Organ Oh Al Uros
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1
Jorge Enrique Trilleras Vásquez
Grupo de Investigación en Compuestos Heterocíclicos
Programa de Química
Facultad de Ciencias Básicas
2013-1
Tercer parcial
Segundo parcial
Primer parcial
2
CONTENIDO TEMÁTICO
Tema I. HALUROS ORGÁNICOS.
Tema II. ALCOHOLES, FENOLES, ÉTERES Y ANÁLOGOS AZUFRADOS.
Tema III. ALDEHÍDOS Y CETONAS.
Tema IV. ÁCIDOS CARBOXÍLICOS Y DERIVADOS.
Tema V. AMINAS Y COMPUESTOS NITROGENADOS.
Tema VI. POLÍMEROS SINTÉTICOS.
BIBLIOGRAFÍA BÁSICA Carey, F. 1999. Química Orgánica, 3ª Ed. Mc Graw-Hill Interamericana. Madrid. Carey, F. 2001. Organic Chemistry. 4º Ed. Mc Graw-Hill. New York. McMurry, J. 2008. Organic Chemistry. 7ª Ed. Brooks-Cole. Boston. Morrison, R.; Boyd, R. 1998. Química Orgánica 5ª Ed. Pearson Education. México. COMPLEMENTARIA Clayden, J.; Greeves, N.; Warren, S.; Wothers, P. 2000. Organic Chemistry. Oxford University Press. Oxford. Fessenden, R.; Fessenden, L. 1983. Química Orgánica. Grupo Editorial Iberoamericana. Fox, M.; Whitesell, J. 2000. Química Orgánica. 2ª Ed. Addison Wesley Longman. México. Pine, H., Cramm, D.; Hammond, G. 1979. Química Orgánica. McGraw-Hill. México.
Organohaluros
Cl
CH H
H
Los compuestos orgánicos sustituidos con halógenos están ampliamente distribuidos en la naturaleza y se han encontrado aproximadamente 5000 organohaluros en algas y varios otros organismos marinos.
Clorometano C C
Cl
H Cl
Cl
F C C H
Br
Cl
F
F
Cl C
F
Cl
F H C
H
H
Br
Tricloroetileno (Un disolvente)
Halotano (Un anestésico inhalado)
Diclorodifluorometano (Un refrigerante)
Bromometano (Un fumigante)
3
Org
ano
hal
uro
s Alquilo
Vinilo
Alquinilo
Aromático
N Cl
NH
H
Epibatidina 200 veces más fuerte que la morfina en el bloqueo del dolor en los animales.
Epipedobates tricolor
R C C X
R CH
CH
X
R X
X
R
Hibridación sp3 o tetragonal, consistente en la mezcla o hibridación del orbital 2s con los tres orbitales 2p para originar cuatro orbitales híbridos idénticos, llamados orbitales híbridos sp3:
4
Estructura de los haluros de alquilo
Cl
CH H
H
Los halógenos aumentan de tamaño al ir descendiendo en la tabla periódica, por lo que las longitudes de enlace C-X correspondientes aumentan. Además las fuerzas del enlace C-X disminuyen al ir descendiendo en la tabla periódica.
X = F, Cl. Br o I
Halometano Longitud den enlace Fuerza del enlace
(KJ/mol) (Kcal/mol) Momento dipolar (D)
CH3F 139 452 108 1.85
CH3Cl 178 351 84 1.87
CH3Br 193 293 70 1.81
CH3I 214 234 56 1.62
X
C
-
+
Carbono electrofílico
5
Nomenclatura
Haluros de alquilo
Haloalcanos
Halógeno como sustituyente en una cadena principal del alcano
Paso 1. Encuentre la cadena más larga y nómbrela como la cadena principal. Si se presenta un doble o triple enlace, la cadena principal debe contenerlo. Paso 2. Numere los carbonos de la cadena principal comenzando por el extremo más cercano al primer sustituyente, ya sea alquilo o halo. Asigne un número a cada sustituyente de acuerdo con su posición en la cadena.
H3C CH3
CH3 CH3
Br1
23
45
67
5-bromo-2,4-dimetilheptano
H3C CH3
Br CH3
CH3
12
34
56
7
2-bromo-4,5-dimetilheptano 6
Si están presentes halógenos diferentes, numérelos todos y enlístelos en orden alfabético cuando escriba el nombre.
CH3
CH3
1 2 34
5
1-bromo-3-cloro-4-metilpentano
Br
Cl
Paso 3. Si la cadena principal se puede numerar apropiadamente desde cualquier extremo a través del paso 2, comience en el extremo más cercano al sustituyente que tiene precedencia alfabética.
H3CCH3
Br
CH3
12
34
5
6
2-bromo-5-metilhexano(NO 5-bromo-2-metilhexano)
CH3IH3C CH3
Cl Br
Yodometano(o Yoduro de metilo)
2-Cloropropano(o Cloruro de isopropilo)
Bromociclohexano(o Bromuro de ciclohexilo) 7
8
R C
H
H
X R C
R
H
X R C
R
R
X
Primario Secundario Terciario
Clasificamos un átomo de carbono como primario, secundario o terciario,. Según en el número de átomos de carbono unidos a él. Se clasifica un haluro de alquilo de cuerdo con el tipo de carbono que sea portador del halógeno.
