Chimica organica per il liceo/Reazioni del benzene

Approfondimenti

Introduzione

Il benzene è molto stabile grazie ai sei elettroni π delocalizzati, che seguono la regola di Hückel. Per questo motivo non subisce reazioni di addizione, ma preferisce mantenere l’anello aromatico tramite reazioni di sostituzione elettrofila aromatica (EAS).

Le sei principali reazioni di sostituzione elettrofila del benzene sono:

Tipo di reazione	Reagenti principali	Catalizzatore	Elettrofilo attivo	Cosa viene attaccato al benzene	Prodotto
Alogenazione	Cl₂ o Br₂	FeCl₃ o FeBr₃	Cl⁺ o Br⁺	--Br (oppure --Cl)	Alo-benzene (es. C₆H₅Cl)
Nitrazione	HNO₃	H₂SO₄	NO₂⁺	--NO2	Nitrobenzene (C₆H₅NO₂)
Solfonazione	H₂SO₄ + SO₃	—	SO₃H⁺	--SO3H	Acido benzensolfonico
Alchilazione	R–Cl	AlCl₃	R⁺	--CH3 (oppure --CH2CH3)	Arene (C₆H₅–R)
Acilazione	RCOCl	AlCl₃	RCO⁺	--COCH3	Chetoni arilici (C₆H₅COR)
Idrossilazione	Reazione meno comune	—	—	--OH	Fenolo (C₆H₅OH)

È utile riconoscere le somiglianze tra queste reazioni, poiché tutte seguono meccanismi simili e permettono di conservare l'aromaticità del benzene.

Reazioni di sostituzione aromatica elettrofila - Bromurazione

Perché avvenga la reazione è necessario un elettrofilo forte, infatti la reazione non procede con Br₂, un elettrofilo moderato.

Serve dunque un elettrofilo forte, come lo sono i cationi. Per queste reazioni di sostituzione elettrofila è stato proposto un meccanismo a due stadi. Nel primo stadio, lento o determinante la velocità, l'elettrofilo forma un legame sigma con l'anello benzenico, generando un intermedio di arenio carico positivamente . Nel secondo stadio, rapido, un protone viene rimosso da questo intermedio, producendo un anello benzenico sostituito. La seguente illustrazione in quattro parti mostra questo meccanismo per la reazione di bromurazione. È inoltre possibile visualizzare un diagramma animato.

Fase preliminare: Formazione del catione bromo fortemente elettrofilo

Il FeBr₃ si lega al Br₂, polarizzando la molecola e generando un catione bromo (Br⁺) fortemente elettrofilo, capace di attaccare il benzene.

Fase 1: Attacco dell’elettrofilo

• Il benzene reagisce con Br⁺, formando un legame sigma con un atomo di carbonio dell’anello.
• Si forma un intermedio carbocationico detto ione benzenonio o ione arenio, stabilizzato per risonanza ma non aromatico → alta energia di attivazione.

Fase 1: L'elettrofilo forma un legame sigma con l'anello benzenico, generando un intermedio di benzenonio caricato positivamente

Fase 2: Perdita del protone

• Una base (es. Br⁻ o il complesso con FeBr₃) rimuove un protone dall'atomo di carbonio sp³.
• Gli elettroni ritornano nell’anello, ristabilendo l’aromaticità e formando bromobenzene. → Questo passaggio è rapido e a bassa energia di attivazione.

Fase 2: Un protone viene rimosso da questo intermedio, producendo un anello benzenico sostituito

La bromurazione del benzene è un esempio di sostituzione elettrofila aromatica, un processo in cui un elettrofilo attacca il benzene, sostituendo un atomo di idrogeno. Tuttavia, gli alogeni da soli non sono elettrofili abbastanza forti da rompere l’aromaticità del benzene; perciò serve un catalizzatore, come FeBr₃, per attivare il Br₂.

Confronto con altre reazioni carbocationiche

Il meccanismo della sostituzione elettrofila aromatica è simile a quello delle reazioni Sₙ1, E1 e delle addizioni acide agli alcheni. Tuttavia, l’intermedio arenio è stabilizzato dalla risonanza e non subisce riarrangiamenti.

Vie possibili per un carbocatione intermedio:

1. Addizione di un nucleofilo (es. Sₙ1);
2. Perdita di un protone → doppio legame (es. E1);
3. Riarrangiamento in un carbocatione più stabile.

Nel caso della sostituzione elettrofila aromatica, prevale la modalità 2: perdita di un protone, perché l’obiettivo è ristabilire l’aromaticità.

Esercizi suggeriti:

1. Identificare i reagenti per ottenere clorobenzene da benzene.
2. Prevedere il prodotto della reazione tra benzene e I₂.
3. Determinare il prodotto tra benzene, Br₂ e FeBr₃.
4. Disegnare la formazione di Cl⁺ da AlCl₃ e Cl₂.
5. Mostrare il meccanismo tra Cl⁺ e benzene.

Altre sostituzioni aromatiche

Nitrazione del Benzene

La nitrazione e la solfonazione del benzene sono due esempi di sostituzione elettrofila aromatica. Lo ione nitronio (${\ce {NO2^+}}$) e il triossido di zolfo (${\ce {SO3}}$) sono gli elettrofili e reagiscono individualmente con il benzene per dare rispettivamente nitrobenzene e acido benzensolfonico.

La fonte dello ione nitronio è la protonazione dell'acido nitrico da parte dell'acido solforico, che causa la perdita di una molecola d'acqua e la formazione di uno ione nitronio.

Nitration of Benzene

Attivazione dell'Acido Nitrico da parte dell'Acido Solforico

Il primo passo nella nitrazione del benzene è attivare l'${\ce {HNO3}}$ con acido solforico per produrre un elettrofilo più forte, lo ione nitronio.

Activation of nitricacid

Poiché lo ione nitronio è un buon elettrofilo, viene attaccato dal benzene per produrre il nitrobenzene.

Meccanismo

Mechanism of aromatic nitration

(Le forme di risonanza dell'intermedio possono essere viste nel meccanismo generale della sostituzione elettrofila aromatica)

Solfonazione del Benzene

La solfonazione è una reazione reversibile che produce acido benzensolfonico aggiungendo triossido di zolfo e acido solforico fumante. La reazione viene invertita aggiungendo acido acquoso caldo all'acido benzensolfonico per riottenere il benzene.

Sulfonation of benzene

Meccanismo

Per produrre acido benzensolfonico dal benzene, si aggiungono acido solforico fumante e triossido di zolfo. L'acido solforico fumante, noto anche come oleum, è una soluzione concentrata di triossido di zolfo disciolto in acido solforico. Lo zolfo nel triossido di zolfo è elettrofilo perché gli atomi di ossigeno, molto elettronegativi, attirano elettroni da esso. Il benzene attacca lo zolfo (e avvengono successivi trasferimenti protonici) per produrre l'acido benzensolfonico.

Mechanismofaromaticsulfonation

Solfonazione Inversa

La solfonazione del benzene è una reazione reversibile. Il triossido di zolfo reagisce prontamente con l'acqua per produrre acido solforico e calore. Pertanto, riscaldando l'acido benzensolfonico in acido solforico acquoso diluito, la reazione viene invertita.

Reverse sulfonation

Esercizi

Effetti sostituenti negli anelli aromatici sostituiti

I sostituenti possono comportarsi come attivante o disattivante rispetto alla sostituzione elettrofila aromatica: ${\ce {-NH2}}$, ${\ce {-OH}}$, ${\ce {-NHR}}$, ${\ce {-NR2}}$, ${\ce {-OR}}$, ${\ce {-NHCOR}}$, alchile (R), fenile, ${\ce {R3N^+}}$, ${\ce {-NO2}}$, ${\ce {-CN}}$, ${\ce {-COR}}$, ${\ce {-CO2H}}$, ${\ce {-CO2R}}$, ${\ce {-CHO}}$, alogeni.

Effetti dei Sostituenti sulla Reattività

Quando i composti benzenici sostituiti subiscono reazioni di sostituzione elettrofila del tipo discusso in precedenza, devono essere considerate due caratteristiche correlate:

1. La reattività relativa del composto rispetto al benzene stesso. Gli esperimenti hanno dimostrato che i sostituenti su un anello benzenico possono influenzare la reattività in modo profondo. Ad esempio, un sostituente idrossi o metossi aumenta la velocità della sostituzione elettrofila di circa diecimila volte. Al contrario, un sostituente nitro diminuisce la reattività dell'anello di circa un milione di volte. Questa **attivazione** o **disattivazione** dell'anello benzenico verso la sostituzione elettrofila può essere correlata all'influenza elettron-donatrice o elettron-attrattrice dei sostituenti. Nel diagramma seguente, vediamo che i sostituenti elettron-donatori (dipoli blu) attivano l'anello benzenico verso l'attacco elettrofilo, mentre i sostituenti elettron-attrattori (dipoli rossi) disattivano l'anello (lo rendono meno reattivo all'attacco elettrofilo).

   

   activation or deactivation of the benzene ring

L'influenza che un sostituente esercita sulla reattività di un anello benzenico può essere spiegata dall'interazione di due effetti:

• L'effetto induttivo del sostituente. La maggior parte degli elementi, ad eccezione dei metalli e del carbonio, ha un'elettronegatività significativamente maggiore dell'idrogeno. Di conseguenza, i sostituenti in cui atomi di azoto, ossigeno e alogeni formano legami sigma con l'anello aromatico esercitano un'attrazione elettronica induttiva, che disattiva l'anello.
• L'effetto di risonanza (o di coniugazione). Questo effetto è il risultato della coniugazione di una funzione sostituente con l'anello aromatico. Questa interazione coniugativa facilita la donazione o l'attrazione di coppie di elettroni, da o verso l'anello benzenico, in un modo diverso dallo spostamento induttivo. Se l'atomo legato all'anello ha una o più coppie di elettroni di valenza non leganti (come azoto, ossigeno e alogeni), gli elettroni possono fluire nell'anello aromatico tramite coniugazione p-π (risonanza). Infine, doppi e tripli legami polari coniugati con l'anello benzenico possono attrarre elettroni. In entrambi i casi di risonanza, la distribuzione della carica nell'anello benzenico è maggiore nelle posizioni orto e para rispetto al sostituente.

Nel caso dei gruppi attivanti di azoto e ossigeno, la donazione di elettroni per risonanza domina sull'effetto induttivo e questi composti mostrano una reattività eccezionale nelle reazioni di sostituzione elettrofila. Sebbene gli atomi di alogeno abbiano coppie di elettroni di valenza non leganti che partecipano alla coniugazione p-π, il loro forte effetto induttivo predomina, e composti come il clorobenzene sono meno reattivi del benzene. I gruppi con doppi o tripli legami polari (come ${\ce {-NO2}}$ o ${\ce {-COR}}$) sono esempi di attrazione di elettroni per coniugazione, e in questi casi l'effetto induttivo rafforza ulteriormente la disattivazione dell'anello benzenico. I sostituenti alchilici come il metile aumentano la nucleofilia degli anelli aromatici allo stesso modo in cui agiscono sui doppi legami.

Classificazione dei Sostituenti

Gli anelli sostituiti sono divisi in due gruppi in base al tipo di sostituente che l'anello porta:

• Anelli attivati: i sostituenti sull'anello sono gruppi elettron-donatori.
• Anelli disattivati: i sostituenti sull'anello sono gruppi elettron-attrattori.

Gruppi Attivanti

Esempi di gruppi attivanti in ordine relativo dal più attivante al meno attivante: ${\ce {-NH2}}$, ${\ce {-NR2}}$ > ${\ce {-OH}}$, ${\ce {-OR}}$ > ${\ce {-NHCOR}}$ > ${\ce {-CH3}}$ e altri gruppi alchilici (con R come gruppi alchilici, ${\ce {C_nH_{2n+1}}}$)

Gruppi Disattivanti

Esempi di gruppi disattivanti in ordine relativo dal più disattivante al meno disattivante: ${\ce {-NO2}}$, ${\ce {-CF3}}$ > ${\ce {-COR}}$, ${\ce {-CN}}$, ${\ce {-CO2R}}$, ${\ce {-SO3H}}$ > Alogeni (con R come gruppi alchilici, ${\ce {C_nH_{2n+1}}}$)

L'ordine di reattività tra gli Alogeni dal più reattivo (sostituente meno disattivante) al meno reattivo (sostituente più disattivante) è: ${\ce {F > Cl > Br > I}}$ L'ordine di reattività degli anelli benzenici verso la sostituzione elettrofila quando sono sostituiti con un alogeno segue l'ordine di elettronegatività. L'anello sostituito con l'alogeno più elettronegativo è l'anello più reattivo (sostituente meno disattivante).

