Electrófilos y Arenes
Los compuestos aromáticos son importantes en muchas de nuestras vidas cotidianas. Son parte del caucho, las hormonas de nuestro cuerpo y medicamentos como la aspirina.
Para fabricar estos compuestos, a menudo comenzamos con un areno , que es un hidrocarburo aromático. Pero es difícil hacer que el areno reaccione para producir otros compuestos. Los compuestos aromáticos son extremadamente estables, y si se rompe la aromaticidad, se necesita un gran aumento de energía. Entonces, ¿cómo se fabrican estos compuestos?
Una forma es mediante la sustitución electrofílica , que elimina un hidrógeno y lo sustituye por un electrófilo. Un electrófilo es un compuesto deficiente en electrones. Este puede ser un compuesto con una carga positiva completa (por lo que hay más protones que electrones) o simplemente puede haber una carga positiva parcial por resonancia.
El areno tiene varios enlaces pi (los dobles enlaces), lo que lo hace muy rico en electrones, por lo que se lo conoce como nucleófilo .
Sustitución vs adición
Normalmente, cuando un compuesto electrófilo reacciona con un doble enlace, vemos un proceso llamado adición electrófila. Se añade el compuesto electrófilo y se rompe el doble enlace. Pero el doble enlace en los arenes no quiere romperse porque la aromaticidad se romperá. Entonces, en cambio, se usa la sustitución electrofílica.
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Dado que la sustitución electrófila elimina el hidrógeno del areno y lo reemplaza con el compuesto electrófilo, el doble enlace puede permanecer y el areno conserva su aromaticidad.
Mecanismo general
A menudo, es necesario que se produzca un paso previo antes de que se produzca la sustitución electrofílica. En este paso se forma el electrófilo, donde se disocia para formar una carga positiva.
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En general, esta reacción se produce mediante los siguientes pasos:
Reacciones de Sustitución: Tipos y ejemplos
- Paso 1: los electrones pi de uno de los dobles enlaces atacan al electrófilo formando un nuevo enlace entre el areno y el electrófilo. Dado que la aromaticidad se rompe momentáneamente para que ocurra esta reacción, se necesita mucha energía, lo que hace que este sea el paso más lento.
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- Paso 2: la carga positiva puede resonar en tres ubicaciones diferentes.
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- Paso 3: El hidrógeno extra se elimina con una base débil.
Denominación de compuestos aromáticos: tipos y ejemplos
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Con el hidrógeno extra eliminado, el enlace pi se puede reformar, recreando la aromaticidad mientras se reemplaza el hidrógeno con el electrófilo. Aunque la aromaticidad se rompe en parte de esta reacción, todavía ocurre porque al final se devuelve la aromaticidad y la molécula está en un nivel de energía más bajo que antes.
Entonces, en general, el mecanismo se ve así:
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En este mecanismo general vemos que la base débil puede provenir de la ionización del electrófilo, pero no siempre es así.
Tipos de reacciones de sustitución electrofílica
El areno más simple es el benceno (C 6 H 6 ), así que lo usaremos como ejemplo, pero los mismos principios se aplican a cualquier areno.
Hay cuatro tipos principales de reacciones de sustitución electrofílica. Se diferencian según el tipo de electrófilo que se agrega. Estos son:
- Halogenación
- Nitración
- Sulfonacion
- Friedel-Crafts
Las reacciones de halogenación agregan un halógeno (como cloro o bromo) al areno. El complejo de halógeno (X 2 ) se ioniza en halógenos individuales, uno con carga positiva y otro con carga negativa. El cloruro de hierro (III) se utiliza como catalizador.
Las reacciones de nitración agregan un grupo nitro (NO 2 ) al areno. El ácido nítrico se ioniza en un grupo nitro, que es un electrófilo. El ácido sulfúrico (H2SO 4 ) se utiliza como catalizador.
Las reacciones de sulfonación agregan un ácido sulfónico al areno. Ocurre rápidamente cuando hay un segundo ácido sulfónico que actúa como catalizador.
Las reacciones de Friedel-Crafts añaden un nuevo enlace carbono-carbono. Necesita AlCl 3 como catalizador para producirse.
Ejemplo
Veamos un ejemplo específico de sulfonación.
- Paso 1: Los electrones Pi atacan el azufre, que es extremadamente electrofílico y los electrones de uno de los enlaces oxígeno-azufre van al oxígeno, formando una carga negativa.
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- Paso 2: La carga positiva puede resonar, estabilizando esa carga positiva.
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- Paso 3: la sal básica del ácido sulfónico elimina el hidrógeno, permitiendo que el enlace pi se vuelva a formar
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- Paso 4: el oxígeno toma ese hidrógeno del ácido sulfónico
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Entonces, en general, el mecanismo se ve así:
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El azufre no tiene una carga positiva real, pero como el oxígeno es más electronegativo que el azufre, los tres átomos de oxígeno extraen la densidad de electrones del azufre.
Resumen de la lección
Los arenos , o compuestos aromáticos, experimentan reacciones de sustitución electrófila que eliminan un hidrógeno y lo sustituyen por un electrófilo. Las reacciones de sustitución electrofílica no rompen el doble enlace (a diferencia de las reacciones de adición electrofílica), por lo que se mantiene la aromaticidad del areno.
El areno actúa como un nucleófilo (da electrones) ya que es rico en electrones, que reacciona con un electrófilo , que es deficiente en electrones.
Hay cuatro tipos principales de reacciones que pueden ocurrir.
- halogenación , donde se agrega un halógeno
- nitración , donde se agrega un grupo nitro
- sulfonación , donde se agrega un ácido sulfónico
- Friedel-Crafts , donde se forma un nuevo enlace carbono-carbono
Los pasos generales en la sustitución electrofílica son:
- los electrones pi del areno atacan al electrófilo (el paso más lento)
- se elimina el hidrógeno, reformando el enlace pi
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