SUBSTITUIÇÃO ELETROFÍLICA AROMÁTICA Marilena Meira
Características do anel aromático A reação característica do anel aromático é a substituição eletrofílica em virtude de que o anel aromático atua como fonte de elétrons atraindo reagentes ávidos por elétrons, denominados reagentes eletrófilos ou ácidos de Lewis. Além disso, os elétrons π do anel aromático são estericamente acessíveis a um reagente eletrófilo em função de localizar-se acima e abaixo do plano da molécula.
Reações de substituição A substituição aromática inclui uma grande variedade de reações tais como, nitração, sulfonação, alquilação e halogenação.
Mecanismo geral Comparação com a adição de alcenos A substituição no anel aromático segue um mecanismo geral em duas etapas. No entanto, antes da substituição propriamente dita, ocorre uma reação ácido-base em que é gerado a espécie eletrófila atacante. Seja, por exemplo, a reação em que participa um eletrófilo genérico E+ e um nucleófilo genérico Nu: Na primeira etapa que é lenta consiste numa reação ácido-base onde o anel aromático age como nucleófilo cedendo um par de elétrons para um eletrófilo formando um carbocátion.
+ E
+
+
H E
Esta etapa é semelhante à primeira etapa de adição de alceno. No entanto, a diferença é que na próxima etapa, ao invés do carbocátion agir como um ácido de Lewis e atrair um nucleófilo formando um produto de adição como acontece com o alceno, o carbocátion resultante do anel aromático perde um próton formando o produto de substituição. Isto porque formar o produto de adição exigiria a perda da estabilidade aromática.
+
H E
+
.. Nu
E
+
HNu
Mecanismo da nitração: O ácido sulfúrico por ser um ácido mais forte atua como ácido e provoca a ionização do ácido nítrico de uma forma não usual com formação do íon nitrônio. Este íon deficiente de elétron ataca o anel aromático que possui elétrons π disponíveis formando o íon carbônio. A seguir o HSO4- captura um próton deste carbocátion regenerando a aromaticidade do anel com formação do produto substituído. 2 H SO 2 4
+
2 HSO4
HNO3
+
+ H3O
+
+
+
+
+ NO2
H
NO2+
NO2
-
NO2
lenta
H NO2
+
HSO4
+
H2SO4
Mecanismo da sulfonação Geralmente usa-se ácido sulfúrico fumegante que é uma mistura de ácido sulfúrico e trióxido de enxofre. O reagente eletrófilo pode ser o SO3 ou o HOSO2+ dependendo das condições da reação
H2SO4
+
-
SO3
HSO4
+ SO3H
+
+
+
+
+ SO3H
+
-
SO3H
H SO3H
H
SO3H
HSO4
+
lenta
H2SO4
Mecanismo da halogenação O composto aromático não reage com halogênios facilmente tal como ocorre com os alcenos. É necessária a presença de um catalisador que torne o halogênio mais eletrófilo com formação de íons positivos do halogênio, X + , ou pode acontecer que não cheguem a formar íons positivos livres do halogênio e que o catalisador sirva apenas para polarizar a molécula do halogênio. Por exemplo, com o cloro: Cl Cl
+
Cl2
FeCl3
Fe Cl
−δ
+δ
Cl Cl
+
FeCl4-
+
+ +
+
Cl
+
FeCl4-
+
H Cl
Cl
H
Cl
Cl
+
lenta
HCl
+
FeCl3
Mecanismo da alquilação de Friedel Crafts Nesta reação o eletrófilo é um carbocátion. O catalisador, cloreto de alumínio, auxilia o cloreto de alquila a se ionizar por polarização da molécula tal como acontece na halogenação.
Cl Cl
−δ
+δ
Al Cl R Cl
RCl +
AlCl4
AlCl3
+
R
+
O carbocátion formado necessitado de elétrons encontra-os disponíveis na nuvem de elétrons π do anel aromático forma-se então um novo carbocátion. A captura de um próton pela base AlCl4- forma o produto de substituição juntamente com ácido clorídrico e o catalisador AlCl3 que é regenerado.
+
+
+
+
R
R
H R
+
H
-
AlCl4
lenta
R
+
HCl +
AlCl3
Limitações da Alquilação de Friedel-Crafts A alquilação de Friedel-Crafts embora largamente usada tem algumas limitações. A primeira delas é que só é aplicada para haletos de alquilas. Não reagem via Friedel-Crafts os haletos de arila e haletos de vinila. A segunda limitação é que se o anel aromático já está substituído por um grupo amina ou por um grupo fortemente desativante (retirador de elétrons) ele não irá reagir pela reação de alquilação de Friedel-Crafts.
No caso da presença de um grupo amina ( -NH2, -NHR, -NR2) a não realização da alquilação de Friedel-Crafts deve-se à presença do nitrogênio frotemente básico que irá consumir e imobilizar o ácido de Lewis, AlCl3, impedindo que se dê a reação de ionização do cloreto de alquila: AlCl3
..
+ NH2
NH2
+
No caso dos grupos desativantes é porque estes grupos tornam o anel não reativo frente à reação de Friedel-Crafts em virtude de que eles retiram elétrons do anel tornando-o pouco ou não reativos frente a eletrófilos fracos como o carbocátion alquila gerado na reação de Friedel-Crafts. A terceira limitação da alquilação de Friedel-Crafts é a possibilidade da ocorrência de rearranjo do carbocátion formado inicialmente. Assim como ocorre com toda reação em que se forma carbocátion existe rearranjo quando um carbocátion de maior estabilidade puder se formar. Assim por exemplo: quando se usa um haleto de alquila primário ocorre a formação preferencial do carbocátion secundário:
+
CH3-CH2-CH2-Cl
AlCl3
+ CH3-CH2-CH2
H C H
AlCl4
+
+ CH3-CH2-CH2
+ CH3-CH-CH3
+ CH3-CH-CH3
+
+
-
CH3 CH3
+
AlCl4
+
H C H
CH3 CH3
CH3 C H CH3
+
HCl
+
AlCl3
A quarta limitação da alquilação de Friedel-Crafts é que uma vez formado o produto de substituição alquilado é difícil parar na monoalquilação, pois em virtude do efeito doador de elétrons ao anel por efeito indutivo pelo grupo alquila, o anel torna-se mais reativo e continua a alquilação. Por exemplo, na alquilação do benzeno se observa a polialquilação a menos que precauções sejam tomadas como, por exemplo, o uso de excesso de benzeno. Mecanismo da acilação de Friedel Crafts Comparação com a alquilação
A acilação de Friedel-Crafts se processa similarmente à alquilação. O catalisador provoca a ionização do cloreto de acila formando um carbocátion que é estabilizado por ressonância. É em virtude desta estabiliazação este carbocátion não sofre rearranjos como acontece com o carbocátion alquílico. Uma vez formado, o carbocátion acila é atacado pelo anel aromático dando origem a um novo carbocátion. Por perda de um próton para a base AlCl 4- é formado o produto de substituição juntamente com HCl e regeneração do catalisador. Diferente da alquilação aqui não há possibilidade de acontecer a poliacilação isto porque o substituinte acila é um grupo que retira elétrons do anel, sendo, portanto, um grupo desativante.do anel aromático. Os grupos desativantes tornam o anel substituído menos reativo que o benzeno.
..
O R
Cl +
AlCl3
+
AlCl4
+ O
+ +
R
+
+
R
R
H O
lenta
R O
H O R
+ O
O
-
+
AlCl4
R
+
HCl +
AlCl3
Efeito do substituinte na segunda substituição
Estudos das reações de substituição eletrofílica mostraram que uma segunda substituição no anel tem sua velocidade determinada pela natureza do primeiro substituinte. Por exemplo, a sulfonação do tolueno é mais rápida que a sulfonação do benzeno e orienta o reagente atacante preferencialmente para as posições orto e para. Já as reações de substituição do nitrobenzeno são mais lentas que o benzeno e conduz preferencialmente para a formação do isômero meta.
Classificação dos substituintes Os substituintes podem ser classificados em três grupos: Orto-para ativantes, orto-para-desativantes e meta-desativantes. A maioria dos dirigentes orto-para são ativantes, todos os dirigentes meta são desativantes. Os halogênios são exceção, pois são dirigentes orto-para e são desativantes.
Orto-para ativantes -OH OCH3
Meta-desativantes -CHO
-COOCH3 -NO2
Orto-para desativantes -F –Cl -Br
-NH2
NHCOCH3 -COOH
-COCH3
-CH3
-R
-NR3
-CN
-SO3H
-I
+
Explicação para o efeito substituintes na ativação e desativação Íon carbônio carga positiva em Orto-para A explicação para estes fatos se fundamenta na formação do íon carbônio que é a etapa lenta e determinante da velocidade da reação. O íon carbônio é na verdade um híbrido de ressonância das estruturas I a III:
+
H R
I
H
H
R
R
+
+
II
III
H
+ +
R
E pode ser representado por: A carga positiva se distribui sobre todo o anel embora predomine nas posições orto e para relativamente ao grupo que entra. Um grupo que já se encontre ligado ao anel deve afetar a estabilidade do íon carbônio, ou dispersando no caso de ser um grupo doador de elétrons ou intensificando a carga positiva caso ele seja um grupo sacador de elétrons. Este efeito deve ser particularmente importante quando o grupo se encontra ligado nas posições orto ou para relativamente ao carbono sob ataque.
