21607836-COMPOSTOS-AROMATICOS-APOSTILA

Universidade do Grande Rio Professor Jos de Souza Herdy

ICEN Instituto de Cincias Exatas e da Natureza Prof.: Joo Carlos Martins Mafra

REAES EM COMPOSTOS AROMTICOS RESSONNCIA: Na ressonncia os eltrons podem se mover nos seguintes sentidos: 1) Eltrons se movem para uma carga positiva ou para uma outra dupla ligao:

Ex.: 2) Um par de eltrons no ligantes pode migrar para uma ligao dupla:

Ex.:

O hibrido de ressonncia pode ser representado por:

+ +

+++

+

+

+

+

+

+++

RO

NH2R

NH2+

O-

RO

NH2+

CO O-

O-

C-O O-

O

C-O O

O-

C

O

O O

+

NH2NH2NH2NH2NH2

NH2-

-

-

+ + +

HBRIDO DERESSONNCIA

ESTRUTURAS DE RESSONNCIA


Instituto de Cincias Exatas e da Natureza Professor Joo Carlos Martins Mafra

2

3) Um nico eltron no ligante (Radical) migra para uma dupla ligao.

Ex.:

Para que ocorra ressonncia necessrio que os eltrons participantes, estejam em tomos vizinhos, ou seja, sejam conjugados. Ex.: ENERGIA DE RESSONNCIA

Porm, quando o benzeno hidrogenado experimentalmente, a variao de

entalpia padro (H0) medida de 49,8 Kcal / Mol. Um valor bem menor que o esperado baseando-se no valor obtido para hidrogenao de uma nica ligao dupla.

+

+

H 2

H 2 3

c a t .

c a t .

H o = - 26,8 Kcal/mol

H o = 3 x (- 26,8 Kcal/mol) - 85,8 Kcal/mol

Hipoteticamente um cicloexatrieno

cicloexeno

+ H23 = 49,8 cal/mol Valor obtidoexperimentalmente

. . . .

.

. .

..

.

.

.

.CH2 CH2 CH2 CH2 CH2

Sistema conjugado

++

+

Sistema no conjugadoisolado por um carbono sp3



3

Esta diferena de energia encontrada entre o valor esperado e o efetivamente medido (85,8 49,8 = 36 Kcal / Mol) conhecida como energia de estabilizao, promovida pela deslocalizao eletrnica obtida na ressonncia. EFEITO DA DESLOCALIZAO DOS ELTRONS NO pKa Por que o cido actico mais cido que o etanol, uma vez que ambos apresentam um hidrognio ligado a um tomo de oxignio? Quando ocorre a deprotonao, as espcies formadas so: o on acetato e o on etxido. No on etxido a carga negativa encontra-se localizada no tomo de oxignio sem a possibilidade de deslocalizao (ressonncia) o que poderia estabiliz-la. Este fato torna o on etxido bastante reativo (como base ou nuclefilo), podendo abstrair

"Cicloexatrieno"

Benzeno

Cicloexano

= 85,8 cal/mol

= 49,8 cal/mol

E

Coordenada de reao

O

OHOH

pKa = 4,76 pKa = 15,9

O

OH

O

O-H++

on acetato

O-

on etxido

+ H+OH



4

um prton de uma fonte protnica, regenerando o etanol (seu cido conjugado). No on acetato, a carga negativa pode migrar em direo da ligao vizinha, deslocalizando-a. Este fato leva a uma estabilizao desta carga tornando o on acetato menos reativo (menos bsico). Ex.: O mesmo fato da deslocalizao explica a diferena de acidez entre o fenol (pKa = 10) e o cicloexanol (pKa = 16). Exerccio: Seguindo estes conceitos, tente explicar a diferena de acidez entre os nitrognios protonados, nas molculas abaixo. CRITRIOS DE AROMATICIDADE Para uma substncia ser considerada aromtica, ela deve cumprir os seguintes requisitos: 1) Deve conter, num anel, um sistema conjugado de eltrons . Este fato justifica que

a molcula seja cclica e plana. 2) O sistema deve conter um nmero par de eltrons.

O

OO

O-O-

O-

on estabilizado por ressonncia

Hbrido de ressonncia

OH O-O- O O

-+H+

O

-

-

on fenxido on fenxido

OH O-

H++

No pode ser estabilizado por ressonncia

NH3 NH3++

Anilina protonada Cicloexilamina protonada

pKa = 4,60 pKa = 11,2



5

3) Deve seguir a regra de Hckel (4n + 2) eltrons, onde n igual a um nmero inteiro, logo, quando um composto aromtico tiver 2 eltrons (n ser igual a 0); 6 eltrons (n = 1); 10 eltrons (n = 2); 14 eltrons (n = 3); 18 eltrons (n = 4); etc.

AROMATICIDADE CICLOPROPENO

No aromtico, pois no apresenta um sistema conjugado, ou um sistema ininterrupto de orbitais p.

CICLOPROPENIL CTION: aromtico, pois neste caso a molcula apresenta um anel com um sistema de orbitais p ininterruptos, podendo ocorrer ressonncia. O Ciclopropenil nion, pode ser aromtico? Por qu? Este on (cicloeptatrienil ction) aromtico ou no?

Caso seja, escreva todas as estruturas de ressonncia possveis.

O ciclooctatetraeno (antiaromtico) reage rapidamente com 2 mols de potssio metlico para formar um dinion aromtico. Justifique esse fato e escreva todas as estruturas de ressonncia para esse dinion.

+ 2K + 2K+

Ciclooctatetraeno (no aromtico) Ciclooctatrienil dinion

(composto aromtico)

Justifique o fato apresentado acima

-

+

on troplium

+

+

+



6

CONSEQNCIAS DA AROMATICIDADE

A diferena de pka entre um tomo de hidrognio ligado a um carbono sp e, um outro tomo de hidrognio, ligado a um carbono sp, reside no fato da maior eletronegatividade do carbono sp em relao ao sp3 (devido ao carter s do orbital do carbono). Porm, a acidez dos prtons ligados ao carbono sp3 do ciclopentadieno bastante superior a de um prton de carbono sp3 comum, sendo superior inclusive a de prtons de carbono sp e aproximando-se a acidez da gua.

H H- H+

H

pKa = 16

Como se explica o fato do ciclopentadieno, apresentar um pKa to baixo, para os hidrognios ligados a um carbono sp?

