SÍNTESIS ORGÁNICA
LICENCIATURA EN CIENCIAS QUÍMICAS
Presentado por: Lic. Melvin Antonio Barahona Martínez
UNIDAD 03.MECANISMOS DE REACCIÓN.
MECANISMOS DE LAS REACCIONES DE SUSTITUCIÓN EN SISTEMAS AROMÁTICOS.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
Sabemos que, mientras los alquenos experimentan una reacción de adición cuando se tratan con bromo, el benceno es inerte en las mismas condiciones.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
Curiosamente, cuando el Fe (hierro) se introduce en la mezcla, en realidad se lleva a cabo una reacción, aunque el producto no es el que podríamos haber esperado.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
En lugar de producirse una reacción de adición, la reacción observada es de sustitución aromática electrofilica, en la que uno de los protones aromáticos es reemplazado por un electrófilo y se conserva la porción aromática de la molécula. En este tema vamos a ver muchos otros grupos que también pueden instalarse en un anillo aromático a través de una reacción de sustitución aromática electrófila.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
1- HALOGENACIÓN.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
La presencia de hierro (Fe) en la mezcla de reacción aumenta la capacidad de electrofilia de este átomo de bromo. Para comprender cómo realiza el hierro esta tarea, debemos reconocer que, en sí, éste no es un catalizador verdadero. En cambio, primero reacciona con el Br2 para generar tribromuro de hierro (FeBr3).
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
El tribromuro de hierro, un ácido de Lewis, es el catalizador verdadero de la reacción entre el benceno y el bromo. En concreto, el FeBr3 interactúa con el Br2 para formar un complejo que reacciona como si fuera Br+.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
MECANISMO DE BROMACIÓN.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
En el primer paso, la porción aromática de la molécula funciona como nucleófilo y ataca al agente electrófilo para generar un intermediario con carga positiva llamado complejo sigma, o ion arenio, que está estabilizado por resonancia. Este paso requiere un aporte de energía porque implica la pérdida transitoria de la estabilización aromática, la cual se produce porque el complejo sigma no es aromático (no posee un sistema continuo de la superposición de orbitales p).
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
En el segundo paso del mecanismo, el complejo sigma es luego desprotonado y, por esto, restablece la aromaticidad y regenera el ácido de Lewis (FeBr3). Obsérvese que, al final, el ácido de Lewis no es consumido por la reacción y, por consiguiente, es un catalizador. El tribromuro de aluminio (AlBr3) es otro ácido de Lewis común que puede servir como alternativa adecuada para el FeBr3.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
Una reacción similar se produce cuando se utiliza cloro en lugar de bromo. La cloración del benceno se logra con un ácido de Lewis adecuado, como el tricloruro de aluminio.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
El cloro reacciona con el AlCl3 para formar un complejo, el cual reacciona como si fuera Cl+.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
MECANISMO DE CLORACIÓN.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
La bromación y la cloración de los anillos aromáticos se logran con facilidad, pero la fluoración y la yodación son menos comunes. La fluoración es un proceso violento y difícil de controlar, mientras que la yodación suele ser lenta, con rendimiento escaso en muchos casos.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
MECANISMO GENERAL PARA LA SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
SULFONACIÓN. Cuando se trata el benceno con ácido sulfúrico fumante, se produce una reacción de sulfonación y se obtiene el ácido bencensulfónico.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
MECANISMO DE SULFONACIÓN DEL BENCENO.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
La reacción entre el benceno y el SO3 es muy sensible a las concentraciones de los reactivos y, por lo tanto, reversible.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
NITRACIÓN. Cuando el benceno se trata con una mezcla de ácido nítrico y ácido sulfúrico, se produce una reacción de nitración en la que se forma nitrobenceno.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
Esta reacción procede a través de una sustitución aromática electrófila en la que se considera que el ion nitronio (NO2+) es el electrófilo. Este electrófilo fuerte está formado por la reacción ácido-base que tiene lugar entre HNO3 y H2SO4. El ácido nítrico funciona como una base para aceptar un protón del ácido sulfúrico, seguido por la pérdida de agua para producir un ion nitronio. Puede parecer extraño que el ácido nítrico funcione como una base en lugar de como un ácido, pero recordemos que la acidez es relativa.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
El ácido sulfúrico es un ácido mucho más fuerte que el ácido nítrico y protonará a éste cuando se mezclan. El ion nitronio resultante actúa como electrófilo en una reacción de sustitución aromática electrófila. Este método puede utilizarse para instalar un grupo nitro en un anillo aromático. Una vez en el anillo, el grupo nitro puede reducirse para dar un grupo amino (NH2).
