SUBSTITUCIÓ NUCLEOFÍLICA AROMÀTICA: EFECTES, EXEMPLES - QUIMICA - 2026

La substitució nucleofílica aromàtica (SNAr) és una reacció que ocorre en la química orgànica, la qual consisteix en el desplaçament d'un bon grup sortint per un nucleòfil entrant. Des del punt de vista del seu mecanisme i aspectes electrònics, és la cara oposada de la substitució electrofílica aromàtica (SEAr).

Generalment el grup sortint es tracta d'un halogen, el qual surt com anió halur X ^-. Aquesta reacció només pot prendre lloc si l'anell aromàtic (el de benzè en la seva majoria) es troba deficient en electrons; és a dir, si posseeix grups substituents atractors d'electrons.

Equació general per a una substitució nucleofílica aromàtica. Font: Sponk

La imatge superior esquematitza el que s'ha dit en el paràgraf anterior. El grup atractor d'electrons EWG (per les seves sigles en anglès: Electron Withdrawing Group), activa a l'anell aromàtic per a l'atac nucleofílic de l'espècie negativa Nu ^-. Es pot veure que es forma un intermediari (al centre), de el qual s'allibera o surt l'halur X ^-.

Cal notar que en termes simples X és substituït per Nu en un anell aromàtic. Aquesta reacció és molt versàtil i necessària en la síntesi de nous fàrmacs, així com en estudis de química orgànica sintètica.

aspectes generals

L'anell aromàtic pot "carregar-se" o "descarregar-se" d'electrons en funció de quines siguin les seves substituents (els que reemplacen a l'enllaç CH original).

Quan aquests substituents poden donar densitat electrònica a l'anell, es diu que l'enriqueixen d'electrons; si per contra són atractors de densitat electrònica (el EWG esmentat a dalt), es diu llavors que empobreixen l'anell d'electrons.

En qualsevol dels casos, l'anell s'activa per una reacció aromàtica en específic, mentre que es desactiva per l'altra.

Per exemple, un anell aromàtic ric en electrons es diu que és actiu per a la substitució electrofílica aromàtica; és a dir, pot donar els seus electrons a una espècie electròfila, E ⁺. No obstant això, no donarà electrons a una espècie Nu ^-, ja que les càrregues negatives es repel·lirien entre si.

Ara, si l'anell és pobre en electrons, no té com cedir-los a l'espècie E ⁺ (no ocorre la SEAr); en canvi, sí que té disponibilitat d'acceptar els electrons de l'espècie Nu ^- (es desenvolupa l'SNAr).

Diferències amb la substitució electrofílica aromàtica

Aclarits els aspectes generals d'entrada, poden ara enumerar algunes diferències entre la SNAr i la SEAr:

- L'anell aromàtic actua com un electròfil (deficient d'electrons) i és atacat per un nucleòfil.

- Es substitueix de l'anell un grup sortint X; no un H ⁺

- No es formen carbocationes, sinó intermediaris amb una càrrega negativa que pot deslocalitzar per ressonància

- La presència de més grups atractors en l'anell acceleren la substitució en comptes de ralentir

- Finalment, aquests grups no exerceixen efectes directors sobre on (en quin carboni) passarà la substitució. La substitució ocorrerà sempre en el carboni enllaçat a el grup sortint X.

L'últim punt s'il·lustra també a la imatge: l'enllaç CX es trenca per formar-el nou enllaç C-Nu.

efectes

De el nombre de substituents

Naturalment, com més pobra en electrons sigui l'anell, més ràpida serà la SNAr i menys dràstiques seran les condicions requerides perquè passi. Considerem el següent exemple representat en la imatge inferior:

Efectes dels substituents en les substitucions de el 4-nitroclorobenceno. Font: Gabriel Bolívar.

Cal notar que el 4-nitroclorobenceno (anell blau) requereix de condicions dràstiques (alta pressió i una temperatura de 350 ºC) perquè ocorri la substitució de l'Cl per l'OH. En aquest cas, el clor és el grup sortint (Cl ^-), i l'hidròxid l'nucleòfil (OH ^-).

Quan apareix el grup NO ₂, el qual és atractor d'electrons (anell verd), la substitució es pot dur a terme a una temperatura de 150 ºC a pressió ambient. A mesura que augmenta el nombre de grups NO ₂ presents (anells morat i vermell), la substitució pren lloc a temperatures cada vegada menors (100 ºC i 30ºC, respectivament).

