Reações de 1,2-dicloro-4,5-dinitrobenzeno com aminas: monossubstituição de nitro e dissubstituição de cloro e nitro

Reactions of 1,2-dichloro-4,5-dinitrobenzene with amines: monosubstitution of chlorine and disubstitution of chlorine and nitro

1.2-dichloro-4, 5-dinitrobenzene; amines; nucleophilic aromatic substitution

ARTIGO

Reações de 1,2-dicloro-4,5-dinitrobenzeno com aminas. Monossubstituição de nitro e dissubstituição de cloro e nitro

Reactions of 1,2-dichloro-4,5-dinitrobenzene with amines: monosubstitution of chlorine and disubstitution of chlorine and nitro

Fabrício Gava Menezes; Juan Ricardo; Rafael Dias; Adailton J. Bortoluzzi; César Zucco^*

Departamento de Química, Universidade Federal de Santa Catarina, CP 476, 88040-900 Florianópolis - SC, Brasil

ABSTRACT

1,2-dichloro-4,5-dinitrobenzene (DCDNB) reacts with primary and secondary amines, in acetonitrile, at room temperature, to give a monosubstituted nitro product with a yield of 85 to 95%. The chloro-nitro-disubstituted product is formed with excess amine under reflux. Piperidine, pyrroline, dimethylamine and methylamine were the most reactive reagents in both mono- and disubstitution.

Keywords: 1.2-dichloro-4,5-dinitrobenzene; amines; nucleophilic aromatic substitution.

INTRODUÇÃO

É comum encontrar-se nos livros textos de Química Orgânica que a substituição nucleofílica em anéis aromáticos é muito lenta e, por isso, não só impraticável, mas sem interesse sintético. No entanto, entende-se que devem ser excluídas dessa assertiva reações envolvendo substratos altamente ativados por grupos elétron-atraentes (mecanismo S_NAr); catalisadas por bases fortes (mecanismo via intermediário benzino); nas quais o nitrogênio de um sal de diazônio é substituído por um nucleófilo (mecanismo S_N1) e iniciadas por doadores de elétrons (mecanismo via radical livre). Essas reações podem ocorrer em condições suaves e, em cada reação, opera um mecanismo diferente, conforme explicitado^1,2.

O 1,2-dicloro-4,5-dinitrobenzeno, DCDNB, com quatro grupos elétron-atraentes, reage com o íon hidroxila, em água ou em misturas de DMSO:água, para formar 4,5-dicloro-2-nitrofenol, por meio da substituição de um grupo nitro. Foi postulado para essa reação o mecanismo SET ("single electron transfer"), cujas evidências maiores foram obtidas por RMN de hidrogênio^3,4. O produto da reação entre DCDNB e n-butilamina, em éter etílico, 1,2-dicloro-4(n-butilamino)-5-nitrobenzeno, também é resultado da substituição de um grupo nitro⁵. Todavia, a reação de DCDNB com morfolina, em DMSO, formou, com 68% de rendimento, 1-cloro-2,4-dimorfolino-5-nitrobenzeno, resultado da dissubstituição de um cloro e de um nitro⁶.

Essas reações do DCDNB^3,5,6 apresentam rendimento variando entre 68 a 90% e são facilmente realizadas, porém, os resultados não foram previsíveis em relação ao tipo de substituição. A formação de produtos mono e dissubstituídos exige que novas investigações sejam realizadas para se determinar as condições em que um nitro ou um nitro e um cloro são substituídos. Além disso, é necessário que seja esclarecido se os compostos mono e dissubstituídos são formados simultaneamente ou se o dissubstituído é formado a partir do mono. Sabe-se que o grupo nitro ativa anéis aromáticos para as reações do tipo S_NAr^1,2, sendo um grupo de saída bastante comum sob diversas condições^1,7,8. O cloro, por sua vez, é um ativador mais fraco e comumente conhecido como bom grupo de saída, porém, menos lábil que o nitro ou o flúor, em várias reações de substituição nucleofílica aromática^1,7.

