Замещение при насыщенном атоме углерода.

Внутримолекулярный вариант реакции SN2-типа широко используется для замыкания насыщенных гетероциклов. Наиболее легко этот процесс протекает при образовании пяти- и шестичленных циклов, поскольку при таком размере кольца наблюдается наилучший баланс между энтальпийной и энтропийной компонентами – кольца не напряжены и переходные состояния доступны. Циклизация бромоалкиламинов Br(CH2)n-1NH2 с образованием пяти- и шестичленных циклов особенно благоприятна. Азиридины (n = 3) образуются в результате этого процесса также достаточно легко, несмотря на существующее напряжение в трехчленном цикле. Малая степень упорядочения, требуемая для переходного состояния, облегчает протекание реакции. [Циклизация бромоацетат-анионов, приводящая к α-лактону, идет существенно медленнее, возможно, из-за возникновения дополнительного напряжения, связанного с включением sр2-гибридного атома углерода в цикл.]

Реакции этого типа сопровождаются инверсией при атоме углерода. На рис. 7 приведен пример стереоселективного образования цис- и транс-2,3-дифенилазиридинов из трео- и эритро-хлороаминов.

В тех случаях, когда скорость замыкания цикла мала, вероятно протекание межмолекулярных процессов и выход циклического про­дукта снижается. Например, взаимодействие 3-хлоропропанола с гидроксидом натрия в водном метаноле приводит к ациклическим продуктам сольволиза с выходом 78% и к оксетану лишь с выхо­дом 14% (рис. 8).

Эффективность замыкания трех- и четырехчленных циклов увеличивается, если атом углерода, несущий нуклеофильную группу, максимально замещен. Это проиллюстрировано на примере образования оксиранов из этиленхлорогидринов (табл. 1). Увеличение скорости при введении заместителей связано с тем, что при образовании малого цикла величины валентных углов отклоняются от тетраэдрического, что уменьшает стерические затруднения.

Таблица 1. Относительные скорости реакций замыкания цикла для этиленхлорогидринов (водн. NaOH, 18 0C)

Cинтетическая значимость процессов замыкания цикла существенно возрастает при создании методов, позволяющих генерировать in situ подходящие предшественники циклических соединений. Для получения оксиранов из карбонильных соединений обычно используют два основных метода: реакцию Дарзана – взаимодействие карбонильных соединений с α-галогенокетонами и эфирами α-галогенокарбоновых кислот или синтезы с использованием илидов серы. Внутримолекулярное нуклеофильное замещение в образующихся интермедиатах приводит к замыканию оксиранового цикла.

В процессах замыкания цикла, основанных на внутримолекулярных SN-реакциях, используют в качестве нуклеофилов не только амино- и гидроксигруппы. В табл. 2 приведены примеры реакций, в которых еноляты кетонов и амиды в присутствии оснований выступают в качестве нуклеофилов.

Таблица 2. Примеры реакций замыкания цикла с использованием внутримолекулярного нуклеофильного замещения при насыщенном атоме углерода (все приведенные процессы замыкания цикла относятся к экзо-тет-типу).