Universidade do Grande Rio – Professor José de Souza HerdyREAÇÕES EM COMPOSTOS AROMÁTICOS RESSONÂNCIA: ESTRUTURAS DE RESSONÂNCIA O hibrido de ressonância pode ser representado por: HÍBRIDO DE RESSONÂNCIA Na ressonância os elétrons podem se mover nos seguintes sentidos: 1) Elétrons π se movem para uma carga positiva ou para uma outra dupla ligação: Ex.: + + δ + + + + δ + δ δ + + + δ + + + δ 2) Um par de elétrons não ligantes pode migrar para uma ligação dupla: Ex.: R NH2 Oδ R − + O R O + O C O - O O - O O - - NH2 C O − C O O Oδ δ − δ NH2 O C O δ− δ + NH2 - NH2 + NH2 + NH2 - + NH2 δ − NH2 δ − − - δ ICEN – Instituto de Ciências Exatas e da Natureza Prof.: João Carlos Martins Mafra Universidade do Grande Rio – Professor José de Souza Herdy 2 3) Um único elétron não ligante (Radical) migra para uma dupla ligação. Ex.: . . δ . δ . . CH2 . CH2 CH2 CH2 . . CH2 δ δ . . δ . . δ . Para que ocorra ressonância é necessário que os elétrons participantes, estejam em átomos vizinhos, ou seja, sejam conjugados. Ex.: + + + Sistema conjugado Sistema não conjugado isolado por um carbono sp3 ENERGIA DE RESSONÂNCIA + cicloexeno H2 cat. ∆Ho = - 26,8 Kcal/mol + 3 H2 Hipoteticamente um cicloexatrieno cat. ∆Ho = 3 x (- 26,8 Kcal/mol) - 85,8 Kcal/mol Porém, quando o benzeno é hidrogenado experimentalmente, a variação de entalpia padrão (∆H0) medida é de – 49,8 Kcal / Mol. Um valor bem menor que o esperado baseando-se no valor obtido para hidrogenação de uma única ligação dupla. + 3 H2 ∆Ηο = − 49,8 Κcal/mol Valor obtido experimentalmente Instituto de Ciências Exatas e da Natureza Professor João Carlos Martins Mafra Universidade do Grande Rio – Professor José de Souza Herdy 3 E "Cicloexatrieno" ∆Ηο = −85,8 Κcal/mol Benzeno ∆Ηο = −49,8 Κcal/mol Cicloexano Coordenada de reação Esta diferença de energia encontrada entre o valor esperado e o efetivamente medido (85,8 – 49,8 = 36 Kcal / Mol) é conhecida como energia de estabilização, promovida pela deslocalização eletrônica obtida na ressonância. EFEITO DA DESLOCALIZAÇÃO DOS ELÉTRONS NO pKa O OH pKa = 4,76 OH pKa = 15,9 Por que o ácido acético é mais ácido que o etanol, uma vez que ambos apresentam um hidrogênio ligado a um átomo de oxigênio? O OH O O Íon acetato + + H OH O - + H + Íon etóxido Quando ocorre a deprotonação, as espécies formadas são: o íon acetato e o íon etóxido. No íon etóxido a carga negativa encontra-se localizada no átomo de oxigênio sem a possibilidade de deslocalização (ressonância) o que poderia estabilizá-la. Este fato torna o íon etóxido bastante reativo (como base ou nucleófilo), podendo abstrair Instituto de Ciências Exatas e da Natureza Professor João Carlos Martins Mafra Universidade do Grande Rio – Professor José de Souza Herdy 4 um próton de uma fonte protônica, regenerando o etanol (seu ácido conjugado). No íon acetato, a carga negativa pode migrar em direção da ligação π vizinha, deslocalizandoa. Este fato leva a uma estabilização desta carga tornando o íon acetato menos reativo (menos básico). Ex.: O O O O - O - Íon estabilizado por ressonância O Híbrido de ressonância O mesmo fato da deslocalização explica a diferença de acidez entre o fenol (pKa = 10) e o cicloexanol (pKa = 16). OH H + + O - O - O O - O - - Íon fenóxido OH O - Íon fenóxido + H + Não pode ser estabilizado por ressonância Exercício: Seguindo estes conceitos, tente explicar a diferença de acidez entre os nitrogênios protonados, nas moléculas abaixo. + + NH3 Anilina protonada pKa = 4,60 NH3 Cicloexilamina protonada pKa = 11,2 CRITÉRIOS DE AROMATICIDADE Para uma substância ser considerada aromática, ela deve cumprir os seguintes requisitos: 1) Deve conter, num anel, um sistema conjugado de elétrons π. Este fato justifica que a molécula seja cíclica e plana. 2) O sistema π deve conter um número par de elétrons. Instituto de Ciências Exatas e da Natureza Professor João Carlos Martins Mafra Universidade do Grande Rio – Professor José de Souza Herdy 5 3) Deve seguir a regra de Hückel ⇒ (4n + 2) π elétrons, onde n é igual a um número inteiro, logo, quando um composto aromático tiver 2 elétrons π (n será igual a 0); 6 elétrons π (n = 1); 10 elétrons π (n = 2); 14 elétrons π (n = 3); 18 elétrons π (n = 4); etc. AROMATICIDADE CICLOPROPENO Não é aromático, pois não apresenta um sistema π conjugado, ou um sistema ininterrupto de orbitais p. CICLOPROPENIL CÁTION: É aromático, pois neste caso a molécula apresenta um anel com um sistema de orbitais p ininterruptos, podendo ocorrer à ressonância. + + + O Ciclopropenil ânion, pode ser aromático? Por quê? + Este íon (cicloeptatrienil cátion) é aromático ou não? Íon tropílium Caso seja, escreva todas as estruturas de ressonância possíveis. O ciclooctatetraeno (antiaromático) reage rapidamente com 2 mols de potássio metálico para formar um diânion aromático. Justifique esse fato e escreva todas as estruturas de ressonância para esse diânion. + 2K Ciclooctatetraeno (não aromático) + 2K + Ciclooctatrienil diânion (composto aromático) Justifique o fato apresentado acima Instituto de Ciências Exatas e da Natureza Professor João Carlos Martins Mafra Universidade do Grande Rio – Professor José de Souza Herdy 6 CONSEQÜÊNCIAS DA AROMATICIDADE HC CH HC C - + - H + + pKa = 25 + H3C CH3 H3C CH2 H pKa = 50 A diferença de pka entre um átomo de hidrogênio ligado a um carbono sp³ e, um outro átomo de hidrogênio, ligado a um carbono sp, reside no fato da maior eletronegatividade do carbono sp em relação ao sp3 (devido ao caráter s do orbital do carbono). Porém, a acidez dos prótons ligados ao carbono sp3 do ciclopentadieno é bastante superior a de um próton de carbono sp3 comum, sendo superior inclusive a de prótons de carbono sp e aproximando-se a acidez da água. H H H -H + pKa = 16 Como se explica o fato do ciclopentadieno, apresentar um pKa tão baixo, para os hidrogênios ligados a um carbono sp³? No ciclopentadieno, não são cumpridos os requisitos de aromaticidade, pois os elétrons não circulam livremente pelo ciclo devido ao carbono saturado (sp3). Porém, quando ocorre a deprotonação, todos os carbonos passam a ser sp² o que favorece a conjugação eletrônica entre todos os orbitais p. Essa conjugação pode ser vista nas estruturas de ressonância de mesma energia (equivalentes) mostradas na figura abaixo: H H - H+ - - δ δ − δ − δ δ − − − Note que todos os carbonos apresentam uma carga negativa, nas estruturas de ressonância, o que torna este ânion altamente deslocalizado (muito estável). Alguns compostos organometálicos resultam da aromaticidade do ciclopentadienil ânion. Por exemplo, o composto organometálico ferroceno é formado da reação de 2 mols do ciclopentadienil ânion com um mol de íon ferro +2 (ferroso). O ferroceno é um composto estável que apresenta uma estrutura curiosa parecida com um sanduíche onde o átomo de ferro encontra-se no centro da estrutura e os átomos Instituto de Ciências Exatas e da Natureza Professor João Carlos Martins Mafra Universidade do Grande Rio – Professor José de Souza Herdy 7 de carbonos dos ciclos nas extremidades superior e inferior. Como os carbonos do ciclopentadienil ânion se equivalem todos estarão igualmente ligados ao íon ferroso. 2 + Fe +2 Fe Ferroceno NOMEMCLATURA DE BENZENOS MONOSUBSTITUIDOS • Alguns benzenos monosubstituidos são nomeados simplesmente colocando o nome do grupo substituinte, seguido pela palavra benzeno. Ex.: Br Cl NO2 Bromobenzeno Clorobenzeno Nitrobenzeno Etilbenzeno • Alguns benzenos monosubstituidos apresentam nomes especiais em função do tipo de substituinte em questão. Estes nomes especiais devem ser memorizados. Ex.: CH3 OH SO 3H OCH3 NH2 Tolueno Fenol ácido benzenosulfônico Anisol Anilina CHO O CO2H CN Estireno Benzaldeído Acetofenona ácido benzóico Benzonitrila Instituto de Ciências Exatas e da Natureza Professor João Carlos Martins Mafra Universidade do Grande Rio – Professor José de Souza Herdy 8 Com exceção do tolueno, todos os alquil-benzenos são nomeados como derivados do benzeno. Ex.: Isopropilbenzeno (Cumeno) sec-butilbenzeno t-butilbenzeno Se o grupo alquil não puder ser, inambiguamente, nomeado, o composto passa a ser chamado como um alcano substituido. Neste caso, temos: Ex.: Como grupo substituínte, é chamado de grupo FENIL. Como grupo substituínte, é chamado de grupo BENZIL Cl O 2-fenil-3,3-dimetileptano Cloreto de benzila difeniléter O dibenziléter BENZENOS DISUBSTITUIDOS Benzenos dissubstituidos são nomeados de modo a indicar a posição relativa dos substituintes. Suas posições relativas podem ser indicadas por números ou pelos prefixos orto, meta e para. Ex.: Br Br Br Br Br 1,4 – Dibromobenzeno para – Dibromobenzeno p – Dibromobenzeno Professor João Carlos Martins Mafra Br 1,2 – Dibromobenzeno orto – Dibromobenzeno o – Dibromobenzeno 1,3 – Dibromobenzeno meta – Dibromobenzeno m – Dibromobenzeno Instituto de Ciências Exatas e da Natureza Universidade do Grande Rio – Professor José de Souza Herdy 9 Se os dois substituíntes forem diferentes, eles serão listados em ordem alfabética. O anel é numerado de modo a fornecer a menor numeração possível e, ao primeiro grupo em ordem alfabética é dado o número 1. Ex.: Cl H2N NO2 4 – Nitroanilina p - Nitroanilina “e não” p – Aminonitrobenzeno 2 – etilfenol o - etilfenol “e não” o – etil - hidroxibenzeno OH I 1 – Cloro – 3 – iodobenzeno meta – Cloroiodobenzeno “e não” 1 – Iodo – 3 – Clorobenzeno Alguns benzenos dissubstituidos (poucos) recebem nomes especiais, que são incorporados o nome de ambos os substituíntes. OH CH3 CH3 CH3 orto-cresol meta-xileno H2N CH3 para-toluidina BENZENOS POLISSUBSTITUÍDOS Caso o benzeno tenha mais de 2 substituíntes, os substituíntes são numerados, segundo a menor numeração possível. Os substituíntes são listados em ordem alfabética com seus números apropriados. Ex.: NO2 Br Cl Cl 2-Bromo-4-cloro-1-nitrobenzeno Br 4-Bromo-1-cloro-2-nitrobenzeno NO2 Cl O2N Br 1-Bromo-4-cloro-2-nitrobenzeno Assim como no caso de benzenos dissubstituidos, se um dos substituíntes puder ser incorporado ao nome, este grupo recebe a posição 1, independente da posição dos outros substituíntes. Ex.: NH2 O Cl Br Br 3,4-Dibromoanilina O 2N Cl 2,6-Diclorofenol Professor João Carlos Martins Mafra OH Cl 4-Cloro-2-nitroacetofenona Instituto de Ciências Exatas e da Natureza Universidade do Grande Rio – Professor José de Souza Herdy 10 EXERCÍCIOS: 1) Escreva a estrutura correspondente aos nomes listados abaixo: a) b) c) d) e) f) g) h) i) j) m – diclorobenzeno p – bromofenol o – nitroanilina 2 – bromo – 4 – iodo – nitrobenzeno 2- fenilexano 3- benzilpentano m – clorotolueno 2,5 – dinitrobenzaldeído o – xileno m – cresol 2) Escreva corretamente os nomes incorretos listados abaixo. a) b) c) d) 2,4,6 – Tribromobenzeno 3 – hidroxinitrobenzeno p – metilbromobenzeno 1,6 – Diclorobenzeno CONSIDERAÇÕES SOBRE A REATIVIDADE DO BENZENO Anteriormente, verificamos que o benzeno é formado por um ciclo de 6 carbonos com hibridação sp², apresentando um sistema conjugado com 6 elétrons π . Isto nos dá a idéia que o benzeno apresenta uma nuvem eletrônica π envolvendo os carbonos, ora na parte superior, ora num plano inferior a estes carbonos, como num sanduíche. Devido a este fato, o benzeno pode atuar numa reação química como uma espécie nucleofílica, ou seja, doadora de elétrons, devido sua alta densidade eletrônica. Figura: Mostra os seis orbitais moleculares ligantes do benzeno Em virtude da elevada energia de estabilização dos compostos aromáticos, conseguida com a ressonância, estas substâncias não são suscetíveis a reações de adição, que são reações características de alquenos. Uma vez que na adição ocorreria uma quebra da aromaticidade do sistema caracterizando um processo energeticamente desfavorável. Instituto de Ciências Exatas e da Natureza Professor João Carlos Martins Mafra Universidade do Grande Rio – Professor José de Souza Herdy 11 Reação de Adição a Dupla Ligação: + Z + E + Z - E Carbênio intermediário E Produto de adição eletrofílica HBr H Br Benzeno como Nucleófilo: Como um nucleófilo o benzeno pode reagir com um eletrófilo gerando um íon carbênio (carbocátion) acarretando em quebra da aromaticidade. Esse carbênio pode ser parcialmente estabilizado por ressonância com as outras duas duplas do anel. Essa espécie pode reagir com uma base (nucleófilo) de duas maneiras. Numa delas o nucleófilo ataca o carbono positivo levando a uma reação de adição, ou então, retira o próton do carbono sp3 regenerando a aromaticidade do sistema numa reação de substituição. Essa segunda possibilidade é bem mais favorável em relação à primeira, pois mantém a estabilidade conferida pela aromaticidade, como pode ser visto no gráfico abaixo. H E E H E H E Estruturas de ressonância do íon carbênio Gráfico de coordenada de reação para substituição eletrofílica e para adição eletrofílica ao benzeno. Energia Livre Produto de adição Z - E H E + Z E + E Produto de substituição + HZ Z Coordenada de reação Instituto de Ciências Exatas e da Natureza Professor João Carlos Martins Mafra Universidade do Grande Rio – Professor José de Souza Herdy 12 REAÇÃO DE SUBSTITUIÇÃO ELETROFÍLICA AROMÁTICA ( SEA) Neste tipo de reação um hidrogênio ligado ao anel aromático é substituído por um eletrófilo. Reação geral (hipotética): + + E + H + E Os tipos mais comuns de substituição eletrofílica aromática, são: 1) Halogenação: Onde o H do anel é trocado por Cl, Br ou I. 2) Nitração: Um grupo nitro (NO2) substitui o H. 3) Sulfonação: Um ácido sulfônico (SO3H) substitui o H. 4) Acilação de Friedel – Crafts: Um grupo acila substitui o H (RC= O grupo acila). 5) Alquilação de Friedel – Crafts: Um grupo alquila (R) substitui o H. Todas estas reações de SEA ocorrem por um mecanismo em duas etapas. Na primeira etapa, um par eletrônico do benzeno ataca uma espécie eletrofílica (E+), formando um carbênio intermediário, o qual é estabilizado por ressonância. Na Segunda etapa da reação, um próton do anel benzênico é abstraído (geralmente por uma base presente no meio), e os elétrons da ligação C – H restabelecem a aromaticidade do anel. MECANISMO GERAL DA SEA • Ataque eletrofílico: H + E + H E E + Estruturas de ressonância que estabilizam o CARBÊNIO. + H δ E δ + + H E δ + + Híbrido de ressonância Esta etapa apresenta uma energia de ativação elevada, pois, parte de uma espécie aromática, gerando um intermediário não aromático. Por isto, esta é a etapa lenta da SEA. Instituto de Ciências Exatas e da Natureza Professor João Carlos Martins Mafra Universidade do Grande Rio – Professor José de Souza Herdy 13 • Desprotonação (restabelecimento da aromaticidade): B H E + E + HB + rápida Energia Livre δ Eδ + + H B E - Deprotonação Energia de ativação do ataque eletrofílico + E + E + HB Coordenada de reação 1) HALOGENAÇÃO DO BENZENO FeCl3 Cl + HCl CLORAÇÃO + Cl2 + Br2 FeBr3 Br + HBr BROMAÇÃO + I2 * HNO3 I + H + IODAÇÃO * I2 + HNO3 2 I+ (e letrófilo) Instituto de Ciências Exatas e da Natureza Professor João Carlos Martins Mafra Universidade do Grande Rio – Professor José de Souza Herdy 14 O ácido de Lewis (FeCl3, FeBr3 ou AlCl3) é utilizado na bromação e na cloração, enquanto na iodação é utilizado um agente oxidante para favorecer a formação do eletrófilo. Br Br + FeBr3 Br + + FeBr4 - H + Br + Br + + Br FeBr4 - - FeBr3 + HBr O FeBr3 como é um catalisador é regenerado ao final do processo. • Para Cloração: Cl Cl + FeCl3 Cl + + FeCl4 - H + Cl + Cl + + Cl FeCl4 - - FeCl3 + HCl • Para Iodação: * I2 + HNO3 2 I+ (e le trófilo) H + I I - H+ + I + + HI 2) NITRAÇÃO DO BENZENO Reação Geral: NO 2 + HNO 3 H2SO 4 + H2O Nesta reação o ácido sulfúrico é adicionado para atuar como ácido forte e desidratante para favorecer a formação do eletrófilo (+NO2 - íon nitrônio). Instituto de Ciências Exatas e da Natureza Professor João Carlos Martins Mafra Universidade do Grande Rio – Professor José de Souza Herdy 15 Mecanismo: HO NO2 + H OSO 3H HO NO2 + H + - OSO3H H2O + +NO 2 H + + B NO2 NO2 + NO2 3) SULFONAÇÃO DO BENZENO Nesta reação são utilizados o ácido sulfúrico concentrado ou o ácido sulfúrico fumegante (mistura de H2SO4 + SO3) conhecido também como “Oleum”. A espécie eletrofílica gerada é o +SO3H. Reação geral: + H2SO4 ∆ SO 3H + H3O + Mecanismo: HO3S OH + H OSO3H HO 3S OH + H + - OSO 3H H2O + H + + HO 3S + B SO 3H SO3H + HB+ SO 3H + • Os ácidos sulfônicos são ácidos extremamente fortes devido à alta estabilização do íon sulfonato. SO3H SO3 + H + pKa = - 0,6 Instituto de Ciências Exatas e da Natureza Professor João Carlos Martins Mafra Universidade do Grande Rio – Professor José de Souza Herdy 16 O R S O O - O R S O - O O R S O - O A reação de sulfonação é uma reação reversível. SO3H H3O ,100 oC + + SO3 + H + Mecanismo de Dessulfonação: SO 3H + H + + H SO3H + + SO 3H 4) ACILAÇÃO DE FRIEDEL-CRAFTS Dois tipos de SEA foram desenvolvidos, independentemente, pelos pesquisadores Charles Friedel (Francês) e James Crafts (Americano). A acilação ocorre pela substituição de um átomo de H do anel por um grupo acila (RC=O), enquanto que na alquilação o grupo é um alquil (R). Os reagentes utilizados, para tanto, pode ser um cloreto de acila ou um anidrido (para acilação). Os eletrófilos são formados pela ação do ácido de Lewis (AlCl3). Reação Geral: O + O R Cl O R + 1) AlCl 3 2) H 2O R + HCl O 1) AlCl 3 2) H 2O O R O R O + R OH Mecanismo: O R Cl + O AlCl3 R Íon acílium R O + AlCl4 - Instituto de Ciências Exatas e da Natureza Professor João Carlos Martins Mafra Universidade do Grande Rio – Professor José de Souza Herdy 17 O + H O R B O R + + R HB IMPORTANTE!!! Como o produto da reação de acilação de Friedel Crafts, é uma cetona, deve ser utilizado mais de um equivalente de AlCl3. Devido à complexação do produto (cetona) com o AlCl3 (ácido de Lewis utilizado como catalisador). Ex.: O R + O AlCl3 AlCl3 R H2O O R + Al(OH)3 + HCl 5) ALQUILAÇÃO DE FRIEDEL – CRAFTS: A primeira etapa da alquilação de Friedel–Crafts, é a formação de um carbênio, a partir de um haleto de alquila e um ácido de Lewis (geralmente AlCl3). Podem ser utilizados os fluoretos, cloretos, brometos e iodetos de alquila. Os haletos de vinila e arila, “não podem ser utilizados”, uma vez que seus Carbênios são muito