Efeitos indutivos e de ressonância Exemplo A reatividade e orientação são controladas por dois efeitos, indutivo e de ressonância. Um efeito indutivo é a doação ou retirada de elétrons através das ligações sigmas em virtude da diferença de eletronegatividade entre os átomos que causa polaridade das ligações. Assim, por exemplo, halogênios, -OH, -CN, -NO2 e –COOH retiram elétrons do anel aromático por efeito indutivo. Por outro lado, os grupos alquilas doam elétrons ao anel por efeito indutivo. O efeito de ressonância é a retirada ou doação de elétrons através do deslocamento de elétrons através das ligações π. Os grupos –OH, -OCH3, -NH2 cedem elétrons ao anel por efeito de ressonância. Este efeito é maior nas posições orto e para. .. Y
+Y
+Y _
+Y
Onde o substituinte Y pode ser –OH, -OMe, -NH2 ou um átomo de halogênio: .. OH
.. OMe
.. NH2
.. X
X = halogênio Substituintes que cedem elétrons por ressonância possuem a estrutura geral –Y: –Y: onde Y tem um par de elétrons disponível para doação ao anel. Este efeito é maior nas posições orto e para do anel como mostrado acima. Conseqüentemente, nestas posições ocorrerão preferencialmente o ataque do reagente eletrófilo. Já os grupos –CHO, -COOH, -COCH3, CN, -NO2 e -SO3H retiram elétrons do anel por efeito de ressonância. O grupo -NR3 retira elétrons do anel por efeito indutivo. Tanto um como outro efeito é maior também nas posições orto e para. O substituinte com efeito de ressonância retirador de elétrons possui estrutura geral Y=Z (ou tripla ligação), onde Z é um elemento mais eletronegativo que Y. z z z z Y Y Y Y
+
+ +
Onde Y pode ser –CHO, -COOH, -COCH3, CN, -NO2 e -SO3H
Y
z
O
O
O
OH
OMe
N
N
O O
O HO S O
Efeitos nem sempre agem no mesmo sentido
Os efeitos indutivos e de ressonância nem sempre agem no mesmo sentido. Por exemplo, halogênio, hidroxila, alcoxila e amino possuem efeito indutivo retirador de elétrons devido à eletronegatividade do halogênio, O ou N. No entanto, estes grupos possuem efeito doador de elétrons por ressonância.
Ativação e desativação do anel Grupos ativantes: efeitos indutivos e ressonância na cedência de elétrons Um aspecto importante é que todos os grupos ativantes doam elétrons para o anel, estabilizando o carbocátion intermediário e, portanto, causando sua formação ser mais rápida. A cedência de elétrons para o anel pode ser por efeito indutivo ou por ressonância. Por exemplo, os grupos -NH3, -OH e seus derivados NHCOCH3 e OCH3 são grupos ativantes porque o efeito de ressonância doador de elétrons destes grupos supera em muito o efeito indutivo retirador de elétrons. Grupos alquilas são grupos ativantes por causa do seu efeito indutivo doador de elétrons. O grupo metila no tolueno tem tendência de ceder elétrons ao anel aromático por efeito indutivo. Então, o grupo metila tem a tendência de estabilizar o íon carbônio formado e dessa forma acelerar a reação de substituição. Outros grupos alquílicos, também irão ceder elétrons para o anel por efeito indutivo e, portanto, ativam-no.
Grupos desativantes: efeitos indutivos e ressonância na retirada de elétrons.
Um aspecto comum de todos os grupos desativantes é que eles retiram elétrons do anel, desestabilizando o carbocátion intermediário causando sua formação ser mais lenta. Os grupos carbonila, ciano e nitro são desativantes porque retiram elétrons do anel por efeito indutivo e de ressonância intensificando a carga positiva e, portanto, tende a instabilizar o carbocátion. E assim a reação de substituição será mais lenta. .Halogênios são desativantes porque seu efeito indutivo retirador de elétrons supera em muito seu efeito de ressonância doador de elétrons. A velocidade da reação de substituição eletrofílica eletrofílica depende, portanto da tendência do substituinte a ceder ou a sacar elétrons. Os grupos que cedem elétrons ativam o anel e os grupos que sacam elétrons desativam o anel.
