53

rГлава 15.

НУКЛЕОФИЛЬНОЕ

АРОМАТИЧЕСКОЕ ЗАМЕЩЕНИЕ

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 S_RN1 С УЧАСТИЕМ СВОБОДНЫХ РАДИКАЛОВ

15.3. МЕХАНИЗМ S_RN1 В АЛИФАТИЧЕСКОМ НУКЛЕОФИЛЬНОМ ЗАМЕЩЕНИИ

15.4. БИМОЛЕКУЛЯРНЫЙ МЕХАНИЗМ ПРИСОЕДИНЕНИЯ – ОТЩЕПЛЕНИЯ S_NAr

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 S_NAr

15.4.5. ВИКАРИОЗНОЕ ЗАМЕЩЕНИЕ

15.4.6. АКТИВАЦИЯ ГАЛОГЕНАРЕНОВ В РЕАКЦИЯХ S_NAr 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 S_N1

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 S_N2, 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 S_N2 – 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%: