Química universitária — 2.º ano · Bachelor Year 2

22Aromaticidade e substituição eletrofílica aromática

A água de bromo perde a cor em segundos quando agitada com um alceno, e não a perde de modo algum com o benzeno. No entanto, o benzeno reage com o bromo assim que se adiciona um pouco de brometo de ferro(III) — e o produto, o bromobenzeno, ainda tem seu anel aromático de seis membros: um hidrogênio foi substituído, nada foi adicionado. Os anéis aromáticos sofrem substituição, e não adição, porque a adição jogaria fora a estabilização calculada no Capítulo 16. O mesmo mecanismo nitra, sulfona, alquila e acila os anéis benzênicos, e os grupos já presentes em um anel decidem, com surpreendente regularidade, aonde vai o próximo.

O que você já sabe

Capítulo 16: a aromaticidade e a energia de deslocalização do benzeno. O volume do 1.º ano: adições eletrofílicas aos alcenos, efeitos indutivo e mesomérico, grupos doadores e aceptores, carbocátions e seus rearranjos, o postulado de Hammond, ácidos de Lewis, perfis de energia.

Tingimento de fios em uma cuba de índigo (ilustração). O fio sai da cuba amarelo-esverdeado, impregnado da forma reduzida solúvel do corante, e fica azul ao ar, quando o oxigênio a transforma de volta em índigo insolúvel. O índigo, como a maioria dos corantes, é construído sobre anéis aromáticos; a indústria de corantes do século XIX nasceu das reações de substituição deste capítulo aplicadas ao benzeno do alcatrão de hulha.

22.1 Substituição, e não adição

Definição 22.1 (Areno)

Um areno é um hidrocarboneto que contém pelo menos um anel aromático, como o benzeno, o tolueno (metilbenzeno) ou o naftaleno; um grupo arila ( $\ce{Ar}$ ) é um areno menos um hidrogênio.

Proposição 22.2 (Por que o benzeno não sofre adição)

Uma adição ao benzeno transformaria o anel aromático em um ciclo-hexadieno não aromático e perderia a maior parte dos $150\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ de estabilização aromática; a substituição a conserva.

Raciocínio. No Capítulo 16, a hidrogenação do benzeno a ciclo-hexa-1,3-dieno se mostrou endotérmica ( $+22\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ , a partir de $-206.0\,$ e $-227.7\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ ), enquanto a de uma ligação dupla comum libera $119\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ : a primeira adição é a etapa custosa. Depois da primeira etapa eletrofílica, o cátion formado pode adicionar um nucleófilo, o que deixa um dieno não aromático, ou perder um próton, o que restaura o anel aromático. O segundo caminho é muito mais favorável. ∎

22.2 O mecanismo

Definição 22.3 (Substituição eletrofílica aromática)

Uma substituição eletrofílica aromática substitui um hidrogênio de um anel aromático por um eletrófilo $\ce{E+}$ . O eletrófilo primeiro se liga a um carbono do anel, dando um cátion no qual esse carbono é tetraédrico e a carga positiva está distribuída sobre os outros cinco: o intermediário de Wheland (um íon arênio). Uma base retira então o próton do carbono tetraédrico.

Proposição 22.4 (Duas etapas)

A primeira etapa, que destrói a aromaticidade, é a lenta; a perda do próton, que a restaura, é rápida.

Raciocínio. O intermediário de Wheland é um carbocátion estabilizado por deslocalização sobre três carbonos, mas não aromático: ele fica muito acima dos reagentes, e, pelo postulado de Hammond, o estado de transição que leva a ele é próximo dele em estrutura e em energia. A segunda etapa desce para um produto aromático: sua barreira é baixa. ∎

Perfil de energia de uma substituição eletrofílica aromática, esquemático (um modelo). A primeira etapa, que forma o intermediário de Wheland, tem a barreira mais alta. A perda de um próton (contínua) restaura o anel aromático; a adição de um nucleófilo (tracejada) deixaria um produto acima dos reagentes.

Nitração do benzeno. O ácido sulfúrico protona o ácido nítrico, que perde água: o íon nitrônio NO2+ é o eletrófilo. Ele se liga a um carbono (lenta), dando o intermediário de Wheland, cuja carga positiva se distribui pelo anel; a perda de um próton (rápida) dá o nitrobenzeno. — Nitração do benzeno. O ácido sulfúrico protona o ácido nítrico, que perde água: o íon nitrônio $\ce{NO2+}$ é o eletrófilo. Ele se liga a um carbono (lenta), dando o intermediário de Wheland, cuja carga positiva se distribui pelo anel; a perda de um próton (rápida) dá o nitrobenzeno.

