TEMA 12.- Sustitución electrofílica aromática. Naturaleza y mecanismo de la reacción. Efecto de los sustituyentes sobre la reactividad y la orientación. Hidrocarburos condensados. Reacciones de Sustitución Electrofílica Aromática (S E Ar) Nitración Sulfonación Halogenación: Bromación y Cloración Alquilación de Friedel-Crafts Acilación de Friedel-Crafts Mecanismo de la Sustitución Electrofílica Aromática 1
Diagrama de energía de la S E Ar El 1 er paso es endotérmico y el segundo exotérmico. La reacción global es exotérmica. Nitración El benceno reacciona con ácido nítrico concentrado y caliente dando nitrobenceno. La reacción presenta dos inconvenientes: es lenta y además el ácido nítrico concentrado y caliente puede oxidar cualquier compuesto orgánico. Un procedimiento más seguro consiste en emplear una mezcla de ácido nítrico y ácido sulfúrico. El ácido sulfúrico actúa como catalizador, permitiendo que la reacción se lleve a cabo más rápidamente y a menores temperaturas. El ácido sulfúrico reacciona con el ácido nítrico generando el ion nitronio (NO 2 + ), que es el electrófilo de la reacción de sustitución electrofílica aromática. 2
Sulfonación La sulfonación de anillos aromáticos proporciona ácidos arilsulfónicos, se lleva a cabo empleando ácido sulfúrico fumante, disolución al 7% de trióxido de azufre (SO 3 ) en H 2 SO 4. El SO 3 es un electrófilo fuerte, puesto que los tres enlaces sulfonilo (S=O) atraen la densidad electrónica y la retiran del átomo de azufre. A continuación, se indican las estructuras resonantes del SO 3. 3
Mecanismo de la reacción de sulfonación El benceno ataca al SO 3 formando el complejo sigma. La pérdida de un protón produce el ácido bencenosulfónico. La reacción de sulfonación es reversible y el grupo SO 3 H se puede eliminar calentando el ácido bencenosulfónico en ácido sulfúrico diluido. Halogenación Bromación Como el bromo no es suficientemente electrofílico, la reacción se lleva a cabo en presencia de cantidades catalíticas de FeBr 3. Uno de los átomos de bromo de la molécula Br 2 interacciona con el átomo de hierro del FeBr 3 de forma que uno de los pares electrónicos libres del átomo de bromo llena un orbital vacio del hierro. Esta interacción ácido-base de Lewis genera un intermedio reactivo porque el enlace Br-Br se ha debilitado como consecuencia de la polarización del enlace. De hecho sobre uno de los átomos de bromo existe una carga parcial positiva. 4
La cloración del benceno se lleva a cabo de modo parecido a la bromación, empleando como ácido de Lewis el AlCl 3. 5
La reacción de alquilación de Friedel-Crafts Los carbocationes son electrófilos muy interesantes desde el punto de vista sintético porque la reacción S E Ar con estos reactivos forma un nuevo enlace carbono-carbono. Friedel y Crafts estudiaron, en 1877, las reacciones de los carbocationes con los compuestos aromáticos: El benceno reaccionaba con halogenuros de alquilo, en presencia de ácidos de Lewis como el tricloruro de aluminio (AlCl 3 ) o el cloruro férrico (FeCl 3 ), para dar alquilbencenos. Catalizadores: AlCl 3, FeCl 3, AlBr 3, BF 3, H 2 SO 4, H 3 PO 4, HF, etc. Mecanismo de la reacción de alquilación de Friedel-Crafts 6
Limitaciones de la alquilación de Friedel y Crafts: Sólo pueden realizarse con rendimiento adecuado sobre anillos activados Se obtienen frecuentemente productos procedentes de una reacción de transposición A menudo se obtienen subproductos derivados de polisustitución Reacción de acilación de Friedel-Crafts 1º. Formación del intermedio electrofílico El mecanismo de la reacción de acilación se asemeja al de la reacción de alquilación. El primer lugar, el cloruro de ácido reacciona con el catalizador AlCl 3 formando un intermedio ácido-base de Lewis, que se rompe heterolíticamente para formar un catión acilo estabilizado por resonancia. 7
Ventajas de la acilación: El producto de la reacción de acilación está desactivado en relación con el benceno. La reacción de acilación se detiene después de una sustitución No hay productos de transposición (los carbocationes acilio no se transponen) 8
Reactividad y orientación de la S E Ar Derivados del benceno REACTIVIDAD Cómo es de rápida la reacción comparada con el benceno? ORIENTACIÓN En qué posición entra el grupo sustituyente? CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 orto meta para orto meta 2 posiciones ORTO 2 posiciones META 1 posición PARA depende de la capacidad del grupo unido al benceno para estabilizar el intermedio de reacción (efecto inductivo, efecto resonante) Factores que influyen en la Orientación y la Reactividad (Activantes o Desactivantes) de la Sustitución Electrofílica Aromática Efecto inductivo Relacionado con la electronegatividad (polaridad del enlace) Efecto resonante Relacionado con la posibilidad de compartir carga de grupos con electrones desapareados o con sistemas π (formas resonantes) 9
I R + I R + I R + I R + I R + I + I R I 10
DIRECCIÓN orto-para I R + GRUPO -NH 2, -NHR, -NR 2 -OH, OR ACTIVACIÓN Activantes fuertes orto-para I R + -NHCOR -OCOR Alquenos Activantes moderados orto-para I + -R (alquilo) -fenilo Activantes débiles orto-para I R + Meta I I R -F, -Cl, -Br, -I -CX 3 (X = F, Cl, etc.) -COOH, -COOR, -COR, -COH - SO 3 H; -NO 2 ; -NR + 3, -CN Desactivante débiles Desactivantes fuertes Grupos con efecto (GLOBAL, I y R) donador de electrones estabilizan la carga positiva del ión bencenonio, y proporcionan más densidad electrónica (NUCLEOFILIA) al anillo aromático Grupos con efecto (GLOBAL, I y R) atractor de electrones inestabilizan la carga positiva del ión bencenonio y reducen la densidad electrónica (aumenta la ELECTROFILIA) del anillo aromático. 11
La nitración del tolueno da una mezcla de productos, en la que los mayoritarios son los que resultan de la sustitución en las posiciones orto y para. Se dice que el grupo metilo del tolueno es orto y para dirigente. MÁS ESTABLES 12
Orientación en compuestos aromáticos con sustituyentes donadores π La reacción de nitración del anisol (metoxibenceno) es 10.000 veces más rápida que la del benceno y unas 400 veces más rápida que la del tolueno. Además, los productos de la reacción son los que resultan mayoritariamente del ataque del electrófilo en las posiciones orto y para. Este resultado parecerá extraño porque el oxígeno es un átomo muy electronegativo y sin embargo es capaz de ceder densidad electrónica para estabilizar el estado de transición y por tanto el complejo sigma. Esto ocurre porque los electrones no enlazantes del átomo de oxígeno adyacente a un carbocatión estabilizan la carga positiva mediante resonancia. 13
El grupo amino El átomo de nitrógeno contiene un par de electrones no enlazantes y puede estabilizar el catión ciclohexadienilo, y el estado de transición asociado, mediante resonancia. La anilina se puede bromar con un exceso de bromo en agua, sin necesidad de catalizador, para formar el correspondiente compuesto tribromado. La reacción se efectúa en presencia de NaHCO 3 para neutralizar al HBr que genera la reacción y evitar de este modo la protonación del grupo amino, que es básico. Los electrones no enlazantes del nitrógeno estabilizan al complejo sigma si el ataque se lleva a cabo en las posiciones orto y para. 14
Sustituyentes desactivantes, directores meta Las reacciones de Sustitución Electrofílica Aromática del nitrobenceno son 100.000 veces más lentas que las del benceno. El producto mayoritario del proceso es el isómero meta. 15
Estructuras resonantes en la reacción S E Ar de la acetofenona Sustituyentes halogenados: grupos desactivantes y orto/para dirigentes Los halógenos son grupos desactivantes pero sin embargo dirigen el ataque del electrófilo a las posiciones orto y para. Esta aparente contradicción se explica porque: a) Los halógenos son muy electronegativos y por tanto el enlace carbono halógenoestá muy polarizado, de manera que el carbono soporta la parte positiva del dipolo. Esta polarización provoca una disminución de la densidad electrónica del anillo aromático y por tanto una disminución de la velocidad de la reacción S E Ar. EFECTO INDUCTIVO NEGATIVO 16
b) Por otra parte, los halógenos tienen electrones no enlazantes que pueden donar su densidad electrónica mediante la formación de un enlace π. Esta cesiónde densidad electrónica les permite estabilizar cargas positivas adyacentes haciendo que los isómeros mayoritarios de la reacción S E Ar sean los orto/para. EFECTO DE RESONANCIA POSITIVO Por ejemplo, la reacción de nitración del clorobenceno proporciona la siguiente mezcla de isómeros: 17
Qué ocurre si hay más de un sustituyente? Si dos sustituyentes orientan a la misma posición, ésa será la que se sustituya: Si dos sutituyentes tienen en conflicto sus efectos directores, el grupo más activante será el que gane la partida: 18
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: Ejemplos: 7. 19
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