Nas reações de substituição eletrofílica em aromáticos deve-se levar em consideração o efeito dirigente (ativante ou desativante) dos substituintes. Partindo do benzeno, proponha uma sequência reacional para os compostos abaixo. Atente para o efeito do impedimento espacial dos grupos.
o-nitrotolueno
o-nitrotolueno
Passo 1
Vamos deixar claro o que o problema pede e quais informações importam.
- Pedido: a partir do benzeno, propor uma sequência reacional que leve ao o-nitrotolueno (isto é, nitro no orto em relação ao grupo metila).
- Informação implícita importante: em substituições eletrofílicas aromáticas (EAS) os grupos já presentes no anel dirigem a incorporação de novos substituintes (orientação orto/para ou meta) e alteram a reatividade (ativam ou desativam o anel).
- Observação exigida no enunciado: considerar também o impedimento espacial (estericamente, grupos volumosos dificultam substituições em posições próximas).
- Resultado esperado: uma sequência de reações plausível (com reagentes e justificativa) que transforme
em o-nitrotolueno.
Passo 2
Conceitos básicos que vamos usar (explicados devagar e com exemplos curtos).
- Mecanismo geral de EAS (visão fácil): um eletrófilo ataca o anel aromático formando um complexo sigma (carbocátion ressonante) e depois perde um próton para restaurar a aromaticidade. A posição preferida de ataque é controlada pelo substituinte já presente no anel.
- Efeito diretivo:
- Grupos ativantes e doadores de elétrons (ex.:
) dirigem para as posições orto e para (porque estabilizam o carbocátion intermediário quando o ataque ocorre nessas posições). - Grupos fortemente desativantes e retiradores de elétrons (ex.:
) dirigem para a posição meta (porque desestabilizam os intermediários orto/para).
- Grupos ativantes e doadores de elétrons (ex.:
- Impedimento espacial (estericidade): posições orto ficam próximas ao substituinte já instalado; se o grupo que chega ou já presente for volumoso, o ataque orto fica desfavorecido por colisão/repulsão estérica — isso costuma favorecer o produto para (menos congestionado).
- Consequência prática: para obter um substituinte em orto de um grupo pequeno/ativante (como
), às vezes é melhor colocar primeiro um “bloqueador” no para para forçar a nova substituição ao orto, e depois remover o bloqueador.
Passo 3
Por que não fazer na ordem nitro → metila?
- Se você nitrar primeiro
obtém . Mas é fortemente desativante e meta-diretor; além disso, anéis fortemente desativados não entram bem em reações de alkilação de Friedel–Crafts. Ou seja, depois de instalado fica muito difícil introduzir por Friedel–Crafts. - Portanto a rota prática é: primeiro introduzir o grupo metila (formar tolueno) e depois introduzir o nitro em posição orto. Mas atenção: a simples nitratação do tolueno dá mistura orto/para (e alguma meta muito pequena), e muitas vezes o produto para é favorecido por menor impedimento espacial. Então precisamos de uma manobra para obter majoritariamente o orto.
Passo 4
Primeira etapa: transformar
em
.
- Reação escolhida: alquilação de Friedel–Crafts com cloreto de metila.
- Reagentes e condição:
e (ou alternativamente usar seguido de desmetilação, mas o mais direto é ). - Por que isso funciona:
gera o eletrófilo (ou complexo eletrofílico equivalente) que ataca o anel; o tolueno formado tem ligado ao anel e é um ativador orto/para. - Observação prática: controlar temperaturas e excesso de benzeno reduz polialquilação (formação de di- e tri-substituídos).
Passo 5
Segunda etapa: bloquear a posição para (usar grupo bloqueador) — sulfonação seletiva no para.
- Objetivo: instalar um grupo que ocupe a posição para em relação ao
, para que a próxima nitratação não possa ocorrer em para e seja desviada para orto. - Reação: sulfonação de tolueno.
- Reagentes/condição típica:
(ácido sulfúrico fuming) em condições que favorecem o produto para, pois a sulfonação em tolueno dá majoritariamente o produto para quando se permite equilibration/temperatura controlada. - Produto intermediário: p-toluenesulfonic acid (o grupo é
na posição para em relação à ). - Por que isso funciona como bloqueador:
instalado no para impede estericamente e electronicamente a substituição nessa posição; além disso, depois ele pode ser removido (desulfonado) por hidrólise aquosa quente — é um grupo temporário útil para controle regioquímico.
Passo 6
Terceira etapa: nitratação com o para bloqueado — formação do orto-nitro enquanto o para está ocupado.
- Reação: nitratação eletrofílica.
- Reagentes/condição: mistura de
e (gerando o eletrófilo ). - O que ocorre e por quê: o
ainda é um diretor orto/para, mas o para está bloqueado pelo ; portanto os locais disponíveis favorecidos pelo são as posições orto e a nitratação ocorrerá preferencialmente em orto. A posição orto é um pouco mais impedida estéricamente que a para, mas como a para está ocupada, a reação direciona para orto. - Produto após esta etapa: composto com
e em orto e em para — isto é, um nitro-tolueno sulfonado (nitro em orto ao metila, no para).
Passo 7
Quarta etapa: remoção do bloqueador (desulfonação), liberando o para e deixando o nitro em orto — obtendo o target.
- Reação: desulfonação (hidrólise ácida a quente ou aquecimento com água).
- Condições típicas: aquecer com água sob pressão ou refluxo em ácido diluído — o grupo
sai como e o anel é restaurado. - Resultado: o-nitrotolueno (o produto desejado). A posição para volta a ser apenas hidrogênio, não contendo o grupo
.
Passo 8
Resumo prático, notas sobre rendimento e alternativas rápidas.
- Nota sobre rendimento: cada etapa tem rendimento finito; rota com bloqueio/desbloqueio costuma dar bom controle regioquímico, embora requeira três passos após a formação de tolueno. A nitratação direta de tolueno poderia dar mistura orto/para e exigiria separação por destilação/coluna; se o problema exige alta seletividade, a rota com bloqueador é preferível.
- Alternativas: existem outros bloqueadores que podem ser usados, ou condições experimentais que alterem a razão o/p (temperatura mais baixa costuma aumentar fração orto para alguns sistemas), mas a estratégia sulfonação → nitratação → desulfonação é a clássica e robusta para obter o orto seletivamente.
- Por que não fizemos Friedel–Crafts depois de nitro? Porque
desativa fortemente o anel, impedindo a alkilação de Friedel–Crafts.