22.3 As reações

Halogenação. O bromo ou o cloro sozinhos são eletrófilos fracos demais; um ácido de Lewis ( $\ce{FeBr3}$ , $\ce{AlCl3}$ ) polariza o halogênio ao se ligar a um de seus átomos, e o bromo externo ataca o anel.

Nitração. Uma mistura de ácidos nítrico e sulfúrico concentrados (acima) dá o íon nitrônio.

Sulfonação. O ácido sulfúrico fumegante ( $\ce{SO3}$ em $\ce{H2SO4}$ ) dá o ácido benzenossulfônico. A reação é reversível: aquecer o ácido sulfônico em ácido aquoso diluído remove de novo o grupo $\ce{SO3H}$ , o que faz dele um útil grupo bloqueador temporário.

Definição 22.5 (Reações de Friedel–Crafts)

Uma alquilação de Friedel–Crafts liga um grupo alquila a um anel aromático a partir de um haloalcano e de um ácido de Lewis ( $\ce{AlCl3}$ ). Uma acilação de Friedel–Crafts liga um grupo acila $\ce{RCO}$ a partir de um cloreto de acila e de $\ce{AlCl3}$ , por meio do íon acílio $\ce{R-C#O+}$ , dando uma cetona arílica.

Proposição 22.6 (Limites das reações de Friedel–Crafts)

A alquilação de Friedel–Crafts sofre com os rearranjos do carbocátion e com a polialquilação; a acilação para após uma substituição, não dá rearranjo e exige pelo menos um equivalente de $\ce{AlCl3}$ . Nenhuma das duas funciona em um anel que tenha um grupo fortemente desativante.

Raciocínio. O eletrófilo alquilante é um carbocátion (ou um complexo polarizado que se comporta como tal), que se rearranja em outro mais estável por migrações de hidreto ou de alquila: o 1-cloropropano dá sobretudo isopropilbenzeno. Um grupo alquila ativa o anel (próxima seção); assim o produto reage mais depressa que o benzeno e é alquilado de novo. O íon acílio é estabilizado por ressonância ( $\ce{R-C+=O}$ $\leftrightarrow$ $\ce{R-C#O+}$ ) e não se rearranja; o grupo acila desativa o anel, de modo que o produto não reage mais; e a cetona formada liga o $\ce{AlCl3}$ por seu oxigênio, retirando o catalisador da reação: um equivalente é consumido. Um anel fortemente desativado é um nucleófilo pobre demais para esses eletrófilos fracos. ∎

22.4 Efeitos dos substituintes

Definição 22.7 (Grupos orientadores)

Um substituinte em um anel benzênico é um grupo ativante se o anel reage mais depressa que o benzeno, e um grupo desativante se reage mais lentamente. Ele é um orientador orto/para se o novo grupo entra principalmente nas posições vizinhas a ele e na oposta, e um orientador meta se entra principalmente nas posições seguintes a estas.

Proposição 22.8 (Doadores e aceptores)

Os grupos que doam elétrons ao anel por efeito mesomérico ( $\ce{-OH}$ , $\ce{-OCH3}$ , $\ce{-NH2}$ , $\ce{-NHCOCH3}$ ) ou por efeito indutivo e hiperconjugação (alquilas) ativam o anel e orientam para orto/para. Os grupos que retiram elétrons por efeito mesomérico ( $\ce{-NO2}$ , $\ce{-CN}$ , $\ce{-COR}$ , $\ce{-COOH}$ , $\ce{-SO3H}$ ) o desativam e orientam para meta.

Demonstração. Compare os intermediários de Wheland. Para um ataque em orto ou em para de um substituinte G, uma das três estruturas de ressonância coloca a carga positiva no carbono que leva G; para um ataque em meta, nenhuma. Um G doador (um par não ligante em O ou N) estabiliza uma carga positiva no carbono ao qual está ligado, acrescentando uma quarta estrutura de ressonância em que todo átomo tem um octeto: os intermediários orto e para são abaixados e, pelo postulado de Hammond, também os estados de transição que levam a eles. Um G aceptor desestabiliza uma carga positiva em seu carbono: os intermediários orto e para são elevados, e o ataque em meta, que evita essa estrutura, é o menos desfavorecido, embora mais lento que no benzeno. ∎

Intermediários de Wheland para um ataque em para de um substituinte. Com a metoxila, um par não ligante do oxigênio compartilha a carga positiva (uma estrutura de ressonância adicional, todos os átomos com octeto): o intermediário é estabilizado, e o substituinte é ativante e orientador orto/para. Com o nitro, uma estrutura coloca a carga positiva no carbono que leva o grupo retirador de elétrons: o intermediário é desestabilizado, e o ataque ocorre em meta.

Proposição 22.9 (Os halogênios)

Os substituintes halogênio desativam o anel, mas orientam para orto/para.

Raciocínio. Sua retirada indutiva (eletronegatividade) diminui a densidade eletrônica do anel inteiro e desacelera todo ataque: desativante. Mas um par não ligante do halogênio ainda pode compartilhar a carga positiva dos intermediários de Wheland orto e para, o que o intermediário meta não pode aproveitar: entre os ataques mais lentos, orto e para continuam sendo os menos lentos. ∎

22.5 Benzenos polissubstituídos

Método 22.10 (Prever a posição da substituição)

Para cada substituinte, marque as posições que ele favorece (orto/para ou meta).
Se eles concordam, essa posição vence. Se discordam, decide o ativante mais forte ( $\ce{-NH2}$ , $\ce{-OH}$ $>$ $\ce{-OCH3}$ $>$ $\ce{-NHCOCH3}$ $>$ alquila $>$ halogênio).
Evite a posição entre dois substituintes em relação 1,3 (impedida) e espere para em vez de orto quando os grupos forem volumosos.

Método 22.11 (Planejar uma síntese aromática)

Escolha a ordem das etapas de modo que cada grupo já presente oriente o seguinte para onde ele é desejado: para fazer o 3-bromonitrobenzeno, nitre primeiro (orientador meta) e depois bromo; para fazer o 4-bromonitrobenzeno, bromo primeiro.
Use grupos conversíveis: um grupo acila (meta) pode ser reduzido a alquila (orto/para); um grupo nitro (meta), reduzido a amina (orto/para); uma alquila, oxidada a $\ce{-COOH}$ (meta).
Bloqueie uma posição com $\ce{-SO3H}$ e remova-o no final.
Dome um ativante forte: uma amina é acilada ( $\ce{-NHCOCH3}$ ) antes da nitração ou da halogenação e depois liberada de novo.

História — Friedel e Crafts

Em 1877, Charles Friedel e James Mason Crafts, trabalhando juntos em Paris, descobriram que o cloreto de alumínio faz os haloalcanos e os cloretos de acila reagirem com o benzeno. Suas reações se tornaram o modo padrão de ligar grupos carbonados a anéis aromáticos, e a catálise por ácidos de Lewis que eles descobriram foi muito além delas. (Retratos: Friedel, década de 1890; Crafts, da Popular Science Monthly, 1900; domínio público, Wikimedia Commons.)

Segurança

O benzeno é cancerígeno e é substituído pelo tolueno ou por outros arenos sempre que possível. Os ácidos nítrico e sulfúrico concentrados são corrosivos e a mistura nitrante é fortemente oxidante; ela é resfriada e o areno é adicionado lentamente, pois as nitrações são exotérmicas. O bromo é muito tóxico e corrosivo; o cloreto de alumínio reage violentamente com a água. Os nitroarenos são tóxicos.

22.6 Exercícios

Exercício 22.1 ★

Escreva a formação do íon nitrônio a partir do ácido nítrico e do ácido sulfúrico.

Solução

Solução de Exercício 22.1.

$\ce{HNO3 + 2H2SO4 -> NO2+ + H3O+ + 2HSO4-}$ : o ácido nítrico é protonado e depois perde água.

Exercício 22.2 ★

Dê os produtos principais da bromação ( $\ce{Br2}$ , $\ce{FeBr3}$ ) do tolueno e do nitrobenzeno.

Solução

Solução de Exercício 22.2.

O tolueno dá 2-bromotolueno e 4-bromotolueno: a metila orienta para as posições orto e para. O nitrobenzeno dá 3-bromonitrobenzeno, mais lentamente: o grupo nitro orienta para meta.

Exercício 22.3 ★

Classifique como ativante ou desativante, orto/para ou meta: $\ce{-CH3}$ , $\ce{-OH}$ , $\ce{-Cl}$ , $\ce{-NO2}$ , $\ce{-COCH3}$ , $\ce{-NHCOCH3}$ .

Solução

Solução de Exercício 22.3.

$\ce{-CH3}$ : ativante, o/p. $\ce{-OH}$ : fortemente ativante, o/p. $\ce{-Cl}$ : desativante, o/p. $\ce{-NO2}$ : fortemente desativante, meta. $\ce{-COCH3}$ : desativante, meta. $\ce{-NHCOCH3}$ : ativante (moderadamente), o/p.

Exercício 22.4 ★

Dê o produto do benzeno com cloreto de etanoíla e cloreto de alumínio.

Solução

Solução de Exercício 22.4.

Acetofenona (1-feniletan-1-ona), $\ce{C6H5COCH3}$ , por meio do íon acílio $\ce{CH3CO+}$ .

Exercício 22.5 ★★

O benzeno e o 1-cloropropano com $\ce{AlCl3}$ dão sobretudo isopropilbenzeno. Explique e dê uma via em duas etapas até o propilbenzeno.

Solução

Solução de Exercício 22.5.

O carbocátion primário (ou seu complexo) se rearranja por migração de hidreto no cátion isopropila secundário, que alquila o anel. Propilbenzeno: acilação de Friedel–Crafts com cloreto de propanoíla (sem rearranjo), depois redução do $\ce{C=O}$ da cetona a $\ce{CH2}$ .

Exercício 22.6 ★★

O fenol descora a água de bromo de imediato, sem catalisador, dando o 2,4,6-tribromofenol. Explique.

Solução

Solução de Exercício 22.6.

O grupo $\ce{-OH}$ é um forte doador mesomérico: o anel fica tão ativado que o bromo molecular é um eletrófilo suficiente, e as três posições orto e para são substituídas.

Exercício 22.7 ★★

Dê sínteses do 3-bromonitrobenzeno e do 4-bromonitrobenzeno a partir do benzeno.

Solução

Solução de Exercício 22.7.

3-Bromonitrobenzeno: nitrar e depois bromar (o nitro orienta para meta). 4-Bromonitrobenzeno: bromar e depois nitrar (o bromo orienta para orto/para), e separar o isômero para do orto.

Exercício 22.8 ★★

A anilina é mal nitrada (oxidação e produto meta), mas a acetanilida dá sobretudo 4-nitroacetanilida. Explique os dois fatos.

Solução

Solução de Exercício 22.8.

A mistura nitrante oxida a anilina, muito rica em elétrons, e protona seu nitrogênio: $\ce{-NH3+}$ é um grupo desativante e orientador meta. Na acetanilida, o par não ligante do nitrogênio é compartilhado com a carbonila: menos básico e menos ativante, ele não é protonado nem oxidado, e ainda orienta para orto/para, sobretudo para, por razões estéricas.

Exercício 22.9 ★★

Mostre como um grupo ácido sulfônico pode ser usado para preparar o 2-bromotolueno isento de seu isômero para.

Solução

Solução de Exercício 22.9.

Sulfonar o tolueno (sobretudo em para, pois o grupo volumoso evita o orto); bromar: o bromo entra em orto em relação à metila (a posição para está bloqueada, e os dois grupos favorecem essa posição); remover o grupo $\ce{SO3H}$ aquecendo em ácido diluído.

Exercício 22.10 ★★★

Onde o 4-metilanisol (4-metoxitolueno) sofre nitração? Explique com os dois grupos orientadores.

Solução

Solução de Exercício 22.10.

Os dois grupos orientam para orto/para; suas posições para estão ocupadas um pelo outro. A metoxila, ativante mais forte, vence: nitração em orto em relação ao $\ce{-OCH3}$ (posição 2), dando o 4-metil-2-nitroanisol.

Exercício 22.11 ★★★

O 2,4,6-trinitrotolueno é obtido por três nitrações sucessivas do tolueno, cada uma em condições mais drásticas. Explique por quê.

Solução

Solução de Exercício 22.11.

Cada grupo nitro desativa fortemente o anel: a segunda nitração exige condições mais fortes que a primeira, e a terceira (em um anel que leva dois grupos nitro e apenas a metila, fracamente ativante), muito mais fortes ainda.

Exercício 22.12 ★★★

Proponha uma síntese do ácido 4-nitrobenzoico a partir do tolueno, e do ácido 3-nitrobenzoico.

Solução

Solução de Exercício 22.12.

Ácido 4-nitrobenzoico: nitrar o tolueno, separar o isômero para, oxidar a metila a $\ce{-COOH}$ (permanganato a quente). Ácido 3-nitrobenzoico: oxidar primeiro o tolueno a ácido benzoico e depois nitrar (o $\ce{-COOH}$ orienta para meta).

22.7 Problema: Nitrar o tolueno

Problema 22.1

Problema de fim de semana — o íon nitrônio e o mecanismo da nitração, as posições orto, meta e para do tolueno comparadas à razão estatística, a separação dos isômeros e um balanço de massa

Dados: pontos de fusão: 2-nitrotolueno $-10{}^{\circ}\mathrm{C}$ , 3-nitrotolueno $16{}^{\circ}\mathrm{C}$ , 4-nitrotolueno $52{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Dados do exercício para um ensaio: $100\,\mathrm{g}$ de tolueno, conversão de 90 %, distribuição dos isômeros 58 % orto, 4 % meta, 38 % para. Massas molares ( $\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ): C 12.011, H 1.008, N 14.007, O 15.999.

Parte I — O eletrófilo e o mecanismo.

Escreva a formação do íon nitrônio.
Desenhe sua estrutura de Lewis e dê sua forma.
Escreva o ataque de $\ce{NO2+}$ ao tolueno em para da metila.
Desenhe as três estruturas de ressonância do intermediário de Wheland para.
Qual etapa é determinante da velocidade?
O que retira o próton na segunda etapa?

Parte II — As três posições.

Quantas posições orto, meta e para tem o tolueno?
Que razão daria um ataque ao acaso?
Desenhe o intermediário de Wheland meta e explique por que ele é o menos estabilizado.
Como o grupo metila estabiliza os intermediários orto e para?
Compare a razão observada com a estatística: quais posições são favorecidas?
Compare o rendimento por posição em orto (metade da porcentagem orto) e em para. Sugira uma razão para a diferença.
O tolueno é nitrado mais depressa ou mais lentamente que o benzeno?

Parte III — A separação.

Qual isômero é sólido à temperatura ambiente?
Sugira como isolá-lo da mistura por resfriamento.
Por que a simetria favorece um ponto de fusão alto?
Como os isômeros orto e meta poderiam ser separados em seguida?
Por que esses isômeros são difíceis de separar por destilação simples?

Parte IV — Balanço de massa.

Calcule a massa molar do tolueno e do nitrotolueno.
Calcule a quantidade de tolueno e a de nitrotolueno formado.
Calcule as massas dos três isômeros.
Que reação posterior deve ser evitada resfriando e não usando excesso de ácido?
Como você obteria o ácido 4-nitrobenzoico a partir do isômero para?
Dê a massa de 4-nitrotolueno obtida a partir de $100\,\mathrm{g}$ de tolueno nesse ensaio.

Solução

Solução de Problema 22.1.

1. $\ce{HNO3 + 2H2SO4 -> NO2+ + H3O+ + 2HSO4-}$ . 2. $\ce{O=N+=O}$ : linear, isoeletrônico com o $\ce{CO2}$ . 3. O nitrogênio se liga ao carbono do anel em para do $\ce{CH3}$ , que se torna tetraédrico (levando H e $\ce{NO2}$ ). 4. A carga positiva nos dois carbonos em orto do carbono atacado e no carbono em para dele, que leva a metila. 5. A primeira, a formação do intermediário de Wheland. 6. Uma base do meio: $\ce{HSO4-}$ ou a água. 7. Duas orto, duas meta, uma para. 8. 2 : 2 : 1, isto é, 40 % orto, 40 % meta, 20 % para. 9. Para o ataque em meta, a carga positiva nunca fica no carbono que leva a metila; nenhuma estrutura é favorecida pela metila. 10. Uma estrutura de ressonância tem a carga no carbono que leva o $\ce{CH3}$ : um carbocátion terciário, estabilizado pelo efeito indutivo e pela hiperconjugação da metila. 11. Orto e para são favorecidas (96 % contra 60 % ao acaso); o meta está quase ausente. 12. Por posição: orto $58/2 = 29~\%$ , para 38 %: para é a posição mais reativa, pois as posições orto são ligeiramente impedidas pela metila. 13. Mais depressa: a metila ativa o anel. 14. O 4-nitrotolueno (funde a $52{}^{\circ}\mathrm{C}$ ). 15. Resfriar a mistura bruta: o isômero para cristaliza e é filtrado; o líquido retém os isômeros orto e meta. 16. Uma molécula simétrica se empacota melhor em um cristal: mais interações por volume, um ponto de fusão mais alto. 17. Por destilação fracionada sob pressão reduzida, ou por cromatografia; ou por um resfriamento maior (o isômero meta funde a $16{}^{\circ}\mathrm{C}$ ). 18. Os isômeros têm pontos de ebulição próximos (mesma fórmula, polaridade semelhante). 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. Uma segunda nitração (dinitrotoluenos) e a oxidação do grupo metila. 23. Oxidar a metila a $\ce{-COOH}$ com permanganato alcalino a quente e depois acidificar. 24. O ensaio dá $\boldsymbol{\approx 51\,\mathrm{g}}$ de 4-nitrotolueno.

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