qmc 302 - tema 2 - aromaticos

TEMA Nº 2

Mecanismos en Aromaticos

2.1. Aromaticidad

• Aromaticidad: Regla de HückelEl número de electrones p en el sistema cíclico tiene que ser 4n+2

Compuestos heterocíclicos aromáticos

2.2. Sustitución electrofílica aromática.

La reacción global es la sustitución de un protón (H+) del anillo aromático por un electrófilo (E+): sustitución electrofílica aromática.

El primer paso del mecanismo es el ataque en el electrófilo para formar el complejo sigma. La formación del complejo va seguida de la pérdida de un protón para dar el producto de sustitución.

Diagrama de energía de la bromación del benceno

El diagrama de energía de la bromación del benceno muestra que el primer paso es endotérmico y el segundo paso es fuertemente exotérmico.

La reacción global es exotérmica, pero el ataque del electrófilo es el paso limitante de la velocidad porque el anillo pierde su aromaticidad.

Bromación del benceno.

Nitración del benceno.

El mecanismo es similar a las deshidrataciones catalizadas por ácido sulfúrico. El ácido sulfúrico protona el grupo hidroxilo del ácido nítrico, haciendo que se desprenda una molécula de agua y formando un ión nitronio.

El ácido nítrico no es el electrófilo, es un ión nitronio formado por la protonación y la deshidratación de HNO3 por H2SO4. La especie atacada por el benceno es el ión nitronio. La pérdida de un protón por parte del complejo sigma produce nitrobenceno.

Reacción de desulfonación.

La sulfonación es reversible, el grupo del ácido sulfónico puede ser eliminado de un anillo aromático mediante el calentamiento en ácido sulfúrico diluido.

En la desulfonación, un protón se añade al anillo (el electrófilo) y la pérdida de trióxido de azufre vuelve a dar lugar al benceno.

Problemas de estudioAplicando el mecanismo SEAr

Efecto directriz y activación del anillo en la SEAr

Las relaciones de los productos indican que la orientación de la sustitución no es al azar. Si cada posición fuera igualmente reactiva habría cantidades iguales de producto orto y meta y la mitad de producto para debido a que hay dos posiciones orto, dos meta y una para.

El paso que determina la velocidad de la reacción es el primer paso, que corresponde a la formación del complejo sigma. Este es también el paso en el que el electrófilo se enlaza al anillo, determinando el tipo de sustitución

Ataques orto, para y meta del tolueno.

En la sustitución orto o para del tolueno, la carga positiva se reparte entre dos átomos de carbono secundarios y un átomo de carbono terciario (3º) (el que soporta el grupo CH3). El complejo sigma para la sustitución meta tiene la carga positiva repartida entre tres carbonos secundarios.Los ataques orto y para son los preferidos ya que sus estructuras de resonancia incluyen un carbocatión terciario, mientras que todas las estructuras de resonancia del ataque meta sólo tienen carbocationes secundarios.

Diagrama de energía de la nitración del benceno y del tolueno.

El grupo metilo del tolueno es donador de electrones y estabiliza el complejo sigma intermedio, así como el estado de transición limitante de velocidad que conduce a su formación. Este efecto estabilizante es grande cuando está situado en posición orto o para respecto a la sustituciónLos carbocationes estabilizados tienen menor energía que los estabilizados, por lo que el ataque orto y para del tolueno es inferior en energía que el ataque meta. El complejo sigma para la nitración del benceno es superior en energía que para el tolueno.

Sustitución aromática electrofílica del metoxibenceno.

Activadores orto y para-orientadores.

Cualquier sustituyente con un par de electrones solitario en el átomo enlazado al anillo puede proporcionar estabilización por resonancia al complejo sigma

Los sustituyentes activadores son aquellos que pueden proporcionar un par solitario de electrones para estabilizar el carbocatión en el anillo. Las sustituciones electrofílicas con estos tipos de sustituyentes tienden a ser orto y para por lo que reciben el nombre de orientadores orto/para

Sustituyentes meta-orientadores.

El nitrobenceno es unas 100.000 veces menos reactivo que el benceno respecto a la sustitución electrofílica aromática. Por ejemplo, la nitración del nitrobenceno requiere ácidos nítrico y sulfúrico concentrados, y una temperatura superior a 100ºC; la nitración es lenta, dando lugar al isómero meta como producto mayoritario.

Los grupos sustractores de electrones desactivan el anillo y orientan cualquier grupo entrante hacia la posición meta.

Ataque orto, meta y para del nitrobenceno.

Las estructuras de resonancia meta no tienen las dos cargas positivas juntas, por lo que es un complejo sigma más estable

Diagrama de energía para la sustitución del nitrobenceno.

Desactivadores meta-orientadores.

Efectos orientadores de los sustituyentes.

Los activadores son orto, para-directores y los desactivadores son meta- directores, excepto en el caso de los halógenos.

Los grupos más activantes son aquellos con electrones no enlazantes como -OH, -NH2, y -OR. Los desactivadores son grupos sustractores de electrones que tienen un átomo cargado positivamente directamente adherido al anillo. Los halógenos son la excepción porque a pesar de que desactivan el anillo, son orto, para-directores.

Alquilación de Friedel-Crafts.

Las alquilaciones de Friedel-Crafts se utilizan con una gran variedad de alquilo primarios, secundarios y terciarios. Con los haluros secundarios y terciarios, el electrófilo reaccionante probablemente es el carbocatión

El tricloruro de aluminio reacciona con el haluro de alquilo para formar un carbocatión terciario. El catión reacciona con el benceno y, después de perder un protón, dará t-butilbenceno a un rendimiento del 90 por ciento

Protonación de alquenos para alquilación Friedel-Crafts.

Los alquenos se protonan con HF para dar lugar a carbocationes. El ión fluoruro es un nucleófilo débil y no ataca inmediatamente al carbocatión. Si el benceno está presente, se produce sustitución electrofílica.

La protonación del alqueno sigue la regla de Markovnikov, por lo que se formará un catión t-butil a partir del propeno y se añadirá al anillo

Efecto de múltiples sustituyentes sobre la sustitución electrofílica aromática.

Cuando hay dos o más sustituyentes, éstos ejercen un efecto combinado en la reactividad del anillo aromático. Si los grupos se refuerzan entre sí, el resultado es fácil de predecir

En el caso del m-xileno, ambos grupos metilo son orto, para-directores, por lo que ambos dirigirán los grupos entrantes a los mismos carbonos. Las posiciones estéricamente impedidas no reaccionarán. En el caso del p-nitrotolueno, el metilo dirigirá el orto mientras que el nitro dirigirá el meta. En estos compuestos ambos grupos se dirigen a las mismas posiciones, por lo que sólo se obtendrá un producto.

Problemas de estudio

2.3. Sustitución Nucleofilica Aromática SNAr

Muchas reacciones de compuestos aromáticos ocurren via sustitución electrofilica aromática.Los haluros de arilo sufren un limitado número de reacciones de sustitución con nucleófilos fuertes.

Estas reacciones no pueden ocurrir por mecanismos Sn1 o SN2,que toman lugar solo en un carbono hibridizado sp3.Dos mecanismos diferentes son propuestos para explicar estos resultados: - addition–elimination y

- elimination–addition

2.3.1. SNAr por Adición-Eliminación

Paso 1 Adición del nucleófilo para formar un carbanión

Incremento de la reactividad

Estabilización por resonancia en posición para

A pesar de que el fluoruro es un grupo saliente pobre en los mecanismos SN1 y SN2, se utiliza como tal en la sustitución nucleofílica aromática

Incremento de la reactividad

ProblemaProponer el mecanismo de preparación del compuesto D.

Posición activada en la sustitución nucleofílica aromática.

2.3.2. SNAr por Eliminación–Adición: Bencino

El mecanismo vía bencino se produce cuando el halobenceno no está activado respecto a la sustitución nucleofílica aromática y se fuerzan las condiciones utilizando una base fuerte.

El amiduro de sodio reacciona como una base, abstrayendo un protón. El producto es un carbanión con una carga negativa y un par de electrones no enlazantes localizados en el orbital sp2 que con anterioridad formaba el enlace C-H.

El intermediario bencino se forma cuando se expele el bromuro y los electrones en el orbital sp2 adyacente se solapan con el orbital vacío sp2 del carbono que perdió el bromuro. Los bencinos son especies muy reactivas debido a la enorme tensión del triple enlace

El ión amiduro es un nucleófilo fuerte, ataca cualquier extremo del triple enlace del bencino y la protonación consecuente da lugar a toluidina. Aproximadamente la mitad de los productos se deben al ataque del ión amiduro al carbono en posición meta respecto al metilo y la otra mitad al carbono en para.

Cuando el sustrato no tiene grupos sustractores de electrones fuertes, la reacción tendrá bencino como intermediario.

ProblemaProponer el mecanismo paso a paso de la siguiente reacción

2.3.3. Mecanismo SN1-Aromatico

Formación del Bencendiazonio

Reacciones de las sales de diazonio aromáticas

2.3.4. Mecanismo SNR1

Problemas de estudio

Problema 1Proponer el mecanismo de la siguiente reacción

Solución

Problema 2Proponer el mecanismo de SEAr para la siguiente reacción

Problema 3El furano experimenta SEAr con más rapidez que el benceno; son suficientes reactivos y condiciones suaves . Por ejemplo El furano reacciona con bromo para dar lugar a 2-bromofurano

a) Proponga mecanismos para la bromación del furanoen la posición 2 y en la posición 3. Represente las estructuras en resonancia de cada complejo sigma y compare sus estabilidades.

b) Explique por que el furano experimenta bromación ( y otras sustituciones SEAr) principalmente en la posición 2.

Problema 4La fenolftaleína , utilizada como laxante, es también un indicador ácido-base, incolora en medio ácido, y de color violeta en medio básico. La fenolftaleína se sintetiza mediante la reacción catalizada por un ácido, de anhídrido ftálico y 2 equivalentes de fenol.

a) Proponga un mecanismo para la síntesis de la fenolftaleína.

b) Proponga un mecanismo para la conversión de fenolftaleína al diánión violeta en medio básico.

c) Utilice estructuras de resonancia para explicar por que los dos átomos de oxígeno fenólicos son equivalentes en el dianión violeta de la fenolftaleína.

Problema 5El benceno reacciona con óxido de propileno en presencia de cloruro de aluminio para dar lugar a un alcohol de fórmula C9H12O. Proponga un mecanismo para esta reacción y prediga la estructura del producto. (sugerencia : considerar como se abren generalmente los epóxidos en condiciones ácidas).

Problema 6Proponer mecanismos para las siguientes reacciones de SEAr

Balance atómico

Problema 7Proponer mecanismos que expliquen la formación de los productos por SEAr

Solución

Problema 8Proponer un mecanismo para la siguiente reacción

Problema 10El carboxilato de bencendiazonio se descompone cuando se calienta produciendo N2 , CO2 y una substancia reactiva que no puede ser aislada. Cuando el carboxilato de bencendiazonio se calienta en presencia de furano, la siguiente reaccion procede:

Que intermediario esta involucrado en esta reaccion ?. Proponer un mecanismo para su formación

Problema 11La 4-cloropiridina sufre una reacción con la dimetilamina produciendo la 4-dimetilaminopiridina. Proponer un mecanismo para la reacción

Problema 12El reactivo de Sanger 2,4-dinitrofluorobenceno, es un buen sustrato para la SNAr. Represente el producto y proponga un mecanismo para la reacción del reactivo de Sanger con el aminoácido fenilalanina.

Fin

A estudiar

hasta aquí e

l exa

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