Un Módulo de Química
Verde
Sugerencia:
Incluir en un curso de Química Orgánica Avanzada durante
la exposición de las reacciones de sustitución nucleófilas
o las reacciones de sustitución aromáticas.
Sustitución
nucleófila aromática: Algo de Química Verde para
una reacción tradicional
dickneidert1@scranton.edu
* La versión en español ha sido realizada por los profesores
Dra. Mª de la Concepción F. Ling Ling y Dr. Sebastián
O. Pérez Báez del Dpto. de Ingeniería de Procesos
de la E.T.S.I.I. - Universidad de Las Palmas de Gran Canaria - España
Introducción
Las moléculas de benceno sustituídas
tiene una tremenda importancia en las aplicaciones de la química
industrial. Se usan comúnmente como disolventes y son con frecuencia
sustancias intermedias en muchas síntesis, incluidas las de los
poderosos agentes farmacéuticos. Una clase de compuestos producida
de esta manera sirven como sustancias intermedias en la síntesis
de aditamentos que son muy importantes en la industria química del
caucho. Este módulo trata sobre un método recientemente desarrollado
para la producción de una de estas sustancias intermedias, la 4-aminodifenilamina
(4-ADPA). La química presentada muestra un ejemplo de un acercamiento
innovador al problema de introducir nucleófilos en los sistemas
de anillos aromáticos de forma que se reduzca considerablemente
los problemas adversos para el medio ambiente asociados con los más
que conocidos procesos de síntesis.
El método más común para producir anillos de benceno
sustituidos es la bien conocida reacción de sustitución aromática
electrófila (EAS). Esta permite una fácil sustitución
del hidrógeno por grupos nitro, halógenos, ácido sulfónico,
grupos alquilo y acilo. Aunque las aplicaciones de esta reacción
para las sustituciones múltiples estan limitadas directamente por
las propiedades de los grupos orto/meta o para en el anillo así
como sus propiedades de activación/desactivación, normalmente
es posible preparar el compuesto deseado mientras el grupo que se va a
introducir en el anillo sea un electrófilo. Esto singnifica
que una familia completa de sustituyentes, que son de naturaleza nucleófila,
no pueden introducirse en el anillo por EAS. En general, las reacciones
que implican la sustitución de nucleófilos son difíciles.
Bajo las condiciones normales de reacciones de sustitución nucleófilas
se producen pequeñas cantidades de productos que desaparecen. Recordando
los dos mecanismos de la sustitución nucleófila, SN1
y SN2 llegamos a la razón: con un anillo aromático
no está disponible el acercamiento posterior al carbono, el hidrógeno
es un grupo saliente muy pobre, y el sistema aromático no se ionizará
realmente por la pérdida del hidrógeno. Por consiguiente,
para poder introducir importantes nucleófilos dentro del anillo
aromático deben emplearse algunos trucos en el anillo en sí.
Bajo las condiciones especiales que resultan es posible incorporar nucleófilos
en el anillo. Es ésta reacción, Sustitución Aromática
Nucleófila (NAS) el objeto de éste módulo. Examinaremos
la química tradicional del NAS junto con los mecanismos dilucidados.
Con ello veremos que la química presenta varios problemas medioambientales
que la hace indeseable en los procesos a escala industrial. En respuesta
a estos problemas Flexsys America L.P. (1) ha desarrollado un
método alternativo mediante la producción industrial de un
importante compuesto intermedio, la 4-aminodifenilamina. En reconocimiento
a su trabajo, fueron galardonados con los Premios de La Presidencia a los
Retos de la Química Verde. Examinaremos el mecanismo y las condiciones
para esta reacción y especularemos acerca de su adaptabilidad en
otras síntesis.
Los Mecanismos
Hay al menos cuatro mecanismos (2), que
operan bajo diferentes condiciones, para introducir un nucleófilo
en un anillo aromático. Estos son la SNAr, Bencino,
SN1, y SNR1 Aunque estos mecanismos
han sido identificados y estudiados la mayoría de las reacciones
de sustitución nucleófilas aromáticas que han sido
comúnmente desarrolladas se han realizado tanto por mecanismos SNAr
como por Bencino, así que nos concentraremos en éstas, y
consideraremos brevemente las otras dos.
