l -11 S u p e r v i s o r : . - P r o f e s s o r A l f r e d F i s c h e r \ ' . ABSTRACT . t s *■ N i t r a t i o n o f 1 , 2 - d i m e t h y l - 4 - n i t r o b e n z e n e w i t h n i t r i c a c t d i n - ' ^ " m i x t u r e o f a c e t i c a n h y d r i d e and* t r i f l u o r o a c e t i c a n h y d r i d e g i v e s , t h e a d , d u c t 4 ,5—d i m e t h y l - 2 , 4 - d i n i t r o c y c l o h e 3 c a - 255 - d i e n y l a c e t a t e a s a p a i r o f d l a s t e r e o m e r s , 1 , 2 —D i m e t h y l —3 —n i t r o b e n z e n e u n d e r s i m i l a r d o h d i t i o n s / a f f o r d s a m i x t u r e o f o i s - a n d , 4 d i m e t h y l 2 . 4 d l n i t r o c y c l o h e x a -2 . 5 - d \ e n y l a c e t a t e s . N i t r a t i o n o f 1 , 4 - d i m e t h y l - 2 - n i t r o b e n z e n e i n a c e t i c a n h y d r i d e r e s u l t s i n t h e f o r m a t i o n o f 1 , 4 ' d i m e t h y l 3 , 4 d i n i t r o c y c l o h e x a -2 . 5 - d i e n y l a c e t a t e a n d 1 , 4 —d i m e t h y l —-2 , 4 —d i n i t r o c y c l o h e x a —-2 , 5 —d i e n y l a c e t a t e , e a c h . a s a p a i r o f d l a s t e r e o m e r s . I n a d d i t i o n , o n e i s o m e r o f • 3 . 6 - d i m e t h y l - 2 , 6 - d i n l t r o c y c l o h e x a - 2 , 4 - d i e n y l a c e t a t e i s a l s o o b t a i n e d . I n a l l t h r e e c a s e s , t h e e x p e c t e d n l t r o s u b s t i t u t e d - p r o d u c t s a r e a l s o * 1 f o r m e d . N i t r a t i o n o f 4 - m e t h y l - 2 - n l t r o p h e n o l i n a c e t i c a n h y d r i d e g i v e s - a m i x t u r e * o f 4 —m e t h y l —2 , 6 —d i n i t r o p h e n o l a n d 4 —m e t h y l —2 , 4 —d i n i t r o c y c i o h e x a — * • / ' 2 , 5 - d i e n - l - o n e . C r y s t a l l i z a t i o n o f t h e n l t r o d i e n o n e f r o m t h e r e a c t i o n ’ p r o d u c t w i t h m e t h a n o l r e s u l t s i n i t s c o n v e r s i o n t o 5 m e t h o x y 4 m e t h y l -4, 6 A d in itT Q c y c lo h e x a -2 -e n -l-o n e . . * ' ' - - ^ ' h . . - . . ' T h e f o r m a t i o n - o f t h e v a r i o u s d l e n e a d d u c t s c a n b e e x p l a i n e d i n - t e r m s o f v o s d a t t a c k b y a n i n c i p i e n t o r f r e e n r i t r o n i u m i o n a t a n a l k y l a t e d p o s i t i o n oiAtho o r we^t9t< to _>thg^ i t r Q g r o u p i n t h e s u b s t r a t e f o l l o w e d b y a t t a c k o f t h e a c e t a t e - n u c l e o p h i l e a t t h e para^or. o’p th o p o a i t i c & r e s u l t i n g i n 1 , 4 y o r 1 , 2 - d i e n e a d d u c t s . I n t h e c a s e o f ^ 4 - m e t h y l - ^ 2 - n i t r o p h e n o l , d e p ' r o t o n a t i o n o f t h e h y d r o x y l g r o u p , fro m , t h e ■S'.
V - > ■ . • ' .
X l l
i o s o - W h e l a n d â n t e r m é d i d t e r e s u l t ^ I n t h e f o r m a t i o n o f t h e n l t r o d i e n o n e . M
T he ' s t e r e o c h e m i s t r y o f t h e . a c e t o x y n l t r o adducts has ..been • .
<S4 ’ S t u d i e d u s i n g t h e l a n t h a n i d e s h i f t r e a g e n ^ ; t r i s ( l , 1 , 1 , 2 , 2 , 3 , 3 h e p b a -f l n o r o - 7 , 7 - d i m e t h y l - d ^ - 4 , 6 - o c t a n e d i q n a t d - d ^ ) e u r o p i u m I I I l X I n _ . f p i d i f l e d ^ ' r - . I m e t h a n o l , t h # adducts u n d er g o - t r a n s e s t e r .i f i c 4 t i i - o n a t t h e a c e t a t e ' * ^ ^ ' ' é - ‘ -f u n c t i o n , e a c h a d d u c e g i v i n g t h a t d i a s t e r , e o m e r _ o -f the d i e n d l w i t h \ t b ë . c o r r e s p o n d i n g s t e r e o c h e m i s t r y . T h e s e dienolg c a n b e * m e t h y l a t e d w i t h m e t h y l i o d i d e a n d , m o i s t s i l v e r o x i d e t o t h e c o r r e s p o n d i n g m e t h y l e t h e r s . _ U n d e r mildly a c i d i c c o n d i t i o n s , t h e a c e t o x y n i t r o a d d u c e s o b t a i n e d fro m 1 , 2 - d i m e t h y l - 4 - n i t r o b e a z e n e g i v e p r i m a r i l y t h e p r o d u c t a r i s i n g fro m l o s s o f a c e t y l n i t r a t e . U n d e r s t r o n g l y acidic c o n d i t i o n s , s i g n i f i c a n t a m d A t s o f t h e t h r e e d i n i t r . o - 1 , ' 2 - d i m e t h y l b e n z e n e s a r e a l s o o b t a i n e d . On t r e a t m e n t w i t h a m i n e b a s e s , t l ^ ^ d d u c t s u n d e r g o a f o r m a l 1 , 4 s h i f t o f t h e n i t r o g r o u p t o g i v e 1 , 2 - d i m e - t h y l - 4 , 5 - d i n i t r o b e n z e n e a s ♦ ' t h e m a j o r p r o d u c t . U n d e r s u i t a b l e c o n d i t i o n s , t h e a d d u c t s u n d e r g o S 2 ' e x c h a n g e o f t h e ' a c e t p t e w i t h , v a r i o n s n u c l e o p h i l e s t o g i v e d i e n y l o r r e a r o m a t i z e d p r o d u c t s a f t e r w o r k - u p . « 4 The' a d d u c t s o b t a i n e d f r o m l - , 4 - d i m e t h y l - 2 - n i t r o b e n z e ^ a l s o e x h i b i t a s i m i l a r b e h a v i o r , t h o u g h i n t h i s c a s e , . b e n z y l i c p r o d u c t s a r e a l s o o b t a i n e d u n d e r s u i t a b l e c o n d i t i o n s . . T h a t t h e r e e r o m r f t l z a t i o n ' u n d e r a c i d i c C o n d i t i o n s i n v o l v e s t h e f o r m a t i o n o f a n i n t e r m e d i a t e - ^ . *■ . . ' \ - c y c l o h e x a d i e n y l c a t i o n i s show n b y t h e i s o l a t i o n o f b i p h e n y l d e r i v a t i v e s -i * when th e' s e c o n d a r y a d d u c t s o f 1 , 2 - d i m e t h y l - 4 - n i t r o b e n z e n e ' a n d t h e _ , s e c o n d a r y a n d t e r t i a r y a d d u c t s o f 1 , 4 - - d i # , e t h y l - 2 —n i t r o b e n z e n e a r e > V I
J TABLE OF CONTENTS ' A b s t r a c t % ...’ ... . . . ■ ' ' Tab*le o f C o n t e n t s ' ... L i s t o f T a b l e s ... ... ' ‘ . 5 L i s t o f F i g u r e s ... , . . " A c k n o w le d g e m e n t-' . . . . . . . . . . . ' ' . , .'- ' ' ' . CHAPTER I. 1-, 1 ^ I n t r o d u c t i o n * * ' ■ : J . 2 ■' . T he M ec h a n ism o f . N i t r a t i o n i . 1 ' I p s o A t t g t k : F o r m a t i o n o f E i e n e A d d u c t s , * K. f '* 1 . 4 R e a c t i o n s o f A dduc’t s . . . . 1 . 5 ' - O b j e c t i v e s o f t h e " P r e s e n t W o r l . . . . CHAPTER II' / (EXPERIMENTAL PROCEDURES) ' ' 2 . 1 , ' - I n s t r u m e n t a t i o n . . . . 2 . 2 R e a g e n t s . ... 2 . ) ' ■' O p t i m i z a t i o n o f R e a c t i o n C o n d i t i o n s . . . ■ ' 2 . 4 ; P r e p a r a t i v e R e a c t i o n s . ... 2 . 5 f 'W o rk -u p , P r o c é d u r e s .“ . 2 . 6 C h r o m a t o g r a p h y . . . I ... v . . 2 . 7 . S h i f t R e a g e n t s t u d i e s i . 2.Ô K i n e t i e s * . . . . 2 , 9 * * G, L'- G ■ A.nâX3^sXs ^ * * ■ • ■ • * . * *. ** « * • >'2..10 ■ i s o l a t i o n o f t h e D l e n e A d d u c t s . . . . . . . . . . 2 . y . ' S t e r e d c h e m i s ^ y o f t h e A d d u c t s . . . . ■ V ■ 11 V l l V l l l * IX 1 2 9 ' 20 ' 3 7 38 3 40 t 4T 4 2- 43 ' 44 . 45 , 4 7' 1 3
r " -2', 12 S y n t h e s i s o f A u t h f e n t i c Compounds ' ' ' 2 . 1 3 R e a c t i o n s o f t h e A d d u c t s . . . . vx --• . 64 - I 6 8 . ^ X- * CHATTER III • . ' ' . DISCUSSION 3 . 1 . F o r m a t i o n o f ' D l e n e A d d u c e s ... 3 . 2 - S t r u c t u r a l A s s i g n m e n t o f D l e n e A d d u c t s . 3 . 3 . R e a c t i o n s o f t h e A d d u c t s .../ ; 3 . 3 . 1 • R e a c t i o n s u n d e r . A c l S i c C o n d i t i o n s ' . . 3 . 3 . 2 R e a c t,iq n s . w i t h N u c l e o p h i l e s _ ... 3 . 3 . 3 R e a c t i o n s o f O t h e r A d d u c t s . , . . , . Cone l u s X on . , . . . * ***. * ■ ' • 1 • • ' " REFERENCES . t ' . ' A f f E N D I Z K E Y TO NUMBERED STRUCTURES / - APPENDIX Ï l / R E A C T I Œ S OF DIENES . . 102 116 144 145 151 161 165 169 176 178 V ■'I