H3C Br
1-Bromobutano
F
Fluorociclopentano
H3CCl
CH3
1-Cloro-2-metilpropano
H3CH2C C
CH3
I
CH3
2-Yodo-2-metilbutanoH3C CH3
Cl
CH3
3-Cloro-2-metilpentano
H3CH2C C
CH3
Br
CH2CHCH3
CH3
4-Bromo-2,4-dimetilhexano
Ejercicio en clase
Indique los nombres de la IUPAC para los siguientes haluros de alquilo.
H3C IH3C Cl
CH3
Br Br
H3C CH3
H3C Cl
H3C Cl
H3C CH3
I
Cl
H3CCH3
Br
Cl
H3C
CH3
CH3
ClBr
Cl
Br
Br
Dibuje las estructuras correspondientes para los siguientes nombres de la IUPAC.
(a) 2-Cloro-3,3-dimetilhexano (b) 3,3-Dicloro-2-metihexano (c) 3-Bromo-3-etilpentano (d) 1,1-Dibromo-4-isopropilciclohexano (e) 4-sec-butil-2-clorononano (f) 1,1-Dibromo-4-ter-butilciclohexano
9
10
Propiedades físicas de haluros de alquilo y de arilo
Debido a su mayor peso molecular, los haloalcanos tiene puntos de ebullición considerablemente más altos que los alcanos de igual número de carbonos. Para un grupo alquilo dado, el punto de ebullición aumenta con el incremento en el peso atómico del halógeno, de modo que un fluoruro hierve a la temperatura más baja, y un yoduro, a la más elevada.
Fuerzas intermoleculares
Compuestos de baja polaridad, las fuerzas que mantienen unidas las moléculas son las fuerzas de Van Der Waals.
Solubilidad
Son solubles en disolventes de baja polaridad (benceno, éter y cloroformo); por no formar puentes e hidrógeno son insolubles en agua.
Densidad
Los Fluoruros y Cloruros de alquilo que contienen un solo átomo son menos densos que el agua, mientras que los con más de dos átomos son más densos que el agua.
El Tetrafluoroetano, se presenta como un líquido transparente que hierve por debajo de la temperatura ambiente.
Fluoruro de etilo P. eb. -38 °C
Cloruro de etilo P. eb. 12 °C
Bromuro de etilo P. eb. 38 °C
Yoduro de etilo P. eb. 72 °C
11
Métodos de obtención
-103 -25 -7 +13
F Cl Br I
Entalpía de reacción de los diferentes halógenos.
Las reacciones del cloro y el bromo con los alcanos no ocurre en la oscuridad, son reacciones fotoquímicas, catalizadas por la luz ultravioleta.
Son reacciones de sustitución que transcurren a través de radicales libres
Las reacciones de alcanos con cloro y bromo transcurren a velocidades moderadas y son fáciles de controlar; las reacciones con flúor a menudo son demasiado rápidas y es difícil controlarlas. El yodo o no reacciona o lo hace lentamente.
12
Mecanismo de la reacción de halogenación
1º etapa: Iniciación
Ruptura homolítica
2º etapa: Propagación
Cl Cl ClCl ++ fotón (hv)
ClC Cl++
H
H
HH C
H
H
H H
ClCCl ++
H
H
ClHC
H
H
H Cl
Descripción del estado de transición de la reacción de halogenación.
El grupo metilo empieza a aplanarse.
13
El orbital del cloro solapa con el orbital 1s del hidrógeno y la repulsión electrónica provoca una disminución del solapamiento entre el orbital 1s del hidrógeno y el orbital sp3 del carbono. El enlace comienza a alargarse, el átomo de carbono va teniendo menos demanda de carácter s y utiliza este orbital en el enlace con los otros átomos de hidrógeno. Se produce la rehibridación progresiva de sp3 a sp2.
14
La halogenación de alcanos es un método sintético deficiente para la preparación de haluros de alquilo, debido a que invariablemente resulta una mezcla de productos; por ejemplo la cloración del metano no se detiene limpiamente en el paso de monocloración.
CH3
Cl
CH3+ CH3CH3
Cl+ Cl2
CH3 Cl+ ClCH3
3º etapa: Terminación
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La situación es aún peor para la cloración de alcanos que tienen más de un tipo de hidrógeno.
H3CCH
CH3
CH3Cl2
hvH3C C
CH3
CH3
ClH3C
CHCH2
CH3
Cl+ +
2-cloro-2-metilpropano
1-cloro-2-metilpropano
+
Dicloro-,Tricloro-,Tetracloro-,y así sicesivamente
35 : 65
Un cálculo para la cloración del 2-metilpropano indica que cada uno de los nueve hidrógenos primarios es responsable del 65% 9 = 7,2% del producto, mientras que el único hidrógeno terciario (R3CH) es responsable del 35% del producto. Por lo tanto un hidrógeno terciario es 35 7.2 = 5 veces más reactivo hacia la cloración que un hidrógeno primario.
RC
H
H H
RC
R
H H
RC
R
R H
Primario < Secundario < Terciario 1.0 3.5 5.0
Reactividad
16
RC
H
H .R
CR
H .R
CR
R .Primario < Secundario < Terciario 1.0 3.5 5.0
Estabilidad
¿Cuáles son las razones para el orden de reactividad observado de los hidrógenos de alcano hacia la cloración por radicales?
