intermedios de reacciÓn electron … 5.pdf · -radicales - carbenos - nitrenos 1....

INTERMEDIOS DE REACCIÓN ELECTRON-DEFICIENTES

-CARGADOS-CARBOCATIONES

- NEUTROS

-RADICALES

- CARBENOS

- NITRENOS

1

CARBOCATIONES

-Intermedios reactivos con una carga formal de +1 sobre un átomo de carbono

-Clasificación:

Carbocationes clásicos (iones carbenio): Trivalentes tricoordinados, CH3+

CH2 + H CH32 3

HH

H

Carbocationes no clásicos (iones carbonio): Hipercoordinados, CH5+

H

CH4 + H CH5

C

H

H HH

CH

HH

H

H

2H

H H

CARBOCATIONES

Formación de carbocationes:Formación de carbocationes:

Independientemente de su estabilidad, los carbocationes se generan mediante alguno de estos procesos:

1. Ionización directa: Ruptura heterolítica de un enlace.

R X R + X

2. Un protón u otra especie positiva se coordinan a un sistema insaturado

C Z + H C Z H

3

CARBOCATIONES

Estructura y estabilidad

- Afinidad por hidruro

R + H R-H H

A mayor valor de H, mayor afinidad por y phidruro y menor estabilidad del carbocatión

4

CARBOCATIONES

Estructura y estabilidad: Carbocationes alquílicosEstructura y estabilidad: Carbocationes alquílicosLa mayoria de carbocationes alquílicos presentan una hibridación sp2 con un orbital p vacante.

1. Estabilidad: terciario > secundario > primario > CH3+

Causas:a) Hiperconjugación: Al aumentar el número de sustituyentes aumenta el número dea) Hiperconjugación: Al aumentar el número de sustituyentes aumenta el número de estructuras resonantes y aumenta la estabilidad del catión

5

CARBOCATIONES

Estructura y estabilidad: Carbocationes alquílicosEstructura y estabilidad: Carbocationes alquílicosEstabilidad: terciario > secundario > primario > CH3

+

Causa:Causa:b) Efecto inductivo: Debido a la diferencia de hibridación, los grupos alquilo (sp3)

tienen un efecto electron-dador hacia el carbono positivo (sp2) que contribuye a disminuir la carga neta sobre el carbocatión y la dispersa por los carbonos vecinos, d d i á t bldando una especie más estable.Dentro de una misma categoria, los cationes más grandes son más estables

CH3CH3CH3CCH3

CH3>CCH3

CH3CH2>CCH2CH3

CH3CH2

6

CARBOCATIONESEstructura y estabilidadEstructura y estabilidadCations alílicos y bencílicos están estabilizados por resonancia.

Debido a la deslocalización electrónica el catión alilo presenta cierta barrera rotacionalCationes bencílicos:Cationes bencílicos:

CH2 CH2 CH2 CH2

La estabilidad depende de los sustituyentes en el anillo aromático

Grupos electrón dadores en o y p estabilizan el carbocatión (p NH 26 Kcal/mol p

CH2 CH2 CH2 CH2 CH2

Grupos electrón-dadores en o y p estabilizan el carbocatión (p-NH2 26 Kcal/mol, p-MeO 14 kcal/mol)

CH2 CH2 CH2 CH2

CH3O CH3O CH3O

CH2

CH3OH3CO

G ó ó ( C /7

Grupos electrón-aceptores en o y p desestabilizan el carbocatión (p-CN 12 Kcal/mol, p-NO2 20 kcal/mol)

CARBOCATIONES

Estructura y estabilidad: Cationes bencílicos (cont)Estructura y estabilidad: Cationes bencílicos (cont)El efecto estabilizador es aditivo. Los cationes difenilmetilo y trifenilmetilo son muy estables. Por ej., el catión trifenilmetilo (tritilo) existe libre en disolución en disolventes no nucleofílicos y en algunas sales sólidasy g

SO2 Ph C BF ComercialPh3CCl + ClPh3C Ph3C BF4 Comercial

Cationes ciclopropilmetiloCationes ciclopropilmetilo

Son más estables que los bencílicos. OH96% H2SO4

La estabilidad se debe al solapamiento entre los orbitales del enlace curvo del anillo de ciclopropano con el orbital p vacío del carbocatión. Esto favorece la conformación bisectada entre el anillo de ciclopropano y los sutituyentes del catión

8conformacióncoplanar

conformaciónbisectada

CARBOCATIONES

Estructura y estabilidad:Estructura y estabilidad:Efecto de heteroátomosLa presencia de heteroátomos con pares de electrones no enlazantes (N, O, Hal) incrementa la estabilidad de carbocationes adyacentes. Por ej. MeOCH2

+ SbF6- se ha 2 6

aislado como sal sólida. La causa es la deslocalización del par de electrones hacia el carbocatión

CRR

O Me CRR

O MeCR O Me CR O Me

Existe una barrera rotacional de aproximadamente 14 Kcal/molEste efecte se observa incluso en un elemento tan electronegativo como el flúor:

F CH+ > F CH + > F C+ > CH +F2CH+ > F CH2+ > F3C+ > CH3+

La presencia de grupos electrón-aceptores desestabiliza carbocationes adyacentes

CR

RY

CR

RY

Xkv

Y kv

H 1CN 10-3

6

C C N C C N

Con el CN y el C=O el efecto

9

RR CF3 10-6 Con el CN y el C O el efecto se ve atenuado debido a su capacidad dadora

CARBOCATIONES

Estructura y estabilidad:Estructura y estabilidad:Efecto de heteroátomosLos cationes acilo se han preparado en disolución y como sal sólida. Por ej., el catión acetilo tiene una estabilidad similar al catión terc-butilo.acetilo tiene una estabilidad similar al catión terc butilo.

