Resumen hidrocarburos aromaticos

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Resumen hidrocarburos aromaticos

  1. 1. 130 6.-HIDROCARBUROS AROMÁTICOS.INTRODUCCIÓN Los compuestos aromáticos abarcan una amplia gama de sustancias químicasde uno dos o más anillos altamente insaturados de fórmula CnHn que poseenpropiedades químicas singulares. La aromaticidad no es un atributo de los compuestos de C e H solamente,sino que también en su estructura pueden encontrarse otros átomos como oxígeno ynitrógeno constituyendo la gran familia de los compuestos heterocíclicos aromáticos. En el siglo XVII, Kekulé propuso una estructura para el hidrocarburo másrepresentativo de los aromáticos: el benceno C6H6. H H H (A) H H HEstructura Nº1 Hay una gran estabilidad química asociada a la estructura del benceno y engeneral a todos los compuestos aromáticos. Esto es debido a que son estructurasquímicas cíclicas, planas que poseen un número máximo de dobles enlacesconjugados permitiendo así una amplia deslocalización electrónica en su sistema π.Su estudio ha demostrado que los enlaces entre los átomos de carbono sucesivosson semejantes, es decir, no se puede distinguir entre enlace simple y enlace doblecomo en la estructura (A) De esta manera, la estructura del benceno, es un híbridode resonancia entre las estructuras contribuyentes (C) y (D) La estructura (E) no esuna mezcla de (C) y (D), sino que es una estructura que tiene características físicasy químicas ponderadas tanto de (C) como de (D): H H H H H H H H H H H H H H H H H H (C) (E) (D)Estructura Nº2
  2. 2. 131 Si la longitud del enlace simple C-C es de 1,54 x 10-8 cm y la del doble C=Ces 1,34 x 10-8 cm, la longitud del enlace C-C aromático tiene un valor intermedioentre simple y doble de 1,39 x 10-8 cm.REPRESENTACIÓN DEL BENCENO.Estructura Nº3 Estas representaciones se encuentran a menudo en los textos de químicaorgánica. A la izquierda, una representación resonante de sus estructurascontribuyentes. La figura de la derecha, es la representación de un híbrido deresonancia que pone de manifiesto que la extensión de la deslocalizaciónelectrónica abarca el anillo completo. Se verá más adelante que una u otra de lasformas (estructura Nº3) es útil para dar cuenta de las propiedades químicas de estoscompuestos.OTRAS ESTRUCTURAS AROMÁTICAS: La estructura de la molécula de benceno es una de las más sencillas yrecurrente entre los compuestos aromáticos, aunque tenemos también algunas otras(Estructura Nº4) que son un tanto más complejas con varios anillos insaturados: naftaleno fenantreno antracenoEstructura Nº4 Estas moléculas complejas suelen encontrarse a menudo en nuestro ámbitocotidiano de vida, por ejemplo, en el hollín de las chimeneas, en el alquitrán de lospavimentos urbanos, en el humo del tabaco, etc y son conocidas desde hace muchotiempo como moléculas inductoras de algún tipo de cáncer. Ciertos policiclosaromáticos como el Benzo [ a ] pireno cuya estructura se muestra más abajo(Estructura Nº5), son capaces de producir alteraciones genéticas en sistemasbiológicos, aún a muy bajas concentraciones.
  3. 3. 132 benzo [ a ] pirenoEstructura Nº5 Se supone que estas sustancias pro-carcinógenas, son transformadas poralgún proceso enzimático en un carcinógeno activo, capaz de interaccionar con elADN celular, alterando en ese momento el mensaje genético indispensable para lareproducción celular normal. ALGUNOS COMPUESTOS AROMÁTICOS HETEROCÍCLICOS. Todas estas moléculas cíclicas, contienen al menos un átomo diferente alcarbono formando parte del anillo, el que puede ser de cinco o más átomos. Porejemplo: N O S N H pirrol furano tiofeno piridinaEstructura Nº6 Algunas bases heterocíclicas aromáticas como la citosina, uracilo, adenina yguanina (Estructura Nº7) son componentes esenciales de los ácidos nucleicos. NH2 O N NH N O N O H H citosina uracilo NH2 O N N N HN N N H2N N N H H adenina guaninaEstructura Nº7
  4. 4. 133 REPRESENTACIÓN DE LA AROMATICIDAD CON ORBITALES MOLECULARES Y LA REGLA DE HCKEL (4N+2) Como se dijo previamente, un compuesto aromático es un anillo con múltiplesdobles enlaces conjugados. Los cálculos de Erich Hückel, (químico alemán delInstituto de Física Teórica de Stuttgard en la década de 1930) permitieron deducirque, al igual que aquellos átomos de los gases nobles, cuando sus orbitalesatómicos estaban completos con sus respectivos pares de electrones, se obteníanestructuras de gran estabilidad, encontró que lo mismo sucede con las moléculascon sistemas electrónicos π conjugados y formando sistemas cíclicos o anillos .Estas estructuras también adquirían una estabilidad extraordinaria si sus orbitalesmoleculares se llenaban cada uno con un par de electrones con espín opuesto. Sinembargo había otra condición que debía cumplirse, estos sistemas π serán establessi el número de electrones π en la estructura cíclica cumple con la relación 4n + 2,donde n debe ser entero incluyendo además el valor cero. Es decir, n puede tomarvalores 0, 1, 2, 3, 4, etc. El valor de n=0 implica según Hückel un nivel básico y único susceptible deser llenado con solo un par de electrones, el resto de los orbitales con energíacreciente aparecen de a pares de niveles. Este nivel único y básico está presente entodos los sistemas aromáticos. Por ejemplo: si los seis orbitales atómicos p del benceno, se combinan entresí, tiene lugar la formación de seis orbitales moleculares; tres enlazantes y tresantienlazantes. Sus seis electrones ocuparán completamente y en parejas deespines opuestos, los tres orbitales inferiores enlazantes (Diagrama Nº1) Otra de las condiciones que debe cumplirse en los aromáticos, es sucoplanaridad. Los diferentes orbitales atómicos p deben ser paralelos entre sí y deesta manera, obtener su máxima superposición para poder deslocalizar con máximaefectividad los electrones sobre el total del sistema cíclico de dobles enlacesconjugados (Figura Nº1). Esta condición obliga a que todos los átomos que formanparte del sistema aromático estén en un mismo plano. Al aplicar aquella regla que dice que: “La mezcla de igual número de orbitalesatómicos generan igual número de orbitales moleculares”, a los seis orbitales 2p delbenceno, entonces, cuando estos seis orbitales atómicos 2p perfectamenteparalelos, se mezclan entre sí, generarán seis orbitales moleculares,
  5. 5. 134 orbitales p bencenoFigura Nº1 Según Hückel entonces, se debería obtener la siguiente distribución deorbitales moleculares, niveles de energía y electrones para obtener el diagrama. orbitales antienlazantes E energía de un orbital 2p orbitales enlazantes seis electrones pi de un compuesto aromático como el benceno.Diagrama Nº1Las estructuras aromáticas no deben ser consideradas solamente como moléculasneutras, y también pueden ser especies con carga eléctrica, y presentarse como,aniones o cationes. Por ejemplo: C sp3 C sp2 H H H + H ciclopropeno catión aromático no aromático ciclopropenilo (4n+2) = 2 (4n+2) = 2 n = 0 pero n = 0 plana no es plano
  6. 6. 135 El ciclopropeno muestra una inusual tendencia a ceder un hidruro para asíformar un carbocatión aromático ciclopropenilo mucho más estable que la moléculaneutra.Otro ejemplo: H H H -H ciclopentadieno anión aromático no aromático ciclopentadienilo (4n+2) = 4 (4n+2) = 6 n = 1/2 no plano n = 1 planoEsquema Nº1 Por lo mismo, se ha encontrado que este hidrocarburo presenta también uninusual carácter ácido pKa = 16, semejante a los alcoholes, valor que contrasta conla acidez que muestran los alcanos pKa alrededor de 40 a 50. Esto se debería a lagran estabilidad que logra el anión al adquirir una estructura aromática. Cuando no se cumple la regla del (4n + 2), se dice que estos compuestoscíclicos son anti aromáticos a pesar de tener dobles enlaces conjugados.Por Ejemplo: ciclobutadieno ciclopentadienilo ciclopropenilo neutro catión anión (A) (B) (C)Estructura Nº8 Y ninguna de ellas es aromática, puesto que no cumplen con la condición detener un valor de n entero. Son estructuras poco estables. Para (A) que tiene cuatro electrones π localizados en cuatro orbitales p sepuede ver el siguiente diagrama de energía de orbitales moleculares: E ciclobutadienoDiagrama Nº2
  7. 7. 136 De los cuatro orbitales moleculares hay dos entre ellos de igual energía(Diagrama Nº2). A esos orbitales isoenergéticos se les llama degenerados, en lajerga de los químicos teórico cuánticos. Los cuatro electrones deben ser colocadosentonces, llenando los orbitales moleculares desde aquel de menor energía haciaarriba y aquellos orbitales degenerados o isoenergéticos deben ser llenados con unelectrón cada vez. De esta manera hay dos electrones que quedan desapareados yla molécula no es aromática. Una situación semejante se presenta en las otras dos moléculas queacompañan al ciclobutadieno. Demuestre usted ahora esa condición de noaromaticidad que presentan esas estructuras iónicas. Otra estructura interesante es la que presenta el cicloheptatrieno: H H H H -H -H anión cicloheptatrieno catiónEsquema Nº2 Los diagramas de energía de los orbitales involucrados con estas estructurasse muestran a continuación: E anión neutra catión (A) (B) (C)Diagrama Nº3 La estructura (B) que es la molécula neutra, no es aromática a pesar decumplir la regla de Hückel, ya que, por no ser plana, (posee un carbono –CH2 - conhibridación sp3) no puede deslocalizar los electrones alrededor del anillo.
  8. 8. 137 La estructura (A) es una estructura plana, pero no cumple con la regla de (4n+ 2), y posee electrones desapareados (ver diagrama Nº3) por lo tanto es anti-aromática. La estructura (C) es una estructura plana, ya que, al perder un hidruro (protóncon dos electrones) en el carbono sp3, este cambia a hibridación sp2 quedandoentonces un orbital vacío p paralelo al resto de los orbitales p del anillo conjugado.Cumple además con la regla de Hückel y por lo tanto es aromático.Problema: Si los pares de electrones no compartidos del nitrógeno que están en el pirrol ytambién en piridina, en un orbital atómico sp2. ¿ Implica este hecho que ambasmoléculas son aromáticas?. ¿Puede dar usted una explicación razonable en caso deque su respuesta sea afirmativa o negativa? Pirrol N H Piridina N NOMENCLATURA DE LOS COMPUESTOS AROMÁTICOS. Los compuestos se conocen desde hace mucho tiempo, incluso, antes queaparecieran las reglas de la nomenclatura IUPAC, por esa razón, hay en la literaturaactual numerosos ejemplos de nombres triviales en la química de esta familia. Porejemplo: CH3 CHO COOH NH2 benceno tolueno benzaldehido ácido benzoico anilinaEstructura Nº9 NO 2 OH CH CH2 CH3 COOH HO OH CH3 OH nitrobenceno fenol estireno para-xileno ácido gálicoEstructura Nº10
  9. 9. 138 IUPAC, acepta estos nombres no sistemáticos. Pero nombre sistemático deestos compuestos, lo define IUPAC como la combinación del nombre delsustituyente como prefijo del nombre benceno. Así por ejemplo (Vea la Tabla Nº1): Sustituyente Grupo funcional. Nombre del Nombre común compuesto. Hidroxi -OH Hidroxibenceno Fenol Amino -NH2 Aminobenceno Anilina Etenil -CH=CH2 Etenilbenceno EstirenoTabla Nº1 Cuando el anillo benceno está como sustituyente, su nombre es fenil, y elcarbono de la valencia libre es el Nº1; otros sustituyentes aromaticos son: fenil CH2 CH C bencil benciliden bencilidin CH C difenilmetil trifenilmetil
  10. 10. 139Benceno disustituido: Cuando sobre el anillo hay más de un sustituyente, aparecen diferentesestructuras isoméricas: ISÓMERO G S ORTO G G MONO META S G PARA S En general estos isómeros se abrevian con una letra como sigue: o- de orto, m- de meta y p-de para. En esta nomenclatura, lo importante es la posición relativa de lossustituyentes. El grupo sustituyente G puede estar sobre cualquier átomo decarbono del anillo. Hay veces en que se combina esta regla de la disustitución o, m, p connombres comunes no sistemáticos. Por ejemplo: OH ISÓMERO SUSTITUCIÓN NO2 o-nitrofenol (1-2) ORTO
  11. 11. 140 NH2 m-cloroanilina (1-3) META Cl CO2H ácido p-hidroxibenzoico (1-4) PARA OHFigura Nº2 Cuando hay más de dos sustituyentes en el benceno, se numera el núcleoaromático siguiendo el sentido que dé a los sustituyentes la menor numeraciónposible. Además, hay que respetar la precedencia de los grupos funcionales. Vea latabla Nº1, Capítulo Nº1. OH NH2 1 2 NO2 1 3 5 3 4 H3C Cl NH2 4-amino-2-nitrofenol 3-cloro-5-metilanilina y no 4-hidroxi-3-nitroanilina y no 3-amino-5-clorotoluenoEstructura Nº13 CO 2H OH 1 Br 3 NH2 2 2 5 1 O 2N 4 CHO OH ácido 2-bromo-4-hidroxi-5-nitrobenzoico 2-amino-3-hidroxibenzaldehidoEstructura Nº14
  12. 12. 141 Observe que se ha dado la numeración 1, al carbono perteneciente al anilloque tiene unida la función química más importante entre los sustituyentes, es decir,la función que tiene la mayor precedencia en química orgánica. (Capítulo 1) Estafunción prioritaria, nos informa, a qué familia química pertenece la molécula quetenemos delante. El sentido de la numeración, sigue el mismo criterio citado ya, esdecir, darle al resto de los sustituyentes, la menor numeración posible. En el nombrefinal, estos se ordenan según orden alfabético. REACCIONES QUÍMICAS DEL BENCENO Desde aquí en adelante, tomaremos la molécula de benceno como modelorepresentativo de la familia de los aromáticos, estudiando en él, las diferentespropiedades químicas de estos compuestos. La sustitución electrofílica es la reacción más común de estos compuestosEsta consiste en el reemplazo en el anillo de un hidrógeno por otro átomo o grupode átomos. El mecanismo general describe el ataque de un electrófilo losuficientemente fuerte como para producir un intermediario no aromático en la etapalenta: H E H E H E + EEsquema Nº3 Aquí, E+ es el electrófilo. Las tres estructuras contribuyentes de la derecha(Pueden ser reemplazadas por un híbrido de resonancia que se muestra más abajo)ponen de manifiesto, que el carbono al cual se une el electrófilo, cambia suhibridación de sp2 a sp3, es decir, hay ruptura de la aromaticidad, y por consiguientehay un aumento de la energía de este catión intermediario con relación a la moléculaaromática. A esta estructura de alta energía se le llama complejo sigma.
  13. 13. 142 H E H E H E H E estructuras contribuyentes híbrido de resonancia Estructura del complejo sigma representado como un híbrido de resonancia.Figura Nº3 La formación del complejo sigma, va precedida del paso por el complejoactivado o de transición de máxima energía de activación (vea el gráfico Nº2)Nótese además, que en las estructuras contribuyentes, la carga positiva se dispersaen el interior del anillo afectando específicamente a los carbonos orto y para conrelación al carbono del electrófilo. Como se mencionó anteriormente, este hechoocurre lentamente, constituyéndose en la etapa determinante de la reacción. Luego viene una segunda etapa rápida, en la cual, el sistema se estabilizapor pérdida del protón (Ver gráfico Nº2), recuperando así su aromaticidad al quedarnuevamente todos los carbonos del anillo aromático con hibridación sp2: H E E rápido + B + BHEsquema Nº4 El protón es sacado por B- que es la base de Lewis en el sistema. Note queesta base podría actuar como un nucleófilo también y adicionarse al anillo formandoun ciclohexadieno, sin embargo, no sucede porque se pierde la aromaticidad y elproducto sería uno de mucha más energía.
  14. 14. 143 E B E H E E H coordenada de reacciónGráfico Nº1 Muchas de estas reacciones pueden ser llevadas a cabo a temperaturasrelativamente moderadas, menores a 100ºC. El diagrama de reacción (Gráfico Nº2), representa la curva típica de lasustitución electrofílica en un anillo aromático. La formación de T1, tiene la energíade activación más alta y representa la etapa lenta de la reacción, aquella en la cual,el sistema comienza a perder su aromaticidad hasta llegar al intermediario ocomplejo sigma con el carbono tetraédrico. El complejo de transición T2, que se forma cuando el intermediario comienzaa perder el protón para recuperar su aromaticidad, tiene una energía de activaciónmenor, lo que significa que es una etapa más rápida que la anterior. La salida delprotón lleva a la formación del producto. T1 T2 E Ea reac. prod. coordenada de reacciónGráfico Nº2
  15. 15. 144MECANISMO DE LAS REACCIONES DE SUSTITUCIÓN AROMÁTICA Y LA MONOSUSTITUCIÓN EN EL ANILLO AROMÁTICO. Las reacciones de sustitución en un anillo aromático, abren una puertaenorme al campo de la síntesis orgánica. Esta se proyecta hacia diversos camposdel diario vivir. Por ejemplo, en muchos de los plásticos, detergentes, combustibles,fármacos y drogas, etc. que estamos utilizando diariamente A continuación se presenta un listado de las reacciones de sustitución máscomunes que tienen lugar entre un compuesto aromático y un reactivo electrófilo.Estas son:1.- Nitración2.- Halogenación3.- Sulfonación4.- Alquilación5.- Acilación.1.- NITRACIÓN. En esta reacción el electrófilo es el ión nitronio (NO2+). Este catión se generain situ por la acción del ácido sulfúrico (pKa = -5,2) sobre el ácido nítrico (pKa =-1,4).De acuerdo con los valores relativos de pKa, el ácido sulfúrico actúa como un ácidoprotonando al ácido nítrico según el equilibrio: H2SO4 + HNO 3 H2NO 3 + HSO 4Esquema Nº5 Luego el ácido conjugado del ácido nítrico se desproporciona formando así laespecie nitrante –NO2+ ( ión nitronio ): H2NO 3 H2O + NO 2Esquema Nº6 Este electrófilo fuerte, ataca al anillo aromático en una primera etapa lenta,rompiendo su aromaticidad: H NO2 lento + NO2
  16. 16. 145Esquema Nº7 Lo que sigue es el ataque de la base conjugada del ácido sulfúrico,extrayendo el protón del complejo y restaurando así el sistema aromático. Esta etapava acompañada de emisión de energía al alcanzar el sistema un estado estable quees el producto de la reacción: H NO 2 NO 2 rápido + HSO4 + H2SO 4 nitrobencenoEsquema Nº8 El producto final de esta reacción es el nitrobenceno. Como usted pudo ver, elácido sulfúrico actuó como generador de la especie nitrante y también comocatalizador de la reacción ya que se recupera al final en la última etapa.2.- HALOGENACIÓN. La fluoración y la iodación son reacciones poco frecuentes en un laboratorioquímico y requieren de reactivos especiales. Por esa razón no serán tratadas aquí. En cambio, la cloración y la bromación del benceno, se efectúan en presenciade un catalizador ácido como el trihalogenuro férrico respectivo. Por ejemplo, paraclorar el benceno utilizaremos el tricloruro férrico y para bromar será necesario eltribromuro férrico. El mecanismo de estas halogenaciones se desarrolla al igual quela nitración, en dos etapas: Primero, el ataque del electrófilo sobre el anillo paraformar un intermediario con la pérdida momentánea de la aromaticidad del bencenoen una etapa lenta: H lento + Cl Cl FeCl3 Cl + FeCl4Esquema Nº9 Aquí hay que recordar que el catión intermediario es un híbrido de resonanciaen el cual intervienen tres estructuras contribuyentes que deslocalizan la cargapositiva alrededor del anillo. En una segunda etapa rápida, la base conjugada FeCl4- extrae el protóndesde el carbono sp3 del anillo, para así recuperar el carácter aromático en elproducto.
  17. 17. 146 H Cl rápido Cl + FeCl4 + HCl + FeCl3Esquema Nº10 La forma de la curva o diagrama de reacción es cualitativamente semejante ala de la nitración y en este aspecto, la bromación tiene también las mismascaracterísticas o requerimientos energéticos.3.- SULFONACIÓN. Es una reacción de gran importancia industrial, sobretodo en el campo de losdetergentes. En el laboratorio el benceno es sulfonado con ácido sulfúrico fumante,o sea, una mezcla de ácido sulfúrico y anhídrido sulfúrico SO3. Al parecer, el agente electrofílico se generaría por autoprotolisis del ácidosulfúrico y posterior descomposición de esta especie protonada: 2 H2SO4 H3SO4 + HSO 4 H3SO 4 H3O + SO 3Esquema Nº11 El electrófilo SO3 tiene el átomo de azufre altamente deficiente en electronesdebido a la mayor electronegatividad de los oxígenos unidos a él, y por lo tanto, esel átomo de azufre el que atacará y se unirá con el carbono del anillo aromático: O O S O S O O O azufre altamente electronegativoFigura Nº4 La sulfonación se distingue de la nitración y de la halogenación, porque laetapa lenta de la reacción no es la formación del enlace C-electrófilo, ni la salida delprotón en la segunda etapa:
  18. 18. 147 H SO3 lenta + SO3 lentaEsquema Nº12 La remoción del protón en la siguiente etapa desde el carbono sp3 es unaetapa semejante en cuanto a energía a la etapa anterior en la reacción. Este hechoes importante en la reversibilidad del equilibrio(esquema Nº12 y 13): H SO 3 SO 3 lento + HSO 4 + H2SO 4 lentoEsquema Nº13 Finalmente, el medio ácido de la reacción proporciona el protón. SO3 SO 3H rápido + H3O + H2O rápido ácido benceno sulfónicoEsquema Nº14 La sulfonación, es entonces una reacción reversible. Como se veráposteriormente, tiene numerosas ventajas en síntesis, ya que este grupo (sulfón)puede ser desplazado del anillo por simple calentamiento a reflujo del compuestoaromático sulfonado en una solución diluida de ácido sulfúrico.
  19. 19. 148 T1 T2 H SO 3 E React. Product. coordenada de reacciónGráfico Nº3 En el diagrama puede verse que T2 es semejante a T1. En T2 la energía deactivación corresponde a la ruptura del enlace C(sp3))-H del intermediario.4.- ALQUILACION DE FRIEDEL Y CRAFTS. Esta es una reacción en la cual, con ayuda de un acatalizador ácido, esposible introducir una cadena lateral en el anillo aromático. El esquema general para esta reacción puede escribirse de la siguientemanera: donde R-X es un halogenuro de alquilo. R + R X + H XEsquema Nº15 La alquilación electrofílica aromática, solo puede llevarse a cabo en presenciade un cartalizador, porque el halogenuro de alquilo no es un electrófilo losuficientemente fuerte como para romper la aromaticidad del sistema. El tricloruro dealuminio, que se usa como catalizador en esta reacción, aumenta la electrofília delagente alquilante por el siguiente mecanismo: Sea RX el halogenuro de alquilo, donde X puede ser cloro o bromo: R X + AlCl3 R X AlCl3 catalizador producto coordinado R X AlCl3 R + XAlCl3 carbocatiónEsquema Nº16
  20. 20. 149 Como todas aquellas reacciones en las que se forman carbocationes, hay quetener presente un posible reordenamiento o trasposición del carbocatión a uno másestable, y así el producto de la reacción será diferente al esperado. Por ejemplo: Si R es n-propilo: CH3CH2CH2 Br + AlCl3 CH3CH2CH2 Br AlCl3 catalizador producto coordinado CH3CH2CH2 Br AlCl3 CH3CH2CH2 + BrAlCl3 compuesto coordinado carbocatión 1º muy inestable H CH3 CH CH2 CH3 CH CH3 migra un hidruro carbocatión 2º mas estableEsquema Nº17 En este caso, puede notarse que el agente alquilante ha cambiado decarbocatión primario, n-propilo, a isopropilo secundario que es más estable. Prosiguiendo con el esquema del mecanismo: H R lento + R XAlCl3 XAlCl3 H R R rápido XAlCl3 + AlCl3 + HXEsquema Nº18 Siempre en una reacción de alquilación, deberá tenerse el cuidado de utilizarun halogenuro de alquilo terciario o secundario estable, para inducir productos conpoca o nada de contaminación debido a reacciones laterales y con alto rendimientodel compuesto esperado.Ejemplo 1:
  21. 21. 150 CH3 CH3 CH3 C X + AlCl3 CH3 C + XAlCl3 CH3 CH3Esquema Nº19 El carbocatión electrofílico no puede reordenarse a una especie más estable yeste será el agente alquilante que proporcionará un producto único, elterbutilbenceno.Ejemplo 2: CH3CHCH2CH3 + AlCl3 CH3CHCH2CH3 + XAlCl3 X CH3CHCH2CH3 AlCl3X CH3CHCH2CH3 + + AlCl3 + HXEsquema Nº20 En este caso, el agente alquilante es el más estable y no hay posibilidades deque se reordene. Produce un único producto. La etapa lenta de la reacción , es decir, aquella asociada a la energía deactivación mayor al de todas las etapas, es el ataque de la especie electrofílica alanillo aromático. El resto de las etapas son rápidas y no determinantes para lavelocidad de la reacción.Limitaciones para la reacción de Friedel y Crafts. 1. Al ser los grupos alquilo, dadores de electrones, estos aumentan la densidad de aquellos en el anillo aromático, y por consecuencia, facilitan la entrada de más de un grupo alquilo. El resultado entonces, es un producto polialquilado. Esta dificultad experimental puede minimizarse si se tiene la precaución de usar un grán exceso del compuesto aromático para que de esta manera, disminuya la probabilidad de que un nuevo grupo alquilo presente en la solución se encuentre con un anillo que ya ha sido alquilado.
  22. 22. 151 2. La reacción de Friedel Crafts no se produce si se quiere alquilar un anillo aromático en el que se encuentre un grupo aceptor fuerte de electrones, como por ejemplo, el grupo nitro o ciano y en general grupos sustituyentes con efecto eléctrico (-M), ya que esta reacción es muy sensible a la disminución de la densidad electrónica del anillo 3. Tampoco es posible alquilar un compuesto aromático que tenga ya algún sustituyente de carácter básico o con electrones no compartidos, como el grupo amino, alquil amino o dialquilamino. Estos derivados interaccionan con el (ácido de Lewis) tricloruro de aluminio consumiéndolo y al mismo tiempo formando un grupo amino cuaternario fuertemente aceptor. Vea esquema Nº21, más abajo. dador fuerte aceptor fuerte H2N H2N AlCl3 + AlCl3 Esquema Nº21 4. Otra restrición se encuentra, al tratar de hacer reaccionar haluros de arilo o vinilo. Estos enlaces C-halógeno son demasiado fuertes para romperlos o si es que llegaran a romperse, lo harían tan lentamente que la reacción sería de poco interés práctico. X X C C haluro de vinilo haluro de ariloEstructura Nº15PROBLEMA ¿Es la siguiente proposición verdadera o falsa?
  23. 23. 152El nitrobenceno se alquila por Friedel y Craft en la posición meta.Exponga al menos un argumento importante que avale su respuesta.5.- ACILACIÓN DE FRIEDEL Y CRAFTS . En esta reacción no es posible el reordenamiento, como sucede en lareacción de alquilación que acabamos de ver. Solo agrega una etapa más alesquema que es la reducción del grupo carbonilo siempre que sea necesaria. El mismo catalizador utilizado en la alquilación de Friedel y Crafts, es decir, eltricloruro de aluminio, colocado frente a un halogenuro de ácido o anhidrido deácido, generará una especie electrofílica (Catión acilo) Ver esquema Nº22, capaz deatacar un sistema aromático y provocar la sustitución de uno de sus hidrógenos. Luego se dan ejemplos de reaciones de coordinación halógeno – aluminio yoxígeno – aluminio respectivamente: O R C X AlCl3 R C O + XAlCl3 halogenuro de catión acilo ácido O O R C O AlCl3 R C O + R C OAlCl3 R C catión acilo O anhidrido de ácidoEsquema Nº22 El catión acilo atacará al anillo aromático, sin posibilidad de reordenamiento,no como ocurre en algunos casos de la reacción de alquilación. El ataque transcurre lentamente. O H C R O lenta + XAlCl3 + C XAlCl3 REsquema Nº23
  24. 24. 153 Luego en una segunda etapa rápida, ocurre el ataque de la base conjugadaXAlCl3- o RCOOAlX3- , según sea el caso, para restablecer la aromaticidad en elsistema. Por ejemplo: O O H C R C R rápida + AlCl3 + HX + XAlCl3 acilbencenoEsquema Nº24 Las acilaciones de Friedel y Crafts, adolecen de los mismos problemasmencionados en 2 y 3 anteriormente, para la alquilación. SÍNTESIS DE ALQUILBENCENOS COMO PRODUCTO DE LA REACCIÓN DE REDUCCIÓN DE ACILBENCENOS. Como se sabe, el grupo carbonilo C=O puede ser reducido entre otros, por elmétodo de Clemmensen , es decir, por tratamiento del compuesto carbonílico conamalgama de cinc y ácido clorhídrico. C O + Zn(Hg),HCl CH2 + ZnCl2 + etc. metileno grupocarboniloEsquema Nº25 Puede utilizarse también, el método de Wolff-Kischner o Tioacetales comométodo alternativo específico para reducir los carbonilos. Así, la secuencia completa para obtener n-propilbenceno a partir de bencenoes: O C CH2CH3 O AlCl3 + CH3CH2 C + HX XEsquema Nº26 Luego hay que reducir el grupo carbonilo usando por ejemplo, el método deClemmensen:
  25. 25. 154 O C CH2CH3 CH2CH2 CH3 Zn(Hg),HCl propilbencenoEsquema Nº27 La alquilación directa con ,por ejermplo, el halogenuro de alquiloCH3CH2CH2X, no puede hacerse simplemente, porque hay un reordenamiento delcatión primario CH3CH2CH2+ a otro secundario mucho más estable: CH3CH+CH3,inhibiendo al producto esperado n-propilbenceno que es muy diferente alisopropilbenceno que es el producto principal de esta mal planificada reacción. CH2CH2CH3 CH3 CHCH3 Dos de los posibles productos de la reacción con más de tres átomos de carbono. REACCIONES DE TRANSFORMACIÓN PARA LOS SUSTITUYENTES 1 COMO INTRODUCIR UNA CADENA LATERAL AL ANILLO AROMÁTICO. Como lo vimos en la primera parte, (Recación de Friedel y Crafts), hay dosformas de llevar a cabo esta transformación:1.a) Por sustitución electrofílica con un halogenuro de alquilo, usando comocatalizador el tricloruro de aluminio (AlCl3). Hay que recordar las limitaciones de estareacción, que es la posibilidad de reordenamiento y la otra es la polisustitución delanillo debido al incremento de reactividad que se produce por el efecto eléctricodador de la primera sustitución alquílica en el anillo, que lo hace más reactivo a unasegunda, tercera, etc, sustitución.Por ejemplo:
  26. 26. 155 1.a1 Cuando hay tres o más carbonos en una cadena a introducir, esta sereordenará irremediablemente para llegar a un producto diferente al esperado: H3C CH CH3 + CH3CH2CH2X + HX AlCl3 Cuando solo hay dos átomos de carbono en la cadena de sustitución nohabrá reordenamiento.1.b) La otra forma, es por sustitución electrofílica con un anhidrido o halogenuro (Cl,o Br) de ácido de dos, tres, o más átomos de carbono, en presencia de (AlCl3). 1.b1 Una de ellas es: O O C O RCH2C AlCl3 CH2R + O + RCH2C RCH2C OH O 1.b2 La otra es: O C O AlCl3 CH2R + RCH2C + HX XAmbas reacciones 1.b1 y 1.b2, tienen la ventaja sobre las anteriores en que no seproduce reordenamiento. Aquí es importante considerar que el grupo alquilo R, de la reacción 1.a, tienela capacidad de orientación para una segunda sustitución electrofílica en el anillo ala posición relativa orto-para. De la misma manera, la reacción 1.b1 y 1. b2, introducen en el anillo un grupoacilo (RCO-), los que son orientadores meta típicos en síntesis orgánica. Si se reduce el grupo carbonilo por el método de Clemmensen, Zn(Hg),HCl ocon Hidrazina en medio básico (Wolff - Kischner), este grupo funcional acilo, se
  27. 27. 156transforma en un radical alquilo RCH2-, (el grupo carbonilo CO se ha transformadoen CH2) cambiando la orientación en una segunda sustitución, a orto-para. En otras palabras, la transformación química del CO a CH2, implica un cambioeléctrico fundamental del grupo sustituyente y consecuentemente en la orientación sise hace una segunda sustitución en el anillo: O Reducción C CH2CH2R CH2R orientador orientador meta orto-para El cambio de la estructura química del grupo funcional implica en este caso un acambio de orientación en una segunda la sustitución 2.- ALGUNAS TRANSFORMACIONES EN LA CADENA LATERAL. Una vez introducida la cadena lateral, es posible efectuar algunastransformaciones simples tales como: 2.a BROMACIÓN BENCÍLICA SOBRE LA CADENA Aprovechándo la posibilidad de halogenar el carbono vecino a un dobleenlace, alílico o bencílico, condición que se cumple justamente en el carboco unidoal anillo, llamado bencílico, por el mecanismo de radicales libres (Ver también elcapítulo de alquenos), utilizando la N-bromosuccinimida como inductor, con lo quees relativamente fácil obtener un producto halogenado como el que se muestra acontinuación: Br CH2 R CH R NBS 2.b FORMACIÓN DEL DOBLE ENLACE EN LA CADENA 2.b1 El tratamiento de un halogenuro de alquilo o arilo con una base fuerte comoel hidróxido alcalino (KOH), da lugar a la formación de un doble enlace en la cadenalateral por una simple eliminación de HBr.
  28. 28. 157 CHBr CH2R CH CHR OH H2O La amida sódica, también es una buena base para obtener el doble enlace enun halogenuro de alquilo o arilo: CHBr CH2R CH CHR NaNH2/NH3 NaBr He aquí otro ejemplo de como introducir un doble enlace en una cadenalateral: Br CH2CH2CH3 CHCH2CH3 CH CHCH3 NBS KOH/EtOHEsquema Nº33 Esta secuencia muestra la manera más común de introducir un halógeno enuna cadena lateral, y crear posteriormente por eliminación un doble enlace al tratarel compuesto con una base fuerte como el hidróxido.o amida sódica Ahora bién,sobre este doble enlace, pueden aplicarse todas las reacciones de alquenos que yase han visto anteriormente. (Ver capítulo 3) 2.c-TRANSFORMACIONES QUE PUEDEN HACERSE SOBRE UN DOBLE ENLACE EN UNA CADENA LATERAL. 2.c.1-También, a partir de un doble enlace, es posible crear un grupofuncional aldehido -CHO como sustituyente en el anillo aromático. Para esto, solobasta con la ozonolisis del compuesto en cuestión:
  29. 29. 158 CH CHR CHO O 3/Zn (H2O) + RCHO Zn(OH)2 2.c.2- Si se utiliza un oxidante más enérgico, como por ejemplo el KMNO4 enmedio ácido, se logra la formación de ácido benzoico: CH CHR COOH KMnO4/H2SO 4 + RCOOH MnO 2,H2O 2.c.3 Pero si el compuesto aromático no posee hidrógenos alfa, obtendremosuna cetona (Recuerde que la oxidación a ácido carboxílico de una cadena lateral deun anillo aromático se produce solamente si en el carbono alfa hay por lo menos unátomo de hidrógeno). CH3 CH3 C CHR C O KMnO 4/H2SO4 + RCOOH MnO 2,H2O La oxidación de un anillo aromático con permanganato de potasio en medioácido no lo afecta; solo afecta las cadenas laterales sin importar su estructuraalifática, y lo más importante es que tengan al menos un hidrógeno bencílico. Laoxidación conduce a la formación de un grupo carboxilo en el carbono bencílico,perdiéndose el resto de la cadena. Nótese que aquí hay un cambio de orientacióndel sustituyente al ir desde alquilo orientador o-p (activador) a carboxilo orientador m(desactivador)
  30. 30. 159 hidrógeno bencílico CHR2 COOH KMnO4/HEsquema Nº39Otro ejemplo: hidrógenos bencílicos COOH KMnO4/H COOHEsquema Nº40 3.-OBTENCIÓN DE UN DIHALOGENURO VECINAL 3.a Dentro de estas reacciones de alquenos está la adición de bromo entetracloruro , obteniéndose asi un dihalogenuro vecinal. CH CHCH3 CHBr CHBrCH3 Br2/CCl4 Esta reacción es importante para la obtención de un triple enlace. Ya que alser tratado con una base fuerte como el amiduro de sodio en amoníaco, se produceun alquino.
  31. 31. 160 CHBr CHBrCH3 NaNH2/NH3 (líquido) C C CH3 + NaBr La presencia de un triple enlace en la cadena lateral, habre la posibilidad deaplicar sobre él, las transformaciones químicas ya vistas en el capítulo de losalquinos, como por ejemplo Hidratación con disiamilborano (DSMB) O O C C R DSMB/ H2O C CH2 C + H2O2,OH CH2R R Obteniendo una mezcla compleja de cetonas aromáticas isoméricas. 4.-COMO OBTENER UNA AMINA A PARTIR DE NITROBENCENO: Por simple reducción con cinc y ácido clorhídrico, se puede reducir el gruponitro a amino. NO2 NH2 Zn/HClEsquema Nº34 NO2 NH2 Zn/HCl NO2 NH2Esquema Nº35
  32. 32. 161 Si hay dos grupos nitro, puede reducirse solo uno de ellos por reacción conpolisúlfuro de amonio: NO2 NH2 (NH4)2Sx NO 2 NO 2Esquema Nº36 5.- OBTENCIÓN Y UTILIZACIÓN DE LAS SALES DE DIAZONIO EN SÍNTESIS El tratamiento de la amina aromática con nitrito de sodio en medio ácidoclorhídrico y a baja temperatura, produce un compuesto químico llamado cloruro debencenodiazonio o comunmente una sal de diazonio. Estas sales son muyinestables a temperatura ambiente y por lo tanto deben ser mantenidos a unatemperatura inferior a los 5ºC para poder utilizarlas posteriormente. Como se podráver, es un intermediario muy importante en los procesos sintéticos de la químicaorgánica: NH2 N2 Cl NaNO2/HCl 5ºC sal de diazonioEsquema Nº37 La utilidad de las sales de diazonio queda demostrada en el esquema de másabajo:
  33. 33. 162 OH CN Cl H2O,H N 2 Cl CuCN HCl,Cu2Cl2 I Br KI HBr,Cu2Br2 H3PO 2Diagrama Nº7 Las sales de diazonio pueden ser fácilmente transformadas en los respectivoshalogenuros de arilo por tratamiento de la sal con el respectivo halogenuro cuproso.Esta transformación se llama reacción de Sandmeyer. Por otro lado, los ioduros dearilo se obtienen al tratar la sal de diazonio con ioduro de potasio. Ver el diagramaNº7 más arriba. Con cianuro cuproso se puede introducir un grupo nitrilo al anillo,obteniendose el benzonitrilo que es un valioso intermediario para obtener ácidosbenzoicos y otros compuestos: CN COOH H3OEsquema Nº38 Si la sal de diazonio se calienta en agua, se obtiene fenol. No hay otrométodo tan simple y directo para introducir un grupo OH en un anillo aromático. Finalmente, el tratamiento de la sal de diazonio con ácido hipofosforoso, nospermite remover el grupo N2+ (diazonio) y así poder aprovechar el efecto orientadorde un grupo nitro o amino para introducir otro grupo sustituyente antes de sueliminación.
  34. 34. 163 DISUSTITUCIÓN ELECTROFÍLICA AROMÁTICA EN EL BENCENO. Designemos como G al grupo sustituyente en el benceno. La pregunta importante que es necesario hacerse al querer hacer una segundasustitución sobre el anillo es: ¿Cómo influye eléctricamente este grupo yasustituido en la reactividad del sistema aromático?. Para responderla, lo que debemos hacer es simplemente: clasificar los diferentesátomos y/o grupos de átomos que configuran el sustituyente G, según los efectoseléctricos inductivo (I) y mesomérico (M). (Ver también el capítulo 2) Intuitivamentees válido suponer que, la suma y magnitud relativa de estos dos efectos en elsustituyente debería darnos una idea general del comportamiento eléctrico del grupoen el sistema aromático. Examinemos cuidadosamente los diferentes tipos de sustituyentes. Se conocen tres tipos de sustituyentes, según las magnitudes relativas de losefectos eléctricos inductivo (I) y mesomérico (M). Estos son: 1) Grupos con efecto (+I, +M) que son: 1a.- Aquellos que están unidos al resto de la molécula por un átomo de carbono sp3 (Vea que el valor de la electronegatividad del C= 2,5 y del hidrógeno H= 2,2) y este a su vez, a hidrógenos o a otro carbono con carga formal = 0. Ejemplo de estos grupos es: -CH3, -CH2R, -CHRR´, -CRR´R´´. 1b.- Aquellos grupos iónicos como: –O-, o el carboxilato –COO-, los cuales poseen una gran densidad electrónica. Son en general bases conjugadas de ácidos fuertes. Todos ellos son dadores netos de electrones. Son incapaces de recibir o acomodar cualquier incremento de carga electrónica extra. 2) Grupos con efecto (-I, +M) En esta categoría de sustituyentes hay que diferenciar dos subgrupos: 2a.- Aquellos grupos en los cuales el efecto inductivo (-I), parece ser muy pequeño en valor absoluto, comparado con el efecto mesomérico (+M), lo que estaría implicando un efecto eléctrico neto dador. Estos átomos o grupos de átomos que conforman el sustituyente, se caracterizan por estar unidos al resto de la molécula por un átomo más electronegativo que el carbono, (O, N) de ahí su efecto (-I) y por otro lado, tener pares de electrones no compartidos, los que pueden ser cedidos al sistema pi, a través de una efectiva superposición de orbitales del tipo p. Este último efecto es óptimo si el tamaño de aquellos orbitales atómicos son de un tamaño similar. Vea la figura de más abajo. Esto se da entre el Carbono y el Oxígeno o el Nitrógeno.
  35. 35. 164 C O C N Son átomos que están ubicados en la misma fila o período de la tablaperiódica, es decir, usan orbitales 2p de igual tamaño para una efectivadeslocalización. Ejemplo de este tipo de sustituyentes es: OH OCH3 OR NH2 NHR NRR´2b.- Aquellos grupos en los cuales el efecto inductivo (–I) predomina sobre elefecto mesomérico (+M) En este caso, el efecto eléctrico neto es aceptor. Entre estos grupos de sustituyentes están aquellos en los que el átomodirectamente unido al resto de la molécula pertenece al tercer, cuarto o quintoperíodo o fila de la tabla periódica. (S, Cl, Br, I) Estos átomos, son todos más electronegativos que el carbono, por eso,presentan un efecto inductivo negativo o (-I) Como poseen pares de electrones desapareados, deberían presentarun comportamiento dador o efecto mesomérico positivo (+M), sin embargo,debido a que los orbitales atómicos p del carbono comparado en tamaño conlos del azufre y halógenos tales como cloro, bromo y yodo, son tan diferentesque la efectividad de la deslocalización electrónica de esos pares es mínima.Vea la figura de más abajo. Esto pone de manifiesto el hecho de que prevalezca el efecto inductivonegativo (-I) por sobre el mesomérico (+M) y entonces el efecto eléctrico netodel sustituyente es de aceptor. C X C S
  36. 36. 165 Ejemplo de estos grupos sustituyentes es: SCH3 Cl Br I 3) Grupos con efecto eléctrico (-I, -M) El tercer tipo de sustituyente es aquel que presenta un efecto eléctrico inductivo(-I) y un efecto mesomérico (-M). Estos son grupos aceptores netos. El átomo del grupo unido al resto de la molécula es el carbono. Sin embargo,este carbono siempre está unido a otro más electronegativo, por lo que presenta unefecto eléctrico inductivo negativo (-I). La electronegatividad de un átomo como el nitrógeno o el oxígeno, producenasimetría en la densidad electrónica del enlace sigma entre ambos átomos,aumentando así la electronegatividad del carbono, creando de esta manera unfuerte efecto eléctrico inductivo (-I) sobre el resto de la molécula. C O C O enlace sigma En este tipo de sustituyente, el enlace entre estos átomos es además de tipomúltiple, doble o triple. Por lo tanto también intervienen enlaces de tipo pi. Porejemplo: O C C N QDonde Q puede ser: H OH OR NH2 NHR NRR Como todos los átomos involucrados pertenecen al mismo período en la tablaperiódica (filas), los orbítales 2p son similares y el efecto eléctrico mesomérico (-M)de estos grupos se manifiesta fuertemente sobre todo el sistema pi de la molécula. Un enlace múltiple entre carbono, nitrógeno y oxígeno, con diferenteelectronegatividad da lugar a enlaces polarizados, con la densidad de carga
  37. 37. 166negativa sobre el átomo más electronegativo. Así se puede observar en los gruposde esta categoría: O O C C Q Q C N C N Hay otro sustituyente que ha sido dejado aparte porque no interviene el átomode carbono en su estructura como átomo directamente unido al resto de la molécula,este es el grupo nitro Aquí el átomo del grupo que está unido al resto de la molécula, es elnitrógeno, que pertenece al mismo período que el carbono en la tabla periódica. Eltamaño de los orbitales atómicos es semejante y por lo tanto, el efecto mesoméricose manifiesta fuertemente. Por otro lado, el nitrógeno (3,0) que es máselectronegativo que el carbono (2,5), hace que este grupo presente un pronunciadoefecto atractor (-I) sobre el resto de la molécula. O N O En este grupo, también hay enlaces de tipo pi entre átomos de diferenteelectronegatividad, ( O= 3,4; N= 3,0) de ahí la aparición de un fuerte efecto eléctricomesomérico (-M), semejante al resto de los grupos de este tipo. En resumen, el resultado de esta doble acción, es hacer que el átomo denitrógeno del grupo que está unido directamente al resto de la molécula, seadeficiente electrónicamente en su entorno, a través de su enlace sigma (-I) ydeficiente también a través de su enlace pi (-M). Sus dos efectos eléctricosnegativos apuntan en el mismo sentido y por tanto es un grupos netamente atractorde electrones.
  38. 38. 167 En general, entonces, gracias a la combinación de estos mecanismoseléctricos, los sustituyentes, son capaces de hacer variar la reactividad de lasmoléculas, donde y cuando ellos estén presentes. Como lo veremos ahora y a grandes rasgos, los grupos sustituyentes semanifiestan de dos maneras: cediendo electrones o captando electrones hacia sí. Esdecir, hay solo dos alternativas considerando a G como el grupo sustituyente: (a): Si G es un grupo dador de electrones (+I,+M) y (-I,+M), las diferentesdensidades de carga eléctrica en el anillo se distribuirán, como puede observarseclaramente en las estructuras contribuyentes (B), (C) y (D): G el grupo G es un dador de electrones G G G G (A) (B) (C) (D)Diagrama Nº5 Nótese que el grupo dador, aumenta la densidad electrónica en el anillo enlas posiciones 2-4 y 6, es decir, en orto y para con respecto al sustituyente G. Un grupo electrofílico, evidentemente atacará aquellas posiciones quemuestren una mayor densidad electrónica. Por esa razón a este grupo dador G, sele llama orientador orto-para y su velocidad de reacción será mayor mientras mayorsea la densidad de carga inducida, en comparación con la densidad electrónica enel anillo del benceno. En otras palabras, un grupo activador aumentará la densidadelectrónica en las posiciones orto y para relativa al sustituyente G, y la velocidad de
  39. 39. 168reacción frente al ataque de un electrófilo, será con relación al benceno, mayormientras mayor sea el aumento de densidad electrónica inducida.Por ejemplo: op op op E + E E Mezcla de productos Debe agregarse que dentro del conjunto de grupos activadores (Ver en elrecuadro la tabla Nº2), los últimos, es decir los alquilos son activadores débiles, ydel resto, las dos primeras filas corresponden a los grupos activadores más fuertes. NH2 , NHR , NR2 OH , OCH3 , OR NHCOCH3 , NHCOR CH3, CH2R, CHR2 grupos activadores y orientadores orto-paraTabla Nº2b): Cuando el grupo sustituyente G en el benceno es un aceptor, la distribución de ladensidad electrónica en el anillo cambia radicalmente en comparación al caso delgrupo dador.
  40. 40. 169 G G G G GDiagrama Nº6 Observando las estructuras contribuyentes, se encuentra que la posiciónmeta es la que presenta una mayor densidad de carga relativa, dentro del anillosustituido, pero, si se la compara con el benceno, esta será menor.Por ejemplo: m m E E Todos aquellos grupos que tienen un comportamiento similar al descrito, seles llama grupos desactivadores y son orientadores meta en una segundasustitución electrofílica aromática. Pertenecen a aquellos grupos caracterizadoseléctricamente por sus efectos (-I,-M).
  41. 41. 170 COR, COOH, COOR, CHO CONH2, CONHR, CONR2 CN, NO2 , NR3 grupos desactivadores y orientadores metaTabla Nº3 Un caso especial lo presentan los halógenos. El efecto eléctrico neto de estosgrupos hace que ellos sean atractores de electrones por lo que desactivan al anilloaromático, sin embargo, como poseen electones no compartidos en su capaelectrónica externa, su efecto produce orientación orto- para. Estos grupos orientanla sustitución electrofílica a las posiciones orto y para, pero como sondesactivantes, su velocidad de reacción será menor a la velocidad de reaccióndel benceno. F , Cl , Br , I grupos desactivadores, pero orientadores orto para.Tabla Nº4PROBLEMA: Dibuje las estructuras de los productos principales de la reacción demono nitración para cada uno de ellos usando una mezcla de HNO3/H2SO4. NO 2 OH CH3 Br NHCH3 NH3 (1) (2) (3) (4) (5)
  42. 42. 171 Haga un esquema de síntesis para obtener (Y) a partir de benceno ycualquier otro reactivo orgánico o inorgánico necesario: (Y) Br CHO CRITERIOS PARA DEFINIR LA ORIENTACIÓN EN UN BENCENO YA DISUSTITUIDO ¿Que sucede con la orientación hacia la sustitución, cuando se deseapredecir el producto que resulta de hacer una nueva reacción de sustitución en unanillo bencénico donde ya hay de antemano dos sustituyentes? Experimentalmente se ha encontrado que según el tipo de sustituyentespresentes previamente en el anillo, es posible notar ciertas tendencias que permitenhacer buenas estimaciones con relación al producto que se espera al hacerexperimentalmente la reacción. Estas tendencias pueden ser agrupadas en forma gruesa, en tres grupos,según la combinación de los efectos eléctricos de los sustituyentes:Caso (A): Donde ambos grupos son (+I,+M) o (-I,+M) y cualquier combinación entreellos. Sus condiciones experimentales (Por ejemplo: temperatura y presión) songeneralmente suaves. Estos grupos son orientadores orto-para (op). De maneraque si op1=op2, entonces tendremos que:a1.- Ambos sustituyentes iguales en posición orto uno con respecto al otro: op1 op 1 op1 op 2 op2 op2 E + E E Mezcla de productos Si op1≠op2, entonces se obtendrá una mezcla compleja de productos. Porejemplo:
  43. 43. 172 OH OH OH OH OH CH3 CH3 CH3 E CH3 CH3 E + + + E E E Mezcla compleja de productosa2.- Los sustituyentes iguales op1 y op2 están en posición meta uno con respectoal otro: op 1 op1 op1 E E + op2 op2 op2 E Producto principal En el ejemplo que sigue ahora, op1 y op2 son diferentes y ambossustituyentes tienen aproximadamente la misma capacidad orientadora, sinembargo, es de esperar que por la disposición de los grupos, por ejemplo, CH3 y Cl,aquella sustitución que se produciría entre ambos sustituyentes debería tener unmenor rendimiento. Es lo que se conoce como impedimento estérico, y los dos productosrestantes serán los productos posibles o más probables. Cl Cl Cl Cl E E E + + H3C H3C H3C H3C E productos principales de la reaccióna3.- Ahora, si los sustituyentes están en posición para uno respecto al otro y siop1=op2, entonces deberíamos esperar que el producto de esta reacción sea:
  44. 44. 173 op1 op 1 E E op2 op 2 Si op1≠ op2, el sustituyente más fuerte dirigirá la sustitución. Sin embargo, elproducto final de la reacción estará fuertemente contaminado. Estas son reaccionesrápidas en condiciones óptimas de temperatura. Por ejemplo: OH OH OH E E + E CH3 CH3 CH3 Mezcla compleja de productos contaminadosCaso B: Uno de los sustituyentes es director orto-para, es decir, pertenece a losgrupos (+I, +M) o (-I, +M). El otro pertenece al grupo (-I,-M), es decir, orientador a laposición meta. Aquí se pueden presentar los siguientes casos:b1.- Sus posiciones relativas son orto, y de acuerdo con nuestros conocimientosprevios, producirán: op op op m E m m E + E Mezcla de productos El siguiente ejemplo muestra que la dirección de la sustitución esta dirigidapor el sustituyente activador. En este caso el grupo -CH3:
  45. 45. 174 NO 2 NO 2 NO 2 CH3 CH3 CH3 E + E E Mezcla de productosb2.-En el siguiente caso, se obtendrá una mezcla de productos, aun cuando será elgrupo op quién dirija la sustitución. Sin embargo es de esperar también lacontaminación con el compuesto producido por la acción directora del grupo m. op op op op E E E + y m m m m E Mezcla de productos Prod. secundario El producto secundario, debido al impedimento estérico provocado por losgrupos originales en posición relativa meta, no sobrepasa generalmente el 5% deltotal de los productos.Por ejemplo: CH3 CH3 CH3 CH3 E E E + y CN CN CN CN E Mezcla de productos Prod. secundariob3.- Aquí los sustituyentes están en posición relativa para, y hay que esperar otravez que aquel sustituyente orientador op sea el que mande en la orientación porsobre m. La posición de ambos sustituyentes hace que entre ellos se refuercen paradar solo un único producto. Nótese que en este caso hay un reforzamiento en elefecto orientador de ambos grupos.
  46. 46. 175 op op E E m m Único producto Debería esperarse una reacción relativamente lenta en condiciones óptimas,debido a la presencia en el anillo aromático, de un grupo desactivador. CH3 CH3 E E NH4 NH4 Único producto Otro caso simple como el anterior en que los grupos presentes en el anillorefuerzan sus efectos orientadores es: E NH2 NH2 E NO 2 NO2 aquí hay refuerzo en la orientación El grupo NH2 orienta a orto y para, siempre que el medio no sea fuertementeácido. El NO2 es orientador meta y sus efectos coinciden en la posición orto conrelación al grupo amino.
  47. 47. 176 Orienta op Orienta m NH2 NH3 medio ácido La orientación del grupo amino cambia de op a m por protonación en un medio ácido. Si el medio fuera fuertemente ácido se hace necesario proteger el grupoamino evitando así su protonación. Su protección se logra haciendo reaccionar la fenilamina con anhidridoacético para formar la acetanilida, mucho menos básica que el grupo amino -NH2 ,conservando la orientación op. NH2 NHCOCH3 (CH3CO)2O + CH3COOH (CH3CO)2O es el anhidrido acético La recuperación posterior del grupo amino se realiza facilmente mediante uncalentamiento suave de la acetanilida en medio ácido. NHCOCH3 NH3 O 2CCH3 Ácido diluidoCaso C: Cuando ambos grupos sustituyentes son (-I,-M), es decir, son ambosdesactivadores u orientadores meta, (mi), aparecen estas tres posibilidades segúnlas posiciones relativas de los sustituyentes:
  48. 48. 177c1.- En este caso, ambos sustituyentes son iguales, lo que hace que el productosea único: m1 m1 m2 m2 E E Único producto Sin embargo, si los sustituyentes son diferentes, entonces aparecerán lascomplicaciones. El producto esperado estará altamente contaminado: NO2 NO2 NO2 CN CN CN E + E E Mezcla de productosc2.- Ambos grupos sustituyentes son iguales y son orientadores meta, Por suposición relativa, ellos se refuerzan entre si dando entonces solo un producto. m1 m1 E m2 E m2 Único producto De la misma manera, si ellos son diferentes darán por su orientación relativaen el anillo, un solo producto. Por ejemplo:
  49. 49. 178 NO2 NO 2 E CHO E CHOc3.- La posición relativa para entre los sustituyentes se refuerza siempre que ambossean iguales. m1 m1 E E m2 m2 Único producto Si m1≠ m2, entonces esta vez habrá mezclas complicadas en todos loscasos, NO2 NO 2 NO 2 E E + E COOR COOR COOR Todas las reacciones del tipo C serán por supuesto, más lentas con respectoa las mismas reacciones con el benceno, debido a que en este caso, ambos grupossustituyentes son desactivadoresPROBLEMA:
  50. 50. 179 De al menos dos argumentos que permitan decidir si el p-dimetilbenceno(p-Xileno) es más reactivo en una reacción de sustitución electrofílica que el p-clorotolueno. ALGUNAS SÍNTESIS DE COMPUESTOS AROMÁTICOS POLISUSTITUIDOS: Sería imposible abarcar la enorme variedad de compuestos que se puedenobtener, aplicando a su síntesis, las reacciones generales que hemos visto hastaeste momento. Sin embargo resulta útil hacer algunos comentarios generales. Cuando se planea una síntesis de un compuesto aromático, uno de loshechos importantes que hay que tener en cuenta es, la correcta secuencia deintroducción de los sustituyentes. Este orden está basado en la aplicación delconocimiento de lo que es, la activación o desactivación y la orientación de losdiferentes grupos químicos involucrados.Por ejemploSi se quiere sintetizar la molécula aromática trisustituida que se muestra másabajo, se verá que es importante el orden en que se vayan introduciendo cadasustituyente:Haga un esquema de síntesis pàra obtener(A), a partir de benceno. NO2 CH3 Cl O (A)Primero: Si usted nitra el benceno, no podrá acilar por Friedel y Crafts en una etapaposterior, puesto que este es un gropo desactivador.Segundo: Si usted clora primero, este grupo que es orientador o,p no le permitiráintroducir los otros grupos que están en posiciones relativas meta.Por lo tanto, queda la única posibilidad que es primero acilar. Luego, nitrar, no clorarporque este orientaría la nitración a posiciones o,p con relació a él. Finalmenteclorar.
  51. 51. 180 NO2 NO 2 CH3COCl NO 2 Cl2/FeCl3 AlCl3 CH3 CH3 CH3 Cl O O O (A)Otro ejemplo:Se quiere sintetizar el p-nitrotolueno y el m-nitroclorobenceno a partir debenceno y cualquier otro reativo orgánico e inorgánico necesario. Proponga unesquema de síntesis: CH3 Cl NO2 NO 2Estructura Nº16 En el primer caso, debemos tener en cuenta que el nitro es un orientadormeta y el metilo es un orientador orto-para. Como la posición relativa de ambossustituyentes es para del uno con respecto al otro, resulta lógico proceder aintroducir primero el grupo metilo en el benceno. En el segundo caso se debeintroducir primero el grupo nitro (orientador meta) y este orientará posteriormente laintroducción del cloro (que es orientador para) a la posición meta.Otro ejemplo: Si se desea obtener 1-nitro-2,4-dibromobenceno a partir denitrobenceno. Esta es una de las posibles secuencias de síntesis: NO 2 NO2 NO2 (NH4)xS HNO3/H2SO4 NO2 NH2
  52. 52. 181 NO2 NO2 NO2 Br Br Br2/FeBr3 1 NaNO2/HCl 2 H3PO2 NH2 NH2 Br BrEsquema Nº41 En este caso se ha aprovechado la activación y orientación del grupo aminopara dirigir la introducción de los dos átomos de bromo. Posteriormente el grupoamino se lleva a sal de diazonio y se elimina con ácido hipofosforoso. De otra manera, si reducimos primero el grupo nitro a amino, entonces, apartir de anilina podemos llegar al mismo producto. El elegir uno u otro camino desíntesis dependerá entre otras cosas del número de pasos necesarios, mientrasmenos pasos sean necesarios, más simple será la secuencia sintética, o bién ladisponibilidad de reactivos lo más simples y baratos posibles etc. NH2 NH2 N 2 Cl Br Br Br2/FeBr3 HNO 2/HCl Br Br N2 Cl NO2 Br Br Br H3PO2 HNO 3/H2SO 4 Br Br BrEsquema Nº42 En este caso, también se aprovecha la orientación del grupo amino paraintroducir los bromos y luego se elimina. Por último se nitra, aprovechando ahora laorientación reforzada de los dos bromos.
  53. 53. 182Ejemplo: Se desea sintetizar el p-nitrobenzoico a partir de benceno: Las orientaciones de ambos grupos son meta y por lo tanto si quiero llegar aun compuesto con los sustituyentes en posición relativa para, ninguno de ellos mesirve. Sin embargo, se sabe que el metilo es un orientador para y me será útil paraintroducir el grupo nitro en esa posición relativa. Entonces se metila primero elbenceno mediante la reacción de Friedel y Crafts con un halogenuro de metilo comoreactivo: CH3 AlCl3 + CH3BrEsquema Nº43 La nitración del tolueno produce una mezcla de isómeros los que pueden serseparados por algún método físico adecuado: CH3 CH3 CH3 NO 2 HNO3/H2SO4 + NO2 el p-nitrotolueno es el producto principal y puede ser separado por recristalizaciónEsquema Nº44 Ahora se puede oxidar el grupo metilo para obtener el producto deseado.
  54. 54. 183 CH3 COOH KMnO 4/H NO 2 NO 2Esquema Nº45 ¿Que habría sucedido si se oxida primero el metilo y luego se nitra? orientador orto-para orientador meta CH 3 COO H COO H KMnO4/H HNO 3/H2SO 4 NO2Esquema Nº46Otro ejemplo:Se quiere sintetizar el ácido o-bromobenzoico: Sabemos que el bromo es un orientador o-p y el COOH es un orientadormeta, pero sabemos además que el metilo que es un orientador o-p y que puede sertransformado posteriormente en carboxilo por oxidación del metilo conpermanganato de potasio en medio ácido, por lo tanto se puede optar por introducircualquiera de ellos primero el metilo o el bromo. Sin embargo, el bromo es undesactivante en cambio el metilo es un activante y aunque débil será más rápida lareacción con este último. CH3 CH3Br/AlCl3
  55. 55. 184 CH3 CH3 CH3 Br Br2/FeBr3 + BrEsquema Nº47 Nótese que se produce una mezcla de productos en esta etapa, sin embargo,uno puede forzar la reacción ahora, para que se produzca principalmente elproducto orto, con la ayuda de un grupo que pueda ser posteriormente removido: CH 3 CH 3 CH3 SO3 /H2SO4 SO 3 H + SO3 HEsquema Nº48 La eficiente separación del isómero para y la halogenación de estecompuesto sulfonado para su posterior hidrólisis, permite obtener un producto conmuy buén rendimiento. CH3 CH3 CH3 Br Br Br2/FeBr3 H2SO4 dil. SO3H SO3HEsquema Nº49 Solo resta oxidar el metilo con KmnO4 en medio ácido.
  56. 56. 185 CH3 COOH Br Br KMnO 4 / HEsquema Nº50 Que es el producto esperado.Otro ejemplo: Hacer un esquema de síntesis para obtener con buen rendimiento, el 1-bromo-2-clorobenceno a partir de clorobenceno y cualquier otro reactivo orgánico einorgánico necesario: Cl Cl Cl NO2 NaNO2/H2SO4 + NO2 Hay que separar ambos isómeros por algún método físico, como por ejemplola recristalización, y proseguir la síntesis con el isómero adecuado. Cl Cl Br Br2/FeBr3 NO2 NO2 Aprovechando la orientación reforzada inducida por el cloro y el grupo nitro, yluego la eliminación del grupo clorurodiazonio (–N2+Cl-) con ácido H3PO2:
  57. 57. 186 Cl Cl 1) Zn/HCl Br Br 2) H3PO2 NO2 Hay otro grupo como el sulfónico (–SO3H), que es fácilmente eliminadoproduciendo el mismo efecto del grupo nitro en la orientación y sustitución (Ver elejemplo anterior). Cl Cl Cl SO3H SO3/H2SO4 + SO3H Deben ser separados por algún metodo físico antes de proseguir con la síntesis. Cl Cl Br Br2/FeBr3 SO 3H SO 3H Este grupo es eliminado por simple calentamiento a reflujo del compuesto enuna solución de ácido sulfÀ

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