CAPÍTULO 3

SUSTITUCIÓN ELECTROFÍLICA AROMÁTICA

La sustitución electrofílica aromática es la reacción más importante de los compuestos aromáticos. Es posible introducir al anillo muchos sustituyentes distintos por este proceso. Si se elige el reactivo apropiado pueden efectuarse reacciones de bromación, cloración, nitración, sulfonación, alquilación y acilación, estas seis son reacciones directas, y a partir de ellas se pueden introducir otros grupos.

En este capítulo se estudiará estas reacciones, más las que se puedan obtener a partir de ellas, como también la introducción de un segundo sustituyente.

Como ya se tiene indicado, la reacción más importante de los compuestos aromáticos es la sustitución electrofílica aromática (SEAr). Es decir la introducción de un electrófilo (E+), en el anillo bencénico.

Seleccionando las condiciones y los reactivos apropiados, el anillo aromático se puede halogenar, nitrar, sulfonar, acilar y alquilar. Todas estas reacciones y muchas otras proceden a través de un mecanismo similar.

3.1. LA Halogenación AROMÁTICA

El benceno es normalmente inerte en presencia de halógenos, debido a que los halógenos no son lo suficientemente electrófilos para destruir su aromaticidad. Sin embargo, los halógenos pueden activarse mediante ácidos de Lewis como los haluros de hierro, FeX3 o de aluminio, AlX3, para dar electrófilos más potentes.

Mecanismo de la Bromación:

1) Activación del bromo por un ácido de Lewis (FeBr3)

2) Ataque electrófilo sobre el benceno por bromo activado

3) El FeBr4- formado en la etapa anterior actúa ahora como base abstrayendo el protón del catión hexadienilo.

En resumen, la halogenación del benceno se hace más exotérmica al pasar del I2 (endotérmica) a F2 (explosiva). Las cloraciones y bromaciones se consiguen utilizando ácidos de Lewis como catalizadores que polarizan el enlace X-X y activan el halógeno aumentando su poder electrófilo.

La dificultad termodinámica de la yodación puede evitarse añadiendo una sal de plata a la mezcla de nitración, que activa y elimina el producto (yoduro) de la reacción por precipitación.
Para la fluoración del benceno puede emplearse la reacción de Schiemann.
A su vez la sal de diazonio para la reacción de Schiemann se prepara a partir de la anilina por diazotación con nitrito de sodio en medio ácido:

3.2. LA Nitración AROMÁTICA

Los anillos aromáticos se pueden nitrar por reacción con una mezcla de ácido nítrico y ácido sulfúrico concentrado. Se piensa que en ésta reacción el electrófilo es el ion nitronio, NO2+, que se genera a partir del ácido nítrico por protonación y pérdida de agua.

Mecanismo de la Nitración

1) Activación del ácido nítrico por el ácido sulfúrico (formación del ion nitronio)
2) Ataque nucleofílico sobre el ion nitronio y estabilización de la carga positiva en el anillo bencénico por resonancia
3) Abstracción del protón por parte de la base conjugada del ácido sulfúrico.

La nitración de anillos aromáticos es una reacción de particular importancia, debido a que los nitroarenos que se producen pueden reducirse con reactivos como hierro o cloruro estannoso para formar aninoarenos (derivados de la anilina).

3.3. LA Sulfonación AROMÁTICA:

El ácido sulfúrico concentrado no reacciona con el benceno a temperatura ambiente excepto por protonación. Sin embargo, una forma más reactiva, llamada “ácido sulfúrico fumante” da lugar a un ataque electrofílico por SO3. El ácido sulfúrico fumante comercial se prepara por adición de aproximadamente un 8% de trióxido de azufre (SO3), a ácido sulfúrico concentrado. El electrófilo reactivo es HSO3+ o SO3 neutro, dependiendo de las condiciones de reacción.

Mecanismo de la Sulfonación:

ácido bencensulfónico (95%)

La sulfonación es reversible, lo cual tiene utilidad sintética, debido a que el sustituyente ácido sulfónico puede utilizarse como grupo protector para dirigir una segunda sustitución en el anillo.

3.4. Alquilación de lOS ANILLOS AROMÁTICOS: Reacción de Friedel-Crafts

En 1877, Charles Friedel y James Crafts descubrieron que los haloalcanos reaccionan con benceno en presencia de cloruro de aluminio, para dar el producto de alquilación. La reacción de Friedel-Crafts es una sustitución electrofílica aromática en la cual el anillo aromático ataca a un carbocatión electrofílico. El carbocatión se genera cuando el catalizador AlCl3 ayuda al halogenuro de alquilo a ionizarse, de forma muy similar a como el FeBr3 cataliza las bromaciones aromáticas polarizando al bromo.

