SUBSTITUTION NUCLÉOPHILE AROMATIQUE: EFFETS, EXEMPLES - CHIMIE - 2025

La substitution nucléophile aromatique (SNAr) est une réaction qui se produit en chimie organique, qui implique le déplacement d'un bon groupe partant par un nucléophile entrant. Du point de vue de son mécanisme et de ses aspects électroniques, c'est le côté opposé de la substitution aromatique électrophile (SEAr).

Généralement, le groupe partant est un halogène, qui sort sous forme d'anion halogénure X ^-. Cette réaction ne peut avoir lieu que si le cycle aromatique (principalement le benzène) est déficient en électrons; c'est-à-dire s'il a des groupes substituants attracteurs d'électrons.

Équation générale pour une substitution nucléophile aromatique. Source: Sponk

L'image du haut décrit ce qui a été dit dans le paragraphe précédent. Le groupe attracteur d'électrons EWG (Electron Withdrawing Group) active le cycle aromatique pour l'attaque nucléophile de l'espèce négative Nu ^-. On voit qu'il se forme un intermédiaire (au centre), à ​​partir duquel l'halogénure X ^- est libéré ou sort.

Notez qu'en termes simples, X remplace Nu dans un cycle aromatique. Cette réaction est très polyvalente et nécessaire dans la synthèse de nouveaux médicaments, ainsi que dans les études de chimie organique synthétique.

Aspects généraux

Le cycle aromatique peut être «chargé» ou «déchargé» d'électrons selon ce que sont ses substituants (ceux qui remplacent la liaison CH d'origine).

Lorsque ces substituants peuvent donner une densité d'électrons au cycle, on dit qu'ils l'enrichissent d'électrons; Si, au contraire, ce sont des attracteurs de densité électronique (l'EWG mentionné ci-dessus), alors on dit qu'ils appauvrissent l'anneau d'électrons.

Dans les deux cas, le cycle est activé pour une réaction aromatique spécifique, tandis qu'il est désactivé pour l'autre.

Par exemple, on dit qu'un cycle aromatique riche en électrons est actif pour la substitution électrophile aromatique; c'est-à-dire qu'il peut donner ses électrons à une espèce électrophile, E ⁺. Cependant, il ne sera pas donner des électrons à un Nu ^- espèce, étant donné que les frais de négatifs se repoussent mutuellement.

Or, si l'anneau est pauvre en électrons, il n'a pas comment les donner aux espèces E ⁺ (SEAr ne se produit pas); d'autre part, il est disponible pour accepter les électrons du Nu ^- espèces (RSNA est développée).

Différences avec la substitution électrophile aromatique

Une fois que les aspects généraux des intrants ont été clarifiés, certaines différences entre le SNAr et le SEAr peuvent maintenant être répertoriées:

- Le cycle aromatique agit comme un électrophile (électron déficient) et est attaqué par un nucléophile.

- un groupe partant X est substitué à partir du cycle; pas un H ⁺

- Des carbocations ne se forment pas, mais des intermédiaires avec une charge négative qui peut être délocalisée par résonance

- La présence de plus de groupes attracteurs dans l'anneau accélère la substitution au lieu de la ralentir

- Enfin, ces groupes n'exercent pas d'effets directifs sur l'endroit (sur quel carbone) la substitution se produira. La substitution se produira toujours au niveau du carbone attaché au groupe partant X.

Le dernier point est également illustré sur l'image: la liaison CX se rompt pour former la nouvelle liaison C-Nu.

Modifier les effets

Du nombre de substituants

Naturellement, plus l'anneau est pauvre en électrons, plus l'ARNr sera rapide et moins les conditions requises pour qu'il se produise sont drastiques. Considérez l'exemple suivant représenté dans l'image ci-dessous:

Effets des substituants sur les substitutions de 4-nitrochlorobenzène. Source: Gabriel Bolívar.

Notez que le 4-nitrochlorobenzène (anneau bleu) nécessite des conditions drastiques (haute pression et température de 350 ºC) pour que la substitution de Cl par OH se produise. Dans ce cas, le chlore est le groupe partant (Cl ^-) et hydroxyde le nucléophile (OH ^-).

