Нуклеофильное ароматическое замещение
Нуклеофильное ароматическое замещение ( SNAr , ) представляет собой реакцию замещения в органической химии при которой нуклеофил замещает хорошую уходящую группу , например галогенид , в ароматическом кольце . Ароматические кольца обычно нуклеофильны, но некоторые ароматические соединения подвергаются нуклеофильному замещению. Точно так же, как обычно нуклеофильные алкены могут подвергнуться сопряженному замещению, если они несут электроноакцепторные заместители, так и обычно нуклеофильные ароматические кольца также становятся электрофильными, если у них есть правильные заместители .
Эта реакция отличается от обычной реакции S N 2 , поскольку она происходит при тригональном атоме углерода (sp 2 гибридизация ). Механизм реакции S N 2 не реализуется из-за стерических затруднений бензольного кольца. Чтобы атаковать атом С, нуклеофил должен приблизиться по линии связи C-LG (уходящая группа) сзади, где находится бензольное кольцо. Это следует общему правилу, согласно которому реакции S N 2 происходят только у тетраэдрического атома углерода.
Механизм S N 1 возможен, но очень неблагоприятен, если уходящая группа не является исключительно хорошей. Это будет включать в себя самостоятельную потерю уходящей группы и образование арильного катиона . В реакциях S N 1 все катионы, использованные в качестве интермедиатов, были плоскими с пустой р-орбиталью . Этот катион плоский, но р-орбиталь заполнена (она является частью ароматического кольца), а пустая орбиталь представляет собой sp. 2 орбиталь вне кольца. [1]
Механизмы нуклеофильного ароматического замещения
[ редактировать ]Ароматические кольца подвергаются нуклеофильному замещению несколькими путями.
- Механизм S N Ar (присоединение-удаление)
- ароматический S N 1, механизм встречающийся с солями диазония
- бензиновый механизм (E1cB-Ad N )
- свободнорадикальный механизм S RN 1
- механизм ANRORC
- Викарное нуклеофильное замещение
Механизм S N Ar является наиболее важным из них. Электроноакцепторные группы активируют кольцо в сторону нуклеофильной атаки. Например, если имеются нитрофункциональные группы, расположенные орто- или пара- по отношению к уходящей галогенидной группе, механизм SNAr является предпочтительным.
S N Ar Механизм реакции
[ редактировать ]Ниже представлен механизм реакции нуклеофильного ароматического замещения 2,4-динитрохлорбензола ( 1 ) в щелочном растворе в воде.
Поскольку нитрогруппа является активатором нуклеофильного замещения и метадиректором, она способна стабилизировать дополнительную электронную плотность (посредством резонанса), когда ароматическое соединение подвергается атаке гидроксид- нуклеофила. В результате получается промежуточный продукт, названный комплексом Мейзенгеймера ( 2a ), углерод ipso временно связан с гидроксильной группой . Этот комплекс Мейзенгеймера дополнительно стабилизирован дополнительной электроноакцепторной нитрогруппой ( 2b ).
Чтобы вернуться в более низкое энергетическое состояние, уходит либо гидроксильная группа, либо хлорид. В растворе происходят оба процесса. Небольшой процент промежуточного продукта теряет хлорид и превращается в продукт (2,4-динитрофенол, 3 ), а остальная часть возвращается в реагент ( 1 ). Поскольку 2,4-динитрофенол находится в более низкоэнергетическом состоянии, он не вернется с образованием реагента, поэтому по прошествии некоторого времени реакция достигает химического равновесия , которое благоприятствует 2,4-динитрофенолу, который затем депротонируется основным решение ( 4 ).
Образование резонансно-стабилизированного комплекса Мейзенгеймера происходит медленно, поскольку потеря ароматичности из -за нуклеофильной атаки приводит к переходу в более высокоэнергетическое состояние. К тому же потеря хлорида или гидроксида происходит быстро, поскольку кольцо вновь обретает ароматичность. Недавние работы показывают, что иногда комплекс Мейзенгеймера не всегда является истинным промежуточным продуктом, но может быть переходным состоянием «фронтсайдного S N 2» процесса, особенно если стабилизация электроноакцепторными группами не очень сильна. [2] В обзоре 2019 года утверждается, что такие «согласованные реакции SN Ar » более распространены, чем предполагалось ранее. [3]
Арилгалогениды не могут подвергаться классической «обратной» реакции S N 2 . Связь углерод-галоген находится в плоскости кольца, поскольку атом углерода имеет тригональную плоскую геометрию. Задняя атака блокируется, и поэтому такая реакция невозможна. [4] Реакция S N 1 возможна, но очень неблагоприятна. Это будет включать самостоятельную потерю уходящей группы и образование арильного катиона. [4] Нитрогруппа является наиболее часто встречающейся активирующей группой, другими группами являются цианогруппа и ацильная группа . [5] Уходящая группа может представлять собой галоген или сульфид. С увеличением электроотрицательности скорость реакции нуклеофильной атаки увеличивается. [5] Это связано с тем, что стадией, определяющей скорость реакции S N Ar, является атака нуклеофила и последующее разрушение ароматической системы; более быстрый процесс – благоприятное реформирование ароматической системы после потери уходящей группы. Таким образом, в отношении способности покидать группу галогена для SN Ar наблюдается следующая закономерность : F > Cl ≈ Br > I (т.е. порядок, обратный тому, который ожидается для реакции SN 2 ). Если смотреть с точки зрения реакции S N 2, это может показаться нелогичным, поскольку связь CF является одной из самых прочных в органической химии, хотя на самом деле фторид является идеальной уходящей группой для S N Ar из-за крайней полярности. облигаций CF. Нуклеофилами могут быть амины, алкоксиды , сульфиды и стабилизированные карбанионы . [5]
Реакции нуклеофильного ароматического замещения
[ редактировать ]Некоторые типичные реакции замещения аренов перечислены ниже.
