El mecanismo de la reacción de sustitución electrófila. Compuestos aromáticos Ejemplos de sustitución electrófila

l-La nube de electrones del anillo aromático está sujeta al ataque de reactivos electrófilos.

Los arenos entran en reacciones iónicas a través del mecanismo de sustitución electrófila, denotado por el símbolo SE(del ingles sustitución electrofílica).

En general, la sustitución de un protón en el anillo de benceno por una partícula electrófila E+ se puede representar de la siguiente manera:

La reacción pasa por varias etapas. En primer lugar, es necesario crear una partícula electrófila a partir de una molécula reactiva neutra E-Y. Esto se logra mediante el uso de un catalizador que puede polarizar fuertemente el enlace E-Y o romperlo por completo de forma heterolítica.

Una partícula electrófila forma una atmósfera inestable. n-complejo, en el que está asociado simultáneamente con todos los electrones pi del sistema aromático.

En la etapa decisiva (lenta), la partícula electrófila forma un enlace covalente con uno de los átomos de carbono debido a los dos electrones del sistema pi del anillo. En este caso, el átomo de carbono pasa de sp 2 - en estado híbrido sp 3 y el sistema aromático está alterado. Los cuatro electrones pi restantes se distribuyen entre los cinco átomos de carbono del anillo y la molécula de benceno se convierte en complejo sigma(carbocatión).

En la etapa final (rápida), se estabiliza el complejo o. Para ello, la estabilización resulta más ventajosa no mediante la adición de una partícula nucleófila, como ocurría en la reacción de adición en los alquenos, sino mediante la extracción de un protón del átomo de carbono asociado al electrófilo. En este caso, con la participación de dos electrones del enlace C-H roto, se recrea un sistema pi aromático cerrado.

A continuación, utilizando el benceno como ejemplo, se muestran las reacciones de sustitución electrófila más importantes.

Halogenación. El benceno no reacciona con el cloro o el bromo en condiciones normales. La reacción se produce sólo en presencia de catalizadores, que suelen ser haluros de aluminio o hierro (III) anhidros. Como resultado, se forman arenos sustituidos con halógeno.

La función del catalizador es polarizar la molécula de halógeno neutro, transformándola en una partícula electrófila. Cuando una molécula de halógeno interactúa con un catalizador, se forma un complejo en el que el enlace entre los átomos de halógeno está altamente polarizado. Como resultado, puede ocurrir la disociación del complejo con la formación de un catión halógeno, por ejemplo C1 +, que es un electrófilo fuerte.

Nitración. El benceno prácticamente no reacciona con el ácido nítrico concentrado incluso cuando se calienta. Sin embargo, cuando se expone a una mezcla de ácidos nítrico y sulfúrico concentrados, los llamados mezcla nitrante, el átomo de hidrógeno es fácilmente reemplazado por el grupo nitro NO2, una reacción de nitración.

La partícula electrófila atacante en esta reacción es el catión nitroilo NO2+, formado por la interacción de los ácidos nítrico y sulfúrico.

Sulfonación. El benceno reacciona cuando se calienta con ácido sulfúrico concentrado, o mejor aún, con oleum (una solución de trióxido de azufre S0 3 en ácido sulfúrico). Como resultado, el átomo de hidrógeno es reemplazado por un grupo sulfónico SO 3 H con la formación de ácido sulfónico.

La sulfonación de arenos es una reacción reversible. Cuando se calienta con vapor de agua, se produce una reacción inversa: desulfuración.

Alquilación. La introducción de grupos alquilo en el anillo aromático por la acción de haloalcanos se conoce como Reacción de Friedel-Crafts(1877). Como resultado, se forman homólogos de arenos.

La alquilación se produce en presencia de los mismos catalizadores que en la reacción de halogenación, por ejemplo, haluros de aluminio. El papel de los catalizadores que polarizan una molécula de haloalcano para formar una partícula electrófila también es similar.

Reacciones de sustitución electrofílica(Inglés) reacción electrofílica de sustitución ) - reacciones de sustitución en las que se lleva a cabo el ataque. electrófilo- una partícula que está cargada positivamente o tiene deficiencia de electrones. Cuando se forma un nuevo enlace, la partícula saliente es electrofuga se divide sin su par de electrones. El grupo saliente más popular es el protón. H+.

Vista general de reacciones de sustitución electrofílica:

(electrófilo catiónico)

(electrófilo neutro)

Existen reacciones de sustitución electrófila aromática (generalizada) y alifática (menos común). La naturaleza de las reacciones de sustitución electrófila específicas de los sistemas aromáticos se explica por la alta densidad electrónica del anillo aromático, que puede atraer partículas cargadas positivamente.

Las reacciones de sustitución electrofílica aromática desempeñan un papel extremadamente importante en la síntesis orgánica y se utilizan ampliamente tanto en la práctica de laboratorio como en la industria.

Reacciones de sustitución electrofílica aromática.

Para los sistemas aromáticos, en realidad existe un mecanismo de sustitución electrófila: SE AR. Mecanismo SE 1(similar al mecanismo S N 1) - es extremadamente raro, pero SE 2(correspondiente por analogía S N 2) - no ocurre en absoluto.

Reacciones S E Ar

Mecanismo de reacción SE AR o reacciones de sustitución electrofílica aromática(Inglés) Sustitución aromática electrófila ) es la más común e importante de las reacciones de sustitución de compuestos aromáticos y consta de dos etapas. En la primera etapa se agrega el electrófilo y en la segunda etapa se separa la electrofuga:

Durante la reacción, se forma un intermedio cargado positivamente (en la Figura 2b). se llama Ueland intermedio, ion aronio o σ-complejo. Este complejo es generalmente muy reactivo y se estabiliza fácilmente, eliminando rápidamente el catión.

Etapa limitante en la gran mayoría de reacciones. SE AR es la primera etapa.

Velocidad de reacción SE AR, generalmente presentado de la siguiente forma:

Las partículas atacantes suelen ser electrófilos relativamente débiles, por lo que en la mayoría de los casos la reacción SE AR ocurre bajo la influencia de un catalizador: el ácido de Lewis. Los más utilizados son AlCl 3, FeCl 3, FeBr 3, ZnCl 2.

En este caso, el mecanismo de reacción es el siguiente (usando el ejemplo de cloración con benceno, catalizador FeCl 3):

1. En la primera etapa, el catalizador interactúa con la partícula atacante para formar un agente electrófilo activo:

2. En la segunda etapa, de hecho, se implementa el mecanismo. SE AR:

Reacciones típicas de sustitución electrófila aromática.

En los bencenos sustituidos, los llamados ipso-atacar, es decir, sustituir un sustituyente existente por otro:

Reacciones de sustitución electrófila alifática.

Reacciones S E 1

Mecanismo de reacción SE 1 o reacciones de sustitución electrofílica monomolecular(Inglés) sustitución electrófila unimolecular ) similar al mecanismo S N 1 incluye las siguientes etapas:

1. Ionización del sustrato con formación de un carbanión (etapa lenta):

2. Ataque electrofílico del carbanión (etapa rápida):

Muy a menudo, una partícula que se escapa en reacciones extremadamente raras. SE 1 es un protón.

Reacciones S E 2

Mecanismo de reacción SE 2 o reacciones de sustitución electrófila bimolecular(Inglés) sustitución electrofílica bimolecular ) similar al mecanismo S N 2, ocurre en una etapa, sin la formación intermedia de un intermedio:

La principal diferencia con el mecanismo nucleofílico es que el ataque del electrófilo puede realizarse tanto desde delante como desde atrás, lo que puede dar como resultado un resultado estereoquímico diferente: tanto racemización como inversión.

Un ejemplo es la reacción de tautomerización de cetona-enol:

Tautomerización cetona-enol

Notas

Fundación Wikimedia.

• 2010.
• 
  

- (Reacción electrófila de adición en inglés) reacciones de adición en las que el ataque en la etapa inicial lo realiza una partícula electrófila que está cargada positivamente o tiene deficiencia de electrones. En la etapa final, el resultado... ... Wikipedia Mecanismo de reacciones de sustitución electrofílica en el anillo aromático.

1) incluye una serie de etapas sucesivas. Formación de una partícula electrofílica

. Normalmente, las especies electrófilas se forman durante la reacción en presencia de catalizadores y condiciones apropiadas. Por ejemplo, cuando se calienta ácido nítrico, se forma un catión nitronio (a), ácido sulfúrico, un catión sulfonio (b), y durante la halogenación (por ejemplo, cloración), se forma una partícula electrófila, que puede representarse como un catión halógeno. o en forma de complejo halógeno con un catalizador (c):

nitronio sulfonio

catión catión

O

complejo de cloro

2) catión con catalizador Formación del complejo p ocurre durante un ataque pag- nube de electrones del anillo por una partícula electrófila, por ejemplo, un complejo de cloro con un catalizador, formando así p - complejo por

3)tipo donante-aceptor. Formación del complejo s ocurre durante un ataque Ocurre cuando se produce un enlace covalente entre un electrófilo y el átomo de carbono del anillo de benceno, debido a un par de electrones. sistema de anillos, que se acompaña de la transición del átomo de carbono de sp sistema de anillos, que se acompaña de la transición del átomo de carbono de 2 - en

3 - estado hibridado. llevado a cabo debido a la abstracción de un protón de hidrógeno de s- complejo utilizando una base.

Esquema del mecanismo de la reacción de sustitución electrófila en benceno.

usando el ejemplo de la reacción de cloración

La sustitución electrófila en el benceno conduce a la formación de un único producto de monosustitución, que está determinada por la distribución uniforme de la densidad electrónica en el sistema de anillos conjugados y, en consecuencia, un ataque igualmente probable por parte del electrófilo a cualquiera de los seis átomos de carbono del benceno.

Reacciones de sustitución

Sustitución electrófila en benceno. presentado por esquemas para la síntesis de homólogos de benceno (a) y sus derivados (b).

a) Síntesis de homólogos de benceno:

b) Síntesis de derivados del benceno:

Halogenación. El benceno en condiciones normales no interactúa con el cloro y el bromo. La reacción se produce sólo en presencia de catalizadores, que suelen ser haluros de aluminio y hierro (ácidos de Lewis).

Nitración. El benceno se nitra con una mezcla de ácidos nítrico y sulfúrico concentrados ( mezcla nitrante) cuando se calienta a 60 o C con formación de nitrobenceno.

Sulfonación. Cuando el benceno reacciona con ácido concentrado o óleum ( mezcla de ácido sulfúrico concentrado y anhídrido sulfúrico– SO 3) se forma ácido bencenosulfónico.

Acilación Es uno de los métodos para la síntesis de cetonas aromáticas. Como reactivos acilantes se utilizan cloruros de ácido (RCOCI) o anhídridos de ácido (RCO-O-OCR). La reacción se lleva a cabo en un disolvente apolar en presencia de cloruro de aluminio.

Alquilación es una de las formas de obtener homólogos de benceno. Como reactivos alquilantes se pueden utilizar haloalcanos, alcoholes y alquenos en presencia de haluros metálicos (aluminio, hierro, estaño, etc.).

Reglas de orientación en reacciones electrofílicas.

Sustituciones en benceno

En los derivados del benceno y sus homólogos, los sustituyentes alteran la distribución uniforme de la densidad electrónica y, por lo tanto, en cierta manera afectan la reactividad y la dirección de ataque en el anillo de benceno. Consideremos la influencia orientadora de los sustituyentes, debido al efecto total de sus efectos electrónicos (ver 2.5; Tabla 2.2), usando el ejemplo del fenol y el nitrobenceno.

en una molecula fenol el sustituyente (-OH) exhibe inductivo negativo (-I ) Y mesomérico positivo (+METRO ) efectos electrónicos, siendo estos últimos predominantes en el total donante de electrones(DE ) acción (a). efecto electronico DE El sustituyente conduce a la redistribución de la densidad electrónica en el anillo. levantamiento ella en orto- Y par– posiciones en las que aliviado

en una molecula nitrobenceno el sustituyente (-NO 2) exhibe inductivo negativo (-I ) Y mesomérico negativo (+METRO ) efectos electrónicos, que se manifiesta en el total atractor de electrones (EA ) acción (b). efecto electronico EA sustituyente conduce a una redistribución de la densidad electrónica en el anillo, encapotado ella en orto- Y par– posiciones en las que le resulta difícil ataque por reactivos electrófilos.

fenol nitrobenceno

Reglas de sustitución:

1) Sustituyentes donadores de electrones (DE ) aumentan la densidad electrónica del anillo y, por lo tanto, aumentan la velocidad de la reacción de sustitución electrófila. A los sustituyentes que presentan DE carácter, los grupos incluyen: - NH 2, - OH, - OR, - R, que orientan la sustitución electrofílica en orto- Y par- posición. La excepción son los halógenos, que dirigen las especies electrófilas preferentemente a par- posición.

2) Sustituyentes aceptores de electrones (EA ) reducen la densidad electrónica del anillo y, por lo tanto, reducen la velocidad de la reacción de sustitución electrófila. A los sustituyentes que presentan EA carácter, incluyen grupos: - NO 2, - COOH, - SO 3 H, >C=O, etc., que orientan la sustitución electrófila en meta- posición, haciéndolo difícil.

Las reglas de sustitución se pueden demostrar en las reacciones de nitración del benceno (a) y sus derivados que contienen sustituyentes donadores de electrones (b) y aceptores de electrones (c). Los esquemas de reacción presentados reflejan las condiciones y el rendimiento del producto de reacción (en%), reflejando la actividad de la influencia orientadora del sustituyente en orto-, meta- o par– disposiciones. Como regla general, la ecuación de reacción indica la dirección del ataque electrófilo que es más preferible en determinadas condiciones de reacción:

a) nitración del benceno:

nitrobenceno

b) nitración de fenol:

orto-nitro- par-nitro- pícrico

fenol fenol ácido

c) nitración de nitrobenceno:

meta-dinitrobenceno

Los efectos electrónicos de los sustituyentes permiten ordenar los compuestos dados en la siguiente serie según la disminución de actividad en la reacción de nitración: fenol, benceno y nitrobenceno.

