1. A E !t.LAY O._ ~I E N os

2. ,INDICEPRLOGO A LA PRIMERA EDICIN ................................................ .... ............................................ 1 3~ACIO ............................................................................................................ .......... .............. 15PARTEA: CONCEPTOS GENERALESCAPTULO 1. HIBRIDACIN y PROPIEDADES ................................................................................ 19~ tomo .................................................................................................................................. .. 20Los orbitales atmicos .............................................................................................................. 20Cmo asignar electrones a los orbitales atmicos ........................................................... 2 1:..os orbitales moleculares .......................................................................................................... 2 1El metano ,.................... ......................................... .........,........................ .............................. ..... 2251 etano .............,...................,....................,............................................................................... 241:.1 eteno ...................................................................................................................................... 24=:1 etino ........ .............................................................................................................................. 26Cmo es el etino? ........................................................................................................... 26Haciendo comparaciones ................................:............................_................................... 27:..a polaridad de un enlace ......................................................................................................... 27la polaridad de una molcula .. ...............................:................................................................. ?9:...as propiedades fsicas .............................................................................................................. 31:nleracciones intermoleculares ................................."............................................................... 31l . Interaccin entre dipolos permanenles ........................................................................ 312. Interaccin entre dipolos temporarios ......................................................................... 323. Interacciones por puente de hidrgeno ....................................................................... 33Ejercicios ................................................................................................................................... 34C-JTULO 2. NOMENCLATURA y GRUPOS FUNCIONALES .............................................................. 37.-Icanos ...................................................................................................................................... 37Aprendiendo a escribir frmulas ...................................................................................... 38Cmo se nombran estos compuestos? ........................................................................... 39Cicloalcanos .............................................................................................................................. 43Grupos funcionales con enlaces simples ................................................................................... 44Alcoholes ............................................................................................................ ............. 44Eteres ................................................................................................................................ 45Halogenuros de alquilo ................................................................................................... 46Aminas ............................................................................................................................. 46Grupos funcionales con enlaces mltiples ................................................................................ 47Alquenos .......................................................................................................................... 47 3. Alquinos .............................................................................................................:............ 48Aromticos ....................................................................................................................... 49El grupo carbonilo ..............................................................~ ............................................ 5 1Aldehdos ......................................................................................................................... 51Cetonas .............................. .............................................................................................. 52,Acidos carboxlicos ......................................................................................................... 52Molculas con varios grupos funcionales .................................._............................................. 53Ejercicios ................................................................................................................................... 56CAPTULO 3. ISOMERA .............................................................................................................. 59Ismeros estructurales ............................................................................................................... 59Ismeros geomtricos ................................................................................................................ 6 1Nomenclatura de los ismeros geomtricos .................................................... .......................... 63Aprendiendo a dibujar .............................................................................................................. 65De tres dimensiones a dos dimensiones ...."..... .............................,........................................... 67Proyecciones en caballete ............................................................................................... 67Proyecciones de Newman ................................................................................................ 68Las conformaciones y su estabilidad ........................................................................................ 68Enantimeros ............................................................................................................................. 70Actividad ptica ........................................................................................................................ 72Repaso ..................................................................................................,.. ...... .................. 73Proyecciones de Fischer ............................................................................................................ 75Configuracin relativa .............................................................................................................. 76Configuracin absoluta ............................................................................................................. 77Diasteremeros .......................................................................................................................... 79Formas meso .............................................................................................................................. 82Ciclos ......................................................................................................................................... 84Ciclohexano .............................................................................................................................. 85Ciclohexanos monosustituidos ................................................................................................. 86Ciclohexanos disustituidos ....................................................................................................... 88Molculas quirales sin carbonos quirales ................................................................................. 9 1Ejercicios ................................................................................................................................... 93CAPTULO 4. A CIDEZ y BASICIDAD ............................................................................................. 97Fuerza relativa de cidos y bases .............................................................................................. 97Efecto de la estructura en la acidez y basicidad ..................................................................... 10Ia. Efecto inductivo ......................................................................................................... 101b. Efecto de resonancia .................................................................................................. 102c. Correlaciones peridicas ............................................................................................ 105d. Efectos estadsticos .................................................................................................... 105e. Puentes de hidrgeno ................................................................................................. 105f. Efectos estricos ......................................................................................................... 106g. Hibridacin ................................................................................................................ 106Efecto del medio sobre la acidez y la basicidad ..................................................................... 107Ejercicios ................................................................................................................................. 108 4. CAPITULO 5. OXIDACIN y REDUCCIN .................................................................................... 109Oxidacin ................................................................................................................................ 110Alquenos ........................................................................................................................ 110Alquinos ........................................................................................................................ 112,Aromticos ..................................................................................................................... 11 3Reduccin ................................................................... ............................................................ 11 8Alquenos ........................................................................................................................ 118Alquillos ........................................................................................................................ 