Substituição nucleofílica aromática: efeitos, exemplos - Ciência - 2023

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o substituição nucleofílica aromática (SNAr) é uma reação que ocorre na química orgânica, que consiste no deslocamento de um bom grupo de saída por um nucleófilo que chega. Do ponto de vista de seu mecanismo e aspectos eletrônicos, é o lado oposto da substituição eletrofílica aromática (SEAr).

Geralmente, o grupo de saída é um halogênio, que sai como o ânion haleto X^–. Essa reação só pode ocorrer se o anel aromático (principalmente benzeno) for deficiente em elétrons; isto é, se ele tiver grupos substituintes que retiram elétrons.

A imagem superior descreve o que foi dito no parágrafo anterior. O grupo atrator de elétrons EWG (por sua sigla em inglês: Grupo de retirada de elétrons), ativa o anel aromático para o ataque nucleofílico da espécie negativa Nu^–. Pode-se ver que um intermediário é formado (no centro), a partir do qual o haleto X é liberado ou sai^–.

Observe que, em termos simples, X é substituído por Nu em um anel aromático. Esta reação é muito versátil e necessária na síntese de novos fármacos, bem como nos estudos de química orgânica sintética.

Aspectos gerais

O anel aromático pode ser "carregado" ou "descarregado" com elétrons, dependendo de quais são seus substituintes (aqueles que substituem a ligação C-H original).

Quando esses substituintes podem doar densidade de elétrons ao anel, diz-se que eles o enriquecem com elétrons; se, por outro lado, eles são atratores de densidade eletrônica (o EWG mencionado acima), diz-se que empobrecem o anel de elétrons.

Em qualquer um dos casos, o anel é ativado para uma reação aromática específica, enquanto é desativado para a outra.

Por exemplo, um anel aromático rico em elétrons é considerado ativo para substituição eletrofílica aromática; ou seja, ele pode doar seus elétrons para uma espécie eletrofílica, E⁺. No entanto, ele não doará elétrons para uma espécie Nu^–, uma vez que as cargas negativas se repelem.

Agora, se o anel é pobre em elétrons, não há como entregá-los à espécie E⁺ (SEAr não ocorre); por outro lado, está disposto a aceitar os elétrons da espécie Nu^– (o SNAr é desenvolvido).

Diferenças com substituição eletrofílica aromática

Uma vez que os aspectos gerais de entrada tenham sido esclarecidos, algumas diferenças entre o SNAr e o SEAr podem agora ser listadas:

- O anel aromático atua como um eletrófilo (deficiente em elétrons) e é atacado por um nucleófilo.

- Um grupo de saída X é substituído no anel; não um H⁺

- Carbocações não são formadas, mas intermediários com carga negativa que podem ser deslocalizados por ressonância

- A presença de mais grupos atratores no anel acelera a substituição em vez de desacelerá-la

- Finalmente, esses grupos não exercem efeitos diretivos sobre onde (em qual carbono) a substituição ocorrerá. A substituição sempre ocorrerá no carbono ligado ao grupo de saída X.

O último ponto também é ilustrado na imagem: a ligação C-X se quebra para formar a nova ligação C-Nu.

Edição de efeitos

Do número de substituintes

Naturalmente, quanto mais pobre em elétrons for o anel, mais rápido será o rSNA e menos drásticas serão as condições necessárias para que ele ocorra. Considere o seguinte exemplo representado na imagem abaixo:

Observe que o 4-nitroclorobenzeno (anel azul) requer condições drásticas (alta pressão e temperatura de 350 ºC) para que ocorra a substituição do Cl por OH. Neste caso, o cloro é o grupo de saída (Cl^–), e hidróxido o nucleófilo (OH^–).

Quando o grupo NÃO aparece₂, que é um atrator de elétrons (anel verde), a substituição pode ser realizada a uma temperatura de 150 ° C à pressão ambiente. Conforme o número de grupos NÃO aumenta₂ presentes (anéis roxos e vermelhos), a substituição ocorre em temperaturas mais baixas e mais baixas (100ºC e 30ºC, respectivamente).

Portanto, os grupos NÃO₂ acelera rSNA e priva o anel de elétrons, tornando-o mais suscetível ao ataque de OH^–.

As posições relativas de Cl em relação a NÃO não serão explicadas aqui.₂em 4-nitroclorobenzeno, e como estes alteram a velocidade da reação; por exemplo, as taxas de reação de 2-nitroclorobenzeno e 3-nitroclorobenzeno são diferentes, sendo o último o mais lento em comparação com os outros isômeros.

Do grupo de saída

Retomando o 4-nitroclorobenzeno, sua reação de substituição é mais lenta quando comparada à de sua contraparte fluorada:

A explicação para isso não pode estar em outra variável do que a diferença entre F e Cl. O flúor é um péssimo grupo de saída, uma vez que a ligação C-F é mais difícil de quebrar do que a ligação C-Cl. Portanto, a quebra deste link não é a etapa determinante da velocidade para o SNAr, mas a adição do Nu^– para o anel aromático.

Como o flúor é mais eletronegativo do que o cloro, o átomo de carbono ligado a ele tem uma deficiência eletrônica maior (C^δ+-F^δ-) Consequentemente, o carbono da ligação C-F é muito mais suscetível a ser atacado por Nu^– do que a ligação C-Cl. É por isso que a substituição de F por OH é muito mais rápida do que a de Cl por OH.

Exemplo

Finalmente, um exemplo deste tipo de reações orgânicas é mostrado abaixo na imagem acima. O para-cresol não parece ser um nucleófilo; mas como existe um meio básico, seu grupo OH é desprotonado, deixando-o como um ânion fenóxido, que ataca o 2-metil-4-nitrofluorobenzeno.

Quando esse ataque ocorre, diz-se que o nucleófilo se soma ao eletrófilo (o anel aromático do 2-metil-4-nitrofluorobenzeno). Este passo pode ser visto à direita da imagem, onde o composto intermediário é formado com os dois substituintes pertencentes ao anel.

Quando o para-cresol é adicionado, aparece uma carga negativa que é deslocalizada por ressonância dentro do anel (observe que não é mais aromático).

A imagem mostra apenas a última estrutura de ressonância, a partir da qual o flúor termina como F^–; mas, na realidade, essa carga negativa é deslocalizada mesmo nos átomos de oxigênio do grupo NO₂. Após a etapa de adição, vem a etapa de eliminação, a última, que é quando o produto é finalmente formado.

Comentário final

Grupo NÃO₂ remanescente pode ser reduzido ao grupo NH₂, e a partir daí é possível realizar mais reações de síntese para modificar a molécula final. Isso destaca o potencial sintético do rSNA, e que seu mecanismo também consiste em duas etapas: uma para adição e outra para eliminação.

Atualmente, entretanto, existem evidências experimentais e computacionais de que a reação realmente ocorre de acordo com um mecanismo combinado, onde ambas as etapas ocorrem simultaneamente por meio de um complexo ativado e não de um intermediário.

Referências

Morrison, R. T. e Boyd, R, N. (1987). Quimica Organica. 5ª Edição. Editorial Addison-Wesley Interamericana.
Carey F. (2008). Quimica Organica. (Sexta edição). Mc Graw Hill.
Graham Solomons T.W., Craig B. Fryhle. (2011). Química orgânica. Aminas. (10ª edição). Wiley Plus.
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James Ashenhurst. (6 de setembro de 2019). Substituição Nucleofílica Aromática (NAS). Recuperado de: masterorganicchemistry.com
Chemistry LibreTexts. (5 de junho de 2019). Substituição Nucleofílica Aromática. Recuperado de: chem.libretexts.org