Tải bản đầy đủ (.doc) (23 trang)

Liên kết arc(=o)H  hình thành thông qua phản ứng ar SE

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (319.24 KB, 23 trang )

5.2.8 Liên kết Ar−C(=O)H hình thành thông qua phản ứng Ar-S
E
Như chúng ta đã thấy trong Phần 5.2.7, sự formyl hóa không thực hiện được bởi
phản ứng Friedel–Crafts. Do đó, sự hình thành liên kết Ar−C(=O)H thông qua phản ứng
Ar−S
E
thường được thực hiện dưới hình thức formyl hóa theo Vilsmeier−Haack . Thuốc
thử trong sự formyl hóa theo Vilsmeier−Haack là hỗn hợp gồm DMF và POCl
3
với tỉ lệ
1:1. Thực tế đây là hình thức ái điện tử, một ion được clo hóa được thực hiện theo các
bước đã trình bày trong Hình 5.29. Loại này đôi khi được xem như là thuốc thử
Vilsmeier. Là một ion iminium nó là một ái điện tử yếu hơn, ví dụ, ion oxonium của sự
acyl hóa Friedel−Crafts, bởi vì hiệu ứng +M của nhóm NMe
2
lớn hơn nhóm −O−AlCl
3

.
Như một hệ quả, sự formyl hóa Vilsmeier−Haack chỉ có thể có ái nhân đặc biệt trên các
hợp chất vòng thơm, như trên anilin, phenol, và các dẫn xuất của chúng. Sau khi phản ứng
hoàn thành, được ion iminium benzylic như đã trình bày ở (Hình 5.29). Nó vẫn ổn định
cho đến khi nó được thực hiện qua các quá trình với nước thông qua chất trung gian
N,O

acetal không ổn định để cuối cùng đưa ra các aldehyde mong muốn.
As we have seen in Section 5.2.7, formylations by a Friedel–Crafts reaction are not
possible. Therefore, the formation of Ar=C(=O)H bonds through Ar−S
E
reactions is
normally carried out in the form of the Vilsmeier–Haack formylation. The reagent in the


Vilsmeier–Haack formylation is a 1 : 1 mixture of DMF and POCl
3
. This forms the actual
electrophile, an a−chlorinated iminium ion, according to the sequence of steps shown in
Figure 5.29. This species is occasionally referred to as the Vilsmeier reagent. Being an
iminium ion it is a weaker electrophile than, for example, the oxonium ion of the Friedel–
Crafts acylation, because the +M effect of the NMe
2
group is greater than that of
−O−AlCl
3

. As one consequence,Vilsmeier–Haack formylations are possible only on
especially nucleophilic aromatic compounds, i.e., on aniline, phenol, and their derivatives.
After completion of the reaction, a benzylic iminium ion is present (Figure 5.29). It
remains stable until it is worked up with water through an unstable N,O

acetal
intermediate to finally give the desired aldehyde.
Me
2
C
C Cl NMe
2
Bởi vì các ion iminium nhận được từ đã là một ái nhân nghèo điện
tử, điều đó có thể hiểu được tại sao có thể nói chung không có quá trình acyl hóa
Vilsmeier−Haack tương tự sử dụng . Các ion iminium tương ứng
là một ái nhân còn nghèo điện tử bởi các yếu tố không gian và điện tử.
Because the iminium ion derived from H


C(=O)NMe
2
already is a poor
electrophile, it is understandable why there are in general no analogous Vilsmeier−Haack
acylations using R

C(=O)NMe
2
. The corresponding iminium ion R

C(Cl)=NMe
2
is a still
poorer electrophile for steric and electronic reasons.
Các hợp chất thơm cơ bản (ví dụ, các dẫn xuất anilin) sẽ phản ứng với các ion
iminium của các mô hình thay thế sau này (ví dụ, với ), tuy nhiên,
một cách hoàn toàn khác: họ sẽ khử proton hóa, để cung cấp một chloroenamine. Theo
cách này, từ và POCl
3
với

chloroenamine

,
là các tác nhân, chúng được sử dụng để chuyển đổi các axit
cacboxylic thành các acyl clorua theo Hình 6.12.
Basic aromatic compounds (i.e., aniline derivatives) would react
with iminium ions
H C ONMe
2

R C ONMe
2
P
O
Cl
Cl
Cl
C
O
H
NMe
2
P
O
Cl
Cl
Cl
O
C
H
NMe
2
P
O
Cl
Cl
O
C
H
NMe

2
P
O
Cl
Cl
O
CCl
H
NMe
2
CCl
H
Cl
2
PO
2
NMe
2
N
H NMe
2
Me
2
X
Cl
N
H O
Me
2
+

NMe
2
working up
+ HO
Vilsmeier
reagent
Hình 5.29 Sự formyl hóa
Vilsmeier−Haack (X

 Cl


hoặc Cl
2
PO
2

)
R
1
R
2
CH
CCl NMe
2
Me
2
CH
C O NMe
2

Me
2
CH
CCl
NMe
2
R CCl
NMe
2
of the latter substitution pattern (i.e., with R
1
R
2
CH−C(Cl)=NMe
2
+
),
however, in a quite di"erent way: they would deprotonate them to
provide an a−chloroenamine. In this way one obtains from
Me
2
CH−C(=O)NMe
2
and POCl
3
via Me
2
CH−C(Cl)=NMe
2
+

“chloroenamine” [Me
2
C=C(Cl)NMe
2
], a reagent, which is used to convert
carboxylic acids into acyl chlorides according to Figure 6.12.
5.3 Phản ứng thế electrophin trên hợp chất vòng thơm được kim loại hóa
Hợp chất cơ

kim vòng thơm Ar

M (M

Li, Mg

Hal) có mật độ điện tử nhiều hơn
các hợp chất thơm phi kim loại tương ứng Ar

H. Do đó, chúng phản ứng với các
electrophin mà không thể tấn công vào hợp chất vòng thơm phi kim loại tương ứng thông
qua phản ứng thế electrophin ở vòng thơm Ar

S
E
(Mục 5.3.1 và 5.3.2). Ngoài ra, có
những phương pháp khác để thay thế các hợp chất thơm cơ

kim loại đó là hiện tượng
đồng phân isomer. Trong cách này, có một khả năng đặc biệt để thực hiện phản ứng thế
electrophin ở vị trí ortho trên vòng thơm (Mục 5.3.1), mà nếu thực tế không thể thực hiện

