SUBSTITUȚIE NUCLEOFILĂ AROMATICĂ: EFECTE, EXEMPLE - CHIMIE - 2025

Substituția aromatică nucleofilă (SNAr) este o reacție care are loc în chimia organică, care implică deplasarea unui grup scindabilă de o intrare nucleofil. Din punct de vedere al mecanismului și aspectelor sale electronice, este partea opusă substituției aromatice electrofile (SEAr).

În general, grupul care pleacă este un halogen, care iese ca anion de halogenă X ^- . Această reacție poate avea loc numai dacă inelul aromatic (mai ales benzen) este deficitar în electroni; adică dacă are grupuri substituente care retrag electroni.

Ecuație generală pentru o substituție nucleofilă aromatică. Sursa: Sponk

Imaginea superioară prezintă cele spuse în paragraful anterior. Grupul de atragere a electronilor EWG (Electron Withdrawing Group) activează inelul aromatic pentru atacul nucleofil al speciei negative Nu ^- . Se poate observa că un forme intermediare (în centru), din care halogenura X ^- este eliberată sau iese .

Rețineți că, în termeni simpli, X este înlocuit cu Nu într-un inel aromatic. Această reacție este foarte versatilă și necesară în sinteza de medicamente noi, precum și în studiile de chimie organică sintetică.

Caracteristici generale

Inelul aromatic poate fi „încărcat” sau „descărcat” de electroni în funcție de substituenții săi (cei care înlocuiesc legătura CH inițială).

Când acești substituenți pot dona densitatea electronilor inelului, se spune că îl îmbogățesc cu electroni; dacă dimpotrivă, sunt atrăgători ai densității electronilor (EWG menționat mai sus), atunci se spune că epuizează inelul electronilor.

În ambele cazuri, inelul este activat pentru o reacție aromatică specifică, în timp ce este dezactivat pentru celălalt.

De exemplu, se spune că un inel aromatic bogat în electroni este activ pentru substituția electrofilă aromatică; adică își poate dona electronii la o specie electrofilă, E ⁺ . Cu toate acestea, nu va dona electroni într - o Nu ^- specie , din moment ce sarcinile negative ar resping reciproc.

Acum, dacă inelul este sărac în electroni, nu are cum să le dea speciilor E ⁺ (SEAr nu apare); pe de altă parte, este disponibil să accepte electronii NU ^- specii (RSNA este dezvoltat).

Diferențe cu substituția electrofilă aromatică

După ce aspectele generale de intrare au fost clarificate, unele diferențe între SNAr și SEAr pot fi acum enumerate:

- Inelul aromatic acționează ca un electrofil (cu deficit de electroni) și este atacat de un nucleofil.

- Un grup X părăsitor este substituit din inel; nu un H ⁺

- Carbocațiile nu sunt formate, ci intermediari cu o sarcină negativă care poate fi delocalizată prin rezonanță

- Prezența mai multor grupuri de atracții în inel accelerează substituția în loc să o încetinească

- În sfârșit, aceste grupuri nu exercită efecte de directivă asupra locului în care (pe care carbon) se va produce substituția. Înlocuirea va avea loc întotdeauna la carbonul atașat la ieșirea din grupa X.

Ultimul punct este ilustrat și în imagine: legătura CX se rupe pentru a forma noua legătură C-Nu.

Efectele editează

Din numărul de substituenți

În mod natural, cu cât inelul este mai sărac în electroni, cu atât va fi mai rapid rSNA și cu atât mai puțin drastice sunt condițiile necesare pentru ca acesta să apară. Ia în considerare următorul exemplu reprezentat în imaginea de mai jos:

Efectele substituenților asupra substituțiilor cu 4-nitrochlorobenzen. Sursa: Gabriel Bolívar.

Rețineți că 4-nitroclorobenzenul (inelul albastru) necesită condiții drastice (presiune ridicată și o temperatură de 350 ºC) pentru ca substituirea Cl să fie cu OH. În acest caz, clorul este grupa care părăsește (Cl ^- ) și hidroxid nucleofilul (OH ^- ).

Când apare grupa NO ₂ , care este un atractor de electroni (inel verde), înlocuirea poate fi efectuată la o temperatură de 150 ° C la presiune ambientală. Pe măsură ce numărul grupurilor NO ₂ prezente crește (inele violet și roșu), înlocuirea are loc la temperaturi mai mici și mai mici (100 ° C și, respectiv, 30 ° C).

