En una reacción de sustitución aromática electrófila , los grupos sustituyentes existentes en el anillo aromático influyen en la velocidad de reacción global o tienen un efecto directo sobre el isómero posicional de los productos que se forman. Un grupo donante de electrones ( EDG ) o grupo liberador de electrones ( ERG , Z en fórmulas estructurales) es un átomo o grupo funcional que dona parte de su densidad electrónica a un sistema π conjugado a través de resonancia.(mesomerismo) o efectos inductivos (o inducción) —llamados efectos + M o + I , respectivamente— haciendo que el sistema π sea más nucleófilo . [1] [2] Como resultado de estos efectos electrónicos , es más probable que un anillo aromático al que esté unido dicho grupo participe en la reacción de sustitución electrofílica. Por lo tanto, los EDG se conocen a menudo como grupos activadores , aunque los efectos estéricos pueden interferir con la reacción.
Un grupo de extracción de electrones (EWG) tendrá el efecto opuesto sobre la nucleofilia del anillo. El EWG elimina la densidad de electrones de un sistema π, haciéndolo menos reactivo en este tipo de reacción, [2] [3] y, por lo tanto, se denominan grupos desactivadores .
Los EDG y EWG también determinan las posiciones (relativas a ellos mismos) en el anillo aromático donde es más probable que tengan lugar las reacciones de sustitución; por tanto, esta propiedad es importante en los procesos de síntesis orgánica .
Los grupos donadores de electrones son generalmente directores orto / para para sustituciones aromáticas electrofílicas , mientras que los grupos aceptores de electrones son generalmente meta directores con la excepción de los halógenos que también son directores orto / para ya que tienen pares de electrones solitarios que se comparten con el anillo aromático.
Categorías
Los grupos donantes de electrones se dividen típicamente en tres niveles de capacidad de activación (la categoría "extrema" puede verse como "fuerte"). Los grupos que retiran electrones se asignan a agrupaciones similares. Los sustituyentes activadores favorecen la sustitución electrofílica en las posiciones orto y para . Débilmente desactivación de grupos directos electrófilos para atacar a la molécula de benceno a los orto- y para- posiciones, mientras que los grupos fuertemente y moderadamente desactivación de ataques directos a la meta- posición. [4] Este no es un caso de favorecer la metaposición como grupos funcionales para y ortodirectores, sino más bien desfavorecer las posiciones orto - y para - más que desfavorecer la meta - posición.
Activando grupos
Los grupos activadores son en su mayoría donantes de resonancia (+ M). Aunque muchos de estos grupos también se retiran inductivamente (–I), que es un efecto desactivante, el efecto de resonancia (o mesomérico) es casi siempre más fuerte, con la excepción de Cl, Br e I.
Magnitud de activación | Nombre del sustituyente (en orden aproximado de fuerza activa) | Estructura | Tipo de efecto electrónico | Efecto director |
---|---|---|---|---|
Extremo | grupo oxido | -O - | + Yo, + m | orto , para |
Fuerte | grupos amino (sustituidos) | -NH 2 , -NHR, -NR 2 | –I, + M | |
grupos hidroxi y alcoxi | -OH, -O | |||
Moderar | grupos acylamido | -NHCOR | ||
grupos aciloxi | -OCOR | |||
grupos (di) alquilfosfino , alquiltio y sulfhidrilo [5] | -PR 2 , -SR, -SH | + M (débil) | ||
Débil | grupo fenilo (o arilo) | -C 6 H 5 | –I, + M; [6] [7] aunque también pueden estar involucradas otras interacciones [8] | |
grupo de vinilo | -CH = CH 2 | |||
grupos alquilo (por ejemplo, -CH 3 , -C 2 H 5 ) | -R | |||
grupo carboxilato [9] | -CO 2 - | + Yo | ||
grupo fluoro ( posición para ) | -F | –I, + M | paraca |
En general, el efecto de resonancia de los elementos en el tercer período y más allá es relativamente débil. Esto se debe principalmente a la superposición orbital relativamente pobre del orbital 3p (o superior) del sustituyente con el orbital 2p del carbono.