Mecanismo de la Alquilación:

1) Activación del haloalcano
2) Ataque electrófilo
3) Pérdida del protón

Las alquilaciones de Friedel-Crafts intramoleculares pueden utilizarse para la construcción de un nuevo anillo fusionado con el núcleo bencénico.

Las alquilaciones de Friedel-Crafts además pueden llevarse a cabo con un alcohol o un alqueno en presencia de un ácido de Lewis, tal como cloruro de aluminio anhidro, fluoruro de hidrógeno, trifluoruro de boro o cloruro de hierro (III).:

Cada átomo de halógeno de un polihalogenuro reacciona con una molécula de hidrocarburo aromático de manera similar:

La autocondensación de dos moléculas de cloruro de bencilo da 9.10 dihidroantraceno, el cual puede oxidarse a antraceno:

El calentamiento prolongado de un alquilbenceno con un ácido de Lewis, da por resultado la eliminación del grupo alquilo y por consiguiente la alquilación de Friedel - Crafts es reversible.

Si bien las alquilaciones de Friedel-Crafts son útiles en términos generales para la síntesis de alquilbencenos, están sujetas a ciertas limitaciones. Una de ellas es que sólo se pueden usar halogenuros de alquilo, la reacción no funciona con halogenuros de arilo y halogenuros vinílicos.

Halogenuros de arilo

NO HAY REACCIÓN¡¡¡

Halogenuros vinílicos

Una segunda limitación es que las reacciones de Friedel-Crafts no proceden con anillos aromáticos que estén sustituidos con grupos que atraigan fuertemente a los electrones (desactivadores).

Donde

Una tercera limitación es que estas reacciones son difíciles de detener en el producto monosustituido, suelen dar el producto disustituido en para como producto principal.

mayoritario menor

Una limitación final a la reacción de Friedel-Crafts es la transposición del grupo alquilo que ocurre algunas veces durante la reacción, en particular cuando se emplea un halogenuro de alquilo primario, con más de dos átomos de carbono en, su longitud.

La reacción de Friedel - Crafts, es excepcional en el sentido de que si ocurre dialquilación, los dos grupos se introducirán en meta cuando la temperatura sea de 80º o mayor en presencia de un catalizador enérgico, pero se introducirán en orto y para en condiciones más suaves. Esto puede deberse a que el isómero meta es el más estable y por lo tanto será el producto favorecido con un control termodinámico. El AlCl3 es un catalizador más poderoso que el BF3, el FeCl3 y el HF.:

3.5. Acilación de Friedel-Crafts

La reacción consiste en la introducción del grupo acilo -COR, al anillo aromático para la obtención de cetonas, es una de las reacciones de sustitución aromática más empleadas, la sustitución tiene lugar sin reagrupamientos. Puesto que los grupos carbonilo se reducen con facilidad a grupos metileno por los métodos de Clemmensen y Wolf-Kischner, la acilación seguida de reducción es un procedimiento excelente para introducir grupos alquilo en las cadenas laterales.

El mecanismo de la acilación de Friedel-Crafts es similar al de la alquilación. El electrófilo reactivo es un catión de acilo estabilizado por resonancia, el cual se genera por reacción entre el cloruro de acilo y el AlCl3. A diferencia de las alquilaciones, las acilaciones nunca proceden más de una vez en un anillo, debido a que el acilbenceno producido es siempre menos reactivo que el material de partida no acilado.

Mecanismo de la Acilación:

Ejemplos de acilación de Friedel -Crafts.

Los anillos aromáticos con sustituyentes orientadores en posición meta no son lo suficientemente reactivos para sufrir acilaciones directamente; por consiguiente, las cetonas meta-sustituidas se deben obtener por procedimientos indirectos:

Cuál es el plan de síntesis más adecuado, para preparar la 3,5-dibromoacetofenona (MOb 11), a partir del benceno?

MOb 11. El grupo metil cetónico es desactivante del anillo bencénico, razón por la cual es imposible introducir el Br en la molécula. Sin embargo se puede en la molécula precursora, hacer aparecer un grupo que pueda activar el anillo bencénico aún estando el grupo cetónico en ella. Ese grupo el amino, activante débil, que por diazotación y reacción con el H3PO2, prácticamente vuelve a alejarse del anillo bencénico. El grupo amino es orientador orto para, lo que permite introducir el bromo en las posiciones requeridas. NO obstante recuerde que tampoco es posible acilar directamente la anilina, por lo que el grupo amino se debe transformar en su amida, que permitirá la acilación en la posición para preferentemente. El resto de reacciones ya no requieren de explicación, por ser demasiado obvias.

