LECCIÓN 14 Antonio Galindo Brito 1 HIDROCARBUROS AROMÁTICOS Química Orgánica 2º. Objetivos Formular y nombrar los bencenos sustituidos, explicando la estructura del benceno tomando como base las teorías de enlace. Conocer el fenómeno de la aromaticidad, explicar la estabilidad especial que entraña y calcular la energía de resonancia del benceno. Extender este concepto a otras especies neutras o iónicas diferentes del benceno y establecer los requisitos indispensables para que una especie pueda ser aromática. Introducir el concepto de antiaromaticidad examinando algunos ejemplos de especies antiaromáticas neutras o iónicas y establecer los requisitos indispensables para que una especie pueda ser antiaromática, relacionando este concepto y los requisitos exigidos con el de aromaticidad. Describir la sustitución electrófila (SEAr ) como la reactividad típica de los compuestos aromáticos y conocer con detalle el mecanismo principal por el que transcurren este tipo de reacciones. Conocer las más importantes reacciones de sustitución electrófila aromática destacando su utilidad para la preparación de derivados del benceno a través de la creación de enlaces carbono-halógeno (halogenaciones), carbono-nitrógeno (nitración), carbono- azufre (sulfonación) y carbono-carbono (alquilaciones y acilaciones de Friedel-Crafts. Finalmente se examinarán las más importantes aplicaciones industriales del benceno y sus derivados, así como las diversas formas alotrópicas del carbono destacando entre ellas las aromáticas. LECCIÓN 14 Antonio Galindo Brito 2 HIDROCARBUROS AROMÁTICOS Química Orgánica 2º. Nomenclatura Cl ; benceno NO2 ; clorobenceno ; nitrobenceno ; etilbenceno propilbenceno (+ - )-sec-butilbenceno etinilbenceno CH3 NH2 OH ; ; ; ; ; ; CHO ; metilbenceno vinilbenceno isopropilbenceno hidroxibenceno aminobenceno benceno carboxaldehído tolueno estireno cumeno benzaldehído anilina fenol O COOH ; ; ácido benceno carboxílico ácido benzoico O fenil, metil, cetona acetofenona O ; fenil, propil, cetona propiofenona difenilcetona benzofenona LECCIÓN 14 Química Orgánica 2º. Antonio Galindo Brito 3 CH3 CH3 CH3 CH3 ; ; 1,2-dimetilbenceno o-metil-tolueno H3C CH3 CH3 ;HC CH3 3 1,3-dimetilbenceno m-metil-tolueno 1,4-dimetilbenceno p-metil-tolueno CH3 1,3,5-trimetilbenceno mesitileno NO2 Br CH3 NO2 ; ; ; CH3 1,2,3-trimetil-benceno 1-bromo-2-nitro-benceno 1,3,5-trivinil-benceno NO2 O2N 1,3,5-trinitro-benceno COOH CHO OH Cl NO2 m-nitro-benzaldehído ; H2N ; o-clorofenol ; Br p-bromo-anilina NO2 m-nitro-estireno ; Ácido m-etil-benzoico LECCIÓN 14 Química Orgánica 2º. Antonio Galindo Brito 4 COOH CH3 OH NO2 O2 N Cl ; ; ; O2N NO2 O2 N NO2 1-metil-2,4,6trinitro-benceno 2-cloro2,4,6-trinitro5-nitro-fenol tolueno (TNT) 1-vinil-2,5-dinitrobenceno 3,5-dinitro-estireno NO2 Ácido 5-etil--4-nitro2- vinil-benzoico Radicales arilo CH3 ;C H 6 5 Fenilo (Ph) ; CH2 ; Bencilo (Bn) ; ; o-Toluilo CH3 CH3 m-Toluilo p-Toluilo COOH propilbenceno 1-fenil-2-trans, 4-transheptadieno Ácido (4R)-fenil-pentanoico LECCIÓN 14 Química Orgánica 2º. H3C CHO 3-fenil-2-transpropenal Cl 5 4 3 ; 1 ; 2 cis-difenil-eteno (3R, 4R, 5R)-3-fenil4-cloro-5-metil-ciclohexeno Estructura y estabilidad del benceno Bencenos de Kekule (I) Bencenos de Kekule (I) Antonio Galindo Brito 5 (III) (II) Bencenos de Dewar (II) (IV) (V) (VI) enlace pi del benceno H H C-H= º 1,09 A Todos iguales H C-C= º 1,39 A º 1,09 A Todos iguales 120º 120º H º 1,39 A H H enlace pi del benceno LECCIÓN 14 Química Orgánica 2º. benceno + ciclohexano Presión y temperaturas elevadas, catalizador + 3 H2 Antonio Galindo Brito 6 calor de hidrogenación 49,8 kcal/mol Calor hidrogenación trieno aislado 3 . (-28,6) = -85,8 kcal/mol 36 kcal/mol Energía de resonancia del benceno 2 . (-28,6) = 57,2 kcal/mol - 28,6 kcal/mol - 1,8 kcal/mol Energía 1,4-ciclohexadieno 5,6 kcal/mol - 28,6 kcal/mol 1,3-ciclohexadieno - 57,4 kcal/mol benceno - 49,8 kcal/mol - 55,4 kcal/mol ciclohexeno - 28,6 kcal/mol - 28,6 kcal/mol LECCIÓN 14 Química Orgánica 2º. Antonio Galindo Brito 7 Aromaticidad Br 2,3-dimetil-2,3-butanodiol AdE + + Br2 KMnO4 Br OH OH AdE Alqueno 2,3-dibromo-2,3-dimetilbutano Br2 + + ; benceno KMnO4 No reacciona No reacciona Sustitución electrófila aromática (SEAr) E H + + E SEAr catalizador (FeBr3) benceno + H + benceno sustituido Aromaticidad: requisitos •Cada átomo del anillo debe tener un orbital p libre, lo que obliga a que los átomos que forman el ciclo (carbono o heteroátomos) se encuentren como híbridos sp2 (en casos excepcionales sp). • Los orbitales p deben hallarse paralelos, para que al solaparse formen un continuo de orbitales paralelos en los que los electrones se deslocalicen, lo que obliga a que la molécula sea plana. •Esta deslocalización electrónica debe entrañar una disminución de energía, o dicho de otro modo, hacer que los compuestos aromáticos sean más estables. •Un compuesto aromático debe tener una estructura cíclica y contener un número determinado de dobles enlaces conjugados, concretamente (4n + 2) donde n = 0,1,2,3, etc. LECCIÓN 14 Química Orgánica 2º. Antonio Galindo Brito 8 • El número de electrones deslocalizados debe cumplir la relación (4n + 2), que se conoce como Regla de Hückel. • Aromaticidad es la gran estabilidad que presentan los compuestos cíclicos y planos que contienen dentro del ciclo (4n + 2) electrones deslocalizados. • Antiaromaticidad es la gran inestabilidad que presentan los compuestos cíclicos y planos que contienen dentro del ciclo (4n) electrones deslocalizados. • No aromáticos son aquellos compuestos que no son ni aromáticos ni antiaromáticos. MOLÉCULAS ANTIAROMÁTICAS Y AROMÁTICAS ; Benceno Aromático, muy estable ; N Piridina Aromática, muy estable MOLÉCULAS NO AROMÁTICAS ; 1,3-cis, 5-hexatrieno ciclobutadieno (muy inestable) Antiaromático 1,4-ciclohexadieno 1,3-ciclohexadieno 1 ; s-cis-1,3-butadieno No aromático, estable ; ; ; ; 1,3-cis-5-cis-7tetraoctaeno No aromático, estable 2-cis, 4-cis-hexadieno ciclohexeno 6 2 ; 3 4 5 5, 6-dimetilen-1,3ciclohexadieno No aromático, estable cis-Ciclooctetraeno No aromático, estable LECCIÓN 14 Química Orgánica 2º. Antonio Galindo Brito 9 Tipos de sustancias aromáticas Aromáticos de dos electrones (n=0) Catión ciclopropenilo. Aromático R Pr + + + + + R Pr Pr + Pr Pr + .. K = 10-7 2 H2O .. .. R Pr Perclorato de tri-n-propilo Un catión aromático estable OH .. + .. + H3O Pr Pr Catión tri-n-propil-ciclopropenilo 1, 2, 3-n-propil-ciclopropenol Aromático; muy estable + + .. OH .. .. 2 H2O .. + .. + H3O terc-butanol 2-metol-2-propanol Catión terc-butilo catión 2-metil-2-propilo Dicatión ciclobutenilo. Aromático + + + + + + + + . Pr - ClO4 LECCIÓN 14 Química Orgánica 2º. Antonio Galindo Brito 10 Aromáticos de seis electrones (n = 1) 1.- Ciclo de seis eslabones neutro con tres dobles enlaces, es decir seis electrones π (pi). ; ; N N .. ¨ ¨ N Benceno .. ¨ Piridina N N Piridazina N: N ; ¨ ¨ ; N N ¨ Pirazina Benceno N ¨ N: ¨ Piridina Piridazina N: N N ; ¨ N: N: ; Pirimidina N: ; N .. ¨ N ; N N ¨ Pirazina ¨ Pirimidina 2.- Heterociclos de cinco eslabones neutros con dos dobles enlaces (4 electrones π) y un par electrónico sin compartir sobre el heteroátomo (N, O, S). ; ; .. .. N H Tiofeno Furano Pirrol N H .. O O S S ¨ ¨ ¨ ¨ LECCIÓN 14 Química Orgánica 2º. Antonio Galindo Brito 11 3.- Heterociclos pentagonales neutros con dos dobles enlaces, dos heteroátomos (N, O, S) y un par electrónico sin compartir sobre un heteroátomo: Oxazol N: .. O .. N: N: ; O Isoxazol ; N N: ; Isotiazol N H ¨ .. N : S S ¨ ¨ N: .. S S ¨ O .. N: .. .. .. N : O .. Imidazol Tiazol N H Pirazol N: .. N : ; N H N H N: 4.- Carbocationes con seis electrones π (tres dobles enlaces) en un ciclo plano de siete eslabones 4 5 + 3 5 + 3 6 2 7 1 + + 7 Catión cicloheptatrienilo Catión tropilio + + 6 + 4 + 2 LECCIÓN 14 Química Orgánica 2º. Antonio Galindo Brito 12 5.- Anión (dos electrones sin compartir apareados) sobre un ciclo plano de cinco eslabones con dos dobles enlaces (cuatro electrones π). - Anión ciclopentadieniluro (ciclopentadienilo) 4 3 2 1 - .. 