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Organic Chemistry, 7th Edition
L. G. Wade, Jr.
Capítulo 17
Reacciones de Compuestos
Aromáticos
©2010, Prentice Hall
Substitución Electrofílica
Aromática
 Aunque los electrones π de benceno constituyen un sistema
aromático estable, pueden atacar a un electrófilo fuerte para
producir uncarbocatión.
 El carbocatión (estabilizado por resonancia) se denomina
complejo sigma .
 La aromaticidad se regenera por la pérdida de un protón.
Chapter 17
2
Mecanismo de la Substitución
Electrofílica Aromática
Chapter 17
3
Bromación de Benceno
Chapter 17
4
Mecanismo para la Bromación
de Benceno: Paso 1
Br Br
FeBr3
Br
+
Br
FeBr3
(stronger electrophile than Br2)
 El Electrófilo debe activarse.
 Un ácido de Lewis fuerte, como FeBr3, sirve como
catalizador para activar el electrófilo.
Chapter 17
5
Mecanismo para la Bromación de
Benceno: Pasos 2 y 3
Paso 2: Ataque Electrofílico y formación del complejo sigma.
H
H
H
H
Br
H
H
H
Br
Br
FeBr3
H
H
H
+ FeBr4-
H
H
Paso 3: Pérdida del protón.
H
H
H
Br
H
FeBr4H
Br
+ FeBr3 + HBr
H
H
H
H
H
H
Chapter 17
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Diagrama de Energía para la Bromación
Chapter 17
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Cloración y Iodación
 Cloración es similar a la bromación. Se
usa AlCl3 o FeCl3 como catalizador.
 Iodación requiere un agente oxidante
ácido para producir el electrófilo (I+).
H+ + HNO3 + ½ I2
Chapter 17
I+ + NO2 + H2O
8
Solved Problem 1
Predict the major product(s) of bromination of p-chloroacetanilide.
Solution
The amide group (–NHCOCH3) is a strong activating and directing group because the nitrogen atom
with its nonbonding pair of electrons is bonded to the aromatic ring. The amide group is a stronger
director than the chlorine atom, and substitution occurs mostly at the positions ortho to the amide. Like
an alkoxyl group, the amide is a particularly strong activating group, and the reaction gives some of
the dibrominated product.
Chapter 17
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Nitración de Benceno
NO2
HNO3
H2SO4
+
H2O
 H2SO4 se usa como catalizador, facilitando que la
reacción ocurra de manera rápida a baja
temperatura.
 HNO3 y H2SO4 reaccionan para formar el electrófilo
de la reacción: NO2+.
Chapter 17
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Mecanismo de la Nitración de
Benceno
Chapter 17
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Reducción del Grupo Nitro
NO2
NH2
Zn, Sn, or Fe
aq. HCl
 Este es el mejor método de introducir un
grupo amino al anillo.
Chapter 17
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Sulfonación de Benceno
+
SO3
H2SO4
SO3H
 El electrófilo es SO3.
 Se usa una mezcla de 7% de SO3 en H2SO4. Esto
recibe el nombre de “ácido sulfúrico fumante”.
Chapter 17
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Mecanismo de la Sulfonación
Chapter 17
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Reacción de Desulfonación
SO3H
+
H , heat
+ H2O
H
+ H2SO4
 Sulfonation is reversible.
Chapter 17
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Mechanism of Desulfonation
 In the desulfonation reaction, a proton adds
to the ring (the electrophile) and loss of sulfur
trioxide gives back benzene.
Chapter 17
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Nitración de Tolueno
 Tolueno reacciona 25 veces más rápido que
benceno.
 El grupo metil es un activador.
Chapter 17
17
Substitución orto y para
 El ataque a posiciones orto y para es preferido porque
sus estructuras de resonancias incluyen un
carbocatión terciario. Chapter 17
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Diagrama de Energía
Chapter 17
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Substitución Meta
 El complejo sigma es menos estable que aquel
formado cuando el ataque es en posiciones orto y
para.
Chapter 17
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Estabilización de Grupos Alquilo
CH2CH3
CH2CH3
CH2CH3
CH2CH3
Br
Br2
FeBr3
+
+
Br
o-bromo
(38%)
m-bromo
(< 1%)
Br
p-bromo
(62%)
 Los grupos alquilos son activantes y directores orto y
para.
 Este efecto es llamado efecto inductivo porque los
grupos alquilo pueden donar densidad electrónica al
anillo a través del enlace sigma.
Chapter 17
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Substituyentes con Electrones no
Enlazantes
El complejo sigma es estabilizado por resonancia.
Chapter 17
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Ataque Meta en Anisol
 El grupo metoxi no pude estabilizar el
complejo sigma en la substitución meta.
Chapter 17
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Bromación de Anisol
 El grupo metoxi es un fuerte activador y
produce el producto tribromado sin activador.
Chapter 17
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El Grupo Amino
 Anilina reacciona con Agua de Br2 (sin
catalizador) para producir tribromoanilina.
 Se usa bicarbonato de
Sodio para
neutralizar el HBr que se forma.
Chapter 17
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Resumen de Activadores
(Dirigen orto y para)
Chapter 17
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Activadores y Desactivadores
 Si el substituyente en el anillo el electrodonante, se
activarán las posiciones orto y para.
 Si el substituyente en el anillo es electroatrayente, se
desactivan las posiciones orto y para.
Chapter 17
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Nitración de Nitrobenceno
 Nitrobenceno sufre substitución electrofílica100,000
veces más lento que benceno.
 El producto principal es la substitución en posición
meta.
Chapter 17
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Substitución Orto en Nitrobenceno
 El grupo nitro es un fuerte desactivante. El nitrógeno
siempre tiene carga formal positiva.
 Orto o para originarán un intermediario
especialmente inestable.
Chapter 17
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Substitución Meta en Nitrobenceno
 No es tan inestable como en el caso orto o
para.
Chapter 17
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Diagrama de Energía
Chapter 17
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Desactivadores y Directores Meta
 La mayoría de los grupos electroatrayentes
sondesactivadores y directores-meta.
 Por efecto inductivo, el anillo tiene menos
densidad electrónica que benceno y por lo
tanto reaccionará más lento.
Chapter 17
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Ataque Orto en Acetofenona
Chapter 17
33
Ataque Meta en Acetofenona
Chapter 17
34
Otros Desactivadores
Chapter 17
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Nitración de Clorobenceno
Chapter 17
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Los Halógenos son Desactivadores
X
 Efecto Inductivo: Los halógenos son
desactivantes porque son electronegativos y
disminuyen la densidad electrónica en el
anillo.
Chapter 17
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Los Halógenos son Directores
Orto, Para
 Efecto de Resonancia: Los pares de
electrones no compartidos estabilizan el
complejo sigma por resonancia.
Chapter 17
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Diagrama de Energía
Chapter 17
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Resumen de Efectos Directores
Chapter 17
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Efecto de Múltiples Substituyentes
 El efecto director de los grupos pueden
reforzar el efecto de unoy del otro.
Chapter 17
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Efecto de Múltiples
Substituyentes (Continuación)
Chapter 17
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Efecto de Múltiples
Substituyentes (Continuación)
OCH3
OCH3
OCH3
Br
Br2
FeBr3
O2N
O2N
O2N
Br
Productos principales
 Si los efectos directores se oponen unos
a otros, el activante más fuerte
predomina.
Chapter 17
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Alquilación Friedel–Crafts
 Síntesis de alquilbencenos de haluros de
alquilo y ácidos de Lewis, generalmente
AlCl3.
Chapter 17
44
Mecanismo de la Reacción
Friedel–Crafts
Paso 1
Paso 2
Paso 3
Chapter 17
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Protonación de Alquenos
 HF puede protanar un alqueno.
 Se usa este ácido débil porque F_ es un
nucleófilo débil y no atacará al carbocatión.
Chapter 17
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Alcohols and Lewis Acids
 Alcohols can be treated with BF3 to form the
carbocation.
Chapter 17
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Limitations of Friedel–Crafts
 Reaction fails if benzene has a substituent
that is more deactivating than halogens.
 Rearrangements are possible.
 The alkylbenzene product is more reactive
than benzene, so polyalkylation occurs.
Chapter 17
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Rearrangements
Chapter 17
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Solved Problem 2
Devise a synthesis of p-nitro-t-butylbenzene from benzene.
Solution
To make p-nitro-t-butylbenzene, we would first use a Friedel–Crafts reaction to make t-butylbenzene.
Nitration gives the correct product. If we were to make nitrobenzene first, the Friedel–Crafts reaction
to add the t-butyl group would fail.
Chapter 17
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Acilación Friedel–Crafts
Chapter 17
51
Mecanismo de Acilación
Paso 1: Formación del ion acilio.
Paso 2: Ataque Electrofílico para formar el complejo sigma.
Chapter 17
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Reducción Clemmensen
 La Reducción de Clemmensen es una
manera de convertir acilbencenos a
alquilbencenos.
Chapter 17
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Nucleophilic Aromatic
Substitution
 A nucleophile replaces a leaving group on the
aromatic ring.
 This is an addition–elimination reaction.
 Electron-withdrawing substituents activate the
ring for nucleophilic substitution.
Chapter 17
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Mechanism of Nucleophilic
Aromatic Substitution
Step 1: Attack by hydroxide gives a resonance-stabilized complex.
Step 2: Loss of chloride gives the product. Step 3: Excess base deprotonates the product.
Chapter 17
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Activated Positions
 Nitro groups ortho and para to the halogen
stabilize the intermediate (and the transition
state leading to it).
 Electron-withdrawing groups are essential for
the reaction to occur.
Chapter 17
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Benzyne Reaction: EliminationAddition
 Reactant is halobenzene with no electronwithdrawing groups on the ring.
 Use a very strong base like NaNH2.
Chapter 17
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Benzyne Mechanism
 Sodium amide abstract a proton.
 The benzyne intermediate forms when the bromide is
expelled and the electrons on the sp2 orbital adjacent
to it overlap with the empty sp2 orbital of the carbon
that lost the bromide.
 Benzynes are very reactive species due to the high
strain of the triple bond.
Chapter 17
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Nucleophilic Substitution on the
Benzyne Intermediate
Chapter 17
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Chlorination of Benzene
 Addition to the
benzene ring may
occur with excess of
chlorine under heat
and pressure.
 The first Cl2 addition is
difficult, but the next
two moles add rapidly.
Chapter 17
An insecticide
60
Catalytic Hydrogenation
CH 3
CH 3
3 H 2, 1000 psi
Ru, 100°C
CH 3
CH 3
 Elevated heat and pressure is required.
 Possible catalysts: Pt, Pd, Ni, Ru, Rh.
 Reduction cannot be stopped at an
intermediate stage.
Chapter 17
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Birch Reduction
H
H
H
H
Na or Li
NH3 (l), ROH
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
 This reaction reduces the aromatic ring to a
nonconjugated 1,4-cyclohexadiene.
 The reducing agent is sodium or lithium in a
mixture of liquid ammonia and alcohol.
Chapter 17
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Mechanism of the Birch Reduction
Chapter 17
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Limitations of the Birch Reduction
Chapter 17
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Side-Chain Oxidation
CH2CH3
KMnO4, NaOH
H2O, 100oC
CO2H
(or Na2Cr2O7, H2SO4 , heat)
 Alkylbenzenes are oxidized to benzoic acid by
heating in basic KMnO4 or heating in
Na2Cr2O7/H2SO4.
 The benzylic carbon will be oxidized to the carboxylic
acid.
Chapter 17
65
Side-Chain Halogenation
Br
CH2CH3
Br2 or NBS
h
CHCH3
 The benzylic position is the most reactive.
 Br2 reacts only at the benzylic position.
 Cl2 is not as selective as bromination, so
results in mixtures.
Chapter 17
66
Mechanism of Side-Chain
Halogenation
Chapter 17
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SN1 Reactions
 Benzylic carbocations are resonancestabilized, easily formed.
 Benzyl halides undergo SN1 reactions.
CH 2Br
C H 3 CH 2 O H, heat
Chapter 17
C H 2 O CH 2C H 3
68
SN2 Reactions
 Benzylic halides are
100 times more
reactive than
primary halides via
SN2.
 The transition state
is stabilized by a
ring.
Chapter 17
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Oxidation of Phenols
OH
O
Cl
Cl
Na2Cr2O7
H2SO4
O
2-chloro-1,4-benzoquinone
 Phenol will react with oxidizing agents to produce
quinones.
 Quinones are conjugated 1,4-diketones.
 This can also happen (slowly) in the presence of air.
Chapter 17
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