Перегляд вихідного коду сторінки Нуклеофільне ароматичне заміщення

[[Файл:Aromatic nucleophilic substitution.svg|міні|250x250пкс|Загальна схема реакції ароматичного нуклеофільного заміщення.]]
'''Нуклеофільне ароматичне заміщення''' ({{lang-en|nucleophilic aromatic substitution}})&nbsp;— серія механізмів, що описують реакції [[Реакції нуклеофільного заміщення|нуклеофільного заміщення]] на [[Ароматичне кільце|ароматичному кільці]]. Формально цей тип реакцій можна віднести до реакцій нуклеофільного заміщення на ненасиченому атомі вуглецю, однак через [[Ароматичність|особливі властивості]] ароматичних сполук йому зазвичай присвячується окремий розділ. Основні принципи нуклеофільного заміщення описані у відповідній статті:
{{Main article|Реакції нуклеофільного заміщення}}

== Механістичні особливості ==
Через плоску структуру ароматичних кілець реакція ніколи не протікає за механізмом S<sub>N</sub>2: тилова нуклеофільна атака має відбуватись з центру кільця, що не є можливим.<ref name=":0">{{Cite book|url=https://www.worldcat.org/oclc/680545725|title=Advanced organic chemistry|last=Carey, Francis A., 1937-|date=1990|publisher=Plenum Press|edition=3rd ed|location=New York|isbn=978-1-4613-9795-3|oclc=680545725}}</ref>
[[Файл:SnAr2.png|центр|безрамки|200x200px|

<br/>|альт=]]
Водночас механізм S<sub>N</sub>1 спостерігається лише у виключних випадках, оскільки феніл-катіон є енергетично невигідним через відсутність будь-якої стабілізації:<ref name=":0" />
[[Файл:SnAr1.png|центр|безрамки|320x320px|альт=]]
Механістичною альтернативою може бути механізм приєднання-елімінування, як і у випадку [[Нуклеофільне ацильне заміщення|нуклеофільного ацильного заміщення]], але існують також інші механізми; повну класифікацію представлено нижче:

* Приєднання-елімінування (скорочено '''S<sub>N</sub>Ar''');
* Елімінування-приєднання (також знане як [[Арини|ариновий]] механізм);
* Механізм S<sub>N</sub>1 (через феніл-катіон) (напр. [[реакція Шимана]]);
* Вікарне нуклеофільне заміщення ('''VNS''');
* [[Механізм ANRORC]];
* Радикально-нуклеофільне ароматичне заміщення ('''S<sub>RN</sub>1''', напр. [[реакція Зандмеєра]]).