V i i J LIST OF TABLES TABLE Y P a g e ^ 1 . 1 R e l â t l v e r a t e c o n s t a n t s f o r t h e n i t r a t i o n o f 6 . a r o m a t i c com pounds i n 68.3% s u l f u r i c a c i d -a t 25°C . „ . . * ... 4 ■1.2 - K i n e t i c r a t e l a w s f o r n i t r a t i o n i n a q u e o u s a c i d . . . A , . . . . . . . . . . 6 , ■ ' i. / 1 . 3 ’ A d d i t i o n com pounds o b t a i n ' d b y v v s o n i t r a t i o n . . . 12 2 . 1 L i s t o f a d d u c t s o b f a i n e d ^ i n ' t h e p r e s e n t s t u d y . . . 46 2 . 2 R e l a t i v e g r a d i e n t s o f p r o t o n c h e m i c a l s h i f t s f o r diene adducts r e s u l t i n g f r o m a d d i t i o n o f t u ( r o d } 2 ^27 * * * * * 1 » .2 .3 ' H n . m . r . a n d i . r s p e c t r a l d a t a o f a u t h e n t i c com pounds s y n t h e s i z e d f o r c o m p a r i s o n p u r p o s e s ' - . . . . 66 ' . ' : ' 3..1 . C a l c u l a t e d a n d o b s e r v e d p r o d u c t d i s t r i b u t i o n l i t t n e n i t r a t i o n o f n i t t o a r e n e s .. 110 * f 3.2* 5 v a l u e s o f a c e t a t e a n d o t h e r s u b s t i t u e n t s ' -. i n t h e a d d u c t s o b t a i n e d ... - ...130 / . f , - a. t \
\
? -.imLIST OF FIGURES s . . V l l l FIGURE P a g e P l o t s s h o w i n g t h e c h e m i c a l s h i f t s o f p r o t o n s i n v a r i o u s d i e n e s v / s t h e c h e m i c a l s h i f t o f a q e t a t e p r o t o n s on a d d i t i o n o f E u ( f e d ) ^ - d ^ ^ 3 . 1 D i e n e 7A . . . , \ . ... ... . 132 3.2 . D i e n e 7 B ... ^ ^ . . . . 133 3.3 D i e n e | \ . 134 3.4 : D i e n e g A ... ... . . \ . 135 3.5- D l e n e gB ... 136 3.6 - D i e n e ... . . . . 137 3 . 7 D l e n e . . . 138 3.8 D i e n e IID . . . t ... . . ' 139 '3.9 D l e n e . 140
\
3.10 3.11 P l o t s sKpwingv t h e c h e m i c a l s h i f t s .p f c a r b o n s i n t h e d i e n e s v / s t h e c W m i c a l s h f f t o f a c e t a t e m e t h y l c a r b o n on a d d i t i o n o f ' - E h C f o d à ^ - d ^ ^ - . y : \ .J D i e n e ... D l e n e 142 143 \ / JIX ACKNOWLEDGEMENT I w o u ld l i k e t o e x p r e s s my g r a t i t u d e t o , P r o f e s s o r A. F i s c h e r f o r h i s g u i d a n c e a n d e n c o u r a g e m e n t t h r o u g h o u t t h e c o u r s e o f t h i s w o r k , ' . A d v i c e a n d a s s i s t a n c e r e c e i v e d fro m m em bers o f t h e D e p a r t m e n t o f C h e m i s t r y a n d p a r t i c u l a r l y from my l a b o r a t o r y c o l l e a g u e s i s g r e a t l y a p p r e c i a t e d . F i n a l l y , t h e a w a r d o f a G r a d u a t e F e l l o w s h i p b y t h e U n i v e r s i t y o f V i c t o r i a i s g r a t e f u l l y a c k n o w l e d g e d .
%
t %. \ CHAPTER I "INTRODUCTION E l e c t r o p h i l i c n i t r a t i o n o f a r o m a t i c com pounds i s o n e o f t h e m o s t w i d e l y - s t u d i e d r e a c t i o n s i n o r g a n i c c h e m i s t r y . S t u d i e s on n i t r a t i o n h a v e p l a y e d a n i m p o r t a n t r o l e i n t h e d e v e l o p m e n t o f t h e m e c h a n i s t i c t h e o r y o f o r g a n i c c h e m i s t r y . T he r e a c t i o n h a s s e r v e d a s a m o d e l f o r e l e c t r o p h i l i c s u b s t i t u t i o n . A r o m a t i c n i t r o - c o m p o u n d s a r e # . a l s o e x t r e m e l y v e r s a t i l e i n t e r m e d i a t e s i n - t h e ' i n d u s t r i a l s y n t h e s i s o f r' ^ " v a r i o u s c o m p o u n d s , B e c a u s e o f i t s i m p o r t a n c e t o t h e o r e t i c a l a n d i n d u s t r i a l c h e m i s t r y , i t i s n o t s u r p r i s i n g t h a t n i t r a t i o n h a s b e e n t h e s u b j e c t o f e x t e n s i v e r e v i e w s ( 1 - 1 4 ) . • V a r i o u s n i t r à t i n g a g e n t s h a v e b e e n e m p lo y e d f o r n i t r a t i n g a r o m a t i c c o m p o u n d s . F o r r e a c t i v e s u b s t r a t e s l i k e p h e n o l s , d i l u t e n i t r i c a c i d i s u s e d . S o l u t i o n s o f n i t r i c a c i d i n v a r y i n g c o n c e n t r a t i o n s o f # s u l f u r i c a c i d p r o v i d e n i t r a t i n g r e a g e n t s o f v a r y i n g s t r e n g t h . A c e t i c a c i d i s p e r h a p s t h e m o s t f r e q u e n t l y u s e d s o l v e n t f o r p r e p a r a t i v e n i t r a t i o n . N i t r a t i n g a g e n t s i n v o l v i n g a q u e o u s n i t r i c a c i d , a l k y l n i t r a t e s a n d s o d iq m e t h o x i d e , n i t r i c a c i d i n a c e t i c a n h y d r i d e a n d o t h e r o r g a n i c s o l v e n t s a s w e l l a s n i t r o n i u m s a l t s i n s o l v e n t s s u c h as t e t r a m e t h y l e n e s u l f o n e o r a c e t o n i t r i l e h a v e a l s o b e e n e m p lo y e d ( 1 5 ) . T h e c h o i c e o f t h e r e a g e n t i s u s u a l l y d e t e r m i n e d b y t h e n a t u r e o f t h e s u b s t r a t e a n d t h e p r o d u c t s d e s i r e d . Compounds w h i c h a r e s e n s i t i v e t o m i n e r a l a c i d s c a n b e c o n v e n i e n t l y n i t r a t e d b y u s i n g s o l u t i o n s o f n i t r i c a c i d i n o r g a n i c s o l v e n t ' s . S u ch s o l u t i o n s h a v e t h e a d v a n t a g e o f ■ r
V i n c r e a s e d s u b s t r a t e s o l u b i l i t y a n d r e l a t i v e l y m i l d n i t r a t i n g p o w e r , c o m p a r e d t o s o l u t i o n s o f s u l f y r i c a c i d i n n i t r i c a c i d o r a q u e o u s , n i t r i c a c i d . S i m i l a r l y , s u b s t r a t e s ^ c h a s a r y l n i t r i l e s , w h i c h o f t e n * ' * u n d e r g o h y d r o l y s i s u n d e r n i t r a t i o n c o n d i t i o n s , c a n ' b e c o n v e n i e n t l y mono o r d i n i t r a t e d ^ ( w i t h o u t h y d r o l y s i s o f t h e c y a n o g r o u p ) b y u s i n g n i t r o n i u m s a l t s ( 1 5 ) .
f . 2 The Meahanism of Nitration
K i n e t i c a n d m e o h a n i s t i c s t u d i e s on n i t r a t i o n r e q u i r e a h o m o g e n e o u s s y s t e m , a p r o c e s s f r e e o f s i d e - r e a c t i o n s , a r e a c t i o n r a t e amenable*' t o m e a s u r e m e n t a n d a c l e a r i d e n t i f i c a t i o n o f t h e n i t r a t i n g s p e c i e s . The e f f e c t i v e e l e c t r o p h i l e o v e r a w i d e r a n g e o f c o n d i t i o n s h a s b e e n shown t o b e t h e n i t r o n i u m i o n . T he r e a c t i v i t y p a t t e r n f o r n i t r a t i o n * i n o r g a n ic s o l v e n t s i s s i m i l a r t o t h e b e h a v i o u r i n h i g h l y a c i d i c s o l v e n t s , s u g g e s t i n g t h a t a common i n t e r m e d i a t e , p r e s u m a b l y t h e n i t r o n i u m i o n , i s a l s o i n v o l v e d ' ( 1 6 ) . The o n l y s o l v e n t f o r w h i c h t h e r e h a s b e e n s i g n i f i c a n t c o n t r o v e r s y c o n c e r n i n g t h e n a t u r e o f t h e n i t r a t i n g s p e c i e s i s a c e t i c a n h y d r i d e ^ R e c e n t w o rk i d e n t i f i e s t h e a c t i v e n i t r a t i n g e l e c t r o p h i l e i n a c e t i c a n h y d r i d e a s t h e n i t r o n i u m i o n , a l t h o u g h i t may^be s o l v a t e d b y o t h e r s p e c i e s ( 1 7 ) . T h e c o m p le x k i n e t i c d a t a , w h i c h r e n d e r a c e t i c a n h y d r i d e a l e s s t h a n i d e a l s o l v e n t f o r k i n e t i c s t u d i e s , c a n b e r e l a t e d , a t l e a s t i n part, t o t h e s o l v e n t e f f e c t on v a r i a t i o n s i n t h e c o n c e n t r a t i o n s o f t h e a r o m a t i c (18).. The m a rk e d a n t i c a t a l y f l c e f f e c t o f s m a l l a m o u n ts o f i m p u r i t i e s , w h i c h a l s o a i t a s b a s e s , a l s o c o m p l i c a t e s t h e k i n e t i c s c o n s i d e r a b l y . ^ The c o m p e t i t i o n m e th o d d e v e l o p e d by I n g o l d (S ) h a s been- u s e d % .
y
r
* t o d e t e r m i n e t h e r e a c t i v i t i e s o f m any a r o m a t i c c o m p o u n d s r e l a t i v e t o b e n z e n e . I s o m e r d i s t r i b u t i o n s a n d r e l a t i v e r a t e s a r e n o r m a l l y e s s e n t i a l l y , . i n d e p e n d e n t o f n i t r a t i n g c o n d i t i o n s . H o w e v e r , O l a h ( 1 9 ) » a n d c o - w o r k e r s r e p o r t e d t h â t i n t h e n i t r a t i o n w i t h n i t r o n i u m s a l t s , n e i t h e r m - x y l e n e n o r h i e s i t y l e n e w a s s i g n i f i c a n t l y m o r e r e a c t i v e t h a n b e n z e n e ; S u c h a n o m a l o u s r e s u l t ^ , _ d ^ r i v è d f r o m c o m p e t i t i o n e x p e r i m e n t s ' w e r e s u g g e s t e d t o b e d ue; tsp ^ e o c c u r r e n c e o f s i g n i f i c a n t r e a c t i o n b e f o r e t h e r e a g e n t s w e r e a d e q u a t e l y m i x e d ; , t h e r a t e o f m i x i n g p l a y s j1
a n i m p o r t a n t - r o l e i n t h e s e r e a c t i o n s ( 2 0 ) . T h i s w a s d e m o n s t r a t e d by% / s t u d i e s o n t h e n i t r a t i o n o f b i b e n z y l i n w h i c h n i t r a t i o n i n o n e b e n z e n e I r i n g d o e s n o t d e a c t i v a t e t h e s e c o n d r i n g t o w a r d s f u r t h e r n i t r a t i o n ! ( 2 1 , 2 2 ) , I n c o m p l e t e m i x i n g s h o u l d g i v e a h i g h d i n i t r o t o m o n o n i t r o b i b e n z y l p r o d u c t r a t i o . T h i s w a s i n d e e d o b s e r v e d i n t h e n i t r a t i o n w i t h n ^ t r p n i u m s a l t ^ f t j u t waé n o t o b s e r v e d i n t h e c a s e o f n i t r a t i o n w i t h n i t r i c a c i d i n a c e t i c a n h y d r i d e . T h u s t h e ahb m arlo u s r e l a t i v e r e a c t i v i t y r e s u l t s , f o u n d b y O l a h , . may b e a t t r i b u t e d t o i n c o m p l e t e m i x i n g o f - , t h e r e a g e h t a n d * ' X -s u b -s t r a t e ( m a c r o -s c o p i c d i f f u -s i o n c o n t r o l ) . ■ r * F o r ' h l t r a t i o n i n s u l f u r i c a c i d o f c o m p o u n d s t h i r t y - e i g h t ; o r I « , * m o re t i m e s .as r e a c t i v e a s b e n z e n e , r e a c t i o n s o c c u r * * a t t h e e n c o u n t e r r a t e b e t w a e g n i je f o n i u m . i o n a n d s u b s t r a t e a n d t h e d i f f e r e n t i a t i o n b e t w e e n h i g h l y r e a ç t i v e s u b s t r a t e s d i s â p p e a r s ( 2 3 ) . I n o r g a n i c s o l v e n t s , t h e l i m i t i n g r a t e ' o f n i t r a t i o n i s 3 0 0 - 4 0 0 t i m e s t h e r a t e o f n i t r a t i o n i n '. . . . . b e n z e n e ( 2 4 ) » . C o n s e q u e n t l y , an- a d e q u a t e c o m p a r i s o n c a n n o t b e made b e t w e e n c o m p o u n d s , w h o s e r e a c t i o n r a t e s , l i e a b o v e a n d t h o s e w h i c h l i e ' • • ^ 0 . b e l o w t h e e n c o u n t e r r a t e s i n c e t h e ’ r a t e - l i m i t i n g s t e p i s d i f f e r e n t i n t h e tw o c a s e s . . F a r a r e n a s w h i c h a r e m o r e r e a c t i v e , t h a n t o l u e n e , t h es e c o n d - o r d e r r a t e c o n s t a n t s r e a c h a l i m i t i n g v a l u e , t h e e n c o u n t e r r a t e . T he r e s u l t s f o r t h e n i t r a t i o n ' ' o f some a r e n e s i n 68.3% s u l f u r i c a c i d
a r e s u m m a r i s e d i n T a b l e I . l ( 6 b ) .
TABLE 1 . 1
RELATIVE RATE CONSTANTS FOR THE NITRATION ÙF AROMATIC COMPOUNDS IN 68.3% SULFURIC ACID AT 25°
/ COMPOUND - RELATIVE RATE
B e n z e n e l.-OO' T o l u e n e ^ ' 1 7 0 - X y l e n e 38 ' m - X y le n e ' 38 ' p - X y l e n e 38 . % ^ M e s i t y l e n e '* . ^ N i t r a t i o n o f t o l u e n e i n a q u e o u s s u l f u r i c a c i d h a s b e e n show n t o p r o c e e d by b o t h f i r s t a n d s e c o n d - o r d e r p a t h s ( 2 5 ) . The r e a c t i o n i s B z e r o t h - o r d e r i n t o l u e n e i n m ore c o n c e n t r a t e d a c i d b u t f i r s t - o r d e r i n t o l u e n e i n l e s s a c i d i c s o l v e n t s . -T h e s i m p l œ t e x p l a n a t i o n w h i c h a c c o u n t s f o r a l l s u c h o b s e r v a t i o n s ' i s shown i n t h e f o l l o w i n g m e c h a n is m ( 1 1 ) :
4 P
/
HN0„ + H V , 3 k 1 t H O + . NO - 1 ^ ( 1 ) n o / + ^ r H < ' / . A r H N o / \ - , ""-2 . . ArHNO, NO. ) ' '^ 3 + B a s e - 3 ■ e n c o u n t e r c o m p le x NO.. (+ H-(3) (4) H e r e r V t h e e n c o u n t e r c o m p l e x i s s p e c i f i c a l l y c o n s i d e r e d a s a n - i n t e r m e d i a t e . E x c e p t i n a %ew c a s e s ( 2 6 ) , tfi’e l a s t s t e p o f t h e r e a c t i o n { i . e . d e p r o t o n a t i o n ) i s n o t r a t e - d e t e r m i n i n g a n d h e n c e t h e r a t e o f f o r m a t i o n o f t h e b e n z e n o n i u m i o n , . o r o n e o f t h e e a r l i e r s t e p s m u s t b e r a t e - d e t e r m i n i n g . B a s e d on t l j e s t e a d y s t a t e a p p r o x i m a t i o n s f o r t h e e n c o u n t e r c o m p le x an d t h e n i t r o n i u m i on/the f o l l o w i n g r a t e l a w h a s b e e n o b t a i n e d ( 7 ) ; R a t e = |Â r ^ a ^ + L • I t ' . . A l s o c a l l e d a W h e la n d i n t e r m e d i a t e , a b e n z e n o n i u m i o n o r a c y c l o h e x a d i e n y l c a t i o n . •O'
a <r. J K ' « ', '*-S. C o n d i t i o n s V TABLK 1 .2KINETIC RATE LAWS FOJR NITRATION' IN A()UKOUS ACID (11)'
1^3 "C <c k ^
- V
R a t e
‘‘o b sd . '‘ohsd. ÊNO^l
R a t e - d e t e rm i n i p g s t e p / ' ■" s •/ :v ,/ ' \ A ' , . F o r m a t i o n o f NO, ( s t e p 1)
Forma t io n o f fen conn t e r c o m p l e x ( s t e p 2)
F o r m a t i o n o f a - c o m p l e x ( s t e p
