Атомы галогена в ароматическом ядре, в котором нет других активирующих групп, могут подвергаться нуклеофильному замещению в жестких условиях под действием таких нуклеофилов, как амид или гидроксид натрия. Например, один из методов промышленного производства фенола заключается в нагревании хлоробензола с 10 - 20% водным раствором гидроксида натрия. При аналогичных условиях можно получить анилин.
Рисунок 1. Схема реакции. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Однако эта реакция не является простым замещением хлора на гидроксильную группу или аминогруппу. Например, ортохлоротолуол в такой реакции дает не только ортометилфенол (о-крезол), но и мета метилфенол (м-крезол).
Рисунок 2. Схема реакции. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Аналогичная реакция происходит с амид-ионом в жидком аммиаке при более мягких условиях.
Самым интересным в этой реакции является то, что нуклеофил замещает атом галогена не только по его положению (ипсо-атака), но и по соседнему к нему (кине-замещение, от греч. Kinesis - движение), что было продемонстрировано с использованием $^{14}C$-меченых соединений. При этом изомерные продукты образуются только примерно в равных количествах из-за небольшого кинетического изотопного эффекта:
Рисунок 3. Схема реакции. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Стадия отщепления
Такие экспериментальные результаты можно объяснить только на основании предположения относительно другого механизма нуклеофильного замещения - отщепления-присоединения. На первой стадии нуклеофил не присоединяется к ароматическому субстрату, а действует как основание, отрывает протон от ортоположения относительно атома галогена. Близкое расположение электроотрицательного галогена делает соседней водород достаточно кислым, чтобы он удалялся такой сильной щелочью, как амид-ион $NH_2-$. Карбоанион, образовавшийся сразу отдает галогенид-ион, и фактически от арилгалогениду отщепляется гидрогенгалогенид. Таким образом, движущей силой этой реакции является образование стабильного галогенид-иона. Отщепление приводит к образованию чрезвычайно неустойчивого интермедиата, которій формально содержит тройную связь, и который называют дегидроарен, или арин. Незамещенный арин соответствует дегидробензолу или бензину.
Рисунок 4. Схема реакции. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Стадия присоединения
Арины являются чрезвычайно активными электрофилами, поэтому вторая стадия реакции заключается в присоединении нуклеофила к тройной связи и дальнейшем протонированию образовавшегося аниона.
Механизм отщепления-присоединения обусловлен электронными эффектами, которые дают возможность отщеплять протоны от ароматического кольца. Атомы галогена имеют такой порядок активности:
Рисунок 5. Порядок активности. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
который был определен для реакции арилгалогенида с амидом калия $KNH_2$ в жидком аммиаке. Он объясняется влиянием двух эффектов. Полярность атома галогена, будет способствовать отщеплению протона, что дает порядок $F> Cl> Br> I$, но он будет перекрываться легкостью разрыва связи карбон - галоген, который будет участвовать в лимитирующие стадии и который имеет обратный порядок.
Для литийорганических реагентов в апротонных растворителях порядок активности галогенов $F> Cl> Br>I$, это показывает, что в данном случае кислотность атома водорода является определяющим фактором активности.
Влияние заместителей на направленность нуклеофильного замещения
Присоединение таких нуклеофилов, как аммиак, спирты или их конъюгированные основания к бензину происходит очень быстро с последующим протонированием и образованием продукта замещения. Если арен не содержит ориентирующей группы, нуклеофил присоединяется к любому концу "тройной связи". В случае же если ориентирующее группы все-таки содержаться в кольце, то в зависимости от их природы они могут направлять замещение по двум путям:
Электроотрицательны группы ($-I$) способствуют вхождению нуклеофила к наиболее удаленному концу "тройной" связи, так как это позволяет максимально эффективно стабилизировать отрицательный заряд, который возникает рядом с таким заместителем. К тому же, атака нуклеофилом должна проходить в плоскости кольца, так стерически менее затрудненным будет вхождение в отдаленное мета-положение.
Рисунок 6. Схема реакции. Автор24 — интернет-биржа студенческих работЭлектронодонорные заместители, наоборот, направляют вхождение нуклеофила в ортоположение. Но, как правило, селективность здесь невысокая - образуется смесь двух продуктов. Если субстрат содержит анионную донорную группу, продуктом реакции будет мета замещенный изомер из-за образования аниона с самыми отдаленными зарядами.
Рисунок 7. Схема реакции. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Кроме того, что бензин был спектрально зафиксирован при низких температурах, подтверждением механизма его образованием является то, что арилгалогениды, не имеющие атомов водорода в орто- положении, в условиях реакции не реагируют даже с очень сильными основаниями. Так, 2,6-диметилхлоробензен не дает продуктов взаимодействия с натрий амидом в жидком аммиаке:
Рисунок 8. Схема реакции. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
В целом можно сказать, что во всех случаях скорость реакции замещения по ариновому механизму (отщепления – присоединения) определяется скоростью образования арина, что естественно, так как арины очень реакционноспособные соединения, поэтому вторая стадия присоединения идет очень быстро. Однако отщепление галогеноводорода, приводящее к арину, состоит из двух стадий: отрыва протона и отщепления галогенид-иона от арильного аниона (стадии $k_1$ и $k_2$) и в зависимости от природы галогена и основания (нуклеофила) любая из этих стадий может стать самой медленной, определяющей скорость образования арина.
Замещенные арины могут давать два разных продукта, соотношение которых зависит от относительных скоростей альтернативных путей быстрой стадии присоединения к ариновому интермедиату.
