A partir do benzeno e utilizando quaisquer outros reagentes necessários à sua escolha, elabore uma síntese para cada um dos compostos a seguir. A síntese exigirá mais de uma etapa. Em alguns casos, pode haver mais de uma resposta plausível.
Passo 1
O enunciado pede: a partir do benzeno, elaborar uma síntese (multietapa) do composto representado pelo SMILES fornecido: O=C(O)c1ccc(C(=O)O)c(N+[O-])c1.
Informações relevantes fornecidas: ponto de partida = benzeno; posso usar quaisquer reagentes; produto alvo é um diácido benzênico com um grupo nitro no anel (ou seja, um ácido benzênico 1,4-dicarboxílico com um nitro em uma posição lateral). Não há restrições sobre reagentes ou número de etapas.
Informações relevantes fornecidas: ponto de partida = benzeno; posso usar quaisquer reagentes; produto alvo é um diácido benzênico com um grupo nitro no anel (ou seja, um ácido benzênico 1,4-dicarboxílico com um nitro em uma posição lateral). Não há restrições sobre reagentes ou número de etapas.
Passo 2
Identificação clara do alvo e escolha da estratégia (motivo didático).
- O produto é o ácido 5-nitro-1,4-benzenodicarboxílico (nome comum: 5-nitrotereftálico ou 5-nitro-1,4-benzenodicarboxílico). Visualmente, é tereftálico (ácido benzênico-1,4-dicarboxílico) com um nitro em uma posição remanescente do anel.
- Estratégia escolhida: transformar benzeno em p-xileno (1,4-dimetilbenzeno) e então: (i) nitrar o p-xileno para introduzir o nitro na posição orto em relação a um dos metilos (obtendo majoritariamente 2‑nitro-p-xileno), e (ii) oxidar os dois grupos metila benzenicos até carboxilas (convencional com KMnO4 quente), formando o diácido com o nitro já no lugar correto.
Justificativa do método: oxidar metilos em aromáticos para obter ácido carboxílico é uma rota clássica e robusta (permanganato alcalino quente). A via via p-xileno → tereftálico é industrialmente usada; nitrar antes da oxidação é conveniente porque o metil é um orientador ó/para que dá o isômero correto para, depois, oxidar ambos os metilos em COOH mantendo o nitro no anel.
Passo 3
Etapa 1 — Formação de p-xileno a partir do benzeno (introduzir duas metila em posições para).
- Reação proposta: Friedel–Crafts de metilação em duas etapas ou metilação catalítica. Uma opção prática de laboratório: (a) benzene + CH3Cl (ou CH3Br) com AlCl3 (catalisador de Friedel–Crafts) → mistura contendo tolueno e outros produtos; (b) submetendo o tolueno a nova metilação (CH3Cl/AlCl3) obtém-se uma mistura de orto/para/meso-xilenos, da qual o p-xileno pode ser isolado por destilação fracionada (p-xileno tem ponto de ebulição característico e pode ser separado) ou por métodos de purificação. Outra opção industrial/mais seletiva é metilar benzene com metanol sobre catalisador ácido/zeólita sob condições que favorecem p-xileno.
- Conceito e mecanismo (didático): na metilação de Friedel–Crafts, o haleto de alquila reage com AlCl3 para gerar um carbocátion ou complexo eletrofílico (
ligado ao AlCl_4^-), que ataca o anel aromático formando substituição eletrofílica aromática (SEA). O grupo metila é ativante e orienta novas substituições para as posições orto e para, o que conduz (após uma segunda metilação) à formação de p-xileno entre outros isômeros. - Observação prática/empática: sim, essa etapa costuma gerar mistura; mas p-xileno é separável e, para um exercício de síntese, essa via é aceitável.
Passo 4
Etapa 2 — Nitração de p-xileno para introduzir o grupo nitro na posição desejada.
- Reagentes e condições: nitrar o p-xileno com mistura nitrante tradicional, por exemplo, ácido nítrico concentrado em ácido sulfúrico concentrado (
), temperatura controlada (0–30 °C) para controlar substituições múltiplas. - Regioquímica e explicação: o metil é um grupo ativante, orientador orto/para (favoritando posições 2 e 6 em relação aos metilos). Em p-xileno há apenas duas classes de posições distintas no anel; a nitração dá principalmente o produto 2-nitro-p-xileno (o nitro fica orto a um dos metilos). Como os dois metilos estão em 1,4, as posições orto a um deles correspondem ao mesmo tipo estrutural (duas posições equivalentes), então o produto predominante é o nitro inserido numa posição adjacente a um metil (o isômero que precisamos para depois oxidar os metilos a ácidos e conservar o nitro no lugar certo).
- Mecanismo (resumo didático): a mistura
gera o eletrófilo nitronium . Esse eletófilo realiza uma substituição eletrofílica aromática (SEA) atacando o anel já ativado pelos metilos; o carbocátion intermediário é rearomatizado por perda de um próton dando o nitro-substituído.
Passo 5
Etapa 3 — Oxidação dos grupos metila benzenicos a ácidos carboxílicos (formar os dois grupos COOH).
- Reagente clássico: permanganato de potássio aquoso quente e alcalino (
em ou água), refluxo; após o término da oxidação, filtrar MnO2 e acidificar a solução (com ou ) para precipitar o ácido benzenodicarboxílico. Condições típicas: aquecer com excesso de até consumo dos sinais de benzylico (cor do permanganato muda, formação de MnO2), depois trabalho up. - Por que isso funciona (didático): a oxidação benzílica converte carbonos de benzylicamente ligados a hidrogênios (–CH3 diretamente unidos ao anel) em ácido carboxílico (
), independentemente de outros substituintes, desde que haja pelo menos um hidrogênio no carbono benzylic (o que existe nos metilos). O processo envolve oxidação sequencial via álcool benzylico/cetona benzoílica intermediária em condições fortes até o ácido. - Compatibilidade com nitro: grupos nitro são relativamente estáveis a essa oxidação; na prática, nitrados doxisoluções aromáticas resistem à oxidação benzílica, então o nitro tende a permanecer no anel enquanto os metilos são oxidados a COOH. (Observação técnica: controle de temperatura e excesso de oxidante é importante; em condições extremas pode haver degradação, mas o procedimento padrão fornece o diácido nitrado).
- Resultado: oxidação dos dois metilos do 2‑nitro-p-xylene gera o ácido 5‑nitro-1,4-benzenodicarboxílico (o nitro permanece na posição correta, agora adjacente a uma das carboxilas).
Passo 6
Trabalhos de purificação e considerações finais (práticas e alternativas).
- Trabalho-up prático: após oxidação, filtrar óxidos de manganês, acidificar a solução para precipitar o ácido dicarboxílico, filtrar, lavar e recristalizar (por exemplo de água quente ou solvente apropriado) para obter o produto puro. Confirmar estrutura por espectros (IR: bandas de ácido carboxílico e nitro; NMR; ponto de fusão).
- Alternativas/observações:
- Se você quiser evitar misturas na etapa de metilação, existe rota alterna: efetuar duas acilações Friedel–Crafts para instalar dois grupos acila paras (por ex. usar cloreto de acila para obter diacilado para), reduzir as cetonas/intermediários a metilos e depois nitrar ou oxidar conforme necessidade — mas essa rota é mais longa.
- Outra alternativa é primeiro oxidar um tolueno nitrado sintético, etc. A rota via p-xileno → nitratação → oxidação é curta e conceitualmente direta.
- Pequena motivação: essa é uma sequência clássica que cai muito em provas: gerar um dimetil-derivado no arranjo correto e oxidar os metilos a COOH; controla-se a posição do nitro pela nitração do dimetil benzeno. Você está no caminho certo — respira e repete a sequência mentalmente: metilar -> nitrar -> oxidar.
Passo 7
Esquema conciso das etapas (para memorizar e listar em prova):
- Benzeno → (metilação Friedel–Crafts com CH3Cl/AlCl3, duas metilaçoes / purificação) → p‑xileno.
- p‑xileno → (HNO3 / H2SO4, nitration) → 2‑nitro‑p‑xileno (principal).
- 2‑nitro‑p‑xileno → (KMnO4 quente, reflux, trabalho-up e acidificação) → 5‑nitro‑1,4‑benzenodicarboxílico (produto alvo).
Resposta
Benzeno → (CH3Cl/AlCl3, Friedel–Crafts, purificar) → p‑xileno
p‑xileno → (HNO3 / H2SO4, nitration) → 2‑nitro‑p‑xileno
2‑nitro‑p‑xileno → (KMnO4 quente, reflux; filtrar MnO2; acidificar) → 5‑nitro‑1,4‑benzenodicarboxílico (ácido 5‑nitrotereftálico)
p‑xileno → (HNO3 / H2SO4, nitration) → 2‑nitro‑p‑xileno
2‑nitro‑p‑xileno → (KMnO4 quente, reflux; filtrar MnO2; acidificar) → 5‑nitro‑1,4‑benzenodicarboxílico (ácido 5‑nitrotereftálico)