Особенности различных типов нуклеофильного замещения.

5.1 Анхимерное содействие.

Бис- β- хлорэтилсульфид ((ClCH₂CH₂)₂S, горчичный газ, иприт) в водном растворе гид­ролизуется в несколько тысяч раз быстрее, чем первичные алкилхлориды. Щелоч­ной гидролиз оптически активного 2-бромпропаноата [CH₃CH(Br)COO¯] протекает с сох­ранением конфигурации. Гидролиз хлорамина [Et₂NCH₂CH(Cl)Et] дает перегруппи­ро­ванный спирт Et₂NCH(Et)CH₂OH.

Эти пути реакции являются примером участия соседних групп в нуклеофильном за­ме­щении, которое носит название анхимерного содействия:

Таким образом, в этих реакциях нуклеофильная функциональная группа (-SR, -COO¯, -NR₂) реагирующей молекулы на какое-то время оказывается связанной (пол­ностью или частично) с реакционным центром. Вероятность участия этой группы зависит от размеров цикла, образующегося в переходном состоянии. Предпочтительным явля­ет­ся образование 3-, 5- и 6-членных циклов.

5.2 Нуклеофильное ароматическое замещение (S_NAr).

Реакции нуклеофильного ароматического замещения можно описать общей схе­мой:

Реакции S_NAr имеют свои особенности, поскольку механизм S_N2, когда имеет мес­то синхронное образование новой и разрыв старой связи в тригональном бипи­рамидаль­ном переходном состоянии, не может осуществляться в ароматическом ря­ду, посколь­ку арилгалогениды, в отличие от алкилгалогенидов, не могут принять необ­ходимую конформацию, т.к. тыльная сторона связи C-Y блокирована бензоль­ным кольцом. Поэтому для реакции S_NAr можно предположить механизм присое­динения-отщепле­ния с промежуточным образованием анионного σ -комплекса.

Такой механизм реализуется, когда в качестве заместителя Х в бензольном кольце присутствуют сильно электроноакцепторные группы (-NO₂, -CN, SO₂R, -N⁺≡N, способ-­

ные участвовать в делокализации отрицательного заряда σ -комплекса.

Не активированные электроноакцепторными заместителями арилгалогениды реаги­ру­ют с сильными нуклеофилами (сильными основаниями) по механизму отщепления - присоединения. На первой стадии нуклеофил действует как основание, отщепляя про­тон в орто -положении к атому галогена. Образовавшийся карбанион быстро выбра­сы­вает анион галогенида, образуя очень малостабильную частицу с тройной связью С≡С, называемую дегидроареном или арином (при Х=Н- дегидробензолом или бенз-ином)

Ввиду очень низкой СН-кислот­ности ароматических соединений для протекания этой реакции необходимы сильные основания, например, гидроксил- (OH¯) или амид (NH₂¯) ионы и высокие температуры (300-400^оС).

5.3 Анион-радикальное нуклеофильное ароматическое замещение (S_RN1).

Реакции нуклеофильного замещения галогена в неактивированных ароматических соединениях могут протекать по механизму одноэлектронного переноса при участии нуклеофилов - восстановителей. В качестве восстановителя может быть использован сольватированный электрон, получаемый при растворении металлического калия или

натрия в жидком аммиаке, а также другие нуклеофилы, обычно при инициировании УФ-облучением. В результате переноса одного электрона на молекулу арилгалогени­да образуется анион-радикал ArX , который быстро отщепляет галогенид-ион, об­ра­зуя арил-радикал Ar^•. Он присоединяет нуклеофильный реагент Nu:¯, который является “ловушкой” радикала Ar^•. Завершает этот цепной ион-радикальный процесс перенос электрона от анион-радикала ArNu к исходному субстрату ArX. Схема реакции выглядит следующим образом:

В ряду арилгалогенидов наиболее склонны к восстановлению арилиодиды, поэтому триметилиодбензолы реагируют с амидом калия по механизму S_RN1, а хлор – и бром- производные – по ариновому механизму.

5.4 Викариозное нуклеофильное замещение (S_N^HAr).

Обычно в реакциях нуклеофильного ароматического замещения в качестве уходя­щей группы (нуклеофуга) фигурируют электроотрицательные атомы или группы (в виде анионов или нейтральных молекул). Атом водорода не замещается в анионных σ -комп­лексах, так как гидрид-ион - слишком слабый нуклеофуг. Чтобы получить про­дукт замещения водорода, нуклеофуг должен содержать группу Х, способную отщеп­ляться в виде НХ от промежуточного σ -комп­лекса, например,

Таким образом, 1,3,5-тринитробензол или 2,4,6-тринитроанилин можно легко превратить в 1,3,5-триамино-2,4,6-тринитробензол (ТАТБ) – малочувствительное термо­стойкое ВВ.

Ввиду того, что вместо нормального ‘отщепления” гидрид-иона Н¯ происходит от­щеп­ление протона, а уходящей группой является N(CH₃)₃, расположенная не в геми­нальном узле анионного σ -комп­лекса, а в боковой цепи, эта реакция получила назва­ние викариозного нуклеофильного замещения (от англ. vicarious- действующий вмес­то другого, по уполномочию).

5.5 Мономолекулярное нуклеофильное ароматическое замещение (S_N1).

В отличие от алкил - и аралкилгалогенидов, арилгалогениды не склонны реаги­ровать по механизму S_N1 с промежуточным образованием фенильного катиона С₆H₅⁺, т.к. 6π - электронная система бензола не принимает участия в делокализации положи­тель­ного заряда (пустая sp² -гибридная орбиталь катиона лежит в плоскости кольца и ортогональна ароматическому секстету π-электронов).

Так, энтальпия образования изопропильного (190 ккал/моль) и трет.-бутильного (174 ккал/моль) катионов в газовой фазе значительно ниже энтальпии образования фениль­ного катиона (223 ккал/моль). Пространственные условия сольватации фе­ниль­ного катиона также значительно хуже, чем плоских алкильных катионов.

Единственно известным примером реакции мономолекулярного нуклеофильного ароматического замещения является разложение ароматических солей диазония в отсутствие восстановителей и сильных оснований:

В качестве нуклеофила NuH может выступать вода, в этом случае продуктами реакции являются фенолы.

6. Электрофильное ароматическое замещение (S_EAr).

Как отмечалось выше (стр.18), бимолекулярное электрофильное замещение ха­рак­­терно для ароматических соединений и является одной из наиболее подробно изу­ченных реакций, на кинетике и механизме которой базируются многие положения современной теоретической органической химии. Реакция представляет собой двух­стадийный последовательный процесс с обратимой первой стадией, в результате ко­

то­рой образуется реакционноспособное промежуточное соединение – аренониевый ион или σ -комп­лекс:

В структуре промежуточного σ -комп­лекса ароматическая 6 π-электронная система заменяется на 4 π-электронную систему пентадиенильного катиона (C=C-C=C-C⁺←→

⁺C-C=C-C=C), а на второй стадии в результате отщепления протона ароматическая сис­тема восстанавливается. В структуре σ -комп­лекса один из ароматических атомов переходит из состояния гибридизации sp² (плоской тригональной) в sp³ (тетра­эд­ри­ческую):

Положительный заряд аренониевого иона, как показано на вышеприведенной схеме реакции, в основном находится в орто - и пара -положениях бензольного ядра по от­ношению к геминальному центру, поэтому σ -комп­лекс стабилизируется электро­но­до­­норными заместителями, находящимися в этих положениях. Таким образом, донор­ные (+М) заместители ориентируют электрофил в орто - и пара -положения, т.е. реак­ция является региоселективной.

В переходном состоянии, предшествующем образованию σ -комп­лекса, состоящем из молекулы монозамещенного бензола C₆H₅X и положительно заряженного электро­фи­­ла E⁺, заряд поделен между атакующим реагентом и бензольным кольцом. Если переходное состояние “раннее” (т.е. похожее на реагенты), то заряд в бензольном коль­­це невелик и в основном локализован на электрофиле, а если переходное сос­тояние “позднее” (т.е. похожее на аренониевый ион), то заряд в основном лока­ли­зо­ван на атомах углерода бензольного кольца. Для реакций монозамещенных бензолов могут существовать четыре σ -комп­лекса: орто-, мета-, пара- и ипсо - (что означает заме­щение в положение, несущее заместитель, отличный от водорода):

В соответствии с этим могут быть четыре разных переходных состояния, энергия которых зависит от степени взаимодействия замести­теля Х с положительным зарядом кольца. В “позд­нем” переходном состоянии поляр­ный эффект заместителя Х должен быть выражен сильнее, чем в “раннем” переход­ном состоянии, но ка­чест­венно влияние одного и того же заместителя должно быть одинаковым.

Из орто-, мета-, пара- σ -комп­лексов образуются продукты замещения водорода (путем отщепления протона), но из ипсо -комплекса может образоваться продукт за­ме­щения группы Х путем отщепления катиона Х⁺. Ипсо -замещение характерно для металлоорганических соединений, в которых металл замещается легче протона:

Реже встречается ипсо -замещение при X=Alk, Br или I. Для других замещенных бен­зо­лов (X=OH, NR_2, NO_2, CN, COR, F) ипсо -замещение не происходит, т.к. эти замес­ти­тели должны отрываться в виде весьма неустойчивых катионов X⁺. Заместители Х по легкости их отрыва в виде катионов располагаются в ряд NO₂< i-Pr < SO₃- < t-Bu ≈ Ar-N=NO < H < HgCl.

Последовательность расположения групп Х в этом ряду соответствует устойчивости соответствующего катиона в растворе.