Введение
Механизм химической реакции. Нуклеофильное ароматическое замещение (SNAr) – это реакция замещения в органической химии, в которой нуклеофил вытесняет хорошую уходящую группу, такую как галогенид, на ароматическом кольце. Ароматические кольца обычно нуклеофильны, однако некоторые ароматические соединения все же вступают в реакции нуклеофильного замещения. Подобно тому, как обычно нуклеофильные алкены могут подвергаться конъюгатному замещению при наличии электроноакцепторных заместителей, так и обычно нуклеофильные ароматические кольца становятся электрофильными при наличии соответствующих заместителей. Эта реакция отличается от типичной реакции SN2, поскольку она протекает на тригональном атоме углерода (sp2-гибридизация). Механизм реакции SN2 не реализуется из-за стерических препятствий бензольного кольца. Для атаки атома углерода нуклеофил должен подходить в направлении связи C-LG (уходящей группы) с обратной стороны, где расположено бензольное кольцо. Это соответствует общему правилу, согласно которому реакции SN2 протекают только на тетраэдрическом атоме углерода. Механизм SN1 возможен, но крайне невыгоден, если только уходящая группа не является исключительно хорошей. Он предполагает отщепление уходящей группы без посторонней помощи и образование арил-катиона. Во всех реакциях SN1 катионы, используемые в качестве интермедиатов, были плоскими с вакантной p-орбиталью. Этот катион плоский, но p-орбиталь заполнена (является частью ароматического кольца), а вакантная орбиталь – sp2-орбиталь, расположенная вне кольца.
A nucleophilic aromatic substitution (SNAr) is a substitution reaction in organic chemistry in which the nucleophile displaces a good leaving group, such as a halide, on an aromatic ring. Aromatic rings are usually nucleophilic, but some aromatic compounds do undergo nucleophilic substitution. Just as normally nucleophilic alkenes can be made to undergo conjugate substitution if they carry electron withdrawing substituents, so normally nucleophilic aromatic rings also become electrophilic if they have the right substituents. This reaction differs from a common SN2 reaction, because it happens at a trigonal carbon atom (sp2 hybridization). The mechanism of SN2 reaction does not occur due to steric hindrance of the benzene ring. In order to attack the C atom, the nucleophile must approach in line with the C LG (leaving group) bond from the back, where the benzene ring lies. It follows the general rule for which SN2 reactions occur only at a tetrahedral carbon atom. The SN1 mechanism is possible but very unfavourable unless the leaving group is an exceptionally good one. It would involve the unaided loss of the leaving group and the formation of an aryl cation. In the SN1 reactions all the cations employed as intermediates were planar with an empty p orbital. This cation is planar but the p orbital is full (it is part of the aromatic ring) and the empty orbital is an sp2 orbital outside the ring.
Механизм реакции СНР
Ниже приведен механизм реакции нуклеофильного ароматического замещения 2,4-динитрохлорбензола (1) в водном щелочном растворе. Поскольку нитрогруппа является активатором нуклеофильного замещения и мета-ориентирующим заместителем, она способна стабилизировать дополнительную электронную плотность (путем резонанса) при атаке ароматического соединения гидроксид-ионом. Образующийся промежуточный продукт, известный как комплекс Майзенгеймера (2a), характеризуется временной связью ипсо-углерода с гидроксильной группой. Этот комплекс Майзенгеймера дополнительно стабилизируется дополнительной электроноакцепторной нитрогруппой (2b). Для возврата в более низкое энергетическое состояние может произойти отщепление гидроксильной группы или хлорид-иона. В растворе оба процесса протекают. Небольшая доля промежуточного продукта теряет хлорид-ион, образуя 2,4-динитрофенол (3), в то время как остальная часть возвращается к исходному реагенту (1). Поскольку 2,4-динитрофенол находится в более низком энергетическом состоянии, он не возвращается к образованию реагента, поэтому со временем реакция достигает химического равновесия, смещенного в сторону 2,4-динитрофенола, который затем депротонируется щелочным раствором (4). Образование резонансно-стабилизированного комплекса Майзенгеймера протекает медленно, поскольку потеря ароматичности в результате нуклеофильной атаки приводит к увеличению энергии. В то же время, отщепление хлорид-иона или гидроксид-иона происходит быстро, поскольку кольцо восстанавливает ароматичность. Недавние исследования показывают, что в некоторых случаях комплекс Майзенгеймера не всегда является истинным промежуточным продуктом, а может представлять собой переходное состояние "лобочной" SN2-реакции, особенно если стабилизация электроноакцепторными группами недостаточно сильна. Обзор 2019 года утверждает, что такие "концертные SNAr-реакции" встречаются чаще, чем считалось ранее. Арилгалогениды не могут подвергаться классической SN2-реакции по "заднему" механизму. Связь углерод-галоген находится в плоскости кольца, поскольку атом углерода имеет тригональную плоскую геометрию. Атака сзади затруднена, и эта реакция невозможна. SN1-реакция возможна, но крайне неблагоприятна. Она включает в себя отщепление уходящей группы и образование арильного катиона. Уходящей группой может быть галоген или сульфид. С увеличением электроотрицательности скорость нуклеофильной атаки возрастает. В соединении метил-3-нитропиридин-4-карбоксилате мета-нитрогруппа фактически замещается фтором фторидом цезия в ДМСО при 120 °C.
Асимметричная нуклеофильная ароматическая замещение
С углеродными нуклеофилами, такими как 1,3-дикарбонильные соединения, было показано, что данная реакция является методом асимметричного синтеза хиральных молекул. Органокатализатор, впервые описанный в 2005 году и выполняющий двойную функцию (вместе с катализатором фазового переноса), получают из цинхонидина, бензилированного по атомам азота и кислорода.