== Механізм приєднання-елімінування (S<sub>N</sub>Ar) ==
Загальну схему механізму S<sub>N</sub>Ar представлено нижче на прикладі заміщеного [[бензен]]у:
[[Файл:SNAr general scheme.svg|центр|безрамки|700x700пкс]]
Під час атаки [[Нуклеофільні реагенти|нуклеофіл]] взаємодіє з вільною [[Розпушуюча молекулярна орбіталь|π*-орбіталлю]] ароматичного кільця; завдяки цьому стає можливим нуклеофільне приєднання&nbsp;— але водночас порушується ароматичність. Утворений карбаніон є [[Ізоелектронні молекулярні частинки|ізоелектронним]] із лінійним пентадієніл-аніоном.<ref name=":0" /> Таким чином, нуклеофільне ароматичне заміщення є енергетично невигідним, якщо відповідний карбаніон не зазнає належної стабілізації в позиціях ''орто-'' і ''пара-'', і такі реакції будуть проходити лише за дуже жорстких умов. Найкраще негативний заряд стабілізують [[Електроноакцепторна група|електроноакцепторні групи]] (-NO<sub>2</sub> > -CN > -CHO > -CRO),<ref>{{Cite book|url=https://www.worldcat.org/oclc/866584251|title=Organic chemistry : structure and function|last=Vollhardt, K. Peter C.,|edition=Seventh edition|location=New York, NY|isbn=978-1-4641-2027-5|oclc=866584251}}</ref> а [[Електронодонорна група|електронодонорні групи]], навпаки, дестабілізують його. Це є дзеркальною протилежністю до властивостей диригуючих груп в [[Електрофільне ароматичне заміщення|електрофільному ароматичному заміщенні]]:
{| class="wikitable"
!
!
!-NO<sub>2</sub>
!-CN
!-CHO
!-CRO
!-NR<sub>2</sub>
!-OR
!-OH
|-
| rowspan="3" |S<sub>N</sub>Ar
|Активуюча
|✓
|✓
|✓
|✓
|
|
|
|-
|Дезактивуюча
|
|
|
|
|✓
|✓
|✓
|-
|Позиція, куди диригує
|''орто-''/''пара-''
|''орто-''/''пара-''
|''орто-''/''пара-''
|''орто-''/''пара-''
|''мета-''
|''мета-''
|''мета-''
|-
| rowspan="3" |S<sub>E</sub>Ar
|Активуюча
|
|
|
|
|✓
|✓
|✓
|-
|Дезактивуюча
|✓
|✓
|✓
|✓
|
|
|
|-
|Позиція, куди диригує
|''мета-''
|''мета-''
|''мета-''
|''мета-''
|''орто-''/''пара-''
|''орто-''/''пара-''
|''орто-''/''пара-''
|}
У випадку влучно підібраного субстрату з електроноакцепторними групами (EWG) в ''орто-'' і/або ''пара-''положенні до відхідної групи можливе утворення особливих реактивних інтермедіатів&nbsp;— [[Аддукт Мейзенгеймера|комплексів Мейзенгеймера]]&nbsp;— які були підтверджені спектроскопічним шляхом або навіть ізольовані.<ref>{{Cite news|title=The interaction of aromatic nitro-compounds with bases|url=http://dx.doi.org/10.1039/qr9682200123|work=Quarterly Reviews, Chemical Society|date=1968|issn=0009-2681|doi=10.1039/qr9682200123|pages=123|volume=22|issue=2|first=E.|last=Buncel|first2=A. R.|last2=Norris|first3=K. E.|last3=Russell|language=}}</ref><ref>{{Cite news|title=Anionic sigma complexes|url=http://dx.doi.org/10.1021/cr60268a003|work=Chemical Reviews|date=1970-12|issn=0009-2665|doi=10.1021/cr60268a003|pages=667–712|volume=70|issue=6|first=Michael J.|last=Strauss|language=}}</ref><ref>{{Cite news|title=Kinetic behavior of short-lived anionic .sigma. complexes|url=http://dx.doi.org/10.1021/ar50124a004|work=[[Accounts of Chemical Research]]|date=1978-04|issn=0001-4842|doi=10.1021/ar50124a004|pages=147–152|volume=11|issue=4|first=Claude F.|last=Bernasconi|language=}}</ref> Вони виникають, коли EWG може приймати на себе негативний заряд, утворюючи подвійний зв'язок з атомом вуглецю, з яким вона пов'язана:
[[Файл:SNAr mechanism with EWG.svg|центр|безрамки|800x800пкс]]
З усім тим, комплекси Мейзенгеймера мають вищу потенціальну енергію, аніж вихідний субстрат, тому процес приєднання нуклеофіла проходить повільно&nbsp;— цей крок і є швидкістьвизначальним.<ref name=":0" /> На відміну від реакцій аліфатичного нуклеофільного заміщення, тут відхідна група відіграє іншу роль, що підтверджується спадом швидкості реакцій S<sub>N</sub>Ar при Х = F >> Cl > Br > I,<ref>{{Cite news|title=The S N mechanism in aromatic compounds. Part VII|url=http://dx.doi.org/10.1039/jr9540001265|work=[[Journal of the Chemical Society]] (Resumed)|date=1954|issn=0368-1769|doi=10.1039/jr9540001265|pages=1265|first=G. Peter|last=Briner|first2=Joseph|last2=Miller|first3=M.|last3=Liveris|first4=P. G.|last4=Lutz|language=}}</ref><ref>{{Cite news|title=The “Element Effect” as a Criterion of Mechanism in Activated Aromatic Nucleophilic Substitution Reactions1,2|url=http://dx.doi.org/10.1021/ja01559a040|work=Journal of the American Chemical Society|date=1957-01|issn=0002-7863|doi=10.1021/ja01559a040|pages=385–391|volume=79|issue=2|first=J. F.|last=Bunnett|first2=Edgar W.|last2=Garbisch|first3=Kenneth M.|last3=Pruitt|language=}}</ref> що є прямою протилежністю очікуваній реактивності у випадку аліфатичного заміщення. Це зумовлено тим, що більш [[Електронегативність|електронегативі]] відхідні групи сильніше поляризують зв'язок C–X, що робить стадію приєднання більш сприятливою.<ref name=":0" />

