АРОМАТИЧНЕ НУКЛЕОФІЛЬНЕ ЗАМІЩЕННЯ: ЕФЕКТИ, ПРИКЛАДИ - ХІМІЯ - 2025

Нуклеофільне ароматичне заміщення (SNAr) являє собою реакція , яка відбувається в органічній хімії, яка включає в себе зміщення хорошою догляд щей групи нуклеофіла прихід. З точки зору його механізму та електронних аспектів, це протилежна сторона електрофільної ароматичної заміни (SEAr).

Як правило, група, що виходить, являє собою галоген, який виходить як галоїдний аніон X ^- . Ця реакція може мати місце лише в тому випадку, якщо в ароматичному кільці (в основному бензолі) не вистачає електронів; тобто якщо у нього є групи, що відмінюють електрони.

Загальне рівняння для ароматичної нуклеофільної заміни. Джерело: Sponk

У верхньому зображенні викладено сказане в попередньому абзаці. Група атракторів електронів EWG (для її абревіатури англійською мовою: Electron Withdrawing Group) активує ароматичне кільце для нуклеофільної атаки негативного виду Nu ^- . Видно, що утворюється проміжний (в центрі), з якого галогенід X ^- вивільняється або виходить .

Зауважимо, що простими словами X заміщений Nu в ароматичному кільці. Ця реакція дуже різнобічна і необхідна в синтезі нових лікарських засобів, а також у дослідженнях синтетичної органічної хімії.

Загальні ознаки

Ароматичне кільце може бути «заряджене» або «розряджене» електронами в залежності від того, які його заступники (ті, які замінюють вихідний зв’язок СН).

Коли ці заступники можуть дарувати щільність електронів кільцю, кажуть, що вони збагачують його електронами; якщо навпаки вони є атракторами електронної щільності (згадана вище ЕРГ), то кажуть, що вони виснажують кільце електронів.

У будь-якому випадку кільце активується для певної ароматичної реакції, тоді як для іншого воно деактивоване.

Наприклад, як кажуть, ароматичне кільце, багате електронами, активне для ароматичної електрофільної заміни; тобто він може дарувати свої електрони електрофільному виду, E ⁺ . Однак він не видасть електрони Nu ^- виду , оскільки негативні заряди будуть відштовхувати один одного.

Тепер, якщо кільце бідне електронами, воно не має можливості віддати їх до виду E ⁺ (SEAr не відбувається); з іншого боку, можна прийняти електрони Nu ^- виду (рСНК розроблена).

Відмінності з ароматичним електрофільним заміщенням

Після того, як загальні вхідні аспекти будуть уточнені, тепер можна перелічити деякі відмінності між СНР та СЕАр:

- Ароматичне кільце діє як електрофіл (дефіцит електронів) і атакується нуклеофілом.

- виходить група X заміщена з кільця; не H ⁺

- Карбокації не утворюються, а є посередниками з негативним зарядом, які можуть бути deloкалізовані резонансом

- Наявність у колеці більшої кількості атракторних груп прискорює заміну замість того, щоб уповільнити її

- Нарешті, ці групи не надають директивного впливу на те, де (на який вуглець) відбудеться заміна. Заміна завжди відбуватиметься на вуглеці, приєднаній до групи X.

Остання точка також проілюстрована на зображенні: зв'язок CX розривається, утворюючи новий C-Nu зв’язок.

Ефекти редагувати

З числа заступників

Природно, чим кільце бідніше електронів, тим швидше буде РСНК і менш різкі умови, необхідні для її виникнення. Розглянемо наступний приклад, представлений на зображенні нижче:

Вплив заступників на 4-нітрохлоробензольні заміни. Джерело: Габріель Болівар.

Зауважимо, що для 4-нітрохлорбензолу (синє кільце) потрібні суворі умови (високий тиск та температура 350 ºC), щоб замінити Cl на ОН. У цьому випадку хлор є групою, що відходить (Cl ^- ), а гідроксид - нуклеофілом (OH ^- ).

Коли з'являється група NO ₂ , яка є аттрактором електронів (зелене кільце), заміщення можна проводити при температурі 150 ° C при тиску навколишнього середовища. Зі збільшенням кількості присутніх груп NO ₂ (фіолетові та червоні кільця) заміщення відбувається при нижчих та нижчих температурах (100 ° C та 30 ° C відповідно).

Отже, групи NO ₂ прискорюють рСНК і позбавляють кільце електронів, роблячи його більш сприйнятливим до атаки ОН ^- .

Відносні положення Cl щодо NO ₂ у 4-нітрохлоробензолі та те, як вони змінюють швидкість реакції, тут не пояснюються ; наприклад, швидкості реакцій 2-нітрохлоробензолу та 3-нітрохлоробензолу різні, останній є найбільш повільним порівняно з іншими ізомерами.

З вихідної групи

Реагуючи на 4-нітрохлоробензол, реакція його заміщення повільніше порівняно з реакцією фторованого аналога:

Вплив групи, що виходить, на реакції SNAr. Джерело: Габріель Болівар.

Пояснення цього не може полягати в іншій змінній, ніж різниця між F і Cl. Фтор є жахливою відхідною групою, оскільки зв'язок CF важче розірвати, ніж зв'язок C-Cl. Отже, розрив цього зв’язку - це не крок визначення швидкості для rSNA, а додавання Nu ^- до ароматичного кільця.

Оскільки фтор більш електронегативний, ніж хлор, то пов'язаний з ним атом вуглецю має більший електронний дефіцит (C ^{δ +} -F ^δ- ). Отже, вуглець CF-зв’язку набагато сприйнятливіший до нападу Nu ^-, ніж у зв'язку C-Cl. Ось чому заміщення F на OH набагато швидше, ніж у Cl для OH.

Приклад

Електрофільна ароматична заміна 2-метил-4-нітрофторбензолу пара-крезолом. Джерело: Габріель Болівар.

Нарешті, приклад такого типу органічних реакцій наведено нижче на зображенні вище. Паракрекрезол не є нуклеофілом; але оскільки існує основне середовище, його ОН-група депротонована, залишаючись як аніон феноксиду, який атакує 2-метил-4-нітрофторбензол.

Коли ця атака відбувається, нуклеофіл, як кажуть, додає до електрофілу (ароматичне кільце 2-метил-4-нітрофторбензолу). Цей крок можна побачити праворуч від зображення, де проміжне з'єднання утворюється з обома заступниками, що належать до кільця.

Коли додається паракрекрезол, з’являється негативний заряд, який переміщується за допомогою резонансу всередині кільця (зауважте, що він більше не ароматичний).

На зображенні просто показана остання резонансна структура, від якої фтор закінчується як F ^- ; але насправді зазначений негативний заряд стає делокалізуватися навіть в атомах кисню групи NO ₂ . Після етапу додавання настає етап елімінації, останній - це, коли продукт остаточно формується.

Остаточний коментар

Решта групи NO ₂ можуть бути відновлені до групи NH ₂ , і звідти можна проводити подальші реакції синтезу для модифікації кінцевої молекули. Це підкреслює синтетичний потенціал rSNA, і що його механізм також складається з двох етапів: один для додавання та другий для усунення.

Однак в даний час є експериментальні та обчислювальні докази того, що реакція насправді протікає за узгодженим механізмом, коли обидва етапи відбуваються одночасно через активований комплекс, а не проміжний.

Список літератури

1. Моррісон, RT та Бойд, R, N. (1987). Органічна хімія. 5-е видання. Редакція Addison-Wesley Interamericana.
2. Кері Ф. (2008). Органічна хімія. (Шосте видання). Mc Graw Hill.
3. Грем Соломон TW, Крейг Б. Фріхле. (2011 р.). Органічна хімія. Аміни. (10-е видання.). Wiley Plus.
4. Вікіпедія. (2019). Нуклеофільне ароматичне заміщення. Відновлено з: en.wikipedia.org
5. Джеймс Ешенхерст. (06 вересня 2019 р.). Нуклеофільна ароматична заміна (НАС). Відновлено з: masterorganicchemistry.com
6. Хімія LibreTexts. (05 червня 2019 р.). Нуклеофільна ароматична заміна. Відновлено з: chem.libretexts.org