การแทนที่อะโรมาติกแบบนิวคลีโอฟิลิก
ปฏิกิริยาการแทนที่แบบนิวคลีโอฟิลิกบนวงแหวนอะโรมาติก )เป็นปฏิกิริยาการแทนที่ในเคมีอินทรีย์ซึ่งนิวคลีโอไฟล์ จะเข้ามาแทนที่ หมู่ที่หลุดออกได้ง่ายเช่นเฮไลด์บนวงแหวนอะโรมาติก วงแหวนอะโรมาติกโดยทั่วไปแล้วจะเป็นนิวคลีโอฟิลิก แต่สารประกอบอะโรมาติกบางชนิดก็สามารถเกิดปฏิกิริยาการแทนที่แบบนิวคลีโอฟิลิกได้เช่นกัน เช่นเดียวกับ ที่แอล คีน ซึ่งปกติเป็นนิวคลีโอฟิลิก สามารถเกิดปฏิกิริยาการแทนที่แบบคอนจูเกตได้หากมีหมู่ดึงอิเล็กตรอน วงแหวนอะโรมาติก ซึ่งปกติเป็นนิวคลีโอฟิลิกก็สามารถกลายเป็นอิเล็กโทรฟิลิกได้ เช่น กันหากมีหมู่แทนที่ ที่เหมาะสม
ปฏิกิริยานี้แตกต่างจากปฏิกิริยาS₂N₂ ทั่วไป เนื่องจากเกิดขึ้นที่อะตอมคาร์บอนแบบสามเหลี่ยม ( ไฮบริดไดเซชัน ) กลไกของ ปฏิกิริยา ไม่เกิดขึ้นเนื่องจากสิ่งกีดขวางทางสเตอริกของวงแหวนเบนซีน ในการโจมตีอะตอม C นิวคลีโอไฟล์ต้องเข้าใกล้ในแนวเดียวกับพันธะ C-LG (หมู่ที่หลุดออก) จากด้านหลัง ซึ่งเป็นตำแหน่งที่วงแหวนเบนซีนอยู่ เป็นไปตามกฎทั่วไปที่ว่าปฏิกิริยา S₂N₂ เกิดขึ้นเฉพาะที่อะตอมคาร์บอนแบบทรงสี่หน้าเท่านั้น
กลไก S 1 เป็นไปได้แต่ไม่เอื้ออำนวยอย่างยิ่งเว้นแต่กลุ่มที่หลุดออกจะเป็นกลุ่มที่ดีเป็นพิเศษ กลไกนี้จะเกี่ยวข้องกับการสูญเสียกลุ่มที่หลุดออกโดยไม่ได้รับความช่วยเหลือและการก่อตัวของอะริลแคตไอออนใน ปฏิกิริยา S 1แคตไอออนทั้งหมดที่ใช้เป็นตัวกลางจะเป็นระนาบที่มีออร์บิทัล p ว่าง เปล่า แคตไอออนนี้เป็นระนาบแต่ออร์บิทัล p เต็ม (เป็นส่วนหนึ่งของวงแหวนอะโรมาติก) และออร์บิทัลว่างเปล่าเป็นออร์บิทัล sp 2ที่อยู่นอกวงแหวน[ 1 ]
กลไกการแทนที่อะโรมาติกแบบนิวคลีโอฟิลิก
วงแหวนอะโรมาติกเกิดปฏิกิริยาการแทนที่แบบนิวคลีโอฟิลิกได้หลายเส้นทาง
- กลไก S Ar (การเพิ่ม-การกำจัด)
- กลไก S 1อะโรมาติกที่พบในเกลือไดอะโซเนียม
- กลไก เบนไซน์ (E1cB-Ad )
- กลไก อนุมูลอิสระS 1
- กลไก ANRORC
- การแทนที่นิวคลีโอฟิลิกแบบทางอ้อม
กลไก SNAr เป็นกลไกที่สำคัญที่สุดใน กลไกเหล่านี้ หมู่ดึงอิเล็กตรอนจะกระตุ้นวงแหวนให้พร้อมสำหรับการโจมตีของนิวคลีโอฟิล ตัวอย่างเช่น หากมีหมู่ไนโตรอยู่ในตำแหน่งออร์โธหรือพาราต่อ หมู่ เฮไลด์ที่หลุดออกไป กลไก จะเกิดขึ้นได้ง่ายกว่า
กลไกปฏิกิริยาS
ต่อไปนี้เป็นกลไกปฏิกิริยาของการแทนที่อะโรมาติกแบบนิวคลีโอฟิลิกของ 2,4-ไดไนโตรคลอโรเบนซีน ( 1 ) ใน สารละลาย เบสในน้ำ
