Aromaticidade e Substituição Eletrofílica Aromática

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Aromaticidade e 
Substituição 
Eletrofílica Aromática 
Paulo Henrique Barcellos França 
 
Maceió, 2014 
UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALAGOAS 
ESCOLA DE ENFERMAGEM E FARMÁCIA 
Introdução 
• Compostos aromáticos ou arenos incluem benzeno e seus 
derivados 
 
 
 
 
 
• Muitos compostos aromáticos eram isolados originalmente a 
partir de bálsamos perfumados 
 
• Hoje se sabe que várias moléculas aromáticas são inodoras 
 
 
 
Introdução 
• O esqueleto do benzeno é muito comum em fármacos 
 
• 8 entre os 10 medicamentos mais vendidos em 2007 
apresentavam o grupo fenila em sua estrutura 
Nomenclatura 
• Benzeno é o nome comum para derivados monossubstituídos 
 
 
 
 
 
• Muitos derivados têm nomes comuns 
 
 
 
Nomenclatura 
• Se o substituinte tem mais que 5 átomos de carbono, o 
benzeno passa a ser tratado como substituinte (grupo fenil) 
 
 
 
 
• O grupo fenil é frequente representado por Ph ou pela letra 
grega f 
Nomenclatura 
• Derivados dimetilados do benzeno são chamados de xilenos 
 
 
 
 
 
 
• Orto (anel 1,2-dissubstituído) 
• Meta (anel 1,3-dissubstituído) 
• Para (anel 1,4-dissubstituído) 
Nomenclatura 
1. Identifique a cadeia principal 
 
 
 
 
 
 
2. Identifique e nomeie os substituintes 
 
3. Atribua uma posição a cada substituintes 
 
Nomenclatura 
4. Organize os substituintes por ordem alfabética 
 
Estrutura do benzeno 
• Em 1825 Michael Faraday isolou o benzeno 
 
• Em 1866 August Kekulé utilizou a estrutura propôs que o 
benzeno é um anel composto ligações alternadas simples e 
duplas 
 
 
 
 
• Kekulé também sugeriu que a permuta de ligações simples e 
duplas era um processo de equilíbrio 
 
 
Estrutura do Benzeno 
• O conceito de Kekulé foi refinado com o advento da teoria de 
ressonância e o conceito de deslocalização 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Estabilidade do Benzeno 
• Evidências de estabilização por aromaticidade: 
 
1. Alcenos reagem prontamente por adição: 
 
 
 
 
• Mas anéis aromáticos não reagem por adição eletrofílica 
 
 
Estabilidade do Benzeno 
2. A energia liberação por hidrogenação do benzeno é menor 
que o esperado 
Estabilidade do Benzeno 
• Origem da estabilização é explicada pela Teoria do Orbital 
Molecular 
 
• Os seis orbitais atômicos p do benzeno se sobrepõem para 
formar seis orbitais moleculares 
Regra de Hückel 
• Nem todo composto conjugado cíclio é aromático 
 
 
 
 
• Alguns compotos conjugados cíclicos são mais reativos que o 
benzeno 
Regra de Hückel 
• Para um composto ser aromático, deve obedecer dois criérios: 
 
1. Apresentar anel completamente conjugado com orbitais p 
sobrepostos 
2. Obedecer à regra de Hückel, em que números ímpares de 
pares de elétrons ou 4n+2 elétrons deslocalizados, onde n = 
números naturais (0, 1, 2, 3...) 
Regra de Hückel 
• A TOM pode ser usada para explicar a regra de Hückel 
 
• Orbitais moleculares do ciclobutadieno 
A instabilidade dos elétrons 
não emparelhados torna o 
ciclobutadieno antiaromático 
Regra de Hückel 
• O mesmo pode ser observado para o ciclooctatetraeno 
Regra de Hückel 
• O ciclooctatetraeno adota uma forma de tubo para evitar a 
instabilidade antiaromática 
 
 
 
 
 
 
• A conjugação não se estende por toda a molécula, e ela não é 
nem aromática, nem antiaromática 
Regra de Hückel 
• Como saber as energias relativas dos orbitais de um sistemas 
anelar conjugado? 
Regra de Hückel 
• Como saber as energias relativas de um sistemas anelar 
conjugado? 
 
• Círculo de Frost ( desenvolvido por Arthur Frost) 
Regra de Hückel 
• Círculo de Frost para diferentes anéis 
Regra de Hückel 
• Círculo de Frost para diferentes anéis 
Regra de Hückel 
• Compostos antiaromáticos devem obedecer dois critérios:: 
 
1. Um sistema anelar conjugado com orbitais p sobrepostos 
2. Um número par de pares de elétrons ou um total de 4n 
elétrons p, onde n = 0, 1, 2, 3... 
 
• Compostos que não são nem aromáticos e nem 
antiaromáticos são ditos não aromáticos 
 
Anulenos 
• Anulenos são anéis completamente conjugados 
 
 
 
 
 
 
• Alguns anulenos são aromáticos, enquantos outros são 
antiaromáticos 
 
• O [10]anuleno e o [14]anuleno não são planares por 
causa de interações estérica entre os hidrogênios 
internos. Portanto, são não aromáticos. 
 
Íons Aromáticos 
• Alguns anéis devem ter uma carga formal para serem 
aromáticos 
 
 
 
 
 
 
 
• Seis elétrons p estão presentes em três orbitais ligantes no 
ânion ciclopentadienílio 
Íons Aromáticos 
• O ânion ciclopentadienílico apresenta um pKa menor que o 
esperado para ligações C-H. 
 
 
 
 
 
 
 
 
• O pKa do ciclopentano é igual a 50. 
Íons Aromáticos 
• O cátion tropílio é aromático 
 
 
 
 
 
 
 
 
• Um orbital p vazio permite a conjugação de 6 elétrons p 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Heterociclo Aromáticos 
• Heteroátomos também podem fazer parte do sistema 
aromático 
Heterociclos Aromáticos 
• Se o par livre do heteroátomo for necessário, será incluído no 
sistema p deslocalizado para garantir a estabilização por 
aromaticidade 
Heterociclos Aromáticos 
• Se o par livre do heteroátomo for necessário para tornar o 
sistema aromático, os elétrons não serão básicos 
 
 
 
 
 
• Piridina atua como base, porque protonação não desfaz a 
aromaticidade 
 
 
 
 
 
 
 
pKa = 5,2 
pKa = 0,4 
Heterociclos Aromáticos 
• A diferença entre piridina e pirrol pode ser visualizada por 
mapas de potencial eletrostático 
Substituição Eletrofílica 
Aromática 
• Benzeno não reage por adição eletrofílica 
 
 
 
 
 
 
 
• O benzeno reage por substituição 
Substituição Eletrofílica 
Aromática 
• Um dos hidrogênios aromáticos é substituído por um 
eletrófilo 
 
 
 
 
 
 
 
 
• Reações similares ocorrem com outros reagentes 
Substituição Eletrofílica 
Aromática - Halogenação 
• Por que o ferro é necessário? 
 
 
 
• O tribrometo de ferro é um ácido de Lewis 
 
 
 
 
 
• Aumenta o caráter eletrofílico do bromo 
 
 
 
Substituição Eletrofílica 
Aromática - Halogenação 
• Mecanismo: primeira etapa 
O ácido de Lewis atca o 
bromo e forma um aduto de 
Lewis 
 
 
O anel aromático ataca 
nucleofilicamente o aduto, 
para formar o íon arênio 
 
 
 
 
 
 
 
Substituição Eletrofílica 
Aromática - Halogenação 
• Mecanismo: primeira etapa 
 
• O íon arênio pode ser estabilizado por ressonância 
 
 
 
 
 
 
 
 
Substituição Eletrofílica 
Aromática - Halogenação 
• Mecanismo: segunda etapa 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
• Deprotonação do íon arênio para restabelecer a 
aromaticidade 
Substituição Eletrofílica 
Aromática - Halogenação 
• O produto da substituição é mais estável 
Substituição Eletrofílica 
Aromática – Sulfonação 
• Benzeno em presença de ácido sulfúrico fumegante ou conc. 
 
 
 
 
 
 
Substituição Eletrofílica 
Aromática - Nitração 
• Benzeno em presença de ácido nítrico e ácido sulfúrico 
 
 
 
 
 
Substituição Eletrofílica 
Aromática - Nitração 
• O grupo nitro pode ser posteriormente reduzido a uma amina 
Substituição Eletrofílica 
Aromática – Alquilação 
• Alquilaçãode Friedel-Crafts 
 
 
 
 
 
• Formação de um carbocátion 
 
Substituição Eletrofílica 
Aromática - Alquilação 
• Primeira etapa: reação ácido-base saída do grupo 
abandonador 
• Segunda etapa: ataque nucleofílico do benzeno sobre o 
carbocátion 
• Terceira etapa: deprotonação para restabelecer a 
aromaticidde 
 
Substituição Eletrofílica 
Aromática - Alquilação 
• Haletos de alquila primários não são convertidos nos 
carbocátions 
Substituição Eletrofílica 
Aromática - Alquilação 
• Rearrango de hidreto conduz à formação de um carbocátion 
mais estável que o primário 
 
 
 
 
• Mistura de produtos 
 
 
 
 
 
Substituição Eletrofílica 
Aromática - Acilação 
• Acilação de Friedel-Crafts 
Substituição Eletrofílica 
Aromática - Acilação 
• Formação do íon acílio 
 
 
 
 
 
 
• Estabilização do íon por ressonância evita rearranjos 
Substituição Eletrofílica 
Aromática - Acilação 
• Primeira etapa: reação ácido-base e saída do grupo 
abandonador 
• Segunda etapa: ataque nucleofílico do benzeno sobre o íon 
acílio 
• Terceira etapa: deprotonação para restabelecer a 
aromaticidde 
 
Grupos Ativadores 
• Grupos que aumentam a velocidade da reação de substituição 
eletrofílica em benzenos substituídos. Substituintes também 
controlam a regiosseletividade da reação. 
• Nitração do tolueno ocorre 25 vezes mais rápida no tolueno 
em comparação com o benzeno 
1. Grupos alquila 
Grupos Ativadores 
 
Grupos Ativadores 
• Estabilização da carga positiva do estado de transição por 
hiperconjugação 
Grupos Ativadores 
• A nitração do anisol é 400 vezes mais rápida que a do benzeno 
 
2. Grupos doadores de elétrons por efeito mesomérico 
 
• Doam densidade eletrônica para o anel 
 
Grupos Ativadores 
• A ativação do anel pelo anisol leve à bromação em 3 posições 
mesmo na ausência de um ácido de Lewis 
 
 
• São orientadores orto-para 
Grupos Ativadores 
 
Grupos Ativadores 
• Menores energias do s estados de transição para orto e para 
 
• Efeitos estéricos diminuem favorecem o regioisômero para 
• 
Grupos Desativadores 
• Diminuem a velocidade da reação de substituição eletrofílica 
 
• Grupo nitro é retirador de elétrons por efeito indutivo e 
mesomérico 
 
• 100.000 vezes menos 
 reativo que o benzeno 
 para a nitração 
Grupos Desativadores 
• São orientadores meta 
 
Grupos Desativadores 
 
Grupos Desativadores 
• Menor energia do estado de transição quando o ataque 
ocorre em meta 
Halogênios 
• São desativadores por efeito indutivo e ativadores por efeito 
mesomérico 
 
• Existe uma competição entre efeito indutivo e efeito 
 mesomérico 
 
 
 
Halogênios 
 
 
 
 
• 
• São desativadores mas orientadores orto e para 
Eletronegatividade 
 
Simetria de orbitais 
Halogênios 
 
Resumo dos Grupos 
 
Substituintes Múltiplos 
• Os efeitos de todos os substituintes devem ser considerados 
 
• Alquil orienta orto e para 
• Nitro orienta meta 
 
 
 
 
 
 
Substituintes Múltiplos 
• Quando há competição, o efeito do grupo mais forte 
predomina 
 
• O efeito doador da hidroxila é mais forte que o da metila 
 
Efeitos Estéricos 
• Devem ser considerados para determinar qual será o produto 
majoritário da reação 
 
• Para anéis monossubstituídos., o regioisômero para 
predomina sobre o orto (com exceção do tolueno que é 
sensível às condições) 
 
 
Efeitos Estéricos 
• Para anéis 1,4-dissubstituídos, efeitos estéricos também 
determinam o resultado da reação 
 
 
 
 
 
• Para anéis 1,3-dissubstituídos, é improvável a substituição 
ocorrer entre os dois grupos 
 
Referências Bibliográficas 
• KLEIN, D.R. Organic Chemistry. Wiley , 2012 
• CLAYDEN, J. Organic Chemistry. Oxford, 2000.