3 5 5 :- :- - ¨ 4 2 :- Aromáticos de diez electrones ( n = 2) 6.- Fusión de dos anillos aromáticos de seis eslabones compartiendo dos átomos de carbono y conteniendo uno de ellos sólo carbono y el otro carbono y heteroátomos. .. N ; ; N: ; N .. Naftaleno Naftalina N ; ; N .. ; N .. .. Isoquinoleína Isoquinolina Quinoleina Quinolina N: Quinazolina Cinolina N :; N: ; .. Quinoxalina.. .. N N: ; N .. N N .. N: ; N .. LECCIÓN 14 Química Orgánica 2º. Antonio Galindo Brito 13 7.- Fusión de un anillo aromático de seis eslabones con seis electrones π (tres dobles enlaces), con o sin heteroátomos, y un anillo aromático de cinco eslabones con cuatro electrones π (dos dobles enlaces) y un par electrónico sin compartir sobre un heteroátomo. .. ; N .. ; O .. H Indol Benzofurano .. O .. .. N .. N H N .. N .. : NH2 .. N :N .. N .. Purina N H ; N .. Adenina .. N N N .. ; O .. .. S .. ; N H .. : O: .. .. ; .. N H H2N .. N N N .. .. O .. .. S .. N .. .. N HN : .. N .. .. .. N H N Benzotiazol Benzoxazol Benzomidazol .. S .. N :N .. .. .. ; S .. Benzotiofeno .. N H Guanina N .. LECCIÓN 14 Química Orgánica 2º. Antonio Galindo Brito 14 8.- Los anulenos son polienos cíclicos de fórmula general (CH)n (n = 10) con (n/2) dobles enlaces conjugados, algunos de los cuales son planos y aromáticos: CH :O: 2 H ; Todo cis-ciclodecapentaeno Poco estable por su gran tensión angular. No aromático H ; ; (Z,Z,E,Z,E)-ciclopentaeno Poco estable por la interacción de los H orientados hacia el interior del anillo. No aromático Biciclo-[4,4,1]-undeca1,3,5,7,9-pentaeno No es completamente coplanar, pero tiene un apreciable carácter aromático 11-oxa-biciclo-[4,4,1]undeca-1,3,5,7,9-pentaeno No es completamente coplanar, pero tiene un apreciable carácter aromático 9.- Dianiones (cuatro electrones sin compartir apareados) cíclicos planos, con tres dobles enlaces (seis electrones π). Se producen cuando se trata el ciclooctatetraeno con metales alcalinos como el K (2 moles de átomos), que cede dos electrones (uno cada átomo) para formar el dianión. Se trata de un proceso redox donde el ciclooctatetraeno actúa como oxidante (se reduce), mientras que el potasio actúa como reductor (se oxida): oxidante + - : 2 K - reductor ciclooctatetraeno : -2 Dianión ciclooctatrienilo + 2 K + LECCIÓN 14 Química Orgánica 2º. Antonio Galindo Brito 15 Aromáticos de catorce electrones (n = 3) 10.- Compuestos policíclicos formados por fusión de tres anillos bencénicos (o similares). Antraceno Compuesto aromático 14 electrones π (n = 3) Fenantreno Compuesto aromático 14 electrones π (n = 3) 11.- Compuestos policíclicos formados por la fusión de cuatro anillos bencénicos (o similares) de modo que quede un doble enlace en el interior del ciclo (que no se contabiliza) y sólo se tienen en cuenta los dobles enlaces (los electrones π) periféricos: Me Me Pireno Compuesto aromático 14 electrones π (n = 3) El doble enlace interior no se contabiliza Trans-10b, 10c-dimetil10b, 10c-dihidropireno 14 electrones π (n = 3) LECCIÓN 14 Química Orgánica 2º. Antonio Galindo Brito 16 11.- Anulenos con catorce electrones (CH)n (n = 14) o el anión resultante de añadir dos electrones a un 12-anuleno: cis trans cis - - +2K cis trans : oxidante trans trans [12]-anuleno [14]-anuleno. Aromático con14 electrones π : + 2K+ reductor Dianión del ciclododecahexaeno Un dianión aromático. 14 electrones π (n = 3) 12.- Aromáticos de 18 electrones. Anuleno con 18 electrones (n = 18) y 9 dobles enlaces de los que 5 son trans y 3 cis: cis trans trans trans trans cis H H H H trans H H H H trans trans trans H H trans H H cis cis trans cis trans [18]-anuleno 18 electrones trans cis LECCIÓN 14 Química Orgánica 2º. Antonio Galindo Brito 17 N : NH ¨ HN: .. N Porfina. El sistema aromático está en trazo grueso azul. 18 electrones π oxidante : - +2K - : +2K reductor [16]-anuleno Dianión del [16]-anuleno. Aromático. 18 electrones π. Plano + LECCIÓN 14 Química Orgánica 2º. Antonio Galindo Brito 18 Compuestos antiaromáticos 1.