được. Cuối cùng, các hợp chất Bo vòng thơm là những chất nền tốt nhất cho sự hyđroxyl
hóa điện tử của các hợp chất vòng thơm cho các dãy hợp chất phenol. Hơn nữa, các hợp
chất thơm Bo làm cho nó có thể gắn kết nhóm thế hydrocarbon không bão hòa để tạo
vòng thơm (Mục 5.3.3).
Aryl metal compounds Ar−M (M  Li, Mg−Hal) are much better nucleophiles than
the corresponding metal−free aromatic compounds Ar−H. Consequently, they react with
many electrophiles that could not attack the corresponding nonmetallated aromatic
compounds through an Ar−S
E
reaction (Sections 5.3.1 and 5.3.2). In addition, there are
methods for preparing substituted aryl metal compounds that are isomerically pure. In this
way one has an especially elegant possibility for carrying out orthoselective Ar−S
E
reactions (Section 5.3.), which otherwise is practically impossible. Finally, aryl boron
compounds are the best substrates for the electrophilic hydroxylation of aromatic
compounds giving phenols. Moreover, aryl boron compounds make it possible to attach
unsaturated hydrocarbon substituents to aromatic rings (Section 5.3.3).
5.3.1 Phản ứng thế electrophin của ortho

Liti Benzen và dẫn xuất Naphtalen
Một số dẫn xuất của benzen và naphtalen có thể được liti hóa với sec

butyllithium
(sec

BuLi). Nếu phản ứng này xảy ra, thì sẽ có sự chọn lọc: nó chỉ xảy ra ở vị trí ortho
cho sự thế nguyên tử H bằng kim loại đó gọi là nhóm thế định hướng
(
MDG
)

, mà nó hiện
diện, theo đó, là một điều kiện tiên quyết cho sự thế nguyên tử H bằng kim loại. Hình
5.30 đưa ra ví dụ của những nhóm thế định hướng MDG được ràng buộc thông qua một
C, một O, hoặc một nguyên tử N cho hợp chất thơm.
Certain derivatives of benzene and naphthalene can be lithiated with
sec

butyllithium (sec−BuLi). If this reaction occurs at all it is regioselective: It takes
place exclusively in the ortho position to a so−called metallation-directing group (MDG),
whose presence, accordingly, is a prerequisite for such a metallation. Figure 5.30 gives
examples of MDGs that are bound through a C, an O, or an N atom to the aromatic
compound.
Tất cả các nhóm định hướng MDG chứa một nguyên tử O chúng có thể liên kết
không bền bằng nguyên tử Li thiếu hụt điện tử của sec

BuLi bởi sự hình thành hợp chất
phức tạp B
(
Hình 5.30
)
. Người ta tin rằng nguyên tử Li vẫn phức tạp bởi giống nguyên tử
O ngay cả trong việc trao đổi H
/
Li. Trong trạng thái chuyển tiếp tương ứng
(
C trong Hình
5.30
)
các phức của lithium xảy ra ở liên kết C
sec-butyl



Li với đôi điện tử chưa liên kết
:
điện tử trên nguyên tử Li và điện tích âm trên gốc sec

butyl. Các gốc sec

butyl vì thế trở
nên rất cơ bản mà nó có thể loại bỏ những nguyên tử H ở những vùng lân cận gần nhóm
định hướng MDG, như ở vị trí ortho. May mắn là khi khử proton thì không tạo ra một
carbanion mạnh bởi vì, như được chỉ ra trong việc chuyển đổi trạng thái cấu trúc nguyên
tử C bởi những liên kết được biểu diễn bằng nét gián đoạn, chất đi kèm có liên kết C

Li
kém bền của hợp chất Liti hữu cơ A được thiết lập.
All MDGs shown contain an O atom that can loosely bind the electron−deficient
Li
atom of sec−BuLi by formation of complex B (Figure 5.30). It is believed that this Li
atom remains complexed by the same O atom even during the H/Li exchange that
follows. In the corresponding transition state (C in Figure 5.30) the complexation of the
lithium takes place in such a way that the C
sec

butyl
−Li bond exhibits considerable partial
charges: a positive charge on the Li atom and a negative charge in the sec−butyl moiety.
The sec

butyl moiety thus becomes so basic that it can remove one of the H atoms

located in the immediate vicinity of the MDG, i.e., in the ortho position. Fortunately, this
deprotonation does not create an energetically disfavored carbanion because, as indicated
in the transition state structure C by the dotted bonds, concomitantly the fairly stable
C−Li bond of the organolithium compound A has been established.
Bất kỳ phản ứng Ar

H
+
sec

BuLi

Ar

Li
+
sec

BuH có thành phần đáng kể
được nén lại. Nhóm định hướng khống chế Li ở vị trí ortho, khả năng này xảy ra lớn hơn
đối với hợp chất thường không có nhóm định hướng. Điều này là do sự ổn định của các
hợp chất thơm có Li ở vị trí ortho A, vì sự tạo phức nội phân tử của nguyên tử Li bởi chất
cho oxy của các nhóm định hướng lân cận. Sự xảy ra duy nhất tại Li ở vị trí ortho như
vậy đó là hệ quả không chỉ của sự phối trí của sec

BuLi bởi nhóm định hướng MDG mà
còn có sự kiểm soát của các chất hiện màu.
Hình 5.30 Chọn
lọc vị trí ortho
của nhóm chức

E+ của hợp chất
thơm với việc
kiểm tra chất thế
Li
H
MDG
R
x
Li
MDG
R
x
E
MDG
R
x
H
MDG
R
x
Li
MDG
H
Bu
Li
R
x
C
B
A

sec-BuLi
-sec-BuH
E
via
sec-Bu
sec-
- sec-BuH
δ
δ
MDG is
C-bound
O-bound
N-bound
NEt
2
O
O
O
NEt
2
N O tert Bu
Li
O
and is
an amide
a carbamate
a lithioamide
Any reaction Ar−H + sec

BuLi → Ar−Li + sec


BuH possesses a considerable
driving force. In an MDG−controlled ortho−lithiation it is even greater than it would be
normally. This is due to the stabilization of the ortho−lithiated aromatic compound A
because of the intramolecular complexation of the Li atom by the donor oxygen of the
neighboring MDG. The exclusive occurrence of ortho−lithiation is thus a consequence
not only of the precoordination of sec−BuLi by the MDG but also of productdevelopment
control.
Hình 5.31 Cho thấy sự chọn lọc Brom ở vị trí ortho của hợp chất thơm mà có chứa
liên kết C

