24.33 Dê as estruturas dos produtos orgânicos majoritários que você esperaria da reação de m-toluidina ( m-metilanilina) com os seguintes reagentes:
(a) \mathrm{Br}_{2}(1 \mathrm{~mol})
(b) \mathrm{CH}_{3} \mathrm{I} (excesso)
(c) \mathrm{CH}_{3} \mathrm{COCl} em piridina
(d) O produto de (c), em seguida \mathrm{HSO}_{3} \mathrm{Cl}
Passo 1
O enunciado pede: a partir de m-toluidina (ou seja, m-metilanilina — anel benzênico com \mathrm{NH}_2 em \,1 e \mathrm{CH}_3 em \,3), indicar as estruturas dos produtos orgânicos majoritários nas quatro transformações seguintes:
(a) \mathrm{Br}_2 (1 mol)
(b) \mathrm{CH}_3\mathrm{I} (excesso)
(c) \mathrm{CH}_3\mathrm{COCl} em piridina
(d) o produto de (c) seguido de \mathrm{HSO}_3\mathrm{Cl}
Informações relevantes dadas (extraídas do enunciado):
Reagente inicial: m-toluidina = anilina com um grupo metil em posição meta em relação ao \mathrm{NH}_2. Vou numerar o anel de forma que \mathrm{NH}_2 está na posição 1 e o \mathrm{CH}_3 está na posição 3.
Em cada item pede o produto orgânico majoritário (o mais provável sob as condições dadas).
Passo 2
Breve revisão didática (o que preciso saber para resolver):
Eletrófilos atacam anéis aromáticos por substituição eletrofílica aromática (SEA). Grupos que doam elétrons aumentam a densidade eletrônica em posições orto e para ao grupo doador; grupos que retiram elétrons tendem a desativar o anel e dirigir meta.
O grupo \mathrm{NH}_2 (anilina) é um forte ativador e diretora orto/para porque o par eletrônico do nitrogénio pode ser doado ao anel por ressonância, aumentando a densidade em posições 2 (orto) e 4 (para). O grupo \mathrm{CH}_3 é um ativador fraco por hiperconjugação e também direciona orto/para (mas é fraco em comparação com \mathrm{NH}_2).
Quando dois diretores favorecem a mesma posição, essa posição é especialmente reativa. Se favorecem posições diferentes, há competição e efeitos estéricos.
Reações sobre a função amino:
Alquilação com haletos de alquila (ex.: \mathrm{CH}_3\mathrm{I}) pode ocorrer no nitrogénio: \mathrm{RNH}_2 \xrightarrow{\mathrm{CH}_3\mathrm{I}} \mathrm{RNHCH}_3 \to \mathrm{RN(CH}_3)_2 \to eventualmente sal de amónio quaternário se houver excesso de Hal.
Acilação (ex.: \mathrm{CH}_3\mathrm{COCl} em piridina) converte \mathrm{NH}_2 em amida \mathrm{NHCOCH}_3 (protege o N e reduz a sua capacidade de doar elétrons para o anel; a anilida resultante é menos ativadora que \mathrm{NH}_2, mas frequentemente ainda dirige orto/para).
Sulfonação com \mathrm{HSO}_3\mathrm{Cl} (ou \mathrm{ClSO}_3\mathrm{H}) insere um grupo \mathrm{SO}_2\mathrm{Cl} (grupo clorossulfonila) no anel, por mecanismo de SEA. A posição preferida será aquela mais ativada/menos estérica segundo os diretores presentes no anel no momento da sulfonação.
Passo 3
O que acontece: bromação eletrofílica do anel. O grupo \mathrm{NH}_2 é fortemente ativador e orto/para diretor; o \mathrm{CH}_3 (posição 3) também favorece orto/para (mas fraco). Como ambos favorecem as posições 2 e 4 em relação ao \mathrm{NH}_2, essas posições são as mais reativas. Entre 2 (orto ao \mathrm{NH}_2 e orto ao \mathrm{CH}_3) e 4 (para ao \mathrm{NH}_2 e orto ao \mathrm{CH}_3), a posição para (4) costuma ser favorecida como produto principal por ser menos estérica e porque a ressonância do complexo sigma é melhor estabilizada (o \mathrm{NH}_2 estabiliza fortemente a formação do complexo sigma que leva ao produto para). Observação prática: anilinas não protegidas frequentemente dão polibromação (muito reativas), mas o enunciado especifica 1 mol de \mathrm{Br}_2, então consideramos a monobromação como principal evento.
Portanto o produto majoritário é o derivado bromado na posição 4 em relação ao \mathrm{NH}_2: isto é, 4-bromo-3-metilanilina, ou em nome sistemático: 4-bromo-3-methylaniline (mas mantendo o português: 4-bromo-3-metilanilina). (Pode haver quantidade menor de 2-bromo-3-metilanilina como minoritário.)
Passo 4
O que acontece: alquilação do nitrogénio. Mecanismo simplificado: o nitrogénio nucleofílico ataca o grupo metil do iodeto por substituição nucleofílica (SN2), formando primeiro N‑metil derivado (\mathrm{RNHCH}_3), depois com mais \mathrm{CH}_3\mathrm{I} forma a amina terciária \mathrm{RN(CH}_3)_2 e, com excesso contínuo, o nitrogénio pode ser totalmente alquilado formando o sal de amónio quaternário \mathrm{RNH}^{+}(\mathrm{CH}_3)_3 \mathrm{I}^-. Como o enunciado dá “excesso” de \mathrm{CH}_3\mathrm{I}, o produto majoritário esperado (sob condições suficientes) é o sal de amónio quaternário.
Produto esperado: o nitrogénio ligado a três grupos metil, com carga positiva, e iodeto como contra-íon. Em nome: N,N,N‑trimetil‑3‑metilanilínio iodeto; ou de forma mais clara: sal de iodeto de N,N,N‑trimetil‑m-toluidínio. Em notação: a cadeia aromática permanece com \mathrm{CH}_3 em posição 3 e o nitrogénio é \mathrm{N}^+(\mathrm{CH}_3)_3 com I^-.
Observações didáticas rápidas:
Se as condições forem moderadas pode parar em \mathrm{N,N}-dimetil anilina (amine terciária) como produto majoritário; porém com “excesso” de \mathrm{CH}_3\mathrm{I} e tempo suficiente costuma ocorrer quarternização até ao sal de amónio quaternário.
Passo 5
O que acontece: acilação do nitrogénio (reação de Schotten–Baumann). A piridina age como base para capturar o HCl formado; o anilino é convertido em amida (anilida): \mathrm{NHCOCH}_3. Isso “protege” o nitrogénio e reduz a sua forte capacidade de doar elétrons ao anel — a anilida resultante é muito menos ativadora que a \mathrm{NH}_2 livre, embora ainda tenda a dirigir orto/para em reações subsequentes (mas com menor ativação).
Produto esperado: N‑acetil‑3‑metilanilina, que é o mesmo que N‑acetil‑m-toluidina; em termos estruturais: anel benzênico com \mathrm{NHCOCH}_3 em 1 e \mathrm{CH}_3 em 3.
Passo 6
Situação inicial: o anel agora tem 1-\mathrm{NHCOCH}_3 (anilida) e 3-\mathrm{CH}_3. Para a sulfonação com \mathrm{HSO}_3\mathrm{Cl} (reagente eletrofílico que introduz o grupo \mathrm{SO}_2\mathrm{Cl} — clorossulfonila), o direcionamento é controlado pelos substituintes atuais. A anilida (\mathrm{NHCOCH}_3) ainda dirige preferencialmente para orto/para (apesar de ser menos ativadora que \mathrm{NH}_2), e o \mathrm{CH}_3 também favorece orto/para. As posições que ambos favorecem são, outra vez, 2 e 4 (em relação ao nitrogénio em 1). Entre 2 e 4, a posição para (4) é geralmente menos estérica e frequentemente é o sítio majoritário para substituição eletrofílica quando está livre. Assim, a sulfonação deve introduzir \mathrm{SO}_2\mathrm{Cl} (grupo clorossulfonila) na posição 4 relativa ao grupo amida.
Produto esperado: N‑acetil‑3‑metil‑4‑(clorossulfonil)anilina — melhor escrito como N‑acetil‑4‑(clorossulfonil)‑3‑metilanilina. Em notação funcional: anel com \mathrm{NHCOCH}_3 em 1, \mathrm{CH}_3 em 3, e \mathrm{SO}_2\mathrm{Cl} em 4.
Observações didáticas:
A acilação prévia (passo (c)) foi útil antes da sulfonação porque a \mathrm{NH}_2 livre é tão reativa que poderia levar a reações laterais indesejadas; a anilida dirige a substituição para posições controladas e é resistente à protonação/desativação sob condições fortemente ácidas do reagente de sulfonação.
O grupo introduzido por \mathrm{HSO}_3\mathrm{Cl} é o grupo clorossulfonila -\mathrm{SO}_2\mathrm{Cl}, que é útil como funcionalidade de saída para transformações posteriores (por ex., substituição por -\mathrm{SO}_3\mathrm{H} ou formação de sulfonamidas).
Resumo prático (para decorar/usar na prova)
Regra rápida: \mathrm{NH}_2 = forte ativador, orto/para; \mathrm{CH}_3 = fraco ativador, orto/para. Em presença de ambos, posições orto/para em comum são preferidas; entre orto e para, o para costuma ser majoritário quando não está muito bloqueado.
Alquilação em excesso → quaternização do N possível.
Acilação converte \mathrm{NH}_2 em \mathrm{NHCOR} (anilida), reduzindo reatividade e permitindo reações subsequentes mais controladas (ex.: sulfonação).
Resposta
(a) 4-bromo-3-metilanilina (majoritário).
(b) Sal de iodeto de N,N,N‑trimetil-m-toluidínio (ou seja, N,N,N‑trimetil‑3‑metilanilínio I^-).
(c) N‑acetil‑3‑metilanilina (N‑acetil‑m-toluidina).
(d) N‑acetil‑4‑(clorossulfonil)‑3‑metilanilina (ou seja, N‑acetil‑3‑metil‑4‑(\mathrm{SO}_2\mathrm{Cl})‑anilina).