O presente trabalho diz respeito às reações de preparação de derivados do DCDNB com aminas primárias e secundárias. Essas duas séries de aminas mostram como varia o comportamento da reação em função da nucleofilicidade do reagente, dos efeitos estéricos, da temperatura e, inclusive, do solvente, possibilitando o entendimento das condições em que o nitro ou o cloro e o nitro atuam simultaneamente como grupo de saída.

PARTE EXPERIMENTAL

Os pontos de fusão, medidos em um aparelho MQAPF – 301, Microquímica, não foram corrigidos. Os espectros de RMN de ¹H foram obtidos em um aparelho Variam, 400 MHz, e em um aparelho Brucker, FT 200 MHz, utilizando CDCl₃ como solvente. Os valores de deslocamento químico (d) são dados em ppm e as constantes de acoplamento (J) em Hz. As análises de CHN foram realizadas em um analisador elementar CHNS-O, Carlo Erba, modelo E-1110. As estruturas cristalográficas foram determinadas em difratômetro Enraf-Nonius CAD.

O DCDNB, Aldrich, foi utilizado sem qualquer purificação prévia. As aminas foram adquiridas comercialmente e destiladas antes das reações, exceto metilamina e dimetilamina, que foram utilizadas na forma de solução aquosa. Os demais reagentes foram obtidos comercialmente e utilizados sem purificação.

Procedimento 1: obtenção de produtos mononitrosubstituídos

Em um frasco de vidro de 10 mL foi adicionado 0,10 g (0,42 mmol) de DCDNB a uma solução de 1,26 mmol da amina (metilamina, n-propilamina, i-propilamina, n-butilamina, t-butilamina, cicloexilamina, benzilamina, anilina, dimetilamina, dietilamina, di-n-propilamina, n-butilmetilamina, piperidina e pirrolidina) em 3 mL de acetonitrila, em temperatura ambiente. As reações foram acompanhadas por cromatografia de camada delgada com diclorometano-hexano 1:1,2 (v/v). Após o consumo do DCDNB, o solvente foi evaporado em rotavapor. O produto, quando sólido, foi recristalizado em etanol e lavado com etanol frio e água. Quando o produto era um óleo, foi purificado por coluna flash, utilizando-se sílica-gel 60 como fase estacionária e uma mistura de diclorometano-hexano 1:3 (v/v), como eluente.

1,2-dicloro-4-metilamino-5-nitrobenzeno,1: p.f. 146 ºC (Lit⁹ 148 ºC); RMN de ¹H (400 MHz) d: 8,29 (d, 1H, ArH, J = 2), 7,91 (sl, 1H, NH), 6,97 (d, 1H, ArH, J = 2), 3,02 (dd, 3H, CH₃, J = 2 e 5,2); rendimento 89%.

1,2-dicloro-4(n-propilamino)-5-nitrobenzeno,2: p.f. 83-84 ºC (Lit.⁹: 84-85 ºC); RMN de ¹H (200 MHz) d: 8,28 (s, 1H, ArH), 7,97 (sl, 1H, NH), 6,97 (s, 1H, ArH), 3,24 (m, 2H, CH₂), 1,72 (m, 2H, CH₂), 1,06 (t, 3H, CH₃, J = 7,4); análise elementar calculada para C₉H₁₀Cl₂N₂ O₂: C, 43,40; H, 4,05; N, 11,25; encontrada: C, 43,44; H, 4,10; N, 11,28; rendimento: 92%.

1,2-dicloro-4(i-propilamino)-5-nitrobenzeno, 3: p.f. 100-101 °C (lit.¹⁰ 100 ºC); RMN de ¹H (200 MHz) d: 8,27 (s, 1H, ArH), 7,94 (sl, 1H, NH), 6,97 (s, 1H, ArH), 3,77 (m, 1H, CH), 1,34 (d, 6H, CH₃, J = 6,4); análise elementar calculada para C₉H₁₀Cl₂N₂ O₂: C, 43,40; H, 4,05; N, 11,25; encontrada: C, 43,48; H, 4,09; N, 11,26; rendimento: 95%.

