תחליף נוקלאופילי ארומטי: השפעות, דוגמאות - כִּימִיָה - 2025

החלפת ארומטי nucleophilic (SNAr) היא תגובה המתרחשת בכימיה אורגנית, אשר כרוך התזוזה של קבוצת עוזב טובה על ידי נכנס נוקלאופיל. מבחינת המנגנון וההיבטים האלקטרוניים שלו, זהו הצד ההפוך להחלפה ארומטית אלקטרומילית (SEAr).

בדרך כלל הקבוצה העוזבת היא הלוגן, היוצא כאניון הליד X ^- . תגובה זו יכולה להתקיים רק אם הטבעת הארומטית (לרוב בנזן) חסרה באלקטרונים; כלומר אם יש לו קבוצות משנה המשמשות אלקטרון.

משוואה כללית להחלפה נוקלאופילית ארומטית. מקור: ספונק

התמונה העליונה מציגה את הנאמר בפסקה הקודמת. קבוצת מושכי האלקטרונים EWG (Electron Withdrawing Group) מפעילה את הטבעת הארומטית להתקף נוקלאופילי של המין השלילי Nu ^- . ניתן לראות שנוצר ביניים (במרכז), ממנו משתחרר הליד X ^- או יוצא .

שימו לב שבמילים פשוטות X מחליף את נו בטבעת ארומטית. תגובה זו היא מאוד מגוונת והכרחית בסינתזה של תרופות חדשות, כמו גם במחקרים כימיים אורגניים סינתטיים.

מאפיינים כלליים

הטבעת הארומטית ניתנת ל"טעינה "או" פריקה "של אלקטרונים, תלוי מהם תחליפיו (אלה המחליפים את הקשר CH המקורי).

כאשר תחליפים אלה יכולים לתרום צפיפות אלקטרונים לזירה, אומרים שהם מעשירים אותה באלקטרונים; אם לעומת זאת הם מושכים לצפיפות אלקטרונים (ה- EWG שהוזכר לעיל), אז אומרים שהם מרוששים את טבעת האלקטרונים.

בשני המקרים, הטבעת מופעלת לתגובה ארומטית ספציפית, בזמן שהיא מושבתת עבור האחר.

לדוגמה, אומרים כי טבעת ארומטית עשירה באלקטרונים היא פעילה להחלפה אלקטרופילית ארומטית; כלומר הוא יכול לתרום את האלקטרונים שלו למין אלקטרופילי E ⁺ . עם זאת, זה לא יתרום אלקטרונים אלי נו ^- מינים , מאז המטענים השליליים היו דוחים זה את זה.

כעת, אם הטבעת דלה באלקטרונים, אין לה כיצד לתת אותם למין E ⁺ (SEAr לא מתרחש); מצד השני, הוא זמין לקבל את האלקטרונים של נו ^- מינים (את RSNA מפותח).

הבדלים עם החלפה אלקטרופילית ארומטית

לאחר שהתבררו היבטי הקלט הכלליים, ניתן כעת לרשום כמה הבדלים בין ה- SNAr ל- SEAr:

- הטבעת הארומטית פועלת כאלקטרופיל (חסר אלקטרונים) ומותקפת על ידי נוקלאופיל.

- קבוצת X שעוזבת מוחלפת מהטבעת; לא H ⁺

- קרבוקציות אינן נוצרות, אלא מתווכים עם מטען שלילי הניתנים למיקוד באמצעות תהודה

- נוכחותן של קבוצות משיכה נוספות בזירה מאיצה את ההחלפה במקום להאט אותה

- לבסוף, קבוצות אלה אינן מפעילות הנחיות לגבי היכן (על איזה פחמן) תחליף. החלפה תמיד תתרחש בפחמן המצורף לקבוצה X שעוזבת.

הנקודה האחרונה מומחשת גם בתמונה: הקשר CX נשבר ליצירת הקשר C-Nu החדש.

אפקטים עריכה

ממספר התחליפים

מטבע הדברים, ככל שהטבעת יותר ענייה באלקטרונים, ה- rSNA יהיה מהיר יותר והתנאים הנדרשים לקרות שלה יהיו פחות דרסטיים. שקול את הדוגמה הבאה המיוצגת בתמונה למטה:

השפעות של תחליפים על תחליפי 4-ניטרוכלורבנזן. מקור: גבריאל בוליבר.

שימו לב ש -4-ניטרוכלורבנזן (טבעת כחולה) מחייבת תנאים דרסטיים (לחץ גבוה וטמפרטורה של 350 מעלות צלזיוס) כדי להחליף את Cl על ידי OH כדי להתרחש. במקרה זה, הכלור הוא הקבוצה העוזבת (Cl ^- ), והידרוקסיד הנוקלאופיל (OH ^- ).

כאשר מופיעה קבוצת NO ₂ שהיא משיכת אלקטרונים (טבעת ירוקה) ניתן לבצע את ההחלפה בטמפרטורה של 150 מעלות צלזיוס בלחץ הסביבה. ככל שמספר קבוצות NO ₂ הנוכחות גדל (טבעות סגולות ואדומות), ההחלפה מתבצעת בטמפרטורות נמוכות ונמוכות יותר (100 מעלות צלזיוס ו -30 מעלות צלזיוס, בהתאמה).