3.6. CICLACIÓN DE FRIEDEL-CRAFTS.

La ciclación intramolecular de ácidos β y γ-arilalcanoicos (y cloruros de ácido) en condiciones ácidas, es un método elegante en la síntesis de anillos carboxílicos condensados con núcleos aromáticos. Se han investigado una amplia variedad de condiciones de reacción para la síntesis de sistemas policíclicos.

Las ciclaciones intramoleculares de Friedel-Crafts se usan no solamente para la síntesis de nuevos sistemas en anillo, sino también para la preparación de derivados de hidrocarburos polinucleares corrientes como el naftaleno, fenantreno y antraceno.

Todos los naftalenos monosustituidos se obtienen a partir del naftaleno, pero normalmente se obtiene una mezcla compleja de isómeros que hace dificultan una separación práctica significativa; lo mismo ocurre con la monosustitución del fenantreno.

Las estructuras de los productos de sustitución se establecen mediante síntesis concretas, las cuales, usualmente, llevan consigo ciclaciones. El anhídrido succínico y sus derivados se emplean particularmente en la formación de anillos. Combinando convenientemente las reacciones de acilación de Friedel-Crafts, reducción de Clemmensen, adiciones de Grignard, reducciones simples de grupos carbonilo y las reacciones de deshidrogenación de compuestos alicíclicos, se obtienen caminos que proporcionan una gran cantidad de compuestos policíclicos sustituidos.

3.7. PROBLEMAS RESUELTOS

Proponer un plan de síntesis para las siguientes moléculas, a partir del tolueno o xileno:

(MOb 12) 1-isopropil-7-metilnaftaleno

(MOb 13) 2,7-dimetilnaftaleno

(MOb 14) 1-isopropil-6-metilnaftalen

(MOb 15) 4-metox-1,2,7-trimetilnaftaleno

Solución:

(MOb 12). En la estrategia se toma en cuenta que la última etapa tiene que ser un proceso de “aromatizacion”, por lo cual se propone que la molécula precursora presenta un anillo no aromático, con un doble enlace sobre el carbono que contiene el doble enlace y al grupo alquilico. Esta estructura se puede conseguir por la acción del un Grignard sobre un carbonilo y la posterior deshidratación del alcohol formado. La cetona se forma por la acilación sobre el compuesto bencénico adecuado con el anhídrido succínico y sus posteriores cierres intramoleculares de acilación de Friedel -Crafts.

(MOb 13). Nuevamente la molécula precursora tiene que se “aromatizada”, la estrategia mas adecuada de entre otras se basa en la combinación de acilación con anhídrido succínico sustituido y la reducción de Clemmensen. El carbonilo final se reduce a alcohol que será deshidratado luego con hidrogeno molecular y un catalizador denominado cromilo de cobre.

(MOb 14). La aromatización final se consigue, luego de reducir un grupo carbonílico a alcohol y luego deshidratarse el mismo. La molécula precursora de consigue con una acilación con el anhídrido succínico. E l carbonilo que tiene que ser atacado por un Grinard para introducir el grupo alquilo y general el alcohol que será deshidratado, es protegido temporalmente como un cetal cíclico.

MOb 15. El anillo mas sustituido se considera que corresponde al anillo aromático que por una acilación adecuada con un derivado del anhídrido succínico, permitirá el cierre de un anillo, con una combinación inteligente de la acilación y reducción del carbonilo. El anillo bencénico con la funcionalidad requerida se prepara a partir del o-xileno, que es sulfonado y el grupo -OH se protege eterificándolo hasta el final.

La acilación del naftaleno está sujeta a un interesante efecto del disolvente. La reacción en disulfuro de carbono o disolvente halogenados, produce un ataque predominantemente en la posición α , sin embargo, en solución de nitrobenceno, el tamaño del agente electrofílico atacante se incrementa por solvatación con el nitrobenceno, atacándose la posiciónβ, que es menos impedida estéricamente.

La succinoilación del naftaleno en nitrobenceno produce una mezcla separable de isómeros α y β, los cuales se usan en la síntesis de derivados del fenantreno

El tetralín, se acila exclusivamente en la posiciónβ, lo que demuestra la resistencia de los derivados 2-ftaloilo a ciclarse en la posición 3 para dar productos condensados lineales.

