Dê a equação da monocloração do tolueno na presença de luz ultravioleta, na qual a substituição ocorre na cadeia lateral (“radical”).
Passo 1
Você pediu a equação da monocloração do tolueno na presença de luz ultravioleta em que a substituição ocorre na cadeia lateral (ou seja, por mecanismo radicalar). Informações relevantes do enunciado: o reagente é o tolueno, há cloro molecular \mathrm{Cl_2} e a fonte de luz ultravioleta promove reação por mecanismo radicalar, levando à substituição de um hidrogênio do grupo metila por um átomo de cloro (monocloração no carbono benílico). A resposta final pedida é a equação química dessa transformação.
Passo 2
Qual é o produto esperado? A monocloração na cadeia lateral do tolueno substitui um hidrogênio do grupo \mathrm{CH_3} por \mathrm{Cl}, produzindo o cloreto benzílico, também chamado de clorometilbenzeno ou benzil cloreto. Em fórmulas:
O produto principal desejado é \mathrm{C_6H_5CH_2Cl}.
Passo 3
Visão geral do mecanismo radicalar (passos importantes que vamos usar): iniciação, propagação e terminação. Vou explicar cada um de forma simples e mostrar as equações.
Iniciação: a luz ultravioleta causa a clivagem homolítica da molécula de cloro, gerando dois radicais cloro. Isso ocorre porque a energia de h\nu rompe a ligação \mathrm{Cl-Cl}.
\mathrm{Cl_2 \xrightarrow{h\nu} 2\,Cl\cdot}
Aqui \mathrm{Cl\cdot} representa um radical cloro com um elétron desemparelhado.
Passo 4
Propagação — primeiro estágio (abstração de H do carbono benílico):
Um radical cloro abstrai um hidrogênio do grupo metila do tolueno, formando ácido clorídrico (\mathrm{HCl}) e o radical benzílico \mathrm{PhCH_2\cdot} (aqui uso \mathrm{Ph} para o anel fenil \mathrm{C_6H_5}):
Por que isso ocorre preferencialmente no carbono lateral? Porque o radical benzílico \mathrm{C_6H_5CH_2\cdot} é estabilizado por ressonância com o anel aromático — o elétron desemparelhado pode ser delocalizado sobre o anel, diminuindo a energia do estado radical e tornando a abstração de H nesse carbono mais fácil do que em carbonos alifáticos simples.
Passo 5
Propagação — segundo estágio (formação do produto e regeneração do radical cloro):
O radical benzílico reage com outra molécula de \mathrm{Cl_2}, formando o produto cloreto benzílico e regenerando um radical cloro:
A combinação desses dois passos de propagação mostra que um radical cloro é regenerado e a reação pode continuar em cadeia. Somando os dois passos de propagação, o resultado líquido é que uma molécula de \mathrm{Cl_2} substitui um H por Cl no tolueno, liberando \mathrm{HCl}.
Passo 6
Escrevendo a equação global (net): juntando os dois passos de propagação obtemos a equação global da monocloração lateral:
(este último dá um dímero, bibenzil, que é subproduto possível). Para favorecer monocloração tipicamente se controla a quantidade de \mathrm{Cl_2} e o tempo de reação; se houver excesso de \mathrm{Cl_2} e tempo longo, ocorre policloração no carbono benílico.