Si hay más de un sustituyente en el anillo de benceno, entonces hay influencia orientadora Tal vez acordado o inconsistente, dependiendo de su tipo y posición relativa.

Un ejemplo de orientación coordinada es la reacción de nitración. orto- nitrofenol y par- nitrofenol a ácido pícrico (reacción b). En este caso, ambos sustituyentes (donador de electrones - OH, aceptor de electrones - NO 2) orientan coordinadamente la sustitución electrófila posterior en orto- Y par- posición relativa al grupo hidroxilo.

Influencia orientadora DE el sustituyente es decisivo en la reacción de sustitución electrófila, en el caso de su acción orientadora inconsistente con EA diputado

Las reglas para la influencia orientadora de los sustituyentes se utilizan para la síntesis dirigida, incluidas varias reacciones secuenciales. Por ejemplo, para obtener del tolueno. orto-, meta- Y par- Los ácidos nitrobenzoicos deben sufrir reacciones de nitración y oxidación en una secuencia determinada.

El grupo metilo (- CH 3) pertenece a sustituyentes donadores de electrones, respectivamente, de acuerdo con las reglas de influencia orientadora, dirige la sustitución electrófila a; orto- Y par- disposiciones (a).

El grupo carboxilo (-COOH) es un sustituyente aceptor de electrones, por lo que, según las reglas de influencia orientadora, dirige la sustitución electrófila; meta- posición (b).

Por tanto, para obtener todos los isómeros del ácido nitrobenzoico a partir del tolueno, es necesario realizar la síntesis de acuerdo con los esquemas de reacción que se presentan a continuación.

a) Esquema de síntesis orto - Y par - Los isómeros del ácido nitrobenzoico implican inicialmente realizar una reacción de nitración y luego una oxidación:

b) Esquema de síntesis meta – el isómero del ácido nitrobenzoico implica realizar inicialmente una reacción de oxidación y luego una nitración:

Los arenos se caracterizan por tres tipos de reacciones:

1) sustitución electrófila S E Ar (destrucción del enlace C-H);

2) reacciones de adición (destrucción del enlace p);

3) reacciones con destrucción del anillo de benceno.

Sustitución electrofílica en arenos (S E Ar)

Las reacciones de sustitución electrófila proceden de acuerdo con el esquema general mediante la formación de complejos π y σ.

Como se desprende del esquema presentado, la sustitución aromática S E Ar se produce mediante el mecanismo de adición-eliminación. Para la adición de un agente electrófilo. X+ al sustrato aromático con la formación de un complejo σ, seguido de la abstracción de un protón para formar el producto de reacción.

Las reacciones de sustitución electrófila en arenos generalmente siguen una ecuación cinética de segundo orden ( v = k 2[X+]).

Consideremos la progresión etapa por etapa del proceso.

Etapa 1. Formación de complejos π

.

π–Complejos – Compuestos de coordinación en los que el donante de electrones es un compuesto aromático que tiene electrones π fácilmente polarizables. complejos π – no son compuestos químicos clásicos en los que una especie electrófila está unida por un enlace covalente a algún átomo covalente del reactivo. La mayoría de los complejos π se descomponen fácilmente cuando se calientan o se exponen al agua.

La capacidad de formar complejos π en arenos aumenta en el siguiente orden:

C6H6< C 6 Н 5 СН 3 < п - СН 3 –С 6 Н 4 –СН 3 ~ п - СН 3 –О–С 6 Н 4 СН 3 <

<м - СН 3 –С 6 Н 4 -СН 3 < 1,3,5 (СН 3) 3 С 6 Н 3

Cuanto mayor es la densidad de electrones π que tiene un compuesto, más fácilmente forma complejos π.

Etapa 2. Formación de complejos σ

σ-Complejos- estos son cationes, tras cuya formación el reactivo X+ forma un enlace covalente con uno de los átomos de carbono debido a 2 electrones π del anillo de benceno, mientras que este átomo de C pasa de sp 2-estados en episodio 3-hibridación, en la que sus cuatro valencias están en un ángulo de ~109 0. Se rompe la simetría del anillo de benceno. Grupo incógnita y el átomo de hidrógeno se encuentran en un plano perpendicular al plano del núcleo de benceno.