3.8. RESÚMEN DE LAS REACCIONES DE SUSTITUCIÓN ELECTROFÍLICA AROMÁTICA Y LA INTRODUCCIÓN DE OTROS GRUPOS

Las reacciones de sustitución electrofílica aromática, estudiadas líneas arriba, se pueden resumir en la siguiente tabla:

Electrófilo (XჅ)	Reactivo	Reacción
R+	RBr + AlCl3 ROH + H+ Alqueno + H+	Alquilación Friedel-Crafts
RCO+	RCOCl + AlCl3	Acilación Friedel-Crafts
NO2+	HNO3 + H2SO4	Nitración
Cl+	Cl2 + FeCl3	Cloración
Br+	Br2 + Fe	Bromación
HOSO2+	H2SO4	Sulfonación
ClSO2+	ClSO2OH	Clorosulfonación

Muchos compuestos aromáticos se preparan por desplazamiento nucleofílico a partir de sales de diazonio. A su vez las sales de diazonio se pueden preparar de la siguiente manera:

Z	Reactivo
HO	H2O
RO	ROH
CN	CuCN
Cl	CuCl
Br	CuBr
I	KI
Ar	ArH
H	H3PO2 o EtOH/H+
F	HBF4/calor

Para la preparación de otros derivados monosustituidos, distintos a los ya mencionados se procede a partir de alguno de ellos, empleando las reacciones químicas clásicas, como oxidación, reducción, etc. Las cuales se resumen a continuación en la siguiente tabla.

Y	X	Reactivo
Reducción: -NO2	-NH2	H2, Pd/C (o) Sn, HCl, conc.
-COR	-CH(OH)R	NaBH4
-COR	-CH2R	Zn/Hg, HCl, conc. H2, Pd, Etanol
Oxidación: -CH2Cl	-CHO	hexamina
-CH2R	-CO2H	KMnO4
-CH3
-COR	-OCOR	R'CO3H
Sustitución: -CH3 -CH3	-CCl3 -CH2Br	Cl2, PCl5 NBS, CCl4
-CCl3	-CF3	SbF3
-CN	-CO2H	HO-, H2O
-Br	-NH2	NH2- Na+, NH3

3.9. Síntesis de Bencenos Disustituidos

Cuando la reacción de sustitución electrofílica se efectúa con el benceno, solamente se puede formar un producto; pero ¿qué sucedería si efectuáramos una reacción con un anillo aromático que ya tiene un sustituyente?. Un sustituyente que ya está presente en el anillo tiene dos efectos.

• Los sustituyentes afectan la reactividad del anillo aromático. Algunos sustituyentes activan el anillo, haciéndolo más reactivo que el benceno y otros lo desactivan, haciéndolo menos reactivo.

• Los sustituyentes afectan la orientación de la reacción. Por lo general no se forman en cantidades iguales los tres posibles productos disustituidos (otro, met, y para). En lugar de ello, la naturaleza des sustituyentes ya presente en el anillo bencénico determina la posición de la segunda sustitución.

Una interacción entre los efectos inductivos y los de resonancia controla la reactividad y la orientación en las sustituciones electrofílicas aromáticas.

Un efecto inductivo es la atracción o la donación de electrones a través de un enlace sigma (σ ) a causa de la electronegatividad y la polaridad de los enlaces en los grupos funcionales. Por ejemplo, los halógenos y los grupos carbonilo, los grupos ciano y los grupos nitro atraen inductivamente a los electrones a través de un enlace sigma (σ) que une al sustituyente con el anillo aromático.

Por otra parte, los grupos alquilo son donadores inductivos de electrones. Es el mismo efecto donador que causa que los sustituyentes alquilo estabilicen a los alquenos y a los carbocationes.

Un efecto de resonancia es la atracción o donación de electrones a través de un enlace pi (π), generado por el traslape de un orbital p de un sustituyente con un orbital p del anillo aromático. Por ejemplo, los sustituyentes carbonilo, ciano y nitro atraen electrones del anillo aromático por resonancia. Los electrones pi (π) fluyen de los anillos a los sustituyentes, dejando una carga en el anillo.

A la inversa, los sustituyentes halógeno, hidroxilo, alcoxilo (-OR) y amino donan electrones por resonancia al anillo bencénico. Los electrones π fluyen de los sustituyentes al anillo y dejan una carga negativa en el anillo.

Activación y desactivación de los anillos aromáticos

Una de las formas más seguras de adquirir dominio de la química orgánica es resolver problemas de síntesis. La habilidad para planear una síntesis satisfactoria en varios pasos de una molécula compleja requiere un conocimiento práctico de los usos y las limitaciones de varios cientos de reacciones orgánicas. Es necesario saber no sólo que reacciones emplear, sino también cuándo utilizarlas. El orden en que se realizan las reacciones con frecuencia es crítico para el éxito del método total.