120Aromticos ..................................................................................................................... 12 1Selectividad en la hidrogenacin .................................................................................. 1?2Aldehdos y Cetonas ...................................................................................................... 123Acidos carboxlicos y derivados .................................................................................... 125Ejercicios .................. ............................................................................................................... 127CAPTULO 6. MTODOS ESPECrROSCPlCOS ............................................................................. 129Espectro electromagnticoAnlisis de propiedades moleculares ............:............................................................... 131Espectrometra de masa ........................................................................................................... 131Espectroscopa ultravioleta..................................................................................................... 134Caractersticas ................................................................... . .......................................... 134Transiciones electrnicas .....:........................................................................................ 135Cromforos y auxcromos ............................................................................................. 136Utilidad de los espectros ultravioletas .......................................................................... 137Espectroscopia infrarroja......................................................................................................... 138Transiciones vibracionales ............................................................................................ 138Utilidad -de los espectros infnlrrojos .............................................................................. 139Seales caractersticas de algunos compuestos ............................................................. 140Resonancia magntica nuclear ................................................................................................ 143El fenmeno de resonancia ............................................................................................ 143Hidrgenos equivalentes ..... .................... ...................................................................... 145Ncleos protegidos o desprotegidos .............................:............................................... 146Desplazamiento qumico ............................................................................................... 148Mulliplicidad .......................................................................................................................... 152Constante de acoplamiento ........................................................................................... 155Integracin .....................................,........................................................................................ 156Cmo se analiza un espectro? ...................................................................................... 157Ejercicios .. ......................................................................................................................... ..... 158P ARTE B. R EAcrrVIDAD DE LOS GRUPOS FUNCrONAlESC APITULO 7. HALOGENUROS DE ALQUILO Y ALCOHOLES. SUSTITUCIN NUCLEOFfuCA .............. 163El lenguaje de las reacciones .................................................................................................. 163Halogenuros de alquilo ................... ........................................................................................ 167 5. Sustitucin nucleofflica bimolecular ............................................................................ 167Sustitucin nucleoflica unimolecular .......................................................................... 170Estereoqumica de las reacciones de sustitucin .......................................................... 172Factores que determinan el mecanismo ................................................................_........ 174Alcoholes ................................................................................................................................. 1861) Reacciones en medio cido ....................................................................................... 1862) Reacciones con derivados ......................................................................................... 189Ejercicios ................................................................................................................................. 190CAPITULO 8. HALOGENUROS DE ALQUILO Y ALCOHOLES. ELIMINACiN ..................................... 193Halogenuros de alquiloEliminacin unimolecular .................................................:.................................................... 193Estabilidad de los alquenos .................................................................................................... 195Eliminacin bimolecular ......................................................................................................... 196Alcoholes ................................................................................................................................. 199Seleccin de condiciones ........................................................................................................ 200La base ..................................................................,,,....................,................................. 201La temperatura ............................................................................................................... 20 ITransposicin de carbocationes .............................................................................................. 202Ejercicios :........................,.,.....................................................................................................203CAPTULO 9.ALQUENOS y ALQUINOS. ADICiN ELECTROFfu CA ................................................ 205Reactividad del grupo funcional ............................................................................................ 205Reactividad .....................................................................................................:.............. 206Alquenos ................................................................................................................................. 206Adicin de halocidos ................................................................................................... 206Regioqumica de la adicin ......................... ,................................................................ 207Estereoqumica de la adicin ........................................................................................ 209Adicin de agua ............................................................................................................. 209Adicin de halgenos .................................................................................................... 2 10Formacin de halohidrinas ...................................................................................................... 213Alquinos .................................................................................................................................. 2 15Adicin de halocidos ......................................:............................................................ 215Adicion de halgenos .................................................................................................... 216Adicin de agua ............................................................................................................. 2 17,Regioqumica de la adicin .......................................................................................... 218Adicin por radicales libres .................................................................................................... 2 18Ejercicios ................................................................................................................................. 219CAPiTULO 10.ALCANOS. SUSTITUCiN POR RADICALES LIBRES ............................................... 22 1Halogenacin .......................................................................................................................... 221Regioselectividad ................................................................. .. ....................................... 222Estabilidad de los radicales libres ................................................................................. 223Reactividad de los halgenos ....................................................................................... 223 6. Selectividad ................................................................................................................... 224Estereoselectividad ........................................................................................................ 224Ejercicios ................... .............................................................................................................. 225C APTULO 11. COMPUESTOS AROMTICOS. SUSTITUCIN ELECTROFUCA ................................. 227Estabilidad y reactividad ........................................................................................................ 227Aromaticidad ........................................................................................................................... 229Orbitales moleculares en sistemas aromticos ............................................................... 229Aplicando conceptos ..................................................................................................... 230Sustitucin electroflica .......................................................................................................... 232Halogenacin ................................................................................................................. 233Nitracin ........................................................................................................................ 234Sulfonacin .................................................................................................................... 235Alquilacin .................................................................................................................... 235Acilacin ................................................................................................. ....................... 236Reactividad de los bencenos sustituidos ................................................................................ 2371. Activantes por efecto inductivo ................................................................................. 2382. Desactivantes por efecto inductivo ........................................................................... 2383. Activantes por resonancia ....;..................................................................................... 2394. Desactivantes por resonancia .................................................................................... 