- Algemene kenmerken
- Verschillen met aromatische elektrofiele substitutie
- Effecten bewerken
- Van het aantal substituenten
- Van de uitgaande groep
- Voorbeeld
- Laatste opmerking
- Referenties
De nucleofiele aromatische substitutie (SNAr) is een reactie die plaatsvindt in de organische chemie, waarbij een goede vertrekkende groep wordt vervangen door een inkomende nucleofiel. Vanuit het oogpunt van zijn mechanisme en elektronische aspecten, is het de tegenovergestelde kant van de elektrofiele aromatische substitutie (SEAr).
Algemeen de vertrekkende groep een halogeenatoom, welke uitgangen een halogenide anion X - . Deze reactie kan alleen plaatsvinden als de aromatische ring (meestal benzeen) een tekort aan elektronen heeft; dat wil zeggen, als het elektronenzuigende substituentgroepen heeft.
Algemene vergelijking voor een aromatische nucleofiele substitutie. Bron: Sponk
De bovenste afbeelding schetst wat er in de vorige paragraaf is gezegd. De elektronenaantrekorgroep EWG (Electron Withdrawing Group) activeert de aromatische ring voor nucleofiele aanval van de negatieve soort Nu - . Het is te zien dat een tussenproduct wordt gevormd (in het midden), waaruit het halogenide X - wordt vrijgegeven of uitgaat .
Merk op dat in eenvoudige bewoordingen X wordt vervangen door Nu in een aromatische ring. Deze reactie is zeer veelzijdig en noodzakelijk bij de synthese van nieuwe geneesmiddelen, evenals bij studies naar synthetische organische chemie.
Algemene kenmerken
De aromatische ring kan worden "geladen" of "ontladen" van elektronen, afhankelijk van wat zijn substituenten zijn (die de oorspronkelijke CH-binding vervangen).
Wanneer deze substituenten elektronendichtheid aan de ring kunnen afstaan, zouden ze deze verrijken met elektronen; Als ze daarentegen attractoren zijn van elektronendichtheid (de hierboven genoemde EWG), dan zouden ze de ring van elektronen verarmen.
In beide gevallen wordt de ring geactiveerd voor een specifieke aromatische reactie, terwijl deze voor de andere wordt gedeactiveerd.
Er wordt bijvoorbeeld gezegd dat een elektronenrijke aromatische ring actief is voor aromatische elektrofiele substitutie; dat wil zeggen, het kan zijn elektronen afstaan aan een elektrofiele soort, E + . Het zal echter geen elektronen afstaan aan een Nu - soort , aangezien de negatieve ladingen elkaar zouden afstoten.
Als de ring nu arm is aan elektronen, kan hij ze niet aan de E + -soort geven (SEAr komt niet voor); aan de andere kant is het beschikbaar om de elektronen van de Nu - soort te accepteren (het rSNA wordt ontwikkeld).
Verschillen met aromatische elektrofiele substitutie
Nadat de algemene inputaspecten zijn verduidelijkt, kunnen nu enkele verschillen tussen de SNAr en de SEAr worden opgesomd:
- De aromatische ring werkt als een elektrofiel (elektron-deficiëntie) en wordt aangevallen door een nucleofiel.
- Een vertrekkende groep X wordt vervangen door de ring; geen H +
- Carbocaties worden niet gevormd, maar tussenpersonen met een negatieve lading die door resonantie kunnen worden gedelokaliseerd
- De aanwezigheid van meer attractorgroepen in de ring versnelt de substitutie in plaats van deze te vertragen
- Ten slotte oefenen deze groepen geen sturende effecten uit over waar (op welke koolstof) de substitutie zal plaatsvinden. Vervanging zal altijd plaatsvinden bij de koolstof die aan de vertrekkende groep X is gehecht.
Het laatste punt wordt ook geïllustreerd in de afbeelding: de CX-binding breekt om de nieuwe C-Nu-binding te vormen.
Effecten bewerken
Van het aantal substituenten
Natuurlijk, hoe meer elektronenarm de ring is, hoe sneller het rSNA zal zijn en hoe minder ingrijpende voorwaarden zijn om het te laten gebeuren. Beschouw het volgende voorbeeld dat in de onderstaande afbeelding wordt weergegeven:
Effecten van substituenten op 4-nitrochloorbenzeensubstituties. Bron: Gabriel Bolívar.
Merk op dat 4-nitrochloorbenzeen (blauwe ring) drastische voorwaarden vereist (hoge druk en een temperatuur van 350 ºC) om de substitutie van Cl door OH te laten plaatsvinden. In dit geval is chloor de vertrekkende groep (Cl - ) en hydroxide de nucleofiel (OH - ).
Wanneer de NO 2 -groep verschijnt , die een elektron-attractor (groene ring) is, kan de substitutie worden uitgevoerd bij een temperatuur van 150 ° C bij omgevingsdruk. Naarmate het aantal aanwezige NO 2 -groepen toeneemt (paarse en rode ringen), vindt de substitutie plaats bij lagere en lagere temperaturen (respectievelijk 100 ° C en 30 ° C).
Daarom versnellen de NO 2 -groepen het rSNA en ontnemen ze de ring van elektronen, waardoor deze gevoeliger wordt voor aanvallen door OH - .
De relatieve posities van Cl ten opzichte van NO 2 in 4-nitrochloorbenzeen, en hoe deze de reactiesnelheid veranderen, worden hier niet uitgelegd ; Zo zijn de reactiesnelheden van 2-nitrochloorbenzeen en 3-nitrochloorbenzeen verschillend, waarbij de laatste de langzaamste is in vergelijking met de andere isomeren.
Van de uitgaande groep
Door 4-nitrochloorbenzeen opnieuw te nemen, is de substitutiereactie langzamer in vergelijking met die van zijn gefluoreerde tegenhanger:
Effect van de vertrekkende groep in SNAr-reacties. Bron: Gabriel Bolívar.
De verklaring hiervoor kan niet in een andere variabele liggen dan het verschil tussen F en Cl. Fluor is een verschrikkelijke vertrekkende groep, aangezien de CF-binding moeilijker te verbreken is dan de C-Cl-binding. Daarom is het verbreken van deze binding niet de snelheidsbepalende stap voor rSNA, maar de toevoeging van Nu - aan de aromatische ring.
Omdat fluor elektronegatiever is dan chloor, heeft het koolstofatoom dat eraan vastzit een grotere elektronische deficiëntie (C δ + -F δ- ). Bijgevolg heeft het koolstofatoom van de CF binding is veel gevoeliger voor aangevallen door Nu - dan het C-Cl binding. Daarom is de vervanging van OH door F veel sneller dan die van Cl door OH.
Voorbeeld
Elektrofiele aromatische substitutie van 2-methyl-4-nitrofluorbenzeen door paracresol. Bron: Gabriel Bolívar.
Ten slotte wordt een voorbeeld van dit soort organische reacties hieronder weergegeven in de bovenstaande afbeelding. Para-cresol lijkt geen nucleofiel te zijn; maar aangezien er een basismedium is, wordt de OH-groep gedeprotoneerd, waardoor het achterblijft als een fenoxide-anion, dat 2-methyl-4-nitrofluorbenzeen aantast.
Wanneer deze aanval plaatsvindt, wordt gezegd dat het nucleofiel bijdraagt aan het elektrofiel (de aromatische ring van 2-methyl-4-nitrofluorbenzeen). Deze stap is te zien aan de rechterkant van de afbeelding, waar de tussenverbinding wordt gevormd met beide substituenten die tot de ring behoren.
Wanneer para-cresol wordt toegevoegd, verschijnt er een negatieve lading die wordt gedelokaliseerd door resonantie binnen de ring (merk op dat deze niet langer aromatisch is).
De afbeelding toont alleen de laatste resonantiestructuur, waarvan de fluor eindigt als F - ; maar in werkelijkheid kan deze negatieve lading zelfs in de zuurstofatomen van de NO 2 -groep delokaliseren . Na de toevoegstap komt de eliminatiestap, de laatste, waarin het product uiteindelijk wordt gevormd.
Laatste opmerking
De resterende NO 2 -groep kan worden gereduceerd tot het NH 2 -groep en vandaar is het mogelijk verdere synthesereacties uit te voeren om de uiteindelijke molecuul te modificeren. Dit benadrukt het synthetische potentieel van rSNA en dat het mechanisme ook uit twee stappen bestaat: een voor toevoeging en een voor eliminatie.
Momenteel is er echter experimenteel en computationeel bewijs dat de reactie daadwerkelijk verloopt volgens een gecoördineerd mechanisme, waarbij beide stappen gelijktijdig plaatsvinden via een geactiveerd complex en niet via een tussenproduct.
Referenties
- Morrison, RT en Boyd, R, N. (1987). Organische chemie. 5e editie. Redactioneel Addison-Wesley Interamericana.
- Carey F. (2008). Organische chemie. (Zesde editie). Mc Graw Hill.
- Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Organische chemie. Amines. (10e editie.). Wiley Plus.
- Wikipedia. (2019). Nucleofiele aromatische substitutie. Hersteld van: en.wikipedia.org
- James Ashenhurst. (06 september 2019). Nucleofiele aromatische substitutie (NAS). Hersteld van: masterorganicchemistry.com
- Chemie LibreTexts. (05 juni 2019). Nucleofiele aromatische substitutie. Hersteld van: chem.libretexts.org