. 4 r ' , T he c o n d i t i o n s r e q u i r e d t o make.- t h e v a r i o u s s t e p s i n t h e . m e c h a n is m r a t e - d e t e n n i n i n g and-.,j;he c o r r e s p o n d i n g k i n e t i c e x p r e s s i o n s ^ « ' I a r e s u m m A i s e d i n T a b l e 1 . 2 . . . ' T h u s i u n d e r c o n d i t i o n s i n - w h i c A t h e n i t r a t i o n o f t o l u e n e i s z e r o t h - o r d e r i i i t h e a r o m a t i c c o m p o u n d ' t h e r a t e - d e t e r m i n i n g s t e p c o r r e s p o n d s t o t h e " f o r m a t i o n o f t h e n i t r o n i u m i o n . When t h e r e a c t i o n o c c u r s a t t h e d i f f u s i o n - l i m i t , a s o b s e r v e d f o r r e a c t i v e s u b s t r a t e s , ’ r . t h e f o r m a t i o n o f t b e e n c o u n t e r c o m p le x b e c o m e s r a t e - d e t e r m i n i n g , w i t h t h e o b s e r v e d r a t e b e i n g t h e d i f f u s i o n - l i m i t e d maximum. T h e r a t e - d e t e r m i n i n g s t e p f o r t h e n i t r a t i o n o f t o l u e n e , - b e n z e n e a n d o t h e r l e s s . r e a c t i v e s u b s t r a t e s i s t h e f o r m a t i o n o f t h e %o-complex a n d t h e r e a c t i o n • i s f i r s t - o r d e r i n t h e s u b s t r a t e . T hus t h e n a t u r e o f t h e r a t e - d e t e r m i n i n g I . . s t e p d e p e n d s on t h e r a t e - c o e f f i c i e n t ë o f t h e various s t e p s a n d on t h e c o n c e n t r a t i o n o f t h e s u b s t r a t e . The c o n c e p t - o f e n c o u n t e r p a i r - i s , i n 'dome ways,\^imilar t o t h e c o n c e p t o f v - c o m p l e x s u g g e s t e d by O l a h ( 2 7 ) . F o r
a r o m a t i c com pounds m ore R e a c t i v e t h a n t o l u e n e , t h e r e a c t i o n w i t h n i t r o n i u m i o n i s e n c o u n t e r - l i m i t e d , s o t h a t t h e r e a c t i o n r a t e f o r a l l ■ s u c h a r o m a t i c s i s t h e s a m e . T hough i n t e r m o l e c u l a r s e l e c t i v i t y i s l o s t , i n t r a m o l e c u l a r s e l e c t i v i t y i s r e t a i n e d , i . e . t h e f o r m a t i o n o f t h e 3 - c o m p l e x f o l l o w e d by d e p r o t o n a t i o n g i v e s t h e e x p e c t e d p r o d u c t d i s t r i b u t i o n o f t h e v a r i o u s i s o m e r s . T h i s b e h a v i o u r h a s b e e n e x p l a i n e d i n t e r m s o f o r i e n t e d e n c o u n t e r p a i r s ( 6 c ) o r r - c o m p l e ^ f e s ( 2 8 ) . S u c h o r i e n t e d e n c o u n t e r p a i r s o r it- c o m p l e x e s c a n t h e n e x h i b i t s e l e c t i v i t y . An a l t e r n a t e m e c h a n i s m , ' i n w h i c h t h e . e l e c t r o p h i l i c a t t a c k on r e a c t i v e a r o m a t i c s o c c u r s by e l e c t r o n t r a n s f e r f o l l o w e d by r a d i c a l p a i r . c o l l a p s e , h a s a l s o b e e n p r o p o s e d (29*). T he ’ m e c h a n is m c a n b ^ ‘
/
/ '
y
'
r e p r e s e n t e d s c h e m a t i c a l l y a s f o l l o w s :
+ ArH G n c o u n t e r ^ ^ _--- » HArNO J"' - > ArNO
2 ^ c o n t r o l l e d . 2 2 - 2 ’ ' 0 - c o m p l e x I n t e r m o l e c u l a r s e l e c t i v i t y i s p o t ’ o b s e r v e d b e c a u s e a l l t h e ' . 1 . a r o m a t i c s m ore r e a c t i v e than t o l u e n e a r e c a p a b l e o ï t r a n s f e r r i n g a n ’ ) e l e c t r o n t o t h e n i t r o n i u m i o n a t e v e r y e n c o u n t e r . I n t r a m o l e c u l a r s e l e c t i v i t y i s t h e n r e l a t e d t o t h e o b s e r v a t i o n t h a t t h e a t t a c k i n g a s p e c i e s i n t h e r a d i c a l p % ir i s n i t r o g e n dioxide a n d n o t t h e n i t r o n i u m i o n , which e x h i b i t s no i n t e r m o l e c u l a r s e l e c t i v i t y . B e c a u s e d f t h e non-uniform s p i n d e n s i t y i n t h e a r o m a t i c r a d i c a l c a t i o n , r a d i c a l p a i r c o l l a p s e c a n e x h i b i t s e l e c t i v i t y . E v i d e n c e i n f a v o u r o f t h e p r o p o s e d m e c h a n is m was shown by t h e o b s e r v a t i o n c h a t t h e r a t i o o f 1-nltro t o
' 2 - n i t r o n a p h t h a l e n e o b t a i n e d by e l e c t r o l y s i s o f a m i x t u r e o f n a p h t h a l e n e a n d n i t r o g e n d i o x i d e i s s i m i l a r t o t h e ' r a t i o o b t a i n e d i n t h e n i t r a t i o n o f n a p h t h a l e n e u n d e r n o r m a l c o n d i t i o n s ’. H o w e v e r, s u c h a n a g r e e m e n t o f t h e p r o d u c t c o m p o s i t i o n o b t a i n e d f r o m n i t r a t i o n u n d e r n o r m a l and r a d i c a l c o n d i t i o n s i s n o t a l w a y s o b s e r v e d . N i t r a t i o n o f m e s i t y l e n e with n i t r i c a d d g i v e s n i t r o m e s l t y l e n e * i n n e a r l y q u a n t i t a t i v e y i e l d . H o w e v e r , when t i e c a t i o n r a d i c a l o f m e s i t y l e n e i s g e n e r a t e d b y adding e e r i e a n m o ^ i ^ n i t r a t e t o t h e n i t r a t i n g m éd iu m , a s u b s t a n t i a l a m o u n t o f / 3 , 5 - d ^ e c h y I b e n z y l n i t r a t e i s a l s o o b t a i n e d ( 3 0 ) . Absence o f t h i s p r o d u c t I n tme d i r e c t n i t r a t i o n o f m e s i t y l e n e w i t h n i t r i c ^ i d i n d l c ^ t g s ^ i t h e r t h a t t h e c a t i o n r a d i c a l Ai i s n o t i n v o l v e d ' in t h e n i t r a t i o n , o r t h a t t h e n o r m a l r e a c t i o n s o f t h i s
s p e c i e s a r e n o t e x h i b i t e d b e c a u s e t h e l i f e - t i m e o f th e " c a t i o n r a d i c a l , when fo rm e d by. e l e c t r o n t r a n s f e r t o t h e n i t r o n i u m i o n , i s t o o s h o r t , * I n a n y c a s e , t h e p r o d u c t s o f n i t r a t i o n a r e n o t a l w a y s t h e same a s t h o s e o b t a i n e d fro m t h e c a t i o n r a d i c a l o f a r e a c t i v e s u b s t r a t e , g e n e r a t e d ' i n d e p e n d e n t l y i n t h e same s o l u t i o n , * o The k i n e t i c s and m e c h a n is m f o r t h e n i t r a t i o n o f a r o m a t i c com pounds i n a c e t i c a n h y d r i d e c a n b e d i s c u s s e d i n a m a n n e r s i m i l a r t o c h a t d e v e l o p e d f o r n i t r a t i o n r n ac^ueous a c i d ( 3 1 , 3 2 ) , , '< i c r i c a o i d r e a c t s w i t h a c e t i c a n h y d r i d e t o fo rm a c e t y l n i t r a t e and e q u a t i o n ( 1 ) i s t h e r e f o r e r e p l a c e d by the- f o l l o w i n g e q u i l i b r i a :
Ac.O + HONO ^ ^ ^ AcONOg + AcOH (5)
AcONO. + AcONO h'*' "^-6 ( 6) AcONO^H J AcOH + k -, 2 (7) N i t r a t i o n o f r e a c t i v e s u b s t r a t e s s u c h a s m e s i t y l e n e , a n l s o l e , 0 — a n d x y l e n e i n a c e t i c a n h y d r i d e a l s o e x h i b i t t h e b e h a v i o u r c h a r a c t e r i s t i c o f e n c o u n t e r - c o n t r o l l e d r e a c t i o n s .
