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¡Se revela el secreto de la reacción de SNAr! ¿Por qué el clorobenceno se reemplaza instantáneamente bajo la fuerte atracción electrónica?
En química orgánica, la reacción de sustitución aromática nucleófila (SNAr) es una reacción de sustitución en la que un nucleófilo reemplaza un buen grupo saliente, como un halógeno, en un anillo aromático. Aunque los anillos aromáticos suelen ser nucleofílicos, algunos compuestos aromáticos son capaces de sufrir reacciones de sustitución nucleófilas en condiciones apropiadas.
El mecanismo de la reacción de sustitución aromática nucleofílica es diferente de la reacción SN2 común porque se desarrolla sobre átomos de carbono planos triangulares.
Al realizar una reacción SN2, el nucleófilo debe acercarse al átomo de carbono desde la parte posterior del grupo saliente, pero se ve afectado por obstáculos estéricos en el anillo de benceno, por lo que este tipo de reacción casi no ocurre. El mecanismo SN1 es teóricamente posible, pero a menos que el grupo saliente sea extremadamente bueno, no es factible. Esto requiere la liberación natural del grupo saliente para formar un catión aromático, lo cual es muy desfavorable en la práctica.
Mecanismo de sustitución aromática nucleofílica
La sustitución nucleofílica de anillos aromáticos puede ocurrir a través de varias vías diferentes, siendo el paso más importante el mecanismo SNAr (adición-eliminación). Este mecanismo se ve particularmente favorecido cuando los grupos que atraen electrones, como el grupo nitro, están ubicados en la posición orto o para con respecto al grupo saliente halógeno. El grupo atrayente de electrones puede estabilizar la densidad de electrones en el anillo y promover la reacción nucleofílica.
En el mecanismo de reacción de sustitución aromática nucleofílica, la operación del 2,4-dinitroclorobenceno en solución acuosa alcalina es muy representativa.
El grupo nitro actúa como activador, potenciando la posibilidad de sustitución nucleófila y estabilizando los electrones atraídos mediante resonancia cuando el nucleófilo ataca al grupo carboxilo. El estado metaestable formado se llama complejo de Masonheimer. Cuando se forma esta estructura de densidad electrónica mejorada, los iones de hidróxido pueden abandonarse selectivamente o el cloro puede abandonarse.
Proceso de reacción
Durante la reacción, la mayor parte del complejo de Masonheimer sufre la salida de cloro para formar 2,4-dinitrofenol, mientras que el resto regresa a los reactivos. A medida que avanza la reacción, la solución alcalina desprotonará el 2,4-dinitrofenol y finalmente alcanzará el equilibrio. Debido a que este producto se encuentra en un estado de menor energía, no vuelve a formar reactivos.
La lenta formación del complejo de Meissenheimer es un estado de alta energía causado por una aromaticidad reducida debido al ataque nucleofílico.
La razón de la rápida salida del grupo cloro o hidroxilo posterior es que después de perder el grupo saliente, el anillo aromático volverá a la aromaticidad y liberará energía. Por tanto, la velocidad de las reacciones de sustitución nucleofílica está determinada principalmente por esta velocidad.
La influencia de los nucleófilos y los grupos salientes
En la reacción SNAr, diferentes grupos salientes y nucleófilos afectan la velocidad de la reacción. Por lo general, los nucleófilos inactivos incluyen aminas, fosfonatos de alcohol, sulfuros, etc. Para los grupos salientes de cloro, bromo y yodo, la velocidad de reacción del flúor es óptima en la reacción SNAr, fenómeno que parece ser contrario a la reacción SN2.
Aunque el flúor es el enlace más fuerte, es el grupo saliente más ideal en la reacción SNAr porque la polaridad extrema del enlace C-F hace que la reacción sea más fácil de continuar.
El nucleófilo en esta reacción puede reaccionar con una variedad de compuestos orgánicos para formar nuevas estructuras químicas. Por ejemplo, muchos nucleófilos de los elementos nitrógeno, oxígeno o carbono pueden llevar a cabo eficientemente reacciones de sustitución para crear una variedad de compuestos diferentes.
Dirección futura
La capacidad de realizar reacciones de sustitución aromática nucleofílica se considera una ruta sintética prometedora en un campo de investigación en crecimiento. El trabajo actual muestra que, en algunos casos, el complejo de Mersenneheimer no es solo un estado intermedio, sino que a veces puede ser un estado de transición en el proceso SN2 inicial.
El método de síntesis asimétrica de moléculas quirales, reportado por primera vez en 2005, ha demostrado la importancia de la sustitución aromática nucleofílica en la construcción de diversas moléculas.
Vale la pena señalar que la comprensión, o los posibles desarrollos futuros, de los mecanismos subyacentes y los mecanismos de tales reacciones pueden afectar muchos aspectos de la síntesis orgánica. Ante una reacción química tan fascinante, ¿también espera con ansias sus futuras investigaciones y aplicaciones?
