TEORÍA DE ENLACE La unión entre dos átomos en una molécula es lo que denominamos comúnmente enlace. En este capítulo abordaremos en forma sencilla el porqué existen los enlaces. Las primeras explicaciones de la naturaleza de los enlaces químicos fueron dadas por W. Kössel y G.N. Lewis en 1916. Ellos propusieron que existían dos tipos principales de enlaces químicos: 1.- El Enlace Iónico o Electrovalente (formado por la transferencia de uno o más electrones de un átomo a otro). 2.- El Enlace Covalente (un enlace que se forma cuando los átomos comparten electrones). Los conceptos y explicaciones que se derivan de las proposiciones originales de Lewis y Kössel son satisfactorios para explicar muchos de los problemas con que nos enfrentamos en la química orgánica actual. ¿ Por qué existen los enlaces ? Dos átomos forman un enlace sólo si su interacción es "favorable". Es decir si desprenden o liberan energía [calor] , (Por el contrario, la ruptura de enlace requiere energía [calor]). ¿Cuáles son las causas de dicho desprendimiento de energía? Son dos y se basan en algunas leyes fundamentales de la Física: (1) Las cargas opuestas se atraen (2) Los electrones están distribuidos en el espacio ENLACES IÓNICOS O ELECTROVALENTES Un enlace iónico se forma cuando dos átomos de electronegatividad muy distinta se unen entre sí. La pérdida de un electrón del átomo menos electronegativo da lugar a la formación de un catión; y la ganancia de un electrón por el átomo más electronegativo da lugar a la formación de un anión.¿Por qué se forman estos iones? Según la teoría de Lewis-Kössel ambos iones adquieren la estructura electrónica de un gas noble. Más aún, a partir de los iones individuales se forma una molécula cristalina y, en su estado cristalino, los iones tienen energías mucho menores que los de los átomos a partir de los cuales se forman. Así, se estabilizan al reaccionar, formando una molécula cristalina.
Ejemplo:
Li = 1s22s1
F = 1s22s22px22py22pz1
Adquieren configuración tipo gas noble Helio y Neón. Las sustancias iónicas, por sus grandes fuerzas electroestáticas internas, tienden a ser sólidas con un punto de fusión muy alto, a menudo superior a 1000 ºC. En disolventes polares, como el agua, por lo general los iones solvatados conducen la corriente eléctrica. ENLACE COVALENTE Cuando reaccionan dos o más átomos de electronegatividad igual o parecida no se lleva a cabo una transferencia completa de electrones. En estos casos los átomos adquieren la estructura del gas noble compartiendo electrones y se forman enlaces covalentes. Las moléculas covalentes pueden representarse mediante fórmulas en que los electrones son puntos, pero es más conveniente utilizar fórmulas con guiones en donde cada guión representa un par de electrones que enlaza a los átomos. Ejemplo:
Los iones mismos pueden contener enlaces covalentes:
Cuando dos átomos de diferente electronegatividad forman un enlace covalente los electrones no se comparten equitativamente entre ellos. El átomo de mayor electronegatividad atrae el par de electrones, acercándolo más a él, y se forma un ENLACE COVALENTE POLAR. Un ejemplo de un enlace de este tipo es el que se forma en el cloruro de hidrógeno. El átomo de cloro, que es más electronegativo, atrae los electrones enlazantes hacia él. Esto hace que el átomo de hidrógeno tenga una dificiencia de electrones y adquiera una carga positiva parcial ((+)). El átomo de cloro se hace rico en electrones y aparece en él una carga negativa parcial ((-)).
En términos generales hablamos de enlace polarizado.
Menos Electronegativo : Más Electronegativo
= qd
Una molécula A:B de este tipo es un dipolo, caracterizado por una carga positiva q en un extremo que se compensa con una negativa q en el otro, separadas por una distancia d. El producto de dichas cantidades, la carga q por la distancia d, es el MOMENTO DIPOLAR, .
RESUMEN DE LAS PRICIPALES FUNCIONES ORGÁNICAS Función
Grupo
Ejemplo
Terminación
Alcanos
-C-C-
CH3-CH3 propano
-ano
....il
Alquenos
-C=C-
CH2=CH2 propeno
-eno
....enil
Alquinos
-CC-
CHCH propino
-ino
....inil
Hidrocarburos aromáticos
nombre no sistemático benceno
Derivados halogenados
R-X
CH3CH2CH2Cl 1-cloropropano
R-OH
Fenoles
-OH
CH3CH2-OH etanol
fenol
nombre no sistemático acabados en ...il
haluro de ...ilo
fluoroclorobromoiodo-
....ol
hidroxi-
(cloruro de propilo)
Alcoholes
Sustituyente
nombre no sistemático acabados en -ol
-
Éteres
R-O-R
CH3-O-CH3 dimetileter
éter
....iloxi- (alcoxi)
Aldehídos
R-CHO
CH3CH2CHO propanal
-al
formil (-CHO)
Cetonas
R-CO-R
CH3COCH3 propanona
-ona
....oxo
Ácidos carboxílicos
R-COOH
CH3CH2COOH
-oico
carboxi-
Ésteres
R-COOR
ácido propanoico
CH3COOCH3 etanoato de metilo
-ato de ....ilo
......iloxicarbonil (-COOR) ....oiloxi (-OCOR)
Anhídridos
R-CO-O-CO-R
(CH3CO)2O
anh......oico
-
anhídrido etanoico
Haluros de ácido
R-COX
CH3COCl cloruro de etanoilo
haluro de ...oílo
haloformil (-COX)
Aminas
R-NR2
CH3CH2NH2 etanoamina
-amina
amino-
Nitrilos o cianuros
R-CN
CH3CH2CN propanonitrilo ó cianuro de etilo
-nitrilo
ciano-
R-CO-NR2
CH3CONH2 etanoamida
-amida
amido
Amidas
DERIVADOS HALOGENADOS: Se incluye en este apartado todos aquellos hidrocarburos que contienen en su molécula un átomo de halógeno. El método que se utiliza con mayor frecuencia para nombrarlos consiste en citar el nombre del halógeno (fluoro, cloro, bromo, yodo) precediendo al de la molécula carbonada, he indicando el número localizador. También es aceptable citar el compuesto como un “haluro de alquilo” (Nomenclatura Función-Radical). Así: CH3-CH2-CH2-Cl
1-cloropropano
CH3-CHCl-CHCl-CH3
2,3-diclorobutano
(CH3)3C-Cl
2-cloro-2-metilpropano
cloruro de propilo
-
cloruro de terc-butilo
o-diclorobenceno CH2Br-CH2Br
1,2-dibromoetano
CH3-CH=CH-CHCl-CH3
4-cloro-2-penteno
ALCOHOLES, FENOLES y ÉTERES:
dibromuro de etileno
Son compuestos de carbono, hidrógeno y oxígeno en los que el oxígeno está unido por enlaces sencillos a la cadena carbonada. Un alcohol puede relacionarse con una molécula de agua en la que en lugar de un H hay un radical alquilo, alquenilo o alquinilo (R); si en lugar de un H hay un radical fenilo (en general, un radical arilo), se trata de un fenol; si en lugar de los dos H hay dos radicales, tendremos un éter: H-O-H R-O-H Ar-O-H
Agua Alcohol Fenol
R-O-R’ R-O-Ar Ar-O-Ar’
éter
ALCOHOLES: Para nombrar los alcoholes tenemos dos alternativas principales. En la primera, llamada Nomenclatura sustitutiva, se considera que se ha sustituido un H de un hidrocarburo por un OH. Al alcohol se le nombra entonces añadiendo la terminación -ol al hidrocarburo de referencia. CH3-CH2-CH3
propano ;
CH3-CH2-CH2-OH propanol
El segundo sistema de nomenclatura, igualmente válido, consiste en citar primero la función y luego el radical como si fuera un adjetivo. CH3-CH2-CH2- radical propilo ;
CH3-CH2-CH2-OH
alcohol propílico
Ejemplos: CH3OH
metanol
alcohol metílico
CH3-CH2OH
etanol
alcohol etílico
CH3CH2-CH3
1-propanol
alcohol propílico
CH3CHOH-CH3
2-propanol
alcohol isopropílico
CH3-CH2-CH2-CH2-OH
1-butanol
alcohol butílico
CH3CH2CH(OH)CH3
2-butanol
alcohol sec-butílico
Hay casos en que, por la complicación del compuesto, el primer sistema de nomenclatura resulta más idóneo, por lo que es el único empleado. Veamos los siguientes ejemplos: CH3-CH2-CH=CH-CH2CH2-OH
3-hexen-1-ol
CH3-CH=CH-CH2-CH(OH)-CH3
4-hexen-2-ol
3-hexen-5-in-1-ol
4-metil-2,4-hexadien-1-ol
4-metilciclohexanol 3-ciclopenten-1-ol 1,3-propanodiol 1,2-propanodiol
Habrá observado que la función alcohol tiene “preferencia” frente a las insaturaciones y radicales: al numerar la cadena se asigna al carbono unido al -OH el número más bajo posible; por otro lado, el sufijo -ol, por corresponder al grupo principal, es el último en citarse. Cuando en un compuesto hay varios tipos de funciones, se plantea el problema de elegir cuál es la principal. La IUPAC, lo ha solucionado estableciendo una lista de las diversas funciones, ordenadas según un criterio convencional de preferencia (ver TABLA 4.2 de las preferencias). Comentemos algunos ejemplos: CH3-CH2-CH2-CHOH-CH2-COOH ; ácido 3-hidroxihexanoico CH3-CH2CHOH-CHO ; 2-hidroxibutanal En resumen: Cuando el grupo -OH actúa como función principal sufijo -ol Cuando el grupo -OH interviene como sustituyente prefijo hidroxi FENOLES:
Para nombrar los fenoles se utiliza generalmente, como en los alcoholes, la terminación -ol. En la mayoría de los casos esta terminación se añade al nombre del hidrocarburo aromático:
fenol
resorcinol
hidroquinona
2-naftol
p-cresol
ÉTERES: Hay dos sistemas fundamentales para nombrar los éteres. Ambos se especifican a continuación: Nomenclatura Sustitutiva
Nomenclatura Radicofuncional
Ejemplo
metoxietano
etil metil éter
CH3-O-CH2CH3
etoxietileno
etil vinil éter
CH2=CH-O-CH2CH3
metoxibenceno
fenil metil éter
C6H5-O-CH3
Los éteres cíclicos se nombran como oxaciclo............, ejemplos:
oxaciclopropano
oxaciclobutano
oxaciclopentano
oxaciclohexano
ALDEHÍDOS y CETONAS: Aldehído y cetonas se caracterizan por tener un doble enlace carbono-oxígeno (grupo carbonilo) en su estructura. La diferencia entre aldehído y cetonas reside en que en los primeros ese grupo carbonilo se encuentra en el extremo de la cadena carbonada: Fórmula general de los aldehídos
R-CHO
Fórmula general de las cetonas
R-CO-R’
ALDEHÍDOS: Para nombrarlos se emplea la terminación -al. en los ejemplos siguientes se indica, junto al nombre sistemático, el nombre trivial aceptado en algunos aldehídos.
metanal
formaldehído
etanal
acetaldehído
propanal
propionaldehído
butanal
butiraldehído
propenal
acrilaldehído (acroleína)
3-fenilpropenal
cinamaldehído
2,3-dihidroxipropanal
gliceraldehído
4-pentanal
2-metil-3,5-hexadienal 3-octen-6-inal Obsérvese que en todos los ejemplos anteriores se empieza a numerar por el extremo en que se encuentra el carbonilo ya que el grupo -CHO tiene preferencia sobre radicales dobles y triples enlaces, y grupos -OH. Sólo cuando en los dos extremos de la cadena hay grupos aldehído se tienen en cuenta los otros grupos para decidir por dónde se empieza a numerar. Cuando en un compuesto hay otras funciones que tienen prioridad sobre la función aldehído para ser citadas como grupo principal se utiliza el prefijo formil- para designar al grupo -CHO, al que se le considera entonces como un sustituyente. Por ejemplo:
ácido 3-formilpentanodioico
El prefijo formil- también se emplea cuando hay tres o más funciones aldehído sobre el mismo compuesto. En esos casos se puede asimismo utilizar otro sistema de nomenclatura que consiste en dar el nombre de carbaldehído a los grupos -CHO (los carbonos de esos -CHO no se numeran; se consideran que no forman parte de la cadena
principal). Este último sistema es el idóneo para compuestos con -CHO unidos directamente a ciclos. Veamos unos cuantos ejemplos:
3-formilpentanodial o 1,2,3-propanotricarbaldehído 3,6-diformiloctanodial ciclopentanocarbaldehído
2,3-naftalenodicarbaldehído
benzaldehído (bencenocarbaldehído)
CETONAS: Para nombrar las cetonas, o compuestos carbonílicos no terminales, puede utilizarse la nomenclatura sustitutiva o la radicofuncional, tal como veremos en los siguientes ejemplos: Ejemplo
Nom. sustitutiva
Nom. radicofuncional
propanona
dimetil cetona (acetona)
butanona
etil metil cetona
2-pentanona
metil propil cetona
3-pentanona
dietil cetona
3-buten-2-ona
metil vinil cetona
5-heptin-3-ona
2-butinil etil cetona
ciclohexanona
2-ciclopentenona
ciclohexil ciclopentil cetona
difenil cetona
2,4-pentanodiona
1,3-ciclohexanodiona
Se observa claramente en los ejemplos que la numeración la manda el grupo carbonilo sobre radicales, dobles y triples enlaces, como así mismo sobre el grupo -OH, en cambio frente a los aldehídos no tienen prioridad, se han de considerar como sustituyentes, en tal caso se utiliza prefijo oxo-. ÁCIDOS CARBOXÍLICOS Y DERIVADOS: Los grupos funcionales que trataremos en este apartado son los ácidos carboxílicos, los ésteres, los anhídridos de ácido y los haluros de ácido. ácidos carboxílicos: ésteres: anhídridos: haluros de ácido:
RCOOH o RCOOR’ o RCO-O-COR o RCOX
RCO2H RCO2R’ (RCO)2O
ÁCIDOS CARBOXÍLICOS: Los ácidos carboxílicos se nombran con la terminación -oico que se une al nombre del hidrocarburo de referencia. Así:
CH3-CH2-CH3 propano
CH3-CH2-COOH ácido propanoico
También puede utilizarse otro sistema, aunque su aplicación se limita preferentemente a poliácidos y ciclos, que consiste en suponer desglosada la molécula en un grupo -COOH (grupo carboxilo) y un resto carbonado. Así: CH3-CH3
etano
CH3-CH2-COOH ácido etanocarboxílico
Otros ejemplos de ácidos carboxílicos: Ejemplo
Nombre sistemático
Nombre trivial
H-COOH
ác. metanoico
ác. fórmico
CH3-COOH
ác. etanoico
ác. acético
CH3-CH2-COOH
ác. propanoico
ác. propiónico
CH2=CH-COOH
ác. propenoico
ác. acrílico
CHC-COOH
ác. propinoico
ác. propiólico
CH3-CH=CH-COOH
ác. 2-butenoico
ác. crotónico
CH3-CH=CH-CH2-CH2-COOH
ác. 4-hexenoico
CH3-CC-CH2-CH2-COOH
ác. 4-hexinoico
Veamos a continuación unos cuantos ejemplos de compuestos con dos grupos COOH: Ejemplo HOOC-COOH
nombre sistemático ác. etanodioico
nombre trivial aceptado ác. oxálico
HOOC-CH2-COOH
ác. propanodioico
ác. malónico
HOOC-(CH2)2-COOH
ác. butanodioico
ác. succínico
HOOC-(CH2)3-COOH
ác. pentanodioico
ác. glutárico
ác.cis-2-butenodioico o cis-etenodicarboxílico ác. trans-2-butenodioico o trans-etenodicarboxílico
ác. maleico
ác. fumárico
ác. o-bencenodicarboxílico
ác- ftálico
Veamos un ejemplo de una molécula que contiene tres o más grupos COOH, existen dos formas de nombrarla:
ác. 3-carboxi-2-metilhexanodioico
ác. 1,3,4-pentanotricarboxílico
SALES: Los aniones de los ácidos carboxílicos se nombran reemplazando la terminación ico del ácido por la terminación -ato. Ejemplos: ácido CH3-COOH (AcOH) ác. acético
anión CH3-COO (AcO-) ión acetato
sal CH3-COONa (AcONa) acetato de sodio
(CH3)3CH-CH2-COOH ác. 3-metilbutanoico
(CH3)3CH-CH2-COOión 3-metilbutanoico
(CH3)3CH-CH2-COONa 3-metilbutanoato de potasio
ác. 1,3-ciclohexanodicarboxílico
ión 1,3-ciclohexanodicarboxilato
1,3-ciclohexanodicarboxilato de diamonilo
-
También se puede emplear, preferentemente en los casos complejos, el giro “sal de sodio, o de calcio, etc...del ácido tal”. ÉSTERES: Los ésteres se nombran de forma análoga a las sales ya que hay cierta semejanza entre ellos: en la sal, un átomo metálica reemplaza al H del ácido; en el éster, es una cadena carbonada la que reemplaza al H. La diferencia entre una sal y un éster reside en que el enlace -ONa es predominantemente iónico, y el enlace -O-CH3 es predominantemente covalente.
ácido carboxílico
sal de ácido carboxílico
éster
Ejemplos de ésteres: HCOOCH3
metanoato de metilo o formiato de metilo
CH3-COO-CH2CH3
etanoato de etilo o acetato de etilo
3-cloropentanoato de de fenilo
3-butenoato de isopropilo
propanoato de fenilo
Hay casos más complicados. Por ejemplo, aquellos compuestos en los que el grupo éster no es el prioritario, o cuando hay más de dos grupos éster (si hay solo dos grupos éster y están sobre la cadena principal no hay ningún problema: se nombra el compuesto como si se tratara de una sal de un ácido dibásico). Para citar al grupo éster en los casos complejos caben dos opciones, según que la función principal esté sobre la porción R ó R’ de la molécula de R-COO-R’. Si “manda” R, el sustituyente -COO-R’ se nombra como alcoxicarbonil- o ariloxicarbonil- . Si “manda” R’, el sustituyente R-COO- se nombra como aciloxi- . Ejemplos: El grupo principal, de acuerdo con la Tabla de prioridades, es el COOH. Se trata, pues, de un ácido el 4-fenilbutanoico, que tiene un sustituyente -COO-CH2CH3 sobre el fenilo. Dicho sustituyente se nombra como etoxicarbonil (CO = carbonil; OCH2CH3 = etoxi). Por lo que el nombre correcto será: ácido 4-(2-etoxicarbonil)fenil)butanoico
Nos queda por ver un caso particular de esteres, las lactonas; las cuales son ésteres internos. Se pueden obtener a partir de ciertos hidroxiácidos por pérdida de agua:
-metil--lactona
-lactona ANHÍDRIDOS DE ÁCIDO: Anhídrido de ácido equivale a decir “ácido sin agua”. Los anhídridos, en efecto, provienen de los ácidos por pérdida de una molécula de agua entre 2 grupos carboxilo. En general, se nombran igual que los ácidos de procedencia:
2 moléculas de ác. acético
2 moléculas de ác. propanoico
anhídrido mixto HALUROS DE ÁCIDO:
anhídrido etanoico (anhídrido acético)
anhídrido propanoico
anhídrido etanoico propanoico
En los haluros de ácido un halógeno está reemplazando al -OH de ácido carboxilico. El nombre genérico de estos compuestos es haluro de acilo. Ejemplos:
Cloruro de etanoilo (cloruro de acilo) Fluoruro de butanoilo
Bromuro de benzoilo
Yoduro de ciclohexanocarboxioilo
COMPUESTOS NITROGENADOS:
En este apartado sólo veremos detalles de algunos de los compuestos nitrogenados más usuales, tales como aminas, nitrilos, nitroderivados y amidas. AMINAS Y SALES DE AMONIO: Las aminas y sus correspondientes sales derivan del amoniaco:
amoniaco
cloruro de amonio
metilamina
cloruro de metilamonio
dimetilamina
clroruro de dimetilamonio
trimetilamina
cloruro de trimetilamonio
Aminas primarias
Aminas secundarias
Aminas terciarias
difenilamina
trifenilamina
fenilamina o anilina
propilamina (propanoamina)
N-metilpropilamina (N-metilpropanoamina)
N-etil-N-metilpropilamina (N-etil-N-metilpropanoamina)
1,3-propanodiamina
N,N’-dimetilpropanodiamina
N,N-dietil-N’,N’-dimetil-1,3propanodiamina
En los casos en que hay varios grupos amina, la forma de nombrar el compuesto depende de si los átomos de nitrógeno forman parte o no de la cadena principal. Si el nitrógeno no forma parte de la cadena principal se citan médiente prefijos tales como amino-, metilamino-, aminometil-, etc.
1,3,5-pentanotriamina
3-aminometil-4-metilamino-1,7-heptanodiamina Los mismos criterios de nomenclatura que acabamos de ver se utilizan cuando en el compuesto hay otro grupo que tiene preferencia sobre el grupo amina. Por ejemplo:
ácido 2-aminopropanoico ácido 2-amino-3-metilbutanoico ácido o-aminobenzoico
NITRILOS O CIANUROS:
Son compuestos orgánicos análogos al H-CN (cianuro de hidrógeno o ácido cianhídrico) se les da el nombre genérico de nitrilos o cianuros. Hay varios sistemas de nomenclatura para esos compuestos, los más comunes son: A) Añadir el sufijo -nitrilo al
nombre del hidrocarburo de igual número de carbonos; B) Considerarlo como un dericado del HCN (cianuro de ......). Por ejemplo: etanonitrilo
cianuro de metilo
propanonitrilo
cianuro de etilo
4-metilpentanonitrilo
cianuro de isopentilo
benzonitrilo
cianuro de fenilo
Otro sistema de nomenclatura, idónea para casos como los que se indican a continuación, consiste en emplear el sufijo -carbonitrilo para designar el grupo -CN.
ciclohexanocarbonitrilo (cianuro de ciclohexilo)
1,1,2,4-butanotetracarbonitrilo
Cuando hay otras funciones que tienen prioridad sobre el grupo -CN se cita éste mediante el prefijo ciano-. NITRODERIVADOS: Los compuestos que contienen u grupo -NO2 se designan mediante el prefijo nitro(nunca se considera a dicha función como grupo principal; en otras palabras, siempre se le nombra como derivado). Ejemplos de nitroderivados: nitrometano nitropropano nitrobenceno
1,3-dinitrobenceno
AMIDAS: Las amidas son una clase de compuestos que podemos considerar que proceden de sustituir el -OH de un ácido por un -NH2 (o NR2, en general):
Se nombran añadiendo el sufijo -amida al nombre del hidrocarburo de igual número de átomos de carbono. Por ejemplo:
etanoamida (acetoamida) butanoamida benzamida
N-metiletanoamida (N-metilacetoamida) N,N-dimetiletanoamida (N,N-dimetilacetoamida) A veces debe utilizarse la expresión -carboxamida para indicar un grupo -CONH2. Esto sucede en los compuestos cíclicos principalmente.
ciclopentanocarboamida
N,3-dimetilciclohexanocarboamida
Finalmente, si en un compuesto hay otro grupo funcional que tiene prioridad sobre la función amida, el grupo -CONH2 se le designa mediante el prefijo carbamoil-; mientras que un grupo como el -NHCOCH3 recibe el nombre de acetamido-. COMPUESTOS ORGÁNICOS CON AZUFRE:
El azufre se encuentra en el mismo grupo de la Tabla Periódica que el oxígeno. Por ello no es de extrañar que existan compuestos orgánicos con azufre análogos a los alcoholes, aldehídos, cetonas, ácidos carboxílicos, etc. Para nombrar tales compuestos orgánicos se utiliza el vocablo tio (en griego, azufre), prefijo que también se utiliza en Q. inorgánica, y cuyo significado práctico viene a ser: “hay un azufre en lugar de un oxígeno”. Ejemplo (como grupo principal)
R-SH
Tioles
Ejemplo (como radical)
CH3-CH2-SH etanotiol
HS-CH2CH2-COOH CH3S-CH2CH2OH 2-(metiltio)etanol
ác. 3-mercaptopropanoico
Sulfuros
R1-S-R2
CH3-S-CH3 sulfuro de dimetilo
Sales de sulfonio
(R)3S+X-
(CH3)3S+Clcloruro de trimetilsulfonio
Tioaldehídos
R-CHS
CH3CH2CHS propanotial
SHS-CH2COOCH2CH3 tioformilacetato de etilo
Tiocetonas
R-CS-R
CH3-CS-CH2CH3 butanotiona
CH3-CS-CH2-COOCH3 3-tioxobutanoato de metilo
TABLA 4.2: PRINCIPAL 1. 2. 3.
ORDEN DE PREFERENCIA PARA LA ELECCION DEL GRUPO
Cationes Acidos, en el siguiente orden: R-COOH; R-COOOH, tioácidos. Derivados de ácidos, en el siguiente orden: Anhídridos, Esteres, Haluro de ácidos, Amidas. 4. Nitrilos, luego isocianuros. 5. Aldehídos, luego tioaldehídos. 6. Cetonas, luego tiocetonas. 7. Alcoholes, en el siguiente orden: fenoles, tioalcoholes, tiofenoles. 8. Hidroperóxidos. 9. Aminas. 10. Eteres, luego tioéters (sulfuros). 11. Peróxidos. 12. Alqueno 13. Alquinos 14. Alcanos
15. 16.
halógenos nitrocompuestos
QUIRALIDAD Y ENANTIÓMEROS: Los dos objetos representados en la figura 6.1 parecen idénticos a todos los efectos. A cada arista, cara o ángulo en uno de ellos, le corresponde su arista, cara o ángulo en el otro. Con todo, los dos objetos no son superponibles entre sí y, por tanto, son objetos diferentes; se relacionan entre sí como un objeto cualquiera se relaciona con su imagen en un espejo.
Figura 6.1
Otro par de objetos familiares que se relacionan de esta forma son la mano izquierda y la mano derecha. En una primera aproximación, parecen idénticas bajo casi todos los puntos de vista; no obstante, la mano derecha se ajusta perfectamente a un guante para la mano derecha pero no a un guante para la mano izquierda, por ende las manos no son idénticas. La propiedad general que define esa relación se denomina Quiralidad. Cualquier objeto que no es superponible con su imagen especular es quiral. Por otra parte, si un objeto y su imagen especular pueden hacerse coincidir en el espacio, se dice que son aquirales. CAUSA
DEL
CARÁCTER
DERECHO
O
IZQUIERDO
DE
LAS
MOLÉCULAS:
QUIRALIDAD. Se dice que las moléculas que no son idénticas a sus imágenes especulares, y por tanto existen en dos formas enantioméricas, son quirales (griego Kheir, mano). No es posible superponer una molécula quiral y su imagen especular (su enantiómero) de modo que todos los átomos coincidan. ¿Cómo puede predecirse si cierta molécula es quiral o no? Una molécula no puede ser quiral si tiene un plano de simetría. Un plano se simetría es un plano imaginario que corta un objeto en dos mitades que son imágenes especulares exactas una de la otra. Una molécula que tiene un plano de simetría en cualquiera de sus posibles conformaciones debe ser superponible con su imagen especular, y por tanto debe ser no quiral o aquiral.
La causa más común de quiralidad en moléculas orgánicas es la presencia de un átomo de carbono unido a cuatro grupos distintos. Tales carbonos se denominan centros quirales o centros estereogénicos o centros asimétricos. Las diferencias no necesariamente se observan en el átomo inmediatamente contiguo al centro estereogénico. Por ejemplo, el 5-bromodecano es una molécula quiral porque cuatro grupos distintos están unidos a C5: Sustituyentes en el carbono 5 -H -Br -CH2CH2CH2CH3 (butilo) -CH2CH2CH2CH2CH3 (pentilo) PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS ENANTIÓMEROS: ACTIVIDAD ÓPTICA. La mayoría de las propiedades físicas de los 2-yodobutanos enantioméricos son idénticas. Tienen idénticos punto de fusión, puntos de ebullición, solubilidades en disolventes corrientes, densidades, índice de refracción y espectros. Sin embargo, difieren en un importante aspecto: en la forma en que interaccionan con la luz polarizada. La luz puede ser tratada como un movimiento ondulatorio de campos eléctricos y magnéticos oscilantes que forman ángulos rectos entre sí. Cuando un electrón interacciona con la luz, oscila a la frecuencia de la luz en la dirección del campo eléctrico y en fase con él. En la luz normal, los vectores de campo eléctrico de todas las ondas luminosas se orientan en todos los planos posibles. La luz polarizada plana es aquella en que los vectores de campo eléctrico de todas las ondas luminosas vibran en el mismo plano, el plano de polarización.
La luz polarizada plana puede ser producida al pasar luz normal a través de un polarizador, como una lente polaroid o un dispositivo conocido como prisma de Nicol.
Jean Baptiste Biot[1] , realizó la notable observación de que cuando un haz de luz polarizada atraviesa una solución de ciertas moléculas orgánicas, como azúcar o alcanfor, el
plano de polarización experimenta una rotación. No todas las moléculas orgánicas tienen esta propiedad, pero se dice que aquellas que hacen girar el plano de la luz polarizada son ópticamente activas.
Representación esquemática de un polarímetro. La luz polarizada en un plano pasa por una solución de moléculas ópticamente activas, lo cual hace girar el plano de polarización. La magnitud de la rotación puede medirse con un instrumento conocido como polarímetro, que se representa esquemáticamente en figura de arriba. Primero se coloca una solución de moléculas orgánicas ópticamente activas en un tubo de muestra; después se hace pasar por el tubo la luz polarizada en un plano, tras lo cual ocurre la rotación del plano. la luz se hace pasar luego por un segundo polarizador denominado analizador. Haciendo girar el analizador hasta que la luz lo atraviesa es posible encontrar el nuevo plano de polarización, de este modo, la magnitud de la rotación. Este valor se denota por la letra griega (alfa), y se expresa en grados. Además de la magnitud de la rotación, también es posible encontrar su sentido. Respecto a un observador que ve directamente por el extremo del instrumento en el lado del analizador, algunas moléculas ópticamente activas hacen girar la luz polarizada hacia la izquierda (en sentido contrario al de las manecillas del reloj) y se dice que son levógiras o levorrotatorias, mientras que otras la hacen girar hacia la derecha (en el sentido de las manecillas del reloj) y se dice que son dextrógiras o dextrorrotatorias. Por convenio, a la rotación hacia la izquierda se le asigna un signo negativo (-), y a la rotación hacia la derecha se le asigna un signo positivo (+). Rotación específica: Para expresar los datos de manera significativa a fin de que puedan hacerse comparaciones, es necesario establecer condiciones estándar. Por convenio, la rotación específica, D, de un compuesto se define como la rotación observada cuando se utiliza luz con longitud de onda de 589 nanómetros (1 mm = 10-9 m) y un trayecto óptico l de 1 decímetro (1 dm = 10 cm), con concentración de muestra C de 1 g/mL. (La luz de 589 nm, llamada línea D del Sodio, es la luz emitida por las lámparas de vapor de sodio.)
Cuando los datos de rotación óptica se expresan de esta manera estándar, la rotación específica, D, es una constante física característica de cada compuesto con actividad óptica. REGLAS DE SECUENCIA PARA ESPECIFICAR LA CONFIGURACIÓN: Aunque los dibujos constituyan una representación de la estereoquímica, es difícil traducirlos en palabras. Así, también es necesario un método verbal para explicar el arreglo tridimensional de los átomos (la configuración) en un centro estereogénico. En el método acostumbrado se emplean las mismas reglas de secuencia (Z o E). Revisemos brevemente las reglas de Cahn[2]-Ingold[3]-Prelog[4] a fin de ver cómo pueden servir para especificar la configuración de un centro estereogénico (carbono asimétrico). 1. Se observan los cuatro átomos unidos directamente al centro estereogénico y se asignan prioridades en orden decreciente de número atómico. El grupo con mayor número atómico tiene la máxima prioridad; el grupo con el menor número atómico tiene la mínima prioridad. 2. Si no es posible decidir la prioridad aplicando la regla 1, se comparan los números atómicos de los átomos unidos en segundo lugar en cada sustituyente; si es necesario se continúa hasta los terceros, cuartos o más átomos, hasta que se encuentre una diferencia. 3. Los átomos con enlaces múltiples se consideran como un número equivalente de átomos con enlaces simples. Por ejemplo:
Una vez asignadas las prioridades de los cuatro grupos unidos a un carbono quiral, se describe la configuración estereoquímica alrededor del carbono quiral orientando mentalmente la molécula de modo que el grupo de menor prioridad (cuatro) apunte directamente hacia atrás, lo más alejado posible del observador. Después se analizan los tres sustituyentes restantes, que se dirigen en forma radial hacia el observador. Si una flecha curva dibujada desde el sustituyente con mayor prioridad hacia el de segunda prioridad y de ahí hacia el de tercera (1 2 3) tiene el sentido del reloj, se dice que el centro estereogénico tiene la configuración R (latín rectus, “derecho”). Si por el contrario definen una curva en el sentido contrario de un reloj, se dice que el centro esterogénico tiene la configuración S (latín sinister, “izquierdo”). Consideremos el ácido láctico como un ejemplo de la forma en que se asigna la configuración. 1. El primer paso es asignar prioridades. 2. Orientar la molécula, de tal manera que el grupo de menor prioridad esté dirigido hacia atrás.
Prioridades: 4 -H 3 -CH3 2 -COOH 1 -OH
Ácido láctico.
(baja)
(alta)
DIASTERÓMEROS: Moléculas como las del ácido láctico, alanina y gliceraldehído son relativamente fáciles de estudiar, puesto que cada una tiene sólo un centro estereogénico y sólo puede existir en dos configuraciones enantioméricas. Sin embargo, la situación se torna más compleja en el caso de moléculas que tienen más de un centro estereogénico. Consideremos por ejemplo el aminoácido esencial treonina (ácido 2-amino-3hidroxibutanoico). Dado que la treonina tiene dos centros estereogénicos C2 y C3, existen cuatro estereoisómeros posibles, como analizaremos a continuación: (Se sugiere al alumno que verifique por sí mismo que la configuración R,S es correcta.
2R , 3R
2S , 3S
Enantiómeros
2R , 3S
2S , 3R
Enantiómeros
Relaciones entre las cuatro treoninas estereoisoméricas Estereoisómero
Es anantiómero de
Es diastereómero de
2R , 3R 2S , 3S 2R , 3S 2S , 3R
2S , 3S 2R , 3S 2S , 3R 2R , 3S
2R , 3S y 2S , 3R 2R , 3S y 2S , 3R 2R , 3R y 2S , 3S 2R , 3R y 2S , 3S
¿ Cuál es la relación entre cualquiera dos configuraciones que no sean imágenes especulares entre sí ? Por ejemplo, ¿cuál es la relación entre el compuesto 2R,3R y el 2R,3S ? Los dos compuestos son estereoisómeros, aunque no son superponibles ni son enantiómeros. Por lo tanto se dice que son Diastereómeros, los cuales son estereoisómeros que no son imágenes especulares entre sí. De los cuatro estereoisómeros posibles de la treonina sólo uno, el 2S,3R, con D = 29.3º , existe en forma natural en plantas y animales. La mayoría de las moléculas orgánicas importantes son quirales, y usualmente sólo un estereoisómero se encuentra en la naturaleza. COMPUESTOS MESO: Consideremos un ejemplo más de compuestos con dos centros estereogénicos: el ácido tartárico. Tracemos su cuatro posibles estereoisómeros:
2R, 3R
2S, 3S
2R, 3S
2S, 3R
Las imágenes especulares 2R,3R y 2S,3S no son superponibles, y son por tanto un par de enantiómeros. Sin embargo, una observación cuidadosa revela que las estructuras 2R,3S y 3S,3R son idénticas, lo cual puede corroborarse haciendo girar 180º una de ellas:
Son Idénticas La identidad de las estructuras resulta del hecho de que la molécula tiene un plano de simetría. Dicho plano pasa por el enlace C2-C3, haciendo que una mitad de la molécula sea la imagen especular de la otra mitad.
MOLÉCULAS CON MÁS DE DOS CENTROS ESTEREOGÉNICOS: Cuando hay más de un centro quiral en una molécula, dan por resultado un máximo de 2n estereoisómeros. Por ejemplo, el colesterol contiene ocho centros estereogénicos, lo que hace posible 28 = 256 estereoisómeros (128 pares de enantiómeros), aunque muchos están demasiado tensionados para existir. En la naturaleza existe predominantemente uno de ellos.
Colesterol (ocho centros quirales) Una mezcla de 50:50 de dos enantiómeros quirales se denomina mezcla racémica o racemato, y se denota por el símbolo () o por el prefijo d,l, para indicar una mezcla de formas dextrogira y levógira. Las mezclas racémicas deben presentar rotación óptica cero (nula). PROYECCIONES DE FISCHER: En 1891, Emil Fischer[5] sugirió un método basado en la proyección de un átomo de carbono tatraédrico sobre una superficie plana. Estas proyecciones de Fischer fueron adoptadas rápidamente, y ahora son un medio estándar para representar la estereoquímica de centros estereogénicos. En una proyección de Fischer, un átomo de carbono tetraédrico
se representa por dos líneas cruzadas. Por convención, las líneas horizontales representan enlaces que salen de la página hacia el lector, y las líneas verticales representan enlaces que se proyectan hacia atrás de la página.
Por ejemplo, el ácido (R)-láctico puede representarse como sigue:
Puesto que una molécula dada puede representarse de muchas maneras, a menudo es necesario comparar dos proyecciones distintas para ver si representan el mismo o diferentes enantiómeros. Para comprobar la identidad, es posible hacer girar sobre el papel las proyecciones de Fischer, pero teniendo cuidado de no cambiar inadvertidamente el significado de la proyección, Sólo están permitidos dos tipos de movimientos: 1.
Una proyección de Fischer puede hacerse girar 180º sobre la página, pero no 90º ni 270º. La razón de esto es simplemente que una rotación de 180º cumple la convención de Fischer de que los mismos dos sustituyentes en los enlaces horizontales siempre salgan del plano hacia el lector y los mismos dos sustituyentes en los enlaces verticales siempre se proyecten hacia atrás del plano. Y una rotación de 90º contraría la conversión de Fischer, pues los sustituyentes que estaban en los enlaces horizontales en una forma quedan verticales después de una rotación de 90º, invirtiendo su estereoquímica y cambiando el significado de la proyección. Por ejemplo:
pero:
2. En una proyección de Fischer, un grupo puede mantenerse fijo mientras los otros tres giran en el sentido del reloj o en el sentido contrario. Por ejemplo:
Éstos son los únicos tipos de movimientos permitidos. Mover una proyección de Fischer de cualquier otro modo invierte su significado. De este modo, si una proyección del ácido (R)-láctico se hace girar 90º, resulta una proyección de Fischer del ácido (S)-láctico.
La rotación de 90º de una proyección de Fischer invierte su significado ASIGNACIÓN DE CONFIGURACIONES R,S A PROYECCIONES DE FISCHER: Es posible asignar las configuraciones estereoquímicas R,S a las proyecciones de Fischer siguiendo los tres pasos que se indican a continuación: 1. Se asignan prioridades a los cuatro sustituyentes de modo usual. 2. Se realiza uno de los dos movimientos permitidos para colocar el grupo de menor prioridad (cuarta) en la parte de arriba de la proyección de Fischer. 3. Se determina el sentido de la rotación al pasar de la prioridad 1 a la 2 y a la 3, y se asigna la configuración R o S como determina la regla. (R en el sentido del reloj y S en el sentido contrario del reloj). COMPUESTOS TREO Y ERITRO: Los prefijos “eritro” y “treo” se utilizan a menudo para designar las configuraciones relativas en compuestos que poseen dos átomos de carbono quirales adyacentes que soportan grupos diferentes, pero similares. Estos prefijos derivan de los carbohidratos eritrosa y treosa. Eritro corresponde al distereómero que cuando se observa a lo largo del enlace que conecta los átomos de carbono quirales, posee un rotámero en el que todos los grupos similares están eclipsados. El diastereómero Treo no posee un rotámero en el que todos los grupos similares estén eclipsados. Cuando los grupos a átomos unidos a ambos carbonos
quirales son idĂŠnticos y se encuentran eclipsados entre si, recuĂŠrdese que es un compuesto Meso. Ejemplos:
ESTEREOQUÍMICA Y QUIRALIDAD EN CICLOALCANOS: Este apartado sólo lo comentaremos mediante ejemplos: 1.- El cis-1,2-dibromociclobutano y trans-1,2-dibromociclobutano
No puede existir con su enantiómero o en otras palabras su imagen especular resulta idéntica
MOLÉCULAS QUIRALES: Son aquellas que enantiómeros, ejemplo el trans-1,2-dibromociclohexano.
pueden
existir
como
MOLÉCULAS AQUIRALES: Son aquellas que no pueden existir como enantiómeros, ejemplo el cis-1,2 -dibromociclohexano.
2.- El cis y el trans 1,2-dimetilciclohexano
Existen como estereois贸meros pero no como enanti贸meros por presentar plano de simetr铆a 3.- El cis y el trans-1,3-dimetilciclohexano
Es el cis-1,3-dimetilciclohexano meso
Son el (+) y (-) trans-1,3-dimetilciclohexano
ÁCIDOS Y BASES FUERTES
De acuerdo con la teoría de Bronsted-Lowry, se define un ácido como una sustancia que puede donar un protón y una base como una sustancia que puede aceptar un protón.
ácido
base
base conjugada del ácido
ácido conjugado de la base
Los iones hidronio, H3O, y los iones hidróxido, -OH, son respectivamente, los ácidos y bases más fuertes que existen en soluciones acuosas.
NaOH (s)
+
H2O
Na (ac)
+
-
OH (ac)
ACIDOS Y BASES DEBILES En contraste con los ácidos fuertes, como el HCl y el H2SO4, el ácido acético es un ácido mucho más débil. Cuando el ácido acético se disuelve en agua, la reacción que se muestra a continuación no se lleva a cabo en forma completa.
Los experimentos muestran que en una solución 0.1 M a 25 ºC, sólo el 1 % de las moléculas del ácido acético transfieren sus protones al agua. Como la reacción de disolución acuosa del ácido acético es un equilibrio, puede describírsela mediante una expresión para la constante de equilibrio
Para soluciones acuosas diluidas la concentración de agua es esencialmente constante (55 moles/lt), de manera que la expresión de la constante de equilibrio puede rescribirse en términos de una nueva constante, Ka, llamada constante de acidez.
A 25ºC, la constante de acidez del ácido acético es 1.8 10-5.
Para cualquier ácido disuelto en agua, pueden escribirse expresiones similares. Utilizando un ácido hipotético generalizado, HA, la reacción en agua es:
Por esta razón, un valor alto de Ka significa que el ácido es un ácido fuerte y un valor pequeño de Ka significa que el ácido es débil. Si la constante de acidez es mayor de 10, a efectos prácticos, el ácido estará totalmente disociado en agua. La teoría de ácidos y bases fue ampliada enormemente por G.N. Lewis en 1923. Destruyendo lo que él llamo "el culto del protón", Lewis propuso que los ácidos podían definirse como receptores de pares de electrones y las bases como donantes de pares de electrones. En la teoría de Lewis, el protón no es el único ácido, sino también muchas otras partículas. Por ejemplo, el cloruro de aluminio y el triflururo de boro reaccionan con aminas en la misma forma que lo hace un protón.
En los ejemplos anteriores, el cloruro de aluminio y el triflururo de boro aceptan el par de electrones de la amina lo mismo que sucedería con un protón. Esto se debe a que los átomos centrales de aluminio y boro sólo tienen un sexteto de electrones y por lo tanto son deficientes de electrones.
Las bases son bastantes similares tanto en la teoría de Lewis como en la teoría de Bronsted-Lowry. ÁCIDOS Y BASES EN SOLUCIONES NO ACUOSAS Muchas de las reacciones ácido-bases orgánicos que comentaremos en este capítulo no se llevan a cabo en solución acuosa. Muchos de los ácidos que se encontraran aquí, son mucho más débiles que el agua. Las bases conjugadas de estos ácidos orgánicos se preparan en amoniaco líquido. La base más potente que puede emplearse en el amoniaco líquido es el ion amida, -NH2 la base conjugada del amoniaco. El ion amida, al ser la base conjugada de un ácido sumamente débil, es una base muy potente.
Recuérdese que: pKa = - log Ka por lo tanto, a medida que el pKa disminuye aumenta la acidez de los ácidos, y a medida que el pKa aumenta, disminuye la acidez de los ácidos, aumentando su basicidad, obsérvese la tabla 2.1. Tabla 2.1.Valores de pKa de sustancias orgánicas comunes ÁCIDO ciclohexano NH3 HCCH CH3OH H2O R-NH3+ R-COOH CH3OH2+ PhOH2+ HPF6
pKa 45 36 25 16 15,7 10 5 -2 -6,7 -20
BASE C6H11NH2HCCCH3OHOR-NH2 R-COOCH3OH PhOH PF6-
OTROS CRITERIOS A CONSIDERAR: ELECTRONEGATIVIDAD DEL ÁCIDO Cuanto más electronegativo sea el elemento que porta el H más polarizado estará el enlace y más ácido será la familia de compuestos relacionados. A(-)H(+), a mayor E.N. de A, mayor será la acidez del compuesto, ejemplo: pKa
Ácido
Base
43
35
10 18 -2
La basicidad va a disminuir en este orden C- N- O-, cuanto más E.N. es el elemento, el ácido es más fuerte y la base conjugada del mismo más débil. El nitrógeno es menos E.N. que el oxígeno y por lo tanto los compuestos nitrogenados son mejores bases, siendo así el amoniaco una mejor base que el agua.
EFECTO DE RESONANCIA El efecto de la resonancia estabiliza más a una base que a un ácido, ya que se produce una deslocalización del par de electrones de la base y por lo tanto estos están menos disponibles a captar un protón, con lo cual disminuye el pKa. Analicemos el siguiente ejemplo: a) CH3COOH pKa = 5 b) CH3CH2OH pKa = 17
Esta claro que al ver sus valores de pKa, que el ácido acético es mucho más ácido que el etanol
¿Por qué?
Si la carga negativa del acetato se puede deslocalizar por resonancia, el par de electrones estará menos disponible para actuar, por lo que la base estará estabilizada y será débil, siendo por lo tanto fuerte el ácido del que deriva.. El etanol será un ácido más débil porque su base no se encuentra estabilizada por resonancia, su base conjugada será más fuerte ya que los electrones están más disponibles a captar un protón. Se puede concluir que “cuanto más estable es su base conjugada más fuerte será el ácido”. Diferencia de acidez entre tipos de compuestos: Alcoholes y Ácidos Carboxílicos R-COOH
R-COO-
pKa
5
R-CH2OH
R-CH2O-
pKa
17
Hay una fuerte estabilización por resonancia en los iones carboxilato provenientes de los ácidos carboxílicos, haciendo que sus bases conjugadas sean más débiles y sus ácidos más fuertes.
Alcoholes y Fenoles Ph-OH
Ph-O-
pKa
10
R-CH2OH
R-CH2O-
pKa
17
El ion PhO- puede estabilizarse por resonancia con participación del anillo aromático, haciendo que su base conjugada sea lo bastante débil, con respecto a la base conjugada del alcohol alifático. Aminas y Amidas R-CO-NH2
R-CO-NH-
pKa = 16
R-CH2-NH2
R-CH2-NH-
pKa = 35
La forma básica del amiduro esta estabilizada por resonancia: La forma ácida también tiene formas resonantes, pero implica separación de cargas y por lo tanto es menos estable. En la amina, la forma básica no puede estabilizarse por resonancia por lo tanto es una especie bastante más básica que la amida, y por ende como ácidos son mucho más débiles. Cetonas e Hidrocarburos R-CO-CH3
R-CO-CH2
pKa = 20
R-CH2CH3
R-CH2CH2
pKa = 43
Nuevamente vemos que la base conjugada de la cetona es una especie que puede estabilizarse por resonancia disminuyendo su basicidad y aumentando su acidez, en cambio, el carbanión generado en el hidrocarburo no puede estabilizarse por resonancia siendo mucho más básico que su homólogo. Por lo tanto los hidrocarburos son menós ácidos que las cetonas. Basicidad de una Amina alifática y una Amina aromática Amina alifática:
ácido
Amina aromática:
base
ácido conjugado
base conjugada
En el primer caso la metilamina es una base fuerte dado que no puede estabilizarse por resonancia, lo que implica que su par de electrones estará siempre disponible a captar un protón de un ácido, en el segundo caso, en la anilina (amina aromática) el par de electrones se deslocaliza al interior del anillo, estabilizando a la base por resonancia, y disminuyendo su basicidad. Acidez de una amida
Una amida está estabilizada por resonancia, es decir su par de electrones está deslocalizado y poco disponible a aceptar un protón de ácido, ahí que ellos como compuestos son relativamente malas bases y buenos ácidos frente a compuestos similares (aminas por ejemplo).