Mecanismo SNAr [adición/eliminación]
Este es el mecanismo más importante para
las reacciones de sustitución aromáticas nucleófilas.
La evidencia experimental indica que hay dos pasos, por lo que con frecuencia
se le llama mecanismo de adición/eliminación. La reacción
comienza con el ataque por un nucleófilo
al carbono del anillo que transporta el grupo saliente. Este es el paso
de adición de la reacción. Con ello se produce
un intermedio aniónico. Este ión conocido como complejo
Meisenheimer, es un estable de resonancia.
En el segundo paso de la reacción, la eliminación tiene
lugar cuando el anillo se rearomatiza con la pérdida del Grupo
Saliente. El primer paso, en el cual el anillo pierde su estabilidad
aromática y se produce el anión es el paso lento o Paso
Determinante de la Velocidad (RDS). Sin embargo, ¡la reacción
no continuará para dar lugar al producto! Sólo la estabilización
por la resonancia no es suficiente para que se forme el intermedio aniónico.
Tiene que ser estabilizado por grupos fuertes eliminadores de electrones
en las posiciones orto y/o para del grupo saliente.
El grupo eliminador
de electrones(G)
más importante para estas reacciones es el grupo Nitro (-NO2).
Este activará el anillo para una reacción NAS con nucleófilos
fuertes a temperaturas moderadas (80-100oC). Existen otros Grupos
que activarán el anillo a temperatura de reacción ambiente
con nucleófilos fuertes cuando el grupo nitro está presente
tanto en la posición orto como para.
Por supuesto, los mecanismos estan basados en los
hechos experimentales. Existen varias observaciones y resultados importantes
que apoyan el mecanismo SNAr. El más importante es el
aislamiento del compuesto intermedio, ¡seguramente la parte más
persuasiva de la evidencia de cualquier mecanismo!. La reacción
que se muestra debajo produce una sal estable que ha sido aislada y caracterizada.
Fue aislada por primera vez en 1902 por Jacob Meisenheimer (3)
que propuso una estructura correcta, posteriormente confirmada por estudios
de NMR .
Refuerzos adicionales al mecanismo SNAr
provienen del hecho de que la naturaleza del Grupo Saliente tiene
un pequeño efecto en el curso de la reacción. Como todos
los Grupos Salientes aniónicos, el LG en la reacción NAS
sale con un par de electrones, así que deben ser especies capaces
de transportar carga negativa. Sin embargo, debido a que sólo se
producen pequeños efectos variando los LG, en comparación
con especies que forman aniones estables, parece que el enlace con el LG
no se rompe en el paso determinante de la velocidad de la reacción.
Ello apoya la naturaleza de los dos pasos del mecanismo SNAr.
Para los halógenos, que son los grupos salientes más comunes
del NAS, su reactividad es comparable a su electronegatividad ( F>>Cl,
Br, I) ya que cuanto más electronegativo es el átomo,
más densidad electrónica sale del carbono. Cuando más
positivo es el carbono, más rápido será el ataque
por el nucleófilo.
Esta reacción ha encontrado una gran utilidad
en la síntesis, sin embargo, ¡produce un compuesto con grupos
eliminadores de electrones necesariamente enlazados al anillo!. Cuando
la reacción NAS es parte de un esquema sintético múltiple,
puede o no ser deseable. Por consiguiente, la reacción NAS basada
sólo en este mecanismo no permitirá la síntesis de
todos los productos deseados.
El Mecanismo del Bencino [eliminación/adición]
Es posible, para un anillo bencénico, transportar un buen grupo
saliente que pueda ser sometido a una Sustitución Aromática
Nucleófila sin grupos sustituyente fuertemente eliminadores de electrones
en las posiciones orto/para. Para que esto ocurra el sustrato aromático
debe ser tratado con una base lo suficientemente fuerte como para extraer
el protón. Cuando la Base/nucleófilo extrae el hidrógeno,
los electrones sigma enlazantes del hidrógeno-carbono contribuyen
a que el carbono transporte el grupo saliente, produciendo su pérdida.
