MECANISMOS REAÇÕES ORGÂNICAS 1 AULA ON LINE 24/08/2020

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MECANISMOS REAÇÕES ORGÂNICAS 1

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A dúvida sobre a estrutura do benzeno continuou até próximo de 1930

quando a técnica de Raio-X indicou que o benzeno era planar e as seis ligações

C-C tinham o mesmo comprimento (1,40 Å).

Representações do Benzeno. As ligações C-H e C-C, os orbitais p e as nuvens de elétrons, respectivamente.

O benzeno pode ser representado com um

hexágono contendo linhas tracejadas ou um círculo.

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A Estabilidade do Benzeno

A hidrogenação do benzeno é mais difícil do que a hidrogenação dos alquenos e alquinos.

Uma molécula imaginária do cicloexatrieno

Benzeno

O calor de hidrogenação do benzeno (com três duplas) é menor do que o do 1,3-cicloexadieno (com duas duplas).

A reação de hidrogenação do benzeno é menos exotérmica do que a dos outros dois compostos.

O cicloexatrieno não existe e o calor de hidrogenação do benzeno é 152 kJ/mol menor do que o do teórico cicloexatrieno. Esta diferença em energia se deve a energia de ressonância do benzeno

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AS REAÇÕES DOS COMPOSTOS AROMÁTICOS COM OS ELETRÓFILOS

AS REAÇÕES DE SUBSTITUIÇÃO ELETROFÍLICAS AROMÁTICAS

As reações mais características dos compostos aromáticos são as reações de substituição que ocorrem quando eles reagem com reagentes eletrofílicos. Exemplo Geral:

O benzeno sofre ataque eletrofílico por causa da disponibilidade dos seus elétrons π.

Quando o tolueno é um grupo substituinte ele é chamado de benzil. Quando o benzeno é um

grupo substituinte ele é chamado de fenil.

Fenil

CH₂ Benzil

O CH₂ O CH₂

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Toxicidade do Benzeno

O benzeno é um constituinte natural do óleo bruto do petróleo. É utilizado em síntese como reagente ou como solvente. Infelizmente ele é tóxico e causa Leucemia e Atrofia dos tecidos e/ou orgãos. O tolueno está substituindo o benzeno como solvente.

MECANISMO PARA A SUBSTITUIÇÃO ELETROFÍLICA AROMÁTICA

Primeira Etapa

Segunda Etapa

_{Na segunda etapa o complexo σ perde}

um hidrogênio do carbono que sustenta o eletrófilo, regenerando o sistema π (Aromaticidade). Reação Exotérmica.

Na primeira etapa, o eletrófilo usa dois elétrons do sistema π para formar uma ligação σ com um carbono (que se torna sp3_{) do anel benzênico, interrompendo o} sistema cíclico de elétrons π. Está reação gera um carbocátion. Reação Endotérmica.

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Se o carbocátion perder um hidrogênio do carbono que sofreu o ataque eletrofílico, a aromaticidade é regenerada. Mas se o carbocátion sofrer um ataque nucleofílico o produto não será aromático. A reação que ocorre é a que gera o produto mais estável, ou seja, o produto aromático.

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HALOGENAÇÃO DO BENZENO

Exemplos:

O benzeno só reage com o bromo ou com o cloro se um ácido de Lewis estiver presente no meio reacional. FeCl₃ para Cl₂ e FeBr₃ para Br₂. A função do ácido de Lewis é enfraquecer a ligação X-X através da formação de um complexo.

Formação do complexo

Ataque eletrofílico

Mecanismo da Bromação:

Regeneração da Aromaticidade

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Obs: O flúor (F₂) reage muito rapidamente com o benzeno, já o iodo (I₂) reage muito lentamente, portanto ambas as reações requerem condições e aparelhagens especiais e não serão estudos.

NITRAÇÃO DO BENZENO

O benzeno reage lentamente com o ácido nítrico concentrado a quente para produzir o nitrobenzeno. A reação é muito mais rápida na presença de uma mistura dos ácidos nítrico e sulfúrico concentrados. Exemplo:

O ácido sulfúrico concentrado aumenta a velocidade da reação, aumentando a concentração do eletrófilo (íon nitrônio).

Mecanismo da Nitração

Na primeira etapa, o ácido nítrico age como uma base e recebe um hidrogênio do ácido mais forte, o ácido sulfúrico.

Primeira Etapa S O O O O H + _ H O H + + N O O _ + S O O O O H + S O O O O H H + N O O O H H + _

..

_ + N O O O H íon nitrônio

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Na segunda etapa, o ácido nítrico protonado se dissocia e produz o íon nitrônio. O íon nitrônio reage com o benzeno, atacando a nuvem π e forma um complexo σ que é estabilizado por ressonância.

Segunda Etapa

+ N O

O ₊

O complexo σ perde um hidrogênio regenerando a aromaticidade Reação Exotérmica.

A diferença entre as duas energias de ativação (E_at) do complexo σ indica que as reações de nitração são irreversíveis.

H O H

.. ..

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SULFONAÇÃO DO BENZENO

O benzeno reage com o ácido sulfúrico fumegante para produzir o ácido benzenosulfônico. O ácido sulfúrico fumegante é o ácido sulfúrico com trióxido de enxofre (SO₃).

Apenas com ácido sulfúrico concentrado, a reação é mais lenta e o SO₃ é produzido pelo seguinte equilíbrio.

Mecanismo de Sulfonação:

Primeira Etapa Trióxido de Enxofre S O O O O H H + S O O O O H H S O O O O H H H + S O O O O H + _ S O O O O H H H O H + S O O O +

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As energias de ativação (Eat) de qualquer lado do complexo σ são da mesma altura. Indicando que as reações de sulfonação são reversíveis em soluções ácidas diluídas a quente. Exemplo: Etapa (3) Rápida _

: :

_..

+ S O O O H O_S O O H

_..

:

S O O O + S O O O H +

..:

:

_

: :

_..

_ + _

: :

_..

+ _S O O O H Etapa (2) Lenta S O _O O H Complexo σσσσ

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ALQUILAÇÃO DE FRIEDEL-CRAFTS

Exemplo:

Esta reação ocorre através de um ataque eletrofílico de um complexo formado entre o brometo de etila e o cloreto de alumínio.

Mecanismo:

A formação do complexo torna o grupo -CH₂ - bastante positivo e permite que o complexo transfira um grupo etila para o anel benzênico.

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Alquilações com haletos de alquila secundários e terciários ocorrem através da formação de carbocátions. Exemplo: Al Cl Cl Cl Cl _

Al Cl

Cl

_

C

CH

₃

CH

₃

H

+ H Cl + AlCl

₃

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A ACILAÇÃO DE FRIEDEL-CRAFTS

O grupo é chamado de grupo acila, e a reação através da qual um grupo acila é introduzido em uma molécula é chamada de Acilação. Exemplos de Grupos Acila:

Exemplo de reação de acilação de Friedel-Crafts:

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Na reação de Friedel-Crafts o eletrófilo é o íon acílio.

Na última etapa o cloreto de alumínio forma um complexo com a cetona. Depois que a reação se completa, o tratamento do complexo com água libera acetona.

_ Al Cl Cl Cl Cl

Mecanismo:

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OS EFEITOS DOS SUBSTITUINTES: REATIVIDADE E ORIENTAÇÃO

Quando o benzeno substituído sofre um ataque eletrofílico, o grupo presente no anel, através do efeito indutivo ou de ressonância, afeta a velocidade da reação e a posição em que ocorrerá o ataque.

A etapa determinante da velocidade da reação é a formação do complexo σ.

Se S é um grupo doador de elétron, a reação é mais rápida do que a do benzeno.

Se S é um grupo retirador de elétron, a reação é mais lenta do que a do benzeno.

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Os grupos substituintes podem ser divididos em duas categorias.

Ativadores: São os grupos que tornam o anel mais reativo do que o próprio benzeno. A substituição eletrofílica ocorre principalmente nas posições orto e para. Os Grupos Ativadores

são chamados de orientadores orto-para.

Exemplos:

Desativadores: São os grupos que tornam o anel menos reativo do que o benzeno. A substituição eletrofílica ocorre na posição meta. Os Grupos Desativadores são chamados de

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Os Grupos Ativadores – Orientadores Orto-Para.

Todos os orientadores orto e para têm pelo menos um par de elétrons livres, no átomo ligado diretamente ao anel benzênico (exceto os grupos alquila).

O efeito predominantemente é o efeito de ressonância (exceto halogênios). Exemplos: O efeito indutivo do grupo amino é ligeiramente retirador de elétrons porque o N é mais eletronegativo que o C. Mas o efeito de ressonância do grupo amino é muito mais importante do que o efeito indutivo.

Estruturas de ressonância para a anilina

Z

:

Z Z Z

.._

_..

+ + +

Exemplos:

_ _ N H H

:

N H H

:

N H H _

:

N H H

:

N H H

+

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Estruturas de ressonância para a anilina sofrendo um ataque orto.

Estruturas de ressonância para a anilina sofrendo um ataque meta.

Estruturas de ressonância para a anilina sofrendo um ataque para.

Quatro estruturas de ressonância podem ser escritas para os ataques em orto e para, enquanto somente três podem ser escritas para o ataque meta.

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Halobenzenos

Os grupos halo são os únicos orientadores orto-para que são também grupos desativadores.

O grupo cloro é muito eletronegativo. Portanto, ele desativa o anel benzênico por efeito indutivo. Quando ocorre o ataque eletrofílico, o grupo cloro estabiliza os complexos σ resultantes dos ataques orto e para doando um par de elétrons livres da mesma forma que o exemplo da anilina.

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Se compararmos somente o efeito indutivo retirador de elétrons dos halogênios, os carbocátions onde X = F, Cl, Br e I são menos estáveis do que se X = H.

Mas os halogênios podem estabilizar o carbocátion por ressonância. Estabilizando o carbocátion formado pelo ataque eletrofílico nas posições orto e para.

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Estruturas de ressonância para o cloro-benzeno sofrendo um ataque orto.

Estruturas de ressonância para o cloro-benzeno sofrendo um ataque meta.

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Alquilbenzenos

Os grupos alquila são doadores de elétrons pelos efeitos indutivo e hiperconjugativo. Por causa disto eles são grupos ativadores e orientadores orto-para.

Estruturas de ressonância para o tolueno sofrendo um ataque orto.

Estruturas de ressonância para o tolueno sofrendo um ataque meta.

Estruturas de ressonância para o tolueno sofrendo um ataque para.

São carbocátions secundários. Carbocátion 3º

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Os Grupos Desativadores – Orientadores Meta

Representação geral dos grupos orientadores meta que são retiradores por efeito de ressonância.

Exemplos:

N O O + -.. : ..

Nitro

Nitrobenzeno

O grupo nitro é um poderoso retirador de elétrons pelos efeitos indutivo e ressonância. Estes dois efeitos se combinam para promover uma grande desativação do anel.

EFEITO INDUTIVO _

+

N O O

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EFEITO DE RESSONÂNCIA

Observações:

O grupo nitro retira mais elétrons das posições orto e para.

A substituição eletrofílica do nitrobenzeno ocorre dez mil vezes mais lenta do que a do benzeno.

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Estruturas de ressonância sofrendo um ataque orto.

Estruturas de ressonância sofrendo um ataque meta

Estruturas de ressonância sofrendo um ataque para.

Observações:

O complexo σ meta é o mais estável dos três porque nenhuma estrutura altamente instável contribui para o seu híbrido.

O mesmo raciocínio pode ser usado para os grupos –COOH (ácido benzóico), –SO₃H (ácido benzenosulfônico), ésteres, aldeídos, cetonas, nitrilas, etc.

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Nitração do Benzaldeido

A nitração do benzaldeído ocorre milhares de vezes mais lentamente do que a do benzeno. O produto favorecido é formado pelo ataque do íon nitrônio na posição meta.

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Estruturas de ressonância sofrendo um ataque orto.

Estruturas de ressonância sofrendo um ataque meta.

Estruturas de ressonância sofrendo um ataque para.

Quanto mais distante a carga positiva ficar dos grupos retiradores de elétrons, menor será a energia do estado de transição. O mesmo raciocínio pode ser usado para o grupo –NR₃+_.

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