AROMATICIDAD Y

SUSTITUCIÓN ELECTROFÍLICA AROMÁTICA

Los compuestos de carácter aromático pueden dividirse en bencenoides y no bencenoides

a) bencenoides

Benceno Naf taleno Antraceno Fenantreno

b) No bencenoides

Azuleno

aniónciclopentadienilo

catióncicloheptatrienilo

N

H

PirrolPiridina

N

Nomenclatura de compuestos derivados del benceno

a) Nombres triviales

CH3

Tolueno

OH

Fenol

NH2

Anilina

COOH

Ácido benzoico

b) Sistemática, nombrando el (los) radical (es)presente(s) y agregando la palabra benceno

CH3

metilbenceno

CH2 CH3

etilbenceno

Br

bromobenceno

c) Como sustituyente (si el largo de la cadena es mayor de 6 átomos de carbono)

3-fenilnonano (n)-propilbenceno

d) Nomenclatura orto (o), meta (m) y para (p) sólo para derivados bencénicos disustituidos

CH3

CH3

o-dimetilbenceno1,2-dimetilbencenono 2-metiltoluenoni o-metiltolueno

CH3

CH3

m-dimetilbenceno1,3-dimetilbencenono 3-metiltolueno om-metiltolueno

CH3

CH3

p-dimetilbenceno1,4-dimetilbencenono 4-metilbenceno op-metiltolueno

e) Más de dos sustituyentes. Se nombran por orden alfabético dándole la menor numeración a los sustituyentes presentes, o en base a un compuesto aromático de nombre trivial

CH3

Br

NO2

2-bromo-1-metil-4-nitrobencenoó 2-bromo-4-nitrotolueno

2,4,6-tribromofenol

BrBr

OH

Br

CH3

Br

NO2

2-bromo-4-metil-1-nitrobencenoó 3-bromo-4-nitrotolueno

Compuesto Producto ΔH(kcal)

Ciclohexeno - 28,6

1,3-Ciclohexadieno Ciclohexano - 55,4

1,3,5-Ciclohexatrieno

- 49,8

Según la tabla, por cada doble enlace que se hidrogene se debieran desprender 28,6 kcal. Así, para el benceno (tres dobles enlaces), el ΔH debiera ser de – 85,8 kcal.

Calores de hidrogenación de cicloalquenos

El valor observado es de –49,8 kcal, luego

85,8 – 49,8 = 36 kcal menos que lo esperado, lo que equivale a la energía de estabilización o de resonancia

28,6

55,4

49,8

85,8

36,0

57,21,8

+ H2

+ 2 H2

+ 3 H2

a) Todos los enlaces C–C tienen la misma longitud (1,39 Å) que es intermedia entre un enlace simple (1,54Å) y uno doble (1,34Å)

b) Todos los ángulos de enlace C-C-C son de 120º

Espectroscópicamente, se ha determinado que:

Esto último sugiere que todos los carbonos están hibridizados sp2, luego la estructura básica del benceno considera un anillo plano de 6 átomos de carbono. En cada uno de ellos hay un orbital p . Como la distancia C-C es la misma y pequeña (1,39Å), los orbitales p pueden superponerse efectivamente formando una nube electrónica homogenea.

Regla de HuckelEn 1931, E. Huckel,mediante cálculos teóricos, estableció que los anillos monocíclicos planos que tienen (4n + 2) electrones poseen una alta estabilidad termodinámica (alta energía de resonancia). Esta propiedad se denomina aromaticidadAromáticos ( 6, 10, 14 electrones )

No aromáticos 4, 8, electrones , etc

Algunos ciclos a pesar de cumplir con la regla de (4n + 2) electrones , no son aromáticos porque no son planos.

H H

Los H señalados impiden la coplanaridad del anillo, por lo tanto los orbitales p no se superponen con eficiencia y la molécula aumenta su energía. El naftaleno (a la derecha) no presenta ese problema y es aromático.

