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Unidad 1.7.3: Sustitución Electrofílica
Aromática –SEAQuímica Orgánica I
USAC Primer Semestre 2016
Reacciones de los compuestos aromáticos



Los anillos aromáticos son nucleófilos, ya que tienen
un sistema deslocalizado de electrones π.
Sin embargo, no reaccionan de la misma forma que
los alquenos: son menos reactivos que los alquenos
frente a los electrófilos y sufren sustitución y no
adición.
La razón es la estabilidad extra que poseen los
compuestos aromáticos, comparada con los
alquenos.
Resonancia y Aromaticidad
Reacción del benceno con un electrófilo

Al acercarse un electrófilo, reaccionará con el
sistema de electrones , produciendo un carbocatión:
Catión benzonio
(un catión ciclohexadienilo
deslocalizado)
Complejo sigma
Reacción del benceno con un electrófilo

El segundo paso de la reacción consiste en la
liberación de un H+ y con ello, la restauración del
sistema aromático:
Los electrones π
deslocalizados
del sistema
aromático
reaccionan con
un electrófilo
En el estado de
transición la
aromaticidad del
sistema se pierde
La aromaticidad se
recupera al expulsar
un protón y obtener
el producto de
sustitución
Diagrama de Perfil de Energía
El paso 1 es el
determinante de la
reacción, altamente
endotérmico, lento.
El paso 2 es
rápido, muy
exotérmico .
En general, las
reacciones SEA son
exergónicas.
Halogenación
Nitración
Sulfonación
(R puede
reordenarse)
Alquilación de
FriedelCrafts
Acilación de FriedelCrafts
Halogenación

La halogenación se limita al uso de Cl2 y Br2.



El flúor reacciona demasiado rápido como para obtener
un producto monfluorado.
El yodo es tan poco reactivo que requiere una oxidación
previa a I+:
Se requiere la presencia de un catalítico ácido de
Lewis, como Fe, FeX3, AlCl3
Halogenación
El bromo reacciona con FeBr3 para formar un complejo que
se disocia para formar un Br+ y FeBr4-.
Complejo sigma
El ion bromonio reacciona con los electrones π para formar el intermediario
Se elimina un protón del complejo sigma para dar el producto de sustitución
Halogenación: perfil de energía
Halogenación en la naturaleza
La tiroxina es la hormona
involucrada en la
regulación del
crecimiento y el
metabolismo. Es
secretada por la glándula
tiroides.
Nitración

Es una reacción que usa una mezcla de ácido nítrico
y ácido sulfúrico, ambos concentrados, conocida
como mezcla nitrante:
nitrobenceno


El grupo nitro puede luego ser reducido a amina.
Los nitrocompuestos aromáticos son intermediarios
útiles en síntesis orgánica.
El ácido nítrico es protonado por el ácido sulfúrico, mas fuerte
El ácido nítrico
protonado se disocia
formando el electrófilo
que reaccionará con el
anillo aromático.
Complejo sigma
Nitrocompuestos en la naturaleza




El 2-nitrofenol es una
feromona de las garrapatas.
El cloranfenicol, un
compuesto bacteriostático
de amplio espectro, es
producido por Streptomyces
venezuelae
Ácido 3-nitropropiónico se
encuentra en hongos y en
plantas (Indigofera).
Nitropentadeceno es un
compuesto de defensa
producido por termitas.
Sulfonación

El agente reactivo en este caso es trióxido de
azufre, por lo que de preferencia se emplea ácido
sulfúrico fumante para llevar a cabo la reacción:
O
O
S
O
O
O
S
O
O
O
O
S
O
Ácido bencensulfónico
O
S
O
Este equilibrio produce SO3 en el
ácido sulfúrico concentrado
Otras estructuras de resonancia
El electrófilo que reacciona con el benceno es el SO3
Un protón se elimina del complejo sigma para formar el ion bencensulfonato
El ion bencensulfonato acepta un protón y se transforma en ácido bencensulfónico
Perfil de energía de la reacción de sulfonación
Sulfonación