Esto dá lugar a un intermedio único, el BENCINO. Esta
sustancia intermedia reacciona entonces con el ácido conjugado de
la Base/Nucleófilo, se añade el nucleófilo y devuelve
el anillo a su estado aromático original.
El resultado total es que en esta reacción
el orden del proceso es inverso si lo comparamos con el mecanismo S
NAr
; el sustrato de benceno sigue una reacción de eliminación
- pérdida de hidrógeno y LG - seguido por una adición
del nucleófilo.
Hay un fuerte apoyo experimental para el Mecanismo
del Bencino. El punto principal de la evidencia es la habilidad del
grupo saliente. Para los halógenos, de nuevo el grupo saliente más
importante, el orden (Br > I > Cl >> F) se desvia significativamente
del que aparece en el mecanismo SNAr . (4) Ello indica
que opera un mecanismo distinto.
La identidad del grupo saliente también afecta a qué etapa
es determinante de la velocidad, otra parte de la evidencia confirmada.
Para entender esto se requiere una revisión del paso de Eliminación
de este mecanismo. Este paso puede ser concertado (como se insinuó
anteriormente) o puede ser gradual (ver debajo).
Si la eliminación es gradual, cuando
el LG es Br o I el primer paso, la pérdida de hidrógeno,
es la RDS. Sin embargo, cuando el LG es Cl o F, la pérdida
del LG es determinante de la velocidad. Otra pista importante de la naturaleza
de esta reacción se da por el hecho de que en sustratos donde hay
grupos salientes en ambas posiciones orto, no hay reacción, ya que
el intermedio Bencino no se formaría. (4)
Con frecuencia, los estudios de los mecanismos de
reacción se benefician por el uso de sustratos marcados con radioisótopos.
Un estudio interesante de este mecanismo fue desarrollado usando un compuesto
marcado con 14C . (5)
Sin embargo, la prueba más convincente para
este mecanismo puede estar asociada con el intermedio Bencino
en sí. Mientras que éste no ha sido nunca aislado bajo condiciones
experimentales, se ha estudiado en atmósfera de argón a
8 K y su espectro ha sido registrado durante el progreso de las reacciones.
(6) La disponibilidad de la densidad electrónica del
"enlace triple" lo hace un seudo-dienofilo en una reacción
Diels-Alder. Cuando el Bencino
se genera seguido de una diazotinación del ácido antranílico
en presencia de un dieno, como el furano, se recupera un aducto Diels/Alder
de la mezcla reaccionante.(7)
Este intermedio retenido Bencino
es una demostración importante que confirma su existencia.
Otros Mecanismos
Existen otros dos mecanismos posibles para la sustitución
aromática nucleófila. Cada uno de ellos trata con sustratos
especializados y por consiguiente, no son rutas comunes para los anillos
aromáticos sustituidos con especies nucleófilas. Sin embargo,
los examinaremos brevemente, concentrándonos en la reacción
y alguna evidencia de cada ruta propuesta.
Mecanismo SN1
Este es un mecanismo común para la sustitución de nucleófilos
en sales de diazonil. En este caso, el grupo saliente no es un haluro o
un sulfonato, como en la mayoría de las reacciones NAS, sino la
molécula de nitrógeno perdida de la sal de diazonio.
La prueba más importante para el mecanismo
de esta reacción procede de los estudios cinéticos que indican
que la reacción es de primer orden para la sal de diazonio, de manera
que el paso más lento de la reacción es la descomposición
de la sal. Debido a que el nucleófilo no está implicado en
la RDS, la reacción es realmente una reacción de sustitución
aromática S
N1.
