Transcript 11_Aromatic_Chem 4 por pg

Não ocorre reacção*
Não ocorre reacção
* - excepto a pressões e temperaturas elevadas na presença de catalisador de
platina. Neste caso obtém-se ciclo-hexano
Adição de H2
H2/catalisador
(hidrogenação)
Oxidação
Não ocorre reacção
Adição de água
(hidratação)
H2O/H+
KMnO4/H2O
Não ocorre reacção
Adição de Br2
Benzeno
QOII pg 315
Br2/CCl4
Reagentes
Compostos insaturados
(Alcenos)
Reactividade Alcenos vs Benzeno
O anel benzénico mantém-se intacto !!
As ligações duplas não foram afectadas
Só reage na presença
de um ácido de Lewis
Produto de
Mono-substituição
Produto de adição NÃO
OBSERVADO !!!
Produto de
adição
Extremamente estável e pouco reactivo para um composto insaturado
QOII pg 315
Benzeno – o composto aromático de maior importância
QOII pg 316
Contributores de
ressonância para
o orto-xileno
Ligação dupla V+S
QOII pg 316
Representa simultaneamente
os 2 CR à esquerda
Ligação simples V
• Todos os átomos de C do anel são sp2
• A molécula totalmente planar
• Todas as ligações entre os carbonos são idênticas
1,39Å (não têm carácter de ligação simples
nem de dupla)
A estabilidade do benzeno resulta da conjugação
electrónica das 3 ligações S num arranjo cíclico
Estrutura do Benzeno
A estabilidade do benzeno resulta da conjugação
electrónica das 3 ligações S num arranjo cíclico
O benzeno é extremamente estável em comparação com os compostos insaturados
simples. Podem ser efectuadas estimativas da sua energia de estabilização.
Estabilidade do Benzeno
A Aromaticidade
QOII pg 318
Benzeno
Pirrole
NÃO AROMÁTICO
pKa(ciclopentano)~46
pKa~16 !!!
BASE
Anião
Ciclopentadienilo
AROMÁTICO
Anião AROMÁTICO
QOII pg 319
Sistemas aromáticos de 6 electrões não neutros
Ciclopentadieno
Furano
Aromáticos com
elementos diferentes de
carbono no ciclo são
designados como
heteroaromáticos
Tiofeno
No caso do Pirrole, Tiofeno e Furano
um par de electrões p do heteroátomo
ESTÁ envolvido na aromaticidade
Piridina
Na Piridina o par electrónico p do
átomo de azoto NÃO está
envolvido na aromaticidade
Sistemas
neutros
de 6 e- (n=1)
Exemplos:
Regra de Hückel
Sistemas cíclicos planares com 4n+2 electrões (n = 0 ou nº inteiro) em conjugação
total são capazes de induzir uma corrente electrónica, são extremamente estáveis e
designados como
AROMÁTICOS
Catião Tropílio
Catião AROMÁTICO Estável
8e- em circulação
Composto Anti-aromático
Só considerando as formas de ressonância do
anião o cicloheptatrieno deveria ser tão ácido
como o ciclopentadieno MAS NÃO SE FORMA!!
QOII pg 319
Planar !!
AROMÁTICO
Não consegue ser planar !!
NÃO É AROMÁTICO
O sistema S responsável
pela aromaticidade tem
que permitir
efectivamente a
circulação electrónica,
cis-[10]-anuleno
isto é
10e- S
os átomos envolvidos têm
que estar todos num
Não consegue ser planar !!
mesmo plano (ou
NÃO É AROMÁTICO
aproximadamente)
Planar !!
AROMÁTICO
Sistema conjugado planar !!
AROMÁTICO
[18]-anuleno
18e- S
QOII pg 320
A importância da planaridade para a aromaticidade
O catião é tão estável
que o composto neutro
(bromocicloheptatrieno) nem
existe !!
Não aromático!
Os 6e- estão conjugados mas
não estão em circulação
Ciclo-heptatrieno
Sistemas aromáticos de 6 electrões não neutros
QOII pg 321
Anião de
ciclopropenilo
4n electrões n=2 Æ 10 e-
Exemplos:
1,34Å
1,48Å
Ciclobutadieno
Uma estrutura planar conjugada
não é estável e assim o
ciclooctatetraeno assume uma
forma de banheira
Catião de
ciclopentadienilo
Sistemas cíclicos com 4n electrões (n = nº inteiro) em conjugação são
INSTÁVEIS, instabilizados em relação a um sistema não conjugado e são
designados como
ANTIAROMÁTICOS
Antiaromaticidade
QOII pg 320
Regra de Hückel : sistemas cíclicos de 4n+2 electrões (n = nº inteiro) em
conjugação efectiva : sistemas de 2, 6, 10, 14, 18, 22, 26 electrões…
Exemplos de sistemas aromáticos
• Com dois substituintes no anel é vulgar a utilização
da nomenclatura orto, meta e para
• Com mais do que dois substituintes no anel utiliza-se
a numeração para definição das posições relativas dos
grupos no anel
Nomenclatura de benzenos polissubstituídos
Nomenclatura básica
Exemplos de compostos com anel aromático de benzeno
Alcenos vs Aromáticos
QOII pg 323
Mecanismo genérico
Efeito de substituintes (activantes/desactivantes)
Mono vs polissubstituição
SEAr’s típicas (nitração, sulfonação, clorossulfonação, halogenação)
SEAr’s com electrófilos de carbono (alquilação e acilação de FriedelCrafts)
Orientação da SEAr’s em anéis substituídos
• Grupos dadores por ressonância (fenóis, aminas)
• Grupos dadores por indução (alquilos)
• Grupos atractores por ressonância (nitro, cetonas)
• Grupos atractores por indução (sais de amónio)
• Grupos dadores por ressonância e atractores por indução (halogénios)
Orientação da SEAr’s em aromáticos polissubstituídos
SEAr’s com electrófilos de um só átomo de carbono
Acoplamento diazóico (SEAr)
SEAr’s em naftalenos
SUBSTITUIÇÃO
ELECTRÓFILA
AROMÁTICA
SEAr
O benzeno é muito pouco reactivo, só reage com electrófilos muito poderosos,
normalmente catiónicos e origina produtos de substituição
Aromáticos
Alceno
ADIÇÃO
ELECTRÓFILA
a alcenos
Reactividade diferente com electrófilos via mecanismos diversos
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
Sumário
Substituição Electrófila Aromática (SEAr)
C para
C meta
C orto
C meta
LENTO
Adição de
electrófilo
Passo 1
Passo 1
Passo 2
Eactivação reduzida
(Passo RÁPIDO)
Coordenada de reacção
Eactivação elevada
(Passo LENTO)
Não aromático!!
Aromático
QOII pg 324
C orto
C ipso
Postulado de Hammond
A geometria do Estado de
Transição para um dado
passo é semelhante ao
intermediário/reagente
que tiver energia mais
aproximada
RÁPIDO
Perda de
protão
Passo 2
Diagrama de energia para uma SEAr
Intermediário
catiónico
estabilizado
por
ressonância
Intermediário de
Wheland,
complexo V ou
ião arénio
Aromático
E
Passo 2
Passo 1
Os C’s orto e para do intermediário
apresentam carga parcial positiva
Perda de
protão
Adição de
electrófilo
O Anel Aromático é
nucleófilo na SEAr
SEAr
Substituição Electrófila Aromática - SEAr
Mecanismo Genérico
QOII pg 324
•
•
Isolado como
um sólido
RÁPIDO
Se o 2º passo fosse determinante para a velocidade da reacção,
observar-se-ia uma quebra velocidade da ordem de 7
LENTO
Não há diferença de velocidade da SEAr entre hexadeuterobenzeno e QOII pg 325
benzeno.
A quebra da ligação C-H (ou C-D) não está envolvida no passo lento.
Os efeitos isotópicos e o intermediário de Wheland
Detectado por 1H e 13C
RMN a -120ºC
Anião não nucleófilo
e não básico
Existem muitas evidências experimentais para a existência do
intermediário de Wheland
QOII pg 325
Observação experimental do intermediário de Wheland
E
QOII pg 326
v1>v2 >v3
Velocidade relativa
de SEAr
D- substituinte doador
A- substituinte
electroatractor
Coordenada de reacção
Ex: OH
Z - dador
O intermediário de
Wheland é catiónico
QOII pg 326
Velocidade relativa da
nitração (SEAr)
• Dadores são ACTIVANTES
• Atractores são DESACTIVANTES
Ex: NO2
Z - atractor
Efeito geral dos substituintes na velocidade de S EAr
Substituinte Desactivante
v3
v2
Substituinte Activante
v1
• Substituintes DOADORES aumentam a densidade electrónica no anel,
tornando-o mais nucleófilo e estabilizando o intermediário:
aumentam a velocidade de SEAr (Substituintes ACTIVANTES para SEAr)
• Substituintes ATRACTORES diminuem densidade electrónica no anel,
tornando-o menos nucleófilo e instabilizando o intermediário:
diminuem a velocidade de SEAr (Substituintes DESACTIVANTES para SEAr)
Efeito geral dos substituintes na velocidade de SEAr
QOII pg 327
Normalmente existe sempre mais do que um H para ser substituído.
Quantas vezes ocorre a SEAr?
Mono ou polissubstituição aromática?
Coordenada de reacção
Z – dador
ACTIVANTE
v2
Monossubstituíção
POSSÍVEL
v2 < v1
v3 > v2 > v1
v1
v3
Polissubstituição
Monossubstituíção IMPOSSÍVEL
Normalmente obtém-se uma mistura de produtos com diversos
níveis de substituição (não substituido, mono, di...)
v2
Situação 2 : E electrófilo que origina um substituinte doador no produto
v1
Situação 1 : E electrófilo que origina um substituinte atractor no produto
E
Z – atractor
DESACTIVANTE
Efeito geral dos substituintes na velocidade de SEAr
Acido Sulfúrico
Acido nítrico
Nitrobenzeno
Mononitração fácil
de obter
O grupo nitro é um substituinte
desactivante em SEAr
Perda de H+
QOII pg 327
Sulfonação
(Oleum)
Trióxido
Acido
+
de enxofre Sulfúrico
Ácido
benzenossulfónico
O grupo sulfónico
é um substituinte
desactivante para a
SEAr
Perda de H+
QOII pg 328
v nitração de nitrobenzeno= 6x10-8 vnitração de benzeno
Electrófilo
(E+)
Adição de E+
Acido
sulfúrico
Ião Nitrónio
(electrófilo
E+)
Adição de E+
Nitração
Energia
Acido
Clorossulfónico
Electrófilo (E+)
Adição de E+
Clorossulfonação
Coordenada de reacção
QOII pg 328
O grupo
clorossulfónico é
um substituinte
desactivante para a
SEAr
QOII pg 329
Perda de H+
Cloreto de
benzenossulfonilo
A Energia de
Activação das
reacções directa e
inversa é
semelhante. O
equilíbrio é
deslocado pela
concentração do
ácido em solução
Ao contrário das outras SEAr’s a sulfonação é reversível
A sulfonação é uma reacção reversível
Ácidos de Lewis
Cloração
Exemplos de SEAr’s
Bromação
Electrófilos (E+)
Adição de E+
7%
90%
95%
88%
75%
X=Cl,Br
Clorobenzeno ou
Bromobenzeno
QOII pg 329
56%
90%
1%
O halogénio é um
substituinte
desactivante para a
SEAr
Perda de H+
Halogenação (cloração/bromação)
Minoritário
Maioritário
(material de partida
recuperado)
A segunda SEAr é mais
rápida do que a primeira
Como resultado, obtém-se uma
mistura de produtos
Maioritário
Mais activado que
o material de partida
para a SEAr
A polialquilação pode ser um problema
QOII pg 331-2
Aromático poli-alquilado
Limitaçõs da alquilação de Friedel-Crafts
1) Polialquilação
Processos diferentes
para formação do
mesmo Electrófilo
Mais activado que
o material de partida
para a SEAr: a 2ª
SEAr é mais rápida
do que a 1ª
Alquil-benzeno
QOII pg 330
Electrófilos de carbono -Alquilação de Friedel-Crafts
Não ocorre
reacção
SEAr muito
difícil
4. Não funciona ou ocorre muito dificilmente (condições muito
agressivas e rendimentos baixos) em substratos muito
desactivados
Não ocorre
reacção
1. Polialquilação
2. Rearranjo do catião intermediário
3. Não ocorre quando o material de partida que gera a espécie
electrófila contém o halogéneo num carbono sp2
Limitações de alquilação de Friedel Crafts
Electrófilo
+ Material de partida
O rearranjo ocorre no sentido de produzir
um carbocatião mais estável
Rearranjo do E+
Produtos obtidos
Não observado !
O rearranjo do carbocatião electrófilo pode ser um problema
Limitações da alquilação de Friedel-Crafts
QOII pg 331
2) Rearranjo de carbocatião
Anidrido
Cloreto de
ácido
Formação do electrófilo
QOII pg 332
Ião Acílio
(electrófilo)
Acilbenzeno
QOII pg 334
•Produto menos reactivo em
SEAr que material de partida
•Poli-acilação controlável
O grupo acilo é
desactivante para a SEAr
Regenerado
Ião Acílio
(electrófilo)
Acilação de Friedel-Crafts com anidridos
•Não ocorre rearranjo do carbocatião
inicialmente formado
•A cadeia carbonada ligada ao carbonilo
mantém-se inalterável
...
•R variável (mas diferente de H)
Formação do electrófilo
Acilação de Friedel-Crafts
MONO-SUBSTITUIÇÃO
Acilação de Friedel-Crafts
(via SEAr) seguida
de redução
Solução:
Redução:
Clemmensen (Zn/Hg, HCl) ou
Wolff-Kishner (NH2NH2, base, ') ou
Mozingo (via tioacetal)
Redução
65%
84%
33%
80-90%
Exemplos de Alquilações /Acilações de Friedel-Crafts
Di-acilação
controlável
S Ar
Não há E
rearranjo do E+
MENOS activado que
o material de partida
para a SEAr
QOII pg 333
Como produzir um MONO-alquilbenzeno?
40%
80%
>95%
90%
78%
84%
85%
Exemplos de Alquilações /Acilações de Friedel-Crafts
85%
97%
60%
Exemplos de Alquilações /Acilações de Friedel-Crafts
Porquê ? Como é possível prever?
para
meta
QOII pg 336
orto
QOII pg 336
Ocorrem TRÊS (!!!)
SEAr’s consecutivas
à temperatura
ambiente
Orientação da SEAr: regiosselectividade
para
~100%
orto
Não ocorre
qualquer reacção
Substituintes electrodoadores aumentam velocidade da SEAr
GRUPOS ACTIVANTES
Substituintes electroatractores diminuem velocidade da SEAr
GRUPOS DESACTIVANTES
O Anel Aromático é nucleófilo na SEAr
Reactividade do composto aromático na SEAr
95%
<1%
NOTA : a SEAr em orto também
é facilitada pelos electrões não
ligantes do oxigénio
O par electrónico não partilhado do oxigénio
dirige a SEAr [o O é dador (+) por efeito de
ressonância (R) ou mesomérico (M)
(grupo +R ou +M)
4%
45%
QOII pg 337
2x SEAr
Intermediário de
Wheland
Orientação da SEAr em fenóis
meta
Não
observado!
Qual a razão das regiosselectividades observadas?
1%
55%
para
orto
QOII pg 337
Regiosselectividade da SEAr – A orientação da substituição
Estável
QOII pg 338
Não existe um
híbrido de
ressonância
correspondente para
a substituição em
meta
para
meta
orto
Porque não é obtido o produto substituído em meta ?
O grupo OH do fenol é designado como activante e director
(ou orientador) orto / para
SEAr
Intermediário de Wheland
•A ordem de introdução dos substituintes é neste
caso irrelevante.
•A regiosselectividade (o,p) é DETERMINADA
pelo grupo OH
Um par electrónico não
partilhado do oxigénio
dirige a SEAr
Orientação da SEAr em fenóis (+M ou +R)
Energia
80%
45%
28%
<1%
<1%
71%
~100%
55%
Exemplos de SEAr’s em Fenóis
Coordenada de reacção
QOII pg 339
A energia de activação para a
SEAr em meta é superior à da
SEAr em orto/para
O intermediário para a
SEAr em meta é menos
estável que o intermediário
para a SEAr em orto/para
Porque não é obtido o produto substituído em meta ?
meta
orto
1 dará orto
2 dará para
O intermediário de Wheland é mais instável para a substituição
em meta, comparativamente a orto/para
para
Z dador +M
QOII pg 340
Substituintes dadores por ressonância são orto/para directores
(devido ao factor mesomérico, +M ou +R)
Orientação da SEAr para substituintes doadores
por ressonância (+M ou +R)
Na amida, o par electrónico do N encontra-se
deslocalizado para o grupo C=O
(menos disponível para ajudar à SEAr)
+ orto (vestígios)
~100%
QOII pg 340
~100%
N é menos electronegativo que O e mais facilmente “doará” electrões ao anel aromático
As anilinas são mais reactivas do que os fenóis em SEAr
Anilinas – directores orto/para em SEAr (+R)
Coordenada de reacção
para
Produto maioritário
Impedimento
estereoquímico
reduzido
Muito impedimento
estereoquímico
orto
Br2
SEAr
Rotação
rápida
Produto minoritário
QOII pg 342
A proporção de produtos orto/para é influenciada pelo impedimento
estereoquímico
Anilinas e fenóis são directores orto/para (+R)
Selectividade orto/para
Os materiais de partida foram
“artificialmente” colocados ao
mesmo nível energético
Energia
QOII pg 341
Os substituintes dadores são activantes para a SEAr
35% para
Hiperconjugação
ou
conjugação V
5% meta
QOII pg 343
77%
~100%
Estabiliza uma carga positiva no átomo de carbono sp2 ADJACENTE no
intermediário da SEAr (alquilo dador +I)
60% orto
Orientação em Alquilbenzenos (+I)
23%
~100%
Exemplos de SEAr’s em Aminas (Amidas)
C+3º
C+3º
QOII pg 343
<1%
5%
0%
6%
7%
62%
60%
32%
Exemplos de SEAr’s em Alquilbenzenos
62%
40%
33%
92%
Grupos alquilo são activantes para a SEAr e o,p directores
para
meta
orto
Orientação em Alquilbenzenos (+I)
98%
58%
Z=GEA (-R)
meta directores
QOII pg 345
Orientação da SEAr para benzenos contendo substituintes
electroatractores por ressonância (-R)
14%
100%
Exemplos de SEAr’s em alquilbenzenos
E
meta
Coordenada de reacção
Z=GEA (-R)
O intermediário para a
SEAr em meta é menos
instável que o
intermediário para a
SEAr em orto/para
QOII pg 346
Orientação da SEAr para substratos electroatractores
por ressonância (-R, meta)
INSTÁVEL
INSTÁVEL
QOII pg 346
Orientação da SEAr para benzenos contendo substituintes
electroatractores por ressonância (-R,meta)
93%
95%
60% (global)
1%
4%
Orientação da SEAr para substratos electroatractores
por indução (-I, directores meta)
QOII pg 348
80%
6%
1%
Exemplos de SEAr’s em aromáticos com grupos -R
0,18
0,06
0,06
0,12
PhF
PhCl
PhBr
PhI
45
43
35
13
orto
1,3
0,9
0,9
0,6
meta
Produtos formados (%)
meta
54
56
64
86
para
QOII pg 349
A reter: •Directores orto/para
•Substituintes desactivantes para SEAr
Velocidade de nitração
(relativamente ao
benzeno)
Material de
partida
Orientação da SEAr em halobenzenos
INSTÁVEL
INSTÁVEL
Orientação da SEAr para benzenos contendo
substituintes electroatractores por indução (-I, meta)
1 dará orto
2 dará para
Efeito reduzido :
Sobreposição orbital
Halogénio / Carbono reduzida
Dadores por ressonância (+R)
QOII pg 349
para
meta
orto
X=Halogénio
QOII pg 350
Orientação da SEAr em Halobenzenos (+M ou +R)
Intermediário orto/para estabilizado
em comparação a meta (orientador o/p)
MAS
Velocidade reduzida relativamente
ao benzeno (desactivante)
Efeito dominante :
Electronegatividade elevada
Atractores por indução (-I)
Halogénios são substituintes
Orientação da SEAr em halobenzenos
2%
X=Br 11%
Desactivante
Desactivante
Muito
desactivante
NR2, OR
Alquilo
Halogénios
CF3, NR3+
NO2, CN,
COR, SO3H
Dador por ressonância
(+R)
Dador por indução (+I)
Dador por ressonância e
atractor por indução
(+R,-I)
Atractor por indução (-I)
Atractor por ressonância
(-R)
64%
56%
meta
meta
orto, para
orto, para
orto, para
Efeito Director
QOII pg 351
98%
55%
Nota: O efeito de ressonância predomina sobre o efeito indutivo
(à excepção do caso dos halogénios)
Activante
Muito
activante
Exemplo
Efeito electrónico
Activante/
Desactivante
Resumo dos efeitos directores na SEAr
6%
1%
43%
X=Cl 39%
1%
35%
Exemplos de SEAr’s em Halobenzenos
Grupos Neutros
Halogéneo (o,p >%) (+M,-I)
CCl3 (m) (-I)
Menos
CF3 (m) (-I) desactivado
NR3+ (m) (-I)
CONH2 (m) (-M,-I)
COOR (m) (-M,-I)
COOH (m) (-M,-I)
COR, CHO (m) (-M,-I)
SO3 H (m) (-M,-I)
CN (m) (-M,-I)
Mais
NO2 (m) (-M,-I) desactivado
Grupos desactivantes
Muito
impedido
SEAr’s + favoráveis
Muito impedido
• Substituintes que colaboram
Factores estereoquímicos importantes.
98%
No caso de compostos aromáticos com mais do que um substituinte,
estes podem colaborar ou competir para orientar a SEAr
Orientação da SEAr em substratos com mais que um
grupo substituinte
QOII pg 353
Orientação: o-orto, m-meta, p-para
Efeito electrónico: M- mesomérico ou ressonância, I- indutivo
Menos activado
R2N, RHN, NH2 (o,p)(+M,-I)
RO, OH (o,p) (+M,-I)
COO- (m) (-M,-I)
NHCOR (o,p) (+M,-I)
H
OCOR (o,p) (+M,-I)
SR (o,p) (+M,-I)
Alcenilo (o,p) (+M,+I)
Arilo (o,p) (+M,+I)
Alquilo (o,p) (+I)
Mais activado
Grupos activantes
QOII pg 352
Características orientadoras de grupos substituintes em SEAr
Exemplos
A seta
assinala o local
preferencial para
a SEAr
85%
90%
SEAr em substratos com grupos substituintes que
competem para a orientação
O grupo mais activante dirige
preferencialmente
a SEAr
SEAr em substratos com grupos substituintes
que competem para a orientação
QOII pg 353
QOII pg 359-361
Cor Amarela
Alaranjado
de metilo
Cor Laranja
Composto Azo
Exemplos de compostos azo produzidos por
acoplamento diazóico (SEAr)
Nu:
ESTÁVEL a T<5ºC
A SEAr ocorre:
• Apenas com aromáticos activados (fenóis ou aminas)
• Sempre em posição para (devido ao impedimento estereoquímico em orto)
E+
Passo 2 : SEAr
Sal de diazónio
Electrófilo para SEAr
Passo 1 : formação do electrófilo: Sal de diazónio
SEAr que só funciona em aromáticos activados (O Nu: é uma amina ou um fenol)
Acoplamento diazóico - SEAr
a) RX+AlCl3 ou ROH+H+
ou Alceno+H+
Alquilação de Friedel-Crafts
i) H2SO4
Sulfonação
h) ClSO2OH
Clorossulfonação
g) ArN2
+
Acoplamento diazóico
f) HCHO + HCl + ZnCl2
Clorometilação
e) CO + HCl + AlCl3
d) X2 + FeX3 (X=Cl, Br)
Halogenação
c) HNO3 + H2SO4
Nitração
b) RCOCl + AlCl3
RCOOCOR + AlCl3
Acilação de Friedel-Crafts
Ião Nitrosónio
ClO2S+
HO3S+
R+
RCO+
X+
NO2+
ArN2+
Sal de diazónio
ClH2C+
HCO+
Sumário de reacções de SEAr
Alquil Nitrito
Nitrito de sódio
Ácido Nitroso
Sal de diazónio
ESTÁVEIS
a T<5ºC
Formação de sais de diazónio (Diazotização)
QOII pg 363
SEAr em
posição 2
(E)
SEAr em
posição 1
(D)
1,42Å
Dois dos híbridos
apresentam ligação
dupla C=C
1,36Å
1,36Å
1,36Å
II
III
As posições 2,3,6 e 7
são equivalentes e
designadas como E
As posições 1,4,5 e 8
são equivalentes e
designadas como D
Híbridos com
carácter
aromático
QOII pg 364
A SEAr em posição 1 (D) é favorecida em relação à posição 2 (E).
Regiosselectividade da SEAr em Naftalenos
Apenas um dos
híbridos apresenta
ligação dupla C=C
1,42Å
1,42Å
1,42Å
I
Nos sistemas aromáticos fundidos as diversas formas canónicas não são
equivalentes. No caso do naftaleno I e III são equivalentes mas diferentes de II
Naftaleno
Acilação de
Friedel-Crafts
Bromação
Nitração
Exemplos
(Note-se a
ausência de
catalizador)
Controlo cinético
80%
99%
90%
Regiosselectividade da SEAr em Naftalenos
A SEAr do naftaleno em posição D é 102-105 vezes mais rápida
que a SEAr em benzeno
'GSEArD< 'GSEArE
20%
1%
10%
2 Híbridos de ressonância
aromáticos
1 Híbrido de ressonância
aromático
Regiosselectividade da SEAr em Naftalenos
85%
Controlo
termodinâmico
+ ESTÁVEL
SEAr em 2 (E)
Controlo
cinético
A temperaturas
elevadas a sulfonação
em Dtorna-se reversível
Controlo
termodinâmico
A temperaturas elevadas a barreira
energética para sulfonação em Eé
ultrapassável, formando-se o isómero E
Sulfonação de naftaleno: controlo cinético e termodinâmico
A maior estabilidade do isómero E é devida à menor
interacção estereoquímica dos substituintes neste isómero
Controlo cinético
SEAr em 1 (D)
96%
Em alguns casos, o produto obtido depende das condições experimentais
Regiosselectividade da SEAr em Naftalenos QOII pg 365
Local da 2ª SEAr
S - activante
Exemplos
S - desactivante
Com substituintes doadores a segunda SEAr ocorre no anel substituído, enquanto
com substituintes atractores a segunda SEAr ocorre no anel não substituído
Os mesmos conceitos analisados para benzenos substituídos podem
ser utilizados para os compostos aromáticos policíclicos.
A análise dos híbridos de ressonância do intermediário permite
prever o local da segunda SEAr
SEAr’s em naftalenos substituídos
•
•
•
•
SN2 nunca ocorrem em
carbonos sp2
SN2
Inversão
SN2 impossível!!!
Substrato alifático
QOII pg 368
SN2 Não ocorre
Substrato aromático
Uma SN2 em aneis aromáticos não é possível
Sumário
Análise da possibilidade de um SN2 em aromáticos
Substituição em Sais de diazónio aromáticos (SN1 ou SRN1)
Mecanismo de SN por Adição/Eliminação (SNAr)
– Grupos ElectroAtractores (GEA)
– Posição relativa grupo de saída GS/GEA
– Influência de GS
– SNAr sem GEA por ressonância
Mecanismo de SN por Eliminação/Adição (Via Benzino)
– Mecanismo
– Selectividade do ataque nucleófilo
Substituição Nucleófila em aromáticos
Obtêm-se misturas de
produtos sem interesse
preparativo
RÁPIDO
Muito INSTÁVEL
mesmo a baixa T
Sal de diazónio Alifático
Fenóis
Processo tipo SN1
em compostos
aromáticos
RÁPIDO
LENTO
ESTÁVEL a T<5ºC
(estabilizado por ressonância)
Sal de diazónio Aromático
QOII pg 369
• Excelente grupo de saída (muito estável)
• GS gasoso
RÁPIDO
Os sais de diazónio permitem SN1’s em
compostos aromáticos
LENTO
QOII pg 368
Não ocorre:
O catião fenilo é demasiado
instável para se formar,
mesmo por quebra heterolítica com
a perda de um bom GS
A excepção: SN1 em sais de diazónio:
Substrato aromático
SN1 em anéis aromáticos não são
NORMALMENTE possíveis
SRN1
(Radicalar)
SN1
Não é possível directamente
Catião arilo
Radical arilo
SN em sais de diazónio
Exemplos SN1 em anéis aromáticos
89%
83%
86%
73%
83%
Exemplos de compostos aromáticos obtidos
de sais de diazónio
58%
73%
79%
a) Reacção de Sandmeyer
b) Reacção de Schiemann
Nitroaromático
Fluoroaromático
Tiofenol
Nitrilo
Haloaromático
(X=Cl,Br)
Iodoaromático
Éter
Fenol
QOII pg 370
Funcionalização de compostos aromáticos por
Substituição Nucleófila em sais de diazónio
80%
O grupo amina pode ser adicionado como orientador para a SEAr,
sendo removido no final da síntese. Ex:
QOII pg 371
Remoção de grupos amina de compostos aromáticos
~100%
Exemplos de compostos aromáticos obtidos
de sais de diazónio
Eliminação
Eliminação
SNAr – Mecanismo de Adição-Eliminação
Adição
Adição
QOII pg 374
Z=O,N
Intermediário
Híbridos + relevantes
RÁPIDO
Eliminação
(estabilizado por ressonância)
- Sal de Meisenheimer (ou Meisenheimer-Jackson) -
Adição
LENTO
(Normalmente)
Mecanismo genérico
Pode ocorrer caso seja possível estabilizar a carga negativa no intermediário
(normalmente pela presença de GEA –R em orto e para)
para
orto
Muito instável (não ocorre)
QOII pg 373-374
SNAr - O mecanismo de Adição-Eliminação
Passo 1
SNAr - Adição-Eliminação
Coordenada de reacção
Eactivação elevada
(Passo LENTO)
Eactivação reduzida
(Passo RÁPIDO)
Passo 2
RÁPIDO
LENTO
(Normalmente)
Não aromático!!
Eliminação
Adição
Aromático
Exemplos:
Uma reacção típica de SNAr tem:
•Um halogeneto como grupo de saída [I-, Br-, Cl- ou F- (!!)]
•Um ou mais grupos electroatractores por ressonância em orto ou para, em relação
ao grupo de saída (ex: NO2, CN, CO, SO, SO2Ph)
•Um bom nucleófilo (geralmente de N, O, S ou um grupo CN)
E
Aromático
Gráfico de energia para uma SNAr típica
76%
68%
82%
Apenas ocorre
substituição dos
grupos de saída
orto ou para em
relação aos grupos
electroatractores
Os cloro assinalados
não são substituídos
(não estão o/p em relação a GEA)
QOII pg 376
SNAr (Adição-Eliminação) : a importância da
posição relativa GS/grupo electroatractor
Não há reacção
O aromático de partida
não possui
grupos electroatractores
que permitam a SNAr
Exemplos de reacções SNAr - Adição-Eliminação
Estável e Isolável
Cor violeta devido à deslocalização electrónica
Observa-se a substituição de maus grupos de saída (ex:F-) por nucleófilos
A quebra da ligação C—GS não ocorre no passo lento da reacção
X = I, Cl ou Br
velocidades semelhantes
QOII pg 378
A alteração do grupo de saída tem pouca influência na velocidade de reacção
SNAr Adição-Eliminação – Evidências que sustentam o mecanismo
Isolamento de intermediários
Detecção de intermediários
SNAr Adição-Eliminação – Evidências que sustentam o mecanismo
Eliminação
QOII pg 378
+RÁPIDO
do que com
Br como GS
Passo determinante para a
velocidade de reacção
PASSO LENTO
Adição
+LENTO
do que com
F como GS
RÁPIDO
Eliminação
QOII pg 378
SNAr Adição-Eliminação – Evidências que sustentam o mecanismo
Aumento da estabilidade do grupo de saída
Diminuição de velocidade de reacção
Velocidades de reacção
Adição
SNAr Adição-Eliminação – Evidências que sustentam o mecanismo
+ lento do que
com F
+ rápido do que
com Br
+ rápido do que
com F
+ lento do que
com Br
+RÁPIDO
PASSO LENTO
QOII pg 378
E
Coordenada de reacção
LENTO
RÁPIDO
+ rápido com X=Br
do que com X=F
+ rápido com X=F
do que com X=Br
SNAr Adição-Eliminação – Evidências que sustentam o mecanismo
Para que R1 seja mais rápida que R2, o passo de adição TEM que ser o passo
determinante da velocidade da reacção
Reacção 2 (R2)
Reacção 1 (R1)
Eliminação
Adição
SNAr Adição-Eliminação – Evidências que sustentam o mecanismo
1,0
QOII pg 379
0,053
0,031
Por vezes é possível a utilização conjunta de Flúor como grupo de saída
E a de um grupo fortemente electroatractor por INDUÇÃO
(e não por ressonância) para promover uma SNAr
0,013
Maior velocidade de reacção
Eliminação
SNAr em fluoretos (estabilização do
intermediário por indução)
Velocidade relativa ao
nitro-aromático
Z=
Maior capacidade
de estabilização
da carga negativa
Adição
SNAr– Evidências que sustentam mecanismo:
a influência do grupo electroatractor
TCDD
Não há
qualquer
reacção
SN2 Não ocorre
Substrato aromático
A substituição só ocorre com reagentes FORTEMENTE BÁSICOS
Não há
qualquer
reacção
Uma SN2 num substrato
aromático não é possível:
Como explicar as seguintes
reacções?
QOII pg 383
Dioxinas
Fluoxetina
Substituição Nucleófila em Aromáticos
por Eliminação /Adição (via benzino)
Exemplos
QOII pg 383
Benzino
A dispersão de marcação em
13C sugere um intermediário
simétrico:
Os H’s orto serão os protões
mais ácidos da molécula
(devido ao efeito indutivo do
átomo de bromo)
Benzino
QOII pg 384
Substituição por Eliminação /Adição: o mecanismo
Não há
qualquer
reacção
A dispersão de marcação em 13C sugere
um intermediário simétrico
Substituição por Eliminação /Adição:
observações experimentais
QOII pg 386
Sobreposição
muito fraca
para lig. S
Exemplos Substituição aromática por Eliminação /Adição
(via benzino)
Devido à fraca sobreposição
orbital, uma das ligações S C-C
é muito fácil de quebrar
Sobreposição
“normal”
para lig. S
A ligação tripla do benzino é muito diferente de uma
ligação tripla normal (linear)
2 lig.W2 lig.S
Benzino
Substituição aromática por Eliminação /Adição (via benzino)
O ataque ao benzino dá-se de
modo a produzir o intermediário
com a menor repulsão
electrónica possível
O ataque ao benzino dá-se de
preferencialmente em meta
relativamente ao grupo metóxido
devido ao
impedimento estereoquímico
Efeito electrónico e estereoquímico
Selectividade do ataque nucleófilo
Efeito electrónico
Efeitos estereoquímicos e/ou efeitos electrónicos podem afectar a
proporção dos produtos obtidos
Selectividade do ataque nucleófilo
>
Anião menos instável
devido ao efeito
indutivo do átomo
de oxigénio
>
• Oxidação
• Halogenação
• Substituição nucleófila em posições benzílicas (SN2 e SN1)
• Reduções
Carbonilo (remoção de grupo C=O)
Hidrogenólise de álcoois, ésteres e éteres benzílicos
Nitro-aromáticos
Reacções mais relevantes
Sumário
Os átomos de carbono benzílicos (átomos de carbono directamente ligados ao
anel) apresentam reactividade particular devido à presença do anel aromático
Reacções da cadeia lateral
A reter
É necessária a utilização de uma base fortíssima
• Protões orto em relação ao grupo de saída são removidos
• Intermediário instável: benzino
• O nucleófilo que ataca o benzino e a base utilizada são a mesma espécie
• Por questões de simetria poderá ser formado mais do que um produto
• Factores electrónicos e estereoquímicos podem influenciar o ataque ao
intermediário benzino
Mecanismo global
Resumo da Substituição Nucleófila Aromática por
Eliminação /Adição (via benzino)
Permanganato de potássio
Dicromato de sódio
Não existem H’s
no C benzílico Æ
Æ não há oxidação
QOII pg 387
Grupo não
oxidado
Ácido isoftálico
Ácido ftálico
Ácido benzóico
Oxidação de cadeia lateral - Selectividade
Halogénios e
grupos nitro são
normalmente
resistentes à
oxidação
Tem de
existir pelo
menos um H
benzílico
para permitir
a oxidação
da cadeia
lateral
o-Xileno
Tolueno
O anel aromático é bastante resistente à oxidação
permitindo oxidar apenas a cadeia lateral alquílica.
Oxidação
Halogenação radicalar
Reacção de Halofórmio
SEAr com CO2
QOII pg 389
Cl2 ou Br2
V1>V2>V3
v1
v3
v2
Na ausência de um ácido Lewis e sob irradiação a halogenação de tolueno
ocorre no átomo de carbono benzílico por um mecanismo radicalar.
Hidrólise de nitrilos
Reacção de aniões com CO2
Oxidação de cadeias laterais (ou álcoois/aldeídos)
Métodos mais comuns de síntese de
ácidos carboxílicos aromáticos (exemplos)
A formação de baixa concentração de Br2
é assegurada pela presença de NBS
NBS
O radical Br é
regenerado nos
passos de
propagação
85%
56%
44%
NCS é
similar a
NBS
Bromação de
Wohl-Ziegler
Exemplos de funcionalização por halogenação
A reacção é
iniciada por uma
pequeníssima
quantidade de
radical Br
Iniciação
Radical estabilizado
por ressonância
A utilização de N-bromossuccinimida (NBS) na presença de um iniciador de
radicais (normalmente peróxidos) tem como resultado uma monobromação benzílica
Halogenação radicalar
Exemplos de SN em posições benzílicas
Os estados de transição são estabilizados pela existência de conjugação,
baixando a sua energia e aumentado a velocidade de substituição
•Um mecanismo SN1 numa posição benzílica (ou D em relação a uma
insaturação) é facilitado pela possibilidade de estabilização do carbocatião
intermediário.
•Um mecanismo SN2 numa posição benzílica também é facilitado pela
possibilidade de estabilização do estado de transição.
QOII pg 391
Substituição nucleófila na posição benzílica
Redução de
aldeídos e cetonas
a álcoois
Via de remoção de grupos
carbonilo apenas em posição
benzílica
A presença do anel aromático permite a clivagem da
ligação Cbenzílico-O por hidrogenação catalítica
Ésteres benzílicos
Éteres benzílicos
Álcool benzílico
QOII pg 392
Apenas o OH
benzílico é removido
Hidrogenólise de posições benzílicas
Todos os métodos
acima removem
TODOS os grupos
carbonilo de aldeído
e cetonas
Remoção de grupos
carbonilo
Reduções em posições benzílicas (nomes trocados)
CF3CO3H ou
1) NaNO2/H2SO4 2) NaBF4
3) NaNO2
Orientador
orto / para
QOII pg 393
Para que a reacção tenha interessa
preparativo, os dois grupos nitro têm que
ser equivalentes
Orientador
meta
Produto meta
Não acessível por
SEAr da anilina
Quando existe mais de que um grupo nitro ligado ao anel aromático é possível a
redução de apenas um dos grupos com a utilização de um redutor suave
Redução selectiva de di-nitroaromáticos
Orientador
meta
Hidrogenação catalítica (Pt, Pd/C, H2)
ou Raney Nickel ou Sn/HCl ou Fe/HCl
• As anilinas são muitas vezes produzidas por redução de nitroaromáticos
• A interconversão NO2/NH2 permite alterar o carácter director do
substituinte do anel aromático (meta para orto/para)
Interconversão de nitroaromáticos e anilinas