Investigar la relación entre la estructura y las propiedades de los hidrocarburos - Sesión 3

Analicemos diferentes tipos de reacciones de sustitución electrofílica del benceno. Pero antes de continuar, ¿podrías explicarnos qué se entiende por sustitución electrofílica? El electrófilo es una especie deficiente en electrones que tiene atracción por los electrones. La palabra sustitución significa reemplazo. Entonces, la sustitución electrofílica del benceno significa la introducción de un electrófilo en el benceno mediante la sustitución de uno o más átomos o grupos en el benceno. El benceno sustituido se forma como producto.

La alquilación de Friedel Crafts es una reacción de sustitución electrofílica que implica la introducción de un grupo alquilo en un compuesto aromático. Recibe su nombre en honor a sus descubridores, Charles Friedel y James Crafts. La reacción ocurre a través de la interacción de un compuesto aromático, un haluro de alquilo y un catalizador de ácido de Lewis. Los productos formados son compuestos aromáticos alquilados y haluro de hidrógeno. Es una reacción de sustitución electrofílica. En esta reacción el grupo alquilo actúa como electrófilo. Sustituye el átomo de hidrógeno del compuesto aromático.

Tomemos como ejemplo el benceno y el cloruro de metilo para comprender el mecanismo de alquilación de Friedel Crafts. Haremos reaccionar el benceno con cloruro de metilo y cloruro de aluminio. El benceno es un compuesto aromático. El cloruro de metilo actúa como agente alquilante. El cloruro de aluminio actúa como catalizador del ácido de Lewis. El producto formado es tolueno. También se forma cloruro de hidrógeno como subproducto.

Ahora discutiremos el mecanismo detallado de la alquilación de benceno de Friedel Crafts. El primer paso implica la activación del cloruro de metilo. El cloruro de aluminio reacciona con el cloruro de metilo para generar una especie reactiva llamada catión metilo y AlCl₄⁻. El catión metilo actúa como electrófilo porque es deficiente en electrones.

El siguiente paso es la formación del carbocatión estabilizado por resonancia. En este paso, el catión metilo generado interactúa con la molécula de benceno. El doble enlace del benceno ataca al catión metilo. Se añade el catión metilo al anillo de benceno. Se forma un carbocatión estabilizado por resonancia.

Vamos a tomar AlCl₄⁻como ejemplo. Toma el ion hidrógeno del átomo de carbono del carbocatión al que está unido el grupo alquilo. Como resultado, el carbocatión se convierte en benceno metilado. Este benceno metilado se llama tolueno. Después de eliminar el ion hidrógeno AlCl₄⁻El ion se convierte en cloruro de aluminio y cloruro de hidrógeno.

La acilación de Friedel Crafts es una reacción que implica la introducción de un grupo acilo en un compuesto aromático. La reacción ocurre a través de la interacción de un compuesto aromático, un cloruro de acilo y un catalizador de ácido de Lewis. Ren el cloruro de acilo representa cualquier grupo alquilo. Los productos formados son compuestos aromáticos acilados y haluro de hidrógeno. Es una reacción de sustitución electrofílica. En esta reacción el grupo acilo actúa como electrófilo. Sustituye el átomo de hidrógeno del compuesto aromático.

Ahora discutiremos el mecanismo detallado de la acilación de benceno de Friedel Crafts. La reacción comienza con la activación del cloruro de acilo. Se añade a la mezcla de reacción un catalizador de ácido de Lewis, que normalmente es cloruro de aluminio. El cloruro de aluminio reacciona con el cloruro de acilo para generar iones acilio y AlCl4-ión.

El siguiente paso es la formación del carbocatión estabilizado por resonancia. En este paso, el ion acilio interactúa con la molécula de benceno. El doble enlace del benceno ataca al ion acilio. Se añade el ion acilio al anillo de benceno. Se forma un carbocatión estabilizado por resonancia.

Ahora consideremos AlCl₄⁻ión. Toma el ion hidrógeno del átomo de carbono del carbocatión al que está unido el grupo acilo. Como resultado, el carbocatión se convierte en benceno acilado. El benceno acilado es una cetona. Después de eliminar el ion hidrógeno AlCl₄⁻El ion se convierte en cloruro de aluminio y cloruro de hidrógeno. ¿Puedes decir qué producto se formará si realizamos la acilación de Friedel Crafts de benceno con cloruro de acetilo? CH₃COClEn presencia de AlCl₃?.

La nitración del benceno es una reacción química en la que un -NO2se introduce en el anillo de benceno. También es una reacción de sustitución electrofílica. La reacción se lleva a cabo utilizando una mezcla de ácido nítrico y ácido sulfúrico Esta mezcla se llama agente nitrante. El producto formado es nitrobenceno.

La reacción comienza con la generación del ion nitronio. El ion nitronio es la especie electrófila responsable de la nitración del benceno. El ion nitronio se produce mezclando ácido nítrico concentrado y ácido sulfúrico concentrado. El ácido sulfúrico cede un ion hidrógeno al ácido nítrico. Como resultado, se forman iones nitronio y iones bisulfato.

El ion nitronio actúa como electrófilo. Ataca el anillo de benceno rico en electrones. El anillo de benceno dona un par de electrones al ion nitronio. Esto da como resultado la formación de un complejo sigma, también conocido como ion arenio. El ion arenio es un intermedio estabilizado por resonancia en el que la carga positiva está deslocalizada sobre el anillo de benceno.

El sistema aromático recupera su estabilidad por desprotonación del ion arenio. El ion bisulfato abstrae un protón del ion arenio. Esto da lugar a la formación de nitrobenceno. También se forma ácido sulfúrico como subproducto.

La halogenación del benceno también es una reacción de sustitución electrofílica. Implica la introducción de halógeno en el benceno. El catalizador utilizado en este proceso puede ser bromuro de hierro o cloruro de hierro. Por ejemplo, durante la bromación del benceno, el benceno reacciona con bromo en presencia de cloruro de hierro. El producto formado en esta reacción es bromobenceno.

Discutamos el mecanismo de esta reacción. En primer lugar, el bromo reacciona con el bromuro de hierro para formar un complejo. En este complejo, el bromuro de hierro polariza el átomo de bromo terminal. El átomo de bromo terminal se convierte en catión bromo. El anillo de benceno dona un par de electrones al catión bromo. Como resultado se forma el carbocatión. Después de eso, el FeBr₄⁻El ion absorbe el ion hidrógeno del átomo de carbono del carbocatión al que está unido el átomo de bromo. Esto da lugar a la formación de bromobenceno. El bromuro de hidrógeno se forma como subproducto.

La hidrogenación catalítica del benceno es una reacción química en la que el benceno reacciona con gas hidrógeno en presencia de un catalizador para formar ciclohexano. La hidrogenación catalítica del benceno no es una reacción de sustitución electrofílica. Es una reacción de adición. Esta reacción implica la adición de átomos de hidrógeno a través de los dobles enlaces carbono-carbono en el benceno. El níquel muy finamente dividido se puede utilizar como catalizador para esta reacción.