No ciclopentadieno, no so cumpridos os requisitos de aromaticidade, pois os

eltrons no circulam livremente pelo ciclo devido ao carbono saturado (sp3). Porm, quando ocorre a deprotonao, todos os carbonos passam a ser sp o que favorece a conjugao eletrnica entre todos os orbitais p. Essa conjugao pode ser vista nas estruturas de ressonncia de mesma energia (equivalentes) mostradas na figura abaixo:

Note que todos os carbonos apresentam uma carga negativa, nas estruturas de

ressonncia, o que torna este nion altamente deslocalizado (muito estvel). Alguns compostos organometlicos resultam da aromaticidade do

ciclopentadienil nion. Por exemplo, o composto organometlico ferroceno formado da reao de 2 mols do ciclopentadienil nion com um mol de on ferro +2 (ferroso). O ferroceno um composto estvel que apresenta uma estrutura curiosa parecida com um sanduche onde o tomo de ferro encontra-se no centro da estrutura e os tomos

HC CH HC C - H++

H3C CH3 H3C CH2-

+ H+

pKa = 25

pKa = 50

HH -H+-

-

- -

-

-



7

de carbonos dos ciclos nas extremidades superior e inferior. Como os carbonos do ciclopentadienil nion se equivalem todos estaro igualmente ligados ao on ferroso.

NOMEMCLATURA DE BENZENOS MONOSUBSTITUIDOS Alguns benzenos monosubstituidos so nomeados simplesmente colocando o nome

do grupo substituinte, seguido pela palavra benzeno. Ex.:

Alguns benzenos monosubstituidos apresentam nomes especiais em funo do tipo de substituinte em questo. Estes nomes especiais devem ser memorizados.

Ex.:

Br Cl NO2

Bromobenzeno Clorobenzeno Nitrobenzeno Etilbenzeno

CH3 OH SO3H OCH3 NH2

Tolueno Fenol AnilinaAnisolcido benzenosulfnico

Ferroceno

FeFe+2

+2

-

Estireno Benzaldedo cido benzico Benzonitrila

CNCO2HCHOO

Acetofenona



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Com exceo do tolueno, todos os alquil-benzenos so nomeados como derivados do benzeno.

Ex.: Se o grupo alquil no puder ser, inambiguamente, nomeado, o composto passa a

ser chamado como um alcano substituido. Neste caso, temos: Ex.:

BENZENOS DISUBSTITUIDOS Benzenos dissubstituidos so nomeados de modo a indicar a posio relativa dos substituintes. Suas posies relativas podem ser indicadas por nmeros ou pelos prefixos orto, meta e para. Ex.: 1,2 Dibromobenzeno 1,3 Dibromobenzeno 1,4 Dibromobenzeno orto Dibromobenzeno meta Dibromobenzeno para Dibromobenzeno o Dibromobenzeno m Dibromobenzeno p Dibromobenzeno

Isopropilbenzeno (Cumeno)

sec-butilbenzeno t-butilbenzeno

ClO

O

2-fenil-3,3-dimetileptanoCloreto de benzila

difenilter

dibenzilter

Br

Br

Br

Br

Br

Br

Como grupo substitunte, chamado de grupo FENIL.

Como grupo substitunte, chamado de grupo BENZIL



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Se os dois substituntes forem diferentes, eles sero listados em ordem alfabtica. O anel numerado de modo a fornecer a menor numerao possvel e, ao primeiro grupo em ordem alfabtica dado o nmero 1. Ex.: 1 Cloro 3 iodobenzeno 4 Nitroanilina 2 etilfenol meta Cloroiodobenzeno p - Nitroanilina o - etilfenol e no e no e no 1 Iodo 3 Clorobenzeno p Aminonitrobenzeno o etil - hidroxibenzeno Alguns benzenos dissubstituidos (poucos) recebem nomes especiais, que so incorporados o nome de ambos os substituntes. BENZENOS POLISSUBSTITUDOS Caso o benzeno tenha mais de 2 substituntes, os substituntes so numerados, segundo a menor numerao possvel. Os substituntes so listados em ordem alfabtica com seus nmeros apropriados. Ex.:

Assim como no caso de benzenos dissubstituidos, se um dos substituntes puder ser incorporado ao nome, este grupo recebe a posio 1, independente da posio dos outros substituntes. Ex.:

OHCl

I

H2N

NO2

OH

CH3

CH3

CH3

H2N

CH3

para-toluidinameta-xilenoorto-cresol

NO2Br

Cl

Cl

NO2

Br

Br

O2N

Cl

2-Bromo-4-cloro-1-nitrobenzeno



4-Cloro-2-nitroacetofenona 2,6-Diclorofenol3,4-Dibromoanilina

O2N Cl

OOH

ClCl

NH2

Br

Br



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EXERCCIOS: 1) Escreva a estrutura correspondente aos nomes listados abaixo: a) m diclorobenzeno b) p bromofenol c) o nitroanilina d) 2 bromo 4 iodo nitrobenzeno e) 2- fenilexano f) 3- benzilpentano g) m clorotolueno h) 2,5 dinitrobenzaldedo i) o xileno j) m cresol 2) Escreva corretamente os nomes incorretos listados abaixo. a) 2,4,6 Tribromobenzeno b) 3 hidroxinitrobenzeno c) p metilbromobenzeno d) 1,6 Diclorobenzeno CONSIDERAES SOBRE A REATIVIDADE DO BENZENO Anteriormente, verificamos que o benzeno formado por um ciclo de 6 carbonos com hibridao sp, apresentando um sistema conjugado com 6 eltrons . Isto nos d a idia que o benzeno apresenta uma nuvem eletrnica envolvendo os carbonos, ora na parte superior, ora num plano inferior a estes carbonos, como num sanduche. Devido a este fato, o benzeno pode atuar numa reao qumica como uma espcie nucleoflica, ou seja, doadora de eltrons, devido sua alta densidade eletrnica. Figura: Mostra os seis orbitais moleculares ligantes do benzeno Em virtude da elevada energia de estabilizao dos compostos aromticos, conseguida com a ressonncia, estas substncias no so suscetveis a reaes de adio, que so reaes caractersticas de alquenos. Uma vez que na adio ocorreria uma quebra da aromaticidade do sistema caracterizando um processo energeticamente desfavorvel.



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Reao de Adio a Dupla Ligao: Benzeno como Nuclefilo: Como um nuclefilo o benzeno pode reagir com um eletrfilo gerando um on carbnio (carboction) acarretando em quebra da aromaticidade. Esse carbnio pode ser parcialmente estabilizado por ressonncia com as outras duas duplas do anel. Essa espcie pode reagir com uma base (nuclefilo) de duas maneiras. Numa delas o nuclefilo ataca o carbono positivo levando a uma reao de adio, ou ento, retira o prton do carbono sp3 regenerando a aromaticidade do sistema numa reao de substituio. Essa segunda possibilidade bem mais favorvel em relao primeira, pois mantm a estabilidade conferida pela aromaticidade, como pode ser visto no grfico abaixo.

E

H E H E H E

Estruturas de ressonncia do on carbnio

Grfico de coordenada de reao para substituio eletroflica e para adio eletroflica ao benzeno.

Energia Livre

Coordenada de reao

E

H E

EZ

E Z+

Z -

HZ+

+

Produto de adio

Produto de substituio

E E

Z

+ E+Z -+

Carbniointermedirio

Produto deadio eletroflica

H

BrHBr



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REAO DE SUBSTITUIO ELETROFLICA AROMTICA ( SEA) Neste tipo de reao um hidrognio ligado ao anel aromtico substitudo por um eletrfilo. Reao geral (hipottica): Os tipos mais comuns de substituio eletroflica aromtica, so:

1) Halogenao: Onde o H do anel trocado por Cl, Br ou I. 2) Nitrao: Um grupo nitro (NO2) substitui o H. 3) Sulfonao: Um cido sulfnico (SO3H) substitui o H.

4) Acilao de Friedel Crafts: Um grupo acila substitui o H (RC= O grupo acila). 5) Alquilao de Friedel Crafts: Um grupo alquila (R) substitui o H.

Todas estas reaes de SEA ocorrem por um mecanismo em duas etapas. Na primeira etapa, um par eletrnico do benzeno ataca uma espcie eletroflica (E+), formando um carbnio intermedirio, o qual estabilizado por ressonncia. Na Segunda etapa da reao, um prton do anel benznico abstrado (geralmente por uma base presente no meio), e os eltrons da ligao C H restabelecem a aromaticidade do anel.

MECANISMO GERAL DA SEA Ataque eletroflico:

Esta etapa apresenta uma energia de ativao elevada, pois, parte de uma espcie aromtica, gerando um intermedirio no aromtico. Por isto, esta a etapa lenta da SEA.

+ E+

E

H++

+ E+

H

EH

EH

E

+ +

+

Estruturas de ressonnciaque estabilizam o CARBNIO.

H

E+

++

Hbrido deressonncia



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Desprotonao (restabelecimento da aromaticidade): 1) HALOGENAO DO BENZENO

+ Cl2FeCl3

ClHCl+ CLORAO

+ Br2FeBr3

BrHBr+ BROMAO

+ I2HNO3

I

H++*

IODAO

* I2 + HNO3 I+2 (e letrfilo)

Energia Livre

Coordenada de reao

E

H E

E++

B -

HB+

Energia deativao doataque eletroflico

E

+

+

Deprotonao

B

H E

+

r pi da

E

HB+ +



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O cido de Lewis (FeCl3, FeBr3 ou AlCl3) utilizado na bromao e na clorao, enquanto na iodao utilizado um agente oxidante para favorecer a formao do eletrfilo. O FeBr3 como um catalisador regenerado ao final do processo. Para Clorao: Para Iodao: 2) NITRAO DO BENZENO Reao Geral: Nesta reao o cido sulfrico adicionado para atuar como cido forte e desidratante para favorecer a formao do eletrfilo (+NO2 - on nitrnio).

Cl Cl + FeCl3 Cl+

+ FeCl4-

+ Cl+

H

Cl+

+ FeCl4-

- FeCl3

Cl

HCl+

Br Br + FeBr3 Br+

+ FeBr4-

+ Br+

H

Br+

+ FeBr4-

- FeBr3

Br

HBr+

* I2 + HNO3 I+2 (e letrfilo)

+ HNO3H2SO4

NO2

+ H2O

H+

+ HI

I

-

+

H

II++



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Mecanismo: 3) SULFONAO DO BENZENO

Nesta reao so utilizados o cido sulfrico concentrado ou o cido sulfrico fumegante (mistura de H2SO4 + SO3) conhecido tambm como Oleum. A espcie eletroflica gerada o +SO3H.

Reao geral:

Mecanismo:

Os cidos sulfnicos so cidos extremamente fortes devido alta estabilizao do on sulfonato.

+NO2+

H

NO2+

B NO2

H OSO3H++

+ -OSO3H

H2O +

HO3S OH HO3S OH

H

HO3S+

SO3H SO3-

+ H+

pKa = - 0,6

+NO2+H2O

-OSO3H++

HO NO2H

+HO NO2 H OSO3H

SO3H

H3O+H2SO4

+ +

+

H

SO3H+

B SO3H+SO3H HB++



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A reao de sulfonao uma reao reversvel. Mecanismo de Dessulfonao: 4) ACILAO DE FRIEDEL-CRAFTS

Dois tipos de SEA foram desenvolvidos, independentemente, pelos pesquisadores Charles Friedel (Francs) e James Crafts (Americano). A acilao ocorre pela substituio de um tomo de H do anel por um grupo acila (RC=O), enquanto que na alquilao o grupo um alquil (R).

Os reagentes utilizados, para tanto, pode ser um cloreto de acila ou um anidrido

(para acilao). Os eletrfilos so formados pela ao do cido de Lewis (AlCl3).

Reao Geral:

Mecanismo:

SO3H H3O+,100 oC

+ SO3 H++

SO3H

+H++

H

SO3H+

+SO3H

RO

Cl

1) AlCl 3

2) H2O

R

O

+ HCl+

RO

OR

O

1) AlCl 3

2) H2O

R

O

+ + RO

OH

RO

ClAlCl3 AlCl4

-+ RO

R O +

on aclium

R S

O

O

O-R S

O

O-

OR S O

O

O-



17

IMPORTANTE!!! Como o produto da reao de acilao de Friedel Crafts, uma

cetona, deve ser utilizado mais de um equivalente de AlCl3. Devido complexao do produto (cetona) com o AlCl3 (cido de Lewis utilizado como catalisador).

Ex.:

5) ALQUILAO DE FRIEDEL CRAFTS:

A primeira etapa da alquilao de FriedelCrafts, a formao de um carbnio, a partir de um haleto de alquila e um cido de Lewis (geralmente AlCl3).

Podem ser utilizados os fluoretos, cloretos, brometos e iodetos de alquila. Os

haletos de vinila e arila, no podem ser utilizados, uma vez que seus Carbnios so muito instveis para serem formados.

Reao geral:

Mecanismo:

Como os alquilbenzenos formados so mais reativos que o benzeno geralmente observa-se a formao de produtos de polialquilao do anel aromtico.

R

O

+ AlCl3 R

OAlCl3

H2O R

O

Al(OH)3 HCl+ +

AlCl3+ R Cl

R+ HCl

AlCl3 AlCl4-

+R Cl + R+

AlCl3AlCl4

-+

HR

+

R

+ HClR+

Catalisador

+ R+R

+ R+R

Rmais reativo

+ HB+

BHR

OR

O+ R

O



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Este problema pode ser facilmente minimizado, utilizando-se uma quantidade de benzeno muito maior que o eletrfilo (geralmente como prprio solvente). Desta forma, ser mais provvel que o eletrfilo encontre uma molcula de benzeno para reao, do que uma molcula de alquilbenzeno.

A alquilao de FriedelCrafts dependente da estrutura do carbnio formado, uma vez que carbnios primrios podem rearranjar para formar espcies mais estveis. A reao do benzeno com cloreto de n-butila catalisada por AlCl3 leva a formao de uma mistura de produtos, onde o produto majoritrio oriundo de um rearranjo do carbnio formado inicialmente, levando a uma espcie mais estvel.

Outro exemplo de rearranjo do on carbnio pode ser observado na reao do cloreto de neopentila com benzeno catalisado por AlCl3 descrita abaixo.

A alquilao de FriedelCrafts pode ser efetuada com carbnios gerados, a partir de alquenos com HF como catalisador, ou a partir de lcoois catalisado por BF3.

+ Cl AlCl30 oC +

65% 35%

H

Carbnio primrio

Migrao 1,2 de hidreto

H

Carbniosecundrio

MAIS ESTVEL

+ Cl AlCl3

100% No formado

+

Cl AlCl3Migrao 1,2 de metila

Muito mais estvel

+ HF



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Mecanismo para a alquilao via alqueno e HF:

Se carbnios primrios so pouco estveis, como podemos preparar alquilbenzenos (primrios)? Resposta atravs de uma reao de acilao de Friedel-Crafts seguida de uma reduo de cetona para metileno.

A reduo de uma cetona a um grupo metileno geralmente, pode ser efetuada pelo mtodo de Wolff-Kishner ou pelo mtodo de Clemensen, como pode ser visto abaixo. Dependendo da molcula em questo pode-se optar por um ou outro (em meio cido ou bsico).

H

+H F

-

+ HF

Reduo*+

O1) AlCl 32) H2O

O

Cl

R

R

Reduo deWOLFF-KISHNER

H2NNH2, HO-,

Reduo deCLEMMENSEN

Zn(Hg), HCl,

R

O

+BF3

60 oC

CICLOEXILBENZENO (56%)

HO+ H2O



20

O EFEITO DOS SUBSTITUINTES NA REATIVIDADE DO ANEL AROMTICO FRENTE A SEAr

A etapa determinante da velocidade de uma reao de substituio eletroflica aromtica a etapa do ataque do anel aromtico (nuclefilo) a um eletrfilo. Neste caso, se o grupo substituinte do anel aromtico, de alguma forma elevar a densidade eletrnica do anel, ocorrer um aumento na velocidade de reao, uma vez que a interao nuclefilo-eletrfilo favorecida. De modo contrrio, se o grupo substituinte diminuir a densidade eletrnica do anel, a reao deve ocorrer mais lentamente. A densidade eletrnica do anel pode ser influenciada pelo substituinte, pela doao ou retirada de eltrons. Esta doao ou retirada de eltrons pode ocorrer de duas maneiras basicamente: Por Efeito Indutivo (relacionado com a eletronegatividade dos grupos), que um efeito mais localizado (de vizinhanas); ou por Efeito de Ressonncia (relacionado com a migrao de eltrons atravs de orbitais conjugados). Velocidade relativa de benzenos substitudos frente SEAr. X = Grupo eltron-doador. Y = Grupo eltron-atrator. EFEITO INDUTIVO No efeito indutivo, devemos comparar a eletronegatividade do grupo ligado ao anel aromtico. Se o tomo (ou grupo) ligado ao anel aromtico for mais eletronegativo que o hidrognio, anteriormente ligado, ele deve exercer um efeito retirador de eltrons maior que o mesmo. Logo, devemos ter uma diminuio da velocidade de reao. No caso de grupos menos eletronegativos que o tomo de hidrognio, devemos ter um aumento da velocidade de SEAr, pois teremos um efeito eltron doador.

CH3 um grupo eltron-doador, consequentemente: - Aumenta a densidade eletrnica do anel atravs de seu efeito indutivo;

- Torna o anel mais reativo frente eletrfilos (E+);

- Aumenta a velocidade da reao de SEAr.

Dessa forma chamado de grupo ativante ou ativador do anel aromtico frente SEAr.

X Y

O carbono sp 3 menos eletronegativoque o carbono sp 2. Logo, teremos umefeito de doao de eltrons da metilapara o anel aromtico.

CH3



21

NH3+ um grupo eltron-atrator, consequentemente: - Diminui a densidade eletrnica do anel atravs de seu efeito indutivo;

- Torna o anel menos reativo frente eletrfilos;

- Diminui a velocidade da reao de SEAr.

Dessa forma chamado de grupo desativante ou desativador do anel aromtico frente SEAr.

EFEITO DE RESSONNCIA

Na ressonncia, temos a doao de eltrons (migrao) no sentido dos grupos para o anel aromtico (efeito +R), ou do anel aromtico para os grupos (efeito R). Para que esta migrao ocorra devemos ter eltrons conjugados.

Pares de eltrons no ligantes de um tomo ligado diretamente ao anel aromtico, podem ser doados ao mesmo, criando uma carga negativa. Este fato, aumenta consideravelmente a densidade eletrnica no anel, estes grupos sero considerados grupos ativantes frente reao de SEAr.

