AROMATICKÁ NUKLEOFILNÁ SUBSTITÚCIA: ÚČINKY, PRÍKLADY - CHÉMIA - 2025

Nukleofilní aromatická substitúcia (Snare) je reakcia, ktorá sa vyskytuje v organickej chémii, ktorá zahŕňa posunutie dobre odštěpitelnou skupinu nukleofilní Prichádzajúce. Z hľadiska mechanizmu a elektronických aspektov je to opačná strana elektrofilnej aromatickej substitúcie (SEAr).

Všeobecne je odstupujúci skupina je halogén, ktorý vystupuje ako halogenidu aniónu X ^- . Táto reakcia sa môže uskutočniť iba vtedy, ak aromatický kruh (väčšinou benzén) nemá dostatok elektrónov; to znamená, ak má substituenty skupiny odoberajúce elektróny.

Všeobecná rovnica pre aromatickú nukleofilnú substitúciu. Zdroj: Sponk

Horný obrázok predstavuje to, čo bolo povedané v predchádzajúcom odseku. Skupina elektrónových atraktorov EWG (pre skratku v angličtine: Electron Withdrawing Group), aktivuje aromatický kruh pre nukleofilný útok negatívnych druhov Nu ^- . Je možné vidieť, že medziprodukt je vytvorený (uprostred), z ktorého sa halogenid X ^- je uvoľnená alebo východy .

Všimnite si, že v jednoduchých termínoch X je aromatický kruh nahradený atómom dusíka. Táto reakcia je veľmi univerzálna a nevyhnutná pri syntéze nových liekov, ako aj pri štúdiách syntetickej organickej chémie.

Všeobecné vlastnosti

Aromatický kruh môže byť „nabitý“ alebo „vybitý“ elektrónov v závislosti od toho, aké sú jeho substituenty (substituenty, ktoré nahrádzajú pôvodnú väzbu CH).

Keď tieto substituenty môžu darovať elektrónovú hustotu kruhu, uvádza sa, že ich obohatili elektrónmi; Ak sú naopak atraktory hustoty elektrónov (vyššie uvedená EWG), potom sa hovorí, že ochudobňujú elektrónový kruh.

V obidvoch prípadoch je kruh aktivovaný pre konkrétnu aromatickú reakciu, zatiaľ čo pre druhý je deaktivovaný.

Napríklad sa uvádza, že aromatický kruh bohatý na elektróny je aktívny pre aromatickú elektrofilnú substitúciu; to znamená, že môže darovať svoje elektróny elektrofilnému druhu, E ⁺ . Avšak, nebude to darovať elektróny na Nu ^- druh , pretože záporné náboje sa vzájomne odpudzujú.

Ak je teraz kruh v elektrónoch zlý, nemá spôsob, ako im dať druh E ⁺ (nedochádza k SEAr); na druhej strane je možné prijímať elektróny Nu ^- druhov (je vyvinutá rSNA).

Rozdiely v aromatickej elektrofilnej substitúcii

Po objasnení všeobecných vstupných aspektov je teraz možné uviesť niektoré rozdiely medzi SNAr a SEAr:

- Aromatický kruh pôsobí ako elektrofil (s nedostatkom elektrónov) a je napadnutý nukleofilom.

- odstupujúca skupina X je substituovaná z kruhu; nie H ⁺

- Carbocations nie sú tvorené, ale sprostredkovatelia s negatívnym nábojom, ktorý môže byť delokalizovaný rezonanciou

- Prítomnosť viacerých skupín atraktorov v kruhu urýchľuje striedanie namiesto spomalenia

- Napokon tieto skupiny nevykonávajú účinky smernice na to, kde (na ktorom uhlíku) dôjde k substitúcii. Substitúcia bude vždy na atóme uhlíka pripojenom k ​​odstupujúcej skupine X.

Posledný bod je tiež ilustrovaný na obrázku: väzba CX sa zlomí a vytvorí novú väzbu C-Nu.

Efekty úpravy

Z počtu substituentov

Prirodzene, čím je kruh chudobnejší na elektróny, tým rýchlejšie bude rSNA a menej drastické sú podmienky potrebné na jeho vznik. Zoberme si nasledujúci príklad znázornený na obrázku nižšie:

Účinky substituentov na substitúcie 4-nitrochlórbenzénu. Zdroj: Gabriel Bolívar.

Všimnite si, že 4-nitrochlórbenzén (modrý kruh) vyžaduje, aby došlo k drastickým podmienkam (vysoký tlak a teplota 350 ° C), aby došlo k substitúcii Cl skupinou OH. V tomto prípade je odstupujúcou skupinou atóm chlóru (Cl ^- ) a nukleofilný hydroxid (OH ^- ).

