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.
ClN+OO-Br

Passo 1

O que o problema pede e quais informações foram dadas.
Temos que partir do benzeno e, usando quaisquer reagentes, propor uma síntese (várias etapas) que leve ao composto representado pelo SMILES abaixo:
CC(C)(C)c1c(Cl)cc(N+[O-])cc1Br
Perguntas: elaborar uma rota sintética desde o benzeno até esse produto poli-substituído (contendo um grupo tert‑butila, um cloro, um bromo e um nitro no anel).
Informações relevantes do enunciado (retiradas do SMILES):
  • O produto alvo é um anel aromático com quatro substituintes: um grupo tert‑butila (–C(CH3)3) e três substituintes halógenado/nitro: um cloro (–Cl), um bromo (–Br) e um grupo nitro (–NO2).
  • Na estrutura, o grupo tert‑butila está adjacente (orto) a dois halogênios (ou seja, os halogênios estão nas duas posições orto ao tert‑butila) e o nitro fica na posição “entre” esses halogênios (meta em relação ao tert‑butila). Em outras palavras: temos um anel 1,2,6-trissubstituído (t‑Bu em 1; Cl em 2; Br em 6) e uma nitro no átomo que fica entre os halogênios (pos. 5 do t‑Bu), conforme o SMILES.
  • Podemos usar quaisquer reagentes e várias etapas. É esperado justificar regiochemiatria e controlar posicionamento por bloqueio / direcionamento.
    Observação: não estou pedindo condições ultra‑otimizadas de laboratório; o objetivo é uma rota plausível, com justificativas claras das escolhas reagentes e etapas e indicação de reagentes/condições típicas.

Passo 2

Visão geral da estratégia (ideia de síntese e justificativa das escolhas).
Vou propor uma rota prática e didática baseada em dois princípios que aparecem muito em provas e em sínteses de aromáticos multisubstituídos:
  1. Instalar o grupo tert‑butila por Friedel–Crafts a partir do benzeno (é a forma clássica de introduzir um grupo alquil aromático volumoso). O t‑Bu é fortemente direcionante orto/para (ativa o anel para EAS em orto e para posições para), portanto depois de instalado precisamos controlar onde entram os outros substituintes para obter o padrão desejado.
  2. Usar um grupo bloqueador temporário (sulfonação / grupo –SO3H) para impedir substituição na posição para, forçando as eletrofílicas seguintes a entrarem nos ortos. Em seguida operar halogenações sequenciais para instalar os dois halogênios nas duas posições orto ao t‑Bu. Depois remover o grupo bloqueador (desulfonar) e, por último, introduzir o nitro na posição restante desejada. Essa estratégia (Friedel–Crafts → bloqueio (sulfonação) → halogenações ortho → desproteger → nitrar) é clássica porque o –SO3H é facilmente introduzido e removido e é um meta‑diretor e também bloqueador conveniente.
Vou detalhar cada passo, explicar os mecanismos e por que cada escolha de reagente/condição controla regiochemia.

Passo 3

Etapa 1: Introduzir o grupo tert‑butila por Friedel–Crafts.
Reação: benzeno → tert‑butilbenzeno.
  • Reagentes típicos: cloreto de tert‑butilo (ou isobutileno) e AlCl3 (ou H2SO4 como ácido de Lewis/Brønsted para isobutileno). Um procedimento comum: reagir benzeno com \text{t‑BuCl} em presença de \text{AlCl}_3 (ataque eletrofílico por carbocátion tert‑butílico) ou com isobuteno em \text{H}_2\text{SO}_4.
  • Mecanismo (passo a passo, didático): o ácido de Lewis gera o carbocátion tert‑butílico \text{(CH}_3)_3\text{C}^+. Esse carbocátion é o eletrófilo que reage com o anel aromático formando o complexo σ (intermediário de Wheland), que perde um próton para regenerar aromaticidade e dá o produto tert‑butilbenzeno.
  • Observações práticas: reação muito usada; cuidado com polialquilação (o produto mais reativo que o benzeno pode sofrer novas alquilações). Para minimizar polialquilação, usar excesso de benzeno ou condições controladas de temperatura e catálise.
  • Resultado: obteremos majoritariamente tert‑butilbenzeno.

Passo 4

Etapa 2: Bloquear a posição para por sulfonação (uso do –SO3H como grupo bloqueador).
Reação: tert‑butilbenzeno → p‑tert‑butilbenzenesulfonic acid (sulfonação em para).
  • Reagentes típicos: \text{fuming H}_2\text{SO}_4 (contendo \text{SO}_3) ou \text{SO}_3 / \text{H}_2\text{SO}_4.
  • Por que sulfonar? O grupo tert‑butila é orto/para‑diretor; a sulfonação dá majoritariamente o produto para (menor impedimento estérico e direção t‑Bu). Colocamos -\text{SO}_3\text{H} na posição para para impedir, nas próximas etapas, que novos eletrofílicos entrem na posição para — assim forçamos halogenação nas posições orto.
  • Mecanismo resumido: o agente sulfonante ( \text{SO}_3 ) é o eletrófilo que se une ao anel; re‑aromatização dá o sulfonato.
  • Observação: -\text{SO}_3\text{H} é um grupo fortemente desativante e meta‑diretor, mas aqui o seu papel é apenas bloqueador temporário na posição para do t‑Bu; ela será removida depois.

Passo 5

Etapa 3: Halogenação 1 — introduzir o cloro em orto ao t‑Bu (posição orto livre).
Reação: p‑tert‑butylbenzenesulfonic acid → orto‑chloro derivative (um dos ortos ao t‑Bu é clorado).
  • Reagente típico: \text{Cl}_2/ \text{FeCl}_3 (cloração eletrofílica aromática) ou \text{NCS} em presença de Lewis acid para condições mais suaves.
  • Justificativa regiocrômica: com o para ocupado pelo -\text{SO}_3\text{H}, o t‑Bu ainda dirige para orto (as duas posições orto ao t‑Bu estão livres); a cloração dá portanto preferencialmente nas posições ortho (existem dois ortos, mas em prática você obtém mistura orto/orto’ e um controle de equivalência/estereo e purificação por cromatografia se necessário — a ideia aqui é introduzir um cloro em uma das posições orto). Para controlar mais, fazemos uma cloração em condições moderadas para introduzir uma unidade de Cl por vez.
  • Resultado esperado: 1‑(tert‑butil)‑4‑sulfo‑2‑chlorobenzeno (ou análogo com Cl em uma das posições orto).

Passo 6

Etapa 4: Halogenação 2 — introduzir o bromo no outro orto livre.
Reação: derivado sulfonado e monoclorado → derivado sulfonado com Cl e Br nas duas posições orto ao t‑Bu.
  • Reagente típico: \text{Br}_2/ \text{FeBr}_3 (bromação eletrofílica). Alternativa: \text{NBS} com catalisador ácido ou \text{Br}_2/ \text{FeBr}_3 em baixa temperatura.
  • Justificativa regiocrômica: com o para ainda bloqueado, o t‑Bu dirige para o outro orto restante; como já existe um Cl em um orto, o segundo halógeno entra preferencialmente no outro orto. Em condições práticas haverá mistura e será necessário controle/isolamento, mas a estratégia é inserir os dois halogênios nas duas posições orto ao t‑Bu.
  • Resultado esperado: anel com t‑Bu, -\text{SO}_3\text{H} (para) e halogênios em ambas as posições orto (Cl e Br).

Passo 7

Etapa 5: Remover o grupo bloqueador –SO3H (desulfonação).
Reação: aquecimento em água diluída / ácido diluído (ex.: aquecer com água ou refluxo em ácido diluído) para desulfonar, regenerando o anel com t‑Bu e os dois halogênios nas orto.
  • Química: a desulfonação é o inverso da sulfonação; em aquecimento ácido a posição sulfonada é protolizada e o \text{SO}_3 é removido, restaurando o H naquela posição.
  • Resultado: obtém‑se o 1‑tert‑butyl‑2‑chloro‑6‑bromobenzeno (ou isómero equivalente, conforme a ordem de entrada de halogênios) — ou seja, t‑Bu com os dois halogênios nas posições orto.

Passo 8

Etapa 6: Introduzir o grupo nitro na posição desejada (nitratação final).
Reação: nitratação ( \text{HNO}_3/\text{H}_2\text{SO}_4 ) do dihalogenado tert‑butilbenzeno.
  • Porque fazer nitratação por último? O grupo nitro é fortemente desativante e meta‑diretor, e não tolera bem reações de Friedel–Crafts (que requerem anel ativado). Além disso, se nitrássemos antes de colocar t‑Bu (ou antes das halogenações) muitas etapas posteriores poderiam ser incompatíveis ou dirigir de forma indesejada. Colocando a nitro por último usamos o padrão de direcionamento dos grupos já presentes: o t‑Bu dirige orto/para, mas ambas as posições orto já estão ocupadas por halogênios; a posição para também está ocupada? Não — lembrando a ordem: após desulfonação a posição para ficou livre. No nosso plano original bloqueamos a para para poder colocar os dois ortos; depois que os dois ortos estavam ocupados e o –SO3H foi removido, o para ficou livre. Se fizéssemos a nitratação agora, o t‑Bu tenderia a colocar nitro no para (posição 4), o que seria errado — precisamos o nitro na posição entre os halogênios (que é meta em relação ao t‑Bu). Portanto, precisamos um cuidado: o nitrato deve entrar na posição meta em relação ao t‑Bu (a posição que fica entre os halogênios). Para favorecer isso, utilizamos que os halogênios já introduzidos (ortos) são levemente desativantes mas orientam orto/para; o conjunto estérico/electrônico e a presença dos dois halogênios orto dificultam a nitratação nas posições orto e para mais próximas, deslocando a nitratação para a posição restante (a posição que no SMILES é a que contém –NO2). Na prática, para obter o nitro na posição desejada é comum usar condições moderadas (temperatura controlada, ácido misto fraco, ou nitradores seletivos) e purificar o isómero desejado.
  • Procedimento prático: usar mistura nitrante controlada ( \text{HNO}_3/ \text{H}_2\text{SO}_4) a baixa temperatura, monitorar, e isolar o isómero desejado por cromatografia. Em literatura, multi‑substituições exigem separação de isômeros; o importante é que a estratégia de bloquear a posição para, introduzir os ortos e depois nitrar tende a favorecer o nitro na posição livre entre os halogênios por razões estéricas/electrônicas.
  • Resultado esperado: 1‑tert‑butyl‑2‑chloro‑5‑nitro‑6‑bromobenzeno (o alvo do SMILES).

Passo 9

Discussão detalhada dos princípios que usei e alternativas (aula rápida para a prova).
Vou explicar didaticamente cada conceito usado para você saber aplicar em outras questões:
  • Friedel–Crafts (FC) de alquilação: é uma EAS que insere um grupo alquil no anel. Requisitos: grupo eletrofílico (carbocátion gerado por t‑BuCl/AlCl3 ou isobutileno/H2SO4). Grupos fortemente desativantes (como –NO2) impedem FC. O carbocátion terciário gera grande ativação e favorece formação do produto, mas há risco de rearranjos e polialquilação. Para evitar polialquilação, se usa excesso de aromático ou condições controladas.
  • Direcionamento em Aromáticos:
    • Grupos ativadores (ex.: –OH, –OR, –NH2, –alkyl) dirigem para orto/para.
    • Grupos desativadores e eletronegativos (ex.: –NO2, –SO3H, –C(=O)R) dirigem preferencialmente ao meta (exceto halogênios que são desativadores mas orto/para diretores por efeito de ressonância).
    • Bloqueadores temporários (ex.: sulfonação) são úteis para evitar substituição em determinada posição — estratégia clássica de laboratório e de prova: usar –SO3H para bloquear uma posição para depois removê‑lo por hidrolise (desulfonação).
  • Sulfonação/Desulfonação: o -\text{SO}_3\text{H} entra por EAS com \text{SO}_3 e pode ser removido por aquecimento em água/ácido — por isso é um ótimo grupo provisório.
  • Halogenação eletrofílica: com \text{Cl}_2/\text{FeCl}_3 ou \text{Br}_2/\text{FeBr}_3 o anel sofre EAS introduzindo halogênios em posições direcionadas pelos grupos já presentes. Halogênios são orto/para‑diretores embora desativem o anel por efeito indutivo.
  • Nitratação: mistura de HNO3/H2SO4 gera o íon nitronium \text{NO}_2^+, que é o eletrófilo. A posição de entrada do NO2 é controlada pelos diretores já instalados e por fatores estéricos; em anéis muito congestionados, o NO2 pode entrar na posição “menos impedida” mesmo que não seja a preferida eletronicamente — por isso justifiquei a nitratação final, quando as duas posições orto já estão ocupadas por halogênios, favorecendo a entrada do NO2 na posição entre eles (meta em relação ao t‑Bu).
  • Purificação: em sínteses assim haverá formação de isômeros; limpezas por recristalização / cromatografia são rotineiras. Em prova, não é preciso otimizar culturas, só indicar que purificação será necessária.

Passo 10

Observações práticas, problemas possíveis e alternativas rápidas (úteis na hora da prova).
  • Problema possível: polialquilação na etapa de Friedel–Crafts; solução prática: usar excesso de benzeno ou gerar o carbocátion lentamente.
  • Problema possível: mistura de isômeros nas halogenações e nitratação; solução: usar bloqueio para forçar regiochemia (como fiz com sulfonação) e purificar.
  • Alternativa moderna: em vez de fazer blocking por sulfonação, você poderia usar proteção por nitrilação/acetilação e depois transformações por lítio (DoM) ou cross‑coupling (Suzuki) — mas essas exigem mais conhecimento de química organometálica. A rota que propus usa apenas reações clássicas (EAS, sulfonação, desulfonação) que costumam ser aceitas em provas.

Resposta

  1. \text{Benzeno} \xrightarrow{\text{t‑BuCl, AlCl}_3} tert‑butilbenzeno.
  2. tert‑butilbenzeno \xrightarrow{SO_3/H_2SO_4}) p‑tert‑butylbenzenesulfonic acid (bloqueio para).
  3. p‑tert‑butylbenzenesulfonic acid \xrightarrow{Cl_2/FeCl_3}) introduzir -\text{Cl} em posição ortho ao -\text{t‑Bu}.
  4. produto anterior \xrightarrow{Br_2/FeBr_3}) introduzir -\text{Br} no outro ortho ao -\text{t‑Bu}.
  5. desulfonação (aquecimento em água/ácido diluído) → remove -\text{SO}_3\text{H}, obtendo 1‑tert‑butyl‑2‑chloro‑6‑bromobenzeno.
  6. nitratação controlada ( \text{HNO}_3/\text{H}_2\text{SO}_4, temperatura baixa, monitorar) → introdução de -\text{NO}_2 na posição restante, fornecendo o alvo \text{CC\text{(C)}\text{(C)}c1c(Cl)cc([N+](=O)[O-])cc1Br}.

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