No caso de grupos que possam retirar os eltrons de uma dupla do anel, ser

gerada uma carga positiva dentro do anel; isto desfavorece a reao com eletrfilos, que so espcies carregadas positivamente. Estes grupos so chamados de grupos desativantes frente reao de SEAr.

Grupos ativantes por ressonncia:

Grupos com pares de eltrons livres, doam eltrons ao anel, gerando uma carga negativa nas posies orto e para, em relao a ele.

OCH3 OCH3OCH3 OCH3 OCH3

Neste caso o grupo +NH3 maiseletronegativo. Desta forma, teremosum efeito de retirada de eltrons.

+NH3



22

Grupos desativantes por ressonncia:

Grupos desativantes por ressonncia geram uma carga positiva no anel aromtico, passando pelas posies orto e para, em relao a ele.

Importante:

Repare que em ambos os exemplos anteriores (anisol e acetofenona) no se observam a formao de carga nos carbonos da posio meta, em relao ao grupo que faz a ressonncia. Este fato nos indica que em reaes de SEAr, com sistemas aromticos substitudos, teremos posies com reatividade diferentes em funo do grupo presente no anel. Este fato implica diretamente na regiosseletividade observada em reaes de SEAr em anis substitudos.

Grupos ativantes orientaro a SEA para as posies orto e para.

Grupos desativantes orientaro a SEA para a posio meta. Exemplos da regiosseletividade apresentada em anis aromticos monosubstituidos:

O OO O O

CH3

+ Br2FeBr3

CH3Br

CH3

Br

+

Br

+ Cl2FeCl3

Cl

BrCl

Br

+

O

+ HNO3H2SO4

O

NO2

NO2

+ Br2FeBr3

NO2

Br



23

ESTRUTURAS DE RESSONNCIA PARA O ATAQUE ELETROFLICO EM ANIS MONOSSUBSTITUDOS

No caso do tolueno, que um ativante fraco, notamos que o ataque nas

posies orto e para, apresentam uma estrutura de ressonncia estabilizada pelo efeito +I do grupo metila, este fato favorece o ataque nestas posies, pois diminui a energia do estado de transio para estes ataques (vide esquema abaixo).

No caso do anisol, que um sistema ativado por ressonncia (ativante forte), ocorre a formao de uma estrutura de ressonncia a mais, obtida pela estabilizao da carga positiva do anel, pelos pares eletrnicos do tomo de oxignio, quando o ataque ocorre nos carbonos das posies orto e para (ver esquema abaixo).

+ E+

orto

meta

para

CH3H

E

CH3H

E

CH3HE

CH3

HE

CH3

HE

CH3

HE

CH3

CH3

E H

CH3

E H

CH3

E H

MAIS ESTVEL

MAIS ESTVEL

+ E+

orto

meta

para

OCH3H

E

OCH3H

E

OCH3HE

OCH3

HE

OCH3

HE

OCH3

HE

OCH3

OCH3

E H

OCH3

E H

OCH3

E H

RELATIVAMENTE MAIS ESTVEL

OCH3H

E

RELATIVAMENTE MAIS ESTVEL

OCH3

E H



24

No caso do nitrobenzeno (sistema fortemente desativado por induo e ressonncia), o ataque nas posies orto e para, gera um carbnio muito instvel, pois a carga positiva gerada passa no carbono diretamente ligado ao grupo desativante (NO2), o que aumenta consideravelmente a energia do estado de transio para o ataque nestas posies. Estas estruturas em questo, no so formadas quando o ataque se d na posio meta (vide esquema abaixo), da o fato do grupo nitro ser meta orientador.

RELAO DE SUBSTITUIO ORTO / PARA EM ALQUILBENZENOS A relao de substituio orto/para em alquilbenzenos depende basicamente de dois fatores: o efeito indutivo dos grupos alquila e o impedimento estreo provocado por grupos volumosos. Podemos notar nos exemplos descritos abaixo, na medida em que os grupos substituintes aumentam de volume, a substituio na posio orto vai diminuindo, este fato se d pelo efeito estrico provocado por estes substituntes. No caso do tolueno, o produto de substituio na posio orto favorecido, pois o grupo metil um ativante por efeito indutivo (efeito de vizinhana) e seu volume no to grande quanto o dos grupos etil e t-butil.

+ E+

orto

meta

para

NO2H

E

NO2H

E

NO2HE

NO2

HE

NO2

HE

NO2

HE

NO2

NO2

E H

NO2

E H

NO2

E H

RELATIVAMENTE INSTVEL

RELATIVAMENTE INSTVEL

CH3

+ HNO3H2SO4

CH3NO2

CH3

NO2

+

61% 39%

+ HNO3H2SO4

NO2

NO2

+

50% 50%



25

TABELA COM O PERFIL DOS SUBSTITUNTES MAIS COMUNS EM AROMTICOS

+ HNO3H2SO4

NO2

NO2

+

18% 82%



26

CONSIDERAES ADICIONAIS SOBRE A REAO DE SEAr EM ANIS SUBSTITUDOS

Nos casos onde os anis aromticos so bastante ativados, no necessrio a

adio de um catalisador para que ocorram reaes de bromao. As iodaes tambm so passiveis de ocorrer nesses sistemas sem a necessidade de catlise.

Ex.:

O

O

HO OH

O

O

HO OH

X

X X

X

X2 excesso

X = Br ou I

Fluorescena (amarela) X = Br; Eosina (carmim)X = I; Eritrosina (carmim)

Se o cido de Lewis utilizado juntamente com um excesso de bromo ocorrer a tribromao do anel.

OCH3

+ 3 Br2FeBr3

OCH3Br

Br

Br

+ 3 HBr

Grupos ativantes muito volumosos impedem a entrada do eletrfilo na posio orto favorecendo a entrada do eletrfilo na posio para, menos impedida. Este fato bem ilustrado na sntese da p-nitroacetanilida, onde o produto para-substituido obtido quase que exclusivamente.

