18.10: Нуклеофільна ароматична заміщення - Механізм додавання-усунення

Last updated
Save as PDF

Page ID: 23053

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Нуклеофільні ароматичні реакції витіснення арілогалогенідів

Вуглець-галогенні зв'язки арілгалогенідів схожі на алкенілгалогеніди набагато сильніші, ніж алкілгалогеніди. Прості арілгалогеніди, як правило, стійкі до реакції з нуклеофілами в реакціях S _N 1 або S _N 2. Однак ця низька реакційна здатність може бути різко змінена змінами умов реакції та структури арілгалогеніду. Насправді нуклеофільний зміщення стає досить швидким.

коли арілгалогенід активується заміщенням сильно електронно-притягуючими групами, такими як N0 ₂, і
коли використовуються дуже сильно основні нуклеофільні реагенти.

Механізм додавання-елімінації нуклеофільної заміщення арілгалогенідів

Хоча прості арілгалогеніди інертні до звичайних нуклеофільних реагентів, значна активація виробляється сильно привертають електрони замісниками за умови, що вони розташовані або в орто- або пара-позиціях, або в обох. Наприклад, витіснення іона хлориду з 1-хлор-2,4-динітробензолу диметиламіном відбувається легко в розчині етанолу при кімнатній температурі. За тих же умов хлорбензол повністю не реагує; таким чином активуючий вплив двох нітрогруп становить коефіцієнт не менше 108:

альт

В цілому реакції активованих арілгалогенідів дуже нагадують реакції зміщення S _N 2-аліфатичних галогенідів. Ефективні ті ж нуклеофільні реагенти (наприклад, CH ₃ O ^-, HO ^- та RNH ₂); реакції в цілому другого порядку (перший порядок у галогенідів і перший порядок у нуклеофілів); і для даного галогеніду чим сильніше нуклеофіл, тим швидше реакція. Однак має бути більше, ніж тонка різниця в механізмі, оскільки арілгалогенід не в змозі пройти через той же тип перехідного стану, що і алкілгалогенід у переміщеннях S _N 2.

Загальноприйнятий механізм нуклеофільного ароматичного заміщення арілгалогенідів, що несуть активуючі групи, включає два етапи, близькі до описаних для алкенілу та алкінілгалогенідів. Перший крок передбачає нуклеофіл Y: ^- реагує з вуглецем, що несе галоген-замінник, утворюючи проміжний карбоніон (рівняння 14-3). Ароматична система руйнується при утворенні аніона, а вуглець в місці реакції змінюється з плоских (sp ² зв'язків) на тетраедричні (sp ³ зв'язки).

альт

На другому етапі втрата аніона, X ^{- або Y ^-}, регенерує ароматичну систему. Якщо X ^- втрачено, загальна реакція нуклеофільного зміщення X на Y. У випадку нейтрального нуклеофільного реагенту, Y або HY, послідовність реакції була б однаковою, за винятком необхідних коригувань заряду проміжного:

альт

Чому цей шлях реакції взагалі несприятливий для простих арилогалогенідів? Відповідь полягає в тому, що аніонний проміжний продукт занадто високий за енергією, щоб формуватися з будь-якою практичною швидкістю. Аніон не тільки втратив ароматичну стабілізацію бензольного кільця, але і його утворення призводить до передачі негативного заряду кільцевим вуглецям, які самі по собі не дуже електронегативні:

Однак, коли сильно притягують електрони групи розташовані на кільці в орто-парах положеннях, проміжний аніон стабілізується шляхом делокалізації електронів з кільцевих вуглеців в більш сприятливі місця на групах заміщення. Як приклад розглянемо витіснення брому по ^- OCH ₃ в реакції 4-бромонітробензолу і метоксид-іона:

альт

Аніонний проміжний продукт, утворений додаванням метоксид-іона до арілгалогеніду, може бути описаний структурами валентних зв'язків 5a-5d. З цих структур 5d особливо важливий тому, що заряд переноситься з кільцевих вуглеців в електронегативний кисень нітрозамісника:

альт

Замісники в мета-позиціях набагато менше впливають на реакційну здатність арілгалогеніду, оскільки делокалізація електронів до замісника неможлива. Ніякі формули не можуть бути записані аналогічно 5c і 5d, в яких негативні заряди знаходяться як на атомах поруч з позитивним азотом, так і

альт

У кількох випадках були виділені стабільні сполуки, що нагадують постульований проміжний проміжний проміжний продукт реакції. Одним з класичних прикладів є комплекс 7 (виділений Дж. Мейзенгеймером), який є продуктом реакції або метиларілового ефіру 6 з етоксидом калію, або етилового арилового ефіру 8 і метоксиду калію:

альт