Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Ароматическое нуклеофильное замещение

Нуклеофильное ароматическое замещение является реакцией замещения в органической химии , в котором нуклеофил замещает хорошую уходящую группу , такие как галогенид , на ароматическом кольце . Существует 6 механизмов нуклеофильного замещения , встречающихся в ароматических системах:

  • S N Ar (дополнение-элиминирование) механизм
Механизм SNAr
Ароматический механизм SN1
  • benzyne механизм (E1cb-Ad Н )
Замена через бензин

Наиболее важным из них является механизм S N Ar, при котором электроноакцепторные группы активируют кольцо в направлении нуклеофильной атаки, например, если есть нитрофункциональные группы, расположенные орто или пара по отношению к уходящей галогенидной группе.

Механизм реакции S N Ar [ править ]

Ниже приводится механизм реакции нуклеофильного ароматического замещения 2,4-динитрохлорбензола в основном растворе в воде.

Нуклеофильное ароматическое замещение

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 гидроксилом.группа (-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 ароматическим. Недавние работы показывают, 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. [1] В обзоре 2019 года утверждается, что такие «согласованные реакции S N Ar» более распространены, чем предполагалось ранее. [2]

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. [3] S N 1 реакция возможно , но очень неблагоприятная. Это повлечет за собой потерю уходящей группы без посторонней помощи и образование арильного катиона. [3] Нитрогруппа является наиболее часто встречающейся активирующей группой, другие группы - циано и ацильная группа. [4]Уходящая группа может быть галогеном или сульфидом. С увеличением электроотрицательности скорость реакции нуклеофильной атаки увеличивается. [4] 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: F> Cl ≈ Br> I (то есть порядок, обратный тому, который ожидается для реакции S N 2). Если смотреть с точки зрения S N2 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 связи CF. Нуклеофилы могут быть аминами, алкоксидами , сульфидами и стабилизированными карбанионами . [4]

Реакции нуклеофильного ароматического замещения [ править ]

Некоторые типичные реакции замещения на аренах перечислены ниже.

  • В перегруппировке Бамбергера N-фенилгидроксиламины перегруппировываются в 4-аминофенолы. Нуклеофил - вода.
  • В реакции Зандмейера и реакция гаттермана соли диазония реагируют с галогенидами.
  • Перегруппировка Улыбки является внутри- версии этого типа реакции.

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 азотном положении. 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. [5]

В соединении метил 3-нитропиридин-4-карбоксилат мета- нитрогруппа фактически замещена фтором с фторидом цезия в ДМСО при 120 ° C. [6]

Асимметричное нуклеофильное ароматическое замещение [ править ]

С углеродными нуклеофилами, такими как 1,3-дикарбонильные соединения, реакция была продемонстрирована как метод асимметричного синтеза хиральных молекул. [7] Впервые сообщалось в 2005 году, что органокатализатор ( выполняющий двойную роль с катализатором межфазного переноса ) является производным цинхонидина ( бензилированного по N и O).

См. Также [ править ]

  • Электрофильное ароматическое замещение
  • Нуклеофил
  • Реакция замещения
  • Реакция SN1
  • SN2 реакция
  • Реакция SNi
  • Нуклеофильное алифатическое замещение
  • Нуклеофильное ацильное замещение

Ссылки [ править ]

  1. ^ Нейман CN, Гукер Ю.М., Риттер Т (июнь 2016). «Согласованное нуклеофильное ароматическое замещение с (19) F (-) и (18) F (-)» . Природа . 534 (7607): 369–73. DOI : 10.1038 / nature17667 . PMC  4911285 . PMID  27281221 .
  2. ^ 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» . Angewandte Chemie . 58 (46): 16368–16388. DOI : 10.1002 / anie.201902216 . PMC 6899550 . PMID 30990931 .  
  3. ^ a b Клейден Дж. Органическая химия . Издательство Оксфордского университета.
  4. ^ a b c Goldstein SW, Bill A, Dhuguru J, Ghoneim O (сентябрь 2017 г.). «Добавление нуклеофильного ароматического замещения и идентификация амина». Журнал химического образования . 94 (9): 1388–90. Bibcode : 2017JChEd..94.1388G . DOI : 10.1021 / acs.jchemed.6b00680 .
  5. ^ Март J (1966). Расширенная органическая химия, реакции, механизмы и структура (3-е изд.). ISBN 0-471-85472-7.
  6. ^ Tjosaas F, Fiksdahl A (февраль 2006). «Простой путь синтеза метил-3-фторпиридин-4-карбоксилата путем нуклеофильного ароматического замещения» . Молекулы (Базель, Швейцария) . 11 (2): 130–3. DOI : 10.3390 / 11020130 . PMC 6148553 . PMID 17962783 .  
  7. ^ Белла M, S Kobbelgaard, Йоргенсен KA (март 2005). «Органокаталитические регио- и асимметричные С-селективные реакции S (N) Ar - стереоселективный синтез оптически активных спиропирролидон-3,3'-оксоиндолов». Журнал Американского химического общества . 127 (11): 3670–1. DOI : 10.1021 / ja050200g . PMID 15771481 .