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QUÍMICA ORGÁNICA 250 EJERCICIOS RESUELTOS CECILIO MÁRQUEZ SALAMANCA Profesor Titular UNIVERSIDAD DE ALICANTE, 2008

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QUÍMICA ORGÁNICA

250 EJERCICIOS RESUELTOS

CECILIO MÁRQUEZ SALAMANCA

Profesor Titular

UNIVERSIDAD DE ALICANTE, 2008

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NOTA DEL AUTOR

Las páginas que siguen corresponden a los dos cursos de Química orgánica que he impartido en la Universidad de Alicante, a lo largo de los últimos 10 años. Cada curso tiene una duración de 70 horas, de modo que estos apuntes incluyen, aproximadamente, 90 horas lectivas de teoría y 50 de ejercicios prácticos que se discuten y resuelven en clase. El planteamiento general está basado en los diferentes tipos de reacciones entre compuestos orgánicos, en lugar del enfoque habitual que hace énfasis en los grupos funcionales. En cada uno de los temas aparecen ejercicios (incluidos en el texto) que permiten familiarizarse con los conceptos teóricos que se exponen. Al final de cada tema se han añadido una serie de ejercicios adicionales, con el fin de que los estudiantes los preparen (de forma individual o colectiva) para discutirlos después en clase. El contenido de los dos cursos se ciñe a lo que habitualmente puede designarse como Química Orgánica General, esto es, principios generales sobre estructura electrónica y reactividad. Sin embargo, se ha introducido una novedad metodológica: el tratamiento de los sistemas conjugados (acíclicos y cíclicos) mediante el modelo de Perturbaciones de los Orbitales Moleculares (PMO) Dicho modelo es una alternativa ventajosa a la teoría de la resonancia que, sin embargo, también se utiliza para evitar que los estudiantes se sientan desconectados de los textos normales de química orgánica. El método PMO permite, por ejemplo, dibujar fácilmente las estructuras resonantes de cualquier molécula (ver p.103 y siguientes) De forma análoga, la definición de Hidrocarburos alternantes impares (p.114) ayuda a incluir el concepto de Orbital Molecular no Enlazante (ONE) (p.117) El cálculo de los coeficientes del ONE conduce a identificar los átomos de carbono más reactivos en un determinado Hidrocarburo alternante impar (p.120) De todos modos, la aplicación más interesante de la metodología PMO está relacionada con las reacciones de sustitución electrófila del benceno y los hidrocarburos policíclicos bencenoides. En este caso, el método PMO muestra un poder predictivo que la teoría de la resonancia es incapaz de igualar. Utilizando el modelo de Perturbaciones de los Orbitales Moleculares es posible averiguar las reactividades relativas de todos los átomos, en cualquier hidrocarburo policíclico bencenoide (p.334) También se pueden realizar predicciones muy fiables cuando el hidrocarburo tiene sustituyentes de distintos tipos (p.363 y Apéndice IV) El lector que esté interesado en el fundamento teórico del modelo de Perturbaciones de los Orbitales Moleculares puede consultar el trabajo del mismo autor sobre Aromaticidad, que aparece en la página Web de la Universidad de Alicante. Alicante, 2008

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ÍNDICE

1. HIDROCARBUROS SATURADOS ACÍCLICOS

NOMENCLATURA DE ALCANOS................................................................................................................................ 1 Geometría de los alcanos acíclicos.................................................................................................................... 5 DEFINICIÓN Y CÁLCULO DE ENERGÍAS DE ENLACE Entalpía de formación............................................................................................................................................. 6 Energía de enlace................................................................................................................................... 7 Estabilidades relativas de radicales alquilo.........................................................................................9 CONCEPTO DE CONFORMACIÓN. PROYECCIONES DE NEWMAN ................................................................... 10

Conformaciones del propano y del butano........................................................................................11 MOLÉCULAS ACÍCLICAS CON UN ÁTOMO DE CARBONO ESTEREOGÉNICO ................................................ 12 PROYECCIONES DE FISCHER ............................................................................................................................... 12 CONFIGURACIÓN ABSOLUTA. NOMENCLATURA (R)/(S) DE CAHN, INGOLD Y PRELOG (CIP) ....................15

Prioridades de los grupos unidos a un átomo de carbono asimétrico .......................................... 16 Orden de prioridad de radicales alquilo .......................................................................................... 16 MOLÉCULAS ACÍCLICAS CON DOS ÁTOMOS DE CARBONO ASIMÉTRICOS

Los dos átomos de carbono tienen sustituyentes distintos ........................................................... 18 Los dos átomos de carbono tienen los mismos sustituyentes ...................................................... 19 NÚMERO DE ISÓMEROS ÓPTICOS.........................................................................................................................20

Conformaciones, proyecciones de Newman y proyecciones de Fischer ...................................... 22 EJERCICIOS ADICIONALES.....................................................................................................................................23

2. HIDROCARBUROS SATURADOS CÍCLICOS

NOMENCLATURA DE CICLOALCANOS MONOCÍCLICOS....................................................................................25 ESTEREOQUÍMICA DE CICLOALCANOS MONOCÍCLICOS Equilibrio conformacional en el ciclohexano ................................................................................... 25 Isomería geométrica ........................................................................................................................... 28 Isomería óptica .................................................................................................................................... 29 NOMENCLATURA DE ESPIRANOS .........................................................................................................................31 Estereoquímica de espiranos............................................................................................................. 32 NOMENCLATURA DE HIDROCARBUROS CON PUENTES...................................................................................33 EJERCICIOS ADICIONALES.....................................................................................................................................34

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3. HIDROCARBUROS CON ENLACES MÚLTIPLES ENTRE ÁTOMOS DE CARBONO

GEOMETRÍA DE LOS ALQUENOS ........................................................................................................... 35 NOMENCLATURA DE ALQUENOS ..........................................................................................................................35 ESTEREOISOMERÍA DE DOBLES ENLACES. ISOMERÍAS (Z)/(E) Y ÓPTICA Monoolefinas ....................................................................................................................................... 40 Olefinas con dos dobles enlaces conjugados.................................................................................. 41

Olefinas con dobles enlaces acumulados (cumulenos) .................................................................. 41 Prioridades de los radicales con doble enlace................................................................................. 43 Estereoquímica de alquilidencicloalcanos ....................................................................................... 46 NOMENCLATURA DE ALQUINOS ...........................................................................................................................46 NOMENCLATURA DE HIDROCARBUROS AROMÁTICOS ....................................................................................47 EJERCICIOS ADICIONALES.....................................................................................................................................49

4. NOMENCLATURA DE GRUPOS FUNCIONALES

INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................................................50 Haluros de alquilo ............................................................................................................................... 50 Alcoholes y fenoles............................................................................................................................. 55 Éteres ................................................................................................................................................... 57 Aminas ................................................................................................................................................. 58

Aldehidos............................................................................................................................................. 59 Cetonas ................................................................................................................................................ 60 Ácidos carboxílicos ............................................................................................................................ 62 Ésteres ................................................................................................................................................. 64 Amidas ................................................................................................................................................. 65 Haluros de ácido ................................................................................................................................. 65 Anhidridos de ácido............................................................................................................................ 66 Nitrilos.................................................................................................................................................. 67 Nitroderivados ..................................................................................................................................... 67 Moléculas heterocíclicas .................................................................................................................... 68 PRIORIDADES RELATIVAS DE GRUPOS CON HETEROÁTOMOS (NOMENCLATURA R/S) ......................... 69 EJERCICIOS ADICIONALES.....................................................................................................................................70

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5. ENLACE QUÍMICO EN MOLÉCULAS ORGÁNICAS

EL MODELO DE ENLACE LOCALIZADO ................................................................................................................77 Entalpía de atomización de parafinas ............................................................................................... 78 Parafinas acíclicas .............................................................................................................................. 78 Parafinas ciclicas ................................................................................................................................ 79 Monoolefinas acíclicas ....................................................................................................................... 80 Diolefinas acíclicas ............................................................................................................................. 81 Poliolefinas cíclicas ............................................................................................................................ 82 ESTRUCTURA ELECTRÓNICA DE LAS MOLÉCULAS ORGÁNICAS Orbitales atómicos híbridos localizados del carbono ..................................................................... 84 ORBITALES MOLECULARES LOCALIZADOS Orbitales moleculares localizados del acetileno .............................................................................. 85 Orbitales moleculares localizados del etileno.................................................................................. 86 Orbitales moleculares localizados del etano.................................................................................... 87 Tipos de hibridación y geometría molecular .................................................................................... 88

ESTRUCTURA ELECTRÓNICA DE GRUPOS FUNCIONALES Alcoholes y éteres............................................................................................................................... 89 Aldehidos y cetonas ........................................................................................................................... 90 Ácidos carboxílicos ............................................................................................................................ 92 Ésteres ................................................................................................................................................. 94 Anhidridos de ácidos.......................................................................................................................... 95 Haluros de ácidos ............................................................................................................................... 95 Aminas ................................................................................................................................................. 96 Amidas ................................................................................................................................................. 97 Nitrilos.................................................................................................................................................. 98 Nitroderivados ..................................................................................................................................... 99 Cumulenos......................................................................................................................................... 100 Poliolefinas conjugadas ................................................................................................................... 102 EL MODELO DE ENLACE DESLOCALIZADO ...................................................................................................... 103 Moléculas acíclicas con un número impar de átomos de carbono .............................................. 105 Moléculas cíclicas con un número impar de átomos de carbono ................................................ 107 Moléculas cíclicas con un número par de átomos de carbono..................................................... 109 MODELO DE HÜCKEL Moléculas no aromáticas, aromáticas y antiaromáticas................................................................ 111

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HIDROCARBUROS ALTERNANTES IMPARES.................................................................................................... 114 Cálculo de los coeficientes del orbital molecular no enlazante.................................................... 117 Cargas formales en cationes y aniones de hidrocarburos alternantes impares ......................... 119 Átomos de carbono reactivos y no reactivos................................................................................. 120 Entalpía de atomización de anulenos.............................................................................................. 121 EJERCICIOS ADICIONALES.................................................................................................................................. 122

6. EQUILIBRIO QUÍMICO Y REACTIVIDAD

ÁCIDOS Y BASES .................................................................................................................................................. 125 Modelo de Bronsted-Lowry .............................................................................................................. 125 Modelo de Lewis................................................................................................................................ 125 REACCIONES ÁCIDO – BASE ENTRE COMPUESTOS ORGÁNICOS................................................................ 126 Constantes de acidez y pKa.............................................................................................................126 Relación entre la energía libre estandar, la constante de equilibrio y el pKa.............................. 130 EQUILIBRIO QUÍMICO ........................................................................................................................................... 131 Insuficiencia de los conceptos termodinámicos............................................................................ 131 Entalpía y entropía ............................................................................................................................ 132

INTERMEDIOS DE REACCIÓN .............................................................................................................................. 136 Carbocationes ................................................................................................................................... 136 Estabilidades relativas de los cationes carbonio........................................................................... 137 Carbaniones....................................................................................................................................... 138 VELOCIDAD Y ORDEN DE UNA REACCIÓN........................................................................................................ 139 Orden de reacción............................................................................................................................. 139 Variación de la velocidad de reacción con la concentración........................................................ 139 Orden, molecularidad y mecanismo de una reacción.................................................................... 140 EL ESTADO DE TRANSICIÓN ............................................................................................................................... 141 Un sólo estado de transición y ningún intermedio de reacción ................................................... 142 Dos estados de transición y un intermedio de reacción ............................................................... 143 Control cinético y control termodinámico de una reacción .......................................................... 144

TIPOS DE PROCESOS DE RUPTURA Y FORMACIÓN DE ENLACES................................................................ 144 REACTIVOS NUCLEÓFILOS Y ELECTRÓFILOS ................................................................................................. 145 TIPOS DE REACCIONES ORGÁNICAS ................................................................................................................ 145 Reacciones de sustitución nucleófila en un átomo de carbono no saturado.............................. 146 Reacciones de sustitución nucleófila en un átomo de carbono saturado................................... 146 Reacciones de sustitución electrófila en un átomo de carbono no saturado ............................. 147

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Reacciones de adición nucleófila a grupos carbonilo................................................................... 148 Reacciones de adición electrófila a un átomo de carbono no saturado ...................................... 148 Reacciones de eliminación en un átomo de carbono saturado o no saturado ........................... 149 EJERCICIOS ADICIONALES.................................................................................................................................. 149

7. REACCIONES DE OLEFINAS Y ALQUINOS

ESTABILIDADES DE LOS ALQUENOS ................................................................................................................ 151 REACCIONES DE ADICIÓN ELECTRÓFILA......................................................................................................... 152 Reacciones con haluros de hidrógeno (HCl, HBr, HI) .................................................................... 152 Regioselectividad en la adición de ácidos próticos a olefinas. regla de Markovnikov............... 154 Reacciones de transposición en carbocationes ............................................................................ 155 Estereoquímica de las reacciones que transcurren a través de carbocationes.......................... 156 Reacción con agua en medio ácido fuerte...................................................................................... 157 Reacciones de los carbocationes con alquenos. Polimerización de olefinas............................. 158 Reacción de los alquenos con halógenos ...................................................................................... 159 Reacción de los alquenos con ácidos hipohalosos (HOCl y HOBr) ............................................. 162 REACCIONES DE LOS ALQUENOS CON ELECTRÓFILOS OXIGENADOS ...................................................... 165 Oxidación de alquenos con peroxiácidos....................................................................................... 165 Oxidación de alquenos con tetraóxido de osmio........................................................................... 167 OLEFINAS CON DOBLES ENLACES CONJUGADOS......................................................................................... 168 Reacción con haluros de hidrógeno y halógenos a través de carbocationes............................. 168 REACCIONES DE LOS ALQUINOS....................................................................................................................... 172 Acidez de los alquinos terminales................................................................................................... 172

Adición de haluros de hidrógeno .................................................................................................... 173 Adición de agua con catálisis ácida ................................................................................................ 174 Reducción de alquinos con sodio en amoníaco líquido................................................................ 175 SÍNTESIS DE COMPUESTOS ORGÁNICOS A PARTIR DE OLEFINAS Y ALQUINOS ...................................... 176 EJERCICIOS ADICIONALES.................................................................................................................................. 178

8. REACCIONES DE SUSTITUCIÓN NUCLEÓFILA EN GRUPOS CARBONILO

INTRODUCCIÓN ..................................................................................................................................................... 182 CORRELACIONES ESTRUCTURA – REACTIVIDAD ........................................................................................... 182 APLICACIONES DE LA SUSTITUCIÓN NUCLEÓFILA EN SÍNTESIS ................................................................. 188 FORMACIÓN DE ENLACES C–X Síntesis de cloruros de ácido...........................................................................................................188

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FORMACIÓN DE ENLACES C–O

Síntesis de ésteres............................................................................................................................ 189 Hidrólisis de ésteres .........................................................................................................................192 Síntesis de anhidridos de ácido.......................................................................................................194 FORMACIÓN DE ENLACES C–N Síntesis de amidas ............................................................................................................................ 195 Hidrólisis de amidas .........................................................................................................................197 FORMACIÓN DE ENLACES C–H Reducción de cloruros de ácido y amidas...................................................................................... 198 FORMACIÓN DE ENLACES C–C Síntesis de cetonas a partir de ácidos carboxílicos ...................................................................... 199 Condensación de Claisen.................................................................................................................200 Estrategia para la síntesis de β-cetoésteres ................................................................................... 205 Reacción de Claisen .........................................................................................................................206 Enolatos termodinámicos y enolatos cinéticos ............................................................................. 207 Reacción de Dieckmann ...................................................................................................................208 EJERCICIOS ADICIONALES.................................................................................................................................. 211

9. REACCIONES DE SUSTITUCIÓN NUCLEÓFILA EN UN CARBONO SATURADO

GENERALIDADES.................................................................................................................................................................216 MECANISMO DE LAS REACCIONES DE SUSTITUCIÓN NUCLEÓFILA......................................................................216 Estereoquímica de las reacciones de sustitución nucleófila ................................................................217 Reacciones de transposición carbocationes...........................................................................................219 Impedimento estéreo de los sustituyentes en el estado de transición................................................219 APLICACIONES DE LAS REACCIONES DE SUSTITUCIÓN NUCLEÓFILA EN SÍNTESIS FORMACIÓN DE ENLACES C–O

Síntesis de alcoholes, éteres y ésteres.....................................................................................................220 FORMACIÓN DE ENLACES C–X Síntesis de haluros de alquilo a partir de alcoholes...............................................................................225 Síntesis de haluros de alquilo a partir de tosilatos.................................................................................226 FORMACIÓN DE ENLACES C–N Síntesis de aminas.......................................................................................................................................227 FORMACIÓN DE ENLACES C–C Síntesis de nitrilos .......................................................................................................................................228 Síntesis de alquinos ....................................................................................................................................228

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Síntesis de alcoholes primarios a partir de oxiranos y compuestos organomagnésicos................229 ANIONES ENOLATO COMO INTERMEDIOS DE REACCIÓN (EQUILIBRIO CETO-ENÓLICO).................................229 Alquilación de cetonas................................................................................................................................232

Control termodinámico y control cinético de la reacción......................................................................233 Alquilación de ésteres.................................................................................................................................235 ALQUILACIÓN DE COMPUESTOS CON HIDRÓGENOS METILÉNICOS ÁCIDOS .....................................................236 ALQUILACIÓN DE β-CETOÉSTERES (SÍNTESIS ACETILACÉTICA)............................................................................237 1. Síntesis de metil alquil cetonas y ácidos monocarboxílicos ............................................................238 2. Síntesis de 1,4–dicetonas a partir de α–bromocetonas.....................................................................241 3. Síntesis de cetoácidos y ácidos dicarboxílicos a partir de α–bromoésteres .................................242 ALQUILACIÓN DE DIÉSTERES MALÓNICOS (SÍNTESIS MALÓNICA) 1. Síntesis de ácidos monocarboxílicos...................................................................................................243 2. Síntesis de ácidos dicarboxílicos..........................................................................................................244 RESUMEN DE LAS REACCIONES DE SUSTITUCIÓN NUCLEÓFILA...........................................................................247 EJERCICIOS ADICIONALES ...............................................................................................................................................249

10. REACCIONES DE ELIMINACIÓN

GENERALIDADES.................................................................................................................................................................254 MECANISMO DE LAS REACCIONES DE ELIMINACIÓN Reacciones de eliminación E1 ...................................................................................................................254 Reacciones de eliminación E2 ...................................................................................................................255 REGIOSELECTIVIDAD EN LAS REACCIONES E1 Y E2 Reacciones E1 ..............................................................................................................................................257 Reacciones E2 ..............................................................................................................................................257

ESTEREOQUÍMICA DE LAS REACCIONES DE ELIMINACIÓN Reacciones de eliminación monomoleculares (E1)................................................................................258 Reacciones de eliminación bimoleculares (E2).......................................................................................261 TIPOS DE LOS ESTEREOISÓMEROS OBTENIDOS EN LAS REACCIONES E1 Y E2....................................... 266 ESTEREOQUÍMICA Y REGIOSELECTIVIDAD EN LAS REACCIONES E1 Y E2 Reacciones E1 ................................................................................................................................... 268 Reacciones E2 ..............................................................................................................................................268 APLICACIONES DE LAS REACCIONES DE ELIMINACIÓN EN SÍNTESIS Reacciones E1 ................................................................................................................................... 270

Reacciones E2 ................................................................................................................................... 271

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COMPETITIVIDAD ENTRE LAS REACCIONES DE SUSTITUCIÓN Y DE ELIMINACIÓN Derivados alquílicos primarios sin impedimento estéreo .....................................................................274 Derivados alquílicos primarios con impedimento estéreo ....................................................................274 Derivados alquílicos primarios que originan carbocationes estabilizados ........................................275 Derivados alquílicos secundarios .............................................................................................................275 EJERCICIOS ADICIONALES.................................................................................................................................. 278

11. REACCIONES DE ADICIÓN NUCLEÓFILA A GRUPOS CARBONILO

GENERALIDADES .................................................................................................................................................. 281 ESTEREOSELECTIVIDAD EN LA ADICIÓN NUCLEÓFILA. REGLA DE CRAM................................................. 282 APLICACIONES DE LAS REACCIONES DE ADICIÓN NUCLÓFILA EN SÍNTESIS FORMACIÓN DE ENLACES C−H Reducción con hidruros metálicos.................................................................................................. 284

Oxidación de alcoholes (oxidación de Swern) ............................................................................... 287 FORMACIÓN DE ENLACES C−O Reacción con alcoholes ...................................................................................................................288 Ejemplo de protección de una cetona en forma de acetal ............................................................ 290 Ejemplo de protección de un alcohol en forma de tetrahidropiranil éter..................................... 290 FORMACIÓN DE ENLACES C-N Reacción con aminas primarias.......................................................................................................292 Reacción con aminas secundarias.................................................................................................. 293

Reacción con hidrazina ....................................................................................................................294 FORMACIÓN DE ENLACES C-C Reacción con anión cianuro.............................................................................................................295 Reacción con aniones acetiluro.......................................................................................................296 Reacción con compuestos organomagnésicos:síntesis de alcoholes ........................................ 296 Síntesis de alcoholes acetilénicos a partir de magnesianos ........................................................ 299 Reactivos organoliticos....................................................................................................................300 Reactivos orgánicos de cinc ............................................................................................................301 EJERCICIOS ADICIONALES.................................................................................................................................. 302

12. REACCIONES DE ADICIÓN NUCLEÓFILA CON ANIONES ENOLATO

INTRODUCCIÓN ..................................................................................................................................................... 307 REACCIÓN ALDÓLICA Aldehidos como sustratos ...............................................................................................................307 Cetonas como sustratos...................................................................................................................308

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Reacción retroaldólica......................................................................................................................309 Reacciónes aldólicas mixtas............................................................................................................310 CONDENSACIÓN DE DARZENS ........................................................................................................................... 312 CONDENSACIÓN DE PERKIN ............................................................................................................................... 313 REACCIÓN DE MICHAEL....................................................................................................................................... 313 Método de Robinson para la síntesis de ciclos.......................................................................................318 EJERCICIOS ADICIONALES ...............................................................................................................................................319

13. REACCIONES DE SUSTITUCIÓN ELECTRÓFILA Y SALES DE DIAZONIO

GENERALIDADES.................................................................................................................................................................332 ENERGÍA DE ENLACE DE CATIONES ARENIO POLICÍCLICOS .................................................................................334 Sustitución electrófila en el antraceno .....................................................................................................336 Sustitución electrófila en el fenantreno....................................................................................................337 REACCIONES DE SUSTITUCIÓN ELECTRÓFILA REACCIONES CON ELECTRÓFILOS DE CARBONO Alquilación con haluros de alquilo (alquilación de Friedel-Crafts)......................................................339 Alquilación con olefinas y alcoholes ........................................................................................................340 Acilación con cloruros y anhidridos de ácido (acilación de Friedel-Crafts) .......................................342 REACCIONES CON ELECTRÓFILOS DE NITRÓGENO..................................................................................................344 REACCIONES CON ELECTRÓFILOS DE AZUFRE..........................................................................................................345 REACCIONES CON ELECTRÓFILOS DE HALÓGENOS ................................................................................................347 EFECTO DE LOS SUSTITUYENTES EN LAS REACCIONES DE SUSTITUCIÓN ELECTRÓFILA ............................347 TIPOS DE SUSTITUYENTES.................................................................................................................................. 350 Sustituyentes inductivos +I (grupos alquilo) ..........................................................................................351 Sustituyentes inductivos −I .......................................................................................................................353

Efecto combinado de varios sustituyentes +I.........................................................................................354 Sustituyentes mesómeros ± M...................................................................................................................355 Sustituyentes mesómeros +M....................................................................................................................357 Sustituyentes mesómeros −M....................................................................................................................361 SUSTITUCIÓN ELECTRÓFILA EN HIDROCARBUROS POLICÍCLICOS CON SUSTITUYENTES..................... 363 SALES DE DIAZONIO...........................................................................................................................................................368 Colorantes azoicos ......................................................................................................................................371 EJERCICIOS ADICIONALES.................................................................................................................................. 372

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RESPUESTAS DE LOS EJERCICIOS INCLUIDOS EN EL TEXTO

6. EQUILIBRIO QUÍMICO Y REACTIVIDAD ........................................................................................................ 377

7. REACCIONES DE OLEFINAS Y ALQUINOS .................................................................................................. 378 8. REACCIONES DE SUSTITUCIÓN NUCLEÓFILA EN GRUPOS CARBONILO.............................................. 292 9. REACCIONES DE SUSTITUCIÓN NUCLEÓFILA EN UN CARBONO SATURADO ...................................... 401

10. REACCIONES DE ELIMINACIÓN .................................................................................................................... 410 11. REACCIONES DE ADICIÓN NUCLEÓFILA..................................................................................................... 415 12. REACCIONES DE ADICIÓN NUCLEÓFILA CON ANIONES ENOLATO........................................................ 424 13. REACCIONES DE SUSTITUCIÓN ELECTRÓFILA.......................................................................................... 436

RESPUESTAS DE LOS EJERCICIOS ADICIONALES

1. HIDROCARBUROS SATURADOS ACÍCLICOS.............................................................................................. 448

2. HIDROCARBUROS SATURADOS CÍCLICOS................................................................................................. 454

3. HIDROCARBUROS CON ENLACES MÚLTIPLES ENTRE ÁTOMOS DE CARBONO........................................456

4. NOMENCLATURA DE GRUPOS FUNCIONALES........................................................................................... 459

5. ENLACE QUÍMICO EN MOLÉCULAS ORGÁNICAS....................................................................................... 495

6. EQUILIBRIO QUÍMICO Y REACTIVIDAD ........................................................................................................ 501

7. REACCIONES DE OLEFINAS Y ALQUINOS .................................................................................................. 504

8. REACCIONES DE SUSTITUCIÓN NUCLEÓFILA EN GRUPOS CARBONILO.............................................. 536

9. REACCIONES DE SUSTITUCIÓN NUCLEÓFILA EN UN CARBONO SATURADO ...................................... 540

10. REACCIONES DE ELIMINACIÓN .................................................................................................................... 557 11. REACCIONES DE ADICIÓN NUCLEÓFILA A GRUPOS CARBONILO.......................................................... 573 12. REACCIONES DE ADICIÓN NUCLEÓFILA CON ANIONES ENOLATO........................................................ 586 13. REACCIONES DE SUSTITUCIÓN ELECTRÓFILA.......................................................................................... 606

APÉNDICE I

VOCABULARIO DE TÉRMINOS EMPLEADOS EN ESTEREOQUÍMICA............................................................. 621 PRIORIDADES RELATIVAS DE GRUPOS CON ENLACES DOBLES O TRIPLES............................................. 622 CRITERIOS EMPLEADOS PARA DEFINIR LAS PRIORIDADES RELATIVAS DE LOS RADICALES ............... 623 ORDEN DE PRIORIDAD CRECIENTE DE ALGUNOS RADICALES .................................................................... 625 NOMENCLATURA DE RADICALES ...................................................................................................................... 630 ISÓMEROS CONSTITUCIONALES Y ESTEREOISÓMEROS............................................................................... 631 RELACIÓN DE ISOMERÍA ENTRE DOS MOLÉCULAS........................................................................................ 635 CONFIGURACIÓN ABSOLUTA. NOMENCLATURA (R)−(S) DE CHAN, INGOLD Y PRELOG (CIP) ................. 636 CONFIGURACIONES DE MOLÉCULAS CON ÁTOMOS DE CARBONO ESTEREOGÉNICOS Moleculas acíclicas............................................................................................................................................ 637 Moleculas monocíclicas................................................................................................................................... 640

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Espiranos.............................................................................................................................................................. 642 Cumulenos ........................................................................................................................................................... 642

Alquilidencicloalcanos ..................................................................................................................................... 645

APÉNDICE II

...................................................................................................................................................... 646 TABLAS DE pKa

APÉNDICE III

REACCIONES DE OLEFINAS (ESTEREOQUÍMICA) 1 Reacciones con XH (X = Nu = Cl, Br, I, SO4H) (carbocationes) .................................................................... 650 2 Reacciones con halógenos (X = Cl, Br, I) (iones onio).................................................................................. 653 3 Reacciones con XOH (X = Cl, Br, I) (iones onio) ............................................................................................ 654 4 Reacciones con peroxiácidos (R-CO3H) ......................................................................................................... 655

) ................................................................................................. 656 5 Reacciones con tetraóxido de osmio (OsO4

APÉNDICE IV

SUSTITUCIÓN ELECTRÓFILA EN HIDROCARBUROS POLICÍCLICOS ESTABILIDADES RELATIVAS Y CARGAS FORMALES DE CATIONES ARENONIO POLICÍCLICOS Naftaleno................................................................................................................................................................. 658 Antraceno ............................................................................................................................................................... 661 Fenantreno.............................................................................................................................................................. 662 Naftaceno................................................................................................................................................................ 663 Benzo [α] antraceno ............................................................................................................................................... 664 Criseno.................................................................................................................................................................... 665 Benzo [c] fenantreno .............................................................................................................................................. 666 Trifenileno............................................................................................................................................................... 668

DERIVADOS DISUSTITUIDOS DE NAFTALENO Disustitución –1,8 .................................................................................................................................................. 669 Disustitución –2,3 ; disustitución –2,6................................................................................................................. 670 Disustitución –2,7 ; disustitución –1,5................................................................................................................. 671 Disustitución –1,4 ; disustitución –1,3................................................................................................................. 672 DERIVADOS DISUSTITUIDOS DE FENANTRENO Disustitución –4,5 ; disustitución –3,6 ................................................................................................................ 673 Disustitución –2,7 .................................................................................................................................................. 674 DERIVADOS TETRASUSTITUIDOS DE FENANTRENO

Tetrasustitución –3,4,5,6 ....................................................................................................................................... 674 Tetrasustitución –2,4,5,7 ....................................................................................................................................... 675

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1. HIDROCARBUROS SATURADOS ACÍCLICOS

NOMENCLATURA DE ALCANOS

Las reglas de nomenclatura de la IUPAC (Unión Internacional de Química Pura y Aplicada) son las siguientes: 1. Para nombrar un alcano se elige como base la cadena contínua más larga, que recibe el nombre de cadena principal. El compuesto se considera derivado del alcano que tiene el mismo número de átomos de carbono que la cadena principal. Por ejemplo, en el hidrocarburo siguiente

CH3 CHCH3

CH2 CH2 CH32

(1) la cadena más larga tiene cinco carbonos; así pues, se nombra como un metil-pentano. 2. La cadena principal se numera de un extremo al otro, de acuerdo con la regla 3, y la posición de los sustitu-yentes se indica con números. Así, el hidrocarburo anterior se llama 2-Metilpentano y el otro isómero del hexa-no, derivado del pentano, se conoce por 3-Metilpentano:

CH3 CH2 CH CH2 CH33

CH3

3. La cadena principal se numera desde un extremo, de manera que el sustituyente adquiera el menor numeral posible. Por ejemplo, el hidrocarburo (1) se llama 2-Metilpentano y no 4-Metilpentano. Si hubiera dos o más sus-tituyentes, la numeración de la cadena principal se inicia por el extremo que asigne el numeral más bajo posible al primer sustituyente que se encuentre. Por ejemplo:

CH3 CH2 CHCH3

CHCH3

CH2 CH2 CH2 CH2 CHCH3

CH327

8

es el 2,7,8-Trimetildecano y no el 3,4,9-Trimetildecano. Si hay grupos idénticos a distancias idénticas de los extremos, la numeración la determinan los grupos que les sigan en la cadena. Por ejemplo:

247CH3 CH

CH3CH2CH2 CH

CH3CH2 CH

CH3CH3

es el 2,4,7-Trimetiloctano y no el 2,5,7-Trimetiloctano.

I

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2

4. Entre cadenas de igual longitud, se elige como cadena principal la que está más sustituida. Es decir:

CH3 CH2 CH CH CH CH CH3

CH3CH3

CH2 CH2 CH3

CH3

23

4

5

se nombra 2,3,5-Trimetil-4-propilheptano(*) y no 4-sec-Butil-2,3-dimetilheptano o 4-(1,2-Dimetilpropil)-3-metilheptano. 5. Si un grupo alquilo se repite varias veces como sustituyente, se indica la repetición con los prefijos di, tri, tetra, etc. Por ejemplo, el Neohexano,

CH3 C CH2 CH3

CH3

CH3

2

se nombra 2,2-dimetilbutano. 6. Los sustituyentes se pueden expresar por los nombres comunes de los grupos alquilo cuando sea posible. Sin embargo, estos sustituyentes se pueden nombrar de modo alternativo de acuerdo con las reglas anteriores. Por ejemplo,

CH3 CH2 CH2 CH2 CH CH2 CH2 CH3

CH CH3CH3

4 se puede llamar 4-Isopropiloctano o 4-(1-Metiletil)-octano. En el segundo de estos nombres, el grupo isopropilo se ha nombrado de acuerdo con las reglas de la IUPAC, considerando como cadena principal del sustituyente una cadena de dos átomos de carbono (etilo) y nombrándola de manera que al carbono unido directamente a la cadena principal le corresponda el primer numeral (1)

CH3 CH2 CH2 CH2 CH CH2 CH2 CH3

CH CH3CH3

4

1

[1-Metiletilo]

7. Si se unen a la cadena principal dos o más grupos alquilo diferentes, se nombran en orden alfebético. Por ejemplo: (*) Si no se indica lo contrario, los grupos alquilo de tres o más carbonos, se consideran en el sistema IUPAC como no ramificados (es decir, n-) Así pues, es suficiente con llamar <propilo> al sustituyente en la posición 4 de este compuesto, mejor que <n-propilo>

I

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3

CH3 CH2 CH CH CH CH2 CH2 CH2

CH2 CH2CH3

CH2 CH3

CH3

CH34

3 5

se llama 4-Etil-3-metil-5-propilnonano. Los sustituyentes se alfabetizan sin considerar el número que indica su repetición; así pues, dimetil, trimetil, etc., se ordenan con la letra m (de metil) y no con la letra d (de dimetil),t (de trimetil), etc. Sin embargo, el nombre de un grupo compuesto se considera entero; es decir, el sustituyente 1,2-Dimetilpropilo se alfabetiza por la d y no con la p. Por ejemplo, el compuesto

1,2-Dimetilpropilo

CH3 CH2 C CH CH CH2 CH2 CH2 CH3

CH3

CH3

CH2

CH

CH3

CHCH3

CH3

CH3

3

4

5 CHCH

CH3

CH3

CH3

1

2

3

se llama 5-(1,2-Dimetilpropil)-4-etil-3,3-dimetilnonano. Los grupos alquilo precedidos por los afijos n-, sec- o t- se alfabetizan por la primera letra del nombre del grupo alquilo. Por otro lado, los grupos iso alquilo y neoalquilo se consideran como palabras únicas y se ordenan por i y n respectivamente.

PRIMARIO : R-CH2_

SECUNDARIO : R2CH_

TERCIARIO : R3C_

TIPOS DE ÁTOMOS DE CARBONO

iso- : un Me unido al penúltimo carbono: CH3 CH

CH3

(CH2)n

neo- : dos Me unidos al penúltimo carbono: CH3 C

CH3

(CH2)n

CH3

PREFIJOS

ISÓMEROS CONSTITUCIONALES: Son los isómeros que se diferencian en el tipo de ordenación de los enlaces entre los átomos.

CH3 CH2 CH2 CH3

n-Butano

(p.f. = -1380C ; p.e. = -120C)

CH3 CH CH3

2-Metilpropano

(p.f. = -1450C ; p.e. = 0.50C)

CH3

I

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4

CH4 C2H6 C3H8 C4H10 C5H12 C6H14 C7H16 C8H18 C15H32 C20H42

ISÓMEROSCONSTITUCIONALES

366.3194347

359532000

FÓRMULA

Metano CH4 Metilo CH3

Etano Etilo CH3CH2CH3 CH3

Propano n-Propilo (Propilo) CH3CH2CH2CH3 CH2 CH3

Isopropilo CH3 CH CH3

Butano n-Butilo (Butilo) CH3CH2CH2CH2CH3CH2CH2CH3

Isobutilo CH3 CHCH3

CH2 (2-Metilpropilo)

sec-Butilo CH3CH2 CHCH3

(1-Metilpropilo)

terc-Butilo CH3 CCH3

CH3

(1,1-Dimetiletilo)

Pentano n-Pentilo (Pentilo)CH3CH2CH2CH2CH3 CH3CH2CH2CH2CH2

Isopentilo CH3 CH CH2CH2

CH3(3-Metilbutilo)

Neopentilo CH3 C CH2

CH3

CH3

(2,2-Dimetilpropilo)

terc-Pentilo CH3 CH2 CCH3

CH3

(1,1-Dimetilpropilo)

RADICALES DE HIDROCARBUROS SATURADOS

I

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5

CRUDO DE PETRÓLEO

gas de refineria gasolina ligera nafta queroseno gasóleo

destilación

(C1_C4) (C5

_C12) (C12_C15) (C15

_C25)

< 250C (25 _ 950C) (95 _ 1500C) (150 _ 2300C) (230 _ 3400C)p.e.

EJERCICIO RESUELTOEscribe las estructuras y el nombre de los nueve hidrocarburos saturados que tienen la fórmula molecular C7H16.

RESPUESTA:

CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH3 CH3CHCH2CH2CH2CH3

CH3

CH3CH2CH2CH2CH2CH3

CH3

3-Metilhexano

CH3CH CHCH2CH3

CH3 CH3

2,3-DimetilpentanoHeptano 2-Metilhexano

CH3CHCH2CHCH3

CH3 CH3

2,4-Dimetilpentano

CH3 CCH3

CH2CH2CH3

CH3

2,2-Dimetilpentano

CH3CH2CHCH2CH3

CH3

CH3

3,3-Dimetilpentano

CH3 CCH3

CHCH3

CH3

CH3

2,2,3-Trimetilbutano

CH3CH2CHCH2CH3

CH2CH3

3-Etilpentano

GEOMETRÍA DE LOS ALCANOS ACÍCLICOS

H

H

HH H

H

HH

H

H

HH

H

H

HHMetano:

H

HHH

H H H

HHH

H H

1.5361.091

110.9

110.9

H

H HH H

H

HH1.096

H

H HH H

H

HH

H

HHH

H H H

HHH

H H

H

H HH H

H

HH

1.096

1.115

1.526H

H HH H

H

HH

112.4

109.5111.8

Etano: Propano:

I

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6

DEFINICIÓN Y CÁLCULO DE ENERGÍAS DE ENLACE

ENTALPÍA DE FORMACIÓN Es la variación de entalpía que tiene lugar cuando un mol de sustancia (en condiciones normales: 250C y 1 atm.) se forma a partir de los elementos que la constituyen (también en condiciones normales) Por convenio, la entalpía de formación de los elementos en condiciones normales es cero.

=Δ )otane(H0f2C (grafito) + 3H2 (g) CH3CH3 (g) −20.2 kcal/mol

Las entalpías de formación se determinan a partir de los calores de combustión experimentales. En el caso de las parafinas:

)HC(H 2n2n0f +ΔnC (grafito) + (n + 1) H2 (g) CnH2n+2 (g,l,s)

Calor de combustión de la parafina:

)HC(H 2n2n0

.comb +ΔCnH2n+2 (g,l,s) + 1/2 (3n + 1) O2 (g) nCO2 (g) + (n + 1) H2O (l) Entalpía de combustión de la parafina:

[ ] ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡ Δ+Δ+−Δ++Δ=Δ ++ )HC(H)O(H)1n3(21)OH(H)1n()CO(Hn)HC(H 2n2n

0f2

0f2

0f2

0f2n2n

0.comb

Teniendo en cuenta que , la entalpía de formación de la parafina será: 0)O(H 2

0f =Δ

)HC(H)OH(H)1n()CO(Hn)HC(H 2n2n0

.comb20f2

0f2n2n

0f ++ Δ−Δ++Δ=Δ [1]

Las entalpías de formación del CO2 y del H2O son las energías de combustión del carbono y del hidrógeno:

=Δ )CO(H 20f

=Δ )OH(H 20f

C (grafito) + O2 (g) CO2 (g) −94.05 kcal/mol

H2 (g) + 1/2 O2 (g) H2O (l) −68.32 kcal/mol Sustituyendo estos valores en [1]:

=Δ + )HC(H 2n2n0f )HC(H 2n2n

0.comb +Δ−94.05n − 68.32(n + 1) −

=Δ + )HC(H 2n2n0f )HC(H 2n2n

0.comb +Δ_ _ 162.37n _ 68.32 kcal/mol

I

Page 20: LIBRO1 (0-675).pdf

7

ENERGÍA DE ENLACE

Es la energía necesaria para disociar un enlace homolíticamente:

=)H(D 20

=− )CHH(D 30

=− )CHCHH(D 320

H H 2 H (g) 104.204 kcal/mol

H CH3 H (g) + CH3(g) 104.8 kcal/mol

H CH2CH3 H (g) + CH2CH3 (g) 100.3 kcal/mol

Las energías de enlace se determinan utilizando las entalpías de formación de los radicales que surgen en la ruptura.

H CH2CH3 (g) CH2CH3 (g) + H (g)

2C (grafito) + 3H2 (g)

)CHCH(H 330fΔ

)CH(D0 −

)CHCH(H)H(D21

320f2

0 •Δ+

ENERGÍA DE ENLACE H− C EN EL ETANO (ENERGÍA H− CH2CH3)

)CHCH(H)H(D21)CH(D)CHCH(H 32

0f2

0033

0f •Δ+=−+Δ

mol/kcal0.282/2.104)2.20(

)CHCH(H)H(D21)CHCH(H)CHCHH(D 32

0f2

033

0f32

0

100.3=++−−=

=•Δ++Δ−=−

H CnH2n+1 (g,l,s) H (g)

nC (grafito) + (n+1)H2 (g)

)CH(D0 −+ CnH2n+1 (g)

)HC(H 2n2n0f +Δ )HC(H)H(D

21

1n2n0f2

0+•Δ+

EN GENERAL:

{ }0 0 0f fD (H-R) = -ΔH (H-R)+ΔH (•R) + 52.1 kcal/mol

I

Page 21: LIBRO1 (0-675).pdf

8

ENERGÍA DE ENLACE C−C EN EL ETANO (ENERGÍA CH3−CH3)

CH3 (g)

2C (grafito) + 3H2 (g)

+ CH3 (g)CH3 CH3)CC(D0 −

)CHCH(H 330fΔ )CH(H2 3

0f •Δ

mol/kcal8.342)24.20(

)CH(H2)CHCH(H)CC(D 30f33

0f

0

89.8=×+−−=

=•Δ+Δ−=−

EN GENERAL:

R (g)

nC (grafito) + (n + 1)H2 (g)

+ R' (g))CC(D0 −

)HC(H 2n2n0f +Δ )'R(H)R(H 0

f0f •Δ+•Δ

CnH2n+2(g,l,s)

[ ]mol/kcal)'R(H)R(H)'RR(H)RR(D 0f

0f

0f

0 •Δ+•Δ+−Δ−=−

Si la parafina se disocia, dando lugar a dos radicales iguales:

{ } mol/kcal)R(H2)RR(H)RR(D 0f

0f

0 •Δ+−Δ−=− En las tablas siguientes aparecen valores típicos de las energías de enlace C-H y C-C:

ENERGÍAS DE ENLACE C −H

Hidrocarburo ∗•Δ )R(H0f

∗−Δ )RH(H0f

∗− )RH(D0

H−CH3 34.8 -17.89 104.8 H−CH2CH3 28.0 -20.24 100.3 H−CH2CH2CH3 22.8 -24.82 99.7 H−CH2CH(CH3)2 13.9 -31.45 97.4 H−CH(CH3)2 19.0 -24.82 95.9 H−C(CH3)3 9.0 -31.45 92.5

(*) (kcal/mol)

I

Page 22: LIBRO1 (0-675).pdf

9

ENERGÍAS DE ENLACE C −C

Hidrocarburo ∗•Δ )R(H0f

∗•Δ )'R(H0f

∗−Δ )RC(H0f

∗− )RC(D0

CH3−CH3 34.8 34.8 -20.2 89.8 CH3−CH2CH3 34.8 28.0 -24.8 87.6 CH3−CH2CH2CH3 34.8 22.8 -29.8 87.4 CH3−CH(CH3)2 34.8 19.0 -31.4 85.2 CH3CH2−CH2CH3 28.0 28.0 -29.8 85.8 CH3CH2−CH2CH2CH3 28.0 22.8 -35.0 85.8

(*) (kcal/mol)

ESTABILIDADES RELATIVAS DE RADICALES ALQUILO Las estabilidades relativas de los radicales alquilo (primarios, secundarios y terciarios) puede estimarse utili-zando las energías de enlace H−C. Estabilidad relativa de los radicales propilo e i-propilo:

CH3CH2CH2 CH3CH3CH2 + H D0(Pr_H) = 99.7 kcal/mol

CH3CHCH3 + H D0(i-Pr_H) = 95.9 kcal/mol

HCH3CHCH3

H

mol/kcal)9.957.99(D0 3.8=−=Δ El radical isopropilo (secundario) es, aproximadamente, 3.8 kcal/mol más estable que el radical propilo (prima-rio). Estabilidad relativa de los radicales isobutilo y terc-butilo:

CH3CHCH2 CH3CCH2 + H D0(i-Bu_H) = 97.4 kcal/mol

CH3 CH3

CH3CCH3 + H D0(t-Bu_H) = 92.5 kcal/mol

H

CH3CCH3

CH3 CH3

H

mol/kcal)5.924.97(D0 4.9=−=Δ El radical terc-Butilo (terciario) es, aproximadamente, 4.9 kcal/mol más estable que el radical isobutilo (prima-rio).

I

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10

CONCEPTO DE CONFORMACIÓN. PROYECCIONES DE NEWMAN

CONFORMACIÓN: Es el término utilizado para describir la disposición relativa de los átomos en una molécula. Las conformaciones de una molécula son las distintas disposiciones que pueden adoptar sus átomos en el espacio, como consecuencia de la rotación alrededor de enlaces sencillos carbono-carbono.

HHH

HHH

600 (ángulo diedro)H2

HHH1

H H

H2

HH

H1

H H

HHH2

H1

HH

H(H)(H)H

H1(H2)

(conformación alternada)

(conformación eclipsada)

1800

Existen interacciones electrostáticas de repulsión (van der Waals) entre los H unidos a átomos de carbono con-tiguos. El giro en torno del enlace C-C ocasiona variaciones en el contenido energético de una conformación dada:

H

H HH

HH

ΔG(kcal/mol)

_ __ _ _ __

0 60 120 180 240 300 360

H(H)

H(H)(H)H

H(H)

H(H)(H)H

H(H)

H(H)(H)H

H(H)

H(H)(H)H

H

H HH

HHH

H HH

HH

_2.8

Temperatura ambiente: Giro rápido; las conformaciones son indistinguibles (no se pueden aislar ni identificar confórmeros de la misma molécula. Vida media: 10-6 segundos) Temperaturas bajas (≈ -1000C):Giro perezoso. Posibilidad de identificar confórmeros y estudiarlos, bien juntos (equilibrio) o por separado.

I

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11

CONFORMACIONES DEL PROPANO Y DEL BUTANO

HH

H

H H

HH H

HHH

HH HH H

1800

H(H)(H)H

H(Me)HH

Me

HHH

H

H MeH

HH

ΔG

(kcal/mol)

_ __ _ _ __

0 60 120 180 240 300 360

H(H)

H(Me)(H)H

H(H)

H(H)(Me)H

H(Me)

H(H)(H)H

H(Me)

H(H)(H)H

Me

H HH

HHH

Me HH

HH

H

H MeMe

HH

Me(Me)

H(H)(H)H

Me(H)

H(Me)(H)H

Me

H HMe

HH

Me(H)

H(H)(Me)H

H

Me HMe

HH

Me(Me)

H(H)(H)H_

_

_

5.7

3.3

0.9

ΔG(kcal/mol)

_ __ _ _ __

0 60 120 180 240 300 360

I

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12

MOLÉCULAS ACÍCLICAS CON UN ÁTOMO DE CARBONO ESTEREOGÉNICO

ÁTOMO ESTEREOGÉNICO: Cualquier átomo que de lugar a estereoisomería

ÁTOMO DE CARBONO ASIMÉTRICO: Átomo de carbono unido a cuatro sustituyentes distintos. Un átomo de carbono asimétrico es estereogénico.

CH3CH2 CHCH3

CH2CH2CH3

3-Metilhexano

C

Me

H

PrEt

Me

HPrEt

Me

H PrEt

pareja de enantiómeros ENANTIÓMEROS: Estereoisómeros que son imágenes especulares entre sí.

PROYECCIONES DE FISCHER Para hacer una proyección de Fischer, la molécula debe mirarse con los enlaces horizontales dirigidos hacia el observador. En el ejemplo, son los enlaces a los que están unidos los grupos Et y Pr:

Me

HPrEt

Me

Et Pr

H

Proyección de Fischer A partir de una proyección de Fischer se puede dibujar fácilmente una representación tridimensional de la mo-lécula. La forma de hacerlo es la siguiente:

Me

Et Pr

H

Me

PrEtH

grupo izquierdo

grupoderecho

Me

EtPrH

grupo izquierdo

grupoderecho

Los grupos situados arriba, a la izquierda y a la derecha en la proyección de Fischer se colocan en la misma posición en la representación tridimensional. El grupo que está situado en la parte inferior de la proyección de Fischer se sitúa detrás (enlace punteado) en la representación tridimensional.

I

Page 26: LIBRO1 (0-675).pdf

13

Giros de 600 en la representación tridimensional:

Me

HPrEt

600Me

Pr HEt

600Me

EtHPr

600Me

H EtPr

600Me

PrEtH

600Me

Et PrH

600Me

HPrEt

Si en la representación tridimensional de un enantiómero se intercambian dos sustituyentes cualquiera, se ob-tiene la representación tridimensional del otro enantiómero:

Me

HPrEt

Me

H PrEt

pareja de enantiómeros

(1) (2)

Me

H PrEt

H

Me PrEt

vuelcoMe

HPrEt

(2) (1) (1) Cuando se hace lo mismo con la proyección de Fischer se obtiene un resultado idéntico:

Me

H P

Et

(2)

Me

Pr H

Et

(1)

pareja de enantiómeros

r

Me

H Pr

Et

(2)

H

Me Pr

Et

(1)

H

Me PrEt

(1)

I

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14

Dos intercambios en la representación tridimensional o en la proyección de Fischer conducen al mismo este-reoisómero:

Me

H Pr

Et

(2)

H

Me Pr

Et

(1)

H

Pr Me

Et

(2)

Me

H PrEt

(2)

H

Pr MeEt

(2)

EJERCICIO RESUELTO

¿Son iguales (1) y (2)? Pr

MeHEt

(1)

Me

EtHPr

(2)

RESPUESTA:

Pr

MeHEt

(1)

Me

EtHPr

(2)

Pr

H Me

Et

(1)

Me

H Pr

Et

Me

H Et

Pr

Me

H Et

Pr

(2) (2)

Las moléculas (1) y (2) son iguales.

MOLÉCULA QUIRAL: Molécula ópticamente activa que no es idéntica a su imagen especular.

MOLÉCULA AQUIRAL: Molécula ópticamente inactiva que es idéntica a su imagen especular.

CONFORMACIÓN: Es el término utilizado para describir la disposición relativa de los átomos en una molécula. Las conformaciones de una molécula son las distintas disposiciones que pueden adoptar sus átomos en el espacio, como consecuencia de la rotación alrededor de enlaces sencillos carbono-carbono.

CONFIGURACIÓN: Es el término utilizado para describir la disposición absoluta de los átomos de una molécula, con independencia de las disposiciones relativas que puedan adoptar como consecuencia de la rotación alrededor de enlaces sencillos.

I

Page 28: LIBRO1 (0-675).pdf

15

CONFIGURACIÓN ABSOLUTA. NOMENCLATURA (R)/(S) DE CAHN, INGOLD Y PRELOG (CIP)

Prioridades relativas de los grupos: 1 > 2 > 3 > 4

44

4

1

1

1

1

223 3

proyección

en el plano

proyección

en el plano

configuración (R)

configuración (R)2

23

3

44

4

1

1

1

1

proyección

en el plano

proyección

en el plano

configuración (S)

configuración (S)

33

33

22

22

En una proyección de Fischer, el grupo de menor prioridad debe quedar situado arriba o abajo; si aparece a la izquierda o a la derecha, la configuración real de la molécula es la inversa de la obtenida. Si una proyección de Fischer se gira 1800 en el plano del papel, se obtiene otra proyección de Fischer de la misma molécula:

[configuración (R)]

[configuración (R)]

2 3

4

1

2

3

4

1

2

3

4

1

1

23

4

1800 (en el plano)

I

Page 29: LIBRO1 (0-675).pdf

16

PRIORIDADES DE LOS GRUPOS UNIDOS A UN ÁTOMO DE CARBONO ASIMÉTRICO La prioridad de los átomos aumenta con su masa atómica:

Prioridades de los átomos: 127I > 80Br > 35Cl > 32S > 31P > 28Si > 19F > 16O > 14N > 12C > 1H

I[1]

[3]Cl Br[2]

H[4]

(R)

I[1]

Cl[3][2]Br

H[4]

(S)

Prioridades de los grupos: I > Br > Cl > H

PRIORIDADES RELATIVAS DE RADICALES ALQUILO Elegimos como ejemplo la molécula de 2,3-dimetilhexano. En esta molécula el átomo de carbono 3 es estereo-génico (está unido a cuatro radicales distintos: isopropilo, propilo, metilo e hidrógeno) Todos los radicales están unidos al átomo estereogénico a través de átomos de carbono. Por consiguiente, no puede utilizarse el criterio de la masa atómica para decidir la prioridad de cada grupo.

CH3CH2CH2 CCH3

HCCH3

CH3H

2,3-Dimetilhexano Para establecer las prioridades relativas de los radicales isopropilo, propilo y metilo se procede del modo si-guiente: 1. Primero se dibuja cualquier representación tridimensional de uno de los enantiómeros y a continuación su proyección de Fischer:

CH

CH2CH2CH3CH3

H

3

CH3CH3

PrH

CH3

i-Pr

3

2. Después se observa qué átomos están unidos al carbono C1 de cada uno de los tres radicales (isopropilo, propilo y metilo):

CH3 C

CH3

H

C1(C2C2 H)12

CH3 CH2

C1(HHH)

12CH2

2

CH3

C1(C2HH)

1

el átomo C1 está unido a dos carbonos y un hidrógeno

el átomo C1 está unido a un carbono y a dos hidrógenos

el átomo C1 está unido a tres hidrógenos

I

Page 30: LIBRO1 (0-675).pdf

17

3. Los átomos a los que está unido C1 en cada radical deciden la prioridad del radical. En el radical isopropilo C1 está unido a dos carbonos y un hidrógeno; este radical tiene mayor prioridad que el propilo (C1 unido a un carbono y dos hidrógenos) El radical metilo tiene menor prioridad que los anteriores, ya que C1 está unido a tres hidrógenos (menor prioridad que el carbono) Finalmente el átomo de H unido al carbono estereogénico C3 es el grupo de menor prioridad. Prioridades relativas de los cuatro grupos:

isopropilo [1] > propilo [2] > metilo [3] > hidrógeno [4] 4. Ahora ya se puede averiguar la configuración del estereoisómero:

CH

CH2CH2CH3CH3

H

3

CH3CH3 C2(CCH)[1]

C4(C5HH)[2][3](HHH)C

H[4]

3

PrH

CH3

i-Pr

(3R)

3

1 2

4 5

EJERCICIO RESUELTO

Averigua la configuración absoluta del siguiente estereoisómero:

H

i-Pr

PrCH3

RESPUESTA:

(3S)

C2(CCH)[1]

[2](C5HH)C4 C(HHH)[3]

H[4]

CH

CH3CH2CH2 CH3

H

3 3

CH3 CH3

CH3H

Pri-Pr

3

EJERCICIO RESUELTOOrdena los radicales siguientes de menor a mayor prioridad: 2-Metilpropilo, 3-Metilbutilo, Propilo, Hexilo, Pentiloy Butilo.

1. CH3CH2CH2 C1(CHH) C2(CHH) C3(HHH)

2. CH3CH2CH2CH2 C1(CHH) C2(CHH) C3(CHH) C4(HHH)

3. CH3(CH2)3CH2 C1(CHH) C2(CHH) C3(CHH) C4(CHH) C5(HHH)

4. CH3(CH2)4CH2 C1(CHH) C2(CHH) C3(CHH) C4(CHH) C5(CHH)

H3C CHCH3

CH2CH2

CH3 CHCH3

CH2

5. C1(CHH) C2(CHH) C3(CCH)

6. C1(CHH) C2(CCH)

s átomos que deciden la prioridad de un radical están escritos con negritaRESPUESTA: Lo

I

Page 31: LIBRO1 (0-675).pdf

18

EJERCICIO RESUELTOEl 3-Metilhexano tiene un átomo de carbono asimétrico (estereogénico) Dibuja una representación tridimen-sional de cada enantiómero y averigua su configuración absoluta.

RESPUESTA:

CH3CH2CH2 CCH3

HCH2CH3

3-Metilhexano

MePrH

Et C2(C1HH)(HHH)[2]

[1](HHC)(C5HH)C4 C(HHH)[3]

H[4]

CH2CH3

CH3CH2CH2 CH3

H

33

(3R)

(3S)

C2(C1HH)(HHH)[2]

C4(C5HH)(CHH)[1][3](HHH)C

H[4]

CH2CH3

CH2CH2CH3H3C

H

3

3

PrMeH

Et

MOLÉCULAS ACÍCLICAS CON DOS ÁTOMOS DE CARBONO ASIMÉTRICOS

LOS DOS ÁTOMOS DE CARBONO TIENEN SUSTITUYENTES DISTINTOS

CH3CH2 CHCH3

CHCH3

CH2CH2CH3

3,4-Dimetilheptano

Et CMe

HCMe

HPr

Me PrH

Me HEt

MePrH

MeHEt

(1) (2)

Me PrH

Et HMe

MePrH

EtHMe

(3) (4)

33

44

33

44

H

Et Me

Pr Me

H

H

EtMe

PrMe

H

(2)(1)

3

4

(3R,4S)(3S,4R)

H

Me Et

Pr Me

H

H

MeEt

PrMe

H

(4)(3)

3

4

(3S,4S)(3R,4R)

3

4

3

4

Enantiómeros: (1) y (2) ; (3) y (4)

Diastereoisómeros: (1) y (3) ; (1) y (4) ; (2) y (3) ; (2) y (4) DIASTEREOISÓMEROS: Estereoisómeros que no son imágenes especulares entre sí.

I

Page 32: LIBRO1 (0-675).pdf

19

LOS DOS ÁTOMOS DE CARBONO TIENEN LOS MISMOS SUSTITUYENTES

CH3CH2 CHCH3

CH CH2CH3

CH3

3,4-Dimetilhexano

Et CMe

C EtMe

H H

Et MeH

Me HEt

EtMeH

MeHEt

(2)(1)

Et MeH

Et HMe

EtMeH

EtHMe

(4)(3)

3 3

4 4

3 3

4 4

H

Me Et

Et Me

H

H

MeEt

EtMe

H

(2)(1)

3

4

(3S,4S)(3R,4R)

H

Et Me

Et Me

H

H

EtMe

EtMe

H

(4)(3)

3

4

(3R,4S)(3S,4R)

3

4

3

4

Enantiómeros: (1) y (2)

Diastereoisómeros: (1) y (3) ; (2) y (3)

Iguales: (3) y (4) Las moléculas (3) y (4) son la misma forma MESO, ópticamente inactiva:

EtMeH

EtHMe

(3)

3

4

giro de 1800

en el plano

Et MeH

Et HMe

3

4

(3)

Et MeH

Et HMe

(4)

3

4

H

Et Me

Et Me

H

H

EtMe

EtMe

H

(4)(3)

3

4

(3R,4S)(3S,4R)

3

4

giro de 1800

en el plano

H

Et Me

Et Me

H

3

4

(3)

(3S,4R)

I

Page 33: LIBRO1 (0-675).pdf

20

EtMeH

EtHMe

(3)

3

4

Et MeH

Et HMe

(4)

3

4[plano de simetría]

EJERCICIO RESUELTO

¿Es la molécula A una forma meso?Et

H Me

Me Et

H

(A)

RESPUESTA:

Et

H Me

Me Et

H

(A)

3

4

(3R,4S)

intercambio

H

Et Me

Me Et

H

3

4

intercambio

H

Me Et

Me Et

H

3

4

[plano de simetría]

NÚMERO DE ISÓMEROS ÓPTICOS (*) Tipo de compuesto: n átomos de carbono estereogénicos (la fórmula del compuesto no se puede dividir en dos mitades iguales)

CH2CH3CH3

Pr

MOLÉCULAS ÓPTICAMENTE ACTIVAS: N = 2n CHMe EJEMPLOS: MOLÉCULAS ÓPTICAMENTE INACTIVAS: N' = 0 CHMe

Et

(n=2 ; N=4 ; N'=0) (n=2 ; N=4 ; N'=0) (*) Es indiferente que la molécula sea acíclica o cíclica.

I

Page 34: LIBRO1 (0-675).pdf

I

21

CONFIGURACIONES DE LOS ISÓMEROS ÓPTICOS n = 2 ; N = 4 (RR)/(SS) ; (RS)/(SR) n = 3 ; N = 8 (RRR)/(SSS) ; (SRR)/(RSS) (RSR)/(SRS) ; (RRS)/(SSR) n = 4 ; N = 16 (RRRR)/(SSSS) ; (SRRR)/(RSSS) (RRRS)/(SSSR) ; (RSRR)/(SRSS) (RRSR)/(SSRS) ; (RRSS)/(SSRR) (RSSR)