- В результате перегруппировки Бамбергера N-фенилгидроксиламины перегруппировываются в 4-аминофенолы. Нуклеофил – вода.
- Перегруппировка Смайлса представляет собой внутримолекулярную версию реакции этого типа.
Однако нуклеофильное ароматическое замещение не ограничивается аренами; Еще легче реакция протекает с гетероаренами . Пиридины особенно реакционноспособны при замещении в ароматическом орто-положении или ароматическом пара-положении, поскольку тогда отрицательный заряд эффективно делокализуется в положении азота. Одной из классических реакций является реакция Чичибабина ( Алексей Чичибабин , 1914), в которой пиридин взаимодействует с амидом щелочного металла, например амидом натрия, с образованием 2-аминопиридина. [6]
В соединении метил-3-нитропиридин-4-карбоксилата метанитрогруппа фактически замещается фтором с фторидом цезия в ДМСО при 120 ° C. [7]
Хотя реакция Зандмейера солей диазония и галогенидов формально представляет собой нуклеофильное замещение, на самом деле механизм реакции является радикальным . [8]
Асимметричное нуклеофильное ароматическое замещение
[ редактировать ]С углеродными нуклеофилами, такими как 1,3-дикарбонильные соединения, реакция была продемонстрирована как метод асимметричного синтеза хиральных молекул. [9] Впервые сообщалось в 2005 году, органокатализатор (выполняющий двойную роль с ролью катализатора межфазного переноса ) получен из цинхонидина ( бензилированного по N и O).
См. также
[ редактировать ]- Электрофильное ароматическое замещение
- нуклеофил
- Реакция замещения
- SN1 реакция
- SN2 реакция
- СНи реакция
- Нуклеофильное алифатическое замещение
- Нуклеофильное ацильное замещение
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Клейден, Джонатан; Гривз, Ник; Уоррен, Стюарт (15 марта 2012 г.). Органическая химия (Второе изд.). Оксфорд, Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. стр. 514–515. ISBN 978-0-19-927029-3 .
- ^ Нойманн К.Н., Хукер Дж.М., Риттер Т. (июнь 2016 г.). «Согласованное нуклеофильное ароматическое замещение на (19)F(-) и (18)F(-)» . Природа . 534 (7607): 369–73. дои : 10.1038/nature17667 . ПМЦ 4911285 . ПМИД 27281221 .
- ^ Рорбах С., Смит А.Дж., Панг Дж.Х., Пул Д.Л., Таттл Т., Чиба С., Мерфи Дж.А. (ноябрь 2019 г.). «Согласованные реакции нуклеофильного ароматического замещения» . Ангеванде Хеми . 58 (46): 16368–16388. дои : 10.1002/anie.201902216 . ПМК 6899550 . ПМИД 30990931 .
- ^ Jump up to: а б Клейден Дж. Органическая химия . Издательство Оксфордского университета.
- ^ Jump up to: а б с Гольдштейн С.В., Билл А., Дугуру Дж., Гонейм О. (сентябрь 2017 г.). «Нуклеофильное ароматическое замещение и идентификация амина». Журнал химического образования . 94 (9): 1388–90. Бибкод : 2017ЖЧЭд..94.1388Г . doi : 10.1021/acs.jchemed.6b00680 .
- ^ Марш Дж (1966). Расширенная органическая химия, реакции, механизмы и структура (3-е изд.). ISBN 0-471-85472-7 .
- ^ Тьосаас Ф, Фиксдал А (февраль 2006 г.). «Простой синтетический путь получения метил-3-фторпиридин-4-карбоксилата путем нуклеофильного ароматического замещения» . Молекулы (Базель, Швейцария) . 11 (2): 130–3. дои : 10.3390/11020130 . ПМК 6148553 . ПМИД 17962783 .
- ^ Дж. К. Кочи (1957). «Механизм реакций Зандмейера и Меервейна». Дж. Ам. хим. Соц. 79 (11): 2942–2948. дои : 10.1021/ja01568a066 .
- ^ Белла М., Коббельгаард С., Йоргенсен К.А. (март 2005 г.). «Органокаталитические регио- и асимметричные С-селективные S(N)Ar реакции-стереоселективный синтез оптически активных спиропирролидон-3,3'-оксоиндолов». Журнал Американского химического общества . 127 (11): 3670–1. дои : 10.1021/ja050200g . ПМИД 15771481 .