Debido a un efecto de resonancia más fuerte y un efecto inductivo que los halógenos más pesados, el flúor es anómalo. El factor de velocidad parcial de sustitución aromática electrofílica en fluorobenceno es a menudo mayor que uno en la posición para , lo que lo convierte en un grupo activador. [10] Por el contrario, está moderadamente desactivado en las posiciones orto y meta , debido a la proximidad de estas posiciones al sustituyente fluoro electronegativo.
Desactivar grupos
Si bien todos los grupos de desactivación se retiran inductivamente (–I), la mayoría de ellos también se retiran a través de resonancia (–M). Los sustituyentes halógenos son una excepción: son donantes de resonancia (+ M). Con la excepción de los haluros, son meta grupos Directivo.
Haluros son orto , párr dirigir grupos, pero a diferencia de la mayoría orto , párr directores, haluros ligeramente desactivan el areno. Este comportamiento inusual se puede explicar por dos propiedades:
- Dado que los halógenos son muy electronegativos, provocan una retirada inductiva (retirada de electrones del átomo de carbono del benceno).
- Dado que los halógenos tienen electrones que no se unen, pueden donar densidad de electrones a través del enlace pi (donación por resonancia).
Las propiedades inductivas y de resonancia compiten entre sí, pero el efecto de resonancia domina con el propósito de dirigir los sitios de reactividad. Para la nitración, por ejemplo, el flúor se dirige fuertemente a la posición para porque la posición orto se desactiva inductivamente (86% para , 13% orto , 0,6% meta ). Por otro lado, el yodo se dirige a las posiciones orto y para de manera comparable (54% para y 45% orto , 1.3% meta ). [11]
Magnitud de desactivación | Nombre del sustituyente (en orden aproximado de fuerza desactivante) | Estructura | Tipo de efecto electrónico | Efecto director |
---|---|---|---|---|
Fuerte | grupo trifluorometilsulfonilo [12] | -SO 2 CF 3 | -ESTOY | meta |
grupos amonio (sustituidos) [13] | -NR 3 + (R = alquilo o H) | -I | ||
grupo nitro | -NO 2 | -ESTOY | ||
ácidos sulfónicos y grupos sulfonilo | -SO 3 H, -SO 2 R | |||
grupo ciano | -C≡N | |||
grupos trihalometil (el más fuerte para el grupo -CF 3 ) | -CX 3 (X = F, Cl, Br, I) | -I | ||
Moderar | grupos haloformilo | -TIMONEL (X = Cl, Br, I) | -ESTOY | |
grupos formilo y acilo | -CHO, -COR | |||
grupos carboxilo y alcoxicarbonilo | -CO 2 H, -CO 2 R | |||
grupos aminocarbonilo (sustituidos) | -CONH 2 , -CONHR, -CONR 2 | |||
Débil | grupo fluoro ( posiciones orto , meta ) | -F | –I, + M ( orto ) | orto , para |
grupo nitroso | -N = O | –I, + M (dímero) o –M (monómero) | ||
grupos de halo | -Cl, -Br, -I | –I, + M (débil) |
Efectos de diferentes grupos sobre el benceno
Carbonilos, ácidos sulfónicos y nitro
Debido a la carga positiva total o parcial en el elemento directamente unido al anillo para cada uno de estos grupos, todos tienen un efecto inductivo de captación de electrones de moderado a fuerte (conocido como efecto -I). También exhiben efectos de resonancia de captación de electrones (conocido como efecto -M):
Por lo tanto, estos grupos hacen que el anillo aromático sea muy pobre en electrones (δ +) en relación con el benceno y, por lo tanto, desactivan fuertemente el anillo (es decir, las reacciones proceden mucho más lentamente en los anillos que llevan estos grupos en comparación con las reacciones en el benceno).
Anilinas , fenoles y éteres (como anisol )
Debido a la diferencia de electronegatividad entre el carbono y el oxígeno / nitrógeno, habrá un ligero efecto de extracción de electrones a través del efecto inductivo (conocido como efecto –I). Sin embargo, el otro efecto llamado resonancia agrega densidad de electrones al anillo (conocido como efecto + M) y domina sobre el efecto inductivo. De ahí que el resultado sea que son EDG y directores orto / para .
