Substituição Eletrofílica Aromática – Parte 2 //// Mecanismos de Reações Orgânicas

Key Concepts

Substituição Eletrofílica Aromática (SEA): A reaction where an electrophile replaces a hydrogen atom on an aromatic ring.
Benzeno Monossubstituído: A benzene ring with one substituent.
Regiosseletividade: The preference for a reaction to occur at a specific position on a molecule.
Regioisômeros: Isomers that differ in the position of a substituent on an aromatic ring (ortho, meta, para).
Grupos Ativantes: Substituents that increase the reactivity of the aromatic ring towards SEA.
Grupos Desativantes: Substituents that decrease the reactivity of the aromatic ring towards SEA.
Grupos Orto/Para Dirigentes: Substituents that direct incoming electrophiles to the ortho and para positions.
Grupos Meta Dirigentes: Substituents that direct incoming electrophiles to the meta position.
Intermediário Arenium (Cátion Arenium): A carbocation intermediate formed during SEA.
Efeito Indutivo: The transmission of charge through sigma bonds.
Efeito de Ressonância: The delocalization of electrons through pi systems.
Impedimento Estérico: Repulsion between bulky groups that hinders reactions.
Controle Cinético: When the product distribution is determined by the rate of reaction.
Controle Termodinâmico: When the product distribution is determined by the relative stability of the products.
Interconversão de Grupos: Converting one functional group into another.
Grupo de Proteção: A temporary substituent used to block a specific position on a molecule during a reaction.

Regiosseletividade na Substituição Eletrofílica Aromática em Benzenos Monossubstituídos

Introdução

Este vídeo explora a regiosseletividade em reações de Substituição Eletrofílica Aromática (SEA) quando o substrato de partida é um benzeno monossubstituído. Diferentemente do benzeno, onde a substituição pode ocorrer em qualquer posição equivalente, em benzenos monossubstituídos, a natureza do substituinte existente (R) influencia significativamente a posição onde um novo eletrófilo irá atacar. Existem cinco carbonos potencialmente reativos, mas apenas três posições distintas em termos de equivalência: orto, meta e para. A distribuição dos regioisômeros formados (orto, meta, para) não é aleatória e depende intrinsecamente da natureza do substituinte R.

Fatores Determinantes: Velocidade de Reação e Distribuição de Regioisômeros

Para compreender a regiosseletividade, é crucial analisar dois aspectos:

Velocidade Relativa de Reação: Medida em relação à nitração do benzeno (considerado como referência com velocidade 1). Dados experimentais revelam que alguns substituintes, como -OH (hidroxila) e -CH3 (metila), aumentam a velocidade de reação. Estes são classificados como grupos ativantes. Por outro lado, substituintes como -I (iodo) e -NO2 (nitro) diminuem a velocidade de reação, sendo classificados como grupos desativantes. Essa classificação se refere unicamente à velocidade da SEA.
Distribuição de Regioisômeros: A porcentagem de produtos orto, meta e para formados.

Classificação dos Substituintes

Com base na velocidade de reação e na distribuição de regioisômeros, os substituintes podem ser classificados em:

Grupos Ativantes Orto/Para Dirigentes: Aumentam a velocidade de reação e direcionam o eletrófilo para as posições orto e para. Exemplos incluem -OH e -CH3. A alquilação de Friedel-Crafts com grupos alquila leva a produtos de polialquilação devido à ativação do anel.
Grupos Desativantes Orto/Para Dirigentes: Diminuem a velocidade de reação, mas ainda direcionam o eletrófilo para as posições orto e para. Exemplos incluem halogênios como -Cl (cloro).
Grupos Desativantes Meta Dirigentes: Diminuem a velocidade de reação e direcionam o eletrófilo predominantemente para a posição meta. Exemplos incluem -CH3 (trifluorometil) e -NO2.

Mecanismo e Estabilização do Intermediário Arenium

A SEA envolve a formação de um intermediário cátion arenium, que é a etapa determinante da velocidade. A estabilidade deste intermediário é crucial para determinar a regiosseletividade.

Efeito Indutivo:
- Grupos Doadores de Elétrons (por indução): Estabilizam o cátion arenium quando a carga positiva está localizada em um carbono adjacente ao substituinte (posições orto e para). Isso leva a uma maior velocidade de formação do intermediário nessas posições.
- Grupos Retiradores de Elétrons (por indução): Desestabilizam o cátion arenium quando a carga positiva está em um carbono adjacente ao substituinte, tornando essas posições menos favoráveis. A posição meta, onde a carga positiva não se localiza diretamente no carbono ligado ao substituinte, torna-se relativamente mais estável.
Efeito de Ressonância:
- Grupos com Pares de Elétrons Livres (doadores por ressonância): Podem formar estruturas de ressonância adicionais que estabilizam o cátion arenium, especialmente nas posições orto e para. Isso aumenta significativamente a reatividade e a preferência por essas posições. Exemplos incluem -NH2 e -OH.
- Grupos Retiradores de Elétrons (por ressonância): Desestabilizam o cátion arenium, pois retiram densidade eletrônica do anel.

A estabilidade relativa dos híbridos de ressonância para as diferentes orientações (orto, meta, para) explica a regiosseletividade. Grupos doadores de elétrons (indução ou ressonância) estabilizam mais os intermediários formados nas posições orto e para, enquanto grupos retiradores de elétrons (indução ou ressonância) desestabilizam esses intermediários, favorecendo a posição meta.

Diagrama de Energia Potencial e Estados de Transição

A análise dos diagramas de energia potencial revela que:

Grupos Ativantes (doadores de elétrons): Levam a estados de transição mais estáveis e de menor energia para a formação do intermediário arenium nas posições orto e para em comparação com a posição meta. Isso resulta em uma maior velocidade de reação nessas posições, tornando-os orto/para dirigentes.
Grupos Desativantes (retiradores de elétrons): Levam a estados de transição menos estáveis e de maior energia para a formação do intermediário arenium nas posições orto e para em comparação com a posição meta. Isso resulta em uma menor velocidade de reação nessas posições, favorecendo a posição meta e tornando-os meta dirigentes.

O impedimento estérico, especialmente com substituintes volumosos, pode aumentar a energia de ativação para a formação do intermediário nas posições orto, mesmo para grupos ativantes.

Exemplos Específicos de Substituintes

Tolueno (-CH3): Grupo ativante e orto/para dirigente, devido ao efeito indutivo doador de elétrons.
Aminas (-NH2): Fortemente ativantes e orto/para dirigentes devido à ressonância.
Hidroxila (-OH): Fortemente ativante e orto/para dirigente devido à ressonância.
Halogênios (-Cl, -Br, -I): Desativantes (efeito indutivo retirador de elétrons), mas orto/para dirigentes (devido à ressonância que estabiliza intermediários orto/para).
Trifluorometil (-CF3): Fortemente desativante e meta dirigente.
Grupo Carboxílico (-COOH): Fracamente desativante e meta dirigente.

Estratégias Sintéticas e Interconversão de Grupos

A compreensão da regiosseletividade é fundamental para a química orgânica sintética. A interconversão de grupos permite modular as características do substrato para obter o produto desejado.

Redução de Nitro a Amino: Grupos nitro (-NO2) (desativantes, meta dirigentes) podem ser reduzidos a grupos amino (-NH2) (ativantes, orto/para dirigentes) usando hidrogenação catalítica (H2/catalisador) ou ferro metálico em meio ácido.
Oxidação de Amino a Nitro: Grupos amino podem ser oxidados a grupos nitro usando ácido 3-cloroperoxibenzóico (mCPBA).
Redução de Carbonila a Alquila: Grupos carbonila (C=O) podem ser reduzidos a grupos alquila (-CH2-) usando amálgama de zinco e mercúrio em ácido clorídrico (redução de Clemmensen) ou hidrogenação catalítica.
Oxidação de Alquila a Carbonila: Grupos alquila podem ser oxidados a grupos carboxílicos usando reagente de Jones (CrO3/H2SO4).

Exemplos de Planejamento Sintético:

Síntese de meta-bromoanilina: Partindo de nitrobenzeno, realiza-se a bromação (meta dirigente) seguida da redução do grupo nitro a amino. A bromação direta da anilina não seria eficaz devido à sua natureza orto/para dirigente.
Síntese de meta-etilclorobenzeno: Partindo de etilbenzeno, realiza-se a acilação de Friedel-Crafts (para evitar polialquilação e obter um grupo acila meta dirigente após redução) seguida da cloração e redução da carbonila.

Uso de Grupos de Proteção

Em situações onde a regiosseletividade natural não é favorável, grupos de proteção podem ser empregados. A sulfonação é um exemplo de proteção reversível.

Síntese de orto-terc-butilnitrobenzeno: Para evitar a formação de misturas de regioisômeros na nitração do terc-butilbenzeno (orto/para dirigente), pode-se primeiro sulfonar o anel para proteger a posição para (devido ao impedimento estérico, a sulfonação ocorre preferencialmente em para). Em seguida, realiza-se a nitração na posição orto. Finalmente, o grupo sulfônico é removido por hidrólise ácida.

Conclusão

As reações de SEA em benzenos substituídos são governadas pela natureza eletrônica e estérica do substituinte presente. Grupos ativantes e desativantes, juntamente com sua orientação orto/para ou meta, determinam a velocidade e a regiosseletividade da reação. A estabilidade do intermediário cátion arenium e dos estados de transição correspondentes é a base para essa seletividade. A interconversão de grupos e o uso de grupos de proteção são ferramentas sintéticas poderosas que permitem a construção estratégica de moléculas complexas com a regiosseletividade desejada.