לכן קבוצות NO ₂ מאיצות את ה- rSNA ומקפחות את טבעת האלקטרונים, מה שהופך אותו לרגיש יותר להתקפה על ידי OH ^- .

העמדות היחסיות של Cl ביחס ל- NO ₂ ב- 4-nitrochlorobenzene, וכיצד אלה ישנו את קצב התגובה לא יוסבר כאן ; לדוגמה, שיעורי התגובה של 2-nitrochlorobenzene ו- 3-nitrochlorobenzene הם שונים, כאשר האחרונים הם האיטיים בהשוואה לאיזומרים אחרים.

מהקבוצה היוצאת

אם ניקח מחדש 4-ניטרוכלורבנזן, תגובת התחלופה שלו איטית יותר בהשוואה לזו של המקבילה הפלואורית שלה:

השפעת הקבוצה העוזבת בתגובות SNAr. מקור: גבריאל בוליבר.

ההסבר לכך לא יכול להיות בתוך משתנה אחר מההבדל בין F ל- Cl. פלואור הוא קבוצה עוזבת נוראה, מכיוון שקשר ה- CF קשה יותר לשבור מאשר הקשר C-Cl. לפיכך, שבירת קשר זה אינה הצעד הקובע את השיעור עבור rSNA, אלא תוספת של נו ^- לטבעת הארומטית.

מכיוון ^{שהפלואור הוא אלקטרונגטיבי} יותר מאשר כלור, לאטום הפחמן המקושר אליו יש מחסור אלקטרוני גדול יותר (C ^{δ +} -F ^δ- ). כתוצאה מכך, הפחמן של הקשר ה- CF רגיש הרבה יותר לתקיפה על ידי נו ^- מזה של הקשר C-Cl. זו הסיבה שהחלפת F עבור OH היא הרבה יותר מהירה משל Cl עבור OH.

דוגמא

החלפה ארומטית של אלקטרומיליה של 2-מתיל-4-ניטרופלואורובנזן עם פארא-קרזול. מקור: גבריאל בוליבר.

לבסוף, דוגמה לסוג זה של תגובות אורגניות מוצגת להלן בתמונה למעלה. Para-cresol לא נראה שהוא נוקלאופיל; אך מכיוון שישנו מדיום בסיסי, קבוצת ה- OH שלו מנותקת מחדש, נותרה כאניית פנוקסיד, שתוקפת את 2-מתיל-4-ניטרופלואורבנזן.

כאשר מתקפה זו מתרחשת, אומרים שהנוקלאופיל מוסיף לאלקטרופיל (הטבעת הארומטית של 2-מתיל-4-ניטרופלוורובנזן). ניתן לראות שלב זה מימין לתמונה, שם נוצרת תרכובת הביניים עם שני התחליפים השייכים לטבעת.

כאשר מוסיפים para-cresol, מופיע מטען שלילי שממוקד על ידי תהודה בתוך הטבעת (שימו לב שהוא כבר לא ארומטי).

התמונה רק מראה את מבנה התהודה האחרון, שממנו הקצוות פלואור כמו F ^- ; אך במציאות מטען שלילי אמר למיקום מחדש אפילו באטומי החמצן של קבוצת NO ₂ . לאחר שלב התוספת מגיע שלב החיסול, האחרון, וזה כאשר המוצר נוצר סוף סוף.

תגובה סופית

ניתן לצמצם את קבוצת NO ₂ הנותרת לקבוצת NH ₂ , ומשם ניתן לבצע תגובות סינתזה נוספות כדי לשנות את המולקולה הסופית. זה מדגיש את הפוטנציאל הסינטטי של rSNA, וכי המנגנון שלו מורכב גם משני שלבים: האחד לתוספת והשני לחיסול.

אולם, נכון לעכשיו, קיימות עדויות ניסיוניות וחישוביות כי התגובה מתרחשת למעשה על פי מנגנון מתואם, בו שני הצעדים מתרחשים בו זמנית באמצעות קומפלקס מופעל ולא ביניים.

הפניות

1. מוריסון, RT ובויד, R, N. (1987). כימיה אורגנית. המהדורה החמישית. עורכת אדיסון ווסלי אינטרמריקנה.
2. קארי פ '(2008). כימיה אורגנית. (המהדורה השישית). מק גריי היל.
3. גרהם סולומונס TW, קרייג ב. פרלה. (2011). כימיה אורגנית. אמינים. (מהדורה 10). וויילי פלוס.
4. ויקיפדיה. (2019). החלפה ארומטית Nucleophilic. התאושש מ: en.wikipedia.org
5. ג'יימס אשנהרסט. (06 בספטמבר 2019). החלפה ארומטית Nucleophilic (NAS). התאושש מ: masterorganicchemistry.com
6. כימיה LibreTexts. (05 ביוני, 2019). החלפה ארומטית Nucleophilic. התאושש מ: chem.libretexts.org