Meccanismo dell’alogenazione del benzene
L’alogenazione del benzene è un processo chimico noto come reazione di sostituzione elettrofila aromatica, in cui un elettrofilo attacca il benzene sostituendo uno degli atomi di idrogeno. Poiché gli alogeni non sono sufficientemente elettrofili da rompere l’aromaticità del benzene, è necessario l’uso di un catalizzatore per attivare la reazione.
La reazione del benzene si differenzia da quella degli alcheni a causa dell’energia di risonanza del benzene. Per comprendere meglio questa differenza, è possibile confrontare la reazione del bromo molecolare con un alchene e con il benzene.
Nel caso degli alcheni, il bromo molecolare si addiziona attraverso uno ione intermedio bromonio a ponte, che viene attaccato da uno ione bromuro, formando un dibromuro vicinale.
Il meccanismo dell’alogenazione del benzene è diverso. Si forma un complesso tra il catalizzatore e l’elettrofilo, che successivamente attacca il benzene. Questo meccanismo è visualizzato nella figura.
La reazione di alogenazione del benzene può produrre diversi prodotti sostituiti, ad esempio, il bromo può sostituire un atomo di idrogeno per formare il bromobenzene o può sostituire un gruppo metile per formare il bromuro di fenile.
La bromurazione del benzene con il bromuro di ferro come catalizzatore riveste un’importanza significativa nella chimica organica. La molecola di Br2 non è un elettrofilo molto reattivo e non può reagire direttamente con il benzene sufficientemente velocemente. Tuttavia, l’aggiunta di un acido di Lewis come FeBr3 come catalizzatore può rendere la reazione più agevole.
L’acido di Lewis converte il Br2 in un elettrofilo più forte, Br+, attraverso la formazione del complesso Br2-FeBr3. Questo Br+ può quindi reagire con il benzene, sostituendo un atomo di idrogeno con un atomo di bromo. Il bromuro può agire come base e attaccare il protone legato allo stesso carbonio su cui si lega originariamente il bromo. Questo porta alla sostituzione di un atomo di idrogeno con un alogeno. In definitiva, la reazione tra il Br2 e il benzene porta alla sostituzione di un atomo di idrogeno con un atomo di bromo.
L’utilizzo di un acido di Lewis come catalizzatore è fondamentale per rendere la reazione tra il Br2 e il benzene possibile e veloce. Senza il catalizzatore, la reazione non procederebbe in modo efficace. Questo processo di bromurazione del benzene è un importante strumento nella sintesi di composti organici ed è ampiamente utilizzato in laboratorio e nell’industria chimica.
Intermedio di Wheland: un composto intermedio nelle reazioni organiche
Nelle sintesi organiche, è comune marcare un atomo di idrogeno per comprendere il meccanismo di una reazione, mediante la sostituzione con uno dei suoi isotopi, come il deuterio. L’effetto isotopico fornisce la prova che l’intermedio di Wheland è effettivamente un composto intermedio e non uno stato di transizione.
Nella maggior parte delle reazioni elettrofile del benzene, la reazione avviene alla stessa velocità, indipendentemente se l’idrogeno, il deuterio o il trizio sono sostituiti dall’elettrofilo. Ciò indica che il legame C-H non viene rotto nello stadio lento della reazione, ma ci devono essere due stadi separati. Uno stadio lento in cui avviene l’attacco dell’elettrofilo all’anello e uno stadio di rottura del legame carbonio-idrogeno. La rottura del legame C-H deve seguire l’attacco dell’elettrofilo e le due reazioni devono avere due barriere energetiche di energia potenziale diverse. La seconda barriera deve essere più bassa della prima, altrimenti ci sarebbe effetto isotopico.
Confronto tra l’alogenazione dell’etilene e del benzene
Il benzene e l’etilene sono due composti che subiscono reazioni di alogenazione e presentano alcune differenze significative. Il benzene ha un’alta energia di risonanza, a differenza dell’etilene.
Differenza nell’evolversi della reazione
Quando un potente elettrofilo come Br+ attacca il sistema degli elettroni p, che funzionano da basi di Lewis, si verifica un’interessante differenza nell’evolversi della reazione a seconda del substrato coinvolto.
Nel caso dell’etilene, si osserva una reazione di addizione, in cui il Br- si unisce al secondo atomo di carbonio dell’etilene, formando una nuova molecola. Questo avviene perché l’etilene non presenta una struttura di risonanza che possa influire sul modo in cui la reazione si sviluppa.
Nel caso del benzene, invece, l’energia di risonanza dell’anello aromatico gioca un ruolo fondamentale. In questo caso, l’intermedio di Wheland, che si forma durante la reazione, preferisce l’opzione in cui Br- strappa un protone dal carbonio a cui si è legato il primo bromo. Questo perché, in presenza di risonanza, una reazione di sostituzione risulta più favorevole rispetto a una reazione di addizione. Quest’ultima, infatti, comporterebbe la rottura del doppio legame e la perdita della risonanza che caratterizza il benzene.
In conclusione, la reazione tra un elettrofilo come Br+ e i substrati come l’etilene e il benzene presenta delle differenze nell’evolversi, principalmente a causa della presenza o assenza dell’energia di risonanza nell’anello aromatico del benzene.