SubstituiçãoSubstituição Eletrofílica Eletrofílica ... Reações de SEAr.pdf · A...

SubstituiçãoSubstituição EletrofílicaEletrofílicaAromáticaAromática SS ArArAromáticaAromática SSEEArAr

1

Aromaticidade Aromaticidade -- reatividadereatividade

2

Aromaticidade Aromaticidade -- estabilidadeestabilidade

1,3-ciclo-

hexadieno

“1,3,5-ciclo-

hexatrieno”

benzeno + 3 H

Energia de Ressonância E(R) = 152 kJ mol-1

EN

ER

GIA

PO

TE

NC

IAL

ciclo-

hexeno

ciclo-

hexano

benzeno + 3 H2

EN

ER

GIA

PO

TE

NC

IAL

3

Aromaticidade Aromaticidade -- estruturaestrutura

4

ReaçãoReação do do nucleófilonucleófilo benzenobenzeno com com eletrófiloeletrófilo

5

ReaçãoReação de de SubstituiçãoSubstituição versusversus AdiçãoAdição

6

MecansimoMecansimo dada SubstituiçãoSubstituição EletrofílicaEletrofílica AromáticaAromáticaSSEEArAr

E

E+ E

H

+

H H + H

lento rápido

E

+ +

E E

íon arênio ou

intermediário de

Wheland

7

E

H

E

H

δ+

δ+

δ+

E

Hδ+

lento

MecanismoMecanismo SSEEArAr –– DiagramaDiagrama de de EnergiaEnergia

+ E+

E

H++

Coordenada de Reação

rápidoíon arênio

não aromático

8

ReaçõesReações de de SSEEArAr: : HalogenaçãoHalogenação do do BenzenoBenzeno

Bromação: Bromação:

Mecanismo da Bromação: Mecanismo da Bromação:

9

NitraçãoNitração do do BenzenoBenzenoMecanismoMecanismo dada NitraçãoNitração: :

10

SulfonaçãoSulfonação do do BenzenoBenzeno

MecanismoMecanismo dada SulfonaçãoSulfonação: :

ácido sulfúrico

11

AlquilaçãoAlquilação de de FriedelFriedel--CraftsCrafts

Mecanismo da Alquilação de Friedel-Crafts

Reação ocorre com quantidades catalíticas de AlCl3! Porque?

12

AcilaçãoAcilação de de FriedelFriedel--CraftsCrafts

Reação ocorre somente com quantidades estequiométricas de AlCl3! Porque?

13

Mecanismo da FC com Cloreto de Acila

Como ocorre a formação

do íon acílio a partir de

um anidrido?14

Bromação

Nitração

Br2 + ácido de Lewis

HNO3 + H2SO4

BrBr

MXn

+ Br

O

N

O

+

NO2

Reação Reagente Eletrófilo Produto

SSEEArAr : : ResumoResumo das das ReaçõesReações

Sulfonação

Alquilação de Friedel-Crafts

Acilação de Friedel-Crafts

H2SO4 (conc.) ou

H2SO4 + SO3

RX + ácido de Lewis

RCOCl + ácido de Lewis

S

OH

OO

+

S

O

OO

SO2OH

R

+R

O

R

+ O

R

15

ReaçReaçõesões de de SubstituiçãoSubstituição de de HaletosHaletosBenzílicosBenzílicos

ReaçReaçõesões nana CadeiaCadeia LateralLateral

16

ReaçReaçõesões de de EliminaçãoEliminação de de HaletosHaletosBenzílicosBenzílicos

17

ReduçReduçãoão de de SubstituintesSubstituintes InsaturadosInsaturados

18

Redução do anel aromático somente em condições drásticas

OxidaçOxidaçãoão dada CadeiaCadeia Lateral Lateral AlquílicaAlquílica

tolueno ácido benzóico

19

ácido 3-benzenodicarboxílico

3-butilisopropilbenzeno

ReduçReduçãoão de um de um GrupoGrupo NitroNitro

nitrobenzeno anilina protonadaÍon anilínio

anilina

ReduçãoRedução seletivaseletiva de de apenasapenas um um grupogrupo nitro: nitro:

20

meta-dinitrobenzeno meta-nitroanilina

DesoxigenaçãoDesoxigenação dede GruposGrupos CarbonílicosCarbonílicosMecansimo da Redução de WolffMecansimo da Redução de Wolff--Kishner:Kishner:

21

ReduçReduçãoão de de ClemmensenClemmensen: :

ácido paraácido para--propilbenzenosulfônicopropilbenzenosulfônico

C6H5X v

X=OH 1000

Velocidades relativas frente ànitração

SSEEArAr emem BenzenosBenzenosSubstituídosSubstituídos

+E

S

E H

S

δ+

δ+ δ+

S

E H

íon arênio

estabilizado

estado de transição

estabilizado

S com efeito

doador de e−

(+I/+M)X=OH 1000X=CH3 25X=H 1X=I 0,2X=Cl 0,03X=NO2 6 x 10-8

X=N+(CH3)3 1 x 10-8

E+

δ+

S

E HE H

S

δ+

δ+

S

íon arênio

desestabilizado

estado de transição

desestabilizado

(+I/+M)

S com efeito

atraente de e−

(-I/-M)

22

S

S

E H

S

δ+

δ+

E H

S

δ+

δ+E H

S

δ+

δ+

SSEEArAr emem benzenosbenzenos substituídossubstituídos: : DiagramasDiagramas de de energiaenergia potencialpotencial derivadosderivados com com diferentesdiferentes substituintessubstituintes

S = atraente de elétronS = atraente de elétron S = hidrogênioS = hidrogênio S = doador de elétronS = doador de elétron

S

E++E++

S

δ+

S

E H

δ+

E H

E++

S

δ+

S

E H

Coordenada de Reação 23

Características desta reação:

i) Bromação do tolueno é 4000 vezes mais rápida do que a bromação do benzeno.

Efeito dos Substituintes: Grupo Alquila

i) Bromação do tolueno é 4000 vezes mais rápida do que a bromação do benzeno.

ii) A reação é regiosseletiva.

iii) Comportamento similar é observado na nitração, sulfonação e reações de Friedel-

Crafts.

iv) Grupo metila: orientador orto/para.

Como estes dados experimentais podem ser explicados

considerando o mecanismo da reação? 24

A nitração mostrada acima ocorre mais lentamente do que a

Efeito dos Substituintes: Grupo Trifluorometila

A nitração mostrada acima ocorre mais lentamente do que a

nitração do benzeno. Ocorre a formação exclusiva do derivado

meta substituído.

Como estes dados experimentais podem ser explicados

considerando o mecanismo da reação?

25

Efeito dos Substituintes: Grupo Efeito dos Substituintes: Grupo MetóxiMetóxi

A bromação mostrada acima ocorre (muito) mais rapidamente

Como o resultado da reação acima pode ser explicado

considerando o mecanismo da reação?26

A bromação mostrada acima ocorre (muito) mais rapidamente

do que a bromação do benzeno. Ocorre a formação muito

preferencial do derivado para substituído, além de pouco

derivado orto.

A polarização de elétrons através de uma ligaçãoσ é chamada efeitoefeito indutivoindutivo. Pode ser doadorou sacador (atraente).O elemento mais eletronegativo que hidrogêniopossui efeito indutivo atraente (-I), oelemento menos eletronegativo que hidrogêniopossui efeito indutivo doador (+I).

EfeitoEfeito de de SubstituintesSubstituintes: (: (ii) ) EfeitosEfeitos IndutivosIndutivos

possui efeito indutivo doador (+I).

Grupos alquílicos doam mais elétrons por efeitoindutivo do que o hidrogênio devido àhiperconjugação.

27

EfeitoEfeito de de SubstituintesSubstituintes: (ii) : (ii) EfeitosEfeitos de de RessonânciaRessonância

Doação de elétrons pelo efeito de ressonância (mesomérico)Doação de elétrons pelo efeito de ressonância (mesomérico)

28

Atração de elétrons pelo efeito de ressonância (mesomérico)Atração de elétrons pelo efeito de ressonância (mesomérico)

EfeitoEfeito de de SubstituintesSubstituintes sobresobre a a SSEEArAr

Substituintes fortemente ativantes: Substituintes fortemente ativantes:

Substituintes moderatamente ativantes: Substituintes moderatamente ativantes:

Fortes doadores por efeito de ressonânciaFortes doadores por efeito de ressonância

29

Substituintes doadores de elétrons são ativadores, tornando o compostoaromático substituido mais reativo frente a SEAr do que o benzeno.

Doadores moderados por efeito de ressonânciaDoadores moderados por efeito de ressonância

EfeitoEfeito de de SubstituintesSubstituintes sobresobre a a SSEEArAr

Doação de elétrons do pár de elétrons do nitrogênio para o anel aromático. Doação de elétrons do pár de elétrons do nitrogênio para o anel aromático.

30

Doação de elétrons do pár de elétrons do nitrogênio para a Doação de elétrons do pár de elétrons do nitrogênio para a carbonilacarbonila, , retirando elétrons do anel aromático. retirando elétrons do anel aromático.

EfeitoEfeito de de SubstituintesSubstituintes sobresobre a a SSEEArAr

Substituintes fracamente ativantes: Substituintes fracamente ativantes:

31

Substituintes fracamente desativantes: Substituintes fracamente desativantes:

Fracos doadores por efeito de ressonância e indutivoFracos doadores por efeito de ressonância e indutivo

Doadores por efeito de ressonância e aceptores por efeito indutivoDoadores por efeito de ressonância e aceptores por efeito indutivo

EfeitoEfeito de de SubstituintesSubstituintes sobresobre a a SSEEArAr

Substituintes moderadamente desativantes: Substituintes moderadamente desativantes:

Aceptores de elétron moderados Aceptores de elétron moderados por efeito de ressonânciapor efeito de ressonância

32

Substituintes fortemente desativantes: Substituintes fortemente desativantes:

por efeito de ressonânciapor efeito de ressonância

Fortes aceptores de Fortes aceptores de elétron por efeito de elétron por efeito de ressonânciaressonância

ou ou

EfeitoEfeito DirigenteDirigente do do SubstituintesSubstituintes sobresobre a a SSEEArAr

isômero orto isômero meta isômero para

33

meta

orto

mais importante

Ativante: efeito +IAtivante: efeito +I

para

tolueno

34mais importante

meta

orto

mais estável

Ativante: efeito +M e (Ativante: efeito +M e (--II))

mais importante

para

mais estável

anisol

35

mais importante

E

HZ+

+Z

+

Z

E

H

m-

o-

Diagrama Diagrama de de Energia: Substituinte Doador Energia: Substituinte Doador +M+M

Coordenada de Reação

E Hp-

36

Desativante: efeito Desativante: efeito --II

orto

meta

menos estávelmenos importante

37

para

anilina protonada

menos estávelmenos importante

o-p-

Y

Y

E H

++ E

HY

Diagrama Diagrama de de Energia: Substituinte Aceptor Energia: Substituinte Aceptor --I/I/--MM

Coordenada de Reação

m- +

E

H

38

EfeitoEfeito de de SubstituintesSubstituintes sobresobre a a SSEEArAr: : HalobenzenosHalobenzenos

Reatividade muito similar; Reatividade muito similar;

Distribuição similar para Cl,

Br e I, diferente para F;

aumento do produto orto

de F até I.

39

Ataque em para:

Ataque em meta:

ReatividadeReatividade SSEEArAr

Ataque em orto:

40

ReatividadeReatividade SSEEArArde de halobenzenoshalobenzenos: : efeitosefeitos ––I e +MI e +M

E

HZ+ Z

E

HZ

(+)

(+) (+) +

E

HZ

+

Z

H

E

Z

E

H(+)

(+)

(+)+EE

+

m-o-, p-

EfeitoEfeito ExemploExemplo AtivaçãoAtivação DireçãoDireção

EfeitoEfeito de de SubstituintesSubstituintes sobresobre a a SSEEArAr: : ResumoResumo

+M+M -NR2, -OR muito ativante o-, p-

+I+I -R ativante o-, p-, (m-)

+M, +M, --II -F, -Cl, -Br e -I desativante o-, p-

--II -CF3, -NR3+ desativante m-

--MM -NO2, -CN, -COR, -SO3R muito desativante m-41

Efeito eletrônico de substituintes sobre a reatividade SEAr:

•ativantes e desativantes;

•orto/para e metadirigentes

42

EfeitoEfeito de de SubstituintesSubstituintes sobresobre a a AcidezAcidez

43

EfeitoEfeito de de SubstituintesSubstituintes sobresobre a a SSEEArAr: : TamanhoTamanho

O tamanho do grupo orto-para dirigente influencia narelação orto/para dos produtos: impedimento estérico. 44

EfeitoEfeito de de SubstituintesSubstituintes sobresobre a a SSEEArAr: OCH: OCH33

Reação ocorre sem catalisadorReação ocorre sem catalisador

Grupos metóxi e hidróxi são ativadores tão fortes que a halogenação podeser feita sem ácido de Lewis; com catalisador ocorre trihalogenação.

45

Anilina e anilinas N-substituídas não sofremreação de Friedel–Crafts.

Anilina não pode ser nitrada, pois ocorre oxidação, mas aminas

EfeitoEfeito de de SubstituintesSubstituintes sobresobre a a SSEEArAr: : AnilinasAnilinas

Anilina não pode ser nitrada, pois ocorre oxidação, mas aminasterciárias aromáticas podem, pois não se oxidam tão facilmente.

46

EfeitoEfeito DirigenteDirigente de de SubstituintesSubstituintes sobresobre a a SSEEArAr: : ReaçãoReação de de BenzenosBenzenos dissubstituidosdissubstituidos

Um grupo ativador forte prevalece frente um ativador fraco ou um desativador.

47

p-metilfenol 2-bromo-4-metilfenol

Produto principal

EfeitoEfeito DirigenteDirigente de de SubstituintesSubstituintes sobresobre a a SSEEArAr: : ReaçãoReação de de BenzenosBenzenos dissubstituidosdissubstituidos

Se dois grupos têm propriedades ativadoras similares, ocorre formação de ambos produtos.

48

p-clorotolueno 4-cloro-2-nitrotolueno

principal

4-cloro-3-nitrotoluenosecundário

Aspectos Sintéticos da SAspectos Sintéticos da SEEArArRearranjo na Alquilação de FriedelRearranjo na Alquilação de Friedel--CraftsCrafts

49

Métodos alternativos de geração do carbocátion:

H

- H O

AlquilaçãoAlquilação de de FriedelFriedel--CraftsCrafts

Problemas:

(i) reação ocorre só com ArH ativados (benzeno e mais reativos);

(ii) ocorrência de poli-alquilação (produto mais reativo que reagente);

(iii) ocorrência de rearranjos e isomerização.

R3C OH R3C O H + A- R3C + A

-

+ HA

- H2O

C C

R

R

R

R

+ HA C C

R

R

+ A-

R

H

R

C O

R

R

+ HA C O + A-

HR

R 50

AcilaçãoAcilação de de FriedelFriedel--CraftsCrafts

Rearranjos e polialquilações não são um problema em reações de acilação. Porque?

51

O produto da acilação de FC pode ser transformado no correspondente alqueno. Como?Utilização sintética. Orientação?

AplicaçãoAplicação dada alquilaçãoalquilação de de FriedelFriedel--CraftsCraftsAlquilação de FC de Fenol com Formaldeído:

Alquilação de FC de fenol com p-Hidroxibenzilálcool:

Repetição da sequência com o bisfenol:

bisfenol

“trisfenol”

O produto “trisfenol” pode reagir comformaldeído nos vários pontosindicados (orto ao grupo hidroxila),levando à resina baquelite. 52

Síntese de Benzenos Síntese de Benzenos SubstituidosSubstituidos: : Planejamento de Sequência de ReaçãoPlanejamento de Sequência de Reação

ácido m-bromobenzenosulfônico

53

ácido p-bromobenzeno sulfônico

ácido o-bromobenzenosulfônico

Reação FriedelReação Friedel--Crafts so com aromáticos ativadosCrafts so com aromáticos ativadosm-nitroacetofenona

SínteseSíntese de de BenzenosBenzenos SubstituidosSubstituidos: : PlanejamentoPlanejamento de de SequênciaSequência de de ReaçãoReação

54

m-nitroacetofenona

ácido p-clorobenzóico

SínteseSíntese de de BenzenosBenzenos SubstituidosSubstituidos: : UtilizaçãoUtilização da da SulfonaçãoSulfonação com com GrupoGrupo de “de “ProteçãoProteção””

ReaçãoReação de de sulfonaçãosulfonação / / desulfonaçãodesulfonação parapara a a síntesesíntese de de ortoorto--bromofenolbromofenol: :

55

200 oC; destilação do produto

SínteseSíntese de de BenzenosBenzenos SubstituidosSubstituidos: : UtilizaçãoUtilização de Sais de de Sais de DiazônioDiazônio

cloreto de benzenodiazônio

56

benzenodiazônio

cloreto de benzenodiazônio

Íon benzeno-diazônio

CH3

OH

HN O N O N O

N N OAr

N N OAr

H N N OAr

H

H

Na+ NO2− HO-N=O

HCl

- NaCl

+ + +

+ H2OH+

+ NO+ H+Cl-

Cl-

FormaçFormaçãoão de sais de de sais de diazôniodiazônio: : MecanismoMecanismo

NH2

CH3

N N

NH

N O N N O H N N O H+

Cl−−−−

+ NO+

- H2O

Cl-

+

57

PreparaçãoPreparação e e ReaçõesReações de de Sais Sais de de DiazônioDiazônio

sal de diazônio, estável em T < 5 oC

ReaçãoReação de de SandmeyerSandmeyer

ou H2 / catalisador

58

cloreto de toluenodiazônio

brometo de benzenodiazônio

bromobenzeno

4-clorotolueno

SubstituiçãoSubstituição RadicalarRadicalar--NucleofílicaNucleofílicaAromáticaAromática (S(SRNRN1)1)

Cu2+ + e Cu+

59

UtilizaçãoUtilização da da ReaçãoReação de de SandmeyerSandmeyer: : PreparaçãoPreparação de de pp--CloroetilbenzenoCloroetilbenzeno..

2-cloroetilbenzenoetilbenzeno

4-cloroetilbenzeno

60

cloreto de 4-etilbenzenodiazônio

p-etilanilina 4-cloroetilbenzeno

UtilizaçãoUtilização dada ReaçãoReação de de SandmeyerSandmeyer: : PreparaçãoPreparação de de fluorobenzenosfluorobenzenos..

ReaçãoReação de de SchiemannSchiemann::

61

fluorobenzeno

pirólise

fluorobenzeno

PreparaçãoPreparação de de BenzenosBenzenos SubstituídosSubstituídos

Não pode ser introduzido diretamenteNão pode ser introduzido diretamente

62

Grupo de Proteção: Grupo de Proteção:

Fenois ocorrem sempre como produtos laterais. Hidróxido não pode ser introduzido diretamente.

Reação de Schliemann:

Não pode ser introduzido diretamente

ÍonsÍons ArenodiazônioArenodiazônio comocomo EletrófilosEletrófilos

cloreto de m-bromo-benzenodiazônio

fenol

Somente benzenos fortemente ativados (como fenois e anilinas) sofrem este tipo de reação. A substituição ocorre preferencialmente na posição para; quando esta estiver ocupada, ocorre substituição orto.

63

3-bromo-4´hidróxi-Azobenzeno

um composto “azo”

ÍonsÍons ArenodiazônioArenodiazônio comocomo EletrófilosEletrófilos

Reação de p-metilfenol por substituição orto:

64

cloreto de benzenodiazônio

p-metilfenol 2-hidróxi-5-metilazobenzeno

MecanismoMecanismo dada SSEEArAr com com ÍonsÍonsArenodiazônioArenodiazônio

N,N-dimetilanilina

65

N,N-dimetilanilina

p-N,N-dimetilaminoazobenzeno

BenzocaínaBenzocaína

ExemplosExemplos de de SequênciasSequências SintéticasSintéticas com com SSEEArAr

66

SacarinaSacarina

67

TiroxinaTiroxina

68

TiroxinaTiroxina

69

TiroxinaTiroxina

70

TiroxinaTiroxina

71