Нуклеофильное ароматическое замещение - Nucleophilic aromatic substitution

Ароматическое нуклеофильное замещение

А нуклеофильное ароматическое замещение это реакция замещения в органическая химия в которой нуклеофил вытесняет хороший уходящая группа, например галогенид, на ароматическое кольцо. Всего 6 нуклеофильное замещение механизмы, встречающиеся с ароматическими системами:

  • то SNAr (добавление-исключение) механизм
Механизм SNAr
Ароматический механизм SN1
Замена через бензин

Наиболее важным из них является SNМеханизм Ar, где электроноакцепторные группы активировать кольцо в направлении нуклеофильной атаки, например, если есть нитрофункциональные группы расположен орто или же параграф к галогенид уходящая группа.

SNМеханизм реакции Ar

Ниже приводится механизм реакции нуклеофильного ароматического замещения 2,4-динитрохлорбензола в базовый раствор 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 нитро Группа является активатором нуклеофильного замещения и мета-директором, она позволяет бензольному углероду, с которым она связана, иметь отрицательный заряд. в Комплекс Мейзенхаймера несвязанные электроны карбанион становятся связанными с ароматической пи-системой, что позволяет ipso углерод для временной связи с гидроксил группа (-ОН). Чтобы вернуться к более низкому энергетическому состоянию, уходит либо гидроксильная группа, либо хлорид. В растворе происходят оба процесса. Небольшой процент промежуточного продукта теряет хлорид и превращается в продукт (2,4-динитрофенол), тогда как остальное возвращается в реагент. Поскольку 2,4-динитрофенол находится в более низком энергетическом состоянии, он не вернется с образованием реагента, поэтому по прошествии некоторого времени реакция достигает химическое равновесие что благоприятствует 2,4-динитрофенолу.

Формирование резонансно-стабилизированный Комплекс Мейзенгеймера медленный, потому что он находится в более высоком энергетическое состояние чем ароматный 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 передней SN2 ', особенно если стабилизация электроноакцепторными группами не очень сильна.[1] Обзор 2019 года утверждает, что такие `` согласованные SNРеакции Ar 'более распространены, чем предполагалось ранее.[2]

Арилгалогениды не может пройти классическую «задницу» SN2 реакция. Связь углерод-галоген находится в плоскости кольца, потому что атом углерода имеет тригональную плоскую геометрию. Атака с тыла блокируется, поэтому такая реакция невозможна.[3] An SN1 реакция возможно, но очень неблагоприятно. Это повлечет за собой потерю без посторонней помощи уходящая группа и образование арильного катиона.[3] Нитрогруппа - наиболее часто встречающаяся активирующая группа, другие группы - циано и ацил группа.[4] Уходящая группа может быть галогеном или сульфидом. С увеличением электроотрицательность скорость реакции нуклеофильной атаки увеличивается.[4] Это связано с тем, что этап определения скорости для SNРеакция Ar - это 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 уходящей группы галогена для SNAr: F> Cl ≈ Br> I (т. Е. Порядок, обратный ожидаемому для SN2 реакция). Если смотреть с точки зрения SN2 это может показаться нелогичным, поскольку связь C-F является одной из самых сильных в органической химии, хотя фторид действительно является идеальной уходящей группой для SNAr из-за крайней полярности связи C-F. Нуклеофилы могут быть аминами, алкоксиды, сульфиды и стабилизированный карбанионы.[4]

Реакции нуклеофильного ароматического замещения

Некоторые типичные реакции замещения на аренах перечислены ниже.

Однако нуклеофильное ароматическое замещение не ограничивается аренами; реакция протекает еще легче с гетероарены. Пиридины особенно реактивны при замене в ароматическая орто-позиция или же ароматическое пара-положение потому что тогда отрицательный заряд эффективно делокализуется в позиции азота. Одна из классических реакций - это Реакция Чичибабина (Алексей Чичибабин, 1914), в котором 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 вытесняется фтор с фторид цезия в ДМСО при 120 ° С.[6]

Нуклеофильное ароматическое замещение в пиридине

Асимметричное нуклеофильное ароматическое замещение

С углеродными нуклеофилами, такими как 1,3-дикарбонильные соединения, реакция была продемонстрирована как метод для асимметричный синтез хиральных молекул.[7] Впервые сообщалось в 2005 г. органокатализатор (в двойной роли с ролью катализатор межфазного переноса ) происходит от цинхонидин (бензилированный при N и O).

Асимметричное нуклеофильное ароматическое замещение

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Нойман К.Н., Хукер Дж. М., Риттер Т. (июнь 2016 г.). «Согласованное нуклеофильное ароматическое замещение с (19) F (-) и (18) F (-)». Природа. 534 (7607): 369–73. Дои:10.1038 / природа17667. ЧВК  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. Дои:10.1002 / anie.201902216. ЧВК  6899550. PMID  30990931.
  3. ^ а б Клейден Дж. Органическая химия. Издательство Оксфордского университета.
  4. ^ а б c Гольдштейн С.В., Билл А., Дхугуру Дж., Гонейм О. (сентябрь 2017 г.). «Нуклеофильное ароматическое замещение Добавление и идентификация амина». Журнал химического образования. 94 (9): 1388–90. Bibcode:2017JChEd..94.1388G. Дои:10.1021 / acs.jchemed.6b00680.
  5. ^ Март J (1966). Продвинутая органическая химия, реакции, механизмы и структура (3-е изд.). ISBN  0-471-85472-7.
  6. ^ Tjosaas F, Fiksdahl A (февраль 2006 г.). «Простой способ синтеза метил-3-фторпиридин-4-карбоксилата путем нуклеофильного ароматического замещения». Молекулы (Базель, Швейцария). 11 (2): 130–3. Дои:10.3390/11020130. ЧВК  6148553. PMID  17962783.
  7. ^ Белла М., Коббельгаард С., Йоргенсен К.А. (март 2005 г.). «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. Дои:10.1021 / ja050200g. PMID  15771481.