Міністерство освіти і науки України
Прикарпатський національний університет ім. В. Стефаника
Реферат
на тему:
“Ароматичне заміщення
по механізму SRN1”
Виконала:
Студентка групи Х-31
Петраш Тетяна
Викладач:
Лучкевич Євген Романович
м. Івано-Франківськ
2005р.

АРОМАТИЧНЕ НУКЛЕОФІЛЬНЕ ЗАМІЩЕННЯ
Механізми
За минулі три десятиліття і після етапного огляду Бан-нета і Залера [1] хіміки-органіки визнали, що ароматичні з'єднання можуть легко вступати не тільки в реакції електрофільного заміщення, але і в реакції нуклеофільного заміщення. Механізми цих реакцій дуже різноманітні і визначаються природою ароматичної частини молекули, нуклеофіла і умовами проведення реакцій.
У загальному випадку механізми ароматичного нуклеофільного заміщення можуть бути представлені схемою 1.1. Інтермедіати 1—4 після однієї або декількох проміжних стадій дають продукти заміщення [див. реакцію (5)] [2, 3]. Механізми ароматичного нуклеофільного заміщення можуть бути представлені схемою 1.1. Интермедиати1—4 після однієї або декількох проміжних стадій дають продукти заміщення [див. реакцію (5)] [2, 3].
Ароматичні субстрати, в яких азот виступає як група, що йде, такі, як діазонієві солі, є єдиними з'єднаннями, здатними утворювати арил-катіони 1. Дійсно, встановлено, що тільки 5 реагує по цьому механізму [реакція (6) 1 [4, 5].
У сильноосновних розчинах утворюються арил-карбаніони 2, які передують інтермедіатам аринового типу. Проте дегидробензоли можуть утворюватися і деякими іншими шляхами, не через карбаніонні інтермедіати. Реакції з участю проміжних з'єднань аринового типу мають той недолік, що в результаті виходить більше одного продукту [реакції (7 і 8)]. Проте перевага даних процесів полягає в достатній спільності по відношенню до заступника в ароматичному ядрі: такий механізм нуклеофільного заміщення спостерігався для субстратів, що мають як електроноакцепторні, так і електронодонорні замісники [6—8].
Для субстратів, що містять електроноакцепторні групи, найпоширеніший механізм включає освіту -комплексу типу 3.
Більшість досліджень виконано на субстратах, що містять принаймні одну активуючу групу; для неактивованих субстратів механізм може виявитися іншим. При вивченні реакції неактивованих арилгалогенів з амід-іоном в рідкому аміаку Баннет і Ким [12] одержали деякі незвичайні результати, які не могли бути пояснені запропонованим механізмом з участю дегідробензолу.
Вони досліджували реакцію взаємодії 5- і 6-амино-1,2,4-три-метилбензола з 5- і 6-галоген-1,2,4-триметилбензолов (7 і 8, схема 1.2). При цьому передбачалося, що у разі ізомерів 7 і 8 відношення продуктів 10 і 11 буде однаковим і не залежатиме від вживаного галогену (X). Ці припущення виправдалися, коли група X, що йде, була хлором або бромом, причому співвідношення виходів продуктів 10:11 дорівнювало 1,46. Проте, коли групою, що йде, був йод, суміш амінотриметилбензолів, що виходить, завжди збагачена продуктом, в якому аміногрупа займала те ж положення, що і йод, що йде, тобто з ізомеру 7 було одержано більшу кількість продукту 10, а з 8 — більше продукту 11.
Одним з найважливіших спостережень було те, що реакції каталізували сольватованими електронами, що утворюються при розчиненні лужних металів в рідкому аміаку. На підставі цього факту був запропонований механізм, для якого передбачалася участь радикалів і аніон-радикалів (схема 1.3) [13].
Постуліровалось, що на початковій стадії [реакція (9)] арилгалогенід захоплює електрон, що утворюється аніон-радикал дисоціює на арил-радикал і йодид-іон [реакція (10)]. Потім арил-радикал реагує з амід-іонами з утворенням нового аніон-радикала [реакція (11)], який шляхом перенесення електрона на субстрат—арилітодид — дає продукт заміщення і аніон-радикал субстрата [реакція (12)]. Реакції (10) — (12) є стадією розвитку ланцюга даного механізму. Підсумовуючи реакції (10) — (12), одержимо загальне рівняння процесу нуклеофільного ароматичного заміщення [реакція (13)]. Проте не слід забувати про те, що в ньому все ж таки як інтермедіати беруть участь радикали і аніон-радикали.
Цей механізм одержав назву заміщення радикальне нуклеофільне мономолекулярне (Substitution Radical Nucleo-philic, Unimolecular, або SRN1) по аналогії з механізмом SN!
Механізм радикального нуклеофільного заміщення, який є включаючий стадії, аналогічні реакціям (9) — (12), був незалежно запропонований Корнблюмом і Расселом. Наприклад, було відомо, що n-нитробензилхлорид реагує (Гнат-рієвой злитиму 2-нітропропана, даючи С-алкілованний продукт з виходом 92% і лише 6% О-алкілованого продукту (виділеного у вигляді n-нитробензальдегіду) [реакція (14)], хоча звична реакція цього нуклеофілу з алкілгалогенідами приводить до алкілування по кисню [реакція (15)] [16].
Вихід продукту С-алкілування залежить не тільки від наявності нітрогрупи, але також і від природи групи, що йде. Крім того, сильні акцептори електронів інгібують реакцію С-алкілування, а О-алкілування при цьому помітно зростає. Так, у присутності n-динитробензола вихід продукту С-алкилірованія зменшується до 6%, а вихід продукту О-алкілування збільшується до 88%,
Це дозволяє припустити, що О-алкілування натрієвих солей нітроалканів насправді протікає як безпосереднє нуклеофільне заміщення хлориду з алкілуючого агента киснем аніону нітроалкана. Альтернативний механізм, що приводить до продуктів С-алкілування в серії реакцій з n-нітробензильними похідними, конкурує з механізмом прямого заміщення. Запропонований конкурентний механізм включає участь радикалів і аніон-радикалів як інтермедіатів [реакції (16—19)].

Одночасно Рассел і Дейнен, грунтуючись на іншому підході, запропонували той же механізм. Вони показали, що реакція поєднання 2-нітро-2-пропанід-аніону з n-нітробензил-хлоридом або 2-нітро-2-хлорпропаном каталізується опромінюванням, а аніон-радикал продукту поєднання — 2- (ганітробензил) -2-нітропропану (12) — був знайдений в розчинах етанолу і диметілформаміду за допомогою спектроскопії електронного парамагнітного резонансу (ЕПР).
Стадії механізму SRN1
Основними стадіями механізму SRN1 є ініціація, ріст ланцюга і обрив ланцюга (схема 1.4),
Перший реакційно здатний інтермедіат цього механізму — аніон-радикал — утворюється, коли ароматичний субстрат з відповідною нуклеофугною групою приймає електрон [реакція (20)]. Це відбувається або шляхом взаємодії з сольватуючим електроном, що з'являється в результаті розчинення лужного металу в рідкому аміаку, або електрон приймається від катода, або за допомогою перенесення електрона від іншого аніон-радикалу, або в результаті якої-небудь іншої хімічної реакції.
У циклі розвитку ланцюга по реакції (21) аніон-радикал дисоціює з утворенням арил-радикалу і аніона нуклеофугної групи. Якщо субстрат АrХ є катіоном, нуклеофугна група йде у вигляді нейтральної частинки. По реакції (22) арил-радикал реагує з нуклеофілом з освітою новою -зв’язку і нового аніон-радикала. Реакція (23) є перенесенням електрона з аніон-радикала на субстрат і завершують послідовність реакцій стадії розвитку ланцюга. Стадія обриву ланцюга залежить від умов реакції.
Нуклеофіли, одержані із з'єднань елементів
групи IVA
Карбаніонні нуклеофіли
Зв'язані вуглеводні. Всі реакції аніонів СН-кислот з арилпохідними проводилися в рідкому аміаку. Оскільки рКа аміаку рівний приблизно 32,5 [1], будь-який вуглеводень, з нижчим значенням рКа перетворюється в спів пряжену основу по реакції з амид-іоном в рідкому аміаку. Величина рКа алільного водню в простому ненасиченому вуглеводні — пропені — оцінюється в 35,5. Системи з більшою мірою сполучення повинні мати нижчі значення рКа [2].
Карбаніон 2, одержуваний з пентадієну-1,3 (1) і амід-іону [реакція (1)], не реагував з бромбензолом при —78°С. Проте при додаванні металевого калію в кількості, достатній для підтримки надлишку електронів, реакція протікала з утворенням складної суміші продуктів ([реакція-(2)], яка включала 5-фенілпентен-1 (20%), 1-фенілпентен-2 (6%), 5-фенілпентадієн-1,3 (18%) і 1-фенілпентадієн-1,3 (13%). Знайдені також і дифенільовані продукти [2].
Цікаво відзначити, що одержані продукти утворюються в результаті фенілювання тільки положення 1 карбаніону 2. Так, каталітичне гідрування суміші продуктів дало 1-фенілпентан з виходом 74% [2].
На підставі цих результатів можна припустити, що феніл-радикал реагує з 2 з утворенням аніон-радикалу 3 [реакція (3)], який може або взаємодіяти ще з одним електроном, відновлюючись до фенілпентенів [реакція (4)], або віддати неспарений електрон бромбензолу, що приводить до освіти 5-фенілпентадієну-1,3 [реакція (5)]. Ймовірно, продукти відновлення, одержувані по реакції (4), утворюються не в результаті відновлення 4, оскільки в сильноосновному середовищі це з'єднання швидко перетворюється на 1-іон [реакція (6)]. Підкислення приводить до протонуавння 5 в положеннях 1 і 5, що дає два ізомерних фенілпентадієна.
Іншим карбаніоном, що піддавалося фенілюванню бромбензолом в розчинах металевого калію в аміаку, був (п-анізил) пропенід (6). Фенілювання проходило в положеннях 1 і 3 субстрату 6 приблизно однаковою мірою. Після каталітичного гідрування були одержані похідні пропану 7 і 8 [реакція (7)].
Одержаний з індена карбаніон 9 з хорошим виходом дав 3-фенілінден [10, реакція (8)]. Низький вихід 1-феніл-індана (продукту відновлення аніон-радикалу) вказує, що перенесення електрона на бромбензол [аналогічно реакції (5)] відбувається в значній мірі.
Енолят-аніони кетону. Ініціація лужними металами. Еноляти кетонів— найбільш вивчені нуклеофіли в реакціях арилювання по механізму SRN1. Перше повідомлення про те, що арилювання енолят-аніона ацетону (11) може бути здійснено по механізму SRN1, відносилося до реакції галогенбензолів в рідкому аміаку, ініційованої сольватуючими електронами [7]. Фенілацетон (12) і 1-фенілпропанол-2 (13) були основними продуктами [реакція (9)]:
Виходи 12 і 13 сильно залежали від природи XI
Коли феніл-радикал взаємодіє з енолятом ацетону, виходить аніон-радикал кетильного типу 14 [реакція (10)], який на стадії розвитку ланцюга [реакція (11)] може віддати свій зайвий електрон субстрату PhX або на стадії обриву ланцюга прореагувати ще з одним електроном, даючи алкоголят [реакція (12)].
У реакції м-йоданізолу (15а) з 11 співвідношення кетону 16 і спирту 17 складало 6,9 [реакція 13)], що близьке до співвідношення 12 : 13, рівному 6,6,
у реакції, в якій субстратом був йодбензол. У разі м-хлоранізолу (156) відношення 16 : 17 дорівнювало 0,51, що близько до значення 0,55 для продуктів 12:13, коли субстратом був хлорбензол [8]. Але коли з 11 реагувала суміш йодбензолу і м-хлоранізолу (156), для відношення 12 : 13 (з йодбензолу) була одержана величина 23, а для відношення 16 : 17 (з 156) — 0,64, тобто неначебто субстрати реагували незалежно один від одного. Більш того, коли суміш хлорбензолу і м-йоданізолу (15а) реагувала з сольватуючиими електронами у присутності 11, відношення 12 : 13 (з хлорбензолу) було 0,47, а відношення 16 : 17 (з 15а) складало 28.
У реакції 1-хлорнафталіну з енолятом ацетону при ініціації металевим калієм в рідкому аміаку був одержаний кетон 18, 19 і 20 [9].
Не було знайдено навіть слідів спирту 21. Така поведінка суперечить результатам, одержаним в реакції 11 з галогенбензолами, де були знайдені і кетон 12, і спирт 13. Цей результат був приписаний різній природі проміжного аніон-радикала, що утворюється при поєднанні арил-радикала з 11. Коли арильною групою є феніл, утворюється аніон-радикал кетильного типу 14, але коли арильна група—1-нафтил, інтермедіатом виступає аніон-радикал 22, в якому неспарений електрон відноситься до -зв’язку ароматичного кільця. Реакція 22 з ще одним сольватуючим електроном приводить до відновлення нафталінового кільця і утворення продуктів 19 і 20.
Проте при взаємодії 1-хлорнафталіну з аніоном, одержаним з ацетофенону реакцією з металевим калієм, відновлення нафталінового кільця не спостерігалося, що припускає утворення аніон-радикального інтермедіату кетільного типу 23.
Згідно теорії молекулярних орбіталей, структура проміжного аніон-радикала повинна залежати від енергії нижчої вільної молекулярної орбіталі, а послідовність бензол >RСОСН3>нафталин >RСОРЬ добре узгоджується з структурами 14, 22 і 23 [9, 10].
3-Бромтіофен (24а) реагує з 11 при ініціації металевим натрієм або калієм, даючи 20—30% кетону 25а — продукт монотієлювання — і вторинний спирт 27а. З меншим виходом (2—10%) утворюються продукти дитієнілювання 26а і 28а [реакція (14)] [11]:
Реакції 5-галоген-4-феніл- і 4-трет-бутил-5-галогенпіримі-динів (29) з енолят-іонами ацетону, ацетофенону і пінаколіну, ініційовані металевим калієм в рідкому аміаку, приводять до продуктів заміщення з хорошими виходами [реакція (15)] ;[13].
Фотоініційовані реакції. Реакції галогенбензолів з енолят-іонами ацетону відбуваються не тільки при ініціації сольватуючими електронами, але також і при опромінюванні світлом ближньої УФ-ОБЛАСТІ (290—350 нм). Звичної вольфрамової лампи достатньо для проведення реакції. Ініціація відбувається, ймовірно, шляхом перенесення електрона на субстрат — галогенбензол — з утворенням його аніон-радикалу ([реакції (16) — (17)] ;[14].
По цій методиці одержують високі виходи фенілацетону, вільного від домішок спирту і інших відновлених продуктів, які утворюються при ініціації металевим калієм. Звичайно одним з побічних продуктів є -диарилкетон, який виходить при подвійному арилюванні.
При ініціації реакції металевим калієм іншим побічним продуктом є бензол, який, утворюється' в результаті відновлення проміжного фенільного радикалу при його взаємодії з сольваатуючим електроном з подальшим протонуванням виникаючого феніл-аніону [реакція (18)]:
Якщо 11 одержують реакцією ацетону з металевим калієм в аміаку, як побічний продукт утворюється ізо-пропілат-іон. При реакції галогенбензолів з 11 виходить значна кількість бензолу.
Проте фотоініційована реакція 11, синтезованого по кислотно-основній реакції з амід- або третбутилат-іонами (яка не приводить до изопропілат-іонів) , дає дуже малий вихід бензолу. Поява бензолу в цій реакції приписується відриву фенільним радикалом атома водню від ізопропилат-іону, внаслідок чого виходять бензол і кетіл 31 [реакція (19)]:
Кетон, що має ф-водневі атоми, такі, як енолят 2,4-диметилпентанону-3 (32), мляво реагують зи продукт 34. Вважається, що освіта 34 відбувається по реакції (20), де фенільний радикал відриває р-во-огрядний атом з 32, даючи бензол і аніон-радикальний
інтермедіат 33. Оскільки 33, мабуть, нездатний передати неспарений електрон іодбензолу, то реакція (20) стає стадією, що передує обриву ланцюга [17]. Стадія обриву полягає тоді в диспропорціонуванні 33 по реакції (21).
Еноляти арилкетонів, такі, як енолят-іон ацетофенону (35), погано реагують з арилгалогенідами в умовах фотоініціації. Енолят-аніон 35 зовсім не взаємодіє з йодбензоломи [19] або з 2-бромпіридином [12], а з 1-хлорнафталіном вихід продукту заміщення складає 8% [9]. Проте при інтенсивнішому і тривалішому опромінюванні йодбензол реагує з 35, даючи заміщений продукт з виходом 67% [6].
Літієва сіль 35 взаємодіє з 2-хлорхіноліном, даючи до 82% продукту заміщення [21]; натрієва сіль опинилася в цій реакції значно менш активною [20]. Хороші виходи продуктів заміщення були одержані в реакціях з 5-галоген-4-феніл- і 4-трет-бутил-5-галогенпіримідинами [реакція (22)] [13].
Хоча моноаніони р-дікетонов не вступають в реакції SRN! з арил- і гетероарилгалогенідами, арилювання 1,3-діаніонів р-дикетонів можна провести по кінцевому атомі вуглецю, який несе негативний заряд [реакції (23) і (24)] [19, 22]:
Енолят-аніони а-дикарбонільних з'єднань з однією карбонільною групою, захищеною у вигляді ацеталя, наприклад діметілацеталь 2-оксопропаналя, реагують при фотоініціації з 2-хлорхіноліном, даючи з виходом 80% продукт заміщення {реакція (25)]. Іодбензол в цих умовах не реагує [23].
Несиметричні діалкілкетони. Несиметричний диалкіл-кетон може утворювати декілька енолят-іонів, причому арилювання можна піддати кожний з них, хоча і необов'язково з однаковою швидкістю. Наприклад, бутанон (36) дає три енолят-іони: 37, 38а і 386 [реакція (26)] [24]:
Взаємодія цих енолят-іонів з бром- або йодбензолом приводить до кетону 39 і 40 відносно 1,6 [відзначимо, що з енолятів 38а і 386 виходить один і той же продукт — 3-фенілбутанон-2 (40)] [2].
У фотоініційованій реакції о-йоданізолу з 36 утворюються обидва кетони — 39а і 40а [25].
Реакція енолят-іонів 3-метилбутанона-2 (41 і 42) з бром-бензолом дає головним чином продукт арилювання тауто-міра 42. Такий же результат спостерігався і з іншими ароматичному субстратами [реакція (27)]
Фотоініційована реакція о-йоданізолу з енолят-іоном 3-метилбутанона-2 дає 66% кетону 45 (вихід виділеного продукту). Кетон 46 не був знайдений, що, можливо, пов'язано із стеричними перешкодами.
Реакції з дизаміщеними субстратами. У фотоініційованій реакції 2,6-дибромпіридину (47а) або 2,6-дихлорпі-ридину (476) з енолят-іоном пінаколіну (48) в рідкому аміаку з високим виходом одержаний продукт дизаміщення 49 [реакція (28)] [12]. Утворення продукту 49

відбувається, очевидно, безпосередньо з початкових дигалогенпіридинів без проміжного накопичення монозаміщених сполук.
Ці результати, а також поведінка інших дигалогенароматичних сполук в реакціях з різними нуклеофилами характерні для механізму SRN1. При поєднанні нуклеофілу з галогенарильним радикалом, таким, наприклад, як 50, утворюється новий аніон-радикал. Для того, щоб аніон-радикал 51 дав продукт дизамещення без проміжного утворення монозаміщеного з'єднання, швидкість відщеплювання галогенідіона повинна бути вищою швидкості перенесення електрона на початковий субстрат. Аніон-радикал, що утворюється, 52 потім вступає в реакцію поєднання з іншим енолят-іоном 48, даючи продукт 49 [реакції (29) —(31)].
Фотоініційована реакція о-дибромбензолу з надлишком енолят-іона пінаколіну в аміаку давала з виходом 62% продукт дизаміщенням 1,2-б«с-(3,3-диметил-2-оксобутил) бензолів,. а також 35%, що не прореагував о-дибромбензолу.
У фотоініційованій реакції о-дибромбензолу з надлишком енолят-іона ацетону одержані ацетиліндени, шляхом альдольної конденсації утворюється о-диацетонілбензол.
п-Дигалогенбензоли (53) реагували з енолят-іонами ке-тонів (54) в умовах фотоініціації у присутності надлишку третбутилату калія, що забезпечує можливість іонізації продуктів дизаміщення, що утворюються [реакції (33) і (34)]. Очікувалося, що аніон 56, що виходить, виступатиме в ролі нуклеофілу, здатного реагувати з арил-радикалами, даючи продукти олігомерізації і (або) полімеризації [28]. Проте у фотоініційованій реакції субстратів 53 з енолятом 54а у присутності надлишку третбутилатного підстави (співвідношення 1:1:4)

кількість елімінованого галогенід-іону складала лише 25—60% від теоретичного (з розрахунку на два атоми галогену на кожну молекулу 53). А у фотоініційованій реакції 53а з великим надлишком початкового еноляту 54а або 546 елімінування хлорид-іону відбувається на 83 і 93% відповідно. Продукти дизаміщення утворюються з високими виходами; це указує на те, що реакція (33), мабуть, проходить до кінця (продукт 556 був виділений з виходом 65%) [28].
Кількість галогенид-іона, елімінованого в реакції при співвідношенні реагентів 1:1:4, показує, що в цих умовах реакція може не доходити до кінця.
Причиною цього може бути нерозчинність заміщених продуктів, а також їх розкладання. На початку реакції розчину може бути утворення структур типу 57 які інертних по відношенню до арил-радикалів.
Реакції циклізації. Цікавим типом реакцій арилювання енолят-іонами є внутрішньомолекулярні реакції SRN1. Першою вказівкою на існування реакцій цього типу був синтез цефалотаксинону (59) з відповідного йодкетону (58) під дією трет-бутилату калія в рідкому аміаку в умовах фотоініціації [реакція (35)]: [29]. Такий підхід дав продукт 59 з виходом 94%. В порівнянні з іншими методами синтезу цього з'єднанням, а саме з реакцією аринового типу (вихід 15%), з реакцією при каталізі N1(0) (вихід 30—35%) і з SRN1-реакцією при ініціації металевим калієм (вихід 45%) реакція (36) є якнайкращим методом [29].
Внутрішньомолекулярне арілірованіє енолятов йод-проїзводітельнимі ароматичних з'єднань, такими, як 62 продемонструвало можливість ефективної циклізації [реакція (37)] [18]. Якщо субстрат містить -атоми водню, то реакція відщеплювання атома водню з цього положення конкурує з циклізацією. Наприклад, при опромінюванні реакція бромкетону 64 з третбутилатом калію дала продукт циклізації 65 з виходом лише 13%, а р.у-ненасичений кетон 64 був одержаний з виходом 65% [18].
Допускається, що освіта 64 відбувається через -ненасичений ізомер, що виходить шляхом внутрішньомолекулярного переміщення

атома водню з -положения карбонільної групи на проміжний аніон-радикал. Прямі докази здійснення цього механізму одержані в експериментах із з'єднаннями, міченими дейтерієм. Мічений кетон 65 був введений в звичну фотоініційовану реакцію SRN1 і дав продукти, приведені в рівнянні (38). Співвідношення продуктів 68 : 69, що відображає конкуренцію між процесами перенесення атома водню і циклізациі, набагато більше у разі міченої сполуки (~5 : 1), ніж для недейтерійованого (1:2). Цю відмінність приписують ізотопному ефекту реакції відщеплювання проміжного арил-радикалу [реакція (40)] [6].
Циклічний кетон 69а і 69б виходить з двох можливих енолятів кетону 67. Відносний вихід цих двох продуктів циклізації змінюється залежно від числа метиленових груп у вуглецевому ланцюзі [реакція (41)] [6, 18].
Електрохімічні ініційовані реакції Реакція 2-хлорхіноліну 68 з енолят-іонами ацетону (11) і ацетофенону в рідкому аміаку
може бути промотована електрохімічним шляхом.
2-радикал, що виходить по реакціях (35) і (40), реагує з 11 з утворенням аніон-радикалу 69, який шляхом гомогенного перенесення

електрона на 68 дає продукт заміщення. У основному середовищі цей продукт перетворюється на енолят-аніон [реакції (44) -(46)]
Реакції, які протікають самочинно. При дослідженні фотоініційованих реакцій бром- і йодбензолів з енолят-іонами ацетону в розчинах диметилсульфоксиду Баннет і Корнблюм знайшли, що в значній мірі реакція протікає при кімнатній температурі і при відсутністі опромінювання. Наприклад, іодбензол реагував з енолятом 11 при приблизно 23°С в темноті з виділенням 31% йодидіона всього за-12 хв. У рідкому аміаку реакція протікає значно повільніше і за 180 хв. проходить тільки на 2—8% ІЦ4].-
Реакція в диметилсульфоксиді в темноті була ретельно досліджена на прикладі йодбензолу і енолят-іонів пінаколіну (48).
Йодид калію не надає на реакцію практично ніякого впливу.
Добавка 10% дитрет-бутилнітроксиду (по відношенню до концентрації іодбензолу) знижує швидкість реакції приблизно в 20 разів. п-динітробензол також сильно впливає на швидкість реакції, знижуючи її в 10 разів при концентрації всього 0,03 мол. %. Навпаки, у присутності кисню спостерігається значне прискорення, але в цих умовах продукт розкладається. Вплив різних добавок переконливо показує, що реакція протікає по механізму SRN1.
Заміщені піримідини, піридазини і піразини реагують в темноті з енолят-іонами ацетону, пінаколіну, диізопропілкетону і ацетофенону в рідкому аміаку. Проте єдиний субстрат, для якого заміщення хлориду йде із задовільним виходом (82—98%), — це 2-хлорпіразін [реакція (47)] [33]. Інгібування процесів дитрет-бутилнітроксидом доводить радикальну природу цих реакцій.
Енолят-іони складних ефірів, альдегідів і N,N-дизамі-щенних амідів. Енолят-іони складних ефірів
Літієве або калієве похідне еноляту трет-бутилацетата реагувало при фотоініціації в рідкому аміаку з утворенням моно- і дизаміщених продуктів 71 і 72 [реакція (48)]
У таких, же умовах експерименту, як і для арилювання еноляту 70 (який дав більше 95% моно- і дизаміщених продуктів), фотоініційована реакція п-броманізолу з енолятом трет-бутил-2-метилпропіонату дала тільки 5% продукту арилювання і близько 50% анізолу — продукту відновлення [18].
Фотоініційована реакція п-броманізолу з міченим енолят-іоном 81 дала 58% анізолу, 35% якого містило дейтерієву мітку, що підтверджує провідну роль процесу відриву атома водню від енолятау [реакція 49]:
ЕНОЛЯТ-ІОНИ АЛЬДЕГІДІВ.
Отакі іони утворюються в рідкому аміаку [34], але при фотоніційованій взаємодії з бромбензолом або 1-хлорнафталіном дега-логенування і утворення продуктів заміщення відбувалося лише в малому ступені [4].
Фотоініційована реакція п-йоданіліну з енолят-іоном ацетальдегіду 74 дала тільки продукт відновлення — анілін [23].
Якщо порівняти реакційну здатність енолят-іонів альдегідів і кетону аналогічної структури, можна бачити, що останні більш активні в реакціях SRN1, що фотоініціюються, а у разі перших утворюються великі кількості продуктів відновлення.
ЕНОЛЯТ-ІОНИ N.N-ДИЗАМІЩЕНИХ АМІДІВ.
Енолят-іони N,N-дизаміщених амідіов 85 дають хороші виходи продуктів заміщення в рідкому аміаку в умовах фотоініціації.
Реакція йодбензолу з аніоном 77 без освітлення проходить на 34%, а при фотоініціації досягаються більш високі виходи. Реакції різних арилгалогенідів з 77a і 77б приводять до продуктів з хорошими виходами. Енолят-іон 77в нерозчинний в аміаку, тому реакція з бромбензолом протікає лише в малому ступені, а у разі розчинного в аміаку аніона 77б продукти утворюються з високими виходами.
При опромінюванні розчину енолят-іона N-метил-N (п-хлор) ацетамілу 78 в рідкому аміаку було знайдено 80% хлорид-іона. Тверда речовина, що утворюється в цих умовах, практично не розчинна у всіх звичних розчинниках, за винятком диметилсульфоксиду. У темноті реакція не відбувалася. Твердий продукт не вдалося повністю ідентифікувати, проте на підставі його високої температури плавлення, низької розчинності і високого виходу хлорид-іона можна припустити, що має місце поєднання декількох молекул субстрата з утворенням олігомерних і (або) полімерних продуктів [28].
У фотоініційованій реакції еноляту 79 бромід-іон утворюється з виходом тільки 11%, не дивлячись на те що бромід є звичайно кращою групою, що йде, ніж хлорид. Передбачається, що відмінності в реакційній здатності 78 і 79 обумовлені взаємодією нуклеофільного центру аніона 79 з групою, що йде, через п-систему, що знижує його активність. У еноляті нуклеофільний центр і група, що йде, відокремлені один від одного sр3-гибридизованим атомом вуглецю [28].
Фотоініційована реакція енолят-іонів N-алкіл-N-ацил-о-хлоранілінів 81 в суміші розчинників тетрагідро-фуран — гексан протікає як циклізація і дає оксиндоли.
82 Енолят-іони одержували кислотно-основною реакцією 79 з диізопропіламідом літію (ЛДА) [реакція 51]. Дианіони N-ацил-о-хлоранілінів (81R=Li) також приводили до оксиндолів 82 з хорошими виходами.
Інші, стабілізовані карбаніони 1-аніон. B умовах, що сприяють протіканню реакції по механізму SRN1, було проведено арилювання 2- і 4-аніонів. Хлорбензол і триметилфеніламонійодид інертні по відношенню до цього нуклеофілу в темноті, але при ініціації металевим калієм або опромінюванні в аміаку вони дають продукти арилювання з хорошими виходами [реакція 52]:
Субстрати 84в і 84г реагують з 83а в темноті, мабуть, по ариновому механізму. Зразкові значення рКа для 2- і 4-піколінів рівні 31 і 29 відповідно, тобто близькі до значення 32,5 для аміаку [1]. Тому цілком можливо, що піколіл-аніони або амід-іони, з якими вони знаходяться в рівновазі, можуть викликати утворення аринів з йод- або бромбензолу. Вихід продукту заміщення 85а дещо поліпшується при ініціації реакції сольватованими електронами або світлом, але для субстратів 84в і 84г механізм вважається невизначеним.
Ціанозаміщені карбаніони. Ініціація сольватованими електронами. Атоми водню в -положені по відношенню до нітрильної групи володіють достатньою кислотністю для утворення карбаніонов в рідкому аміаку. Реакція з монозаміщеними бензолами, промотуюча сольватованими електронами, дає декілька продуктів [реакція 53] . Відносні виходи одержаних продуктів залежать від природи PhX, температури, співвідношення реагентів і способу проведення експерименту.
У реакціях ціанометил-аніона [ 86, R = H, реакція (68Д утворюється толуол (14—50%), бензол (8—44%), 1,2-Етан (90) (3—40%), фенілацетонітрил (88) (2—31%), а також малі кількості дифенілметана і аніліну. Ці результати можуть бути пояснені реакціями, приведеними на схемі 2.1.
Реакції (54) — (61) достатньо очевидні і не вимагають додаткових пояснень. Головні відмінності інших прикладів реакцій SRN1 полягають у тому, що аніон-радикал 87 утворений поєднанням феніл-радикала і аніона 86 реакція (57),
вступає в дві конкурентні реакції: перенесення електрона на PhX з утворенням фенілацетонітрилу 88 [реакція 58] або розірваними зв'язки С—CN, що дає бензил-радикал 89 і ціанід-іон [реакция59]. Бензил-радикал 89 може бути відновлений далі ще одним сольватованим електроном, що приведе до бензил-аніона, який протонується: аміаком і дає толуол і амід-іон [реакція (60)], або він може димеризуватися з утворенням 1,2-дифенілетану 90 [реакція (61)].
Через свою вівдносно високу кислотность фенілаце-тонітрил (88) буде практично без остачі реагувати з сильнішою сполукою 86 [реакція (62)], а фенілацетонітрильний аніон (91), що утворюється, може реагувати далі по реакціях (63) — (65), даючи інші спостережувані продукти.
Це досить складна система, що включає декілька реакційноздатних інтермедіатів, кожний з яких приводить до утворення різних продуктів. Проте було показано, що вона може виявитися корисним методом введення алкільної групи в бензолове кільце із заміщенням нуклеофугної групи.
Оптимізація умов для цієї системи дозволить, мабуть,, поліпшити виходи цільових продуктів.
Фотоініційовані реакції. Бромбензол і ціанометил-аніон не реагують в темноті. Після опромінювання протягом 2 Г реакція пройшла на 38%, і були одержані 88, 90 дуже малі кількості дифенілметану, толуолу і бензолу.
Невисока загальна реакційна здатність ціанометильних аніонів 86 в порівнянні з енолят-іонами (реакція яких з бромбензолом після 10 хв опромінювання проходить на 100%) пояснюється тим, що проміжний аніон-радикал 87 відщеплює ціанід-іон з утворенням бензильних радикалів [реакція (59)] В цій системі бензил-радикал не в змозі брати участь в зростанні радикального ланцюга, тому він накопичується і димеризуєтся [реакція (61)] або відновлюється, приймаючи електрон [реакція (60)] причому обома цими реакціями є, стадія обриву ланцюга. Насправді аніон 86, мабуть, більш активний по відношенню до феніл-радикалів, ніж енолят-іони кетону, оскільки в конкурентних реакціях серед продуктів домінують і 88 його похідні 43.
У фотоініційованій реакції аніону 86 з 1-хлорнафталіном (94) єдиним продуктом був 1-(ціанометил) нафталін (95). Продуктів, одержуваних в результаті розриву зв'язку С—CN, не спостерігалося [реакція (66)].
У тих умовах, коли відбувається розрив зв'язку С—CN (а це стадія обриву механізму SRN1), загальна реакційна здатність галогенбензолів по відношенню до аніона 86 невелика. Але у фотоініційованій реакції 94 і 86 (де стадії обриву відсутні) 119 реагує кількісно менш ніж за 15 хв. Це служить ще одним доказом того, що, коли швидкість стадії обриву ланцюга механізму SRN1 зростає, загальна реакційна здатність знижується.
Припущення про те, що ароматичні з'єднання, в яких розпушуюча молекулярна орбіталь ароматичной частини має низьку енергію, даватимуть продукти заміщення без фрагментації, одержало подальше підтвердження, коли було знайдено, що галогенпохідні фенантрену, біфенілу, бензофенону і піридину, давали дуже хороші виходи очікуваних продуктів заміщення.
Більш того, 2-хлорпіразин реагував з аніоном феніл-ацетонітрилу в темноті, даючи до 78% продукту заміщення. Інгібування реакції дитрет-бутилнітроксидом ще раз свідчить на користь того, що реакція протікає в основному як термічне SRN1-заміщення.
Фотоініційована реакція 3-бромтіофену привела до отримання 37,5% 3-(ціанометил) тіофену 96 6,5% 3,3'-(1,2-етандіїл) -біс-тіофену 97. Цей результат припускає розкладання аніон-радикалу по реакціях (58) і (52) і узгоджується з тим фактом, що НВМО тіофенового фрагмента має вищу енергію, ніж НВМО самого бензолу.
У фотоініційованій реакції 2-бромтіофену і аніона були виділені 96 (35%) і 97 (6%); найімовірніше, реакція протікає через проміжне утворення 3-бром-тіофену [реакція (67)]. Ізомеризація 2-бромтіофену, що каталізує підставами, в 3-бромтіофен добре відома:
ІНШІ СПОРІДНЕНІ МЕХАНІЗМИ
Механізми ряду інших реакцій нагадують механізм SRN1 в деяких аспектах. Тому важливо знати найістотніші характеристики цих реакцій, а також їх схожість і відмінність з механізмом SRN1.
Нуклеофільне ароматичне фотозаміщення
Правила орієнтації. Активація мета-положення нітрогрупи. Переважання активації в мета-положення проілюстроване реакціями (1) — (4) З прикладів очевидно, що при термічних реакціях нітрогруппа активує орто- і пара-положення, а при реакціях, що фотоініціюються, — мета-положення.
Активація орто- і пара -положень алкоксізамісниками. Галоген в 2-галоген-4-нітроанізолах легко заміщується при опромінюванні в аміаку [10, 11]. Аналогічно при освітленні 2-метоксиантрахінону в аміаку утворюється 1-аміно-2-метоксіантрахінон.
Активуюча дія метоксігрупи і її вплив на орієнтацію при заміщенні виявляються у тому, що при освітленні 1-метоксинафталіну в середовищі, що містить ціанид-іони, з хорошим виходом утворюється 1-ціано-2-метоксінафта-лін (і лише дуже мало 1-ціанонафталіну). Фотоціанування самого нафталіну протікає з дуже низьким виходом. Ще один доказ — це м'яке фотоціанування трьох диметоксібензолів (субстрати 1—3), яке у всіх випадках приводить до продуктів, очікуваних при орто- і пара-активації. Крім того, реакція 1,3-диметоксі-5-нітробензолу з ціанид-іоном дає продукти, які указують на те, що орто- і пара-активація двома метоксігрупами може конкурувати з мета-активацією нітрогрупи [реакція (5)].
Стабілізація за рахунок електронних ефектів вхідної групи. Це правило відноситься до різної селективності нуклеофілів і було назване правилом стабілізації за рахунок електронних ефектів вхідної групи. Прикладом можуть служити реакції 1-метокси-4-нітронафталіну
з метиламіном і ціанід-іоном. У першому випадку утворюється 1-аміно-N-метил-4-нітронафталін [реакція (6)], а у другому— 4-метоксі-1-ціанонафталін [реакція (7)].
Поведінка ціанід-іона не здається несподіваною, оскільки хороша група —NO2, що йде, активується групою — Омі, а амін поводиться аномально, вступаючи в реакцію заміщення в іншому положенні. Для продукту, а також з погляду резонансної стабілізації така ситуація більш вигідна, ніж та, яка могла б виникнути в результаті заміщення нітрогрупи на аміногрупу (або метоксі- на ціаногрупу). Тому передбачається, що електронодонорний або електроноакцепторний ефект вхідного заступника робить вплив на стадію утворення продукту
Механізм реакції. Для фотоініційованої реакції ароматичних субстратів з нуклеофілами визнана можливість здійснення чотирьох різних механізмів. У цю групу входить і механізм SRN1; була висловлена пропозиція . перейменувати його в SR+N1 для вказівки участі аніон-радикальних інтермедіатів [реакція (8)].
Ароматичні субстрати з електронодонорними групами як первинні частинки утворюють катіон-радикали і реагують по механізму, званому SR+N1 (Аr*) [реакція (9)]; з урахуванням позначення механізму
SR-N1[реакція (8)].
Деякі реакції включають попередню фотодисоціацію на ароматичний катіон і що йде, групу. Такий механізм позначається SN1 (Аr*) [реакція (10)]
Четвертий механізм позначається SR+N2 (Аr*), [реакція (11)] і включає утворення комплексів збуджених ароматичних субстратів.
Механізм SR+N1(AR*). Фотоціанування ізомерних галогенанізолів і інших метоксізаміщенних сполук підкоряється кінетичному закону другого порядку, проте безпосередня взаємодія ціанід-іону з похідним . анізолу у збудженому стані вважається маловірогідною. Розрахунки густини заряду в збуджених синглетному і триплетному станах анізолу показують, що метоксігрупа в збудженій молекулі як і раніше є электронодонорним заступником, причому ця здатність навіть сильніше виражена, ніж в основному стані.
Як первинна, стадія була запропонована фотоіонізація що узгоджується з результатами по анодному ціануванні ди- і триметоксібензолів, які в цьому випадку дають ті ж продукти, що і у фотохімічній реакції.
Розрахунки, виконані для ряду ароматичних катіон-радикалів, показують, що розподіл позитивного заряду повністю узгоджується з розподілом продуктів реакції; це підтверджує припущення про іонізацію субстрату на першій стадії після збудження. У експериментах по лазерній спектроскопії були одержані докази утворення катіон-радикалів і сольватованих електронів з анізолів в триплетному збудженому стані.
Запропонований механізм проілюстрований реакціями (12) і (13). Катіон-радикал, одержаний з продукту, може відняти електрон у субстрату, що приводить до ланцюгової реакції {реакція (14)].
Вірогідність цього процесу залежатиме не тільки від концентрації початкової речовини, але також і від відносних потенціалів іонізації продуктів і початкових речовин. Квантовий вихід фотоціанування 4-хлоранізолу залежить від концентрації початкових речовин і при високих її значеннях перевищує одиницю.
Реакція SN2(AR*)
Ряд фактів переконливо свідчить про те, що ці реакції не відносяться до процесів катіон-радикального (або аніон-радикального) типу. Ці факти такі: при електролізі (анодному окисленні) 1,2-диметоксі-4-нітробензол в системах NaOMe/HOMe і NaOH/H2O не реагував; електроліз, що приводить до утворення аніона 1,2-диметокси-4-нитробензола (катодне відновлення), в системі NaOMe/HOMe дає нітрозопродукт, але не продукт обміну; нарешті, анодне окислення м-нітроанізолу в системі NaOH/H2O не приводить до гідроксилювання.
Вказівки на відмінності в механізмах реакцій о- і п-нітро-анізолів, з одного боку, і м-нітроанізолу — з іншою, виявляються і при фотоціануванні цих з'єднань у водних розчинах. Фотоціанування і анодне ціанування о- і п-нітроанізолів дають одні і ті ж продукти в однакових співвідношеннях на відміну від мета-ізомеру.
Мета-орієнтація нітрогрупи була пояснена з використанням енергетичної різниці між поверхнями збудженого і основного стану як показника динамічної реакційної здатності для випадку утворення -комплекса із збудженого триплетного стану і нуклеофілу.
Реакції по механізму SRN1 в аліфатичнихх системах n-нітробензильна система. Історично n-нітробензильні сполуки були першими, для яких було знайдено, що вони реагують по радикально-ланцюговому механізму, зокрема в процесах заміщення при взаємодії з аніонами нітроалканів. Аніони нітроалканів є амбідентними нуклеофілами, які можуть бути алкіловані або по вуглецевому, або по кисневому центру [реакції (21) і (22)].
Продукт С-алкілування утворюється в результаті реакції по механізму SRN1, тоді як продукт О-алкілування— по механізму SN2. Проте існує декілька виключень, коли алкілування по Зкмі-механізму в сильнонапряжених системах йде переважно по кисню . Пропонований механізм може бути проілюстрований реакціями (23) — (27).
Протіканню SN2-peакцій сприяють хороші групи, що йдуть, тоді як механізм SRN1 домінує у разі поганих груп, що йдуть.
Реакція тиофенолят-іонів 7 проходить, мабуть, в основному по механізму 8ы2, а реакція метилсульфід-іонів по обох механізмах.
п-нітрокумілхлорід легко реагує з рядом нуклеофілів. Приклади приведені на схемі 10. Ці реакції протікають по механізму,SRN1, а не SN2.
Аліфаттичні системи. Аніони нітросполук можуть реагувати із заміщенням нітрогрупи з -нитрокарбонільними з'єднаннями (ефірами або кетоном), -нітронітридами і -дінітросполуками [реакції 28-30]
З -динітросполук нітрогрупу витісняють не тільки аніони нітроалканів. Так, 2,2-динітропропан реагує, хоча і повільно, з бензолсульфінатом натрію, даючи відповідний сульфон з виходом 81% [реакція (60)]. Інші приклади проілюстровані реакціями (32) -(37).

Реакції такого типу лежать в основі синтезу -ненасічених нітрилів, кетону і ефірів, де перша стадія — взаємодія натрієвої солі RCHY—CO2Et (Y=CN, COMe, CO2Et або SO2Ar) з -галоген- або -нітропохідними.
Механізм SDN1. Реакція трет-бутил-(п-нітрофеніл) аллілхлориду (9) літієвою сіллю 2-нітропропану дає 70%.
перегрупованого продукту заміщення 10 [реакція (38)]
Інші аніони, такі, як метилдиетилмалонат і п-толуолсульфінат, також вступають в реакції цього типу. Запропонований механізм приведений на схемі 10.2 і був позначений SRN1 по аналогії з механізмом SN1 [59].
Переважання механізму SRN1 в цих системах пояснюється стерильним об'ємом трет-бутильної групи, яка перешкоджає протіканню простого SN2-процесу.
Реакції SRN1 у вінільних системах
Вінілгалогеніди інертні по відношенню до нуклеофілам, ніж у багатьох відношеннях нагадують арилгалогеніди. Була перевірена можливість їх реакції з нуклеофілами по механізму SRN1[61]
-Бромстирол 13 реагував з ацетонатом калію в рідкому аміаку в колбі з скла пірекс при опромінюванні світлом з довжиною хвилі 350 нм протягом 5 Г, і були одержані продукт заміщення 14 з виходом 48% і його таутомер 42 з виходом 34% [реакція (43)]:
Коли ці ж реагенти були оброблені металевим калієм, продукти мали такий же вуглецевий скелет, як і у разі фотоініційованої реакції, але були менш окисленими формами .[реакція (44)]:
1-Йод-3,3-дифенілінден (16) взаємодіяв з енолят-іоном ацетону в рідкому аміаку при освітленні протягом 75 хв, даючи головним чином 17 і його таутомер 18 із загальним виходом 66% [реакція (81)]. У темноті за 1 Г реакція не пройшла. Опромінювання розчину 16 у присутності надлишку іоно-фенолат за 90 хв дає 20%-ний вихід сульфіду 19 [реакція (16)].
2-йоднорборнен-2 і 1-іодциклопентен при освітленні у присутності енолят-іону ацетону дають або нормальні продукти заміщення, або ізомерний -ненасичений кетон.
Приклади, що приведені вище і є в літературі, припускають, що реакції йдуть по механізму SRN1, але в цілому реакційна здатність в цьому випадку нижча, ніж у разі арилгалогенідів.
Хоча механізм не був детально досліджений, слід зазначити, що реакції нуклеофілов типу Ph2Z- (Z = As або Р) з вінілгалогенізами, про яких повідомляв Агьяр із співробітниками, можуть служити додатковими прикладами вінільних SRN1-реакций. Коротко їх можна сформулювати так: або цис- або транс-бромстирол реагує з Ph2AsLi в ТГФ, даючи відповідний продукт заміщення із збереженням конфігурації [реакція (77)], або цис- або транс- 1,2-іон реагує з дифеніларсенід-іоном, даючи стереоспецифічні продукти [реакції (48) (49)]. Дифенілфосфід літію також реагує з галогеналкенами, приводячи до продуктів заміщення із збереженням конфігурації