1 ,3—^^ I p s o k tta o K '. F o r tm tio n o f D iene A d d u c ts
■«
I n t h e n i t r a t i o n m e c h a n is m , r e a c t i o n s t e p ( 3 ) , fnvolvlng t h e t r a n s f o r m a t i o n o f t h e e n c o u n t e r c o m p le x t o t h e b e n z e n o n i u m i o n o r , more g e n e r a l l y , s u b s t i t u t e d b e n z e n o n iu m i o n s (W heland i n t e r m e d i a t e s ) , an d t h e s u b s e q u e n t p r o d u c t - f o r m i n g s t e p s i s of p a r t i c u l a r i n t e r e s t i n t h e
\ p r e s e n t w o r k , * • . . * ^ > * - - ' - E n c o u n t e r o f t h e - n i t r o n i u m i o n w i t h a m o n o ^ s u b s t i t u t e d b e n z e n e ' ' , / ' d e r i v a t i v e C,H_X c a n r e s u l t i n Wheland i n t e r m e d i a t e s i n w h i c h t h e * D O . ' - ' ' ■ » n i t r o n i u m ' I o n i s * ( i ) g e m i n a l t o a h y d r o g e n . , ( t h r e e i s o m e r s ) ; ' i . e-. W. o r ( i l ) g e m i n a l t o t h e s u b s t i t u e n t X; i . e . W. * ^ Î * i X + NO u NO NO. \ I 4-+ NO 2 NO 2 + R e a c t i o n s ( 1 ) - ( 6 ) b e l o w ’’zn o 'net vara I n t h e ( W h e l a n d ) i n t e r m e d i a t e s f o r m e d b y a d d i t i o n o f , t h e n i t r o n i u m i o n a t a n u c l e a r c a r b o n b e a r i n g a h y d r o g e n , r a p i d d e p r o t o n a t i o n o c c u r s t o f o r m t h e e x p e c t e d _ o r t n o _ , m e ta a n d p a r a n l t r o d e r i v a t i v e s . A d d i t i o n a t t h e n u c l e a r c a r b o n b e a r i n g t h e s u b s t i t u e n t i s d e s c r i b e d @g vp a o a d d i t i o n . . T h e t e r m 4p$Q w a s i n t ^ d u c e d b y P e r r i n a n d S k i n n e r ( 3 3 ) . T h e i n t e r m e d i a t e f o r m e d f r o m s u c h a n a t t a c k i s r e f e r r e d t o a s a n i p s O ' W h e l a n d i n t e r m e d i a t e , W ^ . I t c a n u n d e r g o t h e f o l l o w i n g r e a c t i o n s ( 1 0 ) : ( 1 ) , R e t u r n t o t h e e n c o u n t e r p a i r o r s t a r t i n g m a t e r i a l s . T h i s b e h a v i o u r i s e n c o u n t e r e d i n t h e n i t r a t i o n o f o - a n d p ^ n e t h o x y t o l u e n e ( 3 4 ) . ♦
I . 11 ' • (.2) ’ l o s s o f X, r e s u l t i n g i ' n ' i p S j p - s u b s t i t u t i o n ; e . g . n i t r a t i o n o / p - c y m e n e u n d e r v a r i o u s c o n d i t i o n s g i v e s p - n i t r o t o l u e n e {qo,. 10%) . ' , ' b y n i t r o d e a l k y l a t i o n ' ( 3 5 ) . • , ' . (3 ) 1 , 2 m i g r a t i o n o f t h e n l t r o g r o u p , f o l l o w e d b y d e p r o t o n a t i o n , t o -, g i v e p r o d u c t s a l s o o b t a i n e d by d i r e c t n i t r a t i o n ' ( d i s c u s s e d l a t e r ) . (4) s i m i l a r m i g r à t i o n o f X, f o l l o w e d by d e p r o t o n a t i o n , t o g i v e a . r e y r a n g e d p r o d u c t . T h i s b e h a v i o u r i s q u i t e r a r e . ' J" ‘ (5 ) l o s s ' o f a p r o t o n o r o t h e r l e a v i n g g r o u p f r o m a s u b s t i t u e n t r e m o t e ■ . ■ f r o m " t h e ip e o p o s i t i o n , a s o b s e r v e d i n t h e n i t r a t i o n o f p h e n o l s a n d a n i s o l e s . - . I . . -'• (6 ) • c a p t u r e by ,'a\ n u c l e o p h i l e . X Of t h e a b o v e l i s t e d r e a c t i o n s o f W / , t h e l a s t i s o f s p e c i a l , ' ^ ■ s i g n i f i c a n c e s i n c e i t r e g u l t s i n t h e f o r m a t i o n , o t a d d u c t s . The r e a c t i o n i s ' e n c o u n t e r e d ÿ t h e n i t r a t i o n o f v a r i o u s s u b s t r a t e s i n a c e t i c a n h y d r i d e . A l a r g e nun^ber o f a d d i t i o n p r o d u c e s " r e s u l t i n g from • n u c l e o p h i T i c c a p t u r e âf t h e t p s o - W h e l a n d i n t e r m e d i a t e h a v e b e e n o b t a i n e d , , ' l a r g e l y d u e t o t h e e f f o r t s o f F i s c h e r a n d c o = w o r k e r s , a n d a r e l i s t e d ' r i n T a b l e 1 . 3 . ' A l l e x c e p t two o f t h e a c e t o x y n i t r o a d d u c t s l i s t e d i n T a b l e 1 . 3 a r e 1 , 4 a d d u c t s . The 1,4" a d d u c t s a r e a l m o s t a l w a y s f o r m e d a s a m i x t u r e • ■ o f d l a s t e r e o m e r s , c o r r e s p o n d i n g t o t h e f a c t t h a t t h e a c e t a t e n u c l e o p h i l e c a n add t o e i t h e r f a c e o f t h e c y c l o h e x a d i e n y l c a t i o n . H o w e v e r, o n l y o n e d l a s t e r e o m e r o f 1 , 2 a d d u c t s w e r e o b t a i n e d f e o m , 4 - t e j ’t - b u t y l t o l u e n e , a n d . r f r o m 4 - t g r t - b u t y l - o - x y l e n e .' I n t h e l a t t e r p a s e , t h e 1 , 2 a d d u c t was • u n s t a b l e . . ,
' /
' TABLE 1.3 ^
ADDITI(»I COMPOUNDS OBTAINED BY ZRSO NITRATION
1.2 ,N0 GAc H ;N0 OAc H NO OAc NO, OAc -4^ (36) OAc a n d 70% (37) 82% (38) Q OAc 67% (39) . a n d 0 OAc 55% (39) 59% (61) OAc NO OAc .NO a n d '
><
OAc H OAc 51% (40) a n d OAc 50% (43) (42) NO OAc 52% (37). NO a n d lAc i. 68%'(44)13
'V
\so.
OAc a n d OAc 65% (45) NO OAc 91% (46)I
I
NO NO and OAc 30% (45) 50% (45) 27% (48) OAc NO 60% (43) -50% (49) OAc 50% (49) OAc 48% (50)> C
AcO OAC OAcI
1
AcO (CHg)^CO^Xe 60% (51) 60% (52) 40% (53)14 OAc X - 29% (54) X = B f , ( 5 5 ) X = F, (56) NO AcO' X = CN, 29% (57) X = OOMe, 70% (58) X = COPh, 70% (58) NO OAc NO OAc and NO C l OAc X = CN, 22% (57) X = NO^, 37% (59) 30% (60)
15 A c e t i c a n h y d r i d e i s a p a r t i c u l a r l y g o o d s o l v e n t f o r ‘ t h e f o r m a t i o n o f a d d u c t s . T h i s i s i n p a r t b e c a u s e t h e a c e t i c a n h y d r i d e o r t h e a c e t i c a c i d a l s o p r e s e n t i s s u f f i c i e n t l y n u c l e o p h i l i c t o c a p t u r e t h e i p s o c a t i o n b e f o r e r " f t \ : a n u n d e r g o o n e o f t h e o t h e r r e a c t i o n s l i s t e d a b o v e . A l s o i m p o r s i n t i s t h e fact t h a t b e c a u s e o f t h e f o r m a t i o n o f a c e t y l n i t r a t e ( p . 9 , e q u a t i o n 5 ) , a s o l u t i o n o f n i t r i c a c i d I n a c e t i c a n h y d r i d e i s n o t s t r o n g l y acidic; t h e s t r o n g e r a c i d , n i t r i c acid, i s ’ r e p l a c e d b y a w e a k e r a c i d , a c e t i c a c i d . S t r o n g a c i d w o u ld l e a d t o t h e a c i d - c a t a l y z e d l o s s o f a c e t a t e f r o m t h e a d d u c t a n d t h e r e f o r m a t i o n o f t h e I p s o c a t i o n , r e s u l t i n g i n f u r t h e r o p p o r t u n i t y f o r i t t o r e a c t . When t h e s u b s t r a t e i s a p h e n o l o r a p h e n y l a c e t a t e , d l e n o n e s r a t h e r than d l e n e a d d u c t s a r e o b t a i n e d ( 6 1 , 6 2 > . T h i s i s a n e x a m p l e o f r e a c t i o n 5 ( p . 11) o f t h e i p s o - W h e l a n d I n t e r m e d i a t e . NO, rNO, 4" -H 1 --- ^ 1 1 , T h e r e a c t i o n h a s b e e n e x p l o i t e d b y M yhre a n d c o - w o r k e r s (6 3 ) a-tOgdevelop a n - e f f i c i e n t s y n t h e s i s o f a d d u c t s , w h i c h i s p a r t i c u l a r l y u s e f u l i n t h o s e c a s e s w h e r e d i r e c t n i t r a t i o n o f a n a r 'e n e ( g . g . t o l u e n e ) g i v e s a lo w y i e l d . T h e 4 - a l k y l - 4 - n i t r o c y c l o h e x a d i e n o n e s u n d e r g o 1 , 2 a d d i t i o n a t t h e c a r b o n y l g r o u p b y m e t a l h y d r i d e s o r a l k y l l i t h i u m r e a g e n t s t o g i v e s e c o n d a r y a n d t e r t i a r y d i e n o l s r e s p e c t i v e l y . A c é t y l a t i o n o f t h e s e d i e n o l s g i v e s t h e d e s i r e d a c e t a t e s . O v e r a l l y i e l d s o f t h e a c e t o x y n i t r o a d d u c t s a r e g e n e r a l l y h i g h (6 0 % ), w h i c h m a k e s t h e p r o c e s s
1 6 q u i t e a t t r a c t i v e . The p r o c e d u r e 9^ b e r e p r e s e n t e d b y t h e f o l l o w i n g sc h e m e : • « OAc NO OH NO NO NO OAc OH R a - c o m p l e x e s , a r i s i n g fro m ip a o a t t a c k h a v e b e e n o b s e r v e d by n . m . r . i n t h e c a s e o f f u l l y s u b s t i t u t e d a r o m a t i c c o m p o u n d s, s u c h a s h e x a m e t h y l b e n z e n e ( 6 4 ) a n d , m o re r e c e n t l y , i n t h e n i t r a t i o n o f N , N - d i m e t h y l - p - t o l u i d i n e (65).. The o b s e r v a n c e o f t h e s e o - c o m p l e x e s t r o -'2 2 an d f o r m a t i o n o f d i e n e a d d u c t s , a s shown a b o v e , i n d i c a t e t h a t e l e ) p h i l i c a t t a c k n e e d n o t b e r e s t r i c t e d t o t h e a r o m a t i c c a r b o n b e a r i n g h y d r o g e n . T h e r e f o r e , i n a d i s c u s s i o n o f t h e m e c h a n is m f o r n i t r a t i o n , t h e f o r m a t i o n o f an t p e o - W h e l a n d i n t e r m e d i a t e ( W , / , s h o u l d b e c o n s i d e r e d . P r o d u c t s c o r r e s p o n d i n g t o n i t r o d e a l k y l ^ t i n n ^ r e a c t i o n 2 , p . 11) h a v e b e e n o b s e r v e d ' i n t h e n i t r a t i o n o f i s o p r o p y l - a n d t e r t - b u t y l - a l k y l b e n z e n e s w i t h n i t r o n i u m t e t r a f l u o r o b o r a t e i n t e t r a m e t h y l e n e s u l f o n e ,
' s
)
. ■ ■■ \ , /"
a n o n - n u c l e o p h l l l c m edium ( 4 2 ) . T h e e x t e n t o f f o r m a t i o n - o f s u c h & n i t r o d e a ï k y l a t e d p r o d u c t s d e f i n e s t h e d e g r e e o f a t t a c k i p s o t o t h e i s o p r o p y l o r t e r t - b u t y l f u n c t i o n s . N i t r a t i o n o f p - c y m e n e w i t h n i t r i c a c i d i n a c e t i c a n h y d r i d e r e s u l t e d i n t h e f o r m a t i o n o f a 1 , 4 a d d u c t , w h i c h a r i s e s from ’ a t t a c k b y t h e e l e c t r o p h i l e i p s o t o t h e m e t h y l g r o u p ( 4 0 ) . No a d d u c t c o r r e s p o n d i n g t o a t t a c k a t t h e i s o p r o p y l ^ p o s i t l o n w a s o b t a i n e d . N i t r a t i o n o f o - c y m e n e ( 4 2 ) , h o w e v e r , r e s u l t e d % n ^ h e f o r m a t i o n o f p p o s i t i p n a l i s o m e r s a r i s i n g fro m a t t a c k %p8 0 t o e i t h e r L t h e m e t h y l o r i s o p r o p y l f u n c t i o n s . T h u s , t h e I s o p r o p y l f u n c t i o n i s n o t n e c e s s a r i l y e x p e l l f d on a t t a c h m e n t o f a g e m i n a l n i t r o g r o u p , i n m a r k e d c o n t r a s t t o t h e b e h a v i o u r o b s e r v e d i n t h e c a s e o f p - c y m e n e . Th€ r e s u l t s b b t a i n e d i n t h e n i t r a t i o n o f o -c y m e rie h a v e b e ç n a t t r i b u t e d t o t h e s t r a i n i n t r o d u c e d i n m a k i n g t h e v l ^ n a l m e t h y l an d n i Ç r o g r o u p s c o p l a n a r d u r i n g d e i s o p r o p y l a t i o n . I n s u c h - a c a s e , t h e f o r m a t i o n o f a d d u c t s , a l o n g w i t h p r o d u c t s f r o m d e i s o p e o p y l a t i o n , may b e'
,
J
.