Mecanismo SNR1
Existe una confirmación experimental que
indica que ciertos sustratos aromáticos, particularmente los yodobencenos,
sufren reacciones de sustitución nucleófila por un mecanismo
de radicales libres. El mecanismo propuesto para esta reacción comienza
con un paso de iniciación en el cual un electrón es transferido
al sustrado aromático desde un donador de electrones, formando un
radical aniónico. Estas especies pierden yoduro en el primer paso
de propagación para dar un radical arilo. El nucelófilo reacciona
con el radical arilo para dar un segundo radical aniónico, en el
segundo paso de propagación en cadena. En el tercer paso de la cadena
este radical pierde un electrón donado a otra molécula de
sustrato dando lugar al producto de sustitución nucleófila
y otro radical aniónico, de esta manera establece la cadena que
es característica de las reacciones de radicales libres. Los pasos
de propagación de la cadena están seguidos por diversos tipos
de pasos de terminación, incluyendo las combinaciones de los radicales
libres formados en los pasos de propagación o la reacción
de un radical aromático con un hidrógeno donador para producir
benceno.
Una de las partes más importantes de la demostración
experimental para este mecanismo, es el hecho de que la reacción
no tiene lugar cuando se introducen en la mezcla reactiva radicales captadores.
Este mecanismo también explica los modelos de sustitución
observados en una reacción de sustitución aromática
nucleófila que no tienen consistencia con las previsiones de los
mecanismos tanto
SNAr como Bencino. Un ejemplo de estos
resultados se muestra debajo para la reacción del 1,2,4-trimetilbenceno
sustituído en las posiciones 5 y 6.(8) Cuando el
sustituyente era cloro o bromo, el producto NAS fue el previsto, con cantidades
aproximadamente iguales en las posiciones 5 y 6. Estas serían ,
por supuesto, los resultados esperados para el mecanismo de la Bencino
ya que cada producto sería igualmente probable del intermedio Bencino.
Sin embargo, cuando el trimetilbenceno fue sustituido con yodo en las posiciones
5 y 6, los productos obtenidos con los nucleófilos en las posiciones
5 y 6 no aparecían en cantidades iguales, indicando que otros mecanismos
estaban operando con el sustrado yodobenceno.
Se ha encontrado que el mecanismo S
NR1
es muy versátil ya que no se necesitan grupos activadores
como sustituyentes en el anillo para que la reacción tenga lugar.
La reacción puede ser iniciada electroquímica o fotolíticamente
y los sustratos que contienen los otros halógenos así como
la metil amina cuaternaria también sufrirán reacciones mediante
mecanismo de radicales libres en presencia de un donador de electrones
para iniciar la reacción.
Química
Verde - Una ruta alternativa de síntesis para la
Sustitución
Aromática Nucleófila
Premio
al Reto de la Química Verde -Eliminación
del cloro en la síntesis de la 4-Aminodifenilamina: Un nuevo proceso
que utiliza una sustitución aromática nucleófila para
el hidrógeno
Introducción
La industria química del caucho utiliza varios tipos de compuestos
como antidegradantes. Estos son anitoxidantes y antiozonantes. Desempeñan
una función importante ya que protegen los cauchos, tanto naturales
como sintéticos, de los efectos perjudiciales de la exposición
a la atmósfera y luz solar. Los tipos de compuestos orgánicos
empleados como antidegradantes se muestran a la izquierda. Los antioxidantes
aminoran la oxidación del caucho. Reaccionan con los hidroperóxidos
y producen compuestos que no reaccionana con el caucho. Debido a que se
piensa que el caucho puede quebrarse como resultado de un proceso de oxidación
que acelera cualquier rotura mecánica, también sirven como
antiquebradizos y protegen al caucho del agrietamiento. Algunos de ellos
se clasifican como agentes antifatiga. Los antiozonantes se usan en combinación
con cauchos insaturados para prevenir la reacción con el ozono procedente
de la atmósfera que produce un agrietamiento de la superficie del
compuesto de caucho. Mientras que el mecanismo de acción de los
antiozonantes no se conoce muy bien, aparentemente funcionan cubriendo
la superficie de caucho. Uno de los compuestos intermedios más importantes
en la síntesis de estos antidegradantes es la 4-aminodifenilamina
(4-ADPA).
El Método Industrial Actual
La preparación industrial actual de la
4-ADPA utiliza dos reacciones de sustitución aromáticas eletrófilas
con el fin de preparar el anillo para la sustitución aromática
nucleófila. El primero, la cloración del benceno, provee
del grupo saliente. El segundo, la nitración del clorobenceno, sirve
para activar la molécula para la reacción de sustitución
aromática nucleófila necesaria para añadir la formanilida
al sustrato. La hidrogenación del compuesto resultante difenil nitrato
produce la deseada 4-aminodifeilamina.
La secuencia comienza con la bien conocida reacción
de sustitución aromática electrófila (EAS) en la cual
el átomo de cloro es sutituido por el hidrógeno en el núcleo
del benceno. Otra reacción EAS nitra el compuesto en la posiciones
orto y para. Esta selectividad zonal es resultado de la naturaleza directa
del cloro presente en el sustrato. Esta es una donación de electrones
por resonancia que estabiliza las especies en estado de transición
produciendo el intermedio ión bencénico para los productos
orto y para. Recuerde que aunque los halogenos son dadores de electrones
mediante resonancia, también son transportadores de electrones por
inducción y el efecto inductivo es más fuerte que el resonante.
Por consiguiente, esta reacción procederá a menor velocidad
que la nitración del benceno no sustituido. Estas reacciones EAS
se muestran a continuación.
El para-nitroclorobenceno (PNCB)
producido en la reacción EAS es un sustrato para la reacción
de sustitución nucleófila. Esta reacción tiene
lugar según el mecanismo SNAr anteriormente discutido.
En este caso el par de electrones libres del nitrógeno del formaldehido
actúa como el nucleófilo de densidad electrónica.
El producto del primer paso de la secuencia es la 4-nitrodifenilamina (4-NDPA).
Una hidrogenación catalítica produce la síntesis del 4-ADPA.
La economía del átomo de la reacción
Los químicos, tradicionalmente miden la eficacia de una reación
determinando el rendimiento porcentual de la misma (% del rendimiento).
Sin embargo, el rendimiento porcentual trata sólo con la cantidad
de producto(s) deseado que es obtenido (con relación al reactivo
limitante) y no considera la eficacia de la rección con relación
a los subproductos (desechos) que se forman. El concepto de la Economía
del Atomo (desarrollado por Barry Trost) amplía la consideración
de la eficacia de la reacción teniendo en cuenta todos los átomos
de los reactivos y si estos son incorporados o utilizados en el producto
deseado o si terminan en subproductos (no utilizados). Se puede calcular
el % de la Economía del Atomo determinando la masa de todos los
átomos que se utilizan en el prodcuto deseado, dividiéndola
por la masa total de todos los átomos reactivos y multiplicándolo
por 100. Para un mayor conocimiento vea el Módulo Verde de Química
Orgánica:
El examen de las reacciones anteriores presenta
varios problemas de la economía del átomo. El primer EAS
utiliza dos átomos de cloro, ninguno de los cuales finaliza en el
producto.
A continuación se muestra un esquema general para la preparación
tradicional del 4-ADPA. Los sustratos y reactivos se muestran en rojo.
El cálculo de la Economía
del Atomo aparece en la siguiente tabla.
|
Fórmula de los reactivos
|
PF
|
Atomos
Usados
|
Peso
|
Atomos
no usados
|
Peso
|
|
1 C6H6
|
78
|
6
C, 4 H
|
76
|
2
H
|
2
|
|
2Cl2
|
70
|
------------
|
0
|
2
Cl
|
70
|
|
3 HNO3
|
63
|
1
N
|
14
|
1
H, 3 O
|
49
|
|
4 C7H7NO
|
121
|
6
C, 6 H, 1 N
|
92
|
1
C, 1 O, 1 H
|
29
|
|
5 K2CO3
|
98
|
------------
|
0
|
2
K, 1 C, 3 O
|
98
|
|
6 H2
|
2
|
2
H
|
2
|
--------------
|
0
|
TOTAL
|
432
|
12C,
12H, 2N
|
161
|
2C,4H,2Cl,2K,7O
|
248
|
La
Economía del Atomo de la reacción es igual
al peso de los átomos usados dividido por el peso de todos los reactivos.
