AROMATISCHE NUKLEOPHILE SUBSTITUTION: EFFEKTE, BEISPIELE - CHEMIE - 2025

Die nukleophile aromatische Substitution (SNAr) ist eine Reaktion, die in der organischen Chemie stattfindet und die die Verdrängung einer guten Abgangsgruppe durch ein ankommendes Nucleophil beinhaltet. Unter dem Gesichtspunkt seines Mechanismus und seiner elektronischen Aspekte ist es die entgegengesetzte Seite der elektrophilen aromatischen Substitution (SEAr).

Im Allgemeinen ist die Abgangsgruppe ein Halogen, das als Halogenidanion X ^- austritt . Diese Reaktion kann nur stattfinden, wenn dem aromatischen Ring (meistens Benzol) Elektronen fehlen; das heißt, wenn es elektronenziehende Substituentengruppen aufweist.

Allgemeine Gleichung für eine aromatische nukleophile Substitution. Quelle: Sponk

Das obere Bild zeigt, was im vorherigen Absatz gesagt wurde. Die Elektronenattraktorgruppe EWG (Electron Withdrawing Group) aktiviert den aromatischen Ring für den nukleophilen Angriff der negativen Spezies Nu ^- . Es ist ersichtlich, dass ein Zwischenprodukt (in der Mitte) gebildet wird, aus dem das Halogenid X ^- freigesetzt wird oder austritt .

Es ist zu beachten, dass in einfachen Worten Nu in einem aromatischen Ring durch X ersetzt wird. Diese Reaktion ist sehr vielseitig und notwendig für die Synthese neuer Wirkstoffe sowie für Studien zur synthetischen organischen Chemie.

Allgemeine Merkmale

Der aromatische Ring kann abhängig von seinen Substituenten (die die ursprüngliche CH-Bindung ersetzen) von Elektronen "geladen" oder "entladen" werden.

Wenn diese Substituenten dem Ring Elektronendichte verleihen können, sollen sie ihn mit Elektronen anreichern; Wenn sie andererseits Attraktoren der Elektronendichte sind (die oben erwähnte EWG), dann sollen sie den Elektronenring verarmen.

In beiden Fällen wird der Ring für eine bestimmte aromatische Reaktion aktiviert, während er für die andere deaktiviert wird.

Beispielsweise soll ein elektronenreicher aromatischer Ring für die aromatische elektrophile Substitution aktiv sein; Das heißt, es kann seine Elektronen an eine elektrophile Spezies, E ⁺ , abgeben . Es werden jedoch keine Elektronen an eine Nu ^- Spezies abgegeben , da sich die negativen Ladungen gegenseitig abstoßen würden.

Wenn der Ring arm an Elektronen ist, weiß er nicht, wie er sie der E ⁺ -Spezies geben soll (SEAr tritt nicht auf). Zum anderen können die Elektronen der Nu ^- Spezies aufgenommen werden (die rSNA wird entwickelt).

Unterschiede zur aromatischen elektrophilen Substitution

Nachdem die allgemeinen Eingabeaspekte geklärt wurden, können nun einige Unterschiede zwischen dem SNAr und dem SEAr aufgelistet werden:

- Der aromatische Ring wirkt als Elektrophil (elektronenarm) und wird von einem Nucleophil angegriffen.

- Eine Abgangsgruppe X wird durch den Ring ersetzt; kein H ⁺

- Es entstehen keine Carbokationen, sondern Intermediäre mit einer negativen Ladung, die durch Resonanz delokalisiert werden können

- Das Vorhandensein von mehr Attraktorgruppen im Ring beschleunigt die Substitution, anstatt sie zu verlangsamen

- Schließlich üben diese Gruppen keine richtliniengebundenen Auswirkungen darauf aus, wo (auf welchem ​​Kohlenstoff) die Substitution stattfinden wird. Die Substitution erfolgt immer an dem Kohlenstoff, der an die Abgangsgruppe X gebunden ist.

Der letzte Punkt ist auch im Bild dargestellt: Die CX-Bindung bricht, um die neue C-Nu-Bindung zu bilden.

Effekte bearbeiten

Von der Anzahl der Substituenten

Je elektronenarmer der Ring ist, desto schneller ist natürlich die rSNA und desto weniger drastisch sind die Bedingungen, unter denen sie auftreten kann. Betrachten Sie das folgende Beispiel in der Abbildung unten:

Auswirkungen von Substituenten auf 4-Nitrochlorbenzol-Substitutionen. Quelle: Gabriel Bolívar.

Es ist zu beachten, dass 4-Nitrochlorbenzol (blauer Ring) drastische Bedingungen (hoher Druck und eine Temperatur von 350 ° C) erfordert, damit Cl durch OH ersetzt werden kann. In diesem Fall ist Chlor die Abgangsgruppe (Cl ^- ) und Hydroxid das Nucleophil (OH ^- ).

Wenn die NO ₂ -Gruppe auftritt , bei der es sich um einen Elektronenattraktor (grüner Ring) handelt, kann die Substitution bei einer Temperatur von 150 ° C und Umgebungsdruck durchgeführt werden. Wenn die Anzahl der vorhandenen NO ₂ -Gruppen zunimmt (violette und rote Ringe), erfolgt die Substitution bei niedrigeren und niedrigeren Temperaturen (100 ° C bzw. 30 ° C).

Daher beschleunigen die NO ₂ -Gruppen die rSNA und berauben den Elektronenring, wodurch er anfälliger für Angriffe durch OH ^{- wird} .

Die relativen Positionen von Cl in Bezug auf NO ₂ in 4-Nitrochlorbenzol und wie diese die Reaktionsgeschwindigkeit verändern, werden hier nicht erklärt ; Beispielsweise sind die Reaktionsgeschwindigkeiten von 2-Nitrochlorbenzol und 3-Nitrochlorbenzol unterschiedlich, wobei letzteres im Vergleich zu den anderen Isomeren am langsamsten ist.

Aus der ausgehenden Gruppe

Bei der Rückgewinnung von 4-Nitrochlorbenzol ist seine Substitutionsreaktion langsamer als die seines fluorierten Gegenstücks:

Wirkung der Abgangsgruppe bei SNAr-Reaktionen. Quelle: Gabriel Bolívar.

Die Erklärung dafür kann nicht in einer anderen Variablen liegen als der Unterschied zwischen F und Cl. Fluor ist eine schreckliche Abgangsgruppe, da die CF-Bindung schwieriger zu brechen ist als die C-Cl-Bindung. Daher ist das Aufbrechen dieser Bindung nicht der geschwindigkeitsbestimmende Schritt für rSNA, sondern die Addition von Nu ^- an den aromatischen Ring.

Da Fluor elektronegativer als Chlor ist, weist das damit verbundene Kohlenstoffatom einen größeren elektronischen Mangel auf (C ^{δ +} -F ^δ- ). Folglich ist der Kohlenstoff der CF-Bindung viel anfälliger für Angriffe durch Nu ^- als der der C-Cl-Bindung. Deshalb ist die Substitution von OH durch F viel schneller als die von OH durch Cl.

Beispiel

Elektrophile aromatische Substitution von 2-Methyl-4-nitrofluorbenzol mit para-Kresol. Quelle: Gabriel Bolívar.

Ein Beispiel für diese Art von organischen Reaktionen ist im obigen Bild unten dargestellt. Para-Kresol scheint kein Nucleophil zu sein; Da es jedoch ein basisches Medium gibt, wird seine OH-Gruppe deprotoniert und verbleibt als Phenoxidanion, das 2-Methyl-4-nitrofluorbenzol angreift.

Wenn dieser Angriff auftritt, soll das Nucleophil zum Elektrophil (dem aromatischen Ring von 2-Methyl-4-nitrofluorbenzol) addieren. Dieser Schritt ist rechts im Bild zu sehen, wo die Zwischenverbindung mit beiden zum Ring gehörenden Substituenten gebildet wird.

Wenn Para-Kresol hinzugefügt wird, erscheint eine negative Ladung, die durch Resonanz innerhalb des Rings delokalisiert wird (beachten Sie, dass es nicht mehr aromatisch ist).

Das Bild zeigt nur die letzte Resonanzstruktur, von der das Fluor als F ^- endet ; In Wirklichkeit delokalisiert diese negative Ladung jedoch sogar in den Sauerstoffatomen der NO ₂ -Gruppe . Nach dem Additionsschritt folgt der Eliminierungsschritt, der letzte, bei dem das Produkt schließlich gebildet wird.

Abschließender Kommentar

Die verbleibende NO ₂ -Gruppe kann zur NH ₂ -Gruppe reduziert werden , und von dort aus können weitere Synthesereaktionen durchgeführt werden, um das endgültige Molekül zu modifizieren. Dies unterstreicht das Synthesepotential von rSNA und dass sein Mechanismus auch aus zwei Schritten besteht: einem zur Addition und einem zur Eliminierung.

Derzeit gibt es jedoch experimentelle und rechnerische Beweise dafür, dass die Reaktion tatsächlich nach einem konzertierten Mechanismus abläuft, bei dem beide Schritte gleichzeitig über einen aktivierten Komplex und nicht über ein Zwischenprodukt ablaufen.

Verweise

1. Morrison, RT und Boyd, R, N. (1987). Organische Chemie. 5. Auflage. Editorial Addison-Wesley Interamericana.
2. Carey F. (2008). Organische Chemie. (Sechste Ausgabe). Mc Graw Hill.
3. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Organische Chemie. Amine. (10. Auflage). Wiley Plus.
4. Wikipedia. (2019). Nucleophile aromatische Substitution. Wiederhergestellt von: en.wikipedia.org
5. James Ashenhurst. (06. September 2019). Nucleophile aromatische Substitution (NAS). Wiederhergestellt von: masterorganicchemistry.com
6. Chemie LibreTexts. (05. Juni 2019). Nucleophile aromatische Substitution. Wiederhergestellt von: chem.libretexts.org