Reacciones de Compuestos Aromáticos Organic Chemistry, 7th Edition L. G. Wade, Jr. Capítulo 17 Reacciones de Compuestos Aromáticos ©2010, Prentice Hall

Substitución Electrofílica Aromática Aunque los electrones π de benceno constituyen un sistema aromático estable, pueden atacar a un electrófilo fuerte para producir uncarbocatión. El carbocatión (estabilizado por resonancia) se denomina complejo sigma . La aromaticidad se regenera por la pérdida de un protón. Chapter 17

Mecanismo de la Substitución Electrofílica Aromática Chapter 17

Bromación de Benceno Chapter 17

Mecanismo para la Bromación de Benceno: Paso 1 + - B r F e 3 (stronger electrophile than Br2) El Electrófilo debe activarse. Un ácido de Lewis fuerte, como FeBr3, sirve como catalizador para activar el electrófilo. Chapter 17

Mecanismo para la Bromación de Benceno: Pasos 2 y 3 Paso 2: Ataque Electrofílico y formación del complejo sigma. Paso 3: Pérdida del protón. Chapter 17

Diagrama de Energía para la Bromación Chapter 17

Cloración y Iodación Cloración es similar a la bromación. Se usa AlCl3 o FeCl3 como catalizador. Iodación requiere un agente oxidante ácido para producir el electrófilo (I+). H+ + HNO3 + ½ I2 I+ + NO2 + H2O Chapter 17

Solved Problem 1 Solution Predict the major product(s) of bromination of p-chloroacetanilide. Solution The amide group (–NHCOCH3) is a strong activating and directing group because the nitrogen atom with its nonbonding pair of electrons is bonded to the aromatic ring. The amide group is a stronger director than the chlorine atom, and substitution occurs mostly at the positions ortho to the amide. Like an alkoxyl group, the amide is a particularly strong activating group, and the reaction gives some of the dibrominated product. Copyright © 2006 Pearson Prentice Hall, Inc. Chapter 17

Nitración de Benceno H2SO4 se usa como catalizador, facilitando que la reacción ocurra de manera rápida a baja temperatura. HNO3 y H2SO4 reaccionan para formar el electrófilo de la reacción: NO2+. Chapter 17

Mecanismo de la Nitración de Benceno Chapter 17

Reducción del Grupo Nitro Este es el mejor método de introducir un grupo amino al anillo. Chapter 17

Sulfonación de Benceno El electrófilo es SO3. Se usa una mezcla de 7% de SO3 en H2SO4. Esto recibe el nombre de “ácido sulfúrico fumante”. Chapter 17

Mecanismo de la Sulfonación Chapter 17

Reacción de Desulfonación Sulfonation is reversible. Chapter 17

Mechanism of Desulfonation In the desulfonation reaction, a proton adds to the ring (the electrophile) and loss of sulfur trioxide gives back benzene. Chapter 17

Nitración de Tolueno Tolueno reacciona 25 veces más rápido que benceno. El grupo metil es un activador. Chapter 17

Substitución orto y para El ataque a posiciones orto y para es preferido porque sus estructuras de resonancias incluyen un carbocatión terciario. Chapter 17

Diagrama de Energía Chapter 17

Substitución Meta El complejo sigma es menos estable que aquel formado cuando el ataque es en posiciones orto y para. Chapter 17

Estabilización de Grupos Alquilo Los grupos alquilos son activantes y directores orto y para. Este efecto es llamado efecto inductivo porque los grupos alquilo pueden donar densidad electrónica al anillo a través del enlace sigma. Chapter 17

Substituyentes con Electrones no Enlazantes El complejo sigma es estabilizado por resonancia. Chapter 17

Ataque Meta en Anisol El grupo metoxi no pude estabilizar el complejo sigma en la substitución meta. Chapter 17

Bromación de Anisol El grupo metoxi es un fuerte activador y produce el producto tribromado sin activador. Chapter 17

El Grupo Amino Anilina reacciona con Agua de Br2 (sin catalizador) para producir tribromoanilina. Se usa bicarbonato de Sodio para neutralizar el HBr que se forma. Chapter 17

Resumen de Activadores (Dirigen orto y para) Chapter 17

Activadores y Desactivadores Si el substituyente en el anillo el electrodonante, se activarán las posiciones orto y para. Si el substituyente en el anillo es electroatrayente, se desactivan las posiciones orto y para. Chapter 17

Nitración de Nitrobenceno Nitrobenceno sufre substitución electrofílica100,000 veces más lento que benceno. El producto principal es la substitución en posición meta. Chapter 17

Substitución Orto en Nitrobenceno El grupo nitro es un fuerte desactivante. El nitrógeno siempre tiene carga formal positiva. Orto o para originarán un intermediario especialmente inestable. Chapter 17

Substitución Meta en Nitrobenceno No es tan inestable como en el caso orto o para. Chapter 17

Diagrama de Energía Chapter 17

Desactivadores y Directores Meta La mayoría de los grupos electroatrayentes sondesactivadores y directores-meta. Por efecto inductivo, el anillo tiene menos densidad electrónica que benceno y por lo tanto reaccionará más lento. Chapter 17

Ataque Orto en Acetofenona Chapter 17

Ataque Meta en Acetofenona Chapter 17

Otros Desactivadores Chapter 17

Nitración de Clorobenceno Chapter 17

Los Halógenos son Desactivadores Efecto Inductivo: Los halógenos son desactivantes porque son electronegativos y disminuyen la densidad electrónica en el anillo. Chapter 17

Los Halógenos son Directores Orto, Para Efecto de Resonancia: Los pares de electrones no compartidos estabilizan el complejo sigma por resonancia. Chapter 17

Diagrama de Energía Chapter 17

Resumen de Efectos Directores Chapter 17

Efecto de Múltiples Substituyentes El efecto director de los grupos pueden reforzar el efecto de unoy del otro. Chapter 17

Efecto de Múltiples Substituyentes (Continuación) Chapter 17

Efecto de Múltiples Substituyentes (Continuación) Productos principales Si los efectos directores se oponen unos a otros, el activante más fuerte predomina. Chapter 17

Alquilación Friedel–Crafts Síntesis de alquilbencenos de haluros de alquilo y ácidos de Lewis, generalmente AlCl3. Chapter 17

Mecanismo de la Reacción Friedel–Crafts Paso 1 Paso 2 Paso 3 Chapter 17

Protonación de Alquenos HF puede protanar un alqueno. Se usa este ácido débil porque F_ es un nucleófilo débil y no atacará al carbocatión. Chapter 17

Alcohols and Lewis Acids Alcohols can be treated with BF3 to form the carbocation. Chapter 17

Limitations of Friedel–Crafts Reaction fails if benzene has a substituent that is more deactivating than halogens. Rearrangements are possible. The alkylbenzene product is more reactive than benzene, so polyalkylation occurs. Chapter 17

Rearrangements Chapter 17

Solved Problem 2 Solution Devise a synthesis of p-nitro-t-butylbenzene from benzene. Solution To make p-nitro-t-butylbenzene, we would first use a Friedel–Crafts reaction to make t-butylbenzene. Nitration gives the correct product. If we were to make nitrobenzene first, the Friedel–Crafts reaction to add the t-butyl group would fail. Copyright © 2006 Pearson Prentice Hall, Inc. Chapter 17

Acilación Friedel–Crafts Chapter 17

Mecanismo de Acilación Paso 1: Formación del ion acilio. Paso 2: Ataque Electrofílico para formar el complejo sigma. Chapter 17

Reducción Clemmensen La Reducción de Clemmensen es una manera de convertir acilbencenos a alquilbencenos. Chapter 17

Nucleophilic Aromatic Substitution A nucleophile replaces a leaving group on the aromatic ring. This is an addition–elimination reaction. Electron-withdrawing substituents activate the ring for nucleophilic substitution. Chapter 17

Mechanism of Nucleophilic Aromatic Substitution Step 1: Attack by hydroxide gives a resonance-stabilized complex. Step 2: Loss of chloride gives the product. Step 3: Excess base deprotonates the product. Chapter 17

Activated Positions Nitro groups ortho and para to the halogen stabilize the intermediate (and the transition state leading to it). Electron-withdrawing groups are essential for the reaction to occur. Chapter 17

Benzyne Reaction: Elimination-Addition Reactant is halobenzene with no electron-withdrawing groups on the ring. Use a very strong base like NaNH2. Chapter 17

Benzyne Mechanism Sodium amide abstract a proton. The benzyne intermediate forms when the bromide is expelled and the electrons on the sp2 orbital adjacent to it overlap with the empty sp2 orbital of the carbon that lost the bromide. Benzynes are very reactive species due to the high strain of the triple bond. Chapter 17

Nucleophilic Substitution on the Benzyne Intermediate Chapter 17

Chlorination of Benzene Addition to the benzene ring may occur with excess of chlorine under heat and pressure. The first Cl2 addition is difficult, but the next two moles add rapidly. An insecticide Chapter 17

Catalytic Hydrogenation 3 Ru, 100°C 1000 psi 2 , Elevated heat and pressure is required. Possible catalysts: Pt, Pd, Ni, Ru, Rh. Reduction cannot be stopped at an intermediate stage. Chapter 17

Birch Reduction This reaction reduces the aromatic ring to a nonconjugated 1,4-cyclohexadiene. The reducing agent is sodium or lithium in a mixture of liquid ammonia and alcohol. Chapter 17

Mechanism of the Birch Reduction Chapter 17

Limitations of the Birch Reduction Chapter 17

Side-Chain Oxidation Alkylbenzenes are oxidized to benzoic acid by heating in basic KMnO4 or heating in Na2Cr2O7/H2SO4. The benzylic carbon will be oxidized to the carboxylic acid. Chapter 17

Side-Chain Halogenation The benzylic position is the most reactive. Br2 reacts only at the benzylic position. Cl2 is not as selective as bromination, so results in mixtures. Chapter 17

Mechanism of Side-Chain Halogenation Chapter 17

SN1 Reactions Benzylic carbocations are resonance-stabilized, easily formed. Benzyl halides undergo SN1 reactions. C H 2 B r 3 O , h e a t Chapter 17

SN2 Reactions Benzylic halides are 100 times more reactive than primary halides via SN2. The transition state is stabilized by a ring. Chapter 17

Oxidation of Phenols Phenol will react with oxidizing agents to produce quinones. Quinones are conjugated 1,4-diketones. This can also happen (slowly) in the presence of air. Chapter 17