SUSTITUCIÓN ELECTROFÍLICA AROMÁTICA
1.- BENCENO C 6 H 6 Kekule Problema: El benceno es mucho más estable que lo que cabría esperar de la estructura propuesta por Kekule La hidrogenación del benceno libera mucha menos energía que la esperable
El benceno presenta una gran estabilidad química y propiedades diferentes a la sustancias con estructuras semejantes sustituciones adiciones
Sustitución electrofílica aromática. A pesar de que los electrones pi del benceno se encuentran en un sistema aromático estable, están disponibles para atacar a un electrófilo fuerte y dar lugar a un carbocatión. Este carbocatión estabilizado por resonancia se denomina complejo sigma debido a que el electrófilo se une al anillo del benceno mediante un nuevo enlace sigma. La reacción es endotérmica porque el benceno pierde aromaticidad cuando ataca a un electrófilo. La aromaticidad se vuelve a recuperar mediante la pérdida de un protón. La reacción global le da el nombre de sustitución electrofílica aromática.
Sustitución electrofílica aromática. La reacción global es la sustitución de un protón (H + ) del anillo aromático por un electrófilo (E + ): sustitución electrofílica aromática. (SEA) El primer paso del mecanismo es el ataque en el electrófilo para formar el complejo sigma. La formación del complejo va seguida de la pérdida de un protón para dar el producto de sustitución.
5.- SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA A pesar de su estabilidad excepcional, el benceno y los compuestos aromáticos están lejos de ser inertes
Bromación del benceno. La bromación sigue el mecanismo general de la sustitución aromática electrofílica. El bromo no es suficientemente electrofílico para reaccionar con el benceno, pero un ácido de Lewis fuerte, como el FeBr 3, cataliza la reacción. El primer paso del mecanismo es la formación de un electrófilo más fuerte. El catalizador reacciona con el Br2 para formar un electrófilo fuerte. El ataque del benceno en el electrófilo y la pérdida de protones da bromobenceno como producto mayoritario.
Bromación del benceno.
Diagrama de energía de la bromación del benceno El diagrama de energía de la bromación del benceno muestra que el primer paso es endotérmico y el segundo paso es fuertemente exotérmico. La reacción global es exotérmica, pero el ataque del electrófilo es el paso limitante de la velocidad porque el anillo pierde su aromaticidad.
En el caso del cloro el diagrama de energía de la reacción es el siguiente:
El balance termodinámico de la reacción depende del halógeno que empleemos: Halógeno DHº Comentario F 2-114 Sin catalizador. Explosiva! Cl 2-30 No transcurre sin catálisis (FeCl 3 ) Br 2-12 No transcurre sin catálisis (FeBr 3 ) I 2 +11 No tiene lugar normalmente. Se necesita un oxidante (HNO 3 ) que transforme el I 2 en 2I +. Enlace DHº (kcal/mol) Cl-Cl 58 Cl-C 6 H 5 96 H-C 6 H 5 111 H-Cl 103 DHº = (DHº) Cl-Cl + (DHº) H-C6H5 -[(DHº) H-Cl + (DHº) ClC6H5 ] = = 58 + 111 - (103 +96) = -30 kcal/mol Las reacciones de S E Ar suelen ser favorables termodinámicamente.
Nitración del benceno. El mecanismo es similar a las deshidrataciones catalizadas por ácido sulfúrico. El ácido sulfúrico protona el grupo hidroxilo del ácido nítrico, haciendo que se desprenda una molécula de agua y formando un ión nitronio. El ácido nítrico no es el electrófilo, es un ión nitronio formado por la protonación y la deshidratación de HNO 3 por H 2 SO 4. La especie atacada por el benceno es el ión nitronio. La pérdida de un protón por parte del complejo sigma produce nitrobenceno.
Sulfonación del benceno La sulfonación requiere el concurso del trióxido de azufre, que se protona en presencia del ácido sulfúrico y se "activa", dando lugar a un electrófilo más potente. La reacción de sulfonación es reversible. El grupo sulfónico puede introducirse y, en una reacción posterior, eliminarse. Esto puede permitir el bloqueo momentáneo de una posición del benceno en una secuencia de síntesis.
Reacción de desulfonación. La sulfonación es reversible, el grupo del ácido sulfónico puede ser eliminado de un anillo aromático mediante el calentamiento en ácido sulfúrico diluido. En la desulfonación, un protón se añade al anillo (el electrófilo) y la pérdida de trióxido de azufre vuelve a dar lugar al benceno.
Alquilación de Friedel-Crafts. Los carbocationes quizás son los más importantes para las sustituciones en los anillos aromáticos, debido a que estas sustituciones forman un nuevo enlace carbono-carbono. La adición de grupos alquilo a un anillo de benceno se llama alquilación Friedel-Craft. Un ácido de Lewis se utiliza como un catalizador para generar el carbocatión a partir del haluro de alquilo (secundario o terciario) o para activar el haluro de alquilo (primario o haluro de metilo) hacia el ataque nucleofílico.
Alquilación de Friedel-Crafts. Las alquilaciones de Friedel-Crafts se utilizan con una gran variedad de haluros de alquilo primarios, secundarios y terciarios. Con los haluros secundarios y terciarios, el electrófilo reaccionante es el carbocatión El tricloruro de aluminio reacciona con el haluro de alquilo para formar un carbocatión terciario. El catión reacciona con el benceno y, después de perder un protón, dará t-butilbenceno a un rendimiento del 90 por ciento Con los haluros de alquilo primarios, el carbocatión primario es demasiado inestable. El electrófilo real es un complejo de cloruro de aluminio con haluro de alquilo. En este complejo, el enlace carbono-halógeno es débil (como indican las líneas de puntos) y hay una carga positiva considerable en el átomo de carbono
Alquilación de Friedel-Crafts con haluros de alquilo primarios. El anillo de benceno ataca el carbono activado del haluro de alquilo, desplazando una molécula de tetracloruro de aluminio. Uno de los cloruros del catalizador abstraerá un protón del complejo sigma, formando HCl y restaurando la aromaticidad.
Reordenamientos del carbocatión durante la alquilación Friedel-Crafts. La alquilación Friedel-Crafts es susceptible a los reordenamientos del carbocatión. Como resultado, sólo se pueden producir algunos alquibencenos usando la alquilación Friedel-Crafts. La reacción que tienen intermediarios de carbocatión sufre de posibles reordenamientos del carbocatión para formar carbocationes más estables.
Alquilación de Friedel-Crafts.
A partir de haluros de alquilo: Los carbocationes pueden generarse de varias formas: A partir de alcoholes: A partir de olefinas:
Problemas de la alquilación de Friedel-Crafts Transposición de carbocationes: El 1-bromopropano reacciona con el tricloruro de aluminio para dar un carbocatión 1º, muy inestable, que sufre transposición hacia el 2º, menos inestable, que es el que finalmente reacciona, dando el 2-fenilpropano, en vez del 1- fenilpropano Polialquilación: La introducción de un grupo alquilo en un anillo aromático hace que la densidad electrónica de éste aumente, ya que el resto alquilo es dador de electrones. Esto hace que el derivado alquilado sea más reactivo que el benceno, suponiendo una seria competencia para él. Por tanto, a medida que la reacción progresa y aumenta la cantidad de alquilbenceno, la probabilidad de obtener compuestos polialquilados aumenta, siendo éstos un subproducto importante de la reacción.
Acilación de Friedel-Crafts. En presencia de cloruro de aluminio, un cloruro de acilo reacciona con benceno (o con un derivado activado del benceno) para dar lugar a una fenilcetona o acilbenceno Esta reacción es análoga a la alquilación, pero el producto es la fenilcetona
Acilación del benceno (Friedel-Crafts) Si el carbocatión se genera a partir de un haluro de ácido o de un anhídrido, la reacción da lugar a una alquil fenil cetona.
Tanto la alquilación como la acilación de Friedel-Crafts no ocurre en anillos aromáticos desactivados.
5.3- SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA DE LOS DERIVADOS DEL BENCENO ASPECTOS A TENER EN CUENTA EN LA SUSTITUCIÓN DE DERIVADOS DEL BENCENO REACTIVIDAD Cómo es de rápida la reacción comparada con el benceno? ORIENTACIÓN En qué posición entra el grupo sustituyente? Resultado dependerá de la capacidad del grupo unido al benceno para estabilizar la carga positiva que se forma en el ión bencenonio Efecto inductivo Efecto resonante
Estabilizan la carga positiva del ión bencenonio Inestabilizan la carga positiva del ión bencenonio Mecanismos por los que se toma o cede carga del anillo Efecto inductivo Relacionado con la electronegatividad Efecto resonante Relacionado con la posibilidad de compartir carga de grupos con electrones desapareados o con sistemas π
Los grupos capaces de estabilizar la carga positiva orientarán la sustitución a orto y para. Los grupos incapaces de estabilizar la carga positiva orientarán la sustitución a meta para interaccionar lo menos posible con ella. Los grupos electronegativos desactivan el anillo frente a la SEAr y la dificultan. Los grupos dadores de electrones activan el anillo frente a la SEAr y la favorecen (a veces, demasiado ). El nuevo grupo funcional puede introducirse en orto, meta o para con respecto del ya existente (R). En el ion bencenonio intermedio, el grupo R interaccionará o no directamente con la carga positiva que se desarrolla. El que esta interacción sea favorable o desfavorable condicionará la regioquímica de la reacción.
Y en C 6 H 5 Y Reacción % Orto-Producto % Meta-Producto % Para-Producto O CH 3 Nitración 30 40 0 2 60 70 O CH 3 F-C Acilación 5 10 0 5 90 95 NO 2 Nitración 5 8 90 95 0 5 CH 3 Nitración 55 65 1 5 35 45 CH 3 Sulfonación 30 35 5 10 60 65 CH 3 F-C Acilación 10 15 2 8 85 90 Br Nitración 35 45 0 4 55 65 Br Cloración 40 45 5 10 50 60 Sustituyentes Activantes orto y para-orientación O ( ) OH OR OC 6 H 5 OCOCH 3 NH 2 NR 2 NHCOCH 3 R C 6 H 5 Sustituyentes Desactivantes meta-orientación NO 2 NR 3 (+) PR 3 (+) SR 2 (+) SO 3 H SO 2 R CO 2 H CO 2 R CONH 2 CHO COR CN Sustituyentes Desactivantes orto y para-orientación F Cl Br I CH 2 Cl CH=CHNO 2
Nitración del tolueno. El tolueno reacciona unas 25 veces más deprisa que el benceno en las mismas condiciones. Se dice que el tolueno está activado para la sustitución electrofílica aromática y que el grupo metilo es un grupo activante. La nitración del tolueno da tres productos: o-nitrotolueno (60 por ciento), m-nitrotolueno (4 por ciento) y p-nitrotolueno (36 por ciento).
Ataques orto, para y meta del tolueno. En la sustitución orto o para del tolueno, la carga positiva se reparte entre dos átomos de carbono secundarios y un átomo de carbono terciario (3º) (el que soporta el grupo CH 3 ). El complejo sigma para la sustitución meta tiene la carga positiva repartida entre tres carbonos secundarios. Los ataques orto y para son los preferidos ya que sus estructuras de resonancia incluyen un carbocatión terciario, mientras que todas las estructuras de resonancia del ataque meta sólo tienen carbocationes secundarios.
Diagrama de energía de la nitración del benceno y del tolueno. El grupo metilo del tolueno es donador de electrones y estabiliza el complejo sigma intermedio, así como el estado de transición limitante de velocidad que conduce a su formación. Este efecto estabilizante es grande cuando está situado en posición orto o para respecto a la sustitución Los carbocationes estabilizados tienen menor energía que los estabilizados, por lo que el ataque orto y para del tolueno es inferior en energía que el ataque meta. El complejo sigma para la nitración del benceno es superior en energía que para el tolueno.
Sustitución aromática electrofílica del metoxibenceno. Las formas de resonancia indican que el grupo metoxilo estabiliza de forma efectiva el complejo sigma si la posición de sustitución es orto o para, pero no en el caso de que la posición sea meta. La estabilización por resonancia se debe al enlace pi entre el sustituyente -OCH 3 y el anillo. El par no enlazante de electrones en el heteroátomo puede deslocalizar más adelante la carga positiva del carbocatión, haciendo que las sustituciones orto y para sean especialmente estables.
Sustitución aromática electrofílica del metoxibenceno.
Mecanismo de los directores a orto-para -Activantes La anilina está tan activada que su bromación se produce sin necesidad de catalizador
Bromación de la anilina. Igual que el grupo alcoxilo, un átomo de nitrógeno con un par de electrones no enlazantes es un grupo activante poderoso. Por ejemplo, la anilina experimenta una bromación rápida (sin catalizador) con agua de bromo para dar lugar al tribromuro. Los electrones no enlazantes del nitrógeno proporcionan estabilización por resonancia al complejo sigma si el ataque se produce en la posición orto o para del átomo de nitrógeno. Cuanto más activado esté el anillo, más sencillas resultan las sustituciones aromáticas electrofílicas. Sin embargo, las polisustituciones también aumentarán con la sustitución
La anilina reacciona más rápidamente que el benceno. Por tanto, sus caminos de reacción tienen energías de activación menores que él. La posición meta es la menos reactiva y tiene una energía de activación alta porque los iones bencenonio orto y para están estabilizados gracias al concurso del par de electrones no compartido del nitrógeno. La orientación es orto-para porque los iones bencenonio correspondientes están estabilizados por resonancia con el par solitario del nitrógeno
Activadores orto y paraorientadores. Cualquier sustituyente con un par de electrones solitario en el átomo enlazado al anillo puede proporcionar estabilización por resonancia al complejo sigma Los sustituyentes activadores son aquellos que pueden proporcionar un par solitario de electrones para estabilizar el carbocatión en el anillo. Las sustituciones electrofílicas con estos tipos de sustituyentes tienden a ser orto y para por lo que reciben el nombre de orientadores orto/para
Sustituyentes meta-orientadores. El nitrobenceno es unas 100.000 veces menos reactivo que el benceno respecto a la sustitución electrofílica aromática. Por ejemplo, la nitración del nitrobenceno requiere ácidos nítrico y sulfúrico concentrados, y una temperatura superior a 100ºC; la nitración es lenta, dando lugar al isómero meta como producto mayoritario. Los grupos sustractores de electrones desactivan el anillo y orientan cualquier grupo entrante hacia la posición meta.
Ataque orto, meta y para del nitrobenceno. En la sustitución orto y para, uno de los átomos de carbono que soporta esta carga positiva es el carbono que va enlazado al átomo de nitrógeno cargado positivamente del grupo nitro. Como las cargas del mismo signo se repelen, esta proximidad de las dos cargas es una situación muy inestable. Las estructuras de resonancia meta no tienen las dos cargas positivas juntas, por lo que es un complejo sigma más estable
Diagrama de energía para la sustitución del nitrobenceno. El nitrobenceno está desactivado respecto a la sustitución electrofílica aromática en cualquier posición, pero la desactivación es más fuerte en las posiciones orto y para. La reacción se produce en posición meta, pero es más lenta que la reacción del benceno. El grupo nitro desactiva el anillo hacia la sustitución, de manera que las reacciones tardan más incluso bajo condiciones fuertes
Diagrama de energía para la sustitución del nitrobenceno.
Desactivadores metaorientadores.
Mecanismo de los directores a meta - Desactivantes Los grupos directores meta son siempre desactivantes porque disminuyen la densidad de carga en el anillo aromático IMPORTANTE: Un grupo director meta desactiva todas las posiciones del anillo pero, especialmente, las orto y para, que son las posiciones con menor densidad electrónica. Por ello dirigen a meta
La bromación del nitrobenceno, mucho más difícil que la del benceno, se da en la posición menos desfavorable, la meta, como lo muestran las formas resonantes del ion bencenonio intermedio.
Todos los caminos de la S E Ar del nitrobenceno son más altos en energía que los del benceno porque el grupo nitro desactiva todo el anillo. El camino que conduce al isómero meta, aún siendo más costoso que el del benceno, es el menos desfavorable de los tres.
Diagrama de energía de las sustituciones electrofílicas en el clorobenceno. Las reacciones del clorobenceno requieren las energías más altas, sobre todo para el ataque en la posición meta. A pesar de que los halógenos son grupos desactivantes, el diagrama de energía del clorobenceno muestra que son orto/para orientadores. La electronegatividad de los halógenos desactivará el anillo, pero los pares no enlazantes de electrones estabilizarán los carbocationes producidos durante los ataques orto y para.
Mecanismo de los directores a orto-para - Desactivantes débiles La mayor electronegatividad de los halógenos retira algo de carga del anillo aromático y esto dificulta ligeramente la S E Ar. Sin embargo, una vez producida la reacción, los pares de electrones no compartidos que poseen los halógenos son capaces de deslocalizar la carga positiva del ión bencenonio estabilizándolo. Por ello dirigen la SEAr a orto-para. El Cl estabiliza la carga + una vez producida El Cl estabiliza la carga + una vez producida El Cl no puede interaccionar con la carga + y no la estabilza adicionalmente
Efectos orientadores de los sustituyentes. Los activadores son orto, para-directores y los desactivadores son meta- directores, excepto en el caso de los halógenos. Los grupos más activantes son aquellos con electrones no enlazantes como -OH, - NH 2, y -OR. Los desactivadores son grupos sustractores de electrones que tienen un átomo cargado positivamente directamente adherido al anillo. Los halógenos son la excepción porque a pesar de que desactivan el anillo, son orto, para-directores.
Efecto de múltiples sustituyentes sobre la sustitución electrofílica aromática. Cuando hay dos o más sustituyentes, éstos ejercen un efecto combinado en la reactividad del anillo aromático. Si los grupos se refuerzan entre sí, el resultado es fácil de predecir En el caso del m-xileno, ambos grupos metilo son orto, paradirectores, por lo que ambos dirigirán los grupos entrantes a los mismos carbonos. Las posiciones estéricamente impedidas no reaccionarán. En el caso del p-nitrotolueno, el metilo dirigirá el orto mientras que el nitro dirigirá el meta. En estos compuestos ambos grupos se dirigen a las mismas posiciones, por lo que sólo se obtendrá un producto.
Efectos contrarios de los sustituyentes. Cuando los efectos directores de dos o más sustituyentes son contrarios, es más difícil predecir dónde reaccionará el electrófilo. En muchos casos, se obtienen mezclas de productos; por ejemplo, el o-xileno está activado en todas las posiciones, por lo que da lugar a mezclas de productos de sustitución En la nitración del o-xileno, los grupos metilo dirigen a distintas posiciones orto y para. Hay dos posiciones diferentes en el compuesto con las que puede reaccionar el electrófilo. Se obtendrá una mezcla de sustituciones en ambos lados.
5.4- SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA DE LOS POLIDERIVADOS DEL BENCENO Si dos sustituyentes orientan a la misma posición, esa será la que se sustituya: Si dos sutituyentes tienen en conflicto sus efectos directores, el grupo más activante será el que gane la partida:
Si existen dos sustituyentes desactivantes, independientemente de su posición, la tercera sustitución puede ser muy difícil o imposible: Si dos grupos están en disposición relativa meta, la tercera sustitución no tiene lugar en la posición que queda entre ellos puesto que es la más impedida estéricamente:
5.4- SÍNTESIS DE DERIVADOS DEL BENCENO Los bencenos polisustituídos han de ser creados mediante una secuencia de sustituciones electrófilas cuidadosamente planeadas. Hay que tener en cuenta las propiedades de orientación y activación de los grupos que se van introduciendo. En una secuencia de síntesis el orden de factores SÍ puede afectar el producto. TRUCO 1: Unos grupos funcionales pueden transformarse en otros, con lo que sus propiedades de orientación y activación pueden cambiarse: Conversión de un grupo NO 2, orientador meta, en NH 2 orientador orto-para y viceversa Orientador meta Orientador orto-para Conversión de un grupo cetona, orientador meta, en grupo alquilo orientador ortopara.
TRUCO 2: La sulfonación reversible permite el bloqueo de la posición para y, por tanto, la síntesis eficiente de bencenos orto-sustituídos: TRUCO 3: Transformación del grupo NH 2 en sal de diazonio: Cómo se puede sintetizar el 1,4- dinitrobenceno? Dos nitraciones consecutivas dan lugar al isómero 1,3 porque el grupo NO 2 orienta meta.
Cómo se puede alquilar un benceno sin que se produzcan transposiciones? La introducción de un grupo alquilo lineal no puede realizarse por alquilación directa. La acilación de Friedel-Crafts se produce sin transposiciones. La reacción del benceno con el cloruro de propanoilo, catalizada con un ácido de Lewis, rinde la etil fenil cetona cuya reducción mediante amalgama de zinc en medio ácido conduce al n-propilbenceno. La preparación de este compuesto no es posible por alquilación directa con 1-cloropropano porque la transposición del carbocatión intermedio da lugar al isopropilbenceno:
Son equivalentes los procesos a derecha e izquierda? Altera el producto el orden de factores? Los electrófilos de Friedel-Crafts no atacan a compuestos aromáticos muy desactivados. Por tanto, introducir el grupo nitro primero es un error porque la acilación de Friedel-Crafts no tiene lugar sobre el nitrobenceno. BIEN MAL
Dr. Carlos Antonio Rius Alonso Depto. de Química Orgánica Facultad de Química UNAM septiembre 2007