Ароматичне нуклеофільне заміщення - Комплекси Мейзенгеймера
Механізм таких реакцій заміщення включає дві стадії, де за приєднанням відбувається відщеплення. У цьому він подібний до механізму електрофільного ароматичного заміщення. На першій стадії атакуючий нуклеофіл приєднується до бензенового кільця з руйнуванням ароматичної π-системи та утворенням резонансно стабілізованого циклопентадієнільного аніона зі зв’язком С–Nu, так званого σ-комплексу. Циклопентадієнільний аніон може виштовхнути нуклеофіл з поверненням до вихідних реагентів або відщепити галогенід-йон, утворивши продукт заміщення. Однак для цього мехінізму супряжений аніон не є достатньо стабільним, щоб утворитись з таких простих арилгалогенідів, як хлоробензен або орто-
бромотолуен. Подальшу резонансну стабілізацію аніона забезпечують електроноакцепторні групи з –I та –M ефектом в орто- або пара-положеннях, знижуючи таким чином його енергію настільки, щоб він міг утворитися як інтермедіат. Як видно з наступних резонансних структур, найефективнішими є нітро- або карбонільні групи, причому в разі, коли вони розташовані в орто- або пара-положеннях відносно відхідної групи.
Вперше дані комплекси були зафіксовані у 1886 в роботах Яновські – він спостерігав інтнеснивне фіолетову забарвлення при змішуванні мета-динітробензолу зі спиртовим розчином лугу. У 1895 році Лобрі де Брейн досліджував червону речовина, що утворюється в реакції трінітробензола з гідроксидом калію в метанолі. У 1900 році Джексон і Газзоло провів реакцію тринітроазолу з метоксидом натрію і запропонував хіноїдну структуру продукту реакції. У 1902 Якоб Майзенгаймер виділив такі сполуки шляхом стабілізації трьома нітрогрупами.
Доволі цікавими є виключення із загального правила для реакції між тринітробензолом (ТНБ) та ацетоном. При додаванні незначної кількості диетиламіну як основи утворюється біциклічний продукт:
Якщо ж проводити реакцію при дії КОН – то проходять два паральельні процеси. Перший – утворення стандартного інтермедіату Майзенгаймера, другий же веде до утворення диацетонового спирту із поступовим розкладом в ацетонат-йон із доволі гарними виходами.
Таким чином, було відмічено що утворенню σ-комплексу із СН-кислотами передує утворення комплекси із основами, який є кінетично контрольованим продуктом із подальшим перегрупуванням в більш термодинамічностабільний комплекс із С-С зв’язком.
Також специфічний випадок утворення σ-комплексу показано нижче. Спочатку генерувався дианіон (електрохімічно або хімічно), який далі утворює комплекс із ацетоном. Окислення O2 або PbO2 цього продукту веде до традиційного σ-компклексу.
Як один із прикладів можна навести реакцію циммермана. В ході реації відбувається окиснення комплексу Майзенгеаймера в надлишку основи до утворення яскраво забарвленого еноляту. Після цього проводять відновлення одніє нітрогрупи до аміногрупи. На цій реакції базується тест Циммермана кетостероїди.
Також були отримані доволі цікаві аддукти із використанням сильноелектрофільних та сильнонуклеофільних реагентів. В ході реакції були змішані 4,6-динітробензофузан (арен Майзенгаймера) із 1,3,5-тріс(N-пірролідініл)бензолом при -70 0С. В результаті було отримано інтермедіат Майзенгаймера-Уіланда.
Структура даної сполуки доводилаь методами HSQC та COSY. Метод gHSQC показує пряму кореляці двух із чотирьох гідрогенів при 4,61 та 4,43 із двома карбонами при 87,22 та 88,28, що відповідає хімічним зсувам sp2-гібридизованого карбону. Однак, 2 інші сигнали – 4,32 та 5,00 з’єднані напряму із двома карбонами при 45,09 та 40,87. Спектр COSY показує кореляцію протонів 5,00 із сигналом фурозанового водню при 8,60 та з одним із пірролідинових воднів при 4,32 (J = 3.6 Гц). Все це добре узгоджується із наведеною вище структурою.
Доволі цікавою є робота по фотолізу 4-нітроанізолу по механізму нуклеофільного ароматичного фотозаміщення.
Механізм цієї реакцію включає утворення мета σ-комплексу через приєднання нуклеофілу. Також можливе пара-заміщення, проте воно менш вигідне та проходить через інший механізм - SN(ET)Ar*. Він проходить через електронний переніс від нуклеофілу із подальшим утворенням трикоординоваго стану, який потім перегруповується – пара σ-комплексу. Дослідження цією реакції показують, що час життя мета σ-комплекса від десяти до декількох сотень наносекунд. Також дані мета комплекси можуть через сигматропне перегрупування переходити в пара σ комплекси.
На схемі зображено запропонований авторами механізм. На початку скоріш за все утворюється триплетний стан, який може або ж напряму реагувати з аміном із заміщенням нітрогрупи, хоча ця реакція є менш вигідною через втрату стабілізації. При додаванні невеликої кількості легко окислюваємого аміну (наприклад диметиламіну) триплетний стан можелегко фотовідновновитись до гідроксиламіну. Першим утворюється продукт 7, який є цвіттеріоном, який далі депротонується в сполуку 9. Всі подальші перетворення також показані на схемі.