Este documento describe las propiedades y reactividad del benceno y otros compuestos aromáticos. Explica que los hidrocarburos aromáticos son no polares y que la sustitución electrofílica aromática es la reacción más importante. Esta reacción permite introducir grupos halógenos, nitros, sulfonas, alquilos y acilos al anillo bencénico mediante mecanismos similares que involucran un ataque electrófilo. También se discuten los requisitos para la aromaticidad y ejemplos de síntesis
1. AROMATICIDAD, BENCENO. SUSTITUCIÓN ELECTROFÍLICA
Propiedades físicas:
- Los hidrocarburos aromáticos son no polares (éter dietílico, tetracloruro
de carbono o hexano).
- Forma azeótropos con el agua. (91% de benceno y 9% de agua y destila
a 69,4ºC).
- Puntos de ebullición y fusión típicos de compuestos orgánicos no
polares.
-Los compuestos que se encuentran en el alquitrán de los cigarrillos,
contienen cuatro o más anillos bencénicos fusionados son carcinógenos.
- El benceno también es carcinógeno.
benzantraceno
2. Estabilidad del anillo bencénico.
Pt
+ H2 + 28,6 kcal/mol
ciclohexeno ciclohexano
Pt
+ H2
225º + 49,8 kcal/mol
35 atm
- La hidrogenación de benceno libera 36 kcal/mol menos que la
hidrogenación del hipotético ciclohexatrieno. (energía de resonancia).
- Energía de resonancia es la energía perdida (estabilidad ganada) por la
deslocalización completa de los electrones en el sistema pi.
- En términos de reactividad química, significa mucha energía para que
se produzca una reacción en que haya pérdida de la aromaticidad. (ej.: el
benceno no experimenta la mayoría de las reacciones de los alquenos).
3. Requisitos para la aromaticidad
- La molécula debe ser cíclica y plana.
- Cada átomo del anillo debe tener un orbital p perpendicular al plano del
anillo. (deslocalización completa de los electrones pi).
- Regla de Hückel: un anillo plano debe tener 4n+2 electrones pi. (n=
número entero). Un anillo con 2, 6,10 ó 14 electrones pi puede ser
aromático.
- Una manera conveniente para determinar si un compuesto es aromático
es por la posición de absorción en el espectro de resonancia de RMN
de los protones unidos a los átomos del anillo.
4. SUSTITUCIÓN ELECTROFÍLICA
AROMÁTICA
s La sustitución electrofílica aromática es la
reacción más importante de los compuestos
aromáticos. Es posible introducir al anillo muchos
sustituyentes distintos por este proceso. Si se elige el
reactivo apropiado pueden efectuarse reacciones de
bromación, cloración, nitración, sulfonación,
alquilación y acilación, estas seis son reacciones
directas, y a partir de ellas se pueden introducir otros
grupos.
s En este capítulo estudiaremos estas seis reacciones,
más las que se puedan obtener a partir de ellas,
como así mismo la introducción de un segundo
sustituyente.
5. s La reacción más importante de los compuestos
aromáticos es la sustitución electrofílica aromática.
Es decir la introducción de un electrófilo (E+).
s Seleccionando las condiciones y los reactivos
apropiados, el anillo aromático se puede halogenar,
nitrar, sulfonar, acilar y alquilar. Todas estas
reacciones y muchas otras proceden a través de un
mecanismo similar.
6.
7. Halogenación del Benceno
s El benceno es normalmente inerte en presencia de
halógenos, debido a que los halógenos no son lo
suficientemente electrófilos para destruir su
aromaticidad. Sin embargo, los halógenos pueden
activarse mediante ácidos de Lewis como los
haluros de hierro, FeX3 o de aluminio, AlX3, para dar
electrófilos más potentes.
s Mecanismo de la Bromación:
s 1) Activación del bromo por un ácido de Lewis
(FeBr3)
.. .. .. .. + +
..
: Br Br : FeBr : Br Br Fe Br3 : Br Br Fe Br3
.. .. 3 .. .. .. ..
8. s 2) Ataque electrófilo sobre el benceno por bromo activado
.. ..
+ : Br
..
+
Br Fe Br3
.. Br + Fe Br4
H + H
s 3) El FeBr4- formado en la etapa anterior actúa ahora como
base abstrayendo el protón del catión hexadienilo.
Br + Fe Br4 + BrH + FeBr3
+ H Br
s En resumen, la halogenación del benceno se hace más
exotérmica al pasar del I2 (endotérmica) a F2 (explosiva). Las
cloraciones y bromaciones se consiguen utilizando ácidos de
Lewis como catalizadores que polarizan el enlace X-X y activan
el halógeno aumentando su poder electrófilo.
9. Nitración del Benceno:
s Los anillos aromáticos se pueden nitrar por reacción
con una mezcla de ácido nítrico y ácido sulfúrico
concentrado. Se piensa que en ésta reacción el
electrófilo es el ion nitronio, NO2+, que se genera
a partir del ácido nítrico por protonación y
pérdida de agua.
s Mecanismo de la Nitración:
s 1) Activación del ácido nítrico por el ácido sulfúrico
(formación del ion nitronio)
O O
_ N+
:O
+ H-OSO H
3 N
+
+ O SO3H
O +
O
H O
H2
- H2O
+
NO
2
10. s 2) Ataque electrófilico sobre el ion nitronio
H
+
+ NO
2 NO2
+ H
s 3) Abstracción del protón por parte de la base
conjugada del ácido sulfúrico.
NO2 + O SO3H + H SO4
2
+ H N O2
s La nitración de anillos aromáticos es una reacción de
particular importancia, debido a que los nitroarenos
que se producen pueden reducirse con reactivos
como hierro o cloruro estañoso para formar
aninoarenos (anilina).
11. Sulfonación del Benceno:
s El ácido sulfúrico concentrado no reacciona con el
benceno a temperatura ambiente excepto por
protonación. Sin embargo, una forma más reactiva,
llamada “ácido sulfúrico fumante” da lugar a un
ataque electrófilico por SO3. El ácido sulfúrico
fumante comercial se prepara por adición de
aproximadamente un 8% de trióxido de azufre (SO3),
a ácido sulfúrico concentrado. El electrófilo reactivo
es HSO3+ o SO3 neutro, dependiendo de las
condiciones de reacción.
12. Mecanismo de la Sulfonación:
O
+ O S O H
H + -
SO3 SO3H
ácido bencenosulfónico 95%
s La sulfonación es reversible, tiene utilidad sintética,
debido a que el sustituyente ácido sulfónico puede
utilizarse como grupo protector para dirigir la
sustitución.
H2O, H2SO
4
100ºC
SO3H
13. Alquilación del Benceno: Reacción de
Friedel-Crafts
s En 1877, Charles Friedel[1] y James Crafts[2]
descubrieron que los haloalcanos reaccionan con
benceno en presencia de cloruro de aluminio,
para dar el producto de alquilación. La reacción de
Friedel-Crafts es una sustitución electrofílica
aromática en la cual el anillo aromático ataca a un
carbocatión electófilico. El carbocatión se genera
cuando el catalizador AlCl3 ayuda al halogenuro de
alquilo a ionizarse, de forma muy similar a como el
FeBr3 cataliza las bromaciones aromáticas
polarizando al bromo.
14. Mecanismo de la Alquilación:
s 1) Activación del haloalcano
.. δ + ..+ -
R-CH2-X : + AlCl 3
.. R-CH2-X_ AlCl 3
..
s 2) Ataque electrófilo
δ + ..+ -
+ R-CH2-X_ AlCl 3 CH 2-R
.. + AlCl 3X
H + H
s 3) Pérdida del protón
CH 2-R
+ AlCl 3 X + AlCl 3 + HX
+ H CH 2-R
s Las alquilaciones de Friedel-Crafts intramoleculares
pueden utilizarse para la construcción de un nuevo
anillo fusionado con el núcleo bencénico.
15. s Acilación de Friedel-Crafts
s La reacción consiste en la introducción del grupo
acilo -COR, al anillo aromático. El mecanismo de la
acilación de Friedel-Crafts es similar al de la
alquilación. El electrófilo reactivo es un catión de
acilo estabilizado por resonancia, el cual se genera
por reacción entre el cloruro de acilo y el AlCl3.
16. s A diferencia de las alquilaciones, las acilaciones
nunca proceden más de una vez en un anillo , debido
a que el acilbenceno producido es siempre menos
reactivo que el material de partida no acilado.
Mecanismo de la Acilación:
..
O O O: O+
-
R
C .. + AlCl 3 R
C ..+ -
Cl AlCl 3 R
C+ C + AlCl 4
Cl:
.. .. R
catión acílico
O -
O: AlCl 4
+ C O + HCl + AlCl 3
C+ R
R C
H + H
R
s Las reacciones anteriormente comentadas se
pueden resumir dela siguiente forma:
17. H + X
X
R R
Electrófilo (XÅ) Reactivo Reacción
R+ RBr + AlCl3 Alquilación Friedel-Crafts
ROH + H+
Alqueno + H+
RCO+ RCOCl + AlCl3 Acilación Friedel-Crafts
NO2+ HNO3 + H2SO4 Nitración
Cl+ Cl2 + FeCl3 Cloración
Br+ Br2 + Fe Bromación
HOSO2+ H2SO4 Sulfonación
ClSO2+ ClSO2OH Clorosulfonación
18. s Para la preparación de otros derivados monosustituidos,
distintos a los ya mencionados se procede a partir de alguno de
ellos, empleando las reacciones químicas clásicas, como
oxidación, reducción, etc. Las cuales se resumen a
continuación en una especie de tabla
Y X Reactivo
Reducción
-NO2 -NH2 H2, Pd/C (o)
Sn, HCl, conc.
-COR -CH(OH)R NaBH4
-COR -CH2R Zn/Hg, HCl, conc. Y X
H2, Pd, Etanol R R
Oxidación:
-CH2Cl -CHO hexamina
-CH2R -CO2H KMnO4
-CH3
-COR -OCOR R’CO3H
Sustitución:
-CH3 -CCl3 Cl2, PCl5
-CH3 -CH2Br NBS, CCl4
-CCl3 -CF3 SbF3
-CN -CO2H HO-, H2O
-Br -NH2 NH2- Na+, NH3
19. Otras reacciones importante del anillo benceno son:
s Reducción de Birch:
Li, NH 3 (o Na)
Etanol
s Hidrogenación Catalítica de anillos Aromáticos:
H2/Rh/C
Etanol
s Sustitución Aromática a través de intermedios
Bencino
Cl
NH 2
NaNH2, NH 3 liq. NH 3
-NaCl
20. Síntesis de Bencenos Disustituidos:
s Una de las formas más seguras de adquirir dominio
de la química orgánica es resolver problemas de
síntesis. La habilidad para planear una síntesis
satisfactoria en varios pasos de una molécula
compleja requiere un conocimiento práctico de los
usos y las limitaciones de varios cientos de
reacciones orgánicas. Es necesario saber no sólo
que reacciones emplear, sino también cuándo
utilizarlas. El orden en que se realizan las reacciones
con frecuencia es crítico para el éxito del método
total.
s Ejemplo: Sintetizar el ácido p-bromobenzoico a partir
de benceno.
s Es necesario preguntarse “¿Cuál es un precursor
inmediato del ácido p-bromobenzoico?”
21. ? Br COOH
s El análisis sintético hacia atrás (retrosintético) revela
dos rutas válidas que van del benceno al ácido p-
bromobenzoico.
Br2 CH 3Cl
FeBr3 AlCl3
CH3 CO2 H
Br
KMnO4
benceno Br Br
CH3
CH 3Cl Br2
AlCl3 FeBr3
s Un segundo ejemplo de interés es la síntesis del 4-
cloro-1-nitro-2-propilbenceno a partir de benceno, en
principio hay tres posibles precursores disustiutidos,
pero sólo uno de ellos es el adecuado.
22. p-cloronitrobenceno m-cloropropilbenceno o-nitropropilbenceno
Cl Cl
NO2 NO2
HNO3
X Esta molécula no forma
H 2SO4 X
Este anillo se encuentra el isómero deseado por
desactivado y no experimenta la reacción de cloración
la alquilación de Friedel-Crafts
Cl
NO2
23. s La síntesis final es una ruta de cuatro pasos a partir
del benceno:
O O
O
Cl
CH 3CH2CCl Cl2
AlCl3 FeCl 3
H 2,Pd/C
Etanol
Cl Cl
HNO3
H 2SO4
NO2
24. s A continuación se realizara un pequeño
estudio, para ver como se produce la entrada
de un segundo grupo (E), dada que esta
queda sujeta a presencia del grupo ya
presente en anillo bencénico (G). Los
sustituyentes en el anillo de benceno afectan
tanto la reactividad del anillo hacia
posteriores sustituciones como la orientación
de estas últimas. Los grupos pueden
clasificarse en tres categorías: activadores
orientadores orto-para, desactivadores
orientadores orto-para, y desactivadores
orientadores meta.
25. G G G G G
H H + H E
E+ E E E
+ +
orto
G G G G G
+ +
+ E+
H H H
E
E E + E meta
G G G G G
+
+ E+
+ +
H E H E H E E
para
26. s La entrada y dirección del electrófilo (E) en la
sustitución electrofilica aromática en
bencenos monosustituidos (G) queda
gobernada por la naturaleza química del
grupo G, los cuales a su vez se clasifican en
activantes fuertes (orientadores orto-para),
activantes moderados (orientadores orto-
para), activantes débiles (orientadores orto-
para), desactivantes débiles (orientadores
orto-para), desactivantes fuertes
(orientadores meta), a continuación se
muestran algunos de ellos en orden
decreciente, de acuerdo a su poder activante
o desactivante.
28. s La bromación electrófilica, del metilbenceno (tolueno)
da sustitución orto y para.
CH3 CH3 CH3 CH3
Br
Br2 FeBr3
CCl 4 + +
Br
Br
39% 1% 60%
s La bromación no es un caso particular; la nitración y
la sulfonación dan los mismos resultados cualitativos,
sustitución principalmente en las posiciones orto y
para , en la molécula del benceno. Explicación
mecanistica para el caso del bromo:
29. CH3 CH3 CH3 CH3 CH3
H H + H Br
FeBr3
+ Br2 Br Br Br
+ +
carbocatión 3º
muy estable orto
CH3 CH3 CH3 CH3 CH3
FeBr3 + +
+ Br2
H H H
Br
Br Br + Br meta
CH3 CH3 CH3 CH3 CH3
FeBr3 +
+ Br2
+ +
H Br H Br H Br Br
carbocatión 3º para
muy estable
30. s Sólo el ataque en las posiciones orto y para da lugar a
un catión hexadienilo en el que una estructura resonante
tenga la carga positiva adyacente al sustituyente alquilo,
dejando un carbocatión terciario, en cambio en meta
ninguna de las formas resonantes deja un carbocatión
terciario, por tal motivo predominan los productos orto y
para dado que el intermedio es más estable, a su vez el
mayoritario es el para por efectos estéricos.
s Los sustituyentes desactivantes por efecto inductivo
orientan en meta, como por ejemplo la nitración del
trifluorometilbenceno, en donde el único producto es el
meta. F
CF C 3
3
HNO3
H2SO4 NO2
único producto
s explicación mecanistica:
31. CF CF CF CF CF
3 3 3 3 3
H H + H NO2
HNO3
NO2 NO2 NO2
H2SO4 + +
carbocatión 3º
muy estable orto
CF3 CF CF CF CF
3 3 3 3
HNO3 + +
H2SO4 H H H
NO2
NO2 NO2 + NO2 meta
CF CF CF CF CF3
3 3 3 3
HNO3 +
H2SO4 + +
H NO2 H NO2 H NO2 NO2
carbocatión 3º para
muy estable
32. s Ahora el ataque en orto y para están más
desfavorecidos, dado que hay intermedios
inestables, el ataque se produce en meta, de
esta manera se evita la formación de
intermedios inestables.
