AROMÁS NUKLEOFIL HELYETTESÍTÉS: HATÁSOK, PÉLDÁK - KÉMIA - 2026

A nukleofil aromás helyettesítés (SNAr) egy olyan reakció, amely a szerves kémiában fordul elő, amely magában foglalja egy jó távozó csoport helyettesítését egy bejövő nukleofil által. Mechanizmusa és elektronikus szempontjai szempontjából ez az elektrofil aromás helyettesítés (SEAr) ellentétes oldala.

Általában a lehasadó csoport jelentése halogénatom, amely kilép a halogenid anion X ^-. Ez a reakció csak akkor zajlik le, ha az aromás gyűrű (többnyire benzol) hiányos elektronokban; vagyis ha rendelkezik elektronvontató szubsztituens csoportokkal.

Aromás nukleofil helyettesítés általános egyenlete. Forrás: Sponk

A felső kép vázolja azt, amit az előző bekezdésben mondtak. Az EWG elektronvonzó csoport (Electron Withdrawing Group) aktiválja az aromás gyűrűt a Nu ^- negatív fajok nukleofil támadására. Látható, hogy egy közbenső képződik (a központban), ahonnan a X halogéncsoport ^- felszabadul, vagy kilép.

Vegye figyelembe, hogy egyszerűen X helyettesíti a Nu-t egy aromás gyűrűben. Ez a reakció nagyon sokoldalú és szükséges új gyógyszerek szintézisében, valamint a szintetikus szerves kémia tanulmányaiban.

Általános jellemzők

Az aromás gyűrű az elektronokhoz "tölthető" vagy "kisüthető" attól függően, hogy mi helyettesítői vannak (azok, amelyek helyettesítik az eredeti CH-kötést).

Amikor ezek a szubsztituensek képesek elektronsűrűséget adni a gyűrűnek, azt állítják, hogy elektronokkal gazdagítják; ha éppen ellenkezőleg, elektronsűrűség vonzóik (a fent említett EWG), akkor azt mondják, hogy kimerítik az elektrongyűrűt.

Mindkét esetben a gyűrűt egy meghatározott aromás reakcióhoz aktiválják, míg a másikra kikapcsolják.

Például, egy elektronban gazdag aromás gyűrűről azt mondják, hogy aktív az aromás elektrofil szubsztitúcióban; vagyis az adományozhatja elektronjait egy E ⁺ elektrofil fajhoz. Azonban nem adományoz elektronokat egy Nu ^- faj számára, mivel a negatív töltések visszaszorítják egymást.

Most, ha a gyűrű gyenge az elektronokban, akkor nem tudja, hogyan adhatja meg őket az E ⁺ fajoknak (SEAr nem fordul elő); másrészt rendelkezésre áll a Nu ^- fajok elektronjainak elfogadása (kifejlesztettük az rSNS - t).

Az aromás elektrofil helyettesítés különbségei

Miután az általános bemeneti szempontokat tisztázták, most felsorolhatók az SNAr és a SEAr közötti különbségek:

- Az aromás gyűrű elektrofilként működik (elektronhiányos), és egy nukleofil támadja meg.

- a kilépő X csoport helyettesítve van a gyűrűből; nem H ⁺

- Nem szén-dioxid-képződmények alakulnak ki, hanem olyan negatív töltésű közvetítők, amelyek rezonancia révén áthelyezhetők

- Több gyűjtőcsoport jelenléte a gyűrűben felgyorsítja a helyettesítést, nem pedig lassítja

- Végül, ezek a csoportok nem gyakorolnak irányelvi hatást arra, hogy hol (melyik szénatomon) történik a helyettesítés. A helyettesítés mindig az X távozó csoporthoz kapcsolódó szénnél történik.

Az utolsó pontot a kép is szemlélteti: a CX-kötés megszakad, hogy létrejöjjön az új C-Nu-kötés.

Effektusok szerkesztése

A szubsztituensek számából

Természetesen, minél elektronszegényebb a gyűrű, annál gyorsabb lesz az rSNS, és annál kevésbé drasztikus a körülmények, amelyek szükségesek ahhoz, hogy létrejöjjön. Vegyük figyelembe az alábbi képen bemutatott példát:

A szubsztituensek hatása a 4-nitro-klór-benzol-helyettesítésekre. Forrás: Gabriel Bolívar.

Vegye figyelembe, hogy a 4-nitro-klór-benzol (kék gyűrű) drasztikus körülményeket igényel (nagy nyomás és 350 ° C hőmérséklet) ahhoz, hogy Cl helyettesítse OH-val. Ebben az esetben a klór a kilépő csoport (Cl ^-), és a nukleofil (OH ^-) hidroxidja.

