3.3 Alquilação e Acilação de Friedel–Crafts

3.8 Sem consultar a seção anterior, tente representar o mecanismo da nitração do benzeno. Você vai precisar de um pedaço de papel separado para escrever sua resposta. Certifique-se de iniciar representando o mecanismo da formação do NO + e, então, mostre a reação do benzeno com o NO +. 2 2

 

3.3 ALQUILAÇÃO E ACILAÇÃO DE FRIEDEL–CRAFTS

 

Nas seções anteriores, vimos como inserir diversos grupos diferentes (Br, Cl, I ou NO ) em um anel de benzeno com o uso de uma substituição eletrofílica 2

aromática. Em cada caso, o mecanismo foi o mesmo: E+ no anel e, então, H+ fora do anel. Nesta seção, aprenderemos como inserir um grupo alquila.

Comecemos com o mais simples de todos os grupos alquila: um grupo

metila. Assim, a questão é: que reagentes precisaríamos utilizar para obter a transformação vista a seguir:

 

Utilizando a lógica que desenvolvemos neste capítulo, usaríamos o CH + 3

como nosso eletrófilo. Porém, você provavelmente irá se assustar ao ver o CH +. 3 Afinal, você provavelmente se lembra da tendência da estabilidade dos carbocátions — que carbocátions terciários são mais estáveis do que carbocátions secundários e assim por diante. Certamente um carbocátion metila não seria estável de modo algum. De fato, evitamos deliberadamente utilizar carbocátions metila ou primários ao representarmos mecanismos. Porém, aqui estamos tentando produzir um carbocátion metila. Será possível? A resposta é: sim. De fato, vamos produzi-lo utilizando o mesmo método que usamos nas seções anteriores.

Se usarmos o cloreto de metila e o misturarmos com um pouco de AlCl3,

teremos uma fonte de CH +: 3

 

A verdade é que NÃO estamos formando um carbocátion metila livre que possa estar em solução. Um CH + 3 livre seria muito instável para se formar. Assim, em lugar disso, devemos pensar no processo anterior como o da formação de um complexo que pode servir de “fonte” de CH +. 3

 

Isto nos oferece um método para a metilação de um anel de benzeno:

 

E o mecanismo, uma vez mais, é o mesmo que vimos tantas e tantas vezes. Trata-se de uma substituição eletrofílica aromática: CH + + 3 no anel e, então, H

fora do anel:

Podemos utilizar exatamente o mesmo processo para inserir um grupo etila em um anel aromático:

 

Este processo (inserção de um grupo alquila em um anel aromático) é chamado de alquilação de Friedel–Crafts. Ele funciona muito bem para inserir um grupo metila ou um grupo etila no anel. PORÉM, temos um problema quando tentamos inserir um grupo propila no anel, porque se obtém uma mistura de produtos:

 

A razão disto é simples. Como estamos formando um complexo com caráter carbocatiônico, é possível que ocorra um rearranjo de carbocátion. Não é possível para um carbocátion metila se rearranjar. De maneira semelhante, um carbocátion etila não pode se rearranjar para ficar mais estável. Porém, um carbocátion propila PODE se rearranjar (via deslocamento de hidreto):

 

E como estamos formando um carbocátion propila, podemos esperar que, às vezes, ele se rearranje antes de reagir com o benzeno (enquanto, outras vezes, ele não terá chance de se rearranjar antes de reagir com o benzeno). E é por isso que observamos uma mistura de produtos. Então, você precisa ser cuidadoso quando utilizar uma alquilação de Friedel–Crafts para ficar atento a rearranjos de carbocátion indesejáveis.

Agora, se quiséssemos produzir isopropilbenzeno poderíamos evitar todo

esse problema pelo simples uso de cloreto de isopropila como nosso reagente:

 

Porém, e se quisermos produzir propilbenzeno?

 

Como faríamos isto? Se usarmos o cloreto de propila, já vimos que obteremos um rearranjo, e não um bom rendimento do produto desejado. De fato, podemos generalizar a questão como se segue: como inserimos qualquer grupo alquila e evitamos um potencial rearranjo de carbocátion? Por exemplo, como poderíamos realizar a transformação vista a seguir sem um rearranjo de carbocátion?

Se simplesmente utilizarmos cloro-hexano (e AlCl3), provavelmente obteremos uma mistura de produtos.

 

É claro que precisamos de um artifício. E ele existe. Para ver como ele

funciona, precisamos examinar atentamente uma reação similar que também leva o nome de Friedel–Crafts. Mas esta reação não é uma alquilação. Ela é mais apropriadamente chamada de acilação. Para ver a diferença, comparemos rapidamente um grupo alquila com um grupo acila.

 

Podemos inserir um grupo acila em um anel de benzeno exatamente da mesma maneira que inserimos um grupo alquila no anel. Simplesmente utilizamos os reagentes vistos a seguir:

 

O primeiro reagente é chamado de cloreto de acila (ou cloreto ácido) e já estamos familiarizados com a função do AlCl3 (o ácido de Lewis). O ácido de Lewis interage com o átomo de Cl do cloreto de acila, gerando um íon acílio estabilizado por ressonância:

O termo íon acílio deverá fazer sentido — “acil” porque podemos ver que este eletrófilo tem um grupo acila; e “io” porque existe uma carga positiva. Este eletrófilo realmente tem uma importante estrutura de ressonância:

 

Estas estruturas de ressonância são importantes porque indicam que um íon acílio é estabilizado por ressonância, e, portanto, ele NÃO sofrerá um rearranjo de carbocátion. (Se sofresse, perderia esta estabilização por ressonância.) Compare os dois casos vistos a seguir:

 

Utilizando uma acilação de Friedel–Crafts, podemos nitidamente inserir um grupo acila em um anel de benzeno (sem nenhum rearranjo):

 

Não observamos nenhum produto secundário que resultaria de um rearranjo de carbocátion. Uma vez mais, compare uma alquilação de Friedel–Crafts com uma acilação de Friedel–Crafts:

Agora examine atentamente a acilação anterior e destaquemos um aspecto muito importante. Observe que inserimos uma cadeia de três carbonos no anel, com a cadeia estando ligada pelo primeiro carbono da cadeia, em oposição ao carbono do meio da cadeia:

 

Uma vez mais, ela está ligada pelo primeiro carbono porque não ocorre rearranjo (o íon acílio é estabilizado por ressonância e não se rearranja). Agora, tudo que precisamos é uma maneira de remover o oxigênio e, então, teremos uma síntese de duas etapas para inserir um grupo propila em um anel de benzeno:

 

E, felizmente, há uma maneira simples de remover o oxigênio; de fato, há três maneiras muito comuns de remover o oxigênio. Vamos simplesmente nos concentrar agora em um método (o que utiliza condições ácidas), mas ter em mente que veremos outros dois métodos de fazer isto nos próximos capítulos (um dos métodos utiliza condições básicas e o outro método emprega condições neutras). Quando reduzimos uma cetona em condições ácidas, chamamos a reação de redução de Clemmensen:

 

Na presença de um amálgama de zinco e HCl, a ligação C═O é completamente reduzida e substituída por duas ligações C═H. Desta maneira, uma redução de Clemmensen pode ser usada como a segunda etapa de uma síntese de duas etapas que insere um grupo alquila em um anel aromático sem ocorrer nenhum rearranjo:

 

Antes de passarmos adiante, existe um ponto sutil a mencionar a respeito de uma acilação de Friedel–Crafts (etapa 1 da síntese anterior). Lembre-se de que esta reação ocorre na presença de um ácido de Lewis (AlCl3), que está constantemente à procura de elétrons com os quais possa interagir. Bem, o produto da etapa de acilação é uma cetona. E uma cetona tem os elétrons que o ácido de Lewis está buscando:

Portanto, sempre que realizamos uma reação de acilação, ao final precisamos remover o ácido de Lewis do nosso produto. E há uma maneira simples de se fazer isto. Simplesmente fornecemos ao ácido de Lewis alguma outra fonte de elétrons para interagir com ele. O mais fácil de se usar é a água (H O). Então, 2 sempre que você utiliza uma acilação de Friedel–Crafts em um problema de síntese, é apropriado incluir a água na sua lista de reagentes (imediatamente após a acilação):

 

Em resumo, vimos que uma acilação de Friedel–Crafts pode ser seguida de

uma redução de Clemmensen como um modo inteligente de inserir um grupo alquila em um anel aromático (sem rearranjos). Porém, realmente há vezes em que você vai querer inserir um grupo acila no anel, e não vai querer realizar uma redução de Clemmensen em seguida. Por exemplo:

 

Para realizar esta transformação, você simplesmente utilizaria uma acilação

de Friedel–Crafts e só. Não há necessidade de uma redução de Clemmensen, porque, neste caso, não queremos reduzir a ligação C═O.

 

EXERCÍCIO 3.9 Mostre os reagentes que você usaria para conseguir

realizar a síntese vista a seguir:

Resposta Neste problema, precisamos inserir um grupo alquila em um anel

de benzeno. Assim, primeiramente, verificamos se podemos realizar esta etapa

única utilizando uma alquilação de Friedel–Crafts. Neste caso, não podemos

realizar este processo em uma única etapa porque temos que nos preocupar

com um rearranjo de carbocátion. Ao pensarmos sobre o eletrófilo que

precisamos obter, vemos que ele pode sofrer rearranjo:

 

E isto nos daria uma mistura de produtos:

 

Assim, em vez disso, usaremos uma acilação de Friedel–Crafts seguida de

uma redução de Clemmensen:

 

Para cada um dos problemas vistos a seguir, mostre que reagentes você usaria para realizar a transformação. Em certas situações, você vai querer utilizar uma alquilação de Friedel–Crafts, enquanto, em outras situações, você vai querer usar uma acilação de Friedel–Crafts.

 

3.15 Preveja os produtos da reação vista a seguir.

 

(Sugestão: deverá haver uma mistura de múltiplos produtos neste caso. Tenha certeza de considerar todos os rearranjos possíveis que podem ocorrer. Se você não é muito versado em rearranjos de carbocátion, então, deverá voltar e revê-los agora.)