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)

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

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.

Глава 2

• 2. Реакционная способность ароматических гетероциклических соединений
• 2.1. Реакции электрофильного присоединения к атому азота
• 2.2. Реакции электрофильного замещения при атому углерода
• 2.2.1. Механизм ароматического электрофильного замещения
• 2.2.2. Шестичленные гетероциклические соединения
• 2.2.3. Пятичленные гетероциклические соединения
• 2.3. Реакции нуклеофильного замещения при атоме углерода
• 2.3.1. Механизм реакции ароматического нуклеофильного замещения
• 2.3.2. Шестичленные гетероциклические соединения
• 2.3.3. Викариозное нуклеофильное замещение
• 2.4. Реакции радикального замещения при атоме углерода
• 2.4.1. Реакции гетероциклических соединений с нуклеофильными радикалами. Реакция Минисци
• 2.4.2. Реакции с электрофильными радикалами
• 2.5. Депротонирование атома азота
• 2.6. Металлоорганические производные
• 2.6.1. Литийорганические производные
• 2.6.1.1. Прямое литиирование (депротонирование при атоме углерода)
• 2.6.1.2. Обмен атома галогена
• 2.6.1.3. Литиирование пятичленных гетероциклических соединений
• 2.6.1.4. Литиирование шестичленных гетероциклических соединений
• 2.6.2. Магнийорганические производные
• 2.6.3. Бор-, кремний- и оловоорганические реагенты
• 2.6.3.1. Синтез
• 2.6.3.2. Реакции
• 2.6.4. Цинкорганические производные
• 2.6.5. Металлирование боковой цепи шестичленных гетероциклических соединений («латеральное металлирование»)
• 2.6.6. Металлирование боковой цепи пятичленных гетероциклических соединений
• 2.7. Реакции, катализируемые палладием
• 2.7.1. Основные процессы с участием палладийорганических соединений
• 2.7.1.1. Согласованные реакции
• 2.7.1.2. Ионные реакции
• 2.7.2. Реакции, катализируемые палладием, в химии гетероциклических соединений
• 2.7.2.1. Реакция Хека
• 2.7.2.2. Реакции сочетания
• 2.7.2.3. Реакции карбонилирования
• 2.7.2.4. Синтез бензоконденсированных гетероциклических соединений
• 2.8. Окисление и восстановление гетероциклических соединений
• 2.9. Биологические процессы в химии гетероциклических соединений

Дополнительно:

• Предисловие
• Введение
• Используемые сокращения