Substituição nucleofílica aromática - Nucleophilic aromatic substitution

Uma substituição nucleofílica aromática é uma reação de substituição em química orgânica na qual o nucleófilo desloca um bom grupo de saída , como um haleto , em um anel aromático . Os anéis aromáticos são geralmente nucleofílicos, mas alguns compostos aromáticos sofrem substituição nucleofílica. Assim como os alquenos nucleofílicos normalmente podem ser submetidos à substituição do conjugado se carregarem substituintes que retiram elétrons , também os anéis aromáticos nucleofílicos também se tornam eletrofílicos se tiverem os substituintes corretos .

Substituição nucleofílica aromática

Esta reação difere de uma reação S N 2 comum , porque ocorre em um átomo de carbono trigonal ( hibridização sp 2 ). O mecanismo da reação S N 2 não ocorre devido ao impedimento estérico do anel benzênico. Para atacar o átomo C, o nucleófilo deve se aproximar em linha com a ligação C-LG (grupo de saída) na parte traseira, onde fica o anel de benzeno. Segue a regra geral para a qual as reações S N 2 ocorrem apenas em um átomo de carbono tetraédrico.

O mecanismo S N 1 é possível, mas muito desfavorável, a menos que o grupo de saída seja excepcionalmente bom. Isso envolveria a perda sem ajuda do grupo de saída e a formação de um cátion arila . Nas reações S N 1 todos os cátions empregados como intermediários eram planares com um orbital p vazio . Este cátion é plano, mas o orbital p está cheio (faz parte do anel aromático) e o orbital vazio é um orbital sp 2 fora do anel.

Existem seis mecanismos diferentes pelos quais os anéis aromáticos sofrem substituição nucleofílica.

Mecanismos de substituição nucleofílica aromática

Existem 6 mecanismos de substituição nucleofílicos encontrados com sistemas aromáticos:

  1. O mecanismo S N Ar (adição-eliminação)
    SNAr mecanismo.svg
  2. O mecanismo S N 1 aromático encontrado com sais de diazônio
    Mecanismo SN1 aromático.svg
  3. O mecanismo de benzina (E1cb-Ad N )
    Substituição via benzyne.svg
  4. O mecanismo do radical livre S RN 1
  5. Mecanismo ANRORC
  6. Substituição nucleofílica vicária .

O mecanismo S N Ar é o mais importante deles. Os grupos de retirada de elétrons ativam o anel em direção ao ataque nucleofílico. Por exemplo, se houver grupos funcionais nitro posicionados orto ou para em relação ao grupo de saída de haleto , o mecanismo S N Ar é favorecido.

Mecanismo de reação S N Ar

O seguinte é o mecanismo de reação de uma substituição nucleofílica aromática de 2,4-dinitroclorobenzeno em uma solução básica em água.

Substituição nucleofílica aromática

Nesta sequência, os carbonos são numerados no sentido horário de 1 a 6, começando com o carbono 1 às 12 horas, que está ligado ao cloreto. Como o grupo nitro é um ativador para a substituição nucleofílica e um meta-diretor, ele permite que o carbono do benzeno ao qual está ligado tenha uma carga negativa. No complexo de Meisenheimer , os elétrons não ligados do carbânion tornam-se ligados ao sistema pi aromático, o que permite que o carbono ipso se ligue temporariamente ao grupo hidroxila (-OH). Para retornar a um estado de energia mais baixo, ou o grupo hidroxila sai ou o cloreto sai. Na solução, os dois processos acontecem. Uma pequena porcentagem do intermediário perde o cloreto para se tornar o produto (2,4-dinitrofenol), enquanto o restante retorna ao reagente. Como o 2,4-dinitrofenol está em um estado de menor energia, ele não voltará a formar o reagente, então, após algum tempo, a reação atinge o equilíbrio químico que favorece o 2,4-dinitrofenol.

A formação do complexo de Meisenheimer estabilizado por ressonância é lenta porque está em um estado de maior energia do que o reagente aromático . A perda do cloreto é rápida, pois o anel torna-se novamente aromático. Trabalhos recentes indicam que, às vezes, o complexo de Meisenheimer nem sempre é um intermediário verdadeiro, mas pode ser o estado de transição de um processo 'front-side S N 2', particularmente se a estabilização por grupos de retirada de elétrons não for muito forte. Uma revisão de 2019 argumenta que tais reações ' S N Ar combinadas ' são mais prevalentes do que se supunha anteriormente.

Os halogenetos de arila não podem sofrer a clássica reação S N 2 "posterior" . A ligação carbono-halogênio está no plano do anel porque o átomo de carbono tem uma geometria trigonal plana. O ataque pelas costas é bloqueado e, portanto, essa reação não é possível. Uma reação S N 1 é possível, mas muito desfavorável. Isso envolveria a perda sem ajuda do grupo de saída e a formação de um cátion arila. O grupo nitro é o grupo de ativação mais comumente encontrado; outros grupos são o ciano e o grupo acila . O grupo de saída pode ser um halogênio ou um sulfeto. Com o aumento da eletronegatividade, a taxa de reação para o ataque nucleofílico aumenta. Isso ocorre porque a etapa determinante da taxa para uma reação S N Ar é o ataque do nucleófilo e a subsequente quebra do sistema aromático; o processo mais rápido é a reforma favorável do sistema aromático após a perda do grupo de saída. Como tal, o seguinte padrão é visto em relação à habilidade do grupo de saída do halogênio para S N Ar: F> Cl ≈ Br> I (isto é, uma ordem invertida daquela esperada para uma reação S N 2). Se olhado do ponto de vista de uma reação S N 2, isso pareceria contra-intuitivo, uma vez que a ligação CF está entre as mais fortes na química orgânica, quando na verdade o fluoreto é o grupo de saída ideal para um S N Ar devido à polaridade extrema do título CF. Os nucleófilos podem ser aminas, alcóxidos , sulfetos e carbânions estabilizados .

Reações de substituição aromática nucleofílica

Algumas reações de substituição típicas em arenos estão listadas abaixo.

A substituição nucleofílica aromática não está limitada a arenos, entretanto; a reação ocorre ainda mais prontamente com heteroarenos . As piridinas são especialmente reativas quando substituídas na posição orto ou para aromática aromática, porque então a carga negativa é efetivamente deslocalizada na posição de nitrogênio. Uma reação clássica é a reação de Chichibabin ( Aleksei Chichibabin , 1914), na qual a piridina reage com uma amida de metal alcalino, como a amida de sódio, para formar 2-aminopiridina.

No composto 3-nitropiridina-4-carboxilato de metila , o grupo meta nitro é realmente substituído pelo flúor com fluoreto de césio em DMSO a 120 ° C.

Substituição nucleofílica aromática em piridina

Substituição nucleofílica aromática assimétrica

Com nucleófilos de carbono, como compostos de 1,3-dicarbonila, a reação foi demonstrada como um método para a síntese assimétrica de moléculas quirais. Relatado pela primeira vez em 2005, o organocatalisador (em um papel duplo com o de um catalisador de transferência de fase ) é derivado da cinconidina ( benzilada em N e O).

Substituição nucleofílica aromática assimétrica

Veja também

Referências