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
Esto nos proporciona un método de dos pasos para instalar un grupo amino en un anillo aromático: (1) nitración, seguido por (2) reducción del grupo nitro.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
MECANISMO DE NITRACIÓN.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
MECANISMO DE NITRACIÓN.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
Alquilación de Friedel-Crafts. En las secciones anteriores, hemos visto que una variedad de electrófilos (Br+, Cl+, SO3 y NO2+) reacciona con benceno en una reacción de sustitución aromática electrófila. En esta sección y la siguiente, analizaremos los electrófilos en los que el centro electrófilo es un átomo de carbono. La alquilación de Friedel-Crafts, descubierta por Charles Friedel y James Crafts en 1877, hace posible la instalación de un grupo alquilo en un anillo aromático.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
Aunque un haluro de alquilo como el 2-clorobutano es por sí electrófilo, no lo es lo suficiente como para reaccionar con el benceno. Sin embargo, en presencia de un ácido de Lewis, como el tricloruro de aluminio, el haluro de alquilo se convierte en un carbocatión.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
MECANISMO DE ALQUILACIÓN DE FRIEDEL-CRAFTS
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
MECANISMO DE ALQUILACIÓN DE FRIEDEL-CRAFTS
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
Después de la formación del carbocatión, en esta sustitución aromática electrófila intervienen dos pasos. En el primero, el anillo aromático funciona como un nucleófilo, ataca al carbocatión y forma un complejo sigma, el cual es entonces desprotonado para restaurar la aromaticidad. Muchos haluros de alquilo diferentes pueden utilizarse en una alquilación de Friedel-Crafts.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
Los haluros secundarios y terciarios se convierten fácilmente en carbocationes en presencia de AlCl3. Los haluros de alquilo primarios no se convierten en carbocationes, ya que los carbocationes primarios son extremadamente altos en energía. No obstante, la alquilación de Friedel-Crafts de hecho se observa cuando el benceno se trata con cloruro de etilo en presencia de AlCl3.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
En este caso, se presume que el agente electrófilo es un complejo entre el cloruro de etilo y el AICI3.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
Este complejo puede ser atacado por un anillo aromático. Aunque la alquilación de Friedel-Crafts es eficaz cuando se utiliza el cloruro de etilo, la mayoría de los otros haluros de alquilo primarios no puede utilizarse eficazmente, porque sus complejos con AlCl3 sufren reordenamiento con facilidad para formar carbocationes secundarios o terciarios. Por ejemplo, cuando se trata 1-clorobutano con tricloruro de aluminio, se forma un carbocatión secundario a través de un desplazamiento del hidruro.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
En este caso, se obtiene una mezcla de productos.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
La proporción de productos depende de las condiciones elegidas (concentración, temperatura, etc.), pero es inevitable una mezcla de productos. Por lo tanto, en la práctica, una alquilación de Friedel-Crafts sólo es eficaz cuando el sustrato no puede sufrir reordenamiento. Hay varias limitaciones que deben señalarse 1. Al elegir un haluro de alquilo, el átomo de carbono conectado al halógeno debe tener hibridación sp3 . Los carbocationes de vinilo y de arilo no son lo suficientemente estables para ser formados en las condiciones de Friedel-Crafts.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
2. La instalación de un grupo alquilo activa el anillo hacia otra alquilación más (por razones que vamos a analizar mas adelante). Por lo tanto, suelen ocurrir polialquilaciones.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
En general, este problema puede evitarse eligiendo aquellas condiciones de la reacción que favorezcan la monoalquilación. Para el resto de este tema, asumiremos que todas las alquilaciones de Friedel-Crafts se llevan a cabo en las condiciones que favorecen la monoalquilación, a menos que se especifique lo contrario. 3. Existen ciertos grupos, como un grupo nitro, que son incompatibles con una reacción de Friedel-Crafts. Mas adelante, analizaremos la razón de esta incompatibilidad.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
Acilación de Friedel-Crafts. En la sección anterior vimos cómo instalar un grupo alquilo sobre un anillo aromático. Puede utilizarse un método similar para instalar un grupo acilo. A continuación, se muestra la diferencia entre un grupo alquilo y uno acilo.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
La reacción que instala un grupo acilo se llama acilación.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
En una acilación de Friedel-Crafts, el mecanismo es muy similar al proceso de alquilación descrito en la sección anterior. Un cloruro de acilo se trata con un ácido de Lewis para formar una especie catiónica, llamada ion acilio.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
Un ión acilio está estabilizado por resonancia y, por consiguiente, no es susceptible al reordenamiento.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
El reordenamiento no se produce porque el del carbocatión derivaría en la pérdida de estabilización por resonancia (un proceso endergónico). El ión acilio es un electrófilo excelente, que produce una reacción de sustitución aromática electrofílica.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
MECANISMO DE UNA ACILACIÓN DE FRIEDEL-CRAFTS.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
MECANISMO DE UNA ACILACIÓN DE FRIEDEL-CRAFTS.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
El ión acilio es atacado por el anillo de benceno para producir un complejo sigma intermediario, que después es desprotonado para restablecer la aromaticidad.
El producto de una acilación de Friedel-Crafts es una arilcetona, que puede ser reducida mediante el empleo de la reducción de Clemmensen.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
En presencia de amalgama de cinc y HCI, el grupo carbonilo es completamente reducido y reemplazado por dos átomos de hidrógeno. Cuando una acilación de Friedel-Crafts es seguida por una reducción de Clemmensen, el resultado neto es la instalación de un grupo alquilo.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
Este proceso de dos pasos es un método sintético útil para instalar grupos alquilo que no pueden ser instalados de manera eficiente por un proceso de alquilación directo. Si el producto se formara por un proceso de alquilación directo, el reordenamiento de carbocationes daría una mezcla de productos. La ventaja del proceso de acilación es que se evita el reordenamiento de carbocationes debido a la estabilidad del ión acilio.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
La poliacilación no se observa porque la introducción de un grupo acilo desactiva el anillo hacia la otra acilación.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
GRUPOS DE ACTIVACIÓN. Nitración del tolueno
Hasta ahora, hemos tratado sólo reacciones del benceno. Ahora ampliamos nuestro análisis para incluir reacciones de compuestos aromáticos que ya poseen sustituyentes, como el tolueno.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
En esta reacción de nitración, la presencia del grupo metilo plantea dos cuestiones: (1) el efecto del grupo metilo sobre la velocidad de reacción y (2) el efecto del grupo metilo sobre el resultado regioquímico de la reacción. Comencemos con la velocidad de reacción. El tolueno sufre nitración alrededor de 25 veces más rápido que el benceno. En otras palabras, se dice que el grupo metilo activa el anillo aromático. ¿Por qué? Recordemos que los grupos alquilo son donantes de electrones debido a la hiperconjugación.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
Como resultado, un grupo metilo dona densidad electrónica al anillo, que por esto estabiliza el complejo sigma cargado positivamente y disminuye la energía de activación para su formación. Ahora centrémonos en el resultado regioquímico. El grupo nitro podría instalarse en posición orto, meta o para al grupo metilo, pero los tres productos posibles no se obtienen en cantidades iguales. Como se observa en la Figura siguiente, predominan los productos orto y para, mientras que se obtienen muy pocos productos meta.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
Para explicar esta observación, debemos comparar la estabilidad del complejo sigma formado por ataque orto, ataque meta y ataque para. Obsérvese que el complejo sigma obtenido del ataque orto tiene estabilidad adicional porque una de las estructuras de resonancia (destacadas en verde) exhibe directamente adyacente al grupo alquilo donante de electrones. Asimismo, el complejo sigma obtenido por el ataque para también exhibe esta estabilidad adicional. El complejo sigma obtenido por el ataque meta no exhibe esta estabilidad y, en consecuencia, es mayor en energía.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
Se dice que el grupo metilo es un director orto-para. En otras palabras, la presencia del grupo metilo dirige el grupo nitro entrante en las posiciones orto y para.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
Nitración del anisol
En la sección anterior, vimos que la presencia de un grupo metilo activa el anillo hacia la sustitución aromática electrófila. Hay muchos grupos diferentes que activan un anillo, algunos mucho más activantes que otros. Por ejemplo, un grupo metoxi es un activador más poderoso que un grupo metilo, y el metoxibenceno (anisol) sufre nitración 400 veces más rápido que el tolueno. Para comprender por qué un grupo metoxi es más activante que un grupo metilo, debemos analizar los efectos electrónicos de un grupo metoxi conectado a un anillo aromático.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
El grupo metoxi atrae inductivamente electrones porque el oxígeno es más electronegativo que el carbono.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
Desde este punto de vista, el grupo metoxi atrae la densidad electrónica del anillo aromático. Sin embargo, vemos una imagen diferente cuando representamos las estructuras de resonancia del anisol.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
Tres de las estructuras de resonancia exhiben carga negativa en el anillo. Esto sugiere que el grupo metoxi le dona densidad electrónica. Está claro que aquí hay una competición entre la inducción y la resonancia. La inducción sugiere que el grupo metoxi atrae electrones, mientras que la resonancia sugiere que el grupo metoxi dona electrones. Cuando la resonancia y la inducción compiten entre sí, la resonancia suele ser el factor dominante y eclipsa enormemente cualquier efecto inductivo.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
En consecuencia, el efecto neto del grupo metoxi es donar densidad electrónica al anillo. Este efecto estabiliza el complejo sigma cargado positivamente y disminuye la energía de activación para su formación. De hecho, el anillo está tan activado que el tratamiento con bromo sin un ácido de Lewis brinda un producto trisustituido.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
Las tres posiciones sufren bromación. Obsérvese la preferencia, otra vez, para la reacción que tiene lugar en las posiciones orto y para. Este efecto director orto-para también se observa cuando el anisol sufre nitración. De nuevo, la explicación de estas observación requiere que comparemos la estabilidad de los complejos sigma formados por los ataques orto, meta y para. Obsérvese que el complejo sigma obtenido del ataque orto tiene una estructura de resonancia adicional (destacada en verde), que estabiliza el complejo sigma. De manera muy similar, el complejo sigma obtenido por el ataque para también exhibe esta estabilidad adicional. El complejo sigma obtenido por el ataque meta no muestra esta estabilidad extra y, por consiguiente, es de mayor energía.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
CLASE 10. SÍNTESIS ORGÁNICA 2022
Melvin Antonio Barahona Martínez
Created on September 11, 2022
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SÍNTESIS ORGÁNICA
LICENCIATURA EN CIENCIAS QUÍMICAS
Presentado por: Lic. Melvin Antonio Barahona Martínez
UNIDAD 03.MECANISMOS DE REACCIÓN.
MECANISMOS DE LAS REACCIONES DE SUSTITUCIÓN EN SISTEMAS AROMÁTICOS.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
Sabemos que, mientras los alquenos experimentan una reacción de adición cuando se tratan con bromo, el benceno es inerte en las mismas condiciones.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
Curiosamente, cuando el Fe (hierro) se introduce en la mezcla, en realidad se lleva a cabo una reacción, aunque el producto no es el que podríamos haber esperado.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
En lugar de producirse una reacción de adición, la reacción observada es de sustitución aromática electrofilica, en la que uno de los protones aromáticos es reemplazado por un electrófilo y se conserva la porción aromática de la molécula. En este tema vamos a ver muchos otros grupos que también pueden instalarse en un anillo aromático a través de una reacción de sustitución aromática electrófila.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
1- HALOGENACIÓN.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
La presencia de hierro (Fe) en la mezcla de reacción aumenta la capacidad de electrofilia de este átomo de bromo. Para comprender cómo realiza el hierro esta tarea, debemos reconocer que, en sí, éste no es un catalizador verdadero. En cambio, primero reacciona con el Br2 para generar tribromuro de hierro (FeBr3).
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
El tribromuro de hierro, un ácido de Lewis, es el catalizador verdadero de la reacción entre el benceno y el bromo. En concreto, el FeBr3 interactúa con el Br2 para formar un complejo que reacciona como si fuera Br+.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
MECANISMO DE BROMACIÓN.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
En el primer paso, la porción aromática de la molécula funciona como nucleófilo y ataca al agente electrófilo para generar un intermediario con carga positiva llamado complejo sigma, o ion arenio, que está estabilizado por resonancia. Este paso requiere un aporte de energía porque implica la pérdida transitoria de la estabilización aromática, la cual se produce porque el complejo sigma no es aromático (no posee un sistema continuo de la superposición de orbitales p).
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
En el segundo paso del mecanismo, el complejo sigma es luego desprotonado y, por esto, restablece la aromaticidad y regenera el ácido de Lewis (FeBr3). Obsérvese que, al final, el ácido de Lewis no es consumido por la reacción y, por consiguiente, es un catalizador. El tribromuro de aluminio (AlBr3) es otro ácido de Lewis común que puede servir como alternativa adecuada para el FeBr3.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
Una reacción similar se produce cuando se utiliza cloro en lugar de bromo. La cloración del benceno se logra con un ácido de Lewis adecuado, como el tricloruro de aluminio.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
El cloro reacciona con el AlCl3 para formar un complejo, el cual reacciona como si fuera Cl+.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
MECANISMO DE CLORACIÓN.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
La bromación y la cloración de los anillos aromáticos se logran con facilidad, pero la fluoración y la yodación son menos comunes. La fluoración es un proceso violento y difícil de controlar, mientras que la yodación suele ser lenta, con rendimiento escaso en muchos casos.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
MECANISMO GENERAL PARA LA SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
SULFONACIÓN. Cuando se trata el benceno con ácido sulfúrico fumante, se produce una reacción de sulfonación y se obtiene el ácido bencensulfónico.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
MECANISMO DE SULFONACIÓN DEL BENCENO.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
La reacción entre el benceno y el SO3 es muy sensible a las concentraciones de los reactivos y, por lo tanto, reversible.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
NITRACIÓN. Cuando el benceno se trata con una mezcla de ácido nítrico y ácido sulfúrico, se produce una reacción de nitración en la que se forma nitrobenceno.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
Esta reacción procede a través de una sustitución aromática electrófila en la que se considera que el ion nitronio (NO2+) es el electrófilo. Este electrófilo fuerte está formado por la reacción ácido-base que tiene lugar entre HNO3 y H2SO4. El ácido nítrico funciona como una base para aceptar un protón del ácido sulfúrico, seguido por la pérdida de agua para producir un ion nitronio. Puede parecer extraño que el ácido nítrico funcione como una base en lugar de como un ácido, pero recordemos que la acidez es relativa.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
El ácido sulfúrico es un ácido mucho más fuerte que el ácido nítrico y protonará a éste cuando se mezclan. El ion nitronio resultante actúa como electrófilo en una reacción de sustitución aromática electrófila. Este método puede utilizarse para instalar un grupo nitro en un anillo aromático. Una vez en el anillo, el grupo nitro puede reducirse para dar un grupo amino (NH2).
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
Esto nos proporciona un método de dos pasos para instalar un grupo amino en un anillo aromático: (1) nitración, seguido por (2) reducción del grupo nitro.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
MECANISMO DE NITRACIÓN.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
MECANISMO DE NITRACIÓN.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
Alquilación de Friedel-Crafts. En las secciones anteriores, hemos visto que una variedad de electrófilos (Br+, Cl+, SO3 y NO2+) reacciona con benceno en una reacción de sustitución aromática electrófila. En esta sección y la siguiente, analizaremos los electrófilos en los que el centro electrófilo es un átomo de carbono. La alquilación de Friedel-Crafts, descubierta por Charles Friedel y James Crafts en 1877, hace posible la instalación de un grupo alquilo en un anillo aromático.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
Aunque un haluro de alquilo como el 2-clorobutano es por sí electrófilo, no lo es lo suficiente como para reaccionar con el benceno. Sin embargo, en presencia de un ácido de Lewis, como el tricloruro de aluminio, el haluro de alquilo se convierte en un carbocatión.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
MECANISMO DE ALQUILACIÓN DE FRIEDEL-CRAFTS
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
MECANISMO DE ALQUILACIÓN DE FRIEDEL-CRAFTS
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
Después de la formación del carbocatión, en esta sustitución aromática electrófila intervienen dos pasos. En el primero, el anillo aromático funciona como un nucleófilo, ataca al carbocatión y forma un complejo sigma, el cual es entonces desprotonado para restaurar la aromaticidad. Muchos haluros de alquilo diferentes pueden utilizarse en una alquilación de Friedel-Crafts.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
Los haluros secundarios y terciarios se convierten fácilmente en carbocationes en presencia de AlCl3. Los haluros de alquilo primarios no se convierten en carbocationes, ya que los carbocationes primarios son extremadamente altos en energía. No obstante, la alquilación de Friedel-Crafts de hecho se observa cuando el benceno se trata con cloruro de etilo en presencia de AlCl3.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
En este caso, se presume que el agente electrófilo es un complejo entre el cloruro de etilo y el AICI3.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
Este complejo puede ser atacado por un anillo aromático. Aunque la alquilación de Friedel-Crafts es eficaz cuando se utiliza el cloruro de etilo, la mayoría de los otros haluros de alquilo primarios no puede utilizarse eficazmente, porque sus complejos con AlCl3 sufren reordenamiento con facilidad para formar carbocationes secundarios o terciarios. Por ejemplo, cuando se trata 1-clorobutano con tricloruro de aluminio, se forma un carbocatión secundario a través de un desplazamiento del hidruro.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
En este caso, se obtiene una mezcla de productos.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
La proporción de productos depende de las condiciones elegidas (concentración, temperatura, etc.), pero es inevitable una mezcla de productos. Por lo tanto, en la práctica, una alquilación de Friedel-Crafts sólo es eficaz cuando el sustrato no puede sufrir reordenamiento. Hay varias limitaciones que deben señalarse 1. Al elegir un haluro de alquilo, el átomo de carbono conectado al halógeno debe tener hibridación sp3 . Los carbocationes de vinilo y de arilo no son lo suficientemente estables para ser formados en las condiciones de Friedel-Crafts.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
2. La instalación de un grupo alquilo activa el anillo hacia otra alquilación más (por razones que vamos a analizar mas adelante). Por lo tanto, suelen ocurrir polialquilaciones.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
En general, este problema puede evitarse eligiendo aquellas condiciones de la reacción que favorezcan la monoalquilación. Para el resto de este tema, asumiremos que todas las alquilaciones de Friedel-Crafts se llevan a cabo en las condiciones que favorecen la monoalquilación, a menos que se especifique lo contrario. 3. Existen ciertos grupos, como un grupo nitro, que son incompatibles con una reacción de Friedel-Crafts. Mas adelante, analizaremos la razón de esta incompatibilidad.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
Acilación de Friedel-Crafts. En la sección anterior vimos cómo instalar un grupo alquilo sobre un anillo aromático. Puede utilizarse un método similar para instalar un grupo acilo. A continuación, se muestra la diferencia entre un grupo alquilo y uno acilo.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
La reacción que instala un grupo acilo se llama acilación.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
En una acilación de Friedel-Crafts, el mecanismo es muy similar al proceso de alquilación descrito en la sección anterior. Un cloruro de acilo se trata con un ácido de Lewis para formar una especie catiónica, llamada ion acilio.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
Un ión acilio está estabilizado por resonancia y, por consiguiente, no es susceptible al reordenamiento.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
El reordenamiento no se produce porque el del carbocatión derivaría en la pérdida de estabilización por resonancia (un proceso endergónico). El ión acilio es un electrófilo excelente, que produce una reacción de sustitución aromática electrofílica.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
MECANISMO DE UNA ACILACIÓN DE FRIEDEL-CRAFTS.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
MECANISMO DE UNA ACILACIÓN DE FRIEDEL-CRAFTS.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
El ión acilio es atacado por el anillo de benceno para producir un complejo sigma intermediario, que después es desprotonado para restablecer la aromaticidad. El producto de una acilación de Friedel-Crafts es una arilcetona, que puede ser reducida mediante el empleo de la reducción de Clemmensen.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
En presencia de amalgama de cinc y HCI, el grupo carbonilo es completamente reducido y reemplazado por dos átomos de hidrógeno. Cuando una acilación de Friedel-Crafts es seguida por una reducción de Clemmensen, el resultado neto es la instalación de un grupo alquilo.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
Este proceso de dos pasos es un método sintético útil para instalar grupos alquilo que no pueden ser instalados de manera eficiente por un proceso de alquilación directo. Si el producto se formara por un proceso de alquilación directo, el reordenamiento de carbocationes daría una mezcla de productos. La ventaja del proceso de acilación es que se evita el reordenamiento de carbocationes debido a la estabilidad del ión acilio.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
La poliacilación no se observa porque la introducción de un grupo acilo desactiva el anillo hacia la otra acilación.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
GRUPOS DE ACTIVACIÓN. Nitración del tolueno Hasta ahora, hemos tratado sólo reacciones del benceno. Ahora ampliamos nuestro análisis para incluir reacciones de compuestos aromáticos que ya poseen sustituyentes, como el tolueno.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
En esta reacción de nitración, la presencia del grupo metilo plantea dos cuestiones: (1) el efecto del grupo metilo sobre la velocidad de reacción y (2) el efecto del grupo metilo sobre el resultado regioquímico de la reacción. Comencemos con la velocidad de reacción. El tolueno sufre nitración alrededor de 25 veces más rápido que el benceno. En otras palabras, se dice que el grupo metilo activa el anillo aromático. ¿Por qué? Recordemos que los grupos alquilo son donantes de electrones debido a la hiperconjugación.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
Como resultado, un grupo metilo dona densidad electrónica al anillo, que por esto estabiliza el complejo sigma cargado positivamente y disminuye la energía de activación para su formación. Ahora centrémonos en el resultado regioquímico. El grupo nitro podría instalarse en posición orto, meta o para al grupo metilo, pero los tres productos posibles no se obtienen en cantidades iguales. Como se observa en la Figura siguiente, predominan los productos orto y para, mientras que se obtienen muy pocos productos meta.
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA
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Para explicar esta observación, debemos comparar la estabilidad del complejo sigma formado por ataque orto, ataque meta y ataque para. Obsérvese que el complejo sigma obtenido del ataque orto tiene estabilidad adicional porque una de las estructuras de resonancia (destacadas en verde) exhibe directamente adyacente al grupo alquilo donante de electrones. Asimismo, el complejo sigma obtenido por el ataque para también exhibe esta estabilidad adicional. El complejo sigma obtenido por el ataque meta no exhibe esta estabilidad y, en consecuencia, es mayor en energía.
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Se dice que el grupo metilo es un director orto-para. En otras palabras, la presencia del grupo metilo dirige el grupo nitro entrante en las posiciones orto y para.
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Nitración del anisol En la sección anterior, vimos que la presencia de un grupo metilo activa el anillo hacia la sustitución aromática electrófila. Hay muchos grupos diferentes que activan un anillo, algunos mucho más activantes que otros. Por ejemplo, un grupo metoxi es un activador más poderoso que un grupo metilo, y el metoxibenceno (anisol) sufre nitración 400 veces más rápido que el tolueno. Para comprender por qué un grupo metoxi es más activante que un grupo metilo, debemos analizar los efectos electrónicos de un grupo metoxi conectado a un anillo aromático.
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El grupo metoxi atrae inductivamente electrones porque el oxígeno es más electronegativo que el carbono.
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Desde este punto de vista, el grupo metoxi atrae la densidad electrónica del anillo aromático. Sin embargo, vemos una imagen diferente cuando representamos las estructuras de resonancia del anisol.
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Tres de las estructuras de resonancia exhiben carga negativa en el anillo. Esto sugiere que el grupo metoxi le dona densidad electrónica. Está claro que aquí hay una competición entre la inducción y la resonancia. La inducción sugiere que el grupo metoxi atrae electrones, mientras que la resonancia sugiere que el grupo metoxi dona electrones. Cuando la resonancia y la inducción compiten entre sí, la resonancia suele ser el factor dominante y eclipsa enormemente cualquier efecto inductivo.
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En consecuencia, el efecto neto del grupo metoxi es donar densidad electrónica al anillo. Este efecto estabiliza el complejo sigma cargado positivamente y disminuye la energía de activación para su formación. De hecho, el anillo está tan activado que el tratamiento con bromo sin un ácido de Lewis brinda un producto trisustituido.
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Las tres posiciones sufren bromación. Obsérvese la preferencia, otra vez, para la reacción que tiene lugar en las posiciones orto y para. Este efecto director orto-para también se observa cuando el anisol sufre nitración. De nuevo, la explicación de estas observación requiere que comparemos la estabilidad de los complejos sigma formados por los ataques orto, meta y para. Obsérvese que el complejo sigma obtenido del ataque orto tiene una estructura de resonancia adicional (destacada en verde), que estabiliza el complejo sigma. De manera muy similar, el complejo sigma obtenido por el ataque para también exhibe esta estabilidad adicional. El complejo sigma obtenido por el ataque meta no muestra esta estabilidad extra y, por consiguiente, es de mayor energía.
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