OCH3 OCH3Br

Br2+

OCH3

Br

+

N H 2 O

Cl Piridina

N

O H

HNO3

H 2SO 4

A c e t a n i l i d a

N

OH

NO2

N H 2

N O 2

1) HCl, H 2 O, 2) HO -



27

Sistemas muito ativados so muitas vezes nitrados utilizando-se um meio mais brando, sem a utilizao de cido sulfrico como catalisador. Este meio faz o uso de cido actico como solvente, formando uma mistura aceto-ntrica, a qual vai liberando +NO2, lentamente. As reaes de FRIEDEL-CRAFTS (acilaes ou alquilaes) no so observadas em sistemas aromticos ligados a grupos fortemente desativantes. Anilinas, quando submetidas a reaes de FRIDEL-CRAFTS, tambm no formam produtos de substituio eletroflica aromtica, devido complexao dos pares eletrnicos da anilina com o cido de Lewis (AlCl3). Nas acilaes as aminas ou fenis podem reagir inicialmente com um cloreto de acila para formar uma amida ou um ster, respectivamente, os quais podem sofrer um posterior rearranjo conhecido como rearranjo de Fries, para formar os produtos de acilao como mostrado nos exemplos abaixo.

NH2

AlCl3NH2

AlCl3

SISTEMA MUITO DESATIVADO

+

N

NO2

NNO2

CH3CO2H

HNO3

N

NO OCORRE REAO

NO OCORRE REAO

AlCl3

AlCl3

Cl

O

Cl

+

+

NO2

SO3H



28

Ref.: Convenient Synthetic Approach to 2,4-Disubstituted Quinazolines. S. Ferrini, F. Ponticelli, M. Taddei, Org. Lett., 2007, 9, 69-72.

Ref.: Fries rearrangement in methane sulfonic acid, an environmental friendly acid. A.Commarieu, W. Hoelderich, J. A. Laffitte, M.-P. Dupont, J. Mol. Cat. A.: Chemical, 2002, 182-183, 137-141.

REAES DE SEAr EM ANIS COM MAIS DE UM SUBSTITUNTE Quando um anel dissubstitudo sofre uma SEAr o efeito dirigente de ambos os grupos devem ser considerados. Se os substituintes orientam a entrada do eletrfilo para a mesma posio o produto da reao facilmente previsto, como visto abaixo na nitrao do p-nitrotolueno.

CH3

NO2

CH3

NO2

NO2HNO3

H2SO4

os dois substituintes orientam para esta posio(meta em relao ao nitro e orto em relao a metila)

Na molcula do m-clorotolueno trs posies so favorecidas para a entrada do eletrfilo. Porm, em uma delas no ocorrer a substituio devido ao impedimento estreo provocado pelos dois substituintes (metila e cloro), formando assim dois produtos de substituio eletroflica.



29

CH3

Cl

CH3

Cl

NO2

HNO3

H2SO4

os dois substituintes orientam para estas posies (orto e para em relao a metila e ao cloro)

CH3

Cl

O2N

+maior impedimento estreo

Quando os dois substituintes dirigirem a substituio para posies diferentes, um substituinte mais fortemente ativador prevalecer sobre um ativador mais fraco ou um substituinte desativador. Este fato observado na bromao do p-cresol que leva a formao de um nico produto de substituio orientado pela hidroxila fenlica.

CH3

OH

CH3

Br

OH

+ HBr

NICO PRODUTO

Metila (ativador fraco)orienta para esta posio

Hidroxila (ativador forte)orienta para esta posio

Br2

Quando os dois substituintes no apresentam muita diferena no poder orientador, nenhum deles ir dominar a seletividade e uma mistura de produtos ser obtida, como pode ser observada na nitrao do p-clorotolueno.

CH3

Cl

CH3

NO2Cl

HNO3

H2SO4

MISTURA DE PRODUTOS

Metila (ativador fraco)orienta para esta posio

Cloro (desativador fraco)orienta para esta posio

CH3

Cl

NO2+

Exerccio: indique o produto de SEAr formado preferencialmente em cada uma das reaes abaixo:

O

O

H

O

HNO3

AcOH

O O

HNO3/H2SO4

AcOH



30

REAES DE SUBSTITUIO ELETROFLICA NO NAFTALENO Assim como o benzeno o naftaleno um composto aromtico com anis ou ncleos fundidos. A molcula do naftaleno apresenta trs estruturas de ressonncia contribuintes.

Da mesma maneira que o benzeno o naftaleno capaz de sofrer reaes de SEAr. Esta substituio ocorre preferencialmente na posio alfa em detrimento da posio beta do naftaleno, como pode ser visto nas nitraes desse sistema.

HNO3H2SO4

NO2

1-nitronaftaleno(-nitronaftaleno)

+ H2O

Duas evidncias experimentais acerca da reatividade do naftaleno so: Ele mais reativo que o benzeno; A SEAr ocorre preferencialmente na posio alfa em detrimento da posio beta.

O fato da maior reatividade do naftaleno em relao ao benzeno pode ser ilustrado atravs da reao de bromao do mesmo que ocorre sem a necessidade da utilizao de um catalisador (cido de Lewis), o que ocorre somente em sistemas aromticos bastante reativos.

Br

+ Br2 + HBr

1-bromonaftaleno A explicao para ambas as evidncias podem ser dada analisando-se as

estruturas de ressonncia formadas quando ocorre o ataque eletroflico no benzeno e, comparando-as com as estruturas formadas no ataque eletroflico nas posies alfa e beta do naftaleno, como visto a seguir.



31

EH

EH

EH

E

Estruturas de ressonncia para o ataque eletroflico no benzeno

Estruturas de ressonncia para o ataque eletroflico a posio alfa do naftaleno:

E H E

H E

H E

H E H E H E

H E

Estruturas de ressonncia para o ataque eletroflico a posio beta do naftaleno:

E

H

E

H

E

H

E

H

E

H

E

H

E

Como podemos observar na anlise das estruturas de ressonncia para o ataque eletroflico, o naftaleno mais reativo que o benzeno em funo do carbnio (carboction estabilizado por 7 estruturas de ressonncia no caso do ataque alfa) gerado ser mais estvel que no caso do bezeno (estabilizado por 3 estruturas de ressonncia). Ainda sobre estas estruturas podemos observar que o ataque posio alfa do naftaleno gera um carbnio que pode ser estabilizado por sete estruturas de ressonncia onde em quatro delas a aromaticidade de um dos anis mantida, enquanto o ataque em beta leva formao de seis estruturas de ressonncia onde



32

em somente duas delas um dos anis permanece com sua aromaticidade integra. Desta forma, podemos concluir que o ataque eletroflico na posio alfa mais favorvel que na posio beta do naftaleno.

