6.-HIDROCARBUROS AROMÁTICOS.

INTRODUCCIÓNLos compuestos aromáticos abarcan una amplia gama de sustancias

químicas de uno dos o más anillos altamente insaturados de fórmula CnHn que poseen propiedades químicas singulares.

La aromaticidad no es un atributo de los compuestos de C e H solamente, sino que también en su estructura pueden encontrarse otros átomos como oxígeno y nitrógeno constituyendo la gran familia de los compuestos heterocíclicos aromáticos.

En el siglo XVII, Kekulé propuso una estructura para el hidrocarburo más representativo de los aromáticos: el benceno C6H6.

H

H H

H

H

H

(A)

Estructura Nº1

Hay una gran estabilidad química asociada a la estructura del benceno y en general a todos los compuestos aromáticos. Esto es debido a que son estructuras químicas cíclicas, planas que poseen un número máximo de dobles enlaces conjugados permitiendo así una amplia deslocalización electrónica en su sistema . Su estudio ha demostrado que los enlaces entre los átomos de carbono sucesivos son semejantes, es decir, no se puede distinguir entre enlace simple y enlace doble como en la estructura (A) De esta manera, la estructura del benceno, es un híbrido de resonancia entre las estructuras contribuyentes (C) y (D) La estructura (E) no es una mezcla de (C) y (D), sino que es una estructura que tiene características físicas y químicas ponderadas tanto de (C) como de (D):

(D)(E)(C)

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

HH

H

Estructura Nº2Si la longitud del enlace simple C-C es de 1,54 x 10-8 cm y la del doble C=C es

1,34 x 10-8 cm, la longitud del enlace C-C aromático tiene un valor intermedio entre simple y doble de 1,39 x 10-8 cm.

130

REPRESENTACIÓN DEL BENCENO.

Estructura Nº3

Estas representaciones se encuentran a menudo en los textos de química orgánica. A la izquierda, una representación resonante de sus estructuras contribuyentes. La figura de la derecha, es la representación de un híbrido de resonancia que pone de manifiesto que la extensión de la deslocalización electrónica abarca el anillo completo. Se verá más adelante que una u otra de las formas (estructura Nº3) es útil para dar cuenta de las propiedades químicas de estos compuestos.

OTRAS ESTRUCTURAS AROMÁTICAS:

La estructura de la molécula de benceno es una de las más sencillas y recurrente entre los compuestos aromáticos, aunque tenemos también algunas otras (Estructura Nº4) que son un tanto más complejas con varios anillos insaturados:

naftaleno fenantreno antracenoEstructura Nº4

Estas moléculas complejas suelen encontrarse a menudo en nuestro ámbito cotidiano de vida, por ejemplo, en el hollín de las chimeneas, en el alquitrán de los pavimentos urbanos, en el humo del tabaco, etc y son conocidas desde hace mucho tiempo como moléculas inductoras de algún tipo de cáncer. Ciertos policiclos aromáticos como el Benzo [ a ] pireno cuya estructura se muestra más abajo (Estructura Nº5), son capaces de producir alteraciones genéticas en sistemas biológicos, aún a muy bajas concentraciones.

131

benzo [ a ] pirenoEstructura Nº5

Se supone que estas sustancias pro-carcinógenas, son transformadas por algún proceso enzimático en un carcinógeno activo, capaz de interaccionar con el ADN celular, alterando en ese momento el mensaje genético indispensable para la reproducción celular normal.

ALGUNOS COMPUESTOS AROMÁTICOS HETEROCÍCLICOS.

Todas estas moléculas cíclicas, contienen al menos un átomo diferente al carbono formando parte del anillo, el que puede ser de cinco o más átomos. Por ejemplo:

tiofenofuranopirrolH

SON N

piridinaEstructura Nº6

Algunas bases heterocíclicas aromáticas como la citosina, uracilo, adenina y guanina (Estructura Nº7) son componentes esenciales de los ácidos nucleicos.

uracilocitosina

O

HHO

ONH2

N

NH

N

N

N

N N

NN

N N

N

ONH2

H2NH H

H

adenina guaninaEstructura Nº7

132

REPRESENTACIÓN DE LA AROMATICIDAD CON ORBITALES MOLECULARES Y LA REGLA DE HCKEL (4N+2)

Como se dijo previamente, un compuesto aromático es un anillo con múltiples dobles enlaces conjugados. Los cálculos de Erich Hückel, (químico alemán del Instituto de Física Teórica de Stuttgard en la década de 1930) permitieron deducir que, al igual que aquellos átomos de los gases nobles, cuando sus orbitales atómicos estaban completos con sus respectivos pares de electrones, se obtenían estructuras de gran estabilidad, encontró que lo mismo sucede con las moléculas

con sistemas electrónicos conjugados y formando sistemas cíclicos o anillos. Estas estructuras también adquirían una estabilidad extraordinaria si sus orbitales moleculares se llenaban cada uno con un par de electrones con espín opuesto. Sin embargo había otra condición que debía cumplirse, estos sistemas serán estables

si el número de electrones en la estructura cíclica cumple con la relación 4n + 2, donde n debe ser entero incluyendo además el valor cero. Es decir, n puede tomar valores 0, 1, 2, 3, 4, etc.

El valor de n=0 implica según Hückel un nivel básico y único susceptible de ser llenado con solo un par de electrones, el resto de los orbitales con energía creciente aparecen de a pares de niveles. Este nivel único y básico está presente en todos los sistemas aromáticos.

Por ejemplo: si los seis orbitales atómicos p del benceno, se combinan entre sí, tiene lugar la formación de seis orbitales moleculares; tres enlazantes y tres antienlazantes. Sus seis electrones ocuparán completamente y en parejas de espines opuestos, los tres orbitales inferiores enlazantes (Diagrama Nº1)

Otra de las condiciones que debe cumplirse en los aromáticos, es su coplanaridad. Los diferentes orbitales atómicos p deben ser paralelos entre sí y de esta manera, obtener su máxima superposición para poder deslocalizar con máxima efectividad los electrones sobre el total del sistema cíclico de dobles enlaces conjugados (Figura Nº1). Esta condición obliga a que todos los átomos que forman parte del sistema aromático estén en un mismo plano.

Al aplicar aquella regla que dice que: “La mezcla de igual número de orbitales atómicos generan igual número de orbitales moleculares”, a los seis orbitales 2p del benceno, entonces, cuando estos seis orbitales atómicos 2p perfectamente paralelos, se mezclan entre sí, generarán seis orbitales moleculares,

133

orbitales p

bencenoFigura Nº1

Según Hückel entonces, se debería obtener la siguiente distribución de orbitales moleculares, niveles de energía y electrones para obtener el diagrama.

seis electrones pi de un compuesto aromáticocomo el benceno.

orbitalesenlazantes

orbitales antienlazantes

energía de un orbital 2p

E

Diagrama Nº1

Las estructuras aromáticas no deben ser consideradas solamente como moléculas neutras, y también pueden ser especies con carga eléctrica, y presentarse como, aniones o cationes. Por ejemplo:

(4n+2) = 2 n = 0 plana

(4n+2) = 2 n = 0 pero no es plano

H H

ciclopropenono aromático

HC sp3 C sp2

catión aromáticociclopropenilo

+ H

134

El ciclopropeno muestra una inusual tendencia a ceder un hidruro para así formar un carbocatión aromático ciclopropenilo mucho más estable que la molécula neutra.Otro ejemplo:

anión aromáticociclopentadienilo(4n+2) = 6 n = 1 plano

H

(4n+2) = 4n = 1/2

ciclopentadienono aromático

HH

no plano

- H

Esquema Nº1Por lo mismo, se ha encontrado que este hidrocarburo presenta también un

inusual carácter ácido pKa = 16, semejante a los alcoholes, valor que contrasta con la acidez que muestran los alcanos pKa alrededor de 40 a 50. Esto se debería a la gran estabilidad que logra el anión al adquirir una estructura aromática.

Cuando no se cumple la regla del (4n + 2), se dice que estos compuestos cíclicos son anti aromáticos a pesar de tener dobles enlaces conjugados.

Por Ejemplo:

ciclobutadienoneutro

ciclopentadienilocatión

ciclopropeniloanión

(A) (B) (C)Estructura Nº8

Y ninguna de ellas es aromática, puesto que no cumplen con la condición de tener un valor de n entero. Son estructuras poco estables.

Para (A) que tiene cuatro electrones localizados en cuatro orbitales p se puede ver el siguiente diagrama de energía de orbitales moleculares:

E

ciclobutadienoDiagrama Nº2

135

De los cuatro orbitales moleculares hay dos entre ellos de igual energía (Diagrama Nº2). A esos orbitales isoenergéticos se les llama degenerados, en la jerga de los químicos teórico cuánticos. Los cuatro electrones deben ser colocados entonces, llenando los orbitales moleculares desde aquel de menor energía hacia arriba y aquellos orbitales degenerados o isoenergéticos deben ser llenados con un electrón cada vez. De esta manera hay dos electrones que quedan desapareados y la molécula no es aromática.

Una situación semejante se presenta en las otras dos moléculas que acompañan al ciclobutadieno. Demuestre usted ahora esa condición de no aromaticidad que presentan esas estructuras iónicas.

Otra estructura interesante es la que presenta el cicloheptatrieno:

HH H H

cicloheptatrieno

- H-H

anión catiónEsquema Nº2

Los diagramas de energía de los orbitales involucrados con estas estructuras se muestran a continuación:

E

anión catiónneutra

(A) (B) (C)Diagrama Nº3

La estructura (B) que es la molécula neutra, no es aromática a pesar de cumplir la regla de Hückel, ya que, por no ser plana, (posee un carbono –CH2 - con hibridación sp3) no puede deslocalizar los electrones alrededor del anillo.

136

La estructura (A) es una estructura plana, pero no cumple con la regla de (4n + 2), y posee electrones desapareados (ver diagrama Nº3) por lo tanto es anti-aromática.

La estructura (C) es una estructura plana, ya que, al perder un hidruro (protón con dos electrones) en el carbono sp3, este cambia a hibridación sp2 quedando entonces un orbital vacío p paralelo al resto de los orbitales p del anillo conjugado. Cumple además con la regla de Hückel y por lo tanto es aromático.

Problema:Si los pares de electrones no compartidos del nitrógeno que están en el pirrol y

también en piridina, en un orbital atómico sp2. ¿ Implica este hecho que ambas moléculas son aromáticas?. ¿Puede dar usted una explicación razonable en caso de que su respuesta sea afirmativa o negativa?

NOMENCLATURA DE LOS COMPUESTOS AROMÁTICOS.

Los compuestos se conocen desde hace mucho tiempo, incluso, antes que aparecieran las reglas de la nomenclatura IUPAC, por esa razón, hay en la literatura actual numerosos ejemplos de nombres triviales en la química de esta familia. Por ejemplo:

CH3 CHO COOH NH2

benceno tolueno benzaldehido ácido benzoico anilina

Estructura Nº9

OH

NO2 OH CH CH2 CH3

CH3OH

COOH

nitrobenceno fenol estireno para-xileno ácido gálico

HO

Estructura Nº10

137

IUPAC, acepta estos nombres no sistemáticos. Pero nombre sistemático de estos compuestos, lo define IUPAC como la combinación del nombre del sustituyente como prefijo del nombre benceno. Así por ejemplo (Vea la Tabla Nº1):

Sustituyente Grupo funcional. Nombre del compuesto.

Nombre común

Hidroxi -OH Hidroxibenceno FenolAmino -NH2 Aminobenceno AnilinaEtenil -CH=CH2 Etenilbenceno Estireno

Tabla Nº1

Cuando el anillo benceno está como sustituyente, su nombre es fenil, y el carbono de la valencia libre es el Nº1; otros sustituyentes aromaticos son:

fenil

bencilidin

C

benciliden

CH

bencil

CH2

C

trifenilmetildifenilmetil

CH

138

Benceno disustituido:Cuando sobre el anillo hay más de un sustituyente, aparecen diferentes

estructuras isoméricas:

MONO

PARA

META

ORTO

ISÓMERO

S

S

S

G

G

G

G

En general estos isómeros se abrevian con una letra como sigue:

o- de orto, m- de meta y p-de para.

En esta nomenclatura, lo importante es la posición relativa de los sustituyentes. El grupo sustituyente G puede estar sobre cualquier átomo de carbono del anillo.

Hay veces en que se combina esta regla de la disustitución o, m, p con nombres comunes no sistemáticos. Por ejemplo:

o-nitrofenolNO2

OH ISÓMERO SUSTITUCIÓN

(1-2) ORTO

139

m-cloroanilina

Cl

NH2

(1-3) META

ácido p-hidroxibenzoico

OH

CO2H

(1-4) PARA

Figura Nº2

Cuando hay más de dos sustituyentes en el benceno, se numera el núcleo aromático siguiendo el sentido que dé a los sustituyentes la menor numeración posible. Además, hay que respetar la precedencia de los grupos funcionales. Vea la tabla Nº1, Capítulo Nº1.

3-cloro-5-metilanilina

5 3

1

43

21

H3C Cl

NH2

NO2

OH

NH2

4-amino-2-nitrofenoly no 3-amino-5-clorotoluenoy no 4-hidroxi-3-nitroanilina

Estructura Nº13

ácido 2-bromo-4-hidroxi-5-nitrobenzoico

5

4

21 Br

O2N

OH

CO2H

CHO

NH2

OH

2-amino-3-hidroxibenzaldehido

1

23

Estructura Nº14

140

Observe que se ha dado la numeración 1, al carbono perteneciente al anillo que tiene unida la función química más importante entre los sustituyentes, es decir, la función que tiene la mayor precedencia en química orgánica. (Capítulo 1) Esta función prioritaria, nos informa, a qué familia química pertenece la molécula que tenemos delante. El sentido de la numeración, sigue el mismo criterio citado ya, es decir, darle al resto de los sustituyentes, la menor numeración posible. En el nombre final, estos se ordenan según orden alfabético.

REACCIONES QUÍMICAS DEL BENCENO

Desde aquí en adelante, tomaremos la molécula de benceno como modelo representativo de la familia de los aromáticos, estudiando en él, las diferentes propiedades químicas de estos compuestos.

La sustitución electrofílica es la reacción más común de estos compuestos Esta consiste en el reemplazo en el anillo de un hidrógeno por otro átomo o grupo de átomos. El mecanismo general describe el ataque de un electrófilo lo suficientemente fuerte como para producir un intermediario no aromático en la etapa lenta:

+ E

EH E EH H

Esquema Nº3

Aquí, E+ es el electrófilo. Las tres estructuras contribuyentes de la derecha (Pueden ser reemplazadas por un híbrido de resonancia que se muestra más abajo) ponen de manifiesto, que el carbono al cual se une el electrófilo, cambia su hibridación de sp2 a sp3, es decir, hay ruptura de la aromaticidad, y por consiguiente hay un aumento de la energía de este catión intermediario con relación a la molécula aromática. A esta estructura de alta energía se le llama complejo sigma.

141

HH EEH E

estructuras contribuyentes híbrido de resonancia

H E

Estructura del complejo sigma representado como un híbrido de resonancia.

Figura Nº3

La formación del complejo sigma, va precedida del paso por el complejo activado o de transición de máxima energía de activación (vea el gráfico Nº2)Nótese además, que en las estructuras contribuyentes, la carga positiva se dispersa en el interior del anillo afectando específicamente a los carbonos orto y para con relación al carbono del electrófilo. Como se mencionó anteriormente, este hecho ocurre lentamente, constituyéndose en la etapa determinante de la reacción.

Luego viene una segunda etapa rápida, en la cual, el sistema se estabiliza por pérdida del protón (Ver gráfico Nº2), recuperando así su aromaticidad al quedar nuevamente todos los carbonos del anillo aromático con hibridación sp2:

+rápido

EH E

+ B BH

Esquema Nº4

El protón es sacado por B- que es la base de Lewis en el sistema. Note que esta base podría actuar como un nucleófilo también y adicionarse al anillo formando un ciclohexadieno, sin embargo, no sucede porque se pierde la aromaticidad y el producto sería uno de mucha más energía.

142

E

B

EH E

coordenada de reacción

E

H

Gráfico Nº1

Muchas de estas reacciones pueden ser llevadas a cabo a temperaturas relativamente moderadas, menores a 100ºC.

El diagrama de reacción (Gráfico Nº2), representa la curva típica de la sustitución electrofílica en un anillo aromático. La formación de T1, tiene la energía de activación más alta y representa la etapa lenta de la reacción, aquella en la cual, el sistema comienza a perder su aromaticidad hasta llegar al intermediario o complejo sigma con el carbono tetraédrico.

El complejo de transición T2, que se forma cuando el intermediario comienza a perder el protón para recuperar su aromaticidad, tiene una energía de activación menor, lo que significa que es una etapa más rápida que la anterior. La salida del protón lleva a la formación del producto.

coordenada de reacción

E

prod.

reac.

T2

T1

Ea

Gráfico Nº2

143

MECANISMO DE LAS REACCIONES DE SUSTITUCIÓN AROMÁTICA Y LA MONOSUSTITUCIÓN EN EL ANILLO AROMÁTICO.

Las reacciones de sustitución en un anillo aromático, abren una puerta enorme al campo de la síntesis orgánica. Esta se proyecta hacia diversos campos del diario vivir. Por ejemplo, en muchos de los plásticos, detergentes, combustibles, fármacos y drogas, etc. que estamos utilizando diariamente

A continuación se presenta un listado de las reacciones de sustitución más comunes que tienen lugar entre un compuesto aromático y un reactivo electrófilo. Estas son:

1.- Nitración2.- Halogenación3.- Sulfonación4.- Alquilación5.- Acilación.