Ejemplo: Sintetizar el ácido p-bromobenzoico a partir de benceno.

(MOb 16). Es necesario preguntarse “¿Cuál es un precursor inmediato del ácido p-bromobenzoico?” El análisis sintético hacia atrás (retrosintético) de la Mob 16, revela dos rutas válidas que van del benceno al ácido p-bromobenzoico.

Un segundo ejemplo de interés, es la síntesis del 4-cloro-1-nitro-2-propilbenceno (Mob. 17) a partir de benceno, en principio hay tres posibles precursores disustituidos, pero sólo uno de ellos es el adecuado.

La síntesis final de la MOb 17, se puede encarar por medio de una ruta de cuatro pasos a partir del benceno: Primero se acila el benceno con un cloruro de propanoilo catalizado por un acido de Lewis. El anillo acilado luego de clora con cloro molecular. El orientador cetónico dirige a un posterior electrófilo Cl+ hacia la posición meta requerida

A continuación se realizara un pequeño estudio, para ver como se produce la entrada de un segundo grupo (E), dado que este queda sujeto a la presencia del grupo ya presente en el anillo bencénico (G). Los sustituyentes en el anillo de benceno afectan tanto la reactividad del anillo hacia posteriores sustituciones como la orientación de estas últimas.

Los grupos pueden clasificarse en tres categorías:

• activadores orientadores orto-para,

• desactivadores orientadores orto-para, y

• desactivadores orientadores meta.

La entrada y dirección del electrófilo (E) en la sustitución electrofílica aromática en bencenos monosustituidos (G) queda gobernada por la naturaleza química del grupo G, los cuales a su vez se clasifican en activantes fuertes (orientadores orto-para), activantes moderados (orientadores orto-para), activantes débiles (orientadores orto-para), desactivantes débiles (orientadores orto-para), desactivantes fuertes (orientadores meta), a continuación se muestran algunos de ellos en orden decreciente, de acuerdo a su poder activante o desactivante.

Dirección	Grupo	Activación
orto-para	-NH2 , -NHR , -NR2 -OH , OR	Activantes fuertes
orto-para	-NHCOR -OCOR Alquenos	Activantes moderados
orto-para	-R (alquilo) -fenilo	Activantes débiles
orto-para	-F , -Cl , -Br , -I	Desactivante débiles
meta	-CX3 (X = F, Cl, etc.) -COOH, -COOR, -COR , -COH -SO3H; -NO2; -NR+3 , -CN	Desactivantes fuertes

La bromación electrofílica, del metilbenceno (tolueno) da sustitución orto y para.

La bromación no es un caso particular; la nitración y la sulfonación dan los mismos resultados cualitativos, sustitución principalmente en las posiciones orto y para, en la molécula del benceno.

Sólo el ataque en las posiciones orto y para da lugar a un catión hexadienilo en el que una estructura resonante tenga la carga positiva adyacente al sustituyente alquilo, dejando un carbocatión terciario, en cambio en meta ninguna de las formas resonantes deja un carbocatión terciario, por tal motivo predominan los productos orto y para dado que el intermedio es más estable, a su vez el mayoritario es el para por efectos estéricos. Seguidamente se efectúa la explicación mecanistica para el caso del bromo:

.Los sustituyentes desactivantes por efecto inductivo orientan en meta, como por ejemplo la nitración del trifluorometilbenceno, en donde el único producto es el meta.

Explicación mecanistica:

Ahora el ataque en orto y para están más desfavorecidos, dado que hay intermedios inestables, el ataque se produce en meta, de esta manera se evita la formación de intermedios inestables.

Los halógenos retiran densidad electrónica por efecto inductivo mientras que son donadores por resonancia, globalmente el efecto inductivo prevalece y los haloarenos están desactivados, sin embargo la sustitución electrófila tiene lugar principalmente en las posiciones orto y para.

3.10. REGLAS PARA PREDECIR LA ORIENTACIÓN EN LOS BENCENOS DISUSTITUIDOS

1.- Si todos los sustituyentes se refuerzan entre si, la entrada del tercer grupo no genera ningún tipo de problemas.

Ejemplos:

2.- Si un orientador orto-para y uno meta no se están reforzando, el orientador orto-para controla la orientación del tercer grupo. (El grupo entrante se dirige principalmente orto hacia el orientador meta.)

Ejemplos:

3.- Un grupo fuertemente activador, que compite con un grupo débilmente activador, controla la orientación.

Ejemplos:

4.- Cuando compiten dos grupos débilmente activadores o desactivadores o dos grupos fuertemente activadores o desactivadores, se obtienen cantidades considerables de ambos isómeros, hay muy poca preferencia.

