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Il segreto della reazione SNAr! Perché il clorobenzene viene immediatamente sostituito da una forte attrazione elettronica?
In chimica organica, la reazione di sostituzione nucleofila aromatica (SNAr) è una reazione di sostituzione in cui un nucleofilo sostituisce un buon gruppo uscente, come un alogeno, su un anello aromatico. Sebbene gli anelli aromatici siano generalmente nucleofili, alcuni composti aromatici sono in grado di subire reazioni di sostituzione nucleofila in condizioni appropriate.
Il meccanismo della reazione di sostituzione nucleofila aromatica è diverso dalla comune reazione SN2 perché procede su atomi di carbonio planari triangolari.
Quando si esegue una reazione SN2, il nucleofilo deve avvicinarsi all'atomo di carbonio dalla parte posteriore del gruppo uscente, ma è influenzato da ostacoli sterici sull'anello benzenico, quindi questo tipo di reazione quasi non si verifica. Il meccanismo SN1 è teoricamente possibile, ma a meno che il gruppo uscente non sia estremamente buono, non è fattibile. Ciò richiede il rilascio naturale del gruppo uscente per formare un catione aromatico, il che nella pratica è molto sfavorevole.
Meccanismo di sostituzione nucleofila aromatica
La sostituzione nucleofila degli anelli aromatici può avvenire attraverso diversi percorsi, il passaggio più importante è il meccanismo SNAr (addizione-eliminazione). Questo meccanismo è particolarmente favorito quando i gruppi che attraggono gli elettroni come il gruppo nitro si trovano nella posizione orto o para rispetto al gruppo uscente dell'alogeno. Il gruppo di attrazione degli elettroni può stabilizzare la densità elettronica sull'anello e promuovere la reazione nucleofila.
Nel meccanismo di reazione della sostituzione nucleofila aromatica, l'operazione del 2,4-dinitroclorobenzene in soluzione acquosa alcalina è molto rappresentativa.
Il gruppo nitro agisce come attivatore, aumentando la possibilità di sostituzione nucleofila e stabilizzando gli elettroni attratti attraverso la risonanza quando il nucleofilo attacca il gruppo carbossilico. Lo stato metastabile formato è chiamato complesso di Masonheimer. Quando si forma questa struttura potenziata dalla densità elettronica, gli ioni idrossido possono cedere selettivamente, oppure il cloro se ne va.
Processo di reazione
Durante la reazione, la maggior parte del complesso di Masonheimer subisce la partenza del cloro per formare 2,4-dinitrofenolo, mentre il resto viene restituito ai reagenti. Man mano che la reazione procede, il 2,4-dinitrofenolo verrà deprotonato dalla soluzione alcalina, raggiungendo infine l'equilibrio. Poiché questo prodotto si trova in uno stato energetico inferiore, non ritorna per formare reagenti.
La lenta formazione del complesso Meissenheimer è uno stato ad alta energia causato dalla ridotta aromaticità dovuta all'attacco nucleofilo.
Il motivo della rapida partenza del successivo gruppo cloro o ossidrile è che dopo aver perso il gruppo uscente, l'anello aromatico tornerà all'aromaticità e rilascerà energia. Pertanto, la velocità delle reazioni di sostituzione nucleofila è determinata principalmente da questa velocità.
L'influenza dei nucleofili e dei gruppi uscenti
Nella reazione SNAr, diversi gruppi uscenti e nucleofili influenzano la velocità di reazione. Di solito i nucleofili inattivi includono ammine, alcol fosfonati, solfuri, ecc. Per i gruppi uscenti di cloro, bromo e iodio, la velocità di reazione del fluoro è ottimale nella reazione SNAr, un fenomeno che sembra essere contrario alla reazione SN2.
Sebbene il fluoro sia il legame più forte, è il gruppo uscente più ideale nella reazione SNAr perché l'estrema polarità del legame C-F rende la reazione più facile da procedere.
Il nucleofilo in questa reazione può reagire con una serie di composti organici per formare nuove strutture chimiche. Ad esempio, molti nucleofili degli elementi azoto, ossigeno o carbonio possono eseguire in modo efficiente reazioni di sostituzione per creare una varietà di composti diversi.
Direzione futura
La capacità di eseguire reazioni di sostituzione nucleofila aromatica è considerata una via sintetica promettente in un campo di ricerca in crescita. Il lavoro attuale mostra che in alcuni casi il complesso di Mersenneheimer non è solo uno stato intermedio ma può talvolta essere uno stato di transizione nel processo SN2 front-end.
Il metodo di sintesi asimmetrica delle molecole chirali presentato per la prima volta nel 2005 ha dimostrato l'importanza della sostituzione aromatica nucleofila nella costruzione di diverse molecole.
Vale la pena notare che la comprensione, o i potenziali sviluppi futuri, dei meccanismi e dei meccanismi sottostanti di tali reazioni possono avere un impatto su molti aspetti della sintesi organica. Di fronte a una reazione chimica così affascinante, guardate con ansia anche alle sue future ricerche e applicazioni?
