Chimica Organica: composti aromatici e sostituzione elettrofila

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AROMATICI

Prof. Claudia Maria Chiodaroli

Aromaticità

I composti aromatici sono idrocarburi insaturi caratterizzati dalla presenza di un anello aromatico, cioè una struttura ciclica e planare in cui sono presenti 4n + 2 elettroni n delocalizzati (e coinvolti in legami ^). Questa caratteristica rende tali molecole molto stabili.

orbitali 2pz C C -C C- C C nube elettronica che racchiude sei elettroni TT H H 1

Il benzene

Il capostipite degli idrocarburi aromatici è il benzene, C6H6, che viene rappresentato come ibrido di risonanza di due forme limite che differiscono per la posizione dei doppi legami.

H H H C H H C C C 11 I .C C C C C. C C H | H H H H C H C- C = C H C H H H H - H H C:

Composti eteroaromatici

Un anello aromatico può anche contenere atomi diversi dal carbonio, a patto che contenga sempre 4n + 2 elettroni I delocalizzati (regola di Hückel).

N: N 1 S N N furano H pirrolo tiofene piridina pirimidina

Nomenclatura dei composti aromatici

La nomenclatura dei composti aromatici usa spesso nomi tradizionali.

CH3 CH3 CH3 CH2=CH CH toluene stirene cumene naftalene antracene

La nomenclatura IUPAC prevede invece di nominare i sostituenti seguiti dalla desinenza -benzene. Il nome IUPAC del toluene, per esempio, è metilbenzene.

Nomenclatura dei composti aromatici bisostituiti

Nei composti aromatici bisostituiti si formano isomeri che prendono i prefissi: · orto- se sono legati a carboni adiacenti · meta- se legati ai carboni 1 e 3 · para- se sono legati a carboni opposti.

CH3 1 2 CH3 6 5 3 4 o-xilene (1,2-dimetilbenzene) CH3 CH3 m-xilene (1,3-dimetilbenzene) CH3 CH3 p-xilene (1,4-dimetilbenzene)

Nomenclatura con più sostituenti

Nel caso di più sostituenti più numerosi si ricorre a una numerazione che assegna il numero 1 al sostituente più importante (quello che caratterizza il composto) e poi i numeri più alti agli altri sostituenti, che vengono scritti in ordine alfabetico.

CH3 1 CH3 6 2 5 3 4 CH3 1,2,4-trimetilbenzene CH3 1 6 2 5 3 CI CI 4 3,5-diclorotoluene CH3 1 NO2 NO2 6 2 5 3 4 NO2 2,4,6-trinitrotoluene (TNT)

La sostituzione elettrofila aromatica

Le reazioni caratteristiche degli idrocarburi aromatici sono di sostituzione elettrofila aromatica e avvengono in due stadi.

Primo stadio della sostituzione elettrofila aromatica

Primo stadio: l'elettrofilo si lega al carbonio dell'anello insieme all'idrogeno, con formazione di un carbocatione.

H H H H H 1° stadio + E+ + H H H H H H H E

Secondo stadio della sostituzione elettrofila aromatica

Secondo stadio: si distacca uno ione H+ e si forma il prodotto sostituito, elettricamente neutro.

HE E H X H H H 2° stadio + H+ H H H H H H 10 +

Alcune reazioni di sostituzione elettrofila del benzene

CI CH3 Cl2 + HCI 1 FeCl3 CH3-Br Br A1Cl3 Br2 + HBr alchilazione FeBr3 I I2 + AgI + HNO3 AgNO3 NO2 COCH3 + H2O nitrazione H2SO4 CH3COCI SO3H HCI + AlCl3 SO3 > solfonazione H2SO4 acilazione alogenazione HBr + < H-O-NO2

Le reazioni più comuni dei composti aromatici comportano la sostituzione di uno o più atomi di idrogeno dell'anello con altri atomi o gruppi. Alcune tipiche reazioni di sostituzione del benzene sono:

CI FeCl3 + Cl2 + HCI CLORURAZIONE (4.6) Br FeBra + HBr BROMURAZIONE (4.7) NO2 H2SO4 + H2O NITRAZIONE (4.8) .SO3H SO3 + H20 SOLFONAZIONE (4.9) R + RCI + HCI ALCHILAZIONE (4.10) (R = gruppo alchilico come CH3-, CH3CH2-) CH2CH3 + CH2-CH2 H2SO4 ALCHILAZIONE (4.11) O O C-R + R-CCI + HCI ACILAZIONE (4.12)

Per lo più queste reazioni vengono condotte a temperature comprese tra 0 ℃ e 50 ℃, ma possono essere necessarie condizioni più blande o più drastiche se altri gruppi sono già presenti sull'anello benzenico. Le condizioni possono an- che essere modificate al fine di introdurre più di un sostituente, se necessario.

AICI3 + Br2 + HNO3 (HONO2) + H2SO4 (HOSO3H) AICI

L'elettrofilo si lega a un atomo di carbonio dell'anello benzenico, utilizzan- do due degli elettroni della nuvola «, e forma un legame o col carbonio stesso. Tale atomo di carbonio assume così un'ibridazione sp3. L'anello benzenico funge da donatore di elettroni «, ossia da nucleofilo, nei confronti del reagen- te elettrofilo (Figura 4).

Questo carbonio è ibridato sp3; è legato ad altri quattro atomi e non ha un doppio legame. 8+ 8- + H + Cl-Cl ... FeCl3 Cl ione benzenonio

Il carbocatione risultante è uno ione benzenonio, nel quale la carica positiva è delocalizzata per risonanza sugli atomi di carbonio in posizione orto e para rispetto al carbonio al quale si è legato l'atomo di cloro, ossia in orto e para rispetto all'atomo di carbonio ibridato sp3.

+ H H H + Cl Cl Cl orto para orto forme di risonanza di uno ione benzenonio H + Cl ibrido di risonanza dello ione benzenonio + FeCIT (4.14)

Possiamo estendere questo meccanismo in due stadi a tutte le altre sostituzioni elettrofile aromatiche del paragrafo 8 con la seguente equazione:

stadio 1 stadio 2 + E+ + H E E+ H+ (4.16)

Ora è chiaro perché è importante che l'elettrofilo sia forte e perché si osserva sostituzione e non addizione. Nello stadio 1 si perde l'energia di stabilizzazione (energia di risonanza) dell'anello in conseguenza della distruzione del sistema aromatico z. Tale distruzione, provocata dall'addizione dell'elettrofilo a uno degli atomi di carbonio dell'anello, richiede energia e un elettrofilo forte. Nello stadio 2 l'aromaticità, e la connessa energia di risonanza, si ripristinano con la perdita di un protone, cosa che non potrebbe succedere se il carbocatione intermedio sommasse un nucleofilo (come nelle addizioni elettrofile ai doppi legami, vedi Capitolo 3).

Nu H H addizione di Nu; H sostituzione + E perdita dell'aromaticità E recupero dell'aromaticità

NOTA In genere è una base presen- te in soluzione che assiste il distac- co di questo protone. Non è neces- sario che tale base sia forte, perché il ripristino dell'aromaticità dell'a- nello è un processo altamente favo- rito grazie alla sua stabilità.

E + H+ (4.17)

Il primo stadio dell'equazione 4.16 è di regola quello più lento, che determina la velocità dell'intero processo, perché per giungere alla distruzione del siste- ma aromatico è necessario superare una considerevole energia di attivazione. Il secondo stadio è di solito molto veloce e ha un'energia di attivazione bassa, perché ripristina il sistema aromatico.

+ E E + stato di transizione 1 stato di transizione 2 B base E ione benzenonio Energia L'elettrofilo si addiziona al benzene in un primo stadio endotermico che comporta la perdita dell'aromaticità dell'anello. In un secondo stadio esotermico si stacca un protone dal carbonio legato all'elettrofilo e si ripristina l'aromaticità dell'anello. + + E benzene elettrofilo E + B reagenti prodotti Coordinata di reazione

È necessario un elettrofilo forte (è una reazione di sostituzione, non di addizione), ecco perché è necessario l'uso di un catalizzatore

:ČI-CI: + Fe-CI CI 8+ CI. .. .. CI ..... Fe-Cl CI 1 CI elettrofilo debole elettrofilo forte

:0: H+ H-Ö-Ň .. H-O-N = N+ + H20 I :0: ione nitronio acido nitrico acido nitrico protonato

O O - :O: = = 1 5 2+ = 0: :0: - .. CI 1 Cl CI-Al + CICH2CH3 CI-AI -- CI + CH2CH3 H- CH2-CH2 1 - CI CI catione etile 0 + CH3CCI + AlCl3 CH3C=0 + AICI7 cloruro di acetile catione acetile 1 CI 0 O H o Co 0.

EFFETTO DEI SOSTITUENTI NELLE SOSTITUZIONI ELETTROFILE

Un sostituente è attivante se la velocità della sostituzione elettrofila aromatica sul derivato benzenico sostituito risulta maggiore di quella sul benzene non sostituito.

Analogamente un sostituente è disattivante se la velocità di reazione è minore di quella del benzene.

Sostituenti orto,para-orientanti

Sostituente -NH2, -NHR, -NR2 .. . ammino Orto,para-orientanti -ÖH, -ÖCH3, -OR 0 -NHC-R acilammino -CH3, -CH2CH3, -R alchili -F:, -Öl:,-Br:,-Ï: alo

Sostituenti meta-orientanti

:0: :0: acile, carbossi -C-R .. -C-OH .. :0: :0: .. .. -C-NH2 -C-OR .. carbossammido, carboalcossi Meta-orientanti :0: .. -S-OH ǁ .. :0: -CN: ciano nitro

Attivanti e Disattivanti

Attivanti Disattivanti acido solfonico .. 0: -N Nome del sostituente idrossi, alcossi

Attacco orto,para

CH3 H H orto NO2 NO2 NO2 + + CH3 CH3 CH3 CH3 toluene + C + + H NO2 H NO2 H NO2 (4.26)

Attacco meta

CH3 CH3 CH3 CH3 meta + + (4.27) MAMA H H H + NO2 NO2 NO2 toluene

L'effetto del sostituente attiva o disattiva le posizioni orto e para di conseguenza se è attivante è orto/para orientante, se disattivante è metaorientante. Tutti i gruppi alchilici sono orto para orientanti perché un attacco o/p porta alla formazione di carbocationici più stabili para CH3 H CH3 +

Consideriamo ora altri gruppi orto,para-orientanti. In tutti l'atomo diret- tamente legato all'anello aromatico possiede almeno una coppia di elettroni non condivisi:

.. -F: -OH .. .. -NH2 ..

Tale coppia è capace di stabilizzare una carica positiva che si trovi in posizione adiacente. Consideriamo la bromurazione del fenolo:

Bromurazione del fenolo: Attacco orto,para

:OH +OH :OH :OH C H H H H orto ~Br *Br Br . Br + + : ÖH :OH +OH :OH fenolo + para 1 + H Br H Br H Br H Br (4.28)

Bromurazione del fenolo: Attacco meta

:OH :ÖH : OH :OH + meta 1+ (4.29) H H H + fenolo Br Br Br

NOTA Gli attivanti elettron-dona- tori orientano in orto e para perché la carica positiva dell'intermedio si può trovare sull'atomo di carbonio che lega il gruppo e questa formu- la limite è molto stabile perché la carica viene, in parte, neutralizza- ta. I gruppi attivanti per effetto me- somero, come per esempio -NH2 e-OH, hanno una coppia elettro- nica non condivisa che può porsi in risonanza e dare alcune struttu- re in cui tutti gli atomi possiedono un ottetto, quindi particolarmente stabili.

NOTA Gli alogeni, che sono disat- tivanti per effetto induttivo, sono orto,para-orientanti per effetto me- somero in quanto, solo con gli at- tacchi in orto e para, l'alogeno può formare una quarta formula limite di risonanza, con il doppio legame tra alogeno e carbonio, che stabiliz- za ulteriormente l'intermedio.

+ OH +