MDG. Thay vì Br
2
có tính ái điện tử mạnh, chất có tính ái điện tử yếu NBS
được sử dụng. Đối với NBS, phản ứng này được xem là phản ứng S
N
2 của hợp chất thơm
kim loại với nguyên tử Brom.
Figure 5.31 shows an ortho

selective bromination of an aromatic compound that
contains a C−bonded MDG. Instead of the strong electrophile Br
2
, the weak electrophile
NBS is used. With respect to NBS, this reaction represents an S
N
2 reaction of the
organometallic on the bromine.
Hình 5.32 Sơ đồ điều chế acid arylboronic xem như là một ví dụ của sự chọn lọc
nhóm chức ở vị trí ortho của hợp chất thơm có chứa liên kết O


MDG. Đầu tiên sinh ra
hợp chất phức tạp sau đó thực hiện quá trình thủy phân để tách ra sản phẩm
tinh khiết.
Figure 5.32 shows the preparation of an arylboronic acid as an example of the
ortho

selective functionalization of an aromatic compound containing an O−bonded
MDG. The complex is generated and then hydrolyzed during workup.
Hình 5.31 Sự định
hướng vị trí ortho của
nhóm MDG đối với E
+
(bên trái:m chọn lọc
vị trí meta- của
phương pháp thế cổ
điển Ar−S
E
)
Li ArB OMe
3
Li ArB OMe
3

Br
NEt
2
O
NEt
2

O
Br
2
NEt
2
O
Br
N
Br
O
O
m
FeBr
3
,
o
sec-BuLi;
Trong hình 5.33 chỉ cho ta thấy rằng như thế nào hợp chất thơm có thể chọn lọc
hoàn toàn nhóm chức để khai thác N

lithioamide như liên kết N

MDG. Bước phản ứng
đầu tiên Li ở vị trí ortho, nó cho phép đưa vào vị trí ortho nhóm metyl khi phản ứng với
tác nhân MeI. Mũi tên của phản ứng thứ hai cho thấy rằng nhóm định hướng MDG cũng
có thể hoạt hóa Li ở vị trí hướng về phía benzylic bởi sec

BuLi. Hợp chất benzyllithium
thu được sau đó kết hợp với bảng màu để biết được toàn bộ về electrophin
(

ví dụ, bước phản ứng thứ ba trong Hình 5.33
)
.
In Figure 5.33 you see how an aromatic compound can be functionalized with
complete regioselectivity exploiting an N

lithioamide as an N−bonded MDG. The first
reaction step is an ortho−lithiation. It allows the introduction of an ortho

methyl group
by quenching with MeI. The second reaction arrow illustrates that an MDG can also
activate a neighboring benzylic position toward lithiation by sec−BuLi. The benzyllithium
obtained can then be combined with the entire palette of known electrophiles (e.g., the
third reaction step in Figure 5.33).
Hình 5.32 Nhóm
E
+
ở vị trí ortho
đối với liên kết
O−MDG; Điều chế
acid arylboronic
N
H
O
tert -Bu
sec -BuLi;
I-CH
3
TMS
N

O
tert -Bu
Li
CH
3
N
O
tert -Bu
Li
E
N
H
O
tert -Bu
E ;
H
3
O
N
O
tert -Bu
Li
Li
N
O
tert -Bu
Li
Li
sec -BuLi
Hình 5.33 Nhóm thiếu

điện tử của C
sp
2
−H và
CH
2
−H ở vị trí ortho
đối với liên kết
N−MDG. Sự liti hóa
của benzylic cùng với sự
biến đổi màu sắc từ
nhạt sang đậm, điều
này được dùng để xác
định nồng độ của dung
dịch alkyllithium được
sử dụng.
O
NEt
2
O
O
NEt
2
O
B(OH)
2
H
3
O
sec-BuLi;

B(OMe)
3
;
5.3.2 Phản ứng thế electrophin trong hợp chất thơm cơ Mg và hợp chất thơm cơ Li,
các hợp chất này có thể đi từ Aryl Halogenua
Những phản ứng tiêu đề cung cấp khả năng trao đổi các nguyên tử halogen trong
aryl halogenua
(
Hal

Cl, Br, I
)
đầu tiên với một kim loại
(
MgHal, Li
)
và sau đó thế với
electrophin. Ở đây Brom thì dễ dàng phản ứng nhiều hơn Clo hoặc Iot trong hợp các chất
thơm. Theo đó, sự chọn lọc nhóm chức của aryl bromua là những ví dụ quan trọng nhất
của các phản ứng tiêu đề.
The title reactions offer a possibility for exchanging the halogen atom in aryl
halides (Hal = Cl, Br, I) first with a metal (MgHal, Li) and then with an electrophile. It is
generally easier to introduce bromine than chlorine or iodine into aromatic compounds.
Accordingly, functionalizations of aryl bromides are the preparatively most important
examples of the title reaction.
Aryl bromua có thể được chuyển đổi sang hợp chất grignard hoặc các hợp chất aryl
lithium trong ba cách
(
Hình 5.34
)

. Trong hai phương pháp đầu tiên aryl bromide phản
ứng với Mg dạng bào hoặc với Li dây
(
xem phần 14.4.1 cho phần cơ chế
)
. Phương pháp
thứ ba, đó là phương pháp đặc biệt thuận tiện cho việc điều chế aryl bromides với lượng ít
và nó được chuyển thành hợp chất aryllithium hoặc với một đương lượng butyllithium
(
n-
BuLi
)
hoặc với hai đương lượng tert

butyllithium
(
tert

BuLi
)
đó gọi là phản ứng trao đổi
Br
/
Li.
Aryl bromides can be converted to aryl Grignard or aryllithium compounds in
three ways (Figure 5.34). In the first two methods the aryl bromide is reacted with Mg
shavings or with Li wire, respectively (see Section 14.4.1 for the mechanism). In the third
method—which is especially convenient for small−scale preparations−aryl bromides are
converted into aryllithium compounds either with 1 equivalent of butyllithium (n−BuLi)
or with 2 equivalents of tert−butyllithium (tert−BuLi) by the so−called Br/Li exchange

reaction.
Cơ chế của phản ứng trao đổi của Br
/
Li trong aryl bromua được thể hiện trong
hình 5.34. Nó cũng giống như cơ chế của phản ứng trao đổi của Br
/
Li trong Bromo

olefin
(
xem hình 13.11
)
. Trước tiên, các aryl bromide aryl và n

hoặc tert

BuLi cung cấp các
muối lithium A. Phần anion chứa nguyên tử brom có điện tích âm mang hai liên kết và có
10 electron hóa trị. Loại electron hóa trị này được bổ sung vào như là ion bromat trong
cách gọi tên hợp chất hữu cơ
(
trong danh pháp hóa học

bromate

được chỉ định là anion
BrO
3

)

. Theo đó, các muối lithium A được gọi là


ate

complex.

. Phân hủy phức chất
này khi ion Li
+
tấn công liên kết C

Br giống như sự tấn công của electrophin.
The mechanism of the Br
/
Li exchange reaction in aryl bromides is shown in Figure
5.34. It is the same as the mechanism of the Br
/
Li exchange reaction in bromo

olefins
(
cf.
Figure 13.11
)
. First, the aryl bromide and n

or tert

BuLi furnish the lithium salt A. Its

anion part contains a negatively charged bromine atom with two bonds and a total of 10
valence electrons. This species is referred to as a bromate ion in organic nomenclature

in inorganic chemistry,

bromate

designates an anion, BrO
3

). Accordingly, the lithium
salt A is called an


ate

complex.

This

ate

complex decomposes when the Li
+
ion
attacks one of its C

Br bonds as an electrophile.
Br
R

x
route 1: Mg
MgBr
R
x
E
E
R
x
Li
R
x
Br
R
x
R
Li
Br R
is insert for R = n-Bu in the presence
of n-BuLi
reacts further with the second equivalent
of tert-Bu for R=tert-Bu:
Br
H
+
Li
Br
+
+
H

+
Li
route 3:
1 n- Bu
or 2 tert-
Li
Bu
Li
route 2: 2 Li
(-LiBr)
E
Hình 5.34 Sự
chuyển vị liên kết
Ar−Br thành
Ar−MgBr hoặc
Ar−Li
Sự tấn công ở vị trí gần trung tâm của liên kết C

Br, đó là vị trí có mật độ điện tử
cao nhất. Ion Li
+
tấn công vào liên kết C

Br được thực hiện trong quá trình hình thành
hợp chất A, khi đó hợp chất phức quay trở lại các chất ban. Tuy nhiên, nơi mà ion Li
+

dễ
tấn công là liên kết C
aryl


Br của

hợp chất phức A. Từ hợp chất aryl

Li cũng như hợp chất
n

or tert

butyl bromide người ta cũng mong muốn thu được hợp chất A tương ứng.
This attack occurs at approximately the center of the respective C−Br bond, which
is the site of the highest electron density. When the Li
+
attacks the C−Br bond that was
established during the formation of A, the −ate−complex reverts to the starting materials.
However, the preferred site of attack by the Li
+
is the C
aryl
−Br bond of the −ate−complex
A. In this way A proceeds to the desired lithio-aromatic compound as well as to n

or
tert−butyl bromide, respectively.
Nhìn chung, các phản ứng này làm gia tăng cân bằng sau đây:
Overall, these reactions give rise to the following equilibrium:
Cân bằng dịch chuyển nhiều về phía của hợp chất thơm lithio và n

hoặc

tert

butyl bromide. Điều này, do nguyên tử C của liên kết C

Li trong hợp chất thơm
lithio ở trạng thái lai hóa sp
2
do đó nó có độ âm điện lớn hơn so với nguyên tử C ở trạng
thái lái hóa sp
3
của liên kết C

Li trong phân tử n

hoặc tert

BuLi. Độ âm điện của
nguyên tử C trong liên kết C

Li được ổn định do ở đó rất giàu điện tử.
It lies completely on the side of the lithio−aromatic compound and of n

or
tert−butyl bromide. This is because the C atom of the C−Li bond is sp
2
hybridized in the
lithioaromatic compound and therefore more electronegative than the sp
3
hybridized C
Br

R
x
+
Li C
sp3
H
2
Pr
or
Li C
sp3
Me
3
Li
R
x
sp
2
+
Br Bu
or
Br tert - Bu
atom of the C−Li bond in n− or tert

BuLi. More electronegative C atoms stabilize C−Li
bonds because these are very electron−rich.
Nếu n

BuLi được sử dụng cho việc trao đổi Br
/

Li như trong Hình 5.34, phản ứng
được gọi là hoàn tất khi các hợp chất thơm lithio và n

butyl bromua đã tạo thành. Một
cách khác, khi việc trao đổi giữa Br
/
Li được thực hiện với tert

BuLi, thì ở đó nhất thiết
tert

BuLi và tert

butyl bromide sẽ rời khỏi để cùng tồn tại trong quá trình phản ứng. Tuy
nhiên, tert

BuLi phản ứng rất nhanh với tert

butyl bromide
:
trong môi trường bazơ
tert

BuLi, t

butyl bromide sẽ bị tách bớt một phân tử HBr. Vì thế, phản ứng trao đổi
Br
/
Li với tert


BuLi có thể thực hiện được chỉ khi nào hai đương lượng của thuốc thử
được sử dụng.
If n−BuLi is used for the Br/Li exchange in Figure 5.34, the reaction is completed
when the lithio/aromatic compound and n−butyl bromide have formed. It is different
when this Br/Li exchange is carried out with tert

BuLi, where tert

BuLi and tert

butyl
5.3 Electrophilic Substitution Reactions on Metallated Aromatic Compounds 205 bromide
necessarily would leave to coexist during the reaction. However, tert

BuLi reacts very
fast with tert−butyl bromide: As a base tert

BuLi eliminates HBr from t−butyl bromide.
Therefore, Br/Li exchange reactions with tert

BuLi can go to completion only when 2
equivalents of the reagent are used.
Những phản ứng của electrophin với các hợp chất thơm chứa kim loại đó là một
cách để tạo ra sản phẩm, cách đó không thể hoặc không có tính chọn lọc thông qua phản
ứng thế Ar

S
E
cổ điển. Phenyllithium, ví dụ, không giống như benzen, chúng phản ứng
với xeton để tạo thành alcol bậc 3 hoặc với selen nguyên tố đầu tiên tạo thành

phenylselenol sau đó, qua quá trình oxy hóa tạo thành diphenyl diselenide
(
Hình 5.35
)
.
The reactions of electrophiles with metallated aromatic compounds obtained in this
way provide access to products that are not accessible at all or not selectively through
classic Ar−S
E
reactions. Phenyllithium, for example, unlike benzene, reacts with ketones
to form tertiary alcohols or with elemental selenium to form first phenylselenol and
thereafter, through oxidation, diphenyl diselenide (Figure 5.35).
Không có cách trực tiếp nào để đưa vào nhóm CO
2
H, một nguyên tử đơteri, hoặc
thêm vào nhóm methyl trong mesitylene. Tuy nhiên, các sản phẩm mong muốn có thể dễ
dàng được điều chế thông qua chất trung gian mesitylene kim loại. Đầu tiên mesitylene
được brom hóa trên hợp chất vòng thơm, và các bromomesitylene hình thành để thực hiện
việc trao đổi Li
/
Br
(
Hình 5.36
)
. Để mesityllithium thu được một cách hoàn toàn chúng
phụ thuộc vào nucleophile
:
với CO
2
thì cho phản ứng đầu tiên, với D

2
O cho phản ứng thứ
hai, và với phân tử MeI cho phản ứng thứ ba.
There are no direct ways to introduce a CO
2
H group, a single deuterium atom, or a
single additional methyl group into mesitylene. However, the desired products can easily
be prepared via metallated mesitylene as an intermediate. Mesitylene is first brominated
on the aromatic ring, and the bromomesitylene formed is then subjected to a Li/Br
exchange (Figure 5.36).The resulting mesityllithium is precisely the required nucleophile:
with CO
2
it gives the first, with D
2
O the second, and with MeI the third target molecule.
OH
O
H
Li
Br
2 Li
Se;
H
SeH
air
Ph
2
Se
2
Hình 5.35 Chất thân

điện tử
phenyllithium.
Alcohols bậc 3 có thể
tổng hợp từ ketones.
Diphenyl diselenide
có thể được điều chế
từ nguyên tố
selenium
Br
n-BuLi
Li
D
2
O
D
CO
2
;
H
OH
O
MeI
Hình 5.36 Chất thân điện tử
mesityllithium. Nhóm
COOH, nguyên tử đơteri,
hoặc nhóm methyl có thể
được giới thiệu dễ dàng.
Thật thú vị, nó có thể chứa di

Grignard từ nhiều hợp chất dibromoaromatic. Ở

đây, chúng phản ứng với 2 đương lượng electrophin một cách tự nhiên. ClPPh
2
, các
electrophin trong phản ứng ở phần ví dụ trong Hình 5.37, sẽ không phản ứng với kim loại
tự do 1

1

binaphthyl. Tuy nhiên, với các hợp chất di

Grignard đã trình bày, chúng được
sử dụng nhiều như là phối tử trong việc chuyển hóa phức chất kim loại cho sự hydro hóa
chọn lọc đối quang của liên kết C

C và liên kết C

O
(
Mục 14.4.7
)
.
Interestingly, it is possible to obtain di-Grignard compounds from many
dibromoaromatic compounds. These, naturally, react with 2 equivalents of an
electrophile. ClPPh
2
, the electrophile in the reaction example in Figure 5.37, would not
react with metal−free 1−1−binaphthyl. However, with the di−Grignard compound shown
it forms R−BINAP, a compound that has been used with great success as a ligand in
transition metal complexes for the enantioselective hydrogenation of C=C and C=O bonds
(Section 14.4.7).

Phản ứng thế electrophin cuối cùng của hợp chất Grignard chúng tôi muốn xem xét
sự chuyển hóa nguyên tử H bằng kim loại, cụ thể là dẫn đến sự tạo thành este arylboronic
(
Hình 5.38
)
. Este arylboronic hoặc các sản phẩm thủy phân, các axit arylboronic, là
những thuốc thử có giá trị trong ngành hóa học thơm hiện đại. Chúng phản ứng với một
loạt các electrophin và sẽ không phản ứng với hợp chất grignard hoặc với các hợp chất
hữu cơ

liti
(
Mục 5.3.3 và 13.3.2
)
.
The last electrophilic substitution reaction of a Grignard compound we want to
consider is a transmetallation, namely one that leads to an arylboronic ester (Figure 5.38).
Br
Br
2 Mg
MgBr
MgBr
ClPPh
2
PPh
2
PPh
2
R-BINAP
(See Figure 5.50 for the preparation)

Hình 5.37 Tính
thân điện tử của
hợp chất vòng
thơm di-
Grignard; tổng
hợp của
R

BINAP
Arylboronic esters or their hydrolysis products, the arylboronic acids, are valuable
reagents in modern aromatic chemistry. They react with a series of electrophiles that
would not react with Grignard or organolithium compounds (Sections 5.3.3 and 13.3.2).
5.3.3 Sự thay thế điện tử của axit arylboronic và este arylboronic
Axit arylboronic và este của chúng là các nucleophin trong đó nhóm

B
(
OH
)
2

hoặc nhóm

B
(
OR
)
2

có thể được thay thế bằng nhiều electrophin khác. Ví dụ cụ thể

được thể hiện trong Hình 5.39 và 5.40.
Arylboronic acids and their esters are nucleophiles in which the −B(OH)
2

or the
−B(OR)
2
− group can be substituted by many electrophiles. Representative examples are
shown in Figures 5.39 and 5.40.
Este Arylboronic
(
Hình 5.39
)
có thể bị oxy hóa bởi H
2
O
2
trong axit axetic để tạo
thành aryl borat, sau đó aryl borat được thủy phân để tạo phenol. Cơ chế của quá trình oxi
hóa này cũng tương tự như đối với quá trình oxy hóa OOH

của trialkylboranes và được
thảo luận ở Mục 11.4.3. Kết hợp với việc tổng hợp đơn giản của este arylboronic do đó có
thể thực hiện việc chuyển hóa một cách tổng quát Ar