instáveis para serem formados. Reação geral: + R Cl AlCl3 R + HCl Mecanismo: R Cl + AlCl3 H AlCl4 - + R + + R + R AlCl4 - R + HCl + AlCl3 Catalisador Como os alquilbenzenos formados são mais reativos que o benzeno geralmente observa-se a formação de produtos de polialquilação do anel aromático. R + R + R R + + mais reativo Instituto de Ciências Exatas e da Natureza R Professor João Carlos Martins Mafra Universidade do Grande Rio – Professor José de Souza Herdy 18 Este problema pode ser facilmente minimizado, utilizando-se uma quantidade de benzeno muito maior que o eletrófilo (geralmente como próprio solvente). Desta forma, será mais provável que o eletrófilo encontre uma molécula de benzeno para reação, do que uma molécula de alquilbenzeno. A alquilação de Friedel–Crafts é dependente da estrutura do carbênio formado, uma vez que carbênios primários podem rearranjar para formar espécies mais estáveis. A reação do benzeno com cloreto de n-butila catalisada por AlCl3 leva a formação de uma mistura de produtos, onde o produto majoritário é oriundo de um rearranjo do carbênio formado inicialmente, levando a uma espécie mais estável. + Cl AlCl3 0 oC 65% + 35% H Migração 1,2 de hidreto H Carbênio secundário MAIS ESTÁVEL Carbênio primário Outro exemplo de rearranjo do íon carbênio pode ser observado na reação do cloreto de neopentila com benzeno catalisado por AlCl3 descrita abaixo. + Cl AlCl3 + 100% Não é formado Cl AlCl3 Migração 1,2 de metila Muito mais estável A alquilação de Friedel–Crafts pode ser efetuada com carbênios gerados, a partir de alquenos com HF como catalisador, ou a partir de álcoois catalisado por BF3. + HF Instituto de Ciências Exatas e da Natureza Professor João Carlos Martins Mafra Universidade do Grande Rio – Professor José de Souza Herdy 19 Mecanismo para a alquilação via alqueno e HF: H + H F - + HF HO + BF 3 60 oC + H2O CICLOEXILBENZENO (56%) Se carbênios primários são pouco estáveis, como podemos preparar alquilbenzenos (primários)? Resposta ⇒ através de uma reação de acilação de Friedel-Crafts seguida de uma redução de cetona para metileno. O + O Cl 1) AlCl 3 2) H 2O Redução* A redução de uma cetona a um grupo metileno geralmente, pode ser efetuada pelo método de Wolff-Kishner ou pelo método de Clemensen, como pode ser visto abaixo. Dependendo da molécula em questão pode-se optar por um ou outro (em meio ácido ou básico). Zn(Hg), HCl, ∆ O R H2NNH2, HO , ∆ Redução de WOLFF-KISHNER - R Redução de CLEMMENSEN R Instituto de Ciências Exatas e da Natureza Professor João Carlos Martins Mafra Universidade do Grande Rio – Professor José de Souza Herdy 20 O EFEITO DOS SUBSTITUINTES NA REATIVIDADE DO ANEL AROMÁTICO FRENTE A SEAr A etapa determinante da velocidade de uma reação de substituição eletrofílica aromática é a etapa do ataque do anel aromático (nucleófilo) a um eletrófilo. Neste caso, se o grupo substituinte do anel aromático, de alguma forma elevar a densidade eletrônica do anel, ocorrerá um aumento na velocidade de reação, uma vez que a interação nucleófilo-eletrófilo é favorecida. De modo contrário, se o grupo substituinte diminuir a densidade eletrônica do anel, a reação deve ocorrer mais lentamente. A densidade eletrônica do anel pode ser influenciada pelo substituinte, pela doação ou retirada de elétrons. Esta doação ou retirada de elétrons pode ocorrer de duas maneiras basicamente: Por Efeito Indutivo (relacionado com a eletronegatividade dos grupos), que é um efeito mais localizado (de vizinhanças); ou por Efeito de Ressonância (relacionado com a migração de elétrons através de orbitais conjugados). Velocidade relativa de benzenos substituídos frente à SEAr. X = Grupo elétron-doador. Y = Grupo elétron-atrator. X Y EFEITO INDUTIVO No efeito indutivo, devemos comparar a eletronegatividade do grupo ligado ao anel aromático. Se o átomo (ou grupo) ligado ao anel aromático for mais eletronegativo que o hidrogênio, anteriormente ligado, ele deve exercer um efeito retirador de elétrons maior que o mesmo. Logo, devemos ter uma diminuição da velocidade de reação. No caso de grupos menos eletronegativos que o átomo de hidrogênio, devemos ter um aumento da velocidade de SEAr, pois teremos um efeito elétron doador. CH3 O carbono sp 3 é menos eletronegativo que o carbono sp 2. Logo, teremos um efeito de doação de elétrons da metila para o anel aromático. • CH3 é um grupo elétron-doador, consequentemente: - Aumenta a densidade eletrônica do anel através de seu efeito indutivo; - Torna o anel mais reativo frente à eletrófilos (E+); - Aumenta a velocidade da reação de SEAr. Dessa forma é chamado de grupo ativante ou ativador do anel aromático frente à SEAr. Instituto de Ciências Exatas e da Natureza Professor João Carlos Martins Mafra Universidade do Grande Rio – Professor José de Souza Herdy 21 NH3 + Neste caso o grupo NH3 é mais eletronegativo. Desta forma, teremos um efeito de retirada de elétrons. • NH3+ é um grupo elétron-atrator, consequentemente: - Diminui a densidade eletrônica do anel através de seu efeito indutivo; - Torna o anel menos reativo frente à eletrófilos; - Diminui a velocidade da reação de SEAr. Dessa forma é chamado de grupo desativante ou desativador do anel aromático frente à SEAr. + EFEITO DE RESSONÂNCIA Na ressonância, temos a doação de elétrons (migração) no sentido dos grupos para o anel aromático (efeito +R), ou do anel aromático para os grupos (efeito –R). Para que esta migração ocorra devemos ter elétrons conjugados. Pares de elétrons não ligantes de um átomo ligado diretamente ao anel aromático, podem ser doados ao mesmo, criando uma carga negativa. Este fato, aumenta consideravelmente a densidade eletrônica no anel, estes grupos serão considerados grupos ativantes frente à reação de SEAr. No caso de grupos que possam retirar os elétrons π de uma dupla do anel, será gerada uma carga positiva dentro do anel; isto desfavorece a reação com eletrófilos, que são espécies carregadas positivamente. Estes grupos são chamados de grupos desativantes frente à reação de SEAr. Grupos