1. Medium effect (water versus MeCN) on reactivity and reaction pathways for the [S.sub.N]Ar reaction of 1-aryloxy-2,4-dinitrobenzenes with cyclic secondary amines
- Author
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Um, Ik-Hwan, Kim, Min-Young, and Dust, Julian M.
- Subjects
Amines -- Chemical properties ,Chemical reactions -- Observations ,Benzene -- Chemical properties ,Chemistry - Abstract
A kinetic study on [S.sub.N]Ar reactions of 1-aryloxy-2,4-dinitrobenzenes (1a-1h) with a series of cyclic secondary amines in 80 mol% water - 20 mol% DMSO at 25.0 [+ or -] 0.1 [degrees]C is reported. The plots of [k.sub.obsd] versus amine concentration curve upward except for the reactions of substrates possessing a strong electron-withdrawing group in the leaving aryloxide with strongly basic piperidine. The curved plots indicate that the reactions proceed through both uncatalytic and catalytic routes. Linear Bronsted-type plots have been obtained for the uncatalyzed and catalyzed reactions of 1-(4-nitrophenoxy)-2,4-dinitrobenzene (1a) with [[beta].sub.nuc] = 0.84 and 0.78, respectively. The Yukawa-Tsuno plot for the uncatalyzed reactions of 1a-1h with piperidine results in an excellent linear correlation with [rho] = 1.66 and r = 0.31. In contrast, rate constants for catalyzed reactions are independent of the electronic nature of the substituent in the leaving group. The current [S.sub.N]Ar reactions have been proposed to proceed via a zwitterionic intermediate (MC[+ or -]) that partitions to products through uncatalytic and catalytic routes. The catalyzed reaction from MC[+ or -] has been concluded to proceed through a concerted mechanism with a six-membered cyclic transition state ([TS.sub.cycl]) rather than via a stepwise pathway with a discrete anionic intermediate ([MC.sup.-]), the traditionally accepted mechanism. Medium effects on the reactivity and reaction mechanism are discussed. Particularly, hydrogen bonding of the amines to water precludes formation of kinetically significant dimers found in some aprotic solvents; no explicit role for water in the catalytic transition state is required or proposed. The specific stabilization of the leaving aryloxides substituted with strong electron-withdrawing groups accounts for the lack of the catalytic pathway in these systems (1a-1c) with piperidine nucleophile. Key words: [S.sub.N]Ar reaction, Bronsted-type plot, Yukawa-Tsuno plot, zwitterionic intermediate, six-membered cyclic transition state. Resume : Nous presentons une etude cinetique des reactions [S.sub.N]Ar de 1-aryloxy-2,4-dinitrobenzenes (1a-1h) avec une serie d'amines secondaires cycliques dans un melange a 80 mol% eau - 20 mol% DMSO a 25,0 [+ or -] 0,1 [degrees]C. Les courbes de [k.sub.obsd] representees en fonction de la concentration d'amine s'incurvent vers le haut, sauf celles des reactions de substrats dont le groupe partant aryloxyde presente un substituant fortement electroattracteur avec la piperidine, une amine fortement basique. Les traces courbes indiquent que les reactions s'effectuent a la fois par des voies catalytiques et non catalytiques. Nous avons obtenu des courbes de type Bronsted lineaires pour les reactions non catalysee et catalysee du 1-(4-nitrophenoxy)-2,4-dinitrobenzene (1a), dont les coefficients [[beta].sub.nuc] sont de 0,84 et 0,78 respectivement. La courbe de Yukawa-Tsuno pour la reaction non catalysee des composes 1a-1h avec la piperidine presente une excellente correlation lineaire, dont les parametres [rho] = 1,66 et r = 0,31. En revanche, les constantes de vitesse des reactions catalysees sont independantes de la nature electronique du substituant present sur le groupe partant. Nous avons pose l'hypothese que les reactions [S.sub.N]Ar en question procedent par un intermediaire zwitte-rionique (MC[+ or -]) qui se partage en produits par des voies catalytiques et non catalytiques. Nous avons conclu que la reaction catalytique de l'intermediaire MC[+ or -] s'effectue via un mecanisme concerte en passant par un etat de transition cyclique a six membres ([ET.sub.cycl]) plutot que via un mecanisme sequentiel, passant par un intermediaire anionique discret (MC), qui est le mecanisme traditionnellement admis. Nous abordons les effets du milieu sur la reactivite et le mecanisme de reaction. Notamment, les liaisons hydrogene entre les amines et les molecules d'eau empechent la formation de dimeres, favorable sur le plan cinetique, qui est observee dans certains solvants aprotiques; aucun role explicite de l'eau dans l'etat de transition de la voie catalytique n'est necessaire ni n'est propose. L'absence de la voie catalytique dans la reaction des systemes (1a-1c) avec la piperidine comme nucleophile s'explique par la stabilisation specifique des groupes partants aryloxydes portant des substituants fortement electroattracteurs. [Traduit par la Redaction] Mots-cles : reaction [S.sub.N]Ar, courbe de type Bronsted, courbe de Yukawa-Tsuno, intermediaire zwitterionique, etat de transition cyclique a six membres., Introduction In the toolkit of the synthetic organic chemist involved in the design and preparation ofnew aromatic compounds, nucleophilic aromatic substitution on electron-deficient substrates is a versatile, even essential, implement. [...]
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- 2017
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