АРОМАТИЧЕСКОЕ НУКЛЕОФИЛЬНОЕ ЗАМЕЩЕНИЕ

Механизмы

За прошедшие три десятилетия и после этапного обзора Бан-нета и Залера [1] химики-органики признали, что ароматиче-ские соединения могут легко вступать не только в реакции электрофильного замещения, но и в реакции нуклеофильного замещения. Механизмы этих реакций весьма разнообразны и определяются природой ароматической части молекулы, нук-. леофила и условиями проведения реакций.

В общем случае механизмы ароматического нуклеофильного замещения могут быть представлены схемой 1.1. Интермедиа 1—4 после одной или нескольких промежуточных стадий дают продукты заме-щения Гсм. реакцию (5)1 [2, 3]. механизмы ароматического нуклеофильного замещения могут быть представлены схемой 1.1. Интермедиа™ 1—4 после одной или нескольких промежуточных стадий дают продукты заме-щения Гсм. реакцию (5)1 [2, 3].

Ароматические субстраты, в которых азот вы-ступает как уходящая группа, такие, как диазониевые соли, являются единственными соединениями, способными образовы-вать арил-катионы 1. Действительно, установлено, что только 5 реагирует по этому механизму [реакция (6)1 [4, 5].

В сильноосновных растворах образуются арил-карбанионы 2, которые предшествуют интермедиатам аринового типа. Однако дегидробензолы могут образовываться и некоторыми другими путями, не через карбанионные интермедиаты. Реак-ции с участием промежуточных соединений аринового типа имеют тот недостаток, что в результате получается более од-ного продукта [реакции (7 и 8)]. Однако преимущество рас-сматриваемых процессов заключается в достаточной общности по отношению к заместителю в ароматическом ядре: такой ме-ханизм нуклеофильного замещения наблюдался для субстра-тов, имеющих как электроноакцепторные, так и электронодо-норные заместители [6—8].

Для субстратов, содержащих электроноакцепторные груп-пы, наиболее распространенный механизм включает образова-ние -комплекса типа 3.

Большинство исследований выполнено на" субстратах, со-держащих по крайней мере одну активирующую группу; для неактивированных субстратов механизм может оказаться иным. При изучении реакции неактивированных арилгалогенидов с амид-ионом в жидком аммиаке Баннет и Ким [12] получили некоторые необычные результаты, которые не могли быть объ-яснены предложенным механизмом с участием дегидробензола.

Они исследовали реакцию образования 5- и 6-амино-1,2,4-три-метилбензола из 5- и 6-галоген-1,2,4-триметилбензолов (7 и 8, схема 1.2). При этом предполагалось, что в случае изомеров 7 и 8 отношение продуктов 10 и 11 будет одинаковым и не бу-дет зависеть от применяемого галогена (X). Эти предположе-ния оправдались, когда уходящая группа X была хлором или бромом, причем соотношение выходов продуктов 10:11 равня-лось 1,46. Однако, когда уходящей группой был иод, получаю-щаяся смесь аминотриметилбензолов была всегда обогащена продуктом, в котором аминогруппа занимала то же положение, что и уходящий йод, т. е. из изомера 7 было получено боль-шее количество продукта 10, а из 8 — больше продукта 11.

Одним из важнейших наблюдений было то, что реакции ка-тализировались сольватированными электронами, образующи-мися при растворении лужних металлов в жидком аммиаке. На основании этого факта был предложен механизм, для которого предполагалось участие радикалов и анион-радикалов (схема 1.3) [13].

Постулировалось, что на начальной стадии [реакция (9)] арилгалогенид захватывает электрон. Образующийся знион-ра-дикал диссоциирует на' арил-радикал и иодид-ион [реакция (10)]. Затем арил-радикал реагирует с амид-ионами с образо-ванием нового анион-радикала [реакция (11)], который путем переноса электрона на субстрат—арилиодид — дает продукт замещения и анион-радикал субстрата [реакция (12)]. Реак-ции (10) — (12) представляют собой стадию развития цепи дан-ного механизма. Суммируя реакции (10) — (12), получим об-щее уравнение процесса нуклеофильного ароматического, заме-щения {реакция (13)]. Однако не следует забывать о том, что в нем все же в качестве интермедиатов участвуют рддикалы и анион-радикалы.

Этот механизм получил название замещение радикальное нуклеофильное мономолекулярное (Substitution Radical Nucleo-philic, Unimolecular, или SRN!) по аналогии с механизмом SN!

Механизм радикального нуклеофильного замещения, вклю-чающий стадии, аналогичные реакциям (9) — (12), был незави-симо предложен Корнблюмом и Расселом. Например, было известно, что n-нитробензилхлорид реагирует (Гнат-риевой солью 2-нитропропана, давая С-алкилированный про-дукт с выходом 92% и только 6% О-алкилированного продукта (выделенного в виде n-нитробензальдегида) [реакция (14)], хотя обычная реакция этого нуклеофила с алкилгалогенидами приводит к алкилированию по кислороду реакция [(15)] [16].

Что выход продукта С-алкилирования зависит не только.от наличия нитрогруппы, но также и от природы уходящей группы. Кроме того, сильные акцепторы электронов ингибируют реакцию С-алкилирования, а О-алкилирование при этом заметно возрастает. Так, в присутствии 0,2 экв. n-динитробензола выход продукта С-алкилирования уменьшается до 6%, а выход продукта О-алкилирования увеличивается до 88%,

Это позволяет предположить, что О-алкилирование натрие-вых солей нитроалканов в действительности протекает как не-посредственное нуклеофильное замещение хлорида из алкилирующего агента кислородом аниона нитроалкана. Альтернатив-ный механизм, приводящий к продуктам С-алкилирования в серии реакций с n-нитробензильными похідними, конкури-рует с механизмом прямого замещения. Предложенный кон-курентный механизм включает участие радикалов и анион-ра-дикалов в качестве интермедиатов [реакции (16—19)].

Одновременно Рассел и Дейнен, основываясь на ином подходе, предложили тот же механизм. Они показали, что ре-акция сочетания 2-нитро-2-пропанид-аниона с я-нитробензил-хлоридом или 2-нитро-2-хлорпропаном катализируется облуче-нием, а анион-радикал продукта сочетания — 2- (га-нитробензил)-2-нитропропана (12)—был обнаружен в растворах этанола и диметилформамида с помощью спектроскопии электронно-го парамагнитного резонанса (ЕПР).

Реакциям SRN1 у алифатического атома углерода посвяще-ны обзоры Корнблюма и других авторов. Поэтому мы остановимся лишь кратко на некоторых аспектах этого ме-ханизма в гл. 10. Нижеследующее обсуждение относится в ос-новном к реакциям SRN1 у ароматического атома углерода.

Стадии механизма SRN1

Основными стадиями механизма SRN1 являются иницииро-вание, ріст ланцюга и обрыв цепи (схема 1.4),

Первый реакционноспособный интермедиат этого механиз-ма— анион-радикал — образуется, когда ароматический суб-страт с подходящей нуклеофугной группой принимает электрон [реакция (20)]. Это происходит либо путем взаимодействия с сольватированным электроном, появляющимся в результате растворения щелочного металла в жидком аммиаке, либо электрон принимается от катода, либо посредством переноса электрона