Кіріспе

Химиялық реакция механизмі
Нуклеофилді ароматтық алмастыру (НАА) – органикалық химиядағы алмастыру реакциясы, онда нуклеофил ароматтық сақинадағы галоген сияқты жақсы кететін топты ығыстырады. Ароматтық сақиналар әдетте нуклеофильді болады, бірақ кейбір ароматтық қосылыстар нуклеофильдік алмастыруға түседі. Әдетте нуклеофильді алкендер, егер оларда электронды тартымды топтар болса, конъюгатты алмастыруға түседі, сондықтан әдетте нуклеофильді ароматтық сақиналар да, егер оларда тиісті топтар болса, электрофильді болады. Бұл реакция SN2 реакциясынан өзгеше, себебі ол тригональды көміртек атомында (sp2 гибридтенуі) жүреді. Бензол сақинасының кеңістіктік кедергісі SN2 реакциясының механизмін іске қоспайды. Көміртек атомын шабуылдау үшін нуклеофил бензол сақинасы орналасқан C-LG (кететін топ) байланысының бағытында жақындасуы керек. Бұл SN2 реакцияларының тек тетраэдрлі көміртек атомында ғана жүретін жалпы ережесіне сәйкес келеді. SN1 механизмі мүмкін, бірақ өте қолайсыз, егер кететін топтың өте жақсы қасиеттері болмаса. Бұл кететін топтың өздігінен жоғалуын және арил катионының түзілуін білдіреді. SN1 реакцияларында аралық заттар ретінде қолданылған барлық катиондар бос p орбиталымен жазық болды. Бұл катион жазық, бірақ p орбиталы толы (ол ароматтық сақинаның бөлігі) және бос орбиталы сақинаның сыртындағы sp2 орбиталы.

СНР реакциясының механизмі

Төменде судағы негіздік ерітіндіде 2,4-динитрохлорбензолдың (1) нуклеофилдік ароматты алмастыру реакциясының механизмі көрсетілген. Нитро тобы нуклеофилдік алмастыруға белсенділік қосатын активтегіш және мета-директор болып табылатындықтан, ароматтық қосылысты гидроксид нуклеофилі шабуылдағанда, ол қосымша электрон тығыздығын (резонанс арқылы) тұрақтандыра алады. Нәтижесінде пайда болатын аралық зат, Meisenheimer (2a) кешені деп аталады, онда ипсо-көміртек уақытша гидроксил тобымен байланысады. Бұл Meisenheimer кешені қосымша электронды тартып алатын нитро тобымен (2b) қосымша тұрақтандырылады. Төмен энергия деңгейіне оралу үшін гидроксил тобы немесе хлорид ионы шығып кетеді. Ерітіндіде екі процесс те жүреді. Аралық заттың шағын бөлігі хлорид ионын жоғалтып, өнімге (2,4-динитрофенол, 3) айналады, ал қалғаны бастапқы затқа (1) қайта оралады. 2,4-динитрофенол төмен энергия деңгейінде болғандықтан, ол реакция құрауышы ретінде қайта пайда болмайды, сондықтан белгілі бір уақыт өткеннен кейін реакция химиялық тепе-теңдікке жетеді, ол 2,4-динитрофенолға қатысты ыңғайлы, содан кейін негіздік ерітіндімен депротонды болады (4). Резонанспен тұрақтандырылған Meisenheimer кешенінің қалыптасуы баяу, себебі нуклеофилдік шабуылға байланысты ароматикалық қасиеттің жоғалтылуы жоғары энергия деңгейіне әкеледі. Соған сәйкес, хлорид немесе гидроксид ионының шығуы жылдам, себебі сақина өз ароматикалық қасиетін қайта иеленеді. Жақындағы зерттеулер көрсеткендей, кейде Meisenheimer кешені әрқашан нағыз аралық зат емес, бірақ «алдыңғы жақтан SN2» процесінің өтпелі күйі болуы мүмкін, әсіресе электронды тартып алатын топтардың тұрақтандыруы өте күшті болмаса. 2019 жылғы шолуда мұндай «бірлескен SNAr» реакциялары бұрынғы болжамдардан да жиі кездесетіндігі айтылған. Арил галогенидтері классикалық «артқы жақтан» SN2 реакциясын жүзеге асыра алмайды. Көміртек-галоген байланысы сақина жазықтығында орналасқан, себебі көміртек атомы үшбұрышты жазық геометрияға ие. Артқы жақтан шабуылға бөгет қойылады, сондықтан бұл реакция мүмкін емес. SN1 реакциясы мүмкін, бірақ өте қолайсыз. Ол шығып кететін топтың көмексіз жоғалуын және арил катионының пайда болуын білдіреді. Шығып кететін топ галоген немесе сульфид болуы мүмкін. Электронегативтіліктің жоғарылауымен нуклеофилдік шабуылдың реакция жылдамдығы артады. Метил-3-нитропиридин-4-карбоксилат қосылысында мета-нитро тобы 120 °C температурада DMSO-да цезий фторидімен фторға алмастырылады.

Асимметриялық нуклеофилдік ароматтық алмастыру

1,3 дикарбонил қосылыстары сияқты көміртек нуклеофилдермен реакция, хиральды молекулалардың асимметриялық синтезіне арналған әдіс ретінде дәлелденген. 2005 жылы алғаш рет хабарланған органокатализатор (фазалық трансфер катализаторымен бірдей екі рөлде) цинхонидиннен (N және O атомында бензилденген) туындаған.