- Ciri-ciri umum
- Perbezaan dengan penggantian elektrofilik aromatik
- Suntingan kesan
- Daripada jumlah substituen
- Dari kumpulan keluar
- Contohnya
- Komen terakhir
- Rujukan
The penggantian aromatik nukleofilik (SNAr) adalah tindak balas yang berlaku dalam kimia organik, yang melibatkan anjakan sekumpulan meninggalkan baik oleh seorang yang diterima dan balasan nucleophile. Dari sudut pandangan mekanisme dan aspek elektroniknya, ia adalah sisi berlawanan dari penggantian aromatik elektrofilik (SEAr).
Umumnya kumpulan yang meninggalkan adalah halogen, yang keluar sebagai halida anion X - . Tindak balas ini hanya boleh berlaku jika cincin aromatik (kebanyakan benzena) kekurangan elektron; iaitu, jika ia mempunyai kumpulan pengganti yang menarik elektron.
Persamaan umum untuk penggantian nukleofilik aromatik. Sumber: Sponk
Gambar atas menggariskan apa yang dikatakan dalam perenggan sebelumnya. Kumpulan penarik elektron EWG (Kumpulan Pengambilan Elektron) mengaktifkan cincin aromatik untuk serangan nukleofilik spesies negatif Nu - . Dapat dilihat bahawa suatu perantaraan terbentuk (di tengah), dari mana halida X - dilepaskan atau keluar .
Perhatikan bahawa secara sederhana X digantikan dengan Nu dalam cincin aromatik. Tindak balas ini sangat serba boleh dan diperlukan dalam sintesis ubat baru, serta dalam kajian kimia organik sintetik.
Ciri-ciri umum
Lingkaran aromatik boleh "dicas" atau "dibebaskan" elektron bergantung pada apa itu penggantinya (yang menggantikan ikatan CH yang asal).
Apabila substituen ini dapat menyumbangkan ketumpatan elektron ke cincin, mereka dikatakan dapat memperkayakannya dengan elektron; Sekiranya, sebaliknya, mereka adalah penarik ketumpatan elektron (EWG yang disebutkan di atas), maka mereka dikatakan memiskinkan cincin elektron.
Dalam kedua-dua keadaan, cincin diaktifkan untuk tindak balas aromatik tertentu, sementara cincin dinyahaktifkan untuk yang lain.
Sebagai contoh, cincin aromatik kaya elektron dikatakan aktif untuk penggantian elektrofilik aromatik; iaitu, ia dapat menyumbangkan elektronnya kepada spesies elektrofilik, E + . Walau bagaimanapun, ia tidak akan menderma elektron kepada Nu - spesies , kerana caj negatif akan menolak antara satu sama lain.
Sekarang, jika cincinnya kekurangan elektron, ia tidak mempunyai cara untuk memberikannya kepada spesies E + (SEAr tidak berlaku); di sisi lain, ia boleh didapati untuk menerima elektron daripada Nu - spesies (yang rSNA dibangunkan).
Perbezaan dengan penggantian elektrofilik aromatik
Setelah aspek input umum dijelaskan, beberapa perbezaan antara SNAr dan SEAr kini dapat disenaraikan:
- Cincin aromatik berfungsi sebagai elektrofil (kekurangan elektron) dan diserang oleh nukleofil.
- Kumpulan meninggalkan X diganti dari gelang; bukan H +
- Karbokasi tidak terbentuk, tetapi perantara dengan muatan negatif yang dapat dilepaskan oleh resonans
- Kehadiran lebih banyak kumpulan penarik di gelang mempercepat penggantian dan bukannya melambatkannya
- Akhirnya, kumpulan ini tidak memberi kesan arahan di mana (di mana karbon) penggantian akan berlaku. Penggantian akan selalu berlaku pada karbon yang melekat pada meninggalkan kumpulan X.
Titik terakhir juga digambarkan dalam gambar: ikatan CX pecah untuk membentuk ikatan C-Nu yang baru.
Suntingan kesan
Daripada jumlah substituen
Secara semula jadi, semakin banyak cincin elektron yang lemah, semakin cepat rSNA dan semakin drastik keadaan yang diperlukan agar ia berlaku. Pertimbangkan contoh berikut yang ditunjukkan dalam gambar di bawah:
Kesan pengganti pada penggantian 4-nitroklorobenzena. Sumber: Gabriel Bolívar.
Perhatikan bahawa 4-nitrochlorobenzene (cincin biru) memerlukan keadaan drastik (tekanan tinggi dan suhu 350 ºC) agar penggantian Cl dengan OH berlaku. Dalam kes ini, klorin adalah kumpulan yang meninggalkan (Cl - ), dan hidroksida nukleofil (OH - ).