Ejemplo:

5.- En la posición de impedimento estérico, entre los sustituyentes meta hay muy poca sustitución.

Otras reacciones de interés:

3.11. COMPORTAMIENTO DE los fenoles

Son activantes fuertes, si se emplean directamente provocan la polisustitución, si se desea obtener un compuesto disustituido a partir de ellos se debe proteger el grupo alcohol como acetato, de esa manera conserva su poder orientador pero disminuye su poder activador

Para obtener el para-bromofenol (MOb. 18) a partir de fenol se debe proceder de la siguiente manera:

El mismo cuidado hay que tener con la Anilina, dado que el grupo amino es un activante fuerte, problema que puede evitarse protegiéndolo como amida.

En consecuencia, la para-bromo anilina (MOb. 19), podrá prepararse cómodamente del siguiente modo

Halogenación radicalaria

Ejemplos:

Un exceso de halógeno puede conducir a sustituciones múltiples, tal como se ilustra para la cloración del tolueno:

Solvolisis

           

Ejemplo: Etanólisis del 4-metilbencenosulfonato de fenilmetilo, preparado por la tosilación del fenol.

4-metilbencenosulfonato de fenilmetilo                      Bencil, etil, éter

Reacciones de SN2 de los halometilbencenos

Feniletanonitrilo

Ozonólisis del benceno

         

 Ejemplo:  

Ozonólisis del orto-dimetilbenceno

Reducción de Birch

           

Regioselectividad  observada para la reducción de Birch:   Ejemplos:

.............................

Oxidación en la cadena lateral

Obtención de ácidos carboxílicos y cetonas

Otros   posibles   oxidantes:

Ejemplos:

                                                                                                                               (80%)

3.12. REACCIONES DE TALACIÓN:

El uso de trifluoroacetato de talio permite tener un método para introducir halógenos y otros grupos de manera regioespecífica en un anillo bencénico. Los arenos reaccionan con el trifluoroacetato de talio en medio de ácido trifluoroacético formando un enlace que es sumamente débil (25-30 kcal/mol) y que es fácil romperlo en forma homolítica o heterolítica, para lograr introducir ciertos grupos que por otras vías presentan una reconocida dificultad.

ArH + Tl(OOCCF3)3
ArTl(OOCCF3)2 + CF3COOH

(trifluoroacetato bis-trifluoroacetato

de talio) de talio)

Sustitución con Yodo:

Los bis-trifluoro acetato de aril talio reacciona con yoduro de potasio para formar yoduros de arilo:

ArTl(OOCCF3)2 + KI → ArI (yoduro de arilo)

Sustitución con un grupo ciano:

La sustitución puede darse por reacción de los bis-trifluoroacetato de aril talio con: a) cianuro cuproso en dimetil formamida (DMF) o por reacción con cianuro de potasio acuoso bajo la acción de luz ultravioleta.

ArTl(OOCCF3)2

ArCN Aril nitrilos ArCN

Sustitución con un grupo oxhidrilo:

Los bis-trifluoroacetato ftálico son sustituido por oxhidrilo (OH), tratando los bis-trifluoroacetato de aril talio con tetraacetato de plomo y trifenilfosfina seguidos por tratamiento con hidróxido de sodio. De este modo se pueden formar fenoles.

ArTl(OOCCF3)2

ArOH (un fenol)

Sustitución en la posición para:

La talación de los compuestos bencénicos que tienen un solo grupo alquilo, halógeno o metoxilo ocurre casi exclusivamente y de manera rápida en la posición para respecto al primer sustituyente.

Z- = R-, X- o CH3O

En la bromación y acetilación también puede utilizar como catalizador ácido, el ácido trifluoroacético, que forma un complejo voluminoso con el electrófilo, razón por la cual éste se ubica en posición para. NO existe en esta reacción propiamente la talación.

Sustitución en orto:

Cuando el benceno presenta un sustituyente que tenga oxígeno de ácido carboxilo, éster, alcohol y éter, la talación ocurre en la posición orto a temperatura ambiente, debido a la formación de un complejo del trifluoroacetato de talio con el oxígeno del primer sustituyente.