Однак, при тому, що серед галогенів така закономірність зберігається завжди, в ширшому сенсі швидкість реакції ще залежить від інших замісників, а також від нуклеофіла. Так, при нуклеофільному заміщенні на 1-Х-2,4-динітробензені швидкість реакції спадає в ряду Х = F ~ NO<sub>2</sub> > OC<sub>6</sub>H<sub>4</sub>NO<sub>2</sub>(''p'') > Cl > OC<sub>6</sub>H<sub>5</sub> > SC<sub>6</sub>H<sub>4</sub>NO<sub>2</sub>(''p''), якщо в якості нуклеофіла виступає [[Алкоголяти|метоксид]] MeO<sup>-</sup>, і Х = NO<sub>2</sub> >> F > Cl > OC<sub>6</sub>H<sub>4</sub>NO<sub>2</sub> ~ SC<sub>6</sub>H<sub>4</sub>NO<sub>2</sub> > OC<sub>6</sub>H<sub>5</sub>, якщо в якості нуклеофіла виступає тіофенолят PhS<sup>-</sup>.<ref>{{Cite news|title=Nucleophilic substitution. Linear free energy relations between reactivity and physical properties of leaving groups and substrates|url=http://dx.doi.org/10.1021/ar50112a004|work=[[Accounts of Chemical Research]]|date=1977-04|issn=0001-4842|doi=10.1021/ar50112a004|pages=125–132|volume=10|issue=4|first=Giuseppe|last=Bartoli|first2=Paolo Edgardo|last2=Todesco|language=}}</ref>

== Механізм елімінування-приєднання ==
'''Механізм елімінування-прирєднання''' ({{lang-en|elimination-addition mechanism}}),<ref name=":0" /> також знаний як '''бензіновий механізм''' ({{lang-en|benzyne mechanism}}),<ref name=":1">{{Cite book|url=http://dx.doi.org/10.1002/0470084960|title=March's Advanced Organic Chemistry|last=Smith|first=Michael B.|last2=March|first2=Jerry|date=2006-12-27|publisher=John Wiley & Sons, Inc.|location=Hoboken, NJ, USA|isbn=978-0-470-08496-0}}</ref> виникає у випадках реакцій галогеноаренів з нуклеофілом в присутності дуже сильної основи. Цей механізм має дві основні відмінності від S<sub>N</sub>Ar:

