芳香族求核置換反応 Nucleophilic Aromatic Substitution

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芳香族求核置換反応 Nucleophilic Aromatic Substitution

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概要

芳香族化合物は通常求核置換反応に対して不活性であるが、シアノ基やニトロ基など強い電子求引性置換基をもつ芳香環は、またジアゾやベンザインなど特別な活性官能基を経由する場合には、求核置換反応を受け入れることができる。

基本文献

S_N(ANRORC) Mechanism: Henk C. Van der Plas, Acc. Chem. Res. 1978, 11, 462. doi:10.1021/ar50132a005
Vicarious nucleophilic substitution: Makosza, M.; Winiarski, J. Acc. Chem. Res.1987, 20, 282. doi:10.1021/ar00140a003

反応機構

メカニズムは基質に依存して多様。大別して以下のものが考えられる。

①S_NAｒ機構(付加-脱離型)：電子求引基の存在が必須。脱離基としては通常ハロゲンが用いられる。活性の高さは通常のS_N1/S_N2反応とは逆のトレンド、すなわちF＞Cl＞Br＞I
となる。求核付加後のアニオンが非局在化した中間体はMeisenheimer Complexと呼ばれる。

②S_N1機構(脱離-付加型)：ジアゾニウム基などのように強力な脱離基が存在するときに限り、ベンゼニウムカチオン中間体を経て反応が進行する。

③ベンザイン機構：塩基性の強い求核剤を用いた場合に見られる。

④S_N(ANRORC)機構：一度開環体を経る特別な機構。ANRORC は「Addition of the Nucleophile, Ring Opening, and Ring Closure」を指す。すなわち、この機構は求核剤の付加、開環、そして閉環の 3 段階からなる。

なお、同様の機構はヘテロ環化合物の異性化においても見られる (参照: Dimroth 転位 (ANRORC 型))。

⑤代償型求核置換機構(Vicarious Nucleophilic Substitution):
芳香環ではなく求核剤側に脱離基が存在する特殊な場合。形式上、芳香環上のヒドリドが置換される。

⑥S_RN1機構(フリーラジカル): チオラートを脱離基、ヨウ素などを脱離基とするとき、つまりレドックス活性のあるコンビネーションをもつ場合に起こりうる。

反応例

触媒的芳香族求核置換反応[1]

実験手順

シュレンク管中で、Ru(cod)(2-methylallyl)2 (6.4 mg, 0.020 mmol)と1,5-bis(diphenylphosphino)pentane (12.3 mg, 0.028mmol), TfOH (3.5 μL, 0.040 mmol) を1,4-ジオキサン(02. mL)に懸濁させる。その反応溶液へ p-フルオロトルエン (2.0 mmol), morpholine (0.40 mmol), triethylamine (0.40 mmol) とtriethylsilane (0.40 mmol)を加えた後、還流下24時間反応させる。溶媒を減圧柳居した後、薄層カラムクロマトグラフィー(TLC：hexane/AcOEt =10/1)により精製し生成物を72%の収率で得る. [1]

実験のコツ・テクニック

参考文献

[1] Otsuka, M.; Endo, K.; Shibata, T. Chem. Commun. 2010, 46, 336. doi:10.1039/b919413d

cosine

博士(薬学)。Chem-Station副代表。現在国立大学教員として勤務中。専門は有機合成化学、主に触媒開発研究。関心ある学問領域は三つ。すなわち、世界を創造する化学、世界を拡張させる情報科学、世界を世界たらしめる認知科学。素晴らしければ何でも良い。どうでも良いことは心底どうでも良い。興味・趣味は様々だが、そのほとんどがメジャー地位を獲得してなさそうなのは仕様。