Analicemos el siguiente caso: Tanto la forma ácida como la forma básica se pueden estabilizar por resonancia, pero la forma básica implica deslocalización de carga, por lo que es más estable y a su vez como compuesto es menos básico. La forma ácida, implica creación de carga por lo que es menos estable como estructura resonante, lo que comprueba su carácter ácido como compuesto. Si se tienen el mismo número de estructuras resonante el criterio a emplear es el que no implique creación de carga.
Comparación de la acidez de una cetona, acetil-cetona, acetato de etilo, y malonato de etilo
pKa = 9
pKa = 10.2
pKa = 14
pKa = 20
Teniendo en cuenta que a menor pKa, mayor acidez: 1.
La acetil-acetona: es la más ácida debido a que su base conjugada está muy estabilizada por resonancia, posee hidrógenos muy ácidos, en a dos grupos carbonilos.
2. El aceto-acetato de etilo: es el siguiente en acidez debido a que aunque su base conjugada está muy estabilizada por resonancia, el grupo éster estabiliza menos la carga negativa que el grupo cetona, debido a que el éster tiene su propia resonancia interna.
3. El malonato de dietilo: es el que les sigue debido a que las formas resonantes de la base conjugada estabilizan menos la carga negativa, por la presencia de los dos grupos éster.
4. La cetona: es la menos ácida debido a que su base conjugada tiene menos estabilidad por resonancia, posee hidrógenos en a un solo grupo carbonilo, a diferencia de los casos anteriores.
GRUPOS ATRACTORES DE ELECTRONES POR RESONANCIA El grupo NITRO: Ayuda a estabilizar la carga negativa en la base conjugada, además el grupo nitro por si solo ya es estable.
Por ejemplo: el nitrometano es relativamente ácido, tiene un pKa = 10
El Grupo CIANO: Contribuye un poco menos que el grupo nitro a la estabilidad de la base conjugada.
El orden de acidez para estos grupos y otros suele ser: -NO2
-CN
-SO2-
3C-
Ejemplos:
Para la base conjugada del trifenil metano hay 10 posibles estructuras resonantes, por lo que deberíamos esperar que fuese un ácido bastante fuerte, sin embargo su pKa = 30, lo que implica que es un ácido bastante débil lo cual se puede explicar por efecto estérico de la base y la perdida de la aromaticidad del compuestos al deslocalizarse la carga al interior del anillo. En este caso a pesar del efecto estérico, el movimiento de las cargas sobre el grupo ciano esta favorecida, debida a la diferencia de electronegativiodad de los átomos. Por lo que la forma básica esta bastante estabilizada y el ácido del cual proviene es bastante fuerte, pKa 0
Efectos de resonancia de diversos grupos:
Electrón-dadores -F, -Cl, -Br, -I, -O-, -OR, -OH, -OCOR, -NR2, -SR, -SH, -CH3 Electrón-atrayentes
-CN, -CO-, -SO2-, -NO2
HIBRIDACIÓN DE LOS ÁTOMOS A medida que aumenta el % de carácter p en los orbitales aumenta el tamaño de los enlaces y aumenta la basicidad, disminuyendo la acidez de la molécula. Esto se debe a que los electrones están más disponibles para aceptar protones. Ejemplos: Molécula
Hibridación del átomo
pKa
Carácter básico/ácido
hibridación sp3 del "N"
9.8
base fuerte
hibridación sp2 del "N"
5.2
base moderada
hibridación sp del "N"
0
base débil
hibridación sp3 del "C"
40
ácido débil
hibridación sp del "C"
24
ácido fuerte
EFECTOS INDUCTIVOS Y ELECTROESTÁTICOS Los grupos donores de electrones por efecto inductivo contribuyen a disminuir la acidez y aumentan la basicidad de la misma. En cambio los átomos electronegativos contribuyen a que aumente la acidez y disminuya la basicidad. La polarización de un enlace por influencia de un átomo o grupo adyacente polar se conoce como efecto inductivo,
En cambio los halógenos son muy electronegativos y son grupos atractores de electrones, con lo que polarizan más rápido el enlace a romper, aumentando considerablemente la acidez de las moléculas, en la Tabla 2.2 se analizan algunos ejemplos.
Efectos inductivos de diversos grupos:
Electrón-dadores
-O-, -CH3, -CO2-
Electrón-atrayentes
-F, -Cl, -Br, -I, -OR, -OH, -NR2, -SR, -SH, -CO2H, -CO2R, -CO-, -CN, -NO2, -SO2-, -C=C-, -CC-, -NR3, SR2
Tabla 2.2.Ejemplos de Ácidos Carboxilicos, su pKa y el efecto del sustituyente Molécula
pKa
Efecto
3.77
"H" ni da ni quita carga por efecto inductivo.
4.76
2.90
efecto inductivo del grupo metilo, aumenta la basicidad. "F" átomo más electronegativo (E.N = 4.0), van aumentando la acidez con respecto a los otros halógenos. E.N. = 3.0, la acidez disminuye por que al ser menos electronegativo habrá menos dispersión de la carga. E.N. = 2.8
3.16
E.N. = 2.5
1.29
La presencia de dos átomos de cloro, hace que aumente la acidez con respecto al primero.
0.05
En este caso hay tres átomos de cloro, aumenta bastante la acidez con respecto al anterior
4.76
Efecto inductivo más próximo al grupo ácido.
4.88
Efecto inductivo va disminuyendo al crecer la cadena carbonada.
4.96
Mayor acumulación de carga negativa sobre un mismo carbono, menor dispersión de carga, implica mayor basicidad.
2.66 2.86
5.65
1.68
Ídem, al anterior
El grupo nitro dispersa mejor la carga, aumenta la acidez.
1.86
La presencia de los metilo aumenta la basicidad, con respecto al anterior.
2.47
Grupo ciano dispersa carga por efecto de resonancia. El éster dispersa carga por efecto de resonancia, pero menos que el grupo ciano
3.35 3.58 3.53 3.83 3.77 1.23 4.76 2.83
El carbonilo de cetona, dispersa menos carga que un éster. Ahora tenemos un éter, el cual es mas bien un grupo dador de electrones. El hidróxido es dador de electrones, aumenta la basicidad. El hidrógeno, no influye prácticamente en nada. El diácido es más fuerte, debido al efecto inductivo que produce el otro ácido. Metilo dador de carga por efecto inductivo, aumenta la basicidad. Este efecto se mantiene cuando hay un átomo de carbono entre ellos, pero se debilita un poco al aumentar la distancia entre los dos grupos ácidos.
EFECTO DE LOS PUENTES DE HIDRÓGENO Los puentes de hidrógenos estabilizan a las bases conjugadas. Por existir una mayor dispersión de la carga, haciendo que disminuya la basicidad y aumente la acidez de los mismos. A continuación se ejemplifica este hecho con moléculas que se diferencian principalmente en su geometría y/o estructura. En primer lugar veamos el caso de un diácido cis con respecto a su isómero trans. Se puede observar que la base conjugada esta estabilizada por la formación de un puente de hidrógeno (pKa = 1.92) en el isómero cis.
En cambio en el isómero trans, este puente de hidrógeno no se puede formar dado que la geometría de la molécula no se lo permite, lo que hace que aumente su basicidad al no haber dispersión de carga, (pKa = 3.02).
En el segundo ejemplo analizamos el ácido orto y para hidroxibenzoico. Se puede concluir que el ácido orto hidroxibenzoico es más ácido que el para, dado que la base conjugada se puede estabilizar por la formación de un puente de hidrógeno por la cercanía en el espacio del grupo hidróxido con el carbixilato, cosa que en la posición para no puede ocurrir.
ácido más fuerte
base conjugada estabilizada por puente de hidrógeno
ácido más débil
La disposición espacial no permite la formación del puente de hidrógeno
EFECTOS ESTÉRICOS Recuérdese que los efectos estéricos son los que producen las interacciones espaciales entre los átomos y/o grupos. Este fenómeno puede influir en la acidez y basicidad de algunas moléculas. Por ejemplo:
RELACIONES ENERGÉTICAS: Cuando una reacción química alcanza el equilibrio, la posición del mismo refleja las energías relativas de reactivos y productos. La constante de equilibrio K se relaciona con la diferencia de energía libre estándar Gº entre los productos y los reactivos, a través de la ecuación: Gº = - RT ln K en donde R = 1.99 10-3 kcal/mol-K (8.31 10-3 kJ/mol-K) T = temperatura
Si los reactivos son de menor energía que los productos (Gº 0; K 1), y la reacción se dice endergónica. En una reacción exergónica, los productos son de menor energía que los reactivos (Gº 0; K 1) . Dos importantes parámetros termodinámicos contribuyen a la diferencia de energía libre y ,por tanto, a la posición del equilibrio. La entalpia, Hº, o calor de reacción, que está relacionada con las diferencias en las energías de enlaces entre los productos y los reactivos. La entropía, Sº, es una medida de las diferencias de libertad de movimiento entre las moléculas de los productos y los reactivos. Un valor más positivo de la entropía indica un aumento del grado de libertad al transformarse los reactivos en productos. La expresión que relaciona entré sí dichos parámetros es:
Gº = Hº - T Sº El valor de la entalpía, en la mayoría de reacciones orgánicas, es en general mucho mayor que el del término TSº y, por tanto, su contribución a la diferencia de energía libre es más importante. En consecuencia, es frecuente hablar de reacciones refiriéndose a Hº, es decir, como exotérmicas (Hº 0) o endotérmicas (Hº 0). Cuando Hº TSº, situación que ocurre con frecuencia en sistemas biológicos, casi siempre se utilizan los términos " exergónico" y "endergónico". A continuación se muestran las Tablas 2.3 y 2.4, el la primera se muestra la relación entre la concentración relativa y la energía libre, para equilibrios simples a 25 ºC, la cual resulta ser útil para saber cuanto esta desplazado un equilibrio. En la Tabla 2.4 se muestran los valores de pKa para las sustancias orgánicas más comunes. Tabla 2.3.Relación entre la concentración relativa y la energía libre en el caso de equilibrios simples, (A B) a 25 ºC. Población en el equilibrio Reactivo A, % Reactivo B, % Kc 99 1 0,01 90 10 0,11 75 25 0,65 50 50 1,00 25 75 3,00 10 90 9.00 1 99 99.00 0,1 99,9 999,00 0,01 99,99 9999,00
Gº kcal/mol 2,72 1,30 0,65 0 -0,65 -1,30 -2,72 -4,09 -5,46
(kj/mol) 11,37 5,53 2,72 0 -2,72 -5,43 -11,37 -17,10 -22,82
Kc = Constante de equilibrio, la cuál se puede determinar por la relación entre el pKa del ácido (AH) y el pKa del ácido conjugada de la base (BH). pKc = pKa(AH) - pKa(BH), por lo que Kc es igual al antilogaritmo de la diferencia obtenida.
Escala de Acidez Ácido conjugado
pKa
Base conjugada
Ácido conjugado
pKa
base conjugada
Ciclohexano
45
C6H11-
CH3-CH3
42
CH3-CH2-
CH4
40
CH3-
Benceno
37
C6H5-
Etileno
36
CH2=CH-
NH3
36
NH2-
-CH3
35
-CH2-
CH2=CH-CH3
35
CH2=CH-CH2-
3-CH
32
-C-
-NH2
27
-NH-
HCCH
25
HCC-
2-NH
23
2-N-
CH3COCH3
20
CH3COCH2-
t-BuOH
19
t-BuO-
C2H5OH (ROH)
17
C2H5O-
CH3OH
16
CH3O-
18.5
RCONHR'
16
RCONR'-
H2O
15.7
HO15
15
(ROOC)2CH2
13.4 (NC)2CH2
11.2
13.5
(ROOC)2CH-
13.4 (NC)2CH-
CH3COCH2COOR
10.2
CH3COCH-COOR
CH3NO2
10.2
-
-OH
10
-O-
RNH3 RNH2 R2NH2
10 R2NH
CH2NO2
R3NH R3N HCO3-
10.2
CO3=
9.6
NH4
9.2
9.3
NH3
HCN
9.1 8.0
9.0
CN-
7.2
O2NCH2COOCH3 5.8
H2CO3
6.5
HCO3-
O2NCH-COOCH3 5.2
-NH(CH3)2
5.1
-N(CH3)2
RCOOH
4.50.5 RCOO-
HCOOH
3.7
HCOO-
ClCH2COOH
3.8
ClCH2COO-
-NH3
2,4-Dinitrofenol
CH2(NO2)2
4.6
-NH2
4.0
(NO2)2-O-
3.6
-
CH(NO2)2
2.5
2.4
Cl2CHCOOH
1.3
Cl2CHCOO-
1.0
2-NH2
1.0
2-NH
Cl3CCOOH
0.9
Cl3CCOO-
2,4,6-Trinitrofenol
0.4
(NO2)3O-
CF3COOH
0
CF3COO-
CH3CONH3
0.3
CH3CONH2
HNO3
-1.4
NO3-
-CONH3
-2.0
-CONH2
CH3OH2
-2.0
CH3OH
(CH3)2OH
-3.8
(CH3)2O
-2.1
t-BuOH2
-4
t-BuOH
-4.0
(CH3)2SH
-5.2
-4.5
(CH3)2S
-5-5
-6.2
-OH2
-6.7
-OH (o -OR)
-6.8
-CH=OH
-7.1
-CHO
R-CNH
-10
R-CN
H2SO4
?
HSO4-
-9.4
-11
HBF4
?
BF4-
FSO3H
?
FSO3-
HClO4
-20
ClO4-
HPF6
-20
PF6-
SbF5.FSO3H
-20
SbF5.FSO3-
TIPOS DE REACCIONES ORGÁNICAS Atendiendo a la variación del esqueleto carbonado las reacciones orgánicas suelen clasificarse en: Adiciones.- Consisten en procesos en los que el esqueleto carbonado experimenta un incremento en el número de átomos a través de la incorporación de los átomos del reactivo y sin ninguna pérdida de los que poseía inicialmente. Ejemplos:
Eliminaciones.- Consisten en procesos en los que el esqueleto carbonado experimenta una disminución en el número de átomos originales al perderse un fragmento pequeño (habitualmente no carbonado) por la acción de un reactivo, en cierto sentido pueden ser consideradas como las reacciones inversas de las adiciones. Ejemplo:
Sustituciones.- Consisten en procesos en los que un átomo o grupo de átomos del compuesto de partida es reemplazado por un átomo o grupo de átomos procedente del reactivo. Ejemplos:
Transposiciones.- Consisten en procesos en los que suele modificarse el número de átomos de carbono presentes en la molécula de partida, variando única y exclusivamente la disposición relativa de los átomos entre si, resulta frecuente que las transposiciones puedan ir acompañadas de pérdida de una molécula pequeña no carbonada, tales como agua, amoniaco, hidrácidos, etc. Ejemplo:
Condensaciones.- Consisten en procesos en los en los que el esqueleto carbonado experimenta un incremento en el número de átomos a través de la unión de dos moléculas relativamente pequeñas, con la consiguiente formación de enlaces C-C. No es infrecuente que la condensación vaya acompañada de la pérdida de una molécula pequeña tal como agua, amoniaco, etc. Ejemplo:
Degradaciones.- Consisten en procesos en los que el esqueleto carbonado experimenta una disminución en el número de átomos de carbono, a través de la pérdida de un fragmento carbonado habitualmente no muy voluminoso. En estas reacciones se rompen enlaces C-C. Ejemplo:
Inserciones.- Consisten en procesos en los que un resto carbonado o un heteroátomo portador de un par electrónico enlazante se inserta, es decir, se intercala entre dos átomos unidos entre sí por un enlace o En estas reacciones se generan dos nuevos enlaces a partir del par inicial o y el aportado por el reactivo. Ejemplos:
Extrusiones.- Consisten en procesos en los que se expulsa un átomo o grupo de átomos de una molécula que se encontraba unido a otros dos por un enlace o dos enlaces , quedando unido estos dos átomos entre sí por un nuevo enlace o un enlace . Este tipo de reacción se puede considerar como la inversa a la inserción. Ejemplos:
Oxidación - Reducción (Redox).- Estas reacciones implican transferencia de electrones o cambio en el número de oxidación. Una disminución en el número de átomos de H enlazados al carbono y un aumento en el número de enlaces a otros átomos como C, O, N, Cl, Br, F y S indican que hay oxidación. Ejemplos:
Los nueve tipos de reacciones consideradas aquí son los tipos generales de reacciones que se conocen en química orgánica, resulta apropiado investigar qué es lo que se encuentra entre el sustrato y el producto en una reacción típica. Esto es, cuáles son los intermedios de la reacción.
Intermedios: Una descripción detallada, paso a paso, de lo que ocurre entre los materiales iniciales y el producto proporciona la explicación de lo que se llama mecanismo de reacción. Un mecanismo implica uno o varios intermedios. A primera vista, la lista de posibles intermedios es tan larga que descorazonaría a cualquiera. Sin embargo si se examina mas de cerca los detalles de cualquier reacción orgánica, se llega a una de las más fascinantes generalizaciones de la disciplina “casi todas las reacciones orgánicas se desarrollan a través de cuatro tipos de intermedios”. Basándose en la abundancia o deficiencia de electrones alrededor del átomo de carbono reactivo, los cuatro tipos de intermedios son:
Los que tienen un átomo de carbono positivamente cargado, Los que tienen un átomo de carbono negativamente cargado, Un radical libre neutro con vacante para un electrón y Un carbono neutro con vacantes para dos electrones.
1.- INTERMEDIOS CON UN ÁTOMO DE CARBONO POSITIVAMENTE CARGADO. El carbono puede tener una carga positiva formal debido a una deficiencia de electrones. Puesto que el intermediario es un catión del carbono, se llama carbocatión.
Carbocatión
Una reacción SN1 típica, como la hidrólisis del cloruro de t-butilo que se muestra a continuación, se desarrolla a través de un carbocatión intermedio.
Cloruro de t-butilo
Carbocatión
Alcohol t-butilico
Sin embargo, cuando la carga del carbono no está totalmente establecida, es un complejo activado (en el estado de transición de una reacción), no se le asigna una carga formal definida. Se utilizan en su lugar cargas parciales para describir el complejo, como se indica a continuación:
Las reacciones SN2 se desarrollan típicamente en un sólo paso a través de un estado de transición. En el ejemplo específico SN2 que sigue, el ion yoduro es desplazado por el ion hidróxido.
No se trata de igualar aquí un complejo activado con un intermedio. Lo esencial es que el carbono sigue siendo positivo, no importa cual sea el valor alcanzado por la carga. 2.- INTERMEDIO NEGATIVAMENTE.
CON
UN
ÁTOMO
DE
CARBONO
CARGADO
El carbono puede tener un octeto lleno y un exceso de electrones en relación con el número total de protones en el núcleo. Por consiguiente, puede llevar una carga formal negativa. Este anión del carbono se conoce apropiadamente como carbanión.
Carbanión
La condensación de Claisen, que se muestra a continuación, constituye una reacción típica que se desarrolla mediante un carbanión intermedio. Una vez formado, el carbanión intermedio reacciona con el acetato de etilo que no ha reaccionado todavía, para desplazar el ion alcoholato (EtO-), con la formación concomitante del acetoacetato de etilo.
Acetato de etil
Carbanión
Acetoacetato de etilo
3.- UN ÁTOMO DE CARBONO SIN CARGA, CON VACANTE PARA UN ELECTRÓN (RADICAL LIBRE). En este radical libre, no hay carga en el átomo de carbono, pero dicho intermedio sigue siendo deficiente en electrones en relación con su capacidad de electrones totales.
Radical libre
La ruptura homolítica de un enlace covalente puede producir un radical libre como intermedio. por ejemplo, la bromación del 2-metilpropano, se inicia con la disociación homolítica del bromo y continua con la formación de un radical libre que contiene carbono. El producto (bromuro de isopropilo) se forma cuando el radical isopropilo reacciona con el bromo molecular. Etapa I Etapa II
Radical libre isopropilo
Etapa III
4.- UN ÁTOMO DE CARBONO SIN CARGA CON VACANTE PARA DOS ELECTRONES (CARBENO). Tampoco aquí hay carga sobre el átomo de carbono, pero éste es deficiente en electrones y divalente. El intermedio de este tipo se conoce como carbeno. En el ejemplo que se muestra a continuación, se genera diclorocarbeno a partir de cloroformo y de una base fuerte, luego se añade el ciclopenteno para formar el producto bicíclico observado.
diclorocarbeno
6,6-diclorobiciclo (3.1.0) hexano
La selección de un intermedio es de suma importancia en la definición de un mecanismo. Una vez que se ha hecho la selección, todas las etapas del mecanismo propuesto deberán apoyarse en los conceptos fundamentales que les corresponda. Estos conceptos, son entre otros, polarización, los efectos inductivos, los cálculos de carga formal, los efectos de resonancia y los de la teoría ácido-base. Conceptos fundamentales: Polarización.-Los enlaces covalentes están polarizados con excepción de aquellos entre átomos idénticos. La dirección de la polarización sigue la escala de electronegatividad de Pauling. Los elementos más electronegativos que el carbono producirán una mayor polarización en dichos enlaces. Así por ejemplo, un enlace C-Cl está polarizado con una ligera carga positiva en el carbono y una ligera carga negativa en el cloro. La polarización opuesta, esto es, una carga positiva en el cloro y una carga negativa en el carbono no es consistente con la escala de la electronegatividad. La habilidad para identificar la correcta polarización de los enlaces covalentes le permite a uno predecir los sitios de reactividad, o determinar la estabilidad que tienen las moléculas orgánicas o los intermediarios. Efecto inductivo.-La polarización puede inducir un dipolo en un enlace próximo al sustituyente o en uno más alejado. Esto se conoce como el efecto inductivo. Los efectos inductivos son transmitidos directamente a través de una cadena de átomos dentro de una molécula pero no a través del espacio vacío, ni por la acción de las moléculas del disolvente. Los efectos inductivos pueden ocasionar la liberación de electrones o la captura de los mismos. Un efecto inductivo en que se liberan electrones se relaciona con la tendencia de una sección de una molécula o de un sustituyente a despojarse de electrones, aun cuando esto no implica la donación formal de una unidad completa de carga. Los grupos alquilo son donadores de electrones (relativos al hidrógeno). Por ejemplo, al efecto inductivo que interviene en la liberación de electrones del grupo metilo, se le debe la estabilidad de los carbocationes en la secuencia terciario secundario primario metilo.
Este hecho se puede explicar cualitativamente por el supuesto de que el grupo metilo tiene más electrones disponibles para donar que el átomo de hidrógeno. Un efecto inductivo consistente en la captura de electrones se relaciona con la tendencia de una sección de una molécula a aceptar electrones. Los grupos o átomos que presentan los efectos de captura de electrones son más numerosos que aquellos en que el efecto inductivo se manifiesta en la donación de electrones. En un ejemplo típico, el bromo en el ácido bromoacético atrae electrones, haciendo que el protón ácido se pierda con más facilidad que el protón correspondiente al ácido acético.
pKa = 2.86 en Br-CH2CO2H pKa = 4.76 en CH3-CO2H El flujo de electrones se dirige al bromo (alejándose del protón ácido) de la manera que se indica a continuación:
El anión en el bromoacetato es más estable que el anión en el acetato por una razón semejante. La carga en el bromoacetato es estabilizada inductivamente por el bromo receptor de electrones.
ion bromoacetato
ion acetato
Los conceptos de carga formal, efectos de resonancia y teoría ácido-base han sido detallados en otros capítulos (ver ácido-base y teoría de enlace y resonancia). ALGUNAS PAUTAS PARA ESCRIBIR LOS MECANISMOS DE LAS REACCIONES: 1. Un mecanismo debe explicar la formación del producto. 2. Típicamente, los compuestos orgánicos aislables (que no sean intermedios) contienen cuatro enlaces. El carbono, en su estado básico tiene cuatro enlaces (y sólo cuatro). 3. Las flechas curvas indican la dirección del flujo de electrones dentro de una estructura. 4. La base más fuerte que puede existir en el agua es el ion hidróxido; el ácido más fuerte que puede existir en el agua es el ion hidronio, H3O+. 5. En una solución ácida, el ion hidroxilo de un alcohol nunca se pierde, sólo se separa para formar una molécula de agua. 6. El orden de estabilidad de un carbacatión es terciario secundario primario CH3+.
.
7. El orden de estabilidad de un radical libre es terciario secundario primario CH3 . 8. El orden de estabilidad de un carbanión es CH3- primariosecundario terciario. 9. Los átomos de carbono del grupo carbonilo, C=O, son electropositivos; loa átomos de oxígeno del grupo carbonilo son electronegativo. 10. En general, los efectos de resonancia son más importantes que los efectos inductivos en la estabilidad de los intermedios. 11. Otros conceptos generales, los cuales comentaremos a continuación: ENERGÍAS DE DISOCIACIÓN DE ENLACE.La energía de disociación del enlace (dada como H en kcal/mol o kJ/mol) es la energía que se necesita para la homólisis endotérmica de un enlace covalente A:B A + B ; H = (+). La formación de enlace, lo contrario de esta reacción, es exotérmica y los valores de H son negativos. Ejemplo:
Rupturas endotérmicas
Formación exotérmicas
La reacción en general es exotérmica con un H = (-) 24 kcal/mol Velocidades de las reacciones.La velocidad de la reacción dA + eB fC + gD, está dada por: velocidad (v) = kA B donde k es la constante de velocidad a temperatura T. Los valores numéricos de los exponentes x e y se determinan experimentalmente; no necesitan ser los mismos que d y e, los coeficientes de la reacción química. La suma de los valores de los exponentes se define como el orden de la reacción. x
y
Dadas ciertas condiciones, los factores que determinan la velocidad de una reacción son: 1. El número de colisiones por unidad de tiempo. 2. La entalpía de activación (Energía de activación, E. acti.) TEORÍA DEL ESTADO DE TRANSICIÓN Y DIAGRAMAS DE ENTALPÍA. Cuando los reactivos se han encontrado en colisión con suficiente entalpía (H) de activación y debida orientación, pasan a través de un Estado de Transición (ET) hipotético en el cual algunos enlaces se rompen y otros se pueden formar. La relación entre el estado de transición (ET), los reaccionantes (R) y productos (P) se muestra mediante el diagrama de la figura, para una reacción exotérmica A + B C + D de un solo paso.
La formación de moléculas con baja entalpía se favorece en el estado de equilibrio, o sea, C + D. Sin embargo esto se aplica únicamente cuando H de una reacción predomina sobre TS en la determinación del estado de equilibrio. TERMODINÁMICA DE LAS REACCIONES.-
La Termodinámica y la velocidad de una reacción determinan si esta reacción puede ocurrir. La termodinámica de un sistema se describe en términos de varias funciones importantes.
E, el cambio en la energía, es igual a qv, el calor transferido a/o desde un sistema a volumen constante: E = qv. H, el cambio en la entalpía, es igual a qp, el calor transferido a/o desde un sistema a presión constante: H = qp. Puesto que la mayoría de las reacciones orgánicas se efectúan a presión atmosférica en recipientes abiertos H se utiliza más a menudo que E. El H de una reacción química es la diferencia en las entalpías de los productos, H(P), y los reaccionantes, H(R): H = HP - HR. S, es el cambio en la entropía. La entropía es la medida de la distribución al azar. Mientras mayor sea este azar, más grande será S; mientras más grande sea el orden, más pequeño será S. Para una reacción: S = SP - SR. G, es el cambio en la energía libre. A presión constante, G = H - TS, (T = temperatura absoluta).
REACTIVOS ELECTROFÍLICOS Y NUCLEOFÍLICOS.Las reacciones generalmente ocurren en los sitios reactivos de las moléculas y los iones. Estos sitios se agrupan principalmente dentro de dos categorías. La primera tiene una alta densidad electrónica porque el sitio es negativo. Tales sitios ricos en electrones son llamados Nucleofílicos y las especies que poseen tales sitios se denominan Nucleófilos o donantes de electrones; pueden ser de tres tipos los nucleófilos: a) Especies con un par de electrones no compartidos. b) Especies con el extremo (-) de un enlace polar. c) Especies con electrones . La segunda categoría son especies capaces de adquirir electrones. Estos sitios deficientes de electrones son Electrofílicos y las especies que los poseen se denominan Electrofilos o receptores de electrones; pueden ser de dos tipos los electrofilos: a) Especies neutras capaz de adquirir más electrones. b) Especies con el extremo (+) de un enlace polar. Pueden ocurrir muchas reacciones por la formación de un enlace entre un sitio nucleofílico y uno electrofilico. REPRESENTACIÓN GRÁFICA DE UN MECANISMO DE REACCIÓN: a) Reacción en un solo paso, con formación de un estado de transición. La reacción del ion hidróxido con el cloruro de metilo es un ejemplo de una reacción muy general, conocida como SN2, que implica probablemente un perfil como este. CH3Cl + OH-
CH3OH +
Cl-
b) Reacción en dos pasos, con formación de un intermedio de reacción. La reacción del cloruro de t-butilo con el ion hidróxido podría estar representada por este tipo de perfil de reacción. La cual es una reacción SN1 típica.
HIDROCARBUROS
Los hidrocarburos y sus compuestos derivados se pueden clasificar en general en tres grandes categorías: 1. Hidrocarburos alifáticos, formados por cadenas de átomos de carbono en las que no hay estructuras cíclicas. Se les denominan en general, hidrocarburos de cadena abierta o acíclicos.
CH3-CH2-CH3
CH3-CH2-CH2-CH2-CH3
CH3-CH=CH-CH3
propano
pentano
2-buteno
2. Hidrocarburos alicíclicos, o simplemente cíclicos, compuestos por átomos de carbono encadenados formando uno o varios anillos.
ciclobutano
3.
ciclopentano
biciclo 4,4,0 decano
Hidrocarburos aromáticos, que constituyen un grupo especial de compuestos cíclicos que contienen en general anillos de seis eslabones en los cuales alternan enlaces sencillos y dobles. Se clasifican, independientemente de los hidrocarburos alifáticos y alicíclicos, por sus propiedades físicas y químicas muy características.
fenantreno benceno
naftaleno
FUENTES Y APLICACIONES
El petróleo y los gases naturales a él asociados constituyen en la actualidad la principal fuente de hidrocarburos. A medida que las reservas de petróleo se van agotando, sin embargo, cobra creciente interés la posibilidad de convertir parte de las abundantes reservas mundiales de carbón en hidrocarburos utilizables. El gas natural se halla compuesto principalmente por metano (CH4). El etano (C2H6) y el propano (C3H8) representan entre un 5 y un 10 por 100 del total, junto con trazas de hidrocarburos de C4 y C5 carbonos. El petróleo líquido es una mezcla compleja, en la que predominan los hidrocarburos saturados. La industria del petróleo emplea procedimientos de extracción y de destilación a
gran escala para separar el “crudo” en fracciones de utilidad práctica. Las fracciones líquidas más volátiles son el éter de petróleo (p. eb. 30 - 60 ºC) y la ligroína (p. eb. 60 - 90 ºC), compuestos principalmente por hidrocarburos de C5 hasta C7 átomos de carbonos. La gasolina cubre un amplio rango de compuestos entre C5 y C10 (p. eb. 40 -200 ºC), las demás fracciones importantes del petróleo son el queroseno (p.eb. 175 -325 ºC, de C8 a C14), el gasóleo (p. eb. superior a 275 ºC, de C12 a C18), los aceites y grasas lubricantes (por encima de C18), el asfalto o coque de petróleo. NOMENCLATURA El problema de la nomenclatura de las moléculas orgánicas ha acompañado a la química orgánica desde sus mismos orígenes y ha empeorado con la multitud de nuevos compuestos y clases de compuestos que se descubren cada año. Hay que sumar a ésto el problema de las distintas lenguas (alemán, francés, ingles, danés, español, etc..). Algunos compuestos han recibido el nombre de sus descubridores. Los nombres de lugares también han sido utilizados. Bastante nombres de moléculas reflejan la forma de la misma. Todos estos nombres de moléculas tienen primordialmente interés histórico aunque muchos se usan todavía comúnmente (nombres comunes), especialmente cuando el nombre sistemático que describe su estructura es complejo. La nomenclatura sistemática se introdujo por vez primera en un congreso químico en Ginebra (Suiza) en 1892 y ha sufrido revisiones continuas desde entonces, especialmente por la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC). Las reglas de nomenclatura se denominan “reglas de la IUPAC”. NOMENCLATURA IUPAC PARA LOS HIDROCARBUROS:
Tal como comentamos al principio, los hidrocarburos se clasifican en tres grandes grupos, en primer lugar veremos las reglas para los hidrocarburos alifáticos, si el estudiante es capaz de comprenderlas para ellos, el resto es simplemente una ampliación de las mismas.
Hidrocarburos Alifáticos: Si bien es cierto que son cadenas lineales de átomos de carbonos, ellos pueden subdividirse en tres grandes grupos: ALCANOS, ALQUENOS y ALQUINOS. Alcanos:
Los nombres de los alcanos lineales se dan en la Tabla 3.1. Las raíces son mayoritariamente latinas o griegas e indican el número de átomos de carbono en la cadena.
Por ejemplo, el nombre heptadecano está formado por la voz griega hepta, siete y la palabra latina decano, diez. Los cuatro primeros alcanos tienen nombres especiales que han sido aceptados en el sistema de la IUPAC pero mantienen la terminación “ano”.
TABLA 3.1.-
Todos los alcanos acíclicos obedecen a la fórmula general CnH2n+2. Fórmula estructural
Nombre
Fórmula condensada
CH4
metano
CH4
CH3-CH3
etano
C2H6
CH3-CH2-CH3
propano
C3H8
CH3-CH2-CH2-CH3
butano
C4H10
CH3-(CH2)3-CH3
pentano
C5H12
CH3-(CH2)4-CH3
hexano
C6H14
CH3-(CH2)5-CH3
heptano
C7H16
CH3-(CH2)6-CH3
octano
C8H18
CH3-(CH2)7-CH3
nonano
C9H20
CH3(CH2)8-CH3
decano
C10H22
La Tabla 3.1., debe ser estudiada con atención ya que sirve de base para la nomenclatura de un gran número de moléculas orgánicas. Los nombres de los términos superiores de la serie son los siguientes: 10 decano
20 eicosano
30 triacontano
11 undecano
21 heneicosano
31 hentriacontano
12 dodecano
22 docosano
32 dotricontano
13 tridecano
23 tricosano
33 tritriacontano
14 tetradecano
24 tetracosano
34 tetratriacontano
15 pentadecano
25 pentacosano
35 pentatriacontano
16 hexadecano
26 hexacosano
36 hexatriacontano
17 heptadecano
27 heptacosano
37 heptatriacontano
18 octadecano
28 octacosano
38 actatriacontano
19 nonadecano
29 nonacosano
39 nonatriacontano
40 tatracontano
50 pentacontano
60 hexacontano
41 hentetetracontano
51 henpentacontano
61 henhexacontano
42 dodetetracontano
52 dopentacontano
62 dohexacontano
43 tritetracontano
53 tripentacontano
63 trihexacontano
44 tetratetracontano
54 tetrapentacontano
64 tetrahexacontano
etcétera
etcétera
etcétera
70 heptacontano
80 octacontano
90 nonacontano
100 hectano
200 dihectano
300 trihectano
Los sustituyentes de tipo alcano se nombran reemplazando la terminación -ano por ilo. Algunos homólogos inferiores de los alcanos ramificados tienen nombres comunes muy usados que utilizan los prefijos -iso y -neo, como es isobutano, isopentano, neohexano. CH3- metilo
CH3-CH2- etilo
CH3-CH2-CH2- propilo
isopropilo
Es un isoalcano
Es un neoalcano
(ej. n = 1, isopentano)
(ej. n = 1, neohexano)
Los alcanos lineales suelen corresponder a la fórmula general CnH2n+2 , y sólamente en el caso de ser absolutamente lineal (no ramificado) reciben el nombre de la Tabla 3.1. Los alcanos ramificados derivan de los sistemas de cadena lineal por eliminación de un átomo de hidrógeno de un grupo metileno y sustitución por un grupo alquilo. Tienen la misma fórmula empírica que los alcanos lineales, CnH2n+2 . El ejemplo más sencillo es el 2metilpropano, C4H10, con la misma fórmula molecular que el butano. Por lo tanto ambos compuestos son isómeros.
2-metilpropano butano
Para homólogos superiores (n4) de los alcanos son posibles más de dos isómeros, hay tres C5H12, hay cinco C6H14, nueve C7H16. En la Tabla 3.2, se observa el número de posibles alcanos isómeros CnH2n+2 , el número de posibilidades para conectar n átomos de carbono entre si y con los 2n+2 átomos de hidrógenos que los envuelven aumenta dramáticamente con el valor de n. TABLA 3.2
Número de posibles alcanos isómeros CnH2n+2. n
isómeros
1
1
2
1
3
1
4
2
5
3
6
5
7
9
8
18
9
35
10
75
15
4347
20
366319
Reglas para nombrar a los alcanos remificados:
Para nombrar un hidrocarburo ramificado tal como el siguiente:
se considera que hay un grupo o radical metilo (CH3-) unido una cadena de heptano. El compuesto es así un metilheptano. (Se prescinde de la “o” final de metilo) Sin embargo, hay que indicar dónde se encuentra el metilo, ya que los compuestos,
son también metilheptanos. Para determinar la posición del metilo se numera la cadena más larga y se escribe y menciona dicho número, llamado localizador, delante del nombre, Así, los tres compuestos anteriores se llaman:
2-metilheptano
3-metilheptano
4-metilheptano
Regla Nº 1: La cadena más larga se numera de un extremo a otro, de tal forma que se asigne los números más bajos a los carbonos con cadenas laterales, independientemente de la naturaleza de los sustituyentes. Veamos las siguientes moléculas:
Para la primera, la cadena más larga es En el segundo ejemplo la cadena más de siete carbonos, con dos sustituyentes larga es de cinco carbonos, con tres metilo en los carbonos C3 y C5, por lo sustituyentes metilo en los carbonos C2 y tanto su nombre correcto es: C4, por lo que su nombre correcto es: 2,2,4-trimetilpentano 3,5-dimetilheptano.
Regla Nº 2:
Si en la cadena más larga un sustituyente se repite más de una vez, éstos se nombran con los prefijos de cantidad di, tri, tetra, penta, hexa, (solamente son validos para sustituyentes sencillos). Como consecuencia del segundo ejemplo, nace la siguiente regla. Regla Nº 3: Si en un mismo carbono existe más de una vez el mismo sustituyente, el numero localizador se repite tantas veces como sustituyentes soporte.
Analicemos los siguientes casos:
En este caso la cadena más larga es de 11 carbonos, por lo que el compuesto base es el undecano, los sustituyentes son el grupo etilo y el grupo propilo, la numeración correcta ha de venir por el lado del etilo dado que asigna valores más bajos (C4 y C5), si se numerase desde el lado del propilo tendríamos (C8 y C9), lo que no esta de acuerdo con la regla Nº 1.
La cadena base sigue siendo el undecano y los sustituyentes el grupo etilo y el grupo propilo, la numeración viene dado ahora por el grupo propilo dado que asigna valores más bajos. La única diferencia en el nombre va a radicar en la posición de los sustituyentes.
Por lo que el nombre correcto es: 4-etil-5-propilundecano
Su nombre correcto sería:
5-etil-4-propilundecano
Regla Nº 4: Los sustituyentes en un compuesto ramificado se nombran por orden alfabético, independientemente de la numeración de los mismos, en el caso de repetirse uno de ellos más de una vez los prefijos de cantidad no se han de considerar para el orden alfabético. Hay algunos compuestos que tienen un nombre común aceptado. Estos son isobutano, isopentano, neopentano e isohexano. Dichos compuestos pueden nombrarse, pues, de dos formas distintas:
metilpropano o isobutano
2-metilpentano o isohexano
2-metilbutano o isopentano
dimetilpropano o neopentano
Vamos a considerar ahora otros radicales mĂĄs complejos, radicales que podemos suponer que proceden de alcanos ramificados. El modo de nombrarlos es tal como se indica en los siguientes ejemplos:
3-metilbutilo
2-metilbutilo
1-metilbutilo
2,4-dimetilpentilo
1-etil-1-metilbutilo
4,4-dimetil-2-propilhexilo
Hay unos cuantos radicales que tienen un “nombre propio� admitido por la IUPAC, estos deben usarse cuando corresponda:
Isopropilo
Isobutilo
Isopentilo
terc-Pentilo
sec-Butilo Neopentilo
Isohexilo terc-Butilo Ejemplo:
4-etil-5-isopropil-3-metil-7-propilundecano (secuencia: etil, isopropil, metil, propil)
5-(1,2-dimetilpropil)-4-etil-3-metilnonano (secuencia: dimetilpropil, etil, metil) Regla Nยบ 5:
Si en un compuesto hay dos radicales simples y uno complejo, este último se nombra primero, y a continuación los simples en orden alfabético. En el caso de que existan dos radicales complejos éstos se nombran en orden alfabético entre sí, y si éstos tuviesen las mismas palabras se citará en primer lugar aquel que tenga el número localizador más bajo. Procedamos a nombrar los siguientes compuestos:
8-(2-metil-1-propilpentil)-6-(1,2,2,3-tetrametilbutil)-tetradecano
6,6,9-trietilpentadecano (con tres sustituyentes etilo)
6,6,9-tris-(1,1,2-trimetilbutil)-pentadecano (con tres sustituyentes complejos (1,1,2-trimetilbutil)) Regla Nº 6:
Cuando hay dos o más radicales complejos iguales, para evitar confusiones con los prefijos sencillos di, tri, tetra, etc., se usan para éstos entonces los prefijos bis, tris, tetraquis, pentaquis, etc. Finalmente la regla Nº 7 contempla el caso de que haya varias cadenas de igual longitud. ¿Cómo se elige entonces la cadena principal? Se toma como principal: Regla Nº 7:
a) La cadena que tenga el mayor número de cadenas laterales b) La cadena cuyas cadenas laterales tengan los localizadores más bajos c) La cadena que tenga el máximo número de átomos de carbonos en las cadenas laterales más pequeñas. d) La cadena que tenga cadenas laterales lo menos ramificadas posible. Alquenos:
Los hidrocarburos que poseen un doble enlace, se nombran cambiando la terminación -ano (del alcano de igual número de átomos de carbono) por la terminación eno.
1-buteno
CH2=CH2
eteno o etileno
CH3-CH=CH2
propeno
2-buteno
Los alquenos suelen responder a la fórmula general CnH2n, siempre y cuando no sean cíclicos. La posición del doble enlace o insaturación se indica mediante el correspondiente localizador. se procura asignar al doble enlace un localizador tan bajo como sea posible. Si hay ramificaciones se toma como cadena principal la cadena más larga de las que contenga el doble enlace; es decir el doble enlace tiene primacía sobre las cadenas laterales en el momento de numerar y elegir la cadena principal. Ejemplos:
4,5-dimetil-1-hepteno
3-etil-6-metil-2-hepteno
5-etil-3-hepteno 5,6-dimetil-3-hepteno
ISOMERIA CIS - TRANS ó (Z - E) EN LOS ALQUENOS
Cuando dos átomos de carbonos se enlazan mediante un doble enlace, la estructura resultante es rígida y se generan dos planos diferentes, en el espacio. Así cuando uno escribe 2-buteno, hay que ser cauteloso dado que existen dos compuestos distintos, aunque isómeros entre sí, estructuralmente son:
cis-2-buteno
trans-2-buteno
Los dos hidrógenos al mismo lado del Los dos hidrógenos a lados distintos en el espacio. espacio Analicemos los siguientes ejemplos:
A)
B)
C)
D)
A y B no cabe duda que son el cis y el trans-3,4-dimetil-3-hepteno respectivamente, obsérvese que en el cis, los dos grupos metilos están a un mismo lado y en el trans los dos grupos metilos a lados distintos.
C y D sin embargo presentan un problema ¿Cuál es el cis? y ¿Cuál es el trans? no hay grupos iguales en torno al doble enlace. Los casos como éste han obligado a introducir una nomenclatura más general ( Z - E ) , que sirva para todos los alquenos. Este sistema de nomenclatura se basa en comparar la posición relativa de los “grupos preferentes” a uno y otro lado del doble enlace. La preferencia se establece por el número atómico: los átomos que están unidos a un carbono determinado del doble enlace se comparan entre sí; si dichos átomos son iguales se comparan los siguientes que están unidos y así respectivamente, hasta encontrar la diferencia.
E-1-bromo-1-cloro-propeno
Z-1-bromo-1-cloro-propeno
Los átomos más pesados a lados
Los átomos más pesados a un
contrarios del doble enlace
mismo lado del doble enlace
Por lo tanto en los ejemplos anteriores los compuestos C y D se han de nombrar:
(C) Z-3-etil-2,4-dimetil-3-hepteno
(D) E-3-etil-2,4-dimetil-3-hepteno
DIENOS Y POLIENOS:
Cuando un hidrocarburo contiene más de un doble enlace se emplea para nombrarlo la terminación -adieno, -atrieno, -atetraeno, etc., en lugar de la terminación eno. Proceden al nombre los números localizadores de dichos doble enlaces. Los hay de distintos tipos de polienos:
Clasificación
Ejemplo 1
Ejemplo 2
Con dobles enlaces acumulados
CH2=C=CH2
CH2=C=CH-CH2CH3
Aleno
1,2-pentadieno
Con dobles enlaces conjugados
CH2=CH-CH=CH2
CH2=CH-CH=CH-CH3
1,3-butadieno
1,3-pentadieno
Con dobles enlaces no conjugados
CH2=CH-CH2-CH=CH2 1,4-ciclohexadieno
1,4-pentadieno
Alquinos:
Son hidrocarburos con un enlace carbono-carbono triple, obedecen a la fórmula general CnH2n-2, los triples enlaces son lineal en su disposición espacial. Esta disposición lineal impide, que pueda obtenerse en la práctica un triple enlace sobre un anillo pequeño.
H-CC-H
etino o acetileno
CH3-CC-H
propino
CH3-CH2-CC-H
1-butino
CH3-CC-CH3
2-butino
En el caso de que en un compuesto existan dos o más enlaces triples, estos se nombran con la terminación -diino, -triino, etc.
3-propil-1,5-heptadiino
10-isopropil-9,9-dimetil-1,4,7,11-dodecatetraino
Con estos ejemplos queda claro que la numeración de la cadena principal la mandan los triples enlaces, la que a su vez es aquella que contiene a la mayor cantidad de triples enlaces.
HIDROCARBUROS CON DOBLES Y TRIPLES ENLACES
Para nombrarlos hay que enunciar tanto el número de dobles enlaces como el de triples: si hay dos enlaces dobles y uno triple, será un dieno-ino; si hay tres enlaces dobles y dos triples será un trieno-diino; etc.
Para numerar la cadena principal se procura que recaigan los números más bajos en las insaturaciones (enlaces dobles y triples), prescindiendo de considerar si son dobles o triples:
HCC-CH2-CH2-CH=CH-CC-H 3-octeno-1,7-diino
CH3-CC-CH2-CH=CH-CH=CH-CH2-CH3 5,7-decadien-2-ino
Si se empieza a numerar por la izquierda, las insaturaciones están localizadas en 1,5,7; si por la derecha, en 1,3,7 (esta última posición es la preferida).
Si se empieza a numerar por la izquierda, las insaturaciones están en 2,5,7, si por la derecha, en 3,5,8. La primera posición es la que debe emplearse.
El problema se plantea cuando, tanto si se empieza a numerar por la izquierda como por la derecha, los localizadores de las insaturaciones coinciden. En este caso se da
preferencia a los dobles enlaces sobre los triples, en el sentido de que se asigna a los dobles enlaces los localizadores más bajos.
CH2=CH-CCH
1-buten-3-ino (no 3-buten-1-ino)
8-etil-1,3,8-nonatrien-6-ino (no 2-etil-1,6,8-nonatrien-3-ino)
4,9,9-trimetil-3-deceno-5,7-diino (no diino)
2,27-trimetil-7-deceno-3,5-
RADICALES ALQUENILO Y ALQUINILO
Consideremos el siguiente compuesto:
Junto a dos sustituyentes o radicales alquilo, hay un grupo (-CH=CH-CH3) que desempeña una función análoga pero que contiene una insaturación. Los grupos o radicales univalentes de este tipo adoptan las terminaciones -enilo o -inilo (en o in por el doble o triple enlace, ilo por tratarse de un radical).
Obsérvese el nombre de los siguientes radicales:
CH2=CH-
vinilo (etenilo)
CHC-
etinilo
CH3CH=CH-
1-propenilo
CH3-CC-
1-propinilo
CH2=CH-CH2-
alilo (2-propenilo)
CHC-CH2-
2-propinilo
HIDROCARBUROS ALICÍCLICOS O CÍCLICOS:
Los hidrocarburos cíclicos se nombran añadiendo el prefijo ciclo- al nombre del alcano equivalente de cadena abierta.
ciclopropano C3H6
ciclobutano C4H8
ciclopentano C5H10
ciclohexano C6H12
Por ejemplo:
A
B
C
Resulta mรกs sencillo nombrarlo como derivados de un cicloalcano que no como derivados de un compuesto de cadena abierta:
A) 1-butil-1-terc-butil-4,4-dimetilciclohexano B) 1,1,2-trimetilciclopentano C) 1-etil-1,2,2-trimetilciclopropano
En cambio, los compuestos siguientes:
1,4-diciclohexil-2-metilbutano
3-ciclopentil-2-ciclopropil-6-metilheptano
Es mejor nombrarlos como derivados de un alcano de cadena abierta.
