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ii I Fischeir ,.Supervisor: Professor Alf rep .-,-
.,.
ABSTRACT
I
..
'
• J'
Nu,,cleophilic trapping by
ac~te
anion 6f i.pso-Wheland intermediatesMe ·.
(Wi ) f~rmed in the nitration of. 4-X-toluenes (X=Br, Cl, OMe, NHCOMe)
and·2-X-4-met~ylanisoles (X=Br, Cl, N0 2), yielded.
(Z)-3-X-6-methyl-6-.
.
,~itrocyclohexa-2,4-dienyl and (Z)~4-X-3-metho~y-6-methyl-6-nitro
-.,;
cyclohexa-2,4'-dienyl acetates respectively. Both (E)- and.
'
(Z)-diastereomers of
2-nitro~3-methoxy-6-methyl-6-nitrocyclo-hexa-2 ,4-dienyl ::i.cetates were also' forfned. in the nitration of the
o~rresponding anisole. Si=iilar nitration of 3-X-4-methylanisole' (X=Cl,
N0 2) yielded 3-X-4-methyl-4-nitrocyclohexa~2,4-dienones. The opserved
• ordet.of r~activity o~ these substrates in nitration and the
1
,
regioselec~ivity of the nucleophilic trapping can be, explained in terms
of ~he electronic and steric effects of the substituents. The isomer
.
p~oportions obta~ned in the nitration agree with those predicted on the
b~sis
of the principle· of additivity of substituent~ffects
and are discussed in Chapter II of this dissertation.Several l-Y-S-X-2-methyl-6-nitrocyclohexa-2,4-dienes (Y=OAc,
.<
Cl, OH,, OMe; X=Cl, Br, NHCOCHj, OMe) were prepared from
l-Y-3-X-6-methyl-6-nitrocy°Clohexa-'2,4-dienes under neutral conditions by
a ther~ally induced [1,S]~nitro shift . . The \eaction has contrioutions
....
fr~m both •radical chain process, leading to epimerization, ~qd a
'
.
stereospecific [ 1, S]-sigmat ropic shift. The former proce~s. was
suppressed by radical traps. Effects of substituents
drt
the·mechanismdf these reactions•are discussed in chapter III.
\· / :
...
,·.
.
.
,.
..
'
I1·
I ~.
iii
'Pnder acidic.conditiohs; (Chapter .IV) thet:Oienes revert to;thi'
• I ·~' ··r ' ,,. r•
w~e,
bu-t_. withqec~easing,"acidi'ty, r~~.c.tfons
via otherinterm~?.iates
.•• • - -+ ••• ···- , .
be'come important for those dienes ·llihich do' not contatn~-·met:hoxy
;
~--~
'.substituent. The fate of the J;_e ls dependent. on the
substi~~ents
and....
..
Me
also on ~he-nucleophilicity of the ie~ction meaia. The wi fr~m dienes
...
bearing a
~thoxy
grpup reactvia.~hice
encounter pair, at high~~fdrtf~s,
\"~ .. .... "" , ~ h,.
or are trapped by nuclepphiles to. yi¢.ld 1, 4'-adducts which ultimat.e.ly ·
• >
collapse to cr.esols via dienones. The extent of denit rat:ion .. via leakage
r~ ~ ...; r
ftom
the encount~r pair increases wh~ deactivating su~titue~ts .(N0 2>C1) are present on 'the ring.
A
;,2-nitro shift in · th~.wi ' Me from . dienes (X=Cl, Br) under strongly acid\c co~ditions was observed~ but with decrease in acidity aromatizatio~ via nitrou~ aci~.~limination fTom the dienes. and .rea~tions via rearrang~U dienes becomes important.· Several· (Z )-l-Y-3-X--6--uiethyl-6-nit rocyclohexa-2, 4-dienes (Y=Cl, Br,
OMe;
X2 Gl, Br) and 1-Y-2~~-r~-methoxy -4-meth~l-4-nitrocyclbhexa-2,S-dienes
(Y=CN, '6Me;
X=H,
Cl,N0 2)
were prepared byMe
nucleophilic trapping of Wi , regenerated from the ipso-adducts. Similar reactions with other nucleophiles unde~ milder conditions, are
{ ~
discussed in Chapter
v.
.
'
·
The 1,2-adducts formed.by nucleophilic trapping were shown
}
.
to be (Z)-diastereomers by a combination of X-ray crystallography and
NMR studies. This stereoselectivity on diene formation (apprvi~h of "·
~ .
~nucleophil~s.anti ~o
..
the methyl group on~h~
adjacent carbon) is unique "\ ..,,and can be rationalized in terms 'of steric approach. control of the •,
incomin~ nucleophile. 1,4-Dienes are not fonned stereoseleci:ively.
•
..
Examiners:.
(A. Fisqer) ~ ..
..
Preliminary Pages t a b l e o f c o n t e n t s. Page No. Abstract Table cl Contents List of Tables Li#t of Figures Acknowledgements Dedication ii V ix xii XV xvi CHAPTER I: INTRODUCTION L . I Openi ng Remarks 1 . 2 The I o n i c Mechanism o f N i t r a t i o n \ ( i t h N i t r o n i u m I on + 1 . 2 . 1 E v i d e n c e f o r t h e N i t r o n i u m I o n (NO2) a s th'e * E l e c t r o p h i l e i n t h e I o n i c Mechanism . . ' ' * ' j 1 . 2 . 2 The S t e p w i s e Mechanism i n N i t r a t i o n w i t h NO2 ' 1 . 3 N i t r a t i o n P r o c e e d i n g v i a E l e c t r o n T r a n s f e r 1 . 4 N i t r a t i o n v i a a R a d i c a l Mtechânism 1 . 5 N i t r a t i o n y i a N i t r o s a t i o n *1.6 The Mechanism o f N i t r a t i o n i n A c e t i c A n h y d r i d e 1 . 7 The Wheland I n t e r m e d i a t e 1 . 8 I p s o - W h e l a n d I n t e r m e d i a t e s 1 . 8 . 1 I p s o S u b s t i t u t i o n 2 3 8 10 11 13 17 22
V I 1 . 8 . 2 R e a r r a n g e m e n t o f S u b s t i t u e n t s ' O r t h o o t P a r a -t o -t h e ipso P o s i -t i o n 23 1 . 8 . 3 M i g r a t i o i i o f t h e O r i g i n a l S u b s t i t u e n t s 25 1 . 8 . ^ N u c l e o p h i l i c C a p t u r e o f I p s o- W he l ai r d I n t e r m e d i a t e s • .— :—, 25
CHAPTER II: FORMATION OF IPSO ADDUCTS
2 . 1 I n t r o d u c t i o n ' 27 2 . 2 R e s u l t s a nd D i s c u s s i o n - ^ 34 r 2 . 2 . 1 N i t r a t i o n o f 4 - X - t o l u e n e s ' 38 2 . 2 . 2 N i t r a t i o n o f 4 - M e t h y l a n i s y l D e r i v a t i v e s 50 2 . 2 . 3 R e a c t i v i t y o f t h e A r o m a t i c s N i t r a t e d ' 63 2 . 2 . 4 P o s i t i o n a l S e l e c t i v i t y ( P r o p o r t i o n of- Ipscx-V « a d d u c t s ) , 6 6 ' . ' - 2..2*5 R e g i o s e l e c t i v i t y i n N u c l e o p h i l i c ' T r a p p i n g 71 • Y . ' ' ■ • ,
CHAPTER III: THERMAL REACTIONS OF IPSÙ ADDUCTS
3 . 1 . I n t r o d u c t i o n _ 78 3 . 2 R e s u l t s a nd D i s c u s s i o n 3 . 2 . 1 F o r m a t i o n a n d C h a r a c t e r i z a t i o n o f I s p m e r i z e d 'Dienes . , 82 3 . 2 . 2 S t r u c t u r e a nd S t e r e o c h e m i s t r y o f 3 ' - X - 6 - m e t h y l - 6 - p i t r o c y c l o h e x a - 2 , 4 - d i e n e s , " 89 3 . 2 . 3 S t r u c t u r e a nd S t e r e o c h e m i s t r y o f 5 - X - 2 - m e t h y l - 6 - n i t r o c y c l o h e x a ' - 2 , 4 - d i e n e s 95 3 . 3 Mechanism o f t h e T h e r m a l I s o m e r i z a t i o n 108
• e '
^ V l l
3 . 4 T h e r m a l ReacCi oAs o f D i e n e s from- 2 - X - 4 - m e t h y l - a n i s o l e s 134 3 . 5 A r o m a c i z a c i o n o f D i e n e s ' a t P y r o l y t i c C o n d i t i o n s ( f S u ' C ) l'37
CHAPTER IV: ACID CATALYZED REACTIONS OF IPSO ADDUCTS
4 . 1 . I n t r o d u c t i o n * , „ , ' 139 A*"' 4 . 2 R e s u l t s a n d D i s c u s s i o n ■* 4 . 2 . 1 R e a c t i o n s o f 3 - X - 6 - m e t h y l - 6 - n l t r o c y c l o h e x a - ^ 2 , 4 - d l e n y l a c e t a t e s 146 - 4 . 2 . 2 R e a c t i o n s o f ( Z ) - and ( E ) - 5 - X - 2 - m e t h y l - 6 - n l t r o c y c l o h e x a - 2 , 4 - d l e n y l a c e t a t e s 158 . 4 . 2 . 3 R e a c t i o n s o f D i e n e s b e a r i n g He t h o x y g r o u p s .*£ 159 4 . 3 Mechanisms o f Acid C a t a l y z e d R e a c t i o n s o f D i e n e s 165
CHAPTER V: REACTIONS OF IPSO ADDUCTS WITH NUCLEOPHILES IN NEUTRAL OR WEAKLY ACIDIC MEDIA
' ■ 5.1 I n t r o d u c t i o n 174 5 . 2 R e s u l t s a n d D i s c u s s i o n 5 : 2 . 1 R e a c t i o n s o f D i e n e s from 4 - c h l o r o - and 4- br omo t o l u e n e , ' _ 1-82 5 . 2 . 2 R e a c t i o n s o f D i e n e s b e a r i n g Methoxy g r o u p s 1 9 2 , 5 . 2 . 3 R e a c t i o n s w i t h Al uminium h y d r i d e s 200
v i i i
CHAPTER VI: CONCLUSIONS 203 .
CHAPTER VII: EXPERIMENTAL PROCEDURE A
7 . 1 I n s t r u m e n t a t i o n ^ 2Ü.9* 7 . 2 R e a g e n t s ’ '• . 210 < 7 . 3 P r e p a r a t i o n o f S t a r t i n g M a t e r i a l s and A u t h e n t i c Sa mpl es 211 7'.4 N i t r a t i o n R e a c t i o n s • 215 7 . 5 L a r g e S c a l e I s o m e r i z a t i o n o f D i e n e s l e a c j i n g t o C h a r a c t e r i z a t i o n o f new D i e n e s " 230 * 7^.6 K i n e t i c S t u d i e s on t h e T h e r m a l R e a c t i o n s o f D i e n e s 242 7 .7 S m a l l S c a l e I s o m e r i z a t i d n s f o l l o w e d orn t h e R—32 * ^ (90MHz) NMR s p e c t r o m e t e r 248 7 . 8 P y r o l y s i s ' o f D i e n e s a t 150®C 256 7 . 9 Aci d C a t a l y z e d R e a c t i o n s o f D i e n e s ' ' ' 257 7 . 1 0 R e a c t i o n s o f Diene's w i t h N u c l e o p h i l e s “■ 282 7 . 1 1 R e a c t i o n s o f D i e n e s w i t h H y d r i d e s 300
/
REFERENCES 306i x LIST O F 't a b l e s. . 2 . 1 Summary o f C o n d i t i o n s f o r N i t r a t i o n , a n d C o m p o s i t i o n o f R e a c t i o n M i x t u r e P r i o r t o Work up 35 • • 1 2 . 2 The H-NMR d a t a o f D i e n e s o b t a i n e d from N i t r a t i o n ‘ 37 • ' 1 3 . - . , - ' 2 . 3 The C-NMR d a t a o f D i e n e s o b t a i n e d f ro m N i t r a t i o n 37 « ' 2 . 4 I n t e r a t o m i c D i s t a n c e s (Â) f o r . Di e n e 101 . 43 2 . 5 Bond A n g l e s ( ° ) f o r Di ene 101 43 , " 1 3 . . . . 2 . 6 C o m p a r i s o n o f C - c h e m i c a l s h i f t s o f C-2 and C-3 o b s e r v e d i n D i e n e s 100- 102 w i t h t h a t r e p o r t e d f d t * m o n o s u b s t i t u t e d O l e f i n s ' ' i 46 2 . 7 T e m p e r a t u r e De pe n de n ce o f H-NMR C h e m i c a l s h i f t s o f Di e ne 103 . 47
\
2 . 8 P a r t i a l R a t e F a c t o r s ' o f M o n o s u b s t i t u t e d B enz ene d e r i v a t i v e s PhX . ' 67 2 . 9 P e r c e n t a g e I p s o P r o d u c t from N i t r a t i o n o f 4MePhX 6 8 : ' \ 2.10* R a t i o o f 1 , 3 - and 1 , 4 - d i e n e s o b t a i n e d i n t h e N i t r a t i o n o f T o l u e n e and 4 - X - t o l u e n e s 73 I ' 2 . 1 1 R e l a t i v e , E n e r g i e s ( k j / m o l e ) f o r Lowest En e rg y C o n f o r m a t i o n s ^of S u b s t i t u t e d - 1 , 3 - and 1 , 4 - c y c l o h e x a d i e n e s 74 3 . 1 Summary o f L a r g e - S c a l e T hè r m a l I s o m e r i z a t i o n s . 83 3 . 2 H-NMR d a t ^ ^ p r l-Y-5-X--2‘r m e t h y l - 6 - n i t r o c y c l o h e x a - 2 , 4 - d i e n e s \ ' 84 13 ■ 3 . 3 C-NMR d a t a f o r l - Y - 5 r X - - 2 - m e ' t h y r - 6 - n i t r o c y c l o h e x ^ - 2 , 4 - d i e n e s . , 85 3 . 4 S e l e c t i v e NMR d a t a I l l u s t r a t i n g D i f f e r e n c e s . between ( E ) a n d ( X ) d f a s t e r e o m e r s o f 3 X 6 m e t h y l 6 -n i t r o c y c l o h e x a - 2 , 4 - d i e -n y l - d e r i v a t i v e s 90 I I3 . 5 I n t e r a t o m i c D i s t a n c e s (A) f o r D i e n e 190 102 . 3 . 6 Bond A n gl e s (®) f o r D i e n e 190 l O i • * . 3 . 7 Examples o f t h e I s o m e r i z a t i o n o f D i e n e s 109 3 . 8 Ex amp le s o f t h e I s o m e r i z a t i o n o f D i e n e s i n CDCl. i n t n e p r e s e n c e o f A d d i t i v e s 110 • 3 . 9 Bond S t r e n g t h s (D) o f M e th y l D e r i v a t i v e s i n k J / m o l e ' 120 3 . 1 0 E q u i l i b r i u m C o n s t a n t s and F r e e E n e r g y D i l j f e r e n c e s 131 o f V a r i o u s D i e n e s 3.11* P r o d u c t s ( p e r c e n t a g e s ) o b t a i n e d f-rom t h e p y r o l y s i s o f D i e n e s < *** 137 4 . 1 I n t e r a t o m i c D i s t a n c e s (A) f o r D i e n e 200 , . 153 4 . 2 Bond A n g l e s ( ° ) f o r ' Dieiie ZOO . • ' 153
1 1 3
-5 . 1 C h e m i c a l S h i f t s ( H and C) o f CH^ and OCHj g r o u p s - i n ( Z ) and ( E ) 2 X 4 m e t h y l 4 n i t r o c y c l o h e x a 2 , 5 d i e n y l -"^,137 d e r i v a t ^ i v e s 7 . 1 ( R e s u l t s from t h e ) I s o m e r i z a t i o n o f D i e n e 100 i n t h e p r e s e n c e o f p - c r e s o l 243 7 , 2 I s o m e r d - z a t i o n o f Di e ne \ 187 i n t h e p r e s e n c e o f p - c r e s o l 243 7 . 3 I s o m e r i z a t i o n o f Di e ne 188 i n t h e p r e s e n c e o f p - c r e s o l 244 7 .4 Jbsoraer i z a t i o n o f Di e ne 1 0 1 i n t h e p r e s e n c e o f p - c r e s o l 244 7 .5 I s o m e r i z a t i o n o f Di ene 190 i n t h e p r e s e n c e of p - ' c r e s o l 245 7 . 6 I s o m e r i z a t i o n o f Di ene 1 0 0 / 245 7.7 I s o m e r i z a t i o n o f Di e n e 188 246 7 . 8 I s o m e r i z a t i o n o f Di ene 1 0 1 246
c
7 . 9 I s o m e r i z a t i o n o f D i e n e ' 191 7 . 1 0 I s o m e r i z a t i o n o f D i e n e 2 0 4 ’ â t 5 8 . 5 / C x i 247 ‘ 247 7 . 1 1 X - r a y C r ' s y t a l l o g r a p h i c d a t a f o r y i e n e s 101, 190 a n d 2 0 0 305 *■ 9x i i LIST OF FIGURES 2 . 1 L i s t o f N on - Ar o m at i c P r o d u c t s O b t a i n e d from N i t r a t i o n 36 2 . 2 L i s t o f A r o m a t i c P r o d u c t s O b t a i n e d from N i t r a t i o n 36 2 . 3 M o l e c u l a r S t r u c t u r e o f ( Z ) 3 b r o m o V m e t h y l 6 n i t r o -d y e L o h e x a ^ 2 , 4 - -d i e n y l a c e t a t e (101)^ 42 2 . 4 P l o t o f Change i n C h e m i c a l S h i f t s (2-H a nd 4 ‘-H)- w i t h T e m p e r a t u r e i n Di e n e 103 , 48 1 13 , • 2 . 5 H-NMR and ( C-NMR) s p e c t r a l a s s i g n m e n t of compound 153 ' 61
2 . 6 Q u i n o n o i d Form o f Ipso Wheland I n t e r m e d i a t e s 76 2 . 7 E n e r g i e s o f LUMO o f s u b s t i t u t e d o l e f i n s 77 3 . 1 C o n f o r m e r s o f e a c h D i a s t e r e o m e r o f 3 - X - 6 - m e t h y 1 - 6 - n i t r o c y c l o h e x a - 2 , 4 - d i e n e s ^ 91 3 . 2 C i s - and T r - a n s - 9 - p h e n y l - l , 2 ,3 , 4 a , 1 0 , l O a - h e x a h y d r o p h e n a n t h r e n e , 94 3 . 3 S t r u c t u r e o f 5 - X - 2 - r a e t h y l - 6 - n i t r o c y c l b h e x a - 2 , 4 - d i e n y i a c e t a t e 96 3 . 4 M o l e c u l a r S t r u c t u r e o f ( Z ) 5 b r o m o 2 m e t h y l 6 -'' t ■ n i 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 ( 1 9 0 ) 101
%
3 . 5 S t r c u t u r a * o f D i e n e 198 104 3 . ’6 C on f or me r a o f e a c h D i a s t e r e o m e r o f l - Y - 5 - X - 2 - m e t h y l - 6- n i t r o c y c l o h e x a - 2 , 4 - d i e n e s ' ' 107 3 . 7 P l o t o f I n(AQ-A^)/CA-A^) v s . t i m e ' (min)^ f o r t h e I s o m e r i z a t i o n o f D i e n e 100 i n t h e p r e s e n c e o f p - c r e s o l a t 3 8 . 5 ° C . I l lx i i i ^ . 8 P l o t o f I n ( A Q - A ^ ) / ( A r A ^ ) vA. t i m e ( m i n ) f o r t h e . ' I s o m e r i z a t i o n o f D i e n e 101- i n t h e p r e s e n c e o f p - c r e s o l - ■ > a t 5 8 . 5 ° C . ' ' 112 , ' ' 3 . 9 P l o t o f l n ( A „ - A ‘ ) / (A-A ) vsC'.t'ime- ( mi n) f o r t h e ' u - e. e , • i s o m e r i z a t i o n o f D i e n e 190 i n t h e . p r e s e n c e o f p - c r e s o l a t 5 8 . 5 ° C . ^ ■ 112 3 . 1 0 P l o t o f l n ( A . - A ) / ( A - A ) v s . t i m e ( mi n ) f o r t h e " e e I s o m e r i z a t i o n o f D i e n e 187 i n t h e p r e s e n c e o f p - c r e s o l a t 5 8 . 5 ° C . " ' .113. 3 . 1 1 P l o t o f P r o d u c t C o m p o s i t i o n v s . t i m e ( mi n ) f o r t h e '.w'-- I s o m e r i z a t i o n o f D i e n e lOO i n CDCI3 a t 5 8 . 5 ° C 115 3 . 1 2 P l o t o f P r o d u c t C o m p o s i t i o n v s . t i m e ( mi n) f o r . ' t h e I s o m e r i g a t i o n o f D i e n e 188 i n CDCI3 a t 5 8 . 5 ° C 115 3 . 1 3 P l o t o f P r o d u c t C o m p o s i t i o n v s . t i m e ( mi n ) f o r t h e I s o m e r i z a t i o n o f D i e n e 101 i n CDCI3 a t 5 8 . 5 ° C 116 3 . 1 4 P l o t o f P r o d u c t C o m p o s i t i o n - v . s ». t i m e ( mi n ) f o r t h e I s o m e r i z a t i o n o f D i e n e 191 i n CDCl3 at , 5 8 . 5 ° C 116 3 . 1 5 P l o t o f mol p e r c e n t o f D i e n e s as a F r a c t i o n o f T o t a l Di e n e C o n c e n t r a t i o n ^ i n t h e I s o m e r i z a t i o n o f D i e n e 100 i n CDCl3 a t 5 8 , 5 % • 117 3 . 1 6 P l o t o f mol p e r c e n t o f D i e n e s a s a F r a c t i o n o f T o t a l Di e n e C o n c e n t r a t i o n i n t h e I s o m e r i z a t i o n o f D i e n e 188 i n CDCI3 a t 5 8 . 5 % • ' 117 3 . 1 7 P l o t o f . m o l p e r c e n t o f D i e n e s as a F r a c t i o n o f T o t a l D i e n e C o n c e n t r a t i o n i n t h e I s o m e r i z a t i o n o f D i e n e 101 i n CDClq a t 5 8 . 5 % 118 * ^ 3 . 1 8 P l o t o f mol p e r c e n t o f D i e n e s as a F r a c t i o n o f T o t a l Di e n e C o n c e n t r a t i o n i n t h e I s o m e r i z a t i o n o f D i e n e 191 in. CDCl3 a t 5 8 . 5 % 118 \ \
I
3 . 1 9 P l o t o f 1 i i ( A q - A ^ ) / ( A - A ^ ) v s.
t i m e ( m i n ) f o r t h e I s o m e r i z a t i o n o f D i e n e 204 a t a m b i e n t t e m p e r a t u r e x i v 133 i 3 . 2 0 P l o t o f l n ( A g - A ) /< A- A ) v s . t i m e ( mi n ) f o r t h e I s o m e r i z a t i o n o f D i e n e 188 t o 189 i n t h e p r e s e n c e of '■ \ p - c r e s o l a t 5 8 . 5 ° C 4 . 1 M o l e c u l a r S t r u c t u r e o f Di e n e 200 134 152XV ACKNOWLEDGEMENT ^ ---I woul d l i k e t o a c k n o w l e d g e t h e k i n d apd p a t i e n t g u i d a n c e o f P r o f e . s s o r A. E l s c h e r 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 work a nd t h e w r i t i n g o f t h i s d i s s e r t a t i o n . ■* . 1 woul d a l s o l i k e , t o t h ank' Dr . G.N . H e n d e r s o n , D p . ‘G.S . B a p a t , Mr. R.G-.C. C l e w l e y , .Mr. G . C r o s s and Mr. ^ . S a n k a r a f aman and o t h e r members
• Y , o f t h e C h e m i s t r y d e p a r t m e n t , who h a v e a l l c o n t r i b u t e d i n making t h i s work an e n j o y a b l e e x p e r i e n c e . ' I 1 am a l s o t h a n k f u l t o p r . G . W . B u s h n e l l , f o r t h e X - r a y c r y s t a l s t r u c t u r e s , 'and Dr . H . C a r t w r i g h t f o r t y p i n g t h i s d i s s e r t a t i o n . The a wa r d o f a G r a d u a t e F e l l o w s h i p by 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 f a t e f u l l y ' a c k n o w l e d g e d . \ ■
x v i
CHAPTE^R I; INTRODUCTION
1.1 Opening Remarks
F a r a d a y , i n 1 825, r e c o r d e d Che f i r s t known r e a c t i o n l e a d i n g
. 1
t o t h e n i t r a t i o n o f b e n z e n e . S i n c e t h e n e l e c t r o p h i l i c a r o m a t i c
n i t r a t i o n h a s r e c e i v e d wi d^ a t t ^ e n t i o n and i s now r e g a r d e d a s one o f t h e b e t t e r u n d e r s t o o d o r g a n i c r e a c t i o n s . S t u d i e s o f t h e mec ha nis m o f n i t r a t i o n have c o n t r i b u t e d s i g n i f i c a n t l y ^to t h e e l u c i d a t i o n o f t h e f u n d a m e n t a l p r i n c i p l e s o f o r g a n i c c h e m i s t r y . N i t r a t i o n h a s a l s o m a t u r e d i n t o an e x t r e m e l y v a l u a b l e s y n t h e t i c t r a n s f o r m a t i o n , now u s e d i n l a b o r a t o r i e s and i n d u s t r i e s a r o u n d t h e w o r l d . I n r e c o g n i z i n g t h e mai n g e n e r a l i z a t i o n s r e g a r d i n g o r i e n t a t i o n . . i n 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 i’. e . o r t h o A p a r â - o r m e t a - d i r e c t i n g , and 2 ‘ i t s c o n n e c t i o n w i t h a c t i \ v a t i o n , H o l l e m a n u t i l i z e d e x t e n s i v e d a t a r e l a t e d t o n i t r a t i o n . I n g o l d and h i s c o w o r k e r ^ e x p l o i t e d t h e d a t a o f o r i e n t a t i o n and r a t e o f n i t r a t i o n i n e l a b o r a t i n g - t h e i r o r i g i n a l i d e a s of 3 t h e e l e c t r o n i c t h e o r y o f t h e c o u r s e o f o r g a n i c r e a c t i o n s . N i t r a t i o n h a s a l s o b e e n u s e d a s a m od el r e a c t i o n f o r t h e d e v e l o p m e n t o f r e a c t i v i t y i n d i c e s , t h e o r i e s r e l a t e d t o t h e p e r t u r b a t i o n s l e a d i n g t o t h e 5 ^ ’ t r a n s i t i o n s t a t e s , i n t h e c o n s t r u c t i o n o f q u a l i t a t i v e p o t e n t i a l e n e r g y 6 7 s u r f a c e s and I n s t u d y i n g h e t e r o a r o m a t i c r e a c t i v i t y . On t h e s y n t h e t i c f r o n t t h e u s e o f n i t r o a r o m a t i c s a s i n t e r m e d i a t e s i n t h e s y n t h e s i s of p l a s t i c s , p h a r m a c e u t i c a l s , d y e s t u f f s , e x p l o s i v e s and i n s e c t i c i d e s i s 8 w e l l known . Over t h e y e a r s a m u l t i t u d e of n i t r a t i n g a g e n t s h a s b ee n i n v e s t i g a t e d . N i t r i c a c i d , m e t a l n i t r a t e s , a l k y l n i t r a t e s , mixed a n h y d r i d e s o r n i t r a t e e s t e r s h a v e b e e n u s e d a s n i t r a t i n g a g e n t s i n a q u e o u s medi a o r o r g a n i c s o l v e n t s . C a t a l y s i s , i n t h e form of s u l f u r i c
a c i d , Lewis a c i d s l i k e b o r o h t r i f l u o r i d e , b r o t h e r o r g a n i c a c i d s , i s ^
o f t e n r e q u i r e d , a l t h o u g h n i t r i c a c i d f t s e l f and e v e n d i l u t e n i t r i c a c i d i s c a p a b l e o f n i t r a t i n g r e a c t i v e s u b s t r a t e s . A c e t i c a n h y d , r i d e i s
, p a r t i c u l a r l y a good s o l v e n t f o r a r o m a t i c compounds and r e a c t i o n i n i t
' ' o c c u r s r e a d i l y u n d e r m i l d c o n d i t i o n s . Thus m i x t u r e s o f n i t r i c a c i d a nd a c e t i c a n h y d r i d e h a v e b e e n w i d e l y ifeed a s p o t e n t n i t r a t i n g a g e n t s . ' ' S o l i d s u p e r a c i d s h a v e b e e n u s e d a s c a t a l y s t s . T r a n s f e r n r i t r a t i q g a g e n t s s u c h a s N - n i t r o p y r a z o l e , n i t r o - and n i t r i t o - o n i u m s a l t s a ç e • 9
r e c e n t a d d i t i o n s i n n i t r a t i o n c h e m i s t r y and ha ve paved* t h e way f o r ,
1 0 d e v e l o p m e n t of new p o l y m e r i c n i t r a t i n g a g e n t s . The p r o d u c t s o b t a i n e d f ' and t h e mechanism o f n i t r a t i o n v a r y on c h a n g i n g t h e n i t r a t i n g a g e n t . ^ I t i s i m p o r t a n t t o d i s t i n g u i s h t h e s e m e c ha n is m s on b a s i s - o f t h q a c t u a l n i t r ' a t i n g a g e n t . They a r e ^ 1 . An i o n i c mechanism w i t h n i t r o n i u m i o n ; 2 . An e l e c t r o n t r a n s f e r m ec h an is m i n v d l v i n g r a d i c a l c a t i o n - r a d i c a l ' p a i r ; 3 . A r a d i c a l mec ha nis m w i t h n i t r o g e n d i o x i d e ; 4 . N i t r a t i o n v i a n i t r o s a t i o n . -I n s e v e r a l c a s e s i t h a s b e e n e s t a b l i s h e d t h a t n i t r a t i o n h a s p r o c e e d e d v i a two o r more o f ? h e s e m ec h a n i s m s i n p a r a l l e l . 1 . 2 The I o n i c Mechanism o f N i t r a t i o n - w i t h N i t r o n i u m I o n j 1 . 2 . 1 E v i d e n c e f o r t h e N i t r o n i u m lort ( NO, ) a s t h e E l e c t r o p h i l e i n t h e I o n i c Mechanism: T h e ' s t a t e o f n i t r i c a c i d i n d i f f e r e n t me di a "has b e e n s t u d i e d e x t e n s i v e l y i n o r d e r t o d e t e r m i n e t h e e x a c t n a t u r e o f t h e e l e c t r o p h i l e 11 i n v o l v e d ' i n n i t r a t i o n . E v i d e n c e from Raman s p e c t r o s c o p y , c r y o s c o p i c
3 . - 12 _ 13 ' m e a s u r e m e n t s , u l t r a v i o l e t s p e c t r o s c o p y , and c d n d u c t o m e t r i c _ 14 measurements* o f c o n c e n t r a t e d s o l u t i o n s of n i t r i c a c i d i n s u l f u r i c a c i d c l e a r l y i n d i c a t e t h e f o r m a t i o n o f n i t r o n i u m i o n . I n most o r g a n i c s o l v e n t s k i n e t i c e v i d e n c e i n d i c a t e s t h a t n i t r o n i u m i o n i s formed and i s e f f e c t i v e a s t h e n i t r a t i n g a g e n t . 1 5 I n g o l d and B e n f o r d showed t h a t t h e n i t r a t i o n o f b e n z e n e * homologs i n n i t r o m e t h a n e w i t h ' e x c e s s n i t r i c a c i d p r o c e e d e d a t a c o n s t a n t r a t e , i n d e p e n d e n t o f t h e c o n c e n t r a t i o n o f a r o m a t i c compound. For