เนื่องจาก หมู่ ไนโตรเป็นตัวกระตุ้นการแทนที่แบบนิวคลีโอฟิลิกและเป็นตัวกำหนดทิศทางเมตา จึงสามารถทำให้ความหนาแน่นของอิเล็กตรอนเพิ่มเติมมีเสถียรภาพ (ผ่านเรโซแนนซ์) เมื่อสารประกอบอะโรมาติกถูกโจมตีโดยนิ วคลีโอ ไฟล์ไฮดรอกไซด์ สารตัวกลางที่เกิดขึ้นเรียกว่าสารเชิงซ้อนไมเซนไฮเมอร์ ( 2a ) โดย คาร์บอน อิปโซจะเชื่อมต่อกับหมู่ไฮดรอกซิล ชั่วคราว สารเชิงซ้อนไมเซนไฮเมอร์นี้มีเสถียรภาพมากขึ้นด้วยหมู่ไนโตรที่ดึงอิเล็กตรอนเพิ่มเติม ( 2b )
เพื่อให้กลับสู่สถานะพลังงานที่ต่ำกว่า หมู่ไฮดรอกซิลหรือคลอไรด์จะต้องหลุดออกไป ในสารละลาย กระบวนการทั้งสองเกิดขึ้นพร้อมกัน สารตัวกลางส่วนน้อยจะสูญเสียคลอไรด์ไปกลายเป็นผลิตภัณฑ์ (2,4-ไดไนโตรฟีนอล, 3 ) ในขณะที่ส่วนที่เหลือจะกลับไปเป็นสารตั้งต้น ( 1 ) เนื่องจาก 2,4-ไดไนโตรฟีนอลอยู่ในสถานะพลังงานที่ต่ำกว่า จึงจะไม่กลับไปเป็นสารตั้งต้นอีก ดังนั้นเมื่อเวลาผ่านไปสักระยะหนึ่ง ปฏิกิริยาจะถึงสมดุลทางเคมีที่เอื้อต่อ 2,4-ไดไนโตรฟีนอล ซึ่งจะถูกกำจัดโปรตอนโดยสารละลายเบส ( 4 )
การก่อตัวของ สารเชิงซ้อน Meisenheimer ที่เสถียรด้วยเรโซแนนซ์นั้นช้า เนื่องจากการสูญเสียความเป็นอะโรมาติกอันเนื่องมาจากการโจมตีของนิวคลีโอฟิลส่งผลให้เกิดสถานะพลังงานที่สูงขึ้น ในทางกลับกัน การสูญเสียคลอไรด์หรือไฮดรอกไซด์นั้นเร็ว เนื่องจากวงแหวนกลับมาเป็นอะโรมาติกอีกครั้ง งานวิจัยล่าสุดระบุว่า บางครั้งสารเชิงซ้อน Meisenheimer อาจไม่ใช่สารตัวกลางที่แท้จริงเสมอไป แต่อาจเป็นสถานะการเปลี่ยนผ่าน ของกระบวนการ 'S 2' ด้านหน้าโดยเฉพาะอย่างยิ่งหากการทำให้เสถียรโดยกลุ่มดึงอิเล็กตรอนไม่แข็งแรงมากนัก[ 2 ]บทความวิจารณ์ในปี 2019 โต้แย้งว่าปฏิกิริยา 'S Ar แบบประสาน' ดังกล่าวแพร่หลายมากกว่าที่เคยสันนิษฐานไว้ก่อนหน้านี้[ 3 ]
อะริลเฮไลด์ ไม่สามารถเกิด ปฏิกิริยาSN2แบบคลาสสิกได้พันธะคาร์บอน-ฮาโลเจนอยู่ในระนาบของวงแหวนเพราะอะตอมคาร์บอนมีรูปทรงเรขาคณิตแบบระนาบสามเหลี่ยม การโจมตีจากด้านหลังถูกปิดกั้นและปฏิกิริยานี้จึงเป็นไปไม่ได้]ปฏิกิริยาSN1เป็นไปได้แต่ไม่เอื้ออำนวยอย่างมาก มันจะเกี่ยวข้องกับการสูญเสียหมู่ที่หลุดออกไป โดยไม่ได้รับความ ช่วยเหลือและการก่อตัวของอะริลแคตไอออน[ 4 ]หมู่ไนโตรเป็นหมู่กระตุ้นที่พบได้บ่อยที่สุด หมู่อื่นๆ ได้แก่ หมู่ไซยาโนและหมู่เอซิล[ 5 ] หมู่ที่หลุดออกไปอาจเป็นฮาโลเจนหรือซัลไฟด์ อัตราการเกิดปฏิกิริยาสำหรับการโจมตีแบบนิวคลีโอฟิลิกจะเพิ่มขึ้นเมื่อ ค่า อิเล็ก โทรเนกาติวิตีเพิ่มขึ้น [ 5 ]ทั้งนี้เนื่องจากขั้นตอนที่กำหนดอัตราสำหรับ ปฏิกิริยา คือการโจมตีของนิวคลีโอไฟล์และการแตกของระบบอะโรมาติกในภายหลัง กระบวนการที่เร็วกว่าคือการสร้างระบบอะโรมาติกขึ้นใหม่หลังจากสูญเสียหมู่ที่หลุดออกไป ดังนั้น รูปแบบต่อไปนี้จึงปรากฏให้เห็นเกี่ยวกับความสามารถในการหลุดออกของหมู่ฮาโลเจนสำหรับ S Ar: F > Cl ≈ Br > I (กล่าวคือ ลำดับที่กลับกันกับที่คาดไว้สำหรับปฏิกิริยา S 2) หากมองจากมุมมองของปฏิกิริยา S 2 สิ่งนี้อาจดูขัดกับสัญชาตญาณ เนื่องจากพันธะ CF เป็นหนึ่งในพันธะที่แข็งแรงที่สุดในเคมีอินทรีย์ เมื่อฟลูออไรด์เป็นหมู่หลุดออกที่เหมาะสมที่สุดสำหรับ S Ar เนื่องจากความเป็นขั้วสูงของพันธะ CF นิวคลีโอไฟล์อาจเป็นเอมีน อัลคอกไซด์ซัลไฟด์และคาร์บานไอออน ที่เสถียร [ 5 ]
ปฏิกิริยาการแทนที่อะโรมาติกแบบนิวคลีโอฟิลิก
ปฏิกิริยาการแทนที่ทั่วไปบางชนิดบนอะรีนแสดงไว้ด้านล่างนี้
- ในการจัดเรียงตัวแบบแบมเบอร์เกอร์เอ็น-ฟีนิลไฮดรอกซีลามีนจะจัดเรียงตัวใหม่เป็น 4-อะมิโนฟีนอล โดยมีน้ำเป็นนิวคลีโอไฟล์
- การจัดเรียงตัวแบบสไมล์ (Smiles rearrangement)เป็นปฏิกิริยาประเภทนี้ที่เกิดขึ้นภายในโมเลกุลเดียวกัน
การแทนที่อะโรมาติกแบบนิวคลีโอฟิลิกไม่ได้จำกัดเฉพาะอะรี นเท่านั้น ปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นได้ง่ายยิ่งขึ้นกับเฮเทอโร อะรีน ไพริดีนมีปฏิกิริยามากเป็นพิเศษเมื่อถูกแทนที่ใน ตำแหน่งออร์โธอะโรมาติก หรือตำแหน่งพาราอะโรมาติกเนื่องจากประจุลบจะกระจายตัวอย่างมีประสิทธิภาพที่ตำแหน่งไนโตรเจน ปฏิกิริยาคลาสสิกอย่างหนึ่งคือปฏิกิริยาChichibabin ( Aleksei Chichibabin , 1914) ซึ่งไพริดีนทำปฏิกิริยากับอะไมด์ของโลหะอัลคาไล เช่นโซเดียมอะไมด์เพื่อสร้าง 2-อะมิโนไพริดีน[ 6 ]
ในสารประกอบเมทิล 3-ไนโตรไพริดีน-4-คาร์บอก ซิเลต หมู่ไนโตร เมตาจะถูกแทนที่ด้วยฟลูออรีนโดยใช้ซีเซียมฟลูออไรด์ในDMSOที่อุณหภูมิ 120 °C [ 7 ]
แม้ว่าปฏิกิริยา Sandmeyer ของเกลือไดอะโซเนียมและเฮไลด์จะเป็นการแทนที่แบบนิวคลีโอฟิลิกอย่างเป็นทางการ แต่กลไกของปฏิกิริยานั้นเป็นแบบอนุมูลอิสระ[ 8 ]
การแทนที่อะโรมาติกแบบนิวคลีโอฟิลิกที่ไม่สมมาตร
ด้วยนิวคลีโอไฟล์คาร์บอน เช่น สารประกอบ 1,3-ไดคาร์บอนิล ปฏิกิริยานี้ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าเป็นวิธี การสังเคราะห์ โมเลกุลไครัลแบบไม่สมมาตร[ 9 ]รายงานครั้งแรกในปี 2548 ตัวเร่งปฏิกิริยาอินทรีย์ (ในบทบาทคู่ร่วมกับตัวเร่งปฏิกิริยาการถ่ายโอนเฟส ) ได้มาจากซินโคนิดีน ( เบนซิเลตที่ N และ O)