Diretores orto-para ativantes Seja por exemplo, a substituição de um grupo aromático já contendo o grupo amino que é um grupo doador de elétrons por ressonância. O íon carbônio resultante do ataque à posição para é um híbrido de 4 estruturas sendo que uma delas é particularmente estável em virtude da carga se localizar no nitrogênio que está com o octeto completo. No caso do ataque à posição orto situação semelhante se verifica. No entanto para a posição meta não há a possibilidade de formar uma estrutura como essa para o íon carbônio. Por isso a substituição da anilina é muito mais rápida que no benzeno e forma-se preferencialmente preferencia lmente os isômeros orto e para substituídos. O mesmo se verifica com os derivados da anilina e com o fenol e seus derivados cuja substituição é de maior velocidade que o benzeno e predomina nas posições orto e para.
Ataque na posição para:
.. NH2
.. NH2
+ NH2
+
+ H R
.. NH2
+ H R
H R
H R Íon bastante estável
Ataque na posição orto: NH2
+
H R
+
+
.. NH2
.. NH2 H R
NH
+
H R
H R Íon bastante estável
Ataque na posição meta:
NH2
NH2
NH2
+ R
+
R
+ H
R
H
H
Halogênios Diretores orto-para desativantes Os halogênios são desativantes porque seu efeito indutivo retirador de elétrons supera seu fraco efeito doador de elétrons por ressonância. Embora fraco, este efeito é mais forte nas posições orto e para. Assim um substituinte halogênio pode estabilizar o carbocátion intermediário resultante do ataque às posições orto e para da mesma maneira que ocorre com os grupos hidroxila e amino. O ataque à posição meta tal estabilização não se verifica. Ataque na posição para: .. : Cl :
.... : Cl :
+ H R
.. : Cl :
+. .
Cl :
+ + H R
H R
H R Íon bastante estável
Ataque na posição orto: .. : Cl :
+
+
.. : Cl :
.. : Cl H R
H R
+
: Cl :
+
H R
H R
Íon bastante estável
Ataque na posição meta:
.. : Cl :
.. : Cl :
.. : Cl :
+ R
+ H
+
R H
R H
Os halogênios, -OH, -OR, e –NH2 retiram elétrons do anel por efeito indutivo, mas, doam por ressonância. O efeito indutivo retirador de elétrons dos halogênios supera o efeito doador por ressonância então os halogênios desativam o anel. Já o –OH, -OR e –NH2 possuem efeito doador de elétrons por ressonância que supera o efeito indutivo retirador de elétrons. Então, -OH, -OR e –NH2 ativam o anel. Tanto os halogênios quanto os grupos –OH, -OR e –NH2 são diretores orto-para pois possuem elétron desemparelhado e estabilizam mais estas posições.
Diretores meta-Desativantes No caso dos grupos grupos retiradores retiradores de elétrons, elétrons, tais como, como, –NO2, -CN e – COOH o átomo que se liga ao anel encontra-se encontra-se ligado também também a um átomo de oxigeno, ou de nitrogênio por meio de uma ligação múltipla. Tanto um como outro destes átomos por serem serem fortemente eletronegativos eletronegativos atraem atraem os elétrons π da ligação múltipla tornando falto de elétrons o átomo situado entre ele e o
anel aromático. Para compensar esta deficiência este átomo tende a retirar elétrons do anel.
Ataque na posição meta:
NO2
NO2
NO2
+ R
+
R
+ H
R
H
H
Ataque na posição orto:
NO2
+
NO2
NO2 H R
H R
+
+
H R
IA Instável
Ataque na posição para:
NO2
+
NO2
NO2
+ H R IIA
H R
+ H R
Instável
Nas estruturas IA e II A resultantes de ataques respectivamente respectivamente às posições posições orto e para do nitrobenzeno são instáveis em virtude da carga positiva está situada em um átomo de carbono que se liga ao nitrogênio. Embora o nitrogênio saque elétrons do anel de todas as posições ele fará principalmente do átomo de carbono a que se encontra ligado. As estruturas IA e IIA são
particularmente instáveis. No caso do ataque à posição meta não se verifica este tipo de estrutura instável. A substituição nas posições orto e para são, portanto, mais lentas que os ataques às posições meta.
