Acidez de los fenoles sustituidos

Question

El fenol tiene un $\mathrm pK_\mathrm a$ aproximadamente igual a $9.9$ .

Cuando se estudia la acidez de los clorofenoles, se observa lo siguiente:

En primer lugar, los clorofenoles son más ácidos que el fenol, debido al efecto inductor negativo (I) del cloro, que reduce la carga negativa, situada en el oxígeno del anión fenolato.

Entre los diferentes clorofenoles, la tendencia observada se explica por el hecho de que el efecto estabilizador I del cloro disminuye con la distancia al oxígeno.

Centrándonos ahora en otra clase de fenoles sustituidos, como los metilfenoles (= cresoles), el $\mathrm pK_\mathrm a$ varía de la siguiente manera:

En este caso, el grupo metilo produce un efecto inductivo positivo (+I), aumentando así la carga negativa del oxígeno del fenolato. Por eso los cresoles son menos ácidos que el fenol. Además, podemos darnos cuenta de que el compuesto meta es más ácido, y esto se debe a las estructuras de resonancia que muestran una carga negativa en orto y para, pero no en meta.

Me gustaría saber si este razonamiento, para estos dos tipos de fenoles sustituidos, es plausible o si hay que invocar otros argumentos más sólidos.

En particular, me gustaría entender por qué la diferencia de acidez entre los 2 y 4 clorofenoles es mucho más pronunciada que la misma diferencia entre o - y p -cresoles.

Answer 1

Me gustaría saber si tal razonamiento, para estos dos tipo de fenoles sustituidos es plausible o si además argumentos sólidos deben ser invocados.

Su razonamiento parece en general bien pensado. Claramente tienes un buen conocimiento de los efectos inductivos y mencionas los efectos de resonancia en la serie del cresol. Los efectos estructurales no juegan un papel en estos compuestos, pero permíteme mencionarlos para completar la información. Si tenemos un compuesto como el I con un carbonilo orto al sustituyente hidroxilo, entonces además de los efectos inductivos (estabiliza el anión) y de resonancia (estabiliza el anión), también deberíamos considerar el enlace de hidrógeno; que, en este caso, estabilizaría el fenol haciéndolo menos ácido. Por otro lado, en el compuesto 2, el voluminoso grupo t-butil obligaría al carbonilo del éster a girar fuera del plano del anillo bencénico. En el II, el efecto inductor del carbonilo seguiría operando, pero los efectos de resonancia y de enlace de hidrógeno sobre la acidez se verían disminuidos.

Me gustaría saber por qué la diferencia de acidez entre 2 y 4 clorofenoles es mucho más pronunciada que la misma diferencia entre los o- y los p-cresoles

Ce site enlace discute la sustitución aromática electrofílica, donde de nuevo hay que considerar tanto los efectos inductivos como los de resonancia. A unos dos tercios de la página vemos que el clorobenceno se somete a una nitración electrofílica unas 30 veces más lento que el benceno, pero sigue siendo ortho-para dirigiendo. También vemos que el tolueno reacciona unas 25 veces más rápido que el benceno y también es ortho-para dirigir. De estos y otros ejemplos, aprendemos que el cloro dona electrones débilmente por resonancia y retira electrones fuertemente a través de su efecto inductivo; y que un grupo metilo es un donante de electrones suave a través de la resonancia (hiperconjugación), mientras que su efecto inductivo es también donante de electrones, pero es pequeño.

Apliquemos estos conceptos de la sustitución aromática electrofílica a sus dos series de fenoles. En los clorofenoles, esperaríamos que el sustituyente cloro influyera en la serie principalmente a través de un fuerte efecto inductivo de retirada de electrones. De hecho, a medida que el cloro se acerca al sustituyente hidroxilo, la retirada inductiva de electrones aumenta en potencia y el $\mathrm pK_\mathrm a$ aumenta drásticamente. Por otro lado, en la serie de metilos esperamos que dominen los efectos de resonancia leve (hiperconjugación) (aunque el efecto inductivo esté en la misma dirección), por lo que en el ortho - y para -cresoles esperamos que el anión esté débilmente desestabilizado y, en consecuencia, sea un poco menos ácido que el propio fenol; mientras que el meta con efectos mínimos de resonancia e inducción que afectan al anión, debería tener una acidez cercana al fenol.