AROMAATTISET NUKLEOFIILISET SUBSTITUUTIOT: VAIKUTUKSET, ESIMERKIT - KEMIA - 2025

Nukleofiilinen aromaattinen substituutio (SNAr) on reaktio, joka tapahtuu orgaanisen kemian, johon sisältyy siirtymä on hyvä poistuva ryhmä nukleofiilin saapuvat. Sen mekanismin ja elektronisten näkökohtien kannalta se on elektrofiilisen aromaattisen substituution (SEAr) vastakkaispuoli.

Yleensä poistuva ryhmä on halogeeni, joka poistuu kuten halidi anioni X ^-. Tämä reaktio voi tapahtua vain, jos aromaattinen rengas (lähinnä bentseeni) puuttuu elektronista; eli jos siinä on elektroneja vetäviä substituenttiryhmiä.

Aromaattisten nukleofiilisten substituutioiden yleinen yhtälö. Lähde: Sponk

Yläkuva kuvaa pääpiirteittäin edellisessä kappaleessa sanotun. Elektronien houkuttajaryhmä EWG (Electron vetävä ryhmä) aktivoi aromaattisen renkaan negatiivisten lajien Nu ^- nukleofiiliseen hyökkäykseen. Voidaan nähdä, että muodostuu välituote (keskelle), josta halogenidi X ^- vapautuu tai poistuu.

Huomaa, että yksinkertaisesti X korvaa Nu: n aromaattisessa renkaassa. Tämä reaktio on erittäin monipuolinen ja välttämätön uusien lääkkeiden synteesissä sekä synteettisen orgaanisen kemian tutkimuksissa.

Yleiset ominaisuudet

Aromaattisessa renkaassa voidaan "varata" tai "purkaa" elektronia sen substituenttien mukaan (jotka korvaavat alkuperäisen CH-sidoksen).

Kun nämä substituentit voivat luovuttaa elektronitiheyden renkaalle, niiden sanotaan rikastuttavan sitä elektrooneilla; Jos toisaalta ne ovat elektronitiheyden vetäjiä (edellä mainittu EWG), niin niiden sanotaan köyhdyttävän elektronien rengasta.

Kummassakin tapauksessa rengas aktivoituu tiettyä aromaattista reaktiota varten, kun taas se deaktivoituu toisen suhteen.

Esimerkiksi elektronirikkaan aromaattisen renkaan sanotaan olevan aktiivinen aromaattiseen elektrofiiliseen substituutioon; eli se voi luovuttaa elektronejaan elektrofiiliselle lajille, E ⁺. Se ei kuitenkaan luovuta elektroneja Nu ^- lajeille, koska negatiiviset varaukset hylkivät toisiaan.

Nyt, jos renkaassa on huono elektroneja, sillä ei ole miten antaa ne E ⁺ -lajeille (SEAr: ta ei tapahdu); Toisaalta on mahdollista hyväksyä Nu ^- lajien elektroneja (rSNA: ta kehitetään).

Erot aromaattisessa elektrofiilisessä substituutiossa

Kun yleiset panosnäkökohdat on selvitetty, voidaan nyt luetella joitain eroja SNAr: n ja SEAr: n välillä:

- Aromaattinen rengas toimii elektrofiilinä (elektronipuutos) ja nukleofiili hyökkää siihen.

- poistuva ryhmä X on substituoitu renkaasta; ei H ⁺

- Carbocations ei muodostu, vaan välittäjät, joilla on negatiivinen varaus, joka voidaan siirtää resonanssilla

- Useampien vetovoimaryhmien läsnäolo renkaassa nopeuttaa korvaamista sen sijaan, että hidastaa sitä

- Lopuksi, nämä ryhmät eivät vaikuta direktiiveihin siihen, mihin (mihin hiileen) substituutio tapahtuu. Substituutio tapahtuu aina hiilessä, joka on kiinnittynyt poistuvaan ryhmään X.

Viimeinen kohta on havainnollistettu myös kuvassa: CX-sidos murtuu uuden C-Nu-sidoksen muodostamiseksi.

Efektien muokkaus

Substituenttien lukumäärästä

Luonnollisesti, mitä elektronimielisempi rengas, sitä nopeampi rSNA on ja sitä vähemmän vaativat olosuhteet sen välttämiseksi. Mieti seuraavaa kuvaa alla olevassa kuvassa:

Substituenttien vaikutukset 4-nitroklooribentseenisubstituutioihin. Lähde: Gabriel Bolívar.

Huomaa, että 4-nitroklooribentseeni (sininen rengas) vaatii rajuja olosuhteita (korkea paine ja lämpötila 350 ºC) Cl: n korvaamiseksi OH: lla. Tässä tapauksessa kloori on poistuva ryhmä (Cl ^-), ja hydroksidi on nukleofiili (OH ^-).

Kun NO ₂ ryhmä näkyy, joka on elektroneja puoleensa vetäviä (vihreä rengas), substituutio voidaan suorittaa lämpötilassa, joka on 150 ° C ympäristön paineessa. Kuten määrä NO: ₂ ryhmien läsnä kasvaa (purppura ja punainen renkaat), substituutio tapahtuu alemman ja alemmissa lämpötiloissa (100 ° C ja 30 ° C, vastaavasti).

Näin ollen, NO ₂ ryhmää nopeuttaa RSNA ja riistää rengas elektroneja, mikä lisää alttiiksi OH ^-.

Suhteelliset asemat Cl suhteen NO: ₂ 4-nitrochlorobenzene, ja kuinka nämä muuttavat reaktionopeutta, ei ole tarpeen selittää tässä; esimerkiksi 2-nitroklooribentseenin ja 3-nitroklooribentseenin reaktionopeudet ovat erilaisia, jälkimmäisen ollessa hitain verrattuna muihin isomeereihin.

Lähtevästä ryhmästä

Kun otetaan uudelleen 4-nitroklooribentseeni, sen substituutioreaktio on hitaampi kuin sen fluoratun vastineen:

Lähtevän ryhmän vaikutus SNAr-reaktioihin. Lähde: Gabriel Bolívar.

Selitys tähän ei voi olla muussa muuttujassa kuin F: n ja Cl: n välinen ero. Fluori on kauhistuttava poistuva ryhmä, koska CF-sidos on vaikeampi murtaa kuin C-Cl-sidos. Siksi tämän sidoksen katkeaminen ei ole rSNA: n nopeuden määrittämisvaihe, vaan Nu ^- lisäys aromaattiseen renkaaseen.

Koska fluori on elektronegatiivinen kuin klooria, hiiliatomi liittyy se on suurempi sähköinen puutos (C ^{δ +} -F ^δ-). Näin ollen, hiili CF sidos on paljon alttiimpi hyökkää Nu ^- kuin C-Cl sidoksen. Siksi F: n korvaaminen OH: lla on paljon nopeampaa kuin Cl: n OH: lle.

esimerkki

2-metyyli-4-nitrofluoribentseenin elektrofiilinen aromaattinen substituutio para-kresolilla. Lähde: Gabriel Bolívar.

Lopuksi, esimerkki tämän tyyppisistä orgaanisista reaktioista esitetään alla olevassa kuvassa. Para-kresoli ei näytä olevan nukleofiili; mutta koska on emäksinen väliaine, sen OH-ryhmä deprotonoidaan, jättäen se fenoksidianioniksi, joka hyökkää 2-metyyli-4-nitrofluoribentseeniin.

Kun tämä hyökkäys tapahtuu, nukleofiilin sanotaan lisäävän elektrofiilia (2-metyyli-4-nitrofluoribentseenin aromaattinen rengas). Tämä vaihe voidaan nähdä kuvan oikealla puolella, jolloin välituoteyhdiste muodostetaan molemmilla renkaalla olevilla substituenteilla.

Kun parakresolia lisätään, näkyy negatiivinen varaus, joka siirtyy resonanssilla renkaan sisällä (huomaa, että se ei ole enää aromaattinen).

Kuva vain osoittaa viimeisen resonanssi rakenne, josta fluori päät F ^-; mutta todellisuudessa mainitun negatiivisen varauksen saa delocalize jopa happiatomit NO ₂ -ryhmä. Lisäysvaiheen jälkeen tulee eliminointivaihe, viimeinen vaihe, jolloin tuote lopulta muodostetaan.

Viimeinen kommentti

Jäljellä NO ₂ -ryhmä voidaan pelkistää NH ₂ -ryhmä, ja sieltä se on mahdollista suorittaa synteesin reaktiot muuttaa lopullisen molekyylin. Tämä tuo esiin rSNA: n synteettisen potentiaalin ja että sen mekanismi koostuu myös kahdesta vaiheesta: yksi lisäykseen ja toinen eliminointiin.

Tällä hetkellä on kuitenkin olemassa kokeellista ja laskennallista näyttöä siitä, että reaktio etenee todella yhdenmukaistetun mekanismin mukaisesti, jossa molemmat vaiheet tapahtuvat samanaikaisesti aktivoidun kompleksin kautta, ei välituotteena.

Viitteet

1. Morrison, RT ja Boyd, R, N. (1987). Orgaaninen kemia. 5. painos. Toimituksellinen Addison-Wesley Interamericana.
2. Carey F. (2008). Orgaaninen kemia. (Kuudes painos). Mc Graw Hill.
3. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Orgaaninen kemia. Amiineja. (10. painos.). Wiley Plus.
4. Wikipedia. (2019). Nukleofiilinen aromaattinen substituutio. Palautettu osoitteesta: en.wikipedia.org
5. James Ashenhurst. (6. syyskuuta 2019). Nukleofiilinen aromaattinen substituutio (NAS). Palautettu osoitteesta: masterorganicchemistry.com
6. Kemia LibreTexts. (5. kesäkuuta 2019). Nukleofiilinen aromaattinen substituutio. Palautettu osoitteesta: chem.libretexts.org