ativantes por ressonância: OCH3 OCH3 OCH3 OCH3 OCH3 Grupos com pares de elétrons livres, doam elétrons ao anel, gerando uma carga negativa nas posições orto e para, em relação a ele. Instituto de Ciências Exatas e da Natureza Professor João Carlos Martins Mafra Universidade do Grande Rio – Professor José de Souza Herdy 22 Grupos desativantes por ressonância: O O O O O Grupos desativantes por ressonância geram uma carga positiva no anel aromático, passando pelas posições orto e para, em relação a ele. Importante: Repare que em ambos os exemplos anteriores (anisol e acetofenona) não se observam a formação de carga nos carbonos da posição meta, em relação ao grupo que faz a ressonância. Este fato nos indica que em reações de SEAr, com sistemas aromáticos substituídos, teremos posições com reatividade diferentes em função do grupo presente no anel. Este fato implica diretamente na regiosseletividade observada em reações de SEAr em anéis substituídos. Grupos ativantes orientarão a SEA para as posições orto e para. Grupos desativantes orientarão a SEA para a posição meta. Exemplos da regiosseletividade apresentada em anéis aromáticos monosubstituidos: CH3 + CH3 Br2 FeBr3 Br + CH3 Br Br + Cl Cl2 FeCl3 Br + Cl Br O H2SO4 O NO2 + NO2 Br2 FeBr3 Br + HNO3 NO 2 Instituto de Ciências Exatas e da Natureza Professor João Carlos Martins Mafra Universidade do Grande Rio – Professor José de Souza Herdy 23 ESTRUTURAS DE RESSONÂNCIA PARA O ATAQUE ELETROFÍLICO EM ANÉIS MONOSSUBSTITUÍDOS No caso do tolueno, que é um ativante fraco, notamos que o ataque nas posições orto e para, apresentam uma estrutura de ressonância estabilizada pelo efeito +I do grupo metila, este fato favorece o ataque nestas posições, pois diminui a energia do estado de transição para estes ataques (vide esquema abaixo). CH3 CH3 H E MAIS ES TÁVEL CH3 H E H E orto CH3 + CH3 CH3 E H E H CH3 E H E + meta CH3 CH3 CH3 para E H E H E H MAIS ES TÁVEL No caso do anisol, que é um sistema ativado por ressonância (ativante forte), ocorre a formação de uma estrutura de ressonância a mais, obtida pela estabilização da carga positiva do anel, pelos pares eletrônicos do átomo de oxigênio, quando o ataque ocorre nos carbonos das posições orto e para (ver esquema abaixo). OCH3 OCH3 H E H E OCH3 H E OCH3 H E RELATIVAMENTE MAIS ES TÁVEL orto OCH3 + OCH3 OCH3 E H E H OCH3 E H E + meta OCH3 OCH3 OCH3 OCH3 para E H E H E H E H RELATIVAMENTE MAIS ES TÁVEL Instituto de Ciências Exatas e da Natureza Professor João Carlos Martins Mafra Universidade do Grande Rio – Professor José de Souza Herdy 24 No caso do nitrobenzeno (sistema fortemente desativado por indução e ressonância), o ataque nas posições orto e para, gera um carbênio muito instável, pois a carga positiva gerada passa no carbono diretamente ligado ao grupo desativante (NO2), o que aumenta consideravelmente a energia do estado de transição para o ataque nestas posições. Estas estruturas em questão, não são formadas quando o ataque se dá na posição meta (vide esquema abaixo), daí o fato do grupo nitro ser meta orientador. NO2 NO2 orto H E H E NO2 H E RELATIVAMENTE INS TÁVEL NO2 + NO2 NO2 E H E H NO2 E H E + meta NO2 NO2 NO2 para E H E H E H RELATIVAMENTE INS TÁVEL RELAÇÃO DE SUBSTITUIÇÃO ORTO / PARA EM ALQUILBENZENOS A relação de substituição orto/para em alquilbenzenos depende basicamente de dois fatores: o efeito indutivo dos grupos alquila e o impedimento estéreo provocado por grupos volumosos. Podemos notar nos exemplos descritos abaixo, na medida em que os grupos substituintes aumentam de volume, a substituição na posição orto vai diminuindo, este fato se dá pelo efeito estérico provocado por estes substituíntes. No caso do tolueno, o produto de substituição na posição orto é favorecido, pois o grupo metil é um ativante por efeito indutivo (efeito de vizinhança) e seu volume não é tão grande quanto o dos grupos etil e t-butil. CH3 + CH3 HNO3 H2SO4 NO2 + CH3 61% NO2 39% + HNO3 H2SO4 NO2 + 50% Instituto de Ciências Exatas e da Natureza NO2 50% Professor João Carlos Martins Mafra Universidade do Grande Rio – Professor José de Souza Herdy 25 + HNO3 H2SO4 NO2 + 18% NO2 82% TABELA COM O PERFIL DOS SUBSTITUÍNTES MAIS COMUNS EM AROMÁTICOS Instituto de Ciências Exatas e da Natureza Professor João Carlos Martins Mafra Universidade do Grande Rio – Professor José de Souza Herdy 26 CONSIDERAÇÕES ADICIONAIS SOBRE A REAÇÃO DE SEAr EM ANÉIS SUBSTITUÍDOS Nos casos onde os anéis aromáticos são bastante ativados, não é necessário a adição de um catalisador para que ocorram reações de bromação. As iodações também são passiveis de ocorrer nesses sistemas sem a necessidade de catálise. Ex.: OCH3 + OCH3 Br Br2 + OCH3 Br O O X2 excesso HO OH Fluoresceína (amarela) X = Br ou I X HO X O O X OH X X = Br; Eosina (carmim) X = I; Eritrosina (carmim) Se o ácido de Lewis é utilizado juntamente com um excesso de bromo ocorrerá a tribromação do anel. OCH3 + 3 Br2 FeBr 3 Br OCH3 Br + 3 HBr Br Grupos ativantes muito volumosos impedem a entrada do eletrófilo na posição orto favorecendo a entrada do eletrófilo na posição para, menos impedida. Este fato é bem ilustrado na síntese da p-nitroacetanilida, onde o produto para-substituido é obtido quase que exclusivamente. O NH2 O Cl Piridina H N HNO3 H2SO4 Ace tanilida Instituto de Ciências Exatas e da Natureza O H N 1) HCl, H 2O, ∆ 2) HO - NH2 NO2 NO2 Professor João Carlos Martins Mafra Universidade do Grande Rio – Professor José de Souza Herdy 27 Sistemas muito ativados são muitas vezes nitrados utilizando-se um meio mais brando, sem a utilização de ácido sulfúrico como catalisador. Este meio faz o uso de ácido acético como solvente, formando uma mistura aceto-nítrica, a qual vai liberando + NO2, lentamente. N HNO3 CH3 CO2H N NO2 + N NO2 As reações de FRIEDEL-CRAFTS (acilações ou alquilações) não são observadas em sistemas aromáticos ligados a grupos fortemente desativantes. SO3H + AlCl3 Cl NÃO OCORRE REAÇÃO NO2 + O AlCl3 Cl NÃO OCORRE REAÇÃO Anilinas, quando submetidas a reações de FRIDEL-CRAFTS, também não formam produtos de substituição eletrofílica aromática, devido à complexação dos pares eletrônicos da anilina com o ácido de Lewis (AlCl3). NH2 AlCl3 AlCl3 NH2 SISTEMA MUITO DESATIVADO Nas acilações as aminas ou fenóis podem reagir inicialmente com um cloreto de acila para formar uma amida ou um éster, respectivamente, os quais podem sofrer um posterior rearranjo conhecido como rearranjo de Fries, para formar os produtos de acilação como mostrado nos exemplos abaixo. Instituto de Ciências Exatas e da Natureza Professor João Carlos Martins Mafra Universidade do Grande Rio – Professor José de Souza Herdy 28 Ref.: Convenient Synthetic Approach to 2,4-Disubstituted Quinazolines. S. Ferrini, F. Ponticelli, M. Taddei, Org. Lett., 2007, 9, 69-72. Ref.: Fries rearrangement in methane sulfonic acid, an environmental friendly acid. A.Commarieu, W. Hoelderich, J. A. Laffitte, M.