CO

CH CCH O C OEstable per qüestions

tè i E tCCH3 CCH3 O C=O estèriques. Es pot preparar en H2SO4

Cationes aromáticosAlgunos cationes con sistemas planos y conjugación electrónica cíclica que cumplen la regla de Hückel (4n+2) presentan una estabilidad elevada.

Catión tropilio Catión ciclopropilo

10

CARBOCATIONES

Estructura y estabilidad:Estructura y estabilidad:Carbocationes con hibridación spSon menos estables que los carbocationes con hibridación sp2 debido al mayor caracter (más electronegativo) del orbital.

CH3CH2 > CH2=CH > CH3

Se preparan a partir de compuestos con grupos salientes muy reactivos

Afinidad por hidruro 274 Kcal/mol 287 Kcal/mol 314 Kcal/mol

H OSO2CF3 CH3CO2H H3C OAc

CH3 CH3H2C C CH-CH3 + H3C-HC CH-CH3

H CH3+

5% 77% 17%

El tió f il i t bl ( fi id d hid 298 K l/ l) L t i d l illEl catión fenilo es muy inestable (afinidad por hidruro 298 Kcal/mol). La geometria del anillo impide la rehibridación. El orbital vacío mantiene la hibridación sp2 y como es perpendicular al sistema del benceno, no hay estabilización por resonancia

11

CARBOCATIONES

Estructura y estabilidad:Estructura y estabilidad:

Los carbocationes con hibridación sp2 tienden a una geometría trigonal plana. Factores estructurales que dificultan esta geometría desestabilizan el carbocatión.

XNo ioniza

Preparado en disolución superàcida a -78 ºC. Estabilización adicional por los anillos de ciclopropano

BrBr Br

La v de solvolisis disminuye con la rigidez de la molécula

12

v solvolisi (SN1)en EtOH

1 10-3 10-10

CARBOCATIONES

Procesos experimentados por carbocationes:Procesos experimentados por carbocationes:

1. Reacción con bases de Lewis

2. Adición: Un carbocatión se adiciona a un sistema insaturado generando un nuevo carbocatión.

R YR + Y

3 Transposiciones: Un protón o un grupo alquilo migran con su par de electrones

R + C C C CR

3. Transposiciones: Un protón o un grupo alquilo migran con su par de electrones generando un nuevo catión.

CH3 CH

CH2

HCH3 C CH3

HH H

CH3 CCH3

CH2

CH3

CH3 C CH2CH3

CH3

4. Fragmentación: Pérdida de un protón o de otra especies positiva de un átomo vecino.

13C C Z C C + Z Z = H, C, etc

CARBOCATIONES

Reacciones que implican la participación de carbocationes:Reacciones que implican la participación de carbocationes:

1. Reacciones de formación de enlace C-C

* Alquilación y acilación de Friedel-Crafts

O AlCl3 R

O

+R Cl

3 R

AlCl3 RR Cl+ R-Cl

R Cl

O

+ AlCl3 AlCl4 +R

O

R

O

R Cl + AlCl3 AlCl4 + R

14

CARBOCATIONESReacciones que implican la participación de carbocationes:1. Reacciones de formación de enlace C-C

• Adición de alquenos a carbocationes

NuNu

+ polimer

Nu

+ p

-H-H

La polimerización puede evitarse utilizando reactivos de vinil o alilsilano (o equivalentes de Sn). Si y Sn estabilizan cargas positivas en y eliminan rápidamente neutralizando el carbocatión

M+

M = SiMe3M = SnBu3

M

M

15+

M = SiMe3M = SnBu3

MM

CARBOCATIONES

Reacciones que implican la participación de carbocationes:Reacciones que implican la participación de carbocationes:1. Reacciones de formación de enlace C-C

• Acilación de alquenos con haluros de ácido

H O

H+

O A.L. H O H ONu

O

RNu

+ R Cl R R O

R-H

OCl

AlCl3

OCl

16

CARBOCATIONES


• Reacción de Prins: Adición de alquenos a aldehídos

H+ R

O

HA.L. o H+ H

R

O H OH OHH

R H R R R-H

OHO

SnCl2H

H H

17

CARBOCATIONES


• Ciclación poliolefínica. Algunos carbocationes poliénicos, con dobles enlaces adecuadamente posicionados pueden experimentar la formación sucesiva deadecuadamente posicionados, pueden experimentar la formación sucesiva de enlaces C-C. El proceso es útil para formar sistemas policíclicos.

H

OH

H

OH2

-H2O

mezcla

H-

mezcla

18

CARBOCATIONES


2. Reacciones de transposición

- Las transposiciones son procesos característicos de los carbocationes.

- Normalmente se producen por migración de grupo alquilo, arilo o H.

- La migración genera un nuevo carbocatión en el átomo al cual estaba únido el grupo que migraque migra

- La fuerza motriz de las transposiciones es la formación de un carbocatión más estable que el inicial.

- Las transposiciones más habituales implican el desplzamiento de un grupo desde el carbono vecino al carbocatión (desplazmiento 1,2 o transposició de Wagner-Meerwein)

RC CHR'RR

RC CHRR'RR

C CHR'RR

HC CH2R'RR

19

R R

CARBOCATIONES

Reacciones que implican la participación de carbocationes:Reacciones que implican la participación de carbocationes:2. Reacciones de transposición

Las transposiciones requieren la coplanariedad entre el orbital p del catión y el orbital del grupo que migradel grupo que migra.

R

HRR

R

HR

R

R

R RH

HH H H

Capacidad migratoria: Arilo > Alquilo ramificado > alquilo

Las diferencias en la capacidad migratoria no son muy grandes y no suele haber mucha selectividad. A menudo se observa migración preferente delhaber mucha selectividad. A menudo se observa migración preferente del grupo mejor posicionado desde el punto de vista estereoquímico. El curso de la reacción también depende de la tensión. En general un desplazamiento que disminuya la tensión angular de la molécula suele estar favorecido.

20

CARBOCATIONES


* Transposición pinacolínica: Se observa frecuentemente al tratar 1,2-dioles con ácido. La fuerza motriz es la formación de un carbocatión estabilizado por Ofuerza motriz es la formación de un carbocatión estabilizado por O.

