АРОМАТИЧНО НУКЛЕОФИЛНО ЗАМЕСТВАНЕ: ЕФЕКТИ, ПРИМЕРИ - ХИМИЯ - 2026

На нуклеофилно ароматно заместване (SNAr) е реакция, протичаща в органичната химия, което включва преместване на лесно отцепваща се група, като нуклеофил входящи. От гледна точка на неговия механизъм и електронни аспекти, това е противоположната страна на електрофилното ароматно заместване (SEAr).

Като цяло напускащата група е халоген, който излиза като халиден анион X ^-. Тази реакция може да се проведе само ако ароматният пръстен (най-вече бензол) е с недостиг на електрони; тоест, ако има заместващи електронни групи заместители.

Общо уравнение за ароматно нуклеофилно заместване. Източник: Sponk

Горното изображение очертава казаното в предишния параграф. Групата за привличане на електрони EWG (за съкращението й на английски: Electron Withdrawing Group) активира ароматния пръстен за нуклеофилната атака на отрицателния вид Nu ^-. Вижда се, че се образува междинно съединение (в центъра), от което халидът X ^- се освобождава или излиза.

Обърнете внимание, че с прости думи X е заместен с Nu в ароматен пръстен. Тази реакция е много гъвкава и необходима при синтеза на нови лекарства, както и при изследвания на синтетичната органична химия.

Общи характеристики

Ароматният пръстен може да бъде "зареден" или "разреден" от електрони в зависимост от това какви са неговите заместители (тези, които заместват първоначалната СН връзка).

Когато тези заместители могат да дарят електронна плътност на пръстена, се казва, че я обогатяват с електрони; Ако, от друга страна, те са атрактори на електронна плътност (споменатата по-горе EWG), тогава се казва, че обедняват пръстена на електроните.

И в двата случая пръстенът се активира за специфична ароматна реакция, докато за другия е деактивиран.

Например, ароматен пръстен, богат на електрон, се казва, че е активен за ароматно електрофилно заместване; тоест, той може да дари електроните си на електрофилен вид, Е ⁺. Въпреки това, той няма да дари електрони на Nu ^- вид, тъй като отрицателните заряди биха се отблъснали взаимно.

Сега, ако пръстенът е беден на електрони, няма начин да ги даде на E ⁺ вида (SEAr не се появява); от друга страна, е възможно да се приемат електроните от Nu ^- видовете (rSNA е разработена).

Разлики с ароматно електрофилно заместване

След като са изяснени общите входни аспекти, вече могат да бъдат изброени някои разлики между SNAr и SEAr:

- Ароматният пръстен действа като електрофил (дефицит на електрон) и се атакува от нуклеофил.

- напускаща група X се замества от пръстена; не е Н ⁺

- Карбокациите не се образуват, а посредници с отрицателен заряд, които могат да бъдат делокализирани чрез резонанс

- Наличието на повече атракторни групи в пръстена ускорява заместването, вместо да го забавя

- И накрая, тези групи не оказват директивно въздействие върху мястото (на кой въглерод) ще се извърши заместител. Заместването винаги ще се случи при въглерода, прикрепен към напускане на група X.

Последната точка също е илюстрирана на изображението: CX връзката се прекъсва, за да образува новата C-Nu връзка.

Ефекти редактират

От броя на заместителите

Естествено, колкото по-беден е електронът на пръстена, толкова по-бърз ще бъде rSNA и по-малко драстични условията, необходими за него. Помислете следния пример, представен на изображението по-долу:

Ефекти на заместителите върху заместванията на 4-нитрохлоробензен. Източник: Габриел Боливар.

Обърнете внимание, че 4-нитрохлоробензенът (син пръстен) изисква драстични условия (високо налягане и температура от 350 ° С), за да се случи заместването на Cl с ОН. В този случай хлорът е напускащата група (Cl ^-), а хидроксидът е нуклеофилът (OH ^-).

Когато NO ₂ появява група, която е електрон привличаща (зелен пръстен), заместването може да се проведе при температура от 150 ° С при налягане на околната среда. Тъй като броят на NO ₂ групи, присъстващи увеличава (пурпурен и червени пръстени), заместването се извършва при по-ниски и по-ниски температури (100 ° С и 30 ° С, съответно).

Следователно, NO ₂ групи ускоряване НСРС и лишават пръстена на електрони, което го прави по-податливи на атака от ОН ^-.

Относителните положения на Cl по отношение на NO ₂ в 4-nitrochlorobenzene, и как те променят скоростта на реакцията, ще не бъдат обяснени тук; например, скоростите на реакция на 2-нитрохлоробензен и 3-нитрохлоробензен са различни, като последният е най-бавен в сравнение с останалите изомери.

От изходящата група

Забранявайки 4-нитрохлоробензен, неговата реакция на заместване е по-бавна в сравнение с тази на флуорирания му колега:

Ефект на напускащата група при SNAr реакции. Източник: Габриел Боливар.

Обяснението за това не може да се крие в друга променлива от разликата между F и Cl. Флуорът е ужасна напускаща група, тъй като CF връзката е по-трудна за разкъсване от връзката на C-Cl. Следователно, разкъсването на тази връзка не е стъпката за определяне на скоростта за rSNA, а добавянето на Nu ^- към ароматния пръстен.

Тъй като флуорът е по-електроотрицателен от хлора, свързаният с него въглероден атом има по-голям електронен дефицит (C ^{δ +} -F ^δ-). Следователно въглеродът на CF връзката е много по-податлив на атака от Nu ^- отколкото този на C-Cl връзката. Ето защо замяната на F с OH е много по-бърза от тази на Cl за OH.

пример

Електрофилно ароматно заместване на 2-метил-4-нитрофлуоробензен с паракрезол. Източник: Габриел Боливар.

И накрая, пример за този вид органични реакции е показан по-долу на изображението по-горе. Паракрезолът не изглежда нуклеофил; но тъй като има основна среда, нейната ОН група се депротонира, оставайки като феноксиден анион, който атакува 2-метил-4-нитрофлуоробензен.

Когато се случи тази атака, се казва, че нуклеофилът се добавя към електрофила (ароматния пръстен на 2-метил-4-нитрофлуоробензен). Този етап може да се види отдясно на изображението, където междинното съединение се образува с двата заместителя, принадлежащи към пръстена.

Когато се добави паракрезол, се появява отрицателен заряд, който се делокализира чрез резонанс в пръстена (имайте предвид, че той вече не е ароматен).

Изображението просто показва последната резонансна структура, от която флуорът завършва като F ^-; но в действителност споменатия отрицателен заряд получава да преместват дори в кислородните атоми на NO ₂ групата. След стъпката на добавяне идва стъпката на елиминиране, последната, която е, когато продуктът е окончателно оформен.

Заключителен коментар

В останалата NO ₂ група може да се редуцира до NH ₂ група, и от там е възможно да се извърши по-нататъшни реакции на синтез за промяна на крайния молекулата. Това подчертава синтетичния потенциал на rSNA и че механизмът му също се състои от две стъпки: една за добавяне, а другата за елиминиране.

Понастоящем обаче има експериментални и изчислителни доказателства, че реакцията всъщност протича по съгласуван механизъм, където и двете стъпки протичат едновременно чрез активиран комплекс, а не междинен.

Препратки

1. Morrison, RT и Boyd, R, N. (1987). Органична химия. 5-то издание. Редакция Addison-Wesley Interamericana.
2. Кери Ф. (2008). Органична химия. (Шесто издание). Mc Graw Hill.
3. Греъм Соломон TW, Craig B. Fryhle. (2011 г.). Органична химия. Амини. (10-то издание.) Wiley Plus.
4. Wikipedia. (2019). Нуклеофилно ароматно заместване. Възстановено от: en.wikipedia.org
5. Джеймс Ашенхърст. (06 септември 2019 г.). Нуклеофилно ароматно заместване (НАС). Възстановена от: masterorganicchemistry.com
6. Химия LibreTexts. (05 юни 2019 г.). Нуклеофилна ароматна заместител. Възстановено от: chem.libretexts.org