-P. Dupont, J. Mol. Cat. A.: Chemical, 2002, 182-183, 137-141. REAÇÕES DE SEAr EM ANÉIS COM MAIS DE UM SUBSTITUÍNTE Quando um anel dissubstituído sofre uma SEAr o efeito dirigente de ambos os grupos devem ser considerados. Se os substituintes orientam a entrada do eletrófilo para a mesma posição o produto da reação é facilmente previsto, como visto abaixo na nitração do p-nitrotolueno. os dois substituintes orientam para esta posição (meta em relação ao nitro e orto em relação a metila) CH3 HNO 3 H2SO4 NO2 NO 2 CH3 NO2 Na molécula do m-clorotolueno três posições são favorecidas para a entrada do eletrófilo. Porém, em uma delas não ocorrerá a substituição devido ao impedimento estéreo provocado pelos dois substituintes (metila e cloro), formando assim dois produtos de substituição eletrofílica. Instituto de Ciências Exatas e da Natureza Professor João Carlos Martins Mafra Universidade do Grande Rio – Professor José de Souza Herdy 29 CH3 maior impedimento estéreo HNO 3 Cl H2SO4 CH3 CH3 + Cl NO 2 O 2N Cl os dois substituintes orientam para estas posições (orto e para em relação a metila e ao cloro) Quando os dois substituintes dirigirem a substituição para posições diferentes, um substituinte mais fortemente ativador prevalecerá sobre um ativador mais fraco ou um substituinte desativador. Este fato é observado na bromação do p-cresol que leva a formação de um único produto de substituição orientado pela hidroxila fenólica. Metila (ativador fraco) orienta para esta posição CH3 Br 2 + HBr Hidroxila (ativador forte) orienta para esta posição Br OH OH ÚNICO PRODUTO CH3 Quando os dois substituintes não apresentam muita diferença no poder orientador, nenhum deles irá dominar a seletividade e uma mistura de produtos será obtida, como pode ser observada na nitração do p-clorotolueno. Metila (ativador fraco) orienta para esta posição CH3 HNO 3 Cloro (desativador fraco) orienta para esta posição H2SO4 Cl Cl + NO2 Cl MISTURA DE PRODUTOS CH3 CH3 NO2 Exercício: indique o produto de SEAr formado preferencialmente em cada uma das reações abaixo: O O O H HNO 3 AcOH HNO 3/H2SO4 O O AcOH Professor João Carlos Martins Mafra Instituto de Ciências Exatas e da Natureza Universidade do Grande Rio – Professor José de Souza Herdy 30 REAÇÕES DE SUBSTITUIÇÃO ELETROFÍLICA NO NAFTALENO Assim como o benzeno o naftaleno é um composto aromático com anéis ou núcleos fundidos. A molécula do naftaleno apresenta três estruturas de ressonância contribuintes. Da mesma maneira que o benzeno o naftaleno é capaz de sofrer reações de SEAr. Esta substituição ocorre preferencialmente na posição alfa em detrimento da posição beta do naftaleno, como pode ser visto nas nitrações desse sistema. α β β α α β β α HNO 3 H2SO4 NO 2 + H2O 1-nitronaftaleno (α-nitronaftaleno) Duas evidências experimentais acerca da reatividade do naftaleno são: • • Ele é mais reativo que o benzeno; A SEAr ocorre preferencialmente na posição alfa em detrimento da posição beta. O fato da maior reatividade do naftaleno em relação ao benzeno pode ser ilustrado através da reação de bromação do mesmo que ocorre sem a necessidade da utilização de um catalisador (ácido de Lewis), o que ocorre somente em sistemas aromáticos bastante reativos. Br + Br2 + HBr 1-bromonaftaleno A explicação para ambas as evidências podem ser dada analisando-se as estruturas de ressonância formadas quando ocorre o ataque eletrofílico no benzeno e, comparando-as com as estruturas formadas no ataque eletrofílico nas posições alfa e beta do naftaleno, como visto a seguir. Instituto de Ciências Exatas e da Natureza Professor João Carlos Martins Mafra Universidade do Grande Rio – Professor José de Souza Herdy 31 H E E H E H E Estruturas de ressonância para o ataque eletrofílico no benzeno Estruturas de ressonância para o ataque eletrofílico a posição alfa do naftaleno: E H E H E H E H E H E H E H E Estruturas de ressonância para o ataque eletrofílico a posição beta do naftaleno: E H E H E H E H E H E H E Como podemos observar na análise das estruturas de ressonância para o ataque eletrofílico, o naftaleno é mais reativo que o benzeno em função do carbênio (carbocátion – estabilizado por 7 estruturas de ressonância no caso do ataque alfa) gerado ser mais estável que no caso do bezeno (estabilizado por 3 estruturas de ressonância). Ainda sobre estas estruturas podemos observar que o ataque à posição alfa do naftaleno gera um carbênio que pode ser estabilizado por sete estruturas de ressonância onde em quatro delas a aromaticidade de um dos anéis é mantida, enquanto o ataque em beta leva à formação de seis estruturas de ressonância onde Instituto de Ciências Exatas e da Natureza Professor João Carlos Martins Mafra Universidade do Grande Rio – Professor José de Souza Herdy 32 em somente duas delas um dos anéis permanece com sua aromaticidade integra. Desta forma, podemos concluir que o ataque eletrofílico na posição alfa é mais favorável que na posição beta do naftaleno. A reação de sulfonação do naftaleno nem sempre leva a formação do produto substituído na posição alfa. Caso a reação seja realizada sob condições que não favoreçam o equilíbrio (temperaturas abaixo de 