Keď NO ₂ objaví skupina , čo je elektrón atraktorom (zelený kruh), substitúcia môže byť vykonaná pri teplote 150 ° C pri tlaku okolia. Keď sa počet prítomných skupín NO ₂ zvyšuje (fialové a červené krúžky), substitúcia sa uskutočňuje pri nižšej a nižšej teplote (100 ° C a 30 ° C).

Preto skupiny NO ₂ urýchľujú rSNA a pripravujú elektrónový kruh, takže je náchylnejšie k útoku OH ^- .

Relatívna polohy Cl s ohľadom na NO ₂ v 4-nitrochlorbenzenu, a ako sa tieto meniť rýchlosť reakcie, sa netreba je tu vysvetlený ; napríklad reakčné rýchlosti 2-nitrochlórbenzénu a 3-nitrochlórbenzénu sú rôzne, pričom druhý z nich je najpomalší v porovnaní s ostatnými izomérmi.

Z odchádzajúcej skupiny

Pri opakovanom použití 4-nitrochlórbenzénu je jeho substitučná reakcia pomalšia v porovnaní s fluórovaným náprotivkom:

Účinok odstupujúcej skupiny na reakcie SNAr. Zdroj: Gabriel Bolívar.

Vysvetlenie pre to nemôže spočívať v inej premennej, ako je rozdiel medzi F a Cl. Fluór je hrozná odstupujúca skupina, pretože väzba CF je zložitejšia ako väzba C-Cl. Preto prerušenie tejto väzby nie je krokom určujúcim rýchlosť rSNA, ale pridaním Nu ^- k aromatickému kruhu.

Pretože fluór je viac elektronegatívny ako chlór, má atóm uhlíka, ktorý je k nemu pripojený, väčší elektronický nedostatok (C5 ⁺ -F ^δ- ). V dôsledku toho je uhlík z väzby CF oveľa náchylnejší na útok na Nu ^- ako na uhlík z väzby C-Cl. Preto je substitúcia F za OH oveľa rýchlejšia ako substitúcia Cl za OH.

príklad

Elektrofilná aromatická substitúcia 2-metyl-4-nitrofluórbenzénu za para-kresol. Zdroj: Gabriel Bolívar.

Nakoniec je na obrázku hore uvedený príklad tohto typu organických reakcií. Para-kresol sa nezdá byť nukleofilným; ale pretože existuje bázické médium, jeho OH skupina je deprotonovaná a zostáva ako fenoxidový anión, ktorý atakuje 2-metyl-4-nitrofluórbenzén.

Keď dôjde k tomuto ataku, hovorí sa, že nukleofil sa pridá k elektrofilu (aromatický kruh 2-metyl-4-nitrofluórbenzénu). Tento krok je viditeľný napravo od obrázka, kde je medziproduktová zlúčenina tvorená obidvomi substituentmi patriacimi do kruhu.

Keď sa pridá para-krezol, objaví sa záporný náboj, ktorý sa delokalizuje rezonanciou v kruhu (všimnite si, že už nie je aromatický).

Obrázok len ukazuje poslednú rezonančnú štruktúru, z ktorej fluór končí ako F ^- ; ale v skutočnosti sa záporný náboj delokalizuje dokonca aj v atómoch kyslíka skupiny NO ₂ . Po kroku pridania dôjde k eliminačnému kroku, poslednému, ktorým je konečný tvar produktu.

Záverečný komentár

Zostávajúce NO ₂ skupina môže byť redukovaná na NH ₂ skupinu , a odtiaľ je možné vykonať ďalšie syntézy reakcie upraviť konečnej molekuly. Toto zdôrazňuje syntetický potenciál rSNA a jeho mechanizmus sa tiež skladá z dvoch krokov: jeden pre pridanie a druhý pre elimináciu.

V súčasnosti však existujú experimentálne a výpočtové dôkazy, že reakcia skutočne prebieha podľa koordinovaného mechanizmu, pričom oba kroky sa vyskytujú súčasne prostredníctvom aktivovaného komplexu a nie medziproduktu.

Referencie

1. Morrison, RT a Boyd, R., N. (1987). Organická chémia. 5. vydanie. Editorial Addison-Wesley Interamericana.
2. Carey F. (2008). Organická chémia. (Šieste vydanie). Mc Graw Hill.
3. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Organická chémia. Amíny. (10. vydanie.). Wiley Plus.
4. Wikipedia. (2019). Nukleofilná aromatická substitúcia. Obnovené z: en.wikipedia.org
5. James Ashenhurst. (06. september 2019). Nukleofilná aromatická substitúcia (NAS). Získané z: masterorganchemistry.com
6. Chémia LibreTexts. (5. júna 2019). Nukleofilná aromatická substitúcia. Obnovené z: chem.libretexts.org