Química universitaria — segundo año · Bachelor Year 2

22Aromaticidad y sustitución electrófila aromática

El agua de bromo pierde su color en pocos segundos cuando se agita con un alqueno, y no lo pierde en absoluto con el benceno. Sin embargo, el benceno sí reacciona con el bromo en cuanto se añade un poco de bromuro de hierro(III), y el producto, el bromobenceno, conserva su anillo aromático de seis eslabones: se ha sustituido un hidrógeno, no se ha adicionado nada. Los anillos aromáticos se sustituyen en lugar de adicionarse, porque la adición tiraría por la borda la estabilización calculada en el Capítulo 16. El mismo mecanismo nitra, sulfona, alquila y acila los anillos bencénicos, y los grupos ya presentes en un anillo deciden, con una regularidad sorprendente, adónde va el siguiente.

Lo que ya sabes

Capítulo 16: la aromaticidad y la energía de deslocalización del benceno. El volumen del primer año: adiciones electrófilas a los alquenos, efectos inductivo y mesómero, grupos dadores y aceptores, carbocationes y sus transposiciones, postulado de Hammond, ácidos de Lewis, perfiles de energía.

Teñido de hilo en una cuba de índigo (ilustración). El hilo sale de la cuba amarillo verdoso, empapado de la forma reducida y soluble del colorante, y se vuelve azul al aire, cuando el oxígeno la devuelve al índigo insoluble. El índigo, como la mayoría de los colorantes, está construido sobre anillos aromáticos; la industria de los colorantes del siglo XIX nació de las reacciones de sustitución de este capítulo aplicadas al benceno del alquitrán de hulla.

22.1 Sustitución, no adición

Definición 22.1 (Areno)

Un areno es un hidrocarburo que contiene al menos un anillo aromático, como el benceno, el tolueno (metilbenceno) o el naftaleno; un grupo arilo ( $\ce{Ar}$ ) es un areno al que le falta un hidrógeno.

Proposición 22.2 (Por qué el benceno no se adiciona)

Una adición al benceno convertiría el anillo aromático en un ciclohexadieno no aromático y perdería la mayor parte de los $150\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ de estabilización aromática; la sustitución la conserva.

Argumento. En el Capítulo 16 se halló que la hidrogenación del benceno a ciclohexa-1,3-dieno es endotérmica ( $+22\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ , a partir de $-206.0\,$ y $-227.7\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ ), mientras que la de un doble enlace ordinario libera $119\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ : la primera adición es la etapa costosa. Tras la primera etapa electrófila, el catión formado puede adicionar un nucleófilo, lo que deja un dieno no aromático, o perder un protón, lo que restaura el anillo aromático. El segundo camino es mucho más favorable. ∎

22.2 El mecanismo

Definición 22.3 (Sustitución electrófila aromática)

Una sustitución electrófila aromática sustituye un hidrógeno de un anillo aromático por un electrófilo $\ce{E+}$ . El electrófilo se une primero a un carbono del anillo, dando un catión en el que ese carbono es tetraédrico y la carga positiva se reparte sobre los otros cinco: el intermedio de Wheland (un ion arenio). Una base retira después el protón del carbono tetraédrico.

Proposición 22.4 (Dos etapas)

La primera etapa, que destruye la aromaticidad, es la lenta; la pérdida del protón, que la restaura, es rápida.

Argumento. El intermedio de Wheland es un carbocatión estabilizado por deslocalización sobre tres carbonos, pero no aromático: está muy por encima de los reactivos y, por el postulado de Hammond, el estado de transición que conduce a él se le parece en estructura y en energía. La segunda etapa desciende hacia un producto aromático: su barrera es baja. ∎

Perfil de energía de una sustitución electrófila aromática, esquema (un modelo). La primera etapa, que forma el intermedio de Wheland, tiene la barrera más alta. La pérdida de un protón (trazo continuo) restaura el anillo aromático; la adición de un nucleófilo (discontinuo) dejaría un producto por encima de los reactivos.

Nitración del benceno. El ácido sulfúrico protona el ácido nítrico, que pierde agua: el ion nitronio NO2+ es el electrófilo. Se une a un carbono (lenta), dando el intermedio de Wheland, cuya carga positiva se reparte por el anillo; la pérdida de un protón (rápida) da nitrobenceno. — Nitración del benceno. El ácido sulfúrico protona el ácido nítrico, que pierde agua: el ion nitronio $\ce{NO2+}$ es el electrófilo. Se une a un carbono (lenta), dando el intermedio de Wheland, cuya carga positiva se reparte por el anillo; la pérdida de un protón (rápida) da nitrobenceno.

22.3 Las reacciones

Halogenación. El bromo o el cloro solos son electrófilos demasiado débiles; un ácido de Lewis ( $\ce{FeBr3}$ , $\ce{AlCl3}$ ) polariza el halógeno uniéndose a uno de sus átomos, y el bromo externo ataca el anillo.

Nitración. Una mezcla de ácidos nítrico y sulfúrico concentrados (arriba) da el ion nitronio.

Sulfonación. El ácido sulfúrico fumante ( $\ce{SO3}$ en $\ce{H2SO4}$ ) da ácido bencenosulfónico. La reacción es reversible: calentar el ácido sulfónico en ácido acuoso diluido elimina de nuevo el grupo $\ce{SO3H}$ , lo que lo convierte en un útil grupo bloqueante temporal.

Definición 22.5 (Reacciones de Friedel–Crafts)

Una alquilación de Friedel–Crafts une un grupo alquilo a un anillo aromático a partir de un halogenoalcano y un ácido de Lewis ( $\ce{AlCl3}$ ). Una acilación de Friedel–Crafts une un grupo acilo $\ce{RCO}$ a partir de un cloruro de acilo y $\ce{AlCl3}$ , a través del ion acilio $\ce{R-C#O+}$ , dando una aril cetona.

Proposición 22.6 (Límites de las reacciones de Friedel–Crafts)

La alquilación de Friedel–Crafts sufre transposiciones del carbocatión y polialquilación; la acilación se detiene tras una sustitución, no da transposiciones y necesita al menos un equivalente de $\ce{AlCl3}$ . Ninguna de las dos funciona sobre un anillo que lleve un grupo fuertemente desactivante.

Argumento. El electrófilo alquilante es un carbocatión (o un complejo polarizado que se comporta como tal), que se transpone a otro más estable por desplazamientos de hidruro o de alquilo: el 1-cloropropano da sobre todo isopropilbenceno. Un grupo alquilo activa el anillo (sección siguiente), de modo que el producto reacciona más deprisa que el benceno y vuelve a alquilarse. El ion acilio está estabilizado por resonancia ( $\ce{R-C+=O}$ $\leftrightarrow$ $\ce{R-C#O+}$ ) y no se transpone; el grupo acilo desactiva el anillo, de modo que el producto no sigue reaccionando; y la cetona formada une $\ce{AlCl3}$ por su oxígeno, retirando el catalizador de la reacción: se consume un equivalente. Un anillo fuertemente desactivado es un nucleófilo demasiado pobre para estos electrófilos débiles. ∎

22.4 Efectos de los sustituyentes

Definición 22.7 (Grupos orientadores)

Un sustituyente de un anillo bencénico es un grupo activante si el anillo reacciona más deprisa que el benceno, y un grupo desactivante si reacciona más despacio. Es un orientador orto/para si el nuevo grupo entra principalmente en las posiciones contiguas a él y en la opuesta, y un orientador meta si entra principalmente en las posiciones separadas por un carbono.

Proposición 22.8 (Dadores y aceptores)

Los grupos que ceden electrones al anillo por efecto mesómero ( $\ce{-OH}$ , $\ce{-OCH3}$ , $\ce{-NH2}$ , $\ce{-NHCOCH3}$ ) o por efecto inductivo e hiperconjugación (alquilos) activan el anillo y orientan a orto/para. Los grupos que atraen electrones por efecto mesómero ( $\ce{-NO2}$ , $\ce{-CN}$ , $\ce{-COR}$ , $\ce{-COOH}$ , $\ce{-SO3H}$ ) lo desactivan y orientan a meta.

Demostración. Compárense los intermedios de Wheland. Para un ataque en orto o en para respecto a un sustituyente G, una de las tres estructuras de resonancia pone la carga positiva sobre el carbono que lleva G; para un ataque en meta, ninguna. Un G dador (un par no enlazante sobre O o N) estabiliza una carga positiva sobre el carbono al que está unido, añadiendo una cuarta estructura de resonancia en la que todos los átomos tienen octeto: los intermedios orto y para descienden y, por el postulado de Hammond, también los estados de transición que conducen a ellos. Un G aceptor desestabiliza una carga positiva sobre su carbono: los intermedios orto y para suben, y el ataque en meta, que evita esa estructura, es el menos desfavorecido, aunque más lento que sobre el benceno. ∎

Intermedios de Wheland para un ataque en para respecto a un sustituyente. Con metoxi, un par no enlazante del oxígeno comparte la carga positiva (una estructura de resonancia adicional, todos los átomos con octeto): el intermedio se estabiliza, y el sustituyente es activante y orientador orto/para. Con nitro, una estructura sitúa la carga positiva sobre el carbono que lleva el grupo atractor de electrones: el intermedio se desestabiliza, y el ataque se produce en meta.

Proposición 22.9 (Halógenos)

Los sustituyentes halógenos desactivan el anillo pero orientan a orto/para.

Argumento. Su efecto inductivo atractor (electronegatividad) rebaja la densidad electrónica de todo el anillo y frena todos los ataques: son desactivantes. Pero un par no enlazante del halógeno aún puede compartir la carga positiva de los intermedios de Wheland orto y para, cosa que el intermedio meta no puede aprovechar: entre los ataques más lentos, orto y para siguen siendo los menos lentos. ∎

22.5 Bencenos polisustituidos

Método 22.10 (Predecir la posición de sustitución)

Para cada sustituyente, márquense las posiciones que favorece (orto/para o meta).
Si coinciden, esa posición gana. Si no coinciden, decide el activante más fuerte ( $\ce{-NH2}$ , $\ce{-OH}$ $>$ $\ce{-OCH3}$ $>$ $\ce{-NHCOCH3}$ $>$ alquilo $>$ halógeno).
Evítese la posición situada entre dos sustituyentes en relación 1,3 (impedida), y espérese más para que orto cuando los grupos son voluminosos.

Método 22.11 (Planificar una síntesis aromática)

Elíjase el orden de las etapas de modo que cada grupo ya presente oriente el siguiente adonde se quiere: para obtener 3-bromonitrobenceno, nítrese primero (orientador meta) y luego brómese; para obtener 4-bromonitrobenceno, brómese primero.
Úsense grupos convertibles: un grupo acilo (meta) puede reducirse a alquilo (orto/para); un grupo nitro (meta), reducirse a amina (orto/para); un alquilo, oxidarse a $\ce{-COOH}$ (meta).
Bloquéese una posición con $\ce{-SO3H}$ y elimínese al final.
Modérese un activante fuerte: la amina se acila ( $\ce{-NHCOCH3}$ ) antes de la nitración o la halogenación, y se libera de nuevo después.

Historia — Friedel y Crafts

En 1877, Charles Friedel y James Mason Crafts, que trabajaban juntos en París, descubrieron que el cloruro de aluminio hace reaccionar los halogenoalcanos y los cloruros de acilo con el benceno. Sus reacciones se convirtieron en el método estándar para unir grupos carbonados a anillos aromáticos, y la catálisis por ácidos de Lewis que descubrieron llegó mucho más lejos. (Retratos: Friedel, década de 1890; Crafts, de Popular Science Monthly, 1900; dominio público, Wikimedia Commons.)