80ºC, fato que a torna irreversível) o produto obtido será o ácido alfa-naftalenossulfônio (produto cinético). Porém, quando realizada sob condições que favoreçam o equilíbrio (temperaturas em torno de 160ºC, fato que a torna reversível) ocorrerá preferencialmente à formação do ácido betanaftalenossulfônio (produto termodinâmico). SO3H H2SO4 80oC + H2O Ácido 1-naftalenossulfônio (produto cinético) SO3H + H2SO4 ácido alfa-naftalenossulfônio (produto cinético) 160 oC SO3H ácido beta-naftalenossulfônio (produto termodinâmico) O produto substituído na posição alfa é o mais fácil de ser formado porque o carbocátion que leva a sua formação é mais estável. Enquanto o produto substituído na posição beta é mais estável porque há mais espaço nessa posição para o grupo sulfônio volumoso. Na posição alfa o grupo sulfônio está muito próximo do átomo de hidrogênio da posição alfa vizinha levando a um estado de repulsão. Instituto de Ciências Exatas e da Natureza Professor João Carlos Martins Mafra Universidade do Grande Rio – Professor José de Souza Herdy 33 No caso de SEAr em naftalenos substituídos, a natureza do substituinte determinará em qual anel irá ocorrer a reação. Se o substituinte for desativador, o eletrófilo se ligará preferencialmente na posição alfa do outro anel, uma vez que o anel com o substituinte é menos reativo (desativado). Como exemplo, na nitração do 1nitronaftaleno ocorre à entrada de um segundo grupo nitro na posição alfa do anel vizinho menos impedido. como pode ser visto abaixo: NO 2 + HNO3/H2SO4 NO 2 NO 2 Se o substituinte é ativante, o eletrófilo vai atacar preferencialmente o anel em que está ligado o substituinte uma vez que o mesmo é mais reativo. Nesse caso o eletrófilo será dirigido à posição alfa, que seja orto ou para em relação ao substituinte, devido à possibilidade de maior estabilização dessas posições pelo efeito elétrondoador desses substituintes, como pode ser visto nos exemplos abaixo. OCH3 O + Cl 2) H2O O 1) AlCl3 + HCl OCH3 Br CH3 + Br2 CH3 + HBr Exercício: Escreva a estrutura do produto formado na cloração das substâncias apresentadas abaixo. A) OCH3 B) CH3 C) Br D) NO2 Instituto de Ciências Exatas e da Natureza Professor João Carlos Martins Mafra Universidade do Grande Rio – Professor José de Souza Herdy 34 REAÇÕES DE SUBSTITUIÇÃO NUCLEOFÍLICA AROMÁTICA (SNAr) Devido ao sistema de duplas conjugadas os compostos aromáticos são bases de Lewis. A troca de um substituinte por um reagente nucleofílico (por exemplo: OH-, NH2-) é, geralmente, bem mais difícil que a substituição eletrofílica. Abaixo é representado um esquema geral de uma substituição nucleofílica aromática (SNAr). X + Y Y + X Nessa reação é eliminado o substituínte “X” juntamente com o par de elétrons da ligação com o anel aromático. Por isso, é fundamental que o grupo deslocado seja um ânion de baixa energia (mais estável), ou uma molécula neutra. Como exemplo, podemos citar: halogenetos, o grupo sulfônio e o grupo diazônio. A substituição de um átomo de hidrogênio é, pelo contrário, bastante difícil e só consegue quando for possível remover o ânion hidreto altamente básico e reativo, por exemplo, por oxidação. SUBSTITUIÇÃO NUCLEOFÍLICA EM COMPOSTOS AROMÁTICOS ATIVADOS Os substituintes fortemente elétron-atratores (- I e –R), fazem baixar a densidade eletrônica dos compostos aromáticos e por isso dificultam a SEAr. Porém, favorecem extraordinariamente a substituição nucleofílica aromática, sendo classificados como ativadores desse tipo de reação. O mecanismo das substituições nucleofílicas nos compostos aromáticos ativados, que corresponde a um mecanismo de adição-eliminação, pode ser exemplificado pelo caso tecnicamente importante da hidrólise do 1-cloro-4nitrobenzeno para formação do p-nitrofenol. estrutura que favorece o ataque nucleofílico Cl Cl Cl Cl Cl O N O O N O O N O O N O O N O estruturas de ressonância Mecanismo proposto Cl Cl OH OH OH adição O N O O N O Cl eliminação O N O Professor João Carlos Martins Mafra Instituto de Ciências Exatas e da Natureza Universidade do Grande Rio – Professor José de Souza Herdy 35 Esta reação tem certo parentesco com a substituição nucleofílica bimolecular (SN2) nos compostos alifáticos. De maneira geral também é um mecanismo bimolecular, sendo a formação do ânion intermediário (mostrado no mecanismo acima), o passo mais lento. Contrariamente a reação SN2 e em analogia ao complexo σ da substituição eletrofílica aromática, não é um estado de transição e sim um composto autêntico. Para que ocorra tal reação é necessário que o centro reacional esteja positivado (como visto nas estruturas de ressonância mostradas acima) e que a carga negativa do ânion formado no ataque nucleofílico esteja muito deslocada por conjugação. Estas duas condições cumprem-se sempre que os substituintes elétron-atratores estejam localizados nas posições orto ou para em relação ao grupo que vai ser substituído. A ação ativadora desses substituintes depende do seu poder de atrair elétrons, e diminui de acordo com a seguinte série: N N > NO2 > CN > CHO > COCH3 > N N Ph > Cl Pelos motivos indicados acima, as substituições nucleofílicas aromáticas ocorrem com relativa facilidade em heterocíclicos tais como a piridina e a quinolina (em analogia ao nitrobenzeno). A reação é também facilitada quando o centro reacional fica positivado por ação do grupo que vai ser substituído, ou grupo abandonador (tal como o cloro na hidrólise discutida acima). Assim os halogênios podem em geral permutar com maior facilidade, conforme a seguinte série: iodo < bromo < cloro << flúor. Repare que esta série é exatamente contrária a que se encontra para as reações SN2 (iodo > bromo > cloro >> flúor). Essa diferença ocorre, pois na SN2 a liberação do halogênio ocorre simultaneamente com o ataque nucleofílico, enquanto que na SNAr esse passo não é simultâneo. Dessa forma, a velocidade da reação de SNAr em compostos ativados dependerá basicamente da nucleofilicidade da base utilizada e da capacidade do composto aromático para atrair