Nukleofilní aromatická substituce

Dále je popsán mechanismus nukleofilní aromatické substituce 2,4-dinitrochlorbenzenu v zásaditém vodném roztoku.

Nukleofilní aromatická substituce 2,4-dinitrochlorbenzenu

Uhlíkový atom, na který je navázán chlor, se označuje číslem 1 a ostatní čísly 2 až 6 po směru hodinových ručiček. Jelikož je nitroskupina vůči nukleofilní substituci aktivující skupinou usměrňuje substituci do polohy meta, tak uhlíkovému atomu benzenového kruhu, na který je navázána, dodává záporný náboj. V Meisenheimerově komplexu se nevazebné elektrony karboaniontu navážou na aromatický π systém, čímž umožní připojení hydroxylu na ipso uhlík. Takto vytvořený meziprodukt se odštěpením hydroxylové skupiny nebo chloridu dostane na nižší energetickou hladinu; v roztoku probíhají oba tyto děje, přičemž malá část odštěpí chlorid za vzniku konečného produktu (2,4-dinitrofenolu), zatímco zbytek odštěpí hydroxyl, čímž dojde k obnovení reaktantu. 2,4-dinitrofenol má nižší potenciální energii než reaktant, a tak se po určité době vytvoří rovnovážný stav s převahou 2,4-dinitrofenolu.

Vznik rezonančně stabilizovaného Meisenheimerova komplexu je pomalý, protože má tento komplex vyšší energii než reaktant. Odštěpení chloridu probíhá rychle, protože se cyklus opět stává aromatickým. Ukazuje se ovšem, že v některých případech není meziproduktem Meisenheimerův komplex, ale meziprodukt „předního S_N2 procesu“.[1]

U arylhalogenidů nemůže proběhnout klasická S_N2 reakce. Vazba uhlík-halogen se nachází v rovině aromatického jádra, protože uhlíkový atom má rovinnou trojúhelníkovou geometrii. Atak uhlíku ze zadní strany je tím znemožněn a k takovéto reakci tedy nemůže dojít.[2] S_N1 reakce nastat může, ale je velmi nepravděpodobná, protože by vedla k energeticky nevýhodnému oddělení odcházející skupiny a tvorbě arylového kationtu.[2] Aktivující skupinou je při nukleofilní aromatické substituci nejčastěji nitroskupina, může to být také například kyano- nabo acylová skupina.[3] Odcházející skupinou může být halogen nebo sulfid. S rostoucí elektronegativitou se rychlost nukleofilních ataků zvyšuje,[3] a to díky tomu, že krokem určujícím rychlost reakce je zde nukleofilní atak a následný zánik aromaticity. Schopnost halogenů podstoupit S_NAr reakci klesá v řadě F > Cl ≈ Br > I, tedy obráceně oproti S_N2 reakci, což se může jevit jako zvláštní,m jelikož vazba C-F patří v organické chemii k nejsilnějším. Díky její značné polaritě je ovšem fluorid při S_NAr reakci ideální odcházející skupinou. Nukleofily mohou být aminy, alkoxidy, thioethery a stabilizované karboanionty.[3]

K typickým nukleofilním substitučním reakcím arenů patří:

• Bambergerův přesmyk, kdy se N-fenylhydroxylaminy přeměňují na 4-aminofenoly. Nukleofilem je voda.
• Sandmeyerova a Gattermannova reakce, při kterých diazoniové soli reagují s halogenidy.
• Smilesův přesmyk, jenž je vnitromolekulární obdobou této reakce.

U heteroarenů probíhá nukleofilní aromatická substituce snadněji než u arenů. Pyridiny jsou obzvlášť reaktivní, pokud jsou substituovány v poloze orto nebo para, protože pak je záporný náboj ideálně delokalizován na dusíku. Příkladem takové reakce je Čičibabinova reakce, při níž pyridin reaguje s amidem alkalického kovu, jako je amid sodný, za vzniku 2-aminopyridinu.[4]

U methyl-3-nitropyridin-4-karboxylátu lze nitroskupinu v poloze meta snadno nahradit fluorem reakcí s fluoridem cesným v dimethylsulfoxidu (DMSO) při 120 °C.[5]

Nukleofilní aromatická substituce pyridinu

S nukleofily jako jsou 1,3-dikarbonylové sloučeniny, lze provést asymetrickou syntézu chirálních sloučenin pomocí nukleofilní aromatické substituce.[6] Katalyzátorem je derivát cinchonidinu, který má na dusíku a kyslíku připojené benzylové skupiny.