Enlace D = Energías de disociación de enlace
KJ/mol Kcal/mol
(CH3)3C-H 390 93
(CH3)2CH-H 401 96
C2H5-H 420 100
17
Al contrario de la cloración de alcanos, la bromación de alcanos es por lo general mucho más selectiva.
H3CCH
CH3
CH3
Br2
hvH3C C
CH3
CH3
BrH3C
CHCH2
CH3
Br+
2-bromo-2-metilpropano
1-bromo-2-metilpropano
(>99%) (<1%)
El incremento en la selectividad de la bromación de alcanos sobre la cloración puede explicarse retomando el postulado de Hammond.
Postulado de Hammond
•La estructura de un estado de transición se parece a la estructura de la especie estable más cercana; los estados de transición para las etapas endergónicas se parecen en forma estructural a los productos, y los estados de transición para las etapas exergónicas se parecen en forma estructural a los reactivos.
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Halogenación alílica
La bromación del ciclohexano da lugar a un buen rendimiento de 3-bromociclohexano, donde el bromo ha sustituido a un hidrógeno alílico del átomo de carbono próximo al doble enlace.
Cuando se utilizan bajas concentraciones de bromo, las posiciones alílicas son bromuradas selectivamente.
Mecanismo de bromación alílica
la bromación alílica selectiva se produce porque el intermedio alílico está estabilizado por resonancia. La abstracción de un átomo de hidrógeno alílico da lugar a un radical alílico estabilizado por resonancia. Este radical reacciona con Br2, regenerando un radical bromo.
La bromación alílica se produce a través de un mecanismo radical que da lugar a un radical alílico. Los radicales alílicos están estabilizados por resonancia con el enlace pi próximo a ellos.
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Esta bromación alílica selectiva se produce porque el intermedio alílico está estabilizado por resonancia. La abstracción de un átomo de hidrógeno alílico da lugar a un radical alílico estabilizado por resonancia. Este radical reacciona con Br2, regenerando un radical bromo.
La bromación alílica se produce a través de un mecanismo radical que da lugar a un radical alílico. Los radicales alílicos están estabilizados por resonancia con el enlace pi próximo a ellos.
Estabilidad
RC
H
H .R
CR
H .R
CR
R .
Vinílico < Metilo < Primario < Secundario < Terciario < Alílico
C
.C
HC
H
H .C
C
.C
21
CH3
X
X
H
CH3H
CH3
X
H
H
X2 HX
X = Cl o Br X = Cl, Br o I
El Br y Cl experimentan una adición anti a través del ión halonio intermediario para dar productos 1,2-dihalogenados.
Los haluros de hidrógeno HCl, HBr y HI reacciónan con alquenos a través de un mecanismo polar para dar el producto de adición Markovnikov.
HH
H H
Posiciones alílicas
N
O
O
Br (NBS)
hv, CCl4
Br
N
O
O
H+
Ciclohexeno 3-bromociclohexeno
Otro método para la preparación de los haluros de alquilo a partir de alquenos es por la reacción con N-bromosuccinimida (NBS) en presencia de luz para dar productos que resultan de la sustitución de un hidrógeno por un bromo en posición alílica.
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¿Por qué la bromación con NBS ocurre exclusivamente en posición alílica?
H
H
HVinílico445 KJ/mol (106 Kcal/mol)
Alílico360 KJ/mol (87 Kcal/mol)
Alquilo400 KJ/mol (96 Kcal/mol)
NBS
CCl4
Br
KOH
Ciclohexeno 3-Bromociclohexeno 1,3-Ciclohexadieno
23
HH
H H
H3C
H3C
A
b
a
BNBS NBS
BrHH3C
H3C
H3C
H3C
H
Br+
H Br
H3C
H3C+
H3C
H3C H
Br
3-Bromo-4,4-dimetilciclohexeno
3-Bromo-6,6-dimetilciclohexeno
3-Bromo-5,5-dimetilciclohexeno
24
Preparación de haluros de alquilo a partir de alcoholes
RC
H
H OH
RC
R
H OH
RC
R
R OH
Metilo < Primario < Secundario < Terciario
HC
H
H OH
C
OHH-X
C
X+ H2O
Reactividad
OHH3CHCl (gas)
Éter, 0 °C
ClH3C
+ H2O
1-Metilciclohexanol 1-Cloro-1-metilciclohexano
La reacción de HX con un alcohol terciario es tan rápida que se realiza con frecuencia simplemente al burbujear HCl o HBr gaseoso puro en una disolución fría del alcohol en éter.
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Los alcoholes primarios y secundarios se convierten mejor en haluros de alquilo cuando se tratan con cloruro de tionilo (SOCl2) o tribromuro de fósforo (PBr3).
OH
O
SOCl2
Piridina
Cl
O
+ SO2 + HCl
H3CCH3
OH
PBr3
Éter, 35 °C
H3CCH3
Br
+ H3PO3
2-Butanol 2-Bromobutano
Benzoína Los rendimientos de estas reacciones con cloruro de tionilo (SOCl2) o tribromuro de fósforo (PBr3), generalmente son altos y es usual que no interfieran otros grupos funcionales como éteres, carbonilos y anillos aromático.