C CPhPh

CHOH H+

C CPhPh

CHOH

C CPhPh

CHOH

C CPhOH

CH3CH3

C CPhOH2

CH3CH3

-H2OC CPh CH3

CH3

C CPhPh

CH3

OH

C CPhPh

CH3

OH

H+ C CPhPh

CH3

O

CH3 CH3-H+

CH3

21

CARBOCATIONES


• Reacción de Tiffeneau-Demjanof. Semejante a la anterior, es la transposició de -amino alcoholes per diazotación

R2C CH2

OHNH2

HNO2 R2C CH2

OHN N

-N2RC CH2

OH

RRC CH2R

O

-H+

CH2NH2HOHNO2

O

2

22

CARBOCATIONES


* Transposición de Favorskii. Es la transposición de una -halocetona por tratamiento con una baseuna base.

En el mecanismo de la reacción participan intermedios con estructura deEn el mecanismo de la reacción participan intermedios con estructura de ciclopropanona o isómeros 1,3-dipolares de ciclopropanona.

23

CARBOCATIONES


• Transposición de Favorskii.

En ausencia de hidrógenos ácidos, puede operar otro mecanismo distinto llamado de transposición semibencílica.

Una de las aplicaciones más interesantes de la reacción de Favorskii es la contracción de sistemas cíclicos.

24

CARBOCATIONES

Reaccions que impliquen la participació de carbocations:Reaccions que impliquen la participació de carbocations:

3. Reacciones de fragmentación

Son reacciones en las que la formación de un carbocatión promueve la ruptura de un enlace C-C. La presencia de un átomo (N,O) con electrones no enlazantes, capaces de estabilizar el nuevo carbocatión facilita la fragmentación

Y C

Y C C A X

Y C

Y C

+ C=A + X

Un caso particularmente útil es la fragmentación de monosulfonats de 1,3-dioles,que se ha utilizado en numerosas síntesis de productos naturales.

HOOTs

O+ + TsO-

25

RADICALES

Son especies químicas con un electron desapareado sobre un átomo de carbono con-Son especies químicas con un electron desapareado sobre un átomo de carbono con una carga formal nula.

Tienen 7 e en la capa de valencia

CH3 H2C CH Ph3C

-Tienen 7 e- en la capa de valencia.

-Muestran una elevada tendencia a ganar 1 e- para completar el octete.

La mayoría de reacciones orgánicas implican la ruptura heterolítica del enlace, lo cual origina especies cargadas positivamente (carbocationes) o negativamente (carbaniones).

En contraste, los radicales se generan por ruptura homolítica de los enlaces.

C X C+ + X-

C X C· + X·

26

RADICALES

Estabilidad de los radicales:- Estabilidad de los radicales:

La mayoría de radicales libres son especies muy reactivas con tiempos de vida muy cortos. En ausencia de otras especies reactivas, se autodestruyen por dimerización o desproporción:desproporción:

Tambien pueden reaccionar con otras sustancias químicas, como por ejemplo O2 o disolventes.

S H RH SR + O2 R-O-O·R + S-H RH + S·

27

RADICALES

Estabilidad de los radicales:- Estabilidad de los radicales:

La estabilidad relativa de los radicales alquílicos sigue la misma pauta que los carbocationes:Terciario> secundario > primario. Se explica por hiperconjugación.

Los radicales que presentan deslocalización por resonancia, por ej. Radicales alílicos b íli á t bl l di l l íli ill A í ly bencílicos, son más estables que los radicales alquílicos sencillos. Aun así, solo

tienen una existencia transitoria en condiciones normales. Sin embargo, el radical trifenilmetilo existe en disolución a t. amb. en equilibrio con una forma dimérica (2 % en benzeno).benzeno).

28

RADICALES

Estabilidad de los radicales: Algunos radicales con tiempos de vida más largos- Estabilidad de los radicales: Algunos radicales con tiempos de vida más largos

29

RADICALES

Formación de radicales:Formación de radicales:

A. Ruptura homolítica de enlaces

Proceso térmico (sólo útil si se produce a T<200ºC)

Proceso fotoquímico

B. Reacción de radicales con especies no radicalarias (iniciación y propagación)

A-1. A partir de peroxocompuetos

O O 60-100 oC O

C O O C100-130 oC

C O2

C O OO

Ph CO

Ph60 100 C

C OO

Ph2 2Ph · + 2CO2

O OO 60-100 oC

C OO

R R · + CO2 ++ C O C OC O OR C C OR R + CO2 ++ C O C O

C O OH C O2+ M2+ + -OH + M3+

30

C O OH C O2+ M + OH + M

RADICALES

A) Formación de radicales por ruptura homolítica de enlaces (cont)A) Formación de radicales por ruptura homolítica de enlaces (cont)

A-2. A partir de azocompuestos

R luz N NN N

R

N NRR

2 R + N2

CCNN

60 100 oC CN

N N CCCC

CH3

CH3CH3

CH3

Azobisisobutironitrilo

60-100 oC

o luzC

C

CH3

CH3 + N2

A-3 A partir de N-nitrosoanilidas

O O O

AzobisisobutironitriloAIBN

NN O

O

R

calor

NN

O

O

R+ N2 +

R O

O

A-4 A partir de halógenos

31

RADICALES

REACCIONES POR RADICALES LIBRES:- REACCIONES POR RADICALES LIBRES:

Características generales:

• Se trata de reacciones en cadena

• Una o varias reacciones se repiten de manera cíclica (propagación)

• El número de pasos de propagación se conoce como longitud de cadena

32

RADICALES

REACCIONES POR RADICALES LIBRES (Aspectos cinéticos)- REACCIONES POR RADICALES LIBRES (Aspectos cinéticos)

A) Iniciadores: Son sustancias que forman rápidamente radicales libres, los cuales pueden acelerar la etapa de iniciación: AIBN, peroxocompuestos, etc. Normalmente se utilizan en cantidad subestequiométricase utilizan en cantidad subestequiométrica.

