Chimica Organica

Reattività e regioselettività della EAS: effetto dei gruppi sostituenti

Quando si desidera ottenere un alchilbenzene del tipo ArCH_R, si esegue dunque una acilazione-riduzione. Il metodo più utilizzato per la riduzione di un acilbenzene ad alchilbenzene impiega un amalgama Zinco-Mercurio in acido cloridrico concentrato (riduzione di Clemmensen).

Altri derivati

Per la preparazione dei derivati, quali fenolo, anilina, benzonitrile etc., per i quali non si è possibile ottenere il gruppo sostituente carico positivamente (o almeno con caratteristiche acide), non si può procedere attraverso una sostituzione elettrofila diretta sul benzene, ma occorre partire da un qualche suo derivato.

Ad esempio, l'anilina si ottiene per riduzione del nitrobenzene; il fenolo si ottiene facendo reagire l'acido benzensolfonico con NaOH concentrato a caldo.

reattività e dirigono l'orientamento di una successiva sostituzione. In altre parole, quando un elettrofilo attacca l'anello aromatico, è il gruppo già legato che assume il controllo cinetico della reazione e stabilisce il punto d'attacco del nuovo sostituente determinando la regioselettività della reazione.

Le possibili posizioni di attacco rispetto ad un sostituente già presente sono tre e vengono indicate con i termini orto, meta e para.

Per quanto riguarda la reattività, i gruppi sostituenti si possono classificare in attivanti e disattivanti.

Gli attivanti rendono il derivato più reattivo del benzene: sono capaci di "rifornire" di elettroni l'anello (elettrondonatori EDG).

I disattivanti rendono il composto meno reattivo del benzene: impoveriscono di elettroni l'anello (elettronattrattori EWG).

Forza Gruppo Orientazione

• -OH Forti -NH orto-para
• 2-NHR-NR2
• -OCH3 Elettron-donatori -OR

1. orto-para(EDG) -NHCOCH₃-NHCOR-CH₃H-C₂5 orto-para-R
2. Deboli H-C₆5-CH=CR₂Riferimento Neutro -H-F-Cldeboli orto-para-Br-I-COH, -CO
3. Disattivanti -COOH, COORElettron-attrattori -COX, -CONH
4. Medi meta2(EWG) H-SO₃-CN , CCl ,..-CF₃33+-NH metaForti 3+-NR-NO₂

I termini "più reattivo" o "meno reattivo" sono sempre riferiti al benzene, di fronte a reazioni di sostituzione elettrofila. La "reattività" si può valutare confrontando la velocità di reazione o le condizioni necessarie affinché la reazione si svolga nello stesso modo. In ogni caso, reattività si può considerare sinonimo di velocità di reazione.

Per quanto riguarda invece l'orientamento di un secondo sostituente, i gruppi si possono distinguere in orto-para orientanti e meta orientanti.

Si può osservare che:

• I gruppi attivanti sono tutti orto-para orientanti.
• I gruppi disattivanti sono tutti meta orientanti, ad eccezione degli

alogeni che sono orto-paraorientanti. Per stabilire se un gruppo sia attivante o disattivante, occorre considerare due diversi effetti (già trattati nel capitolo 2) che esso può produrre sull'anello: l'effetto induttivo e l'effetto mesomero (o di risonanza).

L'effetto induttivo dipende dalla differenza di elettronegatività fra il carbonio appartenente all'anello e il gruppo ad esso legato. Se consideriamo ad esempio il gruppo trifluorometilico -CF, troviamo che l'elevata elettronegatività del Fluoro determina una polarizzazione di tutti i legami C-F con formazione di una parziale carica positiva sopra il carbonio e negativa sopra il fluoro.

La somma vettoriale dei momenti di dipolo dei singoli legami C-F (il momento di dipolo viene rappresentato con μ) produce un momento di dipolo risultante che determina l'effetto induttivo complessivo del gruppo sostituente. Il gruppo trifluorometile risulta dunque

piùelettronegativo del carbonio a benzenico a cui è legato e manifesterà pertanto un effettoinduttivo elettronattrattore

Per ragioni esattamente opposte (il Carbonio è più elettronegativo dell’Idrogeno) il gruppometilico manifesta un effetto induttivo elettrondonatore

Vediamo ora come un gruppo orientante (-OG) sia in grado di agire indirizzando l’attacco di unsecondo gruppo sostituente nelle posizioni orto, meta e para.

Nelle immagini che seguono sono rappresentate le forme risonanti dell’intermedio di reazionenei tre casi (orto, meta e para). Si osservi come, quando l’attacco avviene in orto e para, tra leforme risonanti che contribuiscono all’intermedio carbocationico (complesso σ) ve ne è una incui la carica positiva è portata dal carbonio legato al gruppo orientante –OG, mentre quandol’attacco avviene in meta non vi è nessuna forma risonante in cui la carica positiva è

portatadal carbonio legato al gruppo orientante 324

Attacco in orto

OG OG OGH H+ HC E E E+ +C C

Attacco in meta

OG OGOG ++ CC H HH E EE

Attacco in para

OG OGOG+C ++ CCH E H EH E

Se il gruppo orientante è un gruppo elettrondonatore (-EDG) il suo effetto sarà ovviamente quello di indebolire la carica sul Carbonio al quale è legato e quindi di rendere più stabile l'intermedio. Se il gruppo orientante è un gruppo elettronattrattore (-EWG) il suo effetto sarà ovviamente quello di accentuare la carica sul Carbonio al quale è legato e quindi di rendere meno stabile l'intermedio.

EWG EDGEWG EDG + +H H+ C C+C CE E H E H E

meno stabile più stabile meno stabile più stabile

L'effetto mesomero è un effetto di delocalizzazione di elettroni. In genere sono elettronattrattori per effetto mesomero e quindi disattivanti e meta-orientanti tutti i gruppi in cui l'atomo legato all'anello è unito con un legame

multiplo all'ossigeno o all'azoto (-COH, -COOH, -CN, -SO H, -NO ...). Disattivano l'anello, perché rimuovono densità elettronica dall'anello a causa della coniugazione tra il doppio legame del sostituente e l'anello benzenico. I sostituenti sono diretti in meta, perché le posizioni orto e para sono decisamente elettronpovere. Si può infatti osservare come le posizioni orto e para siano particolarmente impoverite di elettroni (hanno carica positiva) e quindi un secondo sostituente, anche se la seconda sostituzione sarà più difficile, andrà a sostituirsi in posizione meta, "meno impoverita" di elettroni (non porta mai carica positiva nelle strutture risonanti).

Dall'esame delle strutture risonanti del nitrobenzene si può ad esempio osservare come le posizioni orto e para siano caricate positivamente, per cui un secondo sostituente,

elettrofilo, tenderà prevalentemente a sostituirsi in posizione meta. OOO OOO OO O O NNN N NCH HCCH

In genere sono elettrondonatori per effetto mesomero e quindi attivanti e orto/para-orientanti tutti i gruppi in cui l'atomo legato all'anello presenta un doppietto elettronico non condiviso da donare (- H , -ÖH…). La densità elettronica si concentra in orto e para ed i sostituenti vengono in prevalenza diretti. + + XX X X-CH - CH

Dall'esame delle strutture di risonanza dell'anilina si può ad esempio notare come le posizioni orto e para vengano rese particolarmente elettrondense, per cui un secondo sostituente, elettrofilo, tenderà prevalentemente a sostituirsi in queste posizioni. 326

Anche il gruppo alchenilico (vedi ad esempio il vinilico nello stirene) ha un effetto mesomero elettrondonatore e quindi attivante dell'anello. In questo caso tuttavia non è coinvolto un doppietto elettronico non condiviso, ma

Causa di un effetto mesomero prevalente di verso opposto (elettrondonatore). In conclusione:

• Tutti i gruppi sostituenti (attivanti o disattivanti) esercitano la loro influenza massimamente sulle posizioni orto e para.
• Un gruppo attivante attiva tutte le posizioni, ma attiva le orto e para molto più della meta; un gruppo disattivante disattiva tutte le posizioni, ma disattiva le orto e le para molto più della meta.

Inoltre: un gruppo può respingere o attirare elettroni per effetto induttivo, per effetto mesomero, o per entrambi. , -OH, ecc. e per gli alogeni. Per i Questi effetti hanno direzione opposta solo per i gruppi -NH2 primi è preponderante l'effetto mesomero, per gli alogeni quello induttivo. Per questo motivo gli alogeni hanno un comportamento "anomalo", essendo disattivanti, ma orto-para orientanti.

Nel caso siano presenti sull'anello benzenico due o più sostituenti che dirigono la sostituzione verso posizioni diverse