h a l o g e n o b e n z e n e s t h e d e p e n d e n c e was b e t w e e n z e r o t h and f i r s t o r d e r and c o m p l e t e l y f i r s t o r d e ^ i n a r o m a t i c f o r d i - and t r i - h a l o g e n o b e n z e n e s . S i m i l a r k i n e t i c phenome na w e r e o b t a i n e d i n a c e t i c " a c i d , i n , . , 1 6 ' . ' 1 7 18 a c e t o n i t r i l e , i n c a r b o n t e t r a c h l o r i d e a nd i n s u l p h o l a n , t h u s d e n y i n g t h e s o l v e n t a n y s p e c i f i c r o l e i n t h e r a t e d e t e r m i n i n g s t e p . V a r i a t i o n i n t h e r e a c t i o n c o n d i t i o n s d i d n o t a l t e r t h e r a t i o o f o - , p- and m- p r o d u c t s t h u s i n d i c a t i n g t h a t t h e same e l e c t r o p h i l e i ^ i n v o l v e d i n a l l t h e s e p r o c e s s e s . ' The $ ame p r o d u c t r a t i o s wer e o b t a i n e d by Ol ah
19 f
and Kuhn u s i n g n i t r o n i u m s a l t s a s n i t r a t i n g a g e n t s . T he s e r e s u l t s i m p l i c a t e d t h e . n i t r o n i u m i o n ''as t h e a c t i v e n i t r a t i n g s p e c i e s .
1 . 2 . 2 The S t e p w i s e Mechani sm i n N i t r a t i o n w i t h NO,:
2 0
The a c c e p t e d s t e p w i s e mechanism i n v o l v e d i n n i t r a t i o n c an b e r e p r e s e n t e d a s :
ArH NO2 'k 1 + H + HNO, NO, + H,0 ( 1 ) ^ - 1 ArH + NO2 '■-2 ArHN0 2 E n c o u n t e r p a i r ( 2 ) W (Whel and i n t e r m e d i a t e ) ( 3 ) - 3 + ArN02 + H Scheme 1 . 1 '
The Whelartd i n t e r m e d i a t e ( a l s o known a s d r e n i u m c a t i o n , benzonium c a t i o n , e y e l o h e x a d i e n y l c a t i o n , 0 t omplex-, P f i t z e r c o m p l e x ) h a s t h a g e n e r a l s t r u c t u r e 1 (Scheme 1 . 2 )
H NO 2
H NO2
-=3— 0 y NO, l a i i Scheme 1 . 2 I c Usi ng' t h e s t e a d y s t a t e c o n c e p t t h e r a t e e x p r e s s i o n o f t h e o v e r a l l p r o c e s s c a n be shown t o be k j k2 k-g ,kj^ (ArH) [ HNO3] R a t e - k ^ k g ] + k2 kg k^[ArH] ( 1 ) D e p en di n g on t h e s u b s t r a t e ànd t h e r e a c t i o n c o n d i t i o n s a ny o f t h e abov^ f o u r s t a g e s c a n be t h e s l o w e s t . For s u b s t a n c e s more r e a c t i v e/ \ 5. t h a n b e n z e n 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 becomes r a t e d e t e r m i n i n g and t h e r e a c t i o n e x h i b i t s z e r o t h o r d e r d e p e n d e n c e on t h e a r o m a t i c s u b s t r a t e , 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 benzei)e homo l o g s i n n i t r o m e t h a n e a n d o t h e r i n e r t o r g a n i c s o l v e n t s . N i t r a t i o n of a n t h r a c e n e 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 a c e t o n i t r i l e i s a s p e c i f i c e x a m p l e w h e r e t h e p r o t o n e l i m ^ a t i o n step* ( s t e p 4) i s r a t e d e t e r m i n i n g a nd a k i n e t i c i s o t o p e e f f e c t ( k ^ / k ^ = 6 . 1 ^±0 .6) n e a r t o th'e . 2 1 t h e o r e t i c a l l i m i t i s o b s e r v e d . S t e r i c r e a s o n s h a v e b e e n s u g g e s t e d f o r t h i s .
The c l a s s i c a l mec ha nis m o f n i t r a t i o n , e s t a b l i s h e d on t h e b a s i s o f e x t e n s i v e c o n t r i b u t i o n s o f I n g o l d a n d of M e l a n d e r ^ , d i d n o t d i s t i n g u i s h b e t w e e n s t e p s ( 2 ) and ( 3 ) (Scheme 1 . 1 ) . The o v e r a l l p r o c e s s was d e n o t e d by a s i n g l e s t a g e r e p r e s e n t i n g t h e slow u p t a k e o f n i t r o n i u m i o n v i a an Sg2 m ec ha ni sm. T h i s p i c t u r e , g e n e r a l i z e d t o 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 , p r o v i d e d , t h e b a s i s o f B r o w n ' s s e l e c t i v i t y - r e a c t i v i t y 23 ' . p r i n c i p l e , w h i c h p r o p o s e s t h a t , l o s s o f s u b s t r a t e s e l e c t i v i t y . s h o u l d be a c c o m p a n i e d by l o s s o f p o s i t i o n a l s e l e c t i v i t y , i n c o m p e t i t i v e p r o c e s s e s , b o t h of w h i c h d e p e n d on t h e r e a c t i v i t y o f t h e e l e c t r o p h i l e . ' ' 2 4 O l a h and h i s ^ o - w o r k e r s p r o p o s e d t h e f o r m a t i o n o f a ’ TT-adduct a s an i n t e r m e d i a t e i n a r a t e d e t e r m i n i n g s t e p p r e c e d i n g Wheland i n t e r m e d i a t e f o r m a t i o n t o e x p l a i n t h e r e s u l t s . They o b s e r v e d , i n /* c o m p ê t e t i v e s t u d i e s o f t li e r e a c t i v i t y o f t o l u e n e compar ed t o t h a t o f b e n z e n e 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 u n d e r t h e i r c o n d i t i o n s , t h e s u b s t r a t e s e l e c t i v i t y , i . e . r a t e o f n i t r a t i o n o f t o l u e n e / r a t e o f n i t r a t i o n o f b e n z e n e ( k ^ / k g ) , d e c r e a s e d d r a m a t i c a l l y from t h e v a l u e s 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 i t r i c a c i d , w i t h o u t t h e l o s s ^ f p o s i t i o n a l s e l e c t i v i t y i n t o l u e n e . They p r o p o s e d , t h a t s u b s t r a t e K * s e l e c t i v i t y was l o s t i n t h e f o r m a t i o n o f a ir—a d d u c t i n t h e f i r s t s t e p , w h i c h c o l l a p s e d t o a Wheland i n t e r m e d i a t e i n t h e f o l l o w i n g s t e p , w i t h
% 6. ' ' r e t e n t i o n o f p o s i t i o n a l s e l e c t i v i t , y whic+i was d e t e r m i n e d i n t h e l a t t e r ^ t e p . -S c h o f i e l d and h i s c o - w o r k e r s o b s e r v e d a s i m i l a r b r e a k d o w n o f t h e s e l e c t i v i t y - r e a c t i v i t y p r i n c i p l e i n t h e n i t r a t i o n o f b e n z e n e
homologs w i t h mixed a c i d and p r o p o s e d a r a t e d e t e r m i n i n g e n c o u n t e r p a i r
^ 2 5 f o r m a t i o n w i t h t h e o n s e t o f d i f f u s i o n c o n t r o l w i t h t h e more h i g h l y r e a c t i v e s u b s t r a t e s . No s t r u c t u r e f o r t h i s e n c o u n t e r p a i r was p r o p o s e d . S i m i l a r r a t e l i m i t i n g 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 we re r e c o g n i z e d i n 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 w i t h a q u e o u s n i t r i c a c i d , a c e t i c a n h y d r i d e , m e t h a n e s u l f o n i c a c i d , n i t r c r m e t h a n e , p e r c h l o r i c a c i d , p h o s p h o r i c a c i d , s u l p h o l a n and t r i f l u o r o a c e t i c a c i d ^ ^ . From t h e c a l c u l a t e d r a t e c o n s t a n t s f o r e n c o u n t e r i n t h e s e s o l v e n t s and t h e ' m e a s u r e d v a l u e s o f k ^ / k ^ ( M e s i t y l e n e = M) t h e v a l u e s o f kg h ave b e e n e v a l u a t e d ( m e s i t y l e n e r e a c t s a t t h e e n c o u n t e r r a t e ) . T he s e v a l u e s hqve t h e e x p e c t e d d e g r e e o f c o n s t a n c y f o r t h e r a n g e o f s o l v e n t s s t u d i e d . W he t h e r o r n o t t h e f o r m a t i o n o f t h e e n c a u n t e r p a i r i s r a t e d e t e r m i n i n g . i n a p a r t i c u l a r c a s e d e p e n d s upon t h e r e a c t i v i t y o f t h e s u b s t r a t e and t h e v i s c o s i t y of t h e r e a c t i o n medium. T h e r e h a v e b ee n o b j e c t i o n s t o t h e s u g g e s t i o n by O l a h t h a t t h e e n c o u n t e r p a i r i s a t r - a d d u c t ^ . A p l o t by 2 8 ^ /
Rys o f r e l a t i v e r a t e s f o r t h e n i t r a t i o n o f b e n z e n e homol ogs w i t h n i t r o n i u m s a l t s a g a i n s t t,he s t a b i l i t i e s o f t h e n - a d d u c t s had a > ' c o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n t o f ' o n l y 0 . 9 1 . The l o s s o f s u b s t r a t e s e l e c t i v i t y o b s e r v e d by Ol ah h a s b e e n shown t o be due t o i n c o m p l e t e m i x i n g a n d t h e low v a l u e s o b s e r v e d f o r k _ / k r e s u l t ' f ro m 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 . On t h e o t h e r h a nd Ko ch i and Fukuzumi ^ h a v e o b s e r v e d t r a n s i e n t c h a r g e t r a n s f e r b a n d s on m i x i n g e l e c t r o p h i l e s w i t h v a r i o u s • a r o m a t i c ' s , i n d i c a t i n g t h e f o r m a t i o n o f c h a r g e t r a n s f e r c o m p l e x e s . Wit h m - t o l u o n i t r i l e and n i t r o n i u m f l u o r o b o r a t e , a band a t 400nm i s -r e p o -r t e d . Such c h a r g e p b a n s f e r c o m p l e x e s a r e p r e s u m a b l y % - c o m p l e x e s " i n
t h e s e n s e u s e d by O l a h . However t h e r e ' i s n c evidfence" t t ^ t t h e s e a r e t h e s p e c i e s f or me d -as t h e e n c o u n t e r p a i r i n t h ’e e n c o u n t e r c - o n t r o l l e d ^ n i t r a t i o n s . F o r m a t i o n o f t h e p r o p o s e d , . e n c o u n t e r pa.ir p r i o r t o t h e Wheland i n t e r m e d i a t e e x p l a i n s t h e d i s c r e p a n c y o f ’t h e o b s e r v e d r e s u l t s w i t h t h e ■ -s e l e c t i v i t y - r e a c t i v i t y p r i n c i p l e b u t d o e -s n o t e x p l a i n t h e h i g h p o s i t i o n a l s e l e c t i v i t y o b s e r v e d . ^ ' P o s i t i o n a l s e l e o t i v i t i e s i n p s e u d o ’qumene w e r e e x p l a i n e d by 31 ' S c h o f i e l d on t h e b a s i s o f a n o n - i n t e r a c t i n g . , e n c o u n t e r p a i r w i t h a r a t e "g ' , . 8 - 1/ c o n s t a n t o f d i f f u s i o n a p a r t i n t h e o r d h r pf 10 - 10 s . The. u p p e r ' l i m i t o f t h e r a t e c o n s t a n t f o r c o l l a p s e o f t h e Wheland i n t e r m e d i a t e ' . . -woul d be c ( i mp a ra b le t o t h e m a g n i t u d e of a v i b r a t i o n f r e q u e n c y i . e . 1 0 ' 1 5 _ 1 - - ^ t o 10 s T h us , t h e r e c o u l d be a p o s i t ' i o n a l s e l e c t i v i t y p f up t o 100 I . , • i n a n o n - i n t e r a c t i n g e n c o u n t e r p a i r . The e x t e n s i o n of t h i s a r g u m e n t t o .t he n i t r a t i o n o f d u r e n e h a s , h o w e v e r , l e d t o some c o n t r a d i c t o r y . 3 2 p r e d i c t i o n s . S c h o f i e l d and h i s c o w o r k e r s h a v e a p p l i e d H o l l e m a n ' s ^ p r o d u c t r u l e t o t h e p a r t i a l r a t e f a c t o r s f o r t h e n i t r a t i o n o f t o l u e n e t o > . s h o w , t h a t t h e r a t i o o f t h e r e a c t i v i t i e s o f C-1 and C-3 o f d u r e n e i s 1 : 2 . 7 . They a l s o c l a i m t h a t p o s i t i o n a l s e l e c t i v i t y i n d u r e n e s h o u l d p e r s i s t b u t be s m a l l a nd t h u s j u s t i f y ( t h e c o m p a t i b i l i t y o f ) t h e e x p e r i m e n t a l v a l u e o f 1 : 3 . 6 on t h e b a s i s o f a n o n - i n t e r a c t i n g e n c o u n t e r p a i r . On t h e b a s i s o f t h e p r o p o s a l t h a t t h e r a t e o f c o f l a p s e t o Wheland - • 1 1 1*2 - 1 i n t e r m e d i a t e a t C-5 a n d ' C- 6 o f p s eu do cu me ne i s 10 a n d 10 s , . 3 3 ' ■ P e r r i n a r g u e d t h a t C-1 a n d " C - 3 o f d u r e n e s h o u l d c o l l a p s e t o Wheland ^ 13 1 ' ) i n t e r m e d i a t e s a t a, r a t e o f 1 0 s ' , whi ch i s t h e t h e o r e t i c a l maximum.
Thus b o t h C-1 and C-3 s h o u l d r e a c t a t t h e same r a t e . However
\ -
' 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 p e r s i s t s i n d u r e n e and a l s o i n
p e n t a m e t h y l b e n z e n e . From t h e s e o b s e r v a t i o n s w h i c h , a c c o r d i n g t o P e r r i n ,
• ‘ . 3 3
e n c o u n t e r c o n t r o l l e d e l e c t i 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 paii? c o l l a p s e t o t h e Wheland i n t e r m e d i a t e s i . e . t h e i n t e r a c t i n g e n c o u n t e r p a i r c o n s i s t s o f t h e a r o m a t i c r a d i c a l - c a t i o n and t h e n i t r o g e n d i o x i d e r a d i c a l . P e r r i n ' s p o s t u l a t e t h a t a l l a r o r n g t i c s more r e a c t i v e t h a n t o l u e n e c o u l d t r a n s f e r an e l e c t r o n t o t h e n i t r o n i u m i.on v i a -- an e x o t h e r m i c s ^ p h e n c e l e a d i n g t o a n i n t e r m e d i a t e - „ o f l o w e r e n e r g y t h a n , L 34 t h e n o n - i n t e r a c t i n g e n c o u n t e r p a i r - h a s b e e n r e f u t e d by E b e r s o n and h i s 1 ' 3,4 / { Us wo r k e r s . " C a l c u l a t i o n s b a s e d on Marcus t h e o r y o f n o n - b o n d e d e l e c t r o n t r a n s f e r shov^ t h a t s u c h p r o c e s s e s c a n be r u l e d o u t f o r a r o m a t i c s wiph 0 '
E l owe r o r e q u a l t-o p e r y l e n e [ E = - 1 . 3 V ) . O t h e r e v i d e n c e put f o r w a r d by P e r r i n ha s a l s o b e e n shown t o be due t o c a t a l y s i s by n i t r o u s a c i d o r f ' 35 o t h e r N ( I I I ) s p e c i e s . Thus f o r n i t r a t i o n w i t h n i t r o n i u m i o n i t i s u n n e c e s s a r y t o c o n s i d e r r a d i c a l - c a t i o n f o r m a t i o n a l o n g t h e r e a c t i o n p a thw ay f o r a r o m a t i c s , l e s s r e a c t i v e t h a n p e r y l e n e . At t h e p r e s e n t t i m e i t a p p e a r s t h a t t h e p o s i t i o n a l ' * s e l e c t i v i t i e s t h a t h a v e b e e n o b s e r v e d do n o t r e q u i r e t h e p o s t u l a t i o n of a n i n t e r a c t i n g e n c o u n t e r p a i r . < 1 . 3 N i t r a t i o n P r o c e e d i n g v i a E l e c t r o n - T r a n s f e r : I n t h i s m ec ha ni sm f o r n i t r a t i o n a n i n i t i a l s t e p i n v o l v e s t h e t r a n s f e r o f an e l e c t r o n f r om t h e g r o m a t i c t o t h e n i t r a t i n g a g e n t t o g i v e a r a d i c a l p a i r , f o l l o w e d by c o u p l i n g o f t h e two r a d i c a l s . The n i t r a t i n g agent* t h u s be ha Ve s a s a n o x i d a n t and i t s i d e n t i f i c a t i o n i s i m p o r t a n t . The f a c t t h a t n i t r o n i u m i o n c a n n o t a c t a s an o x i d a n t t o w a r d s a r o m a t i q s l e s s r e a c t i v e t h a n p e r y l e n e h a s b e e n m e n t i o n e d a b o v e . ' Ri dd and h i s 3 6 3 7 , c o w o r k e r s h a v e s u g g e s t e d t h a t i n n i t r o u s a c i d c a t a l y s e d n i t r a t i o n + . ■ ■ 3 6 'No ca n a c t as t h e o x i d a n t . 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 a n i l i n e
9, 15 w i t h H NO3 i n 85r90% s u l f u r i c a c i d , and i n t h e n i t r a t i o n o f , 3 7 ' . . , ■ 15 p - n i t r o p h e n o l i n t r i f l u o r a c e t i c a c i d , p o l a r i z a t i o n o f N n u c l e i was ", ' , o b s e r v e d ' i n CIDNP s t u d i e s . " T h i s h a s b e e n e x p l a i n e d by r a d i c a l p a i r f o r m a t i o n v i a e l e c t r o n t r a n s f e r a s shown i n s cheme 1.3 : + ‘ + ArXH + NO *- ArX’ + H + N0‘ NO ? NOg —T+ .NO + NO 2
ArX + NO2 — *- ArX’ 'NO2 + p r o d u c t s
X = N Me2; 0; S c h ^ e 1 . 3 TheŸe i s a l s o e v i d e n c e t h a t t h e e l e c t r o n a c c e p t o r i n n i t r i c a c i d i s NO2 , v i a an a c i d - c a t a l y z e d p r o c e s s ' . Based on t h i s , a n a l t e r n a t i v e (' ' ' 38 s e q u e n c e f o r n i t r a t i o n h a s b e e n p r o p o s e d by Ros s and h i s c o w o r k e r s , a s shown i n scheme 1 . 4 : ■ * ' + + .
ArH + NO2 + H — *- ArH + HONO
ArH + ‘NO 2 --- *■ ArHN0 2
HONO + HNO3 *- 2NO2 + H2O Scheme 1 . 4 T h i s p r o c e s s q u a l i t a t i v e l y e x p l a i n s t h e o b s e r v e d c a t a l y s i s by a c i d s . I t . i s a l s o p o s s i b l e t o e f f e c t n i t r a t i o n by g e n e r a t i n g a n a r o m a t i c r a d i c a l c a t i o n . E l e c t r o c h e m i c a l o x i d a t i o n o f n a p h t h a l e n e g i v e s t h e c o r r e s p o n d i n g r a d i c a l c a t i o n . T h i s f orms a r a d i c a l p a i r w i t h NO2 ,
. t 10. t 4 39 + t h i p c a s e i s h i g h e r t h a n t h a t o b s e r v e d i n _ n i t i ; a t i o n by N0 2 * I n t e r e s t i n g l y a r o m a t i c r a d i c a l c a t i o n s g e n e r a t e d i n t h e g a s p h a s e r e a c t + ' \ -w i t h NO2 t o g i v e a o - bo n d e d Ar^N0^2 u n d e r t h e same c o n d i t i o n s t h e + ' r e a c t i o n s w i t h NO2 w i t h n e u t r a l a r o m a t i c s y i e l d e d o n l y t h e, n p r r e s p o n d i n g a r o m a t i c r a d i c a l c a t i o n a n d t h e ^ o x y g e n a t e d r a d i c a l d a t i o n (ArHO *) v i a 4 0 ' a n e l e c t r o n o r o x y g e n t r a n g f e ? . ■* ■ I 1 . 4 N i t r a t i o n v i a a R a d i c a l Me ch a ni s m: ' , R a d i c a l m ec h a n i s m s f o r n i t r a t i o n w i t h n i t r o g e n d i o x i d e ha ve -41 • -b e e n p r o p o s e d . A r a d i c a l m ec h an is m i s i m p o r t a n t i n n i t r a t i o n o f p a r a f f i n i c s i d e c h a i n s . N i t r a t i o n o f t o l u e n e w i t h n i t r i c a c i d i n " t h e p r e s e n c e o f a t r a c e o f n i t r o g e n d i o x i d e g a v e p h e n y l d i n i t r o m e t h a n e and p h e n ^ l n i t r o m e t h ^ n e . I n t h e a b s e n c e o f n i t r o g e n d i o x i d e , t h e o n l y p r o d u c t s w er e n i t r o t o l u e n e s and p h e n o l s . The p r o p o s e d mec ha ni sm i s a c h a i n r e a c t i ô n i n i t i a t e d by n i t r o g e n d i o x i d e ( sc he me 1 .5) V \ PhCH^-H + -‘NO 2 HNO2 NO’ + '2HNO3 PhCHg +■ ’NO 2 , Scheme 1 . 5 PhCH2 + HNO2 "NO + ho’ 3N0*2 + H2^0 PhCH2N0 2 H a r t s h o r n and h i s c o w o r k e r s h a v e s t y d i e d t h e n i t r a t i o n o f h i g h l y s u b s t i t u t e d p h e n o l s w i t h NO2 i n o r g a n i c s o l v e n t s . T h e s e r e a c t i o n s y i e l d p o l y n i t r o k é t o n e s and o t h e r o x y g e n a t e d p ro du ct s ** ^ . N i t r a t i o n o f 2 , 6 - d i - t - b u t y l - 4 - m e t h y l p h e n o l (2) w i t h NO2 i n c y c l o h e x a n e g i v e s t h e t r i n i t r o k e t o n e (6) and t h e d i h y d r o x y n i t r o k e t o n e (8) i n a d d l t i p n •h
' ' .
11
. ' ' . ' .. ' - f t o t h e 4 - n i t r o d i e n o n e 4 . A r a d i c a l m e c h a n i s m i s c o n s i s t e n t ' w i t h t h e s e o b s e r v a t i o n s (scheme-, 1.6) . '!- H N O
2
OH 3 NO2N O , " "
NOz
; X ^ N O z'"H <
f O H
0 8 Scheme 1 .6 1 . 5 N i t r a t i o n v i a N i t r o s a t i o n : R e a c t i v e a r o m a t i c s l i k e p h e n o l s , a n i s o l e s and m e s i t y l e n e c a n u l i d e r g o n i t r o s a t i o n f o l l o w e d by o x i d a t i o n t o t h e n i t r o c omp ou nd . T h i s e x p l a i n s t h e o b s e r v e d c a t a l y s i s by n i t r o u s a c i d I n ^ n i t r a t l o n w i t h n i t r i c a ' c l d . B o t h n i t r o s o n i u m i o n a n d d i n i t r o g e n t ^ ^ o x i d e h a v e b e e n i d e n t i f i e d a s n i t r o s a t i n g a g e n t s . I n some c a s e s t h e i n t e r m e d i a t e J L12. n i t r o s o compounds h a v e b e e n i s o l a t e d . The mec ha ni sm c a n be w r i t t e n
43 a s ArH 4- N2O4 ArNO «f N2O4 N2O3 4- 2HN0 3 ' ArNO 4- HNO3 v' ArNOg 4- N2O3 , ¥ 2N2O4 4- H2O Scheme 1 .7 T h e r e i s , i n a d d i t i o n t o t h e above, r e a c t i o n s , a n o t h e r mode o f ?-n i t r o u s a c i d c a t a l y z e d . p 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 , whichT a p p e a r s i n t h e n i t r a t i o n o f p e n t a m e t h y l b e n z e n e ' w i t h n i t r o n i u m i o n . t h i s l e a d s t o t h e f o r m a t i o n o f n i t r o p e n t a m e t h y l b e n z e n e a c c o m p a n i e d by a l a r g e number ( a t l e a s t t e n ) o f b y - p r o d u c t s . I n t h i s c a s e a n - c o m p l e x b e t w e e n t h e n i t r o s o n i u m i o n , p r e s e n t a s an i m p u r i t y i n t h e n i t r o n i u m s a l t , and 44, t h e a r o m a t i c i s i n v o l v e d , a s shown i n scheme 1.8 : I ' 6+ (1-6)+^ 6+ * ,0 (2-6) + ArH — ->■ NO + NO 2 --- A r H ->■ N..^^_______ ‘ y '' , ^ 0(1-6)+ ArH — + . .,/.0 ArH —4- N + NO (!) ’N o _ 6+ 0 ( 1- 6 )+ ArH — + N ► p r o d u c t s
6
NO + NO2 ' N20g N2O0 4" HNOg — >■ N20^ 4" HNO2 ' ' Scheme 1 . 813.
.
The i t- co mp lex h a s b e e n f or me d s e p a r a t e l y by r e a c t i n g b e n z e n e homologs
4 5 ( p e n t a m e t h y l b e n z e n e and d u r e n e ) w i t h n i t r o s o n i u m h e x a f l u o r o p h o s p h a t e T h e s e , on r e a c t i o n w i t h d i n i t r o g e n t e t r o x i d e , g i v e t h e b y p r o d u c t s o b s e r v e d i n n i t r a t i o n . T h e ^ n i t r o u s a c i d p r o d u c e d makes t h e r e a c t i o n a u t o c a t a l y t i c . X” 1 . 6 The M e c h a n i s m , o f N i t r a t i o n i n A c e t i c A n h y d r i d e : 1
The mecbanisiu o f " n i t r a t i o n i n a c e t i c a n h y d r i d e was o r i g i n a l l y t h o u g h t t o b e d i f f e r e n t f r o m t h e c l a s s i c a l n i t r o n i u m i o n m ec ha ni sm. • S e v e r a l d i s t i n g u i s h i n g f e a t u r e s o f n i t r a t i o n c a r r i e d o u t i n t h i s s o l v e n t w er e r e s p o n s i b l e f o r t h i s b e l i e f : ( a ) a b n o r m a l l y h i g h o r t h o : p a r a r a t i o s ^ ' 4 6 , 'were o b s e r v e d i n some c a s e s ; ( b ) a h i g h e r c o n c e n t r a t i o n o f m e s i t y l e n e r e q u i r e d f o r t h e ( a p p a r e n t ) ' o b s e r v a t i o n o f z e r o t h o r d e r k i n e t i c s 4 7 4 8 c omp ar ed t o t h a t r e q u i r e d i n o t h e r me di a ; ( c ) a c é t o x y l a t i o n a c c o m p a n i e d n i t r a t i o n . M ea s u r e m e n ts o f v a p o u r p r e s s u r e , Raman and IR s p e c t r a of m i x t u r e s 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 h a v e shown t h a t t h e s p e c i e s p r e s e n t i n t h è m i x t u r e d e p e n d on t h e p r o p o r t i o n s o f n i t r i c a c i d and a c e t i c a n h y d r i d e ^ The e q u i l i b r i a ( 1 ) and ( 2 ) ( s c he m e 1 . 9 ) b e l ow a r e e s t a b l i s h e d i n m i x t u r e s o f n i t r i c a c i d and a c e t i c a n h y d r i d e c o n t a i n i n g 49a more t h a n f i f t y p e r c e n t n i t r i c a c i d
AcgO + 2HNO3- NgOg + 2AcOH ( 1 )
NgOg + ACgO ■' 2ACONO2 (2 )
. , ^ Scheme 1 . 9
When a c e t i c a n h y d r i d e i s p r e s e n t ' i n l a r g e e x c e s s t h e o n l y p r o d u c t s a r e a c e t y l n i t r a t e a nd a c e t i c a c i d f ormed i n t h e e q u i l i b r i u m
t r
r
14,AcgO + HNO, AcONOg + AcOH
Scheme I .10 At o r d i n a r y t e m p e r a t u r e s t h e f o r m a t i o r f ’o f a c e t y l n i t r a t e i s c o m p l e t e w i t h i n m i n u t e s . ^ A p p a r e n t l y c o n c l u s i v e e v i d e n c e r e g a r d i n g t P ï ^ r o l e - o f n i t r o n i u m i o n a s t h e e f f e c t i v e n i t r a t i n g a g e n t comes from a c o m p a r i s o n 26y '
by Ridd o,f t h e r a t e o f n i t r a t i o n o f t o l u e n e and m e s i t y l e n e i n a c e t i c a n h y d r i d e w i t h t h a t i n a c e t i c a c i d , The r a t e c o e f f i c i e n t s f o r t h e ’ ■ r e a c t i o n o f t h i s e l e c t r o p h i l e w i t h t o l u e n e ( k ^ ) we re c a l c u l a t e d from t h e r e l a t i v e r a t e s ( k^ /kj ^) o f n i t r a t i o n o f t h e two h y d r o c a r b o n s i n b o t h s o l v e n t s w i t h t h e a s s u m p t i o n t h a t t h e same e l e c t r o p h i l e i s i n v o l v e d i n t h e n i t r a t i o n o f b o t h h y d r o c a r b o n s i n t h e same s o l v e n t . The r a t e c o e f f i c i e n t s ( k ^ ) f o r t h e r e a c t i o n o f m e s i t y l e n e w i t h t h e e l e c t r o p h i l e w e r e c a l c u l a t e d o n t h e b a s i s o f a n 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 f o r m e s i t y l e n e i n e i t h e r s o l v e n t . The v a l u e s ' ( k^) o b t a i n e d f o r t o l u e n e we re 8 , 8
a l m o s t i d e n t i c a l [ k ^ ( A c2 0) = 4 . 0 x 1 0 and k^(HOAc) = 3 . 6 x 1 0 J whi ch
i n d i c a t e d t h e e l e c t r o p h i l e must be i d e n t i c a l i n b o t h s o l v e n t s . The e l e c t r o p h i l e i s known t o be n i t r o n i u m i o n i n a c e t i c a c i d . An o b j e c t i o n 49 t o t h i s a r g u m e n t i s t h a t t h e r e a c t i o n o f m e s i t y l e n e i n a c e t i c a n h y d r i d e i s n o t z e r o t h o r d e r a t t h e e n c o u n t e r r a t e . I t h a s b e e n p r o p o s e d t h a t , * i f n i t r o n i u m i o n i s t h e a c t i v e e l e c t r o p h i l e , i t i s formed . from a p r o t o n a t e d a c e t y l n i t r a t e , i n s i d e t h e e n c o u n t e r p a i r , a s shown i n scheme 1.1 1: .
