GL_15_Нуклеоф-ое зам-ие аром (1125825), страница 6

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

Текст из файла (страница 6)

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 S_NAr 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:

Т акой 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 S_N1

А рилгалогениды не склонны реагировать по механизму S_N1 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^- + H⁰; H⁰ = + 223 ккал/моль

CH₂=СHCl  CH₂=CH⁺ + Cl^- + H⁰; H⁰ = + 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 S_N1-механизмом, в котором нуклеофильный агент не принимает участия в стадии, определяющей скорость всего процесса, и противоречат механизму присоединения – отщепления S_NAr. 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:

О тсюда следует, что первая стадия разложения катиона диазония, по-видимому, обратима, а нуклеофильной атаке преимущественно подвергается молекулярно-ионная пара [Ar⁺N≡N]:

М ономолекулярный 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 S_N1 конкурируют другие процессы с образованием в качестве интермедиата радикала Ar^•, арина (за счет отщепления азота и H⁺ из орто-положения), а также замещения по S_NAr-механизму в кольце, активированном наличием самого электроотрицательного заместителя - диазогруппы -⁺N≡N.

В се 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 S_RN1-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.

О днако 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 S_N1 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.

Характеристики

Список файлов книги