Seguridad

El benceno es cancerígeno y se sustituye por tolueno u otros arenos siempre que es posible. Los ácidos nítrico y sulfúrico concentrados son corrosivos y la mezcla nitrante es fuertemente oxidante; se enfría y el areno se añade lentamente, pues las nitraciones son exotérmicas. El bromo es muy tóxico y corrosivo; el cloruro de aluminio reacciona violentamente con el agua. Los nitroarenos son tóxicos.

22.6 Ejercicios

Ejercicio 22.1 ★

Escríbase la formación del ion nitronio a partir del ácido nítrico y el ácido sulfúrico.

Solución

Solución de Ejercicio 22.1.

$\ce{HNO3 + 2H2SO4 -> NO2+ + H3O+ + 2HSO4-}$ : el ácido nítrico se protona y luego pierde agua.

Ejercicio 22.2 ★

Dense los productos principales de la bromación ( $\ce{Br2}$ , $\ce{FeBr3}$ ) del tolueno y del nitrobenceno.

Solución

Solución de Ejercicio 22.2.

El tolueno da 2-bromotolueno y 4-bromotolueno: el metilo orienta a las posiciones orto y para. El nitrobenceno da 3-bromonitrobenceno, más despacio: el grupo nitro orienta a meta.

Ejercicio 22.3 ★

Clasifíquense como activantes o desactivantes, orto/para o meta: $\ce{-CH3}$ , $\ce{-OH}$ , $\ce{-Cl}$ , $\ce{-NO2}$ , $\ce{-COCH3}$ , $\ce{-NHCOCH3}$ .

Solución

Solución de Ejercicio 22.3.

$\ce{-CH3}$ : activante, o/p. $\ce{-OH}$ : fuertemente activante, o/p. $\ce{-Cl}$ : desactivante, o/p. $\ce{-NO2}$ : fuertemente desactivante, meta. $\ce{-COCH3}$ : desactivante, meta. $\ce{-NHCOCH3}$ : activante (moderadamente), o/p.

Ejercicio 22.4 ★

Dese el producto del benceno con cloruro de etanoílo y cloruro de aluminio.

Solución

Solución de Ejercicio 22.4.

Acetofenona (1-feniletan-1-ona), $\ce{C6H5COCH3}$ , a través del ion acilio $\ce{CH3CO+}$ .

Ejercicio 22.5 ★★

El benceno y el 1-cloropropano con $\ce{AlCl3}$ dan principalmente isopropilbenceno. Explíquese, y dese una vía en dos etapas hacia el propilbenceno.

Solución

Solución de Ejercicio 22.5.

El carbocatión primario (o su complejo) se transpone por un desplazamiento de hidruro al catión isopropilo secundario, que alquila el anillo. Propilbenceno: acilación de Friedel–Crafts con cloruro de propanoílo (sin transposición) y luego reducción del $\ce{C=O}$ de la cetona a $\ce{CH2}$ .

Ejercicio 22.6 ★★

El fenol decolora el agua de bromo de inmediato, sin catalizador, dando 2,4,6-tribromofenol. Explíquese.

Solución

Solución de Ejercicio 22.6.

El grupo $\ce{-OH}$ es un fuerte dador mesómero: el anillo está tan activado que el bromo molecular basta como electrófilo, y se sustituyen las tres posiciones orto y para.

Ejercicio 22.7 ★★

Dense síntesis del 3-bromonitrobenceno y del 4-bromonitrobenceno a partir del benceno.

Solución

Solución de Ejercicio 22.7.

3-Bromonitrobenceno: nítrese y luego brómese (el nitro orienta a meta). 4-Bromonitrobenceno: brómese y luego nítrese (el bromo orienta a orto/para), y sepárese el isómero para del orto.

Ejercicio 22.8 ★★

La anilina se nitra mal (oxidación, y producto meta), pero la acetanilida da principalmente 4-nitroacetanilida. Explíquense ambos hechos.

Solución

Solución de Ejercicio 22.8.

La mezcla nitrante oxida la anilina, muy rica en electrones, y protona su nitrógeno: $\ce{-NH3+}$ es un grupo desactivante y orientador meta. En la acetanilida el par no enlazante del nitrógeno está compartido con el carbonilo: menos básico y menos activante, no se protona ni se oxida, y sigue orientando a orto/para, principalmente a para por razones estéricas.

Ejercicio 22.9 ★★

Muéstrese cómo puede usarse un grupo ácido sulfónico para preparar 2-bromotolueno libre de su isómero para.

Solución

Solución de Ejercicio 22.9.

Sulfónese el tolueno (sobre todo en para: el grupo voluminoso evita la posición orto); brómese: el bromo entra en orto respecto al metilo (la posición para está bloqueada, y ambos grupos favorecen esa posición); elimínese el grupo $\ce{SO3H}$ calentando en ácido diluido.

Ejercicio 22.10 ★★★

¿Dónde se nitra el 4-metilanisol (4-metoxitolueno)? Explíquese con los dos grupos orientadores.

Solución

Solución de Ejercicio 22.10.

Ambos grupos orientan a orto/para; sus posiciones para están ocupadas por el otro grupo. El metoxi, el activante más fuerte, gana: nitración en orto respecto al $\ce{-OCH3}$ (posición 2), que da 4-metil-2-nitroanisol.

Ejercicio 22.11 ★★★

El 2,4,6-trinitrotolueno se obtiene por tres nitraciones sucesivas del tolueno, cada una en condiciones más severas. Explíquese por qué.

Solución

Solución de Ejercicio 22.11.

Cada grupo nitro desactiva fuertemente el anillo: la segunda nitración requiere condiciones más fuertes que la primera, y la tercera (sobre un anillo con dos grupos nitro y solo el metilo, débilmente activante) más fuertes todavía.

Ejercicio 22.12 ★★★

Propóngase una síntesis del ácido 4-nitrobenzoico a partir del tolueno, y otra del ácido 3-nitrobenzoico.

Solución

Solución de Ejercicio 22.12.

Ácido 4-nitrobenzoico: nítrese el tolueno, sepárese el isómero para y oxídese el metilo a $\ce{-COOH}$ (permanganato en caliente). Ácido 3-nitrobenzoico: oxídese primero el tolueno a ácido benzoico y luego nítrese (el $\ce{-COOH}$ orienta a meta).

22.7 Problema: nitrar el tolueno

Problema 22.1

Problema de fin de semana — el ion nitronio y el mecanismo de la nitración, las posiciones orto, meta y para del tolueno frente a la proporción estadística, la separación de los isómeros y un balance de materia

Datos: puntos de fusión: 2-nitrotolueno $-10{}^{\circ}\mathrm{C}$ , 3-nitrotolueno $16{}^{\circ}\mathrm{C}$ , 4-nitrotolueno $52{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Datos de una operación de ejercicio: $100\,\mathrm{g}$ de tolueno, conversión del 90 %, distribución de isómeros 58 % orto, 4 % meta, 38 % para. Masas molares ( $\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ): C 12.011, H 1.008, N 14.007, O 15.999.

Parte I — El electrófilo y el mecanismo.

Escríbase la formación del ion nitronio.
Dibújese su estructura de Lewis e indíquese su geometría.
Escríbase el ataque del $\ce{NO2+}$ al tolueno en para respecto al metilo.
Dibújense las tres estructuras de resonancia del intermedio de Wheland para.
¿Qué etapa es la determinante de la velocidad?
¿Qué retira el protón en la segunda etapa?

Parte II — Las tres posiciones.

¿Cuántas posiciones orto, meta y para tiene el tolueno?
¿Qué proporción daría un ataque al azar?
Dibújese el intermedio de Wheland meta y explíquese por qué es el menos estabilizado.
¿Cómo estabiliza el grupo metilo los intermedios orto y para?
Compárese la proporción observada con la estadística: ¿qué posiciones están favorecidas?
Compárese el rendimiento por posición en orto (la mitad del porcentaje orto) y en para. Propóngase una razón para la diferencia.
¿Se nitra el tolueno más deprisa o más despacio que el benceno?

