил-катионе четыре электрона занимают две sp2-орбитали (σ-углерод-углеродные связи), а два являются π-электронами, т.е. находятся относительно далеко от ядер и слабее с ними взаимодействуют. Значит фенил-катион должен быть менее стабилен, чем алкильный катион. Энтальпия образования фенил-катиона из хлорбензола в газовой фазе очень высока (223 ккал/моль). Та же самая величина характеризует ионизацию винилхлорида с образованием крайне нестабильного винил-катиона.
C6H5Cl C6H5+ + Cl- + DH0; DH0 = + 223 ккал/моль
CH2=СHCl CH2=CH+ + Cl- + DH0; DH0 = + 223 ккал/моль
Энтальпия образования изопропильного (190 ккал/моль) т трет-бутильного (174 ккал/моль) карбокатионов в газовой фазе значительно ниже энтальпии ионизации хлорбензола. Эти данные подтверждают меньшую стабильность арильных катионов по сравнению со вторичными алкильными катионами. Растворитель сольватирует плоские алкильные катионы с обеих сторон плоскости, а фенил-катион лишь с внешней стороны, поскольку внутренняя доля вакантной орбитали находится внутри бензольного кольца. Таким образом, сольватационные эффекты в гораздо большей степени должны способствовать процессам с участием алкильных, а не арильных карбокатионов.
Возможно, однако, что электронное строение фенильного катиона иное, чем изображено формулой (XIII). Спектры ЭПР, полученные для растворов, в которых в принципе могут образовываться арильные катионы, указывают на то, что эти катионы имеют неспаренные электроны. Предполагается, что эти катионы частично имеют бирадикальную структуру:
В этой структуре нарушается ароматический секстет, что повышает энергию, но зато один из электронов переходит с p- на sp2-атомную орбиталь углерода, что понижает энергию. Возможно, что при переходе структуры (XIII) в структуру (XIV) выигрыш энергии есть, но, вероятно, он невелик.
Все это делает весьма проблематичным само существование арил-катионов в качестве реальных дискретных частиц, так же как и методы генерации частиц такого рода.
Единственным относительно достоверно изученным примером реакции нуклеофильного ароматического замещения, в которой в качестве интермедиата образуется арил-катион, является разложение ароматических солей диазония в отсутствие восстановителей и сильных оснований:
К таким реакциям относится гидролиз солей арендиазония (Nu = H2O), который приводит к образованию фенолов (гл. 23, ч.3).
Эта реакция характеризуется первым порядком по катиону диазония и независимостью скорости реакции от концентрации воды как нуклеофильноо агента. Кроме того, скорость реакции не изменяется при заvне H2O на D2O в качестве нуклеофильного агента. Добавки других нуклеофилов (кроме воды) приводят к смеси продуктов, но не влияют на скорость. Все эти данные соглавуются с мономолекулярным SN1-механизмом, в котором нуклеофильный агент не принимает участия в стадии, определяющей скорость всего процесса, и противоречат механизму присоединения – отщепления SNAr. Отсутствие обмена водорода на дейтерий для солей диазония ArN2+ в среде D2O исключает образование дегидробензола в качестве интермедиата. Малая селективность по отношению к различным нуклеофилам в конкурирующих реакциях свидетельствует о высокой активности интермедиата и согласуется с образованием арил-катиона в качестве такого интермедиата.
В процессе разложения катиона арендиазония, меченого изотопом 15N, в непрореагировавшем катионе наблюдается перераспределение метки:
Отсюда следует, что первая стадия разложения катиона диазония, по-видимому, обратима, а нуклеофильной атаке преимущественно подвергается молекулярно-ионная пара [Ar+N≡N]:
Мономолекулярный механизм замещения, включающий образование частиц типа [Ar+N≡N] или Ar+, характерен для процессов, где роль нуклеофильного агента выполняют жесткие анионы или нейтральные молекулы H2O, OH-, F-, Cl-. Тем не менее уже для реакции солей диазония с жестким алкоголят-ионом с мономолекулярным механизмом SN1 конкурируют другие процессы с образованием в качестве интермедиата радикала Ar•, арина (за счет отщепления азота и H+ из орто-положения), а также замещения по SNAr-механизму в кольце, активированном наличием самого электроотрицательного заместителя - диазогруппы -+N≡N.
Все эти продукты только частично дейтерированы (на 15, 19 и 87% соответственно):
15.8. РЕАКЦИИ СОЛЕЙ АРЕНДИАЗОНИЯ
С МЯГКИМИ ОСНОВАНИЯМИ ЛЬЮИСА
Реакции замещения диазогруппы в катионе арендиазония под действием мягких нуклеофильных агентов (I-, Br-, CN-, SCN-, N3-), а также каталитические реакции в присутствии солей меди (I), - реакция Зандмейера (гл. 22, ч.3), - протекают по совершенно иному механизму, который принципиально отличается от гетеролитического мономолекулярного механизма и не сопровождается образованием катиона Ar+ или молекулярно-ионной пары [Ar+N≡N]. Во многих случаях ключевой стадией реакции замещения диазогруппы в катионе арендиазония под действием мягкого основания Льюиса (мягкого нуклеофильного агента) является перенос одного электрона от нуклеофильного агента к катиону диазония с образованием арильного радикала и другого радикала, получившегося из исходного нуклеофильного агента. Этот механизм получил название SET-механизма (Single Electron Transfer; см. гл. 20).
Классическим примером такого рода реакции является взаимодействие солей арендиазония с йодид-ионом:
Для этой реакции первоначально был предложен окислительно-восстановительный цепной механизм, по смыслу полностью аналогичный SRN1-механизму Баннета, описанному в разделе 15.2:
Инициирование цепи:
Развитие цепи:
Радикальный характер реакции диазокатиона с йодид-ионом подтверждается тем, что из катиона бензолдиазония и йодид-иона в метаноле образуются: йодбензол (45%), бензол (15%), йод (10%) формальдегид (15%), который получается при дегидрировании метанола радикалом бонзолдиазония. Такой же механизм, возможно, реализуется и для ряда других мягких оснований в качестве нуклеофильных агентов SCN-, (RO)2PO- и др.
Однако недавно был предложен новый оригинальный подход к интерпретации механизма нуклеофильного замещения диазогруппы в катионе арендиазония, в котором не привлекаются представления об одноэлектронном переносе от восстановителя к окислителю. Взаимодействие катиона диазония ArN2+ с нуклеофильным агентом X- рассматривается в рамках термодинамического цикла, включающего три последовательных процесса: (1) ионизацию, (2) окислительно-восстановительную димеризацию и (3) радикальное диспропорционирование:
В термодинамический цикл входят два ковалентных диазосоединения – продукт присоединения нуклеофильного агента X- к катиону ArN2+ и димер диазосоединения (ArN2)2. Первый из них рассматривается как промежуточный продукт в реакции нуклеофильного замещения, а второй – как источник арильных радикалов, возникающих при его разложении. Степень образования ковалентного соединения Ar-N=N-Ar или димера (ArN2)2 зависит от кислотно-основных свойств ArN2+ и X- и их окислительно-восстановительных потенциалов и может быть рассчитана. Предполагается, что соли меди, образуя комплексы с ковалентной формой Ar-N=N-X, сдвигает равновесие в сторону ее образования, подавляя тем самым образование димеров и их радикальный распад. Ковалентная форма Ar-N=N-X образует комплекс и с солями MX, которые далее синхронно превращается в продукт формального нуклеофильного замещения:
Это предположение имеет аналогию в реакции солей диазония с азид-ионом, в этой реакции первоначально образуется циклический пентазен (XV), который далее разлагается на арилазид ArN3 и азот:
Согласно этой точке зрения, образование бензола и формальдегида в реакции C6H5N2+ и метанола обусловлено гомолитическим разложением димера:
В рамках этой концепции следует предположить, что мономолекулярный механизм SN1 с участием арил-катиона реализуется, когда нуклеофильный агент X- не образует ковалентной формы Ar-N=N-X или если константа образования такой формы очень мала. В противоположность представлениям об одноэлектронном переносе в рамках SET-механизма, эта концепция связывает образование радикальных частиц со вторичными процессами, реализующимися при необратимом гомолитическом распаде ковалентных димеров диазосоединений.