las reacciones de eliminación

QUMICA ORGNICA II

Dr. Ignacio Jessop R.

CONTENIDOS PROGRAMTICOS

Caracterizacin espectral de compuestos orgnicos

Hidrocarburos aromticos

Hidrocarburos aromticos policclicos

Heterociclos aromticos

Aminas

Las reacciones de eliminacin

LAS REACCIONES DE

ELIMINACIN

CONTENIDOS DE LA UNIDAD

Tipos, caractersticas y estereoqumica

Comparacin entre las reacciones de sustitucin

nucleoflica y las eliminaciones

Obtencin de compuestos insaturados

Eliminaciones de halogenuros de alquilo

Los halogenuros de alquilo pueden reaccionar de dos maneras cuando

se encuentran frente a un nuclefilo/base:

sufren sustitucin del grupo X para dar un alcohol, o bien

sufren eliminacin de HX para dar un alqueno.

Una eliminacin implica la prdida de dos tomos o grupos adyacentes del

sustrato, con la consecuente formacin de un enlace .

Las reacciones de eliminacin son ms complejas que las reacciones de

sustitucin. Analicemos los siguientes ejemplos:

Qu se puede deducir de las siguientes reacciones?


Las reacciones de eliminacin suelen dar mezclas de alquenos.

Cmo saber cul es el mayoritario? Aplicando la regla emprica

deducida por Alexander Zaitsev en 1875.

Regla de Zaitsev: en la eliminacin de HX de un haluro de alquilo,

predomina como producto el alqueno ms sustituido (alqueno con ms

sustituyentes alquilo en los carbono del doble enlace).


Qu productos de eliminacin esperara obtener de cada uno de los

siguientes compuestos? Seale sus nombres e indique cul sera el

mayoritario.


La regla de Zaitsev refleja que las eliminaciones son regioselectivas, es

decir, son reacciones que pueden proceder en ms de una direccin, pero

prefiere mayoritariamente una.

Tipos de eliminacin

Otra razn que complejiza el estudio de estas reacciones es que pueden

ocurrir por diferentes mecanismos (como las sustituciones).

E1: se rompe el enlace C-X para

dar un carbocatin y luego una

base abstrae un H+.

E2: los enlaces C-X y C-H se rompen

simultneamente.

Reacciones de eliminacin: E1

En la eliminacin unimolecular E1, primero

ocurre la disociacin espontnea del haluro

del sustrato generando un carbocatin. Los

derivados terciarios son los que

generalmente experimentan eliminaciones

por este mecanismo.

La prdida de un H+ vecino, por abstraccin

con una base, da origen al doble enlace.

OJO: el enlace C-H es el que se va a

convertir en el enlace del alqueno.


En el segundo paso del mecanismo E1, el tomo de C adyacente se

debe hibridizar a sp2 cuando la base ataca al protn y los electrones

fluyen para formar un nuevo enlace pi.


La eliminacin bimolecular E2 ocurre

cuando un haluro de alquilo primario se

trata con una base fuerte (OH- o OR-).

Primero la base (B:) ataca al H vecino al

halgeno. A medida que se rompe el enlace H-

C, comienza a formarse el alqueno y el grupo X

empieza a salir (mecanismo concertado

parecido a la SN2).

Se genera el alqueno una vez que se ha roto

por completo el enlace H-C y el grupo X se

lleva el par de electrones del enlace C-X.


Los mecanismos concertados necesitan de

arreglos geomtricos especficos para que los

orbitales de los enlaces que se rompen

puedan traslapar fcilmente con los que se

estn formando. As, las reacciones E2

proceden con geometra periplanar; es decir,

los cuatro tomos involucrados (el H, los dos C

y el X) estn en el mismo plano.

Existen dos posibles tipos de geometra

periplanar: la anti-periplanar, en el cual el H y

el X estn en lados opuestos de la molcula; y

la sin-periplanar, donde H y X estn al mismo

lado de la molcula. Cul de las dos ser la

ms favorecida?


La geometra sin-periplanar es una

conformacin eclipasada. Cuando se

acerca la base para abstraer al

hidrgeno, esta se debe aproximar

mucho al halgeno voluminoso y rico

en electrones, lo cual genera

repulsin estrica y electroesttica,

respectivamente.

Esto significa que la energa del

estado de transicin sin-periplanar es

superior al del arreglo anti-periplanar,

donde la base y el grupo saliente

estn alejados entre s.


Qu hay de especial en la geometra periplanar? Como los orbitales sp3 en los enlaces C-H y C-X del reactivo deben traslaparse y transformarse en

orbitales p para dar el alqueno, es ms sencillo que esto ocurra si estn todos los orbitales en el mismo plano.


La geometra anti-periplanar propicia que las reacciones de eliminacin sean

estereoselectivas (una materia prima produce dos o ms ismeros, pero

uno de ellos se genera en mayor cantidad).

Qu ismero geomtrico se espera para el alqueno obtenido por la eliminacin

E2 del (1S,2S)-1,2-dibromo-1,2-difeniletano?

Respuesta: el ismero geomtrico Z.

El compuesto meso-1,2-dibromo-1,2-difeniletano no presenta eliminacin E2

cuando se trata con una base. Por qu?

Respuesta: para generarse el alqueno Z, la reactivo tendra que adoptar

conformacin sin periplanar. Para producirse el E, los grupos fenil voluminosos

se molestaran entre s.

Eliminaciones de alcoholes

La deshidratacin de alcoholes es otro

mtodo de obtencin de alquenos. En

esta el sustrato pierde un H y el grupo

OH de carbonos adyacentes.

Como se puede apreciar en las

reacciones a la derecha, los alcoholes

primarios se deshidratan a mayor

temperatura que los secundarios y

estos que los terciarios. Adems, esta

reaccin se lleva a cabo en presencia

de un catalizador cido (usualmente

H2SO4 o H3PO4).

Eliminaciones del alcoholes

Qu productos de eliminacin esperara obtener de cada uno de los

siguientes compuestos? Seale sus nombres e indique cul sera el

mayoritario (recuerde la regla de Zaitsev).

a) 3-etil-3-pentanol b) 2-propanol

c) 2,3-dimetil-2-butanol d) 2,3,3-trimetil-2-butanol

e) 1-metilciclohexanol

Al igual que las deshidrohalogenaciones (prdida de HX), las

deshidrataciones proceden a travs de dos mecanismos: E1 y E2.

Eliminaciones del alcoholes: E1

El mecanismo de la eliminacin

E1 describe un proceso de tres

pasos. Los pasos 1 y 2 muestran

la generacin del carbocatin

tert-butilo. El paso 3 es una

reaccin cido base en la cual el

carbocatin acta como un cido

de Brnsted-Lowry, transfiriendo

un protn a una base de

Brnsted-Lowry (agua).

Ntese entonces que los

carbocationes son cidos fuertes;

son los cidos conjugados de los

alquenos y pierden con facilidad

un protn.

Eliminaciones del alcoholes: E2

Para los alcoholes primarios la deshidratacin procede a travs de un

mecanismo E2. En la primera etapa se protona el grupo OH y luego se

pierde un protn del in alquiloxonio al mismo tiempo que tiene lugar la

ruptura del enlace C-O.

Las reacciones de eliminacin en compuestos halogenados se llevan a

cabo en un medio fuertemente bsico, mientras que para los alcoholes se

requieren usualmente condiciones cidas.

Rearreglos moleculares durante las

reacciones de eliminacin

Durante las reacciones de deshidrohalogenacin y deshidratacin se forman

alquenos que tienen esqueletos carbonados diferentes a los de los

precursores. Cuando se evidencia este fenmeno se dice que ha ocurrido

un rearreglo molecular.

El reordenamiento ocurre en un paso separado despus de la formacin del

carbocatin. Los alquenos de transposicin surgen por la prdida de un

protn del carbocatin rearreglado.

Por qu se reordenan los carbocationes? Para ganar estabilidad. Los

carbocationes terciarios son ms estables que los secundarios y estos que

los primarios.

Cmo se reordenan los carbocationes? Para entender esto debemos

examinar el estado de transicin de la reaccin.

Carbocatin secundario

(menos estable) Estado de transicin

(el metilo queda unido en

forma parcial al C de origen

y al C de destino)

Carbocatin terciario

(ms estable)



La mezcla de alqueno obtenida por deshidratacin de 2,2-dimetilciclohexanol

contiene cantidades considerables de 1,2-dimetilciclohexeno. Proponga un

mecanismo que explique la formacin de este producto.



Adems del grupo metilo,

tambin pueden migrar

otros grupos alquilo, incluso

un tomo de H.

Los desplazamiento concertado de hidruros ocurren con frecuencia durante

las eliminaciones en sustratos primarios.



Comparacin entre E1 y E2

Cintica: La eliminacin E1 obedece a una cintica de primer orden (depende

slo de la concentracin del haluro de alquilo), mientras que la E2 a una cintica

de segundo orden (depende de la concentracin del haluro y de la base).


Efecto del substrato: Para las E1, el orden de reactividad es: carbocatin 3 > 2 > 1. Los carbocationes primarios no suelen reaccionar por E1. Las E2 no tienen este tipo de requerimiento.

Efecto de la base: en las desidrohalogenaciones, si se utiliza una base fuerte

predomina la E2. De lo contrario, predomina la E1 (donde la fuerza de la base no

tiene importancia).

Efecto del grupo saliente: en las deshidrohalogenaciones, la velocidad de la E2

depende de la fuerza del enlace C-X (a enlace ms dbil, mayor velocidad).

Estereoqumica: para las reacciones E1, a diferencia de las E2, no se requiere

de una geometra especial o particular.


Explique los resultados de las siguientes reacciones:

QUMICA ORGNICA II


Eliminaciones anti-Zaitsev

Si se utiliza una base voluminosa (NaOC(CH3)3 en vez de NaOCH3, por

ejemplo) para llevar a cabo una reaccin de eliminacin de un halogenuro de

alquilo, se obtiene mayoritariamente el alqueno no-Zaitsev.

Eliminacin de Hoffmann

Al igual que los alcoholes, las aminas pueden convertirse en alquenos por una

reaccin de eliminacin. Como el amino -NH2 es un mal grupo saliente (as

como el -OH), primero debe convertirse por metilacin exhaustiva en una sal

de amonio cuaternaria.


Si la sal de amonio cuaternaria se calienta con una base, tpicamente Ag2O, en

medio acuoso la molcula experimenta eliminacin para dar un alqueno. El

Ag2O acta intercambiando el I- por el in OH-. Esta reaccin es una E2, ya

que se elimina el protn al mismo tiempo que sale el N positivo.


Como vimos anteriormente, las reacciones de eliminacin por lo general

siguen la regla de Zaitsev (predomina el alqueno ms sustituido). Sin

embargo, en la eliminacin de Hoffmann el producto ms frecuente es el

alqueno menos sustituido.


Aunque la preferencia de la eliminacin de Hoffmann hacia la olefina menos

sustituida se debe a diversos factores, uno de los ms determinantes implica el

gran volumen del grupo saliente. Recuerde que en el mecanismo E2 debe

existir un arreglo anti-periplanar del protn y el grupo saliente.


C2

C3

C3

C2

C1

C1

La eliminacin de Hoffmann se emplea con frecuencia para determinar las

estructuras de aminas complejas convirtndolas en el alqueno menos

sustituido.

Prediga el o los productos de las siguientes reacciones:


Eliminacin de Cope

Las aminas se oxidan fcilmente en contacto con aire, por lo cual se suelen

convertir en sales para almacenarlas o usarlas en medicamentos.

En el laboratorio se suelen usar los agentes oxidantes H2O2 o cido m-

cloroperoxibenzoico. Las aminas primarias se convierten en mezclas de

productos. Las secundarias dan principalmente hidroxilaminas.


Las aminas terciarias se oxidan a xidos de aminas con buenos rendimientos.

El xido de amina puede participar en una eliminacin de Cope, actuando

como su propia base a travs de un estado de transicin cclico. Al igual que la

de Hoffmann, la eliminacin de Cope produce el alqueno menos sustituido.

NOTA: Esta reaccin se

efecta con estereoqumica

sin-periplanar.



Cuando el ismero (R,R) de la N,N,3,4-tetrametilpentan-2-amina se trata con

exceso de yoduro de metilo, luego con xido de plata y finalmente con calor, el

producto principal que se obtiene corresponde al ismero E. Si la misma

molcula se trata con perxido de hidrgeno y se calienta, el producto

corresponde al ismero Z. En base a lo expuesto:

a) Dibuje la estructura de los productos obtenidos.

b) Explique mediante esquemas estereoqumicos (tcnicas de proyeccin) los

resultados observados para cada reaccin.

c) Es posible la formacin de un producto alternativo en cada caso?

Fundamente.

QUMICA ORGNICA II


Repaso: la sustitucin nucleoflica

Existen dos tipos de reaccin de sustitucin nucleoflica: SN1 y SN

2

La reaccin SN2

La sustitucin nucleoflica bimolecular

(deriva de que dos molculas, nuclefilo y

haluro de alquilo, son relevantes durante

la etapa crucial de la reaccin), procede

segn se muestra en la figura.

Ntese que esta reaccin ocurre con

inversin de la configuracin.

Repaso: la sustitucin nucleoflica (SN2)

La caracterstica esencial del mecanismo SN2

es que se lleva a cabo en un solo paso, sin

intermediarios, cuando el nuclefilo entrante

reacciona desde una direccin opuesta al

grupo X que se desplaza (grupo saliente).

En una 1 etapa, el nuclefilo OH- utiliza un par de electrones no enlazados para atacar al

C deficiente de electrones.

Esto da a lugar a un estado de transicin con

una formacin parcial del enlace C-OH y con

una ruptura parcial del enlace C-Br. A medida

que avanzan ambos procesos se va

invirtiendo la estereoqumica del C.


Factores que afectan la reaccin SN2

Sustrato: un sustrato voluminoso impide la aproximacin fcil del nuclefilo,

lo que dificulta la formacin de enlace. Por lo tanto, esta reaccin ocurre ms

fcilmente para halogenuros de metilo y sustratos primarios, los sustratos

secundarios reaccionan lentamente y los terciarios no reaccionan.

Nuclefilo: los nuclefilos bsicos cargados negativamente suelen ser ms

apropiados que los neutros.

Grupo saliente: los mejores grupos salientes suelen ser aquellos que mejor

estabilizan la carga negativa en el estado de transicin (Cl- y Br-). Estos son

bases dbiles. Las bases fuertes (OH-, NH2-, OR-) son malos grupos

salientes.

Disolvente: los disolventes polares aprticos son mejores que los polares

prticos para este tipo de reaccin.


La reaccin SN1

La sustitucin nucleoflica unimolecular

(deriva de que slo una molcula, el

haluro de alquilo, es relevante durante

la etapa crucial de la reaccin), procede

segn se muestra en la figura.

Esta reaccin justifica la reaccin de un

haluro terciario con un disolvente polar

prtico como el H2O.


Primero ocurre la disociacin

espontnea del haluro de alquilo para

generar un carbocatin intermediario

estable.

El carbocatin reacciona con el Nu-

(H2O en este caso) para producir un

alcohol protonado.

La prdida de un protn del alcohol

protonado intermediario da como

resultado el alcohol neutro.


Debido a que esta reaccin ocurre a travs de un carbocatin, el que es

plano, tiene hibridacin sp2 y es aquiral, la reaccin SN1 conduce a una

mezcla racmida 50:50 de enantimeros.

As como la reaccin SN2, la SN

1 est fuertemente influenciada por

distintos factores.

Factores que afectan la reaccin SN1

Sustrato: los mejores sustratos producen los carbocationes ms estables.

Por ende, las reacciones SN1 son mejores para haluros terciarios.

Nuclefilo: los nuclefilos neutros son igual de efectivos que los cargados

negativamente.

Grupo saliente: no afecta a este tipo de reaccin.

Disolvente: los disolventes polares prticos estabilizan el carbocatin,

hacindolo ms estable.



reacciones de sustitucin nucleoflica

Analicemos la hidrlisis del bromuro de alquilo secundario 2-bromo-3-

metilbutano:

La reaccin E1 casi siempre est en competencia con la reaccin SN1,

ya que ambas comienzan con la misma etapa de disociacin inicial

(formacin de carbocatin). Analicemos la reaccin que experimenta

el bromuro de t-butilo con etanol hirviendo.

Ntese que el etanol acta como base en la eliminacin y como

nuclefilo en la sustitucin.

Comparacin entre eliminacin y

sustitucin

Una vez que se forma el carbocatin

Puede pasar esto

o esto


sustitucin


sustitucin

Cmo se puede predecir si un halogenuro de alquilo experimenta una

reaccin de sustitucin, de eliminacin o una combinacin de ambas? Los

resultados experimentales nos muestran que podemos establecer ciertas

generalidades.

Haluros de alquilo primarios. Un nivel bajo de impedimento estrico del

sustrato para la aproximacin del nuclefilo hace que predomine la SN2.

Sin embargo, si la base en s muestra impedimento estrico, puede ocurrir una

eliminacin en vez de una sustitucin.

Haluros de alquilo secundarios. Son las ms difciles de predecir ya que la

SN2 y E2 compiten entre s, dando una mezcla de productos. De la reaccin

del bromuro de isopropilo con etxido de sodio suele obtenerse

mayoritariamente el producto de eliminacin. Esto debido al impedimento

estrico que presenta el sustrato.

Si se utiliza un nuclefilo menos bsico

que el in hidrxido, se obtiene el producto

de sustitucin en un alto rendimiento. El

in CN- reacciona con el 2-clorooctano

para formar un cianuro de alquilo.


sustitucin

Haluros de alquilo terciarios. Estn tan impedidos estricamente al ataque

nucleoflico que la presencia de cualquier base de Lewis aninica (medio

bsico) favorece el mecanismo de eliminacin E2. Es posible evidenciar

reacciones de tipo SN1 y E1 en condiciones neutras, como en etanol o H2O.


sustitucin

Efecto de la base/nuclefilo

El uso de bases/nuclefilos fuertes

propician los mecanismos E2 y SN2 por

sobre los del tipo E1 y SN1.

Un nuclefilo fuerte tiene

suficiente reactividad para atacar

al tomo de C electroflico o sutraer

un protn con ms rapidez de lo que

la molcula pueda ionizarse.


sustitucin

Efecto del disolvente. Los disolventes polares prticos pueden interactuar con el

nuclefilo (solvatacin) y disminuir su actividad. Por ello, las reacciones de

eliminacin E2 se ven favorecidas por sobre las de sustitucin SN2.

Los disolventes polares aprticos favorecen las reacciones de sustitucin, ya que

solvatan al catin acompaante y no al nuclefilo.

Esta regla aplica cuando tratamos de comparar una E2 con SN2 para un

halogenuro de alquilo secundario y una base/nuclefilo cargada.

Efecto de la temperatura. Las altas temperaturas favorecen los productos de

eliminacin E1 por sobre los de sustitucin SN1.

Elevar la temperatura aumenta tanto la

velocidad de sustitucin como de

eliminacin. Sin embargo, esta ltima

suele incrementarse ms rpido. La

explicacin de por qu ocurre tiene raz

en conceptos termodinmicos que no

vienen al caso precisar.


sustitucin

Qu tipo o tipos de reaccin -SN1, SN

2, E1 E2- se llevara a cabo en cada caso?

Para resolver estos problemas debemos poner en la balanza mltiples factores: el sustrato, la base, la temperatura y el disolvente.


sustitucin

Conviene partir analizando las opciones por separado que no son posibles, antes

de decidir cules s lo son. Para ello, definimos algunas preguntas gua.

-Qu tipo de carbono es el que contiene

al grupo funcional: primario, secundario o

terciario?

Las SN2 son sensibles al impedimento

estrico, las SN1 y E1 dependen de la

estabilidad del carbocatin y las E2 no

tienen impedimentos per se.


sustitucin

1 - Descartamos SN

1 y E1

2 - Ninguna es descartable

3 - Descartamos SN

2

3 - Descartamos SN

2


sustitucin

La segunda pregunta surge a partir del segundo reactivo de la reaccin: el

nuclefilo/base. Cundo s que acta como un nuclefilo y cundo como una

base? Depende del tipo de enlace que se forme en el transcurso de la reaccin. Si

es con H, estar actuando como base; si es con C, lo har como nuclefilo.

-Qu tipo de base/nuclefilo es: fuerte

o dbil?

Las bases/nuclefilos fuertes (con carga)

tienden a conducir a reacciones de tipo

SN2/E2. Cuando se utiliza una base/

nuclefilo dbil (neutro) se tienden a

obtener productos va Reacciones SN1/E1.

Las reacciones entre alcoholes y cidos

fuertes tienen a ocurrir a travs de carbo-

cationes.

Descartamos

SN1 y E1

Descartamos

SN1 y E1

Descartamos

SN2 y E2

Descartamos

SN2 y E2


sustitucin

Habiendo analizado el sustrato y la base/nuclefilo, ahora dirijamos nuestra

atencin al disolvente.

-Qu tipo de disolvente se ha usado:

polar prtico o polar aprtico?

Los disolventes polares prticos tienden a

favorecer la reaccin E2 por sobre la SN2.

Los disolventes polares aprticos tienden a

favorecer la reaccin SN2 por sobre la E2.

SN2 favorecida

por sobre E2.

E2 favorecida

por sobre SN2.

Polar prtico

Polar prtico


sustitucin

Como ltima variable analizaremos la temperatura. Cuando se forman carbocationes,

la reaccin SN1 predomina por sobre la E1 a bajas temperaturas. A altas temperaturas,

el producto de E1 est ms favorecido.

Pongamos todas las variables en conjunto y resolvamos los problemas:

Sustrato: Descartamos SN1 y E1

Base/Nuclefilo: Descartamos SN1 y E1

Disolvente: SN2 favorecida por sobre E2

Sustrato: Ninguna es descartable


Disolvente: E2 favorecida por sobre SN2

Sustrato: Descartamos SN2


Disolvente: polar prtico

Temperatura: E1 se favorece por sobre SN1

Sustrato: Descartamos SN2


Disolvente: polar prtico

Sin temperatura: SN1 se favorece por sobre E1

Qu tipo o tipos de reaccin -SN1, SN

2, E1 E2- se llevara a cabo en cada

caso? Prediga adems el producto o los productos de la reaccin.

Base fuerte y disolvente polar prtico


sustitucin


sustitucin

Basndose en la siguiente reaccin de (R)-2-bromo-pentano con etxido de

sodio:

a) Especifique la estereoqumica del producto A.

b) Sabiendo que B y C son ismeros geomtricos y D es un ismero de

posicin de ellos, dibuje la estructura de cada uno.

c) Habra alguna diferencia entre llevar a cabo la reaccin en una mezcla

etanol-agua en vez de acetona? Fundamente.

d) Qu efecto tendr sobre la cantidad de producto A obtenido el aumento de

temperatura? Justifique.

las reacciones de eliminación

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