친핵성 방향족 치환

Nucleophilic aromatic substitution

친핵성 방향족 치환이란 유기화학에서 친핵성이 할로겐화물 등의 양호한 이탈기를 방향족 고리상에서 치환하는 치환반응이다.방향족 고리는 보통 친핵성이지만, 일부 방향족 화합물은 친핵성 치환을 거친다.일반적으로 친핵성 알켄이 전자 인출 치환기를 가지고 있으면 켤레 치환을 받을 수 있듯이, 일반적으로 친핵성 방향족 고리도 올바른 치환기를 가지고 있으면 친전자성이 된다.

Aromatic nucleophilic substitution

이 반응은 삼각 탄소 원자(sp2 교배)에서 발생하기 때문에 일반적인 S2N 반응과는 다릅니다.S2N 반응 메커니즘은 벤젠 고리의 입체 장애로 인해 발생하지 않습니다.C 원자를 공격하기 위해서는 친핵체가 벤젠 고리가 있는 C-LG(leave group) 결합에 뒤에서 접근해야 한다.S2N 반응은 사면체 탄소 원자에서만 발생한다는 일반적인 규칙을 따른다.

S1N 메커니즘은 가능하지만 이탈 그룹이 예외적으로 좋은 그룹이 아닌 한 매우 바람직하지 않다.그것은 이탈 그룹의 도움 없는 손실과 아릴 양이온의 형성을 수반할 것이다.S1N 반응에서 중간체로 사용된 모든 양이온은 빈 p 오비탈을 가진 평면이었다.이 양이온은 평면이지만 p 오비탈은 꽉 차 있고(방향족 고리의 일부), 빈 오비탈은 고리 [1]바깥의 sp2 오비탈입니다.

방향족 고리가 친핵 치환되는 6가지 메커니즘입니다.

친핵성 방향족 치환 메커니즘

방향족 시스템에서 접하는 6가지 친핵성 치환 메커니즘이 있습니다.

  1. SArN(추가 삭제) 메커니즘
    SNAr mechanism.svg
  2. 디아조늄염과 조우하는 방향족N S1 메커니즘
    Aromatic SN1 mechanism.svg
  3. 벤자인 메커니즘(E1cb-AdN)
    Substitution via benzyne.svg
  4. 프리라디칼RN S1 메커니즘
  5. ANROC 기구
  6. 대리 친핵성 치환.

SArN 메커니즘은 이들 중 가장 중요합니다.전자 이탈 그룹은 친핵성 공격을 향해 고리를 활성화한다.예를 들어 할로겐화물 이탈기에 오르토 또는 파라 위치에 니트로 관능기가 있는 경우에는 SArN 기구가 바람직하다.

SArN 반응 메커니즘

물속 염기성 용액 중 2,4-디니트로클로로벤젠의 친핵성 방향족 치환의 반응 메커니즘은 다음과 같다.

Nucleophilic aromatic substitution

이 순서에서 탄소 번호는 1부터 6까지 시계 방향으로 매겨지며, 12시에 염화물과 결합한다.니트로기는 친핵 치환에 대한 활성제이자 메타 디렉터이기 때문에 결합하는 벤젠 탄소에 음전하를 갖게 한다.마이젠하이머 착체는 카르바니온의 비결합 전자가 방향족 파이 계에 결합하고, 이로 인해 ipso 탄소가 일시적으로 수산기(-OH)와 결합할 수 있다.낮은 에너지 상태로 돌아가기 위해서는 수산기 또는 염화물 잎 중 하나입니다.솔루션에서는 두 프로세스가 모두 발생합니다.중간체 중 소량은 염화물을 손실하여 생성물(2,4-디니트로페놀)이 되고 나머지는 반응물로 돌아간다.2,4-디니트로페놀은 낮은 에너지 상태이기 때문에 반응물을 형성하기 위해 다시 돌아오지 않기 때문에, 시간이 지나면 반응은 2,4-디니트로페놀에 유리한 화학적 평형에 도달한다.

공명 안정화 마이젠하이머 복합체는 방향족 반응 물질보다 높은 에너지 상태에 있기 때문에 형성 속도가 느립니다.고리가 다시 방향족으로 변하기 때문에 염화물의 손실은 빠르다.최근의 연구는 때때로 Meisenheimer 복합체가 항상 진정한 중간체는 아니지만 특히 전자 인출 그룹에 의한 안정화가 매우 [2]강하지 않은 경우, '프론사이드N S2' 프로세스의 전이 상태일 수 있다는 것을 보여준다.2019년 리뷰에서는 이러한 '협박한 SArN' 반응이 이전에 [3]가정한 것보다 더 널리 퍼져 있다고 주장한다.

할로겐화 아릴은 전형적인 '백사이드' S2N 반응을 겪을 수 없다.탄소-할로겐 결합은 탄소 원자가 삼각 평면 형상을 가지고 있기 때문에 고리의 평면에 있습니다.백사이드 공격은 차단되므로 [4]이 반응은 불가능합니다.S1N 반응은 가능하지만 매우 바람직하지 않다.그것은 이탈 그룹의 도움 없는 손실과 아릴 양이온의 [4]형성을 수반할 것이다.니트로 그룹은 가장 일반적으로 발생하는 활성화 그룹이며, 다른 그룹은 시아노 및 아실 [5]그룹입니다.이탈 그룹은 할로겐 또는 황화물일 수 있습니다.전기음성도가 증가함에 따라 친핵성 공격에 대한 반응 속도가 증가한다.[5]이는N SAr 반응에 대한 속도 결정 단계가 친핵성 공격과 그에 따른 방향족 시스템 파괴이기 때문입니다. 더 빠른 과정은 이탈 그룹 손실 후 방향족 시스템의 바람직한 개질입니다.따라서 SAr의N 할로겐 이탈기능에 대해서는 F > Cl br Br > I(S2N 반응에서 예상되는 것과 역순서)의 패턴을 알 수 있다.S2N 반응의 관점에서 보면, C-F 결합은 유기 화학에서 가장 강하기 때문에, 불소가 C-F 결합의 극성 때문에 SAr에N 이상적인 이탈 그룹인 경우, 이것은 직관에 반하는 것처럼 보일 것이다.친핵성에는 아민, 알콕사이드, 황화물 및 안정화 카르바니온이 [5]있습니다.

친핵성 방향족 치환 반응

다음은 에렌에 대한 일반적인 치환 반응입니다.

  • 밤버거 배열에서 N-페닐히드록실아민은 4-아미노페놀로 배열된다.친핵은 물이다.
  • 샌드마이어 반응과 가터만 반응 디아조늄 염은 할로겐화물과 반응한다.
  • Smiles 전위는 이 반응 유형의 분자 내 버전입니다.

그러나 친핵성 방향족 치환은 아렌에 국한되지 않고, 헤테로아렌과 함께 훨씬 쉽게 반응한다.피리딘은 특히 방향족 오르토 위치 또는 방향족 파라 위치에 치환되면 질소 위치에서 음전하가 효과적으로 비국재화되기 때문에 반응성이 높다.대표적인 반응으로는 치치바빈 반응(알렉세이 치치바빈, 1914년)이 있는데, 피리딘은 아미드나트륨 등의 알칼리 금속 아미드와 반응하여 2-아미노피리딘을 [6]형성한다.

메타니트로피리딘-4-카르본산메틸기는 120℃[7]에서 DMSO 중 불소화 세슘에 의해 실질적으로 치환된다.

Nucleophilic aromatic substitution at pyridine

비대칭 친핵성 방향족 치환

1,3-디카르보닐 화합물과 같은 탄소 친핵성 물질에서 이 반응은 키랄 [8]분자의 비대칭 합성을 위한 방법으로 입증되었다.2005년에 처음 보고된 유기 촉매(상전달 촉매와 이중 역할)는 신코니딘(N 및 O에서 벤질화됨)에서 유래한다.

Asymmetric nucleophilic aromatic substitution

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ Clayden, Jonathan; Greeves, Nick; Warren, Stuart (2012-03-15). Organic Chemistry (Second ed.). Oxford, New York: Oxford University Press. pp. 514–515. ISBN 978-0-19-927029-3.
  2. ^ Neumann CN, Hooker JM, Ritter T (June 2016). "Concerted nucleophilic aromatic substitution with (19)F(-) and (18)F(-)". Nature. 534 (7607): 369–73. doi:10.1038/nature17667. PMC 4911285. PMID 27281221.
  3. ^ Rohrbach S, Smith AJ, Pang JH, Poole DL, Tuttle T, Chiba S, Murphy JA (November 2019). "Concerted Nucleophilic Aromatic Substitution Reactions". Angewandte Chemie. 58 (46): 16368–16388. doi:10.1002/anie.201902216. PMC 6899550. PMID 30990931.
  4. ^ a b Clayden J. Organic Chemistry. Oxford University Press.
  5. ^ a b c Goldstein SW, Bill A, Dhuguru J, Ghoneim O (September 2017). "Nucleophilic Aromatic Substitution Addition and Identification of an Amine". Journal of Chemical Education. 94 (9): 1388–90. Bibcode:2017JChEd..94.1388G. doi:10.1021/acs.jchemed.6b00680.
  6. ^ March J (1966). Advanced Organic Chemistry, Reactions, Mechanisms and Structure (3rd ed.). ISBN 0-471-85472-7.
  7. ^ Tjosaas F, Fiksdahl A (February 2006). "A simple synthetic route to methyl 3-fluoropyridine-4-carboxylate by nucleophilic aromatic substitution". Molecules (Basel, Switzerland). 11 (2): 130–3. doi:10.3390/11020130. PMC 6148553. PMID 17962783.
  8. ^ Bella M, Kobbelgaard S, Jørgensen KA (March 2005). "Organocatalytic regio- and asymmetric C-selective S(N)Ar reactions-stereoselective synthesis of optically active spiro-pyrrolidone-3,3'-oxoindoles". Journal of the American Chemical Society. 127 (11): 3670–1. doi:10.1021/ja050200g. PMID 15771481.
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