Nukleofilní aromatická substituce

substituční reakce
Nukleofilní aromatická substituce

Nukleofilní aromatická substituce je substituční reakceorganické chemii, při které nukleofil nahrazuje jinou skupinu navázanou na aromatické jádro. Může probíhat šesti různými mechanismy, mezi které patří

  • SNAr (adiční-eliminační) mechanismus
SNAr mechanismus
Aromatický SN1 mechanismus
Benzynový mechanismus nukleofilní aromatické substituce

Nejvýznamnější z nich je SNAr mechanismus, při němž skupina odtahující elektrony aktivuje jádro vůči nukleofilním atakům.

SNAr mechanismusEditovat

Dále je popsán mechanismus nukleofilní aromatické substituce 2,4-dinitrochlorbenzenu v zásaditém vodném roztoku.

Uhlíkový atom, na který je navázán chlor, se označuje číslem 1 a ostatní čísly 2 až 6 po směru hodinových ručiček. Jelikož je nitroskupina vůči nukleofilní substituci aktivující skupinou usměrňuje substituci do polohy meta, tak uhlíkovému atomu benzenového kruhu, na který je navázána, dodává záporný náboj. V Meisenheimerově komplexu se nevazebné elektrony karboaniontu navážou na aromatický π systém, čímž umožní připojení hydroxylu na ipso uhlík. Takto vytvořený meziprodukt se odštěpením hydroxylové skupiny nebo chloridu dostane na nižší energetickou hladinu; v roztoku probíhají oba tyto děje, přičemž malá část odštěpí chlorid za vzniku konečného produktu (2,4-dinitrofenolu), zatímco zbytek odštěpí hydroxyl, čímž dojde k obnovení reaktantu. 2,4-dinitrofenol má nižší potenciální energii než reaktant, a tak se po určité době vytvoří rovnovážný stav s převahou 2,4-dinitrofenolu.

Vznik rezonančně stabilizovaného Meisenheimerova komplexu je pomalý, protože má tento komplex vyšší energii než reaktant. Odštěpení chloridu probíhá rychle, protože se cyklus opět stává aromatickým. Ukazuje se ovšem, že v některých případech není meziproduktem Meisenheimerův komplex, ale meziprodukt „předního SN2 procesu“.[1]

U arylhalogenidů nemůže proběhnout klasická SN2 reakce. Vazba uhlík-halogen se nachází v rovině aromatického jádra, protože uhlíkový atom má rovinnou trojúhelníkovou geometrii. Atak uhlíku ze zadní strany je tím znemožněn a k takovéto reakci tedy nemůže dojít.[2] SN1 reakce nastat může, ale je velmi nepravděpodobná, protože by vedla k energeticky nevýhodnému oddělení odcházející skupiny a tvorbě arylového kationtu.[2] Aktivující skupinou je při nukleofilní aromatické substituci nejčastěji nitroskupina, může to být také například kyano- nabo acylová skupina.[3] Odcházející skupinou může být halogen nebo sulfid. S rostoucí elektronegativitou se rychlost nukleofilních ataků zvyšuje,[3] a to díky tomu, že krokem určujícím rychlost reakce je zde nukleofilní atak a následný zánik aromaticity. Schopnost halogenů podstoupit SNAr reakci klesá v řadě F > Cl ≈ Br > I, tedy obráceně oproti SN2 reakci, což se může jevit jako zvláštní,m jelikož vazba C-F patří v organické chemii k nejsilnějším. Díky její značné polaritě je ovšem fluorid při SNAr reakci ideální odcházející skupinou. Nukleofily mohou být aminy, alkoxidy, thioethery a stabilizované karboanionty.[3]

PříkladyEditovat

K typickým nukleofilním substitučním reakcím arenů patří:

U heteroarenů probíhá nukleofilní aromatická substituce snadněji než u arenů. Pyridiny jsou obzvlášť reaktivní, pokud jsou substituovány v poloze orto nebo para, protože pak je záporný náboj ideálně delokalizován na dusíku. Příkladem takové reakce je Čičibabinova reakce, při níž pyridin reaguje s amidem alkalického kovu, jako je amid sodný, za vzniku 2-aminopyridinu.[4]

U methyl-3-nitropyridin-4-karboxylátu lze nitroskupinu v poloze meta snadno nahradit fluorem reakcí s fluoridem cesnýmdimethylsulfoxidu (DMSO) při 120 °C.[5]

Asymetrická nukleofilní aromatická substituceEditovat

S nukleofily jako jsou 1,3-dikarbonylové sloučeniny, lze provést asymetrickou syntézu chirálních sloučenin pomocí nukleofilní aromatické substituce.[6] Katalyzátorem je derivát cinchonidinu, který má na dusíku a kyslíku připojené benzylové skupiny.

 

OdkazyEditovat

  Obrázky, zvuky či videa k tématu Nukleofilní aromatická substituce na Wikimedia Commons

Související článkyEditovat

ReferenceEditovat

V tomto článku byl použit překlad textu z článku Nucleophilic aromatic substitution na anglické Wikipedii.

  1. Tobias Ritter; Jacob Hooker; Constanze N. Neumann. Concerted nucleophilic aromatic substitution with 19F− and 18F−. Nature. 2016, s. 369–373. ISSN 1476-4687. PMID 27281221. 
  2. a b Organic Chemistry J. Clayden , Oxford University Press
  3. a b c Nucleophilic Aromatic Substitution—Addition and Identification of an Amine Steven W. Goldstein, Ashley Bill, Jyothi Dhuguru, and Ola Ghoneim Journal of Chemical Education Article ASAP DOI:10.1021/acs.jchemed.6b00680
  4. Advanced organic Chemistry, Reactions, mechanisms and structure 3ed. Jerry March ISBN 0-471-85472-7
  5. A Simple Synthetic Route to Methyl 3-Fluoropyridine-4-carboxylate by Nucleophilic Aromatic Substitution Freddy Tjosaas and Anne Fiksdahl Molecules 2006, 11, 130–33 Article
  6. Organocatalytic Regio- and Asymmetric C-Selective SNAr Reactions-Stereoselective Synthesis of Optically Active Spiro-pyrrolidone-3,3'-oxoindoles Marco Bella, Sara Kobbelgaard, and Karl Anker Jrgensen Journal of the American Chemical Society; 2005; 127(11) pp 3670–71; (Communication) DOI:10.1021/ja050200g