Nukleofil aromatisk substitution
En nukleofil aromatisk substitution är en substitutionsreaktion inom organisk kemi där nukleofilen ersätter en bra lämnande grupp , såsom en halogenid , på en aromatisk ring . Aromatiska ringar är vanligtvis nukleofila, men vissa aromatiska föreningar genomgår nukleofil substitution. Precis som normalt nukleofila alkener kan fås att genomgå konjugatsubstitution om de bär elektronbortdragande substituenter, så blir normalt nukleofila aromatiska ringar också elektrofila om de har rätt substituenter .
Denna reaktion skiljer sig från en vanlig ) SN2 -reaktion , eftersom den sker vid en trigonal kolatom (sp2 - hybridisering . Mekanismen för SN2 -reaktionen inträffar inte på grund av steriskt hinder av bensenringen. För att attackera C-atomen måste nukleofilen närma sig i linje med C-LG (leaving group)-bindningen från baksidan, där bensenringen ligger. Den följer den allmänna regeln för vilka S N 2-reaktioner endast sker vid en tetraedrisk kolatom.
S N 1 mekanismen är möjlig men mycket ogynnsam om inte den lämnande gruppen är en exceptionellt bra sådan. Det skulle innebära förlust av den lämnande gruppen utan hjälp och bildandet av en arylkatjon . I S N 1 -reaktionerna var alla katjoner som användes som intermediärer plana med en tom p-orbital . Denna katjon är plan men p-orbitalen är full (den är en del av den aromatiska ringen) och den tomma orbitalen är en sp 2 -orbital utanför ringen.
Det finns sex olika mekanismer genom vilka aromatiska ringar genomgår nukleofil substitution.
Nukleofila aromatiska substitutionsmekanismer
Det finns 6 nukleofila substitutionsmekanismer som påträffas med aromatiska system:
- S mekanismen N Ar (addition-eliminering)
- Den aromatiska S N 1 mekanismen som påträffas med diazoniumsalter
- Bensinmekanismen (E1cb- Ad N )
- Den fria radikalen S RN 1-mekanismen
- ANRORC mekanism
- Vicarious nukleofil substitution .
S N Ar-mekanismen är den viktigaste av dessa. Elektronutdragande grupper aktiverar ringen mot nukleofil attack. Till exempel om det finns nitrofunktionella grupper placerade orto eller para till den lämnande halogenidgruppen , gynnas SN Ar - mekanismen.
S N Ar reaktionsmekanism
Följande är reaktionsmekanismen för en nukleofil aromatisk substitution av 2,4-dinitroklorbensen i en basisk lösning i vatten.
I denna sekvens är kolatomerna numrerade medurs från 1–6 med början på 1-kolatomen klockan 12, som är bunden till kloratomen. Eftersom nitrogruppen är en aktivator mot nukleofil substitution, och en meta-direktör, tillåter den att bensenkolatomen som den är bunden till har en negativ laddning. I Meisenheimer-komplexet blir de obundna elektronerna i karbanjonen bundna till det aromatiska pi-systemet som gör att ipso -kolatomen tillfälligt binder till hydroxylgruppen (-OH). För att återgå till ett lägre energitillstånd lämnar antingen hydroxylgruppen eller kloriden. I lösning sker båda processerna. En liten andel av mellanprodukten förlorar kloriden för att bli produkten (2,4-dinitrofenol), medan resten återgår till reaktanten. Eftersom 2,4-dinitrofenol är i ett lägre energitillstånd kommer det inte att återgå för att bilda reaktanten, så efter en tid når reaktionen en kemisk jämvikt som gynnar 2,4-dinitrofenolen.
Bildningen av det resonansstabiliserade Meisenheimer-komplexet går långsamt eftersom det är i ett högre energitillstånd än den aromatiska reaktanten. Förlusten av kloriden är snabb, eftersom ringen blir aromatisk igen. Nyligen arbete indikerar att Meisenheimer-komplexet ibland inte alltid är en verklig mellanprodukt utan kan vara övergångstillståndet för en 'frontside S N 2' -process, särskilt om stabilisering av elektronbortdragande grupper inte är särskilt stark. En granskning från 2019 hävdar att sådana "samordnade S N Ar"-reaktioner är vanligare än vad som tidigare antagits.
Arylhalogenider kan inte genomgå den klassiska "baksidan" S N 2 -reaktionen . Kol-halogenbindningen är i ringens plan eftersom kolatomen har en trigonal plan geometri. Backside attack är blockerad och denna reaktion är därför inte möjlig. En S N 1 -reaktion är möjlig men mycket ogynnsam. Det skulle innebära förlust av den lämnande gruppen utan hjälp och bildandet av en arylkatjon. Nitrogruppen är den vanligaste aktiverande gruppen, andra grupper är cyano- och acylgruppen . Den lämnande gruppen kan vara en halogen eller en sulfid. Med ökande elektronegativitet ökar reaktionshastigheten för nukleofila attacker. Detta beror på att det hastighetsbestämmande steget för en S N Ar-reaktion är attack av nukleofilen och det efterföljande brytandet av det aromatiska systemet; den snabbare processen är den gynnsamma reformeringen av det aromatiska systemet efter förlust av den lämnande gruppen. Som sådant ses följande mönster med avseende på förmågan till halogen som lämnar grupp för S N Ar: F > Cl ≈ Br > I (dvs en inverterad ordning till den som förväntas för en S N 2 reaktion). Om man ser det ur synvinkeln av en S N 2 -reaktion skulle detta verka kontraintuitivt, eftersom CF-bindningen är bland de starkaste inom organisk kemi, när faktiskt fluoriden är den idealiska lämnande gruppen för en S N Ar på grund av den extrema polariteten av CF-bindningen. Nukleofiler kan vara aminer, alkoxider , sulfider och stabiliserade karbanjoner .
Nukleofila aromatiska substitutionsreaktioner
Några typiska substitutionsreaktioner på arener listas nedan.
- I Bamberger-omlagringen omarrangeras N-fenylhydroxylaminer till 4-aminofenoler. Nukleofilen är vatten.
- I Sandmeyer-reaktionen reagerar diazoniumsalter med halogenider.
- Smiles -omläggningen är den intramolekylära versionen av denna reaktionstyp.
Nukleofil aromatisk substitution är emellertid inte begränsad till arener; reaktionen sker ännu lättare med heteroarener . Pyridiner är särskilt reaktiva när de substitueras i den aromatiska ortopositionen eller aromatiska parapositionen eftersom den negativa laddningen då effektivt delokaliseras vid kvävepositionen. En klassisk reaktion är Chichibabin-reaktionen ( Aleksei Chichibabin , 1914) där pyridin reageras med en alkalimetallamid såsom natriumamid för att bilda 2-aminopyridin.
I föreningen metyl-3-nitropyridin-4-karboxylat ersätts metanitrogruppen faktiskt av fluor med cesiumfluorid i DMSO vid 120 °C.
Asymmetrisk nukleofil aromatisk substitution
Med kolnukleofiler såsom 1,3-dikarbonylföreningar har reaktionen visats som en metod för asymmetrisk syntes av kirala molekyler. Först rapporterades 2005, den organiska katalysatorn (i en dubbel roll med den för en fasöverföringskatalysator ) är härledd från cinchonidin ( bensylerad vid N och O).