B) Inhibidores: Son sustancias que retardan o impiden la cadena de propagación. Normalmente se trata de sustancias que forman radicales estables. Por ej. antioxidantesantioxidantes

ROO· +

OH

ROOH +

O

ROO· +

BHT

ROOH

persistente

332,6-di-terc-butil-4-metilfenol

BHT persistenteimpedidono propaga

RADICALES

Ó- REACCIONES POR RADICALES LIBRES-SUSTITUCIÓN:

1. Halogenación: Es un procedimento importante para funcionalizar hidrocarburos. El procedimiento más utilizado es la bromación con Br2.

Iniciación

Propagación

Br

Global Br2 + R3CH R3CBr + HBr

Br

Br2h

R CHR3CHR3CBr

34R3C·HBrBr2

RADICALES- REACCIONES POR RADICALES LIBRES-SUSTITUCIÓN:

1. Halogenación (continuación): La etapa determinante de la velocidad es la abstracción de hidrógeno (primera en la cadena de propagación) y determina la composición de la mezcla. En el caso de la bromación con Br2 se observa cierta selectividad: terciario>secundario>primario. Las posiciones bencílicas también suelen bromarse de manera efectiva

Me Br2Me

+ altresMe

H llumMe

Br90%

La cloración radicalaria con Cl2 presenta una baja selectividad y conduce a mezclas de productos clorados. La causa es la mayor reactividad del cloro y se explica aplicando el postulado de Hammond a los correspondientes ET.

Me

Me

H

Cl2

llumMe

Me

Cl

+ altres+ Me

Me

HCl

35

40% 25%

POSTULADO DE HAMMOND

Halogenación radicalariaHalogenación radicalaria

ET

R + BrH

E (C-H)= 98 Kcal/mol, E (H-Br)= 87 Kcal mol

Bromación etapa (2) es endotérmica con un ET lejano

R + BrHLa energia y estructura de los ET son parecidos a los radicales que se forman

Las variaciones en la energia de los ET sonBr + RH

Las variaciones en la energia de los ET son paralelas a las de los radicales

G(ET3) < G(ET2) < G(ET1)

E (C-H)= 98 Kcal/mol, E (H-Cl)= 102 Kcal molCl RH Cloración etapa (2) es exotérmica con un ET

próximo.

La energia y estructura de los ET son

ETCl + RH

parecidos a las de los reactantes y varian poco segun se forme un radical 3, 2 o 1.

La reacción no es selectivaR + ClH

36

RADICALES

REACCIONES POR RADICALES LIBRES SUSTITUCIÓN:- REACCIONES POR RADICALES LIBRES-SUSTITUCIÓN:

Halogenación (continuación):

Por ejemplo el cloro no muestra una elevada selectividad hacia las posiciones bencílicas:

Cl2

CH2CH3 CHCH3 CH2CH2ClCl

+

La cloración radicalaria con Cl2 muestra un efecto polar sustancial: Las posiciones tit id l t t ti l di l

luz

sustituidas con grupos electron-aceptores son poco reactivas, aunque el radical formado podría estar estabilizado. La causa es que el átomo de cloro es electrofílico y por lo tanto evitar atacar a posiciones relativamente pobres en electrones.

Las reacciones de fluoración son excesivamente exotérmicas, mientras que la iodación con iodo es muy lenta.

37

con iodo es muy lenta.

RADICALES


1. Halogenación (continuación): Otros reactivos de halogenación.N-Bromosuccinimida (NBS). Se utiliza para la bromación de posiciones alílicas y

bencílicas. Catalizada por luz o por alguna fuente de radicales. O

N

O

Br

Br Br

CH3 CH2Br

S S

38

RADICALES

1.Halogenación (continuación): Otros reactivos de halogenación.El agente reactivo en las reacciones con NBS es Br2. La NBS procura una concentración baja de Br2 en la mezcla de reacción que evita la adición de bromo al doble enlace Si los dos carbonos de los extremos del sistema alílico no sonde bromo al doble enlace. Si los dos carbonos de los extremos del sistema alílico no son equivalentes se pueden obtener mezclas de productos.

Br + H2C CH CH

H H2C CH CH2 + HBr

N

O

Br

2H

2 2

+ HBr N

O

H + Br2

O O

H2C CH CH2 + Br B r H2C CH CH2Br + Br

Cloración con hipoclorito de terc-butil (selectividad baja)

O-Cl O + Cl·Iniciación

O + RH OH + R

P ió

39R + O-Cl R-Cl + O

Propagación

RADICALES


2. Autooxidación: Es la oxidación radicalaria de algunos compuestos orgánicos con oxígeno molecular.

Propagación

Iniciación

Propagación

Global RH + O2 ROOH

R-H

InIn-H

RO OR-OOH

R-HROO

40La segunda etapa de propagación es la que determina la v de reacción, la cual depende de la estabilidad de R·, y es especialmente importante en carbonos alílicos, bencílicos y terciarios.

RADICALES

2. Autooxidación:

Los mejores resultados preparativos se obtienen con compuestos que sólo tienen un carbono reactivo (alílico, bencílico). Per ej. La obtención industrial de fenol a partir de cumeno.

O2H2SO4

OH

+O

OOH

PhH2O O

H

PhOH +O

O-OH2 OPhOPh

PhOH +

Oxidación de tetralina Oxidación en a éteres

41

RADICALES

2. Autooxidación:

Grupos funcionales capaces de estabilizar radicales (aldehídos) se oxidan fácilmente en el aire.

