Unidad 1.7.3: Sustitución Electrofílica Aromática SEA- Química Orgánica I USAC Primer Semestre 2017

Transcripción

1 Unidad 1.7.3: Sustitución Electrofílica Aromática SEA- Química Orgánica I USAC Primer Semestre 2017

2 Reacciones de los compuestos aromáticos Los anillos aromáticos son nucleófilos, ya que tienen un sistema deslocalizado de electrones π. Sin embargo, no reaccionan de la misma forma que los alquenos: son menos reactivos que los alquenos frente a los electrófilos y sufren sustitución y no adición. La razón es la estabilidad extra que poseen los compuestos aromáticos, comparada con los alquenos.

3 Resonancia y Aromaticidad

4 Reacción del benceno con un electrófilo Al acercarse un electrófilo, reaccionará con el sistema de electrones, produciendo un carbocatión: Catión benzonio (un catión ciclohexadienilo deslocalizado) Complejo sigma

5 Reacción del benceno con un electrófilo El segundo paso de la reacción consiste en la liberación de un H + y con ello, la restauración del sistema aromático:

6 Los electrones π deslocalizados del sistema aromático reaccionan con un electrófilo En el estado de transición la aromaticidad del sistema se pierde La aromaticidad se recupera al expulsar un protón y obtener el producto de sustitución

7 Diagrama de Perfil de Energía El paso 1 es el determinante de la reacción, altamente endotérmico, lento. El paso 2 es rápido, muy exotérmico. En general, las reacciones SEA son exergónicas.

8 Halogenación Nitración Sulfonación (R puede reordenarse) Alquilación de Friedel- Crafts Acilación de Friedel- Crafts

9 Halogenación La halogenación se limita al uso de Cl 2 y Br 2. El flúor reacciona demasiado rápido como para obtener un producto monfluorado. El yodo es tan poco reactivo que requiere una oxidación previa a I + : Se requiere la presencia de un catalítico ácido de Lewis, como Fe, FeX 3, AlCl 3

10 Halogenación El bromo reacciona con FeBr 3 para formar un complejo que se disocia para formar un Br + y FeBr 4-. Complejo sigma El ion bromonio reacciona con los electrones π para formar el intermediario Se elimina un protón del complejo sigma para dar el producto de sustitución

11 Halogenación: perfil de energía

12 Halogenación en la naturaleza La tiroxina es la hormona involucrada en la regulación del crecimiento y el metabolismo. Es secretada por la glándula tiroides.

13 Nitración Es una reacción que usa una mezcla de ácido nítrico y ácido sulfúrico, ambos concentrados, conocida como mezcla nitrante o mezcla sulfonítrica: nitrobenceno El grupo nitro puede luego ser reducido a amina. Los nitrocompuestos aromáticos son intermediarios útiles en síntesis orgánica.

14 El ácido nítrico es protonado por el ácido sulfúrico, mas fuerte El ácido nítrico protonado se disocia formando el electrófilo que reaccionará con el anillo aromático. Complejo sigma

15 Nitrocompuestos en la naturaleza El 2-nitrofenol es una feromona de las garrapatas. El cloranfenicol, un compuesto bacteriostático de amplio espectro, es producido por Streptomyces venezuelae Ácido 3-nitropropiónico se encuentra en hongos y en plantas (Indigofera). Nitropentadeceno es un compuesto de defensa producido por termitas.

16 Sulfonación El agente reactivo en este caso es trióxido de azufre, por lo que de preferencia se emplea ácido sulfúrico fumante para llevar a cabo la reacción: O O S O O O S O O O S O O O S O Ácido bencensulfónico

17 Este equilibrio produce SO 3 en el ácido sulfúrico concentrado Otras estructuras de resonancia El electrófilo que reacciona con el benceno es el SO 3 Un protón se elimina del complejo sigma para formar el ion bencensulfonato El ion bencensulfonato acepta un protón y se transforma en ácido bencensulfónico

18 Perfil de energía de la reacción de sulfonación

19 Sulfonación La reacción de sulfonación de anillos aromáticos es un equilibrio, es decir, se tratará de una reacción reversible: El producto de sulfonación se ve favorecido por el uso de ácido sulfúrico fumante o concentrado. La desulfonación (eliminación del grupo sulfónico) se ve favorecida por el uso de ácido sulfúrico diluído (alta proporción de agua) o bien por el uso de vapor de agua a través de la mezcla de reacción: el producto desulfonado será destilado por arrastre con el vapor y eliminado de la mezcla, favoreciendo aun mas la reacción de eliminación del grupo sulfónico.

20 Ácidos bencensulfónicos y sus aplicaciones Se puede obtener un polímero del estireno sulfonado, para preparar resinas de intercambio iónico usadas para suavizar aguas duras. Las sales de los ácidos alquilbencensulfónicos se emplean como detergentes.

21 Alquilación de Friedel Crafts La introducción de un grupo o cadena alifática a un anillo aromático se conoce como alquilación. El producto será un areno: un compuesto que tiene tanto una parte alifática como una aromática. El grupo alquilo se obtiene de cualquier compuesto que sea capaz de producir un carbocatión estable.

22 Formación de un complejo Reacción entre un halogenuro de alquilo y el ácido de Lewis El complejo se disocia para formar un carbocatión Otras estructuras de resonancia El carbocatión electrofílico, reacciona con el anillo formando el complejo sigma Un protón se elimina del complejo sigma para formar isopropilbenceno en este caso. Este paso además regenera el catalítico y libera HCl

23 Halogenación de Friedel Crafts Es poco probable que los halogenuros primarios formen carbocationes discretos una vez formado el complejo con el AlCl 3, pero desarrollarán una polarización permanente los suficientemente elevada como para reaccionar como electrófilos: Sin embargo: Halogenuro de arilo Halogenuro de vinilo NO reaccionan

24 Cualquier compuesto que pueda generar un carbocatión puede ser empleado como fuente del grupo alquilo en la reacción de alquilación de Friedel Crafts:

25 Los carbocationes pueden sufrir reordenamientos para dar carbocationes más estables

26 Acilación de Friedel Crafts La introducción de un grupo acilo o acil, R-C=O, a un anillo aromático se conoce con el nombre de acilación. El producto es una cetona.

27 Acilación de Friedel Crafts Los grupos acilo más comúnmente encontrados son los grupos acetilo y benzoilo: Estos grupos pueden provenir de anhídridos de ácido o de halogenuros de ácido (halogenuros de acilo). La reacción necesita de un catalítico ácido de Lewis, normalmente AlCl 3

28 Ion acilio, estabilizado por resonancia El catalítico ácido de Lewis reaccionará con el halogenuro de ácido o con el anhídrido de ácido para formar un complejo, que se disocia para generar el verdadero electrófilo, un ion acilio, que es un híbrido de las dos estructuras de resonancia formadas. Este ion NO sufre ningún tipo de reordenamiento, a diferencia de los carbocationes formados para la alquilación.

29 Otras estructuras de resonancia El ion acilio actúa como electrófilo y reacciona con el benceno para formar el complejo sigma intermediario. Se pierde un protón para regenerar la aromaticidad y se obtiene una cetona. La cetona actúa como una base de Lewis y reacciona con el AlCl 3 (ácido de Lewis) y forma un complejo, inactivando así al catalítico.

30 Ejemplos Cloruro de acetilo Acetofenona (metil fenil cetona) Anhídrido acético Acetofenona

31 Ejemplos: Nuevo enlace C-C Una acilación de Friedel Crafts intramolecular La posibilidad de formar un nuevo anillo en la estructura es una de las ventajas de las acilaciones intramoleculares.

32 Limitaciones de las reacciones de Friedel Crafts Alquilación No es posible usar halogenuros de vinilo o bencilo. Se dan reordenamientos. Se dan polialquilaciones. Acilación Debe añadirse AlCl 3 en cantidad equimolar, no catalítica.

33 Limitaciones de las reacciones de Friedel Crafts No se pueden dar si en el anillo hay grupos como C=O, -NO 2, - CF 3, SO 3 H, - (desactivadores frente a la SEA); -NH-, -OH (reaccionan con el catalítico) Esta limitación es común tanto para alquilaciones como para acilaciones de Friedel y Crafts

34 Aplicación de las reacciones de F&C Si se desea obtener butilbenceno por una reacción de alquilación de F&C se obtendrá una mezcla de productos:

35 Aplicación de las reacciones de F&C Sin embargo, si se emplea la acilación usando cloruro de butanoílo, se obtiene: O Cl + AlCl 3 Fenil propil cetona Un tratamiento de la cetona con un agente reductor como Zn(Hg)/HCl dará el butilbenceno: O O Zn(Hg)/HCl

36 Es posible introducir un grupo alquilo a un anillo aromático por dos rutas diferentes:

37 Efecto de los grupos sustituyentes en el anillo aromático Reacciones de disustitución

38 Qué influencia o efecto tendrá un grupo sustituyente en un anillo aromático frente a una reacción de SEA? La presencia de un grupo sustituyente en un anillo aromático va a afectar el comportamiento del anillo frente a la SEA. Afectará la reactividad (reaccionará más rápido o más lento que un anillo de benceno) Afectará la orientación (la posición relativa que ocupará un segundo grupo sustituyente)

39 Efecto en la velocidad de reacción (reactividad) Grupos que aumentan la velocidad de reacción (relativa al benceno) se denominan grupos activantes o grupos activadores frente a la SEA y aquellos que la disminuyen, serán grupos desactivadores.

40 Grupos activadores frente a la SEA Tienen como característica común el poder dar electrones o densidad electrónica adicional al anillo aromático, ya sea por efecto de resonancia o por efecto inductivo electrón dador. Cualquier grupo con un átomo directamente unido al anillo aromático que posea electrones sin compartir, tendrá un efecto activador frente a la SEA. OCOR Grupos que presentan un efecto electrón dador por resonancia tienen esta estructura general

41 Grupos activadores frente a la SEA Tres estructuras de resonancia colocan una carga (-) en el anillo, en posiciones orto y para respecto al grupo sustituyente.

42 Características de los grupos activadores Donan electrones al anillo, por lo que La nube electrónica del anillo es más rica en electrones, atrayendo al electrófilo. Disminuyen la energía de activación en el paso limitante de la reacción. Estabilizan el carbocatión intermediario (complejo sigma), cuando el ataque se da en posiciones orto y para. Ojo: estos grupos poseen pares de electrones libres sin compartir y pueden acomodar una carga positiva en el átomo directamente unido al anillo aromático.

43 El grupo amino NH 2 y el grupo hidroxilo OH son activadores tan poderosos que las reacciones proceden sin catalizador y hasta la obtención de productos polisustituidos, siempre en las posiciones orto y -para respecto a los grupos activadores. Al añadir una disolución de bromo en agua a fenol o anilina, el reactivo se decolorará y al continuar añadiéndolo, se formará un precipitado de tribromofenol o tribromoanilina, por lo que se emplea comp prueba cualitativa para detectar a estos compuestos.

44 Grupos desactivadores frente a la SEA Tienen como característica común el sustraer electrones o densidad electrónica del anillo aromático, ya sea por efecto de resonancia o por efecto inductivo electrón atractor. Como consecuencia, el anillo es ahora pobre en densidad electrónica y poco atractivo para un electrófilo. Cualquier grupo con un átomo directamente unido al anillo aromático que posea una densidad de carga parcialmente positiva (deficiente en electrones), tendrá un efecto desactivador frente a la SEA.

45 Un grupo con efecto atractor de electrones por resonancia, tendrá esta estructura general. Comparación del efecto de grupos donadores y grupos atractores de electrones por resonancia, sobre la densidad electrónica de un anillo aromático

46 Grupos desactivadores frente a la SEA Tres estructuras de resonancia colocan una carga (+) en el anillo, en las posiciones orto y para respecto al primer grupo sustituyente

47 Efectos en el perfil de energía Un grupo atractor de electrones aumentará la energía de activación necesaria para llegar al intermediario reactivo y también desestabilizará este, haciendo más lenta la reacción. Un grupo donador de electrones disminuirá la energía de activación del paso limitante y estabilizará el intermediario reactivo, haciendo más rápida la reacción.

48 E COMPLEJO SIGMA Mmm.. Anillo aromático

49 Efecto del substituyente H CH 3 OH Cl O N O Efecto Del sustituyente Inductivo Dador (Activante) Resonante Dador (Activante) inductivo Resonante atractor atractor (desactivante) (desactivante)

50 Desactivadores por efecto inductivo y orientadores orto para por estabilización del complejo sigma.

51 Orientación y reactividad La presencia de un grupo en un anillo aromático no solamente afecta la reactividad sino también la orientación de la sustitución, es decir, la posición que ocupará un nuevo grupo en el anillo aromático. Todos los grupos activadores son orientadores ortopara-: hacen más reactivas esas posiciones frente a un electrófilo. Los grupos alquilo son activadores por efectos de hiperconjugación y también son orientadores orto-, -para. Además, el complejo sigma se ve estabilizado por estos grupos

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54 Orientación y reactividad Los grupos desactivadores son meta orientadores, no porque incrementen la estabilidad del intermediario al darse una reacción con el electrófilo en esa posición, sino porque es la que está MENOS desestabilizada.

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56 El caso de los halógenos Los halógenos actúan desactivando el anillo frente a la SEA por efecto inductivo atractor de electrones. Sin embargo, poseen pares de electrones libres sin compartir, que pueden compartir para estabilizar el intermediario reactivo: Los halógenos, entonces, son desactivadores débiles frente a la SEA pero orientadores orto, -para

57 Reacciones de disustitución Al diseñar una síntesis de un producto aromático con dos sustituyentes en el anillo, la secuencia en que vamos a llevar la reacción es de extrema importancia. Recuerde que se debe tomar en cuenta el efecto orientador del grupo que se introduce primero al anillo, así como su efecto sobre la reactividad del anillo.

58 Síntesis de 1-bromo-4-nitrobenceno a partir de benceno Secuencia 1: bromar y después nitrar el benceno Secuencia 2: nitrar y después bromar el benceno La secuencia produce el compuesto deseado Esta secuencia NO produce el compuesto deseado

59 SEA en anillos disustituidos Caso 1: el efecto orientador de los dos grupos se refuerza mutuamente.

60 SEA en anillos disustituidos Caso 2: el efecto orientador de los dos grupos es opuesto; predomina el efecto del grupo activante mas fuerte.

61 SEA en anillos disustituidos Caso 3: los sustituyentes están en posición meta. El impedimento estérico hace que no ocurra sustitución en la posición entre los grupos.

62 Reacción de arenos con KMnO 4 El benceno es inerte frente a soluciones concentradas, alcalinas y calientes de permanganato de potasio. Sin embargo, anillos aromáticos con una parte alifática, sufrirán una reacción de oxidación en la cadena alifática (llamada cadena lateral.) El producto de la oxidación de la cadena lateral será un grupo COO - (porque se trabaja en medio alcalino), así que es un método para obtener ácidos carboxílicos aromáticos.

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64 Referencias Carey. Química Orgánica. 6a. Edición. McGraw-Hill McMurry, J. Química Orgánica. 7a. Edición. Cengage Wade, L. Química Orgánica. 7a. Edición. Pearson Solomons and Frhyle. Organic Chemistry. 9th. Edition. Wiley. 2007