Forneça as sínteses para cada um dos seguintes compostos, livres de outros isômeros. O material de partida em cada caso deve ser o benzeno.
Passo 1
O enunciado pede: a síntese, a partir de benzeno, do composto cuja SMILES é Clc1cccc(I)c1, livre de outros isômeros. Informações relevantes extraídas do enunciado:
Material de partida: \mathrm{benzeno}.
Produto desejado: o isômero ambivalente com cloro e iodo no anel; a SMILES indica que os substituintes estão em carbonos adjacentes (ou seja, orto). Portanto o produto é \mathrm{1\text{-}chloro\text{-}2\text{-}iodobenzene} (cloroiodobenzeno orto).
Condição adicional: o produto deve ser livre de outros isômeros (ou seja, obter seletividade orto exclusiva).
A partir daqui vamos montar uma rota prática e regioseletiva que obtenha somente o orto-produto.
Passo 2
Primeira etapa: obter clorobenzeno a partir do benzeno por substituição eletrofílica aromática (EAS).
Reação global: \mathrm{benzeno \xrightarrow{Cl_2/FeCl_3} clorobenzeno}.
Aula rápida sobre EAS (o que acontece e por que funciona aqui):
Em halogenação aromática catalisada por \mathrm{FeCl_3}, o catalisador gera o eletrófilo ativo \mathrm{Cl^+} (na prática um complexo \mathrm{Cl\text{-}FeCl_3}).
O anel aromático doa densidade eletrônica para o eletrófilo, formando um complexo intermediário (o complexo de Wheland, um carbocátion parcialmente saturado).
Em seguida, perde-se um próton para regenerar o anel aromático e forma-se o aril-haleto.
Por que esta etapa é compatível com “livre de outros isômeros”? Aqui o produto direto desta etapa é o monosubstituído \mathrm{clorobenzeno}. Não obtém-se mistura de di‑substituídos nesta etapa se controlarmos a estequiometria e as condições (clorobenzeno é menos reativo que benzeno, então dupla cloração é evitável com controle).
Passo 3
Purificação simples: separar \mathrm{clorobenzeno} por destilação (ponto de ebulição diferente do benzeno) ou lavagem e secagem. Isso garante que temos só o monossubstituído como substrato para a etapa seguinte.
Passo 4
Segunda etapa (a chave para seletividade orto): litiar a posição orto relativa ao cloro usando desprotonação dirigida — “directed ortho lithiation” (DoM).
Reagentes e condições práticos: \mathrm{clorobenzeno \xrightarrow{n\text{-}BuLi, \\ TMEDA,\\\ -78^\circ\mathrm{C}} 2\text{-}lithio\text{-}chlorobenzene}.
Explicação didática do conceito (por que isso dá orto exclusivo):
Alguns substituintes (entre eles halogênios) estabilizam temporariamente a formação do organolítio na posição orto por interação coordenativa com o metal (Li) e por efeitos eletrônicos. Isso torna a desprotonação orto muito mais rápida do que nas outras posições.
Usando uma base fortíssima (\mathrm{n\text{-}BuLi} ou melhor \mathrm{s\text{-}BuLi}) a temperaturas muito baixas (-78^\circ\mathrm{C}) e, se desejado, com \mathrm{TMEDA} para complexar o lítio e aumentar a reatividade, realiza-se a retirada do próton na posição orto formando o aril‑lítio em \mathrm{C2} com alta regioseletividade.
Nota sobre concorrências: com haletos mais reativos (iodo, bromo) a reação de troca halogênio–lítio (halogen–metal exchange, que gera o aril‑Li no próprio carbono ipso) pode competir; com cloro essa troca é muito mais lenta, favorecendo a desprotonação orto (o que é exatamente o que queremos). Por isso começamos por cloro (não por bromo/iodo).
Passo 5
Terceira etapa: introduzir o iodo por quench eletrofílico do aril‑lítio com \mathrm{I_2}.
Reação: \mathrm{2\text{-}lithio\text{-}chlorobenzene + I_2 \longrightarrow 1\text{-}chloro\text{-}2\text{-}iodobenzene + LiI}.
Mecanismo simples e didático:
O aril‑lítio é um nucleófilo forte; reage com \mathrm{I_2} transferindo um elétron/núcleo e formando a ligação \mathrm{C\!-\!I}, enquanto o lítio forma \mathrm{LiI}.
Como o aril‑lítio foi formado regioseletivamente na posição orto, a substituição por iodo ocorre somente aí — portanto obtém-se o orto‑di-substituído sem formação de para‑isômero.
Passo 6
Trabalho final e purificação:
Após adicionar \mathrm{I_2}, faz‑se um quench aquoso (ex.: \mathrm{NH_4Cl} aquoso) para decompor resíduos de organometálicos.
Extração orgânica, lavagem, secagem e purificação por destilação fracionada ou cromatografia em coluna fornece \mathrm{1\text{-}chloro\text{-}2\text{-}iodobenzene} praticamente sem outros isômeros.
Por que não aparecem outros isômeros?
A etapa regioseletiva de metalação orto (DoM) é o passo determinante: ela direciona exclusivamente a substituição para a posição orto antes da instalação do iodo. Logo, não formamos o para‑isômero nesta estratégia.
Passo 7
Observações práticas e dicas de prova (para você usar na hora):
Use \mathrm{n\text{-}BuLi} ou \mathrm{s\text{-}BuLi} sob \mathrm{N_2} ou \mathrm{Ar} e temperatura \sim -78^\circ\mathrm{C} para evitar reações secundárias.
Adicionar \mathrm{TMEDA} aumenta a taxa de metalação e a seletividade em muitos casos.
Evite tentar fazer a sequência “benzeno → iodobenzeno → clorinação orto” porque iodação direta e depois cloração dará mistura regioisomérica; o truque é primeiro instalar um substituinte que permita DoM e só então introduzir o segundo halogênio.
Se for questionado na prova por que a rota é livre de isômeros, explique que a etapa de aril‑litio orto‑direcionado fixa a regiochemia antes da introdução do segundo substituinte.