Unidad 4.1.6 Propiedades químicas de compuestos con enlace simple C-O Química Orgánica I Facultad de CC.QQ. Y Farmacia USAC Primer Semestre 2012
Recordemos la estructura de los alcoholes, fenoles y éteres
Todos son análogos del agua, en donde un átomo de hidrógeno ha sido reemplazado por un grupo alquilo (alcoholes) o arilo (fenoles), o bien ambos hidrógenos han sido reemplazado por grupos carbonados (éteres).
Éteres: Obtención
El éter más empleado es el éter dietílico, llamado también éter sulfúrico ya que industrialmente se obtiene por deshidratación del etanol, empleando ácido sulfúrico:
La reacción es una SN2 ya que el sustrato es primario.
Éteres: obtención Síntesis de Williamson, en la cual se sigue un mecanismo SN2: Sustrato: un halogenuro de alquilo o un tosilato PRIMARIO o metílico. Reactivo: la sal de un alcohol (alcóxido) o la sal de un fenol (fenóxido). Alcohólisis, en la cual se sigue un mecanismo SN1: Sustrato: un halogenuro de alquilo terciario. Reactivo/disolvente: un alcohol de bajo PM
Reacciones de los éteres
Los éteres son poco reactivos, por lo que se usan mucho como disolventes. Pueden sufrir una ruptura, si se calientan con ácidos fuertes, como HI ó HBr (pero no HCl). Si el éter es alquílico asimétrico, el HI o HBr producirán un halogenuro del alquilo en el grupo con MENOR impedimento estérico (mecanismo SN2). Si el éter es alquil-arílico, el grupo alquilo forma el halogenuro. Éteres diarílicos NO REACCIONAN.
Si hay un exceso de ácido, el alcohol formado puede también sufrir una sustitución, ya que el grupo –OH se transforma en un buen grupo saliente, y al final, se obtienen dos halogenuros de alquilo.
En el caso de los alquil-aril éteres, se obtiene solamente un halogenuro de alquilo. El fenol formado en la ruptura, NO PUEDE reaccionar mediante una SN y permanece sin cambio.
Epóxidos: éteres cíclicos de 3 miembros
Los epóxidos, a diferencia de los otros éteres son muy reactivos. El epóxido más simple es el oxirano, oxaciclopropano u óxido de etileno.
Preparación de epóxidos
Peroxidación de dobles enlaces:
escualeno
peroxidaci贸n Escualeno epoxidasa
varios pasos
colesterol
Preparación de epóxidos:
A partir de halohidrinas: es una reacción de SN2 intramolecular
Los ep贸xidos pueden reaccionar con 谩cidos para dar halohidrinas por un mecanismo SN2.
Reacciones de ep贸xidos: apertura del anillo
Apertura del anillo catalizada por ácido
El ácido protona al oxígeno del éter. El oxígeno polariza más uno de sus enlaces con un carbono, favoreciendo el ataque por un nucleófilo. El nucleófilo se enlaza al carbono del lado opuesto a donde se encontraba unido al oxígeno. Se obtiene un diol vecinal trans cuando el nucleófilo es agua.
Regioquímica de la apertura de epóxidos catalizada por ácido
Apertura de epóxidos en medio alcalino
El nucleófilo ataca preferentemente el carbono del anillo MENOS sustituido. Se produce un alcóxido al abrirse el anillo, por lo que se requiere un paso de neutralización para obtener el alcohol.
El tratamiento de un peróxido con una solución acuosa caliente de hidróxido de sodio o de potasio, produce un diol vecinal trans. H3O+ NaOCH3
Si se hace reaccionar el epóxido con la sal de un alcohol (o fenol), se obtendrá un compuesto con dos funciones: alcohol y éter
Reacción con reactivos de Grignard
Si un reactivo de Grignard (halogenuro de alquil o aril magnesio) reacciona con óxido de etileno, se obtiene un alcohol primario que tiene dos carbonos más que el reactivo de Grignard. Los peróxidos son los únicos éteres que sufren esta reacción.
Alcoholes: Preparación Existen dos métodos, que suponen la adición formal de agua a olefinas: 1) La reacción de hidratación en presencia de ácido y 2) la reacción de hidroboración-oxidación. Ambas fueron estudiadas en la sección de los alquenos.
Los glicoles (dioles vecinales) cis se obtienen por reacción de alquenos con KMnO4 acuoso, diluido y frío; o por reacción con OsO4 Los glicoles trans se pueden obtener por apertura de peróxidos, tanto en medio ácido como alcalino, como vimos en la sección anterior. Los alcoholes pueden además prepararse siguiendo estos tres métodos principales: Sustitución nucleofílica sobre halogenuros de alquilo Reducción de compuestos carbonílicos Adición de compuestos organometálicos a aldehídos y cetonas Estos dos últimos métodos se estudiarán en el siguiente curso.
Reactividad de alcoholes Eliminación
Sustitución nucleofílica del grupo -OH
El oxígeno puede reaccionar como un Nu: sobre un sustrato deficiente en e-
Hidrógeno ácido: formación de sales
Formación de sales: generación de iones alcóxido (bases fuertes-nuclófilos fuertes)
Las sales de los alcoholes se denominan alcóxidos y se nombran cambiando la terminación –anol por –óxido de (metal): CH3OH CH3O-Na+ metanol
Las sales de metanol y etanol se obtienen haciendo reaccionar los alcoholes con sodio metálico. CH3CH2OH +
metóxido de sodio
Na
CH3CH2O
Na
+ 1/2 H2
Las sales de alcoholes menos ácidos, se obtienen con potasio metálico (CH3)3C OH +
K
(CH3)3CO
K
+ 1/2 H2
=>
Reacciones en el oxígeno: el oxígeno como nucleófilo 1. formación de ésteres
La siguiente es una de las reacciones más importantes de alcoholes y fenoles, y se discutirá con más detalle en el próximo curso para la formación de ésteres orgánicos: Pueden formar ésteres con ácidos orgánicos, o con ácidos inorgánicos: CH2
O
H
CH2
O
H
CH2
O
H
glycerine
+
3
HO
NO2
Nitric acid
CH2
O
NO2
CH2
O
NO2
CH2
O
NO2
nitroglycerine
Una de estas reacciones, sin embargo, es de importancia en el presente curso: la formación de tosilatos a partir de ALCOHOLES.
Reacciones en el oxígeno: el oxígeno como nucleófilo. 1- formación de ésteres tosilatos El grupo –OH de los alcoholes no es un buen grupo saliente en las reacciones SN, a menos que se
protone, pero la mayoría de nucleófilos son bases fuertes que abstraerán el protón, inactivándose de esta forma. La conversión a tosilatos supone la transformación del –OH en un buen grupo saliente que permitirá al nucleófilo reaccionar con el carbono deficiente en electrones.
Formación de tosilatos: reacción de sustitución nucleofílica sobre azufre H C
O
C
C
H O
O
Cl O
S
O
N
O
S
O
O
S
O
El oxígeno es el nucleófilo
CH3
Cloruro de p-toluenesulfonilo TsCl, “cloruro de tosilo” El azufre es el centro deficiente en electrones.
CH3
CH3 R-OTos Un éster tosilato
Reacciones de los tosilatos: son sustratos adecuados para reacciones SN2
De esta manera, los alcoholes pueden reaccionar con nucleófilos francamente básicos, al transformar el –OH en un buen grupo saliente.
Reacciones en el oxígeno: el oxígeno como nucleófilo. 2- la síntesis de Williamson
En la síntesis de Williamson se requiere un sustrato con un carbono sp3 deficiente en electrones, y un reactivo con un oxígeno nucleofílico. El sustrato puede ser un halogenuro de alquilo primario o un alcohol, también primario, que previamente se ha transformado en un tosilato (buen grupo saliente). La reacción se lleva a cabo mediante un mecanismo SN2, usando como reactivo nucleofílico la sal de un alcohol (de cualquier tipo) o la sal de un fenol. Debido a que los reactivos son fuertemente básicos, un sustrato distinto al primario dará cantidades significativas del producto de eliminación.
Ejemplos de la sĂntesis de Williamson K OH
I O
O
OH
N aO H
OH
O
C H B r2
O O
O
OH
O Me
O
O
A g 2 O / C H 3 I (xs)
HO
Me O OH
HO OH
O Me
Me O O Me
Reacciones de los alcoholes: el carbono como sustrato: sustituciones y eliminaciones El grupo –OH es un mal grupo saliente. Se puede transformar en un tosilato, para trabajar en condiciones alcalinas.
Si se trabaja en condiciones ácidas, el -OH se protonará, transformándose en un buen grupo saliente: una molécula de agua.
La fuerte polarización del enlace C-O que provoca la protonación hace que se debilite, facilitando la ruptura heterolítica espontánea. Por ello el mecanismo más probable es el unimolecular (SN1). Como es habitual, la eliminación siempre estará en competencia con la sustitución.
La formación de un carbocatión provoca el problema de las transposiciones: de ser posible el carbocatión se transformará en uno más estable por migración de –H ó de grupos –CH3.o alquilo.
Otros ejemplos de transposiciones
Se transpone para formar ยกel anillo mรกs estable!
3. Conversión en halogenuros de alquilo
Es una reacción reversible. La posición del equilibrio dependerá de cual reactivo se encuentra en exceso:
3. Obtenci贸n de halogenuros de alquilo a partir de alcoholes: Reacci贸n con cloruro de tionilo (SOCl2) en presencia de piridina N
Reacci贸n con tribromuro de f贸sforo
3. Obtención de halogenuros de alquilo a partir de alcoholes: la prueba de Lucas
Es una reacción sencilla que puede aplicarse fácilmente en el laboratorio para distinguir entre alcoholes primarios, secundarios o terciarios. Tiene como desventaja notoria, que solo es aplicable a alcoholes solubles en el reactivo, esto es, alcoholes solubles en agua. La reacción se basa en la transformación del alcohol en un halogenuro de alquilo, insoluble en el reactivo, que se detecta al formarse turbiedad o una segunda fase en el tubo de ensayo. Los alcoholes 3s Reaccionan inmediatamente o en menos de un minuto, los 2s en más de un minuto pero en menos de 3 y los primarios no reaccionan en 5 minutos: R-OH + ZnCl2/HCl (concentrado) R-Cl (insoluble)
Imágenes con resultados de la prueba de Lucas para alcoholes 1°
2° 3°
Inmediatamente después de añadido el reactivo
1°
2° 3°
Dos minutos después de añadido el reactivo
1°
2° 3°
Cinco minutos después de añadido el reactivo
4. Reacciones de eliminación en alcoholes: obtención de alquenos
Las reacciones se llevan a cabo en presencia de ácido sulfúrico o ácido fosfórico concentrado y temperatura elevada:
Si el medio es ácido, el camino más probable será una E1, con la formación de carbocationes ¡que pueden reordenarse!
A pesar de que los sustratos son diferentes, en ambos casos se obtiene el mismo producto.
El sustrato se reordena con el siguiente mecanis mo:
Reactividad de fenoles El oxígeno es un nucleófilo por presentar dos pares de e- sin compartir.
{
O H
El hidrógeno es ácido.
Sitio suceptible a reacciones SEA: el grupo –OH activa el anillo y es orientador orto-, para-
Formación de sales: generación de iones fenóxido
Los fenoles, al ser más ácidos que el agua, sí pueden reaccionar con NaOH en una reacción de neutralización C6H5OH + H2O H 2O + H 2O C6H5OH + HO-
H3O+ + C6H5O- pKa = 10 H3O+ + HO-
pKa = 15.7
H2O + C6H5O- K = 105.7
Reacciones de los fenoles: SEA
El grupo –OH es uno de los grupos activantes más poderosos, al igual que el –NH2. Las reacciones de bromación, por ejemplo, se dan sin necesidad de catalítico ácido de Lewis:
La reacción puede usarse como una prueba rápida para detectar la presencia de fenoles, al observar la desaparición del color del reactivo.
Bromación de fenol en presencia de CS2
El uso de disulfuro de carbono como disolvente en la reacción de bromación de fenoles, favorece la formación del producto MONOBROMADO Br2
CS2
Reacciones de los fenoles:SEA La nitración también puede darse sin ácido sulfúrico y con ácido nítrico diluido, pero el ácido oxida al fenol y los resultados no siempre son buenos:
En la acilación de Friedel-Crafts, el oxígeno del fenol actuará como un nucleófilo más poderoso que el anillo y no se obtendrá el producto deseado, sino un éster:
Ver diapositiva 22
Para lograr las acilaciones de Friedel-Crafts, se debe “proteger” el grupo –OH, esto es, transformarlo en otra función química que no reaccione de manera indeseada con el reactivo:
Reacciones de los alcoholes y fenoles: oxidación.
Una de las reacciones más útiles de los alcoholes es la oxidación. Las reacciones de oxidación y reducción en Química Orgánica nos permiten transformar los grupos funcionales. Con ellas iniciaremos el próximo curso.
Referencias
McMurry. Química Orgánica. 6ª. Edición. Thomson. Wade. Química Orgánica. 2011. 7ª.Edición. Morryson y Boyd. Química Orgánica. 5ª.Edición. Shriner, Fuson, Curtin. Identificación Sistemática de Compuestos Orgánicos. Limusa-Wiley.