RCHO

InIn-H

OO

O OR

C

ORCHO

RC

OOH

42RCO

OO

RCHO

RADICALES- REACCIONES POR RADICALES LIBRES-SUSTITUCIÓN:REACCIONES POR RADICALES LIBRES SUSTITUCIÓN:

3. Reducción: Reducción de xantatos: El hidruro de tributilestaño es un reductor eficaz para haluros y derivados de alcoholes. La reacción transcurre via radicalaria. Los alcoholes no reaccionan con Bu3SnH, pero los xantatos sí que lo hacen.alcoholes no reaccionan con Bu3SnH, pero los xantatos sí que lo hacen.

R OH1. CS2, KH

O C S

SR-OH

1. CS2, KHR-O-C-SMe

SBu3SnH

R-HR-OH

2. MeIR-O-C-SMe

SBu3Sn

SSnBu3

Bu3SnH

2. MeI

R-O-C-SMe3

R

SSnBu3

R-H + Bu3SnR-O-C-SMe

O=C SMeO=C-SMe

Bu3SnH

InIn-H

Bu3Sn SR-HBu3Sn

R-O-C-SMe

SSnBu3

R

SnBu

Bu3SnH

43S

SnBu3

O=C-SMeR-O-C-SMe


3. Reducción: Descarboxilación reductiva de ésteres de N-hidroxipiridintiona. Estos ésteres se reducen con Bu3SnH con descarboxilación para dar un alcano con un átomo de carbono menos que el éster de partida.carbono menos que el éster de partida.

R CO

Cl NHO+Et3N

NOCO

R

S S

ON

S

OCO

R + Bu3SnH RH + CO2N

Bu3SnS

+

NOCO

R NOCO

R OCO

R N+Bu3Sn

S Bu3SnS Bu3SnS-CO2

RBu3SnH

R H B S

44

RR-H + Bu3Sn


3. Reducción: Conversión de ácidos aromáticos en haluros aromáticos.

NOCO

Ar + BrCCl3 Ar-Br + CO2N+N

S

OCAr + BrCCl3 Ar Br CO2

Cl3CS

N

S

OCO

Ar N

Cl3CS

OCO

Ar OCO

Ar N

Cl3CS

+

CO

Cl3C

S Cl3CS Cl3CS-CO2

ArBrCCl3

Ar-Br + Cl3C

45

RADICALES-REACCIONES POR RADICALES LIBRES-ADICIÓNREACCIONES POR RADICALES LIBRES ADICIÓN

1. Adición radicalaria de HX a alquenos: La adición de haluros de hidrógeno a alquenos por vía radicalaria tiene lugar con regioselectividad anti-Markownikoff

InIn-H

Br

HBrIn-H

R-CH=CH2R-CH2-CH2Br

HBr

R-CH=CH2

R CH CH B

R CH2 CH2Br

46

R-CH-CH2Br

RADICALES1. Adición radicalaria de HBr a alquenos (cont):1. Adición radicalaria de HBr a alquenos (cont):

Estereoquímica anti: Se explica en términos de la participación de un radical puente parecido al catión bromonio.

Adición de HCl: La reacción puede conducir a polímeros.

CH CH2R + Cl CH CH2ClR

HCl

CH CH2RCH CH2ClR

H2CCHR

polimer

CH2 CH2ClR+ Cl

La adición de HF y HI no está favorecida energéticamente en ninguno de los dos casos aunque la etapa desfavorable sea diferente en cada casocasos, aunque la etapa desfavorable sea diferente en cada caso.

H-FIn

RH + F Prohibido energéticamente

47CH CH2R + I CH CH2IR endotérmico


2. Adición de halometanos CBr4, CCl4, HCBr3

También

El bromotriclorometano también puede utilizarse en esta reacción. Debido a la mayor facilidad de abstracción de un átomo de Br, se obtiene el producto que incorpora una unidad de triclorometano al carbono menos sustituido del doble enlace.

48

RADICALES2. Adición de halometanos (cont)2. Adición de halometanos (cont)

La eficacia de la reacción depende de la v relativa de abstracción del halógeno frente a la adición del radical al alqueno.

El ordren de reactividad de los halometanos es: CBr4>CBrCl3>CCl4>CH2Cl2>CHCl3

49


3. Adición de aldehídos

OHRCHO + R'-CH=CH2 R'-CH-CH2-C-R

In

RCHOIn-H

R CO

O

RCHO

R'-CH=CH2R C

O

R'-CH2-CH2-C-RO

50

RCHOR'-CH-CH2-C-R

O


3. Adición de haluros de alquilo e hidruro de tributilestaño: Equivale formalmente a una adición de hidrocarburo

Bu SnH + In Bu Sn + InH

R-X + Bu3Sn

Bu3SnH + In

R + Bu3SnX

R + R'-CH=CH2 R'-CH-CH2-R

Bu3Sn + InH

R'-CH-CH2-R + Bu3SnH R'-CH2-CH2-R + Bu3Sn

R X + R' CH=CH R' CH CH RH

+ Bu3SnHR-X + R -CH=CH2 R -CH-CH2-R+ Bu3SnH

Bu3SnH In

In HIn-H

Bu3SnBu3SnH R-X

R'-CH2-CH2-R

OCH2=CHCO2Me

O

Bu3SnHR

R'-CH-CH2-RO

IBu3SnH O

CH2CH2CO2Me

51R'-CH=CH2


3. Adición de xantatos e hidruro de tributilestaño (Cont): La reacción anterior se puede hacer sustituyendo el haluro por un xantato.

R-O-C-SMe + Bu3Sn

Bu3SnH + In

R +S S SnBu3

O=C SMe

Bu3Sn

R-O-C-SMe + Bu3Sn R +

R + R'-CH=CH2 R'-CH-CH2-R

R' CH CH R R' CH CH R B S

O=C-SMe

R'-CH-CH2-R + Bu3SnH R'-CH2-CH2-R + Bu3Sn

R'-CH=CH2 R'-CH-CH2-RH

+ Bu3SnHR-O-C-SMe +S

4. Adición de tioles: Los tioles se adicionan siguiendo un mecanismo parecido a la adición de HX. Suele ser una reacción general y con buenos resultados.