Iones aromáticos

aniónciclopentadienilo

catióncicloheptatrienilo

Ambos son aromáticos porque tienen (4n + 2) electrones conjugados en un ciclo, lo que implica máxima superposición de sus orbitales p.

catiónciclopropenilo

Azuleno

Heterocíclicos aromáticos

N

H

:

Pirrol Piridina

..N

O....

Furano

S....

Tiofeno

HC sp3C sp3

La conjugación es requisito indispensable para la condición de aromático. Un anillo puede tener (4n + 2) electrones y no ser aromático porque la conjugación está interrumpida, por ejemplo

El pirrol es aromático porque utiliza el par de electrones no compartidps sobre el N para completar 6 electrones en la nube ; en cambio la piridina no los necesita ya que en cada orbital p tiene un electron ( 6 en total).

..

NH

...

.

. . .. N...

. ..

..

Pirrol y piridina

N

H

:

Pirrol Piridina..N

Teoría de la sustitución electrofílica aromática

El benceno, a pesar de su alta insaturación, no da reacciones de adición sino de sustitución

En este tipo de reacciones se produce la sustitución de una especie unida al anillo aromático por otra especie electrofílica similar.

El electrófilo que se desplaza comúnmente es H+

Las especies electrofílicas más comunes son Br+ ; SO3 ; NO2+ y R+.

El mecanismo de esta reacción involucra dos etapas: en la primera etapa (lenta) el electrófilo atacante se une al anillo formando cationes ciclohexadienilos (complejos ).

E

H

E

H

E

H

+ E

(complejos ).

En la segunda etapa (rápida) se pierde un electrófilo del mismo carbono que sufrió el ataque del electrófilo reactivo, regenerándose el sistema aromático conjugado

E

+ H

E

H

1.- Halogenación

Se puede reemplazar un H del anillo por Br o Cl por reacción con Br2 o Cl2, pero en presencia de un ácido de Lewis (FeBr3 o AlCl3 respectivamente).

El reemplazo por I (yodo) se produce por una reacción diferente, que se analizará más adelante.

La molécula de un halógeno es apolar, por lo tanto es poco reactiva con el sistema del anillo aromático.

Cuando se agrega el ácido de Lewis adecuado, se polariza el enlace X-X, formándose los complejos

donde los electrófilos son Br+ y Cl+ y los aniones FeBr4- y AlCl4-

actúan como bases para transformar el complejo en el producto sustituido

AlCl4 ClFe Br 4 Br

Bromación y cloración presentan un perfil de energía como el que se muestra a continuación

Ea

+ Br2

H Br

Br

+ HBr

H Br

+ Br21 2

1

2

Br

+ HBr

2. Nitración

La alta estabilidad del anillo aromático permite la reacción de nitración sin que ocurra la oxidación del sistema insaturado

Si un alqueno se trata con HNO3, se puede oxidar el doble enlace por el gran poder oxidante del ácido nítrico.

se consigue una buena reacción usando una mezcla de HNO3 y H2SO4 , donde el electrófilo es NO2

+.

NO2

++ HNO3

H2SO4

H2O

3. Sulfonación

En esta reacción reversible, el benceno reacciona con H2SO4 fumante (H2SO4 + SO3 disuelto)

+ H2SO4 + H2O

SO3H

4. Alquilación de Friedel y Crafts

Resulta de la reacción de un un anillo aromático con un halogenuro de alquilo, el que en presencia de AlCl3, por un mecanismo similar al de la halogenación, genera una especie (carbocatión) que actúa como electrófilo

+ R XAlCl3

R

+ HX

R X + AlCl3 R AlCl3X

H

H

R

R AlCl3X+ AlCl3X

R

+ HX + AlCl3

Ejemplo:

CH3 C

CH3

CH3

Cl+AlCl3

C

CH3

CH3

CH3

+ HCl

CH3+ CH CH2

HF

0º CCH

CH3

CH3

CH3 CH CH2 + HF CH3 C

H

CH3

Otra formación de carbocationes

Estabilidad de carbocationes

CH3 C

H

CH3 H

CH3 C

H

CH3 C

CH3

CH3

H

C

H

H> > >

Esto se explica por el efecto dador de electrones de los radicales alquilo (CH3, CH3CH2, etc) que disminuye la carga sobre el átomo que la soporta. Como la carga queda repartida sobre más átomos, la molécula es más estable.