¿Cómo prepararía los siguientes haluros de alquilo a partir de los alcoholes correspondientes? (a) Cloruro de terc-butilo (b) 2-Bromo-4-metilpentano (c) 1-Bromo5-metilhexano (d) 2-Cloro-2,4-dimetilhexano
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Reacciones de los haluros de alquilo: reactivos de Grignard
alquilo 1°alquilo 2°alquilo 3°alqueniloarilo
R XClBrI
Mg Éter o THF
R Mg X
Haluro de alquilmagnesio
Los productos, llamados reactivos de Grignard en honor a su descubridor, Víctor Grignard, son ejemplos de compuestos Organometálicos porque contienen un enlace carbono-metal.
C
I
HH
H
Mg
Éter C
Mg
HH
H
+
-
Yodometano Yoduro de metilmagnesio
Básico y nucleofílicoI
27
En un sentido formal, un reactivo de Grignard es la sal de magnesio, R3C-+MgX de un carbono ácido, R3C-H; debido a que los hidrocarburos son ácidos muy débiles, los aniones carbono son bases muy fuertes.
H3C BrMg
ÉterH3C MgBr H3C
CH3
H2O
1-Bromohexano Bromuro de 1-hexilmagnesio Hexano
Por lo tanto, los reactivos de Grignard reaccionan con ácidos muy débiles como H2O, ROH, RCO2H y RNH2 para abstraer un protón y producir hidrocarburos.
R X R MgX R H
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Reacciones de acoplamiento de compuestos organometálicos
Henry Gilman May 9, 1893 - November 7, 1986
H3C Br2Li
PentanoH3C Li + LiBr
Los alquil litios son nucleófilos y bases fuertes, y su química es similar en varios aspectos a la de los haluros de alquilmagnesio. Una reacción de los alquil litios valiosa es la preparación de compuestos diorgánicos de cobre y litio, LiR2Cu, a través de la reacción con yoduro de cobre (I) en éter dietílico como disolvente.
2CH3Li + CuIÉter
(CH3)2Cu-Li+ + LiI
Metil Litio Dimetilcuprato de Litio
Los llamados reactivos de Gilman, son compuestos diorgánicos de cobre y litio y son útiles debido a que experimentan una reacción de acoplamiento con RCl, RBr y RI (pero no RF)
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Éter
0 °C(CH3)2Cu-Li+ + CH3(CH2)8CH2I CH3(CH2)8CH2CH3 + LiI + CH3Cu
Esta reacción de acoplamiento organometálico es útil en la síntesis orgánica debido a que forma enlaces carbono-carbono, por lo que hace ´posible la preparación de moléculas más grandes a partir de más pequeñas.
H
C7H15 H
I(n-C4H9)2CuLi+
H
C7H15 H
C4H9-n+ n-C4H9Cu + LiI
trans-1-yodonoveno trans-5-trideceno
I+ CH3Cu + LiI(CH3)2CuLi+
CH3
El mecanismo de esta reacción involucra la formación inicial de un triorganocobre como intermediario, seguida por el acoplamiento y pérdida de RCu.
R X + [R'-Cu-R'']-Li+ R' Cu R''
R
R R' + R' Cu
30
Oxidación y reducción en química orgánica
Una oxidación orgánica resulta en una perdida de densidad electrónica por el carbono, causada por la formación de un enlace entre el carbono y un átomo más electronegativo (O, N o X), o por la ruptura del enlace entre el carbono y un átomo menos electronegativo (H)
Oxidación: Disminuye la densidad electrónica en el carbono por:
-La formación de uno de estos enlaces: C-O C-N C-X
-o por la ruptura de este enlace C-H
Reducción: Aumenta la densidad electrónica en el carbono por:
-La formación de este enlace: C-H
-o por la ruptura de uno de estos enlaces: C-O C-N C-X
31
H
CH H
HCl2+
Cl
CH H
H+ HCl
ClorometanoMetano
Oxidación: se rompe un enlace C-H y se forma un enlace C-Cl
Reducción: se rompe un enlace C-Cl y se forma un enlace C-H
Metano
Cl
CH H
H
1. Mg, éter
2. H3O+
H
CH H
H
Clorometano
C C
H
H H
H
+ Br2 C C
H
H
HH
BrBr
Etileno 1,2-dibromoetano
Oxidación: se forma dos nuevos enlaces entre el carbono y un elemento más electronegativo
C C
H
H H
H
+ HBr C C
H
H
HH
BrH
Etileno Bromoetano
Ni oxidación ni reducción: se forma un nuevo enlace C-H y un nuevo enlace C-Br
32
H3C CH3 H2C CH2 HC CH
CH3OH
CH3Cl
CH3NH2
H2C=O
CH2Cl2
H2C NH
HCO2H
CHCl3
HC N
CO2
CCl4
Nivel bajo de oxidación Nivel alto de oxidación
33
Para poder entender la naturaleza de las reacciones orgánicas hay que comprender tres aspectos de la reacción: el mecanismo, la termodinámica y la cinética.