elétrons e positivar o centro reacional. A questão da reatividade de sistemas aromáticos nas SNAr pode ser evidenciada nos exemplos descritos abaixo. A hidrólise do clorobenzeno a fenol só acontece em condições muito extremas, enquanto a hidrólise nos derivados de ortocloronitrobenzeno e para-cloronitrobenzeno consegue-se em solução de carbonato de sódio a 130 oC. Enquanto o cloreto de picrila (1-cloro-2,4,6-trinitrobenzeno) chega a ter reatividade comparável a um cloreto de acila. Cl NaOH 15% OH + Cl 350 oC Instituto de Ciências Exatas e da Natureza Professor João Carlos Martins Mafra Universidade do Grande Rio – Professor José de Souza Herdy 36 Cl NaCO 3(aq) o ou p-NO 2 Cl O 2N NO2 H2O O 2N OH 130 oC OH o ou p-NO 2 NO2 + Cl NO2 50 oC NO 2 As SNAr em aromáticos ativados apresentam-se com um método muito interessante para reações em escala de laboratório, assim como em escala industrial. Alguns exemplos são esquematizados abaixo (procure escrever as equações químicas para cada um dos esquemas apresentados). a) 1-cloro-2,4-dinitrobenzeno + NaOH → 2,4-dinitrofenol + HNO3/H2SO4 → ác. pícrico b) 1-cloro-2,4-dinitrobenzeno + NH2NH2 → 2,4-dinitrofenilidrazina c) N,N-dialquil-p-nitrosoanilina + NaOH → dialquiamina + p-nitrosofenol d) p-flúornitrobenzeno + CH3O- → p-nitroanisol e) 1-bromo-2,4-dinitrobenzeno + etilamina → brometo de N-etil-2,4-dinitroanilinium A SNAr é utilizada na identificação de aminoácidos terminais em peptídeos. Onde se faz reagir o peptídeo com 1-Flúor-2,4-dinitrobenzeno e, após a hidrólise, identifica-se o aminoácido terminal na forma de derivado 2,4-difenílico, o qual pode ser facilmente isolado dos outros aminoácidos como mostrado a seguir. R F NO 2 H2N CH CO Peptídeo + R O2N O 2N hidrólise HN CH CO Peptídeo NO2 NO2 + aminoácidos O 2N NH CH CO2H R Entre as SNAr em compostos ativados em que se substitui um átomo de hidrogênio, é sobretudo importante a síntese de CHICHIBABIN das 2- ou 4Instituto de Ciências Exatas e da Natureza Professor João Carlos Martins Mafra Universidade do Grande Rio – Professor José de Souza Herdy 37 aminopiridinas, ou quinolinas, por meio de amideto de sódio. O hidreto de sódio que se forma, reage com o hidrogênio ativo da aminopiridina, como mostrado no esquema abaixo: H NH 2 N H2N N H H2N N H2 + HN N SUBSTITUIÇÃO NUCLEOFÍLICA EM COMPOSTOS AROMÁTICOS DESATIVADOS Os átomos de halogênio ligados a um anel aromático que não sejam ativados por grupos elétron-atratores (- I ou - R), não são substituídos por nucleófilos, tais como hidroxila, amônia ou cianeto, em condições brandas. Entretanto, o clorobenzeno pode sofrer substituição nucleofílica na presença de uma base forte como o íon amideto (NH2-). Dois fatores chamam atenção nessa reação: o haleto de arila não precisa possuir um grupo fortemente elétron-atrator ligado à posição orto ou para em relação ao grupo de saída, e o substituinte que entra nem sempre se liga ao carbono que continha o grupo de saída. Por exemplo, quando o clorobenzeno marcado isotopicamente com 14C no qual o cloro está ligado, é tratado com amida de sódio em amônia líquida, a anilina gerada apresenta metade das moléculas com o grupo NH2 ligado ao carbono marcado e a outra metade ligada ao carbono vizinho, como visto abaixo. Cabe destacar que esses são os únicos produtos obtidos e, não são observados anilinas com o grupo amino localizado a uma distância de dois ou três carbonos do átomo marcado. Cl NaNH2 NH3(liq) = 14C NH2 NH2 + O fato dos dois produtos serem formados em quantidades aproximadamente iguais indica que a reação ocorre por um mecanismo que forma um intermediário onde os dois carbonos, aos quais o grupo amina é ligado no produto, são equivalentes. O mecanismo que explica essas observações experimentais envolve a formação de um intermediário benzino. O benzino tem uma ligação tripla entre dois átomos de carbono adjacentes do benzeno. Na primeira etapa do mecanismo, a base forte (NH2-) retira um próton da posição orto em relação ao átomo de halogênio. O ânion resultante expulsa o íon haleto, formando um sistema benzino. Nessa altura o íon NH2-, pode atuar como um nucleófilo e atacar ambos os átomos de carbono da “tripla ligação” do benzino. A protonação do ânion resultante leva ao produto de substituição. A reação global é uma reação de eliminação-adição: o benzino é formado em uma reação de eliminação e imediatamente sofre uma reação de adição (vide mecanismo proposto abaixo). Instituto de Ciências Exatas e da Natureza Professor João Carlos Martins Mafra Universidade do Grande Rio – Professor José de Souza Herdy 38 Cl + H = 14C Cl NH 2 - NH3 - Cl BENZINO NH2 H NH2 - NH2 NH2 + NH2 H NH2 NH2 - NH2 NH2 A reação de substituição no carbono onde o halogênio estava originalmente ligado é denominada substituição direta. Enquanto a substituição no carbono adjacente é denominada substituição cine (cine vem da palavra grega kinesis, que significa movimento). Este fato pode ser ilustrado no exemplo abaixo. CH3 Br NaNH2 NH3(liq.) produto de subst. direta CH3 NH2 + NH2 produto de subst. cine CH3 Exercício: escreva a estrutura dos produtos formados nas reações abaixo (dica: escreva a estrutura dos benzinos intermediários em cada uma das reações). CH3 NaNH2 Br NH3(liq.) CH3 NaNH2 NH3(liq.) Br Instituto de Ciências Exatas e da Natureza Professor João Carlos Martins Mafra Universidade do Grande Rio – Professor José de Souza Herdy 39 BIBLIOGRAFIA CONSULTADA: 1) Bruice, Paula Yurkanis. Química orgânica, 4a edição, volumes 1 e 2. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2006. 2) Becker, Heinz G. O. Organikum: Química Orgânica Experimental. 2a edição. Porto: Fundação Calouste Gulbenkian, 1997. 3) Solomons, T. W. Graham; Fryhle, Craig B. Química Orgânica. 7a edição, volumes 1 e 2. Rio de Janeiro: LTC – Livros Técnicos e Científicos Editora S.A., 2002. 4) Norman, R. O. C.; Coxon, J. M. Priciples of Organic Synthesis. 3rd edition. Glasgow: Blackie Academic & Profissional, 1993. Instituto de Ciências Exatas e da Natureza Professor João Carlos Martins Mafra