Nukleofiilinen aromaattinen substituutio

Nukleofiilinen aromaattinen substituutio on aromaattisille yhdisteille tapahtuva substituutioreaktio, jossa lähtevä ryhmä korvautuu jollain nukleofiililla. Nukleofiilinen aromaattinen substituutio voi tapahtua usealla eri mekanismilla.
Mekanismit ja reagenssit.
Nukleofiilisellä aromaattisella substituutiolla on lähtöaineesta ja käytettävistä reagensseista riippuen kuusi eri mekanismia. Näitä ovat additio-eliminaatiomekanismi eli SNAr-mekanismi, SN1-mekanismi, bentsyynimekanismi eli eliminaatio-additiomekanismi, siirtymämetallien katalysoimat nukleofiiliset aromaattiset substituutiot, radikaalimekanismi ja mekanismi, jossa lähtevänä ryhmänä on vety (). Näistä tyypillisimmät mekanismit ovat additio-eliminaatiomekanismi ja SN1-reaktio.
Additio-eliminaatiomekanismi.
Additio-eilminaatiomekanismi eli SNAr-mekanismi on yleisin nukleofiilisen aromaattisen substituution mekanismityypeistä. Reaktiossa aromaattiseen renkaaseen on liittynyt lähtevä ryhmä, joka tyypillisimmin on jokin halogeeneista, ja reaktiivisimpia ovat fluori ja kloori. Reaktion tapahtumisen edellytyksenä on, että lähtevään ryhmään nähden orto- tai para-asemassa sijaitsee elektroneja voimakkaasti puoleensa vetävä ryhmä kuten nitroryhmä, karbonyyliryhmä, syanoryhmä, fluori tai trifluorimetyyliryhmä. Nukleofiileina reaktioissa käytetään useimmiten happi-, rikki- tai typpinukleofiileja, kuten alkoholeja, alkoksideja, sulfideja, tioleja, amiineja tai syanideja. Additio-eliminaatioreaktion ensimmäinen ja reaktionopeutta rajoittava vaihe on nukleofiilisen reagenssin additio samaan aromaattisen yhdisteen hiileen, johon lähtevä ryhmä on sitoutunut. Tämä vaihe on hidas, koska muodostuva siirtymätila ei ole aromaattinen ja negatiivinen varaus on lokalisoitunut orto- ja para-asemiin. Näihin asemiin liittyneet elektroneja puoleensa vetävät ryhmät auttavat stabiloimaan varausta. Mekanismin seuraavassa vaiheessa renkaan ja lähtevän ryhmän välinen sidos katkeaa ja aromaattisuus palautuu.
Reaktio tapahtuu aromaattisista halogenideista nopeimmin fluorideille, koska fluori on halogeeneista elektronegatiivisin, mikä nopeuttaa additiovaihetta mekanismissa.
SN1-mekanismi.
Aromaattisille diatsoniumsuoloille nukleofiilinen aromaattinen substituutio tapahtuu SN1-mekanismin mukaisesti. Lämmitettäessä diatsoryhmän ja aromaattisen renkaan välinen sidos katkeaa, jolloin muodostuu aromaattinen karbokationi fenyylikationi. Fenyylikationi on tasomainen ja sillä on tyhjä p-orbitaali, joka reagoi nukleofiilien, esimerkiksi halogenidien tai hydroksidi-ionin kanssa.
Bentsyynimekanismi.
Bentsyynimekanismi eli eliminaatio-additiomekanismi voi tapahtua hyvin emäksisissä olosuhteissa myös stabiloimattomille aryylihalogenideille. Reaktiossa käytetään erittäin vahvaa emästä, tyypillisesti natriumamidin ammoniakkiliuosta tai alkoksidia, joka reaktion ensimmäisessä vaiheessa poistaa halogeeniatomiin nähden orto-asemassa sijaitsevan protonin. Näin muodostuvasta karbokationista eliminoituu lähtevä ryhmä ja muodostuu bentsyyni tai bentsyynijohdannainen. Bentsyyni reagoi helposti nukleofiilien kanssa. Riippuen bentseenirenkaaseen liittyneestä muiden ryhmien aiheuttamista steerisestä esteestä tai elektronisista vaikutuksista nukleofiili voi sitoutua joko lähtevän ryhmän tai eliminoidun protonin paikalle.
Siirtymämetallien katalysoimat nukleofiiliset aromaattiset substituutiot.
Monet siirtymämetallit katalysoivat nukleofiilisiä aromaattisia substituutioreaktioita ja käytetyimpiä ovat kuparin yhdisteet. Nukleofiilina reaktiossa voivat toimia esimerkiksi amiinit, alkoksidit, karboksylaatit ja tiolaatit. Mekanismissa kupari korvaa halidin aromaattisesta yhdisteestä hapettavalla additiolla, ja muodostuva aryylikupariyhdiste hajoaa pelkistävällä eliminaatiolla, jolloin muodostuu kuparin halogenidi ja aromaattinen yhdiste, jossa lähtevänä ryhmänä toimiva halogenidi on korvautunut nukleofiililla.
Nukleofiilinen aromaattinen radikaalisubstituutio.
Viides mahdollinen nukleofiilisen aromaattisen substituution tyyppi on radikaalisubstituutio eli SNR1-reaktio. Tämä tapahtuu erityisesti aromaattisille jodideille. Reaktio tapahtuu emäksisissä olosuhteissa tyypillisimmin ammoniakin ja alkalimetalliamidien läsnä ollessa. Reaktioseosta säteilytetään, jolloin muodostuu aromaattinen halogeeniatomin sisältävä radikaalianioni, joka hajoaa halogenidiksi ja fenyyliradikaaliksi. Fenyyliradikaali vastaanottaa elektronin nukleofiililta, jolloin muodostuu uusi radikaali, jossa lähtevä ryhmä on korvautunut nukleofiililla. Tämä radikaali terminoituu reagoimalla aryylihalogenidin kanssa, jolloin muodostuu aryylihalogenidiradikaali ja aromaattinen yhdiste. Tässä reaktiossa nukleofiileina voidaan käyttää muun muassa enolaatteja.