GL_15_Нуклеоф-ое зам-ие аром (1125825), страница 5

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 5)

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

К лючевой 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 S_NAr

Ориентацию замещения по механизму S_NAr 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 S_NAr фтор замещается легче, чем другие галогены, а во-вторых, полифторароматические соединения относятся к типу активированных субстратов.

К ак и следовало ожидать, заместители, ориентирующие электрофильное замещение S_EAr в орто- и пара-положения, ориентируют нуклеофильное замещение S_NAr в мета-положение. Наоборот, заместители, являющиеся в S_EAr-реакциях мета-ориентантами, в реакциях S_NAr 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:

Г руппы –NH₂, -OCH₃, -O^-, а также CH₃ – преимущественно ориентируют замещение в мета-положение:

Ф тор, а также другие галогены являются мета-ориентантами (в S_EAr-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 S_NAr 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:

П ричина 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

О бычно в реакциях нуклеофильного ароматического замещения, независимо от их механизма (S_NAr, S_RN1, 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 S_NAr С ПОМОЩЬЮ КОМПЛЕКСООБРАЗОВАНИЯ

С ПЕРЕХОДНЫМИ МЕТАЛЛАМИ

Неактивные галогенарены можно активировать в реакции типа S_NAr 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 S_NAr 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 S_NAr, 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 S_NAr, 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

Характеристики

Список файлов книги