Тема: Реакції ароматичного нуклеофільного заміщення
Реакції, в які вступають ароматичні субстрати, можна розділити на чотири основні типи:
1) реакції, що активуються электронно-акцепторними групами в орто- і пара-положеннях до вихідної групи;
2) реакції, що каталізують дуже сильними основами і протікають через утворення аринових інтермедіатів;
3) реакції, що ініціюються донорами електронів;
4) реакції, в яких азот в солі діазонія заміщається нуклеофілом. МЕХАНІЗМИ
Відомо чотири головні механізми ароматичного нуклеофільного заміщення.Три з них аналогічні певним механізмам реакцій аліфатичного нуклеофільного заміщення. Четвертий механізм включає утворення іон-радикалів (механізм Srn1).
1. Механізм SnAr
Цей найважливіший механізм нуклеофільного заміщення в ароматичному ряду (двостадійний).Переважно, хоча і не завжди, лімітуючою являється перша стадія. Очевидно, що цей механізм дуже схожий з тетраедричним механізмом а з другого боку, з механізмом електрофільного ароматичного заміщення, який включає в себе утворення аренонієвого іона. У всіх трьох випадках атакуюча частинка зв'язується з субстратом, утворюючи інтермедіат, від якого потім відривається група, що йде. Ми позначатимемо цей механізм SnАг.
Ймовірно, найпереконливішим доказом з'явилося здійснене ще в 1902 р. виділення інтермедіата з реакції між етилпікратом і метоксид-іоном . Подібні інтермедіати є стійкі солі,їх називають солями Мейзенгеймера; з часу виявлення в 1902 р. було виділене велике число таких солей . Будова деяких інтермедіатів такого типу була підтверджена даними ЯМР і рентгеноструктурного аналізу. Подальший доказ даного механізму одержаний при вивченні впливу природи групи, що йде, на реакцію. Якщо механізм аналогічний механізмам Sn1 або Sn2, зв'язок Аг-X повинен розриватися в лімітуючій стадії. У механізмі SnАг цей зв'язок розривається після лімітуючої стадії (мається на увазі, що лімітуючою є перша стадія). Тому можна передбачити, що, якщо реакція йде по механізму SnАг, зміна природи групи, що йде, не повинна робити помітного впливу на швидкість реакції. Дійсно, в реакції при Х = С1, Вг, I, SOPh, SО2Рh або n-нітрофеноксигрупа, швидкість відрізняється не більше ніж в 5 разів. Такої незначної відмінності в швидкості реакції не можна було чекати, якби зв'язок Аг-X розривався в лімітуючій стадії. Звичайно, ми не припускаємо, що швидкості реакцій у разі різних замінників повинні бути однакові, оскільки залежно від природи X міняється швидкість атаки реагентом У. Підвищення електронегативності X викликає зменшення електронної густини у реакційному центрі, що приводить до прискорення атаки нуклеофілом. Так, в приведеній вище реакції при Х = Р відносна швидкість складала 3300. Той факт, що в більшості реакцій ароматичного нуклеофільного заміщення фтор виявляється якнайкращою групою, що йде, серед галогенів, служить переконливим доказом того, що механізм реакції відрізняється від механізмів Sn1 і Sn2, при яких фтор до теперішнього часу вважався найгіршою групою, що йде серед галогенів. Розглянутий випадок є прикладом впливу елементу.
Ще одним доказом механізму є особливості реакції з такими нуклеофілами, як аміни, в умовах каталізу основами. Реакція каталізує основами тільки при наявності досить поганої групи (скажімо, ОR, а не С1 чи Вг) і тільки в тих випадках, коли нуклеофілом служить достатньо об'ємний амін. Основи не можуть каталізувати стадію 1, але при реакції з амінами вони можуть каталізувати стадію 2. Показано, що основний каталіз спостерігається в тих випадках, коли амінний фрагмент легко відщеплюється, а група X –з труднощами; тоді k_1 велика і лімітуючою являється стадія 2. Це служить доказом на користь механізму SnAг, що припускає наявність двох стадій. Більш того, в тих випадках, коли основи дійсно є каталізаторами, їх каталітична дія виявляється лише при низьких концентраціях: графік залежності швидкості від концентрації основи показує, що швидкість швидко зростає при додаванні малих порцій основи до досягнення певної концентрації, після чого подальше додавання основ не робить помітного впливу на швидкість. Така залежність, в основі якої лежить ефект розділення, також служить доказом на користь механізму SnАг. В умовах низької концентрації основи кожне додавання невеликої порції основи, підвищуючи швидкість стадії 2, збільшує відносну частку інтермедіата, яка перетворюється на продукт, а не зазнає зворотнього перетворення в реагенти. При високій концентрації основи процес фактично закінчується: зворотне перетворення в реагенти дуже незначне і визначаючою швидкістю стає стадія 1. Предметом дослідження був тільки каталіз основами стадії 2. У разі протонних розчинників було зроблено два припущення. Перше полягає у тому, що стадія 2 насправді є двома стадіями: лімітуюче депротонування молекули 3 і подальший швидкий відрив X, при цьому каталіз основою полягає в підвищенні швидкості стадії депротонування
Згідно другому припущенню, визначаючому швидкість є втрата X під дією ВН+. У апротонних розчинниках, наприклад в бензолі, ситуація виявляється складнішою. Додаткові докази на користь механізму SnАг були одержані при вивченні ізотопних ефектів 18О/16О і 15N/14N.
2. Механізм Sn1
Мономолекулярний механізм Sn1 ніколи не спостерігався з достатнім ступенем визначеності для арилгалогенідів і арилсульфонатів, навіть у разі активних молекул . Цей механізм характерний для реакцій солей діазонія.
Вважається, що механізм Sn1 включає утворення арил-катіонів в якості інтермедіатів ; серед доказів на користь цього припущення відзначимо наступні.
1. Швидкість реакції діазонових солей описується рівнянням першого порядку і не залежить від концентрації Y.
2. При додаванні солей галогенідів у великих концентраціях продуктом реакції є арилгалогенід, але швидкість не залежить від концентрації солі, що додається.
3. Вплив замісників кільця на швидкість узгоджується з мономолекулярним розщепленням, яке і визначає швидкість реакції .
4.