La reacción de sulfonación de anillos aromáticos es un
equilibrio, es decir, se tratará de una reacción reversible:


El producto de sulfonación se ve favorecido por el uso de ácido
sulfúrico fumante o concentrado.
La desulfonación (eliminación del grupo sulfónico) se ve
favorecida por el uso de ácido sulfúrico diluído (alta proporción
de agua) o bien por el uso de vapor de agua a través de la
mezcla de reacción: el producto desulfonado será destilado por
arrastre con el vapor y eliminado de la mezcla, favoreciendo
aun mas la reacción de eliminación del grupo sulfónico.
Ácidos bencensulfónicos y sus aplicaciones


Se puede obtener un
polímero del estireno
sulfonado, para
preparar resinas de
intercambio iónico
usadas para suavizar
aguas duras.
Las sales de los ácidos
alquilbencensulfónicos
se emplean como
detergentes.
Alquilación de Friedel Crafts



La introducción de un grupo o cadena alifática a un
anillo aromático se conoce como alquilación.
El producto será un areno: un compuesto que tiene
tanto una parte alifática como una aromática.
El grupo alquilo se obtiene de cualquier compuesto
que sea capaz de producir un carbocatión estable.
Formación de un complejo
Reacción entre un
halogenuro de alquilo y
el ácido de Lewis
El complejo se disocia para formar un carbocatión
Otras estructuras de resonancia
El carbocatión electrofílico, reacciona con el anillo formando el complejo sigma
Un protón se elimina del complejo sigma para formar isopropilbenceno en este caso. Este paso
además regenera el catalítico y libera HCl
Halogenación de Friedel Crafts

Es poco probable que los halogenuros primarios formen
carbocationes discretos una vez formado el complejo con
el AlCl3, pero desarrollarán una polarización permanente
los suficientemente elevada como para reaccionar como
electrófilos:
Sin embargo:
Halogenuro de arilo
Halogenuro de vinilo
NO reaccionan
Cualquier compuesto que pueda generar un carbocatión puede ser empleado
como fuente del grupo alquilo en la reacción de alquilación de Friedel Crafts:
Los carbocationes pueden sufrir
reordenamientos para dar
carbocationes más estables
Acilación de Friedel Crafts
•La introducción de un grupo acilo o acil, R-C=O, a un anillo aromático
se conoce con el nombre de acilación.
•El producto es una cetona.
Acilación de Friedel Crafts

Los grupos acilo más comúnmente encontrados son
los grupos acetilo y benzoilo:

Estos grupos pueden provenir de anhídridos de
ácido o de halogenuros de ácido (halogenuros de
acilo).
La reacción necesita de un catalítico ácido de Lewis,
normalmente AlCl3

Ion acilio, estabilizado
por resonancia
El catalítico ácido de Lewis reaccionará con el halogenuro de
ácido o con el anhídrido de ácido para formar un complejo,
que se disocia para generar el verdadero electrófilo, un ion
acilio, que es un híbrido de las dos estructuras de resonancia
formadas. Este ion NO sufre ningún tipo de reordenamiento,
a diferencia de los carbocationes formados para la
alquilación.
Otras estructuras de resonancia
El ion acilio actúa como electrófilo y reacciona con el
benceno para formar el complejo sigma intermediario.
Se pierde un protón para regenerar la aromaticidad y se obtiene una cetona.
La cetona actúa como una base de Lewis y reacciona con el AlCl3 (ácido de Lewis)
y forma un complejo, inactivando así al catalítico.
Ejemplos
Cloruro de
acetilo
Anhídrido
acético
Acetofenona (metil fenil
cetona)
Acetofenona
Ejemplos:
Nuevo enlace C-C
Una acilación de Friedel
Crafts intramolecular
La posibilidad de formar un nuevo anillo en la estructura es una
de las ventajas de las acilaciones intramoleculares.
Limitaciones de las reacciones de Friedel Crafts
Alquilación



No es posible usar
halogenuros de vinilo o
bencilo.
Se dan
reordenamientos.
Se dan
polialquilaciones.
Acilación

Debe añadirse AlCl3 en
cantidad equimolar, no
catalítica.
Limitaciones de las reacciones de Friedel Crafts

No se pueden dar si en el anillo hay grupos
como –C=O, -NO2, - CF3, SO3H, (desactivadores frente a la SEA); -NH- , -OH
(reaccionan con el catalítico)
Esta limitación es común tanto para alquilaciones como para
acilaciones de Friedel y Crafts
Aplicación de las reacciones de F&C

Si se desea obtener butilbenceno por una reacción
de alquilación de F&C se obtendrá una mezcla de
productos:
Aplicación de las reacciones de F&C

Sin embargo, si se emplea la acilación usando
cloruro de butanoílo, se obtiene:
O
O
Cl

+
AlCl3
Fenil propil
cetona
Un tratamiento de la cetona con un agente reductor
como Zn(Hg)/HCl dará el butilbenceno:
O
Zn(Hg)/HCl
Es posible introducir un grupo alquilo a un anillo
aromático por dos rutas diferentes:
Efecto de los grupos sustituyentes en el
anillo aromático
Reacciones de disustitución
¿Qué influencia o efecto tendrá un grupo
sustituyente en un anillo aromático frente a
una reacción de SEA?



La presencia de un grupo sustituyente en un anillo
aromático va a afectar el comportamiento del anillo
frente a la SEA.
Afectará la reactividad (reaccionará más rápido o
más lento que un anillo de benceno)
Afectará la orientación (la posición relativa que
ocupará un segundo grupo sustituyente)
Efecto en la velocidad de reacción (reactividad)

Grupos que aumentan la velocidad de reacción
(relativa al benceno) se denominan grupos
activantes o grupos activadores frente a la SEA y
aquellos que la disminuyen, serán grupos
desactivadores.
Grupos activadores frente a la SEA


Tienen como característica común el poder “dar”
electrones o densidad electrónica adicional al
anillo aromático, ya sea por efecto de resonancia o
por efecto inductivo electrón dador.
Cualquier grupo con un átomo directamente unido al
anillo aromático que posea electrones sin compartir,
tendrá un efecto activador frente a la SEA.
OCOR
Grupos que presentan un
efecto electrón dador por
resonancia tienen esta
estructura general
Grupos activadores frente a la SEA
Tres estructuras de resonancia colocan una
carga (-) en el anillo, en posiciones orto y
para respecto al grupo sustituyente.
Características de los grupos activadores

Donan electrones al anillo, por lo que




La nube electrónica del anillo es más “rica” en electrones,
atrayendo al electrófilo.
Disminuyen la energía de activación en el paso limitante
de la reacción.
Estabilizan el carbocatión intermediario (complejo sigma),
cuando el ataque se da en posiciones orto y para.
Ojo: estos grupos poseen pares de electrones libres
sin compartir y pueden acomodar una carga
positiva, en el átomo directamente unido al anillo
aromático.
El grupo amino –NH2 y el grupo hidroxilo –OH son activadores tan
poderosos que las reacciones proceden sin catalizador y hasta la obtención
de productos polisustituidos, siempre en las posiciones –orto y -para
respecto a los grupos activadores.
Al añadir una disolución de bromo en agua a fenol o anilina, el reactivo se
decolorará y al continuar añadiéndolo, se formará un precipitado de
tribromofenol o tribromoanilina, por lo que se emplea comp prueba
cualitativa para detectar a estos compuestos.
Grupos desactivadores frente a la SEA



