Halogenuros de alquiloLos halogenuros de alquilo como ya se
tiene dicho, pueden obtenerse mediante halogenacin por radicales de
alcanos, pero este mtodo es de poca utilidad general dado que
siempre resultan mezclas de productos. Los halogenuros de alquilo
tambin pueden formarse a partir de alquenos. Estos ltimos se unen a
HX, y reaccionan con NBS para formar el producto de bromacin
allica. La bromacin de alquenos con NBS es un proceso complejo por
radicales que ocurre a travs de un radical alilo. Los radicales
alilos son estabilizados por resonancia y pueden representarse de
dos maneras, ninguna de las cuales es correcta por s misma. La
verdadera estructura del radical alilo se describe mejor como una
mezcla o hbrido de resonancia de las dos formas resonantes
individuales. Los alcoholes reaccionan con HX para formar
halogenuros de alquilo, pero este mtodo slo funciona bien para
alcoholes terciarios, R3C-OH. Los halogenuros de alquilo primarios
y secundarios normalmente se obtienen a partir de alcoholes usando
SOCl2 o PBr3. Los halogenuros de alquilo reaccionan con magnesio en
solucin de ter para formar halogenuros de alquil-magnesio, o
reactivos de Grignard, RMgX. Algunos reactivos de Grignard son
tanto nuclefilos como bsicos, y reaccionan con cidos de Bronsted
para formar hidrocarburos. El resultado global de la formacin del
reactivo de Grignard y su protonacin es la transformacin de un
halogenuro de alquilo en un alcano (R-X RMgX R-H). Los halogenuros
de alquilo tambin reaccionan con litio metlico para formar
compuestos de alquil-litio, RLi, que en presencia de CuI forman
diorganocupratos o reactivos de Gilman, R2CuLi. Estos reaccionan
con halogenuros de alquilo para formar hidrocarburos de
acoplamiento como productos. (conocida como reaccin de Corey
House). Como los halgenos son ms electronegativos que el carbono,
el enlace resultante entre ambos resulta polarizado, el tomo de
carbono tiene una ligera carga positiva (+), mientras que el tomo
de halgeno tiene una ligera carga negativa (-).
Dado que el tomo de carbono de los halogenuros de alquilo est
polarizado positivamente, estos compuestos son buenos electrfilos.
Se ver que gran parte de la qumica de los halogenuros de alquilo
est determinada por su carcter electrfilo. OBTENCIN DE LOS
HALOGENUROS DE ALQUILO 1.A partir de alquenos por bromacin
allica.
Ejemplo:
2.-
A partir de alquenos por adicin de HBr y HCl.
Ejemplo:
3.-
A partir de alcoholes. (a) Reaccin con HX, donde X = Cl, Br o I;
Orden de reactividad: 3 >2 > 1.
Ejemplo:
(b) Reaccin de alcoholes primarios y secundarios con SOCl2 en
piridina.
Ejemplo:
(c) Reaccin de alcoholes primarios y secundarios con PBr3, en
ter.
Ejemplo:
1.- BROMACIN ALLICA DE ALQUENOS. En 1942, Karl Ziegler inform
que al repetir algunos trabajos previos de Wohl, observ que los
alquenos reaccionaban con N-bromosuccinimida (que se abrevia NBS)
en presencia de luz, para formar productos que resultan de la
sustitucin de hidrgeno por bromo en la posicin adyacente al doble
enlace (la posicin allica). Por ejemplo, el ciclohexeno se
convierte en 3bromocioclohexeno, con un 85% de rendimiento:
Cicloheheno
3-bromociclohexeno (85%)
Esta bromacin allica con NBS es muy parecida a la reaccin de
halogenacin de alcanos: En ambos casos se rompe un enlace C-H de un
carbono saturado, y el tomo de hidrgeno es reemplazado por un
halgeno. La analoga es adecuada, pues se ha demostrado que las
bromaciones con NBS efectivamente ocurren a travs de un mecanismo
por radicales. Si bien el mecanismo exacto de la reaccin es
complejo, el paso crucial que determina el producto implica la
sustraccin de un tomo de hidrgeno allico y la formacin del radical
correspondiente. El radical reacciona luego con Br2 para formar el
producto y un radical bromo, que regresa a la reaccin para
continuar la cadena. El Br2 necesario para la reaccin con el
radical alilo es producido por una reaccin concurrente de HBr con
NBS. Mecanismo:
Por qu la bromacin ocurre exclusivamente en la posicin vecina al
doble enlace y no en cualquiera de las otras posiciones? Una vez
ms, la respuesta se encuentra examinando las energas de disociacin
de enlace para ver las estabilidades de los diversos tipos de
radicales.
Adems de influir en la estabilidad, la deslocalizacin de los
electrones no pareados en el radical alilo tiene consecuencias
qumicas. Dado que el electrn no pareado est distribuido en ambos
extremos de la del sistema de orbitales pi, la bromacin allica de
un alqueno asimtrico con frecuencia produce una mezcla de
productos. Por ejemplo, la bromacin del 1-octeno produce una mezcla
de 3-bromo-1-octeno y 1-bromo-2-octeno. Debido a que el radical
alilo intermediario es en este caso asimtrico, la reaccin no es
igualmente probable en ambos extremos, y los dos productos no se
forman en cantidades iguales.
Explicacin mecanistica:
Dado que en la bromacin de alquenos asimtricos se forman mezclas
de productos, la bromacin allica transcurre mejor en alquenos
simtricos, como el ciclohexeno. Los productos de esas reacciones
son particularmente tiles para su conversin en dienos por
deshidrohalogenacin con base.
2.- OBTENCIN DE HALOGENUROS DE ALQUILO A PARTIR DE ALCOHOLES. El
mejor mtodo para producir halogenuros de alquilo es la sntesis a
partir de alcoholes. El mtodo ms sencillo (aunque generalmente el
menos til) para la conversin de un alcohol en un halogenuro de
alquilo consiste en el tratamiento del alcohol con HCl, HBr o HI:
El mtodo funciona bien cuando es aplicado a alcoholes terciarios,
R3C-OH. Los alcoholes secundarios y primarios tambin reaccionan
pero a velocidades menores y a temperaturas de reaccin
considerablemente altas. La reaccin de HX con un alcohol terciario
es tan rpida que a menudo se efecta simplemente burbujeando el HX
gaseoso puro en una solucin fra de alcohol en ter. La reaccin suele
realizarse en unos cuantos minutos.
La mejor forma de transformar los alcoholes primarios y
secundarios en halogenuros de alquilo es tratndolos con reactivos
como el cloruro de tionilo (SOCl2) o tribromuro de fsforo (PBr3).
Estas reacciones normalmente ocurren en condiciones suaves, menos
cidas, y es menos probable que ocasionen transposiciones
catalizadas por cido que el mtodo con HX.
Como indican los ejemplos anteriores, el rendimiento de las
reacciones con PBr 3, y el SOCl2 generalmente es alto. No suelen
interferir otros grupos funcionales como teres, carbonilos o
anillos aromticos. Reacciones de los halogenuros de alquilo
1.Formacin de reactivos de Grignard.
donde X = Br, Cl, o I Ejemplo:
R = Alquilo 1, 2, 3, arilo o vinilo
2.-
Formacin de diorganocupratos (reactivos de Gilman).
R = alquilo 1, 2 , 3, arilo o vinilo Ejemplo:
Ejemplo:
3.-
Acoplamiento de compuestos organometalicos.
Ejemplo:
4.-
Conversin de halogenuros de alquilo en alcanos.
Ejemplo:
Reacciones de los halogenuros de alquilo(SUSTITUCIONES
NUCLEOFLICAS) Ya tenemos claro que el enlace carbono-halgeno de los
halogenuros de alquilo es polar, y que el tomo de carbono es
deficiente de electrones. Por lo tanto, los halogenuros de alquilo
son electrfilos y gran parte de su comportamiento qumico implica
reacciones polares con nuclefilos. Cuando un halogenuro reacciona
con un nuclefilo pueden suceder dos cosas: una sustitucin del grupo
X por el nuclefilo, (Reacciones de Sustitucin nucleoflicas), o una
eliminacin de HX para producir un alqueno (Reacciones de
Eliminacin), que sern estudiadas en la siguiente seccin. SUSTITUCIN
NUCLEOFLICA Las sustituciones nucleoflicas son de dos tipos:
reaccin SN2 y reaccin SN1.(aunque se suel mencionar un tercer tipo
como una sustitucin nucleoflica interna SNi). En la primera, el
nuclefilo entrante ataca al halogenuro desde una posicin a 180
respecto al grupo saliente, lo que da por resultado una inversin de
la configuracin cuando en carbono en cuestin es quiral (anloga a la
inversin de un paraguas por el viento) en el tomo de carbono. La
reaccin tiene cintica de segundo orden, y es fuertemente inhibida
conforme aumenta el volumen estrico de los reactivos. Por tanto,
las reacciones SN2 se ven favorecidas slo para sustratos primarios
y secundarios. La reaccin SN1 ocurre cuando el sustrato se disocia
de manera espontnea para formar un carbocatin en un paso limitante
de la velocidad lento, seguido por un ataque rpido del nuclefilo.
En consecuencia, las reacciones SN1 tienen cintica de primer orden,
y ocurren con racemizacin de la configuracin en el tomo de carbono
cuando ste es quiral. Estas reacciones se ven favorecidas para los
sustratos terciarios.
Reacciones SN21.- Estas reacciones ocurren con inversin completa
de la estereoqumica del carbono estereognico. 2.- Estas reacciones
presentan una cintica de segundo orden y obedecen a la siguiente
ley de velocidad: Velocidad = k [RX] [Un]. 3.- Su mecanismo es en
un slo paso, formndose un estado de transicin. Ejemplos.
El mecanismo es concertado, en un solo paso de reaccin.
Qu mecanismo explica la estereoqumica observada y la cintica de
segundo orden para estas reacciones? La caracterstica esencial del
mecanismo de reaccin SN2 formulado por Hughes e Ingold en 1937, es
que la reaccin transcurre en un solo paso, sin intermedio. Cuando
el nuclefilo entrante ataca el sustrato desde una posicin a 180 del
grupo saliente, se forma un estado de transicin, en el cual
comienza a formarse el enlace nuclefilo carbono y simultneamente
comienza a romperse el enlace grupo saliente carbono, invirtindose
la configuracin estereoqumica de la molcula. Este proceso se
muestra para la reaccin de (S)-2-bromobutano con ion hidrxido, lo
que da por resultado (R)-2-butanol. El nuclefilo -OH utiliza los
electrones de su par no compartido para atacar el carbono del
halogenuro de alquilo en una direccin a 180 del halgeno saliente.
Esto da por resultado un estado de transicin en el cual el enlace
C-OH est parcialmente formado y el enlace C-Br est parcialmente
roto.
La estereoqumica del carbono se invierte a medida que se forma
el enlace COH y el ion bromuro se desprende con el par de
electrones del enlace C-Br original.
CARACTERSTICAS DE LA REACCIN SN2 El estudiante ya tendr una
buena idea de cmo ocurren las reacciones SN2, pero tambin es
necesario saber cmo pueden usarse estas sustituciones y qu
variables las afectan. Algunas reacciones SN2 son rpidas y otras
son lentas; algunas tienen altos rendimiento, y otras rendimientos
bajos, etc. La velocidad de una reaccin qumica es determinada por
la energa de activacin (G), la diferencia de energa entre los
reactivos y el estado de transicin. Otros factores son. EFECTO
ESTRICO EN LA REACCIN SN2. La primera variable por observar de una
reaccin SN2 es el volumen estrico del halogenuro de alquilo. Como
la reaccin implica la formacin de un estado de transicin parece
razonable
esperar que un sustrato voluminoso, impedido, dificultar el
acercamiento del nuclefilo, y de este modo ser ms difcil alcanzar
el estado de transicin. En otras palabras los sustratos
estricamente voluminosos, en los cuales el tomo de carbono est
protegido contra el ataque del nuclefilo, reaccionan con mayor
lentitud que los sustratos menos impedidos. Como se muestra para
los siguientes casos, la dificultad para el ataque nucleoflico se
eleva a medida que aumenta el tamao de los tres sustituyentes
unidos al tomo de carbono.
Impedimento estrico a la reaccin SN2. Como se indican en estos
modelos, el tomo de carbono en (a), bromometano, es fcilmente
accesible, lo que da por resultado una reaccin SN2 rpida. Los tomos
de carbono en (b), bromoetano (primario), en (c), 2bromopropano
(secundario) y en (d), 2-bromo-2-metilpropano (terciario), son
sucesivamente menos accesibles, lo que da por resultado reacciones
SN2 cada vez ms lentas. Las reactividades relativas de algunos
sustratos son como sigue: CH3-Br CH3-CH2-Br (CH3)2-CH-Br
(CH3)3-C-Br metilo primario secundario terciario Ejemplo: Para la
reaccin R-Br + Nu- = R-Nu + Br- (SN2) Grupo R Velocidad relativa
CH330 CH3-CH21 R-CH2CH20.4 (CH3)2-CH0.002 (CH3)3-C0.001
(CH3)3-C-CH20.00001
Nuclefilo atacante La naturaleza del nuclefilo atacante es una
segunda variable con notable efecto en las reacciones SN2.
Cualquier especie que sea neutra o cargada negativamente, puede
actuar como nuclefilo, siempre y cuando tenga un par de electrones
no compartidos (es decir, que sea una base de Lewis). Si el
nuclefilo tiene carga negativa, el producto es neutro, pero si el
nuclefilo es neutro el producto queda con carga positiva. Las
especies nucleoflicas cargadas suelen ser mejores nuclefilos que
las especies neutras, entre especies de igual naturaleza el mejor
criterio a emplear es el del nmero atmico, del tal forma que
aquellos que tengan el mayor nmero atmico sern mejores especies
nucleoflicas que las de menor nmero atmico. La nucleoflia exacta de
una especie en una reaccin dada depende de muchos factores, como la
naturaleza del sustrato, la identidad del solvente, e incluso la
concentracin de los reactivos. Aunque no hay explicaciones precisas
para las nucleoflias observadas pueden detectarse algunas
tendencias en los datos: 1. La nucleoflia es aproximadamente
paralela a la basicidad cuando se comparan nuclefilos que tienen el
mismo tomo atacante. El ion hidrxido por ejemplo, es ms bsico y ms
nuclefilo que el agua. (Tabla 10.1). 2. La nucleoflia suele
aumentar al descender por una columna en la tabla peridica. As, por
ejemplo el HS- es ms nuclefilo que el OH-. 3. La correlacin de la
nucleoflia con la basicidad no es til para comparar tomos de una
misma familia. Al aumentar el nmero atmico, aumenta la nucleofilia
y disminuye la basicidad. (Tabla 10.2).
Nucleoflia decreciente Nucleoflia decreciente
Nuclefilos con tomos de Nitrgeno H2NC2H5NH2 H3N C6H5NH2
p-NO2C6H4NH2
Tabla 10.1.Nuclefilos con Nuclefilos con tomos de Oxgeno
Nitrgeno frente a Oxgeno C2H5OH2NHOHOC6H5O H3N CH3CO2H2O H2O Tabla
10.2.Nuclefilos del Nuclefilos del Nuclefilos del Grupo (V) Grupo
(VI) Grupo (VII) R3P RSIR3N RO BrClF-
Basicidad Decreciente Basicidad creciente
Grupo saliente Otra variante que puede influir en gran medida en
la reaccin SN2 es la naturaleza del grupo saliente. Tabla
10.3.Relacin entre la capacidad como grupo saliente y la acidez del
cido conjugado Grupo Saliente pKa del c. conjugado Habilidad como
G. Saliente p-CH3C6H4SO3- (OTs) IBr< 0 Muy Buenos Grupos
Salientes H2O (CH3)2S ClCF3CO20.2 H2PO42 CH3CO24.8 CN 9.1 NH3 9.2
C6H5O10 Buenos Grupos Salientes RNH2, R3N 10 C2H5S10.6 HO15.7 Malos
Grupos Salientes CH3O15.0 NH236 Muy Malos G. Salientes CH349 Dado
que ste es expulsado con carga negativa en la mayora de las
reacciones SN2, es de esperar que los mejores grupos salientes sean
aquellos que estabilicen mejor la carga negativa. Ms an puesto que
la estabilidad de un anin se relaciona con la basicidad, puede
decirse que los mejores grupos salientes sern las bases ms dbiles
(a menor pKa del cido conjugado que genere, (ver Tabla 10.3). Tan
importante como saber cuales son buenos grupos salientes es saber
cuales no lo son, los datos anteriores indican con claridad que F-,
OH-, OR- y NH2- no son desplazados por nuclefilos. En otras
palabras fluoruros de alquilo, alcoholes, teres y aminas no
experimentan reacciones SN2 en circunstancias normales. Disolvente
Las velocidades de muchas reacciones SN2 se ven afectadas por el
disolvente que se use. Los disolventes prticos, que contienen
grupos -OH, suelen ser los peores para las reacciones SN2, mientras
que los disolventes aprticos polares, que tienen dipolos fuertes
pero carecen de -OH o NH, son los mejores.
Los disolventes prticos, como metanol y etanol, retardan las
reacciones SN2 porque afectan el nivel de energa del reactivo
nuclefilo y no el nivel de energa del estado de transicin. Las
molculas de disolventes prticos son capaces de formar enlaces de
hidrgeno con los nuclefilos cargados negativamente, creando una
jaula alrededor del nuclefilo. Esta solvatacin estabiliza
fuertemente al nuclefilo, reduciendo su reactividad hacia los
electrfilos en la reaccin SN2.
Un nuclefilo solvatado su nucleoflia reducida por el incremento
en la estabilidad del estado fundamental En contraste con lo que
sucede en el caso de los disolventes prticos, los disolventes
polares aprticos favorecen las reacciones SN2. Son particularmente
valiosos el acetonitrilo, CH3CN, la dimetilformamida, (CH3)2NCHO
(DMF), el dimetilsulfxido, (CH3)2SO (DMSO); y la
hexametilfosforamida [(CH3)2N]3PO (HMPA). Tabla 10.4.POLAR
Disolventes Prticos Cte. Dielctrica a 25C Disolventes aprticos. H2O
81 HCO2H 59 45 (CH3)2SO (DMSO) 39 CH3CN 37 HCON(CH3)2 (DMF) CH3OH
33 30 HMPA CH3CH2OH 24 23 (CH3)2CO (Acetona) (CH3)2CHOH 18
(CH3)3COH 11 7 THF CH3CO2H 6 4 (C2H5)2O (ter) 2 n-C5H12; C6H6; Ccl4
NO POLAR (APOLAR) Estos disolventes son capaces de disolver muchas
sales debido a su alta polaridad, y tienden a rodear a los cationes
metlicos en vez de hacerlo con los aniones nuclefilos, de este modo
los nuclefilos no estn solvatados y la nucleofilia es mucho ms
efectiva. La polaridad del disolvente es medida generalmente por su
constante dielctrica, (D), que es una indicacin sobre la facilidad
del medio de reaccin para acomodar especies cargadas. (ver Tabla
10.4) Las reacciones que transcurren con un mecanismo SN2, son ms
favorables en disolventes polares aprticos, y las que transcurren
con un mecanismo SN1 son ms favorables en disolventes polares en
general, ya que el paso que controla la velocidad es la formacin de
un carbocatin. Obsrvese que a mayor constante dielctrica, mayor es
la polaridad, es decir un mayor poder de ionizacin del disolvente,
segn el poder ionizante del disolvente y el tipo de reaccin que se
est tratando los efectos del medio de reaccin sobre las velocidades
de las reacciones de sustitucin nuclefila son: Efecto de
incrementar el poder ionizante del disolvente
Mecanismo
Reaccin
SN1 SN2 SN2 SN2
R-L R+ + LNu- + R-L R-Nu + LNu + R-L R-Nu+ + LNu- + R-L+ R-Nu +
L
(Polaridad) Gran aceleracin Pequea deceleracin Gran aceleracin
Gran deceleracin
Reacciones SN1Es notable el hecho de que el panorama es del todo
distinto cuando se utilizan diferentes condiciones de reaccin.
Cuando se tratan en disolventes prticos con nuclefilos no bsicos en
condiciones de neutralidad o acidez, los sustratos terciarios a
menudos reaccionan varios miles de veces ms rpido que los primarios
o secundarios. Por ejemplo la reaccin de los alcoholes con HX para
obtener halogenuros de alquilo tiene la rapidez mxima en el caso de
alcoholes terciarios y la mnima en el caso del metanol: R-OH + HX
R-X + H2O R3COH > R2CHOH > RCH2OH > CH3OH 3 2 1 Metanol Ms
reactivo Menos reactivo La misma tendencia se observa en muchas
reacciones de sustitucin en las cuales los sustratos se calientan
con nuclefilos no bsicos en solventes prticos: Los sustratos
terciarios reaccionan mucho ms rpido que los primarios o
secundarios. Por ejemplo, a continuacin se presentan las
velocidades relativas de reaccin con agua de algunos halogenuros de
alquilo. Se observa que el 2-bromo-2-metilpropano es ms de un milln
de veces ms reactivo que el bromoetano. R-Br + H2O R-OH + H-Br
(CH3)3CBr > (CH3)2CHBr > CH3CH2Br> CH3Br Reactividad
relativa 1,200 0,012 0,001 0,0001 Qu sucede? Es claro que se trata
de reacciones de sustitucin nucleofilica, aunque el orden de
reactividad parece invertido. Estas reacciones no pueden estar
ocurriendo por el mecanismo que hemos venido considerando, y por
tanto se concluye que existe un mecanismo de sustitucin
alternativo. Este mecanismo alternativo se llama reaccin SN1 (que
indica sustitucin nucleofilica unimolecular). Cintica de la reaccin
SN1 Se encuentra que la velocidad de la reaccin depende slo de la
concentracin del halogenuro de alquilo y es independiente de la
concentracin del nuclefilo. En otras palabras, esta reaccin es un
proceso de primer orden. Slo una molcula participa en el paso cuya
cintica se determina. La expresin para la velocidad puede
escribirse como sigue: Velocidad de reaccin = Rapidez de
desaparicin del halogenuro de alquilo = k [RX] La rapidez de esta
reaccin SN1 es igual a un coeficiente de velocidad k por la
concentracin del halogenuro de alquilo. La concentracin del
nuclefilo no aparece en la expresin de velocidad. Muchas reacciones
orgnicas son muy complejas y transcurren en pasos sucesivos. Uno de
estos pasos suele ser ms lento que los otros, y se le llama paso
limitante de la velocidad. Ninguna reaccin puede transcurrir ms
rpido que su paso limitante de velocidad, el cual acta como un
cuello de botella.
Diagrama de energa para una reaccin SN1. El paso limitante de la
velocidad es la disociacin del halogenuro de alquilo. ESTEREOQUMICA
DE LA REACCIN SN1. Si es correcto el postulado de que las
reacciones SN1 ocurren a travs de carbocationes intermediarios, las
consecuencias estereoqumicas deben ser distintas de las propias de
las reacciones SN2. Los carbocationes son especies planares con
hibridacin sp2, y por tanto son aquirales. De este modo, si se
efecta una reaccin SN1 con un enantimero de un reactivo quiral y se
pasa por un intermediario simtrico aquiral, el producto debe ser
pticamente inactivo.
El carbocatin intermediario simtrico puede ser atacado por un
nuclefilo indistintamente por el lado derecho o por el lado
izquierdo, lo que produce una mezcla 50 : 50 de enantimeros; es
decir, una mezcla racmica. Caractersticas de la reaccin SN1 As como
la reaccin SN2 es fuertemente influida por variables como
disolvente, grupo saliente, estructura del sustrato y naturaleza
del nuclefilo atacante, tambin lo es la reaccin S N1. Los factores
que reducen la energa de activacin, ya sea estabilizando el estado
de transicin que conduce a la formacin del carbocatin intermediario
o elevando el nivel de energa de los reactivos, favorecen las
reacciones SN1 hacindolas ms rpidas. A la inversa, los factores que
incrementan la energa de activacin, ya sea desestabilizando el
estado de transicin que conduce al carbocatin intermedio o
reduciendo el nivel de energa de los reactivos, retardando la
reaccin SN1. Sustrato Segn el postulado de Hammond, cualquier
factor que estabilice un intermediario de alta energa estabilizar
tambin el estado de transicin que conduce a dicho intermediario.
Dado que el paso limitante de la velocidad en la reaccin SN1 es la
disociacin unimolecular espontnea del sustrato, es de esperar que
la reaccin se vea favorecida siempre que se formen carbocationes
intermediarios estabilizados. Esto es exactamente lo que se
observa: cuanto ms estable es el carbocatin intermediario, tanto ms
rpida es la reaccin SN1. Como resultado de la estabilizacin por
resonancia en los carbocationes allicos y benclicos, los
carbocationes tienen el siguiente orden de estabilidad. Ntese que
un carbocatin allico o benclico primario es casi tan estable como
un carbocatin alquilo secundario. De manera similar, un carbocatin
allico o benclico secundario es tan estable como un carbocatin
alquilo terciario.
El orden de estabilidad de los carbocationes es exactamente
igual al orden de reactividad en las reacciones SN1 de los
halogenuros de alquilo y los tosilatos. Haciendo un parntesis, debe
mencionarse que los sustratos allicos y benclicos son
particularmente reactivos en las reacciones SN2 as como en las SN1.
Los enlaces C-X allicos y benclicos son aproximadamente 10 kcal/mol
ms dbiles que los correspondientes enlaces saturados, y por tanto
se rompen con mayor facilidad. GRUPO SALIENTE. Durante el estudio
de la reactividad SN2, se dedujo que los mejores grupos salientes
deberan ser los ms estables -es decir, las bases conjugadas de
cidos fuertes-. Para la reaccin SN1 se encuentra un orden de
reactividad idntico, debido a que el grupo saliente participa de
manera decisiva en el paso limitante de la velocidad. As, se
encuentra que el orden de reactividad SN1 es: TosO- > I- >
Br- > Cl- > H2O Ms reactivo > Menos reactivo
Mecanismo de la reaccin SN1 de un alcohol terciario con HBr para
formar un halogenuro de alquilo. El grupo saliente es agua
(neutra). Ntese que en la reaccin SN1, la cual a menudo se realiza
en condiciones cidas, el agua (neutra) puede actuar como grupo
saliente. Este es el caso, por ejemplo, cuando se elabora un
halogenuro de alquilo a partir de un alcohol terciario, por reaccin
con HBr o HCl. El alcohol se protona primero y despus pierde agua
para generar un carbocatin. La reaccin posterior del carbocatin con
el ion halogenuro produce el halogenuro de alquilo. NUCLEFILO. La
naturaleza del nuclefilo atacante es decisiva en la reaccin SN2. En
la reaccin SN1 no lo es. Por su propia naturaleza las reacciones
SN1 proceden a travs de un paso determinante de la velocidad en el
cual el nuclefilo agregado no interviene en la cintica. El
nuclefilo no participa en la reaccin hasta que ha ocurrido la
disociacin limitante de la velocidad. No importa su naturaleza
nucleofilica. DISOLVENTE. El efecto del disolvente tiene una gran
importancia en las reacciones SN1, pero de manera muy distinta a
las reacciones SN2. El postulado de Hammond establece que cualquier
factor que estabilice el carbocatin intermediario incrementar la
velocidad de reaccin. La solvatacin -estabilizacin del carbocatin
por interaccin con molculas del solvente- puede tener exactamente
tal efecto. Si bien no es fcil definir la naturaleza precisa de la
estabilizacin del
carbocatin por el solvente, podemos representar las molculas de
este ltimo orientadas alrededor del catin, de manera que los
extremos ricos en electrones de los dipolos del solvente queden
frente a la carga positiva.
Solvatacin de un carbocatin en agua. Los tomos de oxgeno (ricos
en electrones) del solvente rodean al catin (con carga positiva)
para estabilizarlo. Las reacciones SN1 ocurren con mucha mayor
rapidez en solventes altamente polares que en solventes no polares.
Por ejemplo, en la reaccin del 2-cloro-2-metil-propano se observa
un factor de incremento de 100.000 al pasar al del etanol, un
solvente polar, al agua, an ms polar. (CH3)3C-Cl + ROH (CH3)3C-OR +
HCl Agua Etanol acuoso al 80 % Etanol acuoso al 40 % Etanol puro
100 14 0.1 0.001 Ms reactivo REACTIVIDAD Menos reactivo RESUMEN
Caractersticas SN1 SN2 En dos pasos, uno lento y otro Mecanismo
rpido En un solo paso I)lento R-L R+ + LII)Rpido R+ + Nu- RNu De
primer orden No afecta a la velocidad R-L + Nu- R-Nu + L-
De segundo orden Controla la velocidad, conjuntamente con el
sustrato. Estructura del tomo de 1) Estabilizacin por resonancia 1)
Impedimento estrico carbono saturado (sustrato) 2) FAVORABLE 3 >
2 > 1 desvaforable 2) CH3 > 1 > 2 > 3 Efectos del
disolvente Favorecida por disolventes Favorecidas en disolventes
ionizantes (polares) aprticos. Estereoqumica Racemizacin Inversin
Condiciones de reaccin Generalmente cidas Generalmente bsicas.
Cintica Nucleofilia del reactivo
Reacciones de competitivas Eliminacin (E1) y Transposicin
Eliminacin (E2) Debe insistirse en el hecho de que tanto en la
reaccin SN1 como en la SN2 el solvente ejerce un gran efecto,
aunque por razones distintas. Las reacciones SN2 son desfavorecidas
por los solventes prticos debido a que el nivel de energa del
estado fundamental del nuclefilo atacante disminuye por solvatacin.
Las reacciones SN1, en contraste, son favorecidas por los solventes
prticos debido a que el nivel de energa del estado de transicin que
conduce al carbocatin intermediario disminuye por la solvatacin.
HALOGENUROS DE ALQUILO. (REACCIONES DE ELIMINACIN) Las
eliminaciones de halogenuros de alquilo para producir alquenos
tambin transcurren por dos mecanismos, la reaccin E2 y la reaccin
E1. En la primera, una base sustrae un protn al mismo tiempo que se
separa el grupo saliente. La reaccin E2 procede preferentemente a
travs de un estado de transicin periplanar anti, en el cual los
cuatro tomos reaccionantes -el hidrgeno, los dos carbonos y el
grupo saliente- estn en el mismo plano. La reaccin presenta cintica
de segundo orden y un efecto isotpico de deuterio, y ocurre cuando
un sustrato secundario o terciario se trata con una base fuerte.
Estas reacciones de eliminacin suelen
producir una mezcla de alquenos en la cual predomina el alqueno
ms sustituido (regla de Zaitsev). La reaccin E1 se efecta cuando el
sustrato se disocia espontneamente para formar un carbocatin en un
paso limitante de la velocidad (lento), con la prdida posterior de
un protn vecino. La reaccin tiene cintica de primer orden, no
presenta efecto isotpico de deuterio y ocurre cuando un sustrato
terciario reacciona en una solucin no bsica polar. REACCIONES DE
ELIMINACIN
Cuando un nuclefilo o una base de Lewis atacan a un halogenuro
de alquilo, son posibles dos tipos de reacciones. El reactivo puede
atacar al tomo de carbono y sustituir al halogenuro, o puede atacar
a un hidrgeno y causar la eliminacin de HX para formar un alqueno.
Las reacciones de eliminacin son ms complejas que las de
sustitucin, por varias razones. Existe el problema de la
regioqumica: Qu productos resultarn de la deshidrohalogenacin de
halogenuros asimtricos? En efecto, las reacciones de eliminacin
casi siempre producen mezclas de alqueno y usualmente lo ms que
puede hacerse es predecir cul ser el producto principal. Conforme a
una regla formulada por el qumico ruso Alexander Zaitsev, las
reacciones de eliminacin inducidas por base generalmente tienen
como producto el alqueno ms sustituido; es decir, el alqueno con ms
sustituyentes alquilo en los carbonos del doble enlace, conocida
como regla de Zaitsev. En los siguientes dos ejemplos el alqueno
predominante es el alqueno ms sustituido cuando se usa como base
etxido de sodio en etanol.
La eliminacin de HX a partir de halogenuros de alquilo es una
reaccin general que constituye un excelente mtodo para elaborar
alquenos. Sin embargo, este asunto es complejo, y las reacciones de
eliminacin pueden proceder en una variedad de rutas mecansticas. En
este apartado consideraremos dos de ellas en primera instancia, las
reacciones E1 y E2. REACCIN E2: La reaccin E2 significa eliminacin
bimolecular y se realiza cuando un halogenuro de alquilo se trata
con una base fuerte como el ion hidrxido (-OH) o ion alcxido (-OR).
Es la va de eliminacin ms comn. Al igual que la reaccin SN2, la
reaccin E2 es un proceso en un paso, sin intermedios pero con un
estado de transicin. Cuando la base atacante empieza a sustraer un
protn del carbono vecino al grupo saliente, el enlace C-H comienza
a romperse, empieza a formarse un nuevo doble enlace C-C, y el
grupo saliente empieza a separarse, llevndose consigo el par de
electrones del enlace C-X. Una evidencia que apoya este mecanismo
es la cintica de reaccin. Dado que tanto la base como el halogenuro
de alquilo participan en el paso limitante de la velocidad, las
reacciones E2 presentan cintica de segundo orden: Velocidad = k
[RX] [Base] Una segunda evidencia y ms slida la constituye la
estereoqumica de las eliminaciones E2. Como indican una gran
cantidad de datos experimentales, las reacciones E2 son
estereoesfecficas. La eliminacin siempre procede a partir de una
configuracin geomtrica periplanar, lo cual significa que los cuatro
tomos reaccionantes -el hidrgeno, los dos carbonos
y el grupo saliente- se encuentran en un mismo plano. Existen
dos de tales configuraciones: la periplanar sin, (eclipsada, mayor
energa), y la periplanar anti, (alternada de menor energa). De las
dos, la configuracin anti es energticamente la preferida de la
molcula.
La base (B:) ataca un hidrgeno vecino y comienza a sustraer el
hidrgeno al mismo tiempo que empieza a formarse el doble enlace del
alqueno y empieza a separarse el grupo X. El alqueno neutro se
produce cuando est totalmente roto el enlace C-H y el grupo X se ha
separado llevndose el par de electrones del enlace C-X.
La configuracin periplanar anti de las eliminaciones E2 tiene
consecuencias estereoqumicas bien definidas que constituyen una
slida evidencia en favor del mecanismo propuesto. Considrese por
ejemplo el meso-1,2-dibromo-1,2-difeniletano, que experimenta una
eliminacin E2 cuando se trata con base para formar slo el alqueno E
(con los dos grupos fenilo en cis) puro no se forma nada del
alqueno isomrico Z, debido a que el estado de transicin que conduce
al alqueno Z tendra que tener configuracin periplanar sin.
Deshidratacin de alcoholes a alquenosPara que un sustrato
experimente una reaccin E1 es necesario que posea un buen grupo
saliente, cuya marcha origine un carbocatin estable. Los alcoholes
no sufren eliminacin en condiciones neutras o alcalinas, debido a
que el -OH no es un buen grupo saliente. No obstante, en un medio
cido los alcoholes se protonan en el oxgeno para dar iones oxonio,
capaces de perder agua (H2O), un excelente grupo saliente.
As, la reaccin de los alcoholes 2ario y 3ario con un exceso de
un cido fuerte constituyen un mtodo establecido para la sntesis de
alquenos. Suelen emplearse los cidos sulfricos y fosfricos. La
temperatura elevada acelera la reaccin y favorece la eliminacin,
adems, permite que el alqueno destile a medida que se forma, lo que
evita las reacciones secundarias. Ejemplos: 1.-
2.-
3.-
En los ejemplos 2 y 3, los resultados estn de acuerdo con lo
esperado, es decir la obtencin del alqueno ms sustituido. Los
productos predominantes en el ejemplo 3 se han formado a travs de
una transposicin, lo que demuestra que en la reaccin han
intervenido carbocationes como intermedios. Transposiciones a travs
de carbocationes: Una propiedad comn de los carbocationes es
experimentar transposiciones, siempre y cuando sean capaces de
generar un carbocatin mucho ms estable que el precursor.
Transposicin de Hidrgeno
Transposicin de Metilo
COMPARACIN ENTRE LAS REACCIONES E1 y E2 Caractersticas E1 E2
Mecanismo Dos pasos, Intermedio tipo Un paso, eliminacin
concertada, carbocatin con estado de transicin Cintica Primer orden
Segundo orden Transposiciones En ocasiones Nunca Sustratos Haluros,
Tosilatos, alcoholes en Haluros, tosilatos, hidrxidos de medio cido
tetraalquilamonio Caractersticas estructurales Halogenuros 3, y
empleando Elevada concentracin de base. favorables disolventes
polares Competencia Reaccin SN1 Reaccin SN2 Correlacin entre
estructura y reactividad para reacciones de sustitucin y de
eliminacin. Tipo de SN1 SN2 E1 E2 halogenuro R-CH2-X (primario) No
ocurre Altamente favorecida No ocurre Ocurre cuando se emplean
bases fuertes
R2-CH-X (secundario)
Puede ocurrir con Ocurre en Puede ocurrir con Es favorecida
halogenuros competencia con la halogenuros cuando se usan benclicos
y allicos reaccin E2 benclicos y allicos bases fuertes Es
favorecida en solventes hidroxlicos No ocurre Ocurre en competencia
con la reaccin SN1 Es favorecida cuando se emplean bases
R3-C-X (terciario)
Otras reacciones de eliminacinEn las reacciones de eliminacin E1
y E2, el producto obtenido mayoritariamente resulta ser el alqueno
ms sustituido, pero en muchas ocasiones por inters sinttico es
necesario obtener un alqueno menos sustituido en forma mayoritaria.
En tal caso, los mtodos anteriores no resultan tiles, y hay que
recurrir a otros mtodos descritos en la literatura cientfica, de
los cuales resumiremos algunos. A.- ELIMINACIN DE HOFMANN
La prdida de una trialquilamina y un tomo de hidrgeno en
respecto del nitrgeno a partir de una sal de amonio cuaternario
conducen a un alqueno mediante la reaccin conocida generalmente
como eliminacin de Hofmann[3].
La reaccin transcurre normalmente por mecanismo E2 y sigue la
preferencia estereoelectrnica para la eliminacin anti. Cuando
existen dos tipos diferentes de hidrgenos en respecto al nitrgeno
cuaternario, la eliminacin conduce generalmente al predominio del
alqueno menos sustituido. De hecho, Hofmann propuso su regla sobre
la orientacin de la eliminacin en 1851 como consecuencia de sus
estudios sobre eliminaciones a partir de sales de amonio
cuaternario.
La eliminacin puede conseguirse tratando una sal de amonio
cuaternario con una base fuerte, si bien es ms normal utilizar el
hidrxido de amonio cuaternario como reactivo, con lo que se
requiere base externa. El rendimiento en alqueno es generalmente
alto. La reaccin posee una utilidad limitada para la sntesis de
alquenos, ya que a menudo es ms fcil emplear productos de partida
ms asequibles. (el mecanismo ser estudiado en el captulo dedicado a
las aminas). B.- ELIMINACIN PIROLTICA Ciertos precursores de
alquenos no requieren un reactivo externo que promueva la
eliminacin. Los steres y los xidos de amina constituyen dos
ejemplos de tales sustratos. En esos casos, la calefaccin aporta
suficiente energa para que el grupo saliente acte como una base
intramolecular. La ruptura trmica de una molcula se conoce como
pirlisis. Cuando se calienta un ster (300 - 600), generalmente un
acetato que contiene un tomo de hidrgeno en en su porcin alcohlica,
se forman un alqueno y un cido carboxlico. Se cree que la reaccin
transcurre de forma concertada a travs de un estado de transicin
cclico de seis miembros. Tales reacciones de eliminacin piroltica
se designan a menudo como Eieliminacin, interna. La reaccin es
estereoespecifica, el mecanismo cclico intramolecular requiere
coplanaridad sin de los grupos que se pierden.
Mecanismo: de la pirlisis de steres.
La pirlisis de xidos de amina (La Reaccin de Cope) es un mtodo
de sntesis de alquenos muy relacionado con la pirlisis de steres.
El tomo de oxgeno de un xido de amina posee una carga negativa
formal y puede actuar como una base interna. Otros ejemplos:
Acetato de treo-2-deuterio -1,2-difeniletilo
E-Estilbeno (trans)
Acetato de Eritro-2-deuterio -1,2-difeniletilo
E-1-Deuterioestilbeno (trans)
El mecanismo de la reaccin de Cope ser estudiado en captulo
dedicado a las amina.
Alcoholes y tiolesRESUMEN DE LAS REACCIONES DE LOS ALCOHOLES:
I.- SNTESIS DE ALCOHOLES REACCIN a.- Reduccin de compuestos
carbonlicos (1) Aldehdos EJEMPLO
Un alcohol primario (2) Cetonas
Un alcohol secundario (3) steres
Un alcohol primario (4) cidos carboxlicos
Un alcohol primario b.- Adicin de reactivos de Grignard a
compuestos carbonlicos. (1) Formaldehdo
Un alcohol primario (2) Aldehdos
REACCIN Un alcohol secundario (3) Cetonas
EJEMPLO
Un alcohol terciario (4) steres
Un alcohol terciario II.- REACCIONES DE LOS ALCOHOLES a.- Acidez
ROH + NaH RO-Na+ + H2 ROH + Na b.- Deshidratacin (1) Alcoholes
terciarios RO-Na+ + H2 Alcxidos
(2) Alcoholes secundarios y terciarios
c.- Oxidacin (1) Alcohol primario
Aldehdo
Un cido carboxlico (2) Alcohol secundario
Una cetona III.SNTESIS DE LOS TIOLES
IV.- REACCIONES DE LOS TIOLES a.- Oxidacin de tioles a
disulfuros
b.- Otras homologas a la de los alcoholes
Obtencin de alcoholes por reduccin de grupos carbonilosEl mtodo
ms generalizado para producir alcoholes es la reduccin de
compuestos carbonilicos: Donde [H] es generalizado una agente
reductor
Una reduccin orgnica es una reaccin en la cual se incrementa el
contenido de hidrgeno o disminuye el de oxgeno, nitrgeno o halgeno
de una molcula. A la inversa, una oxidacin orgnica es una reaccin
en la cual disminuye el contenido de hidrgeno o se incrementa el de
oxgeno, nitrgeno o halgeno de una molcula. Se dispone de muchos
reactivos para reducir cetonas y aldehdos a alcoholes, pero
usualmente se elige el borohidruro de sodio, NaBH4, debido a la
seguridad y la facilidad de su manejo. Este compuesto es un slido
cristalino blanco que se puede manipular y pesar sin peligro en
atmsfera abierta y usar en agua o en solucin alcohlica. Suelen
obtenerse altos rendimientos de alcohol. El hidruro de aluminio y
litio, LiAlH4, es un polvo blanco soluble en ter y
tetrahidrofurano, es otro agente reductor que se usa algunas veces
para reduccin de cetonas y Aldehdos. Si bien es ms potente y
reactivo que el NaBH4, el LiAlH4 es tambin peligroso, y debe ser
manejado por personas experimentadas. Reacciona violentamente con
el agua, se descompone cuando se calienta a ms de 125C. No obstante
estos inconvenientes, el LiAlH4 es un reactivo en extremo valioso y
se usa diario en cientos de laboratorios. Los steres y los cidos
carboxlicos pueden reducirse para formar alcoholes primarios. Estas
reacciones son ms difciles que las reducciones correspondientes de
aldehdos y cetonas. Por ejemplo, el borohidruro de sodio reduce
lentamente los steres y no reduce los cidos. As, las reducciones de
los steres y los cidos carboxlicos usualmente se realizan con
hidruro de litio y aluminio. Todos los grupos carbonilos,
incluyendo steres, cidos, cetonas y aldehidos, se reducen por medio
de LiAlH4 con alto rendimiento, como lo indican los siguientes
ejemplos:
Mecanismo de la reduccin con NaBH4 :
Mecanismo de la reduccin con LiAlH4:
Obtencin de alcoholes por adicin de reactivosDE GRIGNARD A
GRUPOS CARBONILOS. Los reactivos de Grignard, RMgX, reaccionan con
los compuestos carbonlicos para producir alcoholes de manera
semejante a como lo hacen con los hidruros. El resultado es un
mtodo muy til y general de sntesis de alcoholes. La reaccin
consiste en un ataque nucleoflico del R al carbono electroflico del
grupo carbonilo. El carcter nucleoflico del grupo alquilo en los
reactivos organometlicos de litio y magnesio puede utilizarse para
la sntesis de alcoholes por adicin a compuestos carbonlicos y
apertura nuclefila de anillos de oxaciclopropano. Mecanismo:
Por reacciones de Grignard es posible obtener un gran nmero de
alcoholes, dependiendo de los reactivos usados, obsrvese los
siguientes ejemplos:
Bromuro de ciclohexil Ciclohexilmetanol magnesio
Formaldehdo (65%)
3-Metilbutanal Bromuro de 1-fenil-1-butanol fenilmagnesio
(73%)
3-Metil-
Ciclohexanona 1-Etilciclohexanol (89%)
Pentanoato de etilo Metil-2-hexanol 85%)
Bromuro de metilmagnesio
2-
REACCIONES DE LOS ALCOHOLES. Las reacciones de los alcoholes
pueden dividirse en dos grupos. Las que ocurren en el enlace CO y
las que ocurren en el enlace O-H.
En el resumen de las reacciones estn representadas casi todas
ellas, a continuacin realizaremos algn comentario de las ms
significativas. DESHIDRATACIN DE ALCOHOLES PARA PRODUCIR ALQUENOS
Una de las reacciones ms importantes del enlace C-O de los
alcoholes es la deshidratacin para formar alquenos. Se rompe el
enlace carbono-oxgeno, se rompe el enlace C-H vecino y se forma un
enlace pi ( de alqueno. (vase captulo de eliminacin). ) Debido a la
importancia de la reaccin, se ha desarrollado un gran nmero de
formas alternativas de realizar las deshidrataciones. Uno de los
mtodos ms comunes y que funciona particularmente bien para los
alcoholes terciarios es el mtodo catalizado por cido. Las
deshidrataciones catalizadas por cido normalmente siguen la regla
de Zaitsev . En la prctica normal de laboratorio, slo los alcoholes
terciarios se deshidratan con cido. Puede hacerse que los alcoholes
secundarios reaccionen, pero las condiciones son ms severas (H2SO4
al 75%, 100C) y las molculas sensibles no las resisten. Los
alcoholes primarios son menos reactivos an que los secundarios, y
se requieren condiciones todava ms severas para la deshidratacin
(H2SO4 al 95%, 150C) .
Dos electrones del tomo de oxgeno se unen al H+, produciendo un
alcohol protonado intermediario, el cual a su vez es un buen grupo
saliente.
Se rompe el enlace carbono-oxgeno y los dos electrones del
enlace quedan en el oxgeno, dejando el carbocatin
intermediario.
Dos electrones de un enlace carbonohidrgeno vecino forman el
enlace pi del alqueno, y se elimina un H+ (un protn). Una vez que
se ha reconocido que la deshidratacin catalizada por cido es una
reaccin E1, se esclarece la causa por la cual los alcoholes
terciarios reaccionan ms rpido. Los sustratos terciarios siempre
reaccionan con ms rapidez en las reacciones E1 debido a que
conducen a carbocationes intermedios muy estabilizados. Para evitar
la necesidad de cidos fuertes y poder deshidratar alcoholes
secundarios de un modo ms suave, se han desarrollado otros
reactivos que son eficaces en condiciones bsicas suaves. Uno de
tales reactivos, el oxicloruro de fsforo (POCl3), a menudo es capaz
de provocar la deshidratacin de alcoholes secundarios y terciarios
a 0C en piridina (una amina bsica) como disolvente.
1-Metilciclohexanol Metilciclohexeno (96%) Mecanismo:
1(97%)
Ciclohexanol
Ciclohexeno
El grupo hidroxilo del alcohol reacciona con POCl3 para formar
un diclorofosfato intermedio. La eliminacin E2 procede por el
mecanismo usual de un paso, la piridina, una amina bsica, sustrae
un protn del carbono vecino al mismo tiempo que el grupo
diclorofoafato est saliendo. CONVERSIN DE ALCOHOLES EN HALOGENUROS
DE ALQUILO. Una segunda reaccin del enlace C-O de los alcoholes es
su conversin en halogenuros de alquilo. Los alcoholes terciarios se
convierten con facilidad en halogenuros de alquilo por tratamiento
con HCl o HBr a 0C. Sin embargo, los alcoholes primarios y
secundarios son mucho ms resistentes a los cidos, y se transforman
mejor en halogenuros por tratamiento ya sea con SOCl2 o con PBr3.
Obtencin de cloruros de alquilo con SOCl2.
Mecanismo:
Obtencin de bromuros de alquilo con PBr3:
Mecanismo:
A continuacin, el HOPBr2 reaccionar con dos o ms molculas del
alcohol por mecanismos anlogos al de la primera etapa. CONVERSIN DE
ALCOHOLES EN TOSILATOS CON CLORURO DE PTOLUENSULFONILO,
(P-TOSCL):
Los alcoholes reaccionan con cloruro de p-toluensulfonilo en
solucin de piridina para formar tosilatos de alquilo, R-OTs. En
esta reaccin slo se rompe el enlace O-H del alcohol; el enlace C-O
queda intacto, y no ocurre cambio en la configuracin si el alcohol
es quiral. El tosilato de alquilo resultante tiene comportamiento
qumico muy similar al de los halogenuros de alquilo, y como estos
sufre reacciones de sustitucin SN1 y SN2 con facilidad.
Ejemplo:
OXIDACIN DE ALCOHOLES: La reaccin ms importante de los alcoholes
es su oxidacin para producir compuestos carbonlicos. Los alcoholes
primarios forman aldehdos o cidos carboxlicos; los alcoholes
secundarios generan cetonas, y los alcoholes terciarios no
reaccionan con la mayora de los agentes oxidantes, excepto en
condiciones ms vigorosas. La oxidacin de los alcoholes primarios y
secundarios puede efectuarse con un gran nmero de reactivos, como
KMnO4, CrO3 y Na2Cr2O7 K2Cr2O7. Los alcoholes primarios se oxidan a
aldehdos o cidos carboxlicos, dependiendo de los reactivos
seleccionados y de las condiciones de reaccin. Probablemente el
mejor mtodo para elaborar aldehdos a partir de alcoholes primarios
es por medio del clorocromato de piridinio (PCC), en diclorometano
como
disolvente. (tambin se puede utiliza el reactivo de Collins, que
es CrO 3 en piridina, el reactivo de Jones: CrO3 en H2SO4,
acetona)) Todas estas oxidaciones ocurren por rutas estrechamente
relacionadas con la reaccin E2. El primer paso implica la reaccin
entre el alcohol y un reactivo de Cromo VI para formar un cromato
intermedio. Una eliminacin bimolecular posterior forma el producto
carbonilo.
Ejemplos:
1-Decanol decanoico (93%)
cido (85%)
4-tercButilciclohexanol tercButilciclohexanona
4(91%)
Citronelol (82%)
Citronelal
4-metilpentanol 4-metilpentanal TIOLES Los tioles, R-SH, son
anlogos azufrados de los alcoholes. Los tioles se nombran por medio
del sistema que se usa para los alcoholes, con el sufijo -tiol en
lugar de -ol. El grupo -SH mismo se conoce como grupo mercapto. La
caracterstica fsica ms notable de los tioles es su olor en extremo
desagradable. Por ejemplo, el olor del zorrillo o mofeta se debe
principalmente a los tioles simples 3-Metil-1butanotiol y
2-Buteno-1-tiol. Al gas natural se le agregan pequeas cantidades de
tioles con bajo peso molecular que sirven como advertencia fcil de
detectar en caso de fugas. Los tioles suelen elaborarse a partir de
los correspondientes halogenuros de alquilo por desplazamiento SN2
con un nuclefilo de azufre, como el anin sulfhidrilo, -SH.
1-Bromooctano 1-Octanotiol Los tioles pueden ser oxidados por
reactivos suaves, como bromo o yodo, para formar disulfuros,
R-SS-R. La reaccin es fcilmente reversible; los disulfuros se
pueden reducir a tioles por tratamiento con cinc y cido.
Sustitucin electroflica aromticaLa sustitucin electroflica
aromtica es la reaccin ms importante de los compuestos aromticos.
Es posible introducir al anillo muchos sustituyentes distintos por
este proceso. Si se elige el reactivo apropiado pueden efectuarse
reacciones de bromacin, cloracin, nitracin, sulfonacin, alquilacin
y acilacin, estas seis son reacciones directas, y a partir de ellas
se pueden introducir otros grupos. En este captulo estudiaremos
estas seis reacciones, ms las que se puedan obtener a partir de
ellas, como as mismo la introduccin de un segundo sustituyente. La
reaccin ms importante de los compuestos aromticos es la sustitucin
electroflica aromtica. Es decir la introduccin de un electrfilo
(E+).
Seleccionando las condiciones y los reactivos apropiados, el
anillo aromtico se puede halogenar, nitrar, sulfonar, acilar y
alquilar. Todas estas reacciones y muchas otras proceden a travs de
un mecanismo similar.
HALOGENACIN DEL BENCENO El benceno es normalmente inerte en
presencia de halgenos, debido a que los halgenos no son lo
suficientemente electrfilos para destruir su aromaticidad. Sin
embargo, los halgenos pueden activarse mediante cidos de Lewis como
los haluros de hierro, FeX3 o de aluminio, AlX3, para dar
electrfilos ms potentes. MECANISMO DE LA BROMACIN: 1) Activacin del
bromo por un cido de Lewis (FeBr3)Br Br FeBr3 Br Br FeBr3 Br Br
FeBr3
2) Ataque electrfilo sobre el benceno por bromo activado+ H Br
Br FeBr3 Br H + FeBr4
3) El FeBr4- formado en la etapa anterior acta ahora como base
abstrayendo el protn del catin hexadienilo.Br H + FeBr4 Br + H r +
B FeBr3
En resumen, la halogenacin del benceno se hace ms exotrmica al
pasar del I2 (endotrmica) a F2 (explosiva). Las cloraciones y
bromaciones se consiguen utilizando cidos de Lewis como
catalizadores que polarizan el enlace X-X y activan el halgeno
aumentando su poder electrfilo. La dificultad termodinmica de la
yodacin puede evitarse aadiendo una sal de plata a la mezcla de
nitracin, que activa y elimina el producto el producto (yoduro) de
la reaccin por precipitacin.H + I2 AgNO3 I + AgI + HNO3
Para la fluoracin del benceno puede emplearse la reaccin de
Schiemann.N2 BF4+ -
F + N2 + BF3
La sal de diazonio para la reaccin de Schiemann a su vez se
prepara a partir de anilina:NH2 NaNO2 HCl N2 Cl+ -
HBF4
N2 BF4
+
-
NITRACIN DEL BENCENO: Los anillos aromticos se pueden nitrar por
reaccin con una mezcla de cido ntrico y cido sulfrico concentrado.
Se piensa que en sta reaccin el electrfilo es el ion nitronio, NO
2+, que se genera a partir del cido ntrico por protonacin y prdida
de agua. MECANISMO DE LA NITRACIN: 1) Activacin del cido ntrico por
el cido sulfrico (formacin del ion nitronio)HO N O O + H OSO3H H2 O
N O O + OSO3 H
(-) H2 O NO2
ion nitronio 2) Ataque electrfilico sobre el ion nitronio+ H NO2
NO2 H
3) Abstraccin del protn por parte de la base conjugada del cido
sulfrico.NO2 H + OSO3H NO2 + H2SO4
La nitracin de anillos aromticos es una reaccin de particular
importancia, debido a que los nitroarenos que se producen pueden
reducirse con reactivos como hierro o cloruro estannoso para formar
aninoarenos (anilina). SULFONACIN DEL BENCENO: El cido sulfrico
concentrado no reacciona con el benceno a temperatura ambiente
excepto por protonacin. Sin embargo, una forma ms reactiva, llamada
cido sulfrico fumante da lugar a un ataque electrfilico por SO3. El
cido sulfrico fumante comercial se prepara por adicin de
aproximadamente un 8% de trixido de azufre (SO3), a cido sulfrico
concentrado. El electrfilo reactivo es HSO3+ o SO3 neutro,
dependiendo de las condiciones de reaccin. MECANISMO DE LA
SULFONACIN:+ H O O S O SO3 H SO3 H
cido bencenosulfnico (95%) La sulfonacin es reversible, tiene
utilidad sinttica, debido a que el sustituyente cido sulfnico puede
utilizarse como grupo protector para dirigir la sustitucin.H2O,
H2SO4 SO3H 100 C
ALQUILACIN DEL BENCENO: REACCIN DE FRIEDEL-CRAFTS En 1877,
Charles Friedel1[1] y James Crafts2[2] descubrieron que los
haloalcanos reaccionan con benceno en presencia de cloruro de
aluminio, para dar el producto de alquilacin. La reaccin de
Friedel-Crafts es una sustitucin electroflica aromtica en la cual
el anillo aromtico ataca a un carbocatin electfilico. El carbocatin
se genera cuando el catalizador AlCl3 ayuda al halogenuro de
alquilo a ionizarse, de forma muy similar a como el FeBr3 cataliza
las bromaciones aromticas polarizando al bromo. MECANISMO DE LA
ALQUILACIN: 1) Activacin del haloalcano
1[1] Charles Friedel (1832-1899); n. Estrasburgo; Francia.
Estudo en la Universidad de Sorbona 2[2] James M. Crafts
(1839-1917); n. Boston; USA, Estudo en Harvard (1898).
R
CH2 X
+
AlCl3
R
CH2 X
AlCl3
2) Ataque electrfilo+ H R CH2 X AlCl3 CH2 R H + AlCl3 X
3) Prdida del protnCH2 R H + AlCl3 X CH2 R + H + X AlCl3
Las alquilaciones de Friedel-Crafts intramoleculares pueden
utilizarse para la construccin de un nuevo anillo fusionado con el
ncleo bencnico.Cl AlCl3 , CS 2 2 C 7 h 5 , 2
Las alquilaciones de Friedel-Crafts pueden llevarse a cabo con
cualquier producto de partida, como un alcohol o un alqueno que
pueda generar carbocationes:+ HF 0 C
Si bien las alquilaciones de Friedel-Crafts son tiles en trminos
generales para la sntesis de alquilbencenos, estn sujetas a ciertas
limitaciones. Una de ellas es que slo se pueden usar halogenuros de
alquilo, la reaccin no funciona con halogenuros de arilo y
halogenuros vinlicos. Una segunda limitacin es que las reacciones
de Friedel-crafts no proceden con anillos aromticos que estn
sustituidos con grupos fuertemente desactivadores. Una tercera
limitacin es que estas reacciones son difcil de detener en el
producto monosustituido, suelen dar el producto disustituido en
para como producto principal. ACILACIN DE FRIEDEL-CRAFTS La reaccin
consiste en la introduccin del grupo acilo -COR, al anillo
aromtico. El mecanismo de la acilacin de Friedel-Crafts es similar
al de la alquilacin. El electrfilo reactivo es un catin de acilo
estabilizado por resonancia, el cual se genera por reaccin entre el
cloruro de acilo y el AlCl3. A diferencia de las alquilaciones, las
acilaciones nunca proceden ms de una vez en un anillo , debido a
que el acilbenceno producido es siempre menos reactivo que el
material de partida no acilado. MECANISMO DE LA ACILACIN:O R C Cl +
AlCl3 O R C Cl AlCl3 R C O R C OCatin aclico
+ AlCl4
+ H
R C O
O C R H
AlCl4
O C
R
+ HCl +
AlCl3
Las reacciones anteriormente comentadas se pueden resumir dela
siguiente forma:H R
X
X R
ELECTRFILO (X ) R+
RCO+
REACTIVO RBr + AlCl3 ROH + H+ Alqueno + H+ RCOCl + AlCl3
REACCIN Alquilacin Friedel-Crafts
Acilacin Friedel-Crafts
NO2+ Cl+ Br+ HOSO2+ ClSO2+
HNO3 + Cl2 + Br2 + H2SO4 ClSO2OH
H2SO4 FeCl3 Fe
Nitracin Cloracin Bromacin Sulfonacin Clorosulfonacin
Muchos compuestos aromticos se preparan por desplazamiento
nucleoflico a partir de sales de diazonio. A su vez las sales de
diazonio se pueden preparar de la siguiente manera:NO2 H2, Pd/C o
bin Sn, HCl NH2 HONO o bin NaNO2/HClSal de Diazonio
N2 Cl
ArNH2
HONO
ArN2
Z
ArZ
Z HO RO CN Cl Br I Ar H F
REACTIVO H2O ROH CuCN CuCl CuBr KI ArH H3PO2 o EtOH/H+ HBF4/
Para la preparacin de otros derivados monosustituidos, distintos
a los ya mencionados se procede a partir de alguno de ellos,
empleando las reacciones qumicas clsicas, como oxidacin, reduccin,
etc. Las cuales se resumen a continuacin en una especie de tabla.Y
R R X
Y REDUCCIN: -NO2 -COR -COR
X
REACTIVO
-NH2 -CH(OH)R -CH2R
H2, Pd/C (o) Sn, HCl, conc. NaBH4 Zn/Hg, HCl, conc. H2, Pd,
Etanol hexamina KMnO4 RCO3H Cl2, PCl5 NBS, CCl4 SbF3 HO-, H2O NH2-
Na+, NH3
OXIDACIN: -CH2Cl -CHO -CH2R -CO2H -CH3 -COR -OCOR SUSTITUCIN:
-CH3 -CCl3 -CH3 -CH2Br -CCl3 -CF3 -CN -CO2H -Br -NH2 Otras
reacciones importante del anillo benceno son: REDUCCIN DE BIRCH:Li,
NH3 (o Na) E tanol
HIDROGENACIN CATALTICA DE ANILLOS AROMTICOS:
H2 / Rh / C Etanol
SUSTITUCIN AROMTICA A TRAVS DE INTERMEDIOS BENCINO:Cl NaNH2, NH3
Lq. -N l aC NH3 NH2
SNTESIS DE BENCENOS DISUSTITUIDOS: Una de las formas ms seguras
de adquirir dominio de la qumica orgnica es resolver problemas de
sntesis. La habilidad para planear una sntesis satisfactoria en
varios pasos de una molcula compleja requiere un conocimiento
prctico de los usos y las limitaciones de varios cientos de
reacciones orgnicas. Es necesario saber no slo que reacciones
emplear, sino tambin cundo utilizarlas. El orden en que se realizan
las reacciones con frecuencia es crtico para el xito del mtodo
total. Ejemplo: Sintetizar el cido p-bromobenzoico a partir de
benceno. Es necesario preguntarse Cul es un precursor inmediato del
cido p-bromobenzoico??Br COOH
El anlisis sinttico hacia atrs (retrosinttico) revela dos rutas
vlidas que van del benceno al cido p-bromobenzoico.Br2 FeBr3 Br
CH3Cl AlCl3 CH3 KMnO4 CO2H
Benceno
CH3 CH3Cl AlCl3 Br2 FeBr3
Br
Br
Un segundo ejemplo de inters es la sntesis del
4-cloro-1-nitro-2-propilbenceno a partir de benceno, en principio
hay tres posibles precursores disustiutidos, pero slo uno de ellos
es el adecuado.p-Cloronitrobenceno m-Cloropropilbenceno
o-Nitropropilbenceno
Cl NO2Este anillo se encuentra desactivado y no experimenta la
alquilacin de Friedel-Crafts.
Cl NO2 HNO3 H2SO4 Cl NO2
Esta molcula no forma el ismero deseado por la reaccin de
cloracin.
La sntesis final es una ruta de cuatro pasos a partir del
benceno:
O CH3CH2CCl AlCl3
O Cl2 FeCl3 Cl
O
H2, Pd/C Etanol Cl NO2 HNO3 H2SO4 Cl
A continuacin se realizara un pequeo estudio, para ver como se
produce la entrada de un segundo grupo (E), dada que esta queda
sujeta a presencia del grupo ya presente en anillo bencnico (G).
Los sustituyentes en el anillo de benceno afectan tanto la
reactividad del anillo hacia posteriores sustituciones como la
orientacin de estas ltimas. Los grupos pueden clasificarse en tres
categoras: activadores orientadores orto-para, desactivadores
orientadores orto-para, y desactivadores orientadores meta.G H E
orto G + E G G H E G G G H E G E
G + E
G H E
G H E
G
H E G
meta G
E
G + E
H E
H E
H E
E para
La entrada y direccin del electrfilo (E) en la sustitucin
electrofilica aromtica en bencenos monosustituidos (G) queda
gobernada por la naturaleza qumica del grupo G, los cuales a su vez
se clasifican en activantes fuertes (orientadores orto-para),
activantes moderados (orientadores orto-para), activantes dbiles
(orientadores orto-para), desactivantes dbiles (orientadores
ortopara), desactivantes fuertes (orientadores meta), a continuacin
se muestran algunos de ellos en orden decreciente, de acuerdo a su
poder activante o desactivante. DIRECCIN orto-para orto-para GRUPO
-NH2 , -NHR , -NR2 -OH , OR -NHCOR -OCOR Alquenos -R (alquilo)
-fenilo -F , -Cl , -Br , -I -CX3 (X = F, Cl, etc.) -COOH, -COOR,
-COR , -COH -SO3H; -NO2; -NR+3 , -CN ACTIVACIN Activantes fuertes
Activantes moderados
orto-para orto-para meta
Activantes dbiles Desactivante dbiles Desactivantes fuertes
La bromacin electrfilica, del metilbenceno (tolueno) da
sustitucin orto y para.
CH3 Br2 / FeBr3 CCl4
CH3 Br +
CH3 + Br
CH3
Br 60%
39%
< 1%
La bromacin no es un caso particular; la nitracin y la
sulfonacin dan los mismos resultados cualitativos, sustitucin
principalmente en las posiciones orto y para , en la molcula del
benceno. Explicacin mecanistica para el caso del bromo:CH3 + Br2
FeBr3 CH3 CH3 H Br CH3 CH3 H Br orto CH3 H Br CH3 Br
H Br
Carbocatin 3, muy estable
CH3 + Br2 FeBr3
CH3
CH3 H Br CH3
CH3
H Br CH3
meta CH3
Br
CH3 + Br2 FeBr3
H Br
H BrCarbocatin 3, muy estable
H Br
Br para
Slo el ataque en las posiciones orto y para da lugar a un catin
hexadienilo en el que una estructura resonante tenga la carga
positiva adyacente al sustituyente alquilo, dejando un carbocatin
terciario, en cambio en meta ninguna de las formas resonantes deja
un carbocatin terciario, por tal motivo predominan los productos
orto y para dado que el intermedio es ms estable, a su vez el
mayoritario es el para por efectos estricos. Los sustituyentes
desactivantes por efecto inductivo orientan en meta, como por
ejemplo la nitracin del trifluorometilbenceno, en donde el nico
producto es el meta.CF3 + HNO3 H2SO4 CF3 Unico producto NO2
explicacin mecanistica:
CF3 HNO3 H2SO4 CF3 HNO3 H2 SO4 CF3 HNO3 H2 SO4
CF3
H NO2
CF3 H NO2
CF3
CH3 H NO2 orto CH3 H NO2 NO2
Carbocatin 3, muy inestable
CF3
CF3 H NO2 CF3
CF3
H NO2 CF3
meta CH3
NO2
CF3
H NO2
Carbocatin 3, muy inestable
H NO2
H NO2
NO2 para
Ahora el ataque en orto y para estn ms desfavorecidos, dado que
hay intermedios inestables, el ataque se produce en meta, de esta
manera se evita la formacin de intermedios inestables. Los halgenos
retiran densidad electrnica por efecto inductivo mientras que son
donadores por resonancia, globalmente el efecto inductivo prevalece
y los haloarenos estn desactivados, sin embargo la sustitucin
electrfila tiene lugar principalmente en las posiciones orto y
para. REGLAS PARA PREDECIR LA ORIENTACIN EN LOS BENCENOS
DISUSTITUIDOS 1.Si todos los sustituyentes se refuerzan entre si,
la entrada del tercer grupo no genera ningn tipo de problemas.CH3
CH3
CH3 NO2
Ejemplos:CH3 Br2 CH3 FeBr3 Br CH3 CH3
CH3 CH3COCl AlCl3 NO2
CH3 O CH3
NO2
2.-Si un orientador orto-para y uno meta no se estn reforzando,
el orientador orto-para controla la orientacin del tercer grupo.
(El grupo entrante se dirige principalmente orto hacia el
orientador meta.)Cl CH3
NO2 Principal
NO2 Principal
Ejemplos:Cl Cl2 / FeCl3 NO2 NO2 Cl ClCH3 SO3/H2 SO4 NO2 NO2 SO3H
CH3
3.Un grupo fuertemente activador, que compite con un grupo
dbilmente activador,controla la orientacin.
OCH3 (o,p -moderado)
OH (o,p -fuerte) CH3 (o,p -dbil)
CH3 (o,p -dbil)
Principal
Ejemplos:OCH3 HNO3 / H2 SO4 CH3 OCH3 NO2
OH CH3 Br2 FeBr3
OH CH3
CH3
Br
4.- Cuando compiten dos grupos dbilmente activadores o
desactivadores o dos grupos fuertemente activadores o
desactivadores, se obtienen cantidades considerables de ambos
ismeros, hay muy poca preferencia.Cl (o,p-dbil) + CH3 (o,p-dbil)
CH3 (o,p-dbil) Cl (o,p-dbil)
Ejemplo:Cl Br2 FeBr3 CH3 CH3 Cl Br + Br CH3 Cl
5.En la posicin de impedimento estrico, entre los sustituyentes
meta hay muy poca sustitucin.(Poca sustitucin) CH3
CH3
Otras reacciones de inters:Cl2, Calor Ar CH3 Ar CHCl2
CH(OOCCH3)2+
H2 O / H
CrO3, Ar (CH3CO)2O Mg
Ar
CHO
Aldehdo
Ar X
ter H3 O
Ar Mg X
CO2
Ar COOMgX
H
Ar
COOH
cido carboxilico Ar CN Ar COOH
CUIDADO CON LOS FENOLES? Son activantes fuertes, si se emplean
directamente provocan la polisustitucin, si se desea obtener un
compuesto disustituido a partir de ellos se debe proteger el grupo
alcohol como acetato, de esa manera conserva su poder orientador
pero disminuye su poder activador.OH Br2 FeBr3 Br Br OH Br
Para obtener el para-bromobenceno a partir de fenol se debe
proceder de la siguiente manera:OH Ac2O / Py OAc Br2 FeBr3 Br NaOH
/ H2O OH + Br Mayoritario OH Br OAc + OAc Br
El mismo cuidado hay que tener con el Anilina, dado que el grupo
amino es un activante fuerte, problema que puede evitarse
protegindolo como amida.NH2 Br2 FeBr3 Br Br NH2 Br
NH2 Ac2O / Py
NHCOCH3 Br2 FeBr3
NHCOCH3 + Br
NHCOCH3 Br
NaOH / H2O NH2 + Br Mayoritario NH2 Br
Qumica de los bencenos sustituidos (fenoles y arilaminas)Los
fenoles son la contraparte aromtica de los alcoholes, pero son
mucho ms cidos, puesto que los aniones fenxido pueden estabilizarse
por deslocalizacin de la carga negativa en el anillo aromtico. La
sustitucin de este anillo con grupos electroatrayentes eleva la
acidez del fenol, mientras que la sustitucin con grupos
electrodonadores la reduce. En general los fenoles se elaboran por
uno de los dos mtodos: (1) fusin alcalina de sulfonatos aromticos o
(2) hidrlisis de una sal de arenodiazonio. Otro de los bencenos
sustituidos importantes son las arilaminas (Anilinas). Las
arilaminas sustituidas casi siempre se producen por nitracin del
anillo aromtico apropiado y posterior reduccin. La reaccin ms
importante de las arilaminas es su conversin, por medio de cido
nitroso, en sales de arenodiazonio, ArN2+X-. (Estudiadas en el
captulo anterior). El presente captulo es complementario al que le
precede, y est enfocado principalmente a las reacciones en los
sustituyentes de anillo benceno, muchas de estas reacciones ocurren
por reacciones ya conocidas por el estudiante de qumica orgnica
(Sustitucin nucleoflica, Reacciones radicalarias, Oxidaciones,
Reducciones, etc.). Por lo que las nuevas reacciones
1.
sern presentadas en forma de tabla, incluyendo un ejemplo, y
dndole un enfoque ms bien prctico. RESUMEN DE LAS NUEVAS REACCIONES
Halogenacin radicalaria
EJEMPLOS: Bromacin del tolueno:
Un exceso de halgeno puede conducir a sustituciones mltiples,
tal como se ilustra para la cloracin del tolueno:
2.
SOLVOLISIS
EJEMPLO: Etanlisis del 4-metilbencenosulfonato de fenilmetilo,
preparado por la tosilacin del fenol.
3.
4-metilbencenosulfonato de fenilmetilo REACCIONES DE SN2 DE LOS
HALOMETILBENCENOS
Bencil, etil, ter
EJEMPLO: Preparacin del feniletanonitrilo a partir del
bromometilbenceno
4.
OZONOLISIS DEL BENCENO
EJEMPLO: Ozonolisis del orto-dimetilbenceno
5.
REDUCCIN DE BIRCH
Regioselectividad observada para la reduccin de Birch:
EJEMPLOS:
ARILAMINAS (ANILINA) A) REACCIONES DE FORMACIN 15. REDUCCIN DE
NITROBENCENOS
EJEMPLOS:
B) REACCIONES DE ARILAMINAS 17. FORMACIN DE SALES DE
ARENODIAZONIO
18.
REACCIONES TIPO SANDMEYER
19.
ACOPLAMIENTO DE SALES DE DIAZONIO
20.
OXIDACIN A QUINONAS
EJEMPLOS: