Механизм $S_N$ ANRORC – это механизм раскрытия цикла при присоединении нуклеофильного агента с последующей рециклизацией.
Нуклеофильное замещение в гетероциклических, в частности, азотсодержащих системах может происходить по механизму, не имеющего аналогов в ароматическом замещении и происходит как нуклеофильное присоединение с последующим последовательным раскрытием и замыканием цикла. Отсюда и происходит название этого механизма - ANRORC (от англ. Addition of the Micleophile, Ring Opening, and Ring Closure).
Реакции замещения в пиримидине
Механизм ANRORC был сначала предположен, а затем подробно изучен X. Ван дер Пласом (1964 - 1970 гг.) в реакциях замещения в пиримидине. В частности, в реакции 6-бром-4-фенилпиримидина с амидом натрия в жидком аммиаке. Продуктом этой реакции является 6-амино-4-фенилпиримидин, который образуется путем замещения атома брома на аминогруппу. Отсутствие изомерного 5-амино-4-фенилпиримидина свидетельствует о том, что такое взаимодействие не происходит по ариновому механизму с образованием промежуточного аринового интермедиата типа $A$.
Рисунок 1. Схема реакции. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Другим путем образования 6-замещенного продукта может быть замещение атома брома по механизму $S_N(AE)$ (нуклеофильное замещение через присоединение Addition и отщепление Elimination аналогично механизму $S_NAr$) через промежуточный аддукт типа комплекса Майзенгаймера (структура $B$). Однако выделенные из продуктов реакции с таким нуклеофилом, как литий пиперидид, ациклические соединения, содержали в своем составе нитрильную группу, что показало, что хотя такой аддукт и может образоваться, но путем присоединения нуклеофила является положение 2 пиримидинового кольца, которое в дальнейшем раскрывается с отщеплением брома. Образованный ациклический интермедиат циклизуется с участием нитрильной и аминогруппы в 6-амино-4-фенилпиримидин.
Рисунок 2. Схема реакции. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
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:
Рисунок 3. Схема реакции. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
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:
Рисунок 4. Схема реакции. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
По сходному механизму осуществляется перегруппировка Димрота, заключающаяся в обмене местами между циклическим и экзоциклическим атомами азота в $N$-замещенных 2-иминопиримидинах в щелочной среде:
Рисунок 5. Схема реакции. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Рисунок 6. Схема реакции. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Подтверждение механизма $S_N$ ANRORC с использованием меченных атомов
Дополнительным доводом в пользу механизма $S_N$ ANRORC стали результаты эксперимента с 4-фенил-6-бромопиримидином, с замененными атомами азота на изотоп $^{15}N$ (6%). После проведения цикла преобразований замещения атома брома на аминогруппу и последующим возвратом к исходному 6-бромопроизводному через замену аминогруппы путем кислотного гидролиза в соответствующий пиримидин-6-она и последующим его бромированием $POBr_3$ оказалось, что конечный продукт реакции содержал лишь немногим более половины (3,5 %) от количества взятого в начале $^{15}N$. Это могло произойти только в случае замены одного из атомов азота цикла на немичениый атом $N$ с амид-иона в результате последовательного присоединения атакующего нуклеофила $NH_2$ в пиримидиновом цикле, его последующего раскрытием и замыканием:
Рисунок 7. Схема реакции. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Реакция Цинке
По механизму $S_N$ ANRORC происходит реакция Цинке (Т. Цинке, 1904), по которой пиридин при взаимодействии с 2,4-динитрохлоробензолом и первичным амином превращается в четвертичную соль пиридиния и 2,4-динитроанилин:
Рисунок 8. Схема реакции. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Механизм этой реакции стал ясен через много лет после ее открытия - на основании представлений о механизме $S_N$ ANRORC.
Первая стадия реакции Цинке заключается в образовании $N$-(2,4-динитрофенил) пиридиниевой соли (соли Цинке), которую обычно выделяют в свободном состоянии. Если ее потом нагревать с первичным амином, происходит нуклеофильное присоединение амина и раскрытие пиридинового кольца с последующим высвобождением молекулы 2,4-динитроанилина и второго продукта реакции - $N$-алкилпиридиний хлорида.