c o n s i d e r e d a s a m e a s u r e o f a t t a c k z p s o t o t h e i s o p r o p y l g r o u p . / "a The e f f e c t s o f s u b s t i t u e n t s i n e l e c t r o p h i l r c s u b s t i f u f i o n h a v e '* . ■ , -e, b e e n e x t e n s i v e l y s t u d i e d a n d t h e s e s u b s t i t u e n t s ' h a v e . b e e n c l a s s i f i e d a s o r th o - p a p a o r m e ta d i r e c t i n g , d e p e n d i n g on w h e t h e r o r i h o - p a r a o r m e ta i s o m e r s , a r e ^ b t a i n e d . S u b s t i t u e n t e f f e c t s o n t h e r e a c t i v i t y t o w a r d s e i e c t r o ^ i l i c s u b s t i t u t i o n c a p p i e d e f i n e d i n t e r m s o f t h e p a r t i a l r a t e X ' X X ^ ^ f a c t o r s j m^' a n d p ^ , w h i c h g i v e t l & r e a c t i v i t y o f a r i n g p o s i t i o n o r t h o , m e ta a n d p a r a t o t h e s u b s t i t u e n t X, r e l a t i v e t o a s i n g l e p o s i t i o n i n b e n z e n e ( 4 ) . F o r d l - a n d p o l y s u b s t i t u t e d b e n z e n e s , t h e r e a c t i v i t y a t a g i v e n p o s i t i o n c a n b e c o n s i d e r e d i n t e r m s ' - o f t h e p a r t i a l r a t e f a c t o r s a n d t h e a d d i t i v i t y p r i n c i p l e ; w h i c h a s s u m e s t h a t t h e i n f l u e n c e o f' 18 s u b s t i t u e n t s i s i n d e p e n d e n t an d a d d i t i v e i n t e r m s o f t j i e f i y e e n e r g y o f : i v a t ± o n . The m e a s u r e o f t h e r e a c t i v i t y o f a r i n g p o s i t i o n t o w h i c h a s u b s t i t u e n t i s a t t a c h e d w i l l t h e r e f o r e b e d e t e r m i n e d , n o t o n l y b y t h e p a r t i a l r a t e f a c t o r s o f o t h e r s u b s t i t u e n t s i n t h e r i n g c o r r e s p o n d i n g t o t h a t p o s i t i o n , b u t a l s o by t h e i p s o p a r t i a l r a t e f a c t o r , ( 3 3 ) , d e f i n e d a s i ^ ^ = a t t a c k a t X k C o t a l ^ a t t a c k a t H ArH ^ The c h o i c e o f s u b s t r a t e s f o r s t u d i e s on ip s o n i t r a t i o n i s p a r t l y g o v e r n e d by t h e p a r t i a l r a t e . f a c t o r s f o r e l e c t r o p h i l i c a t t a c k a t v a r i o u s p o s i t i o n s . T h u s , t h e d e g r e e o f a t t a c k a t a s u b s t i t u t e d p o s i t i o n , c o m p a r e d t o a t t a c k ' a t a n u n s u b s t i t u t e d p o s i t i o n , ^ 1 1 b e d e t e r m i n e d b y t h e o v e r a l l a c t i v a t i n g o r d e a c t i v a t i n g s u b s t i t u e n t s a t v a r i o u s p o s i t i o n s . E ven i f t h e s u b s t r a t e i s w e a k l y a c t i v a t e d o r d e a c t i v a t e d r e l a t i v e t o b e n z e n e , a d d u c e s s h o u l d b e f o r m e d when t h e r e a c t i v i t y o f a s u b s t i t u t e d > p o s i t i o n , r e l a t i v e t o a n u n s u b s t i t u t e d p o s i t i o n , i s h i g h . T h u s , i p s o a t t a c k may b e e x p e c t e d i n t h e g a a e o f s u i t a b l y s u b s t i t u t e d o - a n d p - d i a l k y l b e n z e n e s , b u t n o t i n r a - d i a l k y l b e n z e n e s . A c e t o x y n i t r o a d d u c t s h a v e a l s o b e é n i s o l a t e d w h e r e i n t h e n o n - a l k y l s u b s t i t u e n t s a r e c y a n o (5 7 ) A a c e t y l ( 5 8 ) , b e n z o y l (5 8 ) a n d c M o r i n e ( 5 4 ) . I n t h e f i r s t t h r e e c a s ^ i i n a c c o r d a n c e w i t h t h e m eta d i r e c t i n g n a t u r e o f t h e s e s u b s t i t u e n t s , a t t a c k t a k e s p l a c e m e ta t o t h e s e s u b s t i t u e n t s . * The b e h a v i o r o f c h l o r i n e m e th o x y h a s b e e n s t u d i e d i n t h e n i t r a t i o n o f p - c h l o r o a n i s o l e ( 3 3 , 6 6 ) , i n w h i c h 4 - c h l o r ô - 2 - n i t r o a n i s o l e ■
- .w
J
1 9 * w a s , o b t a i n e d a s t h e m a i n p r a d u c t . When t h e n i t r a t i o n w a s c a r r i e d o u t i n \ . a c e t i c a c i d , w h i c h i s a p o o r e r n i t r a t i n g m ed iu m t h a n a c e t i c a n h y d r i d e , 4 - c h l o r o - 2 - n i t r o p h e n o l w a s a l s o o b t a i n e d , t h e y i e l d o f w h i c h r e a c h e d a maximum (40%) i n m o r e a q u e o u s m i x t u r e s . T h e maximum y i e l d o f t h e n i t r o p h e n o l w a s t h e r e f o r e u s e d t o m e a s u r e ‘t h e e x t e n t o f f p s o a t t a c k , s i n c e b o t h p - c h l o r o a n i s o l e a n d 4 - c h l o r o - 2 - n i t r o a n i s o l e a r e s t a b l e t o d é m é t h y l a t i o n u n d e r t h e c o n d i t i o n s e m p l o y e d . T h e n i t r a t i o n o f p c h l o r o -, ^ a n i s o l e i n a q u e o u s s u l f u r i c a c i d h a p a l s o b e e n ' s t u d i e d (6 6 ) a n d t h e f o l l o w i n g m e c h a n i s m s u g g e s t e d f o r t h e f o r m a t i o n o f 4 - c h l o r o - 2 - n i t r o p h e n o l , OMe + MeO. ,0H OH NO C l / p o s s i b l e s e p a r a t i o n a n d r e c o m b i n a t i o n b y d i f f u s i o n % • C l C l T h e r a t i o o f p a r t i a l r a t e f a c t o r s m , : i ^ h a s b e e n o b t a i n e d A _ ' . ' • - a s 1 . 1 : 1 f r o m t h e n i t r a t i o n o f p - c h l o r o a n î s o l e ( 3 3 ) ; i . a . a c h l o r i n e a t om d e a c t i v a t e s t h e m e ta a n d i p s o p o s i t i o n s t o a s i m i l a r . e x t e n t , T h i s r a t i o i s i n ç l o s e a g r e e m e n t w i t h t h e r e s u l t s o b t a i n e d i n t h e n i t r a t i o n d f c h l o r o m e s i t y l e n e ( 6 0 ) . T h e r e l a t i v e a m o u n t s o f n i t r o m e s i t y l e n e ^ n d d i e n e adduce ( a r i s i n g f r o m a t t a c k i p s o t o c h l o r i n e ) , a f t e r c o r r e c t i n g f o r t h ef t y 20 s t a t i s t i c a l f a c t o r o f ’ 2 f a v o u r i n g s u b s t i t u t i o n , show t h e r a t i o o f C l . C l m.
