Реферат на тему Ароматичне нуклеофільне заміщення - Хімія - Реферати - Каталог статей

Реферат на тему Ароматичне нуклеофільне заміщення. Реакції які протікають самочинно. При исследовании фотоинициированных реакций бром- и иодбензолов с енолят-ионами ацетона в растворах диметилсульфоксида Баннет и Корн блюм обнаружили, что в значительной степени реакция протекает при комнатной температуре и в отсутствие облуче-ния. Например, иодбензол реагировал с енолятом 11 при при-мерно 23°С в темноте с выделением 31% иодидиона всего за-12 мин. В жидком аммиаке реакция протекает значительно медленнее и за 180 мин проходит только на 2—8% ІЦ4].- Реакция в диметилсульфоксиде в темноте была тщательно исследована на примере иодбензола и енолят-ионов пинаколина (48). Иодид калия не оказывает на реакцию практически никакого влияния. Добавка 10% ди-грег-бутилнитроксида (по отношению к концентрации иодбензола) сни-жает скорость реакции примерно в 20 раз. п-динитробензол также сильно влияет на скорость реакции, снижая ее в 10 раз при концентрации всего 0,03 мол. %. Напротив, в присутствии кислорода наблюдается значительное ускорение, но в этих ус-ловиях продукт разлагается. Влияние различных добавок убе-дительно показывает, что реакция протекает по механизму SRN1. Замещенные пири-мидины, пиридазины и пиразины реагируют~в темноте с ено-лят-ионами ацетона, пинаколина, диизопропилкетона и ацето-фенона в жидком аммиаке. Однако единственный субстрат, для которого замещение хлорида идет с удовлетворительным выходом (82—98%), — это 2-хлорпиразин [реакция (47)] [33]. Ингибирование процессов ди-грег-бутилнитроксидом до-казывает радикальную природу этих реакций. Енолят-ионы сложных эфиров, альдегидов и N,N-дизаме-щенных амидов. Енолят-ионы сложных эфиров Литиевое или калиевое производное енолята грег-бутилаце-тата реагировало при фотоинициировании в жидком ам-миаке с образованием моно- и дизамещенных продуктов 71 и 72 [реакция (48)] Если енолят-ион сложного эфира имеет (3-атом водорода, то-так же, как и для енолят-ионов кетонов, отщепление ifj-водо-родного атома конкурирует с реакцией сочетания. В таких,же условиях эксперимента, как и для арилирования енолята 70 (который дал более 95% моно- и дизамещенных продуктов), фотоинициированная реакция л-броманизола с енолятом трет-бутил-2-метилпропионата дала только 5% продукта арилирова-ния и около 50% анизола — продукта восстановления [18]. Фотоинициированная реакция я-броманизола с меченым енолят-ионом 81 дала 58% анизола, 35% которого содержало дейтериевую метку, что подтверждает ведущую роль процес-са отрыва атома водорода от енолята [реакция 49]: ЕНОЛЯТ-ИОНЫ АЛЬДЕГИДОВ. Этакие ионы обра-зуются в жидком аммиаке [34], но при фотойнициированном взаимодействии с бромбензолом или 1-хлорнафталином дега-логенирование и образование продуктов замещения происходи-ло лишь в малой степени [4J. Фотоинициированная реакция п-йоданіліну с енолят-ионом ацетальдегида 74 дала только продукт восстановления — анилин [23]. Если сравнить реакционную способность енолят-ионов аль-дегидов и кетонов аналогичной структуры, можно видеть, что последние более активны в фотоинициируемых реакциях SRN1, а в случае первых образуются большие количества продуктов восстановления. ЕНОЛЯТ-ИОНЫ N.N-ДИЗАМЕЩЕННЫХ АМИДОВ. Енрлят-ионы N,N-дизамещенных амидов 85 дают хорошие выходы продуктов замещения в жидком аммиаке в условиях фотоини-циирования. Реакция иодбензола с анионом 77 без освещения проходит на 34%, а при фотоинициировании достигаются более вцсокие выходы. Реакции различных арилгалогенидов с 77a и 77б при-водят к продуктам с хорошими выходами. Енолят-ион 77в не-растворим в аммиаке, поэтому реакция с бромбензолом