# Така реакція призводить не тільки до ''іпсо''-заміщення, а також і до т.&nbsp;зв. {{Не перекладено|Орієнтація замісників на ароматичному кільці|''сіне''-заміщення|en|Arene substitution pattern}},<ref>{{Cite news|title=cine - and tele -Substitution reactions|url=https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S004040200001067X|work=[[Tetrahedron]]|date=2001-02|doi=10.1016/S0040-4020(00)01067-X|pages=1639–1662|volume=57|issue=9|language=en|first=Jerzy|last=Suwiński|first2=Krzysztof|last2=Świerczek}}</ref> що пояснюється утворенням [[Арини|аринового]] інтермедіату&nbsp;— 1,2-дегідробензену, або бензіну (не плутати з [[бензин]]ом): [[Файл:Benzyne mechanism general scheme.svg|центр|безрамки|483x483пкс]]
# Швидкість реакції спадає в послідовності Х = Br > I > Cl > F (при проведенні реакції з {{Не перекладено|Амід калію|амідом калію|en|Potassium amide}} в рідкому [[Аміак|амоніаку]]). Це свідчить проти механізму S<sub>N</sub>Ar.<ref>{{Cite news|title=The Mechanism of Aminations of Halobenzenes1|first=John D.|first4=L. A.|last3=Simmons|first3=Howard E.|last2=Semenow|first2=Dorothy A.|last=Roberts|issue=3|url=http://dx.doi.org/10.1021/ja01584a024|volume=78|pages=601–611|doi=10.1021/ja01584a024|issn=0002-7863|accessdate=2020-05-01|date=1956-02|work=Journal of the American Chemical Society|last4=Carlsmith}}</ref> Така дивна послідовність пояснюється зміною в природі лімітуючого кроку реакції: у випадку броміду і йодиду лімітуючим кроком є відщеплення відхідної групи (як у випадку S<sub>N</sub>Ar, швидкість реакції має спадати в порядку F > Cl > Br > I), а у випадку хлориду і фториду&nbsp;— відщеплення протона (швидкість реакції спадає в порядку, як у реакцій S<sub>N</sub>1: I > Br > Cl > F).<ref name=":1" />

Якщо бензенове кільце містить інші замісники в ''орто''-положенні до відхідної групи, то вони можуть диригувати селективність реакції:<ref>{{Cite news|title=Dibenzofuran. XXIII. Rearrangement of Halogen Compounds in Amination by Sodamide1|url=http://dx.doi.org/10.1021/ja01219a001|work=Journal of the American Chemical Society|date=1945-03|accessdate=2020-05-01|issn=0002-7863|doi=10.1021/ja01219a001|pages=349–351|volume=67|issue=3|first=Henry|last=Gilman|first2=Souren|last2=Avakian}}</ref>
[[Файл:Benzyne mechanism cine.svg|центр|безрамки|380x380пкс]]
Таким чином, електронодонорні замісники результують ''сіне''-продукт, а електроноакцепторні замісники&nbsp;— ''іпсо''-продукт. Однак, селективність таких реакцій не дуже велика, тому у випадку монозаміщених бензінів зазвичай утворюються обидва [[Ізомерія|регіоізомери]].<ref>{{Cite news|title=Substituent effects on the reactivity of arynes. Product distributions as an index of relative reactivities of arynes in methylamine and dimethylamine solvents|url=http://dx.doi.org/10.1021/jo01263a081|work=The Journal of Organic Chemistry|date=1969-11|issn=0022-3263|doi=10.1021/jo01263a081|pages=3595–3599|volume=34|issue=11|first=Edward R.|last=Biehl|first2=Edward|last2=Nieh|first3=K. C.|last3=Hsu|language=}}</ref>

== Механізм S<sub>N</sub>1 ==
Такий механізм не є характерним для галогеноаренів та арилсульфонатів через низьку стабільність катіона бензену; він відбувається лише у виключних випадках.<ref>{{Cite news|title=A first example of generating aryl cations in the solvolysis of aryl triflates in trifluoroethanol|url=http://dx.doi.org/10.1021/ja00304a050|work=Journal of the American Chemical Society|date=1985-09|issn=0002-7863|doi=10.1021/ja00304a050|pages=5286–5288|volume=107|issue=18|first=Yoshio|last=Himeshima|first2=Hiroshi|last2=Kobayashi|first3=Takaaki|last3=Sonoda|language=}}</ref> Натомість, найважливішим субстратом для механізму S<sub>N</sub>1 залишаються [[діазосполуки]] (хоча сполуки арилйодонію Ar<sub>2</sub>I<sup>+</sup> теж можуть вступати в реакції заміщення за цим механізмом).<ref name=":1" />