La estabilidad de los complejos σ aumenta al aumentar la basicidad del anillo de benceno.

Esta etapa es la más lenta de toda la reacción y se llama limitando.

Etapa 3. Desprendimiento de un protón de un complejo σ

En la última etapa, el protón se desprende del complejo σ y se restaura la nube de electrones 6π (estructura aromática). Este proceso ocurre con una ganancia de energía de ~ 42 kJ/mol. En muchas reacciones, la abstracción de un protón en la etapa final se ve facilitada por la base adecuada presente en la solución.

Según el mecanismo considerado, en los arenos se producen las siguientes reacciones.

Sin embargo, el esquema propuesto no debe considerarse absolutamente probado y universal. En varios procesos, el curso de la reacción está influenciado por:

Ø estructura del sustrato;

Ø actividad química del reactivo;

Ø condiciones para el proceso;

Ø la naturaleza, actividad del catalizador y otros factores que pueden conducir a desviaciones en casos particulares del esquema de proceso propuesto.

Veamos algunos ejemplos de sustitución electrófila en benceno.

Ejemplo 1: Brominación del benceno

El bromo molecular es un agente electrófilo demasiado débil y, en ausencia de un catalizador, no reacciona con el benceno.

Muy a menudo, la reacción de bromación del benceno se lleva a cabo en presencia de bromuro de hierro (III), que desempeña el papel de ácido de Lewis; este último se obtiene en la masa de reacción mediante la interacción directa del bromo con el hierro;

Etapa 1. Formación del reactivo electrófilo E. + .

La molécula de bromo se activa mediante una reacción ácido-base con un ácido de Lewis.

Etapa 2. Formación del complejo π 1.

El ion bromonio libre o como parte de un par iónico es un agente electrófilo activo capaz de reaccionar con el benceno; en este caso, primero se forma el complejo π 1

El papel de un agente electrófilo en esta etapa también puede ser desempeñado por un complejo donante-aceptor. .

Etapa 3. Reordenamiento del complejo π 1 y formación de un complejo σ o ion arenonio.

Esta es la etapa más lenta de toda la reacción.

Etapa 4. Reordenamiento del complejo σ en producto de sustitución del complejo π 2. Un protón se separa del átomo de carbono sometido a sustitución; en el ciclo, se forma nuevamente un sexteto aromático de electrones: se observa rearomatización

Etapa 5. Disociación del complejo π 2 con formación de un producto de sustitución.

El mecanismo de bromación electrófila del benceno se ilustra mediante el diagrama de energía de la reacción que se muestra en la Fig. 11.

Arroz. 11. Diagrama energético de la reacción.

bromación electrofílica del benceno;

PD: estado de transición.

Los pasos 2 y 5, incluidos los complejos π del areno inicial y el producto de sustitución, a menudo se omiten en los esquemas del mecanismo de sustitución aromática electrófila. Con este enfoque, la sustitución aromática electrófila real implica sólo tres etapas.

Etapa 1": formación de un agente electrófilo.

Etapa 2": formación de un complejo σ, sin pasar por el complejo π 1.

Etapa 3": descomposición del complejo σ con formación de un producto de sustitución, sin pasar por el complejo π 2.

Ejemplo 2 Nitración de arenos

La nitración implica reemplazar el átomo de hidrógeno del anillo de benceno con el grupo nitro NO 2 . El benceno reacciona lentamente con el ácido nítrico concentrado incluso cuando se calienta. Por lo tanto, la nitración se lleva a cabo con mayor frecuencia utilizando un agente nitrante más activo: mezcla nitrante– mezclas de ácidos nítrico y sulfúrico concentrados. La nitración de arenos con una mezcla nitrante es el principal método para obtener compuestos nitro aromáticos.

La nitración de benceno con una mezcla nitrante se lleva a cabo a 45-50 0 C. Dado que la reacción de nitración es irreversible, se utiliza ácido nítrico en un exceso mínimo (5-10%), logrando una conversión casi completa del benceno.

El ácido sulfúrico en la mezcla nitrante es necesario para aumentar la concentración del agente electrófilo: el ion nitronio NO 2 +.

Etapa 1. Formación de un agente electrófilo.

El agente electrófilo activo durante la nitración es el ion nitronio, que está potencialmente presente en toda una clase de compuestos.

Por ejemplo: HO _ NO2, O2N _ oh _ N° 2, etcétera.

Su propensión a formar iones nitronio aumenta al aumentar la electronegatividad del sustituyente unido al grupo nitro.

El grupo hidroxilo como tal no se puede escindir, por lo que el ion nitronio del ácido nítrico se forma sólo en un ambiente ácido.