проте-кает лишь в малой степени, а в случае растворимого в ам-миаке аниона 77б пфодукты образуются с высокими выходами. При облучении раствора енолят-иона N-метил-N (п-хлор-бензил) ацетамида 78 в жидком аммиаке было обнаружено 80% хлорид-иона. Образующееся в этих условиях твердое ве-щество практически не растворимо во всех обычных раствори-телях, за исключением диметилсульфоксида. В темноте реак-ция не происходила. Твердый продукт не удалось полностью идентифицировать, однако на основании его высокой темпера-туры плавления, низкой растворимости и высокого выхода хло-рид-иона можно предположить, что имеет место сочетание не-скольких молекул субстрата с образованием олигомерных и (или) полимерных продуктов [28]. В фотоинициированной реакции енолята 79 бромид-ион об-разуется с выходом только 11%, несмотря на то что бромид является обычно лучшей уходящей группой, чем хлорид. Предполагается, что различия в реакционной способности 78 и 79 обусловлены взаимодействием нуклеофильного центра аниона 79 с уходящей группой через п-систему, что снижает его ак-тивность. В еноляте нуклеофильный центр и уходящая группа отделены друг от друга sр3-гибридизованным атомом углерода [28]. Фотоинициированная реакция енолят-ионов N-алкил-N-ацил-о-хлоранилинов 81 в смеси растворителей тетрагидро-фуран — гексан протекает как циклизация и дает оксиндолы. 82 Енолят-ионы получали кислотно-основной реакцией 79 с диизопропиламидом лития (ЛДА) [реакция 51]. Ди-анионы N-ацил-о-хлоранилинов (81R=Li) также проводили к оксиндолам 82 с хорошими выходами. Другие, стабилизированные карбанионы 1-пиколил-анион. B условиях, благоприятствующих протеканию реак-ции по механизму SRN1, было проведено арилирование 2- и 4-пиколил-анионов. Хлорбензол и триметилфениламмонийиодид инертны по отношению к этому нуклеофилу в темноте, но при инициировании металлическим калием или облучении в ам-миаке они дают продукты арилирования с хорошими выхода-ми [реакция 52]: Субстраты 84в и 84г реагируют с 83а в темноте, по-види-мому, по ариновому механизму. Примерные значения рКа для 2- и 4-пиколинов равны 31 и 29 соответственно , т. е. близ-ки к значению 32,5 для аммиака [1]. Поэтому вполне возмож-но, что пиколил-анионы или амид-ионы, с которыми они нахо-дятся в равновесии, могут вызывать образование аринов из иод- или бромбензола. Выход продукта замещения 85а не-сколько улучшается при инициировании реакции сольватиро-ванными электронами или светом, но для субстратов 84в и 84г механизм считается неопределенном Цианозамещенные карбанионы. Инициирова-ние сольватированными электронами. Атомы водорода в -положении по отношению к нитрильной группе обладают доста-точной кислотностью для образования карбанионов в жидком аммиаке. Реакция с монозамещенными бензолами, промотируемая сольватированными электронами, дает несколько про-дуктов [реакция 53] . Относительные выходы получен-ных продуктов зависят от природы PhX, температуры, соотно-шения реагентов и способа проведения эксперимента. В реакциях цианометил-аниона [ 86, R = H, реакция (68Д образуются толуол (14—50%), бензол (8—44%), 1,2-дифенил-этан (90) (3—40%), фенилацетонитрил (88) (2—31%), а также малые количества дифенилметана и анилина. Эти результаты могут быть объяснены реакциями, приведенными на схеме 2.1. Реакции (54) — (61) достаточно очевидны и не требуют до-полнительных пояснений. Главные отличия других примеров реакций SRN1 заключаются в том, что анион-радикал 87 об-разованный сочетанием фенил-радикала и аниона 86 реакция (57) вступает в две конкурентные реакции: перенос электрона на PhX с образованием фенилацетонитрила 88 [реакция 58] или разрыв связи С—CN, дающий бензил-радикал 89 и цианид-ион [реакция59]. Бензил-радикал 89 может быть восстановлен далее еще одним сольватированным элект-роном, что приведет к бензил-аниону, который протонируется: аммиаком и дает толуол и амид-ион [реакция (60)]. или он может димеризоваться с образованием 1,2-дифенилэтана 90 [реакция (61)]. Из-за своей относительно высокой кислотности фенилаце-тонйтрил (88)\| будет практически нацело драгировать с бо-лее сильным основанием 86 [реакция (62)], а образующийся фенилацетонитрильный анион (91) может реагировать даль-ше по реакциям (63) — (65), давая другие наблюдаемые про-дукты. Это довольно сложная система, включающая несколько-реакционноспособных интермедиатов, каждый из которых при-водит к образованию различных продуктов. Однако было по-казано, что она может оказаться полезным методом введения алкильной группы в бензольное кольцо с замещением нуклео-фугной группы. Опти-мизация условий для этой системы позволит, по-видимому,, улучшить выходы целевых продуктов. Фотоинициированные реакции. Бромбензол и цианометил-анион не реагируют в темноте. После облучения в течение 2 ч реакция прошла на 38%, и были получены 88, 90 очень малые количества дифенилметана, толуола и бензола. Невысокая общая реакционная способность цианометильных анионов 86 по сравнению с енолят-ионами (реакция ко-торых с бромбензолом после 10 мин облучения проходит на 100%) объясняется тем, что промежуточный анион-радикал 87 отщепляет цианид-ион с образованием бензильных радика-лов [реакция (59)] В этой системе бензил-радикал не в со-стоянии участвовать в росте радикальной цепи, поэтому он на-капливается и димеризуется [реакция (61)] либо восстанав-ливается, принимая электрон [реакция (60)] причем обе эти реакции представляют, собой стадию обрыва цепи. В действи-тельности анион 86, по-видимому, более активен по отноше-нию к фенил-радикалам, чем енолят-ионы кетонов, так как в конкурентныхчреакциях среди продуктов доминируют и 88 его производные 43. В фотоинициированной реакции аниона 86 с 1-хлорнафта-лином (94) единственным продуктом был 1-(цианометил) наф-талин (95). Продуктов, получаемых g результате разрыва связи С—CN, не наблюдалось [реакция (66)]. В тех условиях, когда происходит разрыв связи С—CN (а это стадия обрыва механизма SRN1), общая реакционная способность галогенбензолов по отношению к аниону 86 невелика. Но в фотоинициированной реакции 94 и 86 (где ста-дии обрыва отсутствуют) 119 реагирует количественно менее чем за 15 мин. Это служит еще одним доказательством того, что, когда скорость стадии обрыва цепи механизма SRN! воз-растает, о0щая реакционная способность снижается. Припущення про те, що ароматические соединения, в ко-торых разрыхляющая молекулярная орбиталь аро-матической части имеет низкую энергию, будут давать продук-ты замещения без фрагментации, получило дальнейшее под-тверждение, когда было обнаружено, что галогенпроизводные фенантрена, бифенила, бензофенона и пиридина,давали очень хорошие выходы ожидаемых продуктов замещения Более того, 2-хлорпиразин реагировал с анионом фенил-ацетонитрила в темноте, давая до 78% продукта замещения. Ингибирование реакции ди-трет-бутилнитроксидом еще раз свидетельствует в пользу того, что реакция протекает в ос-новном как термическое SRN1-замещение Фотоинициированная реакция 3-бромтиофена привела к по-лучению 37,5% 3-(цианометил)тиофена 96 6,5% 3,3'-(1,2-этандиил)-бис-тиофена 97. Этот результат предполагает разложение анион-радикала по реакциям (58) и (52) и согласуется с тем фактом, что НВМО тиофенового фрагмента имеет более высокую энергию, чем НВМО самого бензола. 86 В фотоинициированной реакции 2-'бромтиофена и аниона были выделены 96 (35%) и 97 (6%); вероятнее всего, реакция протекает через1 промежуточное образование 3-бром-тиофена [реакция (67)]. Катализируемая основаниями изомеризация 2-бромтиофена в 3-бромтиофен хорошо известна/ ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ МЕХАНИЗМЫ Механизмы ряда других реакций напоминают механизм SRN1 в некоторых аспектах. Поэтому важно знать наиболее сущест-венные характеристики этюцреакций, а также их сходство и различие с механизмом SRN1. Нуклеофильное ароматическое фотозамещение Правила ориентации. Активация мета-положения нитрогруппом. Преобладание активации в жета-поло-жении проиллюстрировано реакциями (1) — (4) Из примеров очевидно, что при термических реакциях нитрогруппа ак-тивирует орто- и пара-положения, а при фотоинициируемых ре-акциях — лега-положение. Активация орто- и пара -положений алкоксизаместителями. Галоген в 2-галоген-4-нитроанизолах легко замещается при облучении в аммиаке [10, 11]. Анало-гично при освещении 2-метоксиантрахинона в аммиаке образу-ется 1-амино-2-метоксиантрахинон. Активирующее воздействие метоксигруппы и ее влияние на ориентацию при замещении проявляются в том, что при ос-вещении 1-метоксинафталина в среде, содержащей цианид-ионы, с хорошим выходом образуется 1-циано-2-метоксинафта-лин (и лишь очень мало 1-цианонафталина). Фотоцианирование самого нафталина протекает с очень низким выходом. Еще одно доказательство — это мягкое фотоцианирование трех ди-метоксибензолов (субстраты 1—3), которое во всех случаях приводит к продуктам, ожидаемым при орто- и пяра-активировании. Кроме того, реакция 1,3-диметокси-5-нитробензола с цианид-ионом дает продукты, которые указывают на то, что орто- и пара-активация двумя метоксигруппами может конку-рировать с жега-активацией нитрогруппой [реакция (5)]. Стабилизация за счет электронных эффек-тов входящей группы. Это правило относится к различ-ной селективности нуклеофилов и было названо правилом ста-билизации за счет электронных эффектов входящей группы. Примером могут служить реакции 1-метокси-4-нитронафталина с метиламином и цианид-ионом. В первом случае образуется 1-амино-N-метил-4-нитронафталин [реакция (6)], а во вто-ром— 4-метокси-1-цианонафталин [реакция (7)]. Поведение цианид-иона не кажется неожиданным, так как хорошая уходящая группа —NO2 активируется группой — ОМе, а амин ведет себя аномально, вступая в реакцию за-мещения по другому положению. Для продукта, а также с точ-ки зрения резонансной стабилизации такая ситуация более вы-годна, чем та, которая могла бы возникнуть в результате за-мещения нитрогруппы на аминогруппу (либо метокси- на циа-ногруппу). Поэтому предполагается, что электронодонорный или электроноакцепторный эффект входящего заместителя оказывает влияние на стадию образования продукта Механизм реакции. Для фотоинициированной реакции аро-матических субстратов с нуклеофилами признана возможность осуществления четырех различных механизмов ,. В эту! группу входит и механизм SRN!; было высказано предложение . переименовать его в SR+N1 для указания участия анион-ради-кальных интермедиаторов [реакция (8)]. Ароматические субстраты с электронодонорными группами в качестве первичных частиц образуют катион-радикалы и реа-гируют по механизму, называемому SR+N1 (Аr) [реакция (9);] с учетом обозначения механизма SR-N1 [реакция (8)]. Некоторые реакции включают предварительную фотодиссо-циацию на ароматический катион и уходящую, группу. Такой механизм обозначается SN1 (Аr) [реакция (10)] Четвертый механизм обозначается SR+N2 (Аr), [реакция (11)] и включает образование комплексов возбужденных аромати-ческих субстратов. Механизм SR+N1(AR). Фртоцианирование изомерных галогенанизолов и других метоксизамещенных соединений подчиняется