Per tant, els grups NO ₂ acceleren la SNAr i desproveeixen d'electrons a l'anell, tornant més susceptible a l'atac de l'OH ^-.

No s'explicarà aquí les posicions relatives de l'Cl respecte a NO ₂ en el 4-nitroclorobenceno, i com aquestes alteren la velocitat de la reacció; per exemple, les velocitats de reacció de l'2-nitroclorobenceno i 3-nitroclorobenceno són diferents, sent la d'aquest últim la més lenta en comparació als altres isòmers.

De el grup sortint

Reprenent el 4-nitroclorobenceno, la seva reacció de substitució és més lenta si se li compara el del seu homòleg fluorat:

Efecte de el grup sortint en les reaccions SNAr. Font: Gabriel Bolívar.

L'explicació d'això no pot radicar en una altra variable que la diferència entre el F i Cl. El fluor és un pèssim grup sortint, ja que l'enllaç CF és més difícil de trencar que l'enllaç C-Cl. Per tant, el trencament d'aquest enllaç no és el pas determinant de la velocitat per a la SNAr, sinó l'addició de l'Nu ^{- a} l'anell aromàtic.

El fluor per ser més electronegatiu que el clor, l'àtom de carboni enllaçat a ell té major deficiència electrònica (C ^{δ +} -F ^δ-). En conseqüència, el carboni de l'enllaç CF és molt més susceptible de ser atacat per Nu ^- que el de l'enllaç C-Cl. És per això que la substitució de F per OH és molt més ràpida que la de Cl per OH.

exemple

Substitució electrofílica aromàtica de l'2-metil-4-nitrofluorbenceno amb el per-cresol. Font: Gabriel Bolívar.

Per a finalitzar, es mostra a continuació un exemple d'aquest tipus de reaccions orgàniques en la imatge superior. El per-cresol no dóna l'aparença de ser un nucleòfil; però a l'haver un mitjà bàsic, es desprotona seu grup OH, quedant com un anió fenoxido, el qual sí ataca el 2-metil-4-nitrofluorbenceno.

Quan passa aquest atac, es diu que el nucleòfil s'addiciona a l'electròfil (l'anell aromàtic de l'2-metil-4-nitrofluorbenceno). Aquest pas es pot veure a la dreta de la imatge, on es forma el compost intermediari amb dos substituents pertanyents a l'anell.

A l'addicionar el per-cresol apareix una càrrega negativa que es deslocalitza per ressonància dins de l'anell (notin que deixa de ser aromàtic).

A la imatge prou feines es mostra l'última estructura de ressonància, de la qual acaba de sortir el fluor com a F ^-; però en realitat aquesta càrrega negativa arriba a deslocalitzar fins i tot en els àtoms d'oxigen de el grup NO ₂. Després de el pas d'addició ve el d'eliminació, l'últim, que és quan es forma finalment el producte.

comentari final

El grup NO ₂ romanent pot reduir-se a el grup NH ₂, i d'allí es poden fer més reaccions de síntesi per modificar la molècula final. Això posa de manifest el potencial sintètic de l'SNAr, i que el seu mecanisme, a més, consta de dos passos: un d'addició i un altre d'eliminació.

Actualment, però, hi ha proves experimentals i computacionals que en realitat la reacció procedeix seguint un mecanisme concertat, on tots dos passos ocorren simultàniament mitjançant un complex activat i no un intermediari.

referències

1. Morrison, RT i Boyd, R, N. (1987). Química Orgànica. 5a Edició. Editorial Addison-Wesley Interamericana.
2. Carey F. (2008). Química Orgànica. (Sisena edició). Mc Graw Hill.
3. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Organic Chemistry. Amines. (10th edition.). Wiley Plus.
4. Wikipedia. (2019). Nucleophilic aromatic substitution. Recuperat de: en.wikipedia.org
5. James Ashenhurst. (6 setembre 2019). Nucleophilic Aromatic Substitution (NAS). Recuperat de: masterorganicchemistry.com
6. Chemistry LibreTexts. (5 juny 2019). Nucleophilic Aromatic Substitution. Recuperat de: chem.libretexts.org