Tienen como característica común el “sustraer”
electrones o densidad electrónica del anillo
aromático, ya sea por efecto de resonancia o por
efecto inductivo electrón atractor.
Como consecuencia, el anillo es ahora “pobre” en
densidad electrónica y “poco atractivo” para un
electrófilo.
Cualquier grupo con un átomo directamente unido al
anillo aromático que posea una densidad de carga
parcialmente positiva (deficiente en electrones),
tendrá un efecto desactivador frente a la SEA.
Un grupo con efecto
atractor de electrones
por resonancia, tendrá
esta estructura general.
Comparación del efecto de grupos donadores y grupos atractores de
electrones por resonancia, sobre la densidad electrónica de un anillo
aromático
Grupos desactivadores frente a la SEA
Tres estructuras de resonancia
colocan una carga (+) en el anillo, en
las posiciones orto y para respecto al
primer grupo sustituyente
Efectos en el perfil de energía
Un grupo
donador de
electrones
disminuirá la
energía de
activación del
paso limitante
y estabilizará
el
intermediario
reactivo,
haciendo
más rápida la
reacción.
Un grupo atractor de electrones aumentará la energía de
activación necesaria para llegar al intermediario reactivo y
también desestabilizará este, haciendo más lenta la reacción.
COMPLEJO SIGMA
Mmm..
Anillo
aromático
E
Efecto del substituyente
H
CH3
OH
Cl
O
O
N
Efecto
Del
sustituyente
Inductivo
Dador
(Activante)
Resonante
inductivo
Resonante
Dador
atractor
atractor
(Activante) (desactivante) (desactivante)
Desactivadores por efecto
inductivo y orientadores orto
para por estabilización del
complejo sigma.
Orientación y reactividad




La presencia de un grupo en un anillo aromático no
solamente afecta la reactividad sino también la
orientación de la sustitución, es decir, la posición
que ocupará un nuevo grupo en el anillo aromático.
Todos los grupos activadores son orientadores ortopara-: hacen más reactivas esas posiciones frente a
un electrófilo.
Los grupos alquilo son activadores por efectos de
hiperconjugación y también son orientadores orto- ,
-para.
Además, el complejo sigma se ve estabilizado por
estos grupos
Orientación y reactividad

Los grupos
desactivadores son –
meta orientadores, no
porque incrementen
la estabilidad del
intermediario al darse
una reacción con el
electrófilo en esa
posición, sino porque
es la que está
MENOS
desestabilizada.
El caso de los halógenos


Los halógenos actúan desactivando el anillo frente a la SEA por
efecto inductivo atractor de electrones.
Sin embargo, poseen pares de electrones libres sin compartir, que
pueden compartir para estabilizar el intermediario reactivo:
Los halógenos, entonces, son desactivadores débiles frente a la SEA pero
orientadores –orto, -para
Reacciones de disustitución


Al diseñar una síntesis de un producto aromático
con dos sustituyentes en el anillo, la secuencia en
que vamos a llevar la reacción es de extrema
importancia.
Recuerde que se debe tomar en cuenta el efecto
orientador del grupo que se introduce primero al
anillo, así como su efecto sobre la reactividad del
anillo.
Síntesis de 1-bromo-4-nitrobenceno a partir de
benceno
Secuencia 1: bromar y después nitrar el
benceno
La secuencia produce el
compuesto deseado
Secuencia 2: nitrar y después bromar el
benceno
Esta secuencia NO
produce el compuesto
deseado
SEA en anillos disustituidos
Caso 1: el efecto orientador de los dos grupos se refuerza mutuamente.
SEA en anillos disustituidos
Caso 2: el efecto orientador de los dos grupos es opuesto; predomina el
efecto del grupo activante mas fuerte.
SEA en anillos disustituidos
Caso 3: los sustituyentes están en posición meta. El impedimento
estérico hace que no ocurra sustitución en la posición entre los grupos.
Reacción de arenos con KMnO4



El benceno es inerte frente a soluciones
concentradas, alcalinas y calientes de
permanganato de potasio.
Sin embargo, anillos aromáticos con una parte
alifática, sufrirán una reacción de oxidación en la
cadena alifática (llamada cadena lateral.)
El producto de la oxidación de la cadena lateral será
un grupo –COO- (porque se trabaja en medio
alcalino), así que es un método para obtener ácidos
carboxílicos aromáticos.
Referencias




Carey. Química Orgánica. 6a. Edición. McGraw-Hill.
2005
McMurry, J. Química Orgánica. 7a. Edición.
Cengage. 2008
Wade, L. Química Orgánica. 7a. Edición. Pearson.
2012
Solomons and Frhyle. Organic Chemistry. 9th.
Edition. Wiley. 2007