En el caso más simple, el ácido nítrico puede protonarse a sí mismo (“autoprotonación”)

Sin embargo, el equilibrio se desplaza hacia la izquierda, por lo que el ácido nítrico nitrata débilmente.

Cuando se agrega ácido sulfúrico concentrado, la concentración del catión - aumenta considerablemente.

El efecto nitrante de una mezcla de ácido nítrico y sulfúrico (mezcla nitrante) es mucho más fuerte que el del ácido nítrico solo. Se pueden lograr mayores aumentos de la reactividad utilizando ácido nítrico fumante y óleum.

Etapa 2. Formación del complejo σ

Etapa 3. Emisión de un protón para formar un producto de sustitución.

En la práctica, es necesario hacer coincidir la actividad del agente nitrante con la reactividad del núcleo aromático.

Así, por ejemplo, los fenoles y éteres de fenol se nitran con ácido nítrico ya diluido, mientras que la nitración de benzaldehído, ácido benzoico, nitrobenceno, etc. requiere una mezcla de ácido nítrico fumante y ácido sulfúrico.

El m-dinitrobenceno es difícil de nitrar incluso con una mezcla de ácidos nítrico y sulfúrico fumantes (5 días, 110 0 C; rendimiento 45%).

Durante la nitración, la reacción secundaria más común es la oxidación. Se ve favorecido por un aumento de la temperatura de reacción. El proceso de oxidación está determinado por la liberación de óxidos de nitrógeno. Los aldehídos, las alquilarilcetonas y, en menor medida, los alquilbencenos también son susceptibles a la oxidación durante la nitración.

Ejemplo 3 Alquilación de arenos

Como agentes alquilantes se pueden utilizar R-HIg, ROH, R-CH=CH2 en presencia de catalizadores apropiados (en particular AICI 3, AIBr3, H2SO4).

Los catalizadores generan (forman) una partícula electrófila: un carbocatión.

Las reacciones de alquilación tienen tres limitaciones serias:

1) la reacción es difícil de detener en la etapa de monoalquilación, es decir continúa con la formación de polialquilbencenos; Para suprimir la polialquilación se suele utilizar un exceso de areno;

2) si el areno contiene solo sustituyentes electroaceptores (por ejemplo, -NO 2), entonces la reacción de alquilación no se puede llevar a cabo;

3) la reacción de alquilación va acompañada de una transposición del radical alquilo.

La reordenación del radical alquilo en el más estable es una propiedad característica de los carbocationes.

Reglas de orientación

Las reacciones de sustitución de hidrógeno en el benceno ocurren igualmente en cualquier átomo de carbono, ya que la molécula de benceno es simétrica. Sin embargo, si el benceno ya tiene un sustituyente, las posiciones que quedan libres para reacciones de sustitución electrofílica se vuelven desiguales.

Las leyes que determinan las direcciones de las reacciones de sustitución en el anillo de benceno se denominan reglas de orientación.

–Grupo activador– un sustituyente que hace que el anillo de benceno sea más reactivo en reacciones de sustitución electrófila en comparación con el benceno no sustituido.

–Grupo de descontaminación– un sustituyente que hace que el anillo de benceno sea menos reactivo en reacciones de sustitución electrófila en comparación con el benceno no sustituido.

– o-, p-orientante– un sustituyente que dirige el ataque del electrófilo predominantemente a la posición o o p del anillo de benceno.

– m-orientante– un sustituyente que dirige el ataque del electrófilo predominantemente a la posición m del anillo de benceno.

En general, la sustitución electrófila en benceno monosustituido puede realizarse en tres direcciones

La reactividad de los átomos de carbono en este caso está determinada por tres factores:

1) la naturaleza del sustituyente existente;

2) la naturaleza del agente activo;

3) condiciones de reacción.

Según su influencia en la orientación en estas reacciones, todos los sustituyentes se dividen en dos grupos: sustituyentes del primer tipo (ortoorientantes, paraorientantes) y sustituyentes del segundo tipo (metaorientantes).

La reacción del benceno más utilizada es la sustitución de uno o más átomos de hidrógeno por algún grupo electrófilo. De esta forma se sintetizan muchas sustancias importantes. La elección de grupos funcionales que se pueden introducir de esta manera en compuestos aromáticos es muy amplia y, además, algunos de estos grupos se pueden transformar en otros grupos después de la introducción en el anillo de benceno. La ecuación de reacción general es:

A continuación se muestran cinco de las reacciones más comunes de este tipo y ejemplos de su uso.

Nitración:

Sulfonación:

Diquilación de Friedel-Crafts:

Acilación de Friedel-Crafts:

Halogenación (cloración y bromación únicamente):

Las siguientes reacciones se utilizan a menudo para transformar aún más compuestos resultantes de la sustitución electrófila aromática.

Restauración de cadena lateral:

Reducción del grupo nitro:

Diazotización y nuevas transformaciones.

La anilina y sus sustitutos se pueden convertir en compuestos altamente reactivos y capaces llamados sales de diazonio:

Las sales de diazonio sirven como materiales de partida para la síntesis de una amplia variedad de compuestos aromáticos (Esquema 9-1). En muchos casos, el método de síntesis de la sal de diazonio es la única forma de introducir cualquier grupo funcional en un compuesto aromático.

La sustitución del grupo diazonio por átomos de cloro y bromo, así como por un grupo ciano, se consigue mediante la interacción de sales de diazonio con sales de cobre (1). Los átomos de yodo y flúor no pueden introducirse en el anillo aromático mediante halogenación directa. Los yoduros y fluoruros aromáticos se preparan tratando sales de diazonio con yoduro de potasio y ácido hidrofluorobórico, respectivamente.

Los ácidos carboxílicos aromáticos se pueden preparar mediante hidrólisis del grupo nitrilo o mediante la acción del dióxido de carbono sobre el reactivo de Grignard (se analizará más sobre esta reacción en el capítulo 12). Los fenoles en el laboratorio se obtienen con mayor frecuencia mediante hidrólisis de sales de diazonio.

Diagrama 9-2. Reacciones de las sales de diazonio.

El grupo diazonio (y por tanto también el grupo amino y el grupo nitro) puede eliminarse (es decir, sustituirse por un átomo de hidrógeno) mediante la acción de las sales de diazonio del ácido hipofosforoso.

Finalmente, la interacción de las sales de diazonio con compuestos aromáticos activados conduce a la formación de colorantes azoicos. Los colorantes pueden ser de colores muy diferentes según la naturaleza de los sustituyentes de ambos anillos aromáticos.

El ácido nitroso, que se utiliza para obtener sales de diazonio, es una sustancia poco estable y se prepara in situ (es decir, directamente en el recipiente de reacción) a partir de nitrito de sodio y ácido clorhídrico. En el diagrama de reacción, el tratamiento con ácido nitroso se puede mostrar de dos maneras, que se utilizan a continuación:

A continuación se muestran algunos ejemplos de reacciones de sales de diazonio:

Preparación de sustancias prácticamente importantes mediante reacciones de sustitución electrófila.

Tintes. La síntesis de naranja de metilo se muestra a continuación. Si toma los compuestos originales con otros sustituyentes en los anillos aromáticos, el color del tinte será diferente.

Polímeros. El poliestireno se obtiene por polimerización de estireno (ver Capítulo 6), que, a su vez, se puede sintetizar de la siguiente manera. Friedel-Crafts acila el benceno utilizando anhídrido acético en lugar de cloruro de acetilo, la cetona resultante se reduce a alcohol, que luego se deshidrata utilizando hidrogenosulfato de potasio como catalizador ácido:

Medicamentos. En la síntesis de sulfonamida (estreptocida), las dos primeras etapas son reacciones que ya hemos encontrado. La tercera etapa es la protección del grupo amino. Esto es necesario para evitar la interacción del ácido clorosulfónico con el grupo amino. Después de que el grupo reacciona con el amoníaco, se puede eliminar el grupo protector.

El estreptocida fue uno de los primeros fármacos antimicrobianos del grupo de las sulfonamidas. Todavía se usa hoy.

Las reacciones de sustitución electrofílica permiten la introducción de muchos grupos diferentes en el anillo aromático. Muchos de estos grupos pueden luego transformarse durante la síntesis.

Mecanismo de sustitución electrofílica aromática.

Se ha establecido que la sustitución electrófila en compuestos aromáticos se produce en dos etapas. Primero, se añade un electrófilo (que puede generarse mediante varios métodos) al anillo de benceno. En este caso, se forma un catión carb estabilizado resonantemente (abajo entre paréntesis). Luego, este catión pierde un protón y se convierte en un compuesto aromático.

Aquí, para mayor claridad, las fórmulas de los compuestos aromáticos se muestran con dobles enlaces. Pero, por supuesto, recuerde que en realidad hay una nube de electrones deslocalizados.

Los mecanismos de las dos reacciones, incluido el paso de generación de electrófilos, se detallan a continuación. haogenación

Generación de electrófilos:

Sustitución:

Acilación de Friedel-Crafts Generación de electrófilos:

Sustitución:

Influencia de los diputados

Cuando un benceno sustituido reacciona con un electrófilo, la estructura del sustituyente ya presente en el anillo de benceno tiene un efecto significativo sobre la orientación de la sustitución y su velocidad.

Según su efecto sobre la velocidad y orientación de la sustitución electrófila, todos los sustituyentes posibles se pueden dividir en tres grupos.

1. Activación de ortoparaorientantes. En presencia de un sustituyente de este grupo en un compuesto aromático, reacciona más rápido que el benceno no sustituido y el electrófilo se dirige a las posiciones orto y para del sustituyente y se forma una mezcla de bencenos disustituidos orto y para. . Este grupo incluye los siguientes sustituyentes:

2. Desactivar los metaorientantes. Estos sustituyentes ralentizan la reacción en comparación con el benceno y dirigen al electrófilo a la posición meta. Este grupo incluye:

3. Descontaminación de orto y paraorientantes. Este grupo incluye átomos de alógenos.

Ejemplos de orientación para sustitución electrófila:

Explicación de la influencia de los sustituyentes.

¿Por qué diferentes sustituyentes tienen efectos tan diferentes sobre la naturaleza de la sustitución electrófila? La respuesta a esta pregunta se puede obtener analizando la estabilidad de los intermedios formados en cada caso. Algunos de estos carbocationes intermedios serán más estables, otros menos estables. Recuerde que si un compuesto puede reaccionar de varias maneras, la reacción seguirá el camino que produzca el intermedio más estable.

A continuación se muestran las estructuras de resonancia de partículas intermedias formadas durante el ataque electrofílico de un catión en las posiciones orto y para del fenol, que tiene un poderoso sustituyente activador: orto, paraorientante, tolueno, que tiene un sustituyente con el mismo , pero propiedades mucho más débiles, y el nitrobenceno, que tiene en el que el grupo nitro es un agente orientador y desactiva el anillo:

Cuando un electrófilo ataca las posiciones orto y para del fenol, se pueden escribir más estructuras de resonancia para el intermedio resultante que para el intermedio de metasustitución. Además, esta estructura "extra" (enmarcada con un círculo) contribuye de manera particularmente importante

en la estabilización del catión, ya que todos los átomos que contiene tienen un octeto de electrones. Por lo tanto, con un ataque orto o para de un electrófilo, aparece un catión más estable que con un ataque en la posición meta, por lo que la sustitución ocurre predominantemente en las posiciones orto y para. Dado que el catión resultante de dicha sustitución es más estable que el catión formado a partir del benceno no sustituido, el fenol sufre reacciones de sustitución electrofílica mucho más fácilmente que el benceno. Tenga en cuenta que todos los sustituyentes que activan fuerte o moderadamente el anillo aromático en reacciones de sustitución electrófila tienen un átomo asociado al anillo con pares de electrones libres. Estos electrones pueden introducirse en el anillo. En este caso aparece una estructura de resonancia con una carga positiva sobre un átomo electronegativo (oxígeno o nitrógeno). Todo esto estabiliza el intermedio y aumenta la velocidad de reacción (activación por resonancia).

En el caso del tolueno, la sustitución en las posiciones orto y d da como resultado un catión más estable que cuando el electrófilo ataca la posición meta.

En las estructuras de resonancia en caja, la carga positiva está en los átomos de carbono terciarios (carbocationes terciarios, consulte el Capítulo 5). Al atacar la posición meta, no se forma ningún carbocatión terciario. Aquí nuevamente, la sustitución orto y para pasa por especies intermedias ligeramente más estables que la metasustitución y la sustitución en el propio benceno. Por lo tanto, la sustitución en tolueno se dirige a las posiciones orto y para y avanza algo más rápido que la sustitución en Lysol (activación debido al efecto inductivo).

Todos los grupos desactivadores, incluido el grupo nitro, tienen la propiedad de retirar electrones del anillo aromático. El resultado de esto es la desestabilización del catión intermedio. Especialmente

(haga clic para ver el escaneo)

Los intermedios resultantes del ataque en las posiciones orto y para están altamente desestabilizados, ya que la carga positiva parcial se encuentra inmediatamente al lado del grupo nitro (las estructuras de resonancia correspondientes están encuadradas). Por lo tanto, se prefiere la metasustitución a la sustitución orto y para. El nitrobenceno sufre una sustitución electrófila mucho más difícil que el benceno, ya que la densidad de electrones en el anillo se reduce y la atracción mutua del anillo aromático y el electrófilo se debilita.

Las reacciones de adición electrofílica ocurren en dos etapas mediante la formación de un catión intermedio. Diferentes sustituyentes en el anillo de benceno tienen diferentes efectos sobre las tasas y orientaciones de sustitución. Este efecto se puede explicar teniendo en cuenta la estabilidad de los productos intermedios formados en cada caso.