Los anillos son estructuras que generan planos, por lo tanto dan lugar a la formación de isómeros espaciales (cis - tras), así por ejemplo, el 1,2-dimetilciclopentano existen dos compuestos diferentes:
Hay que indicar la diferencia existente entre uno y otro. El de la izquierda tiene los dos grupos metilos por encima del plano del anillo; el de la derecha, un metilo por encima y otro por debajo (se acostumbra en señalar con trozo grueso los grupos que están por encima del plano teórico del ciclo, y en líneas de puntos o rayas los que están por debajo). Al primer isómero se le añade el prefijo cis, y al segundo el prefijo trans. Así, los compuestos se llaman, respectivamente:
cis-1,2-dimetilciclopentano trans-1,2-dimetilciclopentano Algunos compuestos cíclicos particulares:
1,1’-biciclopropano (biciclopropano)
1,1’-biciclohexano (biciclohexano)
1,2’-dimetil-1,1’-biciclopropano (1,2’-dimetilbiciclopropano)
HIDROCARBUROS CÍCLICOS CON CARBONOS PUENTES:
Los siguientes alcanos son ejemplos de hidrocarburos con carbonos puente:
El primero es un pentano (tiene 5 átomos de carbono), el segundo un heptano (tiene 7 átomos de carbono) y el tercero un octano (tiene 8 átomos de carbono). Para nombrar estos hidrocarburos se añade el prefijo biciclo antes del nombre del alcano, y se indica entre corchetes el número de átomos de carbono de mayor a menor que hay ente los cabeza de puente.
biciclo2,1,0pentano
biciclo2,2,1heptano
La forma de representarlos comúnmente es:
biciclo2,2,2octano
Así por ejemplo:
biciclo3,2,1octano
biciclo4,3,0nonano
biciclo3,3,1nonano
En los sistemas biciclos con sustituyentes o grupos funcionales hay que indicar la posición de éstos. Para numerar el sistema se empieza por una cabeza de puente y se continúa por la cadena más larga hacia el otro carbono cabeza de puente, se vuelve luego por la cadena intermedia y se acaba numerando la más corta. Ejemplo:
cadena larga: 2,3,4 cadena intermedia: 6,7 cadena corta: 8
De acuerdo con lo anterior, los nombres sistemáticos de los compuestos son los siguientes:
1,8,8-trimetilbiciclo3,2,1octano
5-etil-2,2-dimetilbiciclo2,2,2octano
2,2,6,6-tetrametilbiciclo3,1,1heptano
Obsérvese que, como siempre, se procura que los localizadores, dentro de las limitaciones impuestas por la regla anterior, sean lo más pequeños posible.
ESPÍRANOS:
Existen unos compuestos bicíclicos en los que un único átomo de carbono forma parte al mismo tiempo de los dos ciclos. Estos compuestos se conocen con el nombre de hidrocarburos espiránicos. Para nombrarlos se indica el número de átomos de carbono a uno y otro lado del carbono espiránico se indican entre corchetes, de menor a mayor. Ejemplos:
espiro3,4octano
espiro2,5octano
Los compuestos cíclicos simples pueden presentar dobles enlaces al interior de la molécula, en tal caso se nombran con la terminación -eno, y la numeración en tal caso la manda el doble enlace, en el caso de haber más de uno entonces se nombran con la terminación -dieno (2 dobles enlaces); -trieno (3 dobles enlaces); etc. En todo caso tratando de darle los valores más bajos a los localizadores. Analicemos los siguientes ejemplos:
3-metilciclohexeno (no es necesario indicar la posición 1 del doble enlace)
5-etil-2-metil-1,3-ciclohexadieno
5-etil-1,7-dimetil-1,3,6-cicloctatrieno
HIDROCARBUROS AROMÁTICOS:
El benceno es un hidrocarburo peculiar ya que, a pesar de que parece un polieno, su reactividad es menor que la de los alquenos. Se cree que la particular disposición de los dobles enlaces alternados o conjugados unos con otros y en un ciclo, es la causa de esta estabilidad inesperada del benceno y de sus derivados.
Benceno (C6H6)
Como muchos de los primitivos derivados del benceno aislados de las plantas tenían fuerte aroma, se utilizaba la expresión “hidrocarburos aromáticos” para distinguirlos. Cuando los químicos se dieron cuenta de lo que definía mejor a los derivados y análogos del benceno era esa estabilidad de la que estamos hablando, se siguió empleando el término aromaticidad, pero en un doble sentido. Hoy en día, sin embargo, cuando en Química se dice “un compuesto es aromático”, uno se está refiriendo a que ese compuesto es más estable de lo esperado, y la expresión no tiene nada que ver con su buen o mal olor.
Nomenclatura:
Los sustituyentes que pueda haber sobre un anillo bencénico se mencionan como radicales anteponiéndolos a la palabra benceno.
etilbenceno
sec-butilbenceno
vinilbenceno
Cuando hay dos sustituyentes, su posición relativa puede indicarse mediante los números localizadores 1,2-; 1,3- o 1,4-, o mediante los prefijos o- (orto), m- (meta), o p(para):
1-etil-2-metilbenceno
1-etil-3-propilbenceno
1,4-dimetilbenceno
o-etilmetilbenceno
m-etilpropilbenceno
p-dimetilbenceno
Si hay tres o más sustituyentes, se procura que reciban los números más bajos posibles, y en caso de que existan varias opciones la decisión se basará, como norma general, en el orden de preferencia de los distintos radicales.
2-etil-1-metil-4-propilbenceno
5-alil-1-isopropil-2,3-dimetilbenceno
1-etil-3-(2-metil-3-butenil)benceno
1-terc-butil-4-(1-butinil)-2-etilbenceno
1-butil-5-ciclopentil-2-etil-4-(1-propenil)benceno FUENTE DE LOS ALCANOS: PETRÓLEO Muchos alcanos existen de manera natural en plantas y animales. Por ejemplo, la cubierta cerosa de las hojas de la col contiene nonacosanos (n-C29H60), y el aceite de algunos pinos contiene heptano. La cera de abejas contiene, entre otras cosas, eneitriacontano (n-C31H64). Las principales fuentes de alcanos son, los depósitos mundiales de gas natural y petróleo, derivados de la descomposición de materia orgánica marina sepultada hace años. El gas natural consiste principalmente en metano, aunque también contiene etano, propano, butano e isobutano. Estos hidrocarburos simples se usan en grandes cantidades para
calentar casas habitación, para cocinar alimentos y como combustible en las industrias. El petróleo es una mezcla compleja de hidrocarburos, la cual es necesario refinar para obtener diferentes fracciones antes de que pueda usarse.
Productos de la refinación del petróleo PROPIEDADES DE LOS ALCANOS:
Los alcanos también se llaman a veces parafinas, un nombre derivado del latín parumaffinis (que significa “de poca afinidad”). este término define muy bien su comportamiento, ya que los alcanos tienen poca afinidad química hacia otras moléculas, y son químicamente inertes frente a la mayoría de los reactivos de uso común en química orgánica. Sin embargo, en condiciones apropiadas loa alcanos reaccionan con oxígeno, cloro y algunas otras sustancias. Los alcanos presentan un incremento regular en el punto de ebullición como en el de fusión conforme aumenta el peso molecular, una regularidad que también se refleja en otras propiedades. Los parámetros promedio del enlace carbono-carbono son casi los mismos en todos los alcanos, con longitudes de enlace de 1.54 0.01 Aº y energías de enlace de 85 3 Kcal/mol. En la Tabla 5.1 puede observarse las propiedades físicas de algunos alcanos: TABLA 5.1.Propiedades físicas de algunos alcanos
Número de carbonos
Alcano
Punto de fusión (ºC)
Punto de ebullición (ºC)
Densidad (g/mL)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 20 30 4 5 5 8
Metano Etano Propano Butano Pentano Hexano Heptano Octano Nonano Decano Eicosano Triacontano Isobutano Isopentano Neopentano Isooctano
-182.5 -183.3 -189.7 -138.3 -129.7 -95.0 -90.6 -56.8 -51.0 -29.7 -36.8 -65.8 -159.4 -159.9 -16.5 -107.4
-164.0 -88.6 -42.1 -0.5 36.1 68.9 98.4 125.7 150.8 174.1 343.0 450.0 -11.7 27.85 9.5 99.3
0.5547 0.509 0.5005 0.5788 0.6262 0.6603 0.6837 0.7025 0.7176 0.7300 0.7886 0.8097 0.579 0.6201 0.6135 0.6919
La Tabla 5.1 revela asimismo que un incremento en la ramificación tiene el efecto de reducir el punto de ebullición de un alcano. Así, el pentano hierve a 36.1 ºC, el isopentano (2-metilbutano) tiene una ramificación y hierve a 27.85 ºC, y el neopentano (2,2-dimetilpropano) tiene dos ramificaciones y hierve a 9.5 ºC. De modo similar, el octano hierve a 125.7 ºC, mientras que el iso-octano (2,2,4-trimetilpentano) hierve a 99.3 ºC. Este efecto puede comprenderse si se observa lo que ocurre durante la ebullición. Las moléculas no polares, como las de los alcanos, se atraen débilmente entre sí por efecto de fuerzas intermoleculares de van der Waals. Estas fuerzas, que actúan sólo a distancias muy cortas, resultan de la polarización inducida de las nubes electrónicas en las moléculas. Aunque la distribución electrónica en una molécula es uniforme en promedio durante un periodo, la distribución en un instante dado cualquiera no es uniforme. Un lado de la molécula puede por casualidad, tener un ligero exceso de electrones en relación con el lado opuesto. Cuando esto ocurre, la molécula posee un momento dipolar temporal y puede provocar que otra molécula cercana adopte temporalmente un dipolo opuesto, lo cual como resultado induce una ligera atracción entre las dos moléculas. Como podría esperarse, las fuerzas de van der Waals aumentan con el tamaño de la molécula. si bien participan otros factores, al menos parte del incremento en el punto de ebullición observado al aumentar el número de carbonos en la serie de los alcanos se debe al incremento en las fuerzas de van der Waals. El efecto de la ramificación en los puntos de ebullición también puede explicarse recurriendo a las fuerzas de van der Waals. Los alcanos ramificados tienen una forma más esférica que los alcanos de cadena lineal; como resultado, tienen menor área superficial, menos fuerzas de van der Waals, y consecuentemente puntos de ebullición más bajos. ISÓMEROS CONSTITUCIONALES DE LOS ALCANOS:
Hay dos maneras que puedan formarse moléculas con la fórmula C4H10: los cuatro carbonos pueden combinarse en una sola fila (butano), o esa fila puede ramificarse (isobutano), tal como se indica a continuación:
butano
isobutano Compuestos como el butano, cuyos carbonos están dispuestos en una sola fila, se denominan alcanos de cadena lineal, o alcanos normales, mientras que los compuestos cuya cadena se ramifica, como el 2-metilpropano (isobutano), reciben el nombre de alcanos de cadena ramificada. Compuestos como las dos moléculas de C4H10, que tienen la misma fórmula pero difieren estructuralmente, se denominan isómeros, del griego isos + meros (“hechos de las mismas partes”). Los isómeros son compuestos que tienen la misma cantidad de átomos de la misma especie pero que difieren en la forma en que están dispuestos esos átomos. Compuestos como el butano y el isobutano, cuyos átomos están conectados de manera distinta, se llaman isómeros constitucionales (o de constitución). La isomería constitucional no se limita a los alcanos; se presenta en toda la química orgánica. Los isómeros de constitución pueden variar en los esqueletos de carbono (como isobutano y butano), en los grupos funcionales (como alcohol etílico y éter dimétílico) o en la ubicación de un grupo funcional en la cadena (como isopropilamina y propilamina). Sin importar la causa de la isomería, los isómeros constitucionales siempre tienen la misma fórmula pero distinto orden de enlace de los átomos:
Diferente esqueleto de carbono C4H10 Diferente grupos funcionales
butano
isobutano
C2H6O
alcohol etílico
éter dimetílico
isopropilamina
propilamina
Diferente posición de los grupos funcionales C3H9N
CICLANOS: Si bien hasta aquí sólo se han considerado alcanos de cadena abierta, desde hace más de 100 años se sabe que también existen compuestos con anillos de átomos de carbono. Tales compuestos se denominan cicloalcanos o compuestos alicíclicos. Puesto que los cicloalcanos consisten en anillos de unidades de -CH2-, tienen la fórmula general (CH2)n o CnH2n, y se representan como polígonos es las estructuras de esqueleto:
ciclopropano
ciclobutano
ciclopentano
ciclohexano
cicloheptano
ISOMERÍA CIS - TRANS EN LOS CICLOALCANOS: En contraste con la libre rotación posible alrededor de los enlaces sencillos en los alcanos de cadena abierta, en los cicloalcanos existe mucho menor libertad, porque están geométricamente restringidos. Por ejemplo, el ciclopropano está geométricamente restringido a ser una molécula planar con estructura rígida, debido a que tres puntos definen un plano. No es posible rotación alrededor de un enlace carbono-carbono en el ciclo propano sin romper el anillo.
Los cicloalcanos superiores tienen cada vez mayor libertad, adquiriendo movimiento y por ende generando diferentes confórmeros, además de isómeros. La consecuencia más importante de su estructura cíclica es que los cicloalcanos tienen dos caras o lados, “arriba” y “abajo”, lo cual abre la posibilidad de la isomería en los cicloalcanos sustituidos. Por ejemplo, existen dos isómeros 1,2-dimetilciclopropano distintos, uno con los dos metilos del mismo lado del anillo y otro con un metilo de cada lado. Ambos isómeros son compuestos estables, y no es posible interconvertirlos sin romper y volver a formar enlaces químicos. Los 1,2-dimetilciclopropanos son una clase especial de estereoisómeros llamados isómeros cis - trans. Para distinguirlos se usan los prefijos cis- y trans-; la isomería cis - trans es común a todos los anillos sustituidos.
Ejemplos:
cis-1,2-dimetilciclopropano
cis-1,3-dimetilciclobutano
trans-1,2-dimetilciclopropano
trans-1,3-dimetilciclobutano
cis-1-bromo-3-metilciclopentano
trans-1-bromo-3-metilcilopentano
ESTEREOQUÍMICA DE ALCANOS Y CICLOALCANOS La estereoquímica es la rama de la química relacionada con los aspectos tridimensionales de las moléculas. En este punto pondremos especial atención en el aspecto espacial de las moléculas dado que estas no son planas sino que tienen y ocupan un volumen en el espacio. CONFORMACIONES DE LOS ALCANOS: Las diferentes configuraciones de los átomos debidas a la rotación alrededor de un enlace sencillo se denominan conformaciones, y una conformación específica recibe el nombre de confórmero (isómero conformacional). Sin embargo, a diferencia de los isómeros constitucionales, los distintos confórmeros no suelen poder aislarse debido a que se interconvierten con rapidez. Los químicos representan los isómeros conformacionales de dos maneras, como se muestra en la figura para el etano. En las representaciones de caballete, el enlace carbonocarbono se dispone en un ángulo oblicuo y la orientación espacial se indica representando todos los enlaces C-H. En las proyecciones de Newman[1] , el enlace carbono-carbono se representa de frente y los dos átomos de carbono se indican con un círculo, y los enlaces del
carbono de atrás se indican con líneas que salen de la periferia del círculo. Las ventajas de las proyecciones de Newman son que resultan fáciles de trazar y permiten visualizar sin dificultad las relaciones entre sustituyentes en los distintos átomos de carbono.
La rápida rotación alrededor del enlace carbono-carbono interconvierte las distintas formas.
A pesar de lo dicho acerca de la simetría del enlace sigma (), en realidad no se observa una rotación perfectamente libre en el etano. En experimentos se ha demostrado que existe una ligera barrera (2.9 kcal/mol; 12 kJ/mol) a la rotación, y que algunas conformaciones son más estables (tienen menos energía) que otras. La conformación más estable (de más baja energía) es aquélla en la cual los seis enlaces carbono-hidrógeno están lo más alejados posible entre sí (alternados). La conformación menos estable (de más alta energía) es aquélla en la cual los seis enlaces carbono-hidrógeno están lo más cercano posible (eclipsados). Entre estas dos conformaciones extremas existe por supuesto un número infinito de posibilidades.
Gráfica de energía potencial contra rotación del enlace en el etano. Los conformeros alternados tienen 2.9 kcal/mol menos en energía que los eclipsados. CONFORMACIONES DEL PROPANO:
El propano es el siguiente en la serie de los alcanos, y en él nuevamente se encuentra una barrera torsional que se traduce en un ligero impedimento a la rotación alrededor de los enlaces carbono-carbono. La barrera es ligeramente mayor en el propano que en etano; 3.4 kcal/mol frente a 2.9 kcal/mol. En el confórmero eclipsado del propano existen dos interacciones hidrógeno-hidrógeno del tipo de las observadas en el etano, y una nueva interacción entre un hidrógeno-metilo. Puesto que cada interacción hidrógenohidrógeno en la conformación eclipsada tiene un costo en energía aproximadamente de 1.0 kcal/mol, es posible asignar un valor de 3.4 - (2*1.0kcal/mol) = 1.4 kcal/mol a la nueva interacción hidrógeno-metilo en el propano.
Proyecciones de Newman del propano en las conformaciones alternadas y eclipsadas. El confórmero alternado es más bajo en energía por 3.4 kcal/mol.
CONFORMACIONES DEL BUTANO: La situación conformacional resulta más compleja para los alcanos superiores. Por ejemplo el caso de la rotación del enlace C2-C3 del butano. No todas las conformaciones alternadas del butano tienen la misma energía, y no todas las conformaciones eclipsadas son iguales. El arreglo de más baja energía, llamado confórmero anti, es aquel en el cual los dos grupos grandes (metilo) están lo más separados posible; esto es, a 180º. A medida que ocurre la rotación alrededor del enlace C2C3, se llega a una conformación eclipsada en la que existen dos interacciones metilohidrógeno y una interacción hidrógeno-hidrógeno. Si se asignan los valores de energía de las interacciones eclipsadas que se dedujeron para el etano y propano, es posible predecir que esta conformación eclipsada está sujeta a mayor tensión que la conformación anti en 2*1.4 kcal/mol (dos interacciones Me-H) más 1.0 kcal/mol (una interacción H-H), o sea un total de 3.8 kcal/mol. Esto es exactamente lo que se observa.
Cuando la rotación del enlace continúa se alcanza un mínimo de energía en la conformación alternada en la cual los grupos metilo están separados 60º, esta última, que se denomina conformación sesgada o gauche (francés, “torcida”), tiene 0.9 Kcal/mol más energía que la conformación anti, pese a que no presenta interacciones eclipsadas. Esta diferencia de energía se debe al hecho de que los voluminosos grupos metilo están más cercanos entre sí en la conformación sesgada, lo que da por resultado una tensión estérica. La tensión estérica es la interacción repulsiva que ocurre cuando dos grupos son forzados a acercarse más de lo que permiten sus radios atómicos. Básicamente, es el resultado del intento de forzar dos átomos a ocupar el mismo espacio.
Cuando el ángulo diedro entre los grupos metilo se aproxima a 0º, se alcanza el máximo de energía. Puesto que los grupos metilo son forzados a permanecer más cerca entre sí que en la conformación sesgada, se produce una gran tensión, tanto torcional como estérica. Se ha estimado una energía de tensión total de 4.5 kcal/mol para esta conformación, lo que permite calcular un valor de 2.5 kcal/mol para lo interacción eclipsada metilo-metilo.
Los mismos principios que se aplicaron para el butano son válidos para el pentano, el hexano, y todos los alcanos superiores. La conformación más favorecida en cualquier alcano es aquella en la cual todos los enlaces carbono-carbono tienen arreglo alternados y en la cual todos los sustituyentes grandes guardan una relación anti entre sí. Un último punto: “Es importante recordar que cuando se dice que un confórmero particular es “más estable” que otro, ello no significa que esa molécula adopte y conserve sólo la conformación más estable. Sin embargo, en un instante dado un porcentaje mayor de moléculas se encuentran en una conformación más estable que en una menos estable. CONFORMACIONES Y ESTABILIDAD DE LOS CICLANOS: (Teoría de la Tensión de Baeyer) Los químicos de finales del siglo XIX habían aceptado la idea de la existencia de moléculas cíclicas, pero los límites de las dimensiones factibles de los anillos eran inciertos. Se conocían numerosos compuestos con anillos de cinco y seis carbonos, pero no se habían producido anillos mayores o menores. Por ejemplo, no se conocían ciclopropanos o ciclobutanos, a pesar de los innumerables esfuerzos por producirlos.
En 1885, Adolf von Baeyer[2] propuso una interpretación teórica para esta observación. Baeyer sugirió que, si los carbonos “prefieren” una configuración tetraédrica con ángulos de enlace de 109º, podría ser que los anillos con menos de cinco o más de seis carbonos estuvieran sometidos a demasiada tensión para existir. Baeyer basó su hipótesis en la noción geométrica simple de que un anillo de tres carbonos (ciclopropano) debe ser un triángulo equilátero con ángulos de enlace de 60º, un anillo de cuatro carbonos (ciclobutano) debe ser un cuadrado con ángulos de enlace de 90º, un anillo de cinco miembros (ciclopentano) debe ser un pentágono regular con ángulos de enlace de 108º. etc.
Si bien algo de razón en las afirmaciones de Baeyer acerca de la tensión angular en los anillos pequeños, estaba equivocado al pensar que los anillos pequeños y grandes estaban demasiado tensionados para existir. Ahora se sabe que es posible producir anillos de todos los tamaños, desde 3 hasta 30 y más carbonos. No obstante, es muy útil el concepto de tensión angular - la resistencia de un ángulo de enlace al aumento o disminución del ángulo tetraédrico ideal - .
TABLA 5.2 Calores de combustión de los cicloalcanos Cicloalcano (CH2)n
Tamaño del anillo 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
Calor de combustión (kcal/mol) 499.8 655.9 793.5 944.5 1108 1269 1429 1586 1981 1981 2051 2204
Calor de combustión por CH2 (kcal/mol) 166.6 164.0 158.7 157.4 158.3 158.6 158.8 158.6 158.4 157.6 157.8 157.4
Energía de tensión total (kcal/mol) 27.6 26.4 6.5 0 6.3 9.6 12.6 12.0 11.0 2.4 5.2 0
Ciclopropano Ciclobutano Ciclopentano Ciclohexano Cicloheptano Ciclooctano Ciclononano Ciclodecano Cicloundecano Ciclododecano Ciclotridecano Ciclotetradecano Alcano (referencia)
-
-
157.4
0
Los datos de la Tabla 5.2 muestran claramente que la teoría de Baeyer no es del todo correcta. Ciclopropano y ciclobutano están bastante tensionados, como lo predijo Baeyer, pero el ciclopentano lo está más de lo predicho, y el ciclohexano está totalmente libre de tensión. Para anillos de mayor tamaño no existe un incremento regular en la tensión, y los anillos con más de 14 carbonos están nuevamente libres de tensión. ¿Qué está mal en la teoría de Baeyer ? Baeyer estaba equivocado por una razón muy simple: Supuso que todos los anillos eran planos. En realidad, la mayoría de los cicloalcanos no lo son, sino que adoptan conformaciones tridimensionales plegadas las cuales permiten que los ángulos de enlace sean tetraédricos. Aun así, el concepto de tensión angular es valioso porque explica la reactividad de los anillos de tres y cuatro carbonos. En resumen, la teoría de Baeyer es insuficiente para explicar las energías de tensión observadas y las configuraciones de los cicloalcanos. Estos adoptan la conformación de energía mínima por una combinación de tres factores: 1. Tensión angular, debida a aumento o disminución de los ángulos de enlace. 2. Tensión torsional, debida a la presencia de enlaces vecinos eclipsados. 3. Tensión estérica, debida a interacciones repulsivas entre átomos que se acercan mucho entre sí. CICLOPROPANO: Puesto que tres puntos (los tres átomos de carbono) definen un plano, el ciclopropano debe ser planar y, suponiendo que es una molécula simétrica, debe tener ángulos de enlace C-C-C de 60º. ¿Cómo puede la teoría del orbital molecular explicar esta gran distorsión de los enlaces respecto al ángulo tetraédrico normal de 109 º? La respuesta es que el ciclopropano se describe mejor si se considera que contiene enlaces curvos. En un alcano no tensionado, la máxima eficacia de enlace se logra cuando los dos átomos están localizados de modo que sus orbitales superpuestos apunten directamente uno hacia otro. Sin embargo, en el ciclopropano esto no puede ocurrir; más bien, deben superponerse en un ángulo pequeño. El resultado de esta superposición deficiente es que los enlaces del ciclopropano son más débiles y más reactivos que los enlaces de los alcanos normales.
CICLOBUTANO: El ciclobutano tiene aproximadamente la misma tensión total (26.4 kcal/mol) que el ciclopropano (27.6 kcal/mol). Debido a su mayor cantidad de hidrógenos en el anillo, el
ciclobutano tiene mayor tensión torsional que el ciclopropano, si bien tiene menor tensión angular. Mediciones espectroscópicas indican que el ciclobutano no es del todo planar, sino que está ligeramente flexionado, de modo que uno de los átomos de carbono se encuentra 25º arriba del plano formado por los otros tres. El efecto de esta ligera flexión es un aumento en la tensión angular pero un descenso en la tensión torsional, hasta que se alcanza un equilibrio de energía mínima entre los dos efectos opuestos.
CICLOPENTANO: Baeyer predijo que el ciclopentano debería estar casi libre de tensión, pero los resultados de mediciones de calores de combustión indican que eso no es verdad. Aunque el ciclopentano prácticamente no tiene tensión angular, los diez átomos de hidrógeno introducen considerable tensión torsional en la conformación plana, por tanto, el ciclopentano adopta una conformación plegada fuera del plano, la cual establece un equilibrio entre aumento en la tensión angular y decremento en la tensión torsional. Cuatro de los átomos de carbono del ciclopentano están aproximadamente en el mismo plano, y el quinto está flexionado fuera del plano. La mayoría de los hidrógenos están aproximadamente alternados con respecto a sus vecinos. (Conformación sobre)
CICLOHEXANO: Los ciclohexanos sustituidos son los más importantes de todos los cicloalcanos, debido a su amplia distribución en la naturaleza. Un gran número de compuestos, incluyendo muchos agentes farmacéuticos importantes, contienen anillos de ciclohexano. Datos experimentales de calores de combustión demuestran que los anillos de ciclohexano están libres de tensión, tanto angular como torsional. ¿A qué se debe esto? La respuesta fue sugerida originalmente por H. Sachse en 1890 y ampliada después por Ernest Mohr[3] . Los anillos de ciclohexano no son planos como supusiera Baeyer, sino que están plegados en una conformación tridimensional que alivia todas las tensiones. Los ángulos C-C-C del ciclohexano pueden alcanzar el valor tetraédrico libre de tensión si el anillo adopta la conformación de silla que se muestra a continuación.
Cómo trazar la conformación silla del ciclohexano: 1.- Se trazan dos líneas paralelas, descendentes hacia la derecha y ligeramente adelantada la inferior respecto a la superior. Esto significa que cuatro átomos de carbono del ciclohexano se encuentran en un mismo plano. 2.- Se localiza el átomo de carbono más alto, arriba y a la derecha del plano de los otros cuatro, y se conectan los enlaces.
3.- Se localiza el átomo de carbono más bajo, por abajo y a la izquierda del plano de los cuatro carbonos centrales, y se conectan los enlaces. Obsérvese que los enlaces del átomo de carbono más alto son paralelos a los enlaces del carbono más bajo.
Llamada silla, por su semejanza con una silla de alberca. Más aún se observa a lo largo de cualquiera de los enlaces carbono-carbono en una proyección de Newman, se halla que en la conformación de silla el ciclohexano no presenta esfuerzo torsional; todos los enlaces C-H vecinos están perfectamente alternados. La conformación de silla del ciclohexano es de tanta importancia que todos los químicos orgánicos deben aprender a dibujarla correctamente.
Enlaces Axiales y Ecuatoriales en el Ciclohexano: La conformación de silla del ciclohexano tiene muchas consecuencias. Por ejemplo, que el comportamiento químico de los ciclohexanos sustituidos es regido directamente por su conformación. Otra consecuencia de la conformación de silla del ciclohexano es que existen dos tipos de átomos de hidrógenos en el anillo: hidrógenos axiales e hidrógenos ecuatoriales. El ciclohexano silla tiene seis hidrógenos axiales que están perpendiculares al anillo (paralelo al eje del anillo) y seis hidrógenos ecuatoriales que están más o menos en el plano principal del anillo (alrededor del ecuador del anillo).
MOVILIDAD CONFORMACIONAL DEL CICLOHEXANO: Puesto que el ciclohexano silla tiene dos clases de posiciones, axiales y ecuatoriales, podría esperarse que un ciclohexano monosustituido presentara dos formas isoméricas. Sin embargo, en la realidad esto no se cumple. A temperatura ambiente existe sólo un metilciclohexano, un bromociclohexano, un ciclohexanol, etc., en virtud de que el anillo de ciclohexano es conformacionalmente móvil. Las dos conformaciones de silla pueden interconvertirse con facilidad, con el resultado de que se intercambian las posiciones axiales y ecuatoriales. Las interconversiones de las conformaciones de silla, usualmente denominadas interconversión del anillo, se ilustran a continuación.
Interconversión del anillo
La interconversión del anillo del ciclohexano silla intercambia las posiciones axiales y ecuatoriales
La interconversión del anillo transforma el metilciclohexano axial en metilciclohexano ecuatorial, tal como se observa a continuación.
El metilciclohexano axial se transforma en metilciclohexano ecuatorial después de la interconversión del anillo. Mediante determinaciones espectroscópicas se ha encontrado que la barrera de energía para la interconversión silla-silla es de unas 10.8 kcal/mol (45 kJ/mol), un valor suficientemente bajo para que el proceso ocurra con gran rapidez a temperatura ambiente. Por ello, sólo se ve una estructura promedio en rápida interconversión, en vez de isómeros distintos axial y ecuatorial. CICLOHEXANO EN LA CONFORMACIÓN DE BOTE:
Además de la conformación de silla, el ciclohexano puede adoptar una conformación de bote, igualmente libre de tensión angular. Sin embargo, no le hemos puesto mucha atención hasta el momento, porque el ciclohexano en conformación de bote (ciclohexano bote) es mucho menos estable que el ciclo hexano silla. Existen dos tipos de átomos de carbono en el ciclohexano bote. Los carbonos 2, 3, 5 y 6 se encuentran en el mismo plano, mientras que los carbonos 1 y 4 están por encima del plano. Los átomos de hidrógeno interiores en los carbonos 1 y 4 se acercan entre sí lo suficiente para causar una considerable tensión estérica, y los cuatro pares de hidrógenos en los carbonos 2, 3, 5 y 6 están eclipsados. Así, el ciclohexano bote tiene tensión estérica y torsional. Por mediciones experimentales se ha determinado que el ciclohexano bote es aproximadamente 7.0 kcal/mol menos estable que el ciclohexano silla, si bien este valor se reduce a unas 5.5 kcal/mol por efecto de una ligera torsión, que alivia algo de tensión torsional. Aun así, la conformación de bote torcido está mucho más esforzada que la conformación de silla, y las moléculas adoptan esta configuración geométrica sólo en circunstancias especiales.
Conformación de bote del ciclohexano. No existe tensión angular en esta conformación, pero si hay tensiones estérica y torsional.
Conformación de bote y de bote torcido del ciclohexano. La conformación de bote torcido es de más baja energía que la de bote por 1.5 kcal/mol.
El ciclohexano experimenta un proceso continuo de equilibrio que interconvierte rápidamente estos átomos axiales y ecuatoriales, tal como se representa en el diagrama de energía, para el ciclohexano.
CONFORMACIONES DE CICLOHEXANOS MONOSUSTITUIDOS: Volvamos al caso del metilciclohexano, la diferencia de energía entre los confórmeros axial y ecuatorial se debe a la tensión estérica causada por las llamadas interacciones 1,3-diaxiales. Esto es, el grupo metilo axial en C1 está demasiado cerca de los hidrógenos axiales que se encuentran a tres carbonos de distancia en C3 y C5, lo que da por resultado una tensión estérica de 1.8 kcal/mol. La tensión estérica 1,3-diaxial ya debe ser familiar para el estudiante; anteriormente se le consideró como la tensión estérica entre grupos metilo en el butano sesgado. Recuérdese que el butano sesgado (gauche) es menos estable que el butano anti en 0.9 kcal/mol, debido a la interferencia estérica entre átomos de hidrógenos en los dos grupos metilo. Si un fragmento de cuatro carbonos del metilciclohexano axial se ve como un butano gauche, es evidente que la interacción estérica es la misma en ambos casos. Sin embargo, dado que el metilciclohexano tiene dos de tales interacciones, la tensión estérica es de 2 * 0.9 = 1.8 kcal/mol.
Interconversión del metilciclohexano axial y ecuatorial. La conformación ecuatorial es más estable en 1.8 kcal/mol.
Lo que es válido para el metilciclohexano también lo es para todos los ciclohexanos monosustituidos: Un sustituyente casi siempre es más estable en una posición ecuatorial que un una axial. La cantidad exacta de tensión estérica 1,3-diaxial en un compuesto específico depende, por supuesto, de la naturaleza y el tamaño del grupo axial. Como es de esperar, la cantidad de tensión estérica se incrementa a través de la serie CH3- CH3CH2- (CH3)2CH- (CH3)3C- simultáneamente con el volumen de los grupos alquilos cada vez más grandes. Obsérvese que los valores de la Tabla 5.3 se refieren a interacciones 1,3diaxiales de los grupos indicados, con un solo átomo de hidrógeno. Por lo tanto, para obtener el valor de la tensión presente en un ciclohexano monosustituido estos valores deben duplicarse.
Tensión estérica debida a interacciones 1,3-diaxiales.
Y -F
(kcal/mol) 0.12
(kJ/mol) 0.5
-Cl
0.25
1.4
-Br
0.25
1.4
-OH
0.5
2.1
-CH3
0.9
3.8
-CH2CH3
0.95
4.0
-CH(CH3)2
1.1
4.6
-C(CH3)3
2.7
11.3
-C6H5
1.5
6.3
-COOH
0.7
2.9
-CN
0.1
0.4
0
0
-H
ANÁLISIS CONFORMACIONAL DE CICLOHEXANOS DISUSTITUIDOS: Los ciclohexanos monosustituidos suelen tener el sustituyente en posición ecuatorial. Sin embargo, en los ciclohexanos disustituidos la situación es más compleja en virtud de que deben considerarse los efectos estéricos de ambos sustituyentes. Es necesario analizar todas las interacciones estéricas en las posibles conformaciones antes de decidir cuál conformación es favorecida. Analicemos primero el 1,2-dimetilciclohexano ¿Cuál? Existen dos isómeros, cis y trans, que deben considerarse por separado. Isómero cis. Ambos grupos metilos están del mismo lado del anillo, y el compuesto puede existir en cualquiera de las dos conformaciones de silla que se muestran a continuación:
Conformaciones del cis-1,2-dimetilciclohexano. Las dos conformaciones tienen la misma energía, puesto que cada una tiene un grupo metilo axial y un grupo metilo ecuatorial. Isómero trans. Los dos grupos metilos están en caras opuestas del anillo, y el compuesto puede existir en cualquiera de las dos conformaciones de silla, pero la situación en este caso es muy distinta de la del isómero cis. La conformación trans que aparece a la izquierda de la figura, tiene ambos grupos metilos en posición ecuatorial, y por tanto solo una interacción gauche entre los metilos (0.9 kcal/mol), y ninguna interacción 1,3-diaxial. La conformación de la derecha, sin embargo, tiene ambos grupos metilos axiales, cada uno de ellos presenta dos interacciones 1,3-diaxiales con los átomos de hidrógenos, lo que hace un total de cuatro interacciones 1,3-diaxiales (0.9 * 4 = 3.6 kcal/mol). Puede predecirse por tanto que el trans-1,2-dimetilciclohexano existirá casi exclusivamente en la conformación diecuatorial.
Conformaciones del trans-1,2-dimetilciclohexano. La conformación con dos grupos metilos ecuatoriales es favorecida por 2.7 kcal/mol. El mismo tipo de análisis conformacional recién realizado para el 1,2dimetilciclohexano puede aplicarse a cualquier ciclohexano disustituido o trisustituido. Por ejemplo, consideremos el cis-1-terc-butil-4-clorociclohexano. Resulta que la gran tensión estérica causada por un grupo terc-butilo mantiene eficazmente el anillo de ciclohexano en una sola conformación.
CONFORMACIONES DE MOLÉCULAS POLICÍCLICAS: El último punto por considerar acerca de la estereoquímica de los cicloalcanos es lo que sucede cuando dos o más anillos de cicloalcanos se fusionan para constituir moléculas policíclicas, como la decalina. La decalina consta de dos anillos de ciclohexano que se unen para compartir dos átomos de carbono (los carbonos cabeza de puente) y un enlace, la decalina puede existir en dos formas isoméricas, dependiendo de si los anillos tienen fusión cis o trans.
Representaciones de la cis- y trans-decalina
PREPARACIÓN: Cada uno de los alcanos menores, desde el metano hasta el n-pentano y el isopentano, puede obtenerse en forma pura por destilación fraccionada del petróleo y del gas natural. Más allá de los pentanos, el número de isómeros de cada homólogo se hace tan grande y las diferencias en sus puntos de ebullición tan pequeños, que resulta imposible aislar compuestos individuales puros; estos alcanos deben ser sintetizados por alguno de los métodos que expondremos a continuación. PREPARACIÓN DE LOS ALCANOS 1.-
Hidrogenación de alquenos.
Ejemplo:
2.-
Reducción de halogenuros de alquilo. (a) Hidrólisis de reactivos de Grignard.
Ejemplo:
(b) Reducción con metal y ácido.
Ejemplo:
3.-
Acoplamiento de halogenuros de alquilo con compuestos organometálicos.
Ejemplos:
La hidrogenación de alquenos es, por mucho, la más importante de las reacciones de obtención de alcanos. La única limitación del procedimiento es la asequibilidad del alqueno apropiado, la cual no es muy seria, pues los alquenos se pueden preparar fácilmente de alcoholes, que a su vez pueden sintetizarse sin dificultad en gran variedad de tamaños y formas. La reducción de un halogenuro de alquilo, ya por medio de un reactivo de Grignard, ya directamente con metal y ácido, implica sólo el reemplazo de un átomo de halógeno por uno de hidrógeno; el esqueleto carbonado permanece intacto. Este método tiene más o menos la misma amplitud que el anterior, puesto que los halogenuros de alquilo, al igual que los alquenos, generalmente se preparan de alcoholes. El acoplamiento de los halogenuros de alquilo con compuestos organometálicos es el único de estos métodos que forma enlaces carbono-carbono, generando un esqueleto carbonado nuevo y de mayor tamaño. REACCIONES:
A veces nos referimos a los alcanos empleando el nombre anticuado de parafinas. Este nombre se les dio para describir lo que parecía una reactividad baja para estos hidrocarburos. REACCIONES DE LOS ALCANOS 1.-
Halogenación.
Ejemplo:
2.-
Combustión.
Ejemplo:
3.-
Pirólisis.
HALOGENACIÓN DE LOS ALCANOS:
Cuando una mezcla de metano y cloro se calienta a 120 ºC aproximadamente o se irradia con la luz de longitud de onda apropiada, tiene lugar una reacción exotérmica.
Esta reacción constituye un proceso industrial importante para la preparación de cloruro de metilo. Su utilidad como preparación de laboratorio está limitada, ya que la reacción no termina con la introducción de un solo átomo de cloro. A medida que la concentración de cloruro de metilo aumenta, experimenta la reacción de cloración en competencia con el metano.
El producto real de la cloración del metano con el cloro es una mezcla de cloruro de metilo (p. eb. -24.2 ºC), cloruro de metileno (CH2Cl2, p. eb. 40.2 ºC), cloroformo (CHCl3, p. eb. 61.2 ºC), y tetracloruro de carbono (Cl4C), p. eb. 76.8 ºC). La composición de la mezcla depende de las cantidades relativas de los materiales de partida utilizadas y de las condiciones de reacción. En este caso resulta fácil separar los productos por destilación fraccionada debido a la diferencia entre los diferentes punto de ebullición. Para la cloración del metano, gran parte de las pruebas experimentales coinciden con el mecanismo siguiente: la reacción comienza con la homólisis (ruptura homolítica) de una molécula de cloro en dos átomos de cloro. Desde el momento en que los átomos de cloro estén presentes en pequeñas cantidades, comienza una reacción en cadena. Un átomo de cloro reacciona con una molécula de metano para dar lugar a un radical metilo y una molécula de HCl. El radical metilo reacciona entonces con una molécula de cloro para dar cloruro de metilo y un átomo de cloro. El átomo de cloro producido puede reaccionar con otra molécula de metano para continuar la cadena. Así, el primer paso de la reacción se denomina iniciación, y los dos siguientes pasos se denominan propagación de la cadena. Cuando dos especies radicales chocan entre sí, el proceso se denomina terminación. I.-
Iniciación:
II.-
Propagación:
III.-
Terminación:
En principio, solamente una molécula de cloro ha de experimentar la ruptura homolítica para transformar muchos moles de metano y cloro en cloruro de metileno y HCl. En la práctica, el proceso en cadena recorre una media de 10.000 ciclos antes de finalizar. La terminación del proceso se produce cuando dos radicales chocan entre sí. La variación total de entalpía Hº corresponde a la cloración, y puede ser obtenida mediante la suma de las etapas de propagación solamente.
ANALICEMOS LOS DIAGRAMAS DE ENERGÍA PARA LAS ETAPAS DE PROPAGACIÓN: Los Hº de cada una de las etapas se calcula en función de las energías de disociación de enlace, las cuales ya se encuentran calculadas y representadas en tablas. La ruptura de enlace implica aplicar energía por lo tanto se toma como un valor positivo (+) para indicar que es energía aplicada al sistema. La formación de enlace implica liberación de energía, por lo tanto se toma como un valor negativo (-), para indicar que es una energía liberada por el sistema. La suma total de los enlaces rotos mas los enlaces formados nos indica el Hº total de la reacción. Veamos la primera etapa de la propagación:
Es estado de transici贸n estar铆a representado por:
Veamos la segunda etapa de la propagaci贸n:
El estado de transición estaría representado por:
La cloración de los alcanos superiores es similar a la cloración del metano exceptuando que las mezclas de productos obtenidos son más complejas. El etano no sólo produce cloruro de etilo, sino también 1,1-dicloroetano y 1,2-dicloroetano.
En el caso del propano, pueden formarse dos productos monoclorados, esto es, el cloruro de n-propilo y el cloruro de isopropilo aunque no se producen cantidades iguales.
Cloruro de n-propilo
Cloruro de
isopropilo
A 25 ºC, los dos isómeros se producen en la proporción de 43:57 respectivamente. Un tiempo de reacción prolongado da lugar a la mezcla de los cuatro dicloropropanos posibles. Examinemos con mayor detalle la monocloración del propano. Recuérdese que el calor de disociación del hidrógeno secundario es 3 kcal/mol inferior al calor de disociación correspondiente al hidrógeno primario (ver Tabla 8.1). Se puede anticipar, entonces, que el hidrógeno secundario sería eliminado más fácilmente por el átomo de cloro que el hidrógeno primario. Sin embargo existe 6 hidrógenos primarios frente solamente a dos hidrógenos secundarios que pueden ser reemplazados por el cloro. La reactividad relativa por hidrógeno es entonces:
Una tendencia similar se observa en la monocloración del 2-metilpropano que proporciona 36 por 100 de cloruro de t-butilo y 64 por 100 de cloruro de isobutilo.
La reactividad relativa de los hidrógenos terciarios y primarios, por hidrógeno, resulta ser:
Por esta razón, las velocidades relativas de reacción de los diferentes tipos de hidrógenos con el cloro radicalario son tal y como de deduce de los valores de los calores de disociación de enlace para los distintos tipos de hidrógenos. terciario secundario primario ( 5.1 : 4 : 1 ) TABLA 8.1.ENERGÍA DE DISOCIACIÓN DE ENLACES SIMPLES EN kcal/mol
A:B Compuesto
A·
D
H-H D-D F-F Cl-Cl Br-Br I-I H-F H-Cl H-Br H-I CH3-H CH3-F CH3-Cl CH3-Br CH3-I CH3-OH CH3-OCH3 CH3CH2-H CH3CH2-F CH3CH2-Cl CH3CH2-Br CH3CH2-I CH3CH2-OH CH3CH2-OCH3
104 106 38 58 46 36 136 103 87.5 71 104 108 83.5 70 56 91.5 80 98 106 81.5 69 53.5 91.5 80
CH3CH2CH2-H CH3CH2CH2-F CH3CH2CH2-Cl CH3CH2CH2-Br
98 106 81.5 69
+
B·
Compuesto
D
(CH3)2CH-H (CH3)2CH-F (CH3)2CH-Cl (CH3)2CH-Br (CH3)2CH-I (CH3)2CH-OH (CH3)2CH-OCH3
94.5 105 81 68 53 80.5 80.5
(CH3)3C-H (CH3)3C-Cl (CH3)3C-Br (CH3)3C-I (CH3)3C-OH (CH3)3C-OCH3 C6H5CH2-H CH2=CHCH2-H CH2=CH-H C6H5-H HCC-H CH3-CH3 CH3CH2-CH3 CH3CH2CH2-CH3 CH3CH2-CH2CH3 (CH3)2CH-CH3 (CH3)3C-CH3 HO-H HOO-H HO-OH CH3CH2O-OCH3
91 78.5 63 49.5 90.5 78 85 85 103 103 125 88 85 85 82 84 80 119 90 51 44
CH3CH2CH2-I 53.5 CH3CH2CH2-OH 91.5 CH2=CH2 2CH2: 145 CH3CH2CH2-OCH3 80 Reproducida desde: S. W. Benson, “Bond Energies”, J. Chem. F.d., 42, 502 (1965)
Con alcanos más complejos, las mezclas de cloración son irremediablemente más complejas. Por ello la cloración de alcanos no es una reacción general adecuada para preparar cloruros de alquilo. Existe un tipo de compuestos para el que la cloración tiene utilidad práctica en las preparaciones de laboratorio. Cuando todos los hidrógenos son equivalentes, existe sólo un producto monoclorado posible. En tales casos, el producto deseado puede ser separado del hidrocarburo y las especies cloradas mediante la destilación fraccionada de la mezcla. Dos ejemplos son la cloración del ciclohexano y la del 2,2dimetilpropano.
El mecanismo de cloración puede ser aplicado también a los otros halógenos, pero las reacciones muestran importantes diferencias. En la Tabla 8.2 se recogen las entalpías totales de la halogenación del metano con diferentes halógenos. TABLA 8.2 CH4 + X2 = X (halógeno) F Cl Br
CH3X + HX Hº = kcal/mol
I La reacción con el flúor es tan fuertemente exotérmica que resulta difícil llevar a cabo una fluoración controlada. La yodación está en el extremo opuesto. La reacción del metano con el yodo es endotérmica. La bromación del metano es menos exotérmica que la cloración. De los dos pasos de propagación de la cadena, solamente uno es relativamente exotérmico:
Por consiguiente, la bromación es mucho más lenta que la cloración. Desde el punto de vista mecanístico el bromo es mucho más selectivo que el cloro en sus reacciones con otros alcanos. Por ejemplo, la bromación del propano a 330 ºC en fase de vapor arroja un 92 por 100 de bromuro de isopropilo y solamente un 8 por 100 del bromuro de n-propilo.
Los pasos de abstracción de hidrógenos para la formación de los dos isómeros son:
La selectividad del bromo en comparación con la del cloro se hace más evidente cuando el alcano tiene hidrógenos terciarios. Por ejemplo, cuando el 2,2,3-trimetilbutano se somete a bromación, se obtiene más de un 96 por 100 del bromuro de terciario, a pesar de que el alcano tiene solamente un hidrógeno terciario frente a quince hidrógenos primarios.
(96
por
100)
Así pues, la bromación es un procedimiento un poco más útil que la cloración para propósitos preparativos. Sin embargo, cuando existe solamente un hidrógeno terciario y muchos secundarios en una molécula, se seguirán produciendo mezclas muy complejas.
ALQUENOS
Los alquenos son hidrocarburos con un doble enlace carbono-carbono. El doble enlace es un enlace más fuerte que el enlace sencillo, sin embargo, paradójicamente el doble enlace carbono-carbono es mucho más reactivo. A diferencia de los alcanos, que generalmente muestran reacciones más bien no específicas, el doble enlace es un grupo funcional en el que tienen lugar muchas reacciones con marcado carácter específico. Históricamente, los hidrocarburos con un doble enlace se conocían con el nombre de olefinas. Este nombre, más bien raro, proviene del latín oleum, aceite, y ficare, hacer, producir, y surgió porque los derivados de tales compuestos tenían, a menudo, apariencia oleaginosa.
En el presente capítulo abordaremos un pequeño resumen de sus reacciones y métodos sintéticos, resaltando los mecanismos más importantes en cada caso, se finaliza con los problemas propuestos. ALQUENOS: La estructura geométrica del etileno, el alqueno más sencillo, es ampliamente conocida gracias a los experimentos espectroscópicos y de difracción. La molécula es plana y de acuerdo con la estructura de Lewis del etileno, el doble enlace de caracteriza por ser una región con dos pares de electrones. Según la descripción orbitálistica de las moléculas, se necesita un orbital por cada par de electrones. Es decir, se necesitan dos orbitales entre ambos carbonos para alojar el número total de electrones de un doble enlace. El modelo orbitálico del etileno comprende dos híbridos sp2 de cada carbono que se usa para formar un sencillo Csp2-Csp2. Hasta ahora, se ha utilizado el orbital s y dos de los orbitales p de cada carbono, pero cada carbono aún posee un orbital p. Estos orbitales p son perpendiculares al plano de los seis átomos, son paralelos entre sí y tienen zonas de solapamiento por encima y por debajo del plano molecular. Este tipo de unión en la que hay dos zonas de enlace, por encima y por debajo del plano nodal, se llama enlace . Esta notación se usa para distinguirla de la del tipo que corresponde al solapamiento de dos orbitales sp2. Dicho enlace carece de nodos y se denomina enlace .
PROPIEDADES FÍSICAS. Las propiedades físicas de los alquenos son similares a las de los alcanos correspondientes. Los alquenos más pequeños son gases a temperatura ambiente. Comenzando por los compuestos C5, los alquenos son líquidos volátiles. Los alquenos isómeros tienen puntos de ebullición parecidos y las mezclas sólo pueden ser separadas mediante una destilación fraccionada realizada con mucho cuidado y con columnas de gran eficacia. Los momentos dipolares son pequeños en el caso de los hidrocarburos, pero permite una distinción entre los isómeros cis y trans. Por ejemplo, el cis-2-buteno tiene un momento dipolar pequeño mientras que el trans-2-buteno tiene un momento dipolar nulo debido a su simetría.
ESTABILIDAD DE LOS ALQUENOS. Aunque la interconversión cis-trans de los isómeros de alquenos no ocurre de manera espontánea, puede inducirse en condiciones experimentales apropiadas, como tratamiento con un catalizador ácido fuerte. Si se interconvierte el cis-2-buteno con el trans-2-buteno y se permite que alcancen el equilibrio, se halla que no tienen la misma estabilidad. En el equilibrio, la relación de isómeros es de 76% trans y 24% cis. Los alquenos cis son menos estables que sus isómeros trans debido a la tensión estérica entre los dos sustituyentes voluminosos en el mismo lado en el doble enlace.
Trans (76%)
Cis (24%)
No hay tensión estérica
Hay tensión estérica
Un incremento en el grado de sustitución eleva más la estabilidad. Como regla general, los alquenos siguen el orden de estabilidad que se presenta enseguida: Tetrasustituido > Trisustituido > Disustituido > Monosustituido
Se han propuesto dos explicaciones para el orden de estabilidad observado. La mayoría de los químicos consideran que el orden se debe principalmente a la hiperconjugación, un efecto estabilizador que resulta de la superposición entre el orbital pi carbono-carbono desocupado y un orbital sigma carbono-hidrógeno lleno en un sustituyente vecino. A mayor número de sustituyentes, más oportunidades existen para la hiperconjugación y más estable es el alqueno. Además del efecto de hiperconjugación, también puede utilizarse un argumento sencillo de energía de enlace para explicar el orden de estabilidad observado en los alquenos. Un enlace entre carbono sp2 y un carbono sp3 es algo más fuerte que un enlace entre dos carbonos sp3. Así, al comparar 1-buteno y 2-buteno, el isómero monosustiutido tiene dos enlaces sp3-sp3 y otro sp3-sp2, mientras que el isómero disustituido tiene dos enlaces sp3-sp2. Los alquenos altamente sustituidos siempre tienen mayor proporción de enlaces sp3-sp2 sobre enlaces sp3-sp3 que los alquenos menos sustituidos, y por tanto son más estables. Además de los Hº de hidrogenación de alguna manera confirman los dos hechos anteriores, dado que a medida que se va aumentando el grado de sustitución del alqueno el
Hº de hidrogenación va disminuyendo, lo que confirma de alguna manera el grado de estabilidad, es decir la estabilidad de los alquenos aumenta con el grado de sustitución.
RESUMEN DE REACCIONES:
1.-
REACCIONES Síntesis de alquenos.
2.-
Reacciones de los alquenos.
EJEMPLOS (véase el capítulo 11, reacciones de eliminación)
(a) Hidrogenación ( Adición cis)
(b) Hidrohalogenación
Donde HX, puede ser HCl, HBr o HI, se observa regioquímica Markovnikov: El H se une al carbono menos sustituido y el X lo hace al carbono más sustituido.
Se observa adición anti-Markovnikov, funciona bien con HBr.
(c) Halogenación (Adición Anti)
Donde X2 = Cl2 o Br2, mecanismo vía ion halonio.
(d) Formación de Halohidrinas (Adición Anti)
Se observa regioquímica estereoquímica anti.
Markovnikov
y
(e) Formación de Haloéteres vecinales (Adición Anti)
Se observa regioquímica estereoquímica anti.
Markovnikov
y
Markovnikov
y
(f) Hidratación
Se observa regioquímica estereoquímica anti.
(g) Oximercuración-Desmercuración
Se observa regioquímica Markovnikov; el grupo OH se une al carbono más sustituido, Adición sin.
(h) Hidroboración-Oxidación
Se observa adición anti-Markovnikov sin.
(i) Epoxidación
Adición concertada.
(j) Dihidroxilación sin vecinal (cis)
Se observa adición sin.
(k) Dihidroxilación anti vecinal (trans)
Se observa adición anti.
(l) Ozonolisis
Dependiendo del tipo de alqueno, los grupos carbonilos pueden ser cetonas, aldehídos o ambos.
(m) Ozonolisis reductiva
Dependiendo del tipo de alqueno, los alcoholes pueden ser 1º o 2º.
(n) Formación de ciclopropanos
Adición vía carbeno.
Conocida como reacción de Simmons-Smith.
(o) Ruptura oxidativa de alquenos
Se diferencia de la dihidroxilación anti en que el KMnO4 se usa concentrado y en caliente.
HIDROGENACIÓN DE ALQUENOS. Los alquenos reaccionan con hidrógeno en presencia de un catalizador adecuado para formar productos de adición. Los alcanos saturados correspondientes. Platino y paladio son los dos catalizadores utilizados para la mayoría de las hidrogenaciones de alquenos. El paladio suele emplearse finamente dividido y con un mineral inerte, como carbón, a manera de soporte para maximizar el área superficial (Pd/C). El platino se emplea generalmente como PtO2, reactivo llamado catalizador de Adams[1]. La reacción de hidrogenación ha resultado difícil de estudiar mecanísticamente. Sin embargo, la experiencia ha demostrado que la hidrogenación suele ocurrir con estereoquímica sin; ambos hidrógenos se unen al doble enlace desde la misma cara. El primer paso de la reacción es la adsorción del hidrógeno en la superficie del catalizador. Después se forma un complejo entre el catalizador y el alqueno mediante la superposición de orbitales vacantes del metal con el orbital pi lleno del alqueno, a continuación el producto saturado se separa del catizador.
HIDROHALOGENACIÓN. El protón de ácido fuerte puede adicionarse a un doble enlace para dar una carbocatión, mediante un ataque electrofílico y posterior captura por el nucleófilo (X-). Para la reacción se requieren temperaturas bajas, para evitar transposiciones. Si los carbonos del alqueno no están igualmente sustituidos, el protón del haluro ataca al carbono menos sustituido, dejando de esa manera un carbocatión más estable y en consecuencia el halógeno tiende hacia el carbono más sustituido. Este hecho se denomina regla de markovnikov[2] . Mecanismo de adición electrofílico de HX a alquenos.
Ejemplos:
Adiciones radicalarias sobre los alquenos: formación del producto anti-Markovnikov. El bromuro de hidrógeno puede adicionarse de forma anti-Markovnikov a los alquenos: en un nuevo mecanismo, el mecanismo de esta reacción de adición no sigue una secuencia iónica, sino una más rápida en cadena radicalaria. La condición es tratar al alqueno en HBr y presencia de un peróxido. Mecanismo de hidrobromación radicalario:
El cloruro de hidrógeno (HCl) y el yoduro de hidrógeno (HI) no dan productos de adición anti-Markovnikov con los alquenos debido a una cinética desfavorable.
HALOGENACIÓN DE ALQUENOS. Los reactivos que no contienen átomos de electrófilos pueden atacar electrofílicamente a los dobles enlaces. Un ejemplo es la halogenación de los alquenos, que tiene lugar con adición al doble enlace de dos átomos de halógeno para dar un dihaluro vecinal. Esta reacción va bien con el cloro y el bromo. El flúor reacciona demasiado violentamente y la formación de un diyoduro es neutra desde el punto de vista termodinámico. La estereoquímica de la adición es anti (trans). ¿Cuál es el mecanismo que explica esta estereoquímica? ¿Cómo ataca el halógeno al doble enlace rico en electrones, si parece que no contiene ningún centro electrófilo?. La nube electrónica del alqueno es nucleófila y ataca a un extremo de la molécula de halógeno con desplazamiento simultáneo del segundo halógeno como anión haluro. El intermedio que resulta es un ion halonio cíclico. Un posterior ataque nucleófilo del X- vía una SN2 por la cara contraria al ion halonio explica claramente una adición anti. Cuando los iones halonio son simétricos, el ataque es igualmente probable en cualquiera de los dos átomos de carbono, dando por lo tanto el producto racémico. Mecanismo de halogenación. ion halonio
Cuando el halógeno es bromo el intermedio es un ion bromonio cíclico. La principal característica de esta especie es que el bromo se une a los átomos de carbono del doble enlace inicial para formar un anillo de tres miembros. Una importante característica de este ion bromonio cíclico es que explica la estereoquímica de la bromación. La estructura de este ion es rígida y únicamente puede ser atacada por el lado opuesto al bromo. Ejemplos:
1-Hexeno 1-Cloro.2.metilciclohexeno 1,1,2,Tricloro-2-metilciclohexano
1,2-Dibromohexeno
Ciclohexeno racémico
trans-1,2-Dibromociclohexano
trans-2-Buteno Dibromobutano
meso-2,3-
¿El ion halonio puede reaccionar con otros nucleófilos?. En presencia de otros de otros nucleófilos, el ion haluro competirá con ellos para atrapar al ion halonio cíclico. Por ejemplo la bromación del ciclopenteno en presencia de un exceso de ion cloruro (añadido como sal) da una mezcla de trans-1,2-dibromociclopentano y trans-1-bromo-2ciclopentano.
De este mismo modo se pueden explicar la formación de las halohidrinas y haloéteres vecinales. Ejemplos:
Ciclopenteno
trans-2-Bromociclopentanol
Ciclohexeno
Trans-1-bromo-2-metoxiciclohexano
HIDRATACIÓN ELECTRÓFILA. Cuando un alqueno se trata con una disolución acuosa de un ácido que contenga un contraión que sea un mal nucleófilo, como el ácido sulfúrico, el agua juega el papel de nucleófilo e intercepta al carbocatión que se ha formado después de la protonación inicial. En la reacción global, los elementos del agua se han adicionado al doble enlace, o sea, ha tenido lugar una hidratación. Este proceso es el inverso de la deshidratación de alcoholes inducida en medio ácido. El mecanismo es el mismo pero a la inversa. Mecanismo de hidratación.
Ejemplo:
Otro método de obtener alcoholes o éteres desde alquenos es la oximercuracióndesmercuración, ya comentada en el capítulo 13. Estos métodos en general conducen al producto más sustituido, adición Markovnikov. HIDROBORACIÓN-OXIDACIÓN. El resultado global de una hidroboración-oxidación, es la adición de agua a un doble enlace. Al contrario de las hidrataciones descritas anteriormente, esta es antiMarkovnikov. El borano, BH3, se adiciona al doble enlace sin activación catalítica. Esta reacción se denomina hidroboración. La hidroboración, además de ser estereoespecífica (adición sin), es también regioselectiva. Al contrario de las adiciones electrófilas descritas con anterioridad, sólo controlan la regioselectividad los factores estéricos (y no los electrónicos): el boro se une al carbono de menos impedido (menos sustituido). La posterior oxidación del producto de hidroboración con peróxido de hidrógeno en medio básico acuoso, da lugar a la oxidación del alquilborano, produciendo la formación del alcohol.
Mecanismo propuesto:
Hidroboración
Oxidación
Ejemplos:
HIDROBORACIÓN-HALOGENACIÓN MARKOVNIKOV.
:
HIDROHALOGENACIÓN
ANTI-
Los alquilboranos también pueden ser precursores de haloalcanos. El resultado global de esta hidroboración-halogenación es la hidrohalogenación de un alqueno de forma regioselectiva y estereoespecífica. El halógeno, al contrario de las adiciones Markovnikov, se coloca en el carbono menos sustituido. Ejemplos.
EPOXIDACIÓN DE ALQUENOS. El grupo -OH de los ácidos peroxicarboxílicos, RCO3H, contienen un oxígeno electrófilo. Estos compuestos reaccionan con los alquenos, adicionando este oxígeno al doble enlace con formación de oxaciclopropanos. El otro producto de la reacción es el ácido carboxílico, que se elimina mediante extracciones con base acuosa. (véase el mecanismo en el capítulo 13, formación de epóxidos). DIHIDROXILACIÓN ANTI VECINAL (FORMACIÓN DE DIOLES TRANS). Al tratar un oxaciclopropano con agua, en presencia de cantidades catalíticas de un ácido o una base, tiene lugar la apertura del ciclo con formación del correspondiente diol vecinal. En esta reacción el agua ataca nucleofílicamente al anillo de tres miembros por la parte opuesta a donde se encuentra el oxígeno.
DIHIDROXILACIÓN SIN VECINAL (FORMACIÓN DE DIOLES CIS). El permanganato potásico reacciona, en solución fría, con los alquenos para dar los correspondientes dioles vecinales sin. El otro producto de esta reacción es el dióxido de manganeso, que es un oxidante débil e insoluble en el medio de reacción. En estas condiciones neutras el MnO2 no reacciona ni con el alqueno ni con el diol. ¿Cuál es el mecanismo de esta transformación? La reacción del enlace con permanganato constituye una adición concertada con movimiento simultáneo de tres pares de electrones para dar un éster cíclico que contiene Mn(V). Por razones estéricas, la única manera de formarse el producto es cuando los dos átomos de oxígeno se introducen por el mismo lado del doble enlace: sin. Este intermedio es reactivo y en presencia de agua se hidroliza para dar el diol libre. La dihidroxilación sin puede conseguirse con mejores rendimientos usando tetróxido de osmio OsO4, muy similar al permanganato en su modo de acción. Si se utilizan en cantidades estequiométricas se pueden aislar los ésteres cíclicos, pero normalmente estos se reducen con H2S o bisulfito, NaHSO3. Sin embargo, al ser el OsO4 caro y muy tóxico se utilizan cantidades catalíticas en presencia de cantidades estequiométricas de peróxido de hidrógeno. Mecanismo de oxidación de los alquenos con permanganato:
Dihidroxilación vecinal sin con tetróxido de osmio.
REACCIÓN DE OZONOLISIS DE ALQUENOS. En todas las reacciones de adición de alquenos que se han considerado hasta aquí, el esqueleto carbonado del material de partida ha permanecido intacto. El doble enlace carbono-carbono se ha transformado en nuevos grupos funcionales, por adición de diferentes reactivos, pero no han roto o transpuesto enlaces del esqueleto de carbono. Sin
embargo existen reactivos fuertemente oxidantes que rompen los enlaces carbono- carbono para producir dos fragmentos. El ozono (O3) es el reactivo más útil para la ruptura de dobles enlaces. Este compuesto que se elabora convenientemente en el laboratorio haciendo pasar oxígeno a través de una descarga eléctrica de alto voltaje, se une rápidamente a los alquenos a bajas temperaturas para formar intermedios cíclicos llamados molozónidos. Una vez formados, los molozónidos se transponen con rapidez para formar ozónidos. Los ozónidos son explosivos, y por tanto nunca se aíslan, sino que suelen tratarse con un agente reductor, como zinc metálico en ácido acético, para transformarse en compuestos carbonilicos. Reacción de ozonólisis.
Alqueno
Ozónido
Productos carbonílicos
Mecanismo de la ozonolisis: ETAPA 1 Formación y ruptura del molozónido
Molozónido Oxido de carbonilo ETAPA 2 Formación y reducción del ozónido
Ejemplos.
(Z)-3-Metil-2-penteno Etanal
2-Butanona
1-Metilciclohexeno
Isopropilidenciclohexano
6-Oxoheptanal
Ciclohexanona
Acetona
OZONOLISIS A ALCOHOLES (OZONOLISS REDUCTIVA). Al tratar el ozónido con borohidruro sódico se obtienen alcoholes. De esta forma, un doble enlace puede romperse oxidativamente para producir alcoholes, estamos hablando de una ozonolisis reductiva.
4-Octeno
1-Butanol (95%)
Otros agentes oxidantes además del ozono también causan ruptura del doble enlace. Por ejemplo, el permanganato de potasio en solución neutra o ácida provoca la ruptura del alqueno, formando productos carbonílicos con rendimiento bajo o moderado. Si en el doble enlace están presentes hidrógenos, se producen ácidos carboxílicos, si hay dos hidrógenos en un mismo carbono, se forma CO2. Ejemplo:
3,7-Dimetil-1-octeno
Ácido-2,6-dimetilheptanoico (45%).
ADICIÓN DE CARBENOS A ALQUENOS: SÍNTESIS DE CICLOPROPANOS.
La última reacción de adición a alquenos que se considerará en este capítulo es la adición de un carbeno a un alqueno para producir un ciclopropano. Un carbeno R2C: , es una molécula neutra que contiene un carbono divalente con sólo seis electrones en su capa de valencia. Por ello es altamente reactivo, y sólo puede generarse sólo como un intermediario de reacción, no como una sustancia aislable. Uno de los mejores métodos para generar un carbeno sustituido es el tratamiento de cloroformo, CHCl3, con una base fuerte como hidróxido de potasio. La pérdida de un protón del CHCl3 genera el anión triclorometano, -:CCl3, el cual libera un ion cloruro para convertirse en diclorocarbeno, :CCl2. Si se genera diclorocarbeno en presencia de un doble enlace, ocurre la adición del carbeno, electrófilo, al doble enlace, y se forma un diclorociclopropano. La adición es estereoespecífica, lo cual significa que se forma un solo estereoisómero como producto. Ejemplo:
Ciclohexeno
(60%)
cis-2-penteno
(65%)
El mejor método para producir ciclopropanos no halogenados es la reacción de Simmons3 -Smith4 . Ejemplo:
Ciclohexeno
Biciclo (4.1.0) heptano (92%)
ALQUINOS Los alquinos son hidrocarburos que se caracterizan por poseer un grupo funcional del tipo triple enlace carbono-carbono. La fórmula general de los alquinos es CnH2n-2. El acetileno, H-CC-H, que es el alquino más simple, , fue ampliamente usado en la industria como materia prima para la elaboración de acetaldehído, ácido acético, cloruro de vinilo y otros productos químicos, pero ahora son más comunes otros procesos más eficientes en los que se usa etileno como materia prima. Los átomos de carbono de los alquinos tienen hibridación sp, y el triple enlace está formado por un enlace sigma () sp-sp y dos pi p-p. Existen relativamente pocos métodos generales para la síntesis de alquinos. En éste capítulo comentaremos algo acerca de su estructura, preparación y reacciones de los mismos. ALQUINOS. Un triple enlace carbono-carbono resulta de la superposición de dos átomos de carbono con hidridación sp. Recuérdese que los orbitales híbridos sp del carbono adoptan un ángulo de 180º entre sí, a lo largo de un eje perpendicular a los ejes de los dos orbitales no híbridos 2py y 2pz. Cuando dos carbonos con hibridación sp se aproximan uno a otro para enlazarse, la configuración geométrica es adecuada para que se forme un enlace spsp y dos enlaces p-p; es decir, un triple enlace. De este modo el acetileno, C2H2, es una molécula lineal con ángulos de enlace H-C-C de 180º.
Formación de un triple enlace carbono-carbono por superposición de dos carbonos con hibridación sp. Los alquinos tienen puntos de ebullición muy similares a los de los correspondientes alcanos y alquenos. El etino (acetileno) es singular por el hecho de no tener punto de ebullición a presión atmosférica: sublima a -84 ºC. El propino (p.e. -23.2 ºC) y el 1-butino (p.e. 8.1 ºC) son gases, mientras que el 2-butino es prácticamente líquido (p.e. 27 ºC) a temperatura ambiente. Los alquinos de tamaño medio son líquidos destilables. Por analogía con los alquenos, el relativo carácter s de los orbitales híbridos del carbono de los alquinos sustituidos se traduce en la presencia de momentos dipolares, excepto en el caso en que los sustituyentes se encuentren distribuidos de forma totalmente simétrica.
= 0.74 D
= 0.80 D
=0D
Por las mismas razones, los alquinos terminales son más ácidos que los alcanos o alquenos homólogos. El pKa del etino, por ejemplo, es de 25, marcadamente bajo comparado con los del eteno (pKa = 44) y del etano (pKa = 50).
Hidridación: pKa:
sp 25
sp2 44
sp3 50.
RESUMEN DE LAS REACCIONES DE LOS ALQUINOS 1.-
Formación de alquinos (a) Deshidrohalogenación de dihalogenuros vecinales
Ejemplos:
2,3-dibromo-pentano
2-pentino
2-cloro-2-buteno
2-butino
(b) Alquilación del ion acetiluro
Acetileno
Un alquino terminal
Un Alquino terminal
Un alquino interno
Ejemplos: Acetileno
2.-
1-butino
Reacciones de los alquinos (a) Adición de HX, donde X = Br o Cl
Ejemplos:
1-butino
2-bromo-2-buteno
1-butino
1-bromo-1-buteno
(b) Adición de X2, donde X = Br o Cl
Ejemplos:
1-butino
1,2-dibromo-1-buteno
1-butino
1,1,2,2,-tertrabromopentano
(c) Hidratación catalizada por sulfato mercúrico
Una metil cetona
Ejemplos:
1-butino
butanona
2-pentino
2-pentanona
3-pentanona
(d) Hidrobaración-oxidación
Ejemplos:
1-butino
butanal
1-ciclopentiletino
2-ciclopentiletanal
(e) Reducción 1.-
Por hidrogenación catalítica
Un alqueno cis
Ejemplos:
1-ciclopentilpropino
propilciclopentano
2.-
1-ciclopentilpropino
cis-1-ciclopentilpropeno
Por litio en amoniaco
Un alqueno trans
Ejemplo:
1-ciclopentilpropino
trans-1-ciclopentilpropeno
(f) Acidez: conversión en aniones acetiluro
Ejemplos:
(g) Alquilación de aniones acetiluro
Acetileno
Un alquino terminal
Un Alquino terminal
Un alquino interno
Ejemplos: (véase alquilación del ion acetiluro) h) Ruptura oxidativa
Ejemplos:
2-butino
FORMACIÓN DE DIHALOGENUROS.
ácido acético
ALQUINOS:
2-pentino propanoico
REACCIONES
ácido
DE
acético
ácido
ELIMINACIÓN
DE
Los alquinos pueden obtenerse por eliminación de HX a partir de halogenuros de alquilo de manera muy parecida a como se obtenían los alquenos. Sin embargo, dado que un alquino está doblemente insaturado, es necesario eliminar dos moléculas de HX. El tratamiento de un 1,2-dihalogenuro (un dihalogenuro vecinal) con un exceso de base fuerte, como KOH o NaOH, da como resultado una doble eliminación, mediante un mecanismo E2. Los dihalogenuros vecinales requeridos se obtienen fácilmente por adición de bromo o cloro a los alquenos. De este modo, la secuencia global de halogenaciódeshidrohalogenación constituye un muy buen método par transformar un alqueno en un alquino. Si bien es posible utilizar distintas bases para la deshidrohalogenación, normalmente se prefiere el amiduro sódico, NaNH2, porque suele tener mayores rendimientos. La doble deshidrohalogenación ocurre en pasos bien diferenciados a través
de un halogenuro vinílico intermedio, lo cual sugiere que los halogenuros vinílicos mismos se conviertan en alquinos cuando se tratan con bases fuertes. Ejemplo:
REACCIONES DE ALQUINOS: ADICIÓN DE HX Y X2. Como regla general, los reactivos electrófilos se unen a los alquinos del mismo modo que a los alquenos. Por ejemplo, con HX, los alquinos forman los productos de adición esperados. Aunque usualmente las reacciones pueden detenerse después de la adición de un equivalente de HX, un exceso de ácido forma un dihalogenuro. Por ejemplo, la reacción de 1-hexino con dos equivalentes de HBr produce el 2,2-dibromohexano. La regioquímica de la adición sigue la regla de Markovnikov. El halógeno se une al carbono más sustituido del triple enlace, y el hidrógeno lo hace al menos sustituido. La mayoría de las veces se encuentra en el producto la estereoquímica trans de H y X. Esto indica un mecanismo similar a los de los alquenos es decir vía carbocatión. En este caso el intermedio formado es un carbocatión vinílico.
Un alquino
Un carbocatión vinílico
Un bromuro vinílico
Ejemplo:
1-Pentino
2-Bromo-1-pentino
2,2-Dibromopentano
Bromo y cloro también se unen a los alquinos para formar productos de adición, y también en este caso resulta una estereoquímica trans. La adición es similar a la de los alquenos. Ejemplo:
1-Butino
(E)-1,2-Dibromo-1-buteno
1,1,2,2-Tetrabromobutano
HIDRATACIÓN DE ALQUINOS. Los alquinos pueden adicionar agua en analogía con la hidratación de alquenos. La adición va en el sentido Markovnikov para dar enoles que tautomerizan a cetonas. La reacción esta catalizada por los iones mercurio. Los alquinos simétricos internos dan solamente un compuesto carbonílico; los no simétricos conducen a mezclas de productos.
Ejemplos:
2-Pentino 3-Hexino
(50%)
(50%)
Único producto (80%)
1-Pentino
2-Pentanona (78%)
(91%)
Los tautómeros son tipos especiales de isómeros que se interconvierten con rapidez por medio de un equilibrio, llamado ceto-enolico.
Tautómero enol (meno favorecido)
Tautómero ceto (más favorecido).
Mecanismo de la hidratación de un alquino catalizada por ion mercúrico para formar una cetona. La reacción produce un enol intermediario que rápidamente se tautomeriza para convertirse en una cetona.
Una cetona
Un enol
HIDROBORACIÓN DE ALQUINOS. Los alquinos terminales pueden reaccionar con borano, aunque en la práctica es difícil detener la reacción en el paso del borano vinílico. En circunstancias normales, experimentan una segunda adición al borano vinílico intermedio. Para evitar esta doble adición puede usarse un borano voluminoso estéricamente impedido, como el bis-(1,2dimetilpropil)borano (que se conoce comúnmente como disiamilborano) en lugar del borano normal (BH3). Cuando un alquino terminal reacciona con disiamilborano, ocurre la
adición de B-H al triple enlace C-C con la regioquímica anti Markovnikov esperada. Sin embargo, una segunda adición es bastante lenta, puesto que el volumen estérico del reactivo dialqilborano dificulta el acercamiento al doble enlace. Por lo tanto, la oxidación del borano vinílico forma primero un enol y finalmente un aldehído. Ejemplo:
Obsérvese que la secuencia de hidroboración-oxidación es complementaria de la reacción de hidratación directa de alquinos, ya que resultan productos diferentes. La hidratación directa de un alquino terminal con ácido acuoso y sulfato mercúrico produce una metil cetona, mientras que la hidroboración-oxidación del mismo alquino forma un aldehído:
REDUCCIÓN DE ALQUINOS. Los alquinos pueden hidrogenarse en las mismas condiciones empleadas para hidrogenar alquenos. Por lo general, el platino o el paladio sobre carbón se colocan en suspensión en una solución que contiene al alquino, y la mezcla se pone en contacto con una atmósfera de hidrógeno. En estas condiciones se produce la completa saturación del triple enlace. Ejemplos
5-Decino
Decano (96%)
4-Metoxi-1-butino
1-Metoxibutano (100%)
La hidrogenación es un proceso por pasos, lo cual permite en ciertos casos detener la reacción a nivel del alqueno intermedio. Otra alternativa es evitar la hidrogenación del alqueno a base de emplear catalizadores modificados. Uno de tales sistemas es paladio precipitado sobre carbonato cálcico y tratado con acetato de plomo y quinoleína, y se conoce como catalizar Lindlar[1] . La superficie del metal en el catalizador de Lindlar adopta una configuración menos activa que la del paladio sobre carbón, de forma que solamente el primer enlace del alquino, más reactivo, es hidrogenado. Al tratarse de una adición sin, constituye un método de síntesis estereoselectiva de alqueno cis. Ejemplo:
1-Decino
cis-5-Deceno (96%)
Un segundo método para la conversión de alquinos en alquenos es emplear sodio o litio metálico en amoniaco líquido como disolvente. Este método es complementario al de la reducción de Lindlar, puesto que con él se producen alquenos trans en vez de alquenos cis. El mecanismo en sí implica la donación de un electrón al triple enlace para producir un anión radical intermedio (tiene número impar de electrones) como un anión (tiene carga negativa). Este intermediario acepta un protón del amoniaco para formar un radical vinílico. La adición de un segundo electrón al radical vinílico produce un anión vinílico, el cual toma un segundo protón del amoniaco para formar el alqueno trans como producto. Ejemplo:
5-Decino
trans-5-Deceno (78%)
ACIDEZ DE LOS ALQUINOS: FORMACIÓN DE ANIONES ACETILURO.
La diferencia más notable entre la química de los alquenos y la de los alquinos es que los alquinos terminales son débilmente ácidos. Cuando un alquino terminal se trata con una base fuerte, como el amiduro sódico, NaNH2, el hidrógeno terminal es eliminado y se forma un anión acetiluro:
Anión Acetiluro
ALQUILACIÓN DE ANIONES ACETILURO.
La presencia de un par de electrones no compartidos hace que los aniones acetiluro sean fuertemente nucleófilos. Como resultado, cuando están disueltos en tetrahidrofurano estos aniones reaccionan con halogenuros de alquilo, para sustituir el halógeno y formar un nuevo alquino como producto. La alquilación de alquinos no se limita al ion acetiluro. Cualquier alquino terminal puede convertirse en un anión acetiluro correspondiente y alquilarse por tratamiento con un halogenuro de alquilo para formar un alquino interno. Debido a su generalidad, la alquilación de acetiluros es el mejor método para formar alquinos sustituidos a partir de precursores más simples. La alquilación de iones acetiluro se limita al uso de bromuros y yoduros de alquilo primarios, RCH2X, por razones estéricas, dado que son sustituciones nucleófilicas del tipo SN2. Además de su reactividad como nucleófilos, los iones acetiluro son suficientemente fuertes para causar deshidrohalogenación en vez de sustitución cuando reaccionan con halogenuros de alquilo secundarios o terciarios. Ejemplos:
1-Hexino
5-Decino (75%)
Propino
2-Butino (75%)
1-Pentinilciclohexano (85%)
RUPTURA OXIDATIVA DE ALQUINOS. Los alquinos, como los alquenos, pueden romperse por reacción con agentes oxidantes fuertes, como el permanganato de potasio u ozono. Sin embargo, un triple enlace suele ser menos reactivo que un doble enlace, y los rendimientos de los productos de ruptura algunas veces son bajos. La reacción es demasiado compleja mecanísticamente para ser tratada con detalles. Los productos que se obtienen son ácidos carboxílicos. Si se oxida un alquino terminal se forma CO2 como uno de los productos.
Ejemplos:
3-Hexino
Ácido propanoico (2 moles)
Butino
Ácido propanoico
HALOGENUROS DE ALQUILO: Los halogenuros de alquilo son compuestos que contienen halógeno unido a un átomo de carbono saturado con hibridación sp3. El enlace C-X es polar, y por tanto los halogenuros de alquilo pueden comportarse como electrófilos. Los halogenuros de alquilo pueden obtenerse mediante halogenación por radicales de alcanos, pero este método es de poca utilidad general dado que siempre resultan mezclas de productos. El orden de reactividad de los alcanos hacia la cloración es idéntico al orden de estabilidad de los radicales: terciario secundario primario. Conforme al postulado de Hammond[1], el radical intermedio más estable se forma más rápido, debido a que el estado de transición que conduce a él es más estable. Los halogenuros de alquilo también pueden formarse a partir de alquenos. Estos últimos se unen a HX, y reaccionan con NBS para formar el producto de bromación alílica. La bromación de alquenos con NBS es un proceso complejo por radicales que ocurre a través de un radical alilo. Los radicales alilos son estabilizados por resonancia y pueden representarse de dos maneras, ninguna de las cuales es correcta por sí misma. La verdadera estructura del radical alilo se describe mejor como una mezcla o híbrido de resonancia de las dos formas resonantes individuales. Los alcoholes reaccionan con HX para formar halogenuros de alquilo, pero este método sólo 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 solución de éter para formar halogenuros de alquil-magnesio, o reactivos de Grignard[2], RMgX. Algunos reactivos de Grignard son tanto nucleófilos como básicos, y reaccionan con ácidos de Bronsted para formar hidrocarburos. El resultado global de la formación del reactivo de Grignard y su protonación es la transformación de un halogenuro de alquilo en un alcano (R-X RMgX R-H).
Los halogenuros de alquilo también reaccionan con litio metálico para formar compuestos de alquil-litio, RLi, que en presencia de CuI forman diorganocupratos o reactivos de Gilman[3], R2CuLi. Estos reaccionan con halogenuros de alquilo para formar hidrocarburos de acoplamiento como productos. ESTRUCTURA DE LOS HALOGENUROS DE ALQUILO: El enlace carbono-halógeno en los halogenuros de alquilo resulta de la superposición de un orbital de carbono con hibridación sp3 y un orbital de halógeno. Así, los átomos de carbono de los halogenuros de alquilo tienen configuración geométrica aproximadamente tetraédrica, con ángulos de enlace H-C-X cercanos a 109º. Los halógenos aumentan de tamaño al descender en la tabla periódica, incremento que se refleja en las longitudes de enlaces en la serie de los halometanos. Como los halógenos son más electronegativos que el carbono, el enlace resultante entre ambos resulta polarizado, el átomo de carbono tiene una ligera carga positiva (+), mientras que el átomo de halógeno tiene una ligera carga negativa (-).
Dado que el átomo de carbono de los halogenuros de alquilo está polarizado positivamente, estos compuestos son buenos electrófilos. Se verá que gran parte de la química de los halogenuros de alquilo está determinada por su carácter electrófilo. OBTENCIÓN DE LOS HALOGENUROS DE ALQUILO 1.-
A partir de alquenos por bromación alílica.
Ejemplo:
2.-
A partir de alquenos por adición de HBr y HCl.
Ejemplo:
3.-
A partir de alcoholes. (a) Reacción con HX, donde X = Cl, Br o I; Orden de reactividad: 3º 2º 1º.
Ejemplo:
(b) Reacción de alcoholes primarios y secundarios con SOCl2 en piridina.
Ejemplo:
(c) Reacción de alcoholes primarios y secundarios con PBr3, en éter.
Ejemplo:
1.-
BROMACIÓN ALÍLICA DE ALQUENOS.
En 1942, Karl Ziegler[4] informó que al repetir algunos trabajos previos de Wohl[5], observó que los alquenos reaccionan con N-bromosuccinimida (que se abrevia NBS) en presencia de luz, para formar productos que resultan de la sustitución de hidrógeno por bromo en la posición adyacente al doble enlace (la posición alílica). Por ejemplo, el ciclohexeno se convierte en 3-bromocioclohexeno, con un 85% de rendimiento:
Cicloheheno
3-bromociclohexeno (85%)
Esta bromación alílica con NBS es muy parecida a la reacción de halogenación de alcanos: En ambos casos se rompe un enlace C-H de un carbono saturado, y el átomo de hidrógeno es reemplazado por un halógeno. La analogía es adecuada, pues se ha demostrado que las bromaciones con NBS efectivamente ocurren a través de un mecanismo por radicales. Si bien el mecanismo exacto de la reacción es complejo, el paso crucial que determina el producto implica la sustracción de un átomo de hidrógeno alílico y la formación del radical correspondiente. El radical reacciona luego con Br2 para formar el producto y un radical bromo, que regresa a la reacción para continuar la cadena. El Br2 necesario para la reacción con el radical alilo es producido por una reacción concurrente de HBr con NBS. Mecanismo:
¿Por qué la bromación ocurre exclusivamente en la posición vecina al doble enlace y no en cualquiera de las otras posiciones? Una vez más, la respuesta se encuentra examinando las energías de disociación de enlace para ver las estabilidades de los diversos tipos de radicales.
Además de influir en la estabilidad, la deslocalización de los electrones no pareados en el radical alilo tiene consecuencias químicas. Dado que el electrón no pareado está distribuido en ambos extremos de la del sistema de orbitales pi, la bromación alílica de un alqueno asimétrico con frecuencia produce una mezcla de productos. Por ejemplo, la bromación 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 asimétrico, la reacción no es igualmente probable en ambos extremos, y los dos productos no se forman en cantidades iguales.
Explicación mecanistica:
Dado que en la bromación de alquenos asimétricos se forman mezclas de productos, la bromación alílica transcurre mejor en alquenos simétricos, como el ciclohexeno. Los productos de esas reacciones son particularmente útiles para su conversión en dienos por deshidrohalogenación con base.
2.OBTENCIÓN DE HALOGENUROS DE ALQUILO A PARTIR DE ALCOHOLES. El mejor método para producir halogenuros de alquilo es la síntesis a partir de alcoholes. El método más sencillo (aunque generalmente el menos útil) para la conversión de un alcohol en un halogenuro de alquilo consiste en el tratamiento del alcohol con HCl, HBr o HI:
El método funciona bien cuando es aplicado a alcoholes terciarios, R3C-OH. Los alcoholes secundarios y primarios también reaccionar pero a velocidades menores y a temperaturas de reacción considerablemente altas. La reacción de HX con un alcohol
terciario es tan rápida que a menudo se efectúa simplemente burbujeando el HX gaseoso puro en una solución fría de alcohol en éter. La reacción suele realizarse en unos cuantos minutos.
La mejor forma de transformar los alcoholes primarios y secundarios en halogenuros de alquilo es tratándolos con reactivos como el cloruro de tionilo (SOCl2) o tribromuro de fósforo (PBr3). Estas reacciones normalmente ocurren en condiciones suaves, menos ácidas, y es menos probable que ocasionen transposiciones catalizadas por ácido que el método con HX.
Como indican los ejemplos anteriores, el rendimiento de las reacciones con PBr3, y el SOCl2 generalmente es alto. No suelen interferir otros grupos funcionales como éteres, carbonilos o anillos aromáticos. Los mecanismo los veremos con más detalles en capitulas posteriores. REACCIONES DE LOS HALOGENUROS DE ALQUILO 1.-
Formación de reactivos de Grignard.
donde X = Br, Cl, o I R = Alquilo 1º, 2º, 3º, arilo o vinilo Ejemplo:
2.-
Formación de diorganocupratos (reactivos de Gilman).
R = alquilo 1º, 2º , 3º, arilo o vinilo Ejemplo:
Ejemplo:
3.-
Acoplamiento de compuestos organometalicos.
Ejemplo:
4.-
Conversión de halogenuros de alquilo en alcanos.
Ejemplo:
SUSTITUCIÓN NUCLEOFÍLICA Las sustituciones nucleofílicas son de dos tipos: reacción SN2 y reacción SN1. En la primera, el nucleófilo entrante ataca al halogenuro desde una posición a 180º respecto al grupo saliente, lo que da por resultado una inversión de la configuración cuando en carbono en cuestión es quiral (análoga a la inversión de un paraguas por el viento) en el átomo de carbono. La reacción tiene cinética de segundo orden, y es fuertemente inhibida conforme aumenta el volumen estérico de los reactivos. Por tanto, las reacciones SN2 se ven favorecidas sólo para sustratos primarios y secundarios. La reacción SN1 ocurre cuando el sustrato se disocia de manera espontánea para formar un carbocatión en un paso limitante de la velocidad lento, seguido por un ataque rápido del nucleófilo. En consecuencia, las reacciones SN1 tienen cinética de primer orden, y ocurren con racemización de la configuración en el átomo de carbono cuando éste es quiral. Estas reacciones se ven favorecidas para los sustratos terciarios.
REACCIONES SN2 1.Estas reacciones ocurren con inversión completa de la estereoquímica del carbono estereogénico. 2.Estas reacciones presentan cinética de segundo orden y obedecen a la siguiente ley de velocidad: Velocidad = k · RX · Nu. 3.-
Su mecanismo es en un sólo paso, formándose un estado de transición.
Ejemplos.
El mecanismo es concertado, en un solo paso de reacción.
¿Qué mecanismo explica la estereoquímica observada y la cinética de segundo orden para estas reacciones? En 1937, Hughes e Ingold propusieron la primera explicación satisfactoria al formular el mecanismo de lo que ellos llamaron reacción SN2, abreviatura de sustitución nucleofílica bimolecular. (Bimolecular porque, en el paso cuya cinética se mide, participan dos moléculas: el nucleófilo y el halogenuro de alquilo).
La característica esencial del mecanismo de reacción SN2 formulado por Hughes e Ingold es que la reacción transcurre en un solo paso, sin intermedio. Cuando el nucleófilo entrante ataca el sustrato desde una posición a 180º del grupo saliente, se forma un estado de transición, en el cual comienza a formarse el enlace nucleófilo carbono y simultáneamente comienza a romperse el enlace grupo saliente carbono, invirtiéndose la configuración estereoquímica de la molécula. Este proceso se muestra para la reacción de (S)-2-bromobutano con ion hidróxido, lo que da por resultado (R)-2-butanol.
El nucleófilo -OH utiliza los electrones de su par no compartido para atacar el carbono del halogenuro de alquilo en una dirección a 180º del halógeno saliente. Esto da por resultado un estado de transición en el cual el enlace C-OH está parcialmente formado y el enlace C-Br está parcialmente roto.
La estereoquímica del carbono se invierte a medida que se forma el enlace C-OH y el ion bromuro se desprende con el par de electrones del enlace C-Br original.
CARACTERÍSTICAS DE LA REACCIÓN SN2: El estudiante ya tendrá una buena idea de cómo ocurren las reacciones S N2, pero también es necesario saber cómo pueden usarse estas sustituciones y qué variables las afectan. Algunas reacciones SN2 son rápidas y otras son lentas; algunas tienen altos rendimiento, y otras rendimientos bajos, etc. La velocidad de una reacción química es determinada por la energía de activación (G), la diferencia de energía entre los reactivos y el estado de transición. Otros factores son.
EFECTO ESTÉRICO EN LA REACCIÓN SN2. La primera variable por observar de una reacción SN2 es el volumen estérico del halogenuro de alquilo. Como la reacción implica la formación de un estado de transición parece razonable esperar que un sustrato voluminoso, impedido, dificultará el acercamiento del nucleófilo, y de este modo será más difícil alcanzar el estado de transición. En otras palabras los sustratos estéricamente voluminosos, en los cuales el átomo de carbono está protegido contra el ataque del nucleófilo, reaccionan con mayor lentitud que los sustratos
menos impedidos. Como se muestra para los siguientes casos, la dificultad para el ataque nucleofílico se eleva a medida que aumenta el tamaño de los tres sustituyentes unidos al átomo de carbono.
Impedimento estérico a la reacción SN2. Como se indican en estos modelos, el átomo de carbono en (a), bromometano, es fácilmente accesible, lo que da por resultado una reacción SN2 rápida. Los átomos 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 más 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
terciario
Ejemplo: Para la reacción
R-Br + Nu- R-Nu + BrGrupo R CH3CH3-CH2R’-CH2CH2(CH3)2-CH(CH3)3-C(CH3)3-C-CH2-
(SN2)
Velocidad relativa 30 1 0.4 0.002 0.001 0.00001
secundario
NUCLEÓFILO ATACANTE. La naturaleza del nucleófilo atacante es una segunda variable con notable efecto en las reacciones SN2. Cualquier especie que sea neutra o cargada negativamente, puede actuar como nucleófilo, siempre y cuando tenga un par de electrones no compartidos (es decir, que sea una base de Lewis). Si el nucleófilo tiene carga negativa, el producto es neutro, pero si el nucleófilo es neutro el producto queda con carga positiva. Las especies nucleofílicas cargadas suelen ser mejores nucleófilos que las especies neutras, entre especies de igual naturaleza el mejor criterio a emplear es el del número atómico, del tal forma que aquellos que tengan el mayor número atómico serán mejores especies nucleofílicas que las de menor número atómico. La nucleofília exacta de una especie en una reacción dada depende de muchos factores, como la naturaleza del sustrato, la identidad del solvente, e incluso la concentración de los reactivos. Aunque no hay explicaciones precisas para las nucleofílias observadas pueden detectarse algunas tendencias en los datos: 1.
La nucleofília es aproximadamente paralela a la basicidad cuando se comparan nucleófilos que tienen el mismo átomo atacante. El ion hidróxido por ejemplo, es más básico y más nucleófilo que el agua. (Tabla 10.1). 2. La nucleofília suele aumentar al descender por una columna en la tabla periódica. Así, por ejemplo el HS- es más nucleófilo que el OH-. 3. La correlación de la nucleofília con la basicidad no es útil para comparar átomos de una misma familia. Al aumentar el número atómico, aumenta la nucleofilia y disminuye la basicidad. (Tabla 10.2). Tabla 10.1.Nucleofília decreciente
Nucleófilos con átomos de Nitrógeno
Nucleófilos con átomos de Oxígeno
H2NC2H5NH2 H3N C6H5NH2 p-NO2C6H4NH2
C2H5OHOC6H5OCH3CO2H2O
Nucleófilos con Nitrógeno frente a Oxígeno H2NHOH3N H2O -
Basicidad Decreciente
Tabla 10.2.Nucleofília decreciente
Nucleófilos del Grupo (V) R3 P R3 N
Nucleófilos del Grupo (VI) RSRO-
Nucleófilos del Grupo (VII) IBr-
Basicidad creciente
-
-
ClF-
GRUPO SALIENTE. Otra variante que puede influir en gran medida en la reacción SN2 es la naturaleza del grupo saliente. Dado que éste es expulsado con carga negativa en la mayoría de las reacciones SN2, es de esperar que los mejores grupos salientes sean aquellos que estabilicen mejor la carga negativa. Más aún puesto que la estabilidad de un anión se relaciona con la basicidad, puede decirse que los mejores grupos salientes serán las bases más débiles (a menor pKa del ácido 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 nucleófilos. En otras palabras fluoruros de alquilo, alcoholes, éteres y aminas no experimentan reacciones SN2 en circunstancias normales. Tabla 10.3.Relación entre la capacidad como grupo saliente y la acidez del ácido conjugado Grupo Saliente p-CH3C6H4SO3- (OTs) IBrH2O (CH3)2S ClCF3CO2H2PO4CH3CO2CNNH3 C6H5ORNH2, R3N C2H5SHOCH3ONH2CH3-
pKa del ác. conjugado
Habilidad como G. Saliente
0
Muy Buenos Grupos Salientes
0.2 2 4.8 9.1 9.2 10 10 10.6 15.7 15.0 36 49
“ “ “
Buenos Grupos Salientes
Malos Grupos Salientes “ Muy Malos G. Salientes “
DISOLVENTE. Las velocidades de muchas reacciones SN2 se ven afectadas por el disolvente que se use. Los disolventes próticos, que contienen grupos -OH, suelen ser los peores para las
reacciones SN2, mientras que los disolventes apróticos polares, que tienen dipolos fuertes pero carecen de -OH o -NH, son los mejores. Los disolventes próticos, como metanol y etanol, retardan las reacciones SN2 porque afectan el nivel de energía del reactivo nucleófilo y no el nivel de energía del estado de transición. Las moléculas de disolventes próticos son capaces de formar enlaces de hidrógeno con los nucleófilos cargados negativamente, creando una “jaula” alrededor del nucleófilo. Esta solvatación estabiliza fuertemente al nucleófilo, reduciendo su reactividad hacia los electrófilos en la reacción SN2.
Un nucleófilo solvatado su nucleofília reducida por el incremento en la estabilidad del estado fundamental En contraste con lo que sucede en el caso de los disolventes próticos, los disolventes polares apróticos favorecen las reacciones SN2. Son particularmente valiosos el acetonitrilo, CH3CN, la dimetilformamida, (CH3)2NCHO (DMF), el dimetilsulfóxido, (CH3)2SO (DMSO); y la hexametilfosforamida (CH3)2N3PO (HMPA). Estos disolventes son capaces de disolver muchas sales debido a su alta polaridad, y tienden a rodear a los cationes metálicos en vez de hacerlo con los aniones nucleófilos, de este modo los nucleófilos no están solvatados y la nucleofilia es mucho más efectiva. La polaridad del disolvente es medida generalmente por su constante dieléctrica, (D), que es una indicación sobre la facilidad del medio de reacción para acomodar especies cargadas. (ver Tabla 10.4) Las reacciones que transcurren con un mecanismo SN2, son más favorables en disolventes polares apróticos, y las que transcurren con un mecanismo S N1 son más favorables en disolventes polares en general, ya que el paso que controla la velocidad es la formación de un carbocatión. Tabla 10.4.POLAR
Disolventes Próticos H2O HCO2H
CH3OH CH3CH2OH (CH3)2CHOH
Cte. Dieléctrica a 25ºC 81 59 45 39 37 33 30 24 23 18
Disolventes apróticos.
(CH3)2SO (DMSO) CH3CN HCON(CH3)2 (DMF) HMPA (CH3)2CO (Acetona)
(CH3)3COH
11 7 6 4 2
CH3CO2H
THF (C2H5)2O (éter) n-C5H12; C6H6; Ccl4
NO POLAR (APOLAR)
Obsérvese que a mayor constante dieléctrica, mayor es la polaridad, es decir un mayor poder de ionización del disolvente, según el poder ionizante del disolvente y el tipo de reacción que se esté tratando los efectos del medio de reacción sobre las velocidades de las reacciones de sustitución nucleófila son:
Mecanismo
Reacción
SN1 SN2 SN2 SN2
R-L R+ + LNu- + R-L R-Nu + LNu + R-L R-Nu+ + LNu- + R-L+ R-Nu + L
Efecto de incrementar el poder ionizante del disolvente (Polaridad) Gran aceleración Pequeña deceleración Gran aceleración Gran deceleración
REACCIONES SN1 Es notable el hecho de que el panorama es del todo distinto cuando se utilizan diferentes condiciones de reacción. Cuando se tratan en disolventes próticos con nucleófilos no básicos en condiciones de neutralidad o acidez, los sustratos terciarios a menudos reaccionan varios miles de veces más rápido que los primarios o secundarios. Por ejemplo la reacción de los alcoholes con HX para obtener halogenuros de alquilo tiene la rapidez máxima en el caso de alcoholes terciarios y la mínima en el caso del metanol: R-OH + HX R-X + H2O R3COH R2CHOH RCH2OH CH3OH 3º
Más reactivo
2º
1º
Metanol
Menos reactivo
La misma tendencia se observa en muchas reacciones de sustitución en las cuales los sustratos se calientan con nucleófilos no básicos en solventes próticos: Los sustratos terciarios reaccionan mucho más rápido que los primarios o secundarios. Por ejemplo, a continuación se presentan las velocidades relativas de reacción con agua de algunos halogenuros de alquilo. Se observa que el 2-bromo-2-metilpropano es más de un millón de veces más 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
¿Qué sucede? Es claro que se trata de reacciones de sustitución 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 sustitución alternativo. Este mecanismo alternativo se llama reacción SN1 (que indica sustitución nucleofilica unimolecular). CINÉTICA DE LA REACCIÓN SN1. Se encuentra que la velocidad de la reacción depende sólo de la concentración del halogenuro de alquilo y es independiente de la concentración del nucleófilo. En otras palabras, esta reacción es un proceso de primer orden. Sólo una molécula participa en el paso cuya cinética se determina. La expresión para la velocidad puede escribirse como sigue: Velocidad de reacción = Rapidez de desaparición del halogenuro de alquilo = k · RX
La rapidez de esta reacción SN1 es igual a un coeficiente de velocidad k por la concentración del halogenuro de alquilo. La concentración del nucleófilo no aparece en la expresión de velocidad. Muchas reacciones orgánicas son muy complejas y transcurren en pasos sucesivos. Uno de estos pasos suele ser más lento que los otros, y se le llama paso limitante de la velocidad. Ninguna reacción puede transcurrir más rápido que su paso limitante de velocidad, el cual actúa como un cuello de botella.
Diagrama de energía para una reacción SN1. El paso limitante de la velocidad es la disociación del halogenuro de alquilo.
ESTEREOQUÍMICA DE LA REACCIÓN SN1. Si es correcto el postulado de que las reacciones SN1 ocurren a través de carbocationes intermediarios, las consecuencias estereoquímicas deben ser distintas de las propias de las reacciones SN2. Los carbocationes son especies planares con hibridación sp2, y por tanto son aquirales. De este modo, si se efectúa una reacción SN1 con un enantiómero de un reactivo quiral y se pasa por un intermediario simétrico aquiral, el producto debe ser ópticamente inactivo. El carbocatión intermediario simétrico puede ser atacado por un nucleófilo indistintamente por el lado derecho o por el lado izquierdo, lo que produce una mezcla 50 : 50 de enantiómeros; es decir, una mezcla racémica.
CARACTERÍSTICAS DE LA REACCIÓN SN1. Así como la reacción SN2 es fuertemente influida por variables como disolvente, grupo saliente, estructura del sustrato y naturaleza del nucleófilo atacante, también lo es la reacción SN1. Los factores que reducen la energía de activación , ya sea estabilizando el estado de transición que conduce a la formación del carbocatión intermediario o elevando el nivel de energía de los reactivos, favorecen las reacciones SN1 haciéndolas más rápidas. A la inversa, los factores que incrementan la energía de activación, ya sea desestabilizando el estado de transición que conduce al carbocatión intermedio o reduciendo el nivel de energía de los reactivos, retardando la reacción SN1.
SUSTRATO. Según el postulado de Hammond, cualquier factor que estabilice un intermediario de alta energía estabilizará también el estado de transición que conduce a dicho intermediario. Dado que el paso limitante de la velocidad en la reacción SN1 es la disociación unimolecular espontánea del sustrato, es de esperar que la reacción se vea favorecida siempre que se formen carbocationes intermediarios estabilizados. Esto es exactamente lo que se observa: cuanto más estable es el carbocatión intermediario, tanto más rápida es la reacción SN1. Como resultado de la estabilización por resonancia en los carbocationes alílicos y bencílicos, los carbocationes tienen el siguiente orden de estabilidad. Nótese que un carbocatión alílico o bencílico primario es casi tan estable como un carbocatión alquilo secundario. De manera similar, un carbocatión alílico o bencílico secundario es tan estable como un carbocatión 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 paréntesis, debe mencionarse que los sustratos alílicos y bencílicos son particularmente reactivos en las reacciones SN2 así como en las SN1. Los enlaces C-X alílicos y bencílicos son aproximadamente 10 kcal/mol más débiles 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 deberían ser los más estables -es decir, las bases conjugadas de ácidos fuertes-. Para la reacción SN1 se encuentra un orden de reactividad idéntico, debido a que el grupo saliente participa de manera decisiva en el paso limitante de la velocidad. Así, se encuentra que el orden de reactividad SN1 es: TosO- I- Br- Cl- H2O Más reactivo
Menos reactivo
Nótese que en la reacción SN1, la cual a menudo se realiza en condiciones ácidas, 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 reacción con HBr o HCl. El alcohol se protona primero y después pierde agua para generar un carbocatión. La reacción posterior del carbocatión con el ion halogenuro produce el halogenuro de alquilo.
Mecanismo de la reacción SN1 de un alcohol terciario con HBr para formar un halogenuro de alquilo. El grupo saliente es agua (neutra).
NUCLEÓFILO. La naturaleza del nucleófilo atacante es decisiva en la reacción SN2. En la reacción SN1 no lo es. Por su propia naturaleza las reacciones SN1 proceden a través de un paso determinante de la velocidad en el cual el nucleófilo agregado no interviene en la cinética. El nucleófilo no participa en la reacción hasta que ha ocurrido la disociación 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 carbocatión intermediario incrementará la velocidad de reacción. La solvatación -estabilización del carbocatión por interacción con moléculas del solvente- puede tener exactamente tal efecto. Si bien no es fácil definir la naturaleza precisa de la estabilización del carbocatión por el solvente, podemos representar las moléculas de este último orientadas alrededor del catión, de manera que los extremos ricos en electrones de los dipolos del solvente queden frente a la carga positiva.
Solvatación de un carbocatión en agua. Los átomos de oxígeno (ricos en electrones) del solvente rodean al catión (con carga positiva) para estabilizarlo.
Las reacciones SN1 ocurren con mucho mayor rapidez en solventes altamente polares que en solventes no polares. Por ejemplo, en la reacción del 2-cloro-2-metilpropano se observa un factor de incremento de 100.000 al pasar al del etanol, un solvente polar, al agua, aún más 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 Más reactivo
REACTIVIDAD
Menos reactivo
Debe insistirse en el hecho de que tanto en la reacción SN1 como en la SN2 el solvente ejerce un gran efecto, aunque por razones distintas. Las reacciones SN2 son desfavorecidas por los solventes próticos debido a que el nivel de energía del estado fundamental del nucleófilo atacante disminuye por solvatación. Las reacciones SN1, en contraste, son favorecidas por los solventes próticos debido a que el nivel de energía del estado de transición que conduce al carbocatión intermediario disminuye por la solvatación.
RESUMEN Características
SN1
SN2
Mecanismo
En dos pasos, uno lento y En un solo paso otro rápido R-L + Nu- R-Nu + L+ I)lento R-L R + L II)Rápido R+ + Nu- RNu
Cinética
De primer orden
De segundo orden
Nucleofilia del reactivo
No afecta a la velocidad
Controla la velocidad, conjuntamente con el sustrato.
Estructura del átomo de carbono saturado (sustrato)
1) Estabilización por resonancia 2) FAVORABLE 3º 2º 1º
1) Impedimento estérico desvaforable 2) CH3 1º 2º 3º
Efectos del disolvente
Favorecida por disolventes ionizantes (polares)
Favorecidas en disolventes apróticos.
Estereoquímica
Racemización
Inversión
Condiciones de reacción
Generalmente ácidas
Generalmente básicas.
Reacciones de competitivas
Eliminación (E1) y Transposición
Eliminación (E2)
REACCIONES DE ELIMINACIÓN: Cuando un nucleófilo o una base de Lewis atacan a un halogenuro de alquilo, son posibles dos tipos de reacciones. El reactivo puede atacar al átomo de carbono y sustituir al halogenuro, o puede atacar a un hidrógeno y causar la eliminación de HX para formar un alqueno.
Las reacciones de eliminación son más complejas que las de sustitución, por varias razones. Existe el problema de la regioquímica: ¿Qué productos resultarán de la deshidrohalogenación de halogenuros asimétricos? En efecto, las reacciones de eliminación casi siempre producen mezclas de alqueno y usualmente lo más que puede hacerse es predecir cuál será el producto principal. Conforme a una regla formulada por el químico ruso Alexander Zaitsev[1] , las reacciones de eliminación inducidas por base generalmente tienen como producto el alqueno más sustituido; es decir, el alqueno con más sustituyentes alquilo en los carbonos del doble enlace, conocida como regla de Zaitsev. En los siguientes dos ejemplos el alqueno predominante es el alqueno más sustituido cuando se usa como base etóxido de sodio en etanol.
La eliminación de HX a partir de halogenuros de alquilo es una reacción general que constituye un excelente método para elaborar alquenos. Sin embargo, este asunto es complejo, y las reacciones de eliminación pueden proceder en una variedad de rutas mecanísticas. En este apartado consideraremos dos de ellas en primera instancia, las reacciones E1 y E2. REACCIÓN E2: La reacción E2 significa eliminación bimolecular y se realiza cuando un halogenuro de alquilo se trata con una base fuerte como el ion hidróxido (-OH) o ion alcóxido (-OR). Es la vía de eliminación más común. Al igual que la reacción SN2, la reacción E2 es un
proceso en un paso, sin intermedios pero con un estado de transición. Cuando la base atacante empieza a sustraer un protón 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, llevándose consigo el par de electrones del enlace C-X. Una evidencia que apoya este mecanismo es la cinética de reacción. Dado que tanto la base como el halogenuro de alquilo participan en el paso limitante de la velocidad, las reacciones E2 presentan cinética de segundo orden: Velocidad = k · RX · Base Una segunda evidencia y más sólida la constituye la estereoquímica de las eliminaciones E2. Como indican una gran cantidad de datos experimentales, las reacciones E2 son estereoesfecíficas. La eliminación siempre procede a partir de una configuración geométrica periplanar, lo cual significa que los cuatro átomos reaccionantes -el hidrógeno, los dos carbonos y el grupo saliente- se encuentran en un mismo plano. Existen dos de tales configuraciones: la periplanar sin, (eclipsada, mayor energía), y la periplanar anti, (alternada de menor energía). De las dos, la configuración anti es energéticamente la preferida de la molécula.
La base (B:) ataca un hidrógeno vecino y comienza a sustraer el hidrógeno 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 está totalmente roto el enlace C-H y el grupo X se ha separado llevándose el par de electrones del enlace C-X.
La configuración periplanar anti de las eliminaciones E2 tiene consecuencias estereoquímicas bien definidas que constituyen una sólida evidencia en favor del mecanismo propuesto. Considérese por ejemplo el meso-1,2-dibromo-1,2-difeniletano, que
experimenta una eliminación E2 cuando se trata con base para formar sólo el alqueno E (con los dos grupos fenilo en cis) puro no se forma nada del alqueno isomérico Z, debido a que el estado de transición que conduce al alqueno Z tendría que tener configuración periplanar sin.
REACCIONES DE ELIMINACIÓN Y CONFORMACIÓN DEL CICLOHEXANO. La configuración periplanar anti de las reacciones E2 es de particular importancia en los anillos de ciclohexano, en los cuales la estructura rígida tipo silla fuerza una relación específica entre los sustituyentes de átomos de carbono vecinos. Derek Barton[2] señaló en 1960 en un artículo decisivo que gran parte de la reactividad química de los cicloalcanos sustituidos es controlada por efectos conformacionales. A continuación se considera la deshidrohalogenación E2 de los clorociclohexanos para ver el efecto de la conformación sobre la reactividad. El requisito periplanar anti para las reacciones E2 puede satisfacerse en los ciclohexanos sólamente si el hidrógeno y el halógeno son diaxiales trans. Si el halógeno o el hidrógeno son ecuatoriales, la eliminación E2 no puede ocurrir. Cloro axial : H y Cl son periplanar anti
Cloro ecuatorial : H y Cl no son periplanar anti
Requisitos geométricos para la reacción E2 en los ciclohexanos. Tanto el grupo saliente como el hidrógeno deben ser axiales para que ocurra la eliminación periplanar anti. EFECTO ISOTÓPICO DEL DEUTERIO. Una evidencia final en apoyo del mecanismo E2 la constituye el fenómeno conocido como efecto isotópico de deuterio. Se sabe que un enlace carbono-hidrógeno es más débil en una pequeña cantidad (alrededor de 1.2 kcal/mol) que un enlace carbono-deuterio correspondiente. Así, un enlace C-H se rompe con mayor facilidad que un enlace equivalente C-D, y por lo tanto la rapidez de ruptura del enlace C-H es mayor. La eliminación de HBr inducida por base del 1-bromo-2-feniletano procede 7.11 veces más rápido que la eliminación correspondiente de DBr a partir de 1-bromo-2,2deuterio-2-feniletano:
Este resultado indica que el enlace C-H (o C-D) se rompe en el paso limitante de la velocidad, y en consecuencia es del todo consistente con el mecanismo propuesto, es decir en un solo paso. REACCIÓN E1: Las eliminaciones E1 se inician con la disociación espontánea de un halogenuro, parecida a una reacción SN1, pero en este caso a la disociación sigue la pérdida de un protón del carbocatión intermedio. En efecto el mecanismo E1 normalmente ocurre en competencia con la reacción SN1 cuando un halogenuro de alquilo se trata con un nucleófilo no básico en un solvente prótico. Así, los mejores sustratos son aquellos que también se someten a la reacción SN1, y casi siempre se obtienen mezclas de productos.
Por ejemplo, cuando el 2-cloro-2-metilpropano se calienta a 65ºC en etanol acuoso al 80%, se obtiene una mezcla de 2-metil-2-propanol (SN1) y 2-metilpropeno (E1):
Se han obtenido muchas evidencias en apoyo del mecanismo E1. Como es de esperar, las reacciones E1 presentan cinética de primer orden consistente con un proceso de disociación espontáneo: Velocidad = k · R-X Una segunda evidencia es la estereoquímica de las eliminaciones. A diferencia de la reacción E2, en las que se requiere una configuración periplanar, en la reacción E1 no existe un requisito geométrico; el carbocatión intermedio puede perder cualquier protón disponible de una posición vecina. Por tanto, es de esperar que se obtenga el producto más estable (regla de Zaitsev) en una reacción E1, lo cual es justamente lo que se observa. La cinética es de primer orden pero su mecanismo es en dos etapas:
DESHIDRATACIÓN DE ALCOHOLES A ALQUENOS: Para que un sustrato experimente una reacción E1 es necesario que posea un buen grupo saliente, cuya marcha origine un carbocatión estable. Los alcoholes no sufren eliminación en condiciones neutras o alcalinas, debido a que el -OH no es un buen grupo saliente. No obstante, en un medio ácido los alcoholes se protonan en el oxígeno para dar iones oxonio, capaces de perder agua (H2O), un excelente grupo saliente.
Así, la reacción de los alcoholes 2ario y 3ario con un exceso de un ácido fuerte constituyen un método establecido para la síntesis de alquenos. Suelen emplearse los “ácidos sulfúricos y fosfóricos”. La temperatura elevada acelera la reacción y favorece la eliminación, además, 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 están de acuerdo con lo esperado, es decir la obtención del alqueno más sustituido. Los productos predominantes en el ejemplo 3 se han formado a través de una transposición, lo que demuestra que en la reacción han intervenido carbocationes como intermedios.
Transposiciones a través de carbocationes: Una propiedad común de los carbocationes es experimentar transposiciones, siempre y cuando sean capaces de generar un carbocatión mucho más estable que el precursor.
Transposición de Hidrógeno
Transposición de Metilo
COMPARACIÓN ENTRE LAS REACCIONES E1 y E2.
Características
E1
Mecanismo
Cinética Transposiciones Sustratos Características favorables Competencia
E2
Dos pasos, Intermedio tipo carbocatión Primer orden En ocasiones Haluros, Tosilatos, alcoholes en medio ácido estructurales Halogenuros 3º, y empleando disolventes polares Reacción SN1
Un paso, eliminación concertada, con estado de transición Segundo orden Nunca Haluros, tosilatos, hidróxidos de tetraalquilamonio Elevada concentración de base. Reacción SN2
Correlación entre estructura y reactividad para reacciones de sustitución y de eliminación. Tipo de halogenuro
SN1
SN2
E1
No ocurre
Altamente favorecida
No ocurre
R2-CH-X (secundario)
Puede ocurrir con halogenuros bencílicos y alílicos
Ocurre en competencia con la reacción E2
Puede ocurrir con halogenuros bencílicos y alílicos
Es favorecida cuando se usan bases fuertes
R3-C-X (terciario)
Es favorecida en solventes hidroxílicos
No ocurre
Ocurre en competencia con la reacción SN1
Es favorecida cuando se emplean bases
R-CH2-X (primario)
E2
Ocurre cuando se emplean bases fuertes
OTRAS REACCIONES DE ELIMINACIÓN: En las reacciones de eliminación E1 y E2, el producto obtenido mayoritariamente resulta ser el alqueno más sustituido, pero en muchas ocasiones por interés sintético es necesario obtener un alqueno menos sustituido en forma mayoritaria. En tal caso, los métodos anteriores no resultan útiles, y hay que recurrir a otros métodos descritos en la literatura científica, de los cuales resumiremos algunos. A.- ELIMINACIÓN DE HOFMANN La pérdida de una trialquilamina y un átomo de hidrógeno en respecto del nitrógeno a partir de una sal de amonio cuaternario conduce a un alqueno mediante la reacción conocida generalmente como eliminación de Hofmann[3].
La reacción transcurre normalmente por mecanismo E2 y sigue la preferencia estereoelectrónica para la eliminación anti. Cuando existen dos tipos diferentes de hidrógenos en respecto al nitrógeno cuaternario, la eliminación conduce generalmente al predominio del alqueno menos sustituido. De hecho, Hofmann propuso su regla sobre la orientación de la eliminación en 1851 como consecuencia de sus estudios sobre eliminaciones a partir de sales de amonio cuaternario.
La eliminación puede conseguirse tratando una sal de amonio cuaternario con una base fuerte, si bien es más normal utilizar el hidróxido de amonio cuaternario como reactivo, con lo que se requiere base externa. El rendimiento en alqueno es generalmente alto. La reacción posee una utilidad limitada para la síntesis de alquenos, ya que a menudo es más fácil emplear productos de partida más asequibles. (el mecanismo será estudiado en el capítulo dedicado a las aminas). B.- ELIMINACIÓN PIROLÍTICA Ciertos precursores de alquenos no requieren un reactivo externo que promueva la eliminación. Los ésteres y los óxidos de amina constituyen dos ejemplos de tales sustratos. En esos casos, la calefacción aporta suficiente energía para que el grupo saliente actúe como una base intramolecular. La ruptura térmica de una molécula se conoce como pirólisis.
Cuando se calienta un éster (300 - 600º), generalmente un acetato que contiene un átomo de hidrógeno en en su porción alcohólica, se forman un alqueno y un ácido carboxílico. Se cree que la reacción transcurre de forma concertada a través de un estado de transición cíclico de seis miembros. Tales reacciones de eliminación pirolítica se designan a menudo como Ei-eliminación, interna. La reacción es estereoespecifica, el mecanismo cíclico intramolecular requiere coplanaridad sin de los grupos que se pierden.
Mecanismo: de la pirólisis de ésteres.
La pirólisis de óxidos de amina (La Reacción de Cope) es un método de síntesis de alquenos muy relacionado con la pirólisis de ésteres. El átomo de oxígeno de un óxido de amina posee una carga negativa formal y puede actuar como una base interna. Otros ejemplos:
Acetato de treo-2-deuterio -1,2-difeniletilo
Acetato de Eritro-2-deuterio -1,2-difeniletilo
E-Estilbeno (trans)
E-1-Deuterioestilbeno (trans)
El mecanismo de la reacción de Cope será estudiado en capítulo dedicado a las amina. C.- DESHALOGENACIÓN En las reacciones de 1,2-eliminación más comunes, el protón es uno de los dos grupos que se pierde. Cuando en un sustrato están presentes dos átomos de halógeno, la reacción con base puede conducir a una doble deshidrohalogenación. El ciclohexadieno se prepara de esta manera a partir del 1,2-dibromociclohexano.
No obstante, si se trata el mismo 1,2-dihalogenuro con yoduro potásico, un reactivo relativamente no básico, se obtiene ciclohexeno, una monoolefina. La eliminación de dos átomos de halógeno produce una deshalogenación.
La deshalogenación mediante ion yoduro es un proceso estereoespecífico que transcurre con un curso estereoquímico anti. El yoduro actúa de la misma manera que la base en la deshidrohalogenación. En esta reacción E2, la pérdida de los dos átomos de halógeno está sincronizada con la formación del doble enlace.
El ion yoduro y el cinc metálico son los reactivos más comúnmente utilizados para la deshalogenación. D.- DESHIDROGENACIÓN CATALÍTICA. La eliminación de hidrógeno a partir de un hidrocarburo es un importante proceso industrial. La deshidrogenación se lleva a cabo a temperaturas elevadas sobre catalizadores compuestos normalmente de óxidos metálicos. La tecnología de este tipo de procesos catalíticos continuos es muy sofisticada. Los factores críticos para controlar los rendimientos y los productos secundarios son la temperatura, la composición del catalizador y la velocidad de flujo a través del reactor. El vapor de agua y el nitrógeno son dos gases portadores utilizados para arrastrar los productos de partida y los productos de reacción (entre ellos hidrógeno) a través del catalizador. La naturaleza y concentración de estos gases “inertes” son a menudo variables importantes de la reacción.
ALCOHOLES Y TIOLES. Los alcoholes son compuestos que tienen grupos hidroxilo unidos a átomos de carbono saturado, con hibridación sp3. Esta definición excluye deliberadamente a los fenoles (grupo hidroxilo unidos a anillos aromáticos) y a los enoles (grupo hidroxilo unidos a un carbono vinílico), debido a que la química de estos tres tipos de compuestos es muy diferente. Los alcoholes pueden considerarse los derivados orgánicos del agua, donde uno de los hidrógenos es sustituido por un grupo orgánico: H-O-H pasa a ser R-O-H.
Los alcoholes están ampliamente distribuidos en la naturaleza y tienen muchas aplicaciones industriales y farmacéuticas. El etanol, por ejemplo, es una de las sustancias orgánicas más simples y mejor conocidas, y se usa como aditivo de combustibles, como disolvente industrial y en las bebidas; el mentol, un alcohol aislado de la menta, se usa mucho como saborizante y en perfumería; y el colesterol, un alcohol esteroide cuya fórmula tiene aspecto complicado, se considera un agente que causa enfermedades del corazón. PROPIEDADES DE LOS ALCOHOLES: PUENTE DE HIDRÓGENO Como ya se comentó, los alcoholes se pueden considerar derivados del agua, en el sentido de que uno de los hidrógenos ha sido reemplazado por un grupo orgánico. De este modo los alcoholes tienen casi la misma configuración geométrica del agua. El ángulo de enlace R-O-H tiene aproximadamente el valor tetraédrico (109º en el metanol, por ejemplo), y el átomo de oxígeno presenta hibridación sp3. Los alcoholes son muy distintos de los hidrocarburos y de los halogenuros de alquilo. No sólo su química es mucho más rica, sino que sus propiedades físicas son también diferentes. En la Tabla 12.1, se comparan los puntos de ebullición de algunos alcoholes, alcanos y cloroalcanos simples, se ve que los alcoholes tienen puntos de ebullición mucho mayores TABLA 12.1.Puntos de ebullición de alcanos, cloroalcanos y alcoholes (ºC) Grupo alquilo, R CH3CH3CH2CH3CH2CH2(CH3)2CH-
Alcano, R-H
Cloroalcano, R-Cl
Alcohol. R-OH
-162 -88.5 -42 -42
-24 12.5 46.6 36.5
64.5 78.3 97 82.5
CH3CH2CH2CH2(CH3)3C-
-0.5 -12
83.5 51
117 83
La causa de sus puntos de ebullición altos es que los alcoholes, al igual que el agua, están muy asociados en solución debido a la formación de los llamados puentes de hidrógeno. El átomo de hidrógeno de un grupo -OH en una molécula está polarizado positivamente, y forma un enlace débil (“puente de hidrógeno”) con el átomo de oxígeno polarizado negativamente de otra molécula. Aunque los puentes de hidrógeno tienen una energía de sólo 5 kcal/mol, en contraste con las 103 kcal/mol de un enlace O-H típico, la presencia de muchos puentes de hidrógeno significa que se debe agregar energía extra para romperlos durante la ebullición.
Puentes de hidrógeno en los Alcoholes. PROPIEDAD DE LOS ALCOHOLES: ACIDEZ Y BASICIDAD Como el agua los alcoholes son débilmente ácidos y débilmente básicos. Como bases de Lewis débiles, los alcoholes son protonados reversiblemente por los ácidos para formar iones oxonio, R-OH2+. Como podría esperarse, los alcoholes protonados son mucho más reactivos que los alcoholes neutros hacia los nucleófilos, debido a que portan carga positiva.
Como ácido débiles, los alcoholes actúan como donadores de protones. En solución acuosa diluida, se disocian ligeramente donando un protón al agua.
Los efectos inductivos también son importantes para determinar la acidez de los alcoholes. Por ejemplo, los sustituyentes halógeno, atrayentes de electrones, estabilizan un anión alcóxido ayudando a dispersar la carga en una área grande, y haciendo así más ácido al alcohol. Este efecto inductivo puede observarse comparando la acidez del etanol (pKa =
16) con la del 2,2,2-trifluoroetanol (pKa = 12.43), o la del terc-butílico (pKa = 18) con la del perfluoro-2-metil-2-propanol (pKa = 5.4). (véase Tabla 12.2)
TABLA 12.2.Constantes de acidez de algunos alcoholes Alcohol (CH3)3COH CH3CH2OH HOH (agua) CH3OH CF3CH2OH (CF3)3COH HCl
pKa 18.00 16.00 15.74 15.54 12.43 5.4 -7.00
Ácido débil
Ácido fuerte
Los grupos atrayentes de electrones estabilizan el alcóxido y reducen el pKa.
pKa = 5.4
pKa = 18
Puesto que los alcoholes son mucho más débiles que los ácidos carboxílicos o los ácidos minerales, no reaccionan con bases débiles como aminas, ion bicarbonato o hidróxido metálico. Sin embargo, reaccionan con metales alcalinos y con bases fuertes como hidruro de sodio (NaH), aminas de sodio (NaNH2), reactivos de alquil-litio (RLi) y reactivos de Grignard (RMgX). Las sales metálicas de los alcoholes son por sí mismas bases fuertes, por lo que a menudo se usan como reactivos en química orgánica. Ejemplos:
RESUMEN DE LAS REACCIONES DE LOS ALCOHOLES: I.- SÍNTESIS DE ALCOHOLES REACCIÓN EJEMPLO
a.- Reducción de compuestos carbonílicos (1) Aldehídos
Un alcohol primario
(2) Cetonas
Un alcohol secundario
(3) Ésteres
Un alcohol primario
(4) Ácidos carboxílicos
Un alcohol primario
b.- Adición de reactivos de Grignard a compuestos carbonílicos. (1) Formaldehí do
Un alcohol primario
(2) Aldehídos
Un alcohol secundario
(3) Cetonas
Un alcohol terciario
(4) Ésteres
Un alcohol terciario
II.- REACCIONES DE LOS ALCOHOLES a.- Acidez
ROH + NaH RO-Na+ + H2 ROH + Na
RO-Na+ + H2 Alcóxidos
b.- Deshidratación (1) Alcoholes terciarios
(2) Alcoholes secundarios y terciarios
c.- Oxidación (1) Alcohol primario
Aldehído
Un ácido carboxílico
(2) Alcohol secundario
Una cetona
III.-
SÍNTESIS DE LOS TIOLES
IV.-
REACCIONES DE LOS TIOLES
a.- Oxidación de tioles a disulfuros
b.- Otras homologas a la de los alcoholes
OBTENCIÓN DE ALCOHOLES POR REDUCCIÓN DE GRUPOS CARBONILOS. El método más generalizado para producir alcoholes es la reducción de compuestos carbonilicos: Donde H es una agente reductor generalizado
Una reducción orgánica es una reacción en la cual se incrementa el contenido de hidrógeno o disminuye el de oxígeno, nitrógeno o halógeno de una molécula. A la inversa, una oxidación orgánica es una reacción en la cual disminuye el contenido de hidrógeno o se incrementa el de oxígeno, nitrógeno o halógeno de una molécula. Se dispone de muchos reactivos para reducir cetonas y aldehídos 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 sólido cristalino blanco que se puede manipular y pesar sin peligro en atmósfera abierta y usar en agua o en solución alcohólica. Suelen obtenerse altos rendimientos de alcohol. El hidruro de aluminio y litio, LiAlH4, es un polvo blanco soluble en éter y tetrahidrofurano, es otro agente reductor que se usa algunas veces para reducción de cetonas y Aldehídos. Si bien es más potente y reactivo que el NaBH4, el LiAlH4 es también peligroso, y debe ser manejado por personas experimentadas. Reacciona violentamente con el agua, se descompone cuando se calienta a más de 125ºC. No obstante estos inconvenientes, el LiAlH4 es un reactivo en extremo valioso y usa adiario en cientos de laboratorios. Los ésteres y los ácidos carboxílicos pueden reducirse para formar alcoholes primarios. Estas reacciones son más difíciles que las reducciones correspondientes de Aldehídos y cetonas. Por ejemplo, el borohidruro de sodio reduce lentamente los ésteres y no reduce los ácidos. Así, las reducciones de los ésteres y los ácidos carboxílicos usualmente se realizan con hidruro de litio y aluminio. Todos los grupos carbonilos, incluyendo ésteres, ácidos, cetonas y aldehidos, se reducen por medio de LiAlH4 con alto rendimiento, como lo indican los siguientes ejemplos:
Mecanismo de la reducción con NaBH4 :
Mecanismo de la reducción con LiAlH4:
OBTENCIÓN DE ALCOHOLES POR ADICIÓN DE REACTIVOS DE GRIGNARD A GRUPOS CARBONILOS. Los reactivos de Grignard, RMgX, reaccionan con los compuestos carbonílicos para producir alcoholes de manera semejante a como lo hacen con los hidruros. El resultado es un método muy útil y general de síntesis de alcoholes. La reacción consiste en un ataque nucleofílico del R al carbono electrofílico del grupo carbonilo.
El carácter nucleofílico del grupo alquilo en los reactivos organometálicos de litio y magnesio puede utilizarse para la síntesis de alcoholes por adición a compuestos carbonílicos y apertura nucleófila de anillos de oxaciclopropano. Mecanismo:
Por reacciones de Grignard es posible obtener un gran número de alcoholes, dependiendo de los reactivos usados, obsérvese los siguientes ejemplos:
Bromuro de ciclohexil
Formaldehído
Ciclohexilmetanol
3-Metilbutanal
Bromuro de
3-Metil-1-fenil-1-
magnesio
(65%)
butanol fenilmagnesio
Pentanoato de etilo Ciclohexanona (89%)
1-Etilciclohexanol
Bromuro de metilmagnesio
(73%)
2-Metil-2-hexanol (85%)
REACCIONES DE LOS ALCOHOLES. Las reacciones de los alcoholes pueden dividirse en dos grupos. Las que ocurren en el enlace C-O y las que ocurren en el enlace O-H.
En el resumen de las reacciones están representadas casi todas ellas, a continuación realizaremos algún comentario de las más significativas. DESHIDRATACIÓN DE ALCOHOLES PARA PRODUCIR ALQUENOS. Una de las reacciones más importantes del enlace C-O de los alcoholes es la deshidratación para formar alquenos. Se rompe el enlace carbono-oxígeno, se rompe el enlace C-H vecino y se forma un enlace pi () de alqueno. (véase capítulo de eliminación). Debido a la importancia de la reacción, se ha desarrollado un gran número de formas alternativas de realizar las deshidrataciones. Uno de los métodos más comunes y que funciona particularmente bien para los alcoholes terciarios es el método catalizado por ácido. Las deshidrataciones catalizadas por ácido normalmente siguen la regla de Zaitsev . En la práctica normal de laboratorio, sólo los alcoholes terciarios se deshidratan con ácido. Puede hacerse que los alcoholes secundarios reaccionen, pero las condiciones son más severas (H2SO4 al 75%, 100ºC) y las moléculas sensibles no las resisten. Los alcoholes primarios son menos reactivos aún que los secundarios, y se requieren condiciones todavía más severas para la deshidratación (H2SO4 al 95%, 150ºC) .
Dos electrones del átomo de oxígeno se unen al H+, produciendo un alcohol protonado intermediario, el cual a su vez es un buen grupo saliente.
Se rompe el enlace carbono-oxígeno y los dos electrones del enlace quedan en el oxígeno, dejando el carbocatión intermediario.
Dos electrones de un enlace carbonohidrógeno vecino forman el enlace pi del alqueno, y se elimina un H+ (un protón).
Una vez que se ha reconocido que la deshidratación catalizada por ácido es una reacción E1, se esclarece la causa por la cual los alcoholes terciarios reaccionan más rápido. Los sustratos terciarios siempre reaccionan con más rapidez en las reacciones E1 debido a que conducen a carbocationes intermedios muy estabilizados. Para evitar la necesidad de ácidos fuertes y poder deshidratar alcoholes secundarios de un modo más suave, se han desarrollado otros reactivos que son eficaces en condiciones básicas suaves. Uno de tales reactivos, el oxicloruro de fósforo (POCl3), a menudo es capaz de provocar la deshidratación de alcoholes secundarios y terciarios a 0ºC en piridina (una amina básica) como disolvente.
1-Metilciclohexanol
1-Metilciclohexeno (96%)
Ciclohexanol
Ciclohexeno (97%)
Mecanismo:
El grupo hidroxilo del alcohol reacciona con POCl3 para formar un diclorofosfato intermedio. La eliminación E2 procede por el mecanismo usual de un paso, la piridina, una amina básica, sustrae un protón del carbono vecino al mismo tiempo que el grupo diclorofoafato está saliendo. CONVERSIÓN DE ALCOHOLES EN HALOGENUROS DE ALQUILO. Una segunda reacción del enlace C-O de los alcoholes es su conversión en halogenuros de alquilo. Los alcoholes terciarios se convierten con facilidad en halogenuros de alquilo por tratamiento con HCl o HBr a 0ºC. Sin embargo, los alcoholes primarios y secundarios son mucho más resistentes a los ácidos, y se transforman mejor en halogenuros por tratamiento ya sea con SOCl2 o con PBr3. Obtención de cloruros de alquilo con SOCl2.
Mecanismo:
Obtención de bromuros de alquilo con PBr3:
Mecanismo:
A continuación, el HOPBr2 reaccionará con dos o más moléculas del alcohol por mecanismos análogos al de la primera etapa. CONVERSIÓN DE ALCOHOLES EN TOSILATOS CON CLORURO DE PTOLUENSULFONILO, (P-TOSCL):
Los alcoholes reaccionan con cloruro de p-toluensulfonilo en solución de piridina para formar tosilatos de alquilo, R-OTs. En esta reacción sólo se rompe el enlace O-H del alcohol; el enlace C-O queda intacto, y no ocurre cambio en la configuración si el alcohol es quiral. El tosilato de alquilo resultante tiene comportamiento químico muy similar al de los halogenuros de alquilo, y como estos sufre reacciones de sustitución SN1 y SN2 con facilidad. Ejemplo:
OXIDACIÓN DE ALCOHOLES: La reacción más importante de los alcoholes es su oxidación para producir compuestos carbonílicos. Los alcoholes primarios forman aldehídos o ácidos carboxílicos; los alcoholes secundarios generan cetonas, y los alcoholes terciarios no reaccionan con la mayoría de los agentes oxidantes, excepto en condiciones más vigorosas. La oxidación de los alcoholes primarios y secundarios puede efectuarse con un gran número de reactivos, como KMnO4, CrO3 y Na2Cr2O7 ó K2Cr2O7. Los alcoholes primarios se oxidan a aldehídos o ácidos carboxílicos, dependiendo de los reactivos seleccionados y de las condiciones de reacción. Probablemente el mejor método para elaborar aldehídos a
partir de alcoholes primarios es por medio del clorocromato de piridinio (PCC), en diclorometano como disolvente. Todas estas oxidaciones ocurren por rutas estrechamente relacionadas con la reacciﾃｳn E2. El primer paso implica la reacciﾃｳn entre el alcohol y un reactivo de Cromo VI para formar un cromato intermedio. Una eliminaciﾃｳn bimolecular posterior forma el producto carbonilo.
Ejemplos:
1-Decanol (93%)
ﾃ…ido decanoico (85%)
4-tercButilciclohexanol tercButilciclohexanona
(82%) (91%)
4-metilpentanol
Citronelol
4-
4-metilpentanal
Citronelal
TIOLES Los tioles, R-SH, son análogos 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 característica física más 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 3Metil-1-butanotiol y 2-Buteno-1-tiol. Al gas natural se le agregan pequeñas cantidades de tioles con bajo peso molecular que sirven como advertencia fácil de detectar en caso de fugas. Los tioles suelen elaborarse a partir de los correspondientes halogenuros de alquilo por desplazamiento SN2 con un nucleófilo de azufre, como el anión 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 reacción es fácilmente reversible; los disulfuros se pueden reducir a tioles por tratamiento con cinc y ácido.
ÉTERES, EPÓXIDOS Y SULFUROS
Un éter es una sustancia que tiene dos residuos orgánicos unidos al mismo átomo de oxígeno, R-O-R’. Los residuos orgánicos pueden ser alquílicos, arílicos o vinílicos, y el átomo de oxígeno puede formar parte ya sea de una cadena abierta o de un anillo. Tal vez el éter mejor conocido es el éter dietílico, una sustancia familiar que se ha usado en medicina como anestésico y se emplea mucho en la industria como disolvente. En el laboratorio, los éteres normalmente se elaboran por Síntesis de Williamson o por una secuencia de alcoximercuración-desmercuración. Los éteres son inertes a la mayoría de los reactivos comunes, pero son atacados por ácidos fuertes para formar los productos de ruptura. Los epóxidos son éteres cíclicos con anillos de tres miembros que contienen oxígeno, difieren de los otros éteres cíclicos en su facilidad de ruptura. Los sulfuros, R-S-R’, son análogos azufrados de los éteres. Se producen por una reacción SN2 de tipo Williamson entre un anión tiolato y un halogenuro de alquilo primario
o secundario.
ÉTERES. Los éteres pueden considerarse derivados orgánicos del agua, en los cuales los átomos de hidrógeno han sido reemplazados por fragmentos orgánicos; es decir, H-O-H por R-O-R’. De este modo, los éteres tienen casi la misma configuración geométrica que el agua. Los enlaces R-O-R` tienen ángulos de enlace aproximadamente tetraédrico (112º en el éter dimetilíco), y el átomo de oxígeno tiene hibridación sp3.
Hibridación sp3
La presencia del átomo de oxígeno, electronegativo, hace que los éteres tengan un ligero momento dipolar y, por tanto, sus puntos de ebullición son un poco más altos que los alcanos correspondientes. En la Tabla 13.1 se comparan los puntos de ebullición de algunos éteres comunes con los de los hidrocarburos correspondientes en los que el átomo de oxígeno se ha sustituido por un -CH2-. TABLA 13.1 Comparación de los puntos de ebullición de éteres e hidrocarburos. Éter
Hidrocarburo
Punto de ebullición (ºC)
Las reacciones de los éteres serán presentadas en forma de tabla, y al final de la presentación se realizara un comentario de las más significativas. RESUMEN DE LAS REACCIONES DE LOS ÉTERES. 1.- Formación de éteres. (a) Síntesis de Williamson.
El halogenuro de alquilo debe ser primario
(b) Alcoximercuración-desmercuración.
Se observa orientación Markovnikov. (Adición Sin)
(c) Epoxidación de alquenos con peroxiácidos.
2.- Reacciones de los éteres. (a) Ruptura con HX.
Donde HX = HBr o HI
(b) Apertura de anillos de epóxidos catalizada por base.
Recuérdese que los alcóxidos se preparan desde los alcoholes por tratamiento básico y/o métales alcalinos.
La reacción ocurre en el sitio de menor impedimento estérico (Adición Anti).
La reacción ocurre en el sitio de menor impedimento estérico (Adición Anti).
(c) Hidrólisis de epóxidos catalizada por ácido.
La reacción ocurre en el sitio más impedido; se producen 1,2-dioles trans a partir de epóxidos cíclicos.
(d) Apertura de anillos de epóxido inducida por ácido.
La reacción ocurre en el sitio más impedido (Adición Anti).
3.- Formación de sulfuros.
4.- Reacción de oxidación de sulfuros. (a) Formación de sulfóxidos.
(b) Formación de sulfonas.
SÍNTESIS DE ÉTERES DE WILLIAMSON. Los alcóxidos metálicos reaccionan con los halogenuros de alquilo primarios y con los tosilatos a través de una ruta SN2 para producir éteres, un proceso conocido como síntesis de éteres de Williamson[1] . Aunque se descubrió en 1850, la síntesis de Williamson es todavía el mejor método para elaborar éteres, tanto simétricos como asimétricos.
Ciclopentóxido de potasio
Yodometano
Éter ciclopentil metil (74%)
Los iones alcóxido necesarios de la síntesis de Williamson normalmente se obtienen de la reacción de un alcohol con una base fuerte como el hidruro de sodio, NaH. Una reacción ácido-base entre el alcohol y el hidruro de sodio genera la sal de sodio del alcohol: ROH +
NaH RO-Na+ + H2 Alcóxido
Otra forma de obtenerlos es empleando metales alcalinos: ROH + Metal Alcalino (Na, K) RO-Na+ + H2 Alcóxido
ALCOXIMERCURACIÓN - DESMERCURACIÓN DE ALQUENOS. Una reacción de Alcoximercuración ocurre cuando se trata un alqueno con un alcohol en presencia de acetato de mercurio. (El trifluoroacetato de mercurio, Hg(OOCCH3)2, funciona aún mejor). La posterior desmercuración es inducida con borohidruro de sodio, produciendo un éter. Como lo muestran los siguientes ejemplos, el resultado neto es la adición Markovnikov del alcohol al alqueno:
Estireno
1-Metoxi-1-feniletano (97%).
Ciclohexeno
Éter ciclohexil etílico (100%).
El mecanismo de la reacción de alcoximercuración-desmercuración se inicia con una adición electrofílica del ion mercúrico al alqueno, seguida de la reacción del catión intermedio con el alqueno. El desplazamiento de mercurio con el borohidruro de sodio completa el proceso. Mecanismo:
Estireno
ion mercúrico
intermedio
1-Metoxi-1-feniletano
Es posible emplear una amplia variedad de alcoholes y de alquenos en la reacción de oximercuración. REACCIONES DE LOS ÉTERES: RUPTURA ÁCIDA. Los éteres son en su mayoría inertes a la totalidad de los reactivos utilizados en química orgánica, una propiedad que explica su amplio uso como disolventes inertes. Halógenos, ácidos suaves, bases y nucleófilos carecen de efecto sobre la mayoría de los éteres. De hecho, los éteres experimentan sólo una reacción de uso general: se rompen con ácidos fuertes. El HI acuoso es aún el reactivo preferido para la ruptura de éteres simples, aunque también puede usarse HBr. Ejemplos:
Éter etil isopropílico Ácido 2-etoxipropanoico
Éter etil fenilíco
Éter terc-butil ciclohexílico
Las rupturas ácidas de éteres son reacciones de sustitución nucleofílica típicas que transcurren por una ruta SN1 o por una ruta SN2, dependiendo de la estructura del éter. Los éteres alquílicos primarios y secundarios reaccionan por una ruta SN2 en la cual el ion yoduro o bromuro ataca al éter protonado en el sitio menos sustituido. Los éteres terciarios, bencílicos y alílicos tienden a romperse a través de un mecanismo SN1.
ÉTERES CÍCLICOS: EPÓXIDOS. En gran medida, los éteres cíclicos se comportan como los éteres acíclicos. La química de un grupo funcional éter es la misma, tanto si dicho grupo está en una cadena abierta como si se encuentra en un anillo. Por ejemplo, los éteres cíclicos comunes como el tetrahidrofurano y el dioxano a menudo se usan como disolventes debido a que son inertes, aunque pueden romperse con ácidos fuertes. El único grupo de éteres cíclicos que se comportan de manera diferente de como lo hacen los éteres de cadena abierta es el formado por los anillos de tres miembros que contienen oxígeno, llamados epóxidos u oxiranos. La tensión en el anillo de éter de tres miembros ocasiona que los epóxidos sean reactivos y les confiere una reactividad química única. En el laboratorio, los epóxidos normalmente se elaboran por tratamiento de un alqueno con un peroxiácido, RCO3H:
Pueden emplearse muchos peroxiácidos para la epoxidación. A escala de laboratorio, el ácido m-cloroperbenzoico (MCPBA) es el reactivo preferido. Los peroxiácidos transfieren oxígeno a través de un mecanismo complejo en un solo paso, sin intermedios. Sin embargo existen pruebas que demuestran que el oxígeno más alejado del grupo carbonilo es el que se transfiere. Mecanismo:
Ciclohepteno
Peroxiácido
1,2-Epoxicicloheptano
Ácido
En otro método para la síntesis de epóxidos se emplean halohidrinas, producidas por adición electrofílica de HO-X a alquenos. Cuando las halohidrinas se tratan con base, se elimina HX y se produce un epóxido. Este método en realidad es una síntesis de éteres de Williamson intramolecular. El átomo de oxígeno (nucleófilo) y el átomo de carbono (electrófilo) están en la misma molécula.
Mecanismo:
Bromohidrina
Sustitución intramolecular
Epóxido
REACCIONES DE APERTURA DEL ANILLO DE LOS EPÓXIDOS. Los anillos de epóxidos pueden romperse por tratamiento con ácido, de modo muy parecido a como ocurre con los éteres. La principal diferencia es que los epóxidos reaccionan en condiciones mucho más suaves debido a la tensión en el anillo. Un ácido mineral acuoso diluido a temperatura ambiente basta para provocar la hidrólisis de los epóxidos y formar los 1,2-dioles, también llamados glicoles vecinales. La apertura del anillo de epóxido catalizada por ácido procede por ataque SN2 de un nucleófilo sobre el epóxido protonado. Ejemplo:
1,2-Epoxiciclohexano
trans-1,2-Ciclohexanodiol (86%)
Los epóxidos protonados también pueden ser abiertos por otros nucleófilos, además del agua. Por ejemplo, si se emplea HX anhidro, los epóxidos pueden convertirse en halohidrinas trans.
Los epóxidos, a diferencia de los éteres, también pueden romperse con bases, la reactividad del anillo de tres miembros es suficiente para que los epóxidos reaccionen con ion hidróxido a temperaturas elevadas.
Una ruptura nucleofílica de anillo similar se observa cuando los epóxidos se tratan con reactivos de Grignard. El óxido de etileno se utiliza con frecuencia, y permite convertir un reactivo de Grignard en un alcohol primario con dos carbonos más que el halogenuro de alquilo de partida.
Bromuro de butilmagnesio
1-Hexanol (62%).
REGIOQUÍMICA DE LA APERTURA DEL ANILLO DE EPÓXIDO. LA DIRECCIÓN EN LA CUAL SE ABREN LOS ANILLOS DE EPÓXIDOS ASIMÉTRICOS DEPENDE DE LAS CONDICIONES DE REACCIÓN. SI SE EMPLEA UN NUCLEÓFILO BÁSICO EN UNA REACCIÓN SN2 TÍPICA, EL ATAQUE OCURRE EN EL CARBONO MENOS IMPEDIDO DEL EPÓXIDO. SIN EMBARGO SI SE EMPLEAN CONDICIONES ÁCIDAS LA REACCIÓN SIGUE UN CURSO DISTINTO Y EL ATAQUE DEL NUCLEÓFILO OCURRE PRINCIPALMENTE EN EL ÁTOMO DE CARBONO MÁS SUSTITUIDO.
ÉTERES CORONA. Los éteres corona, descubiertos a principios de la década de 1960 por Charles Pedersen[2] en la compañía Du Pont, constituyen una adición relativamente reciente a la familia de los éteres.
Éter 18-corona-6
La importancia de los éteres corona deriva de su extraordinaria capacidad de solvatar cationes metálicos, secuestrando el metal en el centro de la cavidad del poliéter. Diferentes éteres corona solvatan diferentes cationes metálicos, dependiendo de la compatibilidad entre el tamaño del ion y el tamaño de la cavidad. Por ejemplo, el 18corona-6 es capaz de formar complejos muy estables con el ion potasio.
KMnO4, solvatado por 18-corona-6, (este solvato es soluble en benceno)
Los complejos entre éteres coronas y sales inorgánicas son solubles en disolventes orgánicos no polares, lo que permite efectuar muchas reacciones en condiciones apróticas que de otra manera tendrían que llevarse a cabo en soluciones acuosas. Muchas sales inorgánicas, como KF, KCN, y NaN3, pueden hacerse solubles en disolventes orgánicos empleando éteres coronas. El efecto de su uso para disolver una sal en un disolvente aprótico polar, como DMSO, DMF o HMPA. En ambos casos, el catión metálico es fuertemente solvatado, dejando al anión desnudo. Así, la reactividad SN2 de un anión se incrementa en presencia de un éter corona.
SULFUROS. Los sulfuros, R-S-R’, son análogos azufrados de los éteres. Se nombran siguiendo las mismas reglas que para los éteres, usando el término sulfuro en vez de éter.
Sulfuro dimetílico Sulfuro metil fenílico
3-(Metiltio)ciclohexeno
Los sulfuros se elaboran por tratamiento de un halogenuro de alquilo primario o secundario con un anión tiolato, RS-. La reacción transcurre por un mecanismo SN2, Los aniones tiolatos son de los mejores nucleófilos que se conocen y los rendimientos que se obtienen suelen ser altos en estas reacciones de sustitución.
Bencenotiolato de sodio
Sulfuro metil fenílico (96%)
Puesto que los electrones de valencia del azufre están más lejos del núcleo y son retenidos menos fuertemente que los del oxígeno existen algunas diferencias importantes entre la química de los éteres y la de los sulfuros. Por ejemplo, el azufre es más polarizable que el oxígeno, y por tanto los compuestos de azufre son más nucleófilos que sus análogos de oxígeno. A diferencia de los éteres dialquílicos, los sulfuros dialquílicos son nucleófilos tan eficaces que reaccionan rápidamente con halogenuros de alquilo primarios a través de un mecanismo SN2. Los productos de tales reacciones son las sales de trialquilsulfonio, R3S+.
Sulfuro dimetílico
Yodometano
Yoduro de trimetilsulfonio
Una segunda diferencia entre los sulfuros y los éteres es que los primeros se oxidan fácilmente. El tratamiento de un sulfuro con peróxido de hidrógeno, H2O2, a temperatura ambiente, produce el correspondiente sulfóxido (R2SO), y la oxidación posterior del sulfóxido con un peroxiácido produce una sulfona (R2SO2).
Sulfuro metil fenilíco
Metil fenil sulfóxido
Metil fenil sulfona
REACTIVOS ORGANOMETÁLICOS
Los reactivos organometálicos son una fuente de carbono nucleofílico, y por lo tanto de gran utilidad en la química orgánica sobre todo en síntesis. Recuérdese que hasta ahora siempre hemos visto al carbono en sus compuestos estudiados como un centro electrófilo. En este capítulo veremos los métodos de preparación de reactivos organometálicos, RM. Ellos pueden obtenerse tratando haloalcanos con metales, particularmente litio y magnesio, en los que un átomo de carbono de un grupo orgánico se encuentra unido a un metal. Estas especies son bases y nucleófilos fuertes y son extremadamente útiles en síntesis orgánica.
REACTIVOS ORGANOMETÁLICOS. Puesto que los metales son elementos electropositivos, los enlaces metal-carbono pueden tener un alto grado de carácter iónico. Es decir, las estructuras resonantes dipolares contribuyen a menudo de forma importante a las estructuras de estos compuestos. R-M R-M+ = R-M+ El grado de covalencia de este género de enlaces metal-carbono depende considerablemente del metal y se relaciona con la electronegatividad del mismo. Los compuestos organometálicos de los metales alcalinos pueden ser considerados simplemente como sales iónicas del catión metálico alcalino y el correspondiente anión orgánico denominado carbanión. Muchos de los compuestos organometálicos se descomponen con el agua; no obstante, son solubles en varios disolventes orgánicos apróticos. Los disolventes típicos son los éteres y los alcanos. Hay un elevado número de compuestos organometálicos usados en síntesis orgánica, debido a su solubilidad en disolventes adecuados y a su reactividad extrema, no se purifican normalmente y se hace uso de sus disoluciones sin aislamiento previo. REACTIVOS DE GRIGNARD. Los halogenuros orgánicos de muy variadas estructuras, -de alquilo, de arilo y vinílicos- reaccionan con magnesio metálico en éter o tetrahidrofurano (THF) como disolvente para producir halogenuros de alquil-magnesio, RMgX. Estos productos, llamados reactivos de Grignard en honor a su descubridor, Víctor Grignard[1] , son ejemplos de compuestos organometálicos, ya que contienen un enlace carbono-metal.
Donde R = alquilo 1º, 2º o 3º, arilo o alquenilo; X = Cl, Br o I. Ejemplo.
Bromobenceno
Bromuro de sec-butilmagnesio
2-Clorobutano
Cloruro de sec-butilmagnesio
Muchas clases de halogenuros orgánicos forman reactivos de Grignard. El impedimento estérico en los halogenuros no parecen ser un factor determinante en la formación de los reactivos de Grignard, dado que reaccionan fácilmente halogenuros de todo tipo, sean primarios, secundarios o terciarios. Los halogenuros de arilo y de alquenilo también reaccionan, aunque en estos casos es mejor usar tetrahidrofurano como solvente. El halogenuro puede ser Cl, Br o I, aunque los cloruros son algo menos reactivos que los bromuros y los yoduros. Los fluoruros orgánicos rara vez reaccionan con magnesio.
Como podría esperarse en base en lo expuesto sobre a la electronegatividad y la polaridad de los enlaces, el enlace carbono-magnesio está altamente polarizado, lo cual hace al átomo de carbono nucleófilo y básico:
En sentido formal, puede considerarse que un reactivo de Grignard es un anión de carbono o carboanión; es decir, la sal de magnesio de un hidrocarburo ácido. Sin embargo es más exacto considerar que los reactivos de Grignard contienen un enlace C-Mg covalente altamente polar, y no un enlace iónico entre C- y +MgX. Debido a su carácter nucleófilo/básico, los reactivos de Grignard reaccionan tanto con ácidos como con una amplia variedad de electrófilos, tal como hemos comentado a lo largo de los capítulos anteriores. Por ejemplo, reaccionan con dadores de protones (ácidos de Bronsted) como H2O, ROH, RCOOH o RNH2, para formar hidrocarburos. La secuencia total es un método sintético útil para transformar un halogenuro de alquilo en un alcano. RX R-H, (véase capítulo 8). También reaccionan con compuestos carbonílicos para dar alcoholes, R-CO-R’ R-CH(OH)-R’, (véase capítulo 12 y 17). Ejemplos:
1-Bromodecano
Decano (85%)
Pr opanona
ter-Butanol
REACTIVOS DE ALQUIL-LITIO Y OTROS. Es posible obtener otros reactivos de organometálicos de manera semejante a como se hace para los reactivos de Grignard. Por ejemplo, los compuestos de alquil-litio pueden producirse por reacción de un halogenuro de alquilo con litio metálico:
1-Bromobutano
Butil-litio
Los compuestos de alquil-litio son tanto nucleófilos como bases, y su comportamiento químico es semejante en muchos aspectos al de los halogenuros de alquilmagnesio. Como los compuestos organolíticos son más difíciles de manejar, se prefiere el uso de los reactivos de Grignard en el caso de adiciones sencillas a compuestos carbonílicos. Sin embargo, la mayor reactividad de los reactivos organolíticos permite su adición a grupos carbonilo bastante impedidos, con buenos rendimientos.
Otros compuestos organometálicos como los organosódicos y organopotásicos; son tan reactivos que rara vez se utilizan para adiciones a grupos carbonilos. Deben ser manejados con sumo cuidado, pues reaccionan con éteres y pueden inflamarse espontáneamente en contacto con el aire. En cambio, los compuestos organocíncicos (organocinc) son no demasiado reactivos, por lo que dan lugar a reacciones muy selectivas. Así, mientras que los reactivos de Grignard reaccionan fácilmente con ésteres, los derivados de cinc son prácticamente inertes frentes a ellos, aunque, sin embargo, se adicionan al grupo carbonilo de aldehídos y cetonas. Esta selectividad se utiliza en la reacción de Reformatsky. Se prepara el derivado organocíncico de un -halogenoéster y se adiciona a continuación sobre un compuesto carbonílico. La reacción constituye un método de preparación de -hidroxiésteres.
Bromoacetato de etilo
Bromocincacetato de etilo
hidroxi-propanoato (64%).
3-Fenil-3de etilo
Transmetalación. Los compuestos organometálicos con metales que no sean litio o magnesio pueden prepararse por una reacción nucleófila del alquil-litio o del reactivo de Grignard con haluros metálicos. Esta transformación se denomina transmetalación ya que convierte un organometálico en otro. Transmetalación general R-M
+ M’-X R-M’ + M-X
Transmetalaciones: SiO4
4 RMgX +
SiR4
+
4 MgX2
Tetraalquisilano
2 RMgX + CdX2
CdR2 +
2 MgX2
Dialquilcadmio
3 RLi
+
AlX3
R3Al
+
4 LiX
Trialquilaluminio
RLi
+
CuI
RCu
+
LiI
Alquilcobre
RCu
+
RLi
R2CuLi Dialquilcuprato de litio
REACCIONES DE LOS COMPUESTOS ORGANOMETÁLICOS:
1.-
Hidrólisis (obtención de alcanos) (véase capítulos 8 y 9).
2.Acoplamiento de halogenuros de alquilo con compuestos organometálicos (véase capítulo 9). 3.-
Adiciones nucleofílicas. (véase capítulo 10).
4.-
Adición de compuestos organometálicos a aldehídos y cetonas (obtención de alcoholes) (véase capítulo 12).
5.Adición de compuestos organometálicos a ésteres (obtención de alcoholes) (véase capítulo 12). 6.Apertura nucleofílica del oxaciclopropano por compuestos organometálicos (véase capítulo 13).
ALDEHÍDOS Y CETONAS REACCIONES DE ADICIÓN NUCLEOFÍLICA
Los aldehídos y cetonas se encuentran entre los compuestos de mayor importancia, tanto en bioquímica como en la industria química. En el laboratorio, los aldehídos normalmente se elaboran por ruptura oxidativa de alquenos, por oxidación de alcoholes primarios o por reducción parcial de cloruros de ácidos o ésteres. Las cetonas se producen de manera similar por ruptura oxidativa de alquenos, por oxidación de alcoholes secundarios, o por adición de diorganocupratos a cloruros de ácido. La reacción de adición nucleofílica es la reacción más importante de los aldehídos y las cetonas, siendo posible elaborar una gran cantidad de productos por adición nucleofílica. Las reacciones son aplicables a cetonas y aldehídos, pero en general estos últimos son más reactivos por razones tanto estéricas como electrónicas. En el presente capítulo abordaremos la forma de obtención de cetonas y aldehídos y a continuación las reacciones más significativas de ellos, mostrándose en forma de resumen. ALDEHÍDOS Y CETONAS: Los aldehídos y cetonas se encuentran entre los compuestos de más importancia tanto en la naturaleza como en la industria química. En la naturaleza, muchas de las
sustancias necesarias para los sistemas vivos son aldehídos y cetonas. En la industria química se sintetizan grandes cantidades de tales compuestos, que se usan como solventes o como materias primas para una multitud de otros productos. Propiedades de Aldehídos y Cetonas.-
El doble enlace carbono-oxígeno de los grupos carbonilos es similar en muchos aspectos al doble enlace carbono-carbono de los alquenos. El átomo de carbono carbonílico tiene hibridación sp2 y tres enlaces sigma. El cuarto electrón de valencia permanece en un orbital p del carbono, y por superposición con un orbital p del oxígeno forma con él un enlace pi. El átomo de oxígeno tiene otros dos pares de electrones no compartidos, que ocupan los dos orbitales restantes.
Como los alquenos, los compuestos carbonílicos son planares respecto al doble enlace, y tienen ángulos de enlace de 120º aproximadamente. Como podría esperarse, el doble enlace carbono-oxígeno es más corto (1.22 Aº contra 1.43 Aº) y más fuerte (175 kJ/mol contra 92 kJ/mol) que un enlace sencillo carbono-oxígeno. Los dobles enlaces carbono-oxígeno se encuentran polarizados debido a la elevada electronegatividad del oxígeno respecto a la del carbono. La consecuencia más importante de la polarización del grupo carbonilo es la reactividad química del doble enlace carbono-oxígeno. En vista de que el carbono carbonílico tiene carga parcial positiva, éste es un sitio electrófilo y es atacado por nucleófilos. A la inversa, el oxígeno carboxílico tiene carga parcial negativa y es un sitio nucleófilo (básico). Oxígeno nucleófilo; electrófilos
reacciona
con
ácidos
y
Carbono electrófilo; reacciona con bases y nucleófilos
Otra consecuencia de la polaridad del enlace carbonílico es que las moléculas de aldehídos y cetonas se asocian débilmente, lo cual hace que tengan puntos de ebullición mayores que los alcanos con peso molecular semejante. Sin embargo, debido a que no pueden formar puentes de hidrógeno, los aldehídos y las cetonas tienen puntos de ebullición menores que los alcoholes correspondientes. El formaldehído, el aldehído más simple, es gaseoso a temperatura ambiente, pero todos los otros aldehídos y cetonas son líquidos. Elaboración de Aldehídos y Cetonas.Uno de los mejores métodos para la síntesis de aldehídos es la oxidación de alcoholes primarios y ruptura oxidativa de alquenos. Para la síntesis de cetonas los métodos son análogos a los de aldehídos (véase capítulo de alcoholes y alquenos), en todo caso los resumimos en forma de tabla:
SÍNTESIS DE ALDEHÍDOS Y CETONAS
1.- Formación de aldehídos (a).- Oxidación de alcoholes primarios
(b).- Ozonólisis de alquenos
(c).- Reducción parcial de ésteres
2.- Formación de cetonas (a).- Oxidación de alcoholes secundarios
(b).- Ozonólisis de alquenos
EJEMPLOS
(c).- Acilación de Friedel-Crafts
(d).- Hidratación de alquinos
(e).- Reacción de diorganocupratos con cloruros de ácidos
Oxidación de Aldehídos y Cetonas.Los aldehídos son rápidamente oxidados para producir ácidos carboxílicos, pero las cetonas no son reactivas hacia la oxidación excepto en condiciones muy vigorosas. Esta diferencia de comportamiento es consecuencia de las diferencias estructurales entre los dos grupos funcionales: Los aldehídos tienen un protón -CHO que puede ser extraído con facilidad durante la oxidación, pero no así las cetonas. Muchos agentes oxidantes convierten aldehídos en ácidos carboxílicos, entre ellos el ácido nítrico caliente y el permanganato de potasio, pero el reactivo de Jones, CrO3 en ácido sulfúrico acuoso, es una elección más común a la pequeña escala del laboratorio. Las oxidaciones de Jones ocurren con rapidez a temperatura ambiente y tienen buenos rendimientos de productos.
Heptanal
Ácido heptanoico (85%)
Un inconveniente de la oxidación de Jones es que las condiciones en que se realiza son ácidas, y las moléculas sensibles pueden experimentar descomposición catalizada por ácido. Cuando existe esta posibilidad de descomposición, con frecuencia las oxidaciones de aldehídos se realizan usando una solución diluida de óxido de plata, Ag2O, en amoniaco acuoso (reactivo de Tollens[1]).
Benzaldehído
Ácido benzoico
Las cetonas son inertes a la mayoría de los agentes oxidantes comunes, pero experimentan con lentitud una reacción de ruptura cuando se tratan con KMnO4 alcalino caliente. El enlace carbono-carbono próximo al grupo carbonilo se rompe, y se producen fragmentos de ácidos carboxílicos. La reacción sólo es útil para cetonas simétricas como ciclohexanona, puesto que apartir de cetonas no simétricas se forman mezclas de productos.
Ciclohexanona
Ácido hexanodioico (79%)
Reacciones de Adición Nucleofílica de Aldehídos y Cetonas.La reacción más importante de aldehídos y cetonas es la reacción de adición nucleofílica. Un nucleófilo ataca al átomo de carbono del grupo carbonilo, electrófilo, en una dirección aproximadamente perpendicular al plano de los orbitales sp2 del carbonilo. El carbono carbonílico experimenta una hibridación de sp2 a sp3, y se produce un ion alcóxido intermediario con configuración geométrica tetraédrica. El nucleófilo atacante puede tener carga negativa (Nu:-) o ser neutro (:Nu-H). Sin embargo, en este último caso suele tener un átomo de hidrógeno que puede ser eliminado posteriormente.
algunos nucleófilos con carga negativa
Algunos nucleófilos neutros
HOHR3 C RONC-
ion hidróxido ion hidruro un carbanión un ion alcóxido ion cianuro
H2O ROH H3N RNH2
agua un alcohol amoniaco una amina
La adición nucleofílica a cetonas y aldehídos suele tener dos variantes. (1) El intermedio tetraédrico puede ser protonado para formar un alcohol, o (2) el átomo de
oxígeno del carbonilo puede eliminarse (como HO- o como H2O) para formar un nuevo doble enlace carbono-nucleófilo.
(1)
(2)
Dos posibles vías de reacción posterior a la adición de un nucleófilo a una cetona o un aldehído
Las principales se ilustran a continuación en la roseta:
Algunas reacciones de adici贸n nucle贸filica de cetonas y aldeh铆dos
Reactividad Relativa de Aldehídos y Cetonas.Los aldehídos son en general más reactivos que las cetonas hacia la sustitución nucleofílica por razones tanto estéricas como electrónicas. Por razones estéricas, porque la presencia de dos sustituyentes relativamente grandes en las cetonas, contra un solo sustituyente grande en los aldehídos, hace que los neutrófilos atacantes puedan aproximarse con mayor facilidad a los aldehídos. Electrónicamente, el mayor grado de polaridad del grupo carbonilo de los aldehídos los hace más reactivos que las cetonas.
RESUMEN DE REACCIONES DE ADICIÓN NUCLEOFÍLICA
1.-
REACCIONES Adición de hidruro: Reducción
2.Adición Grignard
3.Adición Cianohidrinas
de
reactivo
de
EJEMPLOS
de
HCN:
4.- Adición de aminas primarias: Iminas
Butanona
Imina de Butanona
Iminas Por ejemplo: (a) Con hidroxilamina : NH2-OH se obtiene ; Oximas, R2C=NOH (b) Con hidrazina, NH2-NHCONH2 se obtiene; semicarbazonas, R2C=N-NHCONH2
Ciclohexanona
Oxima de Ciclohexanona
(c) 2,4-dinitrofenilhidrazina, NH2NHC6H4(NO2)2
se obtiene la 2,4-
Benzaldeh ído
Semicarbazona de benzaldehído
dinitrofenilhidrazonas, R2C=NNH-C6H4(NO2)2
5.Adición secundarias: Enaminas
de
aminas
6.-
Reacción de Wolff-Kishner
7.-
Adición de alcoholes: Acetales
8.-
Adición de tioles: Tioacetales
9.con
Desulfuración de tioacetales niquel Raney
10.- Adición de iluros de fósforo: Reacción de Wittig
Adición Nucleofílica de H2O: Hidratación Los aldehídos y cetonas reaccionan con agua para producir 1,1-dioles o dioles geminales (llamados comúnmente gem-dioles). La reacción de hidratación es reversible; los
gem-dioles pueden eliminar agua para regenerar cetonas o aldehídos. La posición exacta del equilibrio entre gem-dioles y cetonas o aldehídos depende de la estructura del compuesto carbonílico. Aunque en la mayoría de los casos el equilibrio favorece fuertemente al compuesto carbonílico. La adición nucleofílica de agua a cetonas y aldehídos es un proceso lento en agua pura, pero se cataliza tanto con ácido como con base. Si bien como en todas las reacciones catalizadas en ácido o en base no cambian la posición del equilibrio, influyen fuertemente en la velocidad de la reacción de hidratación. El catalizador ácido protona al átomo del carbonilo, básico, haciendo de la cetona o aldehído un mucho mejor aceptor de nucleófilo.
El ion hidróxido como nucleófilo se une al grupo carbonilo de la cetona o del aldehído para producir un ion alcóxido como intermediario.
La adición nucleofílica de agua, neutra, produce un gem-diol protonado.
El ion alcóxido (básico) como intermediario extrae un protón (H+) del agua para formar un gem-diol como producto y regenerar el ion hidróxido que catalizó la reacción.
La pérdida del protón regenera el catalizador ácido y forma como producto un gem-diol neutro.
Mecanismo de la hidratación catalizada por Base
Mecanismo de la hidratación catalizada por Ácido
Adición Nucleofílica de HCN: Cianohidrinas. Los aldehídos y las cetonas no impedidas reaccionan con HCN para producir cianohidrinas, RCH(OH)CN, por tratamiento con HCN, el benzaldehído forma la cianohidrina llamada mandelonitrilo, con un rendimiento del 88%.
Benzaldehído
Mandelonitrilo (88%).
La reacción ocurre muy lentamente con HCN puro, pero es rápida cuando se agrega una cantidad mínima de base o ion cianuro. Es posible entender este resultado recordando que el HCN, es un ácido débil con pKa = 9.1, no se disocia ni es nucleófilo. Sin embargo, el ion cianuro es fuertemente nucleófilo, la adición a cetonas y aldehídos ocurre por la vía típica de adición nucleofílica. La protonación del intermediario tetraédrico aniónico produce la cianohidrina y regenera el ion cianuro:
La formación de cianohidrinas es útil debido a las reacciones posteriores que puede experimentar. Por ejemplo, los nitrilos (RCN) pueden reducirse con LiAlH4 para producir aminas primarias (RCH2NH2), y también hidrolizarse con ácido acuoso para formar ácidos carboxilicos. Por tanto, la formación de cianohidrinas constituye un método para transformar aldehídos o cetonas en otros grupos funcionales al mismo tiempo que alarga la cadena en un átomo de carbono.
2-Amino-1-feniletanol
Ácido mandélico (90%)
Adición Nucleofílica de Reactivos de Grignard: Formación de Alcoholes. La síntesis de alcoholes por reacción de reactivos de Grignard con cetonas y aldehídos es simplemaente una adición nucleofílica. Las adiciones de Grignard suelen ser irreversibles.
Carbonilo
Alcohol
Para más detalles véase capítulo de alcoholes (cap. 12) y reactivos organometálicos (cap. 16). Adición Nucleofílica de Hidruro: Reducción.
La reducción de aldehídos y cetonas para producir alcoholes es otra reacción de adición nucleofílica cuyo mecanismo ha sido estudiado en capítulo 12. para mayor información remítase a dicho tema.
Adición Nucleofílica de Aminas: Formación de Iminas y Enaminas. Las aminas primarias, RNH2, experimentan adición a los aldehídos y las cetonas para producir iminas, R2C=NR. Las aminas secundarias hacen lo mismo para producir enaminas (-eno + -amina; amina insaturada).
Una imina
El ataque nucleofílico a una cetona o un aldehído por el par electrónico de una amina forma un intermediario tetraédrico dipolar.
Luego se trnasfiere un protón del nitrógeno al oxígeno, lo que produce una carbinolamina neutra.
El catalizador ácido protona el oxígeno del hidroxilo
el electónico no compartido del nitrógeno libera agua, formando un ion iminio La pérdida de H+ del nitrógeno genera la imina (en el caso de ser amina) como pruducto final
Una enamina El grupo “G” puede ser:
El producto final reulta ser:
G = H, (NH2-H) Amoniaco
Imina
G = -OH, (NH2-OH) Hidroxilamina
Oxima
G = -NH2, (NH2-NH2) Hidracina
Hidrazona
G = R, (NH2-R) Amina primaria
Imina
G = -NHC6H5 (NH2-NHC6H5) Fenilhidracina
Fenilhidrazona
G = -NHCONH2 (NH2-NHCONH2) Semicarbazida
Semicarbazona
Mecanismo de la formación de imina (o derivado) por la reacción de una cetona o un aldehído con compuestos derivados del amoniaco.
Las enaminas se forman cuando una cetona o un aldehído reaccionan con una amina secundaria, R2NH. Hasta la fase del ion iminio, el proceso es idéntico al de formación de iminas, pero en este punto no existe un protón en el nitrógeno que pueda ser perdido para producir un producto neutro. En cambio, se pierde un protón del átomo de carbono alfa y se obtiene una enamina.
La adición nucleofílica de una amina secundaria a una cetona o un aldehído, seguida de la transferencia de un protón del nitrógeno al oxígeno, produce una carbinolamina intermediaria en la vía normal.
La protonación del hidroxilo por el catalizador ácido convierte aquél en un mejor grupo saliente.
La eliminación de agua por el par electrónico del nitrógeno genera un ion iminio intermediario.
La pérdida de un protón del átomo de carbono alfa forma la enamina como producto y regenera el catalizador ácido.
Ejemplo:
Ciclohexanona ciclohexanona
Enamina de la
Adición Nucleofílica de Hidrazina: Reacción de Wolff - Kishner. Una variante importante de la formación de iminas anteriormente descritas es el tratamiento de una cetona o aldehído con hidrazina (H2N-NH2), en presencia de KOH. Esta reacción, descubierta independientemente en 1911 por Ludwig Wolff[2] en Alemania y por N. M. Kishner[3] en Rusia, es un método sintético en extremo valioso para la conversión de cetonas o aldehídos en alcanos, R2C=O R2CH2. La reacción de Wolff - Kishner frecuentemente se realiza a 240ºC en dietilenglicol a ebullición como solvente, pero una modificación en la cual se usa dimetilsulfóxido como solvente permite que el proceso ocurra a temperatura cercana a la ambiental. La reacción de la cetona o el aldehído con la hidrazina produce una hidrazona en la forma normal. La base extrae uno de los protones débilmente ácidos del -NH2, produciendo un anión hidrazona. Este anión tiene una forma de resonancia “alílica” que coloca la carga negativa en el carbono y el doble enlace entre los nitrógenos. La protonación del anión hidrazona se realiza en el carbono y produce un intermediario neutro.
Entonces la pérdida del nitrógeno inducida por la base produce un carbanión, que se protona para formar un alcano neutro como producto. Ejemplo:
Ciclopropano carbaldehído
Metilciclopropano (72%)
Reducción de Clemmensen: Además de la reacción de Wolff-Kishner, existe un segundo proceso, llamado reducción de Clemmensen[4], que también realiza la conversión de cetonas o aldehídos a los alcanos correspondientes. La reducción de Clemmensen, cuyo mecanismo es complejo y no se comprende del todo, implica el tratamiento del compuesto carbonílico con amalgama de cinc, Zn(Hg) y HCl acuoso concentrado. Esta reacción se usa principalmente cuando la cetona o el aldehído iniciales son sensibles a las condiciones fuertemente básicas que se requieren para la reducción de Wolff-Kisner.
Propiofenona
Propilbenceno (86%)
Adición Nucleofílica de Alcoholes: Formación de Acetales. Cetonas y aldehídos reaccionan en forma reversible con alcoholes en presencia de un catalizador ácido para producir acetales, R2C(OR’)2, antiguamente también llamados cetales.
Cetona/aldehído
Un
Acetal
La adición nucleofílica inicial del alcohol al grupo carbonilo produce un hidroxiéter llamado hemiacetal, análogo al gem-diol formado por la adición de agua. Los hemiacetales se forman de manera reversible, normalmente con el equilibrio en favor del compuesto carbonílico. Sin embargo, en presencia de ácido puede ocurrir una reacción posterior. La protonación del grupo hidroxilo, seguida por la pérdida de agua a través de un mecanismo tipo E1, forma un catión (un ion oxonio, R3O+) que une entonces un segundo equivalente de alcohol para producir el acetal.
Una cetona
Un hemiacetal
Un acetal
Mecanismo de la formación de un acetal catalizada por ácido mediante la reacción de cetona o aldehído con un alcohol.
La protonación del oxígeno carbonílico polariza fuertemente al grupo carbonilo, y..
..activa a éste para el ataque nucleofílico por el par no compartido del oxígeno del alcohol.
La pérdida de un protón produce un hemiacetal neutro como intermediario tetraédrico.
La protonación del hidroxilo del hemiacetal lo convierte en un buen grupo saliente.
La deshidratación produce un ion oxonio como intermediario.
La adición de un segundo equivalente de alcohol origina un acetal protonado.
La pérdida de un protón forma el acetal neutro como producto.
Los acetales son compuestos extremadamente útiles, debido a que pueden actuar como grupos protectores de cetonas y aldehídos. Algunas veces sucede que el grupo funcional interfiere en las reacciones químicas que se intentan en otro lugar de una molécula compleja. Por ejemplo, si se deseara reducir solamente el grupo éster del 4oxopentanoato de etilo, el grupo ceto interferiría. El tratamiento del cetoéster inicial con LiALH4 reduciría el grupo ceto como el grupo éster, para formar un diol como producto:
4-Oxopentanoato de etilo
5-Hidroxi-2-
pentanona
El problema anterior, puede evitarse protegiendo al grupo ceto como un acetal.
El la práctica, es conveniente usar etilenglicol (HOCH2CH2OH) como el alcohol y así formar un acetal cíclico. El mecanismo de formación de un acetal cíclico usando un equivalente de etilenglicol es exactamente el mismo que cuando se usan dos equivalentes de metanol u otro monoalcohol. La única diferencia es que ahora los dos grupos alcohol están en la misma molécula y no en dos moléculas. Adición Nucleofílica de Tioles: Formación de Tioacetales. Los tioles, RSH, experimentan adición a aldehídos y cetonas por una ruta reversible catalizada por ácido para producir tioacetales, R’2C(SR)2. Como es de esperar, el mecanismo de formación de un tioacetal es idéntico en todos los aspectos al de formación de un acetal, con la excepción de que se usa un tiol en vez de un alcohol. A menudo se emplea etanoditiol; el tioacetal se forma rápidamente y con alto rendimiento.
3-Metilciclohexanona
Un tioacetal (96%)
Los tioacetales son útiles debido a que experimentan desulfuración cuando se tratan con níquel pulverizado de preparación especial llamado níquel Raney[5] (Ni Raney). Dado que la desulfuración extrae azufre de una molécula reemplazándolo por hidrógeno, la formación de un tioacetal seguida de la desulfuración con níquel Raney es un excelente método para la reducción de cetonas o aldehídos a alcanos.
Por ejemplo: Cetona/Aldehído
Tioacetal
Alcano
Adición Nucleofílica de Iluros de Fósforo: Reacción de Wittig. Cetonas y aldehídos se convierten en alquenos por medio de la reacción de Wittig[6]. En este proceso, un iluro de fósforo, R2C=(C6H5)3, se une a una cetona o un aldehído para producir un intermediario dipolar llamado betaina. La betaína intermadiaria en la reacción de Wittig no se aisla; se descompone para producir un alqueno y óxido de trifenilfosfina. El resultado neto es el reemplazo del oxígeno del carbono por el fragmento orgánico que esencialmente estaba unido al fósforo. Los iluros de fósforo necesarios para la reacción de Wittig se producen fácilmente por una reacción SN2 de halogenuros de alquilo 1º y algunos 2º (pero no terciarios) con trifenilfosfina, R3P, son excelentes nucleófilos en reacciones SN2, con altos rendimientos de sales cristalinas de tetraorganofosfonio. El protón en el carbono próximo al fósforo con carga positiva es débilmente ácido y puede extraerse con bases como hidruro de sodio o butil-litio (BuLi) para generar el iluro neutro. (reactivo de Wittig), Por ejemplo:
Trifenilfosfina Metilentrifenilfosforano
La reacción de Wittig es extremadamente útil, y a partir de combinaciones apropiadas de fosforanos y cetonas o aldehídos es posible elaborar una gran cantidad de alquenos mono, di- y trisustituídos. Sin embargo, no pueden elaborarse alquenos tetrasustituídos debido presumiblemente al impedimento estérico de la reacción.
Mecanismo de la reacción de Wittig entre una cetona o aldehído y un iluro de fósforo.
Reacción de Cannizzaro: Cuando un aldehído sin hidrógenos en el carbono adyacente al grupo -CHO (como el benzaldehído) se calienta en presencia de ion hidróxido, ocurre una reacción de dismutación en la cual se producen un equivalente de ácido carboxílico y un equivalente de alcohol. La reacción fue descubierta en 1853 por S. Cannizzaro[7], a lo cual se debe su nombre reacción de Cannizzaro.
Benzaldehído
Ácido benzoico
Alcohol bencílico
La reacción de Cannizzaro ocurre por adición nucleofílica de ion hidróxido al aldehído para formar un intermediario tetraédrico, que libera ion hidruro como grupo saliente. Un segundo equivalente de aldehído acepte entonces el ion hidruro en otro paso de adición nucleofílica. El resultado neto es que una molécula de aldehído experimenta sustitución acílica de hidruro por hidróxido, de modo que se oxida para convertirse en un ácido, mientras que una segunda molécula de aldehído experimenta una adición de hidruro y, por tanto, se reduce para convertirse en un alcohol.
Intermediario tetraédrico
La reacción de Cannizzaro tiene pocas aplicaciones prácticas y se limita al formaldehído y los benzaldehídos sustituidos.
Reacción de Reformatsky: Preparación de -hidroxiésteres. Si se trata un éster bromado con cinc metálico en presencia de un aldehído o cetona se obtiene un -hidroxiéster. Esta reacción, conocida como reacción de Reformastky, es la forma más importante de preparar -hidroxiácidos y sus derivados. El -bromo éster y el cinc reaccionan en éter para generar un compuesto organometálico de cinc, que se adiciona al carbonilo del aldehído o la cetona.
Ejemplos:
Aldehídos y Cetonas con Iluros de azufre como reactivos de transferencia de metilenos: Los iluros de azufre son nucleófilos y al igual que en la primera etapa de la reacción de Wittig, atacan al carbonilo de aldehído o cetona para dar betaínas azufradas. Sin embargo, a diferencia de las betaínas fosforadas en dichos aductos el sulfuro de dimetilo, que actúa como grupo saliente es desplazado por ataque nucleofílico del ion alcóxido con formación de un oxaciclopropano. De esta forma, el iluro de azufre actúa como agente de transferencia de metileno.
El iluro de azufre se prepara a partir de dimetilsulfuro y yoduro de metilo y posterior tratamiento básico con BuLi en THF, en un proceso análogo al reactivo de Wittig.
Ejemplos:
Ciclohexanona
Betaína azufrada
(82%)
Oxidación de Baeyer - Villiger. El carbono carbonílico de los aldehídos y cetonas puede ser atacado por el grupo hidroxilo de un ácido peroxicarboxílico como si éste procediera de un alcohol. El resultado es un análogo de un hemiacetal con un grupo peróxido. Estos productos no son estables y se descomponen a través de un estado de transición de ocho electrones. En el aducto obtenido a partir de un aldehído, es el hidrógeno el que migra para dar dos ácidos carboxílicos. Uno se forma por oxidación del aldehído, siendo el otro el correspondiente al ácido peroxicarboxílico original. En el aducto obtenido a partir de las cetonas, un grupo alquilo migra de manera análoga para dar un éster. Esta transformación de denomina oxidación de Baeyer-Villiger[8].
Ejemplos:
Butanona Ciclohexanona
Butanal
Acetato de etilo (72%)
-lactona (90%)
Ácido butanoico
Con cetonas asimétricas es en principio posible obtener dos ésteres diferentes. A partir de una serie de experimentos se ha establecido una lista de “aptitudes migratorias”, la cual indica la facilidad relativa de migración de varios sustituyentes. Este orden depende de la estabilidad del carbocatión en el carbono que migra. Aptitudes migratorias en la reacción de Baeyer-Villiger
H > terciario > ciclohexilo > secundario fenilo > primario > metilo
ALDEHÍDOS Y CETONAS (Reacciones de Sustitución Alfa al carbonilo)
Y
ALDEHÍDOS Y CETONAS-INSATURADOS (Síntesis y Reacciones de sistemas -insaturados)
En éste capítulo discutiremos la reactividad de aldehídos y cetonas en la posición alfa (), es decir el carbono contiguo al grupo funcional. El carácter polar del grupo carbonilo tiene un efecto acidificante sobre los hidrógenos y permite la formación de alcoholes -insaturados (enoles) y sus aniones correspondientes (iones enolatos). Los pKa de aldehídos y cetonas van de 19 a 21, valores considerablemente inferiores a los pKa del eteno (44) o etino (25), aunque mayores que los de los alcoholes (15-19) ¿Cuál es la razón de la relativa acidez de los aldehídos y cetonas? Existen dos razones fundamentales: una es el efecto inductivo atrayente de electrones del carbono carbonílico, polarizado positivamente y otra de mayor importancia, es que los iones enolatos formados se hallan estabilizados por resonancia. A continuación veremos las reacciones del carbono , fruto de la enolización como también los métodos sintéticos y reacciones de sistemas -insaturados de cetonas y aldehídos.
REACCIONES DE SUSTITUCIÓN ALFA DE GRUPOS CARBONILOS DE CETONAS Y ALDEHÍDOS: Las reacciones de sustitución alfa ocurren en la posición contigua al grupo carbonilo -la posición alfa ()- e implican la sustitución de un átomo de hidrógeno alfa por algún otro grupo. Se verifican a través de la formación de un enol o ion enolato como intermedios. Su estudio se iniciará aprendiendo un poco más de estas dos especies.
TAUTOMERÍA CETO-ENOL. Los compuestos carbonílicos que tienen átomos de hidrógenos en sus carbonos alfa se interconvierten en forma rápida con sus correspondientes enoles (eno + ol, alcohol insaturado). Esta rápida interconversión entre dos especies químicamente distintas es una clase especial de isomería conocida como tautomería. A los isómeros individuales se les llama tautómeros.
En el equilibrio, la mayoría de los compuestos carbonílicos existen casi exclusivamente en la forma ceto, y suele ser difícil aislar el enol en forma pura. Por ejemplo, a temperatura ambiente la ciclohexanona contiene sólo alrededor de 0.0001% de su tautómero enol, y la acetona sólo alrededor de 0.0000001% de su enol. El porcentaje del tautómero enol es aún menor en los ácidos carboxílicos y en sus derivados de acilo, como ésteres y amidas. Si bien los enoles son difíciles de aislar y en el equilibrio están presentes sólo en pequeña cantidad, son extremadamente importantes e intervienen en gran parte de la química de los compuestos carbonílicos.
Ciclohexanona
99.999 9%
Acetona
0.000 1%
99. 999 999 %
0.000 001%
La tautomería ceto-enol de los compuestos carbonílicos eatá catalizada tanto por ácidos como por bases. La catálisis ácida implica la protonación del átomo de oxígeno del carbonilo (una base de Lewis), para formar un catión intermediario que puede perder un protón del carbono y producir enol neutro. La formación de un enol catalizada por base ocurre vía una reacción ácido-base entre el catalizador y el compuesto carbonílico. Este último actúa como un ácido prótico débil y dona a la base uno de sus hidrógenos . Entonces el anión resultante -un ion enolato- vuelve a protonarse para producir un compuesto neutro. Mecanismo de la formación del enol catalizada por Ácido
Mecanismo de la formación del enol catalizada por Base
PREPARACIÓN DE ENOLATOS: Cuando cetonas y aldehídos se tratan con bases fuertes, éstas provocan la desprotonación del carbono ; debido al carácter ácido de estos hidrógenos. Los pKa de aldehídos y cetonas van de 19 a 21, valores considerablemente inferiores a los pKa de alquenos y alquinos, aunque mayores a los de los alcoholes. Los aniones formados por desprotonación, los iones enolato, se hallan estabilizados por resonancia.
Producir cantidades estequiométricas de un enolato a partir de un aldehído es difícil debido a las reacciones secundarias (condensación aldólica). Las cetonas, sin embargo, pueden desprotonarse con diisopropilamiduro de litio o hidruro potásico.
RESUMEN DE LAS REACCIONES
I.- Síntesis y reacciones de enolatos y enoles 1.- Preparación de enolatos
2.- Alquilación de enolatos
3.- Alquilación vía enaminas
Ejemplos
4.- Equilibrio ceto-enol
En medio Ácido
En medio Básico
5.- Halogenación (vía enolato)
(vía enol)
6.- Condensaciones aldólicas
Condensación aldólica mixta (un aldehído no enolizable)
Condensación entre cetonas
Condensación aldólica intramolecular:
Se forman anillos sin tensión, preferentemente (cinco y seis átomos).
II.- Síntesis aldehídos y cetonas -insaturadas
6.- Condensaciones aldólicas. 7.Bromación-deshidrobromación aldehídos y cetonas.
Ver ejemplos anteriores de
8.- Reacción de Wittig con iluros estabilizados.
9.- Oxidación de alcoholes alílicos.
Ejemplos
10.- Isomerización de aldahídos -insaturados.
III.- Reacciones de aldehídos y cetonas -insaturados. 11.- Hidrogenación. (Reducciones)
12.- Adición de halogenos.
Ejemplos
13.- Adición de cianuro de hidrógeno.
14.- Adición de agua, alcoholes y aminas.
15.- Adición de reactivos organometálicos.
16.- Condensación con derivados de aminas.
G = -OH, -NH2, -NHR, etc.
17.- Reacci贸n de Michael.
18.-Anelaci贸n de Robinson.
Consiste en una : Michael y a continuaci贸n una Ald贸lica - intramolecular.
ALQUILACIÓN SENCILLA Y DOBLE DE ENOLATOS. La mayoría de alquilaciones tiene lugar sobre el carbono , la reacción constituye un procedimiento general de introducción de un sustituyente alquilo en la posición contigua a un carbonilo. Uno de los problemas de este tipo de reacción es controlar la dialquilación. En las condiciones de reacción, la cetona monoalquilada puede ser desprotonada por el enolato de partida y ser objeto de alquilaciones sucesivas. Otra complicación es la que surge al alquilar cetonas asimétricas, ambas posiciones pueden sufrir el ataque del electrófilo. Ejemplos:
53% 27%
47%
38%
Mecanismo de la alquilación de la ciclohexanona:
ALQUILACIÓN VÍA ENAMINAS. Las enaminas son ricas en electrones debido a la presencia del sustituyente nitrógeno. La resonancia entre el par de electrones solitario de dicho nitrógeno y el doble enlace posibilita el que éste pueda ser atacado por electrófilos. En efecto, las enaminas en presencia de haloalcanos se alquilan en el carbono dando sales de iminio. El tratamiento acuoso de éstas las hidroliza por un mecanismo inverso al formulado para su formación. El resultado final es una cetona alquilada y la amina secundaria original. Ejemplos:
Enamina de ciclohexanona
2-Butilcicloxexanona (44%)
2,2-Dimetilbutanal (70%)
Mecanismo de la alquilación vía enamina para la 3-Pentanona:
2-Metilpentanona
HALOGENACIÓN DE ALDEHÍDOS Y CETONAS A TRAVÉS DE INTERMEDIOS DE TIPO ENOLATO O ENOL. Los aldehídos y cetonas reaccionan con halógeno mediante el carbono al grupo carbonilo. En presencia de ácido, por ejemplo, la halogenación suele detenerse tras la incorporación del primer halógeno. La velocidad de halogenación catalizada por ácidos es independiente de la concentración de halógeno, lo cual sugiere un primer paso determinante de la velocidad que involucra al sustrato carbonílico. Dicho paso es la enolización. El halógeno ataca a continuación al doble enlace para dar un halocarbocatión intermedio, estabilizado por el oxígeno. La desprotonación subsiguiente de dicha especie proporciona el producto. Ejemplos:
Propanona
Bromopropanona 2-Metilciclohexanona
2-Cloro-2-metilciclohexanona
Mecanismo de la bromación catalizada por ácido de la propanona (acetona): ETAPA 1.- Enolización
ETAPA 2.- Ataque del halógeno
ETAPA 3.- Desprotonación
La entrada de un segundo halógeno es prácticamente nula. Para poder repetir la enolización, el compuesto halocarbonílico debe enolizarse de nuevo por el mecanismo habitual catalizado por ácidos. Sin embargo, la capacidad atrayente de electrones del halógeno hace que la protonación, el primer paso de la enolización, sea más difícil que en el compuesto carbonílico original. Los rendimientos de la monohalogenación suelen ser altos. La halogenación catalizada por bases es totalmente diferente. En este caso lo difícil es detener la reacción, por lo que no suele tener utilidad. Con metilcetonas, sin embargo, el sustituyente trihalometil resultante actúa como grupo saliente en condiciones básicas y el producto final es en muchos casos un ácido carboxílico y el trihalometano (Reacción del haloformo).
3-Metil-2-butanona Metilpropanoico Bromformo
1,1,1-Tribromo-3-Metil-2-butanona
Ácido
2-
Mecanismo de bromación catalizada por base de una metil cetona: ETAPA 1.- Formación del enolato
ETAPA 2.- Ataque nucleófilo sobre el bromo
ETAPA 3.- Bromación completa
ETAPA 4.- Formación de ácido carboxílico
CONDENSACIÓN ALDÓLICA.- ATAQUE DE ENOLATOS SOBRE LA FUNCIÓN CARBONILO. Los enolatos pueden atacar al carbono carbonílico para dar compuestos hidroxicarbonílicos. La eliminación subsiguiente de agua conduce a aldehídos y cetonas insaturados. La secuencia global de ambos pasos constituye una reacción de condensación.
La condensación aldólica es general para aldehídos, aunque también puede realizarse con éxito sobre cetonas. El mecanismo de esta reacción es un ejemplo característico de la química de enolatos. En condiciones básicas empleadas, existe un equilibrio entre aldehídos y su enolato correspondiente. Éste, que se halla rodeado de aldehído en exceso, utiliza su carbono nucleófilo para atacar al carbonilo de una molécula de aldehído. La protonación del alcóxido resultante proporciona el aducto aldólico inicial, el 3-hidroxibutanal, al cual se le ha dado el nombre corriente de aldol. Mecanismo de formación del aldol: ETAPA 1.- Formación del enolato.
ETAPA 2.- Ataque nucleófilo.
ETAPA 3.- Protonación.
A temperaturas elevadas el aldol se convierte en su enolato, que sufre una eliminación de ion hidróxido para dar lugar al producto final. El resultado neto es la deshidratación del aldol catalizada por hidróxido. Las condensaciones aldólicas suelen ser de diferentes tipos, entre las que están las intramoleculares que conducen a la formación de anillos. Mecanismo de la deshidratación:
Ejemplos de condensaciones aldólicas:
2-Metilpropanal trimetilpentanal
3-Hidroxi-2,2,4-
PREPARACIÓN Y INSATURADOS.-
QUÍMICA
DE
LOS
ALDEHÍDOS
Y
CETONAS
-
Los aldehídos y cetonas -insaturados contienen dos grupos funcionales. Al igual que otros compuestos difuncionales, su química puede ser simplemente una composición de las reactividades de los dos tipos de doble enlace o bien, puede involucrar a la función enona de forma global. En este apartado revisaremos los métodos de preparación de dichas moléculas. Los aldehídos y cetonas -insaturados pueden prepararse por reacciones ya conocidas por el estudiante que han sido comentadas con anterioridad en este capítulo, conjuntamente con otras ya estudiadas, como por ejemplo las eliminaciones. Éste es el caso de la halogenación en el carbono y posterior eliminación en medio básico.
Ciclopentanona
2-Ciclopentenona (73%)
En este caso el doble enlace carbono-carbono puede formarse en la posición contigua al carbonilo mediante la cloración en medio ácido seguida de una deshidrocloración catalizada por base, con buenos rendimientos.
Otro método eficaz de formar cetonas y aldehídos -insaturados es por la reacción de Wittig. Por ejemplo, el 2-cloroetanal puede convertirse en la sal de fosfonio y posteriormente ser desprotonado al iluro correspondiente; que reacciona un aldehído para dar la formación de un aldehído -insaturado. Ejemplo:
Iluro estabilizado
Heptanal
Los iluros formados de esta manera no reaccionan con cetonas. Son posibles otras reacciones análogas con otros iluros de alcanoílo.
2-Nonanal (81%)
Otro de los métodos empleados comúnmente para la preparación de los aldehídos y cetonas -insaturados es la isomerización en medio ácido o básico de sistemas -
insaturados. Así por ejemplo, los compuestos carbonílicos -insaturados se transponen fácilmente a sus isómeros conjugados. Se dice que el doble enlace carbono-carbono “entra en conjugación” con el grupo carbonilo. Ejemplos:
3-Butenal
2-Butenal 3-Ciclohexanona
2-Ciclohexanona
La ruta catalizada por ácidos transcurre a través del dienol conjugado. La protonación en el extremo más alejado del grupo hidroxilo genera un carbocatión estabilizado por resonancia que se desprotona en el oxígeno para dar el producto. En la reacción catalizada por bases, el intermedio es el ion dienolato conjugado, que sufre reprotonación en el carbono extremo. Ambos mecanismos se ilustran a continuación: Mecanismo de la isomerización catalizada por ácidos de compuestos carbonílicos - insaturados:
Mecanismo de la isomerización catalizada por bases de compuestos carbonílicos -insaturados:
REACCIONES QUE INSATURADOS.
SUFREN
LOS
ALDEHÍDOS
Y
CETONAS
Los aldehídos y cetonas -insaturados dan lugar a muchas reacciones perfectamente predecibles a partir de la química ya conocida de los dobles enlaces carbonocarbono y carbono-oxígeno. Por ejemplo la hidrogenación con paladio sobre carbono da el compuesto carbonílico saturado. Ciertos catalizadores especiales provocan la reducción selectiva del grupo carbonílico sin afectar al doble enlace del alqueno.
El hidrógeno empleado con Paladio/Carbono, produce solamente la hidrogenación del enlace carbonocarbono, de manera casi cuantitativa (95%)
Cuando se emplea hidrógeno en presencia de óxido de plata, sulfato de hierro y acetato de cinc, y además a bajas presiones de obtiene la hidrogenación del grupo carbonilo sin dañar el enlace carbono-carbono.
La halogenación es otra de las reacciones que sufre solamente el doble enlace carbono-carbono. Por ejemplo la bromación proporciona un compuesto dibromocarbonílico.
3-Penten-2-ona
3,4-Dibromo-2-
pentanona
ADICIONES 1,4 A ALDEHÍDOS Y CETONAS -INSATURADOS. Las reacciones anteriormente comentadas pueden clasificarse como adiciones 1,2 a alguno de los enlaces del sistema, ya sea el carbono-carbono o el carbono-oxígeno. Sin embargo, algunos reactivos se adicionan de forma 1,4 al sistema conjugado, lo que se denomina adición conjugada. En tales transformaciones la parte nucleófila del reactivo se une al carbono y la electrófila (normalmente un protón) se une al oxígeno carbonílico . El producto inicial es un enol, que sufre posteriormente un reordenamiento a la forma ceto.
Adición 1,2 de un reactivo polar A-B a una enona conjugada.
Adición 1,4 de un reactivo polar A-B a una enona conjugada.
Las adiciones 1,4 son realizadas tanto en medio ácido como medio básico. Ejemplos: (a) Adición de cianuro de hidrógeno. Mecanismo de adición:
(b) Adiciones 1,4 de Agua, Alcoholes y Aminas. Adición de Agua:
Adición de Aminas:
Adición de Alcoholes:
Mecanismo de adición:
(c) Los reactivos organometálicos dan adiciones del tipo 1,2 ó 1,4. Los reactivos organometálicos pueden adicionarse a la función carbonilo insaturada de forma 1,2 ó 1,4. Los reactivos organolíticos, por ejemplo, reaccionan preferentemente mediante ataque nucleofílico sobre el carbono carbonílico. En cambio las
adiciones 1,4 suelen ocurrir con reactivos del tipo R2CuLi, mediante un mecanismo bastante complejo para discutir en este capítulo. Adición 1,2:
Adición 1,4:
REACCIÓN DE MICHAEL Y ANELACIÓN DE ROBINSON. Los iones enolatos dan adiciones conjugadas a aldehídos y cetonas insaturados, una reacción que se conoce como reacción de Michael[1]. Dicha transformación funciona mejor con enolatos derivados de compuestos -dicarbonílicos, si bien también tiene lugar con sistemas más sencillos. El mecanismo de la reacción de Michael incluye el ataque nucleófilo del ion enolato sobre el carbono del compuesto carbonílico insaturado, seguido de protonación. Ejemplos de reacción de Michael.
Mecanismo de la reacción de Michael:
Los productos obtenidos por la reacción de Michael en ciertos casos pueden dar lugar a una posterior condensación aldólica intramolecular, con la formación de un anillo.
La secuencia sintética, que comprende una adición de Michael seguida por una condensación aldólica intramolecular, se llama también anelación de Robinson[2]. La anelación de Robinson ha sido empleada extensamente en la síntesis de anillos. Ejemplos de Anelación de Robinson:
Producto final de la reacción de Robinson (86%)
ÁCIDOS CARBOXÍLICOS
Los ácidos carboxílicos ocupan un lugar importante dentro de la química orgánica, dado que sirven para la construcción de derivados relacionados, como ésteres y amidas. También son importantes en la síntesis orgánica de muchas otras moléculas. Algunos ejemplos importantes son el ácido cólico, uno de los principales componentes de la bilis humana, y los ácidos alifáticos de cadena larga como el ácido oleico y el ácido linoleico, precursores biológicos de grasas y otros lípidos. También se encuentran en la naturaleza muchos ácidos carboxílicos saturados simples. Por ejemplo, el ácido acético, CH3CO2H, es el principal componente orgánico del vinagre; el ácido butanoico, CH3CH2CH2CO2H, es el que da el olor a la mantequilla rancia, y el ácido
hexanoico (ĂĄcido caproico), CH3(CH2)4CO2H, es la causa del inconfundible olor de las cabras y de los calcetines deportivos despuĂŠs de hacer ejercicios.
ÁCIDOS CARBOXÍLICOS: ESTRUCTURA Y PROPIEDADES FÍSICAS. Cuando se une un grupo hidroxilo a un grupo carbonilo se forma un nuevo grupo funcional, el grupo carboxilo, dando lugar a los ácidos carboxílicos. Este nuevo grupo suele representarse como -COOH o -CO2H. Dado que el grupo funcional ácido carboxílico esta relacionado estructuralmente con las cetonas y con los alcoholes, podría esperarse ver algunas propiedades familiares a ellos. En efecto, los ácidos carboxílicos son similares a las cetonas y a los alcoholes en algunos aspectos, aunque también tienen grandes diferencias. Como en las cetonas, el carbono carboxílico tiene hibridación sp2, con ángulos de enlace de 120º aproximadamente. Al igual que los alcoholes, los ácidos carboxílicos están fuertemente asociados por puentes de hidrógeno entre las moléculas. Este hecho hace que los ácidos carboxílicos tengan un punto de ebullición bastante alto con respecto a los alcoholes de peso molecular comparable. Propiedades químicas de los Ácidos:
Formación de dímeros (aumenta el p.eb.)
Dos puentes de hidrógeno
ACIDEZ Y BASICIDAD DE LOS ÁCIDOS CARBOXÍLICOS: Los ácidos carboxílicos tienen un pKa bajo (pH menor que 7.0) es decir son compuestos ácidos. Por lo tanto la desprotonación para dar carboxilato es relativamente fácil, mientras que la protonación es más difícil. Suelen reaccionar con bases como el hidróxido de sodio y bicarbonato de sodio para formar las sales correspondientes.
Un ácido carboxílico (insoluble en agua)
Una sal de ácido carboxílico (soluble en agua)
Los ácidos carboxílicos suelen disociarse ligeramente en soluciones acuosas para formar H3O+ y el anión carboxilato, RCOO-. Como en todo ácido, es posible definir una constante de acidez, Ka.
Casi en la mayoría de los ácidos carboxílicos, la constante de acidez Ka es del orden de 10-5, que corresponde a un pKa de 4.72.
PREPARACIÓN DE LOS ÁCIDOS CARBOXÍLICOS: De entre los métodos de síntesis de ácidos carboxílicos los más frecuentes son oxidación, hidrólisis de nitrilos y reacción de reactivos de Grignard con CO2. A continuación los ilustramos en forma de esquema con un respectivo ejemplo.
Formación de Ácidos Carboxílicos Método sintético a) Hidrólisis de otros derivados de ácidos carboxílicos
Donde X = -Cl, -OR’, -OCOR’, -NHR’. b) Oxidación de alquilbencenos
c) Ruptura oxidativa de alquenos y alquinos
d) Oxidación de alcoholes primarios o aldehídos
Ejemplo
e) Hidrólisis de nitrilos
f) Transposición del ácido bencílico
g) Síntesis malónica
h) Reacción de Kolbe
i) Carboxilación de reactivos organometálicos
j) Oxidación de cetonas
Como puede verse, hay varios métodos para la síntesis de ácidos carboxílicos por oxidación, carbonatación e hidrólisis de precursores adecuados. A continuación veremos las reacciones que dan los ácidos carboxílicos, las cuales pueden agruparse en cinco categorías: Sustitución alfa; Descarboxilación; Desprotonación; Reducción y Sustitución nucleofílica en el acilo.
REACCIONES DE LOS ÁCIDOS CARBOXÍLICOS Método sintético a) Desprotonación
b) Reducción a alcoholes primarios
c) Descarboxilación : Reacción de Hunsdiecker
d) Obtención de Haluros de ácidos
e) Obtención de Anhídridos carboxílicos
Ejemplo
Anhídridos cíclicos:
Favorecido en el caso de anillos de cinco o seis miembros.
f) Obtención de Esteres
Esteres cíclicos: (lactonas)
g) Obtención de Amidas
Imidas:
Amidas cíclicas: (lactamas)
h) Reacción con compuestos organometálicos
i) Formación y reacción de dianiones de ácidos carboxílicos
Utilidad de la reacción:
j) Bromación: Reacción de Hell-Volhard-Zelinsky
k) Reacciones de desplazamiento de ácidos 2-bromo carboxílicos.
Los ácidos carboxílicos se pueden identificar fácilmente por métodos espectroscópicos convencionales. Así, exhiben absorciones características en el infrarrojo en la zona de 2500 y 3300 cm-1 (debido al OH) y a entre 1710 y 1760 cm-1 (debido al grupo C=O). En la RMN de 13C, los ácidos carboxílicos también presentan absorciones en el intervalo de 165 a 185 , y en la RMN de 1H absorben cerca de los 12 . A continuación se comentarán los mecanismos más significativos de las reacciones anteriormente mencionadas en las tablas. La mayoría de los métodos para la preparación de los ácidos carboxílicos, han sido mencionados con anterioridad en los capítulos precedentes, ejemplo oxidación de alquenos y alquinos (cap. 14 y 15); oxidación de alcoholes (cap. 12); organometálicos (cap. 16), etc. Por ésto que haremos un breve comentario de los nuevos métodos aquí comentados.
HIDRÓLISIS DE NITRILOS: El grupo funcional nitrilo R-CN, puede ser hidrolizado con ácidos o bases fuertes en solución acuosa para dar un ácido carboxílico. El método es bueno para producir ácidos carboxílicos a partir de halogenuros de alquilo (R-X R-CN R-COOH). La síntesis funciona mejor con halogenuros primarios, ya que puede competir con reacciones de eliminación E2 con halogenuros secundarios o terciarios.
Mecanismo de la hidrólisis: vía una formación de amida En medio ácido:
En medio básico:
TRANSPOSICIÓN DEL ÁCIDO BENCÍLICO: Consiste en un reagrupamiento de una dicetona en medio básico, tal como se muestra en el siguiente mecanismo. 1) Adición de un ion hidróxido:
2) Transposición
3) Protonación
Ejemplo:
SÍNTESIS MALÓNICA: Consiste en la obtención de un ácido carboxílico a partir de un malonato de etilo o metilo, en presencia de una base y un halogenuro de alquilo, con posterior tratamiento en medio ácido y calor para dar una descarboxilación. Su mecanismo se ilustra a continuación en forma resumida.
REACCIÓN DE KOLBE: Es un caso particular en la obtención de ácidos carboxílicos, dado que conduce solamente a ácidos benzoicos orto sustituidos con hidroxilo. En la reacción de Kolbe[1], el fenóxido ataca al dióxido de carbono para dar la sal del ácido 2-hidroxibencenocarboxílico. (ácido o-hidroxibenzoico). Su mecanismo se discutirá en el capítulo de aromáticos.
REACTIVIDAD DEL ELIMINACIÓN.
GRUPO
CARBOXILO:
MECANISMO
DE
ADICIÓN-
Aparte de sus propiedades ácido-base, los ácidos carboxílicos muestran una reactividad en su grupo carbonilo muy similar a la de los carbonilo de aldehído y cetonas. El grupo carbonílico es susceptible al ataque nucleófilo, el oxígeno puede reaccionar con electrófilos y los hidrógenos vecinos son ácidos y enolizables. El grupo hidroxilo por si mismo o modificado puede actuar como grupo saliente dando lugar a otros derivados carbonílicos. En cualquier caso los ataques nucleofílicos han de seguir uno de los dos siguientes mecanismos, según las condiciones de la reacción. A)
ADICIÓN-ELIMINACIÓN CATALIZADA POR BASES:
B)
ADICIÓN-ELIMINACIÓN CATALIZADA POR ÁCIDOS:
DESCARBOXILACIÓN HUNSDIECKER[2]:
DE
ÁCIDOS
CARBOXÍLICOS:
REACCIÓN
DE
La reacción consiste básicamente en una oxidación. Una sal de plata del ácido carboxílico se trata con un halógeno, normalmente bromo. El bromuro de plata precipita, se desprende dióxido de carbono y se forma un bromoalcano en el que el halógeno ocupa la posición del grupo carboxilo. Esta reacción permite la conversión de la sal de un ácido carboxílico en un bromoalcano que contiene un átomo de carbono menos. El mecanismo se ilustra a continuación: ETAPA 1) Formación del hipobromito
ETAPA 2) Formación del radical RCOO·
ETAPA 3) Descomposición del radical RCOO·
ETAPA 4) Formación del haloalcano y RCOO·
Ejemplo:
OBTENCIÓN DE CARBOXÍLICOS:
HALUROS
DE
ÁCIDOS
A
PARTIR
DE
ÁCIDOS
Estas reacciones ocurren por un mecanismo similar al de los alcoholes al reaccionar con los reactivos de PBr3, PCl5 o SOCl2. Inicialmente se forma un derivado inorgánico del ácido, (formándose así un buen grupo saliente) susceptible de ataque nucleofílico por parte del halogenuro. Mecanismo de la formación del Cloruro de ácido con cloruro de tionilo (SOCl2)
Mecanismo de la formación del Bromuro de ácido con tribromuro de fósforo (PBr3)
La obtención de los demás derivados de ácidos carboxílicos, Ésteres, Anhídridos y Amidas, suelen seguir uno de los dos mecanismo de adición-eliminación mencionados con anterioridad, dependiendo de las condiciones de reacción. Los ésteres por ejemplo se
preparan en medio ácido, usando un ácido mineral como catalizador (sulfúrico o clorhídrico). Las amidas suelen prepararse con aminas y calentamiento. REACCIÓN DE LOS ÁCIDOS CARBOXÍLICOS ORGANOMETÁLICOS ALQUILLITIO:
CON
COMPUESTOS
Los ácidos carboxílicos con reactivos organometálicos, del tipo alquilitio dan cetonas, vía la formación del carboxilato correspondiente. A pesar de que el ataque nucleofílico sobre una especie cargada negativamente es difícil, los reactivos organolíticos pueden dar la adición nucleofílica sobre el grupo carbonilo del ion carboxilato. La reacción pasa por un intermedio del tipo dianión del diol geminal el cual es tratado con agua y la deshidratación de este da la correspondiente cetona.
Mecanismo:
Ejemplos:
REACCIONES DE LOS CARBONOS , VÍA LA FORMACIÓN DE UN DIANIÓN: Los ácidos carboxílicos, al igual que otros compuestos carbonílicos, pueden dar iones enolatos, que participen en reacciones de sustitución nucleófila (vía ion carboxilato). Los ácidos carboxílicos en presencia de una base fuerte, como lo es el diisopropilamiduro de litio, (LDA) y un codisolvente muy polar y aprótico, como la hexametilfosfotriamida, (HMPA) pueden perder un segundo protón para dar el dianión del ácido carboxílico, que es un potente nucleófilo y que puede dar lugar a alquilaciones, apertura de oxaciclopropanos y adiciones aldólicas, entre otras reacciones. Ejemplo: Reacciones en el carbono del ácido 4-metilpentanoico, en presencia de una base y posteriormente un epóxido (óxido de ciclohexeno), un haluro de alquilo (Bromuro de etilo), y un cetona (3-pentanona).
BROMACIÓN DE ÁCIDOS CARBOXÍLICOS EN EL CARBONO : REACCIÓN DE HELL-VOLHARD-ZELINSKY[3]:
Los ácidos carboxílicos pueden bromarse en el carbono , pero a diferencia de aldehídos y cetonas precisan de un catalizador especial, el fósforo. En lás condiciones de reacción el fósforo reaccionan rápidamente con el bromuro presente para dar el iniciador, PBr3 (alternativamente puede emplearse el PBr3 directamente). El mecanismo de esta reacción transcurre a través del bromuro de alcanoílo, formado por reacción del PBr3 con el ácido carboxílico, tal como se ilustra a continuación: ETAPA 1.- Formación del bromuro de alcanoílo
ETAPA 2.- Enolización
ETAPA 3.- Bromación
ETAPA 4.- Intercambio
Ejemplos:
La importancia de la reacción de Hell-Volhard-Zelinsky radica en que el bromoderivado obtenido puede dar lugar a otros derivados funcionalizados, por medio de una sustitución nucleófila. Ejemplos: Sustitución del bromo, por -OH, -NH2 y -CN, del compuesto obtenido previamente. a) Sustitución por -OH.
b) Sustitución por -NH2.
c) Sustitución por -CN.
A continuación se dan problemas propuestos relativos al tema. Éstos han sido tomados de libros de química orgánica como lo son el: Vollhardt, Morrison y Boyd, McMurry, otros son aportaciones personales.
DERIVADOS DE ÁCIDOS CARBOXÍLICOS
Los ácidos carboxílicos y los derivados de ácidos carboxílicos son una clase de compuestos que se denominan en general Derivados de Acilo, R-CO-Y, donde el grupo acilo está unido a un sustituyente electronegativo -Y, que puede actuar como grupo saliente en diversas reacciones de sustitución.
Ácido carboxílico
Halogenuro de ácido
Anhídrido de ácido
( X = F,Cl, Br, I)
Éster
Amida
Nitrilo
La reacciones químicas de los distintos derivados de ácidos carboxílicos están representadas por un tipo de reacción general: la reacción de sustitución nucleofílica en el acilo. Mecanísticamente, estas reacciones se realizan por medio de la adición de un nucleófilo al grupo carbonilo polar del derivado de ácido, seguida de la expulsión de un grupo saliente del intermediario tetraédrico:
donde Y = Cl, Br, I (halogenuro de ácido); OR’ (éster); OCOR’ (anhídrido) o NHR’ (amida).
La reactividad de un derivado de ácido hacia la sustitución nucleofílica depende tanto del entorno estérico alrededor del grupo carbonilo como de la naturaleza electrónica del sustituyente, Y. De este modo, se he encontrado el siguiente orden de reactividad:
Halogenuro de ácido > Anhídrido > Éster > Amida.
Todos ellos pueden ser obtenidos de los respectivos ácidos carboxílicos, los cloruros de ácidos a su vez se pueden transformar en cualquier otro derivado de ácido y así con cada uno de ellos tal como se muestra a continuación en forma de esquema incluidos los nitrilos. Sus respectivas reacciones se mostraran en forma de resumen con un ejemplo, siguiendo la metodología expuesta para los otros grupos funcionales ya estudiados.
ALGUNAS DE LAS REACCIONES DE SUSTITUCIÓN NUCLEOFÍLICA EN EL ACILO DE LOS CLORUROS DE ÁCIDO
ALGUNAS DE LAS REACCIONES DE LOS ANHÍDRIDOS DE ÁCIDO
ALGUNAS REACCIONES DE LOS ÉSTERES
ALGUNAS REACCIONES DE LAS AMIDAS
ALGUNAS REACCIONES DE LOS NITRILOS
RESUMEN GENERAL DE LAS REACCIONES
Reacciones de los haluros de 谩cido 1.-Hidr贸lisis
Ejemplo
2.- Sales carbox铆licas
3.- Alcoh贸lisis
4.- Amin贸lisis
5.- Reacci贸n de Grignard
6.- Reacci贸n con diorganocupratos
7.- Reducción parcial
Reducción total
Reacciones de anhídrido de ácido 1.- Hidrólisis
2.- Alcohólisis
3.- Aminólisis
Ejemplo
4.- Reducción a alcoholes 1º
Reacciones de los ésteres 1.- Hidrólisis
2.- Aminólisis
3.- Alcohólisis (Transesterificación)
4.- Pirolisis de ésteres
5.- Reactivos organometálicos
Ejemplo
6.- Reducción parcial hacia aldehído
7.- Reducción total hacia alcoholes 1º
8.- Formación de enolatos con posterior tratamiento con un electrófilo
9.- Condensación de Claisen
Reacciones de las amidas 1.- Hidrólisis
2.- Reducción parcial hacia aldehído
3.- Reducción total hacia aminas 1º
Ejemplo
4.- Transposici贸n de Hofmann
Reacciones de los nitrilos 1.- Hidrólisis
2.- Con reactivos organometálicos
3.- Reducción parcial hacia aldehídos
4.- Reducción totall hacia aminas 1º
5.- Hidrogenación catalitica
Ejemplo
6.- Desprotonación y alquilación en el C.
La mayoría de las reacciones de sustitución nucleofílica en los derivados de los ácidos carboxílicos aquí mencionadas ocurren en dos pasos: adición del nucleófilo y eliminación del grupo saliente. Aunque algunas veces ambos pasos pueden afectar la velocidad global de la reacción, suele ser el primero paso el limitante de la velocidad.
Ocurre la adición de un nucleófilo al grupo carbonilo, lo que produce un intermedio tetraédrico
Un par de electrones del oxígeno desplaza al grupo saliente Y, lo cual genera un compuesto carbonílico como producto
El nucleófilo puede ser del tipo :Nu- o bien :Nu-H.
Y es un grupo saliente: -OR, NR2, _-Cl, -OCOR’.
El orden de reactividad es Halogenuro de ácido > Anhídrido > Éster > Amida. Una consecuencia importante de las diferencias de reactividad observadas es que suele ser posible transformar un derivado más reactivo en uno menos reactivo.
Casi la mayoría de las reacciones de los halogenuros de ácido ocurren por sustitución nucleofílica en el carbonilo. Por lo que no daremos grandes detalles de cada una de ellas, veamos el caso de la hidrólisis:
Un haluro de ácido
Un ácido carboxílico
Dado que durante la hidrólisis se genera HCl, a menudo la reacción se realiza en presencia de piridina o de NaOH como base para secuestrar el HCl e impedir que éste cause reacciones laterles. La alcohólisis presenta un mecanismo casi idéntico con la diferencia que el grupo atacante es el alcohol e igual cosa la aminólisis.
La reducción de los halogenuros de ácido, termina convirtiéndolos el alcoholes primarios cuando se emplean reductores fuertes (LiAlH4) y en aldehídos cuando se utilizan reductores suaves como por ejemplo el DIDAL , la reducción ocurre por un mecanismo típico de sustitución nucleofílica en el carbonilo en el cual el ion hidruro (H-) ataca al grupo carbonilo produciendo un intermediario tetraédrico que expulsa al ion cloruro, para formar un aldehído, el cual es rápidamente reducido por el LiAlH4 en un segundo paso para generar el alcohol primario.
Los halogenuros de ácido con reactivos de Grignard suelen producir alcoholes terciarios en los cuales los dos sustituyentes son idénticos, el mecanismo es igual a la reducción con LiAlH4, pasándose por una cetona intermedia, la cual reacciona rápidamente con el segundo equivalente de organometálico, para producir el alcohol, ejemplo:
Mecanismo:
La obtención de cetonas apartir de halogenuros de ácido, es posible empleando como agente organometálico un reactivo del tipo diorganocuprato, ejemplo:
La reacciones químicas de los anhídridos de ácido son muy similares a las de los halogenuros de ácido, con la única diferencia que sus reacciones son más lentas. Los ésteres sin embargo, son talvez los derivados de ácidos más importantes. Los ésteres pueden ser obtenidos partiendo de ácidos o anhídridos, aunque el método más amplio es partiendo de los cloruros de ácido.
Los ésteres presentan un comportamiento químico similar al descrito para los halogenuros de ácido y anhídridos, pero son menos reactivos hacia los nucleófilos que los anteriores; de ahí que las reacciones requieran de un catalizador que suele ser ácido o básico.
La hidrólisis de ésteres por ejemplo es realizada en medio ácido o básico para producir un ácido carboxílico más alcohol. La hidrólisis de ésteres en solución básica se llama saponificación (del latín sapo, saponis, jabón).
Analicemos un ejemplo: Mecanismo de hidrólisis mediante base
Al contrario de lo que ocurre con la hidrólisis catalizada por ácidos, esta reacción en sus últimas etapas no es de equilibrio, la etapa en la que el ácido se convierte en la sal del carboxilato, es esencialmente irreversible. Por lo tanto, se necesita al menos una cantidad estequiométrica de hidróxido (aunque frecuentemente se emplea un exceso).
Reacción de los ésteres con alcoholes: transesterificación
Esta reacción permite la conversión de un éster en otro sin necesidad de obtener el ácido libre. La transesterificación es una reacción de equilibrio. Para desplazar el equilibrio se utiliza normalmente un gran exceso de alcohol, muchas veces como disolvente. La reacción tiene utilidad dado que las lactonas (ésteres cíclicos) se abren mediante transesterificación a hidroxiésteres.
Ejemplo:
Amidas a partir de ésteres:
Los ésteres reaccionan con las aminas por un método típico de sustitución nucleofílica en el acilo para producir amidas. La reacción en si no necesita catalizador dado que las aminas, son buenos nucleófilos. Sin embargo, la reacción no tiene mucho uso debido a que se obtienen mayores rendimientos por la aminolisis de los cloruros de ácido.
Ejemplos:
Benzoato de metilo
Benzamida
3-Metilbutanoato de metilo
3-Metil-N-etilbutanoamida
Reactivos de Grignard con ésteres producen alcoholes terciarios:
La reacción de los ésteres con dos equivalentes de un reactivo de Grignard, los transforma en alcoholes terciarios, mientras que los ésteres del ácido metanoico (fórmico) conducen a alcoholes secundarios. La reacción en si es una adición nucleofílica del organometálico a la función carbonílica para dar la sal de magnesio de un hemiacetal y formación de una cetona intermedia, a continuación tiene lugar otra adición de un segundo equivalente de reactivo de Grignard sobre el grupo carbonílico formado. Por ultimo, se obtiene el alcohol al añadir agua a la mezcla de reacción.
Ejemplo:
Mecanismo:
Reducción de ésteres a alcoholes:
Los ésteres se reducen fácilmente por tratamiento con hidruro de litio y aluminio (LiAlH4) para producir alcoholes primarios, el mecanismo consiste en la unión de un hidruro al grupo carbonilo, a lo cual sigue la eliminación del ion alcóxido para producir un aldehído como intermedio. La posterior adición de un hidruro al aldehído forma el alcohol primario.
Mecanismo:
Éster
Aldehído
Alcohol primario
Si en vez de LiAlH4 se usa DIBAL (hidruro de diisobutilaluminio) como agente reductor, es posible aislar el aldehído. Debe tenerse gran cuidado (usar un equivalente exacto de hidruro, y efectuar la reacción a -78ºC).
Ejemplo:
Formación de enolatos con posterior tratamiento con un electrófilo:
La acidez de los hidrógenos en de los ésteres es suficiente para que se formen los enolatos de éster, cuando un éster reacciona con una base fuerte a baja temperatura. Los enolatos de éster reaccionan como enolatos de cetonas, dando lugar a alquilaciones, apertura de oxaciclopropanos y reacciones aldólicas.
Ejemplo:
Condensación de Claisen[1]:
Cuando los enolatos de éster atacan a otra molécula de éster se forma un producto de condensación de Claisen, dando lugar a un producto conocido como -ceto-éster. Esto se debe a que los enolatos no deben estar presentes en cantidades estequiométricas, sino que pueden existir en concentraciones de equilibrio, como ee la reacción aldólica, Tanto el alcóxido (base) como el éster empleado deben ser derivados del mismo alcohol para evitar la una transesterificación.
Ejemplo:
Mecanismo:
1) Formación del enolato del éster
2) Adición nucleófila
3) Eliminación
La condensación de Claisen es esencialmente análoga a la aldólica, pero con un éster en lugar de un aldehído. En de estar presente ésteres de distinta naturaleza química se produce una condensación de Claisen cruzada, dando lugar a mezclas de productos, y en el caso de que una misma molécula posea dos grupos ésteres da lugar a una condensación de Claisen intramolecular, conocida con el nombre de condensación de Dieckmann[2].
Ejemplos:
a) Condensación de Claisen mixta
b) Condensaci贸n de Claisen intramolecular (Dieckmann)
REACCIONES DE LAS AMIDAS:
Las amidas son mucho menos reactivas que cloruros de ácido, anhídridos de ácido o ésteres. Por tanto, el enlace amida sirve como la unidad básica a partir de la cual se forman todas las proteínas.
Las amidas sufren hidrólisis para formar ácidos carbixílicos más aminas cuando se calientan con ácidos o bases en solución acuosa. Las condiciones que se requieren para la hidrólisis de amidas son más drasticas que para la hidrólisis de cloruros de ácido o ésteres, pero los mecamismos son similares.
Ejemplos:
(a) Hidrólisis ácida
(b) Hidólisis básica
Al igual que otros derivados de ácidos carboxílicos, las amidas pueden reducirse con LiAlH4 o bien LiAl(OR)3H, para obtener alcoholes o aldehídos respectivamente. El efecto neto de la reducción de una amida es la conversión del grupo carbonilo de la amida en un grupo metileno (C=O CH2). Este tipo de reacción es específico de las amidas y no ocurre con otros derivados de ácidos carboxílicos.
Ejemplos:
La reducción con hidruro de litio y aluminio es igualmente eficaz tanto para las amidas acíclicas como para las cíclicas (lactamas). La reducción de lactamas produce aminas cíclicas con buenos rendimientos, y constituye un método de síntesis valioso.
Ejemplo:
Una lactama
Una amina cíclica
Las amidas se pueden transformar en aminas con un carbono menos respecto a las amida original mediante la transposición de Hofmann, la que será estudiada en el capítulo 27, dedicado a las aminas.
REACCIONES DE LOS NITRILOS:
La química de los nitrilos es similar en muchos aspectos a la química de los compuestos carbonílicos. Al igual que éstos, los nitrilos están fuertemente polarizados, lo que hace que el átomo de carbono sea electrófilo. Por tanto los nitrilos son atacados por nucleófilos para producir aniones imina con hibridación sp2 como intermedio, en una reacción análoga a la formación del ion alcóxido intermedio por adición nicleofílica a un grupo carbonilo.
Las dos reacciones más importantes de los nitrilos son la hidrólisis y la reducción. Además, los nitrilos pueden ser parcialmente reducidos e hidrolizados para producir aldehídos, y se pueden tratar con reactivos de Grignard para producir cetonas.
Los nitrilos pueden hidrolizarse en medio acuoso ácido o básico para dar los correspondientes ácidos carboxílicos. El mecanismo de estas reacciones procede a través de una amida intermedia e incluye etapas de adición-eliminación.
Mecanismo de la hidrólisis de nitrilos catalizada por ácidos:
Mecanismo de la hidrólisis de nitrilos catalizada por bases:
Las condiciones para la hidrólisis de nitrilos son normalmente drásticas, requiriendo altas concentraciones de ácido o base a elevadas temperaturas.
Los reactivos organometálicos reaccionan con los nitrilos para dar cetonas:
Los nucleófilos fuertes, como por ejemplo los reactivos organometálicos, se adicionan a los nitrilos para dar sales de aniones de imina. El tratamiento coc ácido acuoso conduce a la imina neutra, que se hidroliza rápidamente a cetona. Ejemplo:
COMPUESTOS DIFUNCIONALES
Los compuestos difuncionales presentan una gran diversidad química, por lo que haremos un estudio dedicados sólo a los más significativos, son ejemplos de compuestos difuncionales Dioles, Hidroxialdehídos, Hidroxicetonas, Hidroxiácidos, Ácidos dicarboxílicos, Dicetonas, Cetoaldehídos, Cetoácidos, Cetoésteres, etc.
REACCIONES DE LOS DIOLES:
Una reacción importante de los dioles 1,2- y 1,3- es la que dan con aldehídos y cetonas para formar acetales y cetales cíclicos, (véase el mecanismo en el capítulo 17) utilizada para proteger al grupo carbonilo. Los dioles con las funciones hidroxi separadas por más de tres carbonos no presentan, en general, esta reacción, debido a que el anillo resultante sería de siete o más eslabones.
Ejemplos:
La deshidratación de los 1,2-dioles en presencia de catálisis ácida va acompañada con frecuencia de una transposición de esqueleto. Por ejemplo, el pinacol (2,3dimetilbutano-2,3-diol), reacciona con ácido sulfúrico produciendo la t-butilmetilcetona, denominada vulgarmente “pinacolona” (Transposición pinacolínica).
Ejemplos:
Pinacol
Pinacolona
Mecanismo de la transposición pinacolínica:
La deshidratación de 1,4- y 1,5-dioles produce con frecuencia éteres cíclicos, sobre todo cuando uno de los grupos hidroxi es terciario.
Ejemplos:
Mecanismo de ciclación:
La reacción se produce por desplazamiento Transcurre probablemente a través de un carbocatión terciario que es atrapado por nucleófilo intramolecular. el segundo hidroxi secundario.
Los 1,2-dioles se rompen con facilidad por el enlace carbono-carbono entre los dos carbonos con los grupos hidroxi, cuando se tratan con ácido peryódico HIO4 o tetracaetato de plomo. Combinada con el proceso de hidroxilación, esta oxidación constituye un método de ruptura de alquenos, complementario a la ozonólisis. (véase capítulo 14).
La oxidación peryódica comprende la formación de un diéster cíclico del ácido peryódico, que por descomposición produce dos fragmentos carbonílicos y ácido yódico.
Ejemplos:
COMPUESTOS -HIDROXICARBONILICOS: HIDROXIALDEHÍDOS E HIDROXICETONAS
SÍNTESIS:
Los -hidroxialdehídos se obtienen por tratamiento de los ésteres con sodio en un disolvente inerte tal, como éter o benceno. Estos compuestos se denominan aciloínas y la reacción recibe el nombre de condensación aciloínica. El producto inicial de la reacción es la sal disódica de un enodiol, que se hidroliza produciendo la aciloína.
Ejemplo:
La condensación aciloínica es un método útil para la síntesis de compuestos cíclicos, sobre todo los de tamaño medio (8-13 eslabones). En estos casos, la reacción debe efectuarse bajo condiciones de alta dilución para evitar reacciones intermoleculares.
Ejemplos de condensación aciloínica intramolecular:
El mecanismo de esta reacción es similar al del acoplamiento pinacolínico. En primer lugar, el éster se convierte en anión radicalario por transferencia de un electrón del metal, quizás directamente al carbono carbonílico polarizado positivamente. A continuación las especies resultantes se dimerizan dando el dianión del diol correspondiente.
Mecanismo de la condensación aciloínica:
Los alquenos, los alquinos y los éteres no resultan afectados por estas condiciones de reacción.
-hidroxicetonas a partir de aldehídos: condensación benzoínicas:
Una segunda aproximación a la preparación de -hidroxicetonas es la dimerización de aldehídos en presencia del correspondiente catalizador. Por ejemplo, al tratar el bencenocarboxaldehído (benzaldehído) con una cantidad catalítica de cianuro sódico en etanol acuoso se obtienen con buen rendimiento la 2-hidroxi-1,2-difeniletanona.
Ejemplo:
Benzaldehído
2-hidroxi-1,2-
difeniletanona
(Benzoína)
El ion cianuro cataliza la reacción únicamente para el caso de aldehídos aromáticos. Sin embargo, los aldehídos alifáticos sufren el mismo acoplamiento en presencia de sales de tiazolio.
Ejemplo:
Pentanal
Mecanismo de la condensación benzoínica:
HIDROXIÁCIDOS:
6-Hidroxi-5-decanona
En la naturaleza existen numerosos hidroxiácidos importantes y poseen nombres vulgares de uso corriente. El ácido láctico es responsable del olor y sabor característicos de la leche agria. El ácido máleico se encuentra en los jugos de frutas. El ácido tartárico se conoce desde tiempos inmemoriales como sal monopotásica (crema tartárica) que se deposita en el poso del vino. El ácido cítrico es un ácido hidroxitricarboxílico que abunda mucho en la naturaleza.
-hidroxiácidos:
El método más corriente para obtener -hidroxiácidos consiste en la hidrólisis de haloácidos, (se obtienen por la reacción de Hell-Volhard-Zelinsky, ver capítulo 20).
Ejemplo:
Ácido butanoico
Ác.-2-hidroxi-butanoico
Los -hidroxiácidos se obtienen también por hidrólisis de las cianohidrinas, que resultan de la reacción de HCN con aldehídos o cetonas (ver capítulo 17). Dado que la adición de HCN a un grupo carbonilo se invierte en las condiciones fuertemente básicas necesarias para hidrolizar un nitrilo a un ácido, dicha hidrólisis se efectúa en condiciones ácidas.
Ejemplo:
2-Hexanona
Ácido-2-hidroxi-2-metil-hexanoico
Transposición del ácido bencílico:
Es posible obtener -hidroxiácidos empleando compuestos -dicarbonílicos, como -cetoaldehídos y las -cetocetonas, por hidratación en medio básico. Bajo estas condiciones, la difeniletanodiona (bencilo) se convierte en el ácido difenilhidroxietanoico (bencílico).
Difeniletanodiona (Bencilo)
Sal pótasica del ácido
bencílico
Cuando la reacción ocurre en las -dicetonas cíclicas, la transformación implica contracción del anillo.
Ejemplo:
Otros hidroxiácidos se obtienen por hidrólisis de lactonas, que se obtienen mediante la oxidación de Baeyer-Villiger de las cetonas.
Ejemplo:
2-Metil-ciclohexanona
Ácido-6-hidroxi-
heptanoico (hidroxiácido)
Si se emplea la cetona cíclica adecuada, se puede obtener el hidroxiácido deseado, el problema radica que los hidroxiácidos mayores están el equilibrio con su forma cíclica (lactona). La lactonización, al igual que la esterificación normal, es un proceso en equilibrio; sólo cuando la lactona tiene un anillo de cinco o seis eslabones existe una cantidad importante de lactona en el equilibrio.
Ejemplos:
ácido--hidroxibutanoico (27%)
-butirolactona (73%)
ácido--hidroxipentanoico (90%)
PREPARACIÓN DE COMPUESTOS -DICARBONÍLICOS:
-valerolactona (10%)
Existen los 1,2-compuestos, que aunque son bastante raros, sí poseen ciertas propiedades químicas interesantes. El grupo más importante de compuestos dicarbonílicos es el de los 1,3-isómeros debido a su importancia en la síntesis.
Compuestos -dicarbonílicos por condensación de Claisen.
Los compuestos 1,3-dicarbonílicos se obtienen siempre utilizando una reacción de condensación tipo Claisen (véase el mecanismo en el capítulo 21, páginas 414-416). Las dicetonas y los -cetoaldehídos se obtienen por una condensación de Claisen cruzada, utilizando una cetona y un éster. En la condensación de Claisen cruzada de cetonas y ésteres se obtienen buenos resultados, debido a que las cetonas son notablemente más ácidas que los ésteres, por lo tanto, en el medio básico la cetona se desprotona en mayor grado que el éster.
Ejemplos:
Etanoato de metilo metilo
Acetoacetato de
(90%)
(85%)
Los -cetoésteres pueden hidrolizarse para dar lugar a los -cetoácidos los cuales sufren una DESCARBOXILACIÓN térmicamente de la misma manera que los 1,3-diácidos.
Los ácidos dicarboxílicos experimentan diversas reacciones térmicas, una de ellas es la descarboxilación cuando se calientan, por ejemplo el ácido málonico se descarboxila suavemente cuando se calienta a 150 ºC y produce ácido acético.
Ácido málonico
Ácido acético
Descarboxilación:
El mecanismo de descarboxilación de -cetoácidos es idéntico al descrito para diácidos, transcurre a través de un estado de transición de seis centros, concertado. El producto inicial en el caso de un -cetoácido es la forma enólica de la cetona la cual por equilibrio cetoenolico da el compuesto carnonílico sencillo.
Acidez de los compuestos 1,3-dicarbonílicos:
Los compuestos 1,3-dicarbonílicos que poseen un hidrógeno unido al carbono que se encuentra entre los dos grupos carbonilo, son ácidos mucho más fuertes que los aldehídos, cetonas o ésteres normales, debido a que la carga en el ion enolato resultante puede deslocalizarse en ambos grupos carbonilo.
ion enolato estabilizado por resonancia
En la Tabla 22.1 se muestran algunos valores de pKa típicos para estos tipos de sistemas. La acidez de los compuestos 1,3-dicarbonílicos es tan grande que se convierten en sus bases conjugadas de forma cuantitativa por acción del ion hidróxido en agua o del ion alcóxido en un disolvente alcohólico.
TABLA 22.1.- Valores de pKa para sistemas -dicarbonílicos y análogos.
Nombre 2,4-Pentanodiona
Estructura
pKa 9
(Acetilacetona) 2-Cianoetanoato de metilo
9
(2-Cianoacetato de metilo) 3-Oxobutanoato de etilo
11
(Acetoacetato de etilo) Propanodinitrilo
13
(Malonodinitrilo) Propanodioato de dietilo
13
(Malonato de dietilo)
Los aniones-dicarbonílicos son nucleófilos:
La elevada acidez de los compuestos -cetocarbonílicos hace que se puedan utilizar en síntesis, ya que los iones enolato que se obtienen por desprotonación pueden alquilarse para dar derivados sustituidos.
Ejemplos:
SÍNTESIS ACETOACÉTICA:
Si se emplea acetoacetato de etilo como sustancia de partida, la combinación de la alquilación, hidrólisis y la descarboxilación proporciona una síntesis de alquilmetilcetonas.
etilo
Acetoacetato Una metilcetona
de
Ejemplos:
SÍNTESIS MALONICA:
Si se emplea el malonato de dietilo en una alquilación con posterior hidrólisis y descarboxilación el producto final resulta ser un ácido carboxílico simple.
Ejemplos:
La principal limitación de estas síntesis es la eliminación bimolecular que puede experimentar el derivado halogenado durante el proceso de alquilación, que se produce por un mecanismo SN2. La importancia de dicha reacción secundaria de eliminación depende de la estructura del R-X. Los haloalcanos terciarios que reaccionan con aniones dicarbonílicos dan preferentemente productos de eliminación. Sin embargo, los aniones pueden ser atacados por haluros de alcanoilo, -bromoésteres, -bromocetonas y oxaciclopropanos.
CONDENSACIÓN DE KNOEVENAGEL:
En la condensación de Knoevenagel[1], el compuesto -dicarbonílico se trata con una cantidad catalítica de una base débil, tal como la N-etiletanamina (dietilamina), en presencia de un aldehído o cetona para dar el producto de condensación aldólica.
Ejemplo:
LA ADICIÓN DE MICHAEL:
Al tratar los aniones -dicarbonílicos con compuestos carbonílicos -insaturados se producen adiciones 1,4 (adición de Michael). La reacción va bién con cetonas insaturadas, aldehídos, nitrilos, y derivados de ácidos carboxílicos, requiriendo únicamente cantidades catalíticas de base.
Ejemplos:
SISTEMAS CONJUGADOS SISTEMAS ALÍLICOS:
Cuando se trata el 2-buten-1-ol con bromuro de hidrógeno a 0 ºC se produce una mezcla de 1-bromo-2-buteno y 3-bromo-1-buteno. Una mezcla semejante se obtiene al tratar 3-buten-2-ol con HBr en las mismas condiciones:
Este hecho experimental se explica mediante la formación de un intermedio carbocatiónico en el que la carga positiva se deslocaliza entre dos carbonos.
Los intermedios carbocatiónicos de las reacciones precedentes se describen como híbridos de resonancia de dos estructuras importantes. El más sencillo de tales cationes es el 2-propen-1-ilo o catión alilo.
catión alilo híbrido
También se conocen los radicales alilo y los aniones alilo, siendo éstos también estables por resonancia:
Radical alilo híbrido
Anión alilo
híbrido
La estabilización por resonancia del sistema (alilo) puede también describirse en términos de orbitales moleculares, una aproximación mecánico-cuántica más sofisticada. El esqueleto molecular consta de tres carbonos, cada uno de ellos con hibridación sp2 y con un orbital p perpendicular al plano molecular, Figura 22.1. Puede considerarse como un enlace doble al que se le ha añadido un carbono sp2 adicional. La molécula sin embargo es simétrica, con las mismas longitudes de enlace C-C.
FIGURA 23.1.- Catión alilo, descripción orbitálica.
Ignorando el esqueleto , podemos combinar matemáticamente los tres orbitales p para dar tres orbitales . Este procedimiento es análogo a la mezcla de dos orbitales atómicos para dar los dos orbitales moleculares que describen el enlace , excepto por la presencia de un tercer orbital. De los tres orbitales moleculares, uno es enlazante y no tiene ningún nodo (1), uno es no enlazante (tiene la misma energía que los orbitales p sin interaccionar) y tiene un nodo (2) y uno es antienlazante, con dos nodos (3), Figura 23.2. Una vez se han derivado los orbitales moleculares podemos llenarlos con el número adecuado de electrones, Figura 23.3.
FIGURA 23.2.Orbitales moleculares FIGURA 23.3.- Llenado de los orbitales del 2-propenilo (obsérvese que el moleculares del catión, radical y tamaño de los distintos lóbulos no el mismo). anión 2-propenilo (alilo).
El nodo que pasa por el carbono central en 2 tiene una consecuencia importante: cualquier exceso (o defecto) de densidad electrónica se manifestará primordialmente en los dos carbonos terminales, tal como esperaríamos a partir de las estructuras de resonancia. Por tanto, en promedio, hay aproximadamente la mitad de una carga positiva localizada sobre estos carbonos en el catión 2-propenilo (alilo) y la mitad de una carga negativa en el anión. La posición central permanece neutra, con su octeto completo. En el radical neutro cada carbono tiene un electrón y las posiciones terminales muestran un 50% de carácter radicalario.
CONSECUENCIA DE LA DESLOCALIZACIÓN: QUÍMICA DEL SISTEMA 2-PROPENILO (ALILO)
CATIÓN ALÍLICO:
Cuando un catión alílico reacciona con un agente nucleofílico, puede reaccionar en cualquiera de los centros positivos y generalmente se produce una mezcla de productos. Las reacciones que evolucionan vía cationes alílicos parecen dar con frecuencia como resultado productos “reordenados”. Dichas reacciones reciben el nombre de reordenamiento alílicos. Además de formar carbocationes relativamente fácil, los haluros y alcoholes alílicos también experimentan la sustitución mediante el mecanismo SN2 más rápidamente que los sistemas análogos saturados.
CONTROL CINÉTICO Y CONTROL TERMODINÁMICO:
Para la discusión del control cinético o termodinámico, analicemos la hidrólisis del 1-cloro-2-buteno como la del 3-cloro-1-buteno, dado que dan la misma mezcla de alcoholes. La razón es la presencia del mismo catión alilo intermedio.
Resulta curioso que el producto mayoritario de esta hidrólisis sea el 3-buten-2-ol, a pesar de que se forme un alqueno terminal, y por ende menos favorecido termodinámicamente. Debe existir un efecto cinético, es decir, el isómero menos estable debe formarse más rápidamente, la pregunta es ¿Por qué?. La diferencia reside en la distribución electrónica en el catión alílico intermedio. Esta molécula es asimétrica, por lo que deberíamos esperar una distribución desigual de carga entre los carbonos C 1 y C3.
Dicho de otra forma el producto mayoritario procede de un carbocatión secundario alílico mucho más estable.
Que el producto de la hidrólisis está controlado cinéticamente puede demostrarse por equilibración de los productos. Calentando la mezcla de butenoles se obtiene la proporción termodinámica, con predominio del 2-buten-1-ol. En condiciones de baja temperatura y tiempos cortos de reacción se dice que son de control cinético y las altas temperaturas y tiempos largos de reacción se dice que son condiciones de control termodinámico. La situación puede ilustrarse en un diagrama de energía potencial, Figura 23.4. El alcohol cinético se forma primero pero su formación es reversible lo que permite que al final se forme lentamente el producto termodinámico.
FIGURA 23.4.- Control cinético frente al control termodinámico para el catión alílico
RADICAL ALÍLICO:
Los radicales alílicos también están estabilizados por resonancia, de una forma similar a como lo están los cationes alílicos, por lo que en moléculas asimétricas se verá favorecida la formación de la forma resonante más estable de acuerdo a la estabilidad de los radicales libres, es decir 3ario> 2ario>1ario.
Una de las reacciones importantes de los radicales alílicos, es justamente la bromación alílica, mediante el uso del reactivo N-bromosuccinimida. La reacción se lleva normalmente a cabo en tetracloruro de carbono en el que tanto el reactivo Nbromosuccinimida como la succinimida producto de la reacción son insolubles. La reacción tiene lugar en parte sobre la superficie de la N-bromosuccinimida, aunque el reactivo realmente activo parece ser el bromo formado en disolución diluida a partir de la reacción de trazas de ácido y humedad con la bromoimida.
El bromo participa luego en la bromación radicalaria en cadena del hidrógeno alílico. Bajo estas condiciones de alta dilución no tiene lugar la adición del bromo al doble enlace. Para el mecanismo véase el capítulo 9, páginas 175-177. Otra alternativa de halogenación alílica es emplear halógeno en bajas concentraciones y temperaturas elevadas, cuyo mecanismo se comenta en el capítulo 14, página 258.
Ejemplo:
DIENOS CONJUGADOS:
Los dienos conjugados son significativamente más estables de lo que cabría esperar para un compuesto con los dobles enlaces completamente independientes. Esta relativamente pequeña pero significativa diferencia se atribuye a dos factores. Primero, las longitudes de los dobles enlaces son normales esencialmente, pero el enlace sencillo que los separa es más corto que la distancia de 1.54 Å asociada a los enlaces sencillos carbono-carbono, véase por ejemplo el 1,3-butadieno.
Esta disminución de la longitud de enlace en parte es consecuencia de la disminución del carácter s de los orbitales de los carbonos que forman este enlace; el enlace sencillo entre los dobles enlaces puede ser descrito como Csp2-Csp2 aproximadamente. Este enlace más corto, es algo más fuerte que los enlaces carbonocarbono que poseen menos carácter s. Segundo, los orbitales pz sobre C2 y C3 pueden también solaparse para dar algo de carácter de doble enlace al enlace sencillo C 2-C3 (en el butadieno). Este factor contribuye también algo a la estabilidad extra del sistema de dobles enlaces conjugados. Figura 23.4.
La prueba de la estabilidad extra de los dienos conjugados proviene de mediciones de los calores de hidrogenación. Así, el 1,4-pentadieno tiene un Hºhidrog = 60.8 kcal/mol, mientras que el 1,3-butadieno tiene un Hºhidrog = 57.1 kcal/mol. El 1,3butadieno es aproximadamente 3,7 kcal/mol más estable de lo predicho teóricamente.
FIGURA 23.5.
La estructura electrónica del 1,3-butadieno puede describirse mediante cuatro orbitales moleculares construidos a partir de los cuatro orbitales atómicos p. Los orbitales moleculares de energía más baja,, no tiene ningún nodo y presenta interacciones enlazantes entre los distintos lóbulos. El orbital 2 tiene sólo un nodo y por tanto una interacción antienlazante. Este orbital todavía es enlazante ya que la interacción antienlazante de los lóbulos centrales se compensa con las interacciones enlazantes de los extremos. Tanto 1 como 2 tienen una energía menor que los orbitales p aislados. El orbital 3 tiene dos nodos y, en conjunto es antienlazante, mientras que 4 es completamente antienlazante, con tres nodos, Figura 23.6. Los cuatro electrones ocupan los dos orbitales moleculares enlazantes y así se explica la estabilidad neta del sistema respecto a los cuatros orbitales p independientes.
FIGURA 23.6.- Descripción mediante orbitales moleculares del 1,3-butadieno.
LOS DIENOS CONJUGADOS SON ATACADOS POR ELECTRÓFILOS Y RADICALES LIBRES.
Los dienos conjugados son centros de elevada densidad electrónica debido a la presencia de los electrones . De hecho, a pesar de ser termodinámicamente más estables que los dienos con dobles enlaces independientes, los dienos conjugados son más reactivos en presencia de electrófilos y otros reactivos. Así, frente a HX y X 2 dan los producto de adición 1,2- y 1,4-. La generación del primer producto puede comprenderse fácilmente con la química de alquenos ordinaria (capítulo 14), es el resultado de una adición Markovnikov a uno de los dobles enlaces. ¿Cómo se explica el segundo producto?. Veamos dos ejemplos:
(1) Adición de bromo al 1,3-butadieno
¿Cómo es posible explicar la formación de los productos de adición 1,4?. La respuesta es que en las reacciones participan carbocationes alílicos como intermedios.
(2) Adición de cloruro de hidrógeno al 1,3-butadieno
CONTROL CINÉTICO CONTRA CONTROL TERMODINÁMICO DE LAS REACCIONES:
La adición de electrófilos a dienos conjugados a temperatura ambiente o menores suele formar una mezcla de productos, en la cual el aducto 1,2 predomina sobre el 1,4. Sin embargo, cuando la misma reacción ocurre a temperaturas mayores, a menudo cambia la relación de productos y el aducto 1,4 es el que predomina. Por ejemplo, la adición de HBr a 1,3-butadieno a 0 ºC produce una mezcla 71:29 de aductos 1,2 y 1,4, pero la misma reacción a 40 ºC genera una mezcla 15:85. Además, cuando la mezcla de productos formada a 0 ºC se calienta a 40 ºC en presencia de más HBr, la relación de aductos cambia lentamente de 71:21 a 15:85. ¿Cómo pueden explicarse estas observaciones?
En condiciones suaves a baja temperatura (0 ºC), el HBr se agrega al 1,3-butadieno bajo control cinético, para formar una mezcla 71:29 de productos con predominación del aducto 1,2. Puesto que estas condiciones suaves no permite que los productos alcancen el equilibrio, predomina el producto que se forma primero (proveniente del carbocatión alílico secundario, formado en primer lugar). Sin embargo, en condiciones más vigorosas a altas temperaturas (40 ºC), la reacción ocurre reversiblemente bajo control termodinámico para formar una mezcla 15:85 de productos, en la que predomina el aducto 1,4, más estable (alqueno disustituido). La mayor temperatura proporciona más energía para que las moléculas de producto asciendan la barrera de alta energía que conduce al carbocatión alílico primario, menos estable, y por tanto resulta una mezcla de productos de equilibrio. Figura 23.7.
FIGURA 23.7.-
REACCIÓN DE CICLOADICIÓN DE DIELS-ALDER:
Una segunda reacción importante de los dienos conjugados es que experimentan una reacción de adición con alquenos aislados para formar ciclohexenos sustituidos como productos. Este proceso, llamado reacción de cicloadición de Diels-Alder en honor a sus descubridores[1],[2], es una reacción muy útil en química orgánica debido a que forma dos enlaces carbono-carbono en un solo paso, y es uno de los pocos métodos de que se dispone para la formación de moléculas cíclicas.
Ejemplos:
1,3-Butadieno (20%)
+
Eteno
Ciclohexeno
1,3-Butadieno + 3-Buten-2-ona
(96%)
El mecanismo de la cicloadición de Diels-Alder difiere del de las otras reacciones que se han comentado en este capítulo. No es una reacción polar ni por radicales, sino un
proceso pericíclico. Las reacciones pericíclicas no serán estudiadas en este libro por lo que si el estudiante tiene interés en saber más sobre ellas puede remitirse a la bibliografía citada al principio del libro de apuntes. La reacción en sí ocurre en un solo paso, sin intermedios, e implica una redistribución cíclica de los electrones de enlace. Los dos reactivos simplemente se unen a través de un estado de transición cíclico en el cual los dos nuevos enlaces carbono-carbono se forman al mismo tiempo.
La naturaleza concertada de esta reacción puede apreciarse en el estado de transición deslocalizado en el que los seis electrones se indican por un circulo punteado o utilizando flechas.
Dieno
Dienófilo
Producto de la cicloadición [4+2]
En la reacción de Diels-Alder se retiene la estereoquímica del dienófilo:
Ejemplos:
Se obtiene el cis-2-Butendiato dimetilo, dado que el reactivo es cis.
de Se obtiene el trans-2-Butendiato de dimetilo, dado que el reactivo es trans.
En la reacción de Diels-Alder se mantiene la estereoquímica del dieno:
Ejemplos:
trans,trans-2,4-Hexadieno
cis,trans-2,4-Hexadieno
Se obtiene producto cis
Se obtiene producto trans
Otra característica estereoquímica importante de la reacción de Diels-Alder es que los compuestos dieno y dienófilo se disponen de manera que se forma el endoproducto en vez que el exo-producto alternativo. Los prefijos endo- y exo- se utilizan para indicar la estereoquímica relativa al hacer referencia a estructuras bicíclicas, como norbonanos sustituidos. Un sustituyente en un puente se considera exo si es sin (cis) respecto al menor de los otros dos puentes, y se considera endo si es anti (trans). Por analogía, se dice que una reacción de Diels-Alder tiene estereoquímica endo si el sustituyente que atrae electrones en el dienófilo es sin respecto al puente insaturado de dos carbonos en el producto.
Cicloadiciones exo:
El producto exo no se
El producto exo no se forma forma
Cicloadiciones endo:
El producto endo se forma en un 100%
La reacción de Diels-Alder normalmente transcurre con selectividad endo; es decir, sólo se forma el producto endo. Este resultado se conoce como la regla endo. Cuando los dienófilos son alquinos se obtienen 1,4-ciclohexadienos:
Los alquinos también pueden actuar como dienófilos en cicloadiciones [4+2]. Pueden reaccionar tanto uno solo como los dos enlaces del alquino. La adición simple lleva a derivados del 1,4-ciclohexadienos.
Ejemplos:
En la tabla 23.1. se presentan algunos de los dienos y dienófilos en la reacción de Diels-Alder, si uno tiene en cuenta las posibles combinaciones, los productos pueden resultar bastante interesantes.
TABLA 23.1.- Algunos dienos y dienófilos que participan en reacciones Diels-Alder
DIENOS
NOMBRE
DIENÓFILOS
NOMBRE
1,3-butadieno
Tetracianoeteno
2,3-Dimetil-1,3Butadieno
cis-1,2-Dicianoeteno
trans-trans-2,4Hexadieno
cis-2-Butendiato de dimetilo
1,3-Ciclopentadieno
trans-2-Butendiato de dimetilo
1,3-ciclohexadieno
Anhídrido 2-Butendioico
5-metilen-1,3ciclopentadieno
1,2-Dimetilenciclohexano
Butindiato de dimetilo
Propenal
RESUMEN DE LAS NUEVAS REACCIONES
1.
HALOGENACIÓN RADICALARIA
EJEMPLOS: Bromación del tolueno:
2.
Un exceso de halógeno puede conducir a sustituciones múltiples, tal como se ilustra para la cloración del tolueno:
SOLVOLISIS
EJEMPLO: Etanólisis del 4-metilbencenosulfonato de fenilmetilo, preparado por la tosilación del fenol.
4-metilbencenosulfonato de fenilmetilo
3.
Bencil, etil, 茅ter
REACCIONES DE SN2 DE LOS HALOMETILBENCENOS
EJEMPLO: Preparaci贸n del feniletanonitrilo a partir del bromometilbenceno
4.
OZONOLISIS DEL BENCENO
EJEMPLO: Ozonolisis del orto-dimetilbenceno
5.
REDUCCIÓN DE BIRCH
Regioselectividad observada para la reducción de Birch:
EJEMPLOS:
6.
OXIDACIÓN EN LA CADENA LATERAL
OBTENCIÓN DE ÁCIDOS CARBOXÍLICOS
OTROS POSIBLES OXIDANTES:
OBTENCIÓN DE CETONAS
EJEMPLOS:
(80%)
FENOLES
A) REACCIONES DE OBTENCIÓN DE FENOLES
7.
PREPARACIÓN POR SUSTITUCIÓN AROMÁTICA NUCLEOFILA
Hidroxilación aromática nucleófila directa
8.
Sustitución nucleófila en halobencenos
HIDRÓLISIS DE SALES DE ARENODIAZONIO
9.
RUPTURA DE ÉTERES
EJEMPLOS:
B) REACCIONES DE FENOLES Y ALCOXIBENCENOS
10.
SÍNTESIS DE ÉTERES DE WILLIAMSON
EJEMPLOS:
11.
FORMACIÓN DE ÉSTERES (ESTERIFICACIÓN)
EJEMPLOS:
12.
REACCIÓN DE KOLBE (CARBOXILACIÓN DE KOLBE[1]-SCHITT[2])
EJEMPLO:
13.
TRANSPOSICIÓN DE CLAISEN
EJEMPLO:
14.
OXIDACIÓN A QUINONAS
EJEMPLOS:
ARILAMINAS (ANILINA)
A) REACCIONES DE FORMACIÓN
15.
REDUCCIÓN DE NITROBENCENOS
EJEMPLOS:
B) REACCIONES DE ARILAMINAS
17.
FORMACIÓN DE SALES DE ARENODIAZONIO
18.
REACCIONES TIPO SANDMEYER
19.
ACOPLAMIENTO DE SALES DE DIAZONIO
20.
OXIDACIÓN A QUINONAS
EJEMPLOS:
COMPUESTOS AROMÁTICOS POLICÍCLICOS
Se dice que dos anillos aromáticos que comparten un par de átomos de carbono que están fusionados. En este capítulo estudiaremos la química del hidrocarburo de anillos fusionados más sencillo e importante, el naftaleno, C10H8, y trataremos concisamente la de otros de grado superior.
NAFTALENO
Al contrario de lo que ocurre con el benceno, que es líquido, el naftaleno es un material cristalino e incoloro con un punto de fusión de 80 ºC. Se le conoce como repelente e insecticida contra la polilla. El naftaleno se clasifica como aromático porque sus propiedades se parecen a las del benceno. Su fórmula C10H8, permite suponer un alto grado de no saturación. Desde el punto de vista químico da las típicas reacciones de sustitución electrofílica aromáticas, en las que desplaza hidrógeno en forma de ion, conservándose su sistema anular.
De acuerdo con la teoría de la resonancia, el naftaleno puede considerarse como un híbrido de resonancia de las tres estructuras I, II y III; su energía de resonancia es de 61 kcal/mol, como lo indica el calor de combustión.
I
II
III
De acuerdo con estas representaciones la estructura del naftaleno debería ser simétrica, con los anillos de benceno planos, casi hexagonales, y con dos planos especulares perpendiculares biseccionando la molécula. Las medidas cristalográficas de rayos X confirman esta predicción. Las distancias de los enlaces C-C se desvían sólo muy ligeramente de las del benceno (1.39 Å) y son claramente muy diferentes de las de los enlaces sencillos (1.54 Å) y los dobles (1.33 Å). Por conveniencia, representaremos al naftaleno por medio de la estructura IV, en las que los círculos representan sextetos aromáticos parcialmente traslapados.
Representación orbitálica del solapamiento del Naftaleno
IV
PREPARACIÓN DEL NAFTALENO:
El método en si consiste en una alcanoilación de Friedel-Crafts con anhídrido butanodioico (succinico), reducción de Clemmensen de la cetona resultante, subsiguiente alcanoilación intramolecular de Friedel-Crafts para formar el segundo anillo, reducción de la cetona bicíclica con borohidruro sódico, deshidratación y deshidrogenación.
REACCIONES DEL NAFTALENO:
1.-
OXIDACIÓN
2.-
REDUCCIÓN
3.-
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTRÓFILICA DEL NAFTALENO
(A) NITRACIÓN
(B) HALOGENACIÓN
(C) SULFONACIÓN
(D) ACILACIÓN DE FRIEDEL-CRAFTS
¿Por qué la nitración y la bromación se produce preferentemente en el C-1 y no en el C-2?. La respuesta se puede encontrar inspeccionando las estructuras de resonancia.
REACTIVADA ELECTRÓFILA DEL NAFTALENO: ATAQUE EN C-1
REACTIVADA ELECTRÓFILA DEL NAFTALENO: ATAQUE EN C-2
Aunque este resultado podría a primera vista indicar que el ataque es energéticamente similar en cualquier posición, existe una diferencia importante entre los dos modos: el ataque en C-1 permite dos estructuras en resonancia que mantienen intacto el un anillo benceno con todos los beneficios de la deslocalización. En cambio el ataque en C-2 permite únicamente una de tales estructura. Esta es la razón fundamental de que predomina la sustitución en C-1 en la nitración, bromación y en la alcanoilación de Friedel-Crafts.
ATAQUE ELECTRÓFILO SOBRE LOS NAFTALENOS MONOSUSTITUIDOS:
Las reglas de orientación en el ataque en bencenos monosustituidos (Capítulo 24) pueden hacerse fácilmente extensivas al núcleo de naftaleno. El anillo sustituido es el más afectado por los sustituyentes ya presentes: un grupo activante normalmente dirige al electrófilo entrante al mismo anillo, mientras que un grupo desactivante lo dirige al otro.
HIDROCARBUROS BENCÉNICOS TRICÍCLICOS: ANTRACENO Y FENANTRENO
Debido a sus propiedades, también el antraceno y el fenantreno se clasifican como aromáticos. La descripción de los orbitales atómicos sigue el mismo esquema para el naftaleno y conduce al mismo tipo de resultados: estructuras planas con nubes p que se traslapan parcialmente por encima y por debajo del plano de la molécula.
Desde el punto de vista de enlaces de valencia, se considera que el antraceno es un híbrido de las estructuras I - IV.
I
II
III
IV
y el fenantreno, un híbrido de las estructuras V - IX. Los calores de combustión indican que el antraceno tiene una energía de resonancia de 84 kcal/mol, mientras que el fenantreno tiene una energía de resonancia de 92 kcal/mol.
Por comodidad el antraceno y el fenantreno se puede representar por círculos, los que representan sextetos aromáticos que se traslapan parcialmente.
PREPARACIÓN DEL ANTRACENO Y FENANTRENO
ANTRACENO:
FENANTRENO:
El método en es muy similar a la obtención del Naftaleno, consisten en una reacción de Friedel-Crafts del naftaleno con anhídrido butanodioico (succinico) en nitrobenceno que conduce a la sustitución en C-1 y C-2, los dos productos así obtenidos se reducen en las condiciones de Clemmensen para a continuación ciclarse y dar el esqueleto del fenantreno, por reducción, eliminación y deshidrogenación.
REACTIVADA DEL ANTRACENO Y FENANTRENO
REDUCCIÓN:
HALOGENACIÓN:
CICLOADICIONES:
LOS HIDROCARBUROS AROMÁTICOS POLICÍCLICOS Y EL CÁNCER:
Muchos hidrocarburos bencénicos policíclicos son carcinogénicos. La primera observación de un cáncer por tales compuestos la realizó en 1775 Sir Percival Scott, cirujano del hospital St. Bartholomew de Londres. Observó que los deshollinadores de chimeneas eran propensos a cánceres escrotales. Desde entonces, se ha dedicado un intenso esfuerzo a investigar qué hidrocarburos bencénicos policíclicos tienen propiedades fisiológicas y cómo su estructura se correlaciona con la actividad. Una molécula muy bien estudiada es la Benzo[a]pireno, un contaminante ambiental muy conocido, se produce normalmente en la combustión de materia orgánica, tal como en los motores de los automóviles y en las calefacciones, en las incineradoras de basuras, en los incendios forestales, en el humo de los cigarrillos e incluso en la carne asada. La liberación anual en la atmósfera, sólo en los Estados Unidos, es de 1300 toneladas.
PROPIEDADES FÍSICAS
Las aminas son compuestos altamente polares. Las aminas primarias y secundarias pueden formar puentes de hidrógeno intramoleculares en el estado líquido y por tanto tienen puntos de ebullición mayores que los alcanos de peso molecular equivalente. Una característica de las aminas de bajo peso molecular es su olor a pescado, que en cierta medida es distintivo.
METILAMINA, FORMANDO PUENTES DE HIDRÓGENO EN EL ESTADO LÍQUIDO
BASICIDAD DE LAS AMINAS:
La basicidad y la nucleofilicidad de las aminas está dominada por el par de electrones no compartido del nitrógeno, debido a este par, las aminas son compuestos que se comportan como bases y nucleófilos, reaccionan con ácido para formar sales ácido/base, y reaccionan con electrófilos en muchas de las reacciones polares que se han estudiado anteriormente (Ej. Sustituciones Nucleófilicas).
Amina
Un ácido
Una sal (ion amonio)
BASICIDAD DE ALGUNAS ALQUILAMINAS
NOMBRE - AMONIACO
ESTRUCTURA
pK DEL ION AMONIO
:NH3
10.64
CH3-NH2
16.64
CH3CH2-NH2
10.75
AMINAS PRIMARIAS - METILAMINA - ETILAMINA
AMINAS SECUNDARIAS - DIMETILAMINA - DIETILAMINA
(CH3)2NH
10.73
(CH3CH2)2NH
10.94
- PIRROLIDINA
11.27
AMINAS TERCIARIAS - TRIMETILAMINAS - TRIETILAMINA
(CH3)3N:
9.79
(CH3CH2)3N:
10.75
Sales de aminas: (sales de amonio)
La basicidad de las aminas permite su protonación o alquilación, lo que da lugar a las sales de amonio. Dependiendo del número de sustituyentes que tenga el nitrógeno, las sales pueden ser primarias, secundarias o cuaternarias.
La diferencia en el comportamiento de las aminas y sus sales, en cuanto a solubilidad, puede utilizarse tanto para detectar aminas, como para separarlas de sustancias no básicas. Un compuesto orgánico insoluble en agua que se disuelve en ácido
clorhídrico acuoso, diluido, debe ser apreciablemente básico, lo que significa que, de seguro, se trata de una amina. Esta puede separarse de compuestos no básicos por su solubilidad en ácidos; una vez separada, puede regenerarse alcalinizando la solución acuosa.
Esteroquímica del Nitrógeno:
El nitrógeno utiliza orbitales sp3, que se dirigen hacia los vértices de un tetraedro. En consecuencia, las aminas son piramidales como el amoniaco y tienen casi los mismos ángulos de valencia (180º en la trimetilamina, por ejemplo).
La distribución tetraédrica alrededor del nitrógeno de una amina sugiere que debería ser quiral si los tres sustituyentes fueran diferentes, puesto que el par solitario actuaría como el cuarto. Un comportamiento así y su imagen especular, por analogía con los centros quirales basados en el carbono no son superponibles. Esto se puede ilustrar con la N-metiletilamina, que es una alcanoamina quiral.
Imágenes especulares de la N-metiletilamina
Sin embargo, dichos enantiómeros no han podido aislarse. Estudios espectroscópicos demostraron que la barrera energética entre los dos arreglos piramidales en torno al nitrógeno, por lo común es tan baja que ambos se interconvierten rápidamente. La molécula se puede visualizar como un equilibrio entre las dos formas.
PREPARACIÓN DE LAS AMINAS (SÍNTESIS):
Los diferentes métodos utilizados en el laboratorio para la preparación de aminas se ilustraran en la siguiente tabla, siguiendo los estilos anteriores (reacción - ejemplo).
SÍNTESIS DE AMINAS
EJEMPLO
1.- Alquilación SN2 con halogenuros de alquilo
(a) Amoniaco
(b) Primaria
Por desgracia, estas reacciones no se obtienen limpiamente después de que ha ocurrido una sola alquilación. Puesto que las aminas primarias, secundarias y aun las terciarias tienen reactividad similar, los productos monoalquilados que se forman inicialmente experimentan una reacción posterior para formar una mezcla de productos, como se ilustra para el 1bromooctano con un exceso al doble de amoniaco, se puede tener mayor rendimiento del primero empleando un gran exceso de amina inicial, por lo que este método no es del todo bueno sintéticamente hablando.
(c) Secundaria
(d) Terciaria
2.- Aminas primarias a partir de nitrilos
3.- Aminas primarias a partir de azidas
4.- Aminas primarias nitrocompuestos
a
partir
de
(a) Nitroalcanos:
(b) Nitroarenos (Nitrobenceno)
5.- S铆ntesis de Gabriel[1], primarias
para aminas
6.- Aminas por reducci贸n de amidas
(a) Primarias
(b) Secundarias
(c) Terciarias
7- Aminaci贸n reductiva de cetonas/aldeh铆dos
(a) Primarias
(b) Secundarias
(c) Terciarias
(d) V铆a oxima
Oxima 8.- Transposici贸n de Hofmann[2]
9.- Transposición de Curtius[3]
10.- Transposición de Schmidt[4]
A continuación se realizaran algunos comentarios relacionados con los mecanismos de las reacciones específicas de aminas como lo son la Síntesis de Gabriel y las Transposiciones de Hofmann, entre otras.
SÍNTESIS DE GABRIEL:
En la síntesis de aminas de Gabriel, informada en 1887, se hace uso de la alquilación de imidas, lo que constituye un medio alternativo para producir aminas a partir de halogenuros de alquilo. En la síntesis de Gabriel se emplea el anión de la imida cíclica del ácido 1,2-bencenodicarboxílico (ftalimida) como nucleólfilo, analicemos el proceso completo para la síntesis de la bencilamina:
AMINACIÓN REDUCTIVA DE CETONAS/ALDEHÍDOS:
La aminación reductiva ocurre vía la formación de una imina (Capítulo 17, página 303-304) como intermediario por una reacción de adición nucleófilica, y a continuación se reduce la imina. En la reacción de aminación reductiva es posible usar amoniaco, una amina primaria o una amina secundaria, para producir aminas primarias, secundarias o terciarias, respectivamente.
Cetona/aldehído
Imina
Amina
La reacción es posible a la selectividad de los reductores: hidrógeno activado catalíticamente o cianoborohidruro de sodio, NaBH3CN. Ambos reaccionan más rápidamente que el doble enlace de imina que con el del grupo carbonilo. El procedimiento habitual consiste en dejar equilibrar el compuesto carbonílico y la amina con la imina y el agua en presencia del reductor.
Ciclopentanona Ciclopentanoamina
Imina
de
ciclopentanona
(NO SE AÍSLA)
TRANSPOSICIÓN DE HOFMANN, CURTIUS Y SCHMIDT:
Los ácidos carboxílicos y los derivados de los ácidos carboxílicos pueden convertirse en aminas primarias con la pérdida de un átomo de carbono, tanto en la Transposición de Hofmann y en la Curtius, participa un derivado de ácido, amida y cloruro de ácido respectivamente, en la de Schmidt, participa un ácido carboxílico, pero en general proceden por mecanismos similares: Analicemos el de Hofmann
Mecanismo de la transposición de Curtius, vía una azida de acilo:
Cloruro de ácido
Azida de acilo
Isocianato
Amina
La transposición de Schmidt tiene lugar a través de la misma secuencia, pero se inicia con un ácido carboxílico y conduce directamente a la amina. La adición-eliminación inicial que produce la azida de alcanoilo está catalizada por ácido sulfúrico, que se neutraliza una vez terminada la reacción.
Reacciones de las Aminas (Reactividad):
Las reacciones de aminas están controladas por el potencial nucleofílico del átomo de nitrógeno, la tendencia del nitrógeno a compartir el par de electrones libre, hace que estás sean buenos nucleófilos, buenas bases y una reactividad excepcional de los anillos aromáticos con grupos o amino sustituidos (véase Arilaminas, Capítulo 25).
REACCIONES DE LAS AMINAS
EJEMPLO
1.- Alquilación de halogenuros de alquilo Véase la reacción Nº 1 de las Síntesis de aminas 2.- Eliminación de Hofmann
Propeno (70%)
Se favorese la producción del alqueno menos sustituido.
3.- Sustitución nucleofílica en cloruro de ácidos (Obtención de amidas) (a) Primarias
(b) Secundarias
(c) Terciarias
4.- Sulfoamidas
(a) Formación de una Sulfoamida N-sustituida
(b) Formación de una Sulfoamida N,N-disustituida
5.- Reacción de Mannich
6.- Síntesis de óxidos de aminas
7.- Eliminación de Cope
ELIMINACIÓN DE HOFMANN:
La eliminación de Hofmann consiste en la completa metilación de una amina con un exceso de yodometano para producir un yoduro de amonio cuaternario, el cual por calentamiento con óxido de plata sufre una reacción de eliminación para formar un alqueno. En esta reacción se favorece la formación del alqueno menos sustituido, las razones de esta selectividad no se comprenden del todo, pero es probable que sean de origen estérico. Debido al gran tamaño de la trialquilamina como grupo saliente, el ion hidróxido debe sustraer un hidrógeno de la posición menos impedida, o sea la posición estéricamente más accesible.
Ejemplo:
Posibles intermedios de reacción:
El intermedio que se forma para dar lugar al 1-penteno, es energéticamente más estable, tiene menor impedimento estérico, y a la base le es fácil sustraer el hidrógeno, dando mayoritariamente éste producto.
En el caso de la formación del 2-penteno, el intermedio es energéticamente menos estable, con un mayor impedimento estérico, el hidrógeno a sustraer esta más bloqueado estéricamente por la presencia del grupo metilo.
La eliminación de Hofmann es útil para la apertura de aminas cíclicas, dando lugar a dienos, como ejemplo veamos la apertura de la piperidina:
REACCIÓN DE MANNICH:
La reacción de Mannich es una condensación del metanal (formaldehído) con amoniaco, aminas primarias o secundarias, para formar iones iminio, los cuales son suficientemente electrófilos para reaccionar con aldehídos y cetonas enolizables mediante un proceso similar al de la reacción aldólica, con la formación de compuestos -Nalquilaminocarbonílicos.
Ejemplo de la reacción de Mannich:
Mecanismo:
1) Formación del ion iminio
2) Enolización
3) Formación del enlace carbono-carbono
ÓXIDOS DE AMINAS Y ELIMINACIÓN DE COPE[5]:
Las aminas son sensibles a los oxidantes; en presencia de estos, las aminas primarias y secundarias dan lugar a mezclas complejas. Las aminas terciarias, sin embargo, se oxidan mediante peróxido de hidrógeno acuoso o ácidos peroxicarboxílicos a los correspondientes óxidos de aminas, con muy buenos rendimientos. Si un óxido de amina, posee en el carbono hidrógenos, puede ocurrir una -eliminación por calentamiento sobre 100ºC, dando lugar a alquenos y N,N-dialquilhidroxilamina.
Ejemplos de formación de óxidos de aminas:
Ejemplo de eliminación de Cope:
Mecanismo: El mecanismo es similar a la pirólisis de los ésteres, pero tiene lugar a temperaturas inferiores y es más útil sintéticamente para la obtención de alquenos. Su mecanismo es una eliminación sin que transcurre a través de un estado de transición cíclico de cinco miembros.
Aminas de Origen Natural (Alcaloides):
Las aminas de origen natural se conocen con el nombre de Alcaloides. El estudio de los alcaloides dio gran auge a la química orgánica en el siglo XIX, y todavía es un área de investigación fascinante. Entre los alcaloides de origen natural se encuentran la Morfina (analgésico), La Heroína (no natural, pero se sintetiza desde la Morfina), al igual que la Codeína. Siendo estos compuestos agentes farmacéuticos claves.
Morfína
Codeína
Heroína
A nivel industrial tiene gran importancia la 1,6-hexanodiamina, la cual es necesaria en la manufacturación del nylon.
HETEROCICLOS
Un compuesto heterocíclico es una sustancia que contiene un anillo formado por más de un tipo de átomo. Existen compuestos monocíclicos, bicíclicos y mayores, todos ellos con gran interés para los químicos y bioquímicos.
Pirrol
Furano
Tiofeno
Imidazol
Oxazol
Tiazol
Pirazol
3-Pirrolina
Pirrolidina
Piridina
Pirimidina
Purina
Muchos compuestos naturales presentan en su estructura anillos tipo heterocíclicos, como los que mostramos a continuación:
Cocaína, estimulante, Dietilamina del ácido Nicotina, se Penicilina G, anestésico local; se lisérgico (LSD) encuentra en las encuentra en las hojas hojas secas del antibiótico psicomimético tabaco entre el de la coca. 2% y el 8%.
Como puede verse los compuestos heterocíclicos aparecen en varias moléculas de interés biológico: son heterociclos los carbohidratos, como también la clorofila y hemina, que dan el color verde a las hojas y rojo a la sangre, dándole vida a las plantas y animales.
Los sitios reactivos de muchas enzimas y coenzimas son heterociclos. La herencia tiene su asiento, por último, en la secuencia de unión específica de media docena de anillos heterocíclicos a largas cadenas de ácidos nucleicos.
NOMENCLATURA DE LOS HETEROCICLOS:
Muchos de los heterociclos tienen nombres comunes. Además, hay varias formas alternativas de nombrar a los heterociclos que requieren memorización, no son de aplicación universal y, a veces se prestan a confusión. Para compuestos monocíclicos sencillos se utiliza prefijos para indicar la presencia y la identidad del heteroátomo: azapara nitrógeno, oxa- para oxígeno, tio- para azufre, fosfa- para fósforo y así sucesivamente.
Oxaciclobutano Azaciclopentano Oxaciclohexano
Tiociclohexano
3-metiloxaciclohexano
A continuación resumiremos las formas de preparación de los heterociclos, en forma de tabla con un respectivo ejemplo, al final de la tabla realizaremos un breve comentario de las reacciones más significativas, dado que muchas de las utilizadas ya son conocidas por el estudiante en capítulos anteriores.
PREPARACIÓN DE HETEROCICLOS REACCIÓN 1.- SÍNTESIS DE AZACICLOPROPANOS
EJEMPLO
2.- SÍNTESIS DE OXACICLOPROPANOS (REACCIÓN DE EPOXIDACIÓN)
3.- SÍNTESIS DE TIOCICLOPROPANOS
4.- SÍNTESIS DE HETEROCICLOBUTANOS VÍA UNA SN2 INTRAMOLECULAR.
5.- SÍNTESIS DE HETEROCICLOPENTANOS VÍA UNA SN2 INTRAMOLECULAR
6.- SÍNTESIS DE HETEROCICLOPENTANOS POR HIDROGENACIÓN CATALITICA
7.- SÍNTESIS DE PAAL-KNORR DE 1-HETERO2,4-CICLOPENTADIENOS
8.- SÍNTESIS DE HANTZSCH DE PIRIDINAS
9.- SÍNTESIS DE FISCHER DE INDOLES
10.- SÍNTESIS DE FRIEDLÄNDER DE QUINOLINAS
11.- SÍNTESIS DE BISCHLER-NAPIERALSKI DE ISOQUINOLINAS
RUTAS PARA LA PREPARACIÓN DE HETEROCICLOPROPANOS:
Los azaciclopropanos pueden prepararse por adición directa de nitrenos, análogos nitrogenados de los carbenos, a alquenos. Por ejemplo la irradiación o calefacción del azidocarboxilato de etilo se genera un nitreno que es atrapado por un alqueno para dar el azaciclopropano correspondiente con rendimientos moderados.
Un nitreno
Para el caso de la preparación de oxaciclopropanos, el método más generalizado es la epoxidación de alquenos, ya comentada con anterioridad en este libro (capítulo 13 y 14). Los tiociclopropanos se sintetizan a partir de los oxaciclopropanos correspondientes, que son fácilmente obtenibles. Un reactivo que permite la conversión directa de uno a otro es el tiocianato potásico. La transformación es estereoespecífica y transcurre con inversión en los dos carbonos que reaccionan. El mecanismo de esta reacción no será comentado en este capítulo. Para la obtención de anillos de cuatro y cinco eslabones, el método más simple entre otros es mediante una sustitución nucleofílica intramolecular (síntesis de Williamson) o por hidrogenación de los correspondientes sistemas insaturados.
SÍNTESIS DE PAAL[1]-KNORR[2] DE 1-HETERO-2,4-CICLOPENTADIENOS:
Un método general para éste tipo de anillos es la síntesis de Paal-Knorr. La molécula deseada se obtiene a partir de un compuesto -carbonílico enolizable por tratamiento con una amina (para pirroles), o P2O5 (para furanos) o P2S5 (para tiofenos). Formalmente el proceso puede considerarse como una deshidratación de un doble enol intermedio (o su equivalente con nitrógeno o azufre) para dar el heterociclo. Ejemplo:
SÍNTESIS DE HANTZSCH[3] DE PIRIDINAS:
Las piridinas pueden obtenerse por condensación de productos de partida acíclicos tales como compuestos carbonílicos con amoniaco. El método más general es la síntesis de piridinas de Hantzsch. En esta reacción se combinan en varias etapas dos moléculas de un compuesto -dicarbonílico, un aldehído y amoniaco para dar una dihidropiridina sustituida, que se oxida fácilmente con ácido nítrico para dar el sistema aromático.
Mecanismo de la síntesis de Hantzsch de piridinas:
(1) Condensación de Knoevenagel del aldehído con el 3-cetoéster
Enolización del carbono , del acetoacetato de etilo
(abstracción de H), y condensación con el aldehído, con posterior deshidratación para la formación del sistema -insaturado.
(2) Formación de la enamina del 3-cetoéster con amoniaco
Ataque nucleofílico del amoniaco, al carbonilo del grupo ceto, con formación de un hidroxi-éster, quien se deshidrata para dar la formación del sistema -insaturado.
(3) Adición de Michael.
Consiste en una adición de Michael vía enamina, para dar el producto de adición 1,4 sobre el producto de condensación de Knoevenagel, con posterior desplazamiento de un protón para dar como producto final una cetoenamina.
(4) Condensación intramolecular de la cetoenamina y tautomerización. Es una ciclación intramolecular inducida por el par de electrones de la enamina, con posterior tautomerización hacia el sistema 1.4-dihidro que es mucho más
estable.
(5) Oxidación y descarboxilación El compuesto obtenido en la etapa anterior se oxida fácilmente con ácido nítrico para dar el sistema aromático. El sistema resultante es un éster 3,5piridindicarboxílico. La hidrólisis seguida de pirólisis de la sal de calcio del ácido provoca la descarboxilación.
SÍNTESIS DE FISCHER[4] DE INDOLES:
De entre los anillos de benceno condensado con otros anillos, el indol es, probablemente, el más importante ya que forma parte de muchos productos naturales. El indol está relacionado con el pirrol de la misma forma que el naftaleno está relacionado con el benceno. La forma más general de obtener indoles es la síntesis de indoles de Fischer. En esta síntesis, la arilhidrazona de un aldehído o cetona se trata con ácido polifosfórico (PPA) o un ácido mineral, o un ácido de Lewis; ello causa la extrusión de amoniaco con cierre simultáneo del anillo para dar el heterociclo deseado.
Ejemplo: El mecanismo de la síntesis de indoles de Fischer se cree que empieza con la tautomerización catalizada por ácido de la arilhidrazona, desde la forma imina a la forma enamina, tal como se ilustra a continuación.
SÍNTESIS DE BISCHLER[5]-NAPIERALSKI[6] DE ISOQUINOLINAS:
Un método importante para sintetizar derivados de isoquinolina es la síntesis de Bischler-Napieralski, la cual consiste en la ciclación de derivados acilados de feniletilamina por tratamiento con ácidos (a menudo P2O5), lo que genera dihidroisoquinolinas que pueden aromatizarse. La síntesis en si es una ciclación intramolecular de tipo Friedel-Crafts.
Ejemplo:
Mecanismo de la síntesis de Bischler-Napieralski:
Si produce el ataque del carbonilo al catalizador (POCl3), para luego liberar HCl, formándose una especie tipo imina. Protonación del nitrógeno, lo cual provoca una reacción tipo Friedel-Crafts, por parte del anillo, con posterior regeneración de la aromáticidad. Expulsión del catalizador, en forma de ácido, y posterior deshidrogenación catalizada por paladio y calor.
REACCIONES DE LOS HETEROCICLOS
REACCIÓN 1.- APERTURA NUCLEOFÍLICA DE HETEROCICLOPROPANOS
En medio ácido, el ataque es en el carbono más sustituido. Y en medio básico en el menos sustituido. 2.- APERTURA DE ANILLOS DE HETEROCICLOBUTANOS
En medio ácido, el ataque es en el carbono más sustituido. Y en medio básico en el menos sustituido. 3.- SUSTITUCIÓN ELECTROFÍLICA AROMÁTICA DE LOS 1-HETERO-2,4-CICLOPENTADIENOS
PRODUCTO PRINCIPAL
LAS REACCIONES MÁS FRECUENTES SON: BROMACIÓN
EJEMPLO
CLORACIÓN NITRACIÓN ACILACIÓN DE FRIEDEL-CRAFTS
4.- SUSTITUCIÓN ELECTROFÍLICA AROMÁTICA EN EL ANILLO DE PIRIDINA
PRODUCTO PRINCIPAL
LAS REACCIONES MÁS FRECUENTES SON: NITRACIÓN SULFONACIÓN BROMACIÓN ALQUILACIÓN Y ACILACIÓN PIRIDINA.
NO OCURREN CON LA
5.- SUSTITUCIÓN NUCLEOFÍLICA AROMÁTICA EN EL ANILLO DE PIRIDINA
(A) REACCIÓN DE CHICHIBABIN
(B) CON REACTIVOS ORGANOMETÁLICOS (R-LI)
(C) SUSTITUCIÓN NUCLEOFÍLICA DE HALOPIRIDINAS
6.- REACCIONES DE LA QUINOLINA E ISOQUINOLINA
(A) SUSTITUCIÓN ELECTROFÍLICA AROMÁTICA
REACCIÓN DE NITRACIÓN
(B) SUSTITUCIÓN NUCLEOFÍLICA AROMÁTICA
REACCIÓN DE CHICHIBABIN
APERTURA DE ANILLOS TIPO HETEROCÍCLICOS DE TRES O MÁS ESLABONES:
Los heterociclopropanos son relativamente reactivos ya que la tensión anular se libera en las aperturas nucleófilas del anillo. Recuérdese que en condiciones básicas la reacción tiene lugar sobre el centro menos sustituido, y en condiciones ácidas la reacción tiene lugar en el centro más sustituido (ver apertura de epóxidos, capítulo 13).
La reactividad de los heterocicloalcanos con anillos de cuatro o cinco eslabones está de acuerdo con lo esperado en base a la tensión del anillo: sólo los anillos tensionados son reactivos, y sus reacciones dan lugar a la apertura del anillo. En cualquier caso la reacción puede considerarse una sustitución nucleofílica.
SUSTITUCIÓN ELECTROFÍLICA AROMÁTICA DE LOS 1-HETERO-2,4-CICLOPENTADIENOS.
El pirrol, furano y tiofeno forman productos de sustitución electrofílica porque son aromáticos. Cada uno tiene seis electrones en un sistema conjugado cíclico. La química de estos compuestos es similar a la de los anillos aromáticos bencenoides activados. Al igual que el benceno, los heterociclos aromáticos de cinco miembros experimentan reacciones de sustitución electrofílica en lugar de reacciones de adición. Si se eligen las condiciones de reacción apropiadas, pueden efectuarse halogenaciones, nitraciones, sulfonaciones y acilaciones de friedel-Cratfs
CONSECUENCIAS DEL ATAQUE ELECTRÓFILO EN C2 Y C3 DE HETEROCICLOPENTADIENOS AROMÁTICOS:
En donde X = O, N, S
La sustitución electrofilica de estos anillos aromáticos suele ocurrir preferentemente en el carbono-2, la posición siguiente al heteroátomo, debido a que es la más rica en electrones (más nucleófila) del anillo. En otras palabras, nótese que el ataque electrofílico en C2 forma un intermedio catiónico que es más estable (con más formas resonantes) que el ataque en C3, que forma un catión con sólo dos formas resonantes. Normalmente se encuentra que orden de reactividad es furano > pirrol > tiofeno >> benceno.
Ejemplos:
2-NITROPIRROL (83%)
2-CLOROFURANO (65%)
2-ETANOIL-5-METILTIOFENO (70%)
SUSTITUCIÓN ELECTROFÍLICA AROMÁTICA EN LA PIRIDINA:
La piridina experimenta la sustitución electrófilica muy lentamente. Reacciona forma muy similar a un anillo bencénico desactivado. Además, la sustitución esperada para la sustitución electrófila sobre el anillo de la piridina. La halogenación y la sulfonación pueden efectuarse en condiciones drásticas, pero la nitración tiene muy bajo rendimiento, y las reacciones de Friedel-Crafts son fallidas; por lo que regular se forma el producto en la posición 3.
La baja reactividad de la piridina hacia las sustituciones electrofílicas aromáticas se debe a una combinación de factores. El más importante es el hecho de que la densidad electrónica del anillo se encuentra disminuida, por el efecto inductivo
atrayente de electrones del átomo de nitrógeno, electronegativo. Un segundo factor que reduce la reactividad del anillo de piridina hacia el ataque electrofílico es el hecho de que la formación de complejos ácido-base entre el átomo de nitrógeno del anillo (básico) y el electófilo atacante coloca una carga positiva en el anillo y por tanto lo desactiva aún más.
Sustitución electrofílica en posición-2 (La tercera estructura es muy inestable, contribuye poco a la estabilidad)
Sustitución electrofílica en posición-3
Sustitución electrofílica en posición-4 (La segunda estructura es inestable, idems a la posición 2)
muy
La desactivación con respecto al benceno puede atribuirse parcialmente al efecto inductivo atrayente de electrones del átomo de nitrógeno que desestabiliza el catión intermedio. De las tres estructuras resonantes que pueden dibujarse para cada posición del ataque electrófilo, tanto la sustitución en la posición 2 como en la posición 4 implican una forma con contribución muy escasa. (las cuales en donde la carga positiva se encuentra sobre el átomo de nitrógeno, sin que éste tenga su octeto electrónico completo). La posición 3, aunque desactivada, es por consiguiente más reactiva frente a la sustitución electrófila que las posiciones 2 y 4.
Ejemplos:
3-Nitropiridina (22%)
Acido-3-piridinasulfónico (71%)
SUSTITUCIÓN NUCLEOFÍLICA SOBRE LA PIRIDINA:
Sustitución posición 2
nucleofílica
en
(La tercera estructura es muy estable, construye bastante a la estabilidad del híbrido de resonancia).
Sustitución posición 3
nucleofílica
en
Sustitución posición 4
nucleofílica
en
(La segunda estructura es muy estable, idems a la posición 2).
La sustitución nucleofílica sobre el anillo de piridina procede con mayor facilidad, que la sustitución electrofílica, en particular en las posiciones 2 y 4.
El ataque nucleofílico en la posición 2 y 4 genera un carbanión sumamente estable, dado que la carga negativa puede llegar al átomo de nitrógeno, lo cual es especialmente estable. El ataque en la posición 3 da una carbanión menos estable que los anteriores.
Un ejemplo ilustrativo de este hecho el la reacción de Chichibabin [7], la cual consiste en la sustitución de un hidruro por el anión amiduro. Transformaciones relacionadas con la reacción de Chichibabin tienen lugar cuando se tratan piridinas con reactivos de Grignard u organolíticos.
Ejemplo:
Los átomos de hidrógenos en de una cadena lateral alquílica en las posiciones 2 o 4 de la piridina tienen una acidez similar a los de una cetona. La reacción de un grupo carbonilo con el anión alquilo formado mediante una base constituye un método para la extensión de la cadena lateral de la piridina.
Ejemplo:
Como otras aminas, también la piridina tiene propiedades nucleófilas: reacciona con halogenuros de alquilo, formando sales de amonio cuaternarias:
Ejemplo:
Como cualquiera otra amina terciaria, puede convertirse a la piridina en su N-óxido, mediante ácido peroxibenzoico o peróxido de hidrógeno. En contraposición a la piridina misma, su óxido sufre la nitración principalmente en la posición 4. Lo cuál se puede explicar por las estructuras resonantes del N-óxido.
Ejemplos:
El N-óxido puede utilizarse a menudo como una forma “activada” de la piridina. Por tratamiento del N-óxido sustituido con PCl3 se elimina el oxígeno.
Ejemplos:
(90%)
REACCIONES DE LA QUINOLINA E ISOQUINOLINA:
La quinolina y la isoquinolina son mucho más reactivas que la piridina en las reacciones de sustitución electrófila. Cuando las reacciones se realizan en disolución ácida, la reacción se produce sobre la forma protonada y la sustitución tiene lugar en las posiciones C-% y C-8 del anillo bancénico.
Ejemplos:
Al igual que en el N-óxido de piridina, el N-óxido de quinolina experimenta con facilidad la nitración y la reacción se produce en el C-4.
Ejemplo:
Tanto la quinolina como la isoquinolina experimentan con facilidad reacciones de sustitución nucleófila del tipo de la Chichibabin,(véase los ejemplos del cuadro resumen).
Al igual que las 2- y 4-alquilpiridinas, las 2- y 4-alquilquinolinas y las 1alquilisoquinolinas tienen hidrógenos en a que son bastante ácidos y participan en reacciones catalizadas por bases.
Ejemplo: