1

Jorge Enrique Trilleras Vásquez

jorgetrilleras@mail.uniatlantico.edu.co

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

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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

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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.

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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

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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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20

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

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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

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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

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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.

48

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.

49

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

52

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

55

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

56

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

57

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.

58

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)

60

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).

63

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.

64

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

65

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.

66

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

67

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

68

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.