H

Ar

OH hay Ar


Br

Ar

OH
trong hai hoặc ba bước. Ở đây không có thay thế kim loại tự do cho những quá trình
hydroxy hóa, thậm chí nếu đôi khi có thể sẵn sàng áp dụng những con đường vòng, tiếp
theo ở Hình 11.32 và 11.34.
Arylboronic esters (Figure 5.39) can be oxidized with H
2
O
2
in acetic acid to give
aryl borates, which can then be hydrolyzed to provide phenols. The mechanism for this
oxidation is similar to that for the OOH

oxidation of trialkylboranes and is discussed in
Section 11.4.3. In combination with the frequently simple synthesis of arylboronic esters
one can thus achieve the overall conversions Ar−H → Ar−OH or Ar−Br →Ar−OH in two
or three steps. There is no metal−free alternative for these hydroxylations even if
O
O
Br
Mg;
FB(OMe)
2
O
O
B(OMe)

2
Hình 5.38 Điều chế
ester arylboronic
thông qua hợp chất
Grignard
occasionally there are readily applicable roundabout routes, referred to in Figures 11.32
and 11.34.
Este arylboronic
(
Hình 5.39
)
và axit arylboronic
(
Hình 5.40
)
cũng có thể phản ứng
với ái điện tử không bão hòa, điều mà trong một bước không thể được đưa vào hợp chất
thơm có kim loại tự do
:
những phản ứng này là với alkenyl bromua, iodides, và triflates
(
với việc duy trì dạng hình học của liên kết đôi
)
với aryl bromides, iodides, và triflates
;
và với iodoalkynes. Tất cả các hợp chất này chỉ phản ứng khi có mặt Pd
(
0
)
theo cơ chế

trình bày trong Mục 13.3
Arylboronic esters (Figure 5.39) and arylboronic acids (Figure 5.40) can also react
with unsaturated electrophiles, which cannot be introduced in one step into metal−free
aromatic compounds: these reactions are with alkenyl bromides, iodides, and triflates
(with retention of the double−bond geometry!); with aryl bromides, iodides, and triflates;
and with iodoalkynes. All these compounds react (only) in the presence of Pd(0) catalysts
according to the mechanisms presented in Section 13.3.
Hình 5.39 Phản
ứng của ester
arylboronic (cho
việc điều chế, hình
5.38) với sự chọn
lọc electrophin
O
O
B(OMe)
2
HOAc
H
2
O
2
,
O
O
OH
O
O
Bu
O

O
Bu
Br
Bu
cat. Pd(PPh
3
)
4
Br
Bu
cat. Pd(PPh
3
)
4
5.4 Phản ứng thế Nucleophin của muối Aryldiazonium
Phản ứng thế Nucleophin thông qua phản ứng thế S
N
2 với sự tấn công từ phía sau
của nucleophin không có khả năng xảy ra đối với các hợp chất thơm vì không thể đảo
ngược cấu hình tại nguyên tử C bị tấn công.
Nucleophilic substitution reactions via an S
N
2 reaction with backside attack of the
nucleophile are not possible in aromatic compounds because the configuration at the
attacked C atom cannot be inverted.
Phản ứng thế Nucleophin theo cơ chế thế S
N
1 phải thông qua các cation aryl. Điều
này rất khó khăn bởi vì điện tích dương của cation aryl ở vị trí AO sp
2

có năng lượng
thấp
(
Hình 5.41 hình, giữa dòng
)
, và không thể chuyển vị như những điều mà đầu tiên đã
nghĩ. Trong thực tế, các cation aryl thậm chí còn ít ổn định hơn cation alkenyl, cái mà đã
khá không ổn định. Tuy nhiên, trái ngược với các cation aryl, cation alkenyl có thể giả
định tại trung tâm cation có dạng hình học thẳng như trình bày trong Hình
1.3. Do đó, năng lượng cần thiết đáng kể để tạo ra một cation aryl trong phản ứng thế S
N
1
chỉ có thể được cung cấp bởi các muối aryldiazonium. Phản ứng thành công bởi vì các
phân tử N
2
rất ổn định được sản xuất như là một sản phẩm phản ứng thứ hai, sự tạo thành
này là

sự bù đắp năng lượng

. Bởi vì nitơ này liên tục không xuất hiện trong hỗn hợp
Hình 5.40 Phản ứng
của acid arylboronic
(cho việc điều chế,
hình 5.32) với sự chọn
lọc elcetrophin; TfO
viết tắt cho nhóm
triflate
B(OH)
2

O
O
NEt
2
I
Bu
, K
3
PO
4
cat. Pd(PPh
3
)
4
O
O
NEt
2
Bu
K
3
PO
4
,
cat. Pd(PPh
3
)
4
,
NO

2
Br
K
3
PO
4
, cat. Pd(PPh
3
)
4
,
TfO
O
O
NEt
2
O
O
NEt
2
NO
2
phản ứng, sự loại bỏ những thực thể không thuận nghịch, vì thế toàn bộ muối diazonium
đang dần chuyển đổi thành các cation aryl.
Nucleophilic substitution reactions according to the S
N
1 mechanism have to take
place via aryl cations. This should be exceedingly difficult because the positive charge in
aryl cations is located in a low-energy sp
2

AO (Figure 5.41, middle line), and is not
delocalized as one might first think. In fact, aryl cations are even less stable than alkenyl
cations, which are already quite unstable. However, in contrast to aryl cations, alkenyl
cations can assume the favored linear geometry at the cationic center as shown in Figure
1.3. Consequently, the considerable energy expenditure required to generate an aryl cation
in an S
N
1 reaction can be supplied only by aryldiazonium salts. They do so successfully
because the very stable N
2
molecule is produced as a second reaction product, which
constitutes an energy offset. Because this nitrogen continuously evades from the
reaction mixture, the elimination of that entity is irreversible so that the entire diazonium
salt is gradually converted into the aryl cation.
Hình 5.41 Phản ứng thế
của muối
aryldiazonium: bên
trái, sự thủy phân của
muối diazonium để tạo
phenol; bên phải, phản
ứng Schiemann
N
N
HSO
4

in H
2
O
(- N

2
)
O
H
OH
O
N
N
PF
6
F
Br
(as a pure solid)

(-N
2
)
Br
F PF
5
Br
Một khi các cation aryl được hình thành nó phản ứng ngay lập tức với các
nucleophin tốt nhất trong hỗn hợp phản ứng. Là một electrophin rất mạnh, một cation aryl
thậm chí có thể phản ứngvới nucleophin rất yếu. Khi các nucleophin được chọn là H
2
O

một nucleophin yếu, thì phenol cũng được điều chế
(
Hình 5.41 bên trái

)
. Ngay cả khi
nucleophile là một tetrafluoroborate hoặc hexafluorophosphate
(
đó là nucleophin cực kì
yếu
)
, phản ứng thế S
N
1 sẽ thực hiện như quá trình của chúng để thu được hợp chất aryl
fluoride. Đây được gọi là phản ứng Schiemann, sự chuyển đổi này được thực hiện bằng
cách nung khô aryldiazonium tetrafluoroborates hoặc hexafluorophosphates
(
Hình 5.41,
bên phải
)
.
Once the aryl cation is formed it reacts immediately with the best nucleophile in
the reaction mixture. Being a very strong electrophile an aryl cation can even react with
very weak nucleophiles. When the best nucleophile is H
2
O−a weak one, indeed−a phenol
is produced (Figure 5.41, left). Even when the nucleophile is a tetrafluoroborate or a
hexafluorophosphate (which are extremely weak nucleophiles), S
N
1 reactions run their
course, and an aryl fluoride is obtained. As the so−called Schiemann reaction, this
transformation is carried out by heating the dried aryldiazonium tetrafluoroborates or
hexafluorophosphates (Figure 5.41, right).
Với nucleophin khác

(
Hình 5.42

5.45
)
muối aryldiazonium phản ứng theo cơ chế
khác để tạo thành các sản phẩm thay thế. Những sản phẩm thay thế này có thể vì chắc
chắn tính nucleophin của muối aryldiazonium để hình thành các gốc tự do Ar

N

N·.
Những gốc tự do mất đi phân tử nitơ. Gốc tự do aryl này vẫn có khả năng phản ứng rất
cao, sau đó chúng phản ứng trực tiếp hoặc gián tiếp với nucleophin này.
With other nucleophiles (Figures 5.42−5.45) aryldiazonium salts react according to
other mechanisms to form substitution products. These substitutions are possible because
certain nucleophiles reduce aryldiazonium salts to form radicals Ar−N=N⋅. These radicals
lose molecular nitrogen. A highly reactive aryl radical remains, which then reacts directly
or indirectly with the nucleophile.
Mặt khác, nó có thể giảm muối aryldiazonium để sử dụng muối đồng. Điện tử có
tính quyết định bắt nguồn từ Cu
(
I
)
, đó có thể thêm vào như thế hoặc được hình thành
ngay tại Cu
(
II
)
bằng phản ứng oxy hóa


khử
(
Hình 5.42
)
. Các gốc diazo Ar

N

N· được
điều chế và phân đoạn để tạo thành Ar·
+
N

N. Những phản ứng kế tiếp theo của các gốc
tự do được thể hiện trong Hình 5.42 được gọi là phản ứng Sandmeyer và các phản ứng
này để tạo ra aryl clorua, bromua, hoặc xianua. Muối aryldiazonium muối, natri nitrit, và
Cu
(
II
)
để tạo thành các hợp chất nitro thơm bởi cơ chế tương tự. Cuối cùng, thông qua sự
khử với axit hypophosphoric, các gốc aryl làm giảm độ hoạt động của các hợp chất thơm,
sau một lần nữa các cơ chế xảy ra tương tự.
On the one hand, it is possible to reduce aryldiazonium salts using copper salts.
The crucial electron originates from Cu(I), which is either added as such or is formed in
situ from Cu(II) by a redox reaction (Figure 5.42). The diazo radical Ar−N=N⋅ is
produced and fragments to Ar⋅ + N≡N. Three of the ensuing reactions of these aryl
radicals shown in Figure 5.42 are called Sandmeyer reactions and give aromatic
chlorides, bromides, or cyanides. Aryldiazonium salts, sodium nitrite, and Cu(II) give

aromatic nitro compounds by the same mechanism. Finally, through reduction with
hypophosphoric acid, aryl radicals furnish defunctionalized aromatic compounds,
following again the same mechanism.
Ar NO
2
NaNO
2
Cu(II)
Ar N N
X
CuCl
Ar Cl
CuBr
Ar Br
CuCN
Ar CN
Sandmeyer
reactions
H
3
PO
2
,
Cu(II)
Ar H
Hình 5.42 Phản
ứng thế S
N
của
muối

aryldiazonium
thông qua gốc tự
do
Ar N N X
+
CuNu
Ar N N
+
CuNuX
+1
+2
Ar N N
Ar
+
N
2
Ar CuNuX
+3
Ar
CuNuX
+2
+
mechanistic alternative:
one-step conversion
to final products
Ar CuNuX
+3
Ar Nu +
+1
CuX

Hình 5.43 cơ chế của phản ứng thế nucleophin ở vòng thơm ở Hình 5.42 được
thực hiện với sự có mặt của muối Cu. Cơ chế thay thế đó có thể thực hiện ở bước thứ ba.
Hoặc là muối Cu
(
II
)
được liên kết với gốc tự do aryl và chất trung gian Ar

Cu
(
III
)
NuX
phân hủy tạo ra Cu
(
I
)
X và các sản phẩm thế Ar

Nu, hoặc gốc tự do aryl phản ứng với
nucleophin muối Cu
(
II
)
tạo ra sản phẩm thế Ar

Nu thông qua Cu
(
I
)

và sự chuyển giao
phối tử và sự khử các hợp chất đi kèm.
Fig 5.43 Mechanism of the nucleophilic aromatic substitution reactions of Figure
5.42 carried out in the presence of Cu salts. Two alternative mechanisms are possible for
the third step. Either the Cu(II) salt is bound to the aryl radical and the intermediate
Ar−Cu(III)NuX decomposes to Cu(I)X and the substitution product Ar−Nu, or the aryl
radical reacts with the Cu(II) salt of the nucleophile giving the substitution product
Ar−Nu through ligand transfer and Cu(I) through concomitant reduction.
Phản ứng của muối aryldiazonium với aryl iodides trong KI
(
Hình 5.44
)
. Bước
khơi mào, các muối diazonium bị khử. Điều kiện đó ta thu được các gốc aryl Ar·. Tuy
nhiên, với sự có mặt của Cu
(
I
)
thì các gốc tự do aryl sẽ tác dụng với các nucleophin một
cách khác nhau
(
xem Hình 5.43
)
. Cơ chế của sự iod hóa ở Hình 5.45 là một chuỗi phản
ứng các gốc tự do cực đoan, trong đó bao gồm bốn bước khai triển
In the reaction of aryldiazonium salts with KI aryl iodides are formed (Figure
5.44). In the initiating step, the diazonium salt is reduced. Therefore, aryl radicals Ar⋅ are
obtained under these conditions, too. However, their fate presumably differs from that of
the aryl radicals, which are faced with nucleophiles in the presence of Cu(I) (cf. Figure
5.43). The iodination mechanism of Figure 5.45 is a radical chain reaction, which consists