s Los halógenos retiran densidad electrónica
por efecto inductivo mientras que son
donadores por resonancia, globalmente el
efecto inductivo prevalece y los haloarenos
están desactivados, sin embargo la
sustitución electrófila tiene lugar
principalmente en las posiciones orto y para.
33. REGLAS PARA PREDECIR LA ORIENTACIÓN
EN LOS BENCENOS DISUSTITUIDOS
s 1.- Si todos los sustituyentes se refuerzan entre si, la
entrada del tercer grupo no genera ningún tipo de
problemas.
CH3 CH3
CH3
NO2
s Ejemplos:
CH3 CH3 CH3 CH3 O
Br2 CH 3COCl CH3
FeBr3 AlCl 3
CH3 CH3
Br NO2 NO2
34. s 2.- Si un orientador orto-para y uno meta no se están
reforzando, el orientador orto-para controla la
orientación del tercer grupo. (El grupo entrante se dirige
principalmente orto hacia el orientador meta.)
Cl CH3
NO2 NO2
Principal Principal
s Ejemplos:
Cl Cl CH3 CH3
Cl2/ FeCl3 SO3/H2SO4
NO2 NO2 NO2 NO2
Cl SO3H
35. s 3-. Un grupo fuertemente activador, que compite con
un grupo débilmente activador,controla la orientación.
(o,p-moderado)
(o,p-fuerte)
OCH3 OH
CH3 (o,p-débil)
CH3 (o,p-débil)
s Ejemplos:
OCH3 OCH3 OH OH
HNO3/H2SO4 NO2 CH3 Br2 CH3
FeBr3
CH3 CH3 Br
36. s 4-. Cuando compiten dos grupos débilmente
activadores o desactivadores o dos grupos
fuertemente activadores o desactivadores, se
obtienen cantidades considerables de ambos
isómeros, hay muy poca preferencia.
(o,p-débil) Cl Cl
+
CH3 (o,p-débil) CH3 (o,p-débil)
s Ejemplo:
Cl Cl Cl
Br2 Br
FeBr3 +
Br
CH3 CH3 CH3
37. s 5.- En la posición de impedimento estérico, entre los
sustituyentes meta hay muy poca sustitución.
CH3
CH3
Otras reacciones de interés:
Cl2,calor
Ar-CHCl2
H2O/H+
Ar-CH3 ArCHO
CrO3
Ar-CH(OOCCH3)2 aldehído
(CH3CO)2O
Mg CO2 H+
Ar-X Ar-Mg-X Ar-COOMgX Ar-COOH
éter ác. carboxílico
H3O +
Ar-CN Ar-COOH
38. s ¿Cuidado con los fenoles? Son activantes fuertes, si se
emplean directamente provocan la polisustitución, si se
desea obtener un compuesto disustituido a partir de
ellos se debe proteger el grupo alcohol como acetato,
de esa manera conserva su poder orientador pero
disminuye su poder activador.
OH CH3
Br Br
Br2
FeBr3
Br
s Para obtener el para-bromobenceno a partir de fenol se
debe proceder de la siguiente manera:
40. s El mismo cuidado hay que tener con el Anilina, dado
que el grupo amino es un activante fuerte, problema
que puede evitarse protegiéndolo como amida.
NH2 NH2
Br Br
Br2
FeBr3
Br
NH2 NHCOCH3 NHCOCH3 NHCOCH3
Ac2O/Py Br2 Br
FeBr3 +
Br
NaOH/H2O
NH2 NH2
Br
+
Br
mayoritario
