Halogenación del Benceno
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.
Mecanismo
de la Bromación:
1) Activación del bromo por
un ácido de Lewis (FeBr3)
2) Ataque electrófilo sobre el benceno por bromo activado
3) El FeBr4- formado en la
etapa anterior actúa ahora como base abstrayendo el protón del catión hexadienilo.
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.
La dificultad termodinámica de la yodación
puede evitarse añadiendo una sal de plata a la mezcla de nitración, que activa
y elimina el producto el producto (yoduro) de la reacción por precipitación.
Para la fluoración del benceno puede emplearse la
reacción de Schiemann.
La sal de diazonio para la
reacción de Schiemann a su vez se prepara a partir de
anilina:
Nitración del Benceno:
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.
Mecanismo
de la Nitración:
1) Activación del ácido
nítrico por el ácido sulfúrico (formación del ion nitronio)
ion nitronio
2) Ataque electrófilico sobre el ion nitronio
3) Abstracción del protón
por parte de la base conjugada del ácido sulfúrico.
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 estannoso para formar aninoarenos
(anilina).
Sulfonación del Benceno:
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.
Mecanismo
de la Sulfonación:
ácido bencenosulfónico (95%)
La sulfonación es reversible,
tiene utilidad sintética, debido a que el sustituyente
ácido sulfónico puede utilizarse como grupo protector
para dirigir la sustitución.
Alquilación del Benceno: Reacción de Friedel-Crafts
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.
Mecanismo
de la Alquilación:
1) Activación del haloalcano
2) Ataque electrófilo
3) Pérdida del protón
Las alquilaciones de Friedel-Crafts intramoleculares
pueden utilizarse para la construcción de un nuevo anillo fusionado con el
núcleo bencénico.
Las alquilaciones de Friedel-Crafts pueden llevarse a
cabo con cualquier producto de partida, como un alcohol o un alqueno que pueda
generar carbocationes:
Si bien las alquilaciones de Friedel-Crafts son útiles en
términos generales para la síntesis de alquilbencenos,
están sujetas a ciertas limitaciones. Una de ellas es que sólo se pueden usar halogenuros de alquilo, la reacción no funciona con halogenuros de
arilo y halogenuros
vinílicos. Una segunda limitación es que las reacciones de Friedel-crafts no proceden con
anillos aromáticos que estén sustituidos con grupos fuertemente desactivadores. Una tercera limitación es que estas
reacciones son difícil de detener en el producto monosustituido,
suelen dar el producto disustituido en para como producto principal.
Acilación de Friedel-Crafts
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. 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:
Las reacciones anteriormente
comentadas se pueden resumir dela siguiente forma:
|
|
||
|
Electrófilo (XÅ) |
Reactivo |
Reacción |
|
R+ |
RBr +
AlCl3 ROH +
H+ Alqueno + H+ |
Alquilación Friedel-Crafts |
|
RCO+ |
RCOCl +
AlCl3 |
Acilación Friedel-Crafts |
|
NO2+ |
HNO3 +
H2SO4 |
Nitración |
|
Cl+ |
Cl2 +
FeCl3 |
Cloración |
|
Br+ |
Br2 +
Fe |
Bromación |
|
HOSO2+ |
H2SO4 |
Sulfonación |
|
ClSO2+ |
ClSO2OH |
Clorosulfonación |
Muchos compuestos aromáticos
se preparan por desplazamiento nucleofílico a partir
de sales
de diazonio. A su vez las sales de diazonio se pueden preparar de la siguiente manera:
|
|
|
|
Z |
Reactivo |
|
HO |
H2O |
|
RO |
ROH |
|
CN |
CuCN |
|
Cl |
CuCl |
|
Br |
CuBr |
|
I |
KI |
|
Ar |
ArH |
|
H |
H3PO2
o EtOH/H+ |
|
F |
HBF4/D |
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. H2, Pd, Etanol |
|
Oxidación: -CH2Cl |
-CHO |
hexamina |
|
-CH2R |
-CO2H |
KMnO4 |
|
-CH3 |
|
|
|
-COR |
-OCOR |
R’CO3H |
|
Sustitución: -CH3 -CH3 |
-CCl3 -CH2Br |
Cl2, PCl5 NBS, CCl4 |
|
-CCl3 |
-CF3 |
SbF3 |
|
-CN |
-CO2H |
HO-, H2O |
|
-Br |
-NH2 |
NH2- Na+, NH3 |
Otras reacciones importante
del anillo benceno son:
Reducción de Birch:
Hidrogenación Catalítica de anillos Aromáticos:
Sustitución Aromática a través de intermedios Bencino:
Síntesis de Bencenos Disustituidos:
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.
Ejemplo: Sintetizar el ácido
p-bromobenzoico
a partir de benceno.
Es necesario preguntarse “¿Cuál
es un precursor inmediato del ácido p-bromobenzoico?”
El análisis sintético hacia atrás (retrosintético) revela dos rutas
válidas que van del benceno al ácido p-bromobenzoico.
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.
La síntesis final es una ruta de cuatro pasos a partir
del benceno:
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.
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.
|
Dirección |
Grupo |
Activación |
|
orto-para |
-NH2 , -NHR , -NR2 -OH , OR |
Activantes fuertes |
|
orto-para |
-NHCOR -OCOR Alquenos |
Activantes moderados |
|
orto-para |
-R (alquilo) -fenilo |
Activantes débiles |
|
orto-para |
-F , -Cl , -Br , -I |
Desactivante débiles |
|
meta |
-CX3 (X = F, Cl,
etc.) -COOH, -COOR, -COR , -COH -SO3H; -NO2; -NR+3
, -CN |
Desactivantes fuertes |
La bromación electrófilica, del metilbenceno (tolueno) da sustitución orto y para.
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:
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.
Los sustituyentes desactivantes por efecto inductivo orientan en meta, como por ejemplo la nitración del trifluorometilbenceno, en donde el único producto es el meta.
explicación mecanistica:
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.
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.
REGLAS
PARA PREDECIR LA ORIENTACIÓN EN LOS BENCENOS DISUSTITUIDOS
1.- Si todos los sustituyentes se refuerzan
entre si, la entrada del tercer grupo no genera ningún tipo de problemas.
Ejemplos:
|
|
|
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.)
Ejemplos:
|
|
|
3.- Un grupo fuertemente activador, que compite con un grupo
débilmente activador,controla
la orientación.
Ejemplos:
|
|
|
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.
Ejemplo:
5.- En la posición de impedimento estérico,
entre los sustituyentes meta hay muy poca sustitución.
Otras reacciones de interés:
¿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.
Para obtener el para-bromobenceno
a partir de fenol se debe proceder de la siguiente manera:
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.