of four propagation steps.
Br
NO
2
N
Br
N
HSO
4
X + CuNu
+1
KI
(-N
2
)
Br
IO
2
N
Br
Hình 5.44 Phản
ứng của muối
aryldiazonium với
KI
Hình 5.45 cơ chế của phản ứng thế nucleophin của hợp chất thơm ở Hình 5.44.
Vai trò của các gốc tự do I
2
⋅−
thể hiện trong một chuỗi các gốc tự do và cũng rất quan
trọng trong sự khơi mào của chuỗi phản ứng này. Những cách thức đã trình bày để thấy

được những gốc tự do này được tái sinh. Nó còn được thêm để hình thành nên các chất
ban đầu: (1) Ar−N
+
≡ N + I


→ Ar−N=N⋅ + I⋅; (2) I⋅ + I


→ I
2
⋅−
.
Fig 5.45 Mechanism of the nucleophilic aromatic substitution reaction of Figure
5.44. The radical I
2
⋅−
plays the role of the chain−carrying radical and also the important
role of the initiating radical in this chain reaction. The scheme shows how this radical is
regenerated. It remains to be added how it is presumably formed initially: (1) Ar−N
+
≡ N +
I


→ Ar−N=N⋅ + I⋅; (2) I⋅ + I


→ I
2

⋅−
.
Kết thúc phần này, Hình 5.46 cho thấy khả năng của các phối tử, khi thực hiện các
phản ứng thế trên muối aryldiazonium mà không sử dụng chúng như là các chất nền thích
hợp. Ưu điểm của phương pháp này là nó có thể điều chế hợp chất thơm có chứa flo
(
Hình 5.46, phía trên
)
mà không cần phải cô lập thế nhiệt phân của muối diazonium theo
Schiemann
(
ví dụ, chất khởi đầu cho phản ứng ở bên phải trong Hình 5.41
)
. Ngoài ra,
cùng một phương pháp có thể điều chế aryl iodides
(
Hình 5.46, phía dưới
)
mà không có
nucleophile nào mạnh hơn iođua để đưa vào quá trình điều chế các muối diazonium cạnh
tranh với iođua và từ đó đưa đến sự tạo thành sản phẩm thế thứ hai.
To conclude this section, Figure 5.46 shows an elegant possibility for carrying out
substitution reactions on aryldiazonium salts without using them as the substrates proper.
One advantage of this method is that it makes it possible to prepare fluoroaromatic
compounds (Figure 5.46, top) without having to isolate the potentially explosive
Ar N N
+ I
2
Ar N N
+ I

2
Ar
+
N N I
3
ArI + I
2
Schiemann diazonium salts (i.e., the starting material for the reaction on the right in
Figure 5.41). In addition, by the same method it is possible to prepare aryl iodides (Figure
5.46, bottom) without the risk that a nucleophile other than iodide introduced during the
preparation of the diazonium salt competes with the iodide and thereby gives rise to the
formation of a second substitution product.
Để thực hiện các phản ứng thế ở Hình 5.46, những giải pháp trung hòa có tính axit
của các muối thơm diazonium với diethylamine. Giải pháp này thì hợp chất diazoamino B
(
được gọi là

triazene

)
. Nó được cô lập và đưa vào các phản ứng thế trong dung môi hữu
cơ. Trong mỗi trường hợp, nhóm rời đầu tiên được phát sinh từ các phân nữa NEt
2
của
nhóm diazoamino của hợp chất B. Hoặc điều này đạt được, hoặc sự proton hóa với HF
(→
muối diazoammonium A) hoặc quá trình methyl hóa với MeI
(→
muối
diazoammonium C). Các nhóm rời tốt được tách ra từ các chất trung gian A and C như

HNEt
2
hoặc MeNEt
2
tương ứng. Ion aryldiazonium được tạo thành, tiếp tực nó tiếp xúc
với các nucleophin, cụ thể là F

hoặc I

tương ứng. Các phản ứng để tạo ra Ar

F hoặc
Ar

I, và những phản ứng này thực hiện rất tốt, mà yêu cầu của việc cô lập sản phẩm
trung gian B so với việc thực hiện thế trực tiếp
(
trình bày ở Hình 5.41 và 5.44
/
5.45
)
luôn
được đảm bảo.
To conduct the substitution reactions of Figure 5.46, one neutralizes an acidic
solution of the aromatic diazonium salt with diethylamine.This forms the diazoamino
compound B (called a triazene). It is isolated and subjected to the substitution reactions
in an organic solvent. In each case, at first a leaving group is generated from the NEt
2
moiety of the diazoamino group of compound B. This is achieved either by a protonation
with HF (→ diazoammonium salt A) or by a methylation with MeI (→ diazoammonium

salt C).The activated leaving groups are eliminated from the intermediates A and C as
HNEt
2
or MeNEt
2
, respectively. Aryldiazonium ions are formed, which are faced with
only one nucleophile, namely, with F

or I

, respectively. These reactions give Ar−F or
Ar−I, and they run so smoothly that the extra effort, which the isolation of intermediate
product B requires in comparison to performing the corresponding direct substitutions
(Schemes 5.41 and 5.44/5.45, respectively), is often warranted.
Ar F
-N
2
Ar N N
F
HNEt
2
H
2
NEt
2
F
HF
NN NEt
2
Ar

H
F
A
HF in pyridine, ∆
NN NEt
2
Ar
B
MeI,

NN NEt
2
Ar
Me
I
C
MeNEt
2
Ar N N
I
- N
2
MeI
Ar I
Me
2
NEt
2
I
2 HNEt

2
(- H
2
NEt
2
Cl )
Ar N N
Cl
Hình 5.44 Phản ứng thế
Nucleophin của muối
aryldiazonium

×