- Obecné rysy
- Rozdíly s aromatickou elektrofilní substitucí
- Úpravy efektů
- Z počtu substituentů
- Z odcházející skupiny
- Příklad
- Závěrečný komentář
- Reference
Nukleofilní aromatická substituce (SNAr) je reakce, která se vyskytuje v organické chemii, která zahrnuje posunutí dobře odštěpitelnou skupinu nukleofilní Příchozí. Z hlediska svého mechanismu a elektronických aspektů je to opačná strana elektrofilní aromatické substituce (SEAr).
Obecně je odstupující skupinou halogen, který vystupuje jako halogenidový anion X -. K této reakci může dojít pouze tehdy, je-li aromatický kruh (většinou benzen) nedostatek elektronů; to znamená, pokud má substituční skupiny odebírající elektrony.
Obecná rovnice pro aromatickou nukleofilní substituci. Zdroj: Sponk
Horní obrázek nastiňuje to, co bylo řečeno v předchozím odstavci. Skupina elektronových atraktorů EWG (Electron Withdrawing Group) aktivuje aromatický kruh pro nukleofilní napadení negativního druhu Nu -. Je možné vidět, že meziprodukt je vytvořen (uprostřed), ze kterého se halogenid X - je uvolněna nebo východy.
Všimněte si, že v jednoduchých termínech je X nahrazeno atomem Nu v aromatickém kruhu. Tato reakce je velmi všestranná a nezbytná jak při syntéze nových léčiv, tak při studiu syntetické organické chemie.
Obecné rysy
Aromatický kruh může být „nabitý“ nebo „vybitý“ elektronů v závislosti na tom, jaké jsou jeho substituenty (ty, které nahrazují původní vazbu CH).
Když tyto substituenty mohou darovat elektronovou hustotu kruhu, říká se, že ji obohacují elektrony; Pokud jsou naopak atraktory hustoty elektronů (výše zmíněná EWG), pak se říká, že ochuzují kruh elektronů.
V obou případech je kruh aktivován pro specifickou aromatickou reakci, zatímco pro druhý je deaktivován.
Například se uvádí, že aromatický kruh bohatý na elektrony je aktivní pro aromatickou elektrofilní substituci; to znamená, že může darovat své elektrony elektrofilnímu druhu, E +. Nicméně, nebude to darovat elektrony na Nu - druh, protože záporné náboje se vzájemně odpuzují.
Nyní, pokud je prsten v elektronech špatný, nemá způsob, jak je dát druhům E + (SEAr nedochází); na druhé straně je k dispozici přijímat elektrony Nu - druhu (je vyvinuta rSNA).
Rozdíly s aromatickou elektrofilní substitucí
Po vyjasnění obecných vstupních aspektů lze nyní vyjmenovat některé rozdíly mezi SNAr a SEAr:
- Aromatický kruh působí jako elektrofil (s nedostatkem elektronů) a je napaden nukleofilem.
- Odstupující skupina X je substituována z kruhu; ne H +
- Carbocations nejsou tvořeny, ale zprostředkovatelé se záporným nábojem, který může být delokalizován rezonancí
- Přítomnost více skupin atraktorů v kruhu urychluje substituci namísto jejího zpomalení
- Konečně tyto skupiny nevyvíjejí účinky směrnice na to, kde (na kterém uhlíku) dojde k substituci. Substituce bude vždy probíhat na uhlíku připojeném k odstupující skupině X.
Poslední obrázek je také ilustrován na obrázku: CX vazba se zlomí a vytvoří novou C-Nu vazbu.
Úpravy efektů
Z počtu substituentů
Přirozeně platí, že čím prsten je chudší na elektrony, tím rychleji bude rSNA a tím méně drastické jsou podmínky, které jsou nutné k jeho výskytu. Zvažte následující příklad znázorněný na obrázku níže:
Účinky substituentů na substituce 4-nitrochlorbenzenu. Zdroj: Gabriel Bolívar.
Všimněte si, že 4-nitrochlorbenzen (modrý kruh) vyžaduje drastické podmínky (vysoký tlak a teplotu 350 ° C), aby došlo k substituci Cl OH. V tomto případě je odštěpitelná skupina chlor (Cl -) a nukleofilní hydroxid (OH -).
Když se objeví skupina NO 2, což je elektronový atraktor (zelený kruh), může být substituce provedena při teplotě 150 ° C při okolním tlaku. S rostoucím počtem přítomných skupin NO 2 (fialové a červené kroužky) dochází k substituci při nižších a nižších teplotách (100 ° C a 30 ° C).
Proto skupiny NO 2 urychlují rSNA a připravují kruh elektronů, což činí náchylnější k útoku OH -.
Relativní polohy Cl s ohledem na NO 2 ve 4-nitrochlorbenzenu a jak tyto mění rychlost reakce zde nebudou vysvětleny; například reakční rychlosti 2-nitrochlorbenzenu a 3-nitrochlorbenzenu jsou různé, přičemž druhý je nejpomalejší ve srovnání s ostatními isomery.
Z odcházející skupiny
Opakující se 4-nitrochlorbenzen, jeho substituční reakce je pomalejší ve srovnání s reakcí jeho fluorovaného protějšku:
Vliv odstupující skupiny na reakce SNAr. Zdroj: Gabriel Bolívar.
Vysvětlení pro to nemůže spočívat v jiné proměnné, než je rozdíl mezi F a Cl. Fluor je hrozná odstupující skupina, protože vazba CF je obtížnější rozbít než vazba C-Cl. Přerušení této vazby tedy není krokem určujícím rychlost pro rSNA, ale přidáním Nu - k aromatickému kruhu.
Vzhledem k tomu, fluor je více elektronegativní než chloru, atom uhlíku, k němu připojené má větší elektronické nedostatek (C δ + -F δ-). V důsledku toho je uhlík CF vazby mnohem citlivější na útok na Nu - než na uhlík C-Cl. Proto je substituce F za OH mnohem rychlejší než substituce Cl za OH.
Příklad
Elektrofilní aromatická substituce 2-methyl-4-nitrofluorbenzenu para-kresolem. Zdroj: Gabriel Bolívar.
Nakonec je na obrázku výše uveden příklad tohoto typu organických reakcí. Para-kresol se nezdá být nukleofilem; ale protože tam je základní médium, jeho OH skupina je deprotonated, zůstávat jako fenoxid anion, který napadá 2-methyl-4-nitrofluorobenzene.
Když dojde k tomuto útoku, říká se, že nukleofil se přidá k elektrofilu (aromatický kruh 2-methyl-4-nitrofluorbenzenu). Tento krok je vidět na pravé straně obrázku, kde je meziproduktová sloučenina vytvořena s oběma substituenty patřícími do kruhu.
Když je přidán para-kresol, objeví se záporný náboj, který je delokalizován rezonancí uvnitř kruhu (všimněte si, že již není aromatický).
Obrázek ukazuje pouze poslední rezonanční strukturu, z níž fluor končí jako F -; ale ve skutečnosti se záporný náboj delokalizuje dokonce i v atomech kyslíku skupiny NO 2. Po kroku přidávání následuje krok eliminace, poslední, což je okamžik, kdy je produkt konečně formován.
Závěrečný komentář
Zbývající NO 2 skupina může být redukována na NH 2 skupinu, a odtud je možné provést další syntézy reakce upravit konečné molekuly. To zdůrazňuje syntetický potenciál rSNA a jeho mechanismus se také skládá ze dvou kroků: jeden pro přidání a druhý pro eliminaci.
V současné době však existují experimentální a výpočetní důkazy, že reakce skutečně probíhá podle koordinovaného mechanismu, kde oba kroky probíhají současně prostřednictvím aktivovaného komplexu a nikoli meziproduktu.
Reference
- Morrison, RT a Boyd, R., N. (1987). Organická chemie. 5. vydání. Editorial Addison-Wesley Interamericana.
- Carey F. (2008). Organická chemie. (Šesté vydání). Mc Graw Hill.
- Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Organická chemie. Amines. (10. vydání.). Wiley Plus.
- Wikipedia. (2019). Nukleofilní aromatická substituce. Obnoveno z: en.wikipedia.org
- James Ashenhurst. (6. září 2019). Nukleofilní aromatická substituce (NAS). Obnoveno z: masterorganchemistry.com
- Chemie LibreTexts. (5. června 2019). Nukleofilní aromatická substituce. Obnoveno z: chem.libretexts.org