A reação mais utilizada do benzeno é a substituição de um ou mais átomos de hidrogênio por algum grupo eletrofílico. Muitas substâncias importantes são sintetizadas desta forma. A escolha de grupos funcionais que podem ser introduzidos em compostos aromáticos desta forma é muito ampla e, além disso, alguns desses grupos podem ser transformados em outros grupos após introdução no anel benzênico. A equação geral da reação é:
Abaixo estão cinco das reações mais comuns desse tipo e exemplos de seu uso.
Nitração:
Sulfonação:
Diquilação de Friedel-Crafts:
Acilação de Friedel-Crafts:
Halogenação (somente cloração e bromação):
As reações a seguir são frequentemente usadas para transformar ainda mais compostos resultantes da substituição eletrofílica aromática.
Restauração da cadeia lateral:
Redução do grupo nitro:
Diazotização e outras transformações
A anilina e seus substitutos podem ser convertidos em compostos altamente reativos chamados sais de diazônio:
Os sais de diazônio servem como materiais de partida para a síntese de uma ampla variedade de compostos aromáticos (Esquema 9-1). Em muitos casos, o método de síntese do sal de diazônio é a única forma de introduzir qualquer grupo funcional num composto aromático.
A substituição do grupo diazônio por átomos de cloro e bromo, bem como por um grupo ciano, é obtida pela interação dos sais de diazônio com os sais de cobre (1). Os átomos de iodo e flúor não podem ser introduzidos no anel aromático por halogenação direta. Iodetos e fluoretos aromáticos são preparados tratando sais de diazônio com iodeto de potássio e ácido hidrofluorobórico, respectivamente.
Os ácidos carboxílicos aromáticos podem ser preparados por hidrólise do grupo nitrila ou pela ação do dióxido de carbono no reagente de Grignard (mais sobre esta reação será discutida no Capítulo 12). Os fenóis em laboratório são mais frequentemente obtidos pela hidrólise de sais de diazônio.
Diagrama 9-2. Reações de sais de diazônio
O grupo diazônio (e, portanto, também o grupo amino e o grupo nitro) pode ser removido (ou seja, substituído por um átomo de hidrogênio) pela ação dos sais de diazônio do ácido hipofosforoso
Finalmente, a interação dos sais de diazônio com compostos aromáticos ativados leva à formação de corantes azo. Os corantes podem ter cores muito diferentes dependendo da natureza dos substituintes em ambos os anéis aromáticos.
O ácido nitroso, que é usado para obter sais de diazônio, é uma substância pouco estável e é preparado in situ (ou seja, diretamente no vaso de reação) a partir de nitrito de sódio e ácido clorídrico. No diagrama de reação, o tratamento com ácido nitroso pode ser mostrado de duas maneiras, que são utilizadas a seguir:
Aqui estão alguns exemplos de reações de sais de diazônio:
Preparação de substâncias praticamente importantes utilizando reações de substituição eletrofílica
Corantes. A síntese do laranja de metila é mostrada abaixo. Se tomarmos os compostos originais com outros substituintes nos anéis aromáticos, a cor do corante será diferente.
Polímeros. O poliestireno é obtido pela polimerização do estireno (ver Capítulo 6), que, por sua vez, pode ser sintetizado da seguinte forma. O benzeno é acilado por Friedel-Crafts usando anidrido acético em vez de cloreto de acetila, a cetona resultante é reduzida a álcool, que é então desidratado usando hidrogenossulfato de potássio como catalisador ácido:
Medicamentos. na síntese da sulfonamida (estreptocida), as duas primeiras etapas são reações que já encontramos. A terceira etapa é a proteção do grupo amino. Isto é necessário para evitar a interação do ácido clorossulfônico com o grupo amino. Após o grupo reagir com amônia, o grupo protetor pode ser removido.
O estreptocida foi um dos primeiros antimicrobianos do grupo das sulfonamidas. Ainda é usado hoje.
As reações de substituição eletrofílica permitem a introdução de muitos grupos diferentes no anel aromático. Muitos destes grupos podem então ser transformados durante a síntese.
Mecanismo de substituição eletrofílica aromática
Foi estabelecido que a substituição eletrofílica em compostos aromáticos ocorre em duas etapas. Primeiro, um eletrófilo (que pode ser gerado por vários métodos) é adicionado ao anel de benzeno. Neste caso, um cátion carb estabilizado ressonantemente é formado (abaixo entre parênteses). Este cátion então perde um próton e se torna um composto aromático.
Aqui, para maior clareza, as fórmulas dos compostos aromáticos são mostradas com ligações duplas. Mas você, é claro, lembra que na verdade existe uma nuvem de elétrons deslocalizados.
Os mecanismos das duas reações, incluindo a etapa de geração de eletrófilos, são apresentados abaixo. Haogenação
Geração de eletrófilos:
Substituição:
Geração de eletrófilos de acilação de Friedel-Crafts:
Substituição:
Influência dos deputados
Quando um benzeno substituído reage com um eletrófilo, a estrutura do substituinte já presente no anel de benzeno tem um efeito significativo na orientação da substituição e na sua taxa.
Com base na sua influência na taxa e orientação da substituição eletrofílica, todos os substituintes possíveis podem ser divididos em três grupos.
1. Ativação de ortopara-orientantes. Na presença de um substituinte deste grupo em um composto aromático, ele reage mais rápido que o benzeno não substituído, e o eletrófilo é direcionado para as posições orto e para do substituinte e uma mistura de benzenos orto e para-dissubstituídos é formada . Este grupo inclui os seguintes substituintes:
2. Desativação de metaorientadores. Esses substituintes retardam a reação em comparação ao benzeno e direcionam o eletrófilo para a posição meta. Este grupo inclui:
3. Descontaminação de orto-, para-orientantes. Este grupo inclui átomos de alógenos.
Exemplos de orientação para substituição eletrofílica:
Explicação da influência dos substituintes
Por que diferentes substituintes têm efeitos tão diferentes na natureza da substituição eletrofílica? A resposta a esta questão pode ser obtida analisando a estabilidade dos intermediários formados em cada caso. Alguns destes carbocátions intermediários serão mais estáveis, outros menos estáveis. Lembre-se de que se um composto puder reagir de diversas maneiras, a reação seguirá o caminho que produz o intermediário mais estável.
Abaixo são mostradas as estruturas de ressonância de partículas intermediárias formadas durante o ataque eletrofílico de um cátion nas posições orto e para do fenol, que possui um poderoso substituinte ativador - orto, para-orientante, tolueno, que possui um substituinte com o mesmo , mas com propriedades muito mais fracas, e o nitrobenzeno, que tem em que o grupo nitro é um agente orientador e desativa o anel:
Quando um eletrófilo ataca ambas as posições orto e para do fenol, mais estruturas de ressonância podem ser escritas para o intermediário resultante do que para o intermediário de meta-substituição. Além disso, esta estrutura “extra” (circulada numa moldura) dá uma contribuição particularmente grande
na estabilização do cátion, uma vez que todos os átomos nele contidos possuem um octeto de elétrons. Assim, com um ataque orto ou para-orientado de um eletrófilo, aparece um cátion mais estável do que com um ataque na posição meta, de modo que a substituição ocorre predominantemente nas posições orto e para. Como o cátion resultante dessa substituição é mais estável que o cátion formado a partir do benzeno não substituído, o fenol sofre reações de substituição eletrofílica muito mais facilmente que o benzeno. Observe que todos os substituintes que ativam forte ou moderadamente o anel aromático em reações de substituição eletrofílica possuem um átomo associado ao anel com pares solitários de elétrons. Esses elétrons podem ser alimentados no anel. Nesse caso, aparece uma estrutura de ressonância com carga positiva em um átomo eletronegativo (oxigênio ou nitrogênio). Tudo isso estabiliza o intermediário e aumenta a taxa de reação (ativação de ressonância).
No caso do tolueno, a substituição nas posições orto e d resulta em um cátion mais estável do que quando o eletrófilo ataca a posição meta.
Nas estruturas de ressonância em caixa, a carga positiva está nos átomos de carbono terciários (carbocatiões terciários, ver Capítulo 5). Ao atacar a posição meta, nenhum carbocátion terciário é formado. Aqui, novamente, a substituição orto e para passa por espécies intermediárias ligeiramente mais estáveis do que a meta-substituição e do que a substituição no próprio benzeno. Portanto, a substituição no tolueno é direcionada para as posições orto e para e ocorre um pouco mais rápido do que a substituição no lisol (ativação devido ao efeito indutivo).
Todos os grupos desativadores, inclusive o grupo nitro, têm a propriedade de retirar elétrons do anel aromático. O resultado disto é a desestabilização do cátion intermediário. Especialmente
(clique para ver a digitalização)
Os intermediários decorrentes do ataque nas posições orto e para são fortemente desestabilizados, uma vez que a carga positiva parcial está localizada imediatamente próxima ao grupo nitro (as estruturas de ressonância correspondentes estão em caixas). Portanto, a substituição meta é preferida à substituição orto e para. O nitrobenzeno sofre substituição eletrofílica com muito mais dificuldade do que o benzeno, uma vez que a densidade eletrônica no anel é reduzida e a atração mútua do anel aromático e do eletrófilo é enfraquecida.
As reações de adição eletrofílica ocorrem em dois estágios através da formação de um cátion intermediário. Diferentes substituintes no anel benzênico têm efeitos diferentes nas taxas e orientações de substituição. Este efeito pode ser explicado tendo em conta a estabilidade dos intermediários formados em cada caso.
Introdução
As reações de substituição eletrofílica são reações de substituição em que o ataque é realizado por um eletrófilo (partícula que apresenta deficiência de elétrons), e quando uma nova ligação é formada, a partícula é clivada sem seu par de elétrons (reações do tipo SE).
Visão geral da reação
Agentes eletrofílicos
Os agentes eletrofílicos podem ser divididos em 3 grupos:
.Eletrófilos fortes: .NO2+(íon nitrônio); complexos de Cl2 ou Br2 com vários ácidos de Lewis (FeCl3, AlBr3, AlCl3, SbCl5, etc.); H2OCl + , H2OBr + , RSO2+ , HSO3+ , H2S2O7 . .Eletrófilos de força média: Complexos de haletos de alquila ou haletos de acila com ácidos de Lewis (RCl. AlCl3,. AlCl3, etc.); complexos de álcoois com ácidos fortes de Lewis e Bronsted (ROH. BF3, ROH. H3PO4, ROH. HF). .Eletrófilos fracos: Diazônio, cátions imínio CH2=N+ H2, nitrosônio NO+ (cátion nitrosoil); monóxido de carbono (IV) CO2. Eletrófilos fortes interagem com compostos da série benzeno contendo substituintes doadores de elétrons e virtualmente quaisquer substituintes retiradores de elétrons. Os eletrófilos do segundo grupo reagem com o benzeno e seus derivados contendo substituintes doadores de elétrons (ativadores) ou átomos de halogênio, mas geralmente não reagem com derivados de benzeno contendo fortes substituintes desativadores de retirada de elétrons (NO2, SO3H, COR, CN, etc.) . Finalmente, os eletrófilos fracos interagem apenas com derivados de benzeno contendo substituintes doadores de elétrons (+M) muito fortes (OH, OR, NH2, NR2, O-, etc.). Tipos de mecanismos Pode-se imaginar dois mecanismos possíveis para a substituição de um próton em uma molécula aromática por um reagente eletrofílico. .A abstração de um próton pode ocorrer simultaneamente com a formação de uma nova ligação com o reagente eletrofílico E, e a reação neste caso ocorrerá em uma etapa: Para um processo síncrono, a mudança na carga do substrato durante a reação deve ser relativamente pequena. Além disso, uma vez que a ligação C-H é quebrada na fase determinante da velocidade da reacção, pode-se esperar que num mecanismo síncrono a reacção seja acompanhada por um efeito isotópico cinético significativo do hidrogénio. Inicialmente, o agente eletrofílico é adicionado ao π- sistema do núcleo aromático, um intermediário pouco estável é formado. A seguir, um próton é removido do cátion resultante sob a influência de uma base, que pode ser uma molécula de solvente: As reações que ocorrem por esse mecanismo devem ser caracterizadas por uma alta sensibilidade aos efeitos eletrônicos dos substituintes, uma vez que o intermediário é um cátion. Além disso, se a etapa determinante da taxa for a primeira, na qual a ligação C-H não é quebrada, a reação não deve ser acompanhada por um efeito isotópico cinético significativo. Quando compostos aromáticos interagem com reagentes eletrofílicos, podem se formar dois tipos de complexos, que podem ser intermediários em reações de substituição eletrofílica. Se o agente eletrofílico não destruir significativamente o elétron π- sistema de anéis aromáticos são formados π- complexos. Existência π- complexos é confirmado por dados de espectroscopia UV, mudanças na solubilidade, pressão de vapor e temperaturas de congelamento. Educação π- complexos foram comprovados, por exemplo, para a interação de hidrocarbonetos aromáticos com cloreto de hidrogênio ou íon Ag+: Como a estrutura eletrônica do anel aromático muda ligeiramente (pode-se fazer uma analogia entre esses complexos e complexos de transferência de carga), após a formação π -complexos não há alterações significativas nos espectros, nenhum aumento na condutividade elétrica é observado. Influência dos efeitos eletrônicos dos substituintes no anel aromático na estabilidade π- complexos são relativamente pequenos, uma vez que a transferência de carga para π -complexos são pequenos. Quando hidrocarbonetos aromáticos são dissolvidos em fluoreto de hidrogênio líquido, a molécula de hidrocarboneto aromático é protonada para formar um íon arenônio, e complexos de um tipo diferente são obtidos - δ- complexos. Sustentabilidade δ -complexos (íons arênio), em contraste com a estabilidade -complexos, depende muito do número e da natureza dos substituintes no anel benzênico. . Educação δ -complexos contribuem para a estabilização do contra-íon devido à interação com fluoreto de boro (III) ou outros ácidos de Lewis: Na presença de ácidos de Lewis δ -complexos também são formados com cloreto de hidrogênio. Intermediário δ- o complexo tem várias estruturas de ressonância e é muito semelhante ao “cátion superalil”, pois a carga positiva nele é distribuída por três dos cinco orbitais p disponíveis. Este sistema inclui dois átomos de carbono orto idênticos em relação ao átomo de carbono hibridizado com sp3 e um átomo de carbono para em relação ao mesmo átomo. As duas posições meta equivalentes do anel não carregam carga formal, mas são claramente ligeiramente eletropositivas devido aos átomos de carbono adjacentes carregados positivamente: Durante a educação δ -complexos há um aumento acentuado na condutividade elétrica da solução. A principal forma de transformação dos íons arenônio em solução é a abstração de prótons com regeneração do sistema aromático. Como a formação de um íon arenoneno localiza toda uma carga positiva no anel aromático, a influência dos efeitos eletrônicos dos substituintes na estabilidade relativa δ - deve haver significativamente mais complexos do que no caso π- complexos. Assim, pode-se esperar que a reação de substituição eletrofílica ocorra primeiro através da etapa de formação π- complexo e então δ- complexo. Isomérico δ- complexos Em um estado de transição anterior à formação δ -complexo, entre a molécula de benzeno monossubstituída C6H5X e o eletrófilo carregado positivamente E+, a carga é dividida entre o eletrófilo atacante e o anel de benzeno. Se o estado de transição for “precoce” (semelhante aos reagentes), então a carga no anel de benzeno é pequena e localizada principalmente no eletrófilo, e se o estado de transição for “tardio” (semelhante ao íon arenônio), então o a carga está localizada principalmente nos átomos de carbono do anel de benzeno. Para reações de benzenos monossubstituídos, podem existir quatro complexos: orto-, meta-, para- e ipso-: orto- meta- par- ipso- Assim, pode haver quatro estados de transição diferentes, cuja energia depende do grau de interação do substituinte X com a carga positiva do anel. No estado de transição “tardio”, o efeito polar do substituinte X deve ser mais pronunciado do que no estado de transição “inicial”, mas qualitativamente a influência do mesmo substituinte deve ser a mesma. Os produtos de substituição de hidrogênio são formados a partir de complexos orto, meta e para (por eliminação de um próton), mas um produto de substituição do grupo X pode ser formado a partir de um complexo ipso pela eliminação do cátion X+. A substituição ipso é típica para compostos organometálicos; Via de regra, neles o metal é substituído por um mais leve que o próton: Classificação de substituintes Atualmente, os substituintes são divididos em três grupos com base no seu efeito ativador ou desativador, bem como na orientação da substituição no anel benzênico. 1.Ativando grupos de orientação orto-para. Estes incluem: NH2, NHR, NR2, NHAc, OH, OR, OAc, Alk, etc. 2.Desativando grupos de orientação orto-para. Estes são os halogênios F, Cl, Br e I. Esses dois grupos (1 e 2) de substituintes são chamados de orientadores do primeiro tipo. 3.Desativando grupos de meta-orientação. Este grupo consiste em NO2, NO, SO3H, SO2R, SOR, C(O)R, COOH, COOR, CN, NR3+, CCl3, etc. Estes são orientadores do segundo tipo. Naturalmente, também existem grupos de átomos de natureza intermediária, causando uma orientação mista. Estes incluem, por exemplo: CH2NO, CH2COCH3, CH2F, CHCl2, CH2NO2, CH2CH2NO2, CH2CH2NR3+, CH2PR3+, CH2SR2+, etc. Exemplos da influência das orientações: Reações básicas de substituição eletrofílica aromática Nitração. Uma das reações de substituição mais amplamente estudadas em sistemas aromáticos é a nitração. Diferentes arenas são nitradas sob uma ampla variedade de condições. Na maioria das vezes, o ácido nítrico misturado com ácido sulfúrico ou ácido nítrico em solventes orgânicos: ácido acético, nitrometano, etc. O benzeno não substituído é geralmente nitrado com uma mistura de ácidos nítrico e sulfúrico concentrados a 45-50°C. Este reagente é denominado mistura nitrante. Foi estabelecido que na nitração eletrofílica, independentemente da natureza do agente nitrante, o eletrófilo ativo é o íon nitrônio NO2+. Em excesso de ácido sulfúrico concentrado, ocorre uma transformação quantitativa de ácido nítrico em hidrogenossulfato de nitrônio: Quando o ácido sulfúrico é diluído em água, a concentração do íon NO2+ diminui e ao mesmo tempo a taxa de nitração cai drasticamente. Contudo, arenos muito reativos são nitrados mesmo sob condições onde é impossível detectar o íon NO2+ em solução por quaisquer métodos físicos. Há evidências de que mesmo na ausência de ácido sulfúrico, a nitração é realizada pelo íon nitrônio. Nessas condições, as reações de arenos muito ativos têm ordem cinética zero em relação ao substrato aromático (a etapa lenta é a formação de NO2+ sem a participação de ArH). Nas mesmas condições, para arenos menos reativos, a ordem cinética em ArH é a primeira, ou seja, O estágio limitante da taxa é o próprio processo de substituição. Efeito semelhante foi observado, por exemplo, durante a nitração do tolueno com uma solução aquosa de ácidos nítrico e sulfúrico. Em baixas concentrações de H2SO4 a ordem no tolueno era zero, e em concentrações mais altas era a primeira. Ao utilizar uma mistura de nitração (HNO3 + H2SO4) como reagente, a concentração de íons nitrônio na solução é sempre bastante elevada e constante quando o reagente está em excesso, portanto a nitração pode ser considerada um processo de duas etapas. A fase lenta deste processo de duas fases é a formação -complexo. Isto é comprovado pela ausência do efeito isotópico cinético do hidrogênio durante a nitração de arenos e deuteroarenos. No entanto, a introdução de grupos muito volumosos em ambos os lados do hidrogénio substituto pode reduzir grandemente a taxa do passo k2 e levar ao aparecimento de um efeito isotópico. A halogenação (por exemplo, bromação) do benzeno pela ação do próprio halogênio ocorre apenas na presença de catalisadores, como ZnCl2, FeBr3, AlBr3, etc. Os catalisadores são geralmente ácidos de Lewis. Eles causam alguma polarização da molécula de halogênio, aumentando assim seu caráter eletrofílico, após o que tal molécula polarizada ataca π -elétrons do anel aromático pela região com carga positiva: Após a clivagem da ligação bromo-bromo, δ- complexo com benzeno, do qual o complexo resultante com carga negativa -Br FeBr3 abstrai um próton, dando bromo-benzeno. Soluções aquosas de HO-Hal também podem ser utilizadas como agentes halogenantes, é claro na presença de ácidos fortes. Há evidências confiáveis de que, por exemplo, na cloração, o agente de cloração é o íon Cl+, que é formado como resultado da reação: O mecanismo de interação adicional dos íons Cl+ com o benzeno não difere do mecanismo de nitração com os íons NO2+. A semelhança desses dois processos é confirmada pelo fato de que o próprio ácido HOCl, assim como o HNO3, interagem muito fracamente com o benzeno; em ambos os casos, ácidos fortes são necessários para liberar íons Cl+ e NO2+ por protonação de “moléculas transportadoras”: Outras evidências de que os agentes de substituição são cátions halogênio ou complexos polarizados contendo halogênio vieram de estudos de reações entre interhalogenetos e compostos aromáticos. Assim, por exemplo, a ação do BrCl leva apenas à bromação, e do ICl apenas à iodação, ou seja, um halogênio menos eletronegativo é sempre introduzido na molécula de um composto aromático, que na molécula original do composto interhalogenado carrega um positivo parcial cobrar, por exemplo: δ+ δ- →Cl Sulfonação. Ainda não há consenso quanto à verdadeira natureza do agente de sulfonação eletrofílico. Os dados de medição cinética não fornecem uma resposta clara a esta questão, uma vez que o ácido sulfúrico aquoso e anidro contém um grande número de potenciais agentes eletrofílicos, cuja concentração relativa depende da relação H2O/SO3. Quando a concentração de ácido sulfúrico é inferior a 80%, estabelecem-se principalmente os seguintes equilíbrios: Em concentrações mais elevadas de ácido sulfúrico na faixa de 85-98%, o estado do ácido sulfúrico é descrito principalmente pelas equações: No ácido 100% sulfúrico e no oleum, além do H2S2O7, existem outros ácidos polissulfúricos - H2S3O10; H2S4O13, etc. Tudo isto torna extremamente difícil a interpretação dos dados sobre a cinética da sulfonação. No ácido sulfúrico aquoso em concentrações abaixo de 80%, a taxa de sulfonação correlaciona-se linearmente com a atividade do íon H3SO4+. Em concentrações de ácido sulfúrico acima de 85%, observa-se uma correlação linear com a atividade do H2S2O7. Estas duas partículas, aparentemente, são os dois principais agentes eletrofílicos reais para a sulfonação de compostos aromáticos em ácido sulfúrico aquoso. Eles podem ser considerados como uma molécula de SO3 coordenada com um íon H3O+ ou ácido sulfúrico, respectivamente. Ao passar de 85% para 100% de ácido sulfúrico, a concentração do íon H3O+ diminui drasticamente e a concentração de H2SO4 aumenta. Em ácido 91% = , mas como o H2S2O7 (SO3 . H2SO4) é um agente eletrofílico mais forte que o H3SO4+ (H3O+ . SO3), ele domina como eletrófilo não apenas em 91%, mas até mesmo em 85% de ácido sulfúrico. Assim, o mecanismo de sulfonação pode aparentemente ser representado da seguinte forma: O efeito do isótopo cinético kH/kD em concentrações de ácido sulfúrico abaixo de 95% é insignificante. Mas quando sulfonado com 98-100% de H2SO4 ou oleum, é observado um efeito isotópico cinético kH/kD na faixa de 1,15-1,7, ou seja, O estágio (2) torna-se o estágio determinante da taxa. Quando a concentração de ácido sulfúrico está abaixo de 95%, o próton de -complexo é clivado pelo íon sulfato de hidrogênio HSO4-, e em concentrações mais altas de ácido sulfúrico, o próprio H2SO4 desempenha o papel de uma base muito fraca. Portanto, a taxa do estágio (2) diminui acentuadamente e um efeito isotópico cinético é observado. No oleum, a taxa de sulfonação aumenta acentuadamente. O agente eletrofílico neste caso, aparentemente, é o SO3 não ligado a um complexo. O estágio (2) é lento. Alquilação de acordo com Friedel-Crafts. A reação de S. Friedel-J. Crafts (1877) é um método conveniente para introduzir diretamente um grupo alquil em um anel aromático. A alquilação de compostos aromáticos é realizada sob a ação de halogenetos de alquila, apenas na presença de um ácido de Lewis adequado como catalisador: AlBr3, AlCl3, GaBr3, GaCl3, BF3, SbF5, SbCl5, FeCl3, SnCl4, ZnCl2, etc. Os catalisadores mais ativos são brometos de alumínio e gálio sublimados anidros, pentafluoreto de antimônio, haletos de alumínio e ferro (III) de gálio e SbCl5 são menos ativos, incluindo SnCl4 e ZnCl2; Em geral, a atividade dos ácidos de Lewis como catalisadores para a alquilação do benzeno diminui na ordem AlBr3> GaBr3> AlCl3> GaCl3> FeCl3> SbCl5> TiCl4> BF3> BCl3> SnCl4> SbCl3. O catalisador mais comum para esta reação é o cloreto de alumínio pré-sublimado. Por exemplo, o mecanismo da reação de benzilação com cloreto de benzila em nitrobenzeno na presença de AlCl3 anidro como catalisador é o seguinte: onde B: =AlCl4-; H2O ou outra base. A taxa de reação é limitada pelo segundo estágio. A estrutura exata do intermediário (RCl .AlCl3) é desconhecida. Em princípio, uma gama de estruturas pode ser imaginada, desde complexos moleculares até carbocátions dissociados. A participação de carbocátions livres como agentes alquilantes é improvável. Se os agentes alquilantes fossem carbocátions livres, então o estágio lento seria o estágio de sua formação (k1), e a reação com arenos seria rápida e a terceira ordem não deveria ser observada. É extremamente improvável que o agente alquilante seja um complexo molecular. Em baixas temperaturas, às vezes é possível isolar complexos de halogenetos de alquila com ácidos de Lewis. Eles são caracterizados por uma troca lenta de halogênio de acordo com o seguinte esquema: A taxa de câmbio aumenta na série de R primário< втор.R<трет.R, что можно объяснить и ион-парным строением, и структурой координационного аддукта. Muitos pesquisadores que trabalham nesta área acreditam que a estrutura do RX. MXn muda gradualmente da estrutura de um aduto de coordenação no caso de R=CH3 para a estrutura de um par iônico no caso de R=t-Bu, mas isso ainda não foi confirmado experimentalmente. A capacidade do átomo de halogênio em RX de formar complexos com AlCl3 ou outro ácido de Lewis duro diminui drasticamente do flúor para o iodo, como resultado da atividade dos halogenetos de alquila como agentes alquilantes na reação de Friedel-Crafts também diminui na ordem RF >RCl>RBr>RI. Por esta razão, os iodetos de alquila não são usados como agente alquilante. A diferença de atividade entre fluoretos de alquila e brometos de alquila é tão grande que permite a substituição seletiva do flúor na presença de bromo na mesma molécula. Acilação de Friedel-Crafts A introdução de um grupo acila em um anel aromático usando um agente acilante e um ácido de Lewis é chamada de acilação de Friedel-Crafts. Os agentes acilantes são tipicamente halogenetos e anidridos ácidos na presença de halogenetos de alumínio, trifluoreto de boro ou pentafluoreto de antimônio como ácidos de Lewis. Halogenetos de acila e anidridos de ácido formam complexos doador-aceitador de composição 1:1 e 1:2 com ácido de Lewis. Usando métodos espectrais, foi estabelecido que o cloreto de alumínio, o trifluoreto de boro e o pentafluoreto de antimônio são coordenados no átomo de oxigênio da carbonila, por ser mais básico que o átomo vizinho de cloro. O agente eletrofílico na reação de acilação de compostos aromáticos é esse complexo doador-aceitador ou o cátion acílio formado após sua dissociação. Pode-se supor que a etapa lenta da reação é o ataque de um dos três eletrófilos (RCO+, RCOCl. AlCl3, RCOCl. Al2Cl6) ao areno, levando a -complexo. A eficácia destas espécies acilantes depende da natureza do substrato, haleto de acila e solvente, bem como da quantidade de catalisador utilizado. Durante a acilação de arenos com haletos de acila, catalisada por cloreto ou brometo de alumínio em solventes polares apróticos (nitrobenzeno, nitrometano, etc.), o agente acilante é o cátion acílio, enquanto em ambiente de baixa polaridade (cloreto de metileno, dicloroetano ou tetracloroetano ) um complexo doador-aceitador participa da reação. A natureza do halogeneto de acila também afeta a formação e estabilidade dos sais de acílio. Mecanismo de acilação de arenos de Friedel-Crafts sob a influência de um complexo doador-aceitador é descrito pelo seguinte diagrama: Uma cetona aromática é uma base de Lewis mais forte que um halogeneto de acila e forma um complexo estável com AlCl3 ou outro ácido de Lewis. Portanto, para a acilação de compostos aromáticos com haletos de acila, é necessária uma quantidade equimolar ligeiramente maior de catalisador, e para a acilação com anidridos ácidos, dois moles de catalisador (uma vez que contêm dois átomos de oxigênio carbonílico). A cetona é isolada decompondo seu complexo com AlCl3 com água ou ácido clorídrico. A acilação de Friedel-Crafts é completamente desprovida das desvantagens inerentes à reação de alquilação. Durante a acilação, apenas um grupo acil é introduzido, uma vez que as cetonas aromáticas não reagem mais (como fazem outros arenos contendo grupos fortes de retirada de elétrons: NO2, CN, COOR). Outra vantagem desta reação em relação à alquilação é a ausência de rearranjos no agente acilante. Além disso, a acilação não é caracterizada por reações desproporcionais dos produtos da reação. Bibliografia reação de molécula aromática de substituição 1.Kurts A.L., Livantsov M.V., Livantsova L.I. Substituição eletrofílica nas séries aromáticas: Desenvolvimento metodológico para alunos do terceiro ano - Moscou, 1997. 2.Dneprovsky A.S. e outros. Fundamentos teóricos da química orgânica/A.S. Dneprovsky, T.I. Temnikova: Livro didático para universidades - 2ª ed., revisado - L.: Química, 1961. - 560 p. 3.Terney A. Química orgânica moderna Volume 1: Livro didático.-Mir, 1981.-680 p. .Reutov O.A., Kurts A.L., Butin K.P. Química Orgânica: Livro Didático - M.: MSU, 1999. - 560s. .Sykes P. Mecanismos de reação em química orgânica. Por. do inglês editado por Prof. Varshavsky Ya. M.Ed. 3º, M., “Química”, 1977. - 320s.
Nota 1
O grupo mais importante de reações para compostos aromáticos são as reações de substituição eletrofílica. Como o anel aromático atrai espécies eletrofílicas em vez de nucleofílicas, as reações ocorrem facilmente e são amplamente utilizadas em sínteses laboratoriais e industriais.
Este processo consiste na substituição de uma partícula eletrofílica (geralmente um próton) por outra parte deficiente em elétrons. Esta reação utiliza uma variedade de reagentes eletrofílicos, designados $E^+$, e é uma rota para muitos compostos aromáticos substituídos. Além disso, quando esta reação é aplicada a derivados de benzeno já contendo um ou mais substituintes, o processo apresenta o fenômeno da regiosseletividade (especificidade e direcionalidade da substituição) bem como da reatividade seletiva, ambos explicados pela teoria.
Tipos de mecanismos de substituição eletrofílica aromática
Para a substituição eletrofílica aromática, são propostos dois mecanismos, indo em direções alternativas:
Mecanismo de substituição bimolecular em uma etapa do tipo $S_E2$
De acordo com esse mecanismo, a configuração dos elétrons $\pi$ no sexteto aromático é preservada durante as reações, e o processo de substituição ocorre por meio de interações do LUMO dos eletrófilos com as ligações HOMO dos compostos aromáticos $C - H$:
Figura 2.
Nos estados de transição, ligações de três centros e dois elétrons são formadas entre $C-H$ e os átomos eletrófilos $E^+$ nos quais a densidade LUMO é alta. A formação de estados de transição de três centros $(I)$ não levanta objeções teóricas. Os fragmentos de três centros de dois elétrons nesses estados de transição são isoeletrônicos nos sistemas $\pi$ aromáticos de cátions ciclopropenil, que são aromáticos. Isso significa que os estados de transição $(I)$ serão “aromáticos”, ou seja, não muito ricos em energia.
Mecanismo de Substituição Eletrofílica SE-Arenônio
O segundo mecanismo recebeu o nome de $S_E(Ar)$ - $S_E$-substituição eletrofílica de arenônio. De acordo com esse mecanismo, a aromatidade e o sistema de seis elétrons nos intermediários desaparecem, eles são substituídos por sistemas não cíclicos conjugados de quatro elétrons de cátions pentadienil $(C=C-C=C-C^+)$, e no segundo estágio o os sistemas aromáticos são restaurados novamente como resultado da eliminação de prótons. O ataque dos eletrófilos LUMO ocorre não nos orbitais de ligação $\sigma$, mas no $\pi$-HOMO, portanto as interações dos MOs de fronteira podem ser representadas na forma de dois esquemas alternativos:
Figura 3.
No entanto, no benzeno monossubstituído $C_6H_5X$ a degenerescência é removida. Por exemplo, no fenol ou na anilina os HOMOs têm a forma (a). A estrutura dos íons arenônio $(II)$ pode ser representada de várias maneiras:
Figura 4.
A primeira fórmula é usada com mais frequência, no entanto, as outras fórmulas esquemáticas fornecidas também são relevantes. Usando estas fórmulas alternativas, pode-se mostrar que as cargas positivas dos íons arênio são encontradas principalmente em orto- E par- posição nos nós geminais dos cátions ciclohexadienila. E, portanto, os complexos $\sigma$ serão estabilizados por substituintes doadores que estão em orto- E par- posições, muito melhores do que os substituintes doadores na posição meta. Se os estados de transição dos estágios lentos da substituição eletrofílica forem semelhantes aos dos íons arenônio, então o substituinte (+M) direcionará o eletrófilo para par- E orto- posição, ou seja, a reação será regiosseletiva.
Reações de substituição eletrofílica(Inglês) reação eletrofílica de substituição ) - reações de substituição nas quais o ataque é realizado eletrófilo- uma partícula com carga positiva ou com deficiência de elétrons. Quando uma nova ligação é formada, a partícula que sai é eletrofuga se separa sem seu par de elétrons. O grupo de saída mais popular é o próton H+.
Visão geral das reações de substituição eletrofílica:
(eletrófilo catiônico)
(eletrófilo neutro)
Existem reações de substituição eletrofílica aromáticas (generalizadas) e alifáticas (menos comuns). A natureza das reações de substituição eletrofílica especificamente para sistemas aromáticos é explicada pela alta densidade eletrônica do anel aromático, que pode atrair partículas carregadas positivamente.
As reações de substituição eletrofílica aromática desempenham um papel extremamente importante na síntese orgânica e são amplamente utilizadas tanto na prática laboratorial quanto na indústria.
Reações de substituição eletrofílica aromática
Para sistemas aromáticos, existe na verdade um mecanismo de substituição eletrofílica - S E Ar. Mecanismo SE 1(semelhante ao mecanismo S N 1) - é extremamente raro, mas SE 2(correspondente por analogia S N 2) - não ocorre de forma alguma.
Reações S E Ar
Mecanismo de reação S E Ar ou reações de substituição eletrofílica aromática(Inglês) Substituição aromática eletrofílica ) é a mais comum e importante das reações de substituição de compostos aromáticos e consiste em duas etapas. Na primeira etapa, o eletrófilo é adicionado e, na segunda etapa, a eletrofuga é separada:
Durante a reação, um intermediário carregado positivamente é formado (na Figura 2b). É chamado Ueland intermediário, íon arônio ou complexo σ. Este complexo é geralmente muito reativo e facilmente estabilizado, eliminando rapidamente o cátion.
Estágio limitante na grande maioria das reações S E Aré a primeira etapa.
Reação rápida S E Ar, geralmente apresentado da seguinte forma:
| Taxa de reação = k ** |
As partículas atacantes são geralmente eletrófilos relativamente fracos, então na maioria dos casos a reação S E Ar ocorre sob a influência de um catalisador - ácido de Lewis. Os mais comumente usados são AlCl 3, FeCl 3, FeBr 3, ZnCl 2.
Neste caso, o mecanismo de reação é o seguinte (usando o exemplo da cloração do benzeno, catalisador FeCl 3):
1. No primeiro estágio, o catalisador interage com a partícula atacante para formar um agente eletrofílico ativo:
2. Na segunda etapa, de fato, o mecanismo é implementado S E Ar:
Reações típicas de substituição eletrofílica aromática
| Taxa de reação = k ** |
Nos benzenos substituídos, os chamados ipso-ataque, ou seja, substituição de um substituinte existente por outro:
Reações de substituição eletrofílica alifática
Reações S E 1
Mecanismo de reação SE 1 ou reações de substituição eletrofílica monomolecular(Inglês) substituição eletrofílica unimolecular ) semelhante ao mecanismo S N 1 inclui as seguintes etapas:
1. Ionização do substrato com formação de um carbânion (estágio lento):
2. Ataque eletrofílico do carbânion (estágio rápido):
Na maioria das vezes, uma partícula que escapa em reações extremamente raras SE 1é um próton.
Reações S E 2
Mecanismo de reação SE 2 ou reações de substituição eletrofílica bimolecular(Inglês) substituição eletrofílica bimolecular ) semelhante ao mecanismo S N 2, ocorre em um estágio, sem a formação intermediária de um intermediário:
A principal diferença do mecanismo nucleofílico é que o ataque do eletrófilo pode ser realizado tanto pela frente quanto por trás, o que pode resultar em um resultado estereoquímico diferente: tanto racemização quanto inversão.
Um exemplo é a reação de tautomerização cetona-enol:
Tautomerização cetona-enol
Notas
| Reações químicas em química orgânica | |
|---|---|
| Reações de substituição | Reações de substituição nucleofílica · Reações de substituição eletrofílica· Reações de substituição radical |
| Reações de adição | Reações de adição nucleofílica Reações de adição eletrofílica Reações de adição radical Reações de adição síncrona |
| Reações de eliminação | Reações de eliminação heterolítica Reações de eliminação pericíclicas Reações de eliminação radical |
| Reagrupando reações | Rearranjos nucleofílicos Rearranjos eletrofílicos Rearranjos radicais |
| Reações de oxidação e redução | Reações de oxidação Reações de redução |
| Outro | Reações nomeadas em química orgânica |
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- 2010.
Visão geral das reações de substituição eletrofílica:
- (reação eletrofílica de adição em inglês) reações de adição em que o ataque no estágio inicial é realizado por uma partícula eletrofílica com carga positiva ou com deficiência de elétrons. Na fase final, o resultado... ... Wikipedia R − X + Y + → R − Y + X + (\displaystyle (\mathsf (R\!\!-\!\!X+Y^(+)))\rightarrow (\mathsf (R\!\! -\!\!Y+X^(+))))
(eletrófilo catiônico) R − X + Y − Z → R − Y + X − Z (\displaystyle (\mathsf (R\!\!-\!\!X+Y\!\!-\!\!Z))\rightarrow ( \mathsf (R\!\!-\!\!Y+X\!\!-\!\!Z)))
Existem reações de substituição eletrofílica aromáticas (generalizadas) e alifáticas (menos comuns). A natureza das reações de substituição eletrofílica especificamente para sistemas aromáticos é explicada pela alta densidade eletrônica do anel aromático, que pode atrair partículas carregadas positivamente.
As reações de substituição eletrofílica aromática desempenham um papel extremamente importante na síntese orgânica e são amplamente utilizadas tanto na prática laboratorial quanto na indústria.
(eletrófilo neutro)
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✪ Substituição Eletrofílica Aromática
✪Mecanismo de substituição aromática eletrofílica
✪ Alcenos. O mecanismo da reação de adição eletrofílica.
✪ Mecanismos de reações químicas. Parte 2. Classificação dos mecanismos. Reações eletrofílicas e nucleofílicas.
✪ Classificação das reações: nucleófilos, eletrófilos, radicais
Já falamos sobre o anel de benzeno. O que vai acontecer? Como já dissemos, o benzeno é uma molécula estável. O elétron pode nos levar de volta à estrutura anterior ou pode pular aqui sozinho. Então, um elétron foi para esse hidrogênio e o segundo elétron ainda pertence à base.
Reações de substituição eletrofílica aromática
Para sistemas aromáticos, existe na verdade um mecanismo de substituição eletrofílica - S E Ar. Mecanismo SE 1(semelhante ao mecanismo S N 1) - é extremamente raro, mas SE 2(correspondente por analogia S N 2) - não ocorre de forma alguma.
Reações S E Ar
Mecanismo de reação S E Ar ou reações de substituição eletrofílica aromática(Inglês) Substituição aromática eletrofílica) é a mais comum e importante das reações de substituição de compostos aromáticos e consiste em duas etapas. Na primeira etapa, o eletrófilo é adicionado e, na segunda etapa, a eletrofuga é separada:
| Taxa de reação = k ** |
As partículas atacantes são geralmente eletrófilos relativamente fracos, então na maioria dos casos a reação S E Ar ocorre sob a influência de um catalisador - ácido de Lewis. Os mais comumente usados são AlCl 3, FeCl 3, FeBr 3, ZnCl 2.
Neste caso, o mecanismo de reação é o seguinte (usando o exemplo da cloração do benzeno, catalisador FeCl 3):
1. No primeiro estágio, o catalisador interage com a partícula atacante para formar um agente eletrofílico ativo:
Legendas
2. Na segunda etapa, de fato, o mecanismo é implementado S E Ar:
C l − C l + F e C l 3 ⇄ C l − C l + ⋅ ⋅ ⋅ F e C l 3 − ⇄ C l + F e C l 4 − (\displaystyle (\mathsf (Cl\!\!- \!\!Cl+FeCl_(3)))\rightleftarrows (\mathsf (Cl\!\!-\!\!Cl^(+)))\!\cdot \cdot \cdot (\mathsf (FeCl_(3 )^(-)))\rightleftarrows (\mathsf (Cl^(+)FeCl_(4)^(-))))
| Taxa de reação = k ** |
H N O 3 + 2 H 2 S O 4 → N O 2 + + H 3 O + + 2 H S O 4 − (\displaystyle (\mathsf (HNO_(3)+2H_(2)SO_(4)))\rightarrow (\mathsf ( NÃO_(2)^(+)+H_(3)O^(+)+2HSO_(4)^(-))))
Nos benzenos substituídos, os chamados ipso-ataque, ou seja, substituição de um substituinte existente por outro:
Reações de substituição eletrofílica alifática
Reações S E 1
Mecanismo de reação SE 1 ou reações de substituição eletrofílica monomolecular (