- Antiaromáticos neutros de cuatro electrones (n = 1) - CH X ¨ ; .. ; : - X = O; Oxireno Ciclobutadieno X = NH; Azirina Antiaromático Sustancias antiaromáticas : - Anión 2-ciclopropenilo Antiaromático. 4 electrones π (n = 1) 2.- Antiaromáticos catiónicos de cuatro electrones + + + 3 5 + + 2 1 Catión ciclopentadienilo. Antiaromático 4 LECCIÓN 14 Química Orgánica 2º. Antonio Galindo Brito 19 3.- Compuestos neutros y aniones antiaromáticos de ocho electrones (n = 2) 4 5 3 3 2 benzociclobuteno antiaromático 1 ¨- - : ¨ 6 - 5 ¨ 7 Anión cicloheptatrienilo. Antiaromático : -6 4 - ¨ 2 Cis-ciclooctatetraeno. Compuesto no aromático No es antiaromático pues no es plano - : 7 - LECCIÓN 14 Química Orgánica 2º. Antonio Galindo Brito 20 3.- Antiaromáticos neutros de doce electrones (n = 3) N [12]- Anuleno Compuesto antiaromático CH2 Compuestos antiaromáticos de 12 electrones Reactividad química del benceno y sus derivados: SEAr E H H electrófilo H + H H H benceno (nucleófilo) E H H + SEAr + H H H + protón benceno H monosustituido LECCIÓN 14 Química Orgánica 2º. C Antonio Galindo Brito 21 X Halobenceno (C - X) C halogenación nitración NO2 Nitrobenceno (C - N) benceno C H SEAr sulfonación C bencenoSO3H Ácido sulfónico (C - S) alquilación (C - H) acilación C R Alquilbenceno (C - C) COR Alquil, aril, cetona C (C - C) LECCIÓN 14 Química Orgánica 2º. Antonio Galindo Brito 22 Mecanismo de las reacciones SEAr primera etapa lenta H + E H + + E carbocatión doblemente alílico (catión arenio) (intermedio de Wheland) + H E + H E + H E E + - + H B: base segunda etapa rápida HB H + E + E LECCIÓN 14 Química Orgánica 2º. Antonio Galindo Brito 23 Estado de transición de la etapa lenta Energía de activación (EA) Estado de transición de la etapa rápida Energía + + E + E H Intermedio de Wheland Coordenada de reacción E + H + LECCIÓN 14 Química Orgánica 2º. Antonio Galindo Brito 24 Halogenación del benceno + Br FeBr3 Br2 BrH + Mecanismo de la bromación Primera etapa. Formación del electrófilo Bromo libre .. bromuro férrico .. +.. - .. : Br - Br : + Complejo de bromo activado FeBr3 + : Br -Br -Fe Br3 ¨ ¨ catión bromonio ¨ ¨ .. - .. : Br Br -Fe Br3 ¨ anión tetrabromoferrato .. + - .. BrFeBr3 : : Br + .. .. Br4Fe - Tanto el complejo de bromo activado como el ion bromonio libre son potentes electrófilos capaces de atacar al anillo bencénico y se forman por la acción del FeBr3 que actúa como catalizador electrófilo (acepta un par de electrones) y debe regenerarse. LECCIÓN 14 Química Orgánica 2º. Antonio Galindo Brito 25 Segunda etapa. Ataque del electrófilo sobre el anillo bencénico .. : Br .. .. + .. + H catión bromonio potente electrófilo lenta + : Br - Br - Fe Br3 ¨ Bromo activado benceno Potente electrófilo H + Intermedio de Wheland Br + - Br Intermedio de Wheland + FeBr4 Tetrabromoferrato Br - + H rápida + FeBr4 Tetrabromoferrato (actúa como base) catalizador bromobenceno HBr + FeBr3 Bromuro de hidrógeno La cloración ocurre de manera análoga (vía un ion cloronio o el complejo activado de cloro formado en presencia de FeCl3 como catalizador), pero la fluoración directa no puede hacerse porque la reacción es demasiado enérgica y la yodación directa tampoco porque es demasiado lenta. LECCIÓN 14 Química Orgánica 2º. Antonio Galindo Brito 26 El yodobenceno puede prepararse activando el yodo con diversos reactivos [ácido nítrico, ácido yódico (HIO3), ácido peracético (CH3CO3H), peróxido de hidrógeno (H2O2), etc.], que actuando como oxidantes convierten al HI en I2 desplazando el equilibrio, pero el mejor camino es a través de las sales de diazonio, proceso que se verá más adelante y que también se usa para la preparación de los fluoroderivados. Nitración del benceno + HNO3 NO2 H2SO4 + H2O nitrobenceno benceno Mecanismo de la nitración: Formación del electrófilo (+NO2) .. :O - :..O : + N reacción ácido-base .. ..O H ácido nítrico (actúa como base) - .. + H - O.. - SO3H .. :O :O.. : ácido sulfúrico (actúa como ácido) + N .. H O + H ácido