Colocar os compostos abaixo em ordem crescente de reatividade para SEAr.
\mathrm{C}_{6} \mathrm{H}_{5} \mathrm{~N}^{+}\left(\mathrm{CH}_{3}\right)_{3}, \mathrm{C}_{6} \mathrm{H}_{5} \mathrm{CH}_{2} \mathrm{~N}^{+}\left(\mathrm{CH}_{3}\right)_{3}, \mathrm{C}_{6} \mathrm{H}_{5} \mathrm{CH}_{2} \mathrm{CH}_{2} \mathrm{~N}^{+}\left(\mathrm{CH}_{3}\right)_{3}

Passo 1

O enunciado pede: colocar em ordem crescente de reatividade para substituição eletrofílica aromática (SEAr) os três compostos fornecidos. As moléculas dadas são:
\mathrm{C_{6}H_{5}N^{+}(CH_{3})_{3}}, \mathrm{C_{6}H_{5}CH_{2}N^{+}(CH_{3})_{3}} e \mathrm{C_{6}H_{5}CH_{2}CH_{2}N^{+}(CH_{3})_{3}}.
Informações relevantes dadas (explicitadas): cada composto é um anel benzênico ligado a um grupo alquil-amônio quaternário (grupo com carga positiva no nitrogênio), com a diferença da distância entre o anel e a carga positiva: diretamente ligado, a um carbono benzílico, e a dois carbonos do anel, respectivamente. A tarefa é comparar a reatividade relativa desses anéis em reações SEAr.

Passo 2

O que determina a reatividade em SEAr (aulas rápidas e claras):
  • SEAr precisa que o anel tenha boa densidade eletrônica para atacar um eletrófilo; quanto mais denso eletronicamente, mais reativo o anel.
  • Substituintes que doam elétrons (grupos ativadores) aumentam a reatividade do anel; substituintes que retiram elétrons (grupos desativadores) diminuem a reatividade.
  • Existem dois mecanismos principais de interação de um substituinte com o anel: efeito indutivo (via sigma, dependente da eletronegatividade e da distância) e efeito por ressonância (conjugação, depende de haver pares de elétrons ou orbitais p que interajam com o anel).
    Vou explicar cada um com calma.

Passo 3

Efeito por ressonância vs efeito indutivo (detalhando o que importa aqui):
  • Efeito por ressonância: um substituinte com par de elétrons disponíveis para doar (por exemplo, \mathrm{OH}, \mathrm{NH_2}) pode estabilizar o complexo sigma do ataque eletrofílico e assim ativar o anel; substituintes com orbitais p que puxam elétrons por ressonância (por exemplo, \mathrm{NO_2}) desativam fortemente. Para que haja ressonância relevante, o átomo do substituinte precisa ter um par de elétrons conjugado com o anel ou uma ligação dupla conjugada.
  • Efeito indutivo: é a retirada ou doação de densidade eletrônica através da cadeia sigma. Um grupo positivamente carregado, como um nitrogênio quaternário ( \mathrm{N^{+}}), puxa elétrons pelo efeito indutivo (-I), reduzindo a densidade eletrônica do anel e desativando-o. Esse efeito diminui com a distância: quanto mais longe a carga do anel, menor o efeito indutivo sobre ele (porque transmissão pelo sigma decai rapidamente com cada ligação adicional).

Passo 4

Aplicando os conceitos aos três compostos:
  • \mathrm{C_{6}H_{5}N^{+}(CH_{3})_{3}}: aqui a carga positiva está diretamente ligada ao anel (o carbono do anel está ligado ao nitrogênio quaternário). Não existe par de elétrons em \mathrm{N^{+}} para doar por ressonância (o nitrogênio já está com carga positiva e sem par livre útil), portanto não há ativação por ressonância; o efeito dominante é fortemente indutivo e retirador de elétrons (-I) diretamente do anel. Isso desativa muito o anel — é o caso mais desativado.
  • \mathrm{C_{6}H_{5}CH_{2}N^{+}(CH_{3})_{3}}: a carga positiva está no nitrogênio que está ligado a um carbono benzílico ( \mathrm{CH_2}) que por sua vez está ligado ao anel. Assim, o efeito indutivo retirador existe, mas está separado do anel por uma ligação sigma extra ( \mathrm{C_{6}H_{5}-CH_2-}), logo o efeito indutivo sobre o anel é menor que no caso anterior. Não há ressonância do \mathrm{N^{+}} com o anel. Logo, este composto desativa o anel, mas menos que o primeiro.
  • \mathrm{C_{6}H_{5}CH_{2}CH_{2}N^{+}(CH_{3})_{3}}: a carga positiva está ainda mais distante (dois carbonos entre o anel e o nitrogênio). O efeito indutivo é atenuado ainda mais pela distância, portanto sua retirada de densidade eletrônica sobre o anel é a menor entre os três. Assim, este anel é o menos desativado (ou seja, o mais reativo em SEAr) dos três.
Resumo qualitativo: a intensidade do efeito indutivo retirador do grupo \mathrm{N^{+}(CH_3)_3} diminui com a distância do anel: diretamente ligado > a um carbono adjacente > a dois carbonos. Portanto reatividade em SEAr aumenta com a distância.

Passo 5

Comparação com exemplos simples para fixar (mini-exercício mental):
  • Compare mentalmente \mathrm{NO_2}-benzene ( \mathrm{C_6H_5NO_2}, fortemente desativado) com tolueno ( \mathrm{C_6H_5CH_3}, ativado). O nitro é desativador por ressonância e indutivo; o \mathrm{CH_3} doa por efeito indutivo/hyperconjugação. No nosso caso, não há efeito doador por ressonância — há só um indutivo fortemente retirador quando a carga positiva está perto. Logo o comportamento de desativação segue a lógica já exposta. Isso reforça a conclusão de que quanto mais perto a carga positiva do anel, menor a reatividade em SEAr.

Passo 6

Conclusão lógica e direta (passo para prova): ordenar do menos reativo (mais desativado) para o mais reativo (menos desativado) seguindo a distância da carga positiva ao anel:
\mathrm{C_{6}H_{5}N^{+}(CH_{3})_{3}} < \mathrm{C_{6}H_{5}CH_{2}N^{+}(CH_{3})_{3}} < \mathrm{C_{6}H_{5}CH_{2}CH_{2}N^{+}(CH_{3})_{3}}.

Resposta

\mathrm{C_{6}H_{5}N^{+}(CH_{3})_{3}} < \mathrm{C_{6}H_{5}CH_{2}N^{+}(CH_{3})_{3}} < \mathrm{C_{6}H_{5}CH_{2}CH_{2}N^{+}(CH_{3})_{3}}

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