Parte III — Separación.

¿Qué isómero es sólido a temperatura ambiente?
Propóngase cómo aislarlo de la mezcla por enfriamiento.
¿Por qué la simetría favorece un punto de fusión alto?
¿Cómo podrían separarse después los isómeros orto y meta?
¿Por qué son difíciles de separar estos isómeros por destilación simple?

Parte IV — Balance de materia.

Calcúlense las masas molares del tolueno y del nitrotolueno.
Calcúlense las cantidades de tolueno y de nitrotolueno formado.
Calcúlense las masas de los tres isómeros.
¿Qué reacción posterior debe evitarse enfriando y no usando ácido en exceso?
¿Cómo se obtendría ácido 4-nitrobenzoico a partir del isómero para?
Indíquese la masa de 4-nitrotolueno obtenida a partir de $100\,\mathrm{g}$ de tolueno en esta operación.

Solución

Solución de Problema 22.1.

1. $\ce{HNO3 + 2H2SO4 -> NO2+ + H3O+ + 2HSO4-}$ . 2. $\ce{O=N+=O}$ : lineal, isoelectrónico con el $\ce{CO2}$ . 3. El nitrógeno se une al carbono del anillo en para respecto al $\ce{CH3}$ , que pasa a ser tetraédrico (con H y $\ce{NO2}$ ). 4. La carga positiva sobre los dos carbonos en orto respecto al carbono atacado y sobre el carbono en para respecto a él, que lleva el metilo. 5. La primera, la formación del intermedio de Wheland. 6. Una base del medio: $\ce{HSO4-}$ o el agua. 7. Dos orto, dos meta, una para. 8. 2 : 2 : 1, es decir, 40 % orto, 40 % meta, 20 % para. 9. En el ataque en meta, la carga positiva nunca está sobre el carbono que lleva el metilo; ninguna estructura recibe ayuda del metilo. 10. Una estructura de resonancia tiene la carga sobre el carbono que lleva el $\ce{CH3}$ : un carbocatión terciario, estabilizado por el efecto inductivo y la hiperconjugación del metilo. 11. Orto y para están favorecidas (96 % frente al 60 % al azar); meta está casi ausente. 12. Por posición: orto $58/2 = 29~\%$ , para 38 %: la para es la posición más reactiva, pues las posiciones orto están algo impedidas por el metilo. 13. Más deprisa: el metilo activa el anillo. 14. El 4-nitrotolueno (funde a $52{}^{\circ}\mathrm{C}$ ). 15. Enfríese la mezcla bruta: el isómero para cristaliza y se separa por filtración; el líquido conserva los isómeros orto y meta. 16. Una molécula simétrica se empaqueta mejor en un cristal: más interacciones por unidad de volumen, un punto de fusión más alto. 17. Por destilación fraccionada a presión reducida, o por cromatografía; o por un enfriamiento adicional (el isómero meta funde a $16{}^{\circ}\mathrm{C}$ ). 18. Los isómeros tienen puntos de ebullición próximos (misma fórmula, polaridad parecida). 19. $\ce{C7H8}$ : $92.14\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ; $\ce{C7H7NO2}$ : $137.14\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ . 20. $100/92.14 = 1.085\,\mathrm{mol}$ de tolueno; $0.90 \times 1.085 = 0.977\,\mathrm{mol}$ de nitrotoluenos. 21. Total $0.977 \times 137.14 = 134.0\,\mathrm{g}$ : orto $77.7\,\mathrm{g}$ , meta $5.4\,\mathrm{g}$ , para $50.9\,\mathrm{g}$ . 22. Una segunda nitración (dinitrotoluenos), y la oxidación del grupo metilo. 23. Oxídese el metilo a $\ce{-COOH}$ con permanganato alcalino en caliente y luego acidúlese. 24. La operación da $\boldsymbol{\approx 51\,\mathrm{g}}$ de 4-nitrotolueno.

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