Практически любой неактивный галогенарен можно активировать в реакциях, идущих по SNAr механизму, используя для этого металлокомплексные гомогенные катализаторы. Например, используя $(C_6H_6)Rh(C_5Me_4Et)(BF_4)_2$ (XI) для активации фторбензола, возможно провести его реакцию с метиловым или этиловым спиртом в среде нитрометана при 80$^\circ$С. В результате этой каталитической реакции образуется анизол с выходом 7%. В ходе процесса вначале бензойные $\pi$-лиганды в родиевом катализаторе $(C_6H_6)Rh(C_5Me_4Et)(BF_4)_2$ (XI) замещаются на фторбензол, при этом образуются новые $\pi$-комплексы (структура XII). В этих комплексах $\pi$-электронная плотность оттянута от бензольной системы на атомы родия, благодаря этому атомы фтора легко замещаются по механизму SNAr даже слабыми нуклеофилами, в данном случае спиртами. Эта реакция может быть представлена следующей схемой:
Рисунок 1. Схема реакции. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Образование $\pi$-комплексов (XII) активирует фтор к нуклеофильному замещению в такой же степени, как введение в бензольное кольцо трех нитрогрупп в положения 2,4,6.
Нуклеофильное замещение в условиях межфазного катализа
Другим методом активации аренов в реакциях SNAr является использование межфазного катализа.
Межфазный катализ (МФК) является простым и доступным способом активации нуклеофильных аренов. По этому методу нуклеофильные реагенты переносятся из водных растворов в малополярные органические среды ($CHCl_3$; $CH_2Cl_2$; $C_6H_5CH_3$; $C_6H_6$ и др.), которые не смешиваются с водой. Межфазный катализ был внедрен органическую химию благодаря работам М. Макоши, Ч. Старкса и А. Брендстрема. Относительно аренов Основную идею межфазного катализа можно наблюдать на примере простейшей реакции бимолекулярного нуклеофильного замещения в субстратах $RZ$ при взаимодействиях с нуклеофильными реагентами $Nu^-$.
Используют две несмешивающиеся фазы — водную и органическую. В водяною фазу вводят соли $M^+Nu^-$. В органическую фазу вводят субстрат $RZ$, который будет реагировать с нуклеофилами $Nu^-$.
Атом галогена в активированных ароматических и гетероциклических субстратах можно успешно заменить на эфирные, аминокислотные, тиоциано-, сульфогруппы, атом фтора по механизму, подобному SNAr, но в условиях межфазного катализа. При аналогичных условиях можно ввести в ароматическое ядро также карбоанионные нуклеофилы, такие как бензилцианиды $PhCH(R)CN$.
Другими словами, процесс межфазного катализа - это ускорение реакций между соединениями, которые находятся в разных фазах. Чаще всего это реакция между солями, которые находятся в водном растворе или в твердом состоянии, и веществами, растворенными в органической фазе (дихлорометан, хлороформ, бензол и т.п.). Для успешного протекания таких реакций необходимо присутствие катализатора межфазного переноса, который переносит анионы соли, реагирует, в органическую фазу в виде ионных пар. В качестве катализаторов часто используют четвертичные аммонийные соли типа тетрабутиламмоний галогенида $Bu_4N^+Hal^-$, а также комплексообразователили типа краун-эфиров и криптандов. В апротонном растворителе сольватация такого аниона фактически отсутствует, из-за чего его нуклеофильнисть значительно возрастает.
Одним из удачных применений МФК является введение атома фтора в активированные ароматические соединения путем нуклеофильного замещения. При проведении взаимодействия 2,4-динитрохлоробензола с твердым $KF$ в ацетонитриле или бензоле в присутствии 18-краун-6 образуется 2,4-динитрофторобензол:
Рисунок 2. Схема реакции. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Карбоанионные нуклеофилы типа анионов бензилацетонитрилов при замещении активированного атома галогена в орто- или пара-галогенонитробензолах дают продукты алкилирования аренов. Кроме нитрогруппы, в ядре арена могут присутствовать такие заместители, как галоген, $CN$, $Ph$, $COPh$, алкильная группа. Для генерирования карбоаниона реакцию осуществляют в межфазной системе с концентрированным раствором $NaOH$, где роль органической фазы может выполнять избыток субстрата, а катализатором является бензилтриэтиламоний хлорид (ТЕБА).
Рисунок 3. Схема реакции. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Каталитический перенос нуклеофильного реагента из твердой фазы в жидкую особенно важен в случаях, когда в качестве нуклеофила выступают группы $F^-$, $Cl^-$, $RCOO^-$, являющиеся жесткими нуклеофилами, а также группы промежуточной жесткости, такие как $N_3-$. Применение МФК в таких реакциях позволяет проводить синтез с высоким выходом.
Ниже приведены примеры реакций ареновых соединений, протекающих с использованием МФК:
Рисунок 4. Схема реакции. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Рисунок 5. Схема реакции. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Рисунок 6. Схема реакции. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Закономерности протекания межфазного катализа при нуклеофильном замещении ароматических соединений
В условиях межфазного катализа рассматриваются соли с общей структурой $M^+Nu^-$, где $Nu^-$ - это ареновые нуклеофилы, а $M$ - щелочные металлы. При чем $M^+Nu^-$ совершенно нерастворимы в неполярных органических растворителях, составляющих органическую фазу, поэтому в отсутствии процесса межфазного катализа никаких взаимодействий между $RZ$ и $Nu-$ не происходит. В эту смесь вводятся катализаторы межфазного переноса — хлориды или бромид тетраалкил- аммония $R_4N^+Cl^-$, $R_4N^+Br^-$ или тетраалкил- фосфония $R_4P^+Cl^-$. В этих соединениях катионы солей являются липофильными, а анионы — гидрофильными. Липофильные катионы обладают способностью находиться как в водной, так одновременно и в органической фазах. Первоначально в водной фазе происходит процесс анионного обмена между солью тетраалкиламмония и исходными нуклеофильными реагентами $M^+Nu^-$:
Рисунок 7. Схема реакции. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
где $Q^+ = R_4N^+$ или $R_4P^+$.
Затем происходит переносы солей $Q^+Nu^-$, содержащих требуемые нуклеофилы $Nu_-$, из водной в органическую фазу. Липофильные свойства катионов $Q^+$ ($R_4N^+$; $R_4P^+$) способствуют процессам межфазных переносов солей:
Рисунок 8. Схема реакции. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Далее в органической фазе и происходит реакция нуклеофильного замещения:
Рисунок 9.
И затем цикл завершается регенерацией солей $Q^+X^-$ и переносом их в водную фазу:
Рисунок 10. Схема реакции. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
