Sustitución electrofílica aromática

Hemos visto que las relaciones características del benceno implican sustitución, en la que se conserva el sistema anular estabilizado por resonancia. ¿Qué tipos de reactivos permiten esta sustitución? ¿Cuál es el mecanismo de estas sustituciones?

Encima y debajo del plano del anillo bencénico tenemos una nube electrónica n (Figura 1). Debido a la resonancia, estos electrones n están más involucrados en mantener núcleos de carbono unidos que los electrones p de un doble enlace carbono-carbono. De todas formas, y en comparación con los electrones o, estos electrones p están relativamente sueltos y disponibles para un reactivo que busca electrones.

No es de extrañar que en sus reacciones típicas el anillo bencénico sirva de fuente de electrones, esto es, que actúe como base. Los compuestos con los que reacciona son electrónicamente deficientes; es decir, son reactivos electrofílicos o ácidos. Al igual que las reacciones típicas de los alquenos son de adición electrofílica, las del anillo bencénico son de sustitución electrofílica.

Estas reacciones no sólo son típicas del benceno mismo, sino también del anillo bencénico donde quiera que se encuentre y, de hecho, de muchos anillos aromáticos, bencenoides y no bencenoides.

La sustitución electrofílica aromática incluye una amplia gama de reacciones: nitración, halogenación, sulfonación y reacciones de Friedel-Crafts, experimentadas por casi todos los anillos aromáticos; procesos como nitrosación y acoplamiento diazoico, que sólo sufren los anillos de gran reactividad, y reacciones como la desulfonación, intercambio isotópico y muchos cierres de anillos. Aunque estos aparentemente no tienen relación alguna, es provechoso considerarlos como procesos de este tipo, cuando se someten a un examen más profundo. Desde el punto de vista de su importancia en síntesis, la sustitución electrofílica aromática quizá no ha sido igualada por ninguna otra clase de reacciones orgánicas. Constituye la vía de acceso inicial para casi todos los compuestos aromáticos, pues permite la introducción directa de ciertos grupos sustituyentes que luego pueden convertirse en otros, incluyendo anillos aromáticos adicionales, por reemplazo, o por transformación.

2 Efectos de grupos sustituyentes

Como el benceno, el tolueno experimenta sustitución electrofílica aromática: sulfonación, por ejemplo, Aunque son posibles tres productos monosulfonados, en realidad esta reacción sólo da cantidades apreciables de dos de ellos: los isómeros orto y para.

El benceno y el tolueno son insolubles en ácido sulfúrico, mientras que los ácidos sulfónicos son muy solubles. La desaparición de la capa de hidrocarburo indica que se ha completado la reacción. Al ser agitado a temperatura ambiente con ácido sulfúrico fumante, el benceno reacciona completamente entre 20 y 30 minutos, mientras que el tolueno lo hace entre uno y dos minutos.

El estudio de la nitración, halogenación y alquilación de Friedel-Crafts da resultados análogos. De alguna manera, el grupo alquilo hace más reactivo al anillo bencénico y que el benceno no sustituido, y dirige el reactivo ataque a las posiciones anulares orto y para.

Por otra parte, y para considerar un ejemplo diferente, se ha encontrado que el nitrobenceno se sutituye de forma más lenta que el benceno, y que produce principalmente el isómero meta.

Como el metilo o el nitro, cualquier grupo unido a un anillo bencénico lo afecta en su reactividad y determina la orientación de la sustitución. Cuando un reactivo electrófilo ataca un anillo aromático, el grupo ya enlazado determina lo fácil que será el ataque, y dónde sucederá.

Cuando un grupo hace que un anillo sea más reactivo que el benceno, se llama grupo activante; si produce el resultado contrario, se conoce como grupo desactivante.

Un grupo que motiva un ataque en las posiciones orto y para es un director orto-para; uno que ocasiona lo mismo en las posiciones meta, se denomina director meta.

En este capítulo examinaremos los métodos que se emplean para medir estos efectos sobre la reactividad y la orientación, sus resultados y una teoría que justifica dichos resultados. Evidentemente, la teoría se basa en el mecanismo más probable para la sustitución electrofílica aromática. Veremos cuál es este mecanismo y, también, algunas pruebas que lo apoyan. Primero examinemos los hechos.

3 Determinación de la orientación

En principio, la determinación del efecto de un grupo sobre la orientación es bastante simple. El benceno que contiene este grupo se somete a sustitución, y luego se determina la proproción de los tres isómeros en el producto. Por lo general, la identificación de cada isómero como orto, meta o para implica compararlo con una muestra auténtica preparada por otro método, desde una sustancia de estructura conocida. Todas estas identificaciones se remontan a determinaciones absolutas del tipo Corner

De esta manera, se ha encontrado que cada grupo puede colocarse en una de dos categorías: directores orto-para y directores meta. La tabla 14.1 resume la orientación de la nitración en varios bencenos sustituidos. De las cinco posiciones abiertas al ataque, tres (60 %) son orto y para con respecto al sustituyente, y dos (40%), meta; si en la reacción de sustitución no hubiera selectividad, anticiparíamos que los isómeros orto y para conformarían el 60% del producto, y el metal, el 40%. En cambio, observamos que siete de los grupos dirigen el 96-100% de la nitración a las posiciones orto y para; los seis restantes dirigen el 72-94% a las posiciones meta.

Un grupo determinado ocasiona el mismo general de orientación predominantemente, orto, para, o principalmente, meta cualquiera que sea el reactivo electrofílico implicado. Sin embargo, la distribución efectiva de los isómeros pueden variar de una reacción a otra. Por ejemplo, en la tabla 14.2 se compara la distribución de isómeros obtenida del tolueno por sulfonación o bromación con la lograda por nitración.

4.- Determinación de la reactividad relativa

Un grupo se clasifica como activante si el anillo al cual sustituye es más reactivo que el benceno, y desactivante, si sucede lo contrario. Las reactividades del benceno y de uno sustituido se comparan de una de las maneras siguientes.

Puede medirse el tiempo que requieren las reacciones en condiciones idénticas. Así, vimos que el tolueno reacciona con ácido sulfúrico fumante entre una décima y una vigésima parte del tiempo requerido por el benceno: el tolueno es más reactivo que el benceno, por lo que CH3 es un grupo activante.

Puede observarse la severidad de las condiciones requeridas para que se verifique una reacción comparable dentro del mismo periodo de tiempo. Así, por ejemplo, el benceno se nitra en menos de una hora a 60ºC con una mezcla de ácidos nítrico y sulfúrico concentrados. Una nitración comparable del nitrobenceno requiere un tratamiento a 90ºC con ácido nítrico fumante y ácido sulfúrico concentrado. Evidentemente, el nitrobenceno es menos reactivo que el benceno, y el grupo nítro, NO₂, es desactivante.

Para una comparación cuantitativa exacta en condiciones idénticas de reacción, pueden realizarse reacciones competitivas, donde los compuestos a comparar compiten por una cantidad limitada de un reactivo. Si, por ejemplo, se mezclan cantidades equimolares de benceno y tolueno con una cantidad pequeña de ácido nítrico en un disolvente se obtinene como alrededor de 25 veces más nitrotolueno que nitrobenceno, indicando que el tolueno es 25 veces más reactivo que el benceno. Por otra parte, una mezcla de benceno y clorobenceno da un producto en el que el nitrobenceno es sólo un trigésimo de la del benceno. Por tanto, el grupo cloro se clasifica como desactivante, y el metilo, como activante. La activación o desactivación ocasionada por algunos grupos es extremadamente poderosa: la anilina, C₆H₅NH₂, es casi un millón de veces más reactiva que el benceno, y el nitrobenceno, C₆H₅NO₂, tiene alrededor de un millonésimo de la reactividad del benceno.

5.- Clasificación de grupos sustituyentes

Los métodos descritos en las dos últimas secciones han sido utilizados para determinar los efectos de gran número de grupos sobre la sustitución electrofílica. Como se ilustra en la tabla 14.3, casi todos los grupos caen en una de dos clases: activantes y directores orto-para, o desactivantes y directores meta. Los halógenos forman una clase aparte, pues son desactivantes, pero directores orto y para.

Con sólo conocer los efectos que se resumen en esta corta lista, podemos predecir con bastante exactitud el curso de cientos de reacciones de sustitución aromática. Por ejemplo, sabemos ahora que la bromación del nitrobenceno dará principalmente el isómero meta, y que la reacción procederá más lentamente que la bromación del benceno. Probablemente, se requieran condiciones severas para que llegue a realizarse. Sabemos ahora, por ejemplo, que la nitración de C6H5NHCOCH3 (acetanilida) producirá esencialmente los isómeros orto y para, y que será más rápida que la nitración del benceno.

Como veremos, a pesar de poder explicar estos efectos racionalmente, es necesario que el estudiante memorice las clasificaciones de la tabla 14.3, para que pueda tratar los problemas de síntesis de compuestos aromáticos con rapidez.

6.- Orientación en bencenos disustituidos

La presencia de dos sustituyentes en un anillo complica el problema de la orientación, pero aun así frecuentemente pueden hacerse pronósticos muy definidos. En primer lugar, ambos sustituyentes pueden estar ubicados de modo tal, que la influencia directora de uno refuerce la del otro; por ejemplo, en I, II y III, la orientación debe ser claramente la indicada por las flechas.

Por otra parte, cuando el efecto director de un grupo es opuesto al del otro, puede ser difícil predecir el producto principal. En tales casos, a menudo se obtienen mezclas complejas de varios compuestos.

Sin embargo, aun cuando hay efectos opuestos, es posible hacer predicciones de acuerdo con las generalizaciones siguientes.

(a) Los grupos activantes poderosos por lo general se imponen a los desactivantes o activantes débiles. Las diferencias en el poder director en la serie

Son suficientemente grandes como para emplearlas en la planificación de síntesis factibles. Por ejemplo:

Sin embargo, debe haber una diferencia suficientemente grande entre los efectos de ambos grupos para obtener resultados claros; de otro modo, puede obtenerse un resultado como el siguiente:

(b) A menudo se produce poca sustitución entre dos grupos que sean recíprocamente meta. En muchos casos, da la impresión de que no hay suficiente espacio entre dos grupos en posiciones meta entre sí como para que haya sustituido apreciable, según se ilustra en IV y V:

7.- Orientación y síntesis

Como se dijo anteriormente, una síntesis de laboratorio tiene por finalidad la obtención de un solo compuesto puro. De ser posible, debemos evitar el uso de reacciones que produzcan mezcla, puesto que disminuye el rendimiento de la sustancia deseada y causa problemas difíciles de purificación. Después de tener esto en mente, veamos algunas posibildiades de aplicación de nuestros conocimientos sobre la orientación en la síntesis de compuestos aromáticos puros.

En primer lugar, consideremos el orden en que introducimos los diversos sustituyentes en el anillo. Así, en la preparación de los bromonitrobencenos es evidente que si nitramos primero y luego bromamos, obtenemos el isómero meta; en cambio, si bromamos primero y después nitramos, obtenemos una mezcla de los isómeros orto y para. Por consiguiente, el orden utilizado dependerá del isómero que deseamos.

Si, a continuación, nuestra síntesis implica la conversión de un grupo en otro, consideraremos el momento oportuno para esta conversión. La oxidación de un grupo metilo, por ejemplo, da un carboxilo. En la preparación de los ácidos nitrobenzoicos desde el tolueno, el producto específico obtenido depende de que se oxide o nitre primero.

La sustitución controlada por un activante da una mezcla de los isómeros orto y para.

Sin embargo, a menudo debemos hacer uso de dichas reacciones, como en los ejemplos presentados. Por lo general, es posible obtener el isómero para puro por cristalización fraccionada de la mezcla, que al ser el isómero el más simétrico es el menos soluble, y cristaliza mientras el disolvente aún retiene el soluble isómero orto. Por supuesto, algo del isómero para permanece en la solución, contaminando al isómero orto, que es, por tanto, difícil de purificar. Como veremos, a menudo se usan procedimientos especiales para preparar isómeros orto.

En el caso especial de los nitrocompuestos, las diferencias en sus puntos de ebullición son suficientemente apreciables como para poder obtener los isómeros orto y para en forma pura por destilación fraccionada. Como resultado, muchos compuestos aromáticos se preparan mejor no por sustitución directa, sino por conversión de un grupo en otro. A fin de cuentas, se parte originalmente de un nitrocompuesto. Estos métodos de conversión los estudiaremos más adelante.

8.- Mecanismo de la nitración

Ahora que hemos apreciado los efectos que ejercen los grupos sustituyentes sobre la orientación y la reactividad en la sustitución electrofílica aromática, veamos si podemos justificarlos. El primer paso es examinar el mecanismo para la reacción. Comencemos con la nitración utilizando benceno como sustrato aromático.

El mecanismo generalmente aceptado para la nitración con una mezcla de ácidos sulfúrico y nítrico (la mezcla ácida tan empleada por los químicos orgánicos) implica la serie de reacciones siguientes:

El paso (1) genera el ión nitronio, NO₂⁺, que es partícula electrófila que realmente ataca al anillo bencénico. Esta reacción es un equilibrio ácido-base, en el que el ácido sulfúrico sirve de ácido, y el ácido nítrico, mucho más débil, de base. Podemos considerar que el ácido hacerlo en el usual H+...-ONO2. El ión nitronio es bien conocido, puesto que existe en sales como el perclorato de nitronio, NO2 + CIO4-, y el fluoroborato de nitronio, NO₂⁺ BF₄^-. De hecho, George Olah comprobó que estas sales de nitronio estables, disueltas en disolventes como el nitrometano o el ácido acético, nitran compuestos aromáticos suavemente, a temperatura ambiente y con rendimientos elevados.

Como necesita electrones, el ión nitronio los encuentra particularmente disponibles en la nube n del anillo bencénico, de modo que en el paso (2) se une a uno de los carbonos por medio de un enlace covalente, generando el carbocatión

Que a menudo se denomina ión bencenonio.

¿Cuál es la estructura de este carbocatión? Podemos representarlo por tres estructuras (I, II y III), que sólo difieren en las ubicaciones de los dobles enlaces y de la carga positiva. Por tanto, el verdadero ión debe ser un híbrido de resonancia de estas tres estructuras.

Desde luego, esto significa que la carga positiva no se encuentra localizada sobre un sólo átomo de carbono, sino que está distribuida sobre la molécula, y es particularmente intensa sobre los carbonos orto y para, con respecto al que lleva el grupo NO₂. (Más adelante veremos que esta distribución orto-para es significativa.) La dispersión de la carga positiva sobre la molécula por la resonancia estabiliza este ión con respectoa uno con carga localizada. Considerando la estabilidad del benceno original, que este ión llegue a formarse probablemente se debe a esa estabilización por resonancia. A veces, el carbocatión híbrido se representa como en IV, donde la línea de puntos representa enlaces parciales debido a los electrones n deslocalizados.

Hasta aquí, la reacción es similar a la adición a alquenos: una partícula electrófila, atraída por los electrones n, se une a la molécula para generar un carbocatión. Pero el destino de este ión es diferente al del correspondiente a un alqueno; la unión de un grupo básico al ión bencenonio para dar el producto de adición destruiría el carácter aromático del anillo. En cambio, el ión básico, HSO4-, quita un ión hidrógeno (paso 3) para dar el producto de sustitución, que retiene el anillo estabilizado por resonancia. Habíamos visto que la pérdida de un protón es una de las reacciones típicas de un carbocatión . En este caso, es la reacción preferencial.

Como en otras reacciones de carbocationes analizadas, el paso más difícil es la formación del carbocatión (paso 2). Una vez generado, el carbocatión pierde rápidamente un ión hidrógeno (paso 3) para dar los productos. (Daremos pruebas de esto en Sec. 14.)

En consecuencia, la sustitución electrofílica es un proceso por etapas, igual que la adición electrofílica, que pasa por un carbocatión intermediario. Sin embargo, los dos procesos difieren en el destino del carbocatión. Aunque el mecanismo de la nitración pueda ser el mejor establecido entre los mecanismos de las demás reacciones de sustitución aromática, resulta claro que todas las reacciones siguen el mismo curso.

8.- Mecansimo de la sulfonación

La sulfonación de muchos compuestos aromáticos implica los pasos siguientes:

De nuevo, el primer paso, que genera el trióxido de azufre electrófilo, es simplemente un equilibrio ácido-base, esta vez entre moléculas de ácido sulfúrico. Para la sulfonación utilizamos a menudo ácido sulfúrico con un exceso de SO₃. Aunque cuando no se haga esto, el electrófilo es SO₃, formado en el paso (1).

En el paso (2), el reactivo electrófilo, SO₃, se une al anillo bencénico para generar el carbocatión intermediario. Aunque el trióxido de azufre no tiene carga positiva, es electrónicamente deficiente y, por tanto, ácido.

El paso (3) es la pérdida de un protón para dar el producto de sustitución estabilizado por resonancia: esta vez el anión del ácido bencenosulfónico se disocia fuertemente, por ser un ácido fuerte (paso 4).

¨Con algunos sustratos aromáticos y a cierta acidez, el electrófilo puede se HSO₃⁺ o molécula que transfiere con afcilidad SO₃ o HSO₃⁺ al anillo aromático.

9.- Mecanismo de la alquilación de Friedel-Crafts

En la alquilación de Friedel-Crafts, el electrófilo típico es un carbocatión generado por un equilibrio ácido-base, esta vez en el sentido de Lewis:

En ciertos casos, no se halla involucrado un carbocatión libre. En cambio, se transfiere el grupo alquilo con un par de electrones menos directamente al anillo aromático desde el complejo polar, I, que forman el AICI₃ y el halogenuro de alquilo:

El electrófilo es entonces (a) R⁺ o (b) una molécula como I, que puede transferir con facilidad R⁺ al anillo aromático. Esta dualidad de mecanismo es corriente en la sustitución electrofílicaa aromática. En ambos casos, el ácido de Lewis R⁺ es desplazado de RCI por el otro ácido de Lewis, el AICI₃.

Describimos la reacción de Friedel-Crafts como una sustitución electrofílica y, desde el punto de vista del anillo aromático, efectivamente lo es. Sin embargo, como un ácido reacciona con una base, también un electrófilo reacciona con un nucleófilo, una molécula que proporciona los electrones que busca el primero. Por consiguiente, desde el punto de vista opuesto, esta reacción consiste en un ataque nucleofílico del anillo aromático sobre el grupo del complejo I. El ión AICI₄^- es un grupo saliente mejor que el CI^-; aquí, el ácido de Lewis, AICI₃, cumple el mismo propósito que un ácido de Lowry-Bronsted en la protonación de un alcohol.

Cuando consideremos la reacción de Friedel-Crafts como herramienta de síntesis, descubriremos que, en su sentido más amplio, esta reacción implica reactivos diferentes de los halogenuros de alquilo, y otros ácidos de Lewis que el cloruro de aluminio: BF₃, SnCI₄, HF, aun H⁺.

9.- Mecanismo de la halogenación

La halogenación aromática implica los pasos que se ilustran para la cloración.

El paso clave (2) es la unión de cloro positivo al anilloaromático. Sin embargo, parece poco probable que esté involucrado un ión CI⁺ libre. En cambio, se combina cloruro férrico con CI₂ para formar el complejo II, del que se transfiere cloro, sin sus electrones, directamente al anillo.

Hemos visto que la adición de halógenos a los alquenos consiste también en un ataque con halógeno positivo para formar un carbocatión intermediario. Sin embargo, los electrones p muy sueltos del alqueno lo hacen más reactivo, por lo que se transfiere halógeno positivo directamente de la molécula X₂, con pérdida de CI ^-. La molécula de benceno menos reactiva necesita la ayuda de un a´cido de Lewis, y la reacción procede con la pérdida del mejor grupo saliente, el FeCI₄^-. Sin embargo, los compuestos aromáticos más reactivos, es decir, aquellos con electrones n más disponibles, reaccionan con halógenos en ausencia de ácidos de Lewis.

10.- Desulfonación. Mecanismo de la protonación

Cuando se calienta un ácido sulfónico aromático con ácido acuoso hasta 100-175º, se convierte en ácido sulfúrico y un hidrocarburo aromático. Esta desulfonación es la inversión exacta del proceso de sulfonación por el que se obtuvo el ácido sulfónico original.

Aplicando los principios usuales de los usuales de los equilibrios, podemos elegir condiciones que lleven la reacción en la dirección que nos convenga. Para sulfonar, empleamos un gran exceso de ácido sulfúrico concentrado o fumante: la alta concentración del agente sulfonante y una baja concentración de agua ( o su eliminación por reacción con SO₃) desplaza el equilibrio hacia la formación del ácido sulfónico. Para desulfonar, usamos ácido diluido y a menudo pasamos vapor sobrecalentado por la mezcla reaccionante: la elevada concentración de agua y la eliminación del relativamente volátil hidrocarburo por destilación con vapor, desplaza el equilibrio hacia el hidrocarburo.

De acuerdo con el principio de reversibilidad microscópica, el mecanismo de desulfonación debe corresponder exactamemnte a la inversión del de sulfonación. Esta reacción es otro ejemplo de sustitución electrofílica aromática: el electrófilo es el protón, H⁺, y la reacción es una protonación o, más específicamente, una protodesulfonación.

La sulfonación es excepcional entre las reacciones de sustitución electrofílica aromática. También lo es en otro aspecto: en la sulfonación, el hidrógeno ordinario (protio) es desplazado de un anillo aromático unas dos veces más rápidamente que el deuterio. Ambas propiedades están relacionadas y dan, como apreciaremos en la sección 14, una descripción más detallada de la sulfonación y de la sustitución electrofílica aromática en general.

11.- Mecanismo de la sustitución

Electrofílica aromática: resumen

Cualquiera que sea el reactivo específico involucrado, parece que las reacciones de sustitución electrofílica aromática proceden por un solo mecanismo. Para el reactivo YZ esto puede resumirse como sigue:

El mecanismo comprende dos pasos esenciales: (1) el ataque de un reactivo electrofílico al

Anillo, para formar un carbocatión,

Y (2) extracción de un protón al carbocatión por alguna base. En cada caso hay una reacción ácido-base preliminar que genera la partícula atacante. Sin embargo, la verdadera sustitución está contenida en estos dos pasos.

La mayor parte del apoyo a este mecanismo proviene de pruebas sobre la naturaleza de la partícula ataque en cada una de estas reacciones; es decir, evidencia del carácter electrofílico de la sustitución. A su vez, estas pruebas provienen en gran medida de estudios cinéticos, complementados con otras observaciones parecidas a las de carbocationes en algunas alquilaciones de Friedel-Crafts . La naturaleza electrófila de estas reacciones se ve apoyada ampliamente por el hecho de que otros procesos que muestran las mismas características de reactividad y orientación también se ajustan al mismo esuqema del mecanismo.

Veamos ahora pruebas de otro tipo: la evidencia de efectos isotópicos.

12.- Mecanismo de la sustitución

Electrofílica aromática: dos etapas

Hasta ahora sólo hemos hablado de pruebas que indican que estas reacciones son electrofílicas, y revelan cuáles son los electrófilos más probables. Sin embargo, lo anterior representa sólo parte del mecanismo. Aceptando que la sustitución es electrofíla, ¿cómo sabemos que la sustitución electrofílica aromática implica dos etapas,

¿Cómo sabemos que, de estas dos etapas, la primera es mucho más lenta que la segunda?

La respuesta se encuentra en una serie de estudios iniciados por Lars Melander (Universidad de Götenburgo) y ampliados por muchos otros investigadores. Se sometieon a nitración, bromación y alquilación de Friedel-Crafts varios compuestos aromáticos marcados con deuterio o tritio, y se encontró que en todas estas reacciones el deuterio o el tritio es reemplazado a la misma velocidad que el protio: no hay efecto isotópico significativo.

Hemos visto que un enlace carbono-deuterio se rompe más lentamente que un carbono-protio, y un enlace carbono-protio, y un enlace carbono-tritio, aún más lentamente. Tales efectos isotópicos primarios son considerables: KH/KD puede valer de 5 a 8, y KH/KT, alrededor del doble. Luego, ¿cómo interpretamos el hecho de que no hay efecto isotópico en estos casos? Si la velocidad del reemplazo de los diversos isótopos del hidrógeno es la misma, sólo puede significar que las reacciones cuya velocidad estamos comparando no implican la ruptura de un enlace carbono-hidrógeno.

Esta interpretación concuerda con nuestro mecanismo. La velocidad de la sustitución completa está determinada por la unión lenta del reactivo electrofílico al anillo aromático para formar el carbocatión, que, una vez generado, pierde rápidamente un ión hidrógeno protón o deuterón para dar el producto. Por consiguiente, la etapa (1) es la que determina la velocidad. Puesto que no implica la ruptura de un enlace carbono-hidrógeno, su velocidad y, en consecuencia, la de todo el proceso es independiente del isótopo específico de hidrógeno presente.

Si la sustitución consistiera en una sola etapa, como en (1ª), ésta necesariamente determinaría la velocidad y, puesto que comprende la ruptura de un enlace carbono-hidrógeno, se observaría un efecto isotópico. O bien, si la etapa (2) de la serie de dos pasos fuera suficientemente lenta con respecto a la (1) en afectar a la velocidad global, también observaríamos un efecto isótopico. La sulfonación muestra, de hecho, un pequeño efecto isótopico y, como se verá más adelante, precisamente por esta razón. Sin embargo, incluso en la sulfonación, el control de la velocidad total lo ejerce la etapa (1).

Por tanto, la ausencia de efectos isótopicos establece no sólo las dos etapas de la sustitución electrofílica aromática, sino también la velocidad relativa de cada una. La unión del electrófilo a un átomo de carbono del anillo es el pasos difícil (véase Fig. 14.2), pero sería igualmente difícil si el carbono llevara protio o deuterio. El paso siguiente, la pérdida de un ión hidrógeno, es fácil. Aunque más lenta para el deuterio que para el protio, en realidad no implica diferencia: ligeramente más lenta para el deuterio que para el protio, en relaidad no implica diferencia: ligeramente más rápida o más lenta, su velocidad no afecta a la del proceso completo.

Consideremos este punto más en detalle (Fig.14.2, detalle). Cada carbocatión formado, I(H) o I(D), continúa a producto, puesto que la barrera energética hacia la derecha (por delante de carbocatión)-ligeramente más alta para el deuterio o

ligeramente más baja para el protio es considerablemente inferior que hacia la izquierda (detrás del carbocatión); pero esta última es Eact para la etapa (1) invertida. La reacción inversa debe ser mucho más lenta que la etapa (2), si la (1) verdaderamente ha de ser la que determine la velocidad . Resumiendo en función de las constantes de velocidad, K, para las diversas etapas, tenemos:

Podemos apreciar por qué la nitración y reacciones similares no son reversibles. En la inversa de la nitración, el nitrobenceno (la reacción 2 invertida) se protona para formar el carbocatión I; por supuesto, éste es el mismo que el ión I generado en la nitración, y hace lo mismo: (re) genera nitrobenceno.

A diferencia de la mayoría de las otras reacciones de sustitución, la sulfonación presenta un efecto isotópico moderado: el hidrógeno ordinario (protio) es desplazado de un anillo aromático casi el doble de rápido que el deuterio.¿Significa esto que la sulfonación procede por un mecanismo diferente que la nitración, uno que conste de una sola etapa? Es casi indudable que no.

La sulfonación se distingue de la mayoría de las reacciones de sustitución electrofílica por ser reversible. Esto nos da la pista. La reversibilidad significa que el carbocatión II puede perder SO3 para fromar el hidrocarburo. Evidentemente, en este caso la reacción (2) no es mucho más rápida que la reacción invertida (1). En la sulfonación, las barreras energéticas a ambos lados del carbocatión II deben ser aproximadamente de la misma altura: algunos iones siguen en una dirección y otros en la contraria (Fig. 14.3). Ahora bien, tanto si el carbocatión es II(D) como si es II(H), la barrera izquierda (detrás de él) es de la misma altura. Pero para subir la barrera derecha (por delante) debe romperse un enlace carbono-hidrógeno, por lo que esta barrera es más elevada para el carbocatión II(D) que para el II(H). Vuelve más iones deuterados que ordinarios al material inicial, de modo que la sulfonación total es más lenta para el benceno deuterado. Por tanto, la forma particular de la curva de energía potencial que permite la reversibilidad de la sulfonación, también admite observar un efecto isotópico.

Utilizando sustratos aromáticos seleccionados especialmente los muy impedidos pueden detectarse efectos isotópicos en otros tipos de sustitución aromática, incluso en la nitración. En ciertas reacciones pueden variarse deliberadamente el tamaño del isótopo por medio de cambios en las condiciones experimentales, de forma que aparece una dependencia de la velocidad relativa de (2) y la inversa de (1). No hay duda de que todas estas reacciones siguen el mismo mecanismo de dos etapas, pero con diferencia en als formas de las curvas de energía potencial. Con los efectos isotópicos, el químico dispone de una sonda muy delicada para el estudio de los mecanismos de reacciones orgánicas.

13.-Reactividad y orientación

Hemos visto que ciertos grupos activan el anillo bencénico y dirigen la sustitución a las posiciones orto y para, mientras otros lo desactivan y dirigen la sustitución a posiciones meta (excepto los halógenos). Veamos si pueden justificarse estos efectos de acuerdo con los principios recién aprendidos.

En primer lugar, debemos recordar que reactividad y orientación son una cuestión de la velocidad relativa de reacción. Se dice que el metilo activa el anillo porque lo hace reaccionar más rápidamente que el benceno; orienta a orto y para porque hace que esas posiciones reaccionen más rápidamente que las meta.

Sabemos que la velocidad de la sustitución electrofílica aromática queda determinada por la misma etapa lenta, cualquiera que sea el reactivo implicado; el ataque del electrófilo sobre el anillo para generar un carbocatión:

Por tanto, toda diferencia en la velocidad de la sustitución se debe a diferencias en la velocidad de esta etapa.

Para reacciones muy relacionadas, una diferencia en la velocidad de formación de carbocationes está determinada en gran medida por una diferencia en E_act es decir, por una diferencia en la estabilidad de los estados de transición. Como en otras reacciones de carbocationes estudiadas, los factores que estabilizan al ión por dispersión de la carga positiva deben estabilizar, por la misma razón, al carbocatión incipiente del estado de transición. Aquí también cabe esperar que el carbocatión más estable se forme con mayor velocidad. Por tanto, nos encontraremos en las estabilidades relativas de los carbocationes.

En la sustitución electrofílica aromática, el carbocatión intermediario es un híbrido de estructuras I, II y III, donde la carga positiva se distribuye alrededor del anillo, siendo más fuerte en las posiciones orto y apra con respecto al átomo de carbono atacado.

Un grupo ya unido al anillo bencénico debe afectar a la estabilidad del carbocatión, dispersando o intensificando la carga positiva, según su naturaleza sea de atracción o liberación de electrones. Por la estructura del ión (I-III), resulta evidente que el efecto estabilizador o desestabilizador debe ser especialmente importante cuando dicho grupo tenga una unión orto o para con el átomo de carbono atacado.

14.- Teoría de la reactividad

Para comparar la velocidad de sustitución en el benceno, tolueno y nitrobenceno, confrontamos las estructuras de los carbocationes que genera cada uno de los tres compuestos:

El grupo metilo (II) tiende a neutralizar la carga positiva liberando electrones y haciéndose, por tanto, más positivo a sí mismo. Esta dispersión de la carga estabiliza el carbocatión. El efecto inductivo estabiliza de la misma forma la carga positiva que se desarrolla en el estado de transición y la reacción se acelera.

En cambio, el grupo –NO₂ejerce un efecto inductivo de atracción de electrones (III): esto tiende a intensificar la carga positiva, desestabiliza el carbocatión y hace que la reacción sea más lenta.

Así pues, la reactividad en la sustitución electrofílica aromática depende de la tendencia de un grupo sustituyente a la liberación o atracción de electrones. Un grupo que libera electrones activa el anillo, y uno que los atrae, lo desactiva.

Otros grupos alquilo liberan electrones, igual que el –CH₃ y, como éste, activan el anillo. Por ejemplo, el t-butilbenceno es 16 veces más reactivo que el benceno en la nitración. La liberación de electrones por NH₂ y OH, y por sus derivados OCH₃ y NHCOCH₃, no se debe a su efecto inductivo, sino a la resonancia. Esto se estudiará más adelante (Sec.18).

Nos hemos familiarizado ya con el efecto de atracción electrónica de los halógenos. La carga positiva completa del grupo N(CH₃)₃⁺ tiene, por supuesto, un fuerte poder de atracción electrónica. En los otros grupos desactivantes (como NO₂, - CN, - COOH), el átomo adyacente al anillo está unido a oxígeno o nitrógeno por medio de un enlace múltiple. Estos átomos electronegativos atraen los electrones n móviles, dejando electrónicamente deficiente al átomo adyacente al anillo. Para compensar esta deficiencia, dicho átomo extrae electrones del anillo.

Sería de esperar que el reemplazo de hidrógeno en el -CH3, por halógeno, redujera la tendencia a liberar electrones del grupo, convirtiéndolo quizá en otro que los libere, y efectivamente ése es el caso. En la nitración, el tolueno es 25 veces más reactivo que el benceno; el cloruro de bencilo tiene un tercio de la reactiviedad del benceno, por lo que el grupo –CH2CI es desactivante débil. Un reemplazo adicional de hidrógeno por halógeno para dar los grupos -CHCI2 y –CCI3, resulta en una desactivación más fuerte.

14ª.- Teoría de la orientación

Antes de justificar la orientación en la sustitución electrofílica, examinemos los hechos.

Un grupo activante activa todas las posiciones del anillo bencénico: incluso las meta son más reactivas que cualquier otra posición individual del propio benceno. Dirige a orto y para porque las activas más que a la meta.

Un grupo desactivante desactiva todas las posiciones del anillo, incluso las meta. Dirige meta simplemente, porque desactiva las posiciones orto y para más que a las meta.

Así, tanto la orientación orto-para como la meta surgen de la misma forma: el efecto de cualquier grupo sea activante o desactivante es más intenso en las posiciones orto y para.

Para apreciar si esto es lo esperado, comparemos, por ejemplo, los carbocationes generados por el ataque en las posiciones para y meta del tolueno, un compuesto con un grupo activante. Cada uno de ellos es un híbrido de tres estructuras: I-III para para, IV-VI para meta. En una de estas seis estructuras, la II, la carga positiva se encuentra ubicada en el carbono que tiene el –CH₃. Aunque este libera electrones para todas las posiciones del anillo, lo hace más intensamente hacia el carbono más cercano. Por consiguiente, la estructura II es una particularmente estable. Debido a la contribución de esta estructura II, el carbocatión híbrido que resulta del ataque a la posición para es más estable que el resultante del ataque a la posición meta. Por tanto, la sustitución es más rápida en para que en meta.

De igual forma, puede apreciarse que el ataque a una posición orto (VII a IX) también genera un carbocatión más estable, por la contribución de IX, que el ataque en meta.

Consecuentemente, en el tolueno, la sustitución orto-para es más rápida que la meta, porque la liberación de electrones por -¨CH₃ es más efectiva durante el ataque a las posiciones orto y para con respecto a él.

Comparemos, a continuación, los carbocationes formados por el ataque a las posiciones para y meta del nitrobenceno, un compuesto con un grupo desactivante. Cada uno de ellos es un híbrido de tres estructuras, X a XII para el ataque para, y XIII a XV para el meta. En una de las seis estructuras, la XI, la carga positiva está ubicada en el átomo de carbono que porta el grupo -NO₂. Aunque NO₂ atrae electrones desde todas las posiciones, lo hace más intensamente desde el carbono más cercano, por lo que éste, ya positivo, demuestra poca

Tendencia a acomodar la carga positiva del carbocatión. Por tanto, la estructura XI es particularmente inestable y no contribuye a estabilizar el ión que resulta del ataque en la posición para. Se extiende que para el ataque en la posición para, el ión es un híbrido de sólo dos estructuras, X y XII; la carga positiva se restringe principalmente a sólo dos átomos de carbono. Es menos estable que el ión que resulta del ataque en la posición meta, que es un híbrido de tres estructuras, con la carga positiva acomodada por tres átomos de carbono. En consecuencia, la sustitución para ocurre más lentamente que la meta.

Igualmente, puede apreciarse que el ataque en la posición orto (XVI a XVIII) genera un carbocatión menos estable, debido a la inestabilidad de XVIII, que un ataque en una posición meta.

Por tanto, en el nitrobenceno la sustitución orto, para es más lenta que la meta, porque la atracción electrónica del NO₂ es más efectiva durante el ataque en las posiciones orto y para con respecto a él.

Vemos así que tanto al orientación orto, para por grupos activantes, como la meta por grupos desactivantes, son consecuencias lógica de la estructura del carbocatión intermediario, cuya carga es máxima en las posiciones orto y para con respecto al punto de ataque Un grupo unido a esas posiciones puede ejercer allí su efecto más intenso, tanto activado como desactivado.

El comportamiento anormal de los halógenos que dirigen orto y para, a pesar de ser desactivante, resulta de una combinación de dos factores que se oponen. Esto será estudiado en la sección 19.

15.- Liberación de electrones por resonancia

En la sustitución electrofílica aromática, según vimos, un grupo sustituyente afecta a la reactividad y la orientación por su tendencia a traer o liberar electrones. De momento, sólo hemos considerado esta tendencia en función de efectos inductivos; es decir, como efectos debidos a la electronegatividad del grupo implicado.

Sin embargo, ciertos (-NH₂ y –OH, y sus derivados) actúan como activantes poderosos en la sustitución electrofílica aromática, a pesar de contener átomos electronegativos, para los cuales puede comprobarse que, en otras situaciones, ejercen efectos inductivos de atracción de electrones. Si nuestro enfoque del problema es correcto, estos grupos deben donar electrones por otro medio que no sean sus efectos inductivos. Se cree que lo hacen por un efecto de resonancia. Pero antes de analizar esto último, revisemos un poco lo estudiado sobre el nitrógeno y el oxígeno.

A pesar de ser electronegativo, el nitrógeno del grupo NH₂ es básico y tiende a compartir su último par de electrones para adquirir una carga positiva. Al igual que el amoniaco acepta un protón para formar el ión amonio (NH₄+), los compuestos orgánicos relacionados con el amoniaco aceptan protones para iones amonio sustituidos.

El grupo –OH presenta un basicidad similar, aunque más débil. Ya nos hemos familiarizado con los iones oxonio, ROH₂⁺.

Los efectos del NH₂ y _OH en la sustitución electrofílica aromática pueden explicarse si suponemos que el nitrógeno y el oxígeno comparten más de un par de electrones con el anillo y pueden acomodar una carga positiva.

El carbocatión generado por el ataque para con respecto al grupo NH₂ de la anilina se considera, por ejemplo, un híbrido no sólo de estructuras I, II y III, con cargas positivas acomodadas sobre carbonos anulares, sino también de estructura IV, donde la carga positiva la tiene el ntrógeno. La estructura IV es particularmente estable, porque en ella todos los átomos (excepto el hidrógeno, por supuesto) tienen octetos electrónicos completos. Este carbocatión es mucho más estable que el obtenido por ataque al benceno, o el que resulta por ataque meta al grupo NH₂ de la anillina (V a Vii). En ninguno de estos casos es posible una estructura como IV. (Compárense las estabilidades de los iones NH₄⁺ y CH₃⁺, por ejemplo. Aquí no se trata de cuál átomo, nitrógeno o carbono, puede acomodar mejor una carga positiva; es cuestión de identificar el átomo que tiene un octeto electrónico completo.)

El examen de las estructuras correspondientes (VIII a XI) indica que el ataque orto es muy similar al para:

Así, la sustitución en anilina es mucho más rápida que la sustitución en benceno, y se realiza predominantemente en las posiciones orto y para al –NH₂.

Del mismo modo se explica la activación y orientación orto, para del grupo –OH, que se deben a la contribución de estructuras como XII y XIII, donde todo átomo tiene un octeto electrónico completo:

Los efectos similares de los derivados del NH₂ y OH se justifican por la contribución de estructuras semejantes (ilustradas sólo para el ataque para):

En grupos como éstos, la tendencia del oxígeno y el nitrógeno a compartir más de un par de electrones con un anillo aromático se comprueba en muchas a otras circunstancias

Gran parte de lo expuesto recientemente nos debería parecer familiar. Habíamos visto vimos que el orbital p lleno de un átomo de oxígeno puede solapar al orbital p vacío de un carbono adyacente deficientemente en electrones, proporcionándole así los electrones que necesita. Aquí se implica básicamente lo mismo, excepto que por medio del solapamiento con el sistema n conjugado del anillo de bencenonio un elemento como el oxígeno puede proporcionar electrones a carbonos electrónicamente deficientes más remotos.

16.- Efecto del halógeno en la sustitución electrofílica aromática

Los halógenos son excepcionales en cuanto a su efecto en la sustitución electrofílica aromática: son desactivantes, sin embargo dirigen orto y para. La desactivación es característica de la atracción electrónica, mientras la orientación orto-para es característica de la liberación de electrones. ¿Puede el halógeno liberar y atraer electrones?

La respuesta es afirmativa. El halógeno atrae electrones por su efecto inductivo, y los libera por su efecto de resonancia. Cabe suponer que los grupos NH2 y OH también pueden actuar así, pero en este caso el efecto de resonancia, mucho más equilibrados y se observa que operan ambos

Consideremos primero la reactividad. El ataque electrofílico al benceno genera el carbocatión I, y el ataque al clororbenceno, el ión II. El efecto inductivo de atracción de electrones que ejerce el cloro intensifica la carga positiva en el carbocatión II, hace al ión menos estable y provoca una reacción más lenta.

Ahora, para comprender la orientación, comparemos las estructuras de los carbocationes formados por el ataque en las posiciones para y meta del clorobenceno. Cada uno de ellos es un híbrido de estas estructuras, III a V para para, VI a VIII para meta. En una de estas seis estructuras, la IV, la carga positiva se halla ubicada en el carbono unido al cloro. Por medio de su efecto inductivo, el cloro atrae más intensamente los electrones del carbono unido a él, haciendo especialmente inestable la estructura IV. Como antes, esperamos que IV contribuya poco al híbrido, que debería ser, por tanto, menos estable que el ión híbrido que resulta del ataque en las posiciones meta. Por consiguiente, si sólo estuviera involucrado el efecto inductivo, esperaríamos desactivación, además de orientación meta.

Sin embargo, la existencia de iones halogenonio indica que un halógeno puede compartir más de un par de electrones y acomodar una carga positiva. Si aplicamos esta idea al problema en consideración, ¿qué encontramos? El ión generado por el ataque en para no sólo es un híbrido de estructuras III a V, sino también de estructura IX, donde el cloro tiene una carga positivas y está unido al anillo por medio de un doble enlace. Esta estructura debe ser relativamente estable, porque uno de sus átomos (salvo el hidrógeno, por supuesto)

Tiene un octeto electrónico completo. (la estructura IX es exactamente análoga a las que se propusieron para justificar la activación y orientación orto, para originada por NH2 y –OH.) Dicha estructura no es posible para el ión que resulta del ataque meta. La estructura IX estabiliza el ión que resulta del ataque para en la medida en que contribuye al híbrido, haciéndolo más estable que el generado en el ataque meta. Aunque no podríamos haber pronosticado la importancia relativa de los dos factores la inestabilidad de IV y la estabilización por IX, el resultado indica que la contribución de IX es la más importante.

De la misma manera, puede observarse que el ataque en una posición orto también da un ión (X a XIII) estabilizado por el acomodo de la carga positiva en el cloro.

Por su efecto inductivo, el halógeno tiende a atraer electrones, desestabilizando así el carbocatión intermediario. Este efecto se hace sentir para el ataque en todas las posiciones, pero es más marcado para el ataque en las posiciones orto y para al halógeno.

Por su efecto de resonancia, el halógeno tiende a liberar electrones, con lo que estabiliza el carbocatión intermediario. Esta liberación sólo es efectiva para el ataque en las posiciones orto y para el halógeno.

El efecto inductivo es más fuerte que el de resonancia y produce atracción neta de electrones y, por tanto, desctivación para el ataque en todas las posiciones. El efecto de resonancia tiende a oponerse al inductivo para el ataque en las posiciones orto y para, por lo que aminora más la desactivación en éstas que en meta.

De esta forma, la reactividad está controlada por el efecto inductivo más fuerte, y la orientación, por el de resonancia, que, aunque más débil, es más selectivo.

En la adición electrofílica a halogenuros vinílicos observamos que el halógeno desempeña el mismo papel dual como sustituyente en la formación de un carbocatión. También allí la reactividad está por el efecto inductivo, y la orientación, por el de resonancia.

Hemos establecido así que un solo concepto estructural la formación de un doble enlace aprcial entre halógeno y carbono contribuye a justificar las propiedades químicas poco comunes de compuestos aparentemente tan diferentes como los halogenuros de arilo y los de vinilo. Las estructuras que comprenden halógeno con doble enlace, que probablemente tienen una contribución importante, no sólo par alos iones bencenonio, sino también para los halogenuros de arilo originales (Sec. 29.6), ciretamente no parecen concordar con nuestro concepto usual de racionalida (Sec. 10.10). Sin emabrgo, la evidencia nos obliga, por su propio peso, a aceptar la idea de que ciertos enlaces carbono-halógeno poseen carácter de dobles. Si esta idea nos parece extraña, simplemente demuestra que, después de todo, sabemos muy poco sobre la estructura molecular.

14.4 Relación con otras reacciones de carbocationes

En resumen, podemos decir que la reactividad y la orientación en la sustitución electrofílica aromática están determinadas por la velocidad de la formación de lso carbocationes intermediarios. Estas velocidades son paralelas a las estabilidades de dichos iones, que están determinadas por las tendencias a la liberación o atracción electrónica de los grupos sustituyentes.

Un grupo puede liberar o atraer electrones por medio de un efecto inductivo, uno de resonancia o por ambos. Estos efectos sólo se oponen entre sí para los grupos NH₂ y OH ( y sus derivados) y para los halógenos, -X. El efecto de resonancia es el más importante para NH₂ y OH. Para X están más equilibrados: lso halógenos son excepcionales por ser grupos desactivantes, pero son directores orto, para.

Hemos justificado hechos en la sustitución electrofílica aromática de la misma forma que la reactividad en la sustitución SN1 y la eliminación E1; la facilidad relativa en la deshidratación de alcoholes, y la reactividad y orientación en la adición electrofílica a alquenos: cuanto más estable es el carbocatión, mayor es la velocidad de su formación; cuanto más rápido se forma el carbocatión, mayor es la velocidad de la reacción.

En todo este proceso consideramos la estabilidad de un carbocatión sobre una misma base: la dispersión o concentración de carga debida a la liberación o atracción de electrones por parte de los sustituyentes. Veremos cómo el enfoque que operó bien para la eliminación, adición y sustitución electrofílica aromática, también funciona para la sustitución nucleofílica aromática, en la que se desarrolla una carga negativa. Finalmente, observaremos que este tratamiento ayudará a comprender la acidez o basicidad de compuestos como los ácidos carboxílicos, ácidos sulfónicos, aminas y fenoles.