Reações de Substituição Eletrofílica em Aromáticos

Prof. Nunes
Reações de
Substituição Eletrofílica
em Aromáticos
Universidade Federal do Ceará
Centro de Ciências
Departamento de Química Orgânica e Inorgânica
Química Orgânica II
Prof. Dr. José Nunes da Silva Jr.
nunes.ufc@gmail.com1 Atualizado em mar/2017
Assista a video-aula
https://www.youtube.com/watch?v=lzL-Ogk2gyo

Muitos derivados de benzeno, foram originalmente isolados a partir das
bálsamos perfumados obtidos a partir de árvores e plantas, e, por
conseguinte,
estes compostos foram descritos como sendo aromáticos em
referência aos seus odores agradáveis.
Ao longo do tempo, os químicos descobriram que muitos derivados de
benzeno são, na verdade, inodoros.
No entanto, o termo "aromático" é ainda utilizada para descrever todos os
derivados de benzeno, independentemente de se eles são perfumadas ou
inodoras.
Compostos AromáticosCompostos Aromáticos
2

A fragmento aromático - anel benzênico - é uma característica estrutural
particularmente comum em drogas.
Compostos AromáticosCompostos Aromáticos
3

Em 1825, Michael Faraday isolou benzeno resíduo oleoso descartado da
iluminação de gás em lâmpadas de rua de Londres.
Outras investigações revelaram que
a fórmula molecular deste composto foi C6H6:
um hidrocarboneto constituída de seis átomos de carbono e
seis átomos de hidrogênio.
Em 1866, August Kekulé usou sua teoria estrutural recentemente publicada
para propor uma estrutura para o benzeno.
ele propôs um anel formado por ligações duplas e
simples alternadas.
Estrutura do BenzenoEstrutura do Benzeno
4

Kekulé descreveu a troca de ligações simples e duplas como sendo um
processo de equilíbrio.
Com o tempo, essa visão foi refinada pelo advento da teoria da ressonância e
conceitos orbitais moleculares de deslocalização de elétrons.
Os dois desenhos acima são agora vistos como estruturas de ressonância,
não como um processo de equilíbrio.
5

A estabilidade da porção de aromático é observada quando se comparam
calores de hidrogenação para vários compostos semelhantes.
lembre-se que a hidrogenação de uma ligação π ocorre na presença
de um catalisador de metal.
O calor de hidrogenação (∆H) para esta reação é -120 kJ/mol.
Estabilidade do BenzenoEstabilidade do Benzeno
6

O benzeno , quando submetido às mesmas condições reacionais, reage com
três equivalentes de hidrogênio molecular para formar cicloexano. Portanto,
deveríamos esperar ∆H = -360 kJ/mol.
mas, na verdade, o calor de hidrogenação para hidrogenação de
benzeno é de apenas -208 kJ / mol.
7

Em outras palavras, o benzeno é muito mais estável do que o esperado para
um hipotético cicloexatrieno. Isto é atribuído à conjugação observada no
benzeno.
A diferença entre o valor esperado (-360) e o valor observado (-208) é
152kJ/mol, que é chamada de energia de estabilização do benzeno.
Este valor representa a estabilização associada com a aromaticidade.
8

O benzeno é um hexágono simétrico planar com seis átomos de carbono
trigonal plano (sp2), cada um tendo um átomo de hidrogênio no plano do
anel.
9
Ligação π

Todos os comprimentos das ligações C-C são iguais a 1.39 Angstron.
(Para comparação: C-C 1.47 de C=C 1.33)
Esta característica geométrica advém da ressonância existente no anel
(deslocalização dos seis elétrons π dos orbitais p da estrutura).
10

Enquanto os alcenos sofrem reação de adição quando tratados com bromo,
o benzeno é inerte sob as mesmas condições.
sua estrutura plana com duas regiões ricas em elétrons (acima e
abaixo do plano), torna o benzeno um alvo para o ataque de
espécies deficientes de elétrons, os eletrófilos.
Reações do BenzenoReações do Benzeno
11

Curiosamente, quando Fe (ferro) é introduzido na mistura, uma reação
ocorre, embora o produto não seja o que poderíamos ter esperado.
Em vez de uma reação de adição,
é observada uma reação de substituição eletrofílica
aromática.
um dos hidrogênios aromáticos é substituído por um
eletrófilo.
Reações do BenzenoReações do Benzeno
12

Muitos outros grupos que também podem ser adicionados ao anel
aromático através de uma reação de substituição eletrofílica aromática.
Substituição Eletrofílica AromáticaSubstituição Eletrofílica Aromática
13
halogenação
halogenação
nitração sulfonação
alquilação de
Friedel-Crafts
acilação de
Friedel-Crafts

Embora envolvam diferentes eletrófilos, as reações de substituição
eletrofílica aromáticas têm o mesmo mecanismo geral.
Mecanismo GeralMecanismo Geral
14
ataque nucleofílico
transferência de próton
complexo sigma

Mecanismo GeralMecanismo Geral
15

Durante a bromação de um alceno, o alceno atua como um nucleófilo e o Br2
atua como um eletrófilo.
Quando a nuvem de elétrons π do alceno se aproxima, a molécula Br2 torna-
se temporariamente polarizada, tornando um dos átomos de bromo
electrofílico (δ+). Este átomo de bromo se torna suficientemente eletrofílico
para reagir com o alceno,
mas não é suficientemente eletrofílico para reagir com benzeno.
HalogenaçãoHalogenação
16
nucleófilo eletrófilo

A presença de ferro (Fe) na mistura de reação aumenta a elecrofilicidade do
presente átomo de bromo.
Para entender como ferro realiza esta tarefa, devemos reconhecer que o
próprio ferro é não o verdadeiro catalisador. Em vez disso, ele primeiro reage
com Br2 para gerar tribrometo de ferro (FeBr3).
O FeBr3 é um ácido de Lewis, que é o verdadeiro catalisador da reação entre
o benzeno e o bromo.
Especificamente, FeBr3 interage com Br2 para formar um complexo o qual
reage “como se fosse Br+”.
HalogenaçãoHalogenação
17

Este complexo serve como um reagente eletrofílico promove a bromação do
anel aromático, através um mecanismo de duas etapas
Mecanismo da HalogenaçãoMecanismo da Halogenação
18
ataque nucleofílico transferência de próton
complexo sigma

Uma reação semelhante ocorre quando o cloro é utilizado em vez de bromo.
A cloração de benzeno é realizada com um ácido de Lewis
adequado, tal como tricloreto de alumínio.
19
ataque nucleofílico transferência de próton
complexo sigma

20

Quando o benzeno é tratado com ácido sulfúrico fumante (mistura de H2SO4 e
gás SO3), uma reação de sulfonação ocorre e ácido benzenossulfônico é
obtido.
A reação entre o benzeno e o SO3
é altamente sensível às concentrações do reagentes e, portanto, é
reversível
SulfonaçãoSulfonação
21
H2SO4 concentrado
fumegante
H2SO4 concentrado
fumegante
H2SO4 diluído

Mecanismo da SulfonaçãoMecanismo da Sulfonação
22
transferência
de próton
complexo sigma
protonação
do ânion

Quando o benzeno é tratado com uma mistura de ácido nítrico e ácido
sulfúrico, uma reação de nitração ocorre na qual nitrobenzeno é formado .
Esta reação processa-se através de uma substituição eletrofílica aromática
envolvendo o íon nitrônio (NO2
+) como eletrófilo, o qual é formado pela
reação entre o ácido nítrico e o ácido sulfúrico.
NitraçãoNitração
23

Mecanismo da NitraçãoMecanismo da Nitração
24
transferência
de próton
complexo sigma

Uma vez no anel, o grupo nitro pode ser reduzido para dar um grupo
amino (NH2).
Redução do Grupo NitroRedução do Grupo Nitro
25

Vimos que uma variedade de eletrófilos
“Br+”
“Cl+”
SO3
NO2
+
reagem com benzeno em reações de substituição eletrofílica aromática.
Agora, vamos explorar eletrófilos cujo centro eletrofílico é um átomo de
carbono.
A alquilação de Friedel-Crafts, descoberto por Charles Friedel e Crafts James
em 1877, torna possível a inserção de um grupo alquila em um anel
aromático.
Alquilação de Friedel-CraftsAlquilação de Friedel-Crafts
26

Embora um haleto de alquila, tal como 2-clorobutano seja, por si só,
eletrofílico, ele não é suficientemente eletrofílico para reagir com benzeno.
No entanto, na presença de um ácido de Lewis, tal como o tricloreto de
alumínio, o haleto de alquila é convertido em um carbocátion.
27
carbocátion

Após a formação do carbocátion, dois passos estão envolvidos nesta
substituição eletrofílica aromática.
1) Na primeira etapa, o anel aromático atua como um nucleófilo e ataca o
carbocátion, formando um complexo sigma.
2) O complexo sigma é, então, desprotonado para restaurar a aromaticidade.
28
carbocátion
ataque nucleofílico transferência
de próton
complexo sigma

Haletos de alquila primários não são convertidos em carbocátions, uma vez
que carbocátions primários possuem energias extremamente elevadas.
No entanto, uma alquilação de Friedel-Crafts é observada, quando o benzeno
é tratada com cloreto de etila, na presença de AICI3.
Presume-se, neste caso, que o agente eletrofílico seja um complexo entre
cloreto de etilo e AlCl3.
29 agente eletrofílico

Este complexo pode ser atacado por um anel aromático, assim como se viu
durante cloração.
Embora a alquilação de Friedel-Crafts seja eficaz com o cloreto de etila é
usado,
a maioria dos outros haletos de alquila primários usados não
podem ser utilizados de forma eficaz,
porque os seus complexos com AlCl3 se rearranjam para
formar carbocátions secundários e terciários.
30
carbocátion
secundário
migração
hidreto

Na seção anterior, aprendemos como inserir um grupo alquila em um anel
aromático.
Um similar método pode ser utilizado para inserir um grupo acila. A
diferença entre um grupo alquila e um grupo acila é mostrado abaixo.
Uma reação que insere um grupo acila é chamada de uma acilação.
Acilação de Friedel-CraftsAcilação de Friedel-Crafts
31
grupo
alquila
grupo
acila

Em uma acilação de Friedel-Crafts, o mecanismo é muito semelhante ao
processo de alquilação discutido anteriormente.
Um cloreto de acila é tratado com um ácido de Lewis para formar uma
espécie catiônica, chamada um íon acílio.
Um íon acílio é estabilizado por ressonância e, portanto, não é susceptível a
rearranjos.
32
estabilizado por ressonância
íon acílio

O íon acílio é atacado pelo anel benzênico para produzir um complexo
intermediário sigma, o qual é desprotonado para restaurar a aromaticidade.
33
transferência
de próton
complexo sigma

O produto de uma acilação de Friedel-Crafts é uma arilcetona, que pode ser
reduzida através de uma redução de Clemmensen.
Na presença de amálgama de zinco Zn-Hg e HCl, a carbonila (–C–)
completamente reduzida em um grupo metileno (–CH2–).
Quando uma acilação de Friedel-Crafts é seguida por uma redução
Clemmensen, o resultado líquido é a inserção de um grupo alquila.
34
O

35

Até o momento, falamos apenas das reações do benzeno, isto é, um anel
aromático sem substituintes.
Entretanto, dados experimentais mostram que substituintes no anel tornam o
anel mais o menos reativos.
Por exemplo, temos a seguinte série de reatividade:
>>> >
CH3 H CF3
Velocidade da S.E.A.Velocidade da S.E.A.
Dizemos que o grupo CH3 ativou o anel e que o grupo CF3 desativou o anel.
36

Até agora, temos tratado apenas com reações do benzeno.
Temos agora expandir nossa discussão para incluem reações de compostos
aromáticos que já possuem substituintes, tais como tolueno.
Nesta reação de nitração, a presença do grupo metila levanta duas questões:
1) qual o efeito da grupo metila na velocidade da reação?
2) qual o efeito do grupo metila na regioquímica da reação.
Vamos começar com a velocidade de reação.
Grupos AtivantesGrupos Ativantes
37

O tolueno sofre nitração aproximadamente 25 vezes mais rapidamente do
que o benzeno.
Em outras palavras, o grupo metila é dito para ativar o anel aromático.
Por quê?
38
>>>
CH3 H

Recorde-se que os grupos alquila são doadores de elétrons.
Como resultado,
um grupo metila doa densidade eletrônica para o anel,
estabilizando, assim,
o complexo sigma carregado positivamente, e
baixando a energia de ativação para a sua formação.
39
>>>
CH3 H

O grupo nitro pode ser inserido nas posições -orto, -meta ou -para em
relação ao grupo metila,
mas os três possíveis produtos não são obtidos em iguais
quantidades.
Os produtos orto e para predominam, enquanto muito pouco produto meta é
obtido.
Para explicar esta observação, temos de comparar a estabilidade do
complexo sigma formado para o ataque em cada uma das três posições.
Grupos Ativantes - RegioquímicaGrupos Ativantes - Regioquímica
40
orto-
nitrotolueno
meta-
nitrotolueno para-
nitrotolueno
(63%)

41
estabilizada
estabilizada
ataque
meta
ataque
para
ataque
orto

A energia relativa de cada complexo sigma é melhor visualizada comparando
os diagramas de energia para os ataques orto, meta e para.
Intermediário mais estável implica em um estado de transição de menor
energia, e consequentemente uma velocidade de reação maior, o que leva a
uma maior produção dos isômeros orto e para.
42
ataque meta ataque paraataque orto
Coordenada da reação Coordenada da reação Coordenada da reação
Energia
Livre
(G)

Vimos que certos grupos ativam o anel para a substituição eletrofílica
aromática.
Nesta seção, vamos explorar os efeitos do grupo nitro, que desativa o anel
para substituição eletrofílica aromática.
Para entender por que o grupo nitro desativa o anel, devemos explorar os
efeitos eletrônicos de um grupo nitro ligado a um anel aromático.
o grupo nitro é atrator de elétrons por efeito indutivo
porque um nitrogênio carregado positivamente é um
átomo extremamente eletronegativo.
Grupos DesativantesGrupos Desativantes
43

Agora vamos considerar ressonância.
Muitas das estruturas de ressonância exibem uma carga
positiva no anel.
A carga positiva indica que o grupo nitro retira densidade de elétrons do anel,
desestabilizando o complexo sigma carregado positivamente
complexa e
aumentando a energia de ativação para a sua formação.
44

Este efeito desestabilizador é muto significativo e pode ser observado
comparando as velocidades de nitração.
Especificamente, nitrobenzeno é 100.000 vezes menos reativo
do que o benzeno em uma reação de nitração, e a reação só
pode ser realizada a uma temperatura elevada.
Quando a reação é forçada a proceder, o resultado
regioquímico é oposto daquele observado anteriormente
45
orto meta para

46
desestabilizada
desestabilizada
ataque
meta
ataque
para
ataque
orto

O complexo sigma obtido pelo ataque meta não apresenta instabilidade e é,
portanto, menos energético.
47
ataque meta ataque paraataque orto
Coordenada da reação Coordenada da reação Coordenada da reação
Energia
Livre
(G)

Vimos que:
grupos ativadores são orto-, para-dirigentes (doadores de elétrons) e
grupos desativadores são meta-dirigentes (retiradores de elétrons).
Halogênios – a ExceçãoHalogênios – a Exceção
48
- OH - OR - OCOR- NR3 - X
- CHO - COOH
- COCl
- COR
- COOR - NO2
R =
R =
ativadores
desativadores
ativador desativador

Vimos que:
grupos ativadores são orto-, para-dirigentes (doadores de elétrons) e
grupos desativadores são meta-dirigentes (retiradores de elétrons).
Regra – Efeito DirigenteRegra – Efeito Dirigente
49
R
- OH - OR - OCOR- NR3
- X- CHO - COOH
- COCl
- COR
- COOR - NO2
R =
R =
ativadores
desativadores

Há uma exceção importante a essas regras gerais:
os halogênios (F, Cl, Br, ou I).
apesar do fato de que eles são desativadores, mas são
orto-, para-dirigentes.
Para racionalizar essa curiosa exceção, devemos explorar:
os efeitos eletrônicos de um átomo de halogênio ligado a
um anel aromático
efeitos indutivos e ressonância.
50
Halogênios – A ExceçãoHalogênios – A Exceção

Vamos começar explorando os efeitos indutivos.
Os halogênios são mais eletronegativos do que de carbono e, portanto, são
retiradores de elétrons por efeito indutivo.
Quando desenhamos as estruturas de ressonância, uma imagem diferente
surge.
51

Três das estruturas de ressonância apresentam uma carga negativa no anel.
Isto sugere que o halogênio doa densidade de elétrons para o anel.
Há a competição entre a ressonância (efeito doador) e indução
(efeito retirador).
Embora a ressonância seja, geralmente, o fator dominante, neste
caso, é a exceção. A indução é realmente o fator dominante para
halogênios. Como resultado, os halogênios retiram densidade de
elétrons do anel, desestabilizando, desta forma, o complexo sigma
carregado positivamente, e aumentando a energia de ativação.52

53

Ativadores:
Fortes são caracterizados pela presença de um par de elétrons livres
imediatamente adjacente ao anel aromático.
Moderados exibem um par de elétrons livre, porém ele está deslocalizado
fora do anel.
54
Determinando o Efeito Dirigente de um SubstituinteDeterminando o Efeito Dirigente de um Substituinte

Ativadores
Fracos: os grupos alquila são ativadores fracos, porque eles doam elétrons
por através de um efeito de hiperconjugação relativamente fraco.
55

Desativadores Fortes:
Há apenas alguns substituintes comuns que são desativadores fortes.
O grupo nitro é um desativador forte porque é desativador por ressonância e
por indução.
Os outros dois grupos são fortes porque são desativadores através de
poderosos efeitos indutivos.
Um átomo de nitrogênio carregado positivamente é
extremamente eletronegativo, e
O outro tem três halogênios que promoverão remoção de
elétrons.56

Desativadores Moderados: são grupos que apresentam uma ligação π
compartilhada com um átomo eletronegativo, onde a ligação π é conjugada
com o anel aromático.
Cada um destes grupos retira densidade eletrônica do anel através de
ressonância.
57

Desativadores Fracos: Halogênios desativam o anel.
Vimos que os efeitos eletrônicos de halogênios são determinados pela
concorrência delicada entre a ressonância e o efeito indutivo,
com o efeito indutivo sobressaindo-se como o efeito dominante
58

59

Quando o anel benzênico carrega dois ou mais substituintes, suas
reatividades e sítios de substituição, em muitos casos, podem ser preditos a
partir de efeitos cumulativos de seus substituintes.
O exemplo mais simples é encontrado quando todos os sítios de substituição
são equivalentes, isto é, em qualquer lugar que ele entrar levará à formação
do mesmo produto:
CH3
CH3
HNO3/H2SO4
CH3
NO2
CH3
Efeitos de Substituintes MúltiplosEfeitos de Substituintes Múltiplos
60

Outra possibilidade é quando os substituintes do anel orientam para as
mesmas posições. Neste caso, dizemos que temos orientações
convergentes.
No exemplo abaixo, o grupo metila e o grupo nitro orientam a entrada do
eletrófilo na mesma posição, orto ao grupo metila.
61

Outra possibilidade é quando os substituintes do anel orientam para
diferentes posições. Neste caso, dizemos que temos orientações
divergentes.
Nestes caso, será o grupo “mais ativante” que definirá a posição de entrada
do eletrófilo.
62

Efeitos estéricos.
majoritário minoritário
Para a maioria dos anéis aromáticos monossubstituídos, o produto para
geralmente domina sobre o produto orto como resultado de considerações
de natureza espacial.
Uma exceção notável é o tolueno (metilbenzeno), porque a razão de produtos
orto e para é sensível às condições reacionais, tais como a escolha do
solvente. Em alguns casos, o produto para é favorecido; em outros, o
produto orto é favorecido.63

Efeitos estéricos.
O resultado regioquímico desta reação é controlado por efeito estérico.
A nitração é mais provável de ocorrer no local que é menos
estereoquimicamente impedido (orto em relação ao grupo metila).
64

Efeitos estéricos.
Para anéis aromáticos 1,3-dissubstituídos, é extremamente improvável que a
substituição irá ocorrer na posição entre os dois substituintes.
Essa posição é a mais impedida estericamente no anel, e a reação
geralmente não ocorre nessa posição.
65
não observado

Estratégias de Síntese
de Compostos Aromáticos Monossubstituídos
de Compostos Aromáticos Monossubstituídos
O caso mais simples de um problema de síntese é aquele que requer a
formação de um anel benzênico monossubstituído. Os efeitos que dirigem são
irrelevantes em tal caso. Você só precisa saber o quais os reagentes são
necessárias para instalar o grupo desejado.
66

de Compostos Aromáticos Dissubstituídos
Propor a síntese de um anel benzênico dissubstituido requer uma análise
cuidadosa dos efeitos dirigentes
para determinar qual grupo deve ser instalado primeiro.
Como um exemplo, considere o seguinte composto.
A síntese deste composto, a partir do benzeno, requer duas etapas distintas de
bromação e nitração.
A bromação seguida por nitração não irá produzir o produto
desejado, porque um átomo de bromo substituinte é orto-para
dirigente.
A fim de alcançar a relação entre os dois meta grupos, a nitração
deve ser realizada primeiro. O grupo nitro é um dirigente meta, que,
em seguida, dirige a entrada do bromo para o local desejado.67

68

69
Exercício
Rota 1
Rota 2
Rota 2
Rota 2

Hidrocarbonetos aromáticos policíclicos sofrem S.E.A. quando tratados com
os mesmos reagentes que reagem com benzeno. Em geral, hidrocarbonetos
aromáticos policíclicos são mais reativos que o benzeno, por serem mais
ricos em elétrons.
Um exemplo é o naftaleno, um biciclo fundido por uma das faces.
O naftaleno sofre as mesmas S.E.A. que sofre o benzeno, todavia, as
posições de entrada do nucleófilo não apresentam nenhuma relação com
aquelas vistas no benzeno.
S.E.A. em NaftalenosS.E.A. em Naftalenos
70

Dois sítios são disponíveis para a substituição no naftaleno, C1 e C2, sendo
C1 o sítio normalmente preferido para o ataque eletrofílico.
S.E.A. em Naftalenos - RegiosseletividadeS.E.A. em Naftalenos - Regiosseletividade
C1
C2
71

S.E.A. em Naftalenos - RegiosseletividadeS.E.A. em Naftalenos - Regiosseletividade
Na ressonância alílica do íon areno formado após o ataque em C2, o caráter
benzenóide do outro anel é sacrificado. Portanto, trata-se de um
intermediário menos estável do que aquele formado após o ataque em C1.
72
Ataque no C1
Ataque no C2

Reações de AromáticosReações de Aromáticos
73

ExercíciosExercícios
74
Explique quais posições seriam preferencialmente nitradas.

75
Qual o produto majoritário em cada reação?

76
Mostre os produtos em cada reação em cada reação?

77

78

79
Sugira sínteses para os seguintes compostos.

80

81

82
Sugira sínteses para os seguintes compostos a partir do benzeno.

83
Sugira uma síntese para o seguinte composto a partir do benzeno.

84
Sugira sínteses para os seguintes compostos a partir do benzeno.

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