halogenuros de alquilo sust elim

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HALOGENUROS DE ALQUILO

Reacciones de Sustitución Nucleofílica y de Eliminación

CLASES DE HALOGENUROS

• Alquilo: El halógeno, X, está directamente unido al carbono sp3 .

• Vinilo: X está unido a un carbono sp2 .• Arilo: X está unido a un carbono sp2 sobre un

anillo bencénico.

C

H

H

H

C

H

H

Br

alkyl halide

C CH

H

H

Clvinyl halide

I

aryl halide

Clases de Halogenuros de Alquilo

• Haluros de metilo: sólo un C, CH3X• Primario: el C al cual está unido X tiene

sólo un enlace C-C.• Secundario: el C al cual está unido X tiene

dos enlaces C-C.• Terciario: el C al cual está unido X tiene

tres enlaces C-C.

Dihalogenuros

• Geminal: dos átomos de halógenos están unidos al mismo carbono.

• Vecinal: dos átomos de halógenos están unidos a carbonos adyacentes.

C

H

HH

C

H

B rB r

geminal dihalide

C

H

H

Br

C

H

H

Br

vicinal dihalide

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Nomenclatura IUPAC• Se nombre como haloalcano. • Se elige la cadena carbonada más larga, aún si

el halógeno no está unido a esa cadena.• Emplear el menor número posible para su

posición.

CH3 CH CH2CH3

Cl CH3(CH2)2CH(CH2)2CH3

CH2CH2Br

2-clorobutano 4-(2-bromoetil) heptano

Nombres comunes sistemáticos

• Se nombra como halogenuro de alquilo.• Se emplea sólo para cadenas de alquilo

pequeñas.

CH3 CH CH2CH3

Cl

(CH3)3CBr

CH3 CH

CH3

CH2FCloruro de sec-butilo

Bromuro de ter-butilo

Fluoruro de iso-butilo

Nombre “Triviales”

• CH2X2 es llamado halogenuro de metileno• CHX3 es un haloformo.• CX4 es un tetrahalogenuro de carbono

• Ejemplos: CH2Cl2 es cloruro de metilenoCHCl3 es cloroformo CCl4 es tetracloruro de carbono

Usos de los halogenuros de alquilo

• Solventes - degrengrasantes y para “limpieza en seco”

• Reactivos para síntesis de otros compuestos• Anestésicos: Haloetanos (CF3CHClBr)CHCl3 empleado originalmente (tóxico y cancerígeno)

• Freones, cloroflúorcarbonosFreon 12, CF2Cl2, ahora reemplazado con Freon 22,

CF2CHCl, no tan agresivo para la capa de ozono.• Pesticidas - DDT (actualmente prohibido)




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Momento Dipolar• = 4.8 x x d, donde es la carga (proporcional

a EN) y d es la distancia (longitud de enlace) en Angstroms.

• Electronegatividades: F > Cl > Br > I• Long. enlace: C-F < C-Cl < C-Br < C-I• Dipolos del enlace: C-Cl > C-F > C-Br > C-I

1.56 D 1.51 D 1.48 D 1.29 D

• El momento dipolar de una molécula depende también de su forma tridimensional !!

Polaridad y Reactividad• Los Halógenos son más electronegativos que el

Carbono.• El enlace Carbono-Halógeno es polar, luego el

carbono tiene carga parcial positiva.• El Carbono puede ser atacado por un nucleófilo.• El Halógeno puede irse con el par electrónico.

CH

HH

Br+ -

Preparación de RX• Halogenación por radicales libresproduce mezclas, no es buena para la síntesis en

laboratorioa menos que: todos los H’s sean equivalentes, óque la halogenación sea muy selectiva

Halogenación de alcanos

+ HBr

H

BrhBr2+H

H

90%

+ HBrCH3 C

CH3

CH3

Brh

Br2+CH3 C

CH3

CH3

H

• Todos los H’s equivalentes. Poca cantidad de halógeno para restringir la formación de di o tri halogenuros

• Altamente selectiva: bromación a 3 C




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Reacciones de sustitución

• El átomo de halógeno del halogenuro de alquilo es reemplazado por otro grupo

• Puesto que el halógeno es un átomo más electronegativo que el carbono, el enlace C-X se rompe heterolíticamente y se desprende X-

• El grupo que reemplaza al X- es un nucleófilo

C C

H X

+ Nuc: - C C

H Nuc

+ X: -

Reacciones de eliminación

• El halogenuro de alquilo pierde al halógeno como halogenuro, y la base “arranca” un H+

sobre un carbono adyacente.• Se forma un enlace . El producto es un

alqueno.• A esta reacción también se la denomina

deshidrohalogenacion (se elimina HX).