G = - COOH (ácido benzóico) -COOCH3 (benzoato de metilo) -CH2OH (Alcohol bencílico)

G = -CH2OCH3 (éter bencil metílico) -CH2CH2OH (2-feniletanol) -CH3CH2OCH3 (éter 2-feniletil metílico) -CH2COOH (ácido 2-fenilacético) -CH2COOCH3 (2-fenilacetato de metilo)

Sustitución en meta:

Como la reacción de talación es reversible, se puede efectuar un control de la misma con la variación de la temperatura de reacción, tal cual se puede observar en el siguiente esquema:

Sustitución orto, meta y para del mismo compuesto:

3.13. HIDROCARBUROS AROMÁTICOS POLICÍCLICOS

La fusión de anillos de bencenos conduce a una clase de moléculas denominadas hidrocarburos bencénicos policíclicos. En estas estructuras, dos o más anillos de benceno comparten dos o más átomos de carbono. No existe un sistema simple para nombrarlos, por lo que se denominan por sus nombres comunes.

En este capítulo trataremos de dar una visión general de este tipo de compuestos, desde su punto de vista estructural y químico (síntesis y reactividad). 

3.13.1. Compuestos aromáticos policíclicos

Se dice que dos anillos aromáticos que comparten un par de átomos de carbono que están fusionados son hidrocarburos policíclicos. En este capítulo se estudiara la química del hidrocarburo de anillos fusionados más sencillo e importante, el naftaleno, C10H8, y se tratara concisamente la de otros de grado superior.

NAFTALENO

Al contrario de lo que ocurre con el benceno, que es líquido, el naftaleno es un material cristalino e incoloro con un punto de fusión de 80 ºC. Se le conoce como repelente e insecticida contra la polilla. El naftaleno se clasifica como aromático porque sus propiedades se parecen a las del benceno. Su fórmula C10H8, permite suponer un alto grado de no saturación. Desde el punto de vista químico da las típicas reacciones de sustitución electrofílica aromáticas, en las que desplaza hidrógeno en forma de ion, conservándose su sistema anular.

De acuerdo con la teoría de la resonancia, el naftaleno puede considerarse como un híbrido de resonancia de las tres estructuras I, II y III; su energía de resonancia es de 61 kcal/mol, como lo indica el calor de combustión

I                                    II                                     III

De acuerdo con estas representaciones la estructura del naftaleno debería ser simétrica, con los anillos de benceno planos, casi hexagonales, y con dos planos especulares perpendiculares diseccionando la molécula. Las medidas cristalográficas de rayos X confirman esta predicción. Las distancias de los enlaces C-C se desvían sólo muy ligeramente de las del benceno (1.39 Å) y son claramente muy diferentes de las de los enlaces sencillos (1.54 Å) y los dobles (1.33 Å). Por conveniencia, representaremos al naftaleno por medio de la estructura IV, en las que los círculos representan sextetos aromáticos parcialmente traslapados.

IV	Representación orbitálica del solapamiento del Naftaleno

 Preparación del Naftaleno:

El método en si consiste en una alcanoilación de Friedel-Crafts con anhídrido butanodioico (succínico), reducción de Clemmensen de la cetona resultante, subsiguiente alcanoilación intramolecular de Friedel-Crafts para formar el segundo anillo, reducción de la cetona bicíclica con borohidruro sódico, deshidratación y deshidrogenación.

Reacciones del Naftaleno

1.-  Oxidación

2.- Reducción

3.- Sustitución aromática electrofílica del naftaleno

           

(a) nitración

(b) halogenación

 (c) sulfonación

(d) acilación de Friedel-Crafts

¿Por qué la nitración y la bromación se producen preferentemente en el C-1 y no en el C-2?. La respuesta se puede encontrar inspeccionando las estructuras de resonancia.

Reactivada electrófila del naftaleno: ataque en  c-1

Reactivada electrófila del naftaleno: ataque en  c-2

Aunque este resultado podría a primera vista indicar que el ataque es energéticamente similar en cualquier posición, existe una diferencia importante entre los dos modos: el ataque en C-1 permite dos estructuras en resonancia que mantienen intacto el un anillo benceno con todos los beneficios de la deslocalización. En cambio el ataque en C-2 permite únicamente una de tales estructura. Esta es la razón fundamental de que predomina la sustitución en C-1 en la nitración, bromación y en la alcanoilación de Friedel-Crafts.

Ataque electrófilo sobre los naftalenos monosustituidos:

Las reglas de orientación en el ataque en bencenos monosustituidos (Capítulo 24) pueden hacerse fácilmente extensivas al núcleo de naftaleno. El anillo sustituido es el más afectado por los sustituyentes ya presentes: un grupo activante normalmente dirige al electrófilo entrante al mismo anillo, mientras que un grupo desactivante lo dirige al otro.

