Реакционная способность гетероароматических соединений

Определение "Реакционная способность гетероароматических соединений" в ЭБНБ

Гетеробензолы

Концепцию ароматичности первоначально связывали со стабильностью бензола и отличием его реакционной способности от реакционной способности типичных ациклических полиенов. Существует традиционная точка зрения, что ароматические соединения склонны к сохранению ароматичности, т. е. вступают в реакции замещения, а не присоединения или раскрытия цикла. Эта точка зрения имеет силу, так как склонность к сохранению циклической системы в процессе реакции обусловлена большей стабильностью такого состояния. Реакционную способность, однако, нельзя рассматривать как критерий ароматичности, так как она зависит от разницы энергий основного и переходного состояний. Например, пиррол можно считать более ароматичным, чем фуран, однако пиррол более реакционноспособен по отношению к электрофилам. Это обусловлено тем, что атом азота с неподеленной парой электронов гораздо легче поляризуется, чем атом кислорода, поэтому атом азота легче отдает электрон. Силабензол (рис. 1) можно привести в качестве примера гетероциклического соединения, имеющего значительный ароматический характер, однако по многим признакам он обладает высокой реакционной способностью: соединение впервые удалось получить на аргоновых матрицах при 10 К. Его можно назвать «неактивным» только по сравнению с соединениями, содержащими изолированные π-связи углерод — кремний.

Протежирование пиррола

Гетероароматические соединения значительно различаются по своей активности по отношению к реагентам различных типов, им также свойственна регноселективность по определенным положениям циклической системы. Очевидно полезно основываться на определенных теоретических предпосылках для объяснения и предсказания этих важных аспектов их химии. Попытки обобщенного объяснения реакционной способности гетероароматнческих соединений в растворах сталкиваются с определенными трудностями. Теории, игнорирующие роль растворителей, нежизнеспособны: образование водородной связи с молекулами растворителя оказывает явное влияние на реакционную способность ароматических субстратов. Реакционная способность в газовой фазе иногда существенно отличается от реакционной способности в растворе, в частности, в случае пяти-членных гетероароматических соединений. Другая важная проблема связана с реакциями замещения: место расположения входящей группы в выделенном соединении не всегда соответствует месту первоначальной атаки. В качестве примера можно привести атаку некоторыми электрофилами азотсодержащих гетероциклов, где первоначально происходит быстрая, но обратимая атака по атому азота, однако электрофил впоследствии образует связь с атомом углерода.

Учитывая все вышесказанное, мы можем выделить два основных подхода к объяснению относительной реакционной способности различных гетероциклов и регноселективности процессов.

1. Первый подход основывается на некоторых свойствах основного состояния гетероциклов. Например, рассматривая атаку положительно заряженным электрофилом π-электронной системы гетероцикла, следует учитывать общее распределение π-электронной плотности невозбужденной молекулы гетероцикла. В этом случае положение с наивысшей электронной плотностью и будет местом первоначальной атаки. Взаимодействие с более «мягкими», более поляризованными реагентами удобно рассматривать с точки зрения энергий и коэффициентов так называемых граничных молекулярных орбиталей гетероциклического соединения — высших занятых (ВЗМО) и низших свободных (НСМО) молекулярных орбиталей. Атака поляризованной молекулой электрофила включает перекрывание ВЗМО гетероцикла и НСМО электрофила энергия активации данного процесса определяется разницей между энергиями этих двух орбиталей: чем меньше разница, тем эффективнее перекрывание орбиталей и тем ниже энергия активации реакцин. Энергии π-ВЗМО для многих гетероциклов можно определить экспериментально, исходя из потенциалов ионизации (некоторые значения приведены в табл.). Для некоторых электрофнлов можно ожидать, что они будут вступать в реакцию с тем большей скоростью, чем меньше их потенциал ионизации, т. е. чем выше энергия ВЗМО. Таким же образом можно предсказать, что атака осуществляется по месту с наибольшим коэффициентом ВЗМО. Например, из рис. 2.7 очевидно, что ВЗМО пиррола имеет наибольший орбитальный коэффициент в положениях 2 и 5; следовательно, электрофильная атака должна идти преимущественно по этим положениям.
   Таблица. Потенциалы ионизации, связанные с π-ВЗМО
   
   

   Гетероцикл	Потенциал ионизации, эВ
   Бензол	9,24
   Пиридин	9,73
   Пиридазин	10,61
   Пиримидин	10,41
   Пиразин	10,18
   1,3,5-Триазин	11,67
   Пиррол	8,20
   Фуран	8,90
   Тиофен	8,90
   Пиразол	9,15
   Имидазол	8,68

   
   

   Наоборот, нуклеофильная атака, по-видимому, включает взаимодействие НСМО гетероцикла с занятой орбиталью нуклеофила - чем ниже энергия НСМО, тем больше скорость реакции с данным нуклеофилом. Атака преимущественно идет по атому, несущему больший коэффициент МО.

2. Второй подход основывается на использовании интермедиата Реакции в качестве подходящей модели переходного состояния. Например, в реакциях электрофильного замещения энергии промежуточных σ-комплексов можно использовать для оценки относительных энергий переходных состояний. Предположение заключается в следующем: так как σ-комплексы, по-видимому, ближе по энергии к переходным состояниям, а не к исходным реагентам, то их относительные энергии отражают порядок энергий активации реакций такого типа. Энергни локализации — это не что иное, как разница между энергиями исходных гетероциклов и комплексов переходных состояний; таким образом, относительные энергии σ-комплексов должны отражать порядок энергий локализации для серии сходных реакций замещения. Например, три σ-комплекса 16, 17 и 18 представляют собой протонированные формы пиррола, которые могут служить интермедиатами при электрофильной атаке по положениям 1, 2 и 3 (рис. 2)
   
   

   Расчеты их энергий по методу МО показывают, что по стабильности комплексы можно расположить в следующем порядке: 17>18>16. Этот порядок можно также качественно предсказать на основании простой теории резонанса. Как видно из рисунка, большее количество резонансных форм можно изобразить для протонированного по положению 2 пиррола (17), чем для частиц 18 или 16. Этот метод мало подходит для предсказания различий в реакционной способности гетероциклов, содержащих различные гетероатомы. За редкими исключениями, однако, приближение, основанное на рассмотрении валентных схем, лежит в основе простого общего метода предсказания относительной реакционной способности разных положений каждого отдельно взятого гетероциклического соединения.