C C

H X

+ B: - + X: - + HB C C

Mecanismo SN2EVIDENCIAS EXPERIMENTALES

• La velocidad de reacción depende de laconcentración de RX (sustrato) y de nucleófilo.v = k.[RX].[nucleófilo]• Para un dado nucleófilo, la velocidad dereacción decrece con el tamaño del RX.• En presencia de carbonos quirales, ocurreinversión de la configuración (Walden).

CH

BrH

HH O CHO BrH

HHCHO

H

HH

+ Br -

CONCEPTO DE PASO DETERMINANTEDE LA VELOCIDAD DE REACCION

60”

a) 50”b) 20”c) 10”

t ?

Servirseel café Pagar Salida

La velocidad global de un procesosiempre es igual a la velocidad

del paso más lento (controlante)




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SN2 : Diagrama de Energía

• Reacción en una etapa.• El estado de transición es el de mayor energía.

Usos de las reacciones SN2• Síntesis de otras familias de compuestos.• Reacción de intercambio de halógeno.

Nucleophile Product Class of ProductR-X + I- R-I akyl halide

R-X + OH- R-OH alcohol

R-X + -OR' R-OR' ether

R-X + -SH R-SH thiol

R-X + -SR' R-SR' thioetherR-X + NH3 R-NH3

+X- amine salt

R-X + N3- R- N3 azide

R-X + -CC-R' R-CC-R' alkyne

R-X + -CN R-CN nitrile

R-X + R-COO - R-COO-R' ester

SN2: Fuerza del nucleófilo•Nucleófilos fuertes reaccionan más rápido.(la nucleofília es una medida de cuan rápido es atacado un C deficiente en electrones).

Tendencias en la fuerza del nucleófilo

• Entre un par ácido-base conjugada, la base es más fuerte:

OH- > H2O NH2- > NH3

• La nucleofilia decrece de izquierda a derecha en la Tabla Periódica

OH- > F- NH3 > H2O• Se incrementa hacia abajo en la Tabla

Periódica, ya que a mayor tamaño la polarizabilidad aumenta

I- > Br- > Cl-




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Efecto de la polarizabilidad Nucleofilos voluminososEstericamente impedidos para atacar al carbono, por lo tanto, nucleófilos muy débiles.

CH 3 C H 2 O ethoxide (unhindered)weaker base, but stronger nucleophile

C

C H 3

H 3C

C H 3

O

t-butoxide (hindered)stronger base, but weaker nucleophile

etóxido

terbutóxido

Efectos del solventeSolventes polares próticos (O-H o N-H) reducen la fuerza del nucleófilo. Los puentes de hidrógeno deben ser rotos antes de que el nucleófilo ataque al carbono

Efectos del solvente

• Los solventes polares apróticos (ni O-H ni N-H) no forman enlaces de hidrógeno con el nucleófilo.

• Ejemplos:

CH3 C Nacetonitrile C

O

H3C CH3

acetonedimethylformamide (DMF)

CH

O

NCH3

CH3




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SN2: Reactividad del sustrato• El carbono debe estar parcialmente positivo.• Debe tener un buen grupo saliente.• El carbono no debe estar estéricamente

impedido.

Estructura del sustrato

•Velocidades relativas para la SN2: CH3X > 1° > 2° >> 3°

• Los halogenuros terciarios no reaccionan via SN2 debido a impedimento estérico

Habilidad del grupo saliente• Atractor de electrones (-I).• Estable una vez que se ha “despegado” del

carbono (no una base fuerte).

Estereoquímica de la SN2• Siempre transcurre con inversión de la

configuración (inversión de Walden), apreciable sólo si el ataque se produce sobre un carbono que es quiral.




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Mecanismo SN1EVIDENCIAS EXPERIMENTALES

• La velocidad de reacción depende sólo de laconcentración de RX (sustrato) (no del nucleófilo).v = k.[RX]• Para un dado nucleófilo, la velocidad dereacción aumenta con la complejidad del RX.• En presencia de carbonos quirales, ocurreuna racemización.

Mecanismo SN1

Formación del carbocation (etapa lenta)

(CH3)3C Br (CH3)3C++ Br-

Mecanismo SN1• Ataque del nucleófilo

(CH3)3C++ H O H (CH3)3C O H

H

(CH3)3C O H

H

H O H+ (CH3)3C O H + H3O+

• Pérdida de H+ (en caso de ser necesaria)

SN1 : Diagrama de Energía

• La formación del carbocatión es endotérmica (paso lento).

• El ataque del nucleofilo sobre el carbocatión es el paso rápido.




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Velocidades de la reacción SN1• 3° > 2° > 1° >> CH3XEl orden de velocidad sigue el orden de estabilidad de

carbocationes (y es opuesto a las SN2)El ion más estable requiere menos energía para su formación.

• A mejor grupo saliente, más rápida la reacción (igual que las SN2)

• Los solventes polares próticos son los mejores ya que solvatan a los iones a través de puentes de hidrógeno.

Estereoquímica de la SN1Racemización: inversion y retención de la configuración

=>

Transposiciones

• Los carbocationes pueden transponerse UNICAMENTE para formar un carbocatión más estable.

• Migración de hidruros: movimiento de H-

desde carbonos adyacentes al C+.• Migración de metilos o fenilos: movimiento

desde carbonos adyacentes al C+ sólo si no hay H’s disponibles.

Transposición de hidruro

CH3 C

Br

H

C

H

CH3

CH3 CH3 C

H

C

H

CH3

CH3

CH3 C

H

CH

CH3

CH3 CH3 CH

CCH3

CH3

H

CH3 C

H

C

CH3

CH3

HNuc CH3 C

HCCH3

CH3

H Nuc




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Transposición de metilo

CH3 C

Br

H

C

CH3

CH3

CH3CH3 C

H

C

CH3

CH3

CH3

CH3 C

H

C

CH3

CH3

CH3CH3 C

H

C

CH3

CH3

CH3

CH3 C

H

C

CH3

CH3

CH3Nuc CH3 C

H

C

CH3

CH3

CH3 Nuc

SN2 o SN1?• Primario o metilo• Nucleófilo fuerte

• Solvente polar aprótico • v = k.[sustrato].[Nuc]• Inversion en carbono

quiral

• Sin transposición

• Terciarios• Nucleofilos débil (puede

ser el solvente)

• Solvente polar prótico • v = k.[sustrato]• Racemización de

compuestos ópticamente activos

• Productos de transposición

Reacción E1

• Eliminación unimolecular• v=k.[sustrato]• Se pierden dos grupos (generalmente X- y

H+)• El nucleófilo actúa como base• También da productos SN1 (mezcla)

Mecanismo E1

• Se pierde halogenuro y se forma el carbocatión.

• La base remueve un H+ desde un carbono adyacente.

• Se forma un enlace .

H C

H

H

C

CH3

CH3

BrC

H

H

H

C CH3

CH3

O

H

HC

H

HH

C CH3

CH3

C CH

CH3

CH3

H+ H 3O+




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Mecanismo E1OH

HCH

H

H

C CH3

CH3

C CH

CH3

CH3

H+ H 3O+

E1 : Diagrama de energía

• Nota: el primer paso es el mismo de la SN1

Reacción E2• Eliminación bimolecular• v = k.[sustrato].[base]• Requiere una base fuerte• La salida del halogenuro y la abstracción del

protón ocurren simultáneamente - sin intermediario.

H C

H

H

C

CH3

CH3

BrC C

H

CH3

CH3

H

OH

+ H2O Br-+

Regla de Saytzeff• Si hay más de un producto de eliminación posible, el

alqueno más sustituído es el mayoritario (más estable).

• R2C=CR2>R2C=CHR>RHC=CHR>H2C=CHRtetra > tri > di > mono

C C

Br

H

C

H

CH3

H

H

H

CH3

OH-

C CH

HC

H H

CH3

CH3

C

H

H

H

C

H

CCH3

CH3

+

minoritario mayoritario




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Regla de Hoffman• Si hay más de un producto de eliminación posible, el

alqueno menos sustituído es el mayoritario (menos estable).

• Ocurre sólo en presencia de bases muy voluminosas, que no pueden acceder a los H+ más fáciles de eliminar

C C

Br

H

C

H

CH3

H

H

H

CH3

OH-

C CH

HC

H H

CH3

CH3

C

H

H

H

C

H

CCH3

CH3

+

mayoritario minoritario

terbutóxido

Estereoquímica de la E2

E1 ó E2?• Terciario > Secundario• Base débil• Solvente ionizante

• v = k.[sustrato]• Producto Saytzeff• No requiere de geometría

específica

• Productos transpuestos

• Terciario > Secundario• Base fuerte• Polaridad del solvente no

importante• v = k.[sustrato][base]• Producto Saytzeff• Grupos salientes en anti.

• No hay transposiciones

Sustitución o Eliminacion?

• La fuerza del nucleófilo determina el orden: SN2 or E2.

• Halogenuros primarios generalmente van por SN2.

• Halogenuros terciarios dan mezcla de SN1, E1 or E2

• Alta temperatura favorece eliminación.• Bases voluminosas favorecen eliminación.




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Halogenuros Secundarios?Son frecuentes las mezclas de productos.




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