1,2-dicloro-4(n-butilamino)-5-nitrobenzeno,4: p.f. 63 ºC; RMN de ¹H (400 MHz) d: 8,26 (d, 1H, ArH, J = 2), 7,98 (sl, 1H, NH), 6,96 (s, 1H, ArH), 3,27 (m, 2H, CH₂), 1,72 (m, 2H, CH₂), 1,49 (m, 2H, CH₂), 0,99 (t, 3H, CH₃, J = 7,2); análise elementar calculada para C₁₀H₁₂Cl₂N₂ O₂: C, 45,65; H, 4,60; N, 10,65; encontrada: C, 45,68; H, 4,66; N, 10,61; rendimento: 92%.

1,2-dicloro-4(t-butilamino)-5-nitrobenzeno,5: p.f. 110 °C; RMN de ¹H (200 MHz) d: 8,29 (sl, 2H, ArH e NH sobrepostos), 7,21 (s, 1H, ArH), 1,50 (s, 9H, CH₃); análise elementar calculada para C₁₀H₁₂Cl₂N₂ O₂: C, 45,65; H, 4,60; N, 10,65; encontrada: C, 45,70; H, 4,64; N, 10,64; rendimento: 94%.

1,2-dicloro-4-cicloexilamino-5-nitrobenzeno,6: p.f. 103-104 °C; RMN de ¹H (200 MHz) d: 8,28 (s, 1H, ArH), 8,03 (sl, 1H, NH), 6,97 (s, 1H, ArH), 3,45 (m, 1H, CH), 2,18-1,40 (m, 4H, CH₂), 1,30-1,50 (m, 6H, CH₂); análise elementar calculada para C₁₂H₁₄N₂: C, 49,84; H, 4,88; N 9,69; encontrada: C, 49,93; H, 4,96; N, 9,67; rendimento: 92%.

1,2-dicloro-4-benzilamino-5-nitrobenzeno,7: p.f. 110-111 ºC (Lit.⁹ 104 ºC); RMN de ¹H (200 MHz) d: 8,32 (sl, 1H, NH ), 8,28 (s, 1H, ArH), 7,43-7,28 (m, 5H, ArH), 6,96 (s, 1H, ArH), 4,49 (d, 2H, CH₂, J = 12,7); análise elementar calculada para C₁₃H₁₀Cl₂N₂ O₂: C, 52,55; H, 3,39; N, 9,43; encontrada: C, 52,59; H, 3,44; N, 9,41; rendimento: 85%.

1,2-dicloro-4-anilineo-5-nitrobenzeno, 8: p.f. 92-93 ºC (Lit.⁹ 96 ºC); RMN de ¹H (400 MHz) d: 9,43 (sl, 1H, NH), 8,32 (s, 1H, ArH), 7,45 (m, 2H, ArH), 7,27 (m, 4H, ArH); rendimento: 54%.

1,2-dicloro-4-dimetilamino-5-nitrobenzeno,9: p.f. 99-101 ºC (Lit¹¹ 103-104 ºC); RMN de ¹H (400 MHz) d: 7,90 (d, 1H, ArH, J = 1,2), 7,10 (d, 1H, ArH, J = 1,2), 2,90 (d, 6H, CH₃, J = 1,6); análise elementar calculada para C₈H₈Cl₂N₂ O₂: C, 40,88; H, 3,43; N, 11,92; encontrada: C, 40,93; H, 3,47; N, 11,90; rendimento: 94%.

1,2-dicloro-4-dietilamino-5-nitrobenzeno,10: (óleo) RMN de ¹H (200 MHz) d: 7,76 (s, 1H, ArH), 7,15 (s, 1H, ArH), 3,13 (q, 4H, CH₂, J = 7), 1,08 (t, 6H, CH₃, J = 7,1); rendimento: 93%.

1,2-dicloro-4-di(n-propilamino)-5-nitrobenzeno,11: (óleo) RMN de ¹H (200 MHz) d: 7,83 (s, 1H, ArH), 7,18 (s, 1H, ArH), 3,06 (t, 4H, CH₂, J = 7,3), 1,54 (m, 4H, CH₂), 0,86 (t, 6H, CH₃, J = 7,3); rendimento: 91%.

1,2-dicloro-4(n-butilmetilamino)-5-nitrobenzeno,12: (óleo) RMN de ¹H (200 MHz) d: 7,85 (s, 1H, Ar-H), 7,12 (s, 1H, Ar-H), 3,15 (t, 2H, CH₂, J = 7,3), 2,81 (s, 3H, CH₃), 1,59 (m, 2H, CH₂), 1,80 (m, 2H, CH₂), 0,92 (t, 3H, CH₃, J = 7,2); rendimento: 87%.

1,2-dicloro-4-pirrolidino-5-nitrobenzeno,13: p.f. 130 °C; RMN de ¹H (200 MHz) d: 7,84 (s, 1H, ArH), 7,01 (s, 1H, ArH), 3,19 (t, 4H, CH₂, J = 6,4), 1,96 (m, 4H, CH₂); análise elementar calculada para C₁₀H₁₀Cl₂N₂ O₂: C, 46,00; H, 3,86; N 10,73; encontrada: C, 46,09; H, 3,96; N, 10,71; rendimento: 93%.

1,2-dicloro-4-piperidino-5-nitrobenzeno,14: p.f. 62 °C (Lit.¹² 104-105 ºC); RMN de ¹H (200 MHz) d: 7,92 (s, 1H, ArH), 7,17 (s, 1H, ArH), 3,0 (m, 4H, CH₂), 1,73 (m, 6H, CH₂); análise elementar calculada para C₁₁H₁₂Cl₂N₂ O₂: C, 48,02; H, 4,40; N, 10,18; encontrada: C, 48,12; H, 4,46; N, 10,15; rendimento: 88%.

Procedimento 2: obtenção de produtos cloro-nitro-dissubstituídos

A um balão de 10 mL com 0,10 g (0,42 mmol) de DCDNB, foi adicionada uma solução contendo 4,2 mmol de amina (metilamina, n-propilamina, i-propilamina, n-butilamina, cicloexilamina, dimetilamina, dietilamina, di-n-propilamina, piperidina e pirrolidina) em 4 mL de acetronila. As reações foram realizadas sob refluxo, em atmosfera de nitrogênio, e acompanhadas por cromatografia em camada delgada. Após 24 h de reação, o solvente foi evaporado em rotavapor. Quando um produto predominava, este era recristalizado em etanol e lavado com etanol frio e água. Quando dois produtos principais eram obtidos, a separação era realizada em coluna, utlilizando-se sílica gel 60, empacotada com hexano. Os produtos foram separados por eluição com diclorometano-hexano 1:12 (v/v) e diclorometano-hexano 1:1 (v/v). Após a evaporação do solvente, os produtos foram recristalizados como anteriormente.

1-cloro-2,4-di(metilamino)-5-nitrobenzeno,15: p.f. 185-186 ºC; RMN de ¹H (400 MHz) d: 8,48 (sl, 1H, NH), 8,15 (d, 1H, ArH, J = 1,2), 5,62 (s, 1H, ArH), 5,16 (sl, 1H, NH), 3,01 (dd, 3H, CH₃, J = 1,2 e 5,2), 2,99 (dd, 3H, CH₃, J = 1,2 e 5,6); análise elementar calculada para C₈H₁₀ClN₃O₂ : C, 44,56; H, 4,67; N, 19,49; encontrada: C, 44,63; H, 4,71; N, 19,42; rendimento: 88%.

1-cloro-2,4-di(n-propilamino)-5-nitrobenzeno,16: p.f. 75-76 ºC; RMN de ¹H (200 MHz) ä: 8,45 (sl, 1H, NH), 8,16 (s, 1H, ArH), 5,67 (s, 1H, ArH), 5,01 (sl, 1H, NH), 3,21 (m, 4H, CH₂), 1,75 (m, 4H, CH₂), 1,06 (t, 6H, CH₃, J = 7,5); análise elementar calculada para C₁₂H₁₈ClN₃O₂ : C, 53, 04; H 6, 68; N 15, 46; encontrada: C, 53,13; H, 6,74; N, 15,44; rendimento: 26%.

1-cloro-2,4-di(n-butilamino)-5-nitrobenzeno,17:p.f. 58-59 ºC (Lit.¹³ 58-58,5 ºC); RMN de ¹H (400 MHz) d: 8,48 (sl, 1H, NH), 8,16 (s, 1H, ArH), 5,68 (s, 1H, ArH), 5,01 (sl, 1H, NH), 3,24 (m, 4H, CH₂), 1,70 (m, 4H, CH₂), 1,52 (m, 4H, CH₂), 1,00 (m, 6H, CH₃); análise elementar calculada para C₁₄H₂₂ClN₃O₂ : C, 56,09; H, 7,40; N, 14,02; encontrada: C, 56, 12; H, 7,42; N, 14,00; rendimento: 17%.

1-cloro-2,4-bis(dimetilamino)-5-nitrobenzeno,18: p.f. 89 ºC (Lit.¹¹ 90-91 ºC); RMN de ¹H (400 MHz) d: 7,98 (d, 1H, ArH, J = 2), 6,39 (s, 1H, ArH), 2,94 (d, 3H, CH₃, J = 2), 2,89 (d, 3H, CH₃, J = 2); análise elementar calculada para C₁₀H₁₄ClN₃O₂ : C, 49,29; H, 5,79; N 17,24; encontrada: C, 49,36; H, 5,85; N, 17,17; rendimento: 90%.

1-cloro-2,4-dipirrolidino-5-nitrobenzeno, 19: p.f. 155 ºC (Lit.¹⁴ 160 ºC); RMN de ¹H (200 MHz) d: 7,94 (s, 1H, ArH), 5,97 (s, 1H, ArH), 3,56 (t, 4H, CH₂, J = 6,3), 3,21 (t, 4H, CH₂, J = 6,1) 1,96 (m, 8H, CH₂); análise elementar calculada para C₁₄H₁₈ClN₃O₂ : C, 56,85; H, 6,13; N, 14,21; encontrada: C, 56,89; H, 6,19; N, 14,20; rendimento: 90%.

1-cloro-2,4-dipiperidino-5-nitrobenzeno, 20: p.f. 103-104 ºC (Lit.¹⁵ 103-104 ºC); RMN de ¹H (200 MHz) d: 8,0 (s, 1H, ArH), 6,51 (s, 1H, ArH), 3,10 (t, 4H, CH₂, J = 4,4 e 5,6), 3,99 (t, 4H, CH₂, J = 4,5 e 5,7), 1,65 (m, 12H, CH₂); análise elementar calculada para C₁₆H₂₂ClN₃O₂ : C, 59,35; H, 6,85; N, 12,98; encontrada: C, 59,37; H, 6,89 ; N, 12,94; rendimento: 92%.

Análises cristalográficas

Os compostos 3, 13 e 20 tiveram suas estruturas cristalinas/moleculares determinadas por difração de raios x. A partir de cada amostra cristalina desses compostos foi isolado um monocristal, que foi colocado em difratômetro CAD-4 Enraf-Nonius, usando fonte de Mo e monocromador de grafite, para efetuar a coleta de dados difratométricos em temperatura ambiente. Para as três estruturas, os átomos não-hidrogênio foram refinados anisotropicamente e os átomos de hidrogênio ligados a carbonos foram colocados geometricamente. Na estrutura do composto 3, o átomo de hidrogênio da função amina foi localizado a partir do mapa de densidades eletrônicas e tratado como átomo livre. Outras informações sobre as análises cristalográficas são apresentadas na Tabela 1. As tabelas completas dos dados cristalográficos e refinamento foram depositadas no Cambridge Structural Database (números do depósito CCDC 604128, CCDC 604129 e CCDC 604130) e podem ser obtidas, sem qualquer custo, na página da web http://www.ccdc.cam.ac.uk/.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Substituição do grupo nitro

O grupo nitro é substituído nas reações envolvendo o DCDNB com aminas primárias e secundárias, produzindo uma série de derivados com rendimentos entre 85 e 95%, exceto o derivado da anilina, cujo rendimento foi de 54%, conforme resultados apresentados na Tabela 2, entradas 1 a 14.

O tempo de reação, medido pelo consumo do DCDNB ou pelo aparecimento da espécie dissubstituída, utilizando cromatografia de camada delgada, variou para cada amina. De modo geral, crescia com o aumento da cadeia alquílica das aminas, o que é devido, principalmente, ao efeito estérico provocado pelas interações das aminas com a cadeia aromática, sem comprometer o efeito ressonante do grupo nitro em orto¹⁶. As aminas cíclicas, e.g., piperidina e pirrolidina, estão entre as mais nucleofílicas, consumindo o DCDNB, nas condições experimentais estudadas, em no máximo 3 min. Amimas mais impedidas, incluindo algumas primárias, todavia, requereram até 24 h, ou mais, de tempo de reação, mesmo sob refluxo (Tabela 2).

As aminas cíclicas são conhecidas por se comportarem de forma diferente das demais aminas secundárias sendo muito mais reativas¹⁴, como, por ex., nas reações envolvendo a substituição do nitro em 1,2-dinitrobenzeno por aminas¹⁷.

Diferença em reatividade foi observada até entre aminas cíclicas estruturalmente semelhantes, como no caso da reação do éter etil 2,4-dinitronaftila com pirrolidina e piperidina, cuja velocidade de aminólise pela primeira foi 11 mil vezes maior¹⁸. A anilina foi a menos reativa das aminas, o que é justificado por sua menor força básica.

Substituição dos grupos cloro e nitro

Após a substituição inicial do grupo nitro, o anel aromático contém ainda três grupos em condições de sofrerem substituição nucleofílica. A segunda substituição, a de um grupo cloro, ocorre muito mais lentamente que a do nitro, conforme esperado para um substrato menos ativado.

Utilizando-se refluxo e 10 vezes excesso do reagente amínico, metilamina, dimetilamina, pirrolidina e piperidina apresentaram reatividade semelhante e converteram o DCDNB nos respectivos produtos de dissubstituição, 15, 19, 20 e 21, em 24 h. As aminas primárias n-propilamina e n-butilamina, nas mesmas condições, formaram os produtos 16 e 17. As aminas primárias isopropilamina e cicloexilamina, assim como as secundárias dietilamina e dipropilamina, nas mesmas condições, não formaram produtos dissubstituídos, ou o fizeram em quantidade muito pequena.

A acetonitrila foi usada como solvente, devido à sua alta polaridade, o que favorece as substituições nucleofílicas aromáticas¹⁹, e à facilidade de sua remoção durante o tratamento da reação. Algumas reações foram testadas em clorofórmio, mas mostraram-se muito lentas e em menor rendimento. A variação da velocidade em função da estrutura da amina foi semelhante em todos os solventes.

A substituição de um grupo nitro, em preferência a um cloro, ocorre como esperado de um substrato do tipo do DCDNB, onde o grupo nitro em posição orto ao grupo de saída pode ou deve estabilizar a espécie intermediária por ligação do hidrogênio amínico com os oxigênios^5,8,16,20. A dissubstituição é, portanto, influenciada pelo grupo nitro que está em posição para ao grupo de saída (cloro).

Caracterização dos produtos

Os produtos dessas reações são, quase todos, sólidos, de coloração laranja-intensa. As análises de RMN de ¹H, CHN e os valores de ponto de fusão dos compostos conhecidos permitiram que as estruturas dos produtos fossem caracterizadas. Todavia, a posição exata da substituição, especialmente, nos produtos dissubstituídos, foi reconhecida por cristalografia de raios X, conforme mostrado nas estruturas referentes aos compostos 3, 13 e 20, obtidos como monocristais próprios para análise cristalográfica após sucessivas recristalizações, e apresentados na Figura 1.

CONCLUSÕES

O DCDNB reage em condições suaves com aminas primárias e secundárias produzindo produtos de substituição do grupo nitro com rendimentos entre 85 e 95%. A segunda substituição, do cloro, ocorre mais lentamente e com menores rendimentos. Os reagentes amínicos piperidina, pirrolidina, dimetilamina e metilamina foram os mais reativos tanto na mono quanto na dissubstituição.

AGRADECIMENTOS

Ao apoio financeiro da UFSC, da FINEP, da CAPES e do CNPq às pesquisas e às bolsas de estudo e pesquisa fornecidas.

REFERÊNCIAS

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Recebido em 1/2/06; aceito em 16/5/06; publicado na web em 26/9/06

Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  13 Mar 2007
• Data do Fascículo
  Abr 2007

Histórico

• Recebido
  01 Fev 2006
• Aceito
  16 Maio 2006