Aula SEAr

Prévia do material em texto

Reações em sistemas aromáticosReações em sistemas aromáticos
S ASEAr
SNuAr
SUBSTITUIÇÃO ELETROFÍLICA AROMÁTICA (SEAR)
A reação envolve a substituição de um átomo de hidrogênio por um 
eletrófilo (E+). 
O sistema aromático fica intacto.
EH
HH
+ H+
HH
+ E+
H
HH
H
H
H
HH
H
H
1. Introdução de Halogênios (F, Cl, Br, I)  Reação de halogenação
2. Introdução do Grupo Nitro (NO2)  Reação de Nitraçãoç p ( 2) ç ç
3. Introdução do Grupo Sulfônico (SO3H)  Reação de Sulfonação
4. Introdução do Radical Alquila (R)  Reação de Alquilação
5. Introdução do Grupo Acila (COR)  Reação de Acilação5. Introdução do Grupo Acila (COR)  Reação de Acilação
X
HH
H
H
OH
HH
HH HH
R
HH
Halogenação
H
Acilação
HH
H H
SO3HNO2
HH
R
HHH
H H
HH
HH
H H
HH
H
HH H
Nitração Sulfonação Alquilação
Perfil energético da reação: 
Formação do complexo .
E
H
E
#1
#2
E H
E
n
ee
r
g
i
E HG#a
EBenzeno + E+
Progresso da reação
Fatores a serem considerados
- Geração do eletrófilo é uma etapa lenta envolvendo diversos equilíbrios.
- Formação de um complexo 
- Formação de um complexo de choqueFormação de um complexo de choque
E+
E+
Complexo de choque
Complexo 
Um mecanismo mais completo para a SEAr 
i- Geração de um eletrófilo E+. 
Em algumas situações a formação do eletrófilo pode ser a 
etapa determinante da velocidade da reação.
ii- Ataque do E+ na nuvem 
complexo  complexo de choque ou complexo complexo , complexo de choque ou complexo 
E+E
+
E+
Complexo de choque
E
Complexo 
E H
Complexo 
A formação do complexo  depende da reatividade do 
eletrófilo. 
Para eletrófilos reativos a formação e decomposição
deste complexo é quase que instantâneadeste complexo é quase que instantânea. 
iii- Perda de um próton com restauração do sistema aromático.
H
EE H E
H
H+
Complexo 
Exemplo 
R ã d b ã d bReação de bromação do benzeno
Sem o catalisador FeBr esta reação não funciona bemSem o catalisador FeBr3 esta reação não funciona bem.
O catalisador cria uma espécie reativa.
Br
H
HH
FeBr3
+ HBr 
HH
+ Br2
H
HH
H
H
H
H
H
H
H
80%
H
Possível Mecanismo
H
H
HH
H
+ Br2
Br
HH
+ HBr 
FeBr3
Br......Br...FeBr3
H
H
H
H
H
H
80%lenta
rápida
Br
+
Complexo 
H
Intermediário carbocátion
Br-
Ressonância no complexo 
B
+Br
+
H
Br
+
H
BrHH
Comparação Com a Reação de Adição Eletrófilica à Olefina
H Cl
H H
C C C C+ C C
Alceno
Intermediário carbocátion
Cl- Cl
Produto de adição 
Depois da formação do complexo  e a necessidade de restaração da
aromaticidade do anel.
O produto de adição é muito menos estável que o produto de susbtituição
aromática.
E +
Br
E
n
e
r
# H
Br
G#
g
i
a
Br
Benzeno + E+
Br
Progresso da reação
Q d ã d b tit i ãQuando a reação de substituição
ocorre a aromaticidade do anel é 
restaurada. Esta é uma reação 
exotérmica.
CUIDADOS
1- É melhor estudar as reações individualmente.
2- Talvez o mecanismo não seja muito geral.
REAÇÕES NOS SISTEMAS AROMÁTICOS MONO SUBSTITUÍDOS
I) Reação de Halogenação: cloro, bromo e iodo
(F2 > Cl2 > Br2 > I2)
Os halogênios não são muito reativos.
É possível haver a formação de um complexo  entre o halogênio e o sistema 
aromático. 
No caso do iodo este complexo pode ser visualizado pela mudança de cor da 
solução.so ução.
Br
FeBr3
H HB
Br
+ Br2
Br
H
HH
H
+ HBr 
H
Br
+H
H H
H H
H H
H
Br
Complexo 
H
H
H
80%
H
Br-HH HH
H
X
HH
X
HHFeBr3
FeCl3
H
H
H
+ Br2
HH
+ HX 
+ Cl2
FeCl3H
H
X= Br, 80%
+ I2
CuCl2
,
X= Cl, 86%
X= I, 65%
+ I2
IODO
O iodo é pouco reativo e precisa de um catalisador mais enégicoO iodo é pouco reativo e precisa de um catalisador mais enégico. 
Usar um agente oxidante (CuCl2, H2O2, etc.) para converter 
formalmente o I em I+formalmente o I2 em I+.
I2 + 2CuCl2 2 ( I )Cl + 2CuCl
I
(I)
+ HI+ HI 
I d b (65%)Iodobenzeno (65%)
CH
ATENÇÃO
CH3
CH3
BrBr2 / FeBr3
CH3
+
Br
AcOH
Br2 / FeBr3
CH2BrBr2 / luz
para-bromobenzeno orto-bromobenzeno
brometo de benzila
A bromação e cloração devem realizadas na ausência de luz.
ii) Reação e Mecanismo da Nitração: a mais importante das SEAr
NO2HNO3
H2SO4
NO2HNO
H2SO4
HNO3
H
NHNO
N
N
H NaOH
Zn (excesso)
NH2NO2 1-SnCl2, HCl
2- NaOH
NaOH
Zn (1 eq.)
Hidrazobenzeno Anilina (95%)
N
H
OH
N
N
N-Fenil hidroxiaminaAzobenzeno
Nitro-aromáticos são importantes do ponto de vista sintético.
 o grupo nitro é facilmente reduzido.
A sua redução seletiva pode até ser realizada na ç p
presença de um aldeído
Fe HCl
NH2NO2
90%
80 oC
Fe, HCl
NH2NO2
90%
2
OMe
H2, Pd 3 atm
OMe
95%
25 oC, EtOH
OM 95% OMeOMe
NitraçãoNitração
 Alifáticos: via Radicais Livres Alifáticos: via Radicais Livres
 Aromáticos: Substituição eletrofílica 
aromática
Reação ocorre em vários meios reacionais: 
fase gasosa, meio ácido, orgânico, aquoso, zeólitas,etcase gasosa, e o ác do, o gâ co, aquoso, eó as,e c
Mecanismo Detalhado
O HOOHOO
+H O N
O
OH
O S
O
O
HO
H O S
O
O
HO
H O N
O
O
elimina H2O
O
= NO2N
O
O
E+=
HO
Íon nitrônio
O
H2SO4+
NO2NO2
N
O
O S
OHO
H
complexo complexo de choque
O S
O
#3
Diagrama energético
#
E
#3
#4
#1 #2
H NO2
n
e
r H NO2
g
i
a NO +a NO2
NO2
+
HNO3 + H+
NO2
Benzeno + E+
Progresso da reação
NO2
Benzeno + E
CONSIDERAÇÕES
E i t á i é ilíb i d t
CONSIDERAÇÕES
Existem vários pré-equilíbrios que podem ser a etapa 
lenta dependendo das condições reacionais. 
Se a formação do íon nitrônio é a etapa lenta, então a 
reação é de ordem zero em relação ao aromático. ç ç
Em outros casos o complexo  pode ser a etapa lenta 
d ã t d f ã d lda reação e em outras pode ser a formação do complexo 
de choque. 
Nitração do tolueno em HNO3/H2SO4 
#3
H NO2
l 
meta
E
n
e
r
H NO2
CH3
#2#1
complexo 
orto
H NO2
NO +
r
g
i
a
CH3
orto
CH3
NO2
+H3C
NO2
a
HNO3 + H+
Progresso da reação
Benzeno + E+
A formação do complexo  é a etapa lenta da reação, tanto para 
formação do isômero meta como para o isômero para.
#2
Nitração do 1,2,4-trimetilbenzeno 
#1
E
CH3
H3C NO2
H
H
#1n
e
r
g
#3
CH3
H
CH3
H3C
g
i
a NO2
+
NO2
+H3C
CH3H3C
CH3
H
NO2
HHNO3 + H+
NO2
Benzeno + E+
Progresso da reação
A etapa lenta é a formação do complexo de choque entre oA etapa lenta é a formação do complexo de choque entre o 
aromático e o íon nitrônio. 
Algumas condições reacionais conhecidas para a nitração 
NO2+BF4- Fluorborato de nitrônio Mais vigoroso agente de nitração
HNO3 / H2SO4.SO3 Vigoroso
HNO3 emAcOH Para aromáticos ativados
HNO em água Menos vigorosoHNO3 em água Menos vigoroso
O reagente mais poderoso para a nitração é o próprio íon 
nitrônio cristalino (sob a forma de um sal). ( )
Este reagente deve ser usado para aromáticos muito 
d ti d d i d il i it t d idesativados como no derivado aril-ciano-nitro que tem dois 
grupos removedores de elétrons.
iii) REAÇÃO E MECANISMO DA SULFONAÇÃO
A reação de sulfonação introduz um grupo sulfônico 
no anel aromático. 
SO3H
SO3 H2O
O
30-50 oC
H2SO4
3 2180 oC
S
O
OHHO+
Sulfonação Dessulfonação 
A sulfonação é normalmente realizada em ácido 
sulfúrico concentrado, mas também pode ser realizada 
á id lfú i f t ClSO OH tem ácido sulfúrico fumegante, ClSO2OH e outros 
reagentes. 
SO3 reage com benzeno mais rapidamente do que H2SO4
MECANISMO DA SULFONAÇÃO
O mecanismo da sulfonação segue o mecanismo geral da SEAr. 
O S
O
+H O S
O
O S
OHO
H O S
OHO
H O S
O
O
 H2SO4 / SO3 
O OO
H O S
O
= HSO3H O S
O
O
H2SO4+
H
SO3H
O S
OHO
SO3H
H
O S
O
Outra Reação Relacionada à Reação de Sulfonação
Clorossulfonação
Introdução do grupo clorossulfônico.
SO Cl
ClSO2H
SO2Cl
+ HCl + H2SO4 
Cloreto de benzeno 
 sulfonila
iv) Alquilação de Friedel-Crafts
R ã d b t Ch l F i d l J M C ftReação descoberta por Charles Friedel e James M. Crafts 
CH3CH3ClCH3Cl
AlCl3
Na reação um grupo alquila derivado de um haleto deNa reação um grupo alquila, derivado de um haleto de 
alquila, substitui um átomo de hidrogênio do anel 
aromático. 
A reação é catalisada por um ácido de Lewis, e este 
f i d f i il á id d L i ã dfunciona de forma similar ao ácido de Lewis na reação de 
halogenação.
MECANISMO DA REAÇÃO DE FRIEDEL-CRAFTS 
Inicialmente há formação de um complexo entre o ácido de 
Lewis (AlCl3) e haleto de alquila gerando no meio reacional um ( 3) q g
sal contendo um íon carbênio.
(CH3)3C
+AlCl4
-+ AlCl3(CH3)3C-Cl
 
AlCl3CH3CH2-ClAlCl3+CH3CH2-Cl
(CH3)2CH
+ H3O
+ 2HF2
-4HF+(CH3)2CH-Cl
 benzeno + CH3Cl / AlCl3 
H3C Cl AlCl3+ CH3 AlCl4
AlCl4CH
AlCl4 AlCl3 + Cl
AlCl4
H
CH3
CH3
H CH3
+ HCl
Cl
LIMITAÇÕES SINTÉTICAS
1- Não funciona com haletos de arila ou vinila, só com 
haletos de alquila;q ;
2- nem todo aromático pode ser alquilado;
3- podem ocorrer polialquilações;
4- podem ocorrer migração de grupos alquilas já existentes;
5- rearranjos no radical alquila.
P bl d i id d
Resumo dos Problemas
Problema da reatividade 
G
R-X
Não Reage
AlCl3
Não Reage
G=NR3, NO2, CN, SO3H, CHO, COCH3, CO2H, CO2M
(Grupos são retiradores de elétrons)( p )
Problema da polialquilação
CH3CH3
tri + tetra + .... ++
3
+ AlCl3CH3Cl
CH3 CH3
1 equivalente
AlCl3
CH3Cl+
H3C CH3CH3
Excesso
80%AlCl
Cl
3
CH3
80%AlCl3
Problema da migração de grupo alquilaProblema da migração de grupo alquila
CH
CH3
CHH
HCH3
CH3 CH3H3C
CH3H
HCl
AlCl3
3
1,3,5-Trimetilbenzeno
CH3
CH3
1,2,4-Trimetilbenzeno
CH3
, ,
Rerranjo no radical alquila
CH3
Cl
CH3
AlCl3
H3C
Cl
+
CH3
H C CH
Cl
Isopropilbenzeno
 Majoritário Minoritário
n-Propilbenzeno
85%AlCl3
H3C CH3
CH3
CH3H3C
ClH3C
0 oC
+AlCl3
Butilbenzeno
 35%
sec-Butilbenzeno
 65%
A alquilação de Friedel-Crafts com olefinas 
Este processo é muito importante do ponto de vista 
industrial, pois é utilizado para preparar estireno, fenol e , p p p p ,
acetona.
CH2CH3
H PO
 estireno
CH2
cat.
600 oC
ou AlCl3
H3PO4
H2C CH2
OH
H3C CH3
(monômero do poliestireno) 
peróxido
+
OH3PO4
H3C CH2
Processo industrial de preparação 
 do fenol e acetona
cumeno
v) Reação de Acilação de Friedel-Crafts
Variação da reação original de Friedel-crafts. 
Envolve a introdução de um grupo acila em um anelEnvolve a introdução de um grupo acila em um anel 
aromático contendo um grupo doador de elétrons. 
H C
Cl OH3C
O
CH3
AlCl3 80 oC
Acetofenona 95%Acetofenona, 95%
Comparando-a com a reação de alquilação pode-se 
identificar as seguintes vantagens:
1 Só dá produto de monossubstituição;1- Só dá produto de monossubstituição; 
2- Não dá produto de rearranjo no grupo acila;2 Não dá produto de rearranjo no grupo acila; 
3- Dá principalmente o isômero para, devido a efeitos 
estéricos da posição orto. 
A reação só forma o produto de monossubstituição.ç p ç
O intermediário reativo de acilação é o íon acilium.
De forma similar ao íon nitrônio, pode ser preparado
i l d b f d le isolado sob forma de um sal.
Cl
H3C
O
H3C
O
AlCl3
H3C
Cl
O
O
BF4H3C C OBF3+H3C F
Considerações
As cetonas aromáticas obtidas na acilação sãoAs cetonas aromáticas obtidas na acilação são 
importantes intermediários para a preparação de 
aromáticos monoalquilados. q
A remoção da carbonila que pode ser realizada pelas 
reações de:
1 Hidrogenólise1- Hidrogenólise
H HO
Hidrogenólise
O
H H
3 atmMeOH
Pd/H2O
98% O
3 atmMeOH
O
2- Wolff-Kishner
O
Wolff-Kishner
R
H H
N2H4R
O
Redução de Clemmensen
KOH
ç
HCl
Zn/Hg
3-Redução de Clemmensen
O
(CH2)4CH3
H H
N2H4
(CH2)4CH3
O
AlCl3
CH3(CH2)4COCl
n-Hexilbenzeno
82%
KOHAlCl3
 82%
REAÇÕES EM AROMÁTICOS SUSBSTITUÍDOS
1- Efeito do substituinte no anel aromático 
reatividade e velocidade da reação
2 Distribuição dos produtos formados na reação2- Distribuição dos produtos formados na reação 
(regioquímica).( g q )
"A velocidade da substituição eletrofílica aromática é função da densidade eletrôni
no anel aromático" 
H2SO4
HNO3
NO2
GG
H2SO4
G=H G=Cl G=OH G=NO2G=gupo
Velocidade 
 relativa
G=H
 1
G=Cl
0.033
G=OH
1000
G=NO2
6x10-8
G=gupo
A disponibilidade de elétrons de um grupo esta ligada a dois 
efeitos: 
Efeito indutivo e Efeito de ressonância.
NR2 NH2 OH OCH3 NHAc CH3 C6H5 H 
Fortemente ativante Fracamente ativante
H F Cl Br I CHO CO Me CO H
 Fracamente desativante
H F Cl Br I CHO CO2Me CO2H 
SO3H CN NO2 
+NR3 
Fortemente desativante 
O efeito indutivo está relacionado com a 
l t ti d deletronegativade do grupo
ATIVANTE OU DESATIVANTE
Efeito indutivo desativante 
-
Efeito indutivo ativante
-
+ F-
+
CH3
Mais reativo em SEA
Efeito de ressonância 
ATIVANTE OU DESATIVANTEOU S
Efeito de ressonância ativante
OH OH OH
A i õ t ã i ti f t l t ófilAs posições orto e para são as mais reativas frente aos eletrófilos. 
O O O
Efeito de ressonância desativante
O
H H
O
H
O
As posições orto e para são pouco reativas frente aos eletrófilosAs posições orto e para são pouco reativas frente aos eletrófilos. 
A posição meta passa a ser a melhor opção para os eletrófilos. 
Z
Y
C
O
Z
Y
(exemplo)
Z á lé li
Y= átomo mais eletronegativo que Z (N,O)
Z= átomo sem elétrons livres.
Estes grupos desativam o anel para SEAr. A afetam as posições orto e para. Logo, g p p E p ç p g ,
são grupo diretores para a posição meta.
Exemplo
CHO CHO
Cl2
FeCl
Cl
FeCl3
orto = 19%
t 72%meta = 72%
para= 9%
Na distribuição de produtos da reação de nitração fica 
b l f ê i l i ã t átibem claro a preferência pela posição meta nos aromáticos 
substituídos com grupos removedores de elétrons por 
efeito de ressonânciaefeito de ressonância.
G
HNO
G
HNO3
H2SO4
temp. ambiente
NO2
Grupo orto (%) meta (%) para (%)
-N+(Me)3 2 87 11
-NO2 7 91 2
-COOH 22 76 2
-CN 17 81 2
-COOEt 28 66 6
-COMe 26 72 2
-CHO 19 72 9
Os grupos ativadores e orientadores para as posições 
orto e para, correspondem aos grupos que aumentam a p , p g p q
densidade eletrônica do anel por efeito de ressonância ou 
por efeito indutivo.
G
HNO
G
HNO3
H2SO4
temp. ambiente
NO2
temp. ambiente
Grupo orto (%) meta (%) para (%)Grupo orto (%) meta (%) para (%)
-CH3 63 3 34
-OH 50 0 50
-NHAc 19 2 79Os halogênios correspondem aos grupos que doam 
elétrons para o anel por efeito de ressonância mas aelétrons para o anel por efeito de ressonância, mas a 
componente de retirada de elétrons pelo efeito indutivo é 
siginificativa.
-Y = átomo eletronegativo (F, Cl, Br, I)
Y
+ YY
Y
G GG
HNO3
G
HNO3
H2SO4
temp. ambiente
NO2
p
Grupo orto (%) meta (%) para (%)
-F 13 1 86
Cl 35 1 64-Cl 35 1 64
-Br 43 1 56
-I 45 1 54
TRÊS REGRAS BÁSICAS
Regra 1: substituintes ativantes reagem mais rápido do 
que o benzeno e produzem misturas de produtos orto e 
para.
CH3CH3CH3
NO2
CH3
++
NO2
NO2
HNO3
H2SO4
25 vezes mais 
rápido do que o 
benzeno 87%
3%4% NO2
NO2
benzeno. 87%
Regra 2: substituintes desativantes (ver tabela) reagem 
mais lentamente do que o benzeno e produzem misturasmais lentamente do que o benzeno e produzem misturas 
de produtos tem o isômero meta como o principal.
NO2 NO2 NO2 NO2
H2SO4
NO2
+ +HNO3
NO2
NO2
+
6% 93%10
5 vezes mais 
l t d NO26% 93%
0,7%
lenta do que o 
benzeno.
Regra 3: substituintes do grupo dos hologênios são 
desativantes (ver tabela) e reagem mais lentamente dodesativantes (ver tabela) e reagem mais lentamente do 
que o benzeno. Produzem misturas de produtos cujos 
isômeros principais são orto e para.p p p
ClCl ClClCl
NO2
AcONO2
Cl
Mais lenta
++
NO2
AcONO2
Mais lenta 
que o benzeno.
70%
1%29% NO2
GRUPO REATIVIDADE ORIENTAÇÃO EFEITO 
INDUTIVO
EFEITO DE 
RESSONÂNCIA
-CH3 ativante orto e para doador/fraco ausente
-OH ativante orto e para retirador/fraco doador/forte
-NH2 ativante orto e para retirador/fraco doador/forte
-F e -Cl desativante orto e para retirador/forte doador/fracoF e Cl desativante orto e para retirador/forte doador/fraco
-Br e -I desativante orto e para retirador/forte doador/fraco
-N+(Me)3 desativante meta retirador/forte ausente
-NO2, CN desativante meta retirador/forte retirador/forte
-CHO desativante meta retirador/forte retirador/forte
COOH desativante meta retirador/forte retirador/forte
-COOR desativante meta retirador/forte retirador/forte
-COMe desativante meta retirador/forte retirador/forte
AROMÁTICOS DISSUSTITUÍDOS
Efeito aditivo
CH3 CH3
NO2
Efeito aditivo
HNO3
H2SO4
NO2 NO2
Exclusivo
CH3
B
CH3
Br2
Br
FeBr
Majoritário
CO2HCO2H
FeBr3
Majoritário
Ef it P i i l
OH OH
Efeito Principal
Br
Br2
FeBr3
CCH3 CH3
Majoritário
Posição estericamente desfavorável
CH3CH3
Cl
CH3
FeCl3
+
Cl
Cl2
ClCl
ClMajoritário
ClCl