SUBSTITUIÇÃO NUCLEOFÍLICA AROMÁTICA: EFEITOS, EXEMPLOS - QUÍMICA - 2025

A substituição nucleofílica aromática (SNAr) é uma reação que ocorre na química orgânica, que envolve o deslocamento de um bom grupo de saída por um nucleófilo que entra. 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.

Equação geral para uma substituição nucleofílica aromática. Fonte: Sponk

A imagem superior descreve o que foi dito no parágrafo anterior. O grupo atrator de elétrons EWG (por sua sigla em inglês: Electron Withdrawing Group), ativa o anel aromático para o ataque nucleofílico da espécie negativa Nu ^-. Pode-se ver que um intermediário é formado (no centro), 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 em 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 CH 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), então se diz 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, não vai doar elétrons para a Nu ^- espécies, uma vez que as cargas negativas se repelem.

Agora, se o anel é pobre em elétrons, não há como dá-los às espécies E ⁺ (SEAr não ocorre); por outro lado, ele está disponível para aceitar os elétrons do Nu ^- espécie (RSNA 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 CX 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:

Efeitos dos substituintes nas substituições do 4-nitroclorobenzeno. Fonte: Gabriel Bolívar.

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. Nesse caso, o cloro é o grupo de saída (Cl ^-) e o hidróxido, o nucleófilo (OH ^-).

Quando surge o grupo NO ₂, que é um atrator de elétrons (anel verde), a substituição pode ser realizada a uma temperatura de 150 ° C à pressão ambiente. À medida que aumenta o número de grupos de NO ₂ presentes (anéis roxos e vermelhos), a substituição ocorre em temperaturas mais baixas e mais baixas (100ºC e 30ºC, respectivamente).

Portanto, os grupos NO ₂ aceleram o rSNA e privam o anel de elétrons, tornando-o mais suscetível ao ataque do OH ^-.

As posições relativas do Cl em relação ao NO ₂ no 4-nitroclorobenzeno e como estas alteram a velocidade da reação não serão explicadas aqui; 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:

Efeito do grupo de saída nas reações SNAr. Fonte: Gabriel Bolívar.

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 CF é mais difícil de quebrar do que a ligação C-Cl. Portanto, a quebra dessa ligação não é a etapa determinante da velocidade para o rSNA, mas a adição de Nu ^- ao 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-). Conseqüentemente, o carbono da ligação CF é muito mais suscetível a ser atacado por Nu ^- do que o da 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

Substituição eletrofílica aromática de 2-metil-4-nitrofluorobenzeno por para-cresol. Fonte: Gabriel Bolívar.

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, da qual o flúor termina como F ^-; mas, na realidade, essa carga negativa consegue se deslocar até mesmo nos átomos de oxigênio do grupo NO ₂. Após a etapa de adição, vem a etapa de eliminação, a última, que é quando o produto é finalmente formado.

Comentário final

O grupo NO ₂ restante pode ser reduzido ao grupo NH ₂, e a partir daí é possível realizar outras 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, há 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

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