кинетическому закону второго порядка, однако непосредственное взаимодействие цианид-иона с производным . анизола в возбужденном состоянии считается маловероятным. Расчеты плотности заряда в возбужденных синглетном и триплетном состояниях анизола показывают, что метоксигруппа в возбужденной молекуле по-прежнему является электронодо-норным заместителем, причем эта ^способность даже сильнее выражена, чем в основном состоянии. В качестве первичной, стадии была предложена фотоиониза-ция что согласуется с результатами по анодному циани-рованию ди- и триметоксибензолов , которые в этом случае дают те же продукты, что и в фотохимической реак-ции. Расчеты, выполненные для ряда ароматических катион-ра-дикалов, показывают, что распределение положительного заря-да полностью согласуется с распределением продуктов реак-ции; это подтверждает предположение об ионизации субстра-та на первой стадии после возбуждения. В экспериментах по лазерной спектроскопии были получены доказательства обра-зования катион-радикалов и сольватированных электронов из анизолов в триплетном возбужденном состоянии Предложенный механизм проиллюстрирован реакциями (12) и (13). Катион-радикал, полученный из продукта, может отнять электрон у субстрата, что приводит к цепной реакции {реакция (14)]. Вероятность этого процесса будет зависеть не только от кон-центрации исходного вещества, но также и от относительных потенциалов ионизации продуктов и исходных веществ. Кван-товый выход фотоцианирования 4-хлоранизола зависит от кон-центрации исходных веществ и при высоких ее значениях пре-вышает единицу. Реакция SN2(AR) Ряд фактов убедительно свидетельствует о том, что эти ре-акции не относятся к процессам катион-радикального (или анион-радикального) типа. Эти факты таковы: при электроли-зе (анодном окислении) 1,2-диметокси-4-нитробензол в систе-мах NaOMe/HOMe и NaOH/H2O не реагировал; электролиз, приводящий к образованию аниона 1,2-диметокси-4-нитробензола (катодное восстановление), в системе NaOMe/HOMe дает нитрозопродукт, но не продукт обмена; наконец, анодное окис-ление ж-нитроанизола в системе NaOH/H2O не приводит к гидроксилированию. Указания на различия в механизмах реакций о- и я-нитро-анизолов, с одной стороны, и ж-нитроанизола — с другой, об-наруживаются и при фотоцианировании этих соединений в водных растворах. Фотоцианирование и анодное цианирование о- и л-нитроанизолов дают одни и те же продукты в одинако-вых соотношениях в отличие от мета-изомера. мета-Ориентация нитрогруппы была объяснена с использо-ванием энергетической разности между поверхностями возбуж-денного и основного состояния как показателя динамической реакционной способности для случая образования а-комплекса из возбужденного триплетного состояния и нуклеофила. Реакции по механизму SRN1 в алифатических системах n-Нитробензильная система.Исторически n-нитробензильные соединения были первыми, для которых было найдено, что они реагируют по радикально-цепному ме-ханизму, в частности в процессах замещения при взаимодейст-вии с анионами нитроалканов. Анионы нитроалканов представ-ляют собой амбидентные нуклеофилы, которые могут быть ал-килированы либо по углеродному, либо по кислородному центру [реакции (21) и (22)]. Продукт С-алкилирования образуется в ре-зультате реакции по механизму SRN1, тогда как продукт О-алкилирования — по механизму SN2. Однако существует несколь-ко исключений, когда алкилирование по Зкмі-механизму в сильнонапряженных системах идет предпочтительно по кисло-роду . Предлагаемый механизм может быть проиллю-стрирован реакциями (23) — (27). Протеканию SN2-peакций способствуют хорошие уходящие группы, тогда как ме-ханизм SRN1 доминирует в случае плохих уходящих