Limitaciones de la reacción de alquilación de Friedel y Crafts

1.- Como transcurre a través de un carbocatión intermediario, se producen reordenamientos si el carbocatión formado inicialmente es de baja estabilidad

+ CH3 CH2 CH2ClAlCl3

CH2CH2CH3 CH

+

30% 70%

CH3 CH3

AlCl3CH3CH2CH2Cl CH3CH2CH2

(1º, inicial)

reordenamientoCH3CHCH3

(2º, más estable)

2.- Se pueden producir polialquilaciones, ya que al introducir un radical alquilo (dador de electrones) el producto se hace más reactivo que el compuesto aromático inicial

+

CH3

CHCl

CH3

AlCl3

CH

CH3 CH3

CH

CH3 CH3

CH

CH3 CH3

+

Para reducir esta reacción lateral, es conveniente trabajar con exceso del compuesto aromático inicial, para que el halogenuro reaccione principalmente con él.

5.- Reacción de acilación

Debido a los inconvenientes de la reacción de alquilación, es preferible introducir en primera instancia grupos acilo (R-C=O) porque no sufren reordenamientos y no dan reacciones de polialquilación por ser atractores de electrones. Después se reduce a hidrocarburo el grupo carbonilo formado.

C

O

Cl

AlCl3

CO

Zn(Hg)

HCl

R

RCH2 R

R COOH + SOCl2 R CO

Cl

+ SO2 + HCl

Aplicación de la reacción de acilación

C

O

CH2 CH3

Zn(Hg)

HClCH2 CH2 CH3

reflujo

(80%)

+ CH3 CH2 C

Cl

OAlCl3

C

O

CH2 CH3 (90%)

Reactividad y orientación

En relación al benceno, un sustituyente presente en un anillo aromático afecta a una nueva sustitución electrofílica de dos maneras:

a) Aumenta la velocidad de la reacción si el

sustituyente presente es un dador de electrones y la

disminuye si es aceptor de electrones y depende de

la magnitud de su efecto eléctricoR R(CH3, NH2,...) (NO2, C=O, CN,...)

velocidad de reacción

Esto significa que un anillo aromático que presenta un sustituyente dador de electrones (activador) es más reactivo que el benceno hacia una nueva sustitución electrofílica, ya que tiene mayor densidad electrónica

Un compuesto aromático que presenta un sustituyente aceptor de electrones (desactivador) es menos reactivo que el benceno hacia una nueva sustitución electrofílica ya que tiene menor densidad electrónica

NH2 OCH3 CH3 F Br C

O

H

O

C OH SO3H NO2

OH NHCOCH3 HCl I

C

O

OR

O

C R

CN NR3

Reactividad

DesactivadoresActivadores

b) Un sustituyente presente en el anillo determina la orientación de la nueva sustitución, es decir, la

posición del anillo donde se producirá la sustitución electrofílica

Orientadores orto - para Orientadores meta

Fuertemente activadores Fuertemente desactivadores

NH2 ; NHR , NR2.. OH NR3+ , NO2 , CCl3

   

Moderadamente activadores Moderadamente desactivadores

NHCOR.., OR. CN..,..SO3H..,..COOR.., COR

   

Débilmente activadores  

CH3..,..CH3 CH2.., C6H5  

   

Débilmente desactivadores  

Halógenos  

De acuerdo a la orientación de la nueva sustitución,

los sustituyentes se clasifican en orientadores orto-para y orientadores meta

La teoría de la resonancia explica la orientación en la sustitución electrofílica aromática

Los sustituyentes pueden clasificarse en dos tipos

a) con pares de electrones no compartidos en el átomo principal. Ejemplo

NR2..

OR....

X.... .. (Halógenos)

la resonancia de sus electrones con un sistema conjugadoorigina diversas estructuras resonantes

OR..

OR..

....OR

..OR

2

4

6

Se observa que la mayor densidad electrónica se encuentra en los carbonos 2, 4 y 6 del sistema conjugado en relación con la posición del sustituyente

Luego, un electrófilo atacará preferentemente esas

posiciones (orto y para)

Nótese que los halógenos pese a tener un efecto inductivo mayor que el de resonancia, orientan la sustitución electrofílica a las posiciones orto y para, es decir la orientación está definida por el efecto de resonancia

b) con dos átomos unidos entre sí por un enlace múltiple en el que el átomo más alejado del sistema conjugado es más electronegativo

Se puede resumir sus estructuras como X=Y o XY ,

donde Y es más electronegativo que X

X Y X Y

La resonancia también afecta las posiciones 2, 4 y 6 del

sistema conjugado (en relación al sustituyente) pero la mayor densidad electrónica está en las posiciones

3 y 5Luego un electrófilo atacará preferentemente en la posición meta

X YX Y

2

4

6

Ejemplos

+Cl2

FeCl3

Cl

Cl

Br BrBr

(45%) (53%)

HNO3

H2SO4

CH3CH3CH3

+

NO2

NO2

(59%) (37%)

HNO3

H2SO4+

NO2

NO2

COOH COOH COOH

+

COOH

NO219%

1%

80%

HNO3

H2SO4NO2

CF3 CF3

(100%)

Sustituyente orto meta para Sustituyente orto meta para

Desactivadores orientadores meta Desactivadores orientadores orto-para

(CH3)N+ 2 89 11 F 13 1 86

NO2 7 91 2 Cl 35 1 64

COOH 22 77 2 Br 43 1 56

CO2Et 28 66 6 I 45 1 54

COCH3 26 72 2 Activadores orientadores orto-para

CHO 19 72 9 CH3 63 3 34

CN 17 81 2 OH 50 0 50

        NHCOCH3 19 2 79

Orientación de la sustitución electrofílica en bencenos disustituidos

Br

Br

CH3

NO2

a) Si la disustitución es 1,4 y ambos sustituyentes orientan a la misma posición se obtiene un solo producto

b) Si la disustitución es 1,4 y ambos sustituyentes orientan a distintas posiciones, predomina la influencia orientadora del grupo más activador CH3

OH

c) si la disustitución es 1,2 o 1,3 es habitual la formación de mezclas de isómeros trisustituidos

disustitución 1,2

disustitución 1,3

HNO3

H2SO4Br Br

Cl

Br

Cl

Br

ClCl

NO2

O2N

+ +

62% 37% 1%

NO2

CH3

Cl Cl

CH3

NO2

CH3

ClCl

CH3

NO2

HNO3

H2SO4

CH3

Cl

O2N

O2N

19% 17% 43% 21%

+ + +

Algunas reacciones de cadenas laterales

Halogenación

CR

R

H

NBS

(Cl2, UV)

R

R C Br (Cl)

Cl2

0º C /UV

CH2 CH2ClCH2 CH3 CHCl CH3

+

91% 9%

Oxidación

CH3 CH2CH3 CH2CH2CH3

1. KMnO4

OH , calor2. H3O

COOH

ó ó

CCH3

CH3

CH31. KMnO4

OH , calor

2. H3O

No hay oxidación

En cadenas laterales con al menos 1 enlace C - H

CR

R

H

KMnO4

OH , calor

1.

2. H3O

COOH

+ otros productosde oxidación

así

Reducción del grupo NO2

Al tratar un compuesto nitrado con un metal y un ácido mineral, el grupo nitro se reduce a amino.

H H

NO2

C

O O

C2. NaOH, H2O

1. SnCl2, H3O

NH2

Cuando el grupo nitro está en presencia de otros grupos susceptibles de reducirse (por ej. C=O) es preferible usar SnCl2

NO2 NH2

CH3 CH3

2. NaOH, H2O

1. Fe + HCl (H2)

Las aminas primarias aromáticas pueden originar diversos compuestos por reacción del grupo amino con HNO2 (NaNO2 + HCl) formando una sal de diazonio.

NH2

NaNO2

HCl

N N NN

Cl

cloruro de bencenodiazonio

Esta reacción es compatible con una gran variedad de grupos funcionales

Las sales de diazonio son muy inestables (incluso algunas son explosivas) y recién preparadas, en solución acuosa, pueden ser reemplazadas por una gran variedad de nucleófilos

N N NN

Cl

I

KI

BrHBr

CuBr

KCNCuCNCN

H3OOH

HCl

CuCl

Cl

H3PO2

H

Protección del grupo amino. En general, es necesario

hacerlo debido a:a) Su fuerte poder activador

b) Su poderoso efecto +M provoca una rápida oxidación del anillo aromático

c) La reacción con ácidos genera una sal de amonio

que altera la orientación en una sustitución electrofílica

NH2

HNO3

H2SO4

NH3

H2SO4

HNO3

NH3

NO2

NH2

Br2

H3O+

NH2

BrBr

Br

+-( 100%)

Para evitar estas reacciones indeseadas, es preferible utilizar la amida correspondiente para regenerar el grupo amino por hidrólisis

La función amida orienta la SE a las mismas posiciones que el grupo amino, pero es un

activador más moderado debido a la presencia del grupo carbonilo que atrae los electrones del NH2.

NH2 O

O

O

CH3

CH3 NH

CH3

O NH2

R

Reacciones H2O

Amina Amida Hidrólisis Amina final

Reducción selectiva

La reducción de los grupos nitro del m-dinitrobenceno puede ser total o parcial

Esto permite el reemplazo total o parcial de los grupos NH2 (provenientes de la reducción del grupo NO2 ) a través de la sal de diazonio correspondiente

NO2

NO2

NH2

NH2

NO2

NH2

(NH4)2Sx

Zn (Fe) + HCl

Ejemplos

NO2

NO2

NH2

NO2

(NH4)2Sx1- Zn + HCl

2.- NaNO2 / HCl

3. HCl / CuCl

Br

Cl

Br

NaNO2

HCl

HBr

CuBrNO2

Br

Br

NO2

NO2

NH2

NH2

NaNO2

HCl

HBr

CuBr

Zn

HCl

Síntesis de compuestos aromáticos

Síntesis de ácido p-nitrobenzoico a partir de benceno o tolueno

COOH NO2

1.- ¿Se puede partir de

ó?

COOH

NO2

COOH

NO2

ó

CH3

Estrategia de síntesis

La respuesta es no, ya que en cada uno de ellos hay un sustituyente orientador a la posición meta (COOH y NO2)Como en el producto ambos sustituyentes están en la posición para, por lo menos uno de ellos, inicialmente era un orientador orto-para que después sufrió una transformación química, transformándose en un orientador meta

El análisis de los grupos presentes indica que, lo más probable es que el grupo carboxilo provenga de la oxidación de un grupo alquilo presente en un anillo que ya tenía incorporado el grupo nitro (inerte a la oxidación)

CH3

NO2

COOH

NO2

1. KMnO4

OH calor

2. H3O

Luego, el reactivo inicial es el tolueno, que por nitración da p-nitrotolueno

CH3 CH3

NO2

HNO3

H2SO4

CH3 CH3

NO2

HNO3

H2SO4

COOH

NO2

1. KMnO4

OH calor

2. H3O

y el esquema de la síntesis es