Apabila kumpulan NO 2 muncul , yang merupakan penarik elektron (cincin hijau), penggantian dapat dilakukan pada suhu 150 ° C pada tekanan ambien. Apabila bilangan kumpulan NO 2 hadir (cincin ungu dan merah), penggantian berlaku pada suhu yang lebih rendah dan lebih rendah (masing-masing 100ºC dan 30ºC).
Oleh itu, kumpulan NO 2 mempercepat rSNA dan menghilangkan cincin elektron, menjadikannya lebih mudah diserang oleh OH - .
Kedudukan relatif Cl berkenaan dengan NO 2 dalam 4-nitrochlorobenzene, dan bagaimana ini mengubah kadar tindak balas, tidak akan dijelaskan di sini ; sebagai contoh, kadar tindak balas 2-nitrochlorobenzene dan 3-nitrochlorobenzene berbeza, dengan yang terakhir adalah yang paling lambat berbanding dengan isomer lain.
Dari kumpulan keluar
Mengambil 4-nitroklorobenzena, tindak balas penggantiannya lebih perlahan jika dibandingkan dengan rakannya yang berfluorinasi:
Kesan kumpulan meninggalkan dalam reaksi SNAr. Sumber: Gabriel Bolívar.
Penjelasan untuk ini tidak boleh terletak pada pemboleh ubah lain daripada perbezaan antara F dan Cl. Fluorin adalah kumpulan meninggalkan yang mengerikan, kerana ikatan CF lebih sukar dipatahkan daripada ikatan C-Cl. Oleh itu, memutuskan ikatan ini bukanlah langkah penentu kelajuan untuk rSNA, tetapi penambahan Nu - pada cincin aromatik.
Oleh kerana fluor lebih elektronegatif daripada klorin, atom karbon yang berkaitan dengannya mempunyai kekurangan elektronik yang lebih besar (C δ + -F δ- ). Akibatnya, karbon ikatan CF jauh lebih mudah diserang oleh Nu - daripada ikatan C-Cl. Itulah sebabnya penggantian F untuk OH jauh lebih pantas daripada Cl untuk OH.
Contohnya
Penggantian aromatik elektrofilik 2-metil-4-nitrofluorobenzena dengan para-cresol. Sumber: Gabriel Bolívar.
Akhirnya, contoh reaksi organik jenis ini ditunjukkan di bawah dalam gambar di atas. Para-cresol nampaknya bukan nukleofil; tetapi kerana ada media asas, kumpulan OHnya deprotonasi, tetap sebagai anion fenoksida, yang menyerang 2-metil-4-nitrofluorobenzena.
Apabila serangan ini berlaku, nukleofil dikatakan menambah elektrofil (cincin aromatik 2-metil-4-nitrofluorobenzena). Langkah ini dapat dilihat di sebelah kanan gambar, di mana sebatian perantaraan terbentuk dengan kedua-dua substituen yang tergolong dalam cincin.
Apabila para-cresol ditambahkan, cas negatif muncul yang dilepaskan oleh resonans di dalam gelang (perhatikan bahawa ia tidak lagi beraroma).
Gambar hanya menunjukkan struktur resonans terakhir, dari mana fluorin berakhir sebagai F - ; tetapi pada kenyataannya kata muatan negatif akan melepaskan diri bahkan pada atom oksigen kumpulan NO 2 . Setelah langkah penambahan datang langkah penghapusan, yang terakhir, iaitu ketika produk akhirnya terbentuk.
Komen terakhir
Yang selebihnya NO 2 kumpulan boleh dikurangkan kepada NH 2 kumpulan , dan dari sana ia adalah mungkin untuk melaksanakan tindak balas sintesis lagi untuk mengubah suai molekul akhir. Ini menyoroti potensi sintetik rSNA, dan mekanismenya juga terdiri dari dua langkah: satu untuk penambahan dan satu lagi untuk penghapusan.
Namun, saat ini, ada bukti eksperimental dan komputasi bahawa reaksi itu benar-benar berjalan sesuai dengan mekanisme terpadu, di mana kedua-dua langkah itu berlaku secara serentak melalui kompleks yang diaktifkan dan bukan perantaraan.
Rujukan
- Morrison, RT dan Boyd, R, N. (1987). Kimia organik. Edisi Ke-5. Editorial Addison-Wesley Interamericana.
- Carey F. (2008). Kimia organik. (Edisi keenam). Bukit Mc Graw.
- Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Kimia organik. Amines. (Edisi ke-10.) Wiley Plus.
- Wikipedia. (2019). Penggantian aromatik nukleofilik. Dipulihkan dari: en.wikipedia.org
- James Ashenhurst. (06 September 2019). Penggantian Aromatik Nukleofilik (NAS). Dipulihkan dari: masterorganicchemistry.com
- LibreTexts Kimia. (05 Jun 2019). Penggantian Aromatik Nukleofilik. Dipulihkan dari: chem.libretexts.org