Механизм SRN1 в алифатическом нуклеофильном замещении

Рисунок 1. Схема реакции. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

В некоторых случаях и неароматические соединения с насыщенными атомами углерода вступают в реакции замещения по радикально-нуклеофильному механизму. Так пара-нитробензильные производные ($n-NO_2C_6H_4CH_2Z$) стали первыми соединениями, для которых Н. Корнблюмом в 1965 году были зарегистрированы реакции, идущие по $S_{RN}1$-подобному механизму замещения уходящих групп $Z$ под действием различных нуклеофильных реагентов. В данном случае образовывается анион нитроалкана, который представляет собой типичный амбидентный нуклеофил, который может алкилироваться по углеродным и по кислородным центрам:

Кислородное алкилирование

Алкилирование аниона нитроалкана под действием различных алкилгалогенидов и бензилгалогенидов происходит по $S_N2$ механизму с вовлечением в реакцию исключительно кислородного центра этого амбидентного аниона ($O$- алкилирование), например:

Рисунок 2. Схема реакции. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Углеродное алкилирование

Однако в реакции пара-нитробензилхлорида с натриевой солью 2-нитропропана образуется продукт алкилирования углерода с выходом 92% и только 6% продукта кислородного алкилирования. Этот факт определенно указывает на изменения в механизме реакции. И действительно, вещества-акцепторы электронов ингибируют реакции углеродного алкилирования, а доля продуктов кислородного алкилирования при этом сильно возрастает. Так, в присутствии 0,2 моль-эквивалента 1,4-динитробензола, который выступает в роли акцептора электронов, выход продуктов углеродного алкилирования уменьшается с 92 до 6 %, а выход продуктов кислородного алкилирования возрастает с 6 до 88 %. Из этого можно сделать вывод, что кислородное алкилирование аниона нитроалкана действительно протекает по $S_N2$ механизму замещения у насыщенного атома углерода, тогда как для углеродного алкилирования реализуется иной ион-радикальный цепной механизм, аналогичный радикальному $S_{RN}1$ механизму ароматического замещения:

• 
  
  Рисунок 3. Схема реакции. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

• 
  
  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

Анион-радикалы конечных продуктов 2-(4-нитробензил)-2-нитропропана были обнаружены с помощью метода ЭПР-спектроскопии.

Влияние природы уходящих групп на протекание $S_{RN}1$ и $S_N2$ процессов

Конкуренция между этими $S_{RN}1$ и $S_N2$ механизмами в большей степени зависит от природы уходящих групп (табл. 1). Уходящие группы, которые являются мягкими основаниями Льюиса будут способствовать $S_N2$ механизму замещения. Тогда как группы, которые являются жесткими основаниями Льюиса делают предпочтительным $S_{RN}1$ механизм замещения.

Направление реакций $n-NO_2C_6H_4CH_2X$ с анионами 2-нитропропана в ДМФА в зависимости от уходящих групп $X$ (их природы) приведено в таблице ниже.

Рисунок 7. Направление реакций $n-NO_2C_6H_4CH_2X$ с анионами 2-нитропропана. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Помимо анионов нитроалкана в качестве нуклеофильного агента в алифатическом радикально-нуклеофильном замещении могут быть использованы енолят-, тиолят-, нитрит-, сульфинат- и цианид- ионы. В данном случае в качестве интермедиата также образуется соответствующий анион-радикал.

Замещение у третичного атома углерода

Рисунок 8. Схема реакции. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Одной из важнейших особенностей процессов, идущих по $S_{RN}1$ механизму, является возможность замещения по месту третичных атомов углерода. Известно, что третичные алкилгалогениды инертны в реакциях нуклеофильного замещения и вместо этого вступают в реакции элиминирования по механизму $E2$. Однако третичные соединения, такие как пара-нитрокумилхлорид $n-NO_2C_6H_4C(CH_3)_2Cl$ и его производные легко вступают в реакции замещения с различными нуклеофильными агентами по $S_{RN}1$-механизму:

Эти реакции следует проводить в ДМФА или ДМСО под действием УФ-облучения. В реакции этого типа кроме производных пара-нитрокумилхлорида вступают и другие третичные соединения: 4-(1-метил-1-нитроэтил) пиридин $PyC(CH_3)_2NO_2$, эфиры $\alpha$-нитрокарбоновых кислот, $\alpha$-нитронитрилы, 1,1-динитроалканы и циклоалканы, геминальные галогеннитроалканы (Н. Корнблюм):

Рисунок 9. Схема реакции. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Приведенные выше реакции лежат в основе синтезов различных полифункциональных соединений, а также $\alpha,\beta$-непредельных нитрилов, сложных эфиров, кетонов и нитросоединений после отщепления $HNO_2$ при нагревании в ГМФТА при 120$^\circ$С.