Поскольку типичные реакции электрофильного замещения в ароматических системах определяются наличием π-электронного облака, можно ожидать, что сильные электроноакцепторные заместители, которые оттягивают электронную плотность, делают возможной атаку кольца и нуклеофилом. Действительно при сплавлении нитробензола с поташом на воздухе образуется о нитрофенол.
Рисунок 1. Схема реакции. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Нитрогруппа способна стабилизировать отрицательно заряженный промежуточный комплекс и, что более важно, переходное состояние, для которого эта структура служит моделью. Такая стабилизация будет иметь место при условии, если ион гидроксила присоединяется в орто- или пара-положение и будет отсутствовать в случае мета-присоединения. Несмотря на размеры соседней нитрогруппы, предпочтение отдается атаке в орто-положение, поскольку индукционный эффект нитрогруппы лучше проявляется на незначительном расстоянии.
Промежуточные комплексы при нуклеофильном ароматическом замещении
Если образовался промежуточный комплекс, то он может отщеплять или гидроксид-анион, или гидрид-анион, с образованием конечного продукта реакции. Для того чтобы сместить равновесие вправо, необходимо ввести в реакционную среду окислитель, который бы способствовал отщепление гидрид аниона и связывал его после отщепления. Поэтому указанную реакцию целесообразно проводить в присутствии окислителя, возможно кислорода воздуха. При отсутствии окислителей при высокой температуре сам нитробензол может действовать как окислитель, с переходом его в азоксибензол, что соответственно снижает выход целевого продукта. Классическим примером нуклеофильного замещения является реакция Чичибабина (взаимодействие пиридина с амидом натрия). При этом образуется $\alpha$-аминопиридин.
Рисунок 2. Схема реакции. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Эти преобразования аналогичные реакции $S_N2$, разница заключается в том, что нуклеофильная атака атома углерода осуществляется не "сзади", а "со стороны". Они отличаются также тем, что атом по которому проходит атака ни в коем переходном состоянии не связывается более чем с четырьмя другими атомами. Поэтому для ароматического нуклеофильного замещения предложено ввести специальное обозначение $S_N2_{аромат}$.
Типы механизмов нуклеофильного ароматического замещения
Реакции нуклеофильного замещения в ароматических соединениях более характерны для замещения неводородных атомов и групп, которые отщепляются легче чем гидрид-анион. Такое замещение может протекать как по механизму $S_N1$, так и $S_N2_{аромат}$.
Классическим примером реакции, протекающей по механизму $S_N1$, является замещение в солях диазония, где лимитирующей стадией является отщепление азота от диазониевого катиона, с последующей быстрой реакцией между арил-катионом и нуклеофилом, которая не зависит от концентрации нуклеофила. Большое количество реакций преобразований солей диазония, особенно в слабополярних растворителях, однако протекает по радикальному механизму.
Наиболее простым примером реакции, которая протекает по механизму $S_N2$ является реакция замещения активированного атома галогена:
Рисунок 3. Схема реакции. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Кинетические исследования таких реакций свидетельствуют о том, что они действительно протекает по бимолекулярному механизму. Однако этот механизм отличается от бимолекулярного замещения в алифатических соединениях, когда связь с группой, отрывается. Для ароматических соединений также характерно действительное образования промежуточного соединения. Об этом свидетельствует тот факт, что хлориды и бромиды реагируют практически с одной и той же скоростью. Если бы лимитирующей стадией было расщепление связи углерод-галоген, тогда бы для хлорзамещенных реакция должна протекать медленнее, чем для бромзамещенных, поскольку связь углерод-хлор разорвать труднее, чем связь углерод-бром.
Факт образования промежуточного соединения удалось подтвердить экспериментально - при действии $EtO^-$ на 2,4,6-тринитроанизол и при воздействии $MeO^-$ на 2,4,6-тринитрофенетол был выделен один и тот же продукт:
Рисунок 4. Схема реакции. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Было показано также, что при подкислении реакционной смеси в каждой из этих реакций образуются одинаковые количества метокси- и этокси производных.
Таким образом, существуют реакции нуклеофильного замещения, в которых связь со "старой" группой разрывается:
- До того, как образуется связь с "новой" группой ($S_N1$)
- Одновременно с образованием связи с "новой" группой ($S_N2$)
- После того, как образовалась новая связь ($S_N2_{аромат}$)
Активирующее действие электроноакцепторных заместителей
Аналогично протекают реакции щелочного или цианидного плавления, замещения - $NR_2$ В п-нитрозодиалкиланилинах.
Причиной активирующего действия электроноакцепторних связей, особенно нитрогруппы, является то, что на атомы галогена, которые связаны с кольцом, проецируется их способность стабилизировать промежуточную структуру за счет делокализации отрицательного заряда. Исходя из этого можно ожидать, что нитрогруппа будет особенно эффективно влиять при орто-пара-замещении, поскольку при этом замещении нитрогруппа делокализует заряд только за счет индукционного эффекта. Действительно в случае тринитрохлорбензола, нитрогруппы, находящиеся в 2,4,6 положениях, настолько активируют атом галогена, что он может замещаться и при низких температурах, то есть он ведет себя как хлорангидрид.
Для того чтобы нитрогруппа эффективно влияла на делокализацию заряда, она должна находиться в плоскости ароматического ядра. Для этого атомы кислорода нитрогруппы тоже должны находиться в плоскости ядра. Если же стерические факторы выводят нитрогруппу из плоскости ядра, тогда влияние такой группы на делокализацию заряда значительно меньше. Так, при введении в нитрогруппы в 2 и 6 положения объемных групп, как в случае 2,6-диметил-4-бромнитробензола, замена брома происходит гораздо труднее.
При отсутствии электроноакцепторних заместителей замещение галогенов на гидроксильную группу происходит только при высоких температурах. Это связано с отсутствием делокализации отрицательного заряда. Интересен факт, что в диметилсульфоксиде реакция хлорбензола с алкоксигруппой протекает значительно легче, чем в гидроксильных растворителях. Это может быть связано с тем, что алкоксигруппа в гидроксильных растворителях сильно стабилизирована за счет образования водородных связей, что приводит к значительному падению ее активности.
Так как реакции нуклеофильного замещения в неактивированных ароматических системах проводят при высоких температурах имеет место образование не только прямого продукта замещения, но и образования изомеров. Так, в случае замещения галогена в п-хлортолуоле имеет место образование не только пара-, но и мета-крезола, причем орто-изомер полностью отсутствует. Образование таких продуктов можно объяснить следующим образом, что гидроксид-анион атакует более активный орто-водород по отношению к галогену и отрывает его. Следующей стадией является отрыв галогенид-аниона с образованием дегидробензола, к которому и идет присоединение гидрид-аниона или гидроксильной группы.
