- Splošne značilnosti
- Razlike z aromatično elektrofilno substitucijo
- Učinki uredijo
- Od števila substituentov
- Iz odhajajoče skupine
- Primer
- Končni komentar
- Reference
Nukleofilna aromatsko substitucijo (SNAr) je reakcija, ki se pojavlja v organski kemiji, ki vključuje premik dobro odhodno skupino s nukleofilom Prihajajoče. Z vidika njegovega mehanizma in elektronskih vidikov je nasprotna stran elektrofilne aromatske substitucije (SEAr).
Na splošno je odhajajoča skupina halogen, ki izstopa kot halogenidni anion X - . Ta reakcija se lahko zgodi le, če aromatični obroč (večinoma benzen) primanjkuje elektronov; torej če ima nadomestne skupine, ki odvzemajo elektrone.
Splošna enačba za aromatično nukleofilno substitucijo. Vir: Sponk
Zgornja slika prikazuje, kaj je bilo rečeno v prejšnjem odstavku. Skupina privlačnih elektronov EWG (Electron Withdrawing Group) aktivira aromatični obroč za nukleofilni napad negativne vrste Nu - . Vidimo, da nastane vmesni del (v sredini), iz katerega se halid X - sprosti ali izstopi .
Upoštevajte, da je X poenostavljeno z Nu v aromatičnem obroču. Ta reakcija je zelo vsestranska in potrebna pri sintezi novih zdravil, pa tudi pri študijah sintetične organske kemije.
Splošne značilnosti
Aromatični obroč se lahko "napolni" ali "izprazni" elektrone, odvisno od tega, kakšni so njegovi substituenti (tisti, ki nadomestijo prvotno vez CH).
Ko lahko ti nadomestki dajo gostoto elektronov obroču, naj bi ga obogatili z elektroni; Če so nasprotno privlačniki elektronske gostote (zgoraj omenjena EWG), potem naj bi osiromašili obroč elektrona.
V obeh primerih je obroč aktiviran za določeno aromatično reakcijo, medtem ko je za drugi deaktiviran.
Na primer, aromatski obroč, bogat z elektroni, naj bi bil aktiven za aromatično elektrofilno substitucijo; to pomeni, da lahko da svoje elektrone elektrofilni vrsti, E + . Vendar ne bo daroval elektronov Nu - vrsti , saj bi se negativni naboji med seboj odganjali.
Če je obroč z elektroni slab, nima, kako jih dati vrsti E + (SEAr se ne pojavi); po drugi strani pa je na voljo sprejemanje elektronov Nu - vrste (rSNA je razvita).
Razlike z aromatično elektrofilno substitucijo
Ko so pojasnjeni splošni vhodni vidiki, je zdaj mogoče navesti nekaj razlik med SNAr in SEAr:
- Aromatični obroč deluje kot elektrofil (primanjkuje elektrona) in ga napade nukleofil.
- odhajajoča skupina X je substituirana iz obroča; ne H +
- Karbokacije niso tvorjene, temveč posredniki z negativnim nabojem, ki jih je mogoče resonanco delokalizirati
- Prisotnost več privlačnih skupin v obroču pospeši zamenjavo, namesto da jo upočasni
- Končno te skupine nimajo direktivnih vplivov na to, kje (na katerem ogljiku) bo prišlo do substitucije. Zamenjava bo vedno nastala pri ogljiku, ki je vezan na skupino X.
Zadnja slika je prikazana tudi na sliki: CX vez se pretrga in tvori novo C-Nu vez.
Učinki uredijo
Od števila substituentov
Seveda, bolj ko je prstan slab z elektroni, hitrejši bo rSNA in manj drastični pogoji, ki so potrebni za njegovo pojavljanje. Razmislite o naslednjem primeru, prikazanem na spodnji sliki:
Učinki substituentov na substitucije 4-nitroklorobenzena. Vir: Gabriel Bolívar.
Upoštevajte, da 4-nitroklorobenzen (modri obroč) zahteva drastične razmere (visok tlak in temperatura 350 ° C), da se Cl nadomešča z OH. V tem primeru je klor odhodna skupina (Cl - ), hidroksid pa nukleofil (OH - ).
Ko se pojavi skupina NO 2 , ki je privlak elektronov (zeleni obroč), lahko zamenjavo izvedemo pri temperaturi 150 ° C pri zunanjem tlaku. Ko se število prisotnih skupin NO 2 poveča (vijolični in rdeči obroči), zamenjava poteka pri nižjih in nižjih temperaturah (100 ° C oziroma 30 ° C).
Zato skupine NO 2 pospešijo rSNA in odvzamejo obroč elektronov, zaradi česar so bolj dovzetni za napad s OH - .
Relativni položaji Cl glede na NO 2 v 4-nitroklorobenzen, in kako spreminja hitrost reakcije, se ne bo tukaj pojasnjeno ; na primer, hitrosti reakcije 2-nitroklorobenzena in 3-nitroklorobenzena so različne, pri čemer je slednja najpočasnejša v primerjavi z drugimi izomeri.
Iz odhajajoče skupine
Če je uporabljen 4-nitroklorobenzen, je njegova substitucijska reakcija počasnejša v primerjavi z reakcijo njegovega fluoriranega kolega:
Učinek odhajajoče skupine na reakcije SNAr. Vir: Gabriel Bolívar.
Razlaga tega ne more biti v drugi spremenljivki kot razlika med F in Cl. Fluor je grozljiva odhodna skupina, saj je CF vez težje prekiniti kot vez C-Cl. Zato pretrganje te vezi ni korak za določanje hitrosti za rSNA, ampak dodajanje Nu - aromatskemu obroču.
Ker je fluor bolj elektronegativen od klora, ima ogljikov atom, ki je z njim povezan, večje elektronsko pomanjkanje (C δ + -F δ- ). Posledično je ogljik CF vezave veliko bolj dovzeten za napad z Nu - kot tisti na C-Cl vezi. Zato je zamenjava F za OH veliko hitrejša kot pri Cl za OH.
Primer
Elektrofilna aromatična substitucija 2-metil-4-nitrofluorobenzena s para-krezolom. Vir: Gabriel Bolívar.
Končno je primer te vrste organskih reakcij prikazan spodaj na zgornji sliki. Zdi se, da para-krezol ni nukleofil; ker pa obstaja bazični medij, se njegova OH skupina deprotonazira in ostane kot fenoksidni anion, ki napada 2-metil-4-nitrofluorobenzen.
Ko se ta napad zgodi, naj bi bil nukleofil dodan elektrofilu (aromatski obroč 2-metil-4-nitrofluorobenzena). Ta korak je viden na desni sliki, kjer nastane vmesna spojina z obema substituentoma, ki pripadata obroču.
Ko dodamo pararezrezol, se pojavi negativni naboj, ki se delokalizira z resonanco znotraj obroča (upoštevajte, da ni več aromatičen).
Slika samo prikazuje zadnjo resonančno strukturo, iz katere se fluor konča kot F - ; v resnici pa se omenjeni negativni naboj delokalizira celo v kisikovih atomih skupine NO 2 . Po koraku dodajanja pride korak eliminacije, zadnji, ki je, ko se izdelek končno oblikuje.
Končni komentar
Preostali NO 2 skupino lahko reduciramo v NH 2 skupini , in od tam pa je mogoče izvajati dodatne sintezne reakcije spremeniti končnega molekulo. To poudarja sintetični potencial rSNA in da je njegov mehanizem sestavljen tudi iz dveh korakov: enega za dodajanje in drugega za izločanje.
Trenutno pa obstajajo eksperimentalni in računski dokazi, da reakcija dejansko poteka po usklajenem mehanizmu, kjer se oba koraka zgodita istočasno prek aktiviranega kompleksa in ne vmesnega.
Reference
- Morrison, RT in Boyd, R, N. (1987). Organska kemija. 5. izdaja Uredništvo Addison-Wesley Interamericana.
- Carey F. (2008). Organska kemija. (Šesta izdaja). Mc Graw Hill.
- Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Organska kemija. Amini. (10. izdaja.). Wiley Plus.
- Wikipedija. (2019). Nukleofilna aromatična substitucija. Pridobljeno: en.wikipedia.org
- James Ashenhurst. (06. september 2019). Nukleofilna aromatska zamenjava (NAS). Pridobljeno: masterorganicchemistry.com
- Kemija LibreTexts. (5. junij 2019). Nucleophilic Aromatic Substitution. Pridobljeno: chem.libretexts.org