A reao de sulfonao do naftaleno nem sempre leva a formao do produto

substitudo na posio alfa. Caso a reao seja realizada sob condies que no favoream o equilbrio (temperaturas abaixo de 80C, fato que a torna irreversvel) o produto obtido ser o cido alfa-naftalenossulfnio (produto cintico). Porm, quando realizada sob condies que favoream o equilbrio (temperaturas em torno de 160C, fato que a torna reversvel) ocorrer preferencialmente formao do cido beta-naftalenossulfnio (produto termodinmico).

SO3H

+ H2O

cido 1-naftalenossulfnio (produto cintico)

H2SO4

80oC

SO3H

SO3H+ H2SO4

160 oC

cido alfa-naftalenossulfnio (produto cintico)

cido beta-naftalenossulfnio (produto termodinmico)

O produto substitudo na posio alfa o mais fcil de ser formado porque o carboction que leva a sua formao mais estvel. Enquanto o produto substitudo na posio beta mais estvel porque h mais espao nessa posio para o grupo sulfnio volumoso. Na posio alfa o grupo sulfnio est muito prximo do tomo de hidrognio da posio alfa vizinha levando a um estado de repulso.



33

No caso de SEAr em naftalenos substitudos, a natureza do substituinte determinar em qual anel ir ocorrer a reao. Se o substituinte for desativador, o eletrfilo se ligar preferencialmente na posio alfa do outro anel, uma vez que o anel com o substituinte menos reativo (desativado). Como exemplo, na nitrao do 1-nitronaftaleno ocorre entrada de um segundo grupo nitro na posio alfa do anel vizinho menos impedido. como pode ser visto abaixo:

NO2 NO2

NO2

+ HNO3/H2SO4

Se o substituinte ativante, o eletrfilo vai atacar preferencialmente o anel em que est ligado o substituinte uma vez que o mesmo mais reativo. Nesse caso o eletrfilo ser dirigido posio alfa, que seja orto ou para em relao ao substituinte, devido possibilidade de maior estabilizao dessas posies pelo efeito eltron-doador desses substituintes, como pode ser visto nos exemplos abaixo.

OCH3 OCH3

O

O

Cl

1) AlCl3

2) H2O+ + HCl

CH3+ Br2 + HBr

CH3

Br

Exerccio: Escreva a estrutura do produto formado na clorao das substncias apresentadas abaixo.

OCH3CH3

A) B)

NO2

BrC) D)



34

REAES DE SUBSTITUIO NUCLEOFLICA AROMTICA (SNAr) Devido ao sistema de duplas conjugadas os compostos aromticos so bases de Lewis. A troca de um substituinte por um reagente nucleoflico (por exemplo: OH-, NH2-) , geralmente, bem mais difcil que a substituio eletroflica. Abaixo representado um esquema geral de uma substituio nucleoflica aromtica (SNAr).

X Y

+ Y + X

Nessa reao eliminado o substitunte X juntamente com o par de eltrons da ligao com o anel aromtico. Por isso, fundamental que o grupo deslocado seja um nion de baixa energia (mais estvel), ou uma molcula neutra. Como exemplo, podemos citar: halogenetos, o grupo sulfnio e o grupo diaznio. A substituio de um tomo de hidrognio , pelo contrrio, bastante difcil e s consegue quando for possvel remover o nion hidreto altamente bsico e reativo, por exemplo, por oxidao.

SUBSTITUIO NUCLEOFLICA EM COMPOSTOS AROMTICOS ATIVADOS Os substituintes fortemente eltron-atratores (- I e R), fazem baixar a densidade eletrnica dos compostos aromticos e por isso dificultam a SEAr. Porm, favorecem extraordinariamente a substituio nucleoflica aromtica, sendo classificados como ativadores desse tipo de reao. O mecanismo das substituies nucleoflicas nos compostos aromticos ativados, que corresponde a um mecanismo de adio-eliminao, pode ser exemplificado pelo caso tecnicamente importante da hidrlise do 1-cloro-4-nitrobenzeno para formao do p-nitrofenol.

Cl

NOO

Cl

NOO

Cl

NOO

estruturas de ressonncia

estrutura que favoreceo ataque nucleoflico

Cl

NOO

Cl

NOO

Cl

NOO

OH

NOO

Cl OHCl

OH

NOO

Mecanismo proposto

adio eliminao



35

Esta reao tem certo parentesco com a substituio nucleoflica bimolecular (SN2) nos compostos alifticos. De maneira geral tambm um mecanismo bimolecular, sendo a formao do nion intermedirio (mostrado no mecanismo acima), o passo mais lento. Contrariamente a reao SN2 e em analogia ao complexo da substituio eletroflica aromtica, no um estado de transio e sim um composto autntico. Para que ocorra tal reao necessrio que o centro reacional esteja positivado (como visto nas estruturas de ressonncia mostradas acima) e que a carga negativa do nion formado no ataque nucleoflico esteja muito deslocada por conjugao. Estas duas condies cumprem-se sempre que os substituintes eltron-atratores estejam localizados nas posies orto ou para em relao ao grupo que vai ser substitudo. A ao ativadora desses substituintes depende do seu poder de atrair eltrons, e diminui de acordo com a seguinte srie:

N N > NO2 CN COCH3CHO ClN N Ph> > > > > Pelos motivos indicados acima, as substituies nucleoflicas aromticas ocorrem com relativa facilidade em heterocclicos tais como a piridina e a quinolina (em analogia ao nitrobenzeno). A reao tambm facilitada quando o centro reacional fica positivado por ao do grupo que vai ser substitudo, ou grupo abandonador (tal como o cloro na hidrlise discutida acima). Assim os halognios podem em geral permutar com maior facilidade, conforme a seguinte srie: iodo < bromo < cloro bromo > cloro >> flor). Essa diferena ocorre, pois na SN2 a liberao do halognio ocorre simultaneamente com o ataque nucleoflico, enquanto que na SNAr esse passo no simultneo. Dessa forma, a velocidade da reao de SNAr em compostos ativados depender basicamente da nucleofilicidade da base utilizada e da capacidade do composto aromtico para atrair eltrons e positivar o centro reacional. A questo da reatividade de sistemas aromticos nas SNAr pode ser evidenciada nos exemplos descritos abaixo. A hidrlise do clorobenzeno a fenol s acontece em condies muito extremas, enquanto a hidrlise nos derivados de orto-cloronitrobenzeno e para-cloronitrobenzeno consegue-se em soluo de carbonato de sdio a 130 oC. Enquanto o cloreto de picrila (1-cloro-2,4,6-trinitrobenzeno) chega a ter reatividade comparvel a um cloreto de acila.

Cl OH

+ ClNaOH 15%

350 oC



36

ClNaCO 3(aq)

130 oCo ou p-NO2

OH

o ou p-NO2

Cl

NO2

NO2

O2N+ Cl

H2O

50 oC

OH

NO2

NO2

O2N

As SNAr em aromticos ativados apresentam-se com um mtodo muito interessante para reaes em escala de laboratrio, assim como em escala industrial. Alguns exemplos so esquematizados abaixo (procure escrever as equaes qumicas para cada um dos esquemas apresentados). a) 1-cloro-2,4-dinitrobenzeno + NaOH 2,4-dinitrofenol + HNO3/H2SO4 c. pcrico b) 1-cloro-2,4-dinitrobenzeno + NH2NH2 2,4-dinitrofenilidrazina c) N,N-dialquil-p-nitrosoanilina + NaOH dialquiamina + p-nitrosofenol d) p-flornitrobenzeno + CH3O- p-nitroanisol e) 1-bromo-2,4-dinitrobenzeno + etilamina brometo de N-etil-2,4-dinitroanilinium A SNAr utilizada na identificao de aminocidos terminais em peptdeos. Onde se faz reagir o peptdeo com 1-Flor-2,4-dinitrobenzeno e, aps a hidrlise, identifica-se o aminocido terminal na forma de derivado 2,4-difenlico, o qual pode ser facilmente isolado dos outros aminocidos como mostrado a seguir.

H2N CH CO

R

Peptdeo

O2N

NO2

F

+

NH CH CO2H

RNO2

O2N

aminocidos

hidrlise

O2N

NO2

HNCH

CO

R

Peptdeo

+

Entre as SNAr em compostos ativados em que se substitui um tomo de hidrognio, sobretudo importante a sntese de CHICHIBABIN das 2- ou 4-



37

aminopiridinas, ou quinolinas, por meio de amideto de sdio. O hidreto de sdio que se forma, reage com o hidrognio ativo da aminopiridina, como mostrado no esquema abaixo:

NNH2

NHNNH2N

H

NH2N

H H2 +

SUBSTITUIO NUCLEOFLICA EM COMPOSTOS AROMTICOS DESATIVADOS

Os tomos de halognio ligados a um anel aromtico que no sejam ativados por grupos eltron-atratores (- I ou - R), no so substitudos por nuclefilos, tais como hidroxila, amnia ou cianeto, em condies brandas. Entretanto, o clorobenzeno pode sofrer substituio nucleoflica na presena de uma base forte como o on amideto (NH2-). Dois fatores chamam ateno nessa reao: o haleto de arila no precisa possuir um grupo fortemente eltron-atrator ligado posio orto ou para em relao ao grupo de sada, e o substituinte que entra nem sempre se liga ao carbono que continha o grupo de sada. Por exemplo, quando o clorobenzeno marcado isotopicamente com 14C no qual o cloro est ligado, tratado com amida de sdio em amnia lquida, a anilina gerada apresenta metade das molculas com o grupo NH2 ligado ao carbono marcado e a outra metade ligada ao carbono vizinho, como visto abaixo. Cabe destacar que esses so os nicos produtos obtidos e, no so observados anilinas com o grupo amino localizado a uma distncia de dois ou trs carbonos do tomo marcado.

Cl NH2NH2NaNH2

NH3(liq)+

= 14C O fato dos dois produtos serem formados em quantidades aproximadamente iguais indica que a reao ocorre por um mecanismo que forma um intermedirio onde os dois carbonos, aos quais o grupo amina ligado no produto, so equivalentes. O mecanismo que explica essas observaes experimentais envolve a formao de um intermedirio benzino. O benzino tem uma ligao tripla entre dois tomos de carbono adjacentes do benzeno. Na primeira etapa do mecanismo, a base forte (NH2-) retira um prton da posio orto em relao ao tomo de halognio. O nion resultante expulsa o on haleto, formando um sistema benzino. Nessa altura o on NH2-, pode atuar como um nuclefilo e atacar ambos os tomos de carbono da tripla ligao do benzino. A protonao do nion resultante leva ao produto de substituio. A reao global uma reao de eliminao-adio: o benzino formado em uma reao de eliminao e imediatamente sofre uma reao de adio (vide mecanismo proposto abaixo).



38

Cl

H+ NH2 - NH3

= 14C BENZINO

Cl

- Cl

+ NH 2

- NH2

NH2

NH2

H NH2

H NH2- NH2 NH2

NH2

A reao de substituio no carbono onde o halognio estava originalmente ligado denominada substituio direta. Enquanto a substituio no carbono adjacente denominada substituio cine (cine vem da palavra grega kinesis, que significa movimento). Este fato pode ser ilustrado no exemplo abaixo.

CH3Br NaNH2

NH3(liq.)

CH3NH2

CH3

NH2

+

produto desubst. direta

produto desubst. cine

Exerccio: escreva a estrutura dos produtos formados nas reaes abaixo (dica: escreva a estrutura dos benzinos intermedirios em cada uma das reaes).

NaNH2

NH3(liq.)

CH3

Br

CH3

Br

NaNH2

NH3(liq.)



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BIBLIOGRAFIA CONSULTADA:

1) Bruice, Paula Yurkanis. Qumica orgnica, 4a edio, volumes 1 e 2. So Paulo: Pearson Prentice Hall, 2006.

2) Becker, Heinz G. O. Organikum: Qumica Orgnica Experimental. 2a edio.

Porto: Fundao Calouste Gulbenkian, 1997.

3) Solomons, T. W. Graham; Fryhle, Craig B. Qumica Orgnica. 7a edio, volumes 1 e 2. Rio de Janeiro: LTC Livros Tcnicos e Cientficos Editora S.A., 2002.

4) Norman, R. O. C.; Coxon, J. M. Priciples of Organic Synthesis. 3rd edition.

Glasgow: Blackie Academic & Profissional, 1993.

21607836-COMPOSTOS-AROMATICOS-APOSTILA

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