Реакции, идущие по механизму нуклеофильного замещения, относятся к наиболее широко используемым в промышленном органическом синтезе. В связи с этим актуальным является установление закономерностей направленности ориентации разных групп.
Ориентация заместителей в реакциях идущих по $S_NAr$ механизму обычно рассматривают на примере замещенных полигалогенбензолов. В этих соединениях вводится какой-либо заместитель $X$, связанный с одним из атомов углерода бензольного кольца, и исследуется ориентирующий эффект этого заместителя. Остальные атомы углерода в этом соединении в свою очередь связаны с атомами галогенов. Удобным объектом для выяснения ориентирующего эффекта является пентафторфенильное соединение $C_6F_5X$. Это связано с тем, что в большинстве реакций, идущих по $S_NAr$ механизму атомы фтора будут замещаться легче, чем иные галогены, а также из-за того, что такое полифторароматическое соединение будет являться активированным субстратом.
Сравнение влияния ориентантов при $S_NAr$ и $S_EAr$
Как и следовало ожидать, в случае нуклеофильного замещения $S_NAr$ наблюдается картина противоположная электрофильному замещению $S_EAr$.
Те заместители, которые ориентировали при электрофильном замещении в орто- и пара- положения, при нуклеофильном замещении $S_NAr$ ориентируют в мета- положение. И наоборот, заместители, ориентирующие в реакциях $S_EAr$ в мета- положение, в $S_NAr$ реакциях ориентируют в орто-/пара- положения.
Так же, как и при электрофильном замещении, при $S_NAr$ суммарные эффекты ориентации двух или более заместителей могут быть примерно предусмотрены путем рассмотрения влияния каждого заместителя отдельно.
Если все заместители ориентируют преимущественно в одни и те же положения (согласованная ориентация), эти положения будут преобладать при замещении.
Если наличествующие группы имеют противоположные ориентирующие свойства (несогласованная ориентация), для предсказания результата сможет помочь распределение заместителей на три класса противоположные классам $S_EAr$:
- Сильно активирующие мета- ориентанты, такие как $OR$ и $NR_2$.
- Алкильные группы и галогены.
- Все орто-/пара-ориентанты.
Так в реакции 2,3,4,5,6-пентафторнитробензола с аммиаком образуются смесь 2-нитро-3,4,5,6- и 4-нитро-2,3,5,6- тетрафторанилина с суммарным выходом 95%:
Рисунок 1. Схема реакции. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
И напротив преимущественно в мета-положение ориентируют $-CH_3$, $–NH_2$, $-OCH_3$, $-O^-$ группы.
Рисунок 2. Схема реакции. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Кроме того, аналогично реакциям электрофильного замещения $S_EAr$, при нуклеофильном замещении $S_NAr$ возможно согласованное и несогласованное действие заместителей.
Ориентация галогенов в $S_NAr$
В реакциях нуклеофильного замещения $S_NAr$ фтор, как и другие галогены, проявляет свойства мета-ориентанта (в $S_EAr$-реакциях галогены являются орто-пара-ориентантами), причем мета- направляющее влияние фтора и галогенов больше, чем у атомов водорода, что видно в следующих примерах:
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
Зависимость ориентации при $S_NAr$ от пространственных эффектов
Далее будет рассмотрена интерпретация региоселективности реакций нуклеофильного замещения $S_NAr$ с точки зрения теории молекулярных орбиталей. Однако и без нее можно определить, что направленность ориентации при нуклеофильном замещении сильно зависит от пространственных эффектов. Ярким примером, показывающим влияние пространственных эффектов, является взаимодействие 2,5-динитро-мета-ксилола с водным раствором аммиака. При нагревании в запаянных сосудах происходит замещение только нитрогруппы в положении 2, которое пространственно блокировано двумя метильными группами в орто- положении, но не нитрогруппы в положении 5 являющемся пространственно свободным 5:
Рисунок 6. Схема реакции. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Причина этого состоит в том, что нитрогруппа в положении 2 выведена из плоскости системы бензольного кольца и поэтому не может стабилизировать образовавшийся путем атаки $NH_3$ в положение 5 комплекс Мейзенгеймера. Другими словами, $2-NO_2$-группа «выключена» из активации кольца, в то время как группа в положении 5 активирует замещение. По этой же причине в 2,3-динитротолуоле замещается только нитрогруппа в положении 2:
Рисунок 7. Схема реакции. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Точно так же можно объяснить тот факт, что в хлорнитродуроле, формула которого приведена ниже, нитрогруппа не оказывает активирующего влияния на замещение хлора в пара-положении:
Рисунок 8. Схема реакции. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