Amikor a NO ₂ csoport megjelenik, amely egy elektronszívó (zöld gyűrű), a szubsztitúció végezhető hőmérsékleten 150 ° C környezeti nyomáson. Ahogy a jelen lévő NO ₂ csoportok száma növekszik (lila és piros gyűrűk), a szubsztitúció alacsonyabb hőmérsékleten (100 ° C, illetve 30 ° C) megy végbe.

Ezért az NO ₂ csoportok felgyorsítják az rSNS-t és megfosztják az elektrongyűrűt, ezáltal érzékenyebbé teszik az OH ^- támadást.

A relatív helyzetét Cl tekintetében NO ₂ a 4-Nitro-Klórbenzol, és hogy ezek hogyan változtatja meg a reakció sebességét, akkor nem magyarázható itt; például a 2-nitro-klór-benzol és a 3-nitro-klór-benzol reakciósebessége különbözik, ez utóbbi a többi izomerhez viszonyítva a leglassabb.

A kimenő csoportból

A 4-nitro-klór-benzol visszakapásakor helyettesítési reakciója lassabb, mint a fluortartalmú vegyületéhez képest:

A kilépő csoport hatása az SNAr reakciókban. Forrás: Gabriel Bolívar.

Ennek magyarázata nem lehet egy másik változóban, mint az F és a Cl közötti különbség. A fluor szörnyű távozó csoport, mivel a CF kötés nehezebb megbontani, mint a C-Cl kötés. Ezért ennek a kötésnek a megszakítása nem az rSNS sebességét meghatározó lépés, hanem inkább a Nu ^- hozzáadása az aromás gyűrűhöz.

Mivel a fluor elektronegatívabb, mint a klór, a hozzá kapcsolt szénatom nagyobb elektronhiányú (C ^{δ +} -F ^δ). Következésképpen a CF-kötés szénét sokkal érzékenyebben támadja meg Nu ^-, mint a C-Cl-kötés. Ezért az F helyettesítése OH-val sokkal gyorsabb, mint a Cl helyett OH-t.

Példa

A 2-metil-4-nitro-fluor-benzol elektrofil aromás helyettesítése para-krezollal. Forrás: Gabriel Bolívar.

Végül az alábbi képen az ilyen szerves reakciók példáját mutatjuk be. A para-krezol nem tűnik nukleofilnak; de mivel létezik egy bázikus táptalaj, annak OH-csoportja protonálatlan marad, és fenoxid-anionként marad, amely megtámadja a 2-metil-4-nitrofluor-benzolot.

Amikor ez a támadás bekövetkezik, a nukleofilról azt mondják, hogy hozzáveszi az elektrofilhez (a 2-metil-4-nitrofluor-benzol aromás gyűrűje). Ez a lépés a kép jobb oldalán látható, ahol a közbenső vegyület mindkét gyűrűhöz tartozó szubsztituenssel képződik.

Para-krezol hozzáadásakor negatív töltés jelenik meg, amelyet a gyűrűben levő rezonancia vált át (vegye figyelembe, hogy már nem aromás).

A kép csak azt mutatja, az utolsó rezonancia szerkezet, amelyből a fluor- végek F ^-; de a valóságban a negatív töltésnek még az NO ₂ csoport oxigénatomjaiban is el kell távolodnia. Az adagolás után jön az eltávolítási lépés, az utolsó lépés, amikor a termék végül kialakul.

Záró megjegyzés

A fennmaradó NO ₂ -csoport lehet csökkenteni az NH ₂ -csoport, és onnan lehet végrehajtani további szintézis reakciókban, hogy módosítsa a végső molekula. Ez rámutat az rSNS szintetikus potenciáljára, és annak mechanizmusa szintén két lépésből áll: az egyik az adagoláshoz, a másik az eltávolításhoz.

Jelenleg azonban kísérleti és számítási bizonyítékok vannak arra, hogy a reakció ténylegesen összehangolt mechanizmus szerint halad meg, ahol mindkét lépés egyidejűleg egy aktivált komplexen keresztül történik, és nem egy közbenső termék.

Irodalom

1. Morrison, RT és Boyd, R, N. (1987). Szerves kémia. 5. kiadás. Szerkesztői Addison-Wesley Interamericana.
2. Carey F. (2008). Szerves kémia. (Hatodik kiadás). Mc Graw Hill.
3. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Szerves kémia. Aminok. (10. kiadás). Wiley Plus.
4. Wikipedia. (2019). Nukleofil aromás helyettesítés. Helyreállítva: en.wikipedia.org
5. James Ashenhurst. (2019. szeptember 06.). Nukleofil aromás helyettesítés (NAS). Helyreállítva: masterorganicchemistry.com
6. Kémia LibreTexts. (2019. június 05.). Nukleofil aromás helyettesítés. Helyreállítva: chem.libretexts.org