%
Economía del Átomo =161/432 x 100 = 37%
Este cálculo demuestra claramente los problemas
relacionados con la química actual.
La Química
Marrón
de la Reacción Actual
Además de una economía del átomo
adversa y del resultado medioambiental, así como del impacto económico,
las reacciones actualmente empleadas para preparar la 4-ADPA presentan
otras implicaciones medioambientales. La primera es que el rendimiento
porcentual del
para-nitroclorobenceno es sólo del
70% siendo el restante 30% correspondiente a los subproductos no deseados,
orto-nitroclorobenceno. La segunda es el uso de otros hidrocarburos
aromáticos, el xileno como disolvente para la reacción NAS.
Este material quedaría dispuesto propiamente como un desecho químico
tóxico que presenta un peligro potencial para el medio ambiente
y supondría un coste añadido en la preparación de
la 4-ADPA. Sin embargo, las principales implicaciones con relación
a este tipo de reacción se centran en dos aspectos. El primero,
y más importante, es el hecho de que se usan grandes cantidades
de cloro gas en el primer paso de la reacción. Este gas podría
ser almacenado y manipulado adecuadamente para minimizar el riesgo de escape
a la atmósfera donde tendría severas consecuencias sobre
el medio ambiente y la salud. Además es un compuesto de la lista
SARA (Acta
del Superfondo de Enmiendas y Reautorizaciones), y la cantidad de cloro
usado y almacenado debe ser enviado anualmente a la EPA. Las plantas que
utilizan materiales SARA también deben clasificar los materiales
peligrosos presentando su planificación para combatir el derrame
y los accidentes relacionados con el compuesto. El segundo aspecto son
las cantidades y variedades de desechos producidos en la secuencia de la
reacción. La ruta completa produce una solución acuosa de
sales inorgánicas. El problema es que esta corriente de agua de
desecho podría estar contaminada con materiales orgánicos
que son los sustratos y productos de los pasos de la secuencia de la reacción,
debido a que todos ellos son lo suficientemente polares como para ser solubles
en agua. Aunque ciertamente, es posible el separar los residuos de esta
reacción, ello supone un gasto de tiempo y dinero y presenta más
riegos de contaminación para el medio ambiente. La naturaleza de
esta química se muestra por el hecho de que la Compañía
Química Monsanto considera esta reacción como ¡"una
de las reacciones más despilfarradoras y potencialmente peligrosas"
que han desarrollado en sus distintas plantas!
(9)Estaba claro que la solución era diseñar
una reacción que pudiera producir 4-ADPA sin tener que usar material
de partida clorado.
La Alternativa
de la Química Verde
Desarrollo de la Reacción
Los químicos de Monsanto dedicados a la investigación
y desarrollo, se dieron cuenta de que la solución a estos problemas
ambientales implicaban reemplazar la reacción tradicional NAS por
otra que requiriera la sustitución del hidrógeno, eliminando
por consiguiente la necesidad de un sustrato clorado. Existen varios ejemplos
en la literatura para esta sustitución aromática nucleófila
del hidrógeno (NASH). La nueva química fue desarrollada por
Flexsys America.
Una ruta de reacción alternativa
A continuación se muestra una reacción general de sustitución
aromática nucleófila del hidrógeno.
La aplicación de esta reacción para
la síntesis del 4-ADPA fue desarrollada por Sterns, Hileman,
y Bashkin.
(10) La nueva química implica el acoplamiento
de la anilina y el nitrobenceno en una reacción que es de sustitución
del hidrógeno. Este tipo de reacción fue publicada por primera
vez en 1903 obteniendo un redimiento porcentual del 50%.
