Nukleofilní aromatická substituce - Nucleophilic aromatic substitution

Aromatická nukleofilní substituce

A nukleofilní aromatická substituce je substituční reakce v organická chemie ve kterém nukleofil vytlačí zboží opouštějící skupina, jako je a halogenid, na aromatický kruh. Je jich tam 6 nukleofilní substituce mechanismy s aromatickými systémy:

  • the SNAr (doplnění-vyloučení) mechanismus
Mechanismus SNAr
Aromatický mechanismus SN1
Substituce prostřednictvím benzynu

Nejdůležitější z nich je S.NAr mechanism, kde skupiny pro výběr elektronů aktivujte kruh směrem k nukleofilnímu útoku, například pokud existují nitro funkční skupiny umístěn ortho nebo odst do halogenid opouštějící skupina.

SNMechanismus reakce Ar

Toto je mechanismus reakce nukleofilní aromatické substituce 2,4-dinitrochlorbenzenu v a základní roztok ve vodě.

Nukleofilní aromatická substituce

V tomto pořadí jsou uhlíky číslovány ve směru hodinových ručiček od 1 do 6, počínaje 1 uhlíkem ve 12 hodin, který je vázán na chlorid. Protože nitro Skupina je aktivátorem k nukleofilní substituci a meta ředitel, umožňuje, aby benzenový uhlík, ke kterému je vázán, měl záporný náboj. V Meisenheimerův komplex, nevázané elektrony karbanion se připojí k aromatickému pí systému, který umožňuje ipso uhlík dočasně spojit s hydroxyl skupina (-OH). Aby se vrátil do stavu s nižší energií, opustí buď hydroxylová skupina, nebo chlorid. Při řešení dochází k oběma procesům. Malé procento meziproduktu ztrácí chlorid, aby se stalo produktem (2,4-dinitrofenol), zatímco zbytek se vrací do reaktantu. Jelikož 2,4-dinitrofenol je ve stavu s nízkou energií, nevrátí se za vzniku reaktantu, takže po uplynutí určité doby reakce dosáhne chemická rovnováha který upřednostňuje 2,4-dinitrofenol.

Formování rezonančně stabilizovaný Meisenheimerův komplex je pomalý, protože je ve vyšším energetický stav než aromatický reaktant. Ztráta chloridu je rychlá, protože kruh je opět aromatický. Nedávná práce naznačuje, že Meisenheimerův komplex není vždy opravdovým meziproduktem, ale může být přechodovým stavem přední strany SN2 'proces, zvláště pokud stabilizace skupinami přitahujícími elektrony není příliš silná.[1] Recenze z roku 2019 tvrdí, že takový „koordinovaný SNAr 'reakce jsou častější, než se dříve předpokládalo.[2]

Arylhalogenidy nemůže podstoupit klasický „zadek“ SN2 reakce. Vazba uhlík-halogen je v rovině kruhu, protože atom uhlíku má trigonální rovinnou geometrii. Zadní útok je blokován, a proto tato reakce není možná.[3] An SN1 reakce je možné, ale velmi nepříznivé. Znamenalo by to ztrátu bez pomoci opouštějící skupina a tvorba arylového kationtu.[3] Nitroskupina je nejčastěji se vyskytující aktivační skupinou, ostatní skupiny jsou kyano a acyl skupina.[4] Odstupující skupinou může být halogen nebo sulfid. S přibývajícím elektronegativita zvyšuje se reakční rychlost pro nukleofilní útok.[4] Je to proto, že krok určující rychlost pro SNAr reakce je útok nukleofilu a následné rozbití aromatického systému; rychlejší proces je příznivé reformování aromatického systému po ztrátě odstupující skupiny. Jako takový je vidět následující vzorec, pokud jde o schopnost halogenu odstupující skupiny pro SNAr: F> Cl ≈ Br> I (tj. Obrácené pořadí oproti očekávanému pro SN2 reakce). Při pohledu z pohledu S.N2 reakce, to by se zdálo být neintuitivní, protože vazba C-F patří mezi nejsilnější v organické chemii, když je fluorid ideální odcházející skupinou pro SNAr kvůli extrémní polaritě vazby CF. Nukleofily mohou být aminy, alkoxidy, sulfidy a stabilizovaný karbanony.[4]

Nukleofilní aromatické substituční reakce

Některé typické substituční reakce na areny jsou uvedeny níže.

Nukleofilní aromatická substituce se však neomezuje pouze na areny; reakce probíhá ještě snadněji heteroareny. Pyridiny jsou zvláště reaktivní, když jsou substituovány v aromatická orto poloha nebo aromatická para poloha protože pak se záporný náboj účinně delokalizuje v poloze dusíku. Jedna klasická reakce je Chichibabinová reakce (Aleksei Chichibabin, 1914), ve kterém pyridin reaguje s amidem alkalického kovu, jako je amid sodný za vzniku 2-aminopyridinu.[5]

Ve sloučenině methyl 3-nitropyridin-4-karboxylát se meta nitroskupina je ve skutečnosti vytlačena fluor s fluorid cesný v DMSO při 120 ° C.[6]

Nukleofilní aromatická substituce na pyridinu

Asymetrická nukleofilní aromatická substituce

U uhlíkových nukleofilů, jako jsou 1,3-dikarbonylové sloučeniny, byla reakce prokázána jako metoda pro asymetrická syntéza chirálních molekul.[7] Poprvé hlášeno v roce 2005 organokatalyzátor (ve dvojí roli s rolí a katalyzátor fázového přenosu ) je odvozen z cinchonidin (benzylovaný na N a O).

Asymetrická nukleofilní aromatická substituce

Viz také

Reference

  1. ^ Neumann CN, Hooker JM, Ritter T (červen 2016). "Koncentrovaná nukleofilní aromatická substituce s (19) F (-) a (18) F (-)". Příroda. 534 (7607): 369–73. doi:10.1038 / příroda17667. PMC  4911285. PMID  27281221.
  2. ^ Rohrbach S, Smith AJ, Pang JH, Poole DL, Tuttle T, Chiba S, Murphy JA (listopad 2019). „Koncentrované nukleofilní aromatické substituční reakce“. Angewandte Chemie. 58 (46): 16368–16388. doi:10.1002 / anie.201902216. PMC  6899550. PMID  30990931.
  3. ^ A b Clayden J. Organická chemie. Oxford University Press.
  4. ^ A b C Goldstein SW, Bill A, Dhuguru J, Ghoneim O (září 2017). „Nukleofilní aromatická substituce přidání a identifikace aminu“. Journal of Chemical Education. 94 (9): 1388–90. Bibcode:2017JChEd..94.1388G. doi:10.1021 / acs.jchemed.6b00680.
  5. ^ March J (1966). Pokročilá organická chemie, reakce, mechanismy a struktura (3. vyd.). ISBN  0-471-85472-7.
  6. ^ Tjosaas F, Fiksdahl A (únor 2006). „Jednoduchá syntetická cesta k methyl-3-fluorpyridin-4-karboxylátu nukleofilní aromatickou substitucí“. Molekuly (Basilej, Švýcarsko). 11 (2): 130–3. doi:10.3390/11020130. PMC  6148553. PMID  17962783.
  7. ^ Bella M, Kobbelgaard S, Jørgensen KA (březen 2005). „Organokatalytické regio- a asymetrické C-selektivní S (N) Ar reakce - stereoselektivní syntéza opticky aktivních spiro-pyrrolidon-3,3'-oxoindolů“. Journal of the American Chemical Society. 127 (11): 3670–1. doi:10.1021 / ja050200g. PMID  15771481.