HIDROCARBUROS BENCÉNICOS TRICÍCLICOS: ANTRACENO Y FENANTRENO

Debido a sus propiedades, también el antraceno y el fenantreno se clasifican como aromáticos. La descripción de los orbitales atómicos sigue el mismo esquema para el naftaleno y conduce al mismo tipo de resultados: estructuras planas con nubes p que se traslapan parcialmente por encima y por debajo del plano de la molécula.

Desde el punto de vista de enlaces de valencia, se considera que el antraceno es un híbrido de las estructuras I - IV.

                      I                               II                                 III                           IV

y el fenantreno, un híbrido de las estructuras V - IX. Los calores de combustión indican que el antraceno tiene una energía de resonancia de 84 kcal/mol, mientras  que el fenantreno tiene una energía de resonancia de 92 kcal/mol.

Por comodidad el antraceno y el fenantreno se pueden representar por círculos, los que representan sextetos aromáticos que se traslapan parcialmente.

 PREPARACIÓN DEL ANTRACENO Y FENANTRENO

 Antraceno:

Fenantreno:

El método en es muy similar a la obtención del Naftaleno, consisten en una reacción de Friedel-Crafts del naftaleno con anhídrido butanodioico (succínico) en nitrobenceno que conduce a la sustitución en C-1 y C-2, los dos productos así obtenidos se reducen en las condiciones de Clemmensen para a continuación ciclarse y dar el esqueleto del fenantreno, por reducción, eliminación y deshidrogenación.

REACTIVIDAD DEL ANTRACENO Y FENANTRENO

Reducción:

Halogenación:

Cicloadiciones:

3.14. PROBLEMAS RESUELTOS

Preguntas: Cuáles son las reacciones que justifican las siguientes transformaciones?.

MOb. 20	MOb. 24
MOb. 21	MOb. 25
MOb, 22	MOb 26
MOb 23	MOb. 27

Soluciones:

MOb. 20. No existe la posibilidad de que el ion acetiluro actúe directamente sobre el benceno, por consiguiente el triple enlace se obtiene a partir de un grupo alquilico vec-dibromado, que se obtiene por Bromación del estireno, obtenido previamente por una deshidrobromacion de un haluro de bencilo formado por una Bromación por el mecanismo de radicales libres sobre el etilbenceno.

MOb. 21 . El para nitroestireno, no es posible obtener por nitración directa del estireno, debido a que el grupo etenilo unido al anillo es inestable en las condiciones de la nitración. En tal virtud la molécula precursora tendrá un grupo que sea fácil de deshidrobromar. Este precursor se obtiene por Bromación de radicales del grupo etilo ligado al anillo bencénico, que previamente fue nitrado mayoritariamente en la posición para.

MOb. 22. La simetría de la molécula permite pensar en una estrategia que tome en cuenta la reacción de Corey-House. También es una buena ruta si se utiliza el PhCH2CH2Cl, sobre el benceno o se toma en cuenta una acilación con PhCH2COCl y posterior reducción del grupo carbonilo por la reducción de Clemmensen.

MOb 23. La molécula precursora puede ser una cetona, cuyo grupo carbonilo es reducido a metileno por el reductor de Wolf-Kischner. De este modo se evita la presencia del Zn en medio `acido que afectaría al grupo nitro. Otra molécula precursora puede ser, el haluro siguiente: O2N-PhCH2Cl que actúe sobre una molécula de benceno,

MOb. 24. La posición del bromo en la molécula precursora, es la típica posición alílica, la que se obtiene por Bromación de radicales del esqueleto carbonado correspondiente. El grupo alquilico, sobre el anillo bencénico no se puede obtener del haluro correspondiente, por que se presentaría transposición. Entonces se recurre a la acilación y posterior reducción del grupo carbonilo, con amalgama de cinc en medio acido (reducción de Clemmensen

MOb. 25. El diol de esta molécula puede obtener por un hidroxilación selectiva del estireno, como molécula precursora. El estireno se forma a partir de la deshidrobromacion, como en anteriores casos.

MOb. 26. La molécula precursora, señala que una posible ruta toma en cuenta la formación del grupo etenilo a partir de un halogenuro y se aprovecha el grupo voluminoso del t-Butil, para introducir en la posición para el grupo acilo portador del grupo etilo.

MOb. 27. La estrategia pasa por definir la inclusión del bromuro en una molécula precursora que no permita la formación de ningún isómero. El alqueno menos sustituido es el que obligatoriamente se forma por una deshidrohalogenacion, de un grupo formado por Halogenación de radicales.

3.15. PROBLEMAS PROPUESTOS:

A partir de materiales simples y asequibles como materiales de partida, proponer un plan de síntesis para la preparación en el laboratorio de las siguientes moléculas:

Química Orgánica II W. Rivera M. 2008

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