Шестичленные гетероциклические соединения

2.3.2. Шестичленные гетероциклические соединения

Нуклеофильное замещение хорошо уходящей группы, обычно атома галогена, имеет очень важное значение в химии гетероциклических соединений, особенно для получения различных производных шестичленных электронодефицитных гетероциклических соединений. Для производных пятичленных гетероциклических соединений процессы нуклеофильного замещения возможны только в некоторых особых случаях, аналогичных тем, при которых такие реакции возможны для производных бензола, то есть когда уходящая группа активирована нитрогруппой, расположенной в орто- и пара-положениях. Реакции нуклеофильного замещения возможны также в азолах в том случае, если уходящая группа присоединена к иминному фрагменту.

α- и β-Положения шестичленных гетероциклических соединений относительно иминного атома азота, содержащие уходящие группы, активированы к атаке нуклеофильными частицами вследствие двух причин: во-первых, атом азота оказывает индуктивное и мезомерное электроноакцепторное влияние на эти положения, и, во-вторых, атом галогена оказывает индуктивное электроноакцепторное влияние. σ-Аддукты, образующиеся в результате присоединения по α- и β-положениям относительно иминного атома азота, наиболее стабилизированы электроноакцепторным влиянием атома азота. Таким образом, уходящие группы, расположенные в α- и γ-положениях, в большей степени подвержены нуклеофильному замещению, чем группы в β-положении.

Количественное изучение скорости реакции нуклеофильного замещения атома хлора на метоксигруппу при реакции 2- и 4-хлорпиридинов с метилат-ионом в метаноле показало, что оба хлорпроизводных пиридина реагируют приблизительно с той же скоростью, что и 4-хлорнитробензол, хотя α-изомер в некоторой степени более активен, чем α-изомер [35]. Следует отметить, что даже 3-хлорпиридин, в котором атом хлора активирован лишь индуктивным влиянием атома азота, вступает в реакции нуклеофильного замещения и более активен, чем хлорбензол.

Скорости реакций нуклеофильного замещения атома хлора MeO-группой при 50 °C (относительно хлорбензола)

Рисунок 1. Раздел 2.3.2. Шестичленные гетероциклические соединения

Присутствие формального положительного заряда на атоме азота, как в случае N-оксидов или четвертичных солей пиридина, в значительной степени увеличивает скорость нуклеофильного замещения. Введение N-оксидной группы в меньшей степени увеличивает скорость нуклеофильного замещения, чем превращение в четвертичные соли, поскольку в последнем случае в молекуле возникает полный формальный положительный заряд, а молекулы N-оксидов пиридина нейтральные. Нуклеофильное замещение атома хлора метилат-ионом в N-оксидах 2-, 3- и 4-хлорпиридинов проходит соответственно в 1,9×104, 1,1×105 и 1,1×103 раз быстрее, чем в соответствующих хлорпиридинах. При переходе к соответствующим 1-метилпиридиниевым солям скорости замещения увеличиваются в 4,6×1012, 2,9×108 и 5,7×109 раз соответственно.

Другой важный вывод, который был сделан в результате количественного изучения скоростей реакций нуклеофильного замещения в различных производных пиридина, связан с влиянием положительного заряда на атоме азота на скорость замещения в различных положениях цикла. Так, порядок активности в реакциях нуклеофильного замещения в пиридиниевых солях (2 > 4 > 3) не совпадаете порядком активности нейтральных пиридинов (4 > 2 > 3). Для N-оксидов пиридина скорость замещения в α-положении приблизительно такая же, как и скорость замещения в γ-положении [36].

Применение в качестве уходящей группы нитрит-аниона существенно облегчает процесс нуклеофильного замещения в гетероциклических соединениях: так, 4-нитропиридин в 1100 раз более активен в таких реакциях, чем 4-бромпиридин. Скорость нуклеофильного замещения в N-метил-4-метилсульфонилпиридине в 7×108 раз выше, чем в соответствующем нейтральном пиридине [37]. Хотя метоксигруппа обычно не относится к легко уходящим группам, реакции нуклеофильного замещения метоксизруппы в метоксипиридиниевых солях проходит лишь в 4 раза медленнее, чем замещение атомов йода, брома или хлора в таких же ситуациях. Замещение атома фтора происходит в 250 раз быстрее, чем атомов других галогенов [38].

Изучение реакции нуклеофильного замещения этоксид-ионом показало некоторое увеличение скорости при переходе от хлорпиридинов к хлорхинолинам, содержащим атомы хлора в сравнимых положениях [39]. Нуклеофильное замещение в четвертичных солях бициклических систем, так же как и в случае пиридина, протекает быстро, причём эффект проявляется в большей степени в положении C(2) (~107), чем в положении C(4) (~105) [40].

Относительные скорости нуклеофильного замещения этоксид-ионом при 20 °C

Рисунок 2. Раздел 2.3.2. Шестичленные гетероциклические соединения

Диазины, содержащие атомы галогена в α- и γ-положениях относительно атома азота, гораздо более активны в реакциях нуклеофильного замещения, чем аналогичные пиридины: например, реакции 2-хлорпиримидина проходят в ~106 раз быстрее, чем реакции 2-хлорпиридина.


2.3.2. Шестичленные гетероциклические соединения

Список литературы к главе 2

Глава 2

Дополнительно:


Средства индивидуальной защиты. Справочник / Описаны современные средства индивидуальной защиты: спецодежда, спецобувь, средства защиты рук, глаз, лица, головы, органов дыхания, предназначенные для предупреждения воздействия на работающих различных вредных и опасных факторов химических производств. Даны научно обоснованные рекомендации по оценСредства индивидуальной защиты. Справочник
Описаны современные средства индивидуальной защиты: спецодежда, спецобувь, ...
Популярная библиотека химических элементов. Полоний — Нильсборий / В трёх предыдущих выпусках «Библиотеки» («Наука», 1971, 1972, 1973) рассказано об элементах с атомными номерами от 1 до 83, то есть обо всех элементах, имеющих стабильные изотопы. Этот, заключительный, выпуск посвящён самым тяжёлым элементам таблицы Менделеева, элементам, у которых стабильных изотопПопулярная библиотека химических элементов. Полоний — Нильсборий
В трёх предыдущих выпусках «Библиотеки» («Наука», 1971, 1972, 1973) рассказано об ...
Молекулы, динамика и жизнь / Книга бельгийской исследовательницы, ученицы и сотрудницы лауреата Нобелевской премии И. Пригожина, посвящена использованию концепций неравновесной термодинамики для рассмотрения и анализа процессов самоорганизации материи, начиная от молекулярного уровня до биологических процессов, включая проблемуМолекулы, динамика и жизнь
Книга бельгийской исследовательницы, ученицы и сотрудницы лауреата Нобелевской ...
N-Винилпирролы / Монография обобщает работы по химии N-винильных производных пирролов — перспективных мономеров, полупродуктов и реакционноспособных носителей пиррольного ядра, ставших широкодоступными благодаря открытию и разработке простого пути их получения из кетоксимов и ацетилена по реакции Трофимова. В книге N-Винилпирролы
Монография обобщает работы по химии N-винильных производных пирролов — ...