Нуклеофільне ароматичне заміщення за типом S<sub>N</sub>1 відбувається у два кроки; перший крок&nbsp;— відщеплення відхідної групи&nbsp;— є лімітуючим; загальна швидкість реакції відповідає кінетиці першого порядку<ref>{{Cite news|title=The Effect of Structure of the Alkyl Group on the Rates of Decomposition of Alkyl Substituted Benzenediazonium Salts1|url=http://dx.doi.org/10.1021/ja01098a050|work=Journal of the American Chemical Society|date=1953-01|issn=0002-7863|doi=10.1021/ja01098a050|pages=429–432|volume=75|issue=2|first=Edward S.|last=Lewis|first2=Emery B.|last2=Miller|language=}}</ref> і не залежить від концентрації нуклеофіла:<ref name=":1" />
[[Файл:Diazo SN1 general scheme.svg|центр|безрамки|400x400пкс]]
Формування арильних катіонів із діазосполук має певні механістичні особливості:

# Формування катіона є оборотним, що було доведено в результаті ізотопного маркування атомів азоту: при реакції сполуки <math>Ar\!-\!{}^{15}\overset{+}{N}\!\equiv\!N</math> залишок стартового матеріалу являв собою суміш <math>Ar\!-\!{}^{15}\overset{+}{N}\!\equiv\!N</math> і <math>Ar\!-\!\overset{+}{N}\!\equiv\!{}^{15}N</math>.<ref name=":2">{{Cite news|title=Mechanistic investigations on reactions of molecular nitrogen with organic species|url=https://www.degruyter.com/view/journals/pac/55/2/article-p401.xml|work=Pure and Applied Chemistry|date=1983-01-01|issn=0033-4545|doi=10.1351/pac198855020401|pages=401–408|volume=55|issue=2|language=en|first=H.|last=Zollinger}}</ref>
# Відщеплення молекули азоту відбувається у два кроки при утворенні аддукту молекули азоту й арильного катіона:<ref name=":2" /> <math>Ar\!-\!N_2^+\quad\rightleftarrows\quad[Ar^+\!\leftarrow\!N_2]\quad\rightleftarrows\quad Ar^+ + N_2</math>.