Lorsque le groupe NO ₂ apparaît, qui est un attracteur d'électrons (anneau vert), la substitution peut être effectuée à une température de 150 ° C à pression ambiante. Au fur et à mesure que le nombre de groupes NO ₂ présents augmente (anneaux violets et rouges), la substitution a lieu à des températures inférieures et inférieures (100 ° C et 30 ° C, respectivement).

Par conséquent, les groupes NO ₂ accélèrent l'ARNr et privent l'anneau d'électrons, le rendant plus vulnérable aux attaques par OH ^-.

Les positions relatives de Cl par rapport au NO ₂ dans le 4-nitrochlorobenzène, et comment celles-ci modifient la vitesse de la réaction ne seront pas expliquées ici; par exemple, les vitesses de réaction du 2-nitrochlorobenzène et du 3-nitrochlorobenzène sont différentes, ce dernier étant le plus lent par rapport aux autres isomères.

Du groupe sortant

Reprenant le 4-nitrochlorobenzène, sa réaction de substitution est plus lente que celle de son homologue fluoré:

Effet du groupe partant dans les réactions SNAr. Source: Gabriel Bolívar.

L'explication de cela ne peut pas résider dans une autre variable que la différence entre F et Cl. Le fluor est un terrible groupe partant, car la liaison CF est plus difficile à rompre que la liaison C-Cl. Par conséquent, la rupture de cette liaison n'est pas l'étape de détermination de la vitesse pour l'ARNr, mais l'ajout de Nu ^- au cycle aromatique.

Le fluor étant plus électronégatif que le chlore, l'atome de carbone qui lui est lié présente une plus grande déficience électronique (C ^{δ +} -F ^δ-). Par conséquent, le carbone de la liaison CF est beaucoup plus susceptible d'être attaqué par Nu ^- que celui de la liaison C-Cl. C'est pourquoi la substitution de F pour OH est beaucoup plus rapide que celle de Cl pour OH.

Exemple

Substitution aromatique électrophile du 2-méthyl-4-nitrofluorobenzène par du para-crésol. Source: Gabriel Bolívar.

Enfin, un exemple de ce type de réactions organiques est présenté ci-dessous dans l'image ci-dessus. Le para-crésol ne semble pas être un nucléophile; mais comme il y a un milieu basique, son groupe OH est déprotoné, restant sous forme d'anion phénoxyde, qui attaque le 2-méthyl-4-nitrofluorobenzène.

Lorsque cette attaque se produit, on dit que le nucléophile s'ajoute à l'électrophile (le cycle aromatique du 2-méthyl-4-nitrofluorobenzène). Cette étape est visible sur la droite de l'image, où le composé intermédiaire est formé avec les deux substituants appartenant au cycle.

Lorsque le para-crésol est ajouté, une charge négative apparaît qui est délocalisée par résonance au sein de l'anneau (notez qu'elle n'est plus aromatique).

L'image montre juste la dernière structure de résonance, à partir de laquelle le fluor se termine par F ^-; mais en réalité, ladite charge négative arrive à se délocaliser même dans les atomes d'oxygène du groupe NO ₂. Après l'étape d'addition vient l'étape d'élimination, la dernière, c'est-à-dire lorsque le produit est finalement formé.

Commentaire final

Le groupe NO ₂ restant peut être réduit en groupe NH ₂, et à partir de là, il est possible d'effectuer d'autres réactions de synthèse pour modifier la molécule finale. Cela met en évidence le potentiel de synthèse de l'ARNr, et que son mécanisme se compose également de deux étapes: l'une pour l'addition et l'autre pour l'élimination.

Actuellement, cependant, il existe des preuves expérimentales et informatiques que la réaction se déroule en fait selon un mécanisme concerté, où les deux étapes se produisent simultanément à travers un complexe activé et non un intermédiaire.

Références

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6. Chimie LibreTexts. (05 juin 2019). Substitution aromatique nucléophile. Récupéré de: chem.libretexts.org