Mecanismo
El mecanismo es la descripción completa del proceso de formación y ruptura de enlaces que ocurren en la reacción. El mecanismo de la reacción permite explicar la transformación de los reactivos en los productos.
Termodinámica
La termodinámica es el estudio de los cambios de energía que acompañan a la reacción. La termodinámica permite comparar la estabilidad de los reactivos y los productos y por tanto saber qué compuestos estarán favorecidos en el equilibrio.
Cinética
La cinética es el estudio de la velocidad de la reacción.
Sustitución nucleofílica y reacciones de eliminación
34
Los haluros de alquilo se convierten fácilmente en otros grupos funcionales. El átomo de halógeno puede salir con su par de electrones de enlace para formar un ión haluro estable; se dice que un haluro es un buen grupo saliente.
Cuando otro átomo reemplaza al ión haluro, la reacción es una sustitución.
35
Si el ión haluro abandona la molécula junto con otro átomo o ión (con frecuencia el H+), la reacción es una eliminación.
En una reacción de sustitución nucleofílica, el átomo de haluro se sustituye por un nucleófilo.
En una reacción de eliminación, el haluro se "elimina" de la molécula después de la abstracción de un hidrógeno por medio de una base fuerte. Las reacciones de eliminación producen alquenos.
36
La reacción SN2 Sustitución nucleofílica bimolecular
La característica esencial del mecanismo SN2 es que se lleva a cabo en un solo paso sin intermediarios cuando el nucleófilo entrante reacciona con el haluro de alquilo (el sustrato) desde una dirección opuesta al grupo que se desplaza (el grupo saliente).
Etapa 1: El nucleófilo –OH utiliza un par electrones no enlazado para atacar el carbono del haluro de alquilo a 180° con respecto al halógeno saliente. Esto da a lugar un estado de transición con una formación parcial del enlace C-OH y con una ruptura parcial del enlace C-Br.
BrC
H3CH
H3CH2C
HO
(S)-2-Bromobutano
HO C Br
H CH3
CH2CH3
Estado de transición
HO C
CH2CH3
HCH3
+ Br-
(R)-2-Butanol
Etapa 1
Etapa 2
Etapa 2: Se invierte la estereoquímica en el carbono a medida que se forma por completo el enlace C-OH y que el ion bromuro se separa con el par de electrones del primer enlace C-Br.
37
Características de la reacción SN2
Algunas reacciones SN2 son rápidas y algunas lentas; algunas suceden con alto rendimiento y otras con bajo rendimiento. La rapidez de una reacción química está determinada por G‡, la diferencia de energía entre el estado inicial del reactivo y el estado de transición. Un cambio en las condiciones de la reacción puede afectar a G‡ al cambiar el nivel de energía del reactivo o al cambiar el nivel de energía del estado de transición.
Al disminuir la energía del reactivo o al aumentar la energía del estado de transición se incrementa G‡ y se disminuye la rapidez de la reacción; al aumentar la energía del reactivo o al disminuir la energía del estado de transición se disminuye G‡ y se aumenta la rapidez de la reacción.
38
El sustrato: efectos estéricos en la reacción SN2. Debido a que el estado de transición
involucra la formación de enlaces parciales entre el nucleófilo entrante y el átomo de carbono del haluro de alquilo, parece razonable que un sustrato impedido y voluminoso debe impedir una aproximación fácil del nucleófilo, lo que hace difícil la formación del enlace.
Como resultado, las reacciones SN2 únicamente ocurren en sistemas relativamente no impedidos y por lo regular sólo son útiles con haluros de metilo, haluros primarios y algunos haluros secundarios sencillos.
39
R Br + Cl- R Cl + Br-
C Br
H3C
H3C
H3C C Br
CH3C
CH3
CH3
HH
C Br
H3C
H
H3C C Br
H3C
H
H C Br
H
H
H
Terciario Neopentilo Secundario Primario Metilo
<1 1 500 40 000 2 0000 00
Reactividad SN2
C C
R
R R
Cl
Nu:-
X No reacciona
Haluro vinílico
Cl
Nu:-
Haluro de arilo
X No reacciona
40
El nucleófilo: otra variable que tiene un gran efecto en la reacción SN2 es la naturaleza
del nucleófilo.; cualquier especie, neutra o cargada negativamente, puede actuar como un nucleófilo siempre y cuando tenga un par de electrones no enlazado, esto es, mientras que sea una base de Lewis.
Nu:- + R Y R Nu + Y:-
Nucleófilo cargado neghativamente
Producto neutro
Nu: + R Y R Nu+ Y:-+
Nucleófilo neutro
Producto cargado positivamente
C C:-R + CH3BrSN2
ReacciónC CR CH3 + Br-
Un anión acetiluro
41
Algunas reacciones SN2 con bromometano
Nucleófilo Producto
Rapidez relativa de
la reacción
Fórmula
Nombre
Fórmula
Nombre
H2O Agua CH3OH2+ Ion metilhidronio 1
CH3CO2- Acetato CH3CO2CH3 Acetato de metilo 500
NH3 Amoniaco CH3NH3+ Ion metilamonio 700
Cl- Cloruro CH3Cl Clorometano 1 000
HO- Hidróxido CH3OH Metanol 10 000
CH3O- Metóxido CH3OCH3 Éter dimetílico 25 000
I- Yoduro CH3I Yodometano 100 000
CN- Cianuro CH3CN Acetonitrilo 125 000
HS- Hidrosulfuro CH3SH Metanotiol 125 000
Nu:- + CH3Br CH3Nu + Br-
42
La nucleofilicidad es casi paralela a la basicidad cuando se compara los nucleófilos que tienen el mismo átomo reactivo. Por ejemplo el OH- es más básico y nucleofílico que el ion acetato, CH3CO2
-, el cual a su vez es más básico y nucleofílico que el H2O.
Por lo regular la nucleofilicidad se incrementa al ir descendiendo en una columna de la tabla periódica. Por lo tanto, el HS- es más nucleofílico que el HO-, y el orden de reactividad de los haluros es I->Br->Cl-.
Por lo general los nucleófilos cargados negativamente son más reactivos que los neutros. Como resultado, las reacciones SN2 se realizan con frecuencia bajo condiciones básicas en lugar de condiciones neutras o ácidas.
43
El grupo saliente: otra variable que puede afectar la reacción SN2 es la naturaleza del
grupo desplazado por el nucleófilo entrante. Debido a que en casi todas las reacciones SN2 el grupo saliente es expulsado con una carga negativa, los mejores grupos salientes son aquellos que estabilizan la carga negativa en el estado de transición. Aquellos grupos que estabilizan mejor una carga negativa son además las bases más débiles. Por lo tanto, las bases débiles como el Cl-, Br- y el ion tosilato forman grupos salientes buenos, mientras que las bases fuertes como el OH- y el NH2
- forman grupos salientes malos.
OH-, NH2-, OR- F- Cl- Br- I- TosO-
<<1 1 200 10 000 30 000 60 000
Reactividad del grupo saliente
44
C OHH
Un alcohol 1° o 2°
SOCl2
Éter
PBr3
Éter
C OH
S Cl
O
C OH
PBr3
Cl-
SN2
Br-
SN2
Cl C
H
Br C
H
Un cloruro de alquilo
Un bromuro de alquilo
C OHH
Un alcohol 1° o 2°
CH3S
OO
Cl
Éter, piridina
C OH S
O O
CH3
Un tosilato
Ejercicio: Clasifique los siguientes compuestos de acuerdo con el orden de su reactividad que se espera hacia la reacción SN2.
CH3Br, CH3OTos, (CH3)3CCl, (CH3)2CHCl
45
El disolvente: La rapidez de las reacciones SN2 son afectadas fuertemente por el
disolvente. Los disolventes próticos – aquellos que contienen un grupo –OH o uno –NH –son por lo general los peores para las reacciones SN2, mientras que los disolventes polares apróticos, los cuales son polares pero no tienen un grupo –OH o uno –NH, son los mejores.
X:- HH
H
H
OR
OR
RO
OR
Un anión solvatado (nucleofilicidad reducida debido al
incremento de la estabilidad en el estado fundamental)
CH3CH2CH2CH2 Br + N3- CH3CH2CH2CH2 N3 + Br-
CH3OH H2O DMSO DMF CH3CN HMPA
1 7 13 2800 5000 200 000
Disolvente
Reactividad relativa
Reactividad del disolvente
46
La reacción SN1 Sustitución nucleofílica unimolecular
La reacción SN2 es mejor cuando se lleva acabo con un sustrato no impedido y con un nucleófilo cargado negativamente en un disolvente polar aprótico, pero es pésima cuando se lleva a cabo con un sustrato impedido y con un nucleófilo neutro en un disolvente prótico. Por lo tanto, se podría esperar que la reacción de un sustrato terciario (impedido) con agua (neutro y prótico) esté entre las reacciones de sustitución más lentas.
C BrH
H
H
R Br + H2O R OH + HBr
C Br
H3CH
HC Br
H3CH3C
HC Br
H3CH3C
H3C
Metilo Primario Secundario Terciario
<1 1 12 1 200 000
Reactividad
47
CH3
C
CH3
BrH3C
CH3
C
CH3
H3C + Br-
:ÖH2Carbocatión
CH3
C
CH3
H3C O
H
H
:ÖH2
CH3
C
CH3
H3C OH + H3O+
Etapa 1: La disociación espontánea del bromuro de alquilo ocurre en un paso lento limitante de la rapidez para generar un carbocatión intermediario más un ion bromuro.
Etapa 2: El carbocatión intermediario reacciona con agua como nucleófilo en un paso rápido para producir alcohol protonado como producto.
Etapa 3: La pérdida de un protón del alcohol protonado intermediario da como producto el alcohol neutro.
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Etapa 1: La disociación espontánea del bromuro de alquilo ocurre en un paso lento limitante de la rapidez para generar un carbocatión intermediario más un ion cloruro.
Etapa 2: El carbocatión intermediario reacciona con agua como nucleófilo en un paso rápido para producir alcohol protonado como producto.
Etapa 3: La pérdida de un protón del alcohol protonado intermediario da como producto el alcohol neutro.
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Las reacciones SN1, como la solvólisis de cloruro de terc-butilo, tienen una cinética de primer orden. Velocidad = k[(CH3)3CCl] mol·L-1·s-1
Esto quiere decir que en la etapa limitante de la velocidad sólo interviene el haluro y no el nucleófilo, al contrario de lo que ocurría en el mecanismo SN2.