Prin urmare, grupele NO ₂ accelerează rSNA și privează inelul de electroni, ceea ce îl face mai susceptibil de atac la OH ^- .

Pozițiile relative ale Cl față de NO ₂ în 4-nitrochlorobenzen și modul în care acestea modifică rata reacției nu vor fi explicate aici ; de exemplu, ratele de reacție ale 2-nitrochlorobenzenului și 3-nitrochlorobenzenului sunt diferite, acesta din urmă fiind cel mai lent comparativ cu ceilalți izomeri.

Din grupul care iese

Prin reluarea 4-nitroclorobenzenului, reacția sa de substituție este mai lentă în comparație cu cea a omologului său fluorurat:

Efectul grupului părăsitor în reacțiile SNAr. Sursa: Gabriel Bolívar.

Explicația pentru aceasta nu poate fi o altă variabilă decât diferența dintre F și Cl. Fluorul este un grup care se lasă teribil, deoarece legătura CF este mai greu de rupt decât legătura C-Cl. Prin urmare, ruperea acestei legături nu este etapa de determinare a vitezei pentru rSNA, ci adăugarea de Nu ^- la inelul aromatic.

Deoarece fluorul este mai electronegativ decât clorul, atomul de carbon atașat de acesta are o deficiență electronică mai mare (C ^{δ +} -F ^δ- ). În consecință, carbonul legăturii CF este mult mai susceptibil de a fi atacat de Nu ^- decât cel al legăturii C-Cl. De aceea, înlocuirea lui F cu OH este mult mai rapidă decât cea a lui Cl pentru OH.

Exemplu

Substituția aromatică electrofilă a 2-metil-4-nitrofluorobenzenului cu para-crezol. Sursa: Gabriel Bolívar.

În cele din urmă, un exemplu de acest tip de reacții organice este prezentat mai jos în imaginea de mai sus. Para-cresolul nu pare a fi un nucleofil; dar, deoarece există un mediu de bază, grupa sa OH este deprotonată, lăsându-l ca un anion fenoxid, care atacă 2-metil-4-nitrofluorobenzenul.

Când are loc acest atac, se spune că nucleofilul se adaugă la electrofil (inelul aromatic al 2-metil-4-nitrofluorobenzenului). Această etapă poate fi văzută în dreapta imaginii, unde compusul intermediar este format cu ambii substituenți aparținând inelului.

Când se adaugă para-cresol, apare o încărcare negativă care este delocalizată prin rezonanță în interiorul inelului (rețineți că nu mai este aromatică).

Imaginea arată doar ultima structură de rezonanță, din care fluorul se termină ca F ^- ; dar în realitate spunea că sarcina negativă ajunge să se delocalizeze chiar și în atomii de oxigen din grupa NO ₂ . După etapa de adăugare vine etapa de eliminare, ultima, care este atunci când produsul este în sfârșit format.

Comentariu final

Restul NO ₂ gruparea poate fi redusă la NH ₂ grupa , și de acolo este posibil să se efectueze reacții ulterioare de sinteză pentru a modifica molecula finală. Acest lucru evidențiază potențialul sintetic al rSNA și că mecanismul său constă, de asemenea, în două etape: una pentru adăugare și cealaltă pentru eliminare.

În prezent, însă, există dovezi experimentale și de calcul că reacția se desfășoară de fapt în conformitate cu un mecanism concertat, unde ambele etape se produc simultan prin intermediul unui complex activat și nu al unui intermediar.

Referințe

1. Morrison, RT și Boyd, R, N. (1987). Chimie organica. Ediția a V-a. Editorial Addison-Wesley Interamericana.
2. Carey F. (2008). Chimie organica. (Ediția a șasea). Mc Graw Hill.
3. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Chimie organica. Aminele. (Ediția a 10-a.) Wiley Plus.
4. Wikipedia. (2019). Substituție aromatică nucleofilă. Recuperat de la: en.wikipedia.org
5. James Ashenhurst. (06 septembrie 2019). Substituție aromatică nucleofilă (NAS). Recuperat din: masterorganicchemistry.com
6. Chimie LibreTexturi. (05 iunie 2019). Substituție aromatică nucleofilă. Recuperat din: chem.libretexts.org