Quimica orgânica: aromáticos e reações eletrofilicas aromaticas

Quimica orgânica: aromáticos e reações eletrofilicas aromaticas

Apostila de Química Orgânica: Aromáticos e Reações Eletrofílicas Aromáticas.

Compostos aromáticos

Durante a última parte do século XIX a teoria da valência de Kekulé-Couper-Butlerov foi sistematicamente aplicada a todos os compostos orgânicos conhecidos. Um resultado desse foi a classificação dos compostos orgânicos em duas categorias amplas: compostos alifáticos e aromáticos.

- Ser classificado como alifático significava que o comportamento químico do composto era semelhante a uma gordura. (atualmente significa que o composto reage como sendo um alcano, um alceno, um Alcino ou um dos seus derivados)

- Ser classificado como aromático significava que o composto possuía uma baixa relação hidrogênio/carbono e que era “fragrante” (possuía aroma).

4.1. Benzeno e aromaticidade

No início da química orgânica, a palavra aromático foi utilizada para descrever algumas substâncias que possuíam fragrâncias, como o Benzaldeído (responsável pelo aroma das cerejas, pêssegos e amêndoas), o tolueno (bálsamo) e o benzeno (do carvão destilado). Entretanto, logo se observou que essas substâncias denominadas aromáticas eram diferentes da maioria dos compostos orgânicos em relação ao comportamento químico.

Hoje em dia usamos a palavra aromático para nos referir ao benzeno e seus derivados estruturais. Assim, os químicos do século XIX estavam corretos em relação à diferença entre os compostos aromáticos e os outro, porém a associação de aromaticidade com fragrância havia se perdido.

Muitos compostos isolados de fontes naturais são, em parte, aromáticos. Além do benzeno, benzaldeído e tolueno, a substância hormonal estrona e o bastante conhecido analgésico morfina têm anéis aromáticos. Muitas drogas sintéticas também são aromáticas, o tranqüilizante diazepam é um exemplo.

Foi comprovado que a exposição prolongada ao benzeno causa depressão da medula óssea e conseqüentemente leucopenia (diminuição dos glóbulos brancos). Dessa forma, o benzeno deve ser manuseado cuidadosamente se utilizado como solvente em laboratório.

4.1.1. Fontes de hidrocarbonetos aromáticos

Os hidrocarbonetos aromáticos simples são provenientes de duas fontes principais: carvão e petróleo. O carvão é uma mistura complexa composta principalmente de grandes arranjos de anéis benzênicos ligados uns aos outros. A degradação térmica do carvão ocorre quando aquecido a 1000 ºC na presença de Ar, levando à formação de uma mistura de produtos voláteis denominados alcatrão de hulha. A destilação fracionada do alcatrão de hulha produz benzeno, tolueno, xileno (dimetilbenzeno), naftaleno e muitos outros compostos aromáticos.

O petróleo, ao contrario do carvão, contém poucos compostos aromáticos e consiste principalmente de alcanos. Durante o refinamento do petróleo, as moléculas aromáticas são formadas quando os alcanos passam através de um catalisador à temperatura de 500 ºC a alta pressão.

4.1.2. Estrutura e estabilidade do benzeno

Embora o benzeno seja claramente um composto insaturado, é muito mais estável que um alceno típico e não sofre as mesmas reações químicas. O ciclo hexeno, por exemplo, reage rapidamente com o Br2 para formar o produto de adição 1,2-dibromoexeno, porém o benzeno reage lentamente com o Br2 para formar um produto de substituição C6H5Br. Por causa dessa substituição, a conjugação do anel benzênico é mantida.

Podemos ter uma idéia quantitativa da estabilidade do benzeno pelos valores de calor de hidrogenação. O cicloexeno, um alceno isolado, tem Hºhidrogenação = -118 kJ mol-1 (-28,2 kcal mol-1) e o 1,3-cicloexadieno, um dieno conjugado, tem Hºhidrogenação = -230 kJ mol-1 (-55 kcal mol-1). Como esperado o valor para o cicloexeno, uma vez que os dienos conjugados são mais estáveis que os dienos isolados.

Dando um passo adiante, esperamos que o valor de Hºhidrogenação para o “cicloexatrieno” (benzeno) seja um pouco menor que -356 kJ mol-1, ou seja, aproximadamente 150 kJ mol-1 a menos do que o esperado. Uma vez que 150 kJ mol-1 a menos de energia é liberado durante a hidrogenação do benzeno, este deve ter 150 kJ mol-1 menos energia. Em outras palavras, o benzeno possui 150 kJ mol-1 de estabilidade “extra”.

Outra evidência experimental que mostra a natureza diferenciada do benzeno é que todas as ligações químicas carbono-carbono possuem o mesmo comprimento, igual ao de 139 pm, um valor intermediário entre o comprimento de uma ligação simples (154 pm) e o de uma ligação dupla (134 pm). Além disso, o mapa de potencial eletrostático mostra que a densidade eletrônica é igual sobre todas as seis ligações carbono-carbono. Assim, o benzeno é uma molécula planar com a forma de um hexágono regular. Na molécula de benzeno, todos os ângulos de ligação C-C-C são de 120º, todos os 6 átomos de carbono são hibridizados sp2 e cada átomo de carbono tem um orbital (p) perpendicular ao plano do anel.

Uma vez que todos os seis átomos de carbono e todos os seis orbitais p na molécula de benzeno são equivalentes, é impossível definir as três ligações localizadas  em que um orbital p se sobrepõe somente com seu orbital p vizinho. Ao contrário cada orbital p se sobrepõe igualmente bem com ambos os orbitais p vizinhos a ele, levando a uma estrutura do benzeno na qual os seis elétrons  estão completamente deslocalizados em torno do anel. Em termos de ressonâncias, o benzeno é um híbrido de duas formas equivalentes. Nenhuma das duas formas é a correta, a verdadeira estrutura do benzeno é um meio termo entre essas duas formas de ressonâncias, impossível de representar por meio de modos convencionais.

4.1.3. Regra do 4n + 2 de Hückel

Para o benzeno é fácil dizermos que ele é aromático porque é um composto bastante estudado, mas e outros compostos cíclicos como saber se são aromáticos ou não?

Em 1931 o alemão Erich Hückel, definiu que uma molécula é aromática somente se possuir um sistema de conjugação monocíclico e planar que contenha um total de 4n + 2 elétrons , em que n é um número inteiro (n = 0, 1, 2, 3,...). Em outras palavras, apenas as moléculas com 2, 6, 10, 14, 18, ..., elétrons  podem ser aromáticos. As moléculas com 4n elétrons  (4, 8, 12, 16, ...) não podem ser aromáticas, embora possam ser cíclicas e aparentemente conjugadas. De fato, as moléculas conjugadas, planares com 4n elétrons  são chamadas antiaromáticas porque a deslocalização dos elétrons  levaria à sua desestabilização.

Os químicos do início do século XIX acreditavam que o único pré-requisito para a aromaticidade era a presença de um sistema cíclico conjugado. Portanto era esperado que o ciclo-octatetraeno, um análogo ao benzeno, fosse altamente estável. Os fatos, porém, provaram o contrário. Quando o ciclo-octratetraeno foi primeiramente preparado, esse composto não se mostrou estável, muito pelo contrario, sua reatividade era semelhante à de um polieno de cadeia aberta.

Hoje, sabemos que, de fato, o ciclo-octratetraeno não é uma molécula conjugada. Possui a forma de uma tina ou um tonel em vez de planar e não tem a conjugação cíclica, pois os orbitais p vizinhos uns dos outros não apresentam o alinhamento paralelo necessário para que ocorra a sobreposição. Os elétrons  são localizados nas quatro ligações duplas C=C em vez de estarem deslocalizadas sobre o anel.

4.1.4. Íons aromáticos

De acordo com o critério de Hückel para a aromaticidade, uma molécula deve ser cíclica, conjugada (isto é, ser plana ou quase plana e ter um orbital p em cada átomo) e possuir 4n + 2 elétrons . Em nenhum ponto dessa definição está implícito que o número de orbitais p deve ser igual ao número de elétrons . De fato, eles podem ser diferentes. A regra 4n + 2 é amplamente aplicada em muitos tipos de moléculas, não apenas aos hidrocarbonetos neutros. Por exemplo, o ânion ciclo-pentadienil eo cátion ciclo-heptatrienil são aromáticos.

O ciclopentadieno não é uma molécula aromática porque não é completamente conjugado. O carbono ―CH2― no anel é hibridizado sp3, impedindo a conjugação cíclica completa. Imagine agora que removemos um átomo de hidrogênio do grupo saturado CH2, deixando esse átomo com hibridização sp2 as espécies resultantes teriam cinco orbitais p, um em cada átomo de carbono, e seriam totalmente conjugadas.

Existem 3 maneiras de remover o hidrogênio:

4.1.5. Heterocíclicos aromáticos

A regra de Hückel não diz nada sobre os átomos do anel serem exclusivamente carbono. De fato, os compostos heterocíclicos também podem ser aromáticos. Um heterocíclico é um composto cíclico que contém um ou mais átomos, além, do carbono no anel aromático. Geralmente N e O, porém átomos de enxofre e fósforo são encontrados.

4.1.6. Por que 4n + 2 elétrons 

Teoria do orbital molecular. Quando os níveis de energia dos orbitais moleculares das moléculas cíclicas conjugadas são calculadas, sempre surge apenas um único orbital molecular (OM) de menor energia, e acima destes os OM ocorrem como pares degenerados. Assim, quando os elétrons preenchem os orbitais moleculares, são necessários dois elétrons (um par) para preencher o orbital de menor energia e quatro elétrons para preencher cada um dos n níveis de energia subseqüente, originando um total de 4n+2. Qualquer outro número originaria um nível de energia parcialmente preenchido.

4.1.7. Compostos aromáticos policíclicos

O conceito de aromaticidade pode ser estendido para que se possa incluir os compostos aromáticos policíclicos.

4.2. Reações químicas do benzeno

A reação mais comum de um composto aromático é a de substituição aromática eletrofílica, ou seja, um eletrófilo (E+) reage com o anel aromático e substitui um dos seus átomos de hidrogênio.

Vários substituintes diferentes podem ser introduzidos no anel aromático por meio das reações de substituição eletrofílica. Pela escolha adequada dos reagentes, é possível:

Começando com alguns materiais simples, é possível preparar diversos compostos aromáticos substituídos.

4.2.1. Halogenação – Bromação de anéis aromáticos

Um anel benzênico, com seis elétrons  em um sistema cíclico conjugado é um local de densidade eletrônica. Além disso, os elétrons  do benzeno são acessíveis ao reagentes que se aproximam por causa de sua localização acima e abaixo do plano do anel. Assim, o benzeno age como um doador de elétrons (uma base de Lewis ou nucleófilos) em grande parte da sua química e a maioria das reações ocorre com reagentes receptores de elétrons (ácido de Lewis ou eletrófilos). Por exemplo, o benzeno reage com o Br2 na presença do catalisador FeBr3 para formar um produto de substituição, bromo benzeno.

As reações de substituição eletrofílica são características de todos os anéis aromáticos, não apenas do benzeno e de seus análogos substituídos. De fato, a habilidade de um composto em sofrer uma substituição eletrofílica é um bom teste de aromaticidade.

Antes de estudarmos como as reações de substituição aromática eletrofílica ocorrem, vamos relembrar o que foi dito em alcenos sobre a reação de adição eletrofílica em alcenos. Quando um reagente como o HCl é adicionado a um alceno, o átomo de hidrogênio eletrofílico se aproxima dos orbitais p da ligação dupla e forma uma ligação com o átomo de carbono, deixando a carga positiva no outro átomo de carbono. Esse intermediário carbocátion então reage com o íon nucleófilo Cl- para formar o produto de adição.

Uma reação de substituição aromática eletrofílica começa de uma maneira semelhante, porém existem algumas diferenças. Uma dessas diferenças é que os anéis aromáticos são menos reativos que os alcenos em relação aos eletrófilos.

Por exemplo, o Br2 reage instantaneamente com a maioria dos alcenos, mas não reage com o benzeno, à temperatura ambiente. Para que ocorra a bromação do benzeno, é necessária a presença de um catalisador como o FeBr3. O catalisador age sobre a molécula de Br2 tornando-a mais eletrofílica devida à formação da espécie FeBr4Br+ que reage como fosse o Br+.

A molécula de Br2 polarizada é então atacada pelos elétrons  do anel benzênico nucleófilico em uma etapa lenta, determinante da velocidade da reação, para formar um intermediário carbocátion não-aromático. Esse carbocátion é duplamente alílico e tem três formas de ressonância:

Ainda que o intermediário dessa reação de substituição aromática eletrofílica seja estável em comparação com um típico carbocátion alquílico, ele é muito menos estável que o próprio anel benzênico 150 kJ mol-1 de estabilidade aromática. Assim, a reação eletrofílica com o benzeno é endergômica, com uma energia de ativação relativamente alta e, portanto uma reação lenta.

Outra diferença entre a reação de adição e a reação de substituição eletrofílica ocorre após a formação do intermediário carbocátion. Em vez de ocorre o ataque do Br- para formar um produto de adição, o intermediário carbocátion perde H+ do átomo de carbono vizinho ao átomo que sofreu o ataque para formar um produto de substituição. Observe que a perda de H+ é semelhante ao que acontece na segunda etapa de uma reação E1. O efeito líquido da reação de Br2 com o benzeno é a substituição de H+ por Br+ como mostra o mecanismo global da reação:

O mecanismo de cloração é análogo ao da bromação utilizando cloreto férrico. O flúor reage rapidamente com o benzeno. O iodo por outro lado, tem tão pouca reatividade que é necessário utilizar um agente oxidante para que a iodação ocorra.

4.2.2. Nitração aromática

Os anéis aromáticos podem sofrer reações de nitração pela reação com uma mistura de ácido nítrico e sulfúrico concentrada. O eletrófilo nessa reação é o íon nitrônio, NO2+, gerado a partir de HNO3 pela protonação e perda de água. O íon nitrônio reage com o benzeno para formar um intermediário carbocátion da mesma maneira que o eletrófilo Br+. A perda de H+ do intermediário forma um produto de substituição neutro, o nitrobenzeno.

A nitração de um anel aromático é uma reação particularmente importante para a produção de corantes e agente farmacêuticos.

4.2.3. Sulfonação Aromática

Os anéis aromáticos podem sofrer reação de sulfonação pela reação com o ácido sulfúrico fumegante, uma mistura de H2SO4 e SO3. O eletrófilo reativo pode ser tanto o HSO3+ quanto o SO3, dependendo das condições de reação. A reação de sulfonação também ocorre por um mecanismo de várias etapas como já discutido para as reações de nitração e bromação. Observe, entretanto que a reação de sulfonação é reversível, pois podem ocorrer em ambos os sentidos, dependendo das condições da reação. A sulfonação é favorecida na presença de ácidos fortes, mas a dessulfonação é favorecida em solução ácida diluída a quente.

Os ácidos sulfônicos aromáticos também são muito úteis porque sofrem várias outras reações químicas. Por exemplo uma reação com NaOH a quente forma o fenol.

4.2.4. Alquilação de anéis aromáticos (Reação de Friedel-Crafts)

Uma das mais importantes reações de substituição aromática eletrofílica é a alquilação, a reação de acoplamento de um grupo alquila no anel benzênico. Charles Friedel e James Crafts relataram em 1877 que ao anéis de benzeno podem sofrer alquilação pela reação com um cloreto de alquila na presença de cloreto de alumínio como catalisador. Por exemplo, o benzeno reage com o 2-cloropropano e AlCl3 para formar o isopropil benzeno, também conhecido como cumeno

A reação de alquilação Friedel-Crafts é uma substituição aromática eletrofílica em que o eletrófilo é um carbocátion, R+. O cloreto de alumínio catalisa a reação auxiliando na dissociação do haleto de alquila da mesma forma que o FeBr3 catalisa as reações de bromação aromática polarizando a molécula de Br2. A perda de um próton completa a reação como mostra o mecanismo abaixo:

Ainda que a reação de alquilação de Friedel-Crafts seja muito ampla para síntese de alquilbenzenos, ela apresenta algumas limitações.

1) Somente podem ser usados haletos de alquila. Haletos de arila e vinila não reagem.

2) A reação não ocorre quando o anel aromático é substituído por um grupo amino ou por um grupo retirador de elétrons forte (-NO2, -CN, -SO3H, -CHO, -CO2H, -CO2CH3).

3) A dificuldade de cessar a reação após ter ocorrido uma única substituição.

4) Freqüentemente ocorre um rearranjo do grupo alquila durante a reação, principalmente quando é empregado um haleto de alquila primário.

4.2.5. Acilação de anéis aromáticos

Um grupo acila, -COR, é introduzido no anel quando um composto aromático reage com um cloreto de ácido, RCOCl, na presença de AlCl3. Por exemplo:

O mecanismo da reação de acilação de Friedel-Crafts é semelhante ao da alquilação. O eletrófilo reativo é um cátion acila estabilizado por ressonância, formado na reação entre o cloreto de acetila e o AlCl3. Como indicam as estruturas de ressonância na figura abaixo:

Um cátion acila é estabilizado pela interação de um orbital vazio no átomo de carbono com um par de elétrons nos átomos de oxigênio vizinho. Uma vez formado, o cátion acila não sofre rearranjo, mas reage com o anel aromático para formar um produto de substituição sem rearranjo.

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