Substituição nucleofílica aromática: efeitos, exemplos

A substituição nucleofílica aromática (SNAr) é uma reacção que ocorre em química orgânica, que envolve o deslocamento de um bom grupo de saída por um nucleófilo de entrada. Do ponto de vista de seu mecanismo e aspectos eletrônicos, é o lado oposto da substituição eletrofílica aromática (SEAr).

Geralmente, o grupo de saída é um halogênio, que sai como um ânion X haleto . Essa reação só pode ocorrer se o anel aromático (principalmente benzeno) for deficiente em elétrons; isto é, se tiver grupos substituintes atrator de elétrons.

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Equação geral para uma substituição nucleofílica aromática. Fonte: Sponk [Domínio público]

A imagem acima esquematiza o que foi dito no parágrafo anterior. O grupo atrator de elétrons do EWG ( Grupo de retirada de elétrons ) ativa o anel aromático para o ataque nucleofílico das espécies negativas Nu . Pode ser observado que um intermediário (centro), que é libertado ou sai do haleto X é formada .

Observe que, em termos simples, X é substituído por Nu em um anel aromático. Essa reação é muito versátil e necessária na síntese de novos fármacos, bem como em estudos de química orgânica sintética.

Aspectos gerais

O anel aromático pode ser “carregado” ou “descarregado” de elétrons, dependendo de quais são seus substituintes (aqueles que substituem a ligação CH original).

Quando esses substituintes podem doar densidade eletrônica ao anel, diz-se que o enriquecem com elétrons; se, em vez disso, são atratores de densidade de elétrons (o EWG mencionado acima), diz-se que eles esgotam o anel de elétrons.

Em ambos os casos, o anel é ativado para uma reação aromática específica, enquanto está desativado para o outro.

Por exemplo, é dito que um anel aromático rico em elétrons é ativo para a substituição eletrofílica aromática; isto é, você pode doar seus elétrons para uma espécie eletrofílica, o E + . No entanto, nem doar elétrons para uma espécie Nu como cargas negativas repelem.

Agora, se o anel é pobre em elétrons, não há como transferi-los para as espécies E + (o SEAr não ocorre); Em vez disso, ele tem disponibilidade para aceitar elétrons da espécie Nu (o SNAr desenvolve).

Diferenças com substituição eletrofílica aromática

Tendo esclarecido os aspectos gerais da entrada, algumas diferenças entre o SNAr e o SEAr agora podem ser listadas:

– O anel aromático atua como um eletrófilo (deficiente em elétrons) e é atacado por um nucleófilo.

– Um grupo saliente X é substituído a partir do anel; não é um H +

– Não é formado carbocátion, mas intermediários com carga negativa que podem ser realocados por ressonância

– A presença de mais grupos de atratores no anel acelera a substituição, em vez de desacelerá-la

– Finalmente, esses grupos não têm efeito direto sobre onde (em qual carbono) a substituição ocorrerá. A substituição sempre ocorrerá no carbono ligado ao grupo de saída X.

O último ponto também é ilustrado na imagem: o link CX está quebrado para formar o novo link C-Nu.

Efeitos

Do número de substituintes

Naturalmente, quanto mais pobre o anel estiver em elétrons, mais rápido o SNAr será e menos drásticas serão as condições necessárias para que ele ocorra. Considere o seguinte exemplo mostrado na imagem abaixo:

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Efeitos de substituintes nas substituições de 4-nitroclorobenzeno. Fonte: Gabriel Bolívar

Observe que o 4-nitroclorobenzeno (anel azul) requer condições drásticas (alta pressão e temperatura de 350 ° C) para a substituição do Cl por OH. Nesse caso, o cloro é o grupo de saída (Cl ) e o hidróxido o nucleófilo (OH ).

Quando o grupo NO 2 aparecer , que é um atrator de elétrons (anel verde), a substituição pode ser realizada a uma temperatura de 150 ° C à pressão ambiente. À medida que o número de grupos NO 2 presentes (anéis roxo e vermelho) aumenta, a substituição ocorre a temperaturas cada vez mais baixas (100 ° C e 30 ° C, respectivamente).

Portanto, os grupos NO 2 acelerar electrões SNAr e desproveen do anel, tornando -o mais susceptível ao ataque por OH .

As posições relativas de Cl em relação ao NO 2 no 4-nitroclorobenzeno e como elas alteram a velocidade da reação não serão explicadas aqui ; por exemplo, as taxas de reação de 2-nitroclorobenzeno e 3-nitroclorobenzeno são diferentes, sendo este último o mais lento em comparação com os outros isômeros.

Do grupo de saída

Retirando o 4-nitroclorobenzeno, sua reação de substituição é mais lenta em comparação com a do seu homólogo fluoretado:

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Efeito do grupo de saída nas reações SNAr. Fonte: Gabriel Bolívar

A explicação para isso não pode estar em outra variável além da diferença entre o F e o Cl. O flúor é um grupo de saída ruim, já que o link CF é mais difícil de quebrar do que o link C-Cl. Portanto, a quebra desse link não é a etapa de determinação da velocidade do SNAr, mas a adição do Nu ao anel aromático.

Sendo o flúor mais eletronegativo que o cloro, o átomo de carbono a ele ligado tem uma maior deficiência eletrônica (C δ + -F δ- ). Consequentemente, o carbono do link CF é muito mais suscetível de ser atacado pelo Nu do que o do link C-Cl. É por isso que a substituição de F por OH é muito mais rápida que a de Cl por OH.

Exemplo

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Substituição eletrofílica aromática de 2-metil-4-nitrofluorbenzeno por para-cresol. Fonte: Gabriel Bolívar

Finalmente, um exemplo desse tipo de reação orgânica é mostrado na imagem acima. O para-cresol não parece ser um nucleófilo; mas tendo um meio básico, seu grupo OH é desprotonado, deixando-o como um ânion fenóxido, que ataca o 2-metil-4-nitrofluorbenzeno.

Quando esse ataque ocorre, é dito que o nucleófilo é adicionado ao eletrófilo (o anel aromático do 2-metil-4-nitrofluorbenzeno). Este passo pode ser visto à direita da imagem, onde o composto intermediário é formado com os dois substituintes pertencentes ao anel.

Quando o para-cresol é adicionado, aparece uma carga negativa que é deslocalizada por ressonância no anel (observe que ele não é mais aromático).

Em apenas o último estrutura de ressonância imagem mostrada, que últimas saídas do flúor como F ; mas, na realidade, essa carga negativa fica deslocalizada mesmo nos átomos de oxigênio do grupo NO 2 . Após a etapa de adição, vem a eliminação, a última, que é quando o produto é finalmente formado.

Comentário final

O grupo NO 2 grupo restante pode ser reduzida para NH 2 , e não é mais possível de reacções sintéticas para modificar a molécula final. Isso destaca o potencial sintético do SNAr, e que seu mecanismo, além disso, consiste em duas etapas: uma de adição e outra de eliminação.

Atualmente, no entanto, existem evidências experimentais e computacionais de que a reação realmente prossegue seguindo um mecanismo concertado, em que ambas as etapas ocorrem simultaneamente através de um complexo ativado e não de um intermediário.

Referências

  1. Morrison, RT e Boyd, R., N. (1987). Química Orgânica . 5ª Edição. Editorial Addison-Wesley Interamerican.
  2. Carey F. (2008). Química Orgânica . (Sexta edição). Mc Graw Hill
  3. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Química Orgânica . Aminas (10ª edição). Wiley Plus
  4. Wikipedia (2019). Substituição aromática nucleofílica. Recuperado de: en.wikipedia.org
  5. James Ashenhurst (6 de setembro de 2019). Substituição aromática nucleofílica (NAS). Recuperado de: masterorganicchemistry.com
  6. Química LibreTexts. (5 de junho de 2019). Substituição aromática nucleofílica. Recuperado de: chem.libretexts.org

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