15. AcONOgH ■ + ArH + ArH NO9 + , AcOH V » Scheme 1 . 1 1 ArH.AcNOgH ArH.NOg.AcOH - 1 0 T h i s mechanism c o u l d t h e n a c c o u n t f o r t h e low h a l f l i f e (<10 s ) o f t h e e l e c t r o p h i l e and c o n s e q u e n t l y e x p l a i n why m e s i t y l e n e , a f t ^ r c o r r e c t i n g f o r medium e f f e c t , d o e s n o t r e a ç t a t t h e e n c o u n t e r c o n t r o l l e d r a t e a t ' - 3 c o n c e n t r a t i o n s a s h i g h a s 0 . 5 mol dm A c e t y l n i t r a t e a l s o r e a c t s w i t h o l e f i n s t o y i e l d 5 0 51 j n i t r o c y c l o h e x e n e s , n i t r o a c e t a t e s and n i t r o n i t r a t e s * . .The p r o d u c t s 51
ô b t a i n e d from c y c l o h e x e n e ( 9 ) by Wolfe and h i s c o w o r k e r s a r e shown i n scheme 1 .1 2. NO2 1Ô
OAc
12 13 0? . Ô N O2
%OAc
16 Scheme 1.12A . 16. l e , I s n o t e w o r t h y t h a t t h e p r o d u c t s c o n t a i n no c o n j u g a t e d , n i t r o o l e f i n , w h i c h s h o u l d be t h e p r e d o m i n a n t p r o d u c t i f t h e m e c h a n i s m i n v o l v e d c a r b o c a t i o n i n t e r m e d i a t e s . ' U n d e r t h e e x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n s S ' 1 - n i t r o c y c l o h e x e n e ( 1 7 ) d i d n o t i s o m e r i z e , t h u s th'e 3 - and 4 - n i t r o c y c l o h e x e n e s (1 0) and ( 1 1 ) o b t a i n e d i n t h e p r o d u c t m i x t u r e , we re ^ n b t formed v i a t h e 1- n i t r o i s o m e r 1 7 . The a u t h o r s i n t e r p r e t t h e s e r e s u l t s by a n i n i t i a l c y c l i c [2+2] a d d i t i o n o f n i t r o n i u m i o n , f o l l o w e d by s u c c e s s i v e r e a r r a n g e m e n t o f t h e 2 - i s o x a z e t i d i o n y l c a t i o n 18 t o 19 and 20 (Scheme 1 . 1 3 ) . R e a c t i o n o f t h e s e i s o m e r s would t h e n e x p l a i n t h e , p r o d u c t s o b s e r v e d and a l s o t h e a b s e n c e o f p r o d u c t 17. 20 NO-N — 0 18 H-19 . Scheme 1 . 1 3 A l t h o u g h t h e f o u r membered r i n g i s formed a t t h e e x p e n s e o f r e s o n a n c e s t a b i l i z a t i o n o f t h e n i t r o n i u m i o n , i t h a s b e e n shown by
' 17. + c a l c u l a t i o n s o f t h e C2H^-N0 2 e n e r g y s u r f a c e t o b e 240 k J / m o l l o w e r i n 5 2 -e n -e r g y t h a n t h e a c y c l i c c a t i o n , i n t h e g a s p h a s e . I t i s p o s s i b l e h owe ve r t h a t i n s o l u t i o n , t h e s t a b i l i t y c o u l d be r e v e r s e d by e x t e r n a l s o l v a t i o n o f t h e a c y c l i c c a t i o n . The r e l e v a n c e o f s u c h a [2+2] a d d i t i o n i s y e t t o - b e e s t a b l i s h e d i n e l e c t r o p h i l i c a r o m a t i c n i t r a t i o n . 1 . 7 The Wheland I n t e r m e d i a t e : C o l l a p s e o f a n e n c o u n t e r p a i r l e a d s t o t h e f o r m a t i o n o f a ' c y c l o h e x a d i e n y l c a t i o n ( w h e l a n d i n t e r m e d i a t e ) . For a a o n o - s u b s t i t u t e d b e n z e n e t h e r e a r e f o u r p o s s i b l e i s o m e r s a s shown i n scheme 1 . 1 4 N o t + R NO] /
4-H NO;
Wi 21 Wo Wm 22 23 Scheme 1 .14 Wp 24 The W , W a nd W I n t e r m e d i a t e s n o r m a l l y u n d e r g o r a p i d 0 m 9 .. 'p r o t o n l o s s . I n a few i n s t a n c e s s t e r i c f a c t o r s s low down t h i s p r o c e s s and s e c o n d a r y r e a c t i o n s a r e p o s s i b l e . . F o r m a t i o n of
/
1 8 . V 1 . 5 - d i - t - b u t y I - 3 - m e t h y l - 2 , 4 - d i o i t r o b e n z e n e ( 3 0 ) and l , 3 - d i - t - b u t y l - 5 - m e t h y l - 2 , 4 - d i n l t r o b e n z e n e ( 3 1 ) i n t h e n i t r a t i o n o f 1 .3 . 5 - t r i - t - b u t y l - 2 - n i t r o b e n z e n e ( 2 5 ) h a s b e e n e x p l a i n e d ' b y m o l e c u l a r 53 r e a r r a n g e m e n t i n t h e l o n g l i v e d Wheland i n t e r m e d i a t e a s shown i n scheme 1 . 1 5 . 25 NO] O -' NO: 30 N d z ÿ ^ ^ O ] 31 Scheme 1 . 1 5 54 R e i c h a nd Cram r e p o r t e d t h e i s o l a t i o n o f an a c e t y l n i t r a t e a d d u c t ( e i x h e r 33 o r 34 (scheme 1 . 1 6 ) ) i n t h e n i t r a t i o n o f 4 - b r o m o - ( 2 , 2 ] - p a r a c y c l o p h a n e ( 3 2 ) . A c y c l o h e x a d i e n o n e 36 b e a r i n g a s e c o n d a r y n i t r o g r o u p h a s a l s o b e e n i s o l a t e d by H o r i t a and h i s c o - w o r k e r s i n t h e n i t r a t i o n o f m e t h y l s u b s t i t u t e d [2 ,2) - p a r a c y c l o p h a n e s 55 . 35 a s shown i n s cheme 1 . 1 6 . — ,19.
32
Br.H N O g/A cO H
80
C 15 m in
'O A c
33
or
O A c
34 - OR = H or Me
35 Scheme 1 . 1 6 I n t h e s e c a s e s trhe s e c o n d a r o m a t i c r i n g s t e r i c a l l y h i n d e r s I > d e p r o t o n a t i o n a n d h e n c e r e n d e r t h e Wheland i n t e r m e d i a t e s l o n g l i v e d . f I n some e x c e p t i o n a l c a s e s t h e Wheland i n t e r m e d i a t e s h a v e b e e n . g e n e r a t e d by p r o t o n a t i n g t h e n i t r o a r o m a t i c s . P r o t o n a t i o n o f 9 - n i t r o a n t h r a c e n e w i t h s u l f u r i c a c i d i n ' c r i c h l a & o a f ç e t i c aci' d l e d t o t h e f o r m a t i o n o f -81% 56 f r e e n i t r i c a c i d . P e r i i n t e r a c t i o n s b e t w e e n t h è 9 - n i t r o s u b s t i t u e n t , and t h ç 1- and 8- h y d r o g e n s i n 37, t h e p r o d u c t o f d e p r o t o n a t i o n , d i s f a v o u r p r o t o n l o s s and r e s u l t i n t h e d e n i t r a t i o n r e a c t i o n b e i n gc o m p e t e t i v e ( S c h e m e ^ l .’1 7 ) . 20, + 37 Scheme 1 . 1 7 39 1 21 The k i n e t i c i s o t o p e e f f e c t m e n t i o n e d e a r l i e r a n d t h a t o b s e r v e d by O l a h and h i s ■c o w o r k e r s i n t h e n i t ^ a t i o n ^ o f a n t h r a c e n e - d jq 57 ( k ^ / k p = 2Z25) w i t h n i t r o n i u m h e x a f l u o r o p h o s p h a t e a l s o p o i n t t o t h e s l o w p r o t o n l o s s i n t h e Wheland i n t e r m e d i a t e . E v i d e n c e ' f o r t h e e x i s t e n c e o f t h e Wheland i n t e r m e d i a t e s i s p r o v i d e d by t h e l i n e a r p l o t o f l o g a r i t h m s o f t h e r e l a t i v e r a t e c o n s t a n t s f o r n i t r a t i o n o f a r o m a t i c s i n a c e t i c a n h y d r i d e a g a i n s t t h e p r o t o n a t i o n e q u i l i b r i u m c o n s t a n t s i n l i q u i d h y d r o g e n f l u o r i d e f o r " t h e same 58 - . compounds . T h i s i n d i c a t e d t h e s i m i l a r i t y i n t h e t r e n d s f o r r a t e s o f ». ■ » ' Wheland i n t e r m e d i a t e s f o r m a t i o n and t h e o - b a s i c i t i e s o f t h e c o r r e s p o n d i n g a r o m a t i c c o m p ou nd s . T h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n s by Wheland 5 9 h a v e s u p p o r t e d t ji e e x i s t e n c e o f t h e s e i n t e r m e d i a t e s . S p e c t r o s c o p i c 60 ' 4
s t q d i e s h a v e now conf-irirfed t h e s e s t r u c t u r e s i n t h e cage» o f i p s o c a t j L o n s * ^ ( d i s c u s s e d i n t h e n e x t s e c t i o n ) .
y ' ' ; Z i . 1 .8' I p s o - W h e ï a n d I n t e r m e d i a t e s : ' v ' P e r r i n a nd S k i n n e r , i n t r o d u c e d t h e t e r m .ipso t o d e n o t e ' ' 61 a t t a c k o f a r e a g e n t a t q s u b s t i t u t e d p o s i t i o n . .The r e s u l t a n t c a t i o n , - X ' ^ t h e ipso.— Whe la nd i n t e r m e d i a t e , ' (X - t h e o r i g i n a l s u b s t i t u e n t ) • f o r m e d by a t t a c k o f t h e n i t r o n i u m i o n i s r e l a t i v e l y s t a b l e and shows a v a r i e t y o f i n t e r e s t i n g r e a c t i o n s . The u n d e r s t a n d i n g o f f h e v a r i o u s f a c t o r s r e s p o n s i b l e f o r i t s f o r m a t i o n and f o r i t s u l t i m a t e ' f a t e i s i m p o r t a n t t o a n u n d e r s t a n d i n g o f t h e o v e r a l l n i t r a t i o n p r o c e s s . The ^ i p s o - d i r e c t i v e p o w e r ' o f ^ a s u b s t j . x u e n t i s d i f f i c u l t t o m e a s u r e . A • s u b s t i t u e n t d e a c t i v a t e s o r a c t i v a t e s t h e o r t h o / p a r a o r m et a p o s i t i o n by '' * s t a b i l i z i n g o r d e s t a b l i z i n g t h e r e s p e c t i v e Wheland i n t e r m e d i a t e by e l e c t r o n d o n a t i o n o r . w i t h d r a w a l . The d i r e c t i n g e f f e c t d e p e n d s , o ‘n v a r i o u s f a c t o r s w h i c h a r e n o t n e c e s s a r i l y of e q u a l i m p o r t a n c e f o r a l l f o u r p o s i t i o n s . On a Q u a l i t a t i v e b a s i s , i n d u c t i v e e f f e c t s c o n t r i b u t e t o a l l f o u r p o s i t i o n s , b u t become l e s s i m p o r t a n t w i t h d i s t a n c e . S t e r i c f a c t o r s i n f l u e n c e o r t h o a nd ipso p o s i t i o n s s i g n i f i c a n t l y more t h a n meba o r p a r a p o s i t i o n s . R e s o n a n c e e f f e c t s whi ch a r e s i g n i f i c a n t a t o r t h o .and p a r a p o s i t i o n s . s h o u l d no.t be i m p o r t a n t f o r t h e ipso
p o s i t i o n . , A m e a s u r e o f tQe d i r e c t i n g power o f a s u b s t i t u e n t J .s o b t a i n e d J 6 2 from p a r t i a l r a t e f a c t o r s . F i s c h e r and h i s c o w o r k e r s d e t e r m i n e d t h e p a r t i a l r a t e f a c t o r s a t t h e m e t h y l g r o u p i n t o l u e n e ( o^ = 4 4, m^ = 2 . 1 , 6 3 Pg = 54, i j = 4 . 7 ) , and t h a t o f o t h e r a l k y l g r o u p s r e l a t i v e t o t h e m e t h y l (i^® : : 1^%" = 1 : 0 .3 : 0 . 2 : 0 ) ^ ^ . Ipso p a r t i a l r a t e f a c t o r s f o r h a l o g e n s u b s t i t u e n t s h a v e been m e a s u r e d by 61 P e r r i n . \ The v a l u e s a b o v e i n d i c a t e t h a t i n a l k y l b e n z e n e s t h e
22. i p s o - p o s i t i o n i s l e s s a c t i v a t e d t h a n t h e o r t h o o r p a r a p o s i t i o n s . However i n c a s e o f d i s u b s t i t u t e d b e n z e n e s t h e s i t u a t i o n c a n be r e v e r s e d by t h e e f f e c t o f t h e s e c o n d s u b s t i t u e n t . Thus p o w e r f u l a c t i v a t i n g w s u b s t i t u e n t s o r t h o o r , p a r a t o t h e a l k y l g r o u p .can i n c r e a s e t h e r e a c t i v i t y a t t h e ipso p o s i t i o n e . g . a l t h o u g h o n l y 4% ipso a t t a c k o c c u r s i n t o l u e n e , 7 5% i p s o - a t t a c k o c c u r s i h p - x y l e n e . A t t e m p t s h a v e b e e n made t o q u a n t i f y t h e s e combi ne d e f f e c t s by u s i n g t h e p r i n c i p l e o f a d d i t i v i t y . However t h e e x p e r i m e n t a l v a l u e s do n o t a l w a y s 6 5 ' a g r e e q u a n t i t a t i v e l y w i t h s u c h p r e d i c t i o n s . The r e a c t i o n s 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 c a n be c l a s s i f i e d a s : -a ) r e v e r s -a l t o s t -a r t i n g m -a t e r i -a l by t h e l o s s o f l i i t r o g r o u p ^ b) i p s o - s u b s t i t u t i o n by l o s s o f t h e o r i g i n a l s u b s t i t u e n t c ) m i g r a t i o n o f t h e n i t r o g r o u p y-d ) m i g r a t i o n o f t h e o r i g i n a l s u b s t i t u e n t » e ) r e a r r a n g e m e n t o f a s u b s t i t u e n t o r t h o - o r p a r a - t o the^ i p s o p o s i t i o n f ) c a p t u r e by a n u c l e o p h i l e . 1 . 8 . 1 Ipso S u b s t i t u t i o n A l a r g e number o f f u n c t i o n a l g r o u p s wh ic h u n d e r g o s u b s t i t u t i o n by t h e n i t r o g r o u p a r e known. The o v e r a l l c o n v e r s i o n i n t h i s c a s e c a n b e r e p r e s e n t e d a s i n s cheme 1 . 1 8 : NO R, R + -X R, 40 41
X=CHO, CH3CO, COgH, OMe, i P r , t B u , ArCHg, B r, I , SiMe^, SO3H
23. ■■ , N o r m a l l y I p s o s u b s t i t u t i o n , o c c u r s o n l y f o r s t r o n g l y a c t i v a t e d a r o m a t i c s . ' The f a t e o f t h e e j e c t e d g r o u p h a s n o t a l w a y s b e e n a s c e r t a i n e d b u t i n some c ^ s e s i t c a n s e r v e a s . p l e c t f o p h i l e t o w a r d s a s e c o n d a r o m a t i c m o l e c u l e . N i t r a t i o n o f p-cymeme ( 4 2 ) 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 t h u s g i v e s 2 - and 3- n ^ t r o - p - c y m e n e ( 4 3 ) a n d (4-4) p - n i t r o t o l u e n e (4 5) a nd d i i ^ p r o p y l t o l u e n e ( 4 6 ) a s shown i n scheme 6 6' 1 . 1 9 . > • 42 .43 44 45 Scheme 1 . 1 9 1 . 8 . 2 R e a r r a n g e m e n t o f S u b s t i t u e n t s O r t h o - o r P a r a - t o t h e I p s o p o s i t i o n ; -S u b s t i t u e n t s c o n t a i n i n g an a ~ h y d r o g e n and s i t u a t e d o r t h o - o r p a r a - t o t h e i p s o p o s i t i o n o f t e n u n d e r g o l o s s o f a p r o t o n , t o s t a b i l i z e t h e p o s i t i v e c h a r g e on t h e r i n g . I n t h e c a s e o f a h y d r o x y l g r o u p t h i s l e a d s t o t h e f o r m a t i o n o f a c a r b o n y l g r o u p ( a d i e n o n e ) a n d i s d i s c u s s e d s e p a r a t e l y a s i n t e r n a l n u c l e o p h i l i c c a p t u r e . F o r a l k y l s u b s t i t u e n t s , t h e i n t e r m e d i a t e m e t h y l e n e c y c l o h e x a d i e n e s r e a c t f u r t h e r t o y i e l d b e n z y l i c compounds# Some e x a m p l e s o f s u c h r e a c t l o n g I n c l u d e n i t r o - o x y l a t i o n p r o d u c i n g n i t r a t e s , n i t r o s o - o x y l a t i o n p r o d u c i n g
