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.
OOHClBrN+OO-

Passo 1

O que o enunciado pede: a partir do benzeno, usar quaisquer reagentes necessários para sintetizar o composto cuja SMILES é O=C(O)c1cc(Cl)c(Br)c([N+](=O)[O-])c1. Ou seja, sintetizar o ácido benzoico substituído que tem um grupo carboxílico e, no anel, os substituintes: cloro, bromo e nitro em posições específicas.
Informações explícitas que temos (tiradas da SMILES):
  • O produto final é um ácido benzoico (grupo carboxílico ligado ao anel).
  • O anel tem três substituintes além do carboxila: um átomo de cloro, um de bromo e um grupo nitro.
  • A sequência na SMILES indica que, tomando o carbono do ácido como posição 1, os substituintes estão em: posição 3 = Cl, posição 4 = Br (para), posição 5 = NO2 (meta). Portanto o nome é ácido 3-cloro-4-bromo-5-nitrobenzoico.
  • Posso usar quaisquer reagentes; a síntese exigirá várias etapas.
O que NÃO vou fazer neste passo: ainda não resolvo nem explico os caminhos reativos — só identifiquei o alvo e os dados relevantes.

Passo 2

Escolha estratégica (retrosíntese simples e motivações):
  • Um modo prático de obter um ácido benzoico substituído é oxidar um grupo metila ligado ao anel (via oxidação benzylica) — por exemplo, oxidar p‑bromotolueno para p‑bromobenzoico com KMnO4. Por isso é conveniente introduzir primeiro o grupo metila (tolueno) e os halogênios que devem permanecer na posição relativa, depois oxidar a cadeia lateral methyl → COOH.
  • Mapeamento dos efeitos diretores: o grupo metila é ativador orto/para (favorece para), portanto a bromação de tolueno dá preferencialmente p‑bromotolueno (o passo que queremos). Depois que oxidamos metila → COOH, o grupo carboxila é fortemente desativador e meta‑diretor, então cloração do benzoato/formado tende a ocorrer em posição meta em relação ao COOH — exatamente a posição que queremos para o cloro (posição 3 do ácido). Por fim, a nitração de um ácido benzoico tende a dar o substituído meta (novamente coerente com colocar NO2 em posição 5, já que 3 já estará ocupada por Cl).
  • Resumo da rota proposta (alto nível): benzeno → tolueno → p‑bromotolueno → oxidação do metil → p‑bromobenzoico → cloração (forma 3‑cloro‑4‑bromobenzoico) → nitração → ácido 3‑cloro‑4‑bromo‑5‑nitrobenzoico.
  • Vou seguir essa rota porque usa reações clássicas e fáceis de racionalizar (Friedel–Crafts para metilação, halogenação eletrofílica, oxidação benzylica com KMnO4, nitração), com explicação passo a passo do porquê de cada seletividade.

Passo 3

Passo prático 1: transformar benzeno em tolueno.
Reação e reagente: Friedel–Crafts de metilação usando cloreto de metila e AlCl3 (ou mais comumente metil cloreto / AlCl3, ou também metilação via metilbenzeno comercial se preferir).
Por que funciona (aula curta): Friedel–Crafts alquilação gera um carbânion complexado/complexo eletrofílico (no caso um carbônio metilado) que ataca o anel aromático formando tolueno. O grupo metila é um substituinte ativador e direciona substituições eletrofílicas posteriores para posições orto e para em relação a si.
Condições típicas: temperatura controlada (0–25 °C), solvente anidro (Clorobenzeno/CH2Cl2 pode ser usado), uso estequiométrico de AlCl3. Observação prática: existe risco de polialquilação; controlar razão reagente/benzeno e temperatura para favorecer monometilação.

Passo 4

Passo prático 2: bromação do tolueno para dar p‑bromotolueno como produto principal.
Reação e reagente: Br2 com catalisador FeBr3 (halogenação eletrofílica).
Por que dá principalmente o produto para: o grupo metila é ativador (doa elétrons por efeito indutivo/hiperconjugação) e induz orientação orto/para; por razões estéricas, o produto para (4‑bromo) costuma ser favorecido sobre os orto (2‑bromo) em condições de controle. Assim, a bromação de tolueno dá uma mistura orto/para, com o para predominando.
Mecanismo resumido didático: Br2 + FeBr3 gera um eletrófilo Br+ (complexo), que é atacado pelo anel ativado do tolueno; o carbocátion sigma formado é desprotonado para regenerar aromaticidade e o catalisador.
Condições: temperatura baixa a moderada, solvente inerte; separar p‑bromotolueno por destilação/cromatografia se necessário.

Passo 5

Passo prático 3: oxidar o grupo metila do p‑bromotolueno para formar p‑bromobenzoico (oxidação benzylica).
Reação e reagente: KMnO4 aquoso (emperiquetado) em aquecimento ou outro oxidante forte (por ex. K2Cr2O7/H2SO4) — KMnO4 é clássico.
Por que funciona (aula curta): qualquer grupo alquílico ligado diretamente ao anel aromático com hidrogênios benzylicos pode ser oxidado completamente até ácido carboxílico sob condições fortes de oxidação. A presença de halogênios no anel não impede essa oxidação do lado da cadeia lateral (os halogênios resistem a KMnO4 nas posições aromáticas).
Equação conceitual: p‑bromotolueno + [O] (KMnO4, calor) → p‑bromobenzoico + MnO2 (sólido).
Condições e observações práticas: aquecer refluxando em meio básico diluído, depois acidificar para precipitar o ácido carboxílico; filtrar e purificar. Essa etapa transforma o substituinte metila (que dirigia para) em COOH (que muda completamente a direção de futuras substituições).

Passo 6

Passo prático 4: cloração do p‑bromobenzoico para introduzir o cloro na posição 3 (ou seja, formar 3‑cloro‑4‑bromobenzoico).
Reação e reagente: cloração eletrofílica aromática usando Cl2 com catalisador FeCl3 (ou AlCl3) — a literatura usa Cl2/FeCl3; se o anel estiver muito desativado, condições mais enérgicas ou reagentes como Cl2/AlCl3 em solvente anidro ou N‑clorosuccinimida (NCS) em presença de ácido de Lewis forte podem ser usados.
Por que a substituição ocorre na posição 3: o grupo carboxílico é desativante e meta‑diretor; portanto, quando o anel (p‑bromobenzoico) é clorado, o eletrofílico preferencialmente entra nas posições meta em relação à COOH (essas são as posições 3 e 5). Como a posição 3 está livre e é compatível estereoeletronicamente, obtemos majoritariamente 3‑cloro‑4‑bromobenzoico (pode haver mistura 3 vs 5 em outra situação, mas aqui 5 está disponível para nitratação posterior; a presença do bromo em 4 quebra a simetria e favorece 3 em relação a 5 dependendo das condições).
Nota prática: a reação é mais lenta porque COOH desativa o anel; usar excesso de Cl2/tempo e manter controle para evitar polichloração. Purificar por recristalização ou cromatografia.

Passo 7

Passo prático 5: nitração para introduzir o grupo nitro em posição 5 (formando o produto alvo: ácido 3‑cloro‑4‑bromo‑5‑nitrobenzoico).
Reação e reagente: mistura nitrante clássica HNO3 conc. e H2SO4 conc. (geram NO2+ eletrofílico).
Por que o nitro entra em 5 (meta ao COOH): o grupo COOH continua sendo o controlador direto: nitrando um benzoico já substituído em 3 e 4, o eletrofílico NO2+ prefere a posição meta em relação a COOH que ainda está disponível — que é a posição 5 (a posição 3 está ocupada por Cl, a 4 por Br). Assim obtemos o produto desejado 3‑cloro‑4‑bromo‑5‑nitrobenzoico.
Condições/segurança: temperatura baixa (0–5 °C) ao adicionar HNO3 em H2SO4, depois aquecer moderadamente se necessário; trabalhar com cuidado por ser mistura corrosiva e exothermic.
Observação sobre seletividade: a presença de Cl e Br alteram levemente a reatividade, mas como COOH é o orientador mais forte (e desativante), obteremos preferencialmente nitratação na posição meta ao COOH restante. Purificar o produto final por recristalização.

Passo 8

Verificação e dicas experimentais finais (para você na prova):
  • Regiochemicamente, a sequência funciona porque usamos a mudança estratégica do grupo metila (orto/para director) para instalar o bromo preferencialmente em para, depois oxidamos o metila para COOH (muda o diretora), e então usamos a natureza meta‑diretora da carboxila para colocar Cl e NO2 nas posições meta corretas.
  • Principais reagentes por etapa (resumo técnico): 1) CH3Cl/AlCl3 (ou CH3Cl/AlCl3 F‑C) para fazer tolueno; 2) Br2/FeBr3 para bromar e obter p‑bromotolueno; 3) KMnO4, aquecimento, trabalho a seguir para oxidar methyl → COOH (p‑bromobenzoico); 4) Cl2/FeCl3 (ou NCS/condições adequadas) para clorar num meta em relação ao COOH (obter 3‑Cl‑4‑Br‑benzoico); 5) HNO3/H2SO4 para nitração e gerar 3‑Cl‑4‑Br‑5‑NO2‑benzoico.
  • Atenção: em provas, explique sempre por que cada substituinte dirige a nova substituição (ortho/para vs meta) e por que as etapas foram ordenadas assim: instale primeiro grupos que favorecem a regioquímica desejada quando eles ainda são orto/para (metila), depois transforme‑os em grupos meta‑diretores (COOH) por oxidação, e então faça outras substituições desativantes/meta conforme necessário.
  • Se estiver escrevendo esquema de reação na prova: desenhe as estruturas em cada etapa, escreva o reagente ao lado da seta e uma curta justificativa sobre o efeito diretor — isso costuma valer muitos pontos.

Resposta

Benzeno → (1) CH3Cl, AlCl3 (Friedel–Crafts) → tolueno → (2) Br2, FeBr3 → p‑bromotolueno → (3) KMnO4, aquecimento; acidificar → p‑bromobenzoico → (4) Cl2, FeCl3 (ou NCS/AlCl3 conforme condições) → 3‑cloro‑4‑bromobenzoico → (5) HNO3 conc./H2SO4 conc. → ácido 3‑cloro‑4‑bromo‑5‑nitrobenzoico

Exercícios relacionados