substituições em sistemas aromáticos (impressão) [modo de compatibilidade]

30/11/2008

1

MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃOUNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIACENTRO DE CIÊNCIAS NATURAIS E EXATAS

DISCIPLINA DE MECANISMOS DE REAÇÕES ORGÂNICAS

Santa Maria, outubro de 2008.

REAÇÕES DE SUBSTITUIÇÃO ELETROFÍLICA AROMÁTICA

2

Reações de Substituição Eletrofílica Aromática

1. Introdução

2. Mecanismo de SEAr

3. Efeitos do Substituinte

6. Alquilação de Friedel-Crafts

4. Halogenação

5. Nitração

7. Acilação de Friedel-Crafts

8. Substituição Ipso

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2

3

Referências Bibliográficas

1. Solomons, T. W. G.; Fryhle, C. B. Química Orgânica, vol.1, LTC, Rio de Janeiro, 2005.

2. Clayden, J. Organic Chemistry, Oxford University Press Inc., New York, 2001.

3. Carey and Sundberg, Advanced Organic Chemistry ParteA Structure and Mechanisms; Parte B; Reactions andSynthesis, kluwer Academic/Plenum Publishers, New York,2001.

4

1. Introdução:

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3

5

E AE

H A

REAÇÃO GERAL:

6

X

H EC o m p l e x o

X

+ E +

X

E +

C o m p l e x o

X

E

+ H +

X

E

H +

C o m p l e x o

+

FORMAÇÃO DO COMPLEXO DO COMPLEXO

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4

7

E A

E

H

E

H

E

H

E

H

A

E

H A

Complexo

2. MECANISMO GERAL DA SUBSTITUIÇÃO ELETROFÍLICA AROMÁTICA

Etapa 1: complexação do eletrófilo com os elétrons π do anel aromático formando o íon arênio;

Etapa 2: desprotonação e formação do produto.

8

2.1. Perfil Energético

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5

9

Os grupos substituintes afetam a reatividadee a orientação das substituições eletrofílicasaromáticas;

Ativantes: tornam o anel mais reativo que obenzeno; (orientam orto e para);

Desativantes: tornam o anel menos reativoque o benzeno (orientam meta).

3. EFEITO DOS SUBSTITUINTES

10

Orientadores Orto-Para

Ataque Orto

NH2

E

NH2

EH

NH2

EH

E

NH2

H

NH2

EH

3.1 Grupos Ativantes

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6

11

Ataque Para

NH2

E

NH2

E H

NH2

E H HE

NH2 NH2

HE

E

NH2

H

NH2

E

NH2

HE

NH2

HE

Ataque Meta

12

3.2. Grupos Desativantes

Ataque Orto

CF3

E

CF3

EH

CF3

EH

E

CF3

H

Ataque Meta

E

CF3

H

CF3

E

CF3

HE

CF3

HE

Orientadores Meta

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7

13

Ataque Para

HE

CF3

H

CF3

EH

CF3

EE

CF3

14

3.3. Grupos Desativantes

Ataque Orto

Cl

E

Cl

EH

Cl

EH

E

Cl

H

Cl

E

Orientadores Orto-Para

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8

15

Ataque Meta

E

Cl

H

Cl

E

Cl

HE

Cl

HE

Ataque Para

Cl

E

Cl

E H

Cl

E H HE

Cl Cl

HE

16

Orientadores Orto-Para Orientadores MetaAtivadores Fortes Desativadores Moderados

Ativadores Moderados Desativadores Fortes

Ativadores Fracos

Desativadores Fracos

OOH

NR2NHRNH2

OROCH3

NHCORNHCOCH3

CH3 C2H5

R C6H5

F Cl

Br I

CORCHOCO2RCO2H

SO3HC N

CCl3

CF3

NR3

NO2

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9

17

EXPLICAÇÃO DO EFEITO DO SUBSTITUINTE POR CÁLCULOS DO COEFICIENTE DE HOMO E DE DENSIDADE DE ELÉTRONS - π

C

H

HH OCH3

CH O

NO O

HOMO

0,20

0,520,31

0,24

0,53

0,56

0,58

0,380,31

0,18

0,47

0,53

0,27

0,46

0,28

0,20

0,45

0,28 0,28

0,26

0,510,23

0,26

0,50

Energia -0,48 -0,46 -0,50 -0,57Coeficiente de HOMO

18

1,002

0,982

0,999

0,972

0,999

0,984

1,003

0,957

Substituinte Doador de Elétrons

NH2 OH OCH3 CH30,956

1,070

0,977

1,044

0,975

1,068

0,976

1,039

0,9831,063

0,979

1,038

0,972

1,018

0,994

1,012

Substituinte Aceptor de Elétrons

CH C N CF3 NO21,020

0,9811,056

0,976

1,0350,986

1,0900,958

Densidade de Elétrons π

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10

19

EFEITO DE GRUPOS NÃO DIRETAMENTE LIGADOS AO ANEL

Percentual de nitração em meta paragrupos alquil com retiradores de elétrons.

CH2

CO OC2H5

CHCl2 CH2CCl3 CH2NO2 CCl3 CH2N+(CH3)3

11% 34% 37% 55% 64% 85%

20

3.3. Orientação de Benzenos Dissubstituídos

NHCOCH3

CH3

Cl2CH3CO2H

NHCOCH3

CH3

Cl

NHCOCH3

CH3

Cl

ProdutoPrincipal

Secundário

O grupo ativador mais forte geralmentedetermina o resultado da reação.

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11

21

3.4. Efeitos estéricos são também importantesem SEA

Cl

Br

C l

Br

NO 2

C l

Br

Cl

Br

O 2N

C l

Br

N O 2

62% 37% 1%

HN O3H2SO4

22

PROPROÇÃO DE ISÔMEROS EM ANÉIS SUBSTITUÍDOS

Produto (%)

Substituinte o m p

3-5 35-50 50-60

0 89 11

5-8 91-93 0-2

9-13 0-1 86-91

38-45 1-2 54-60

6 91 3

56-63 2-4 34-41

30-40 0-2 60-70

NH3+

NO2

FI

CF3

CH3

OCH3

N+(CH3)3

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12

23

ESTADO DE TRANSIÇÃO PARA ELETRÓFILOS ALTAMENTE REATIVOS

24

ESTADO DE TRANSIÇÃO PARA ELETRÓFILOS POUCO REATIVOS

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13

25

Principais reações de Substituição EletrofílicaAromática

1. HalogenaçãoReação só ocorre na presença de ácido deLewis (FeCl3; FeBr3; AlCl3) que torna oseletrófilos ativos.

Reatividade: I2< Br2< Cl2I2< ICl < Br2 < BrCl < Cl2

26

Bromação

• Mecanismo

1° etapa: geração do eletrófilo ativo (Br+);2° etapa: formação do íon arênio (complexo σ);3° etapa: desprotonação, formação do produto e regeneração do catalisador.

Br Br FeBr3 Br Br FeBr3 Br FeBr3Br

Brlenta

HBr

HBr

HBr

HBr

Br FeBr3 Br

+ H Br FeBr3

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27

• O mecanismo da cloração do benzeno éanálogo ao da bromação; • Iodação: o iodo é tão inerte, que só reage napresença de um agente oxidante como oácido nítrico;• Fluoração: o flúor reage tão velozmente como benzeno que exige condições especiais emesmo assim é difícil limitar a reação aMonofluoração.

28

2. NitraçãoMecanismo:

Etapa 3:

Etapa 4:

lenta

H

NO2

H O

H

NO2

H O H

H

HO3SO H H O NO

OH O N

H O

OH2SO4

H O N

H O

OH2O N

O

O

N

O

O

H

NO2

H

NO2

H

NO2

-Etapa 1:

Etapa 2:

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29

• Aromáticos de reatividade modesta exibemcinética de 2° ordem, em misturas de HNO3

em H2SO4 conc.ou ác. Perclórico rápidaformação do NO2

+ (2° etapa é determinante davelocidade);• Nitração em solventes inertes (nitrometano,e tetracloreto de carbono), na ausência deácido forte a formação do NO2

+ é lenta determinante da velocidade da reação(cinética de 1° ordem).

30

Outras espécies podem ser eletrófilos ativos nanitração:

Exemplo:

HNO3 em anidrido acético acetilnitrato

HNO3 + (CH3CO)2O CH3CONO2 + CH3CO2H

O

anidrido acético acetilnitrato

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31

3. SulfonaçãoMecanismo:

Etata 1:

Etapa 2:

Etapa 3:

Etapa 4:

2 H2SO4 SO3 + H3O+ + HSO4-

S

O

O O

lenta S

O

O

OH

Outras estruturas de ressonância

HSO4-

HOS

O

O

RápidaS O

O

O

H2SO4

S O

O

OH O H

HRápida

S O

O

O

H H2O

32

A sulfonação é um processo reversível, porisso o ácido sulfônico é usado na proteçãode uma posição do anel benzênico, sendoremovido por dessulfonação (H2SO4 diluído). Ex: Síntese da o-nitroanilina:

Acetanilida o-nitroanilina (56%)

HNCOCH3 NHCOCH3 NHCOCH3 NH2

NO2HNO3

SO3H SO3H

H2SO4

conc.NO2

(1) H2OH2SO4calor

(2) OH-

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33

4. Alquilação de Friedel-Crafts

• Geração de E+: • RCl + AlCl3 R+ + AlCl4-

• R3COH + H+ R3COH2 R3C+ H2O• R2C CH’R + H+ R2CCH2R’

Catalisador: AlCl3 (SbF5, TiCl4, SnCl4, BF3)

+

+

34

CHCH3

CH3HCH

CH3

CH3Cl Al

ClCl

Cl

HCl AlCl3

H3CCH

H3CCl Al

ClCl

ClCl Al

Cl

Cl

Cl CHCH3

CH3

CH

CH3

CH3

CHCH3

CH3

Outras estruturas de ressonânciaH

Cl AlCl

Cl

Cl H3CCH

H3C

• Mecanismo:

Etapa 1:

Etapa 2:

Etapa 3:

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35

Limitações das reações de alquilação de Friedel-Crafts

A) Rearranjo

Exemplo: enquanto o brometo de isopropilareage para dar o isopropil-benzeno:

CH3

CH3

CHCH3

AlCl3++ HBrCH3CHBr

36

O brometo de n-propila, nas mesmascondições, dará principalmente oisopropil-benzeno:

Rearranjo:

Migração 1,2 H

CH3

CHCH3

AlCl3++ HBrCH3CH2CH2Br

CH3 CH CH2 CH3 CH CH3 +

H

+

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37

B) Polialquilação

Outra limitação do uso de alquilação emsíntese é o fato de que o alquil-benzenogerado na reação é mais reativo do que obenzeno em si e reações colaterais como adialquilação podem ser um problema.

Isopropil-benzeno(24%)

p-diisopropilbenzeno (14%)

CHOH600CBF3

H3C

H3CCH(CH3)2 CH(CH3)2

CH(CH3)2

++

38

Em alquilação FC pode haver o fechamento doanel

C H2

C H2

C H2

H2

C

C l

A l C l3

c a l o r

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39

7.ACILAÇÃO DE FRIEDEL-CRAFTS

AlCl4

R C Cl

O

AlCl3 AlCl3R C Cl

O

R C Cl

O

AlCl3 R C O R C O

C

R

O

HC

R

O

40

CR

C6H5

O AlCl3 3H2O CR

C6H5

O Al(OH)3 3HCl

AlCl4 HCl AlCl3

C

R

O AlCl3

C

R

O AlCl3

HC

R

OC

R

O

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41

AlCl3Benzeno em excessoO

CH3C

CH3C800C

++

Anidrido acéticoAcetofenona

(82-85%)

CH3COH

CCH3

O

O

O

O

Acilação de Friedel-Crafts também ocorrem com anidridos de ácidos carboxílicos

42

Em reações de acilação Friedel-Crafts pode ocorrer o fechamento do anel:

C H 2 C H 2 C C l

O

O

A lC l3

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43

8. Substituição Ipso:

CH(CH)3

CH(CH3)

HNO3

H2SO4

CH(CH)3

CH(CH3)

NO2

CH(CH)3

NO2

+

• Ocorre quando o grupo substituído não éo hidrogênio. Exemplos mais freqüenteencontrados envolve a clivagem de umgrupo alquil altamente ramificado.• Ex: nitração de 1,4 – 2 - propilbenzeno

44

9. FURANOS E PIRRÓIS:

Sistemas π excedente.

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45

9. DUREZA DAS DIFERENTES POSIÇÕES.:

46

Resultado Experimental

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47

10. SEAr EM SISTEMAS POLICÍCLICOS E HETEROCÍCLICOS:

Naftaleno

•Maior reatividade na posição 1.•Condições termodinâmicas substituição preferencial na posição 2.

48

Antraceno

SEAr no anel central devido a grande estabilização do complexo-σ.

10. SEAr EM SISTEMAS POLICÍCLICOS E HETEROCÍCLICOS:

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MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃOUNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIACENTRO DE CIÊNCIAS NATURAIS E EXATAS

DISCIPLINA DE MECANISMOS DE REAÇÕES ORGÂNICAS

Santa Maria, outubro de 2008.

REAÇÕES DE SUBSTITUIÇÃO NUCLEOFÍLICA AROMÁTICA

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Reações de Substituição Eletrofílica Aromática

1. Introdução

2. Mecanismo de Adição- Eliminação

3. Mecanismo de Eliminação- Adição (benzino)

4. Mecanismo via Intermediário Ion Diazônio

5. Mecanismo via Radicais Livres

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51

Referências Bibliográficas

1. Solomons, T. W. G.; Fryhle, C. B. Química Orgânica, vol.1, LTC, Rio de Janeiro, 2005.

2. Clayden, J. Organic Chemistry, Oxford University Press Inc., New York, 2001.

3. Carey and Sundberg, Advanced Organic Chemistry ParteA Structure and Mechanisms; Parte B; Reactions andSynthesis, kluwer Academic/Plenum Publishers, New York,2001.

52

Uma reação de substituição Nu bimolecular (SN2) é dificultada pelo ataque do Nu pelo lado contrário do LG.

XNu

Sistemas aromáticos possuem elétrons π sujeitos predominantemente a substituições por regentes eletrofílicos.

1. INTRODUÇÃO

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5353

Em termos energéticos uma SN1 seria dificultada, pois o cátion formado seria altamente instável.

cátion instável

Br-OH

OH

SN2

O átomo de C tetraédrico permite a aproximação do Nu por trás, a ligação C-Br não está no plano do anel.

54

Existência de 1 ou mais grupos com grande poder de atrair elétrons ligados ao sistema aromático ou o uso de condições de reação especiais o carbono Sp2 pode sofrer ataque nucleofílico.

Premissa:

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5555

2. Mecanismo de Adição-Eliminação

Consiste na adição de um nucleófilo a um anel aromático, seguida da eliminação do substituinte.

XlentaY

Y

X

Y

X

Y

X

rápidaY

X

Etapa 1:

Etapa 2: Y

X

5656

E

Coordenada de Reação

Z

X

+ Z-

X

Z-

G

Z

X

Z

X

+ X -

1

2

G1

2

2. Mecanismo de Adição-EliminaçãoPerfil energético da substituição nucleofílica aromática pela

adição eliminação:

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5757


O passo energético determinante da velocidade da reação é a formação do intermediário proveniente da adição do nucleófilo.

Esta etapa de adição produz um intermediário aniônico conhecido como COMPLEXO DE MEISENHEIMER, que é estabilizado por ressonância:

5858


LG

NuLG

Nu

LG

NU

- -

-

A estabilização por ressonância sozinha não é suficiente para possibilitar a formação do intermediário aniônico. Ele precisa ser estabilizado por grupos fortemente retiradores de elétrons em posições orto e/ou para.

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30

59


Estabilização do intermediário por Grupamentos Retiradores de elétrons

6060


Exemplo de grupos retiradores comuns para estas reações: -NO2, -CF3, -CN, -CHO, -COR, -COOH, -Br, -Cl, -I.

Grupos “ativantes” devem estar em posição orto/para em relação ao grupo abandonador, pois em meta seu efeito ativante será pequeno:

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31

6161


ClOHH

NO2

-ClOH

HNO2

-

ClOHH

NO2

-

A carga negativa deslocalizada não atinge o átomo de carbono ligado ao grupo nitro em nenhuma das formas de ressonância grupo m-nitro NÃO está em posição favorável para estabilizar a carga negativa.

6262


Se houver dois ou mais grupos atratores de elétrons nas posições orto/para, o intermediário é ainda mais estável e a reação de substituição mais fácil.

Cl

NO2O N2

+ H O2130°C

Na CO Aq2 3

OH

O N2 2N O+ NaCl + H O + CO2 2

Cl

NO2O N2

NO2

+ CH O3- 20° C

O N2

OMe

NO2

NO2

+ Cl -

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6363


Grupos retiradores facilitam a etapa de adição. Deve-se notar que grupos ativantespara SNAr são grupos desativantes para SEAr.

Na segunda etapa, a eliminação ocorre quando o anel sofre re-aromatização com a perda do grupo abandonador.

6464

2. Mecanismo de Adição-EliminaçãoA habilidade do LG não está relacionada com o

favorecimento da reação, pois a quebra da ligação C – LG não é parte do passo determinante da velocidade.

NO

O

F

NO

O

Br

NO

O

INO

O

Cl

>> ~ >

Além disto a maior eletronegatividade do Flúor estabiliza o E.T. com maior eficiência que os outros halogênios.

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65

3. Mecanismo Eliminação-Adição

Benzino

66


Um anel benzênico contendo um bom LG pode sofrer substituição nucleofílica aromática mesmo sem a presença de grupos fortemente retirantes de elétrons em o/p.

O substrato deve ser tratado com uma base forte o bastante para abstrair um próton.

Quando haletos de arila são tratados com bases fortes estes atuam como ácidos. O halogênio do anel torna o hidrogênio orto um pouco mais ácido e a base o remove, gerando um carbânion.

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67

X

Hbase ,Nu,H

H

Nu

3. Mecanismo Eliminação-Adição:

Ocorre eliminação do Ocorre eliminação do haletohaleto e formae forma--se se uma nova ligação uma nova ligação ππ gerando um gerando um intermediárointermediároreativo reativo benzinobenzino..

68

FORMAÇÃO DO INTERMEDIÁRIO BENZINO

Br

H

NH2

Br

orbital sp2preenchido

Br

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35

69


A representação mais utilizada do benzino é similar a do benzeno, mas com uma fraca ligação π, a mais,no plano do anel.

Os carbonos acetilênicos no benzino não possuem hibridização sp pois o anel força as ligações a formar ângulos de valor próximo a 120°, em vez de 180°.

7070

Assim, tem-se hibridização próxima a sp2 . A ligação π está no plano, é muito fraca , instável e muito reativa devido ao pequeno entrosamento entre os orbitais com hibridização sp2 .


H

H

HH

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71


No mecanismo que envolve a adição → captura do nucleófilo pelo benzino, seguida pela protonaçãopara dar o produto de substituição.

NuNu

H BNu

B

7272


Grupos retiradores de elétrons favorecem a adição do nucleófilo na ponta mais distante da “tripla ligação” → maior estabilização da carga negativa em formação.

NO 2 NO 2

-

Nu

NO 2

Nu

-

Principal Não é formado

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7373


Com o Substituinte Metoxila ocorre mistura de produtos.

OMe

BrOMe

BrOMe

OMe

NH2

OMe

NH2

NaNH2NH3

Br

+ NH2

Principal

7474

3. Mecanismo Eliminação-Adição Perfil energético do mecanismo Eliminação-

Adição:

Y

H

BaseY

HBase

#

Intermediário Benzino

Nu:

Nu

H

Nu

H

#

1

2

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7575

3. Mecanismo Eliminação-AdiçãoSuporte experimental para o mecanismo via

benzino:

- Habilidade do LG: Br > I > CL >> F desvia da ordem para SNAr mecanismo diferente atuando.

- Quando o LG é Br ou I a remoção do próton é determinante da velocidade. Quando o LG é Cl ou F a clivagem da ligação C – X é determinante da velocidade.

7676

3. Mecanismo Eliminação-AdiçãoOutros métodos para a preparação do Benzino:

- Diazotação de ácido orto-aminobenzóico

- Oxidação de 1- aminobenzimidazol

2N2

NN

N

NH2

NN

NN

CO H 2

NH2

HONOC

O

O-

N N+

+ CO2 + N 2

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77


Na ausência de nucleófilo ou de composto insaturado reativo ocorre a dimerização:

7878

4. Mecanismo Via Intermediário Íon Diazônio

Os íons de Diazônio têm grande aplicação como intermediários devido a habilidade do N2 como LG. São geralmente preparados in situ através de reações da anilina com ácido nítrico.

Diferentemente dos íons de diazônio alifáticos, os íons aril diazônio são estáveis o suficiente para existir em solução a temperatura ambiente ou abaixo.

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79

NH2 N NH

O

HONO H2OH

N NH

O N N OHH

N N

H2O


A formação destes íons envolve a adição de +NO ao grupo amino seguida da eliminação de H2O:

8080


Existem ao menos 3 mecanismos gerais em que as substituições podem ocorrer:

- Decomposição do íon de diazônio seguida pela captura do cátion aril pelo nucleófilo. Ex: hidrólise de sais de diazônio a fenol.

N N

N2

X

X

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8181

4. Mecanismo Via Intermediário Íon Diazônio- Formação do aduto seguida do colapso deste e perda de

N2. Ex: reação do íon diazônio com azida para formar aril azidas.

- Transferência de elétrons. Favorecida pela presença de sais de cobre como catalisadores. Ex: reação de haletos de Cu(II) para formar cloretos e brometos de arila

N N+

+ X - N N X X + N2

N N+

+ Cu︵I ︶ X2- N N.

.. ..+ Cu︵ II ︶ X2

2X︶II︵Cu+.....NN X + Cu︵ I ︶ X + N2

8282

5. Via Radicais Se um radical livre é produzido na presença de um segundo

composto aromático, a substituição principal até biaril é observada.

XHX X

Uma das peças mais importantes da evidência experimental para este mecanismo é o fato de que não há reação quando seqüestradores de radicais são introduzidos na mistura de reação.

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83

5. Substituição Via Radicais

substituições em sistemas aromáticos (impressão) [modo de compatibilidade]

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