nítrico protonado - .. O .. .. + N O .. O + ¨ H + :O - SO3H ¨ H anión hidrógeno ácido nítrico protonado + .. O=N=O ¨ sulfato .. .. ¨ - .. + H2O: catión nitronio (NO2+) (potente electrófilo; especie atacante) LECCIÓN 14 Química Orgánica 2º. H + benceno H lenta NO2 + NO2 catión nitronio intermedio de Wheland - OSO H NO2 H + + Antonio Galindo Brito 27 3 + NO2 reacción ácido-base nitrobenceno nitrobenceno NO2 HOSO3H ácido sulfúrico anilina H2, Ni, calor NH2 LECCIÓN 14 Química Orgánica 2º. Antonio Galindo Brito 28 Sulfonación del benceno benceno trióxido de azufre ácido bencenosulfónico H H2SO4, 40ºC SO3H + .. trióxido de azufre ..O .. O .. SO3 .. :O .. .. ..O .. S O: ¨ .. O + .. S .. O .. .. O: .. S .. O .. .. : O.. - .. ..O .. :O .. .. O .. + S .. O .. .. S O: - .. :O + .. S .. O .. .. O .. Se utiliza ácido sulfúrico fumante que es una mezcla de ácido sulfúrico y trióxido de azufre, siendo esta última la especie electrófila, ya que el azufre en esta molécula tiene carga positiva, o sea, es deficiente en electrones. El ataque del SO3 conduce directamente al intermedio de Wheland, que es protonado por el ácido sulfúrico y a continuación deprotonado por el hidrógeno sulfato formado en la protonación, que actúa como base regenerando el ácido sulfúrico: LECCIÓN 14 Química Orgánica 2º. Antonio Galindo Brito 29 .. :O H + + - SO3 H2SO4 S + :O lenta + rápida SO3H H + - SO3 ¨ Intermedio de Wheland reacciones ácido-base - HSO4 rápida anión hidrógeno sulfato Intermedio de Wheland H + O trióxido de azufre benceno H .. .. - SO3H H2SO4 + ácido sulfúrico ácido benceno sulfónico La sulfonación es reversible y así, calentando enérgicamente el ácido bencenosulfónico se libera ácido sulfúrico regenerando benceno. En general, la sulfonación está favorecida en medio ácido fuerte y la desulfonación en ácidos diluidos y en caliente: SO3H SO4H2 diluido y cal. + SO4H2 concentrado ácido bencenosulfónico benceno HOSO3H ácido sulfúrico Taliación del benceno La introducción de un átomo de talio sobre el anillo aromático permite obtener compuestos ariltalio muy interesantes y versátiles desde el punto de vista sintético, pues se transforman fácilmente en una gran variedad de sustancias por la acción de reactivos corrientes. LECCIÓN 14 Química Orgánica 2º. Antonio Galindo Brito 30 La preparación de los ariltalio se hace tratando el benceno con trifluoracetato de talio (III) en presencia de ácido trifluoroacetico: Tl(OCOCF3)2 + benceno Tl (OCOCF3)3 CF3COOH + CF3COOH trifluoroacetato de ariltalio (III) trifluoroacetato de talio (III) Los ariltalio pueden convertirse fácilmente en arilnitrilos, benzoatos de alquilo, fluorobenceno, fenoles y yodobenceno: COOR CN Bencenonitrilo (benzonitrilo) Benzoato de alquilo KCN I KI Yodobenceno ROH, CO, PdCl2 Tl (OCOCF3)3 KF (1) Pb(OAc)4 (2) PPh3 (3) NaOH dil. OH Fenol TlF2 F BF3 Flúorobenceno LECCIÓN 14 Química Orgánica 2º. Antonio Galindo Brito 31 Alquilaciones y Acilaciones de Friedel-Crafts H lenta + R+ + carbocatión benceno R - R :B HB rápida Intermedio de Wheland + Alquilbenceno En las alquilaciones de Friedel-Crafts el electrófilo es un carbocatión (o una especie con mucho carácter de carbocatión) y por ello es útil examinar los diferentes maneras de producir carbocationes pues serán a su vez diferentes procedimientos experimentales para efectuar la alquilación del anillo aromático: 1.- A partir de un haluro de alquilo (secundario, terciario, alílico, bencílico o aromático). + .. R X Al X3 .. .. R - X: .. + Al - X3 haluro trihaluro de de alquilo aluminio tetrahaloaluminato R + + - AlX4 carbocatión 2.- A partir de un alcohol secundario, terciario, alílico, bencílico o aromático, tratado con un ácido de Lewis o un ácido prótico. Los alcoholes primarios sufren transposiciones. .. R - .. OH + alcohol AlX3 trihaluro de aluminio R .. - OH - AlX3 + R + .. O - AlX3 + H - .. carbocatión .. HX : + OAlX2 .. LECCIÓN 14 Química Orgánica 2º. .. R - OH .. + alcohol - A: H-A ácido prótico Antonio Galindo Brito 32 .. + + R R - OH 2 + .. + H 2O : carbocatión catión oxonio 3.