Effetto Orientante e Reattività

L'effetto orientante della reazione

I gruppi attivanti orientano la reazione verso le posizioni orto o para. I gruppi disattivanti orientano la reazione verso la posizione meta, con l'eccezione degli alogeni, che sono disattivanti ma orientano la sostituzione in orto e para.

Attivanti e alogeni	Disattivanti
activating group directs the reaction to the ortho or para position

Meccanismi dell'effetto orientante

I sostituenti determinano l'orientamento della reazione tramite l'effetto di risonanza o l'effetto induttivo.

• Effetto di risonanza: la coniugazione tra l'anello e il sostituente, che delocalizza gli elettroni π.
• Effetto induttivo: l'attrazione degli elettroni del legame sigma dall'anello verso il sostituente, a causa della maggiore elettronegatività del sostituente.

Gruppi attivanti (orientanti orto-para) Quando sostituenti come ${\ce {-OH}}$ hanno una coppia di elettroni non condivisa, l'effetto di risonanza (donazione di elettroni all'anello) è più forte dell'effetto induttivo (attrazione di elettroni), rendendo questi sostituenti degli attivanti. La densità elettronica extra viene localizzata sui carboni in orto e para, rendendo queste posizioni più reattive verso l'elettrofilo e stabilizzando l'intermedio carbocationico (ione arenio). Anche i gruppi alchilici attivano e orientano in orto/para tramite effetto induttivo.

Activating groups (ortho or para directors)

Gruppi disattivanti (orientanti meta) I gruppi disattivanti (es. ${\ce {-NO2}}$) attraggono densità elettronica dall'anello tramite effetto induttivo e di risonanza. Questo rende le posizioni orto e para parzialmente positive e quindi sfavorevoli all'attacco di un elettrofilo. Di conseguenza, l'elettrofilo attacca le posizioni meta, che sono relativamente meno povere di elettroni.

Deactivating group (meta directors)

Alogeni (disattivanti, ma orientanti orto-para) Gli alogeni sono un caso speciale. Disattivano l'anello tramite un forte effetto induttivo elettron-attrattore. Tuttavia, possiedono anche doppietti non condivisi che possono donare per risonanza. Questo effetto di risonanza, sebbene più debole di quello induttivo, è sufficiente a stabilizzare gli intermedi degli attacchi in orto e para rispetto all'attacco in meta, dirigendo quindi la sostituzione in quelle posizioni.

Effetto dei sostituenti sulla velocità di reazione

La reazione di un anello sostituito con un gruppo attivante è più veloce della stessa reazione con il benzene. Al contrario, un anello sostituito con un gruppo disattivante reagisce più lentamente del benzene.

I gruppi attivanti aumentano la densità elettronica sull'anello, stabilizzando l'intermedio carbocationico e abbassando l'energia di attivazione. I gruppi disattivanti, invece, ritirano densità elettronica, destabilizzando l'intermedio e aumentando l'energia di attivazione.

Alogeni

Gli alogeni rappresentano un interessante caso ibrido. Sono orientanti orto-para, ma sono disattivanti. Complessivamente, essi sottraggono densità elettronica dall'anello a causa del loro forte effetto induttivo, rendendolo meno reattivo. Tuttavia, grazie alla loro capacità di donare elettroni per risonanza, se l'anello reagisce, lo fa principalmente nelle posizioni orto e para, dove l'intermedio è maggiormente stabilizzato.

Esercizi

Fonti

https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Organic_Chemistry/Organic_Chemistry_(Morsch_et_al.)/16%3A_Chemistry_of_Benzene_-_Electrophilic_Aromatic_Substitution