De hecho, todas las reacciones NASH en la literatura
han sufrido las mismas limitaciones. Como grupo, tienen lugar con rendimientos
muy bajos y muestran bajas selectividades. Aunque la reacción puede
ser factible para producir pequeñas cantidades a escala de laboratorio
con fines investigadores, estos inconvenientes hacen la reacción
inviable para aplicaciones industriales en las que se producen grandes
cantidades de material.
La reacción propuesta por los químicos de Monsanto usa una
base para producir un nucleófilo mejor. La base extrae un protón
de la anilina produciendo un ión aniluro, un nucleófilo mucho
más poderoso. Entonces, el primer paso de la reacción es
una reacción de asociamiento promovida por una base en la cual el
ión aniluro ataca al carbono
para del grupo nitro activado.
Como se muestra debajo, el producto de esta reacción
es oxidado bajo condiciones anaerobias a dos productos intermedios, la
4-nitrosodifenilamina (4-NODPA) y la 4-nitrodifenilamina (4-NDPA). La primera
(4-NODPA) se produce mediante una reacción intramolecular en
la cual el grupo nitro del producto asociado actúa como el oxidante.
En la reacción simultánea intermolecular
(ver debajo) el oxidante es el reactivo nitrobenceno. Esta ruta produce
4-NDPA y azobenceno. El azobenceno puede ser recuperado fácilmente
y convertido de nuevo en anilina, de manera que no es un producto de desecho
de la reacción. Para optimizar las condiciones de la reacción,
los químicos de Monsanto lograron un rendimiento total del 96% de
los dos productos intermedios. Además, su mayor conocimiento del
mecanismo de la reacción ha llevado a otras aplicaciones de la sustitución
aromática nucleófila del hidrógeno en las cuales las
amidas reaccionan con el nitrobenceno para producir aminas importantes
a nivel industrial.(11)
Economía del Átomo de la reacción Flexsys NASH
Un cálculo similar de la Economía
del átomo de la reacción Flexsys NASH se basa en la
reacción general mostrada debajo.
De nuevo, los datos de los reactivos y sustratos
marcados en rojo se muestran en la tabla siguiente.
|
Formula
Reactivo
|
PF
|
Atomos
usados
|
Peso
|
Átomos
no usados
|
Peso
|
|
1 C6H6
|
78
|
6
C, 4 H
|
76
|
2
H
|
2
|
|
2 HNO3
|
63
|
1
N
|
14
|
1
H, 3 O
|
49
|
|
3 C6H7N
|
93
|
6
C, 6 H, N
|
92
|
1
H
|
1
|
|
4 H2
|
2
|
2
H
|
2
|
-----------
|
0
|
TOTAL
|
236
|
12C,12H,2N
|
184
|
4H,3O
|
52
|
La Economía
del átomo de la reacción Flexsys NASH viene
dada por el
% Economía
del átomo =184/236 x 100 = 78%
¡lo que representa una mejora doble sobre la
química tradicional!
Química
Verde de la Flexsys NASH
Esta secuencia de reacciones alternas tiene muchas
ventajas significativas para el medio ambiente frente a la ruta tradicional.
Las cinco ventajas principales del nuevo proceso(12) que describe
la Compañía son:
·Una
reducción extraordinaria de los desechos orgánicos procedentes
de la reacción industrial. Los químicos de Flexsys han publicado
que la nueva reacción reduce el desecho orgánico en un 74%
y elimina el 99% del residuo inorgánico. En la Nominación
a los Retos de la Química Verde, Flexsys declara que si sólo
el 30% del suministro mundial de la 4-ADPA fuera producida
por NASH se ahorrarían unos 74 millones de libras de desechos.
·Reducción
en más del 97% del agua de desecho generada. Si se usara la química
Flexsys para generar el 30% de la producción anual de la 4-ADPA
se ahorrarían 1.4 billones de libras de agua al año.
·Eliminación
del uso del cloro, un producto químico peligroso y difícil
de manejar.
·Eliminación
del uso del xileno, que es un disolvente necesario en la química
tradicional. El xileno es un hidrocarburo aromático que plantea
problemas en el manejo, almacenamiento y suministro.
·Mejora
la seguridad industrial. Si se compara con la producción química
tradicional de la 4-ADPA, la nueva química no usa ni varios procesos
continuos ni altas temperaturas, condiciones que pueden y conducen a reacciones
incontroladas. Monsanto describe este proceso de síntesis como uno
de los más peligrosos y publica que su experiencia con reacciones
incontroladas en 1979 tuvo como resultado la explosión de un reactor.
La nueva química no presenta ningún potencial de condiciones
incontroladas.
Cuestiones:
1.Dibuje las estructuras de los colaboradores
de resonancia importantes del complejo Meisenheimer para la reacción
SNAR de los siguientes sustratos.
2. Basándose en las estrucutras dibujadas en
la pregunta 1, ¿que compuesto predeciría ser el mejor sustrato
para el mecanismo SNAr de sustitución aromática
nucleófila? Explique claramente su respuesta.
3. Lo químicos Flexsys han extendido su química
NASH para la síntesis de aminas a partir de la reacción del
nitrobenceno con amidas. Busque en la bibliografía una referencia
para una reacción de este tipo. Compare el mecanismo propuesto para
esta reacción con el de producción de la 4-ADPA.
4. Dibuje un mecanismo de Bencino para las reacciones
del 5-cloro y 6-cloro-1,2,4-trimetilbenceno con amida mostrando el origen
del producto sustituido 5 y 6 para cada sustrato explidando la proporción
de producto observado.
5.¿Qué medios experimentales usaría
para determinar si una reacción de sustitución aromática
nucleófila procederá por un mecanismo SNAR o de
Bencino?
6. Desarrolle una secuencia de reacciones para convertir
el azobenceno en anilina.
7. El producto de la síntesis Flexsys, la 4-ADPA,
es un intermedio importante en la síntesis de antidegradantes empleados
en la composición de cauchos. Uno de ellos, que sirve como antiozonante
y antiquebradizo es el N-isopropil-N’-fenil-p-fenilen diamina. Desarrolle
una síntesis razonable de este compuesto empleando 4-ADPA.
Sugerencias para otros estudios
1. Usando un programa de modelo molecular construya
un modelo de bencino mostrando la localización de la densidad electrónica pi
en el compuesto intermedio.
2. La Nanotube Connection, una página web
de la NASA (http://www.ipt.arc.nasa.gov.gallery.html) contiene
información sobre el uso de moléculas de bencino como dispositivos
en máquinas construidas de nanotubes. ¿Qué es un nanotube
? ¿De qué están hechos? ¿Cuáles son
las posibilidades para las máquinas del tipo descrito en esta página
web?
Referencias Bibliográficas
1.Rains,
Roger K., et al., Elimination of Chlorine in the Synthesis of 4-Aminodiphenylamine:
A New Process Which Utilizes Nucleophilic Aromatic Substitution for Hydrogen,
a proposal submitted to the Presidential Green Chemistry Challenge Awards
Program 1998.
2.Comprehensive,
detailed discussions of these mechanisms with extensive references are
found in:
March, J. Advanced Organic Chemistry, Wiley-Interscience,
NY (1992).
Carroll, F.A. Structure and Mechanism in Organic
Chemistry, Brooks/Cole, NY (1998).
3.Meisenheimer,
J. Liebigs Ann. Chem., 323, 205 (1902).
4.Roberts,
J. D., et al., J. Amer. Chem. Soc. 78, 601 (1956).
5.Roberts,
J. D., op. cit.
6.Chapman,
N. B.. et. al., J. Amer. Chem. Soc., 98, 6710 (1976).
7.Stiles,
P. J., and Miller, J., J. Amer. Chem. Soc., 82, 3802 (1960).
8.March,
op. cit.
9.Stern,
M.K. et al., J. Amer. Chem. Soc., 114, 9237 (1992).
10.Stern,
M K., et al., New Journ. Chem., 20, 259 (1996).
11.Stern,
M. K. and Cheng, B., J. Org. Chem., 58, 6883 (1993).
12.Rains,
op. cit.
