Aula 6 - Adição eletrofílica no anel aromático

As reações

O benzeno comumente só reage pelas chamadas substituições eletrofílicas aromáticas, que se baseiam em um mecanismo em comum e simples.

O intermediário catiônico é instável. No entanto, ele ainda está estabilizado por deslocalização, devido as ligações duplas locazidas adjacentes à carga.

É importante ressaltar, embora seja deslocalizado, esse cátion não é aromático: não há orbitais p em um ciclo, porque o anel contém um único átomo de carbono tetraédrico (hibridizado $sp^3$).
Enfatizamos esse átomo tetraédrico desenhando o átomo de hidrogênio no ponto de substituição - aquele que será perdido quando a aromaticidade for recuperada, após a eliminação do H. É sugerido que, ao escrever mecanismos para substituição eletrofílica aromática, você desenhe esse hidrogênio no carbono tetraédrico.

Dada essa perda de aromaticidade, não é surpreendente que a formação do intermediário catiônico seja o passo limitante da velocidade de uma substituição eletrofílica aromática, uma vez que essa etapa é altamente desfavorável.

Halogenação

Ao se colocar para reagir somente com uma molécula de $X_2$, o benzeno dificilmente reagirá com essas espécies, mas ele pode ser estimulado a reagir na presença de catalisadores, como $AlCl_3$ ou $FeBr_3$.

O átomo de bromo substitui um átomo de hidrogênio, portanto, trata-se
de uma reação de substituição. O reagente (Br2) é eletrofílico e o benzeno é
aromático, então a reação é de substituição eletrofílica aromática. Podemos também, comparar a bromação do ciclo-hexeno e do benzeno.

O intermediário em ambas as reações é um carbocátion, mas o produto do primeiro é gerado pela adicão de um ânion, enquanto o segundo perde um próton para que o sistema aromático possa ser restaurado. Note também que o bromo neutro reage com o alceno, mas o
complexo catiônico com AlCl3 é necessário para obter reação com o benzeno.
O próprio bromo é um eletrófilo muito reativo. Mesmo assim, é difícil fazer com que o benzeno reaja com qualquer coisa. Então precisamos aumentar a reatividade do bromo.

Vale ressaltar que a halogenação é raramente empregada com Fluór devido a rua reatividade complicada.

Nitração

A nitração requer reagentes muito perigosos e extremamente concentrados. Comumente é usado uma mistura de ácidos nítrico e sulfúrico concentrados.

O ácido sulfúrico é um ácido mais forte que o ácido nítrico, portanto, ele é protonado e após a saída de água, é formado o íon nitrônio que é altamente eletrofílico.

Agora, o mecanismo comum de substituição:

Sulfonação

O benzeno reage lentamente com ácido sulfúrico sozinho para formar o
ácido benzenossulfônico. Como isso acontece? Uma molécula de ácido
sulfúrico provoca outra e perde uma molécula de água.

Após a formação do cátion, o mecanismo tradicional ocorre formando o produto da substituição desejado.

Agora, veremos como adicionar um substituinte de carbono a
um benzeno. Isso requer eletrófilos de carbono reativos, portanto isso
significa o uso de carbocátions. O eletrófilo clássico das reações é o carbocátion t-butila, que é gerado a partir de terc-butanol com ácido, que é um carbcátion bem estável. Não somente com alcoóis essa reação funciona, um haleto de alquita também pode ser utilizado na presença de ácido de lewis, contanto que o carbocátion formado seja estável.

Não só a adição de espécies alquilas podem ser feitas e sim também espécies aciladas, isso é, espécies que contém uma carbonila.

Como podemos ver, o carbocátion é formado justamente a estabilização devido a presença do oxigênio adjacente que estabiliza a carga e forma o ión acílio extremamente eletrofílico. A acilação acaba que por motivos que veremos adiante, é uma reação mais adequada em que o grupo R pode ser praticamente qualquer grupo e não gera tantos subprodutos quanto a alquilação de Friedel-Crafts.

Derivados do benzeno

O Benzeno não reage com bromo, exceto com a catálise de um ácido de
Lewis. Os fenóis, porém, reagem de uma maneira muito diferente: nenhum
ácido de Lewis é necessário, a reação ocorre muito rapidamente e o produto
contém três átomos de bromo em posições específicas. Tudo o que precisa ser
feito é adicionar bromo gotejando a uma solução de fenol em etanol.
Inicialmente, a cor amarela do bromo desaparece, mas se, quando a cor
permanecer e água for adicionada, um precipitado branco de
2,4,6-tribromofenol é formado.

O produto mostra que ocorreu uma bromação na posição para [1,4] e em
ambas as posições orto [1,2]. O fenol reage três vezes, sem catálise. Já o benzeno reage apenas uma vez e precisa de um
ácido de Lewis para fazer a reação ocorrer. A diferença é, claro, a natureza do fenol. O par de elétrons não ligantes no oxigênio contribui com mais estruturas de ressonância do que o benzeno normal, deixando os
carbonos nas posições orto e para mais nucleofílicos.

Devemos deixar nosso mecanismo mostrar isso. Começando na posição para:

Observe que iniciamos a cadeia de setas com os elétrons do par solitário
no grupo OH e os empurramos através do anel para que saiam na posição
para atacar a molécula de bromo. O anel de benzeno age como um transporte, permitindo que os elétrons fluam do grupo OH para um átomo de Bromo na molécula de bromo. Agora a reação é repetida, mas desta vez em uma das duas posições orto equivalentes:

Anilina

A anilina consegue ser ainda mais nucleofílico do que os fenóis, éteres fenílicos ou íons fenóxidos. Como o nitrogênio é menos
eletronegativo do que o oxigênio, o par solitário é de maior energia e,
portanto, consegue interagir melhor com o sistema $\pi$ do benzeno
do que o par solitário no oxigênio. A reação da anilina com bromo é muito vigorosa e rapidamente produz a 2,4,6-tribromoanilina. O mecanismo é muito semelhante ao da bromação do fenol.

Como podemos domar a anilina?

Muito das vezes, não queremos que o anel da anilina reaga em uma rota sintética, ou só queremos que ele reaga de forma que podemos controlar. É com essa mentalidade que podemos utilizar de algumas artimanhas para controlar a reatividade dela.
Abaixar a temperatura e uma seleção específica de reagentes podem até funcionar para conseguir frear o fenol/derivados, mas isso não adianta para a anilina. A única forma que conseguimos domá-la é tentando impedir que ela uma boa interação com o sistema $\pi$ do anel benzênico.
Sabemos que o átomo de nitrogênio de uma amida é bem menos nucleofílico do que numa amina, porque o par de eletróns está conjugado com a carbonila. Então simplesmente iremos fazer uma acilação na amina.

O par de elétrons livre no átomo de nitrogênio da amida estão conjugados com o grupo carbonila, mas, por conta disso, sua deslocalização no anel de benzeno é mais fraca do que na anilina. O nitrogênio da amida doa menos densidade eletrônica para o anel, portanto, a substituição aromática eletrofílica é mais controlada. O par livre ainda está lá, mas seu poder é “domado”. A reação ainda ocorre nas posições orto e para (principalmente para, devido ao tamanho do grupo acetil, mas ocorre apenas uma vez.

regiosseletividade

Vemos que para fenóis e anilinas as posições orto e para são favorecidas. Chamamos o grupo Hidroxila e Amino de grupos ativante, justamente porque eles ativam o anel e o fazem mais reativo.
A Seletividade entre orto e para: Anéis ativados tendem a majoritariamente produzirem produtos orto e para, só que na maioria das vezes é visto que o produto para é gerado emmaioria, então, o que faz com que isso aconteça? Devido a simetria do anel, mais de uma posição orto existe, então, a probabilidade da reação acontecer nesse sítio favorece que o produto majoritário seja a substituição na posição orto.
Mas agora entra outro fator que ainda não havia sido citado, o fator estérico.

alquilbenzeno

Quando grupos alquila estão no anel benzênico, eles o ativam por efeito
indutivo doador de elétrons, mesmo que em pouca intensidade, mas
suficientemente para favorecer as posições orto e para e para aumentar a
velocidade da reação.

Aqui podemos ver o orbital da ligação C-H interagindo com o sistema $\pi$ do benzeno aumentando, mesmo que em pequenas quantidades a reatividade do sistema, por isso que reações de alquilação geram mais subprodutos, porque o produto é mais reativo que o ragente, podendo assim reagir novamente.

Grupos retiradores

Falamos sobre fenóis, analina e seus derivados e alquibenzenos, agora vamos falar de grupos que retiram a densidade eletrônica do anel benzênico diminuindo sua reatividade.
Grupos retiradores são grupos que causam a retiração de densidade eletrônica por efeitos indutivos ou efeitos mesoméricos. Exemplo de grupo retiradores: Nitro, amônio, sulfonila, nitrila, carbonilas

Quando esses grupos estão presentes não só como o pontencial nucleofílico do benzeno é alterado, assim como a própria velocidade de reações análogas.
Tome como exemplo a nitração do feniltrimetil amônio, em que a reação é $10^7$ mais lenta que a nitração do benzeno:

Ao desenhar o mecanismo de ataque na posição meta de um benzeno com grupo desativador conseguimos enteder o motivo da posição meta ser favorecida.

O grupo $CF_3$ é extramamente desativador uma vez que os átomos de flúor puxam muita densidade eletrônica, sabendo disso, quando o ataque é meta ao grupo desativador a carga positiva fica em carbonos que NÃO são o carbono que o grupo desativador está presente para evitar uma carga positiva perto de algo que retira densidade eletrônica.

Ao fazer um ataque na posição orto ou para a carga positiva acaba tendo presença no átomo de carbono ligado ao grupo retirador. Tente fazer as estruturas de ressonância para msotrar isso.

Ambos exemplos utilizados foram grupos retiradores por ligações $\sigma$, mas o grupo nitro, por exemplo além de retirar por indução de ligações $\sigma$, também retira por conjugação.

halogênios, o grupo retirador que favorece orto e para

Benzenos substituídos com halogênios são menos reativos que o benzeno puro, assim, portanto, eles são classificados como retiradores, pórem, os produtos majoritários são os produtos orto e
para.
No caso dos halogênios, por serem átomos eletronegativos, eles possuem
efeito indutivo retirador de elétrons, mas ao mesmo tempo em que eles
retiram densidade eletrônica do anel, eles doam por conjugação, uma vez que eles possuem pares de elétrons livre que podem interagir com o sistema $\pi$ do anel.

A regiosseletividade da reação em casos de substituintes

Os efeitos diretores de dois ou mais substituintes podem trabalhar a
favor ou contra um ao outro.

Nesse exemplo
o aldeído direciona a posição meta e o grupo
OH direciona o orto (já que a posição para está bloqueada): ambos os efeitos trabalham juntos para promover a
bromação ou iodo na mesma duas posições.

Agora, nesse caso vemos a competição de 2 grupos ativantes.

As posições para são claramente bloqueadas, mas as posições orto
de cada um dos grupos são diferentes. Como o grupo -OH é muito mais
direcionadora do que o grupo metil, ele "vence" e direciona o
eletrófilo (um carbocátion t-butila) orto a si mesmo.

Ao analisar qualquer composto em que a competição é um problema, considere primeiro os efeitos eletrônicos e, em seguida, os efeitos
estéricos. Em geral, para os efeitos eletrônicos, quaisquer efeitos ativadores
são mais importantes do que os desativadores. Por exemplo, o aldeído abaixo
tem três grupos, dois grupos metoxi que direcionam o orto e para e um
aldeído que direciona a posição meta.

Apesar do fato de que o grupo aldeído retira densidade eletrônica das
posições 2 e 6, o C6 ainda é a posição para nitração. Os grupos metoxi
ativadores conseguem dominar eletronicamente o anel e a escolha, portanto, é realmente entre C2, C5 e
C6. Agora, considere os fatores estéricos: a reação no C2 ou C5 levaria a três
substituintes adjacentes. A substituição ocorre na posição 6. O produto da
nitração é o 2-nitro-4,5-dimetóxibenzaldeído. Evitando a aglomeração de vários substituintes.

Conclusão

Como vimos, essas reações são bem características de compostos aromáticos, aqui começamos a dar pequenos passos a análise de rotas sintéticas com reações mais complexas. Para mais informações sobre esse tópico, acesse o livro Química orgânica do autor Jonathan Clayden.