¿Se ve afectada la regioselectividad por factores estéricos durante la alquilación del naftaleno?

Question

He leído que la alquilación de Friedel Craft del naftaleno por haluros de alquilo que tienen más de 2 carbonos se produce en la posición 2. En cambio, con haluros más pequeños, se produce en la posición 1.

¿Tiene algo que ver con los factores estéricos o hay alguna otra razón?

Answer 1

El isómero 1 es el producto generalmente favorecido, ya que se forma a través de un intermediario menos energético, mientras que el isómero 2 se forma a través de uno más energético.

La estabilización del 1-isómero intermedio se debe a la mayor extensión de la resonancia. Reacciones de sustitución de hidrocarburos aromáticos polinucleares [1] resume muy bien la cuestión.

La sustitución suele producirse más fácilmente en la posición 1 que en la posición 2 porque el intermediario de la sustitución 1 es más estable que el de la 2-sustitución. La razón es que las estructuras de resonancia más favorables estructuras de resonancia más favorables para cualquiera de los intermedios son las que tienen uno totalmente aromático anillo. Podemos ver que la 1-sustitución es más favorable porque la carga positiva puede ser distribuida en dos posiciones, dejando un anillo aromático sin cambiar. Sólo es posible una estructura de resonancia posible para el intermedio de la 2-sustitución que retiene un que conserva una disposición de enlaces bencenoides para uno de los anillos.

1-sustitución

2-sustitución

Pero a medida que aumenta el tamaño del sustituyente hay un factor más a tener en cuenta. A medida que el sustituyente se hace más voluminoso, aumenta su impedimento estérico con los hidrógenos de los carbonos vecinos.

Esto es un problema para el isómero 1, ya que su interacción estérica con el hidrógeno de los carbonos vecinos es mucho mayor que la del isómero 2. Esto hace que el isómero 2 sea el producto preferido cuando el sustituyente es más voluminoso.

A continuación, un extracto del artículo de intermediateorgchemistry [2] sobre el naftaleno:

Hay otro factor que también afectará a la posición del de la sustitución; es el tamaño del grupo que se añade. En el caso de de grupos grandes se favorece la posición ß. Se trata de un caso de impedimento estérico con los hidrógenos de los átomos de carbono vecinos.

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Referencia:

(1) Roberts, J. D.; Caserio, M. C. Reacciones de sustitución de hidrocarburos aromáticos polinucleares https://chem.libretexts.org/@go/page/22330 (consultado el 12 de junio de 2021).

(2) naftalina http://www.intermediateorgchemistry.co.uk/aromatic1.htm (consultado el 12 de junio de 2021).

Answer 2

He leído que la alquilación de Friedel Craft del naftaleno por haluros de alquilo que tienen más de 2 carbonos se produce en la posición 2. En cambio, con haluros más pequeños, se produce en la posición 1.

La declaración anterior del OP indica claramente que la selección de la sustitución se debe a razones estéricas. Yo diría que la creencia anterior se deriva de la mayor parte de la evidencia de la literatura, sin embargo, usted puede encontrar una plathora de referencias que contradicen la idea también. El $\alpha$ - y $\beta$ -La acetilación o alquilación depende principalmente de las condiciones, los catalizadores, los disolventes, etc. Por ejemplo, la acetilación del 2-metoxinaftaleno en disulfuro de carbono, cloroformo o nitrobenceno, ha dado varios rendimientos de 1-acetil-2-metoxinaftaleno, 2-acetil-6-metoxinaftaleno, 1-acetil-7-metoxinaftaleno y pequeñas cantidades de los fenoles correspondientes (Ref.1). Se informó de que en disulfuro de carbono, el 1-acetil-2-metoxinaftaleno se ha obtenido en un 44% de rendimiento, mientras que en nitrobenceno fue del 43%.

Por otra parte, la acetilación de 2-metoxinaftaleno catalizada por la zeolita mediante anhídrido acético en ácido acético ha dado 2-acetil-6-metoxinaftaleno con alta selectividad, que es un intermedio clave para un agente antiinflamatorio, el naproxeno (Ref.2). La reacción ha convertido el 82% del 2-metoxinaftaleno en 2-acetil-6-metoxinaftaleno (mayor, 86%) y 1-acetil-2-metoxinaftaleno (menor, 14%).

No obstante, la acetilación Friedel-Crafts del naftaleno no sustituido es de especial interés, ya que se demostró que la $\alpha/\beta$ -La proporción de isómeros fue dependiente de la concentración. Los resultados obtenidos para la solución de 1,2-dicloroetano apuntaban a una dualidad de mecanismo, en el sentido de que $\beta$ -la acetilación es de primer orden en el reactivo de acilación $\ce{(AcCl.AlCl3)}$ mientras que $\alpha$ -La acetilación es de segundo orden en el reactivo de acilación. El documento (Ref.3) que describe los estudios cinéticos de la acetilación Friedel-Crafts del naftaleno en 1,2-dicloroetano afirma que:

Se ha estudiado cinéticamente la acetilación Friedel-Crafts del naftaleno, utilizando cloruro de acetilo y cloruro de aluminio en solución de 1,2-dicloroetano. El $\alpha/\beta$ La relación de isómeros cambia en función de la concentración de reactivos y del tiempo, por ejemplo, de un 4-5 inicial a un 0,7 final. Los resultados apuntan a una dependencia diferente para las dos posiciones de la concentración de reactivo acilante, $\ce{(AcCl.AlCl3)}$ siendo de segundo orden en este reactivo para el $\alpha$ -y de primer orden para la $\beta$ -reacción. La tasa de la $\alpha$ -se ve impedida por la presencia de cloruro de acetilo libre, mientras que la $\beta$ -reacción no se ve afectada. Esta última reacción presenta parámetros de activación en el rango esperado, $\Delta H^\ddagger = ca. \pu{48 kJ mol-1}$ y $\Delta S^\ddagger = ca. \pu{-99 J K-1 mol-1}$ mientras que para la reacción a $\Delta H^\ddagger = ca. \pu{21 kJ mol-1}$ y $\Delta S^\ddagger = ca. \pu{-160 J K-1 mol-1}$ son ambos muy bajos. Se realizaron experimentos cinéticos competitivos y no competitivos de isótopos de hidrógeno utilizando $\ce{[^2H_8]}$ naftalina. El mecanismo de $\beta$ -Se cree que la acetilación del naftil implica un proceso de dos etapas, siendo la segunda (pérdida de protones) la que limita la velocidad. El $\alpha$ -Se cree que la acetilación procede a través de un $\sigma$ -complejo, a partir del cual la eliminación de $\ce{HCl}$ para dar productos se impide por razones estéricas; la reacción procede en cambio a través de una segunda $\sigma$ -La descomposición del complejo suele ser, al menos en parte, limitante de la velocidad.

La formación inicial del $\alpha$ -es rápida pero su curva se aplana pronto, mientras que la del isómero $\beta$ -isómero asciende de forma más constante y supera al $\alpha$ -isómero después de $ca. \pu{4 min}$ . Formación de la $\alpha$ -isómero es prácticamente completa después de $\pu{10 min}$ pero el $\beta$ -isómero sigue aumentando para $\pu{1 h}$ . El rendimiento total de los isómeros de acetilo fue generalmente del 90-95% (para todos los experimentos).

Calculando sus datos en diferentes programas informáticos, los autores han llegado a la conclusión de que el único conjunto de ecuaciones que dio resultados satisfactorios, es decir, consistencia interna y replicabilidad, fue el de las ecuaciones $(1)$ y $(2)$ : $$\text{Rate}_\alpha = k_\alpha \ce{[naphthalene][AcCl.AlCl3]^2} \tag1$$ $$\text{Rate}_\beta = k_\beta \ce{[naphthalene][AcCl.AlCl3]} \tag2$$

A continuación se muestra el efecto isotópico $(\frac{k_\ce{H}}{k_\ce{D}})$ de acilación de dos posiciones:

$$\begin{array}{c|ccc} \hline \text{Product} & \ce{[AcCl.AlCl3]}, \ \pu{mol L-1} &\ce{[AcCl]_{free}}, \ \pu{mol L-1} & \frac{k_\ce{H}}{k_\ce{D}} \text{ uncorr.} & \frac{k_\ce{H}}{k_\ce{D}} \text{ corr.} \\ \hline \text{1-acetylnaphthalene} & 0.0041 & 0.0942 & 2.17 & 2.22 \\ & 0.0337 & \text{trace} & 1.09 & 1.09 \\ & 0.0168 & 0.0725 & 1.236 & 1.243 \\ & 0.0174 & 0.0751 & 1.70 & 1.61 \\ \hline \text{2-acetylnaphthalene} & 0.0041 & 0.0942 & 4.11 & 4.35 \\ & 0.0337 & \text{trace} & 5.07 & 5.39 \\ & 0.0168 & 0.0725 & 5.04 & 5.40 \\ & 0.0174 & 0.0751 & 5.01 & 5.35 \\ \hline \end{array}$$

El $\frac{k_\ce{H}}{k_\ce{D}}$ muestra claramente los dos mecanismos para cada sustitución en $\alpha$ - y $\beta$ -Posiciones.

Referencias:

1. R. B. Girdler, P. H. Gore, y J. A. Hoskins, "A re-examination of the Friedel-Crafts acetylation of 2-methoxynaphthalene," J. Chem. Soc. C 1966 , 181-185 (DOI: https://doi.org/10.1039/J39660000181 ).
2. Tomoyoshi Yamazaki, Makoto Makihara, y Kenichi Komura, "Zeolite catalyzed highly selective synthesis of 2-methoxy-6-acetylnaphthalene by Friedel-Crafts acylation of 2-methoxynaphthalene in acetic acid reaction media," Journal of Molecular Catalysis A: Chemical 2017 , 426(Parte A) , 170-176 (DOI: https://doi.org/10.1016/j.molcata.2016.11.012 ).
3. David Dowdy, Peter H. Gore y David N. Waters, "The Friedel-Crafts acetylation of naphthalene in 1,2-dichloroethane solution. Kinetics and mechanism," J. Chem. Soc., Perkin Trans. 2 1991 , (8) , 1149-1159 (DOI: https://doi.org/10.1039/P29910001149 ).