1. Dê a equação da orto-monossulfonação do tolueno.

Passo 1

O enunciado pede: “Dê a equação da orto-monossulfonação do tolueno.”
Informações relevantes fornecidas ou implícitas: tenho o reagente inicial tolueno, quero a reação de monossulfonação (ou seja, só um grupo \mathrm{SO_3H} introduzido) e especificamente o isómero orto (o grupo \mathrm{SO_3H} na posição orto em relação ao grupo metila). Não foi dada a condição experimental, então posso usar os reagentes típicos para sulfonação aromática (ácido sulfúrico concentrado ou \mathrm{SO_3} / oleum) como fonte do eletrófilo.

Passo 2

Conceito básico — o que é “sulfonação aromática” e qual é o eletrófilo?
A sulfonação de um anel aromático é uma substituição eletrofílica aromática: o anel aromático ataca um eletrófilo muito eletrofílico que insere o grupo sulfonila \mathrm{SO_3H}. O eletrófilo normalmente é o trióxido de enxofre \mathrm{SO_3} (presente em “oleum” / ácido sulfúrico fumegante) ou espécies ativadas derivadas dele. Esquematicamente:
\text{anel aromático} + \mathrm{SO_3} \longrightarrow \text{Ar-SO}_3\mathrm{H}á
onde “Ar-SO _3H” é o produto monossulfonado.

Passo 3

Direção eletrônica — por que o tolueno dá orto/para?
O grupo metila \mathrm{CH_3} do tolueno doa densidade eletrônica por efeito indutivo leve e estabiliza intermediários carbocátionicos nos posições orto e para. Isso faz com que o metilo seja um grupo ativador e orto/para-diretor: o anel tende a reagir preferencialmente nas posições orto ou para. Portanto, a formação do isómero orto é perfeitamente plausível e corresponde à substituição do hidrogênio em uma posição orto por \mathrm{SO_3H}.

Passo 4

Mecanismo resumido (passo a passo didático, sem pular etapas):
  1. Geração do eletrófilo: em oleum ou \mathrm{H_2SO_4} + \mathrm{SO_3}, existe \mathrm{SO_3} livre ou espécies protonadas que funcionam como eletrófilo forte, por exemplo \mathrm{SO_3} ou uma espécie do tipo \mathrm{HOSO_2^+}. Escrevemos simplesmente o eletrófilo como \mathrm{SO_3}.
  2. Ataque eletrofílico: o par π do anel aromático do tolueno ataca \mathrm{SO_3} na posição orto, formando um complexo σ (carbocátion intermedio) em que a aromaticidade é temporariamente perdida. Representação simbólica:
\mathrm{C_7H_8} + \mathrm{SO_3} \longrightarrow \text{complexo-}\sigma_{\text{orto}}
  1. Rearranjo/ressonâncias: o complexo σ é estabilizado por ressonância (o carbocátion fica deslocalizado sobre o anel).
  2. Desprotonação e rearomatação: uma base (por exemplo \mathrm{HSO_4^-} no meio) remove o protão da posição atacada, restaurando a aromaticidade e gerando o produto monossulfonado orto, o-toluenosulfonato ou o-toluenesulfonic acid dependendo do estado protonado. Esquematicamente:
\text{complexo-}\sigma_{\text{orto}} \xrightarrow{\text{base}} \mathrm{o\text{-}Ar\text{-}SO_3H} + \mathrm{H^+}

Passo 5

Fórmula molecular e estequiometria do produto monossulfonado orto (explicando contagem de átomos para balancear a equação final):
  • Tolueno tem fórmula \mathrm{C_7H_8}.
  • O grupo sulfonila monoprotonado \mathrm{SO_3H} tem fórmula \mathrm{SO_3H}. Quando se substitui um hidrogênio do anel por \mathrm{SO_3H}, o produto tem fórmula global \mathrm{C_7H_8O_3S} (que pode ser escrito estruturalmente como o-toluenosulfonic acid: orto- \mathrm{CH_3}- \mathrm{C_6H_4}- \mathrm{SO_3H}).
  • Uma forma comum de escrever a reação global de monossulfonação é considerar \mathrm{H_2SO_4} como doadora de \mathrm{SO_3} e contabilizar a água formada. Balanceando átomos (C, H, S, O) obtemos a estequiometria:
    reactante \mathrm{C_7H_8} + \mathrm{H_2SO_4} → produto sulfonado ( \mathrm{o\text{-}C_7H_7SO_3H}) + \mathrm{H_2O}.
    Eu não vou repetir a equação final aqui (conforme pedido), mas essa é a lógica de balanceamento: um \mathrm{H_2SO_4} fornece o grupo \mathrm{SO_3} e uma molécula de água é produzida.

Passo 6

Condições práticas e observações rápidas para a prova (o que escrever se pedirem reagente/condição):
  • Reagentes usuais: ácido sulfúrico concentrado ou \mathrm{SO_3} em ácido sulfúrico (oleum / fuming \mathrm{H_2SO_4}).
  • Produto esperado: mistura orto/para em muitos casos; para “orto-monossulfonação” especifica-se que isolamos o isómero orto, escrito como o-toluenosulfonic acid ( \mathrm{o\text{-}CH_3\!-\!C_6H_4\!-\!SO_3H}).
  • Na resposta da prova, escreva a equação global balanceada indicando tolueno, ácido sulfúrico (ou \mathrm{SO_3} em oleum) e o produto orto + água.

Resposta

\mathrm{C_7H_8} + \mathrm{H_2SO_4} \longrightarrow \mathrm{o\text{-}C_7H_7SO_3H} + \mathrm{H_2O}

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