NO
Cl
1 I I ' ' 'OAc , ! T h e c o n c e p t o f p a r t i a l r a t e f a c t o r s c o u l d t h e r e f o r e b e e m p l o y e d f o r p r e d i c t i n g t h e e x t e n t o f 'L'pso a t t a c k a n o t n e '^pso w n e l a n d i n t e r m e d i a t e s f o r m e d b y s u c h an a t t a c k ' c p u l d b e c a p t u r e d , i n a c e t i c » a n h y d r i d e , t o g i v e d i e n e a d d u c t s . 1 . 4 R é a c tio n s o f A d d u cts V T h e a d d u c t s o b t a i n e d by s u c h a n u c l e o p h i l i c c a p t u r e r e a d i l y \ r e a r o m a t i z e i n s o l u t i o n , ^ T h e m e c h a n i s m s , o f r e a r o m a t i z a t i o n h a v e b e e n J e x t e n s i v e l y i n v e s t i g a t e d , a n d two p r i n c i p a l m o d e s , b o t h i n v o l v i n g t h e i n t e r m e d i a c y o f a c y c l o h p x a d i e n y l c a t i o n , h a v e b e e n e s t a b l i s h e d . S o l v o l y t i c d i s p l a c e m e p r c a n o c c u r e i t h e r b y l o s s o f a c e t a t e o r b y l o s s o f n i t r o gro^^fp a s n i t r i t e . U n d e r s t r o n g l y a c i d i c c o n d i t i o n s , t h e f o r m e r p r o c e s s i s p r e f e r r e d . P r o t o n a t i o n o f t h e m o r e b a s i c e s t e r f u n c t i o n p r o v i d e s a lo w e n e r g y p a t h f o r t h e l o s s o f a c e t a t e a s a c e t i c a c i d ( 6 7 ) . T h e i p s o - n i t r o c y c l o h e x a d i e n y l c a t i o n t h u s f o r m e d , c a n r e a r o m a t i z e b y a v a r i e t y o f p a t h w a y s , d e p e n d i n g o n t h e c o n d i t i o n s . U n d e r s t r o n g l y i p n i s i n g c o n d i t i o n s , s u c h a s t h o s e o b t a i n e d u s i n g h y d r o x y l i c s o l v e n t s , u n i m o l e c u l a r i o n i s a t i o n o f t h e n i t r o g r o u p a s n i t r i t e (6 8 ) p r o d u c e s a n a c e t o x y c y c l o h e x a d i e n y l c a t i o n w h i c h c a n g i v e r i s e t o a w i d e/ 2 1 r a n g e o f r e a c t i o n s . T h e r e a c t i o n s o f d i e n e a d d u c t s c a n t h e r e f o r e b e b r o a d l y c l a s s i f i e d two c a t e g o r i e s : (A ) " r e a c t i o n s p r o c e e d i n g t h r o u g h r e p l a c e m e n t o f t h e a c e t a t e g r o u p ; a n d (B) ■ r e a c t i o n s p r o c e e d i n g t h r o u g h r e p l a c e m e n t o f t h e n i \ r ® g r o w . (A) R e a c t i o n s p r o c e e d i n g t h r o u g h r e p l a c e m e n t o f t h e a c e t a t e g r o u p T he a c e t a t e f u n c t i o n i n t h e d i e n e a d d u c t s c a n be r e p l a c e d w i t h o t h e r n u c l e o p h i l e s u n d e r s u i t a b l e c o n d i t i o n s . T h e a d d u c t s f r o m p - x y l e n e s e r v e a s a n e x c e l l e n t m o d e l f o r s u c h s t u d i e s . On t r e a t m e n t w i t h m e t h a n o l l c a l k a l i , a c i d i f i e d m e t h a n o l , f o r m i c a c i d o r h y d r o c h l o r i c a c i d . t h e a c e t o x y d i e n e s a r e c o n v e r t e d t o h y d r o x y , m e t h o x y , f o r m o x y an d / c h l o r o d i e n e s r e s p e c t i v e l y (36,39#). s t e r e o s p e c l f I c ? te a t # NO NO OAc NO OCHO H y d r o l y s i s o c c u r s t h r o u g h a c y l - o x y g e n b o n d f i s s i o n .
2 2 / ■ J i R e c e n t l y , t h e e x c h a n g e o f a c e t o x ^ f o r m p t h o x y . f u n c t i o n 'nas'. h e e n c a r r i e d b u t p h o t o c h e m % c a l l y ( 6 9 ) . P h o t o s o l v o l y s i s o f t h e a c e t o x y n i t r o a d d u c t s o f p - x y l f p e i n m e t h a n o l p r o c e e d e d i n a s t e r e o s e l e c t i v e m a n n e r t o g i v e m e t h o j i ^ i t r o a d d u c t s . S u b s t i t u t i o n o f m e t h a n o l w i t h e t h a n o l , p r o p a n o l a n d a l l y l a l c o h o l g a v e t h e c o r r e s p o n d i n g . e t h y l , p r o p y l a n d a l l y l e t h e r s s t e r e o s e l e c t l v e l y . I r r a d i a t i o n s i n e t h e r o r p e n t a n e y i e l d e d p - x y l e n e , t h r o u g h t h e i n t e r m e d i a c y o f a c y c l o h e x a d i e n y l r a d i c a l . h v / e t h e r o r p e n t a n e hu/MeOH s t e r e o s e l e c t i v e OMe T h e c h l o r o d i e n e s , o b t a i n e d by t h e r e a c t i o n o f t h e a c e t o x y d i e n e s w i t h h y d r o c h l o r i c a c i d , c a n a l s o u n d e r g o a v a r i e t y o f t r a n s f o r m a t i o n s . N u c l e o p h i l i c e x c h a n g e o f t h e h a l o g e n a n d s u b s e q u e n t r e a r o m a t i z a t i o n c a n . g i v e a s e r i e s o f u s e f u l p r o d u c t s i n c o n s i s t e n t l y h i g h y i e l d s ( 7 0 ) . S i n c e t h e a c e t o x y n i t r o a d d u c t s c a n b e o b t a i n e d i n h i g h y i e l d s , e i t h e r b y i p8 0 n i t r a t i o n o f t h e a r o m a t i c h y d r o c a r b o n s o r t h r o u g h t h e n i t r o d i e n o n e s , t h e e a s e o f t h e s e t r a n s f o r m a t i o n s sh o w s t h a t , b e s i d e s p r o v i d i n g u s e f u l m e c h a n i s t i c i n f o r m a t i o n , t h e s e a d d u c t s h a v e c o n s i d e r a b l e s y n t h e t i c p o t e n t i a l .
23 NH_.R,N*Br CHgCl, KOC-Bu, THF ' x ^ '/XiT. NaOMe/MeOH
X
Cla
o
OMe RjX Br ,CH Cl. T he r e a r o m a t i z a t i o n p a t h w a y s a v a i l a b l e t o t h e i n t e r m e d i a t e n i t r o c y c l o h e x a d i e n y l c a t i o n , g e n e r a t e d b y l o s s o f t h e a c e t a t e g r o u p , c o u l d r e s u l t i n t h e f o r m a t i o n o f b e n z y l i c p r o d u c t s , o r p r o d u c t s r e s u l t i n g f i o m m i g r a t i o n o f t h e n i t r o g r o u p . I n t e r n a l c o m p e t i t i o n , b e t w e e n d e p r o t o n a t i o n t o g i v e benzylic p r o d u c t s a n d n i t r o g r o u p m i g r a t i o n , w i l l b e d e t e r m i n e d b y t h e b a s i c i t y o f t h e s o l v e n t , w i t h i n c r e a s i n g b a s i c i t y f a v o u r i n g t h e f o r m e r p r o c e s s . C o n s e q u e n t l y , u n d e r s t r o n g l y a c i d i c c o n d i t i o n s , t h e f o r m a t i o n o f n i t r o a r e n e s i s f a v o u r e d . T h e f o r m a t i o n o f n i t r o a r e n e s o c c u r s b y a n i n t r a m o l e c u l a r 1 , 2 n i t r o s h i f t24 i a t h e n i t r o c y c l o h e x a d i e n y l àarÇîbn i n a c i d i c , w e a k l y n u c l e o p h i l i c M e d i a ( 7 1 , 7 2 ) . T h e f o l l o w i n g s c h e m e h a s b e e n u s e d t o e k p l a i n t h e I m p o r - t a n t t r a n s f o r m a t i o n s o b s e r v e d i n t h e c a s e o f t e r t i a f y a d d u c t s ( 4 5 , 5 8 ) . I : V H +H ,-H O A C ) + 1 Cn_X T h e a c i d - c a t a l y z e d r e a c t i o n , l e a d i n g t o b e n z y l i c p r o d u ' c t s , <i -i s d e p e n d e n t on t h e p r e s e n c e o f , a p a r a - m e t h y l g r o u p a n d t h e a v a -i l a b -i l -i t y o f s u i t a b l e n u c l e o p h i l e s . U n d e r s u ï - t a b j . e c o n d i t i o n s , b e n z y l i c n i t r i t e s , * ^ ^ ^ n i t r a t e s , a c e t a t e s a n d . m e t h y l e t h e r ' s h a v e b e e n O b t a i n e d ( 4 3 ) .
a
^met A n u m b er o f o t h e r m e c h a n i s m s h a v ^ ^ a l s o b e e n p r o p o s e d ( 9 ) , t o . a c c o u n t f o r t h e f o r m a t i o n o f b e n z y l i c n i t r o ‘c om pounds i n . o t h e r s y s t e m s . T h e m i g r a t o r y a p t i t u d e o f t h e n i t r o g r o u p i n 1 , 2 - d i m e t h y l - l - n i t r o c y c l o h e x a d l e n y l c a t i o n h a s b e e n s t u d i e d a n d i t h a s b e e n r e c e n t l y d e m o n s t r a t e d ( 7 3 ) , t h a t a l , 2 " n i t r o s h i f t t o a n a d j a c e n t s u b s t i t u t e d p o s i t i o n i s f a s t e r t h e n ' t o a n o p e n p o s i t i o n . T h e a b s e n c e o f 1 , 2 - d i m e t h y l - 4 - n i c r o b e n z e n e a s a p r o d u c t ( 7 1 ) s h o w s t h a t m i g r a t i o n , a c r o s s a n u n s u b s t i t u t e d p o s i t i o n d o e s n o t o c c u r . T h e 1 , 3 m i g r a t i o na c r o s s a - s u l ^ s t l t u t e d p o s i t i o n can b e c o n s i d e r e d a s s e q u e n t i a l 1 , 2 s h i f t s . NO T) I , 2 n i t r o ^ s h i f t 1 , 2 n i t r o s h i f t -K 1 , 2 n i t r o s h i f t NO 2 Ln t h e a b s e n c e o f a 1 , 2 s h i f t t o a - s u b s t i t u t e d p o s i t i o n , t h e d i - d e u t e r a t e d p r o d u c t s h o u l d b e f o r m e d e x c l u s i v e l y . H o w e v e r, s i n c e t h e r a t e o f . m i g r a t i o n b e tw e ^ z f ^ 'tw b .^ a d ja c e n t i p s o p o s i t i o n s i s f a s t e r ' t h a n t h e r a t e j r o n a n r p s o t o a n o p e n p o s i t i o n , t h e r a t i o o f m o n o - : d i - d e u t e r a t e d 1 , 2 - d i m e t h y l - 3 - p J . c r o b e n z e n e a p p r o a c h e s 1 : 1 . , I n t e r e s t i n g l y e n o u g h , when t h e s u b s t i t u t e d oi^tho p o s i t J . c n h a s a n I s o p r o p y l ( r a t h e r t h a n a n e t n y l ) s u b s t i t u e n t , d e i s o p r o p y l a t i o n o c c u r s f r o m t h e r e a r r a n g e d n i t r o c y c l o h e x a d i e n y l c a t i o n . A c i d —c a t a l y z e d r e a r o m a t i z a t i o n o f t h e a d d u c t s 'f r o m o - c y m e n e g a v e . o - n l t r o t o l u e n e a s . t h e m a i n p r o d u c t ( 4 2 ) . A g a i n t , p8 0- r p a o m i g r a t i o n (and s u b s e q u e n t d e i s o p r o p y l a t i o n ) i s f a v o u r e d o v e r m i g r a t i o n t o a n o p e n p q s i t i o n (a n d s u b s q u e n t d e p r o t o n a t i o n ) . A b s e n c e o f a n y .3—n i t r o —o —cymene show s - t h a t n i t r o d e l s o p r o p y l a t l o n i s g r e a t l y f a v o u r e d o v e r m i g r a t i o n t o C—3.
I
OAc
OAc +H*\-HOAc I
-I-^6
T he sym m etry o f I , i - d i s u b s t l t u t e d compounds s u c h a s p - x y l e n e an d p - d l e t h y l b e n z e n e m akes i t d i f f i c u l t t o d i s t i n g u i s h 1 ,2 fro m 1 , 3 n i t r o s h i f t s . S t u d i e s on p o l y m e t h y l b e n z e n e s s u c h a s p s e u d o c u m e n e , p r - e h n i t e n e and i s o d u r e n e (4 5 ) h a v e a l s o e n a b l e d t h e s e q u e n c e o f t h e s e r e a r r a n g e m e n t s t o b e d e d u c e d . Such a d i f f e r e n t i a t i o n i s e s p e c i a l l y i m p o r t a n t s i n c e 1 , 3 n i t r o s h i f t s , a c r o s è ait o p en p o s i t i o n , h a v e b e e n o b s e r v e d i n t h e r e a c t i o n s o f t h e a d d u c t fro m 2 , 3 - d i m e t h y l b e n z o r t i t r i l e ( 5 7 ) , a n d I n t h e d e c o m p o s i t i o n o f n i t r o d i e n o n e s ( 3 3 , 6 1 , 6 2 , 7 4 ) , ’ S t u d i e s on t h e 1 , 3 n i t r o s h i f t i n t h e d e c o m p o s i t i o n o f n i t r o d i e n o n e s show t h a t , i n n o n - a c i d i c m e d i a , a r a d i c ^ d l s s o c i a t i o n - r e c o m b ÿ i a t i o n m ech a n ism i s i n v o l v e d ( 7 5 ) . I n s t r o n g l y a c i d i c m e d i a , r e v e r s i o n o f t h e c o n j u g a t e a c i d o f t h e n i t r o d i e n o n e t o t h e e n c o u n t e r p a i r , f o l l o w e d by r e c o m b i n a t i o n a t t h e o p th o p o s i t i o n , i s l i k e l y ( 7 5 , 7 6 ) . The m e c h a n is m s f o r t h e d e c o m p o s i t i o n , u n d e r v a r i o u s , c o n d i t i o n s , ' a r e shown i n t h e f o l l o w i n g s c h e m e s :
NO NO 2 OH Scheme 1 . 1 D e c o m p o s i t i o n o f n i t r o d i e n o n e s i n n o n - a c i d i c m e d i a + NO. OH NO 4-•0 NO 2 OH Scheme 1 . 2 D e c o m p o s i t i o n o f n i t r o d i e n o n e s i n s t r o n g l y - a c i d i c m e d i a
28 U n d e r s u i t a b l e c o n d i t i o n s , t h e 1 , 3 m i g r a t i o n o f t h e n i t r o g r o u p may b e s e l e c t i v e ; i . e . , o u t o f two p o s s i b l e p r o d u c t s , o n l y o n e may b e f o r m e d . T h i s c a n o c c u r when o n l y o n e o f t h e two m i g r a t i o n
termini i s unsubstituted, or when a s u i t a b l e g r o u p , c a p a b l e o f
s e l e c t i v e l y d i r e c t i n g t h e n i t r o g r o ^ n t o a g i v e n p o s i t i o n , i s p r e s e n t . T h e f o r m e r s i t u a t i o n i s e n c o u n t e r e d A y t h l s s t u d y , w h e r e a s , t h e
. l a t t e r phenom enon h a s b e e n o b s e r v e d i n t h e n i t r a t i o n o f o - m e t h y l a n i s o l e . N i t r a t i o n o f o - m e t h y l a n l s o l e ( 3 4 ) , i n a q u e o u s s u l f u r i c a c i d , g a v e
2-methyl-6-nitrophenol, but not the 6_nitro isomer, as a product of the r e a c t i o n . D é m é t h y l a t i o n p r i o r t o n i t r a t i o n i s u n l i k e l y , a s shown by t h e a b s e n c e o f t h e 4 —n i t r o i s o m e r , w h i c h i s o b t a i n e d i n t h e n i t r a t i o n oj. v - c r e s o l . H e n c e , t h e r e a c t i o n i s b e l i e v e d t o p r o c e e d t h r o u g h t h e i n t e r m e d i a c y o f a n i t r o c y c l o h e x a d i e n o n e ; t h e s p e c i f i c 1 , 3 r e a r r a n g e m e n t Oi t h e n i t r o g r o u p t o t h e C— 6 p o s i t i o n b e i n g a s s o c i a t e d w i t h t h e p r e s e n c e o f t h e a d j a c e n t o x y g e n s u b s t i t u e n t f a c i l i t a t i n g t h e p r o c e s s , p r e s u m a b l y t h r o u g h t h e i n t e r m e d i a c y o f a p h e n y l n i t r a t e (7 7) . OMe OMe + NO, 0..N 4—n i t r o — a n d 6- n i t r o - 2r m e c h y l a n i s o l e s O' 'NO, MeO. OH NO.
29 A s i m i l a r p h e nom enon i s o b s e r v e d i n t h e n i t r a t i o n o f 2 , 5 - d i m e t h y l p h e n o l i n a c e t i c a n h y d r i d e ( 7 8 ) . n . m . r . s t u d i e s showed t h e f o r m a t i o n o f a n i t r o d i e n o n e (*^90%) , wlTich d e c o m p o s e d on w o r k - u p , t o g i v e , e x c l u s i v e l y , 2 , 5 - d i m e t h y l - 6 - n i t r o p h e n o l , w i t h o u t a n y o f t h e 4 - n i t r o i s o m e f . A g a i n , o x o - p â r t i c i p a t i o n may b e i n v o l v e d . OH NO 2 .0 ^ * «r T h u s , a 1 , 3 m i g r a t i o n o f t h e n i t r o g r o u p h a s b e e n o b s e r v e d i n t h e d e c o m p o s i t i o n ofi. p i t r o d i e n o n e s i ' ^ d , u n d e r s u i t a b l e c o n d i t i o n s , t h e p r o c e s s m aybe s p e c i f i c . D i e n o n e - p h e n o l r e a r r a n g e m e n t s h a v e a l s o b e e n s t u d i e d i n t l i e c a s e o f 4 - c h l o r o - 4 - m e t h y l c y c l o h e x a d i e n o n e s ( 7 9 ) , w h i c h d e c o m p o s e r a p i d l y i n t r i f l u o r o m e t h a n e s u l f o n i c a c i d , t o g i v e p r o d u c t s a r i s i n g fro m a 1 , 2 s h i f t o f t h e c h l o r i n e . « E n e r g y r e q u i r e m e n t s r e n d e r a r a d i c a l p a t h w a y l e s s l i k e l y , w h e r e a s , l o s s o f c h l o r i n e f r o m t h e ‘c o n j u g a t e a c i d o f t h e c h l o r o d l e n o n e w o u l d r e q u i r e a g ood n u c l e o p h i l e . H e n c e , a 1 , 3 s h i f t i s n o t o b s e r v e d i n t h e s e r e a r r a n g e m e n t s .
' - J 30 C l CFLSOJH OM Cl AcOH 7" No- d e c o m p o s i t i o n 0 . (B) R e a c t i o n s p r o c e e d i n g t h r o u g h l o s s o f t h e ; n i t r o g r o u p . I n s t r o n g l y i o n i s i n g m e d i a , t h e a d d u c t s p n d e r g o l o s s o f t h e e l e m e n t s o f n i t r o u s a c i d , t o ' g i v e a r y l a c e t a t e s . T h e * b e h a v i o u r o f t h e s e c o n d a r y a d d u c t s i s u s u a l l y d i f f e r e n t . f r o m t h a t o f t e r t i a r y a d d u c t s ( 3 8 ) . . . J T h e d o m i n a n t r e a c t i o n , o f a d d u c t s n o t h a v i n g a n a l k y l g r o u p a t t h e s i t e t h e a c e t a t e , i s 1,4 e l i m i n a t i o n o f n i t r o u s a c i d ( 3 6 , 4 5 , 4 9 , 5 4 ) . M y h r e (6 8 ) h a s sh o w n t h a t t h e r e a c t i o n o c c u r s b y a n E l t y p e m e c h a n i s m . T h e f o r m a t i o n o f r e a r r a n g e d a c e t a t e s i n t h e c a s e o f t e r t i a r y a d d u c t s o c c u r s by a s i m i l a r m e c h a n i s m . The a c e t a t e g r o u p c a n m i g r a t e w i t h o u t e x c h a n g e ' * w i t h t h e s o l v e n t ( e . g . a c e t i c a c i d - d ^ ) _&nd h e n c e , t h e p r o c e s s i s i n t r a m o l e c u l a r . NO -NO -H H OAc OAc OAc NO ,+ s h i f t OAc OAc OAc . OAc '