Mecanismo SN2 Mecanismo SN1
En la solvólisis del cloruro de terc-butilo el nucleófilo es el propio disolvente que colapsa con el carbocatión. Otra molécula de disolvente abstrae el protón que sobra.
50
Debido a que una reacción SN1 ocurre a través de un carbocatión intermediario, su estereoquímica resultante es diferente a la de una reacción SN2. Los carbocationes, son planos, tienen hibridación sp2 y son aquirales; por lo tanto el carbocatión intermediario simétrico puede reaccionar con un nucleófilo igualmente bien desde cualquier lado, lo que conduce a una mezcla racémica.
51
Características de la reacción SN1 Así como la reacción SN2 tiene una fuerte influencia por la estructura del sustrato, por el
grupo saliente, el nucleófilo y el disolvente, la reacción SN1 también tiene una influencia similar.
El sustrato: Dado que el paso limitante de la reacción SN1 es la
disociación unimolecular espontánea del sustrato para producir un carbocatión, la reacción es favorecida siempre que se forme un carbocatión intermediario estabilizado, y cuanto más estable es el carbocatión intermediario, más rápida es la reacción SN1.
H CH
HH3C C
H
H
C CH
HC
H
HH
CH
H
H3C CH
CH3
H3C CCH3
CH3
Metilo < Primario < Alílico = Bencílico = Secundario < Terciario
Estabilidad del carbocatión
Ejercicio: Clasifique las siguientes sustancias de acuerdo con el orden de su reactividad SN1 esperada:
CH3CH2Br H2C=CHCHCH3 H2C=CHBrH3C CH
Br
CH3
Br
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El grupo saliente: En cuanto la reactividad SN2, los mejores grupos salientes son
aquellos que son más estables, esto es, las bases conjugadas de ácidos fuertes. Se encuentra un orden de reactividad idéntico para la reacción SN1 debido a que el grupo saliente está involucrado directamente en el paso limitante de la rapidez; por lo tanto, el orden de reactividad SN1 es
Cl- Br- I- TosO-OH- < < < = H2O
Reactividad del grupo saliente
El nucleófilo: Debido a que la reacción SN1 ocurre a través de un paso limitante de
rapidez en el cual no toma parte el nucleófilo adicionado, el nucleófilo no puede afectar la rapidez de la reacción.
El disolvente: El postulado de Hammond dice que
cualquier factor que estabiliza el carbocatión intermediario debe incrementar la rapidez de una reacción SN1. La solvatación del carbocatión –la interacción del ion con las moléculas del disolvente- tienen tal efecto.
C
HO
H
HO
H
HO
H
H
OHH
O
H
H
OH
53
Reacción SN1 sobre un anillo
54
Transposición de hidruro y metilo en una reacción SN1.
El metilo se
mueve con su
par de electrones
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Reacciones de eliminación de los haluros de alquilo: regla de Zaitsev
C C
H
Br
+ OH-C C
H OH
+ Br-
C C
H
Br
+ OH- C C + H2O + Br-
Sustitución
Eliminación
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De acuerdo a la regla de Zaitsev, formulada en 1875 por el químico ruso Alexander Zaitsev, las reacciones d eliminación inducida por bases dan por lo general (aunque no siempre), como producto, el alqueno más estable –es decir, el alqueno con más sustituyentes alquilo en los carbonos del doble enlace-.
Cualquier hidrógeno contiguo al carbono que soporta el grupo saliente puede participar en la reacción de eliminación. Por tanto, en el carbocatión generado a partir del 2-bromooctano se pueden obtener dos olefinas, el 1- y el 2-octeno
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H3CCH3
Br
CH3CH2O-Na+
CH3CH2OHH3C
CH3H3C
CH2
2-Buteno (81%) 1-Buteno (19%)
+
2-Bromobutano
H3CBr
CH3
CH3
H3CCH3
CH3
H3CCH2
CH3
CH3CH2O-Na+
CH3CH2OH+
2-Bromo-2-metilbutano 2-Metil-2-buteno (70%)
2-Metil-1-buteno (30%)
Un segundo factor que complica un estudio de las reacciones de eliminación es que pueden suceder por diferentes mecanismos, al igual que lo hacen las sustituciones. Se consideran tres mecanismos comunes –las reacciones E1, E2 y E1Bc- los cuales difieren en el tiempo de ruptura de los enlaces C-H y C-X.
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En la reacción E2, la ruptura inducida por
bases del enlace C-H es simultánea con la ruptura del enlace C-X, dando el alqueno en un solo paso. La eliminación bimolecular E2 transcurre sin intermedios y consta de un único ET, en el que la base abstrae el protón, el grupo saliente se va y los dos carbonos implicados se re-hibridan desde la sp3 a la sp2.
La eliminación E2 (para eliminación, bimolecular) ocurre cuando un haluro de alquilo se trata con una base fuerte, como el ion hidróxido o el ion alcóxido (RO-). Al igual que la reacción SN2, la reacción E2 sucede en un solo paso sin intermediarios. A medida que la base abstrae el H+ de un carbono adyacente al grupo saliente, el enlace C-H empieza a romperse, comienza a formarse un enlace C=C y empieza a separarse el grupo saliente, llevando con él el par de electrones del enlace C-X.
59
Estereoquímica de las eliminaciones E2. Las reacciones E2 ocurren
con geometría periplanar, lo que significa que los cuatro átomos que reaccionan, el hidrógeno, los carbonos y el grupo saliente, están en el mismo plano. Son posibles dos geometrías: la sin periplanar, en el cual el H y el X están en el mismo lado de la molécula, y la anti periplanar, en la cual el H y el X están en lados opuestos de la molécula.
Haluro de alquilo Alqueno
X
C
CH
X
H
Geometría anti periplanar (alternada, menor energía)
X
C
CH
XH
Geometría sin periplanar (eclipsada, mayor energía)
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La geometría anti periplanar para las eliminaciones E2 tienen consecuencias estereoquímicas específicas.
H Ph
Br
BrC
Ph
CHH Ph
Br
H
Br Ph
KOH
EtanolBr
C
Ph
CH Ph
meso-1,2-dibromo-1,2-difeniletano(geometría anti periplanar)
PhBrPhH
(E)-1-bromo-1,2-difeniletano
Base:
61
En la reacción E1, el enlace C-X se rompe primero para dar un carbocatión
intermediario que experimenta una subsecuente abstracción de H+ por una base para producir el alqueno.
62
Al igual que la reacción E2 es análoga a la reacción SN2, la reacción SN1 tiene una analogía cercana a la reacción E1 (para eliminación unimolecular). Las eliminaciones E1 comienzan con la misma disociación unimolecular vista en la reacción SN1, pero a la disociación le sigue la pérdida del H+ del carbono adyacente en lugar de una sustitución. De hecho, las reacciones E1 y SN1 ocurren normalmente juntas siempre que un haluro de alquilo se trata con un disolvente prótico con un nucleófilo no básico. Por lo tanto, los mejores sustratos E1 son también los mejores sustratos SN1, y por lo regular se obtienen las mezclas de productos de sustitución y eliminación.
H3C
CH3
CH3
Cl
H2O, Etanol
65 °CH3C
CH3
CH3
OH +
H3C
H3C H
H
2-cloro-2-metilpropano
2-metil-2-propanol (64%)
2-metilpropeno (36%)
Al contrario de la reacción E2, donde se requiere una geometría anti periplanar, no hay requerimiento geométrico en una reacción E1 debido a que el haluro y el hidrógeno se pierden en pasos separados; por lo tanto, podemos esperar obtener el producto más estable (regla de Zaitsev).
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En la reacción E1Bc (Bc por “base conjugada”), la abstracción por una base del
protón ocurre primero, dando un anión carbono o carbanión como intermediario. Este anión, la base conjugada del reactivo “ácido”, experimenta la pérdida del X- en un paso subsecuente para dar el alqueno.
C C
H
X
B:
C C
X
+ B H
Carbanión
C C
+ X-
Al contrario de la reacción E1, la cual involucra un carbocatión como intermediario, la reacción E1Bc sucede a través de un carbanión como intermediario. La abstracción inducida por bases de un protón en un paso lento determinante de la rapidez da un anión, el cual expulsa el grupo saliente en el carbono adyacente.
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La reacción es particularmente común en sustratos que tienen un grupo saliente malo, como el HO-, dos carbonos eliminados de un grupo carbonilo, HO-C-CH-C=O. El grupo saliente es malo desfavorece los mecanismos alternos E1 y E2, y el grupo carbonilo hace al hidrógeno adyacente inusualmente ácido a través de la desestabilización por resonancia de un anión como intermediario.
CC
O
C
H
X
:Base
CC
O
C
X
CC
O
C
X
CC
O
C
Anión estabilizado por resonancia
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ELIMINACIÓN DE HOFMANN
Al igual que los alcoholes, las aminas pueden convertirse en alquenos por una reacción de eliminación; sin embargo, debido a que el ion amiduro, NH2
-, es un mal grupo saliente, primero debe convertirse en un buen grupo saliente.
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Las sales de amonio cuaternario sufren eliminación E2 cuando son calentadas con Ag2O disuelto en agua
Las aminas se convierten en ioduro de amonio cuaternario cuando son tratadas con exceso de ioduro de metilo
El calentamiento del hidróxido promueve una 1-2 eliminación dando lugar a un alqueno y una amina.
La regioselectividad es Hofmann. El alqueno mayoritario es el menos sustituido
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La razón para esta selectividad es probablemente estérica, debido al gran tamaño del grupo saliente trialquilamina, así que la base debe abstraer el H de la posición menos impedida.
La etapa inicial es un ejemplo de la alquilación de una amina con ioduro de metilo. La eliminación tiene lugar cuando se calienta, entonces el hidróxido ataca el protón más accesible, se forma el enlace π del alqueno C=C y el grupo saliente, un grupo amino neutro, se desprende.
Mecanismo de la reacción de eliminación de HOFMANN
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Ejercicios ¿Qué productos esperaría de la eliminación de Hofmann de las siguientes aminas?
N
CH3
H
CH3 H3C
CH3
NH2
HN CH3
NHNombre todos los reactantes y productos obtenidos.