Preveja o produto (ou produtos) principal formado quando cada um dos seguintes compostos reage com \mathrm{Cl}_{2} e \mathrm{FeCl}_{3} :
nitrobenzeno

Passo 1

O enunciado pede: prever o produto principal quando o composto nitrobenzeno reage com \mathrm{Cl}_2 e \mathrm{FeCl}_3.\n
Informações dadas:
  • Reagente orgânico: nitrobenzeno (fórmula molecular \mathrm{C}_6\mathrm{H}_5\mathrm{NO}_2); vou considerar a nitro como estando na posição 1 do anel aromático (numeração padrão).
  • Reagentes de reação: \mathrm{Cl}_2 e \mathrm{FeCl}_3.
  • A pergunta é só uma: qual(is) o(s) produto(s) principal(principais) formado(s)? Não há figura extra a considerar.

Passo 2

Que tipo de reação isso é? Rapidinho: essa mistura \mathrm{Cl}_2/\mathrm{FeCl}_3 é um sistema típico de cloração eletrofílica do anel aromático (substituição eletrofílica aromática). Vou explicar o que isso significa, passo a passo, para você entender na prova.\n
  • “Substituição eletrofílica aromática” (EAS) é uma família de reações em que um eletrófilo ( E^+) ataca o anel benzênico, formando primeiro um intermediário não aromático (complexo \sigma), e depois um próton é perdido para restaurar a aromaticidade. O resultado é que um átomo de hidrogênio do anel é substituído por E (aqui E=\mathrm{Cl}).

Passo 3

Como se forma o eletrófilo no sistema \mathrm{Cl}_2/\mathrm{FeCl}_3? Ensinei isso pra você decorar e poder escrever na prova:\n
  • \mathrm{FeCl}_3 é um ácido de Lewis que complexa a \mathrm{Cl}_2, polarizando a ligação Cl–Cl e gerando um agente eletrofílico efetivo. Podemos escrever a geração do eletrófilo assim:
\mathrm{Cl}_2 + \mathrm{FeCl}_3 \rightleftharpoons \mathrm{Cl}^+ + \mathrm{FeCl}_4^-
  • Na prática, o eletrófilo é visto como um \mathrm{Cl}^+ (ou um complexo muito eletrofílico equivalente) que ataca o anel aromático. Depois da substituição, forma-se \mathrm{HCl} e \mathrm{FeCl}_3 é regenerado (em condições catalíticas).

Passo 4

Agora, foco no nitrobenzeno: o grupo \mathrm{NO}_2 liga ao anel e influencia fortemente onde o cloro vai entrar. Vou explicar a propriedade eletrônica do grupo nitro de um jeito bem claro:\n
  • O grupo \mathrm{NO}_2 é fortemente retirador de elétrons por efeito indutivo ( -I) e por efeito por ressonância ( -M ou -R). Em termos práticos: ele “puxa” densidade eletrônica do anel, tornando o anel menos reativo a ataques eletrofílicos (ou seja, é um grupo desativante).
  • Além disso, o grupo nitro é um diretor meta. O que isso significa na linguagem da prova: quando um grupo desativante por ressonância (como \mathrm{NO}_2) está presente, os produtos preferenciais da EAS são aqueles em que o novo substituinte aparece na posição meta em relação ao \mathrm{NO}_2.
  • Por que meta? Vou detalhar a razão com a ideia dos complexos \sigma (intermediários) e ressonância, porque é aí que a intuição e a justificativa formal aparecem.

Passo 5

Explicação detalhada, com a ideia dos complexos \sigma (isso é o que você deve desenhar/escrever na prova):\n
  • Quando o eletrófilo \mathrm{Cl}^+ ataca o anel, forma-se um complexo \sigma (carbocátion ressonante) onde a aromaticidade foi temporariamente perdida. A estabilidade relativa desses complexos determina qual posição é preferida para a substituição.
  • Se o ataque ocorrer em orto ou para em relação ao \mathrm{NO}_2, algumas fórmulas de ressonância do complexo \sigma colocam a carga positiva diretamente no carbono que está ligado ao grupo \mathrm{NO}_2. Esse é o ponto-chave: colocar carga positiva ao lado de um grupo fortemente retirador (como \mathrm{NO}_2) é muito desestabilizante — o grupo \mathrm{NO}_2 não pode doar elétrons por ressonância para estabilizar essa carga, ele faz o oposto.
  • Se o ataque ocorrer em meta, as fórmulas de ressonância do complexo \sigma não colocam a carga positiva no carbono ligado ao \mathrm{NO}_2. Logo, o complexo \sigma meta é relativamente menos desestabilizado do que os complexos orto/para no caso de \mathrm{NO}_2.
  • Conclusão técnica: o conjunto dos efeitos eletrônicos faz com que o ataque eletrofílico seja mais favorável na posição meta — daí o nitro ser um director meta.

Passo 6

Aplicando isso ao caso concreto: nitrobenzeno ( \mathrm{C}_6\mathrm{H}_5\mathrm{NO}_2) + \mathrm{Cl}_2/\mathrm{FeCl}_3.\n
  • O eletrófilo \mathrm{Cl}^+ formará preferencialmente ligação na posição meta (em relação ao \mathrm{NO}_2), gerando o complexo \sigma meta que é menos desestabilizado.
  • Após perda de próton (rearomatização), o produto principal é o cloro substituído na posição meta ao \mathrm{NO}_2. Numerando o anel com o grupo nitro em 1, o cloro fica em 3. O nome comum/útil é \text{3-chloronitrobenzene}; IUPAC: \text{1-nitro-3-chlorobenzene}.
  • Nota prática para prova: escreva a equação de substituição mostrando que um H do anel é trocado por \mathrm{Cl} e que se forma \mathrm{HCl} como subproduto:
\mathrm{C}_6\mathrm{H}_5\mathrm{NO}_2 + \mathrm{Cl}_2 \xrightarrow{\mathrm{FeCl}_3} \text{3-chloronitrobenzene} + \mathrm{HCl}

Passo 7

Observações finais e o que você pode mencionar na prova para completar a resposta (dicas que valem ponto):\n
  • Diga que o grupo \mathrm{NO}_2 é fortemente desativante e meta-diretor e explique sucintamente que isso se deve à estabilização/desestabilização dos intermediários \sigma por ressonância (como fiz acima).
  • Pode mencionar que, na prática, a cloração de nitrobenzeno é lenta por causa da desativação; condições mais rigorosas (temperatura, catalisador) podem ser necessárias e pequenas quantidades de produtos orto/para podem aparecer como minoritários, mas o produto principal é o meta.
  • Se quiser desenhar no caderno: desenhe o anel, coloque \mathrm{NO}_2 em posição 1 e \mathrm{Cl} em posição 3 — isso deixa claro que você entendeu a regiochemistry.

Resposta

\text{3-chloronitrobenzene (1-nitro-3-chlorobenzene)}

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