- A partir de un alqueno tratado con un ácido prótico o un ácido de Lewis. ácido prótico alqueno + carbocatión C H-A + C F3B - + A + ; BF3 + C C Cuando el compuesto que se emplea para generar el carbocatión es un derivado metílico, el propio complejo inicial actúa como electrófilo: + benceno + Me Cl H Me - AlCl3 + Me - + AlCl4 tetracloroaluminato electrófilo Intermedio de Wheland tolueno ácido tricloruro de aluminio tetracloroalumínico catalizador [HAlCl4] HCl + AlCl3 cloruro de hidrógeno + [HAlCl4] LECCIÓN 14 Química Orgánica 2º. Antonio Galindo Brito 33 Alquilaciones del benceno (CH3)3CBr bromuro de terc-butilo Electrófilos AlCl3 OH C(CH3)3 H2SO4 + terc-butanol terc-butilbenceno benceno Nucleófilo H3PO4 2-metil-propeno isobutileno Los catalizadores más ampliamente utilizados para generar el electrófilo a partir de un adecuado sustrato (haluro de alquilo, alcohol, alqueno, etc.) son ácidos de Lewis (AlX3, FeX3, ZnCl2, BF3, SnCl4, etc.), o ácidos próticos (HF, HBF4, H2SO4, H3PO4, etc.). Alquilaciones de Friedel-Crafts intramoleculares OH H2SO4 H C C 58% racémico * C H LECCIÓN 14 H Química Orgánica 2º. .. HO .. .. ..OMe benceno .. C Me .. OMe .. 1-(4-bromo-butil)-benceno .. + : Br .. benceno H3PO4 Me Br: AlCl3 .. 1,3-dibromopropano AlCl3 Tetralina 1,2,3,4-tetrahidronaftaleno AlCl3 .. + : Br .. H Me C (87%) 1,4-dibromobutano .. Antonio Galindo Brito 34 : Br : AlCl3 .. Br .. : 1-(3-bromo-propil)- : Br : .. benceno Indano Limitaciones de la reacciones de las alquilaciones de Friedel-Crafts A pesar de la gran utilidad sintética de las alquilaciones de Friedel-Crafts que permiten la construcción de derivados bencénicos más complejos a través de la creación de enlaces C-C con introducción de grupos alquilo, no están exentas de ciertas limitaciones que conviene conocer, pues algunas de ellas se puede evitar, trabajando en las adecuadas condiciones experimentales . LECCIÓN 14 Química Orgánica 2º. Antonio Galindo Brito 35 Limitaciones de la alquilación de Friedel- Crafts 1.- Deben usarse haluros de alquilo y no pueden emplearse haluros de vinilo y de arilo como electrófilos. Haluros de alquilo Haluros de vinilo Haluros de arilo Malos Reactivos Malos Reactivos Buenos Reactivos ; ; X R-X X ( X = F, Cl, Br, I) 2.- Ocurren con frecuencia polialquilaciones que se pueden evitarse usando un gran exceso de compuesto aromático. metilbenceno o-dimetilbenceno p-dimetilbenceno benceno cloruro de metilo p-xileno o-xileno tolueno + Me - Cl AlCl3 Me Me + + Me (1 mol) (1 mol) monoalquilado + gran exceso Me - Cl (1 mol) Me Me dialquilados Me AlCl3 tolueno LECCIÓN 14 Química Orgánica 2º. Antonio Galindo Brito 36 3.-La reacción marcha con bajos rendimientos para bencenos con sustituyentes atrayentes moderados y no marcha cuando el sustituyente es fuertemente atrayente. 4.- Ocurren frecuentemente transposiciones cuando se utilizan agentes alquilantes primarios y secundarios, pues se obtiene muy mayoritariamente o únicamente, el compuesto alquilado terciario: Cl + benceno AlCl3 isopropilbenceno cumeno cloruro de propilo (primario) propilbenceno (no se obtiene) AlCl3 + benceno terc-pentil benceno Cl cloruro de neopentilo (primario) neopentilbenceno (no se obtiene) LECCIÓN 14 Química Orgánica 2º. Antonio Galindo Brito 37 Acilaciones de Friedel-Crafts En este tipo de reacciones se introduce un grupo acilo (RCO) sobre un anillo aromático creándose un enlace C-C, con lo que se obtienen aril, alquil, cetonas o diarilcetonas según se emplee como agente acilante un derivado no aromático o aromático: R - CO - Cl + O AlCl3 grupo acilo R cloruro de ácido AlCl3 R - CO - O - CO - R benceno anhídrido de ácido Ar - CO - Cl + cloruro de ácido AlCl3 anhídrido de ácido O grupo acilo Ar AlCl3 Ar - CO - O - CO - Ar benceno alquil, aril, cetona diaril, cetona Como catalizador de la reacción pueden usarse los mismos ácidos de Lewis que se describieron para las reacciones de alquilación (AlX3, SbF5, BF3, etc.) y es de resaltar que como agentes acilantes pueden usarse tanto los haluros como los anhídridos de ácido, aunque se emplean más habitualmente los haluros que los anhídridos de ácido. No obstante, conviene tener en cuenta que el catalizador se une a la cetona resultante, por lo que debe añadirse un cierto exceso para que la reacción progrese. LECCIÓN 14 Química Orgánica 2º. Antonio Galindo Brito 38 Mecanismo de la acilación de Friedel-Crafts Formación del electrófilo (un catión acilio): cloruro de ácido catalizador .. .. R - CO - Cl .. .. : + + R-C .. .. + R - CO .. - Cl .. Al Cl3 AlCl3 .. O .. catión acilio electrófilo Complejo activado tetracloro aluminato .. O + AlCl4 .. + R -C + O R-C .. Formas resonantes del catión acilio Ataque del electrófilo sobre el anillo aromático benceno :O: catión acilio + [ HAlCl4 ] + R-C .. O: HCl + + AlCl3 H alquil, aril, cetona R - AlCl : O: 4 ; complejo catalizador-cetona R + :O - AlCl3 AlCl3 R + [ HAlCl4 ] LECCIÓN 14 Química Orgánica 2º. Antonio Galindo Brito 39 La acilación presenta algunas ventajas sobre la alquilación pues: (a) no existe la posibilidad de que se formen productos de poliacilación, pues la arilcetona formada es menos reactiva que el benceno de partida (b) no se producen transposiciones y por ello es posible introducir sobre el anillo aromático cualquier grupo acilo con la misma estructura del agente acilante. Uso de los anhídridos como agentes acilantes anhídrido de ácido catalizador .. .. + AlCl3 R - CO - O .. - CO .. - R HO - + complejo activado .. + .. R - CO -O - CO .. - R - AlCl3 .. .. [HOH] R - CO -O -AlCl3 [ HOAlCl3 ] .. .. AlCl3 R - COOH + + catión acilio + R -C .. O .. Ventajas sintéticas de la acilación 1.- Las alquilarilcetonas obtenidas pueden convertirse fácilmente en alcoholes o en alcanos por reducción: OH OH Ar O O NaBH4 NaBH4 ( +- )-1-fenil-1-propanol (+- ) -1-aril-1-fenil-metanol Ar Ar Etil, fenil, cetona Zn-HCl Propilbenceno diaril, cetona Zn-HCl Fenil, aril, metano LECCIÓN 14 Química Orgánica 2º. Antonio Galindo Brito 40 Usando un anhídrido cíclico es posible fusionar un nuevo anillo sobre el benceno: O benceno + O AlCl3 Zn(Hg), HCl reflujo 88% 90% O O HO anhídrido succínico (agente acilante) HO O O ácido 4-fenil-butanoico ácido 3-benzoilpropanoico SOCl2 α-Tetralona 95% cloruro de 4-fenil-butanoilo AlCl3 , CS2 75-90% Cl O O Usando acilaciones intramoleculares de Friedel-Crafts se puede conseguir el mismo resultado: ácido 4-fenil-butanoico (1) Cl2SO- α-tetralona N (2) AlCl3 O OH O LECCIÓN 14 Química Orgánica 2º. Antonio Galindo Brito 41 Reactividad de los derivados del benceno: efectos de los sustituyentes sobre la SEAr E H + E kR / kH > 1; R es activante kH + kR / kH < 1; R es desactivante R R R + E + + + kR Ataque orto R E E E Ataque meta Ataque para Orientación de la reacción en función del tipo de sustituyente 1.- Si R es un grupo activante (kR > kH) el nuevo sustituyente entra en orto y para respecto del primitivo: R + E + R R kR > kH + E R activante Ataque orto E Ataque para 2.- Si R es desactivante (kR< kH) el nuevo sustituyente entra en meta respecto del primitivo: R R + R desactivante E + kR < k H Ataque meta E LECCIÓN 14 Química Orgánica 2º. Orientación y Reactividad R R E E Ataque orto + + R R + E R + + Ataque meta + H E H R R + Ataque para + H E H E E Antonio Galindo Brito 42 En los ataques orto y para, la carga positiva se sitúa sobre el C R que porta el sustituyente, mientras E que en el ataque orto la carga + nunca se halla sobre ese carbono. Hay tres caminos de reacción posibles para el ataque del R electrófilo sobre el anillo y de los tres estará favorecido aquel que presente una energía libre de + activación más baja, o dicho de E otro modo, el que se lleve a cabo H más rápidamente. Como esto sólo R depende de la energía del estado de transición, estará favorecido el proceso que presente menor + energía de activación y de acuerdo con el postulado de Hammond H E éste será el que tenga el intermedio más estable. Puesto que la reacción transcurre a través de un carbocatión intermedio, la reacción más rápida será la que conduzca al carbocatión más estable y esto depende de la naturaleza del sustituyente R. Si R = activante estarán favorecidos los ataques orto y para (carbocatión muy estable; 3ª y alílico; aromático) Si R = desactivante estará favorecido el ataque meta (cuanto más lejos esté R del catión más estable será) LECCIÓN 14 Química Orgánica 2º. Antonio Galindo Brito 43 Los grupos activantes (desactivantes) serán aquellos que hagan más (menos) nucleófilo al anillo aromático y ello equivale a decir que los grupos que activan son los que donan electrones al anillo y los que desactivan los que retiran electrones al anillo. Hay dos modos de ejercer efectos electrónicos y son los llamados efectos inductivos ( +I y –I ) y los resonantes (+R y - R ). Cuando sobre el anillo se encuentra un grupo G que se halla unido al anillo bencénico a través de un enlace carbono-heteroátomo y el heteroátomo posee un par electrónico sin compartir (G = O, N, X, etc.), entonces este grupo G: puede actuar como donante de electrones por efecto +R, lo que hará más estables los carbocationes que se generan en los ataque orto y para. En conclusión, los grupos que donen electrones tanto por efecto +I como por +R activan el anillo aromático y orientan los ataques en orto y para: G: + G : Ataque para G + Ataque orto G + E E H H ; + H E H E Por el contrario, aquellos grupos que retiren electrones tanto por efecto –I como por –R desactivan el anillo aromático y por tanto orientarán en meta. Parece evidente que es imprescindible conocer con precisión que grupos son los que activan el anillo y cuales lo desactivan, porque así podremos predecir la posición a la que va a parar el electrófilo cuando la reacción se haga sobre un anillo aromático dotado de un sustituyente. En la Tabla I se relacionan los grupos que activan o desactivan el anillo aromático, clasificándolos en tres grupos, fuertes, moderados y débiles, según hagan aumentar o disminuir fuerte, moderada o sólo débilmente la velocidad en relación a la misma reacción del benceno . LECCIÓN 14 Química Orgánica 2º. Antonio Galindo Brito 44 TABLA I . Grupos activantes orientadores en orto y para Nombre Fórmula Efectos Magnitud Orientación Amino H2N - Activante (- I ) y (+R) Fuerte Orto y para Alquilamino RHN - Activante (- I ) y (+R) Fuerte Orto y para Dialquilamino R2N - Activante (- I ) y (+R) Fuerte Orto y para Hidroxi HO - Activante (- I ) y (+R) Fuerte Orto y para Alcoxi RO - Activante (- I) y (+R) Fuerte Orto y para Aciloxi RCOO - Activante (- I) y (+R) Fuerte Orto y para Acilamino RCONH - Activante (- I) y (+R) Fuerte Orto y para Alquilo R- Activante (+ I ) Débil Orto y para Arilo Ar - Activante (+ I ) Débil Orto y para LECCIÓN 14 Química Orgánica 2º. Antonio Galindo Brito 45 TABLA II . Grupos desactivantes orientadores en meta Nombre Fórmula Efectos Magnitud Orientación Alquilamonio R3N+ - Desactivante ( -I ) Fuerte meta Trifluorometilo F3C - Desactivante ( -I ) Fuerte meta Triclorometilo Cl3C - Desactivante ( -I ) Fuerte meta Nitro O2N - Desactivante ( -I ) y (-R) Fuerte meta Ciano N≡C - Desactivante ( -I ) y (-R) Moderado meta Carboxilo HOOC - Desactivante ( -I ) y (-R) Moderado meta Formilo HOC - Desactivante ( -I ) y (-R) Moderado meta Acilo ROC - Desactivante ( -I ) y (-R) Débil meta Sulfónico HO3S - Desactivante LECCIÓN 14 Química Orgánica 2º. Antonio Galindo Brito 46 TABLA III . Grupos desactivantes orientadores en orto y para Nombre Fórmula Efectos Magnitud Flúor F- Desactivante (- I ) y ( +R ) orto y para Cloro Cl - Desactivante (- I ) y ( +R ) orto y para Bromo Br - Desactivante (- I ) y ( +R ) orto y para Yodo I- Desactivante (- I ) y ( +R ) orto y para Ejemplos de reacciones SEAr (38%) (62%) (< 1%) Br Br2-FeBr3 + + Br etilbenceno Orientación Br o-bromoetilbenceno m-bromoetilbenceno p-bromoetilbenceno O2N O HNO3-H2SO4 anisol metoxibenceno (67%) (2%) (31%) O + + NO2 o-nitroanisol O O O2N m-nitroanisol p-nitroanisol