Войти
Нуклеофильное ароматическое замещение является реакцией замещения в органической химии, в котором нуклеофил замещает хорошую уходящую группу, такие как галогенид, на ароматическом кольце. Ароматические кольца обычно являются нуклеофильными, но некоторые ароматические соединения подвергаются нуклеофильному замещению. Так же, как обычно нуклеофильные алкены могут подвергаться конъюгированному замещению, если они несут электроноакцепторные заместители, так и обычно нуклеофильные ароматические кольца также становятся электрофильными, если они имеют правильные заместители.
Эта реакция отличается от обычной реакции S N 2, потому что она происходит у тригонального атома углерода (sp 2 -гибридизация ). Механизм реакции S N 2 не происходит из-за стерических затруднений бензольного кольца. Чтобы атаковать атом C, нуклеофил должен сблизиться со связью C-LG (уходящая группа) сзади, где находится бензольное кольцо. Это следует общему правилу, согласно которому реакции S N 2 протекают только при тетраэдрическом атоме углерода.
Механизм S N 1 возможен, но очень неблагоприятен, если только уходящая группа не является исключительно хорошей. Это повлечет за собой потерю уходящей группы без посторонней помощи и образование арильного катиона. В реакциях S N 1 все катионы, используемые в качестве промежуточных продуктов, были плоскими с пустой p-орбиталью. Этот катион плоский, но p-орбиталь полная (она является частью ароматического кольца), а пустая орбиталь - sp 2 -орбиталь вне кольца.
Существует шесть различных механизмов нуклеофильного замещения ароматических колец.
Существует 6 механизмов нуклеофильного замещения, встречающихся в ароматических системах:
Механизм S N Ar является наиболее важным из них. Электроноакцепторные группы активируют кольцо в направлении нуклеофильной атаки. Например, если есть нитрофункциональные группы, расположенные орто или пара по отношению к уходящей группе галогенида, предпочтительным является механизм S N Ar.
Ниже приводится механизм реакции нуклеофильного ароматического замещения 2,4-динитрохлорбензола в основном растворе в воде.
В этой последовательности атомы углерода пронумерованы по часовой стрелке от 1 до 6, начиная с 1 атома углерода в положении 12 часов, который связан с хлоридом. Поскольку нитрогруппа является активатором нуклеофильного замещения и мета-директором, она позволяет бензольному углероду, с которым она связана, иметь отрицательный заряд. В комплексе Мейзенгеймера несвязанные электроны карбаниона становятся связанными с ароматической пи-системой, которая позволяет ipso- углероду временно связываться с гидроксильной группой (-ОН). Чтобы вернуться к более низкому энергетическому состоянию, либо уходит гидроксильная группа, либо уходит хлорид. В растворе происходят оба процесса. Небольшой процент промежуточного продукта теряет хлорид и превращается в продукт (2,4-динитрофенол), а остальная часть возвращается в реагент. Поскольку 2,4-динитрофенол находится в более низком энергетическом состоянии, он не будет возвращаться с образованием реагента, поэтому по прошествии некоторого времени реакция достигает химического равновесия, которое благоприятствует 2,4-динитрофенолу.
Образование резонансно-стабилизированного комплекса Мейзенгеймера происходит медленно, поскольку он находится в более высоком энергетическом состоянии, чем ароматический реагент. Потеря хлорида происходит быстро, потому что кольцо снова становится ароматным. Недавняя работа показывает, что иногда комплекс Мейзенгеймера не всегда является истинным промежуточным звеном, но может быть переходным состоянием «фронтонного S N 2» процесса, особенно если стабилизация электроноакцепторными группами не очень сильна. Обзор 2019 года утверждает, что такие «согласованные реакции S N Ar» более распространены, чем предполагалось ранее.
Арилгалогениды не могут подвергаться классической «обратной» реакции S N 2. Связь углерод-галоген находится в плоскости кольца, потому что атом углерода имеет тригональную плоскую геометрию. Атака тыльной стороны заблокирована, поэтому такая реакция невозможна. S N 1 реакция возможно, но очень неблагоприятная. Это повлечет за собой потерю уходящей группы без посторонней помощи и образование арильного катиона. Нитрогруппа является наиболее часто встречающейся активирующей группой, другие группы - циано и ацильная группа. Уходящая группа может быть галогеном или сульфидом. С увеличением электроотрицательности скорость реакции нуклеофильной атаки увеличивается. Это связано с тем, что этапом, определяющим скорость реакции S N Ar, является атака нуклеофила и последующее разрушение ароматической системы; более быстрый процесс - это благоприятное преобразование ароматической системы после потери уходящей группы. Таким образом, наблюдается следующая картина в отношении способности галогеновой уходящей группы для S N Ar: Fgt; Cl ≈ Brgt; I (то есть порядок, обратный тому, который ожидается для реакции S N 2). Если смотреть с точки зрения реакции S N 2, это может показаться нелогичным, поскольку связь CF является одной из самых сильных в органической химии, хотя фторид действительно является идеальной уходящей группой для S N Ar из-за крайней полярности. облигации CF. Нуклеофилы могут быть аминами, алкоксидами, сульфидами и стабилизированными карбанионами.
Некоторые типичные реакции замещения на аренах перечислены ниже.
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, потому что тогда отрицательный заряд эффективно делокализуется в положении азота. Одной из классических реакций является реакция Чичибабина ( Алексей Чичибабин, 1914), в которой пиридин реагирует с амидом щелочного металла, таким как амид натрия, с образованием 2-аминопиридина.
В соединении метил 3-нитропиридин-4-карбоксилат мета- нитрогруппа фактически замещена фтором с фторидом цезия в ДМСО при 120 ° C.
С углеродными нуклеофилами, такими как 1,3-дикарбонильные соединения, реакция была продемонстрирована как метод асимметричного синтеза хиральных молекул. Впервые сообщалось в 2005 году, что органокатализатор ( выполняющий двойную роль с катализатором межфазного переноса ) является производным цинхонидина ( бензилированного по N и O).