== Вікарне нуклеофільне заміщення (VNS) ==
Цей особливий тип реакцій S<sub>N</sub>Ar відбувається між нітроаренами й аніонами [[C–H кислоти|C–H кислот]], що містять атом галогену в α-положенні до негативного заряду. В результаті атом водню на ароматичному кільці заміщується нуклеофілом, але відхідна група X<sup>-</sup> покидає не арен, а нуклеофіл (звідси й назва «вікарне»&nbsp;— тобто, «замісне»). Нітрогрупа у цьому випадку стабілізує комплекс Мейзенгеймера і є основною вимогою для проведення таких реакцій:<ref>{{Cite news|title=“Vicarious” nucleophilic substitution of hydrogen in aromatic nitro compounds|url=http://dx.doi.org/10.1016/s0040-4039(00)70555-7|work=[[Tetrahedron Letters]]|date=1978-01|issn=0040-4039|doi=10.1016/s0040-4039(00)70555-7|pages=3495–3498|volume=19|issue=37|first=Jerzy|last=Goliński|first2=Mieczysław|last2=Makosza|language=}}</ref>
[[Файл:VNS general scheme.svg|центр|безрамки|700x700пкс]]
Механізм реакції VNS дуже схожий на механізм S<sub>N</sub>Ar; різниця полягає в тому, що утворений комплекс Мейзенгеймера не відщеплює в якості відхідної групи «аніон водню»&nbsp;— натомість, в результаті реакції β-елімінування відщеплюється молекула HX (X є замісником на нуклеофільній сполуці, в цьому випадку X = Cl):
[[Файл:VNS mechanism.svg|центр|безрамки|400x400пкс]]
Замісник Z на цій схемі є одним із наведених: Z = F, Cl, Br, I, OCH<sub>3</sub>, OPh, SCH<sub>3</sub>, C<sub>2</sub>H<sub>6</sub>, <sup>t</sup>Bu, Ph, NMe<sub>2</sub>, CF<sub>3</sub>, CN, SO<sub>2</sub>CH<sub>3</sub>, COOH.<ref>{{Cite news|title=Vicarious nucleophilic substitution of hydrogen|url=https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ar00140a003|work=[[Accounts of Chemical Research]]|date=1987-08|issn=0001-4842|doi=10.1021/ar00140a003|pages=282–289|volume=20|issue=8|language=en|first=Mieczyslaw|last=Makosza|first2=Jerzy|last2=Winiarski}}</ref> Реакції VNS також ефективно використовуються в синтезі гетероциклів (зокрема, [[індол]]ів).<ref>{{Cite news|title=Synthesis of heterocyclic compounds via vicarious nucleophilic substitution of hydrogen|url=http://www.degruyter.com/view/j/pac.1997.69.issue-3/pac199769030559/pac199769030559.xml|work=Pure and Applied Chemistry|date=1997-01-01|issn=1365-3075|doi=10.1351/pac199769030559|pages=559–564|volume=69|issue=3|first=M.|last=Makosza|language=}}</ref>

== Механізм ANRORC ==
Механізм ANRORC ([[Англійська мова|англ.]] ''addition of nucleophile, ring opening and ring closure'') є типом реакцій за участю [[Гетероциклічні сполуки|гетероциклічних]] субстратів, при якому [[ароматичне кільце]] спочатку розривається, а потім замикається знов.
{{Main article|Механізм ANRORC}}

== Радикально-нуклеофільне ароматичне заміщення ==
У цьому типі реакцій, що був відкритий в 1970 році Ф. Буннетом і Дж. Кімом,<ref>''Evidence for a radical mechanism of aromatic «nucleophilic» substitution'' Joseph F. Bunnett and Jhong Kook Kim [[Journal of the American Chemical Society|J. Am. Chem. Soc.]]; '''1970'''; 92(25) pp 7463&nbsp;— 7464. ({{DOI|10.1021/ja00728a037}})</ref> починається з одноелектронного відновлення ({{Lang-en|single electron reduction, SER}}) субстрату. Абревіатура S<sub>RN</sub>1 означає «заміщення радикально-нуклеофільне одномолекулярне». Найвідомішим прикладом є [[реакція Зандмеєра]].

Реакція S<sub>RN</sub>1 не потребує активуючих замісників на ароматичному ядрі,<ref>Rossi, R. A.; Pierini, A. B.; Santiago, A. N. ''[[Орган. Реагуйте.|Org. React.]]'' '''1999''', ''54'', 1. {{DOI|10.1002/0471264180.or054.01}}</ref> однак основною вимогою є наявність радикального ініціатора, що здатен вступати в реакцію SER із субстратом (у випадку реакції Зандмеєра це галогенід міді(I) CuX).

Загальний механізм виглядає наступним чином:
[[Файл:SRN1 general mechanism.svg|центр|безрамки|371x371пкс]]

== Див. також ==
* [[Ариновий механізм заміщення]]
* [[Реакції електрофільного заміщення]]
* [[Номенклатура Інґольда]]

== Джерела ==
* {{Глосарій термінів з хімії}}

== Примітки ==
<references responsive="" />

[[Категорія:Реакції заміщення]]
[[Категорія:Реакції нуклеофільного заміщення]]
[[Категорія:Реакції ароматичного кільця]]