Abstract
Basic concepts, mechanistic principles and the broad application
of nucleophilic substitution of hydrogen in nitroarenes and other
electron-deficient arenes in organic synthesis are presented in a
concise way. It was shown that the initial process between nucleophiles
and (halo)nitroarenes is a fast and reversible addition - in
positions occupied by hydrogen - to form anionic σH adducts
that can then be converted into products of nucleophilic substitution
of hydrogen in a few ways. Only when these pathways for rapid conversion
of the σH adducts into products of nucleophilic
substitution of hydrogen are not available, do the σH adducts
dissociate. The subsequent slower formation of σX adducts,
followed by departure of X anions, results in the conventional nucleophilic
aromatic substitution of halogens, namely the SNAr
reaction. Thus the SNAr reaction is a secondary ipso substitution, whereas nucleophilic substitution
of hydrogen is a primary fast process. It is therefore necessary
to introduce corrections in appropriate chapters of textbooks and
monographs.
1 Introduction
2 Oxidative Nucleophilic Substitution of Hydrogen (ONSH)
3 Vicarious Nucleophilic Substitution of Hydrogen (VNS)
4 Other Ways of Converting the σH Adducts
5 Application of Nucleophilic Substitution of Hydrogen in Organic
Synthesis
5.1 Introduction of Carbon Substituents
5.2 Introduction of Heteroatom Substituents
5.3 Construction of Carbo- and Heterocyclic Rings
6 Concluding Discussion
Key words
oxidative nucleophilic substitution - vicarious nucleophilic
substitution - mechanism - electron-deficient arenes
References
1
Chupakhin ON.
Charushin VN.
van der Plas HC.
Nucleophilic
Aromatic Substitution of Hydrogen
Academic Press;
San
Diego:
1994.
2
Terrier F.
Nucleophilic Aromatic Displacement
Verlag Chemie;
Weinheim:
1991.
3a
Mąkosza M.
Winiarski J.
Acc.
Chem. Res.
1987,
20:
282
3b
Mąkosza M.
Russ. Chem. Bull.
1996,
45:
491
3c
Mąkosza M.
Kwast A.
J. Phys. Org.
Chem.
1998,
11:
341
3d
Mąkosza M.
Wojciechowski K.
Chem.
Rev.
2004,
104:
2631
4
Mąkosza M.
Chem.
Soc. Rev.
2010,
39:
2855
5a
Charushin VN.
Chupakhin ON.
Mendeleev Commun.
2007,
17:
243
5b
Chupakhin ON.
Charushin VN.
van der Plas HC.
Tetrahedron
1988,
44:
1
6a
Clayden J.
Greeves N.
Warren S.
Wothers P.
Organic Chemistry
Oxford
University Press Inc.;
New York:
2001.
6b
Anslyn EV.
Daugherty WA.
Modern Physical Organic Chemistry
University
Science Books;
Sausalito:
2006.
6c
Moloney MG.
Structure and Reactivity
in Organic Chemistry
Blackwell;
Cambridge MA:
2008.
7a
Carey FA.
Sundberg RJ.
Advanced Organic Chemistry, Part
A and B
5th ed.:
Springer;
Heidelberg:
2007.
7b
March J.
Smith MB.
March’s
Advanced Organic Chemistry: Reactions, Mechanisms and Structure
6th
ed.:
J. Wiley;
New York:
2007.
8
Schlosser M.
Ruzziconi R.
Synthesis
2010,
2111
9
Miller J.
Aromatic Nucleophilic Substitution
Elsevier;
Amsterdam:
1968.
10a
von Richter V.
Chem. Ber.
1871,
4:
21
10b
Rosenblum MJ.
J. Am. Chem. Soc.
1960,
82:
3796
11
Davis RB.
Pizzini LC.
J. Org. Chem.
1960,
25:
1884
12
Mąkosza M.
Paszewski M.
Pol. J. Chem.
2005,
79:
163
13a
Hamana M.
Iwasaki G.
Saeki S.
Heterocycles
1982,
17:
177
13b
Mąkosza M.
Sypniewski M.
Tetrahedron
1994,
50:
4913
14a
Mąkosza M.
Staliński K.
Chem. Eur. J.
1997,
3:
2025
14b
Mąkosza M.
Staliński K.
Tetrahedron
Lett.
1998,
39:
3575
15
Kienzle K.
Helv.
Chim. Acta
1978,
61:
449
16
Kraus GA.
Selvakumar N.
J. Org. Chem.
1998,
63:
9846
17
Mąkosza M.
Surowiec M.
Szczepańska A.
Sulikowski D.
Maltsev O.
Synlett
2007,
470
18a
Adam W.
Mąkosza M.
Staliński K.
Zhao CG.
J. Org. Chem.
1998,
63:
4390
18b
Adam W.
Mąkosza M.
Zhao C.-G.
Surowiec M.
J. Org. Chem.
2000,
65:
1099
19a
Gallardo I.
Guirado G.
Marquet J.
Chem. Eur. J.
2001,
7:
1759
19b
Goumont R.
Jan E.
Mąkosza M.
Terrier F.
Org. Biomol. Chem.
2003,
1:
2192
20
Malykhin EV.
Kolesnichenko GA.
Shteingarts VD.
Zh. Org. Khim.
1985,
21:
1150
21a
van der Plas HC.
Wożniak M.
Croat. Chem. Acta
1986,
59:
33
21b
Wożniak M.
Barański A.
Szpakiewicz B.
Liebigs Ann. Chem.
1991,
875
21c
Szpakiewicz B.
Grzegorzek M.
Zh. Org. Khim.
2004,
40:
869
22a
Bartoli G.
Acc. Chem. Res.
1984,
17:
109
22b
Mąkosza M.
Surowiec M.
J. Organomet.
Chem.
2001,
624:
167
23a
Mąkosza M.
Sulikowski D.
J.
Org. Chem.
2009,
74:
3827
23b
Mąkosza M.
Kamieńska-Trela K.
Paszewski M.
Bechcicka M.
Tetrahedron
2005,
61:
11952
23c
Sanchez CM.
Iglesias J.
Lopez JG.
Alvarez IJP.
Ortiz FL.
Tetrahedron
2006,
62:
3642
24a
Goliński J.
Mąkosza M.
Tetrahedron Lett.
1978,
19:
3495
24b
Mąkosza M.
Glinka T.
J. Org. Chem.
1983,
48:
3860
25
Mąkosza M.
Stalewski J.
Liebigs Ann. Chem.
1991,
605
26a
Mąkosza M.
Ludwiczak S.
J.
Org. Chem.
1984,
49:
4562
26b
Mąkosza M.
Mathur SN.
Biaecki M.
Pol. J. Chem.
1998,
72:
1198
27a
Mąkosza M.
Chylińska B.
Mudryk B.
Liebigs Ann. Chem.
1984,
8
27b
Kwast E.
Mąkosza M.
Tetrahedron Lett.
1990,
31:
121
27c
Jończyk A.
Kowalkowska A.
Synthesis
2002,
674
28a
Mąkosza M.
Goliński J.
Rykowski A.
Tetrahedron Lett.
1983,
24:
3277
28b
Katrusiak A.
Tetrahedron
Lett.
2006,
47:
4259
29
Mąkosza M.
Kuciak R.
Wojciechowski K.
Liebigs
Ann. Chem.
1994,
615
30
Neidlein R.
Lautenschlager G.
Chem. Ber.
1989,
122:
493
31
Mąkosza M.
Rydz A.
Wróbel Z.
Pol.
J. Chem.
1995,
69:
918
32a
Mąkosza M.
Sienkiewicz K.
J.
Org. Chem.
1998,
63:
4199
32b
Pews RG.
Lysenko Z.
Vosejpka PC.
J. Org. Chem.
1997,
62:
8255
33a
Angeli A.
Angelico F.
Gazz.
Chim. Ital.
1901,
31:
27
33b
Price CC.
Voong S.-T.
Org. Synth.
1955,
28:
86
34a
Katritzky AR.
Laurenzo KS.
J. Org. Chem.
1986,
51:
5039
34b
Pagoria PF.
Mitchell ARR.
Schmidt D.
J. Org. Chem.
1996,
61:
2934
35a
Mąkosza M.
Biaecki M.
J.
Org. Chem.
1998,
63:
4878
35b
Seko S.
Miyake K.
J. Chem. Soc., Chem. Commun.
1998,
1519
36a
Bartoli G.
Bosco M.
Melandri A.
Boicelli AC.
J.
Org. Chem.
1979,
44:
2087
36b
Wróbel Z.
Kwast A.
Synlett
2007,
1525
37
Suwiński J.
Œwierczek K.
Tetrahedron
2001,
57:
1639
38
Bażej S.
Kwast A.
Mąkosza M.
Tetrahedron
Lett.
2004,
45:
5413
39
Mąkosza M.
Varvounis G.
Surowiec M.
Giannopoulos T.
Eur. J. Org. Chem.
2003,
3791
40
van der Plas HC.
Acc. Chem. Res.
1978,
11:
462
41
Wróbel Z.
Mąkosza M.
Org. Prep. Proced.
Int.
1990,
575
42a
Achmatowicz M.
Thiel OR.
Gorins G.
Goldstein C.
Affouard C.
Jensen R.
Larsen RD.
J. Org. Chem.
2008,
73:
6793
42b
Bull DJ.
Fry J.
Mackenny MC.
Malloy KA.
Synlett
1996,
647
43
Chhaly L.
Pritzkow W.
J. Prakt. Chem.
1994,
336:
558
44a
Mąkosza M.
Surowiec M.
Voskresensky S.
Synthesis
2000,
1237
44b
Katritzky AR.
Toader DJ.
J.
Org. Chem.
1997,
62:
4137
45a
Mąkosza M.
Biaecki M.
Synlett
1991,
181
45b
Tercel M.
Lee AE.
Hogg A.
Anderson RF.
Lee HH.
Siim BG.
Denny WA.
Wilson WR.
J.
Med. Chem.
2001,
44:
3511
46
Mąkosza M.
Winiarski J.
J. Org. Chem.
1984,
49:
5272
47a
Mąkosza M.
Owczarczyk Z.
J.
Org. Chem.
1989,
54:
5094
47b
Crozet MD.
Suspene C.
Kaafarani M.
Crozet MP.
Vanelle P.
Heterocycles
2004,
63:
1629
48
Mąkosza M.
Winiarski J.
Chem. Lett.
1984,
1623
49
Surowiec M.
Mąkosza M.
Tetrahedron
2004,
60:
5019
50a
Loska R.
Majcher M.
Mąkosza M.
J. Org. Chem.
2007,
72:
5574
50b
Loska R.
Mąkosza M.
J. Org. Chem.
2007,
72:
1354
51a
Mąkosza M.
Winiarski J.
J.
Org. Chem.
1980,
45:
1535
51b
Mąkosza M.
Winiarski J.
J. Org.
Chem.
1984,
49:
1494
51c
Mąkosza M.
Danikiewicz W.
Wojciechowski K.
Liebigs Ann. Chem.
1988,
203
52
Stahly GP.
Stahly BC.
Lilje KC.
J. Org. Chem.
1984,
49:
578
53a
Mąkosza M.
Goliński J.
Baran J.
J. Org. Chem.
1984,
49:
1488
53b
Mąkosza M.
Glinka T.
Kinowski J.
Tetrahedron
1984,
40:
1863
54a
Mąkosza M.
Goliński J.
Angew. Chem., Int. Ed. Engl.
1982,
21:
488
54b
Lawrence NJ.
Liddle J.
Jackson D.
Tetrahedron Lett.
1995,
36:
8477
55
Mąkosza M.
Kinowski A.
Ostrowski S.
Synthesis
1993,
1215
56a
Lawrence NJ.
Liddle J.
Jackson DA.
Synlett
1996,
55
56b
Florio S.
Lorusso P.
Granito C.
Luisi R.
Troisi L.
J.
Org. Chem.
2004,
69:
4961
57b
Sulikowski D.
Mąkosza M.
Eur.
J. Org. Chem.
2010,
4218
58
Mąkosza M.
Sulikowski D.
Maltsev O.
Synlett
2008,
1711
59
Mąkosza M.
Sulikowski D.
Synlett
2010,
1661
60
Mąkosza M.
Podraza R.
Eur. J. Org. Chem.
2000,
193
61
Bakke JM.
J.
Heterocycl. Chem.
2005,
42:
463
62
Patriciu O.-I.
Pillard C.
Finaru A.-L.
Sandulescu I.
Guillaumet G.
Synthesis
2007,
3868
63
Stern KM.
Hileman FD.
Bashkin JK.
J. Am. Chem. Soc.
1992,
114:
9237
64
Mitchell AR.
Coburn MD.
Schmidt RD.
Pagoria PF.
Lee GS.
Termochim. Acta
2002,
384:
205
65
Mąkosza M.
Paszewski M.
Sulikowski D.
Synlett
2008,
2938
66a
Tyraa A.
Mąkosza M.
Synthesis
1994,
264
66b
Mąkosza M.
Krylova I.
Eur. J.
Org. Chem.
1998,
2229
67 Mąkosza, M.; Wojciechowski,
K. In Targets in Heterocyclic Systems,
Vol. 14; Attanasi, O.A.; Spinelli, D. Eds.; Società Chimica
Italiana: Roma, 2010.
68
Moskalev N.
Barbasiewicz M.
Mąkosza M.
Tetrahedron
2004,
60:
347
69
Moskalev N.
Mąkosza M.
Heterocycles
2000,
52:
533
70a
Mąkosza M.
Hoser H.
Heterocycles
1994,
37:
1701
70b
Mąkosza M.
Paszewski M.
Synthesis
2002,
2203
71
Wojciechowski K.
Mąkosza M.
Tetrahedron Lett.
1984,
25:
4793
72a
Wojciechowski K.
Mąkosza M.
Synthesis
1992,
571
72b
Wojciechowski K.
Synth. Commun.
1997,
27:
135
73a
Wróbel Z.
Mąkosza M.
Synlett
1993,
597
73b
Mąkosza M.
Wróbel Z.
Tetrahedron
1997,
53:
5501
74a
Lerman L.
Weinstock-Rosin M.
Nudelman A.
Synthesis
2004,
3043
74b
Jeanty M.
Surenet F.
Guillaumet G.
J.
Org. Chem.
2008,
73:
7310
75
Andreassen EJ.
Bakke JM.
Sletvold I.
Svensen H.
Org. Biomol. Chem.
2004,
2:
2671
76a
Wojciechowski K.
Mąkosza M.
Bull.
Soc. Chim. Belg.
1986,
95:
671
76b
Wojciechowski K.
Mąkosza M.
Synthesis
1986,
651
77
Mąkosza M.
Tyraa A.
Acta Chem. Scand.
1992,
46:
689
78
Wróbel Z.
Kwast A.
Mąkosza M.
Synthesis
1993,
31
79
Mąkosza M.
Niyazimbetov M.
Synlett
1992,
417
80
Danikiewicz W.
Mąkosza M.
J. Org. Chem.
1991,
56:
1283
81
Wróbel Z.
Eur.
J. Org. Chem.
2000,
521
82a
Bobin M.
Kwast A.
Wróbel Z.
Tetrahedron
2007,
63:
11048
82b
Bujok R.
Kwast A.
Cmoch P.
Wróbel Z.
Tetrahedron
2010,
66:
698
82c
Wróbel Z.
Wojciechowski K.
Kwast A.
Gajda N.
Synlett
2010,
2435
83a
Mayr H.
Patz M.
Angew.
Chem., Int. Ed. Engl.
1994,
33:
938
83b
Mayr H.
Ofial AR.
Pure Appl. Chem.
2005,
77:
1808
84a
Mąkosza M.
Bażej S.
Chem.
Eur. J.
2008,
14:
11113
84b
Seelinger F.
Bażej S.
Bernhardt S.
Mąkosza M.
Mayr H.
Chem.
Eur. J.
2008,
14:
6108
