Sustitucion electrofila aromatica

En esta presentacion se exponen sustituciones electrofilas aromaticas haciendo hincapie en su mecanismo y a continuacion se particulariza en casos como la halogenacion nitracion y sulfonacion del benceno. Luego se explica la alquilacion y alcanoilacion de Friedel-Crafts que permite la formacion de enlaces aril-carbono.

1. QUÍMICA ORGÁNICA SUSTITUCIÓN ELECTRÓFILA AROMÁTICA Por Francisco Magaña Carmona

2. SUSTITUCIÓN ELECTRÓFILA AROMÁTICA El benceno experimenta reacciones de sustitución con electrófilos: La estabilidad del benceno explica su escasa reactividad y pese a tener tres dobles enlaces conjugados, sus transformaciones químicas requieren condiciones especiales y se producen mediante nuevos mecanismos . La mayor parte de la química del benceno se debe a reacciones con electrófilos. El ataque del benceno por nucleófilos es raro, pero posible si en la molécula existe un grupo saliente adecuado. El benceno al reaccionar con electrófilos no da lugar a reacciones de adición, como los alquenos, sino que se da la sustitución de hidrógeno llamada sustitución electrófila aromática. H E H H H H + E + X - + H + X - H H H H H H benceno benceno electrófilo benceno sustituido El mecanismo de sustitución electrófila aromática tiene lugar en dos etapas: 1ª . El electrófilo E + ataca al anillo del benceno, de igual manera que lo haría a un doble enlace ordinario formándose un intermedio catiónico, que se estabiliza por resonancia. 2º. El intermedio catiónico pierde un protón regenerándose el anillo del benceno. Sustitución electrófila aromática

3. SUSTITUCIÓN ELECTRÓFILA AROMÁTICA Mecanismo de la sustitución electrófila aromática. PRIMER PASO: ATAQUE ELECTRÓFILO En la formulación del mecanismo general de sustitución electrófila aromática hay que reseñar dos puntos importantes: 1º. Indicar el hidrógeno en el que tiene lugar el ataque electrófilo inicial. 2º. La carga positiva en el catión resultante se indica mediante tres formas resonantes y se localiza en las posiciones orto y para del carbono que ha sido atacado. *     En este primer paso, el electrófilo E + ataca un doble enlace del benceno dando lugar a un intermedio catiónico formado por tres formas resonantes. Este primer paso del mecanismo de sustitución electrófila aromática es termodinámicamente desfavorable . Aunque la carga se deslocaliza en el intermedio catiónico, la formación del enlace C-E origina una hibridación sp 3 en este carbono que interrumpe la conjugación cíclica : el intermedio no es aromático. E + H H E + E H + E H + Formas resonantes que describen la deslocalización de carga en el intermedio no aromático Ataque del electrófilo a un doble enlace del benceno.

4. SUSTITUCIÓN ELECTRÓFILA AROMÁTICA Mecanismo de la sustitución electrófila aromática: SEGUNDO PASO: PÉRDIDA DE UN PROTÓN Y REGENERACIÓN DEL SISTEMA AROMÁTICO . F ormas resonantes que describen la deslocalización de carga en el intermedio no aromático. *   + H + En este segundo paso tiene lugar la pérdida de un protón H + del carbono que presenta la hibridación sp 3 regenerándose el anillo aromático. Este proceso está más favorecido que el ataque nucleófilo del anión que acompaña a E + . Tal ataque si se produjese daría lugar a un producto de adición no aromático . La reacción de sustitución electrófila global es exotérmica porque los nuevos enlaces formados son más fuertes que los enlaces rotos. RESUMEN DEL MECANISMO DE SUSTITUCIÓN ELECTRÓFILA AROMÁTICA El mecanismo de la sustitución electrófila comienza con el ataque nucleófilo de E + para dar un intermedio de reacción catiónico, con descolocación de carga pero no aromático, que es el paso limitante de la velocidad de reacción. El producto de sustitución se obtiene tras pérdida rápida de un protón que regenera el anillo aromático. H H E + E H + E + E La pérdida del protón regenera la aromaticidad

5. Br Br 2 , FeBr 3 A continuación se indica la activación del bromo mediante el ácido de Lewis FeBr 3 . Cuando una molécula de un halógeno como la de Br 2 se pone en contacto con FeBr 3 , se forma el complejo ácido-base de Lewis que se indica a continuación: Br Br FeBr 3 [ Br δ + – Br – FeBr 3 ]  [ Br = Br – FeBr 3 ] En este complejo el enlace Br – Br está polarizado de tal modo que se confiere carácter electrófilo a los átomos de bromo. El ataque electrófilo al benceno se realiza por el bromo terminal permitiendo al otro átomo de bromo salir formando parte de un buen grupo saliente, el ion complejo FeBr 4 - . En términos electrónicos podemos considerar este proceso como una sustitución nucleófila entre el complejo [Br 2 FeBr 3 ] y el doble enlace del benceno no muy diferente de una reacción de sustitución nucleófila molecular. SUSTITUCIÓN ELECTRÓFILA AROMÁTICA: HALOGENACIÓN DEL BENCENO Un ejemplo de sustitución electrofílica aromática es la halogenación , tal como la bromación para dar bromobenceno. Como los halógenos no son suficientemente electrófilos para alterar la aromaticidad del benceno, se activan en presencia de ácidos de Lewis, como los haluros de hierro (FeX 3 ) o de aluminio (AlX 3 ), convirtiéndose más reactivos . A continuación se indica la bromación del benceno para dar bromobenceno en presencia de FeBr 3 . - Ácido de Lewis que puede alojar un par de electrones + + -

6. Br – Br – FeBr 3   + FeBr 4 - y a continuación se expone la formación del bromobenceno. En esta etapa no solo se originan los dos productos de reacción, bromobenceno y HBr, sino que también se regenera el catalizador FeBr 3 . Br – Fe Br 3 + H Br + FeBr 3 H H + Br H + + Br El par electrónico se desplaza para formar enlace con el Br SUSTITUCIÓN ELECTRÓFILA AROMÁTICA: HALOGENACIÓN DEL BENCENO A continuación se indica el ataque electrófilo de bromo activado sobre el benceno. El bromo activado Br 2 FeBr 3 reacciona con el benceno dando lugar a un intermedio no aromático y a FeBr 4 - . En esta etapa el FeBr 4 - actúa como base abstrayendo un protón del catión hexadienilo intermedio como se indica a continuación: * Br H Intermedio no aromático Br H + - Br Regeneración de anillo aromático catalizador La pérdida del protón regenera la aromaticidad + -

7. Para llevar a cabo la nitración del benceno a temperaturas moderadas, es insuficiente la nitración del mismo con ácido nítrico concentrado , debido a que el N del HNO 3 no es suficientemente electrófilo. Por ello tiene que ser activado con H 2 SO 4 concentrado que protona el HNO 3 . La posterior pérdida de agua produce el ion nitronio NO 2 + , que si es un buen electrófilo. A continuación se indica la activación del HNO 3 con H 2 SO 4 para dar lugar al ion nitronio NO 2 + . HO N O + H – OSO 3 H   H O N O + HSO 4 -  H 2 O + O N O + HSO 4 - El ion nitronio, con prácticamente toda la carga positiva sobre el N, ataca el benceno dando lugar a nitrobenceno . La nitración aromática es una forma de introducir sustituyentes que contengan N en el benceno. + O N O   NO 2 OSO 3 H + HOSO 3 H NO 2 El grupo nitro permite la obtención de aminas aromáticas (bencenaminas). + HNO 3 , + H 2 SO 4 H + - O SUSTITUCIÓN ELECTRÓFILA AROMÁTICA : NITRACIÓN DEL BENCENO La nitración del benceno es una reacción típica de sustitución electrofílica aromática en la que el electrófilo es el ion nitronio NO 2 + , que da lugar a la formación de nitrobenceno : NO 2 O H + - + + H La pérdida de un protón regenera la aromaticidad Ataque nucleófilo mediante el doble enlace La protonación convierte al HO en un buen grupo saliente como H 2 O.

8. El H 2 SO 4 concentrado no sulfona el benceno a temperatura ambiente. Una forma más reactiva es el ácido sulfúrico fumante que permite el ataque electrófilo mediante el SO 3 . Debido al efecto de retirada de electrones por parte de los tres oxígenos, el S en el SO 3 , es suficientemente electrófilo para atacar directamente al benceno. La posterior transferencia de un protón da lugar al ácido bencenosulfónico. A continuación se indica la el mecanismo de sulfonación aromática : O S O   O S O + SO 3 H ácido bencenosulfónico + 2+ H 2 SO 4 H - - O SUSTITUCIÓN ELECTRÓFILA AROMÁTICA : SULFONACIÓN DEL BENCENO La sulfonación del benceno es otra típica reacción de sustitución electrofílica aromática en la que el electrófilo, el trióxido de azufre SO 3 , reacciona con el benceno para dar lugar al ácido bencenosulfónico : , SO 3 H O O + - + + SO 3 H S O O H S O O O - H + + H La protonación conduce al producto final Ataque nucleófilo por el doble enlace La pérdida de un protón regenera la aromaticidad

9. La alquilación de Friedel-Crafts permite la formación de enlaces carbono-carbono en los que el benceno reacciona con un electrófilo carbonado suficientemente activo . La reacción de alquilación requiere la presencia de un ácido de Lewis, normalmente el AlCl 3 (aunque también pueden utilizarse otros ácidos de Lewis como catalizadores). En presencia de este reactivo los haloalcanos atacan al benceno para formar alquilbencenos . Alquilación de Friedel-Crafts Alquilación del benceno con cloroetano + RX + HX + CH 3 CH 2 Cl + HCl La reactividad del haloalcano aumenta con la polaridad del enlace C-X en el siguiente orden : RI < RBr < RCl < RF . Los ácido de Lewis más utilizados son : BF 3 , SbCl 5 , FeCl 3 . AlCl 3 , y AlBr 3 . Veamos el mecanismo de alquilación de Friedel-Crafts con haloalcanos primarios Etapa 1. Activación del haloalcano RCH 2 X + AlX 3 R CH 2 X AlX 3 En la etapa de activación se da la coordinación del ácido de Lewis con el halógeno del haloalcano dando el par ácido-base de Lewis en la que el C unido al halógeno tiene carácter catiónico con lo que aumenta la electrofilia. δ + R - AlCl 3 , 25ºC SUSTITUCIÓN ELECTRÓFILA AROMÁTICA : ALQUILACIÓN DE FRIEDEL-CRAFTS H CH 2 CH 3 + AlCl 3 H Ácido de Lewis, sustancia que presenta un hueco en donde pueden alojarse un par de electrones. Electrófilo carbonado activado

10. Etapa 2. Ataque electrófilo por el haloalcano activado R + CH 2 + AlX 4 - X AlX 3 En la etapa 2 se da la adición electrófila sobre el anillo del benceno dando un intermedio catiónico no aromático, que al perder un protón da lugar al producto final regenerándose la aromaticidad. Etapa 3. Pérdida de protón + X AlX 3 + H X + AlX 3 Con haluros secundarios y terciarios se forman carbocationes como intermedios de reacción. Estas especies atacan el anillo del benceno de la misma forma que lo hace el catión nitronio NO 2 + . EN RESUMEN: La alquilación de Friedel- Crafts es una sustitución electrófila aromática en que participan cationes o sus equivalen- tes y que da lugar a enlaces aril-carbono. + SUSTITUCIÓN ELECTRÓFILA AROMÁTICA : ALQUILACIÓN DE FRIEDEL-CRAFTS H CH 2 R + H H   CH 2 R + CH 2 R

11. La acilación de Friedel- Crafts es otra sustitución electrófila aromática que da lugar a enlaces carbono-carbono. El benceno reacciona con haluros de acilo (alcanoílo) en presencia de un AlX 3 , para dar fenilcetonas (1-fenilalcanonas) Acilación del benceno con cloruro de acetilo Acilación de Friedel- Crafts + CH 3 COCl + HCl - HX 1-feniletanona (acetofenona) Los cloruros de acilo son derivados reactivos de los ácidos carboxílicos que se forman al reaccionar los ácidos carboxílicos con cloruro de tionilo SOCl 2 de acuerdo con la reacción: R C OH + SOCl 2 R C Cl + SO 2 + HCl La clave de las acilaciones está en los cationes acilio, que se forman al reaccionar cloruros de acilo con cloruro de aluminio. R C X + AlCl 3   R C O AlCl 3 R C AlCl 3 R C AlCl 3 [ R C O   R C O ] X AlCl 3 El ácido de Lewis se coordina con el oxígeno del carbonilo dando lugar a un complejo que está en equilibrio, con un isómero en el que el AlCl 3 está unido al halógeno, y cuya disociación produce el ion acilio que se estabiliza por resonancia y no se reorganiza. + R - - AlCl 3 SUSTITUCIÓN ELECTRÓFILA AROMÁTICA: ALCANOILACIÓN O ACILACIÓN DE FRIEDEL-CRAFTS O C-CH 3 O + - + + R C X , AlX 3 H O O O C X O O - X + + X O

12. La acilación también puede realizarse utilizando anhídridos de ácidos carboxílicos en lugar de haluros de acilo. Los iones acilio participan en las sustituciones electrófilas aromáticas : El ion acilio es suficientemente electrófilo para atacar el benceno mediante el mecanismo general de sustitución electrófila aromática. + Benceno Ion acilio Intermedio no aromático Benceno acilado BIBLIOGRAFÍA Lo que se expone en esta presentación está tomado del libro de Vollhardt y Schore que indico a continuación: - Organic Chemistry de Vollhardt y Schore , editado por W.H. Freeman and Company, Macmillan Education , de ISBN-13: 978-1-319-18771-2 ISBN-10: 1-319-18771-4 Chapter 15 : Benzene and Aromaticity : Electrophilic Aromatic Substitution . páginas de 726 a 744. + R SUSTITUCIÓN ELECTRÓFILA AROMÁTICA : ALCANOILACIÓN O ACILACIÓN DE FRIEDEL-CRAFTS + R C O O O C H R H + + H C