групп. Реакция тиофенолят-ионов 7 проходит, по-видимому, в основном по механизму 8ы2, а реакция метилсульфид-ионов по обоим механизмам. п-нитрокумилхлорид легко реагирует с рядом нуклеофилов. Примеры приведены на схеме 10.1Эти реакции протекают по механизму ,SRN1, а не SN2. Алифатические системы. Анионы нитросоединений могут реагировать с замещением нитрогруппы с -нитрокарбониль-ными соединениями (эфирами или кетонами), -нитронитрилами и -динитросоединениями [реакции 28-30] Из -динитросоединений нитрогруппу вытесняют не толь-ко анионы нитроалканов. Так, 2,2-динитропропан реагирует, хотя и медленно, с бензолсульфинатом натрия, давая соответ-ствующий сульфон с выходом 81% [реакция (60)]. Другие примеры проиллюстрированы реакциями (32)-(37). Реакции такого типа лежат в основе синтеза -ненасыщенных нитрилов, кетонов и эфиров, где первая стадия — взаимодействие натриевой соли RCHY—CO2Et (Y=CN, COMe, CO2Et или SO2Ar) с -галоген- или -нитропроизводными. Механизм SDN1. Реакция трет-бутил-(п-нитрофенил) аллилхлорида (9) Литиевой солью 2-нитропропана дает 70%. перегруппированного продукта замещения 10 [реакция (38)] Другие анионы, такие, как метилдиэтилмалонат и п-толуолсульфинат, также вступают в реак-ции этого типа. Предложенный механизм приведен на схеме 10.2 и был обозначен SRN1 по аналогии с механизмом SN1 [59]. Преобладание механизма SRN1 в этих системах объясняет-ся стерическим объемом трет-бутильной группы, которая пре-пятствует протеканию простого SN2-процесса. Реакции SRN1 в винильных системах Винилгалогениды инертны по отношению к нуклеофилам, чем во многих отношениях напоминают арилгалогениды. Была проверена возможность их реакции с нуклеофилами по механизму SRN1[61] -Бромстирол 13 реагировал с ацетонатом калия в жид-ком аммиаке в колбе из стекла пирекс при облучении светом с длиной волны 350 нм в течение 5 ч, и были получены продукт замещения 14 с, выходом 48% и его таутомер 42 с выходом 34% [реакция (43)]: Когда эти же реагенты были обработаны металлическим калием, продукты имели такой же углеродный скелет, как и в случае фотоинициированной реакции, но представляли собой менее окисленные формы .[реакция (44)]: 1-Йод-3,3-дифенилинден (16) взаимодействовал с енолят-ионом ацетона в жидком аммидке -при освещении в .течение 75 мин, давая главным образом 17 и его таутомер 18 с общим выходом 66% [реакция (81)]. В темноте за 1 ч реакция не прошла. Облучение раствора 16 в присутствии избытка^иофе-нолят-иона за 90 мин дает 20%-ный выход сульфида 19 [ре-акция (16)]. 2-Иоднорборнен-2 и 1-иодциклопентен при освещении в присутствии енолят-иона ацетона дают либо нормальные про-дукты замещения, либо изомерный -ненасыщенный кетон. Примеры, приведенные выше и имеющиеся в литературе , предполагают, что реакции идут по механизму SRN1, но в целом реакционная способность в этом случае ниже, чем в случае арилгалогенидов. Хотя механизм не был подробно исследован, следует отме-тить, что реакции нуклеофилов типа Ph2Z- (Z = As или Р) свинилгалогенидами, о которых сообщал Агьяр с сотрудниками, могут служить дополнительными примерами винильных SRN1-реакций. Вкратце их можно сформулировать так: либо цис-или транс-бромстирол реагирует с Ph2AsLi в ТГФ, давая со-ответствующий продукт замещения с сохранением конфигура-ции [реакция (77)] , либо цис- или транс- 1,2-дихлорэти-лен реагирует с-дифениларсенид-ионoм, давая стереоспецифические продукты [реакции (48) (49)]. Дифенилфосфид лития также реагирует с галогеналкенйми, приводя к продук-там замещения с сохранением конфигурации.
1 2 3 4 5 Категория: Хімія \| Добавил: Aspirant (03.05.2013)
Просмотров: 441 \| Рейтинг: 0.0/0

Всего комментариев: 0


Имя *:
Email *:

Код *: