1

TEMA 12.- Sustitución electrofílica aromática. Naturaleza y mecanismo de la reacción. Efecto de los sustituyentes sobre la reactividad y la orientación. Hidrocarburos condensados.

Nitración

Sulfonación

Halogenación: Bromación y Cloración

Alquilación de Friedel-Crafts

Acilación de Friedel-Crafts

Reacciones de Sustitución Electrofílica Aromática (SEAr)

Mecanismo de la Sustitución Electrofílica Aromática

2

Diagrama de energía de la SEAr

El 1er paso es endotérmico y el segundo exotérmico. La reacción global es exotérmica.

El benceno reacciona con ácido nítrico concentrado y caliente dando nitrobenceno. La reacción presenta dos inconvenientes: es lenta y además el ácido nítrico concentrado y caliente puede oxidar cualquier compuesto orgánico.Un procedimiento más seguro consiste en emplear una mezcla de ácido nítrico

y ácido sulfúrico. El ácido sulfúrico actúa como catalizador, permitiendo que la reacción se lleve a cabo más rápidamente y a menores temperaturas.

Nitración

El ácido sulfúrico reacciona con el ácido nítrico generando el ion nitronio (NO2+),

que es el electrófilo de la reacción de sustitución electrofílica aromática.

3

La sulfonación de anillos aromáticos proporciona ácidos arilsulfónicos, se lleva a cabo empleando ácido sulfúrico fumante, disolución al 7% de trióxido de azufre (SO3) en H2SO4. El SO3 es un electrófilo fuerte, puesto que los tres enlaces sulfonilo (S=O) atraen la densidad electrónica y la retiran del átomo de azufre. A continuación, se indican las estructuras resonantes del SO3.

Sulfonación

4

El benceno ataca al SO3 formando el complejo sigma. La pérdida de un protón produce el ácido bencenosulfónico.

Mecanismo de la reacción de sulfonación

La reacción de sulfonación es reversible y el grupo SO3H se puede eliminar calentando el ácido bencenosulfónico en ácido sulfúrico diluido.

Como el bromo no es suficientemente electrofílico, la reacción se lleva a cabo en presencia de cantidades catalíticas de FeBr3. Uno de los átomos de bromo de la molécula Br2 interacciona con el átomo de hierro del FeBr3 de forma que uno de los pares electrónicos libres del átomo de bromo llena un orbital vacio del hierro. Esta interacción ácido-base de Lewis genera un intermedio reactivo porque el enlace Br-Br se ha debilitado como consecuencia de la polarización del enlace. De hecho sobre uno de los átomos de bromo existe una carga parcial positiva.

BromaciónHalogenación

5

La cloración del benceno se lleva a cabo de modo parecido a la bromación, empleando como ácido de Lewis el AlCl3.

6

Los carbocationes son electrófilos muy interesantes desde el punto de vistasintético porque la reacción SEAr con estos reactivos forma un nuevo enlace carbono-carbono.Friedel y Crafts estudiaron, en 1877, las reacciones de los carbocationes con los compuestos aromáticos: El benceno reaccionaba con halogenuros de alquilo, en presencia de ácidos de Lewis como el tricloruro de aluminio (AlCl3) o el cloruro férrico (FeCl3), para dar alquilbencenos.

Catalizadores: AlCl3, FeCl3, AlBr3, BF3, H2SO4, H3PO4, HF, etc.

La reacción de alquilación de Friedel-Crafts

Mecanismo de la reacción de alquilación de Friedel-Crafts

7

Limitaciones de la alquilación de Friedel y Crafts:

• Sólo pueden realizarse con rendimiento adecuado sobre anillos activados

• Se obtienen frecuentemente productos procedentes de una reacción de transposición

• A menudo se obtienen subproductos derivados de polisustitución

1º. Formación del intermedio electrofílico

El mecanismo de la reacción de acilación se asemeja al de la reacción dealquilación. El primer lugar, el cloruro de ácido reacciona con el catalizador AlCl3formando un intermedio ácido-base de Lewis, que se rompe heterolíticamente para formar un catión acilo estabilizado por resonancia.

Reacción de acilación de Friedel-Crafts

8

Ventajas de la acilación:

• El producto de la reacción de acilación está desactivado en relación con el benceno. La reacción de acilación se detiene después de una sustitución

• No hay productos de transposición (los carbocationes acilio no se transponen)

9

Reactividad y orientación de la SEArDerivados del benceno

REACTIVIDAD¿Cómo es de rápida la reacción

comparada con el benceno?

ORIENTACIÓN¿En qué posición entra el grupo

sustituyente?

depende de la capacidad del grupo unido al benceno para estabilizar el intermedio de reacción (efecto inductivo, efecto resonante)

CH3

ortoorto

metameta

para

CH3 CH3CH3

2 posiciones ORTO

2 posiciones META

1 posición PARA

Efecto inductivoRelacionado con la electronegatividad

(polaridad del enlace)

Efecto resonanteRelacionado con la posibilidad de compartir carga de grupos con electrones desapareados o con sistemas π (formas resonantes)

Factores que influyen en la Orientación y la Reactividad(Activantes o Desactivantes) de la Sustitución Electrofílica Aromática

10

I –R +

I –R +

I –R + I –

R +I –R + I +

I –R –

I –

11

Desactivantes fuertes

-CX3 (X = F, Cl, etc.)

-COOH, -COOR, -COR , -COH -SO3H; -NO2; -NR+

3 , -CN

Meta I –

I – R –

Desactivante débiles-F , -Cl , -Br , -Iorto-para I – R +

Activantes débiles-R (alquilo) -fenilo

orto-para I +

Activantes moderados-NHCOR-OCOR

Alquenos

orto-para I – R +

Activantes fuertes-NH2 , -NHR , -NR2-OH , OR

orto-para I – R +

ACTIVACIÓNGRUPODIRECCIÓN

Grupos con efecto (GLOBAL, I y R) donador de electrones estabilizan la carga positiva del ión bencenonio, y proporcionan más densidad electrónica (NUCLEOFILIA) al anillo aromático

Grupos con efecto (GLOBAL, I y R) atractor de electrones inestabilizan la carga positiva del ión bencenonio y reducen la densidad electrónica (aumenta la ELECTROFILIA) del anillo aromático.

12

La nitración del tolueno da una mezcla de productos, en la que los mayoritarios son los que resultan de la sustitución en las posiciones orto y para. Se dice que el grupo metilo del tolueno es orto y para dirigente.

MÁS

ESTABLES

13

La reacción de nitración del anisol (metoxibenceno) es 10.000 veces más rápida que la del benceno y unas 400 veces más rápida que la del tolueno. Además, los productos de la reacción son los que resultan mayoritariamente del ataque del electrófilo en las posiciones orto y para.

Este resultado parecerá extraño porque el oxígeno es un átomo muy electronegativo y sin embargo es capaz de ceder densidad electrónica para estabilizar el estado de transición y por tanto el complejo sigma. Esto ocurre porque los electrones no enlazantes del átomo de oxígeno adyacente a un carbocatión estabilizan la carga positiva mediante resonancia.

Orientación en compuestos aromáticos con sustituyentes donadores π

14

El átomo de nitrógeno contiene un par de electrones no enlazantes y puedeestabilizar el catión ciclohexadienilo, y el estado de transición asociado, mediante resonancia. La anilina se puede bromar con un exceso de bromo en agua, sin necesidad de catalizador, para formar el correspondiente compuesto tribromado. La reacción se efectúa en presencia de NaHCO3 para neutralizar al HBr que genera la reacción y evitar de este modo la protonación del grupo amino, que es básico.

Los electrones no enlazantes del nitrógeno estabilizan al complejo sigma si elataque se lleva a cabo en las posiciones orto y para.

El grupo amino

15

Las reacciones de Sustitución Electrofílica Aromática del nitrobenceno son 100.000 veces más lentas que las del benceno. El producto mayoritario del proceso es el isómero meta.

Sustituyentes desactivantes, directores meta

16

Estructuras resonantes en la reacción SEAr de la acetofenona

Los halógenos son grupos desactivantes pero sin embargo dirigen el ataque del electrófilo a las posiciones orto y para. Esta aparente contradicción se explica porque:

a) Los halógenos son muy electronegativos y por tanto el enlace carbono halógenoestá muy polarizado, de manera que el carbono soporta la parte positiva del dipolo. Esta polarización provoca una disminución de la densidad electrónica del anillo aromático y por tanto una disminución de la velocidadde la reacción SEAr.

EFECTO INDUCTIVO NEGATIVO

Sustituyentes halogenados: grupos desactivantes y orto/para dirigentes

17

b) Por otra parte, los halógenos tienen electrones no enlazantes que puedendonar su densidad electrónica mediante la formación de un enlace π.

Esta cesiónde densidad electrónica les permite estabilizar cargas positivas adyacentes haciendo que los isómeros mayoritarios de la reacción SEAr sean los orto/para.

EFECTO DE RESONANCIA POSITIVO

Por ejemplo, la reacción de nitración del clorobenceno proporciona la siguiente mezcla de isómeros:

18

Si dos sustituyentes orientan a la misma posición, ésa será la que se sustituya:

¿Qué ocurre si hay más de un sustituyente?

Si dos sutituyentes tienen en conflicto sus efectos directores, el grupo más activante será el que gane la partida:

19

Si existen dos sustituyentes desactivantes, independientemente de su posición, la tercera sustitución puede ser muy difícil o imposible:

Si dos grupos están en disposición relativa meta, la tercera sustitución no tiene lugar en la posición que queda entre ellos puesto que es la más impedida estéricamente:

Ejemplos:

7.

20