1.- NITRACIÓN . En esta reacción el electrófilo es el ión nitronio (NO2

+). Este catión se genera in situ por la acción del ácido sulfúrico (pKa = -5,2) sobre el ácido nítrico (pKa =-1,4). De acuerdo con los valores relativos de pKa, el ácido sulfúrico actúa como un ácido protonando al ácido nítrico según el equilibrio:

H2SO4 + HNO3 H2NO3 + HSO4

Esquema Nº5

Luego el ácido conjugado del ácido nítrico se desproporciona formando así la especie nitrante –NO2

+ ( ión nitronio ):

H2NO3H2O + NO2

Esquema Nº6

Este electrófilo fuerte, ataca al anillo aromático en una primera etapa lenta, rompiendo su aromaticidad:

NO2H

lentoNO2+

144

Esquema Nº7

Lo que sigue es el ataque de la base conjugada del ácido sulfúrico, extrayendo el protón del complejo y restaurando así el sistema aromático. Esta etapa va acompañada de emisión de energía al alcanzar el sistema un estado estable que es el producto de la reacción:

nitrobenceno

rápido

NO2H

+ HSO4

NO2

+ H2SO4

Esquema Nº8

El producto final de esta reacción es el nitrobenceno. Como usted pudo ver, el ácido sulfúrico actuó como generador de la especie nitrante y también como catalizador de la reacción ya que se recupera al final en la última etapa.

2.- HALOGENACIÓN .

La fluoración y la iodación son reacciones poco frecuentes en un laboratorio químico y requieren de reactivos especiales. Por esa razón no serán tratadas aquí.

En cambio, la cloración y la bromación del benceno, se efectúan en presencia de un catalizador ácido como el trihalogenuro férrico respectivo. Por ejemplo, para clorar el benceno utilizaremos el tricloruro férrico y para bromar será necesario el tribromuro férrico. El mecanismo de estas halogenaciones se desarrolla al igual que la nitración, en dos etapas: Primero, el ataque del electrófilo sobre el anillo para formar un intermediario con la pérdida momentánea de la aromaticidad del benceno en una etapa lenta:

FeCl4+

H

ClFeCl3ClCl+lento

Esquema Nº9

Aquí hay que recordar que el catión intermediario es un híbrido de resonancia en el cual intervienen tres estructuras contribuyentes que deslocalizan la carga positiva alrededor del anillo.

En una segunda etapa rápida, la base conjugada FeCl4- extrae el protón desde el carbono sp3 del anillo, para así recuperar el carácter aromático en el producto.

145

FeCl4+

H

Cl

Cl+ HCl + FeCl3

rápido

Esquema Nº10

La forma de la curva o diagrama de reacción es cualitativamente semejante a la de la nitración y en este aspecto, la bromación tiene también las mismas características o requerimientos energéticos.

3.- SULFONACIÓN.

Es una reacción de gran importancia industrial, sobretodo en el campo de los detergentes. En el laboratorio el benceno es sulfonado con ácido sulfúrico fumante, o sea, una mezcla de ácido sulfúrico y anhídrido sulfúrico SO3.

Al parecer, el agente electrofílico se generaría por autoprotolisis del ácido sulfúrico y posterior descomposición de esta especie protonada:

H2SO42 H3SO4 + HSO4

H3SO4H3O + SO3

Esquema Nº11

El electrófilo SO3 tiene el átomo de azufre altamente deficiente en electrones debido a la mayor electronegatividad de los oxígenos unidos a él, y por lo tanto, es el átomo de azufre el que atacará y se unirá con el carbono del anillo aromático:

S

O

O

O

S

O

O

O

azufre altamente electronegativoFigura Nº4

146

La sulfonación se distingue de la nitración y de la halogenación, porque la etapa lenta de la reacción no es la formación del enlace C-electrófilo, ni la salida del protón en la segunda etapa:

H SO3

SO3+lentalenta

Esquema Nº12

La remoción del protón en la siguiente etapa desde el carbono sp3 es una etapa semejante en cuanto a energía a la etapa anterior en la reacción. Este hecho es importante en la reversibilidad del equilibrio(esquema Nº12 y 13):

SO3H

+ HSO4

SO3

+ H2SO4lento

lento

Esquema Nº13

Finalmente, el medio ácido de la reacción proporciona el protón.

SO3

+ H3O

SO3H

+ H2Orápido

rápido

ácido benceno sulfónicoEsquema Nº14

La sulfonación, es entonces una reacción reversible. Como se verá posteriormente, tiene numerosas ventajas en síntesis, ya que este grupo (sulfón) puede ser desplazado del anillo por simple calentamiento a reflujo del compuesto aromático sulfonado en una solución diluida de ácido sulfúrico.

147

coordenada de reacción

EH SO 3

Product.React.

T2T1

Gráfico Nº3En el diagrama puede verse que T2 es semejante a T1. En T2 la energía de

activación corresponde a la ruptura del enlace C(sp3))-H del intermediario.

4.- ALQUILACION DE FRIEDEL Y CRAFTS.

Esta es una reacción en la cual, con ayuda de un acatalizador ácido, es posible introducir una cadena lateral en el anillo aromático.

El esquema general para esta reacción puede escribirse de la siguiente manera: donde R-X es un halogenuro de alquilo.

+ R X

R

+ H X

Esquema Nº15

La alquilación electrofílica aromática, solo puede llevarse a cabo en presencia de un cartalizador, porque el halogenuro de alquilo no es un electrófilo lo suficientemente fuerte como para romper la aromaticidad del sistema. El tricloruro de aluminio, que se usa como catalizador en esta reacción, aumenta la electrofília del agente alquilante por el siguiente mecanismo:

Sea RX el halogenuro de alquilo, donde X puede ser cloro o bromo:

R X X+ AlCl3 R AlCl3producto coordinadocatalizador

AlCl3R X R + XAlCl3carbocatión

148

Esquema Nº16

Como todas aquellas reacciones en las que se forman carbocationes, hay que tener presente un posible reordenamiento o trasposición del carbocatión a uno más estable, y así el producto de la reacción será diferente al esperado.

Por ejemplo: Si R es n-propilo:

+ AlCl3 AlCl3producto coordinadocatalizador

CH3CH2CH2 Br CH3CH2CH2 Br

AlCl3BrCH3CH2CH2CH3CH2CH2 + BrAlCl3carbocatión 1ºmuy inestablecompuesto coordinado

CH3 CH CH2

HCH3 CH CH3

migra un hidruro carbocatión 2ºmas estable

Esquema Nº17

En este caso, puede notarse que el agente alquilante ha cambiado de carbocatión primario, n-propilo, a isopropilo secundario que es más estable.

Prosiguiendo con el esquema del mecanismo:

+ R XAlCl3

H R

XAlCl3lento

H R

XAlCl3

R

+ AlCl3 + HXrápido

Esquema Nº18

Siempre en una reacción de alquilación, deberá tenerse el cuidado de utilizar un halogenuro de alquilo terciario o secundario estable, para inducir productos con poca o nada de contaminación debido a reacciones laterales y con alto rendimiento del compuesto esperado.

Ejemplo 1:

149

CH3 C

CH3

CH3

X + AlCl3 CH3 C

CH3

CH3

+ XAlCl3

Esquema Nº19

El carbocatión electrofílico no puede reordenarse a una especie más estable y este será el agente alquilante que proporcionará un producto único, el terbutilbenceno.

Ejemplo 2:

CH3CHCH2CH3

X

+ AlCl3 CH3CHCH2CH3 + XAlCl3

Esquema Nº20

En este caso, el agente alquilante es el más estable y no hay posibilidades de que se reordene. Produce un único producto.

La etapa lenta de la reacción , es decir, aquella asociada a la energía de activación mayor al de todas las etapas, es el ataque de la especie electrofílica al anillo aromático. El resto de las etapas son rápidas y no determinantes para la velocidad de la reacción.

Limitaciones para la reacción de Friedel y Crafts.

1. Al ser los grupos alquilo, dadores de electrones, estos aumentan la densidad de aquellos en el anillo aromático, y por consecuencia, facilitan la entrada de más de un grupo alquilo. El resultado entonces, es un producto polialquilado. Esta dificultad experimental puede minimizarse si se tiene la precaución de usar un grán exceso del compuesto aromático para que de esta manera, disminuya la probabilidad de que un nuevo grupo alquilo presente en la solución se encuentre con un anillo que ya ha sido alquilado.

150

2. La reacción de Friedel Crafts no se produce si se quiere alquilar un anillo aromático en el que se encuentre un grupo aceptor fuerte de electrones, como por ejemplo, el grupo nitro o ciano y en general grupos sustituyentes con efecto eléctrico (-M), ya que esta reacción es muy sensible a la disminución de la densidad electrónica del anillo

3. Tampoco es posible alquilar un compuesto aromático que tenga ya algún sustituyente de carácter básico o con electrones no compartidos, como el grupo amino, alquil amino o dialquilamino. Estos derivados interaccionan con el (ácido de Lewis) tricloruro de aluminio consumiéndolo y al mismo tiempo formando un grupo amino cuaternario fuertemente aceptor. Vea esquema Nº21, más abajo.

aceptor fuerte

AlCl3H2N

AlCl3+

H2N

dador fuerte

Esquema Nº21

4. Otra restrición se encuentra, al tratar de hacer reaccionar haluros de arilo o vinilo. Estos enlaces C-halógeno son demasiado fuertes para romperlos o si es que llegaran a romperse, lo harían tan lentamente que la reacción sería de poco interés práctico.

C C

X X

haluro de vinilo haluro de ariloEstructura Nº15

PROBLEMA¿Es la siguiente proposición verdadera o falsa?

151

El nitrobenceno se alquila por Friedel y Craft en la posición meta.Exponga al menos un argumento importante que avale su respuesta.

5.- ACILACIÓN DE FRIEDEL Y CRAFTS .

En esta reacción no es posible el reordenamiento, como sucede en la reacción de alquilación que acabamos de ver. Solo agrega una etapa más al esquema que es la reducción del grupo carbonilo siempre que sea necesaria.

El mismo catalizador utilizado en la alquilación de Friedel y Crafts, es decir, el tricloruro de aluminio, colocado frente a un halogenuro de ácido o anhidrido de ácido, generará una especie electrofílica (Catión acilo) Ver esquema Nº22, capaz de atacar un sistema aromático y provocar la sustitución de uno de sus hidrógenos.

Luego se dan ejemplos de reaciones de coordinación halógeno – aluminio y oxígeno – aluminio respectivamente:

R C

O

X AlCl3 R C O + XAlCl3catión acilohalogenuro de

ácido

R C

O

AlCl3 R C O +

catión acilo

R C

O

CO

R

O

OAlCl3

anhidrido de ácido

Esquema Nº22

El catión acilo atacará al anillo aromático, sin posibilidad de reordenamiento, no como ocurre en algunos casos de la reacción de alquilación.

El ataque transcurre lentamente.

+ C

R

O

lentaXAlCl3

CH

O

R

+ XAlCl3

Esquema Nº23

152

Luego en una segunda etapa rápida, ocurre el ataque de la base conjugada XAlCl3- o RCOOAlX3

- , según sea el caso, para restablecer la aromaticidad en el sistema. Por ejemplo:

acilbenceno

HX+AlCl3+

R

O

C

rápidaXAlCl3+

R

O

H C

Esquema Nº24Las acilaciones de Friedel y Crafts, adolecen de los mismos problemas

mencionados en 2 y 3 anteriormente, para la alquilación.

SÍNTESIS DE ALQUILBENCENOS COMO PRODUCTO DE LA REACCIÓN DE REDUCCIÓN DE ACILBENCENOS.

Como se sabe, el grupo carbonilo C=O puede ser reducido entre otros, por el método de Clemmensen , es decir, por tratamiento del compuesto carbonílico con amalgama de cinc y ácido clorhídrico.

Esquema Nº25

Puede utilizarse también, el método de Wolff-Kischner o Tioacetales como método alternativo específico para reducir los carbonilos.

Así, la secuencia completa para obtener n-propilbenceno a partir de benceno es:

HX+

CO

CH2CH3

AlCl3O

CH3CH2CX

+

Esquema Nº26

Luego hay que reducir el grupo carbonilo usando por ejemplo, el método de Clemmensen:

153

propilbenceno

CH2CH2CH3

Zn(Hg),HCl

CO

CH2CH3

Esquema Nº27

La alquilación directa con ,por ejermplo, el halogenuro de alquilo CH3CH2CH2X, no puede hacerse simplemente, porque hay un reordenamiento del catión primario CH3CH2CH2

+ a otro secundario mucho más estable: CH3CH+CH3, inhibiendo al producto esperado n-propilbenceno que es muy diferente al isopropilbenceno que es el producto principal de esta mal planificada reacción.

REACCIONES DE TRANSFORMACIÓN PARA LOS SUSTITUYENTES

1 COMO INTRODUCIR UNA CADENA LATERAL AL ANILLO AROMÁTICO.

Como lo vimos en la primera parte, (Recación de Friedel y Crafts), hay dos formas de llevar a cabo esta transformación:1.a) Por sustitución electrofílica con un halogenuro de alquilo, usando como catalizador el tricloruro de aluminio (AlCl3). Hay que recordar las limitaciones de esta reacción, que es la posibilidad de reordenamiento y la otra es la polisustitución del anillo debido al incremento de reactividad que se produce por el efecto eléctrico dador de la primera sustitución alquílica en el anillo, que lo hace más reactivo a una segunda, tercera, etc, sustitución.

154

Por ejemplo:1.a1 Cuando hay tres o más carbonos en una cadena a introducir, esta se

reordenará irremediablemente para llegar a un producto diferente al esperado:

Cuando solo hay dos átomos de carbono en la cadena de sustitución no habrá reordenamiento.

1.b) La otra forma, es por sustitución electrofílica con un anhidrido o halogenuro (Cl, o Br) de ácido de dos, tres, o más átomos de carbono, en presencia de (AlCl3).

1.b1 Una de ellas es:

1.b2 La otra es:

Ambas reacciones 1.b1 y 1.b2, tienen la ventaja sobre las anteriores en que no se produce reordenamiento.

Aquí es importante considerar que el grupo alquilo R, de la reacción 1.a, tiene la capacidad de orientación para una segunda sustitución electrofílica en el anillo a la posición relativa orto-para.

De la misma manera, la reacción 1.b1 y 1. b2, introducen en el anillo un grupo acilo (RCO-), los que son orientadores meta típicos en síntesis orgánica.

155

Si se reduce el grupo carbonilo por el método de Clemmensen, Zn(Hg),HCl o con Hidrazina en medio básico (Wolff - Kischner), este grupo funcional acilo, se transforma en un radical alquilo RCH2-, (el grupo carbonilo CO se ha transformado en CH2) cambiando la orientación en una segunda sustitución, a orto-para.

En otras palabras, la transformación química del CO a CH2, implica un cambio eléctrico fundamental del grupo sustituyente y consecuentemente en la orientación si se hace una segunda sustitución en el anillo:

2.- ALGUNAS TRANSFORMACIONES EN LA CADENA LATERAL.

Una vez introducida la cadena lateral, es posible efectuar algunas transformaciones simples tales como:

2.a BROMACIÓN BENCÍLICA SOBRE LA CADENAAprovechándo la posibilidad de halogenar el carbono vecino a un doble

enlace, alílico o bencílico, condición que se cumple justamente en el carboco unido al anillo, llamado bencílico, por el mecanismo de radicales libres (Ver también el capítulo de alquenos), utilizando la N-bromosuccinimida como inductor, con lo que es relativamente fácil obtener un producto halogenado como el que se muestra a continuación:

2.b FORMACIÓN DEL DOBLE ENLACE EN LA CADENA2.b1 El tratamiento de un halogenuro de alquilo o arilo con una base fuerte como

el hidróxido alcalino (KOH), da lugar a la formación de un doble enlace en la cadena lateral por una simple eliminación de HBr.

156

La amida sódica, también es una buena base para obtener el doble enlace en un halogenuro de alquilo o arilo:

He aquí otro ejemplo de como introducir un doble enlace en una cadena lateral:

CH2CH2CH3

NBS

CHCH2CH3

Br

KOH/EtOH

CH CHCH3

Esquema Nº33

Esta secuencia muestra la manera más común de introducir un halógeno en una cadena lateral, y crear posteriormente por eliminación un doble enlace al tratar el compuesto con una base fuerte como el hidróxido.o amida sódica Ahora bién, sobre este doble enlace, pueden aplicarse todas las reacciones de alquenos que ya se han visto anteriormente. (Ver capítulo 3)

2.c-TRANSFORMACIONES QUE PUEDEN HACERSE SOBRE UN DOBLE ENLACE EN UNA CADENA LATERAL.

2.c.1-También, a partir de un doble enlace, es posible crear un grupo funcional aldehido -CHO como sustituyente en el anillo aromático. Para esto, solo basta con la ozonolisis del compuesto en cuestión:

157

2.c.2- Si se utiliza un oxidante más enérgico, como por ejemplo el KMNO4 en medio ácido, se logra la formación de ácido benzoico:

2.c.3 Pero si el compuesto aromático no posee hidrógenos alfa, obtendremos una cetona (Recuerde que la oxidación a ácido carboxílico de una cadena lateral de un anillo aromático se produce solamente si en el carbono alfa hay por lo menos un átomo de hidrógeno).

La oxidación de un anillo aromático con permanganato de potasio en medio ácido no lo afecta; solo afecta las cadenas laterales sin importar su estructura alifática, y lo más importante es que tengan al menos un hidrógeno bencílico. La oxidación conduce a la formación de un grupo carboxilo en el carbono bencílico, perdiéndose el resto de la cadena. Nótese que aquí hay un cambio de orientación del sustituyente al ir desde alquilo orientador o-p (activador) a carboxilo orientador m (desactivador)

158

KMnO4/H

COOH

hidrógeno bencílico

CHR2

Esquema Nº39

Otro ejemplo:

KMnO4/HCOOH

COOH

hidrógenos bencílicos

Esquema Nº40

3.-OBTENCIÓN DE UN DIHALOGENURO VECINAL

3.a Dentro de estas reacciones de alquenos está la adición de bromo en tetracloruro , obteniéndose asi un dihalogenuro vecinal.

Esta reacción es importante para la obtención de un triple enlace. Ya que al ser tratado con una base fuerte como el amiduro de sodio en amoníaco, se produce un alquino.

159

La presencia de un triple enlace en la cadena lateral, habre la posibilidad de aplicar sobre él, las transformaciones químicas ya vistas en el capítulo de los alquinos, como por ejemplo Hidratación con disiamilborano (DSMB)

Obteniendo una mezcla compleja de cetonas aromáticas isoméricas.

4.-COMO OBTENER UNA AMINA A PARTIR DE NITROBENCENO:

Por simple reducción con cinc y ácido clorhídrico, se puede reducir el grupo nitro a amino.

NO2

Zn/HCl

NH2

Esquema Nº34

NO2

NO2

Zn/HCl

NH2

NH2

Esquema Nº35

160

Si hay dos grupos nitro, puede reducirse solo uno de ellos por reacción con polisúlfuro de amonio:

NH2

NO2

NO2

NO2

(NH4)2Sx

Esquema Nº365.- OBTENCIÓN Y UTILIZACIÓN DE LAS SALES DE DIAZONIO EN SÍNTESIS

El tratamiento de la amina aromática con nitrito de sodio en medio ácido clorhídrico y a baja temperatura, produce un compuesto químico llamado cloruro de bencenodiazonio o comunmente una sal de diazonio. Estas sales son muy inestables a temperatura ambiente y por lo tanto deben ser mantenidos a una temperatura inferior a los 5ºC para poder utilizarlas posteriormente. Como se podrá ver, es un intermediario muy importante en los procesos sintéticos de la química orgánica:

sal de diazonio

N2 Cl

5ºC

NaNO2/HCl

NH2

Esquema Nº37

La utilidad de las sales de diazonio queda demostrada en el esquema de más abajo:

161

CN

I

KIBr

Cl

HBr,Cu2Br2

HCl,Cu2Cl2

H3PO2

OH

H2O,H

N2 Cl

CuCN

Diagrama Nº7

Las sales de diazonio pueden ser fácilmente transformadas en los respectivos halogenuros de arilo por tratamiento de la sal con el respectivo halogenuro cuproso. Esta transformación se llama reacción de Sandmeyer. Por otro lado, los ioduros de arilo se obtienen al tratar la sal de diazonio con ioduro de potasio. Ver el diagrama Nº7 más arriba.

Con cianuro cuproso se puede introducir un grupo nitrilo al anillo, obteniendose el benzonitrilo que es un valioso intermediario para obtener ácidos benzoicos y otros compuestos:

CN

H3O

COOH

Esquema Nº38Si la sal de diazonio se calienta en agua, se obtiene fenol. No hay otro método

tan simple y directo para introducir un grupo OH en un anillo aromático.

Finalmente, el tratamiento de la sal de diazonio con ácido hipofosforoso, nos permite remover el grupo N2

+ (diazonio) y así poder aprovechar el efecto orientador de un grupo nitro o amino para introducir otro grupo sustituyente antes de su eliminación.

162

DISUSTITUCIÓN ELECTROFÍLICA AROMÁTICA EN EL BENCENO.

Designemos como G al grupo sustituyente en el benceno. La pregunta importante que es necesario hacerse al querer hacer una segunda

sustitución sobre el anillo es: ¿Cómo influye eléctricamente este grupo ya sustituido en la reactividad del sistema aromático?.

Para responderla, lo que debemos hacer es simplemente: clasificar los diferentes átomos y/o grupos de átomos que configuran el sustituyente G, según los efectos eléctricos inductivo (I) y mesomérico (M). (Ver también el capítulo 2) Intuitivamente es válido suponer que, la suma y magnitud relativa de estos dos efectos en el sustituyente debería darnos una idea general del comportamiento eléctrico del grupo en el sistema aromático.

Examinemos cuidadosamente los diferentes tipos de sustituyentes.

Se conocen tres tipos de sustituyentes, según las magnitudes relativas de los efectos eléctricos inductivo (I) y mesomérico (M). Estos son:

1) Grupos con efecto (+I, +M) que son:

1a.- Aquellos que están unidos al resto de la molécula por un átomo de carbono sp3 (Vea que el valor de la electronegatividad del C= 2,5 y del hidrógeno H= 2,2) y este a su vez, a hidrógenos o a otro carbono con carga formal = 0. Ejemplo de estos grupos es: -CH3, -CH2R, -CHRR´, -CRR´R´´.1b.- Aquellos grupos iónicos como: –O-, o el carboxilato –COO-, los cuales poseen una gran densidad electrónica. Son en general bases conjugadas de ácidos fuertes.

Todos ellos son dadores netos de electrones. Son incapaces de recibir o acomodar cualquier incremento de carga electrónica extra.

2) Grupos con efecto (-I, +M)En esta categoría de sustituyentes hay que diferenciar dos subgrupos:2a.- Aquellos grupos en los cuales el efecto inductivo (-I), parece ser muy pequeño en valor absoluto, comparado con el efecto mesomérico (+M), lo que estaría implicando un efecto eléctrico neto dador.Estos átomos o grupos de átomos que conforman el sustituyente, se caracterizan por estar unidos al resto de la molécula por un átomo más electronegativo que el carbono, (O, N) de ahí su efecto (-I) y por otro lado, tener pares de electrones no compartidos, los que pueden ser cedidos al sistema pi, a través de una efectiva superposición de orbitales del tipo p. Este último efecto es óptimo si el tamaño de aquellos orbitales atómicos son de un tamaño similar. Vea la figura de más abajo. Esto se da entre el Carbono y el Oxígeno o el Nitrógeno.

163

C O C N

Son átomos que están ubicados en la misma fila o período de la tabla periódica, es decir, usan orbitales 2p de igual tamaño para una efectiva deslocalización.

Ejemplo de este tipo de sustituyentes es:

OH OCH3 OR

NRR´NHRNH2

2b.- Aquellos grupos en los cuales el efecto inductivo (–I) predomina sobre el efecto mesomérico (+M)

En este caso, el efecto eléctrico neto es aceptor.Entre estos grupos de sustituyentes están aquellos en los que el átomo

directamente unido al resto de la molécula pertenece al tercer, cuarto o quinto período o fila de la tabla periódica. (S, Cl, Br, I)

Estos átomos, son todos más electronegativos que el carbono, por eso, presentan un efecto inductivo negativo o (-I)

Como poseen pares de electrones desapareados, deberían presentar un comportamiento dador o efecto mesomérico positivo (+M), sin embargo, debido a que los orbitales atómicos p del carbono comparado en tamaño con los del azufre y halógenos tales como cloro, bromo y yodo, son tan diferentes que la efectividad de la deslocalización electrónica de esos pares es mínima. Vea la figura de más abajo.

Esto pone de manifiesto el hecho de que prevalezca el efecto inductivo negativo (-I) por sobre el mesomérico (+M) y entonces el efecto eléctrico neto del sustituyente es de aceptor.

C CX S

164

Ejemplo de estos grupos sustituyentes es:

SCH3 Cl Br I

3) Grupos con efecto eléctrico (-I, -M)El tercer tipo de sustituyente es aquel que presenta un efecto eléctrico inductivo

(-I) y un efecto mesomérico (-M). Estos son grupos aceptores netos.

El átomo del grupo unido al resto de la molécula es el carbono. Sin embargo, este carbono siempre está unido a otro más electronegativo, por lo que presenta un efecto eléctrico inductivo negativo (-I).

La electronegatividad de un átomo como el nitrógeno o el oxígeno, producen asimetría en la densidad electrónica del enlace sigma entre ambos átomos, aumentando así la electronegatividad del carbono, creando de esta manera un fuerte efecto eléctrico inductivo (-I) sobre el resto de la molécula.

C O C O

enlace sigma

En este tipo de sustituyente, el enlace entre estos átomos es además de tipo múltiple, doble o triple. Por lo tanto también intervienen enlaces de tipo pi. Por ejemplo:

C

O

Q

C N

Donde Q puede ser:

H OH OR NH2 NHR NRR'

Como todos los átomos involucrados pertenecen al mismo período en la tabla periódica (filas), los orbítales 2p son similares y el efecto eléctrico mesomérico (-M) de estos grupos se manifiesta fuertemente sobre todo el sistema pi de la molécula.

165

Un enlace múltiple entre carbono, nitrógeno y oxígeno, con diferente electronegatividad da lugar a enlaces polarizados, con la densidad de carga negativa sobre el átomo más electronegativo. Así se puede observar en los grupos de esta categoría:

C

O

Q

C N

Q

O

C

NC

Hay otro sustituyente que ha sido dejado aparte porque no interviene el átomo de carbono en su estructura como átomo directamente unido al resto de la molécula, este es el grupo nitro

Aquí el átomo del grupo que está unido al resto de la molécula, es el nitrógeno, que pertenece al mismo período que el carbono en la tabla periódica. El tamaño de los orbitales atómicos es semejante y por lo tanto, el efecto mesomérico se manifiesta fuertemente. Por otro lado, el nitrógeno (3,0) que es más electronegativo que el carbono (2,5), hace que este grupo presente un pronunciado efecto atractor (-I) sobre el resto de la molécula.

N

O

O

En este grupo, también hay enlaces de tipo pi entre átomos de diferente electronegatividad, ( O= 3,4; N= 3,0) de ahí la aparición de un fuerte efecto eléctrico mesomérico (-M), semejante al resto de los grupos de este tipo.

En resumen, el resultado de esta doble acción, es hacer que el átomo de nitrógeno del grupo que está unido directamente al resto de la molécula, sea

166

deficiente electrónicamente en su entorno, a través de su enlace sigma (-I) y deficiente también a través de su enlace pi (-M). Sus dos efectos eléctricos negativos apuntan en el mismo sentido y por tanto es un grupos netamente atractor de electrones.

En general, entonces, gracias a la combinación de estos mecanismos eléctricos, los sustituyentes, son capaces de hacer variar la reactividad de las moléculas, donde y cuando ellos estén presentes.

Como lo veremos ahora y a grandes rasgos, los grupos sustituyentes se manifiestan de dos maneras: cediendo electrones o captando electrones hacia sí. Es decir, hay solo dos alternativas considerando a G como el grupo sustituyente:

(a): Si G es un grupo dador de electrones (+I,+M) y (-I,+M), las diferentes densidades de carga eléctrica en el anillo se distribuirán, como puede observarse claramente en las estructuras contribuyentes (B), (C) y (D):

(D)(C)(B)(A)

el grupo G es undador de electrones

G

G G G G

Diagrama Nº5

Nótese que el grupo dador, aumenta la densidad electrónica en el anillo en las posiciones 2-4 y 6, es decir, en orto y para con respecto al sustituyente G.

167

Un grupo electrofílico, evidentemente atacará aquellas posiciones que muestren una mayor densidad electrónica. Por esa razón a este grupo dador G, se le llama orientador orto-para y su velocidad de reacción será mayor mientras mayor sea la densidad de carga inducida, en comparación con la densidad electrónica en el anillo del benceno. En otras palabras, un grupo activador aumentará la densidad electrónica en las posiciones orto y para relativa al sustituyente G, y la velocidad de reacción frente al ataque de un electrófilo, será con relación al benceno, mayor mientras mayor sea el aumento de densidad electrónica inducida.

Por ejemplo:

E

E E

+

Mezcla de productos

op op op

Debe agregarse que dentro del conjunto de grupos activadores (Ver en el recuadro la tabla Nº2), los últimos, es decir los alquilos son activadores débiles, y del resto, las dos primeras filas corresponden a los grupos activadores más fuertes.

grupos activadores y orientadores orto-para

CHR2CH2R,CH3,

,

,,

,,

NHCORNHCOCH3

OROCH3OH

NR2NHRNH2

Tabla Nº2

b): Cuando el grupo sustituyente G en el benceno es un aceptor, la distribución de la densidad electrónica en el anillo cambia radicalmente en comparación al caso del grupo dador.

168

G

G G G G

Diagrama Nº6

Observando las estructuras contribuyentes, se encuentra que la posición meta es la que presenta una mayor densidad de carga relativa, dentro del anillo sustituido, pero, si se la compara con el benceno, esta será menor. Por ejemplo:

E

E

m m

Todos aquellos grupos que tienen un comportamiento similar al descrito, se les llama grupos desactivadores y son orientadores meta en una segunda sustitución electrofílica aromática. Pertenecen a aquellos grupos caracterizados eléctricamente por sus efectos (-I,-M).

169

grupos desactivadores y orientadores meta

NO2CN,

CHO,

CONR2CONHR,CONH2,

, COORCOOHCOR,

NR3,

Tabla Nº3

Un caso especial lo presentan los halógenos. El efecto eléctrico neto de estos grupos hace que ellos sean atractores de electrones por lo que desactivan al anillo aromático, sin embargo, como poseen electones no compartidos en su capa electrónica externa, su efecto produce orientación orto- para. Estos grupos orientan la sustitución electrofílica a las posiciones orto y para, pero como son desactivantes, su velocidad de reacción será menor a la velocidad de reacción del benceno.

F , Cl , Br , I

grupos desactivadores, pero orientadores orto para.

Tabla Nº4

PROBLEMA:

Dibuje las estructuras de los productos principales de la reacción de mono nitración para cada uno de ellos usando una mezcla de HNO3/H2SO4.

170

Haga un esquema de síntesis para obtener (Y) a partir de benceno y cualquier otro reactivo orgánico o inorgánico necesario:

CRITERIOS PARA DEFINIR LA ORIENTACIÓN EN UN BENCENO YA DISUSTITUIDO

¿Que sucede con la orientación hacia la sustitución, cuando se desea predecir el producto que resulta de hacer una nueva reacción de sustitución en un anillo bencénico donde ya hay de antemano dos sustituyentes?

Experimentalmente se ha encontrado que según el tipo de sustituyentes presentes previamente en el anillo, es posible notar ciertas tendencias que permiten hacer buenas estimaciones con relación al producto que se espera al hacer experimentalmente la reacción.

Estas tendencias pueden ser agrupadas en forma gruesa, en tres grupos, según la combinación de los efectos eléctricos de los sustituyentes:

Caso (A): Donde ambos grupos son (+I,+M) o (-I,+M) y cualquier combinación entre ellos. Sus condiciones experimentales (Por ejemplo: temperatura y presión) son generalmente suaves. Estos grupos son orientadores orto-para (op). De manera que si op1=op2, entonces tendremos que:

a1.- Ambos sustituyentes iguales en posición orto uno con respecto al otro:

Mezcla de productos

+

E

E

opop

opopop

op

E

12

1 1

2 2

Si op1≠op2, entonces se obtendrá una mezcla compleja de productos. Por ejemplo:

171

E

OH

CH3

+ + +

OH OH OH OH

CH3 CH3 CH3 CH3E

E

E E

Mezcla compleja de productosa2.- Los sustituyentes iguales op1 y op2 están en posición meta uno con respecto al otro:

Producto principal

E

E

opopop+

opopop

E

1

2

1

2

1

2

En el ejemplo que sigue ahora, op1 y op2 son diferentes y ambos sustituyentes tienen aproximadamente la misma capacidad orientadora, sin embargo, es de esperar que por la disposición de los grupos, por ejemplo, CH3 y Cl, aquella sustitución que se produciría entre ambos sustituyentes debería tener un menor rendimiento.

Es lo que se conoce como impedimento estérico, y los dos productos restantes serán los productos posibles o más probables.

productos principales de la reacción

Cl

H3C

E E

Cl Cl Cl

H3C H3C H3C

E

+ +E

a3.- Ahora, si los sustituyentes están en posición para uno respecto al otro y si op1=op2, entonces deberíamos esperar que el producto de esta reacción sea:

172

E

op op

op op

E

1

2

1

2

Si op1≠ op2, el sustituyente más fuerte dirigirá la sustitución. Sin embargo, el producto final de la reacción estará fuertemente contaminado. Estas son reacciones rápidas en condiciones óptimas de temperatura. Por ejemplo:

E

OH

+

OH OH

E

Mezcla compleja de productos

CH3 CH3 CH3

E

contaminadosCaso B: Uno de los sustituyentes es director orto-para, es decir, pertenece a los grupos (+I, +M) o (-I, +M). El otro pertenece al grupo (-I,-M), es decir, orientador a la posición meta.

Aquí se pueden presentar los siguientes casos:

b1.- Sus posiciones relativas son orto, y de acuerdo con nuestros conocimientos previos, producirán:

E

op op op

E

+

Mezcla de productos

m m mE

El siguiente ejemplo muestra que la dirección de la sustitución esta dirigida por el sustituyente activador. En este caso el grupo -CH3:

173

NO2 NO2 NO2

CH3 CH3 CH3E

E E

+

Mezcla de productos

b2.-En el siguiente caso, se obtendrá una mezcla de productos, aun cuando será el grupo op quién dirija la sustitución. Sin embargo es de esperar también la contaminación con el compuesto producido por la acción directora del grupo m.

E

op op op

EE

m m

op

m

E

+ y

Mezcla de productos Prod. secundario

m

El producto secundario, debido al impedimento estérico provocado por los grupos originales en posición relativa meta, no sobrepasa generalmente el 5% del total de los productos.

Por ejemplo:

Prod. secundarioMezcla de productos

y+

E

E EE

CH3 CH3 CH3 CH3

CN CN CN CN

b3.- Aquí los sustituyentes están en posición relativa para, y hay que esperar otra vez que aquel sustituyente orientador op sea el que mande en la orientación por sobre m. La posición de ambos sustituyentes hace que entre ellos se refuercen para

174

dar solo un único producto. Nótese que en este caso hay un reforzamiento en el efecto orientador de ambos grupos.

Único producto

E

opop

E

m m

Debería esperarse una reacción relativamente lenta en condiciones óptimas, debido a la presencia en el anillo aromático, de un grupo desactivador.

NH4NH4

CH3CH3

EE

Único producto

Otro caso simple como el anterior en que los grupos presentes en el anillo refuerzan sus efectos orientadores es:

El grupo NH2 orienta a orto y para, siempre que el medio no sea fuertemente ácido. El NO2 es orientador meta y sus efectos coinciden en la posición orto con relación al grupo amino.

175

Si el medio fuera fuertemente ácido se hace necesario proteger el grupo amino evitando así su protonación.

Su protección se logra haciendo reaccionar la fenilamina con anhidrido acético para formar la acetanilida, mucho menos básica que el grupo amino -NH2 , conservando la orientación op.

La recuperación posterior del grupo amino se realiza facilmente mediante un calentamiento suave de la acetanilida en medio ácido.

Caso C: Cuando ambos grupos sustituyentes son (-I,-M), es decir, son ambos desactivadores u orientadores meta, (mi), aparecen estas tres posibilidades según las posiciones relativas de los sustituyentes:

176

c1.- En este caso, ambos sustituyentes son iguales, lo que hace que el producto sea único:

E

m2m2

m1m1

Único producto

E

Sin embargo, si los sustituyentes son diferentes, entonces aparecerán las complicaciones. El producto esperado estará altamente contaminado:

E

E+

NO2 NO2 NO2

CN CN CN

E

Mezcla de productos

c2.- Ambos grupos sustituyentes son iguales y son orientadores meta, Por su posición relativa, ellos se refuerzan entre si dando entonces solo un producto.

E m2m2

E

Único producto

m1 m1

177

De la misma manera, si ellos son diferentes darán por su orientación relativa en el anillo, un solo producto. Por ejemplo:

E

NO2 NO2

ECHO CHO

c3.- La posición relativa para entre los sustituyentes se refuerza siempre que ambos sean iguales.

m1

m2m2

m1

Único producto

EE

Si m1≠ m2, entonces esta vez habrá mezclas complicadas en todos los casos,

E

NO2 NO2

COOR COOR

+

NO2

COOR

E

E

Todas las reacciones del tipo C serán por supuesto, más lentas con respecto a las mismas reacciones con el benceno, debido a que en este caso, ambos grupos sustituyentes son desactivadores

178

PROBLEMA:De al menos dos argumentos que permitan decidir si el p-

dimetilbenceno (p-Xileno) es más reactivo en una reacción de sustitución electrofílica que el p-clorotolueno.

ALGUNAS SÍNTESIS DE COMPUESTOS AROMÁTICOS POLISUSTITUIDOS:

Sería imposible abarcar la enorme variedad de compuestos que se pueden obtener, aplicando a su síntesis, las reacciones generales que hemos visto hasta este momento. Sin embargo resulta útil hacer algunos comentarios generales.

Cuando se planea una síntesis de un compuesto aromático, uno de los hechos importantes que hay que tener en cuenta es, la correcta secuencia de introducción de los sustituyentes. Este orden está basado en la aplicación del conocimiento de lo que es, la activación o desactivación y la orientación de los diferentes grupos químicos involucrados.

Por ejemploSi se quiere sintetizar la molécula aromática trisustituida que se muestra más abajo, se verá que es importante el orden en que se vayan introduciendo cada sustituyente:Haga un esquema de síntesis pàra obtener(A), a partir de benceno.

Primero: Si usted nitra el benceno, no podrá acilar por Friedel y Crafts en una etapa posterior, puesto que este es un gropo desactivador.Segundo: Si usted clora primero, este grupo que es orientador o,p no le permitirá introducir los otros grupos que están en posiciones relativas meta.Por lo tanto, queda la única posibilidad que es primero acilar. Luego, nitrar, no clorar porque este orientaría la nitración a posiciones o,p con relació a él. Finalmente clorar.

179

Otro ejemplo:Se quiere sintetizar el p-nitrotolueno y el m-nitroclorobenceno a partir de benceno y cualquier otro reativo orgánico e inorgánico necesario. Proponga un esquema de síntesis:

CH3

NO2

NO2

Cl

Estructura Nº16

En el primer caso, debemos tener en cuenta que el nitro es un orientador meta y el metilo es un orientador orto-para. Como la posición relativa de ambos sustituyentes es para del uno con respecto al otro, resulta lógico proceder a introducir primero el grupo metilo en el benceno. En el segundo caso se debe introducir primero el grupo nitro (orientador meta) y este orientará posteriormente la introducción del cloro (que es orientador para) a la posición meta.

Otro ejemplo:Si se desea obtener 1-nitro-2,4-dibromobenceno a partir de

nitrobenceno. Esta es una de las posibles secuencias de síntesis:

NO2

HNO3/H2SO4

NO2

NO2

(NH4) Sx

NH2

NO2

180

2

1 NaNO2/HCl

NO2

NH2

Br2/FeBr3

NH2

NO2

Br

Br

H3PO2

Br

NO2

Br

Esquema Nº41

En este caso se ha aprovechado la activación y orientación del grupo amino para dirigir la introducción de los dos átomos de bromo. Posteriormente el grupo amino se lleva a sal de diazonio y se elimina con ácido hipofosforoso.

De otra manera, si reducimos primero el grupo nitro a amino, entonces, a partir de anilina podemos llegar al mismo producto. El elegir uno u otro camino de síntesis dependerá entre otras cosas del número de pasos necesarios, mientras menos pasos sean necesarios, más simple será la secuencia sintética, o bién la disponibilidad de reactivos lo más simples y baratos posibles etc.

Br

N2 Cl

BrHNO2/HCl

Br

NH2

BrBr2/FeBr3

NH2

Br

NO2

BrHNO3/H2SO4

Br

BrH3PO2

Br

N2 Cl

Br

Esquema Nº42

En este caso, también se aprovecha la orientación del grupo amino para introducir los bromos y luego se elimina. Por último se nitra, aprovechando ahora la orientación reforzada de los dos bromos.

181

Ejemplo:

Se desea sintetizar el p-nitrobenzoico a partir de benceno:Las orientaciones de ambos grupos son meta y por lo tanto si quiero llegar a

un compuesto con los sustituyentes en posición relativa para, ninguno de ellos me sirve. Sin embargo, se sabe que el metilo es un orientador para y me será útil para introducir el grupo nitro en esa posición relativa. Entonces se metila primero el benceno mediante la reacción de Friedel y Crafts con un halogenuro de metilo como reactivo:

+ CH3BrAlCl3

CH3

Esquema Nº43

La nitración del tolueno produce una mezcla de isómeros los que pueden ser separados por algún método físico adecuado:

Esquema Nº44

Ahora se puede oxidar el grupo metilo para obtener el producto deseado.

182

CH3

NO2

KMnO4/H

COOH

NO2

Esquema Nº45

¿Que habría sucedido si se oxida primero el metilo y luego se nitra?

Esquema Nº46

Otro ejemplo:

Se quiere sintetizar el ácido o-bromobenzoico:

Sabemos que el bromo es un orientador o-p y el COOH es un orientador meta, pero sabemos además que el metilo que es un orientador o-p y que puede ser transformado posteriormente en carboxilo por oxidación del metilo con permanganato de potasio en medio ácido, por lo tanto se puede optar por introducir cualquiera de ellos primero el metilo o el bromo. Sin embargo, el bromo es un desactivante en cambio el metilo es un activante y aunque débil será más rápida la reacción con este último.

CH3Br/AlCl3

CH3

183

CH3

Br2/FeBr3

Br

+

CH3 CH3

BrEsquema Nº47

Nótese que se produce una mezcla de productos en esta etapa, sin embargo, uno puede forzar la reacción ahora, para que se produzca principalmente el producto orto, con la ayuda de un grupo que pueda ser posteriormente removido:

Esquema Nº48

La eficiente separación del isómero para y la halogenación de este compuesto sulfonado para su posterior hidrólisis, permite obtener un producto con muy buén rendimiento.

Br2/FeBr3

Br Br

CH3CH3

SO3H SO3H

H2SO4 dil.

CH3

Esquema Nº49

Solo resta oxidar el metilo con KmnO4 en medio ácido.

184

COOHCH3

BrBrKMnO4 / H

Esquema Nº50

Que es el producto esperado.

Otro ejemplo:Hacer un esquema de síntesis para obtener con buen rendimiento, el 1-

bromo-2-clorobenceno a partir de clorobenceno y cualquier otro reactivo orgánico e inorgánico necesario:

Hay que separar ambos isómeros por algún método físico, como por ejemplo la recristalización, y proseguir la síntesis con el isómero adecuado.

Aprovechando la orientación reforzada inducida por el cloro y el grupo nitro, y luego la eliminación del grupo clorurodiazonio (–N2

+Cl-) con ácido H3PO2:

185

Hay otro grupo como el sulfónico (–SO3H), que es fácilmente eliminado produciendo el mismo efecto del grupo nitro en la orientación y sustitución (Ver el ejemplo anterior).

Este grupo es eliminado por simple calentamiento a reflujo del compuesto en una solución de ácido sulfúrico diluido.

186

Estos métodos de síntesis son adecuados para obtener buen rendimiento y pureza, siempre que esa posible obtener una buena separación de los isómeros orto-para de los nitrados o de los sufonados.

PROBLEMA:

Examine, cada una de las siguientes estructuras y ordénelas de mayor a menor según su reactividad, frente a un halogenuro de alquilo y en presencia de AlCl3. Justifique su elección brevemente.

Trate de hacer un esquema de síntesis para los dos siguientes compuestos aromáticos (A) y (B) a partir de benceno y cualquier otro reactivo orgánico e inorgánico necesario.

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PROBLEMA:Haga un esquema de síntesis para obtener a partir de benceno y

cualquier otro reactivo orgánico o inorgánico SOLO UNA de las siguientes estructuras:

PROBLEMA:

Proponer y hacer un análisis de un esquema de síntesis para el 3,5-dibromofeniletileno a partir de benceno y cualquier otro reactivo orgánico e inorgánico:

En primer lugar, por las posiciones relativas de los sustituyentes, la introducción del primer halógeno debe venir solo si hay previamente un sustituyente con orientación meta. Por esta razón, el primer sustituyente en el anillo debe ser orientador meta y de dos átomos de carbono.

En segundo lugar, los dos halógenos no pueden provenir de una halogenación directa sobre el anillo con bromo en presencia de tribromuroférrico. Solo uno de ellos puede venir de aquel orientador meta. ¿Cuál es la razón de esta afirmación?. La razón es que si hay uno de los halógenos ya introducido en el

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compuesto, este grupo es orientador o-p, y asumirá la dirección de la siguiente halogenación.

Este grupo orientador meta puede adicionar un átomo de bromo en posición meta. Posteriormente, hay que tener presente una regla general sobre orientación, que dice que un grupo orientador orto-para como es el bromo este el caso, mandará sobre el orientador meta en una subsiguiente sustitución.

Así, en la siguiente sustitución, donde manda el halógeno bromo como orientador o-p, resultará en una mezcla como la siguiente:

La reducción del grupo carbonilo con Clemmensen previamente a la halogenación, redundará en la obtención de una mezcla más compleja que la ya descrita.

Queda entonces la posibilidad de introducir el segundo bromo por transformación de un grupo nitro que es orientador meta. Así, se tiene la siguiente secuencia:

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Ambos sustituyentes son orientadores meta y forzarán la halogenación fuertemente a la posición meta relativa a aquellos dos.

Luego, se reduce el grupo carbonilo con Clemmensen y el nitro con Zn/HCl, obteniendo:

¿Cómo se puede ahora introducir el otro átomo de bromo a partir de esta estructura?

Recuerde que el grupo nitro puede ser transformado en amino o sal de diazonio. La sal de diazonio puede ser a su vez transformada en (Ver el esquema) en Cl, Br, I, CN, OH, H.

El tratamiento de la sal cloruro de diazonio con bromuro cuproso (Reacción de Sandmeyer), resulta en:

190

Por último, el doble enlace en la cadena lateral se obtiene con una halogenación bencílica (bromación) con NBS y posterior tratamiento del producto de reacción con una base fuerte como el hidróxido de potasio en etanol como solvente.

LA RETROSÍNTESIS

Cuando se dominan los pasos de transformación, como los que se han visto previamente en varios capítulos, es posible analizar y proponer un esquema de síntesis comenzando desde el producto y en diversas etapas coherentes, llegar hasta los reactivos dados. No hay duda de que esta forma de ver una síntesis requiere, entre otras actitudes, tener mucha experiencia en la forma en que se hacen las modificaciones estructurales de las moléculas, como así también ser capaz de visualizar a partir de la estructura del producto, las posibles estructuras precursoras.

Por ejemplo, se plantea el siguiente ejercicio.

Proponga usted una vía retrosintética para obtener el compuesto químico (A), a partir de benceno, utilizando para ello cualquier método, reactivo orgánico e inorgánico y la condición experimental necesario.

A simple vista, este compuesto invita a pensar que:

a) Hay un doble enlace en una cadena lateral, el cual puede ser obtenido a través de dos métodos simples.

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Una de ellas es mediante una reacción de deshidrohalogenación como la que se muestra a continuación (Ver capítulo de alquenos)

Si la síntesis tiene su punto de partida en el benceno, entonces, debe recurrirse a Friedel y Crafts para obtener el precursor (X) a partir del benceno ramificado.

Si la cadena lateral es más larga, debe usarse la acilación para evitar los reordenamientos. Por supuesto que la cadena hidrocarbonada en el anillo, se tiene cuando se reduce el grupo carbonilo (CO) con un método apropiado como por ejemplo el de Clemmensen.

Cuando el número de átomos de carbono de la cadena lateral es menor a tres, es válido el uso del bromuro de alquilo directamente puesto que no hay posibilidad de reordenamiento en la cadena.

En este caso particular el grupo alquilo es etilo.

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Y finalmente, la relación que hay entre etilbenceno y el 1-etilbenceno bromado es claramente la halogenación (bromación) de esta molécula. Esto se logra con NBS.

La otra opción es utilizando la reacción de Wittig (Ver capítulo de los alquenos)

PROBLEMAS DEL CAPÍTULO COMPUESTOS AROMÁTICOS:

1.-Haga un esquema retrospectivo de síntesis para los siguientes compuestos (A) y (B), hasta llegar a benceno como el reactivo principal disponible. Usted puede usar cualquier otro reactivo orgánico e inorgánico y condición experimental.

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2.-Haga un esquema de síntesis del compuesto (A) a partir del benceno y cualquier otro reactivo orgánico e inorgánico necesario:

Br

(A)

3.- Escriba un esquema de síntesis para obtener 2-(p-nitrofenil)etanol (A) a partir de benceno y cualquier otro reactivo orgánico e inorgánico necesario.

(A)

CH2CH2OH

NO2

?

4.- Escriba un esquema de síntesis para obtener el compuesto (A) a partir de benceno y cualquier otro reactivo orgánico e inorgánico necesario.

OH

CH2CCH3

O

(A)

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5.- Escriba un esquema de síntesis para obtener el compuesto (A) a partir de benceno, y cualquier otro reactivo orgánico e inorgánico necesario.

NH2

CH2CHO

(A)

6.- Haga un esquema de síntesis para la transformación:

HCH2CH2CH3

Cl

HOC

?

Utilizando cualquier reactivo orgánico e inorgánico necesario.

7.- Haga un esquema de síntesis para la transformación:

Br

CH2CHO

?

Utilizando cualquier reactivo orgánico e inorgánico necesario.

8.- A partir de benceno y cualquier reactivo orgánico de no más de tres átomos de carbono y cualquier reactivo inorgánico necesario, haga un esquema de síntesis para (A):

C C CH2 CH3

(A)

9.- Al tratar de hacer una nitración del 2-fenil-2-butanol con una mezcla nitrante (HNO3/H2SO4), se produjo inesperadamente 2-metanitrofenil-2-buteno:

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a) Escriba un mecanismo de reacción que dé cuenta de la formación del producto “inesperado”.

b) Proponga entonces usted, un esquema de síntesis para la obtención del 2-para-nitrofenil-2-butanol

OH

CH3CH2 CH3

2-fenil-2-butanol

10.- Haga un esquema de síntesis para la siguiente molécula (A), a partir de benceno o tolueno. Usted dispone además de cualquier otro reactivo orgánico e inorgánico necesario.

H3C OH(A)

H H

11.- La conocida aspirina es un derivado acetilado del ácido 2-hidroxibenzoico. Sobre la base de las reacciones que usted conoce:

a) Proponga un esquema de síntesis del ácido 2-hidroxibenzoico, a partir de benceno y cualquier otro reactivo orgánico e inorgánico necesario.

b) Nombre según IUPAC cada intermediario que aparezca en el esquema de síntesis propuesta por usted.

12.- Para los siguientes compuestos aromáticos:

Cl NO2 NH2 CH3

(A) (B) (C) (D)

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a) Prediga y ordene, de mayor a menor, su reactividad relativa frente a la mononitración, en un medio fuertemente ácido.

b) Indique la posición de la mononitración.c) Dibuje en base a su respuesta en los puntos a) y b). ¿Cuál y donde

estará sustituido el producto principal frente a una segunda nitración?.

13.- Obtener (Y) a partir de benceno y cualquier otro reactivo orgánico o inorgánico necesario:

14.- Haga un esquema de síntesis para los tres compuestos (A) (B) y (C) a partir de benceno. Usted dispone además de cualquier otro reactivo orgánico e inorgánico necesario.

Cl

CO2H NH2

Br

NO2 Br

NO2

(A) (B) (C)

C CCH2CH3

15.- (a) A partir de benceno y cualquier otro reactivo orgánico e inorgánico necesarios, sintetice los ácidos (A) y (B).

CO2H CO2H

NH2

NO2

(A) (B)

(b) ¿Como podría, utilizando (A) o (B) como punto de partida, obtener los ácidos (C),(D),(E) y (F). Haga un esquema simple de síntesis para cada caso (sin indicar el mecanismo):

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CO2H CO2HCO2H CO2H

Cl OH

CN

(C) (D) (E) (F)

16.- Haga un esquema de síntesis para SOLO UNO de los dos siguientes compuestos aromáticos a partir de benceno y cualquier otro reactivo orgánico e inorgánico necesario.

17.- Diseñe, a partir de benceno y cualquier otro reactivo orgánico e inorgánico necesario, los esquemas de síntesis para dos de las cuatro moléculas cuyas estructuras se muestran mas abajo:

CH CH C CH

NH2

COOH

Br

CH CH CH2 NO2

(A) (B)

(C) (D)

Cis

como único productoen la última etapa de la síntesis

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