El fenol es un director orto / para, pero en presencia de una base, la reacción es más rápida. Se debe a la mayor reactividad del anión fenolato . El oxígeno negativo fue 'forzado' a dar densidad de electrones a los carbonos (debido a que tiene una carga negativa, tiene un efecto + I adicional). Incluso cuando está frío y con electrófilos neutros (y relativamente débiles), la reacción aún ocurre rápidamente.
Grupos alquilo
Los grupos alquilo son grupos donantes de electrones. El carbono en el que está hibridado sp 3 y menos electronegativo que los que tienen hibridación sp 2 . Tienen superposición en los enlaces carbono-hidrógeno (o enlaces carbono-carbono en compuestos como terc -butilbenceno) con el orbital del anillo p. Por lo tanto, son más reactivos que el benceno y son directores orto / para .
Carboxilato
Inductivamente, el ión carboxilato cargado negativamente repele moderadamente los electrones en el enlace que lo une al anillo. Por lo tanto, hay un efecto + I donante de electrones débil. Hay un efecto de casi cero -M ya que la capacidad de resonancia de captación de electrones del grupo carbonilo se elimina de manera efectiva mediante la deslocalización de la carga negativa del anión en el oxígeno. Por tanto, en general, el grupo carboxilato (a diferencia del grupo carboxilo ) tiene una influencia activadora. [9]
Grupo alquilamonio y trifluorometilo
Estos grupos tienen un fuerte efecto inductivo de captación de electrones (-I) ya sea en virtud de su carga positiva o debido a la poderosa electronegatividad de los halógenos. No hay efecto de resonancia porque no hay orbitales o pares de electrones que puedan superponerse con los del anillo. El efecto inductivo actúa como que para el anión carboxilato, pero en la dirección opuesta (es decir, que produce pequeñas cargas positivas en los orto y párr posiciones, pero no en la meta posición y se desestabiliza la Wheland intermedio .) Por lo tanto estos grupos están Desactivación y meta de dirección :
Efectos que compiten con los haluros
Inducción versus resonancia
El flúor es una anomalía en esta circunstancia. Anteriormente, se describe como un grupo de captación de electrones débil, pero esto es solo parcialmente cierto. Es cierto que el flúor tiene un efecto -I, lo que hace que los electrones se retiren de forma inductiva. Sin embargo, otro efecto que juega un papel es el efecto + M que agrega densidad de electrones nuevamente al anillo de benceno (teniendo así el efecto opuesto del efecto -I pero por un mecanismo diferente). Esto se llama efecto mesomérico (de ahí + M) y el resultado para el flúor es que el efecto + M anula aproximadamente el efecto -I. El efecto de esto para el fluorobenceno en la posición para es una reactividad que es comparable (o incluso superior) a la del benceno . Debido a que los efectos inductivos dependen en gran medida de la proximidad, las posiciones meta y orto del fluorobenceno son considerablemente menos reactivas que el benceno. Por tanto, la sustitución aromática electrofílica en fluorobenceno es fuertemente paraselectiva .
Este efecto -I y + M es cierto para todos los haluros: hay cierto carácter de extracción y donación de electrones en cada uno. Para comprender por qué ocurren los cambios de reactividad, debemos considerar las superposiciones orbitales que ocurren en cada uno. Los orbitales de valencia del flúor son los orbitales 2p, que es el mismo para el carbono, por lo que estarán muy cerca en energía y la superposición de orbitales será favorable. El cloro tiene orbitales de valencia 3p, por lo tanto, las energías orbitales estarán más separadas y la geometría será menos favorable, lo que conducirá a una menor donación que estabilizará el intermedio carbocatiónico, por lo que el clorobenceno es menos reactivo que el fluorobenceno . Sin embargo, el bromobenceno y el yodobenceno son aproximadamente iguales o un poco más reactivos que el clorobenceno, porque aunque la donación por resonancia es aún peor, el efecto inductivo también se debilita debido a sus menores electronegatividades. Por lo tanto, el orden general de reactividad tiene forma de U, con un mínimo de clorobenceno / bromobenceno (tasas de nitración relativas en comparación con el benceno = 1 entre paréntesis): PhF (0.18)> PhCl ( 0.064 ) ~ PhBr ( 0.060 ) < PhI (0.12) . [11] Pero aún así, todos los halobencenos reaccionan más lentamente que el propio benceno.
Observe que el yodobenceno es aún menos reactivo que el fluorobenceno porque la polarización también juega un papel. Esto también puede explicar por qué el fósforo en los fosfanos no puede donar densidad de electrones al carbono a través de la inducción (es decir, efecto + I) aunque es menos electronegativo que el carbono (2,19 frente a 2,55, consulte la lista de electronegatividad ) y por qué el ácido yodhídrico ( pKa = -10) siendo mucho más ácido que el ácido fluorhídrico (pKa = 3). (Eso es 10 13 veces más ácido que el ácido fluorhídrico)
Efecto director
Debido al par solitario de electrones, los grupos halógenos están disponibles para donar electrones. Por lo tanto, son directores orto / para .
Grupo nitroso
Inducción
Debido a la diferencia de electronegatividad entre el carbono y el nitrógeno, el grupo nitroso tiene un efecto -I relativamente fuerte, pero no tan fuerte como el grupo nitro. (Los átomos de nitrógeno cargados positivamente en los cationes de alquilamonio y en los grupos nitro tienen un efecto -I mucho más fuerte)
Resonancia
El grupo nitroso tiene un efecto + M y -M, pero el efecto -M es más favorable.
El nitrógeno tiene un solo par de electrones. Sin embargo, el par solitario de su forma de monómero es desfavorable para donar mediante resonancia. Solo la forma de dímero está disponible para el efecto + M. Sin embargo, la forma de dímero es menos estable en solución. Por tanto, el grupo nitroso está menos disponible para donar electrones.
Por el contrario, la extracción de la densidad de electrones es más favorable: (vea la imagen de la derecha).
Como resultado, el grupo nitroso es un desactivador. Sin embargo, tiene disponible para donar densidad de electrones al anillo de benceno durante el intermedio de Wheland , por lo que sigue siendo un director orto / para .
Efectos estéricos
Hay 2 posiciones orto , 2 posiciones meta y 1 posición para en el benceno cuando se le atribuye un grupo. Cuando un grupo es un director orto / para con posiciones orto y para reaccionando con el mismo factor de tasa parcial, esperaríamos el doble de producto orto que producto para debido a este efecto estadístico. Sin embargo, los factores de tasa parcial en las posiciones orto y para no son generalmente iguales. En el caso de un sustituyente de flúor, por ejemplo, el factor de tasa parcial orto es mucho más pequeño que el para , debido a un efecto de retirada inductivo más fuerte en la posición orto . Aparte de estos efectos, a menudo también hay un efecto estérico , debido al aumento del impedimento estérico en la posición orto pero no en la posición para , lo que conduce a una mayor cantidad del producto para .
El efecto se ilustra para sustituciones aromáticas electrofílicas con sustituyentes alquilo de diferente demanda estérica para la nitración aromática electrofílica. [14]
Sustrato | tolueno [-CH 3 ] | etilbencina [-CH 2 CH 3 ] | cumene [-CH (CH 3 ) 2 ] | terc- butilbenceno [-C (CH 3 ) 3 ] |
---|---|---|---|---|
producto orto | 58 | 45 | 30 | dieciséis |
meta producto | 5 | 6 | 8 | 11 |
para producto | 37 | 59 | 62 | 73 |
orto / para relación | 1,57 | 0,76 | 0,48 | 0,22 |
El grupo metilo en el tolueno es pequeño y hará que el producto orto sea el producto principal. Por otro lado, el grupo t -butilo es muy voluminoso (hay 3 grupos metilo unidos a un solo carbono) y conducirá al producto para como el principal. Incluso con tolueno, el producto no es 2: 1 pero tiene un producto ligeramente menos orto .
Efecto direccional sobre múltiples sustituyentes
Cuando dos sustituyentes ya están presentes en el anillo, el lugar del tercer sustituyente estará en un lugar localizado. Las reglas para el sustituyente son las siguientes:
- Cuando dos directores orto / para son meta entre sí, el tercer sustituto no se ubicará entre ellos.
- Cuando tanto un director orto / para como un director meta están presentes en el ring, el lugar del tercer sustituto depende del director orto / para .
- Cuando ambos grupos son el mismo director, el tercer sustituto depende del más fuerte.
- Cuando ambos grupos tienen un efecto de dirección similar y son para el uno del otro, el tercer sustituyente depende del menos obstaculizado. [15]
Racionalización de los efectos directores
Si bien los efectos estéricos son una consideración, la principal racionalización de los grupos donadores y receptores de electrones es su perturbación de la distribución electrónica del anillo aromático, principalmente a través de efectos mesoméricos que se extienden a través de todo el sistema conjugado, para crear regiones de exceso o deficiencia. π densidad de electrones. La consideración de formas de resonancia es útil a este respecto, ya que proporcionan un medio conveniente para determinar la ubicación de estas perturbaciones. Más específicamente, cualquier carga formal negativa o positiva en contribuyentes de resonancia menores (las que están de acuerdo con la polarización natural pero no necesariamente obedecen a la regla del octeto ) reflejan ubicaciones que tienen un coeficiente mayor o menor, respectivamente, en el orbital molecular π ocupado de alta energía (s ). Un átomo de carbono con un coeficiente mayor será atacado preferentemente, debido a una superposición orbital más favorable con el electrófilo. [dieciséis]
La perturbación de un grupo conjugado de absorción o donación de electrones hace que la distribución de electrones π se asemeje a la del catión bencilo deficiente en electrones o al anión bencilo con exceso de electrones, respectivamente, aunque el cambio en la distribución de electrones ocurre en un grado menor que en estos casos limitantes. Por lo tanto, podemos usar estas especies simples, cuya distribución de electrones π se puede calcular usando la teoría de Hückel simple , como modelos para racionalizar el resultado regioquímico de la sustitución aromática electrofílica. Como puede verse, la población π electrones a los orto y párr posiciones se agota para el caso de un grupo aceptor de electrones, provocando meta ataque que se producen como la opción menos disfavourable. Por el contrario, cuando está presente un grupo donante de electrones, las posiciones orto y para tienen una población de electrones π aumentada en comparación con la posición meta , lo que favorece el ataque en las posiciones orto y para sobre la posición meta . [17]
Este es precisamente el resultado que predeciría el dibujo de estructuras de resonancia. Por ejemplo, en el nitrobenceno, las estructuras de resonancia tienen cargas positivas alrededor del sistema de anillos (vea la imagen a continuación):
El ataque se produce en la posición meta , ya que las posiciones orto y para tienen cargas positivas formales (parciales) que son indicativas de una deficiencia de electrones π en estas posiciones, lo que deja las posiciones meta con una densidad de electrones ligeramente superior. Por otro lado, en la anilina, las estructuras de resonancia tienen cargas negativas alrededor del sistema de anillos (vea la imagen a continuación):
El ataque ocurre en las posiciones orto y para , que tienen cargas negativas formales (parciales) que indican un exceso de electrones π en estas posiciones.
Otro argumento común, que hace predicciones idénticas, considera la estabilización o desestabilización por sustituyentes de los intermedios de Wheland resultantes del ataque electrofílico en las posiciones orto / para o meta . El postulado de Hammond dicta entonces que las energías del estado de transición relativo reflejarán las diferencias en las energías del estado fundamental de los intermedios de Wheland. [13] [18] ( Ver sustitución aromática electrofílica para obtener detalles de este argumento ) .
Las selectividades observadas con EDG y EWG se describieron por primera vez en 1892 y se conocen como la regla de Crum Brown-Gibson . [19]
Ver también
- Sustitución aromática electrofílica
Referencias
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