52

RADICALES-REACCIONES POR RADICALES LIBRES-SUSTITUCIONES INTRAMOLECULARESREACCIONES POR RADICALES LIBRES SUSTITUCIONES INTRAMOLECULARES

Las reacciones de sustitución y adición radicalarias pueden tener lugar intramolecularmente. Las reacciones de sustitución intramoleculares resultan especialmente interesantes ya que permiten funcionalizar carbonos remotos alejados deespecialmente interesantes ya que permiten funcionalizar carbonos remotos alejados de cualquier grupo funcional. En moléculas acíclicas la funcionalización intramolecular implica la abstracción de un átomo de hidrógeno a través de un estado de transición cíclico de 6 miembros. El resultado es la introducción de funcionalidad en el carbono en relación al

di lradical:

C C C

CC

CCC

HXC

CCC

CCC

XC

C

H

Y-Z CC

CCC

XC

C

HY

+ Z·

53


1. Reacción de Hofmann-Loeffler: Es la descomposición fotoquímica de N-cloroaminas. El producto inicial es una -cloroamina que puede ciclar a pirrolidina.

llum

R HNHCH3

Cl

llum

R HNHCH3

+ Cl

R HNHCH3 R

NH2CH3

Cl

RNH2CH3Cl

RNH2CH3Cl

HO

RNHCH3Cl NR

+ HCl

CH3

54


2. Ciclación fotoquímica de N-iodoamidas. Relacionada con la anterior conduce a lactonas

O O O

R HNH2

O

R HNH

llumO

I

I2R H

NH

O

+ I

NH

OI NH2

O NHR

H2OOR

RNH2 R I

O O NH2R O OR

I

55


3. Ciclación intramolecular de radicales oxígeno. Las condiciones desarrolladas inicialmente implican la descomposición térmica o fotoquímica de alcóxidos de Pb(IV) generado a partir de Pb(OAc)4.generado a partir de Pb(OAc)4.

R HOH

R H

llumPb(OAc)4O-Pb(OAc)3 o calor R H

O ·Pb(OAc)3+

ROH

·Pb(OAc)3

(-1e-) ROH + AcO + Pb(OAc)2 OR

R ( ) R

56


4. Fotólisis de nitritos (Barton). La reacción fue desarrollada inicialmente para funcionalizar grupos metilo en esteroides, pero se han encontrado otras aplicaciones.

57

RADICALES-REACCIONES POR RADICALES LIBRES-ADICIONES INTRAMOLECULARESREACCIONES POR RADICALES LIBRES ADICIONES INTRAMOLECULARES

La adición intramolecular de un radical a un grupo insaturado es un procedimento útil para la formación de compuestos cíclicos. Las más habituales implican haluros como fuente del radical intermedio. El radical se genera habitualmente por abstracción del hidrógeno conradical intermedio. El radical se genera habitualmente por abstracción del hidrógeno con un trialquilestaño como reactivo y AIBN como iniciador. En este caso la ciclación acaba con la abstracción de hidrógeno.

Regioselectividad: Se observa una preferencia para la formación de anillos de 5>6>7.

La regioselectividad se puede ver influida por otros factores de tipo estérico o por

58la presencia de grupos capaces de estabilizar los radicales intermedios.


Ejemplos

59


El radical formado por la adición intramolecular pueden hacerse reaccionar con un alqueno electrofílico (Tandem).

60


La reacción también puede hacerse utilizando una cantidad catalítica de trialquilestaño. Esto evita la terminación por abstracción de hidrógeno. En este caso, el trialquilestaño sirve para iniciar la reacción, la cadena se propaga por abstracción de haluro.sirve para iniciar la reacción, la cadena se propaga por abstracción de haluro.

Iniciación + Bu3Sn HC C (CH2)3C(CH3)2 + Bu3SnI

CH

HC C (CH2)3C(CH3)2

I

propagación

HC C (CH2)3C(CH3)2

CH CI H

p p gHC C (CH2)3C(CH3)2

I

CH

+HC C (CH2)3CCH3)2 +

61

RADICALES-REACCIONES POR RADICALES LIBRES-TRANSPOSICIONESREACCIONES POR RADICALES LIBRES TRANSPOSICIONES

-Estan poco favorecidas en comparación a las transposiciones catiónicas

-Grupos insaturados y arílicos migran con más facilidad a través de estados de transición í li ( l t ill d i l )cíclicos (normalmente con un anillo de ciclopropano).

O OO O O

62

RADICALES-REACCIONES POR RADICALES LIBRES-TRANSPOSICIONESREACCIONES POR RADICALES LIBRES TRANSPOSICIONES

EJEMPLOS. El progreso de la reacción depende de la estabilidad del nuevo radical formado.

CR1

Ph CH2CO2 CR1

Ph CH2 + CO2 C CH2PhR1

CR2

Ph CH2CO2

2R2

2 2R2

R1=Me, R2=H 39%R1=R2=Ph 100%

O 140oC O HCH2COOBut

140 CCH2CO

O

-CO2

CH2H

CH3

CH2H

63

RADICALES-REACCIONES POR RADICALES LIBRES-FRAGMENTACIÓNREACCIONES POR RADICALES LIBRES FRAGMENTACIÓN

-1. Descarboxilación de radicales aciloxi. Esta reacción tiene lugar con mucha facilidad.

R-C-O-OBut140oC

O

R-C-O

O+ ButO R + CO2

-2. Descarbonilación. Este proceso se encuentra menos favorecido y depende de la estabilidad del radical formado.

OIn·

O CCl4O

+ CClH

InCl

+ CCl3

-CO

CCl4Cl + CCl3

64

RADICALES-REACCIONES POR RADICALES LIBRES-FRAGMENTACIÓNREACCIONES POR RADICALES LIBRES FRAGMENTACIÓN

-3. Descomposición de radicales alcoxilo

65

RADICALESRADICALES CARGADOSRADICALES CARGADOS

Algunas especies químicas con electrones desapareados tienen carga neta.

Radicales aniónicos participan en la reducción de sistemas aromáticos con metales d t ( ió d Bi h)reductores (reacción de Birch).

66


También se forman radicales aniónicos a partir de cetonas y metales reductores:

Radicales cetilo

67


Radicales semidiona: Se forman a partir de 1,2-dicetonas

68

CARBENOS

Son especies químicas con un átomo de carbono divalente neutro-Son especies químicas con un átomo de carbono divalente neutro

-Son intermedios de reacción muy reactivos con tiempos de vida media inferiores a 1 seg.

-Se trata de especies deficientes electrónicamente. El átomo de carbono tiene solo 6 e- en su esfera electrónica de valencia.

-Tienen una elevada tendencia a captar 2 e- para completar el octete.

- Dependiendo de los spines de los electrones no enlazantes, los carbenos se pueden clasificar como carbenos singletes o tripletes.

Carbenoides: Este término se aplica a especies que reaccionan como los carbenos pero en las que el carbono se encuentra unido al menos parcialmente a otrospero en las que el carbono se encuentra unido, al menos parcialmente a otros átomos. En muchos carbenoides el carbono divalente se encuentra unido a un metal de transición.

69

CARBENOS

Formación de carbenosFormación de carbenos

1. Descomposición de diazoalcanos.

Síntesis de diazoalcanos Los diazocompuestos son inestables y tóxicosSíntesis de diazoalcanos. Los diazocompuestos son inestables y tóxicos.

a) Descomposición de hidrazonas con óxido de mercurio. Este procedimiento es válido sólo para hidrazonas aromáticas.

Ar2C NNH2

HgOAr2C N N

70

2 2 2

CARBENOS

Síntesis de diazoalcanos (cont )Síntesis de diazoalcanos.(cont.)

b) Tratamiento básico de N-nitrosocompuestos

Mecanismo

diazald

71

CARBENOSSíntesis de diazoalcanos.(cont)c) Síntesis de -diazocetonas. Son un importante grupo de diazocompuestos en síntesis orgánicac1. A partir de cloruros de ácido

O O H+

R CO

Cl + H2C N N R CO

CH2 N N-H+

luz O

R CO

CH N N R CO

CH N N -N2

luzo calor

R CO

CH

C2. Reacción de -oximino cetonas con cloramina

O

RONO

ONOH NH3

ON N

RONO

t-BuOK

NH3

NaOCl

72

CARBENOS

Formación de carbenos (cont )Formación de carbenos (cont.)

2. Descomposición térmica o fotoquímica de sales de arenosulfonilhidrazonas. No se puede llevar a cabo en disolventes próticos.

En disolventes próticos:

73

CARBENOS

Formación de carbenos (cont )Formación de carbenos (cont.)

3. Fotólisis de epóxidos y diazirinas.

4. -Eliminación de haluros

CBr

H Br CBr

Br CBr

BrRO

CH BrBr

C BrBr -Br

C Br

74

CARBENOSREACCIONES VIA CARBENO-ADICIÓN

1. Los carbenos se adicionan a alquenos para formar un anillo de ciclopropano.

La adición de carbenos singlete tiene lugar por un mecanismo concertado y se mantiene la estereoquímica del alqueno de partida (reacción estereoespecífica) Diazometano enestereoquímica del alqueno de partida (reacción estereoespecífica). Diazometano en disolución

RH RHC

R'R'R' R'

HR+ R'2C

H

RH

R R HH R

singlete

Con carbenos tripletes la reacción tiene carácter radicalario. Después de la adición inicial se requiere una inversión del espín de uno de los electrones. La reacción conduce a mezclas de productos (reacción no estereoespecífica). Diazometano en fase gas

75


Ejemplos

76


2. Reacción de Simmons-Smith. Se trata de un procedimento muy efectivo para la preparación de ciclopropanos a partir de alquenos. Se utiliza un diiodometano como fuente de metileno.

-En el procedimento original se utiliza diiodometano y la pareja Zn-Cu

CH I + Zn Cu ICH ZnI (ICH2)2Zn + ZnI2

-La especie activa se cree que es ioduro de iodometilzinc en equilibrio con

CH2I2 + Zn-Cu ICH2ZnI (ICH2)2Zn + ZnI2

-La especie activa se cree que es ioduro de iodometilzinc en equilibrio con bis(iodometil)zinc.

-La reacción es estereoespecífica.

- Con moléculas con un grupo OH próximo al doble enlace el metileno se introduce sin al grupo OH

- La especie reactiva es un carbenoide.

- Modificaciones:

77

CH2Br2, Zn-Cu, ultrasonidos

EtZnI, CH2I2


2. Reacción de Simmons-Smith. (ejemplos)

78

CARBENOSREACCIONES VIA CARBENO-INSERCIÓN

1. Son reacciones en las que un intermedio reactivo, en este caso un carbeno, se interpone en un enlace existente. En términos de síntesis, normalmente se trata de un enlace C-H.

Carbenos singletes se insertan normalmente en un proceso de un único pasoCarbenos singletes se insertan normalmente en un proceso de un único paso

H CH2H

H3C C CH3H

+ CH2 H3C C CH3H

2

Con carbenos tripletes la reacción tiene lugar en dos pasos: abstracción de hidrógeno y recombinación

H CH2H

H

H3C C CH3H

+ CH2 H3C C CH3H

H3C C CH3H

+ CH2

79


1. Inserción intermolecular. Debido a la elevada reactividad de los carbenos intermedios, la inserción intermolecular de carbenos no es muy selectiva. La distribución de los productos de inserción resultantes de la fotólisis de diazometano en heptano es prácticamente la que se espera sobre una base estadística no selectiva.

80


2. Inserción intramolecular. Las reacciones de inserción intramolecular tienen mayor aplicación. La inserción tiene lugar al enlace C-H más próximo en el espacio al carbeno. Estas reacciones proporcionan acceso a estructuras muy tensionadas que serian difíciles de preparar de otra manera.

81

CARBENOSREACCIONES VIA CARBENO-TRANSPOSICIÓN

El proceso más habitual es el desplazamiento de hidrógeno para formar un alqueno. Compite con la inserción intramolecular.

Una aplicación de esta reacción es la síntesis de alenos a partir de ciclopropilidenos

PhPh

Ph

NCNH2

NO

O

LiOEtPh

Ph

C C CPh

H

Ph

H

82

Ph Ph

CARBENOSREACCIONES RELACIONADAS

Algunas reacciones estan conceptualmente relacionadas con la forma de reaccionar de los carbenos aunque estos no participen.

1 Transposición de Wolff: Transposición de -diazocetonas1. Transposición de Wolff: Transposición de -diazocetonas.a) Térmica: Tiene lugar de manera concertada

OO O

R CO

CH N NR CO

CH N N N2 + RHC C ONu-H

RCH2 CO

Nu

cetena

b) Fotoquímica: Transcurre via carbenos

R CO

CH N NR CO

CH N N R CO

CHO

R H-N2

luz

RHC C ONuH

RCH2 CO

Nu

83

CARBENOSREACCIONES RELACIONADAS

Transposición de Wolff (cont): Una aplicación sintética de la reacción de Wolff es la homologación de ácidos carboxílicos.

CO2H1. SOCl2

2. CH2N2,Et N

COCHN2

180 oC

collidinaCH2CO2CH2Ph

Et3N Ph OH 80%

1. NaOHCH2CO2H

2. H3O+

En sistemas cíclicos puede producirse la contracción del anillo.p p

O llum H2OO

N2

llumC O

H2OCO2H

84

NITRENOS

Son especies químicas con un átomo de nitrógeno monovalente neutro-Son especies químicas con un átomo de nitrógeno monovalente neutro.

-Se trata de especies deficientes electrónicamente. El átomo de nitrógeno tiene solo 6 e- en su esfera electrónica de valencia.

- Dependiendo de los spines de los electrones no enlazantes, los carbenos se pueden clasificar como carbenos singletes o tripletes.

Formación de nitrenos

El procedimento más general para generar nitrenos es la descomposición térmica o fotoquímica de azidas orgánicas.

N N N N2 +R NR

R = alquilo, arilo, acilo, sulfonilo

85

NITRENOSREACCIONES VIA NITRENOS

1. Nitrenos alquílicos y arílicos:Dan reacciones de transposición pero no de inserción o adición.

2 Nitrenos arílicos Dan reacciones de inserción intramolec lar2. Nitrenos arílicos: Dan reacciones de inserción intramolecular

86

NITRENOSREACCIONES VIA NITRENOS

2. Nitrenos de carboxialquilo. Dan reacciones de inserción y adición.

E l d l i d i ió b i t l ti id dEn el caso de las reacciones de inserción se observa cierta selectividad CH>CH2>CH3

87

NITRENOSREACCIONES VIA NITROGENO ELECTRON-DEFICIENTE

1. Transposición de Curtius. Es el equivalente a la reacción de Wolff pero con compuestos nitrogenados. Consiste en la transformación de una acilazida en un isocianato.

N N NCO

R

100 oCN

N N

CO

N2

NCO Risocianato

R-N2 isocianato

R'OH NHCR'O RO

NCO R

R OH

H2O

NHCR O R

NHCH O RO

R-NH2 + CO2

carbamato

Sí t i d il id

H2O NHCH-O R R NH2 CO2

ácido carbámico

Síntesis de acilazidas

RCOCl + NaN3RCON3

88RCONHNH2 + HNO2

RCON3


2. Transposición (degradación) de Hofmann. Las amidas primarias se transforman en aminas con pérdida de un átomo de C por tratamiento con bromo en medio básico.

O BrO- o O Br OH ONH2C

OR

BrO o

Br2/NaOHNHC

OR

Br OHNC

OR Br

-H2O -Br-

NH C O-HRO

R-NH2 + CO2N C ORH2O

Una de las aplicaciones más interesantes de esta reacción es la preparación de aminas aromáticas.

NH2

O

Br2NH2

89N F

2

KOH N F


3. Reacción de Schmidt. Es la degradación de un ácido por tratamiento con ácido hidrazoico (HN3)

OHCO

R OHO

R NCO

HO RCO

HN3

H

R-NH2-N2

-CO2HN N N H

Una reacción parecida tiene lugar con cetonas

O O OHN3

H

RCR RR NCR R-N2

3

HN N N HAmida

90

NITRENOSREACCIONS VIA NITROGENO ELECTRON-DEFICIENTE

4. Transposición de Beckmann. Oximas son convertidas en amidas. El mecanismo implica la conversión del OH de la oxima en un grupo saliente. Ionización y migración tienen lugar de manera concertada. El grupo que migra es el que esta anti al grup OH de la oxima.

NOH

X NO XH

NO XH

NR

H2O

R

N

R'

X

R

N

R'R

N

R'CN

R'

OH

2

OCNR

OH

R'CNHR R'O

Ejemplos:

91


4. Transposición de Beckmann (cont). En algunos casos durante la transposición de Beckmann se puede producir una reacción de fragmentación si alguno de los sustituyentes de la oxima es capaz de estabilizar un carbocatión.

C

N

C

OHX

X C

N

C

O

X

HX

X C R-C N+ + XOHC CX

N-OH

PCl5

N

92


La reacción también puede hacerse utilizando una cantidad catalítica de trialquilestaño. Esto evita la terminación por abstracción de hidrógeno. En este caso, el trialquilestaño sirve para iniciar la reacción, la cadena se propaga por abstracción de haluro.sirve para iniciar la reacción, la cadena se propaga por abstracción de haluro.

Iniciación

propagaciónp p g

+

93

intermedios de reacciÓn electron … 5.pdf · -radicales - carbenos - nitrenos 1....

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