SỰ THAY THẾ NUCLEOPHILIC THƠM: HIỆU ỨNG, VÍ DỤ - HÓA HỌC - 2026

Sự thay thế nucleophin thơm (SNAr) là một phản ứng xảy ra trong hóa học hữu cơ, liên quan đến sự dịch chuyển của một nhóm rời tốt bởi một nucleophile đi vào. Từ quan điểm về cơ chế và khía cạnh điện tử của nó, nó là mặt đối lập của sự thay thế nhân thơm điện phân (SEAr).

Nói chung, nhóm rời là halogen, nhóm thoát ra là anion halogenua X ^- . Phản ứng này chỉ có thể xảy ra nếu vòng thơm (chủ yếu là benzen) bị thiếu electron; nghĩa là, nếu nó có các nhóm thế rút điện tử.

Phương trình tổng quát cho sự thay thế nucleophin thơm. Nguồn: Sponk

Hình ảnh trên phác thảo những gì đã được nói trong đoạn trước. Nhóm thu hút điện tử EWG (Nhóm rút điện tử) kích hoạt vòng thơm để tấn công nucleophin của loài âm tính Nu ^- . Có thể thấy rằng một chất trung gian được hình thành (ở trung tâm), từ đó halogenua X ^- được giải phóng hoặc thoát ra ngoài .

Lưu ý rằng trong thuật ngữ đơn giản, X được thay thế cho Nu trong vòng thơm. Phản ứng này rất linh hoạt và cần thiết trong quá trình tổng hợp thuốc mới, cũng như trong các nghiên cứu tổng hợp hóa hữu cơ.

Các tính năng chung

Vòng thơm có thể được "tích điện" hoặc "không tải" với các điện tử tùy thuộc vào nhóm thế của nó là gì (những chất thay thế liên kết CH ban đầu).

Khi các nhóm thế này có thể đóng góp mật độ điện tử vào vòng, chúng được cho là làm giàu điện tử cho nó; Mặt khác, nếu chúng là chất thu hút mật độ electron (EWG đã đề cập ở trên), thì chúng được cho là làm nghèo vòng electron.

Trong cả hai trường hợp, vòng được kích hoạt cho một phản ứng thơm cụ thể, trong khi nó bị vô hiệu hóa cho phản ứng kia.

Ví dụ, một vòng thơm giàu điện tử được cho là hoạt động để thay thế nhân thơm; nghĩa là, nó có thể hiến tặng các electron của nó cho một loài electrophin, E ⁺ . Tuy nhiên, nó sẽ không tặng electron đến một Nu ^- loài , vì những chi phí tiêu cực sẽ đẩy nhau.

Bây giờ, nếu chiếc vòng nghèo electron, nó không có cách nào để cung cấp chúng cho loài E ⁺ (không xảy ra SEAr); mặt khác, nó sẵn sàng nhận các electron của Nu ^- loài (rSNA được phát triển).

Sự khác biệt với sự thay thế electrophin thơm

Khi các khía cạnh đầu vào chung đã được làm rõ, một số khác biệt giữa SNAr và SEAr hiện có thể được liệt kê:

- Vòng thơm hoạt động như một electrophin (thiếu điện tử) và bị tấn công bởi một nucleophile.

- Một nhóm X rời khỏi được thay thế khỏi vòng; không phải H ⁺

- Cacbocation không được hình thành mà là vật trung gian mang điện tích âm có thể bị phân định bởi cộng hưởng

- Sự hiện diện của nhiều nhóm chất hấp dẫn hơn trong vòng làm tăng tốc độ thay thế thay vì làm chậm nó

- Cuối cùng, các nhóm này không có tác dụng chỉ đạo về nơi (trên đó cacbon) sự thay thế sẽ xảy ra. Sự thay thế sẽ luôn xảy ra ở cacbon gắn với nhóm X.

Điểm cuối cùng cũng được minh họa trong hình ảnh: liên kết CX bị đứt để hình thành liên kết C-Nu mới.

Hiệu ứng sửa đổi

Trong số các nhóm thế

Đương nhiên, vòng càng nghèo electron, rSNA sẽ càng nhanh và các điều kiện cần thiết để nó xảy ra càng ít. Hãy xem xét ví dụ sau được trình bày trong hình ảnh bên dưới:

Ảnh hưởng của nhóm thế đến sự thay thế 4-nitrochlorobenzene. Nguồn: Gabriel Bolívar.

Lưu ý rằng 4-nitrochlorobenzene (vòng màu xanh lam) yêu cầu điều kiện quyết liệt (áp suất cao và nhiệt độ 350 ºC) để xảy ra sự thay thế Cl bằng OH. Trong trường hợp này, clo là nhóm rời (Cl ^- ), và hydroxit là nucleophile (OH ^- ).

Khi nhóm NO ₂ xuất hiện , là chất thu hút điện tử (vòng xanh lục), sự thay thế có thể được thực hiện ở nhiệt độ 150 ° C ở áp suất môi trường xung quanh. Khi số lượng nhóm NO ₂ hiện diện tăng lên (vòng màu tím và màu đỏ), sự thay thế diễn ra ở nhiệt độ thấp hơn và thấp hơn (tương ứng là 100 ° C và 30 ° C).

Do đó, các nhóm NO ₂ tăng tốc rSNA và tước bỏ vòng electron, làm cho nó dễ bị tấn công bởi OH ^- .

Vị trí tương đối của Cl đối với NO ₂ trong 4-nitrochlorobenzene, và cách chúng làm thay đổi tốc độ của phản ứng, sẽ không được giải thích ở đây ; ví dụ, tốc độ phản ứng của 2-nitrochlorobenzene và 3-nitrochlorobenzene là khác nhau, với tốc độ phản ứng thứ hai là chậm nhất so với các đồng phân khác.

Từ nhóm đi

Lấy lại 4-nitrochlorobenzene, phản ứng thay thế của nó chậm hơn khi so sánh với phản ứng thay thế của nó:

Ảnh hưởng của nhóm rời khỏi phản ứng SNAr. Nguồn: Gabriel Bolívar.

Lời giải thích cho điều này không thể nằm ở một biến khác ngoài sự khác biệt giữa F và Cl. Flo là một nhóm rời khủng khiếp, vì liên kết CF khó phá vỡ hơn liên kết C-Cl. Do đó, sự phá vỡ liên kết này không phải là bước quyết định tốc độ đối với rSNA mà là sự bổ sung Nu ^- vào vòng thơm.

Vì flo có độ âm điện lớn hơn clo nên nguyên tử cacbon liên kết với nó có độ hụt điện tử lớn hơn (C ^{δ +} -F ^δ- ). Do đó, carbon của trái phiếu CF là nhiều hơn nữa dễ bị bị tấn công bởi Nu ^- hơn so với trái phiếu C-Cl. Đó là lý do tại sao sự thay thế của F thành OH nhanh hơn nhiều so với sự thay thế của Cl thành OH.

Thí dụ

Sự thay thế chất thơm electron của 2-metyl-4-nitrofluorobenzene bằng para-cresol. Nguồn: Gabriel Bolívar.

Cuối cùng, một ví dụ về loại phản ứng hữu cơ được hiển thị bên dưới trong hình trên. Para-cresol dường như không phải là một nucleophile; nhưng khi có môi trường cơ bản, nhóm OH của nó bị deproto hóa, còn lại dưới dạng anion phenoxit, tấn công 2-metyl-4-nitrofluorobenzene.

Khi cuộc tấn công này xảy ra, nucleophile được cho là thêm vào electrophin (vòng thơm của 2-metyl-4-nitrofluorobenzene). Bước này có thể được nhìn thấy ở bên phải của hình ảnh, nơi hợp chất trung gian được tạo thành với cả hai nhóm thế thuộc vòng.

Khi para-cresol được thêm vào, một điện tích âm xuất hiện sẽ bị tách vị trí do cộng hưởng trong vòng (lưu ý rằng nó không còn thơm nữa).

Hình ảnh chỉ cho thấy cấu trúc cộng hưởng cuối cùng, mà từ đó flo kết thúc là F ^- ; nhưng trong thực tế cho biết điện tích âm được phân chia ngay cả trong các nguyên tử oxy của nhóm NO ₂ . Sau bước bổ sung là bước loại bỏ, bước cuối cùng, đó là khi sản phẩm cuối cùng được hình thành.

Nhận xét cuối cùng

Nhóm NO ₂ còn lại có thể bị khử thành nhóm NH ₂ , và từ đó có thể thực hiện các phản ứng tổng hợp tiếp theo để biến đổi phân tử cuối cùng. Điều này làm nổi bật tiềm năng tổng hợp của rSNA và cơ chế của nó cũng bao gồm hai bước: một để bổ sung và một để loại bỏ.

Tuy nhiên, hiện tại, có bằng chứng thực nghiệm và tính toán cho thấy phản ứng thực sự tiến hành theo một cơ chế phối hợp, trong đó cả hai bước xảy ra đồng thời thông qua một phức chất được kích hoạt chứ không phải chất trung gian.

Người giới thiệu

1. Morrison, RT và Boyd, R, N. (1987). Hóa học hữu cơ. Phiên bản thứ 5. Biên tập Addison-Wesley Interamericana.
2. Carey F. (2008). Hóa học hữu cơ. (Tái bản lần thứ sáu). Đồi Mc Graw.
3. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Hóa học hữu cơ. Các amin. (Tái bản lần thứ 10.). Wiley Plus.
4. Wikipedia. (2019). Thay thế nucleophin thơm. Khôi phục từ: en.wikipedia.org
5. James Ashenhurst. (Ngày 06 tháng 9 năm 2019). Thay thế thơm hạt nhân (NAS). Được khôi phục từ: masterorganicchemistry.com
6. Hóa học LibreTexts. (Ngày 05 tháng 6 năm 2019). Thay thế thơm hạt nhân. Được khôi phục từ: chem.libretexts.org