- Общие особенности
- Отличия от ароматического электрофильного замещения
- Эффекты править
- Из числа заместителей
- Из исходящей группы
- пример
- Заключительный комментарий
- Ссылки
Нуклеофильное ароматическое замещение (SNAr) представляет собой реакция , которая происходит в органической химии, которая включает в себя смещение хорошей уход щей группы нуклеофила приход. С точки зрения механизма и электронных аспектов это противоположная сторона электрофильного ароматического замещения (SEAr).
Обычно уходящей группой является галоген, который выходит в виде галогенид-аниона X - . Эта реакция может иметь место только в том случае, если ароматическое кольцо (в основном бензол) испытывает недостаток электронов; то есть, если он имеет электроноакцепторные заместители.
Общее уравнение ароматического нуклеофильного замещения. Источник: Sponk
На верхнем изображении показано, что было сказано в предыдущем абзаце. Группа электронного аттрактора EWG (группа отвода электронов) активирует ароматическое кольцо для нуклеофильной атаки отрицательных частиц Nu - . Видно, что образуется интермедиат (в центре), из которого галогенид X - выделяется или выходит .
Обратите внимание, что простыми словами X замещает Nu в ароматическом кольце. Эта реакция очень универсальна и необходима при синтезе новых лекарств, а также в исследованиях синтетической органической химии.
Общие особенности
Ароматическое кольцо может быть «заряжено» или «разряжено» электронами в зависимости от того, какие у него заместители (те, которые заменяют исходную связь CH).
Когда эти заместители могут передавать кольцу электронную плотность, говорят, что они обогащают его электронами; Если, с другой стороны, они являются аттракторами электронной плотности (упомянутый выше EWG), то говорят, что они обедняют кольцо электронов.
В любом случае кольцо активируется для определенной ароматической реакции, в то время как оно дезактивируется для другой.
Например, богатое электронами ароматическое кольцо считается активным для ароматического электрофильного замещения; то есть он может отдавать свои электроны электрофильному типу E + . Тем не менее, он не будет отдавать электроны в Nu - виды , так как отрицательные заряды будут отталкиваться друг от друга.
Теперь, если кольцо бедно электронами, у него нет возможности передать их компонентам E + (SEAr не встречается); с другой стороны, можно принимать электроны Nu - виды (RSNA разрабатывается).
Отличия от ароматического электрофильного замещения
После того, как общие входные аспекты были прояснены, теперь можно перечислить некоторые различия между SNAr и SEAr:
- Ароматическое кольцо действует как электрофил (дефицит электронов) и подвергается атаке нуклеофила.
- уходящая группа X замещена в кольце; не H +
- Карбокатионы не образуются, а образуются посредники с отрицательным зарядом, которые могут быть делокализованы резонансом
- Наличие большего количества групп аттракторов в кольце ускоряет замену, а не замедляет ее
- Наконец, эти группы не оказывают директивного воздействия на то, где (на каком углероде) произойдет замещение. Замещение всегда будет происходить на атоме углерода, присоединенном к уходящей группе X.
Последний пункт также проиллюстрирован на изображении: связь CX разрывается, образуя новую связь C-Nu.
Эффекты править
Из числа заместителей
Естественно, чем меньше электронов в кольце, тем быстрее будет рСНК и тем менее суровыми будут условия, необходимые для ее возникновения. Рассмотрим следующий пример, представленный на изображении ниже:
Влияние заместителей на замещения 4-нитрохлорбензола. Источник: Габриэль Боливар.
Обратите внимание, что 4-нитрохлорбензол (синее кольцо) требует жестких условий (высокое давление и температура 350 ºC) для замещения Cl на OH. В этом случае хлор представляет собой уходящую группу (Cl - ), а гидроксид - нуклеофил (OH - ).
Когда появляется группа NO 2 , которая является аттрактором электронов (зеленое кольцо), замещение можно проводить при температуре 150 ° C и давлении окружающей среды. По мере увеличения количества присутствующих групп NO 2 (фиолетовые и красные кольца) замещение происходит при более низких и более низких температурах (100 ° C и 30 ° C соответственно).
Следовательно, группы NO 2 ускоряют рСНК и лишают кольцо электронов, делая его более уязвимым для атаки OH - .
Относительные положения Cl по отношению к NO 2 в 4-нитрохлорбензоле и то, как они меняют скорость реакции, здесь не объясняются ; например, скорости реакции 2-нитрохлорбензола и 3-нитрохлорбензола различны, причем последний является самым медленным по сравнению с другими изомерами.
Из исходящей группы
Реакция замещения 4-нитрохлорбензола протекает медленнее, чем у его фторированного аналога:
Влияние уходящей группы на реакции SNAr. Источник: Габриэль Боливар.
Объяснение этому не может лежать в другой переменной, кроме разницы между F и Cl. Фтор - ужасная уходящая группа, поскольку связь CF труднее разорвать, чем связь C-Cl. Следовательно, разрыв этой связи является не этапом, определяющим скорость для рСНК, а добавлением Nu - к ароматическому кольцу.
Поскольку фтор более электроотрицателен, чем хлор, присоединенный к нему атом углерода имеет больший электронный дефицит (C δ + -F δ- ). Следовательно, углерода в CF связи гораздо более восприимчивы к атакованы Nu - чем связи С-Cl. Вот почему замена ОН на F происходит намного быстрее, чем на ОН на Cl.
пример
Электрофильное ароматическое замещение 2-метил-4-нитрофторбензола пара-крезолом. Источник: Габриэль Боливар.
Наконец, пример этого типа органических реакций показан ниже на изображении выше. Пара-крезол не является нуклеофилом; но поскольку существует основная среда, ее группа ОН депротонируется, оставаясь в виде аниона феноксида, который действительно атакует 2-метил-4-нитрофторбензол.
Когда происходит эта атака, считается, что нуклеофил присоединяется к электрофилу (ароматическое кольцо 2-метил-4-нитрофторбензола). Этот этап можно увидеть в правой части изображения, где образуется промежуточное соединение с обоими заместителями, принадлежащими кольцу.
Когда добавляется пара-крезол, появляется отрицательный заряд, который делокализован резонансом внутри кольца (обратите внимание, что он больше не является ароматическим).
Изображение просто показывает последнюю резонансную структуру, от которой фтор заканчивается как F - ; но на самом деле указанный отрицательный заряд может делокализоваться даже в атомах кислорода группы NO 2 . После этапа добавления следует этап удаления, последний этап, на котором окончательно формируется продукт.
Заключительный комментарий
Оставшаяся группа NO 2 может быть восстановлена до группы NH 2 , и оттуда можно проводить дальнейшие реакции синтеза для модификации конечной молекулы. Это подчеркивает синтетический потенциал рСНК и то, что его механизм также состоит из двух этапов: один для добавления, а другой для удаления.
Однако в настоящее время имеются экспериментальные и расчетные доказательства того, что реакция на самом деле протекает по согласованному механизму, когда обе стадии происходят одновременно через активированный комплекс, а не через промежуточное соединение.
Ссылки
- Моррисон, Р. Т. и Бойд, Р., Н. (1987). Органическая химия. 5-е издание. Редакция Addison-Wesley Interamericana.
- Кэри Ф. (2008). Органическая химия. (Издание шестое). Мак Гроу Хилл.
- Грэм Соломонс Т.В., Крейг Б. Фрайл. (2011). Органическая химия. Амины. (10-е изд.). Wiley Plus.
- Wikipedia. (2019). Нуклеофильное ароматическое замещение. Получено с: en.wikipedia.org
- Джеймс Эшенхерст. (06 сентября 2019 г.). Нуклеофильное ароматическое замещение (НАС). Получено с: masterorganicchemistry.com
- Химия LibreTexts. (05 июня 2019 г.). Нуклеофильное ароматическое замещение. Получено с: chem.libretexts.org