240Regioselectividad y velocidad ...................................................................................... 2411. Activantes por efecto inductivo ................................................................................. 2412. Desactivantes por efecto inductivo ........................................................................... 2423. Activantes por resonancia .......................................................................................... 2434. Desactivantes por resonancia .................................................................................... 244Ejercicios ................................................................................................................................. 245CAPTULO 12. ALDEHDOS y CETONAS ..................................................................................... 247Sntesis de aldehdos y cetonas ............................................................................................... 248Tautomera ceto-enlica .......................................................................................................... 249Reacciones de los compuestos carbonlicos ........................................................................... 251Adiciones nucleoflicas ........................................................................................................... 252Adicin de agua ............................................................................................................. 254Adicin de alcoholes. Formacin de acetales ............................................................... 255Adicin de cianuro de hidrgeno .................................................................................. 257Adicin de bisulfito ....................................................................................................... 258Adicin de amonaco y sus derivados ........................................................................... 259Halogenacin de cetonas ............. ..............................................................,............................ 260Reaccin halofnnica .................................................................................................... 264Condensacin aldlica ............................................................................................................ 265Compuestos carbonlicos eL, ~ - no saturados ......................................................................... 267Adicin electroflica ...................................................................................................... 268Adicin nucleoflica ...............................................................:...................................... 269Ejercicios ................................................................................................................................. 271 7. ,CAPTULO 13. ACIDOS CARBOxucos y SUS DERIVADOS. SUSTITUCIN NUCLEOFiLlCAE" ACILO ................................................................................................................................... 273cidos carboxlicos .........................................................................:....................................... 273Equivalente de neutralizacin ....................................................................................... 274Derivados funcionales de los cidos carboxlicos .................................................................. 275Obtencin de derivados de cido ............................................................................................ 276Obtencin de steres metlicos ...................................................................................... 278Sustitucin nucleoflica en acilo ............................................................................................ 279Reactividad frente a la sustitucin nucleoflica ............................................................ 280Reacciones de los cloruros de cido .............................................................................. 282Reacciones de los anhdridos de cido ......................................................................... 283 .Reacciones de los steres .............................................................:................................. 284Amidas y compuestos relacionados .............................................................................. 286Hidrlisis de amidas ...................................................................................................... 287Ejercicios ................................................................................................................................. 288CAPTULO 14. AMINAS. L AS AMINAS COMO NUCLEFlLOS ....................................................... 29 1Sustitucin nucleoflica .......................................................................................................... 293a. Alquilacin de aminas ................................................................................................ 293b. Acilacin de aminas ................................................................................................... 294Adicin nucleoflica .........................................,..................................................................... 295Eliminacin de Hoffmann ....................................................................................................... 296Ejercicios ...............................................................................................:................................. 298PARTE C. CARACTERlsTICAS ORGNICAS DE LAS MOLCULAS BIOLGICASCAPTULO 15. LPIDOS y COMPUESTOS NATURALES RELACIONADOS .......................................... 303Triglicridos: grasas y aceites .............................. ................................................................... 304Hidrlisis de triglicridos. Jabn. Micelas .............................................................................. 306Otras reacciones de los triglicridos .............................................................................. 307Fosfolpidos ............................................................................................................................. 308Prostaglandinas ....................................................................................................................... 31 0Feromonas ...............................................................................................:............................... 3 11Terpenos .................................................................................................................................. 3 11Monoterpenos acclicos ................................................................................................ 3 13Monoterpenos cclicos .................................................................................................. 3 13Esteroides ................................................................................................................................ 3 13Ejercicios ................................................................................................................................. 3 15CAPTULO 16. COMPUESTOS HETEROcCLlCOS NATURALES ....................................................... 3 17CAPiTULO 17. HIDRATOS DE CARBONO .................................................................................... 32 1.-!2unas definiciones ............................................................................................................... 322- . 8. Reacciones de la D-glucosa .................................................................................................... 324=slereoqumica ........................................................................................................................ 376:leterminacin de la configuracin de d-glucosa y otros azcares ................................ ........ 377Series D y L ................... ............ .................................... ........................................................... 329- f " . " 333:()(1l1as uranOSlcas y plranOSlcas .................. ,....................... o " , . . . . . . Prueba de las estructuras anulares ........................ ......................................................... 334Configuracin del carbono anomrico ................................................................................... 335i5rmulas de Haworth ................. ................................................. ............................................. 337onformacin de azcares ............................................................................... ............ ........... 338i1culo de energas confonnacionales ...................................... ............................................. 339Otigosacridos y polisacridos. Mtodos para- determinacin de su estructura ..................................................... ...................................... . 342J.glucosa + c. D-glucnico ................ .. ........................ ............... ............ .............................. 343Cuactersticas estructmales de los glicosaminoglicuronanos y su di~tribucin!n organismos vivos ................................................................................................................ 347- - . . 350- _f:rC1C10S .......................................... ...... .. .. .. .................. ...... .......................... ... .. ................... .,CAPTULO 18. AMINOCIDOS y PRaTENAS ............ ........................ .................... .......... ............ 353:..os aminocidos como iones dipolares ................. ........................ ......................................... 354?:m o isoelctrico de los aminocidos .................................................................................... 356~nin peptdica .............................................. ................................................................. ........ 358 ? estructura de las protenas ......... ........................... ......................... .. ........ ........................... 360:.a secuencia de aminocidos de una protena determina su estructura tridimensional ......... 364- lI estructura de las protenas determina su actividad. La hemoglobina como ejemplo~ estrategias reguladoras ....................................................................................................... 365Protenas que transportan 0 2........................ ... .................. ........ ............................... ...... 365Secuencia de aminocidos en la cadena peptdica .. ........................................................... .... 369-inlesis de pptidos ............................... .................................................................................. 37 j!:jercicios ........ .... ..................................................................................................................... 376,CAPTULO 19. A CIDOS NUCLEICOS ...................................... ..................................................... 3773 < .. d" 377~es plrlml lnlcas ............................ ............................... ......................................................3= pricas ........... ..................................... ........................... ................................................ 377_~_cido desoxirribonucleico (ADN) .......................................................................................... 379.:.cido ribonucleico (ARN) ...................................................................................................... 381:>inlesis de oligo y polinucletidos ...... .................................. .............................. ........ .......... 383CAPITULO JO. B IOMOLCULASCOMPLEJAS .............................................................................. 385Glicoconjugados .................................................................... ................................................. 386_-sociaciones hidrato de carbono-protena ................ .......................... ................................... 386Glicoprotenas ..................................................... .......................................................... 386Enlaces glicano-protena .............................................................. ... ....... .... ................... 387Proteoglicanos ............................................................................................................... 388 9. Asociaciones hidrato de carbono-lpido ................................................................................. 389Glicolpidos ................................................................................................................... 38.9Lipopolisacridos .......................................................................................................... 39 1Azcares unidos a nucle6tidos y Ipidos ....................................................................... 39 1Lipoprotenas ...........d 392Membranas biolgicas ............................................................................................................ 393B IBLIOGRAFA ............................................. ................................................ .............................. 397 10. CAPTULO 1HiBRIDACiN y PROPIEDADES1uchas veces se plantean interrogantes como:En qu se disuelve mejor la glucosa: en agua o en 1-propanol?H"C-7IH-C-OHIHO-C-HI CH:fH;PH:flHH-C-OHI1-propanolH-C- OHICH:flHD-glucosa Cul de los siguientes solventes destila a mayor temperatura?1-propanol 1-pentanol etilmetleter Es polar la acetona?o11CH e/ " CH3 3Con este captulo se adquirirn los conocimientos necesarios para responderlos. 11. APRENDIENDO QUMICA ORGNlCAEl tomoLa mecnica clsica describa el tomo como un ncleo alrededor del cual semovan los electrones en trayectorias definidas, de manera similar a un sistemaplanetario. Sin embargo, esta descripcin clsica no poda explicar por qu unelectrn en su movimiento no pierde paulatinamente su energa para, finalmente,ser atrado por el ncleo y chocar con l. Evidentemente la descripcin de la mecnicaclsica no brindaba una explicacin satisfactoria del tomo.En la actualidad, se considera que los electrones tienen un comportamiento deonda-partcula y por lo tanto su movimiento y su energa se describen medianteecuaciones semejantes a las empleadas para describir las ondas.La teora matemtica que mediante ecuaciones diferenciales describe el movi-miento de los electrones alrededor del ncleo se.conoce como mecnica cuntica omecnica ondulatoria. Para averiguar por dnde se mueve el electrn alrededordel ncleo es necesario resolver esas ecuaciones diferenciales cuyas solucionesdefinen la zona del espacio alrededor del ncleo donde la probabilidad de encontrarel electrn es muy elevada (aproximadamente 90%) y que se conoce como orbital.Adems, para que esas soluciones sean coherentes con la realidad es necesario quelos electrones slo adquieran ciertos niveles de energa.Los orbitales atmicosUsando como modelo el tomo de hidrgeno (el ncleo con un solo electrn)se resuelve la ecuacin de onda asignando al electrn la mnima energa posible.De esta manera se obtiene una funcin de onda que al ser representada muestra unaesfera. Esto indica que un electrn con la energa mnima se mueve en un orbitalcon geometra esfrica que se conoce como orbital 1s (l: primer nivel de energa; s:simetra esfrica).xxyzorbitalorbitales20 12. Captulo l. Hibridacin y propiedadesLn electrn en el segundo ni vel energtico tambin se mueve en un orbital_-.rri o llamado 2s y ubicado a una distancia mayor respecto del ncleo. Cuando~ =uelven las ecuaciones para el siguiente nivel de energa que puede tener un""rrn se encuentran tres soluciones posibles, tres orbitales energticamente< .alentes llamados orbitales p.Estos orbitales., consisten en dos lbulos esferoidales adyacentes, que se ali--.:.-= segn los ejes x, y, y z de un sistema de coordenadas caItesianas, situando el- -t: eo en el origen. Por ello se conocen como orbitales 2px, 2py y 2pz. Con esta=:itacin se logra el mximo alejamiento posible entre los electrones que ocupan- :istintos orbitales p.!:ste procedimiento permite continuar estudiando los orbitales en los que se=~3"en los electrones con niveles energticos mayores pero que no sern analizados.c o asignar electrones a los orbitales atmicos C;ntos electrones pueden ocupar un orbital?~! principio de exclusin de Pauli establece que no pueden existir ms de dos=~::ones en un orbital cualquiera y que dichos electrones deben diferir en la::::J.cin de sus spines o momentos magnticos. ", indistinto en qu orbital se ubiquen?El principio de Aufbau indica que los electrones se ubican en los orbitales deenerga posible. Si un tomo tiene cuatro electrones ubica dos electrones encnJital ls y dos electrones en el orbital 2s.Qu ocurre cuando hay ms de un orbital de igual energa?:..a regla de Hund seala que no se llena un orbital con dos electrones hasta que__c:..:; orbital de igual energa contenga ya un electrn. Todos los electrones~- pareados tienen el mismo spin.Los orbitales molecularesCmo se forma el enlace en la molcula de H,? Se forma mediante dos electrones_ se ubican en un orbital molecular formado por solapamiento de dos orbitales atmicos-"" :::.n general podemos decir que los orbitales de enlace se forman por el solapamiento:c iOS orbitales atmicos de los tomos que forman la unin. Esta unin se representa:::Ii una lnea que enlaza los tomos o mediante estructuras de Lewis.21 13. APRENDIENDO QUM1CA ORGNICAH-H H:HEstructura de LewisSe puede decir que las funciones de onda moleculares se obtienen sumando lasfunciones de onda individuales. Sin embargo, el tratamiento matemtico se complicaal aumentar la complejidad de la molcula y, por esta razn, para las molculas mscomplejas se adaptan los conceptos cualitativos que surgen del tratamientomatemtico en las molculas simples.El metanoSe comenzar el estudio de los enlaces en las molculas orgnicas con el com-puesto ms simple: el metano (CH.)El tomo de carbono tiene seis electrones alrededor de su ncleo: dos electronesapareados en el orbital ls, dos electrones apareados en el orbital 2s y dos electronesdesapareados en dos orbitales p diferentes.6 C: 1s 2 2s 2px 2pyCmo forma el carbono cuatro enlaces con slo dos electrones desapareados?Sera de esperar que se urtiese a slo dos tomos de hidrgeno formando CH, pero, sibien es cierto que el CH, es un compuesto real, tambin es cierto que es un compuestoinestable, de mucha energa y que reacciona rpidamente para formar diversos productos.Adems en el CH, el carbono no completa su octeto (de ah su elevada reactividad).Volviendo al CH., es claro que con la distribucin electrnica planteada nopuede formar cuatro enlaces. Para hacerlo necesita disponer de cuatro electronesdesapareados que logra adoptando una nueva configuracin electrnica en la queun electrn del orbital 2s se promueve al orbital 2p vaco.Energa96 Kcal l mol22Energfa +-4-+-+-* 14. Capftulo l. Hibridacin y propiedadesDe esta manera puede unirse a cuatro tomos de hidrgeno, formando dos~~ de enlaces diferentes: uno entre el orbital 2s del carbono y el orbital ls de un-drgeno y el segundo entre los orbitales 2p del carbono y el orbital ls de tres.:omos de hidrgeno. Estos enlaces tendran distinta longitud ya que el orbital s se~- : uentra ms cercano al ncleo que el p. Sin embargo, esta observacin no:;:n uerda con la realidad que evidencia que los cuatro enlaces del CH, son..,. iyalentes, con la misma longitud y ngulos iguales entre llos.La respuesta a este enigma radica en que los orbitales atmicos de un mismo-;mo se pueden combinar para formar nuevos orbitales atmicos que se conocen_;:mo orbitales hfbridos. Un orbital s y tres orbitales p se pueden hibridizar para: mar cuatro nuevos orbitales hdridos spJ, cada uno de los cuales tiene 25% de_=ricter s y 75% de carcter p.~nerg +-+-+*Energ +-+-+-+-hibridacin.*Con este razonamiento se puede explicar cmo logra el tomo de carbono formar_ -ir{) enlaces equivalentes. Cabe preguntar por qu?Razn l : La transferencia de un electrn del orbital 2s al 2p vacante requiere un-_ -_~sumo de energa de 96 kcal/mol, lo que nos indica un proceso energticamente_.:fJorecido o, lo que es equivalente, un tomo de carbono en un estado excitadoyor energa). Sin embargo, con ello el tomo de carbono forma cuatro enlaces-H en lugar de dos. Si se considera que la energa necesaria para romper un enlace-H es de 104 kcallmol, el sistema, formando cuatro enlaces, se estabiliza en 4161L.:":!..lJ mol en el CH4contra 208 kcal/mol en el CH,. Aunque se descuente la inver-=.. inicial de 96 kcal/mol, el saldo de energa de estabilizacin sigue siendo favo-~~.e en el CH,: 416-96 >208.Ra:n 2: Cuanto mejor es el solapamiento entre los orbitales atmicos ms::>:!rte es la unin entre los tomos. Los orbitales hbridos sp son asimtricos respecto-= ncleo. Estn formados por un lbulo grande y otro pequeo. Esta direccionalidadpermite formar enlaces ms fuertes ya que el enlace se forma con el lbulo grande.".Io? facilita una mejor superposicin.+ .. 4(2s) (2p) (sp3)23 15. APRENDIENDO QUMICA ORGNICACmo se orientan en el espacio? Los cuatro orbitales hbridos son equivalen-tes y para lograr la separacin mxima entre ellos se orientan hacia los extremos deun tetraedro regular, formando ngulos de 109.5" entre ellos.---,H,/109.52 -~,,, 109,511, I.,I ,HHtetraedro c SP3 metanoHabitualmente, los lbulos pequeos de los orbitales hbridos no se dibujan.El etanoCambiando tomos de hidrgeno por tomos de carbono surge la posibilidadde construir cadenas carbonadas. La cadena ms pequea, de dos tomos decarbono, es el etano cuya frmula molecular es C,H6Cmo se unen los tomos en la molcula de etano? Dos tomos de carbonocon geometra tetradrica se unen entre s por solapamiento de dos orbitales hdridossp . Finalmente, cada tomo de carbono se une por solapamiento de los orbitalessp remanentes con los orbitales Is de tres tomos de hidrgeno.El etenoLa frmula molecular del eteno es C,H,. Cmo completan los carbonos deleteno su octeto? Formando un enlace doble entre ambos carbonos.Es posible que dos tomos de carbono con hibridacin sp establezcan unenlace doble entre ellos?La geometra del sistema impide el solapamiento necesario de los orbitales.24 16. Captulo l. Hibridacin y propiedades:> r lo tanto existe una hibridacin diferente. Cul? Una hibridacin que se- en una combinacin matemtica diferente de los orbitales atmicos. Enorbital s con dos orbitales p generan tres orbitales hbridos, que por tener- ::;: carcter s y 66% de caracter p, se conocen como hbridos sp. Queda por lo-=.:_ ::n orbital p sin hibridizar.Cmo se orientan en el espacio? Nuevamente, estos orbitales hbridos adquie-= ::;n marcada direccionalidad, con un lbulo voluminoso y otro pequeo. Estos.;.c~lS voluminosos logran el mximo alejamiento entre s orientndose hacia los.::::=_",os de un tringulo equiltero formando ngulos de 120.Cmo se ubica el orbital p? Equidistante de los otros orbitales, perpendicular- ,- determinado por ellos.xsp 2 y12 eR,NH + HOUn grupo dador de electrones, como un grupo alquilo, sobre el N ayudar adispersar la carga positiva sobre el catin y lo estabilizar.G-tR3N+HG cede electronesestabiliza el catinaumenta la basicidadG HO > F. Este comportamientoe explicarse por el aumento de electronegatividad al ir de izquierda a derecha- la Tabla Peridica. Este efecto puede explicar las grandes diferencias de acidez- . Ie cidos carboxlicos, amidas y cetonas: RCOOH RCONH2 RCOCH.,.La acidez aumenta y la basicidad disminuye al ir hacia abajo en la Tabla Peridica,L :;esar de la disminucin de la electronegatividad. As, la acidez aumenta en el orden-=-= < HCl < HBr < ID y H.,O < SH., y la basicidad disminuye en el orden: ~ > PH., >~. Este comportamiento est asociado al tamao de las especies involucradas.Efectos estadsticos:En un cido dibsico simtrico, la primer constante de disociacin (k,) es aproxi=rlamente el doble de la de un cido monobsico debido a que hay dos protones~tdos equivalentes, mientras que la segunda constante (k) es aproximadamente la;;:irad de la que podra esperarse debido a que la base conjugada puede aceptar un",,:>tn en dos sitios equivalentes. Entonces, k,lk2 sera 4. Este valor se encuentra= los cidos dicarboxlicos en los cuales los dos grupos carboxilo estn loJcijcientemente alejados para no influirse. Un razonamiento anlogo puede aplicarse;:;na molculas con dos grupos bsicos equivalentes./ COOH COO8COo8K, / K2 /(~)n~(~)n~(~)n COOH COOH COO8e. Puentes de hidrgeno:La formacin de puentes de hidrgeno intramoleculares puede afectar"gnificativamente la acidez y la basicidad. El cido o-hidroxibenzoico es ms cido::z:e el correspondiente ismero para. La formacin de puente hidrgeno entre losmlpOS hidroxilo y carboxilato estabiliza la base conjugada del ismero orto y portanto incrementa su acidez.105 94. APRENDIENDO QUIMICA ORGNICAOOHOH""--pka2,98f. Efectos estricos:OOHHpka 4,58Los efectos estricos son ms comunes en reacciones que involucran cidos deLewis, ya que el protn es muy pequeo. Puede observarse que las ami nasheterocclicas no aromticas, como la piperidina, son ms bsicas que las de cadenaabierta, porque su par de electrones est ms accesible./~NH~NHdietiJaminapiperidinag. Hibridacin:Un orbital s tiene menor energa que un orbital p. Por lo tanto, la energa de unorbital hbrido ser menor cuanto mayor sea su caracter s. Un carbanin en uncarbono sp es ms estable que un carbanin en un carbono Sp2 As, el acetiluro:HCC-, que tiene mayor caracter s que CH,=CH- o que Cl{,-CH,, ser ms establey el acetileno ser un cido ms fuerte que el etileno y ste que el etano.HC=CHpka 25CH2= CH2pka 44Este hecho explica la acidez relativamente alta de acetilenos y HCN.106 95. Captulo 4. Acidez y basicidadEfecto del medio sobre la acidez y la basicidadLos factores estructurales no son los nicos que afectan la acidez y la basicidad..::.. mismo compuesto puede exhibir diferentes propiedades cidas y bsicas si selas condiciones. El ms importante de los efectos es el efecto del solvente, .-Z tiene gran influencia sobre la acidez y la basicidad debido a solvatacin=ncial. Si una base se solvata ms que su cido conjugado, su estabilidad se:ci aumentada en comparacin a la de su cido conjugado. La metil amina es una:::t!ie ms fuerte que el amonaco y la dimetil amina es an ms fuerte. Estos resultadosexplican fcilmente debido al carcter dador de electrones de los grupos metilo.~ embargo, la trimetil amina, que debera ser una base ms fuerte, es ms dbilla metil amina y que la dimetil amina.NH, < (Me)JN < MeNH2 < (Me)2NH4,75 4,19 3,24 3,27Este comportamiento aparentemente anmalo puede explicarse por hidratacin-erencial. El NH,+ se hidrata (por formacin de puentes de hidrgeno con el agua):::;je;- que el NH" debido a su carga positiva. Este efecto contribuye mucho a la"".:crz.a bsica del amonaco. A medida que los hidrgenos son reemplazados por:-~pos metilo, la diferencia en el grado de hidratacin decrece. Los dos efectos (el~uctivo y el de solvatacin) actan en forma contraria. Es por eso que la trimetil.=jina es menos bsica. Ahora bien, si el efecto de hidratacin no existiera, debera=;ervarse slo el efecto inductivo. Efectivamente es as, ya que en fase gaseosa, el_en de basicidad de las aminas es: ~N > R2NH > RNH, > NI{,.La solvatacin tiene efectos en la acidez y la basicidad. En fase gaseosa, los- :lOres estructurales analizados, particularmente los efectos inductivos y de~nancia, operan sin interferencia de molculas de solvente. Los grupos atractores:e electrones aumentan la acidez (y disminuyen la basicidad); y los grupos donores:e electrones actan de manera inversa. En solucin acuosa estos efectos mayormentepsisten, como se evidencia por la cOIlelacin entre los valores de pk, de la Tabla_ los efectos inductivos y de resonancia. Sin embargo estos efectos pueden estar:.ebilitados y algunas veces revertidos por efectos del solvente.107 96. APRENDIENDO QUMICA ORGNICAEjerciciosEjercicio l . Ordenar segn acidez creciente:a) cido actico, cido trifluoractico, isopropanol, 2,4-pentanodiona;b) cido-p-nitrobenzoico, m-nitrofenol, p-metoxifenol, alcohol benclico;c) fenol, m-nitrofenol, p-nitrofenol, 2,4,6-trinitrofenol, p-aminofenol.Ejercicio 2. Discuta el grado de acidez o basicidad de los siguientes compuestos:oCONH"COOCH36H2NHbOOCH3oEjercicio 3. Ordenar segn basicidad creciente:anilina, dietilamina, acetamida, p-nitroanilina, m-cloroanilina.Ejercicio 4. Indicar si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas:a) Los sustituyentes atractores de electrones aumentan la acidez de los fenolesy la basicidad de las aminas aromticas.b) La piridina es ms bsica que la anilina.piridina :c) La acidez del alcohol hace que el 2-butanol se solubilice en NaCO,.Ejercicio 5. Se dispone en el laboratorio de una mezcla de los siguientes compuestos:OHCmo procedera para separarlos?108 97. CAPTULO 5OXIDACiN y REDUCCiNLas molculas orgnicas presentan distintos grados de oxidacin en [uncingrado de oxidacin de su grupo funcional, e indicar que una molcula se oxidao se reduce se refiere al cambio de estado de oxidacin de dicho grupo.Una reaccin de oxidacin implica en la molcula adicin de oxgeno, remocinhidrgeno o remocin de un electrn. Una reaccin de reduccin implica lo contrruio.En la siguiente tabla se indican distintos grupos funcionale s ordenadoslitativamente por estado de oxidacin creciente:R-H C C// ,R-OHR-XR-NH,- C-C-1 1- C-C-, ,OH OH1 I-C-C-, ,x xI- C-XIxO1IR-C-HO11R- C-R:OXIDACIN CRECIENTEo11CO,R-C-OHOCX,11R-C-NH,O11R-C- ORXI-C-XIxR-C=NSe har referencia a continuacin a algunas reacciones frecuentes de oxidacinylo reduccin de distintas familias de compuestos.109 98. APRENDffiNDOQU~CAORGMCAOxidacinAlquenosHidroxilacin(KMnO)4La reaccin de hidroxilacin transforma los alquenos en dioles vecinales(glicoles). Para ello se pueden emplear distintos reactivos pero quizas el ms sencillosea el KMnO,!HO. Dado que se trata de un oxidante fuerte, es necesario controlarlas condiciones de reaccin pues, en caso contrario, la oxidacin continaprovocando la ruptura del enlace e-e. Por este motivo se trabaja en un mediodiluido y a baja temperatura.e 1 1c= c KMnO 4 (dil) / Ha../ " ooe -C-C-Oxidacin enrgica: ruptura del doble enlaceKMnO 4calor OH OHCH:J1-IH(CH~2OH OHOHOHLa reaccin de hidroxilacin conduce a la formacin de productos con unaestereoqumica definida. Se aslan glicoles cis. Este hecho experimental se justificapor la formacin de un intermediario cclico resultante de la adicin del MnO.- alalqueno. El manganato formado se hidroliza en el mismo medio para dar el dio!.110 99. Captulo 5. Oxidacin y reduccine eMnO, / HO..HOHHHComo el alqueno es plano el reactivo puede adicionarse por cualquiera de lasdos caras del doble enlace. Por este motivo es que, si durante la reaccin se formancentros quirales, como producto se aslan mezclas racmicas.e eMnO. / HO..OOoM~J-OJvr-..HJC HGlJOHOHH(2R,3R) 2,3-butanodiolRuptura oxidativa (O! KMnO)+eH3H+OH(2S,3S) 2,3-butanodiolLa ozonlisis es una reaccin de oxidacin enrgica que produce la ruptura delos enlaces mltiples de alquenos y alquinos.El tratamiento de un alqueno con ozono (O,) conduce a la formaci"6n de unmoloznido que se reordena espontneamente a un oznido. Este ltimo no sueleaislarse sino que se transforma mediante racciones oxidativas o reductivas. La rupturaoxidativa se realiza generalmente con H,02 en medio cido y permite la formacinde cidos y cetonas, mientras que en la ruptura reducti va suele emplearse Zn encido actico y permite aislar aldehdos y cetonas.111 100. APRENDLENDO QUMICA ORGNICA0 0I O- O" / O O"- /ruptura"- /C c .. /C" /C(.. c O + O= C/ "" / "-Ooznidomoloznidoo O1) O 11 11HJC,,- /CHJ/ 2) H202 /ffE> CH3-C-OH + CH -C- CHC C O O/ ""~ 1) 0 3 11 11H CHJ CH3-C- H + CH3- C-CH32) Zn / -@l2) Zn /tl>Si se observa atentamente se comprueba que donde estaba el enlace mltiple seforman carbonilos. El tipo de producto se relaciona con el grado de sustitucin delalqueno. Si el e-sp2 est disustituido siempre se fonnan cetonas pero, si est unidoa un hidrgeno, se forman aldehdos o cidos dependiendo del tipo de reactivo deruptura empleado.Los productos que se obtienen en una ozonlisis oxidativa son los mismos queresultan del tratamiento del alqueno con KMnO4 en condiciones enrgicas.OHOIOHoAlquinosRuptura oxidativa (O , KMnO )3 4El mecanismo de ozonlisis de alquinos es ms complejo que el de losalquenos. En este caso, cualquiera sea el reactivo empleado en la ruptura, seaslan cidos carboxlicos.112 101. Captulo 5. Oxidacin y reduccino O1)03 11 11CH3CH2C=CCH3 CH3CH2C- OH+ HO- CCH32)Hzo,O1)03 11CH3C= CH2)Zn1H4CH3C- OH + COzLos mismos productos que se aslan por tratamiento del alquino en una ozonlisis~ pueden preparar por oxidacin directa con un oxidante fuerte.ft e o11 11llI;(Gl21vC= C(CH21.C-OH + HO- C(CH21C- OHomticosOxidacin de alquilbencenos (KMnO )4Si bien el anillo aromtico es resistente al tratamiento con oxidantes enrgicos.las cadenas alqulicas que lo sustituyen pueden oxidarse empleando oxidantes fuertesmo KMnO, en medio bsico y trabajando a alta temperatura. En estas condicionesa cadena se transforma en un grupo carboxilo permitiendo el aislamiento. luego dela acidificacin. de cido benzoico o derivados.1) KMnO4/HO"/calor2) acidificacin113COOH 102. APRENDIENDO QUMICA ORGNICACOOHBr BrCOOHCOOH-~.- No se observa reaccinEl mecanismo de esta reaccin es desconocido pero probablemente comienzacon el ataque al enlace C-H vecino al anillo ya que se comprueba experimentalmenteque es necesaria su presencia para que la oxidacin tenga lugar. Por este motivocompuestos como el I-butilbenceno resisten este tratamiento,Alcoholes (KMnO, K Cr O~ Iones, PCC, CrO ,2Py)4 2 2 I 3Los alcoholes primarios pueden oxidarse a aldehdos o cetonas dependiendode la naturaleza del reactivo empleado, Los alcoholes secundarios se oxidan acetonasy los alcoholes terciarios no se oxidan en las condiciones usuales de reaccin,Entre los oxidantes fuertes habitualmente empleados se encuentran el KMnOH0, elK,Cr,O,IH+ y el crO, en H,SO, acuoso (reactivo de Jones). Estos reactivos transfonnanalcoholes primarios en cidos carboxlicos y alcoholes secundarios en cetonas,OHReactivo de Iones ,acetona OoC114o11OH 103. I-4--0HKMnO, ! H08 No hay reaccinoOH KMnO, ! H08--==="-":.::....~.Captulo 5. Oxidaci6n y reducci6neO acidificacinoOHo se conoce con certeza el mecanismo de estas reacciones de oxidacin. En elde las sales de cromo se sabe que se forma un cromato inicial, pero se desconoceocurre su eliminacin posterior.o11~- OH + c, (VI) - .....-I + 80/08(O IV)Los alcoholes primarios forman inicialmente aldehdos pero estos grupos nolas condiciones fuertes de oxidacin transformnd ose en cidosPara obtener aldehdos se emplean oxidantes dbiles como elentre CrO, y piridina (CrO,.2Py) o c1orocromato de piridinio (PCC) quem n,siste en un complejo entre CrO" piridina y HCl. Ambos reactivos se suelenCIIlIplear en CH,Cl, como solvente. En estas condiciones los alcoholes secundariosloe rransforman en cetonas.PCC~Ea menor~reaccin ms rpidams estableAvance de la reaccin174 161. Captulo 7. Halogenuros de alquilo y alcoholes. Sustitucin nucleoft1icaEste razonamiento nos devuelve a la pregunta inicial. Son todos losclroocationes igualmente estables?Se indic anteriormente que la carga positiva representa en la molcula un fac-.. de desestabilizacin. Cualquier efecto que ayude a dispersar la carga, ayuda abilizar el carbocatin. Algo similar ocurre cuando una bolsa pesada espor una sola persona o repartida entre dos. En el segundo caso, el pesola bolsa se siente menos.Conclusin: cualquier fenmeno que facilite una cesin de electrones en direccinlA carbono positivo, estabiliza el carbocatin y aumenta la velocidad de reaccin.,. Efecto inductivoCuando se forma un carbocatin intermediario se puede dispersar la carga po-par efecto inductivo, desplazando los electrones de los enlaces del carbonoDsitivo en su direccin. Este desplazamiento crea cargas parciales positivas sobretomos vecinos, pero implica una dispersin de la deficiencia electrnica entrel.Il nmero de centros mayor.En el caso del carbocatin metilo, los electrones de tres enlaces sigma C-Hcontribuyen a la deslocalizacin de la carga, mientras que en un carbocatin terciario,los electrones de tres enlaces C-C facilitan la estabilizacin. Cul es la diferencia?En ~l ltimo caso la deficiencia electrnica generada en los carbonos vecinos alcarbono positivo se disminuye por un nuevo desplazamiento de los electrones delos otros enlaces.Conclusin: una mayor sustitucin en el carbono positivo facilita la dispersinde la carga por efecto inductivo a travs de un nmero mayor de centros,ad"UU la estabilidad del sistema.175 162. APRENDIENDO QUMICA ORGNICAH.17C~11 11Teniendo en cuenta el razonamiento anterior, no resulta sorprendente la obser-vacin experimental que indica que la estabilidad de Jos carbocationes y su facIlI-dad de formacin siguen el siguiente orden:terciarios> secundarios> primarios metilo2. HiperconjugacinEste fenmeno de dispersin de la carga positiva est relacionado con UDsolapamiento del orbital p vaco con los electrones de los enlaces sigma de lossustituyentes de los carbonos vecinos.Por lo tanto, el fenmeno de hiperconjugacin no se manifiesta en elmetilo y cobra mayor importancia a medida que aumenta la sustitucin decarbocatin pues a mayor nmero de sustituyentes, mayor posibilidad de dispersipor hiperconjugacin y mayor estabilidad.Hipercojugacin en. , . .catlOn pnmano176 163. Captulo 7. Halogenuros de alquilo ) alcoholes. Sustitucin nucleoft1icaEste fenmeno ratifica el orden de estabilidad de los carbocationes por efectoIIIltuctivo..1 ResonanciaSe observa una particular estabilidad en dos tipos de carbocationes: los allicosy los benclicos.3a. Cationes alz1icos. Se llaman cationes allicos los que se encuentran adyacentes11 un doble enlace.Cul es la caracterstica que le otorga especial estabilidad?El carbono carbocatinico con hibridacin Sp2 se encuentra vecino a dos( arbonos Sp2 del doble enlace. Si el orbital p vaco del catin se ubica paralelo a losorbitales p del doble enlace, los electrones p podrn deslocalizarse a lo largo detodo el sistema. Desde otro punto de vista, se puede decir que es la carga positiva laque se dispersa estabilizando apreciablemente el catin.Esta realidad se representa mediante las siguientes estructuras de resonancia.G>~ .. CH2-CH=CH2 13b. Cationes bencaicos. Se llaman cationes benclicos los que se encuentranunidos a un anillo aromtico.177 164. APRENDIENDO QUMICA ORGNICAPor analoga con el caso anterior si el orbital p vaco del carbocatin se ubicaparalelo a los seis orbitales p del anillo es posible deslocalizar los electrones p haciael centro positivo. Se indican a continuacin los desplazamientos de pares de elec-trones p que conducen a un conjunto de estructuras de resonancia que juntos sim-bolizan la deslocalizacin de la carga positiva en el anillo aromtico y que justifi-can su estabilidad.EllH,~Ell..H,~~ ..Cmo reaccionan estos sistemas?H,Ell.. .. .. ..EllAhora cabe una pregunta: si la carga positiva se dispersa entre los carbonossp, dnde ataca el nucefilo en el segundo paso de la reaccin?La respuesta es diferente para ambos sistemas. En el caso de los cationes allicos,en cualquiera de los dos carbonos que las estructuras de resonancia indican queposeen la mayor deficiencia electrnica, es decir, en los dos carbonos de los extremos.Pero, en el caso de los cationes benclicos el ataque se realiza siempre en la posicinbenclica pues, en caso contrario, el producto final no sera aromtico. Se ver en elcaptulo II que los sistemas aromticos son particularmente estables, por este motivo,un ataque del nuclefilo al anillo disminuira apreciablemente la estabilidad delproducto final. Esto sera equivalente a decir: de todos los carbonos sp del sistema,el externo al anillo es el ms positivo. Y tambin sera equivalente a decir: lasestructuras de resonancia con el anillo aromtico completo son ms estables.t:u--~~~ RCH=CH-CH2Nu + R-CH-CH=CH,Nu..178 165. Captulo 7. Halogenuros de alquilo y alcoholes. Sustitucin l1ucleoflicaOrden general de estabilidad de los carbocationesComo conclusin se puede indicar el siguiente orden de estabilidad:allicos, benclicos > terciarios> secundarios primarios > metiloSin embargo a veces se encuentran diferencias de criterios entre algunos autorese otorgan una estabilidad similar para los cationes terciarios, allicos y benclicos,o inclusive asignan a los terciarios una estabilidad mayor que los benclicosp:imarios. Lo ms prudente es considerar que siempre puede haber excepciones yque el orden indicado es slo un orden general.Sustitucin nucleofilica bimolecular,Esta es una reaccin en un paso en .el que el nuc!efilo se aproxima al carbonopor el lado contrario al que est unido el halgeno. Aquellos sustratos que facilitanel acercamiento del nuc!efilo, facilitan la reaccin. Por lo tanto, un aumento en lasustitucin del carbono que sufre el ataque nuc!eoflico, dificulta la aproximacin ycomo consecuencia la sustitucin. En el siguiente dibujo se representan las nubeselectrnicas en ioduro de metilo y en el ioduro de ter-butilo... . /.~./;.". :.: ...:~ ;.~ ,:, .:! ,.:. .h........~ ........,.. .... : . J", ,.: , .Conclusin: los halogenuros de metilo reaccionan a mayor velocidad que losprimarios, estos a su vez a mayor velocidad que los secundarios y en general loshalogenuros terciarios no reaccionan por un reaccionan por un mecanismo de eoflicabimolecular o lo hacen a velocidad despreciable.Desde otro punto de vista se puede estudiar la influencia del sustrato efectuan-do un anlisis del estado de transicin que representa la barrera energtica que sedebe superar para que la reaccin proceda. En el estado de transicin el sistemapresenta la mayor compresin estrica, pues obliga a los cinco grupos a alcanzar enel espacio la aproximacin mxima. Pensando en la estructura del sustrato, no es lo179 166. APRENDIENDO QUfMICA ORGNICAmismo aproximar hidrgenos que aproximar grupos alquilo. En consecuencia. eestado de transicin formado a partir de un halogenuro de metilo es ms estableque el que se obtiene a partir de un halogenuro primario, y ste a su vez que el quese obtiene a partir de un halogenuro secundario. Estados de transicin ms establesimplican energas de activacin menores y por lo tanto mayor velocidad de reaccin.BHA Nu ..,X "HHEnerga B Nu .. .. X-;{ (:Avance de la reaccinFinalmente, la inestabilidad del estado de transicin que se obtiene a partir deun halogenuro terciario implica una energa de activacin difcilmente superable.conclusin que conduce al mismo resultado anterior que indica que la velocidad Jeuna reaccin de sustitucin nucleoflica bimolecular a partir de un halogenuroterciario es prcticamente despreciable.En este caso, nuevamente los halogenuros allicos y benclicos merecen unconsideracin especial. Estos sustratos dan reacciones de tipo SN2 a velocidadcomparable, e incluso en algunos casos mayor que los halogenuros de metilo.Por qu?En el estado de transicin no solamente existe una acumulacin de grupos en elespacio, sino tambin una acumulacin de carga. El nuclefilo participa con unacarga neta o un par de electrones no compartidos lo que implica que el carbonorehibridizado a sp presenta un orbital p que solapa parcialmente los electrones deun enlace a medio romper con el halgeno y, por el otro lado, los electrones d. unenlace a medio formar con el nuclefilo.Orientando ese orbital p paralelo con los orbitales p de un sistema allico obenclico, el aumento de densidad negativa puede deslocalizarse a los largo delsistema p aumentando por dispersin la estabilidad.180 167. Captulo 7. Halogenuros de alquilo y alcoholes. Sustitucin nuc/eoftlicaI:"u11,...:;tQ-XComparacin del sustrato en ambos mecanismos de sustitucin..as reacciones de tipo SN1 estn altamente favorecidas en los halogenuros de alqui-lo terciarios, allicos y benclicos que son capaces de formar los carbocationes msestables. Debido a la inestabilidad de sus carbocationes, la velocidad de una reaccinde tipo SN1 es despreciable en el caso de halogenuros de metilo o primarios.Las reacciones de tipo SN2 transcurren a velocidad mxima con los halogenurosde metilo y a una buena velocidad con los halogenuros primarios. Debido alimpedimento estrico y a la inestabilidad del estado de transicin las reaccionesde tipo SN2 no se manifiestan a velocidad apreciable con los halogenuros dealquilo terciarios. Si no presentan impedimento estrico, los halogenuros dealilo y bencilo sern sustratos tiles a travs de este tipo de mecanismo.Los halogenuros de alquilo secundarios son conflictivos porque puedentransformarse a travs de ambos mecanismos. Sin embargo, como se ver msadelante, controlando las condiciones de reaccin se controla el mecanismoque suele dirigirse hacia la SN2.2) Estructura del nuclefiloLa estructura del nuc!efilo es la segunda variable que influye en forma impor-ante en la determinacin del mecanismo. Y su participacin es decisiva en unareaccin de tipo SN2. Porque cuanto mejor es el nuclefilo, ms fcil procede lareaccin. Sin embargo, si el sustrato puede reaccionar por ambos mecanismos (porejemplo un halogenuro secundario) y se prefiere una reaccin SN1 es necesario elempleo de un nuc!efilo muy dbil, pues en caso contrario el nuclefilo paraticiparde la reaccin desplazndola hacia un mecanismo SN2.Por otro lado, se ha observado experimentalmente que una reaccin con elITsmo sustrato, el ITsmo solvente, las ITsmas condiciones, se desarrolla a diferentevelocidad de acuerdo al nuclefilo empleado. Por eso se habl a de nucleofilicidadcomo la habilidad de un reactivo de participar en una reaccin de tipo SN2.Qu factores afectan la nucleofilicidad?181 168. APRENDIENDO QUMICA ORGNICAl. La cargaA igual tomo nucleoflico, los nuc!efilos con una carga neta reaccionan amayor velocidad que los nuclefilos neutros.CH3Br +eHO2. La polarizabilidad CH30H +..eBr..Los electrones de la capa externa de un in o tomo de mayor tamao seencuentran ms alejados del ncleo y, por lo tanto, menos fuertemente retenidos..Estos electrones pueden distorsionarse con mayor facilidad para adoptar la formarequerida que facilite el acceso al centro positivo. Por este motivo el ioduro esmejor nuc!efilo que el bromuro y, ste a su vez, mejor que el cloruro.3. El impedimento estricoSi el tomo nucleoflico se encuentra impedido estricamente se dificulta Silaproximacin al sitio de reaccin, disminuyendo su nucleofilicidad. Por este motivoel EtO- es mejor nuc!efilo que el t-BuO.4. La basicidadSe dijo anteriormente que la nucleofilicidad mide la capacidad de una especiede donar un par de electrones para unirse a un carbono deficiente en ellos en una.reaccin SN2. Por otro lado, la basicidad mide la capacidad de una especie de dom!lun par de electrones para unirse a un protn. Por eso se dice en general que unabuena base es un buen nuclefilo.Si se comparan elementos del mismo perodo el orden de acidez resulta:FH > HP > NH3 > CH,Por lo tanto, el orden de basicidad de sus bases conjugadas resulta:En estos casos el orden de basicidad se maneja paralelo al orden de nucleofilicidad.pero si se compara la acidez de los halogenuros de hidrgeno se concluye:182 169. Captulo 7. Halogenuros de alquilo y alcoholes. Sustitucin nucleofi1icaHF < HCI < HBr < IDlo que indica un orden de nucleofilicidad de sus bases conjugadas opuesto aldeducido por polarizabilidad:r < Br < Ct- < FEl efecto de los solventes se analizar en las prximas secciones pero deberenerse en cuenta que los iones ms pequeos se solvatan de manera ms compactaaumentando apreciablemente su volumen efectivo y dificultando con ello el accesoal sitio de reaccin. Por ello es que el orden de nucleofilicidad en un solventeprtico, de los habitualmente empleados en este tipo de reacciones, es el inverso y,en este tipo de solventes, el ioduro es uno de los mejores nuclefilos.Ejemplos de nuclefilos empleados en reacciones de sustitucinNucleofiJicidad:Conclusin generalLos nuclefilos participan activamente en las reacciones de tipo SN2 dondeintervienen en la etapa determinante de su velocidad. Por este motivo si se pretendefavorecer un mecanismo bimolecular se buscan las especies ms nucleoflicas. Porel contrario, los mecanismos de tipo SN1 se favorecen con nuclefilos dbiles.3) tJ grupo salienteNuevamente, este factor influye en la velocidad de la reaccin. Cuanto msfcil se desprenda el grupo saliente con su par de electrones, ms estable es elestado de transicin en el que este proceso est ocurriendo. Esto implica menorenerga y, por lo tanto, mayor velocidad.El mejor grupo saliente es el que puede acomodar mejor el par de electronescon el que se desprende. Por lo tanto, cuanto ms estable es este in, mejor es comogrupo saliente. En el caso de los halogenuros, los iones ms estables son las basesconjugadas ms dbiles.Reactividad como grupo saliente: r > Br > Cl > FDe hecho, el fluoruro es tan mal grupo saliente que no participa en reaccionesde sustitucin.183 170. APRENDIENDO QU{MICA ORGNICA4) El solventeLa mayor parte de las especies involucradas en este tipo de reacciones soncompuestos inicos o polares y, por lo tanto, no resulta sorprendente que los solventeshabitualmente empleados sean tambin de naturaleza polar.Dentro de los solventes polares se distinguen dos tipos fundamentalmentediferentes: los solventes prticos y los solventes aprticos. Los solventes prticosson aquellos capaces de formar uniones por puente de hidrgeno. Cmo influyeesta habilidad en la seleccin de un mecanismo?En el caso de una reaccin de tipo SN1 el solvente prtico solvata el intermedia-rio inico de la reaccin. Este hecho lo estabiliza, disminuyendo su energa y la delestado de transicin que conduce a su formacin. Al bajar la barrera de energa deactivacin favorece la sustitucin.f. / HH ~- R . J~: L;~R o:-;.yC> Ht RH- O:h RSolvente aprticoEn las reacciones de tipo SN2 es frecuente el empleo de nuc!efilos cargadosporque, como se indic previamente, este factor aumenta la nuc!eofilicidad. hnestos casos existe una acumulacin de carga mayor en los reactivos que en el estadode transicin donde la carga negativa se encuentra distribuida entre el nuc!efilo yel grupo saliente, logrando una dispersin en un volumen mayor.Nu----- .El---x mayor dispersinde carga que en NuSi se tiene en cuenta que la solvatacin es ms efectiva en iones menores, se llegaa la conclusin que el solvente prtico estabiliza mejor el nuclefilo que el estado de184 171. Captulo 7. Halogenuros de alquilo y alcoholes. Sustitucin nucleoft1icalransicin. Por este motivo la disrrtinucin de energa es mayor en el reactivo que enestado intermedio, hecho que se traduce en un incremento de la barrera de activa-cin y, por lo tanto, en una disminucin de la velocidad de la reaccin.Energa.-0(";. ........ ._ ....r........... .Avance de la reaccinPor otro lado, se puede pensar intuitivamente que la solvatacin hace menosefectivo el nuc!efilo porque: dispersa su carga disrrtinuyendo su nuc!eofilicidad y aumenta su volumen efectivo dificultando su acceso al sitio de reaccin.Qu ocurre si el nuc!efilo no presenta una carga neta?Conclusin: los solventes prticos favorecen los mecanismos de tipo SNIrrtientras que los solventes polares aprticos favorecen las reacciones de tipo SN2.Ejemplos de solventes empleados en reacciones de sustitucinSolventes prticos (favorecen SNI): agua, metanol, etanol, butano!.Solventes polares aprticos (favorecen SN2): acetona, acetonitrilo (CH3CN),dimetilformamida (DMF) CH,)2NCHO), dimetilsulfxido (DMSO) CH)2S0),hexametilfosforamida (HMPA) CH) 2N),P0).Se debe tener en cuenta que estas condiciones son generales y puede encontrarsecon cierta frecuencia el empleo de un solvente prtico en una SN2. Esto puededeberse a un requerimiento de solubilidad y el mecanismo mantenerse apoyadopor los otros factores considerados.185 172. APRENDIENDO QUfMICA ORGNICAAlcoholesCul es la nica diferencia entre los alcoholes y los halogenuros de alquilo? Elgrupo saliente.Cuando se hizo referencia a este terna se dijo que el mejor grupo saliente es el quemejor puede acomodar la carga. Y se relacion con la basicidad. Como el in hidrxidoque se desprendera en una reaccin de sustitucin es una base fuerte y por este motivo.un mal grupo saliente. Ante este inconveniente existe una nica solucin: transformarlo.1) Reacciones en medio cidoEl oxgeno del alcohol, con sus pares de electrones no compartidos, se protonaen medio cido.R-OH + H+Si la sustitucin se efecta en medio cido, el oxgeno protonado permite lasalida de agua en lugar de hidrxido. El agua es una base dbil y, por lo tanto, unexcelente grupo saliente.>---OH@H+ >--NuMientras las sustituciones de halogenuros de alquilo suelen desarrollarse enmedio bsico, algunas sustituciones de alcoholes se desarrollan en medio cido.Una de las reacciones ms frecuente en los alcoholes es su transformacin enhalogenuro de alquilo por tratamiento con el halocido correspondiente.Cul es el mecanismo? Como consecuencia de su excelente grupo saliente losalcoholes terciarios, allicos y benclicos protonados reaccionan rpidamente a travsde un mecanismo de tipo SN1, formando carbocationes estables y procediendo auna muy buena velocidad.Los alcoholes primarios protonados proceden a travs de un mecanismo detipo SN2, mientras que los alcoholes secundarios pueden reaccionar por cualquierade los dos mecanismos, aunque existen evidencias que indican que reaccionan confrecuencia a travs de un mecanismo de tipo SNl.Cabe recalcar que estas reacciones involucran una etapa ms que las indicadaspara los halogenuros de alquilo ya que experimentan la protonacin previa delgrupo funcional. Las reacciones cido base son reversibles y no requieren grandesconsumos de energa.186 173. Captulo 7. Halogenuros de alquilo y alcoholes. Sustitucin nucleoft1icaPaso 1Paso 2+Paso 3+carbocationEnergaalcohol protonadoAvance de la reaccin187 174. APRENDIENDO QUMICA ORGNICAPaso 1Paso 2EnergaEmpleo de catalizadoresClHalcohol protonadoAvance de la reaccinSi se compara la velocidad de transformacin de un alcohol con diferente,halocidos, en las mismas condiciones de reaccin, se comprueba el siguiente orden:ID > HE > HCl > HF,Este es el orden lgico si se tienen en cuenta las condiciones relacionadas conla nuc1eofilia en un solvente prtico como los habitualmente empleados en estetipo de transformacin.Sin embargo, se puede aumentar la velocidad de la reaccin, especialmentecuando se emplea HCl como reactivo, mediante el uso de un catalizador. En estecaso en particular se suele usar ZnCl2anhidro o un cido de Lewis similar.188 175. Captulo 7. Halogenuros de alquilo y alcoholes. Sustitucin nucleofi1icaCmo funciona? El Zn, deficiente en electrones y con orbitales vacos, se com-pleja con el alcohol compartiendo alguno de los pares de electrones libres del oxge-DO. Esto debilita el enlace C-O, facilitando el desprendimiento del grupo saliente.De esta manera, los alcoholes primarios y secundarios que generalmente reac-cionan a menor velocidad frente al HCI, se transfonnan en tiempos mucho meno-res, aunque a veces los primarios requieren un aumento de temperatura.2) Reacciones con derivadosLa segunda posibilidad consiste en derivatizar el alcohol. En el captulo 13 seer detenidamente la formacin de steres a partir de alcoholes y cidos carboxlicos.CH3CH20H(etanol)+ CH 3C%H(cido actico)HfJ) .. cr~ CH 3COCH2CH3(acetato de elilo)+ H20Cuando las reacciones de sustitucin se realizan a partir de steres, el gruposaliente es la base conjugada del cido carboxlico que lo form. Esta base dbil,que estabiliza la carga por resonancia, facilita la sustitucin.- - -... CH3CH2SH + CH3C008(ion acetato)Sin embargo existe un ster que merece una mencin especial por su excelentecapacidad como grupo saliente: el tosilato.Formacin de tosilatosSe conocen como tosilatos (TsO) los steres del cido p-toluensulfnico. Sepreparan a partir del alcohol por reaccin con cloruro de p-toluensulfonilo, enpr~sencia de una base orgnica que facilite la captura del HCl formado durante laesterificacin.189 176. APRENDIENDO QUMICA ORGNICA~0 = - CI+ CH,CH,OH +,Se suele indicar T::rOCH)CH",- ,Cul es la ventaja de este grupo saliente? Es muy dbil: permite la estabiliza-cin de la carga negativa por resonancia entre varias estructuras equivalentes, hechoque incrementa notablemente su estabilidad.e ~0- = 0er.?YQ= =0Por esta razn los tosilatos se emplean habitualmente en reacciones de tipo S ~en lugar de los alcoholes, permitiendo la transformacin indirecta del alcohol enuna variedad de productos diferentes.Conclusin: Los alcoholes no dan reacciones de sustitucin en medio neutro obsico, Si la transformacin requiere el empleo de estos medios, es imprescindiblederivatizar el alcohol.EjerciciosEjercicio 1: Cules de las siguientes especies podrn actuar como nuclefilos?R, /R/C c...R Htrisustituido>195R, /H/c=c...H Rdisustituido>R, /H/c=c...H Hmonosustituido 181. APRENDiENDO QUMICA ORGNICAAn queda otro detalle por analizar: la isomera de los alquenos que se forman.Esto induce a comparar la estabilidad de los alquenos cis y transo Si bien nuevamente esposible recurrir a mediciones experimentales que refuercen el anlisis, se puede observa:que el ismero cis presenta una mayor aproximacin de los grupos voluminosos en elespacio. De manera que, por razones estricas, el alqueno trans resulta el ismero IWestable y, por lo tanto, favorecido en las reacciones de eliminacin." : : . ." " " .-:":-::; ....:...Finalmente, es necesario recalcar que las diferencias de energa entre los estadosde transicin que corresponden al paso del carbocatin al alqueno, para los diferentesalquenos, son relativamente pequeas. Por este motivo estas conclusiones no inclicanque las eliminaciones conducen nicamente al alqueno ms estable, sino que orientanpara determinar cules sern los alquenos mayoritarios en la reaccin.Eliminacin bimolecularEsta reaccin transcurre en una sola etapa (mecanismo concertado). Cuando lascondiciones favorecen la eliminacin, mientras la base se lleva el protn, el dobleenlace comienza a formarse y el grupo saliente a desprenderse. Todo al mismo tiempo.En este caso la velocidad de la reaccin depende tanto de la concentracin delhalogenuro de alquilo como de la concentracin de la base, que son las especies queintervienen en el estado de transicin de la etapa determinante de la velocidad de lareaccin. Por este motivo se la denomina eliminacin bimolecular y se la abrevi? E2.Para facilitar la ruptura y formacin de enlaces en forma simultnea la molculaadopta una conformacin en la que todos los enlaces que se transforman se ubicanen un plano y por ello se dice que son periplanares. Existen dos conformacionesque presentan los enlaces involucrados en un plano: la conformacin sin-periplanary la conformacin anti-periplanar.196 182. Captulo 8. Halogenuros de alquilo y alcoholes. EliminacinBroeH3 --- ~= + HBr CH-CH2- CH2 6 CH3- CH- CH2Para responder esta pregunta es necesario imaginar el paso lento de la reaccinque implica la formacin de un carbocatin intermediario. Entonces la respuesta escasi inmediata. El protn se adiciona al carbono de la doble ligadura que genera el207 193. APRENDIENDO QUMICA ORGNICAcarbocatin ms estable. Por qu? Porque el intermediario ms estable tieneestado de transicin ms estable y, por lo tanto, una energa de activacin men(1Energa Avance de la reaccin~Br"-- BrEl ttulo de esta seccin dice: regioqumica. En qu regin del doble enlaceproduce el ataque?Cuando se emplea un sustrato asimtrico la reaccin orienta los reactivos a lIDposicin en particular. Se hace referencia a este fenmeno como la regioqumicala reaccin. La adicin electroflica tierie una regioqumica particular porque orientlla adicin del protn de manera de generar el carbocatin ms estable, y comocarbocatin ms estable es el ms sustituido, se dice que el protn se une al carbode la doble ligadura que tiene ms hidrgenos (el menos sustituido).ffiCH3-CH=C(CH3n H @ e~+~+B,_~._Estereoqumica de la adicinB,+Durante el siguiente proceso se genera un centro quiral, cul es su configura-cin absoluta?HqEste centro se define en la segunda etapa de la reaccin, cuando el cloruro seadiciona al carbocatin. Teniendo en cuenta que el carbono positivo tiene hibridacinsp y, recordando que es plano, se puede suponer que el acercamiento se producecon igual probabilidad por cualquiera de los lados de dicho plano. Este hecho dalugar a la formacin del ismero R con igual probabilidad que el S, lo que implicala obtencin de una mezcla racmica.HC!.Adicin de aguaElClel(S)-2clorobutUlO+CH:;CH2:,/eH3Hhl"1el(R)-2-cJorobutaJlODe manera similar a la reaccin de adicin de halocidos procede la adicin deagua. Sin embargo, para facilitar el ataque inicial, la reaccin de hidratacin dealquenos se cataliza en presencia de un cido fuerte.209 195. APRENDIENDO QUMICA ORGNICAPaso 1Paso 2Paso 3" /I ICC +H20/ "----;0.._ -C-C-I IOH HCH:J -CH=Ql2()CH,-CH-CH3()+ ~catalizador+ fuO .... R3C > R2CH > RCH2 > CH,o(> EstabilidadSe indican a continuacin los hbridos correspondientes al radical alilo. Esnecesario recordar que como en cualquier conjunto de estructuras de resonancia,ninguna de ellas, en forma individual, representa la realidad. Adems, se debeobservar que en esta representacin la doble ligadura aporta un solo electrn.,/o .H2C=CH- CH2 .....r-~..... H2C-CH=CH2Finalmente, a diferencia de los carbocationes, en los radicales libres es muypoco frecuente observar transposiciones.Reactividad de los halgenosLa primera etapa de la propagacin consiste en la abstraccin de un hidrgenopara formar el halocido. Analizando la diferencia de entalpa de este paso secomprueba que existe una correlacin con la fuerza del enlace que se forma: cuantoms fuerte es el enlace que se forma, ms fcil resulta la abstraccin, a tal punto1ue la primera etapa de la fluoracin es exotrmica.223 209. APRENDIENDO QUMICA ORGNICAFuerza de enlace: HF > HCI > HBr > IDLa segunda etapa es exotrmica en todos los casos, pero especialmente marcadaen el caso de la f1uoracin.Cuando se analiza el proceso completo se comprueba que la reaccin def1uoracin presenta tal exotermicidad (i.H = -103 kcaJ/mol) que salvo rarasexcepciones, ocurre en forma violenta y por eso no se suele usar.Por otro lado, sibien la segunda etapa de la reaccin de iodacin es exotrmica,la primera etapa tiene una energa de activacin tan alta que, en las condicioneshabituales no se logra superar. Como consecuencia, por esta va los aleanos no sepueden iodar.Conclusin: la halogenacin radicalaria de alcanos se desarrolla con Cl2o Br,.SelectividadLa reactividad de los halgenos es inversamente proporcional a su selectividad.Cuanto ms reactivo, menor es la energa de activacin de la etapa determinante dela velocidad. El radical libre cloro es tan reactivo que las barreras de energa para laabstraccin de los hidrgenos en la reaccin de cloracin son similares y la reaccinconduce a mezclas en proporciones aproximadamente iguales de los distintoscloruros de alquilo.EstereoselectividadLos carbonos radicalarios presentan hibridacin sp con el electrn desapareadoubicado en el orbital.Radical C sp2Los radicales cloro o bromo se pueden aproximar a cualquiera de los dos lbu-los del orbital p para formar la nueva unin. A medida que ello ocurre, el carhonse rehibridiza a Sp y, por este motivo, si el nico centro quiral de la molcula esque se forma en este proceso, se obtiene una mezcla racmica.224 210. Captulo 10. Alcanos. Sustitucin por radicales libresEjerciciosE;iercicio 1: Ordene los siguientes radicales segn su estabilidad creciente.,,,>---O O,Ejercicio 2: Indique los productos de monocJoracin radicalaria de los siguientescompuestos.eH,Ejercicio 3: Indique los productos de monobromacin radicalaria de los compues-tos del ejercicio anterior.225 211. CAPTULO 11COMPUESTOS AROMTICOSSUSTITUCiN ELECTROFUCAEstabilidad y reactividadDurante el siglo pasado se llamaron compuestos aromticos a los que poseanfragancias tpicas, como por ejemplo el benzaldehdo con su particular olor frutado.Con el correr del tiempo se comprob que estos compuestos presentan anillos conun nmero determinado de electrones 1t deslocalizados que les otorgan unareactividad particular.El miembro ms representativo de esta familia es el benceno. Pese a ser un anillocon tres dobles ligaduras conjugadas, no reacciona como los alquenos. No sufre nin-gn tipo de transformacin con los reactivos que se adicionan a las dobles ligadwas.KMnO, (dil)...oOeHel ..OHKMnO. (dil)..oOeHel ..Tampoco reacciona con oxidantes enrgicos8KMn04I RO.. No reaccionaalta temperruura227No reaccionaNo reaccionaNo reacciona 212. APRENDIENDO QUMICA ORGNICALas reacciones que implican la prdida del anillo aromtico presentan requeri-mientos energticos elevados, como por ejemplo la hidrogenacin. Mientras UDalqueno se hidrogena a presin atmosfrica y temperatura ambiente con un catali-zador suave como Pd, el benceno requiere fuertes presiones de hidrgeno, altatemperatura y catalizadores ms enrgicos.H2 (latm)~Pd,2dCH, (35 atro) ~P,O, ,225Clibera 28,6 Kcal/mollibera 49 KcaVmolLos compuestos aromticos experimentan reacciones de sustitucin donde lashidrgenos son reemplazados por grupos funcionales, pero manteniendo el anillointacto al finalizar la transformacin,eEEstos hechos hacen suponer una estabilidad especial del sistema aromticoCmo se puede comprobar? De manera similar al estudio de estabilidad de alquen(]OjAnalizando los calores de hidrogenacin,Considerando que la hidrogenacin del ciclohexeno libera 29 KcaJ/molde esperar que el benceno libere tres veces ms. Esto implica un calor aproximadode hidrogenacin de 87 Kcal/moL Sin embargo, cuando el benceno se hidroglibera slo 49 Kcal/mol lo que implica que tiene 38 Kcal/mol menos que un tri"maislado, Esta estabilizacin, conocida como estabilizacin por resonancia, se atd-buye a la deslocalizacin de los electrones n en el ciclo.Cabe preguntarse si cualquier conjugacin de dobles ligaduras produce la ~ma estabilidad y reactividad. Qu ocurre con un sistema intermedio como el 1..3-ciclohexadieno? Este compuesto libera 55 Kcal/mol, un valor menorque el espen-do para un sistema de dobles ligaduras aisladas, pero la diferencia es mucho me_y el dieno sufre reacciones de adicin como cualquier alqueno,Conclusin: la conjugacin de dobles ligaduras estabiliza los sistemas pardeslocalizacin de los electrones n, pero l~ estabilizacin en el sistema are)res muy superior e induce una reactividad particular,228 213. Captulo 11. Compuestos aromticos. Sustitucin electrofz?icaAromaticidadCules son los requisitos que debe cumplir un sistema para ser aromtico? Debe ser cclico; El ciclo debe ser plano; Todos sus tomos deben tener orbitales p; Los orbitales p deben estar perpendiculares al plano del anillo; Debe cumplir con la regla de Hckel y tener 4n + 2 electrones p (n es un nmeroentero).Las cuatro primera&--eondiciones surgen de observar la estructura del benceno,pero son insuficientes ya que por s solas no justifican, por ejemplo, que eliclobutadieno no sea aromtico (no presenta ni la estabilidad ni la reactividad delos sistemas aromticos). Esta ltima regla fue descubierta por Erich Hckel en1931 y por este motivo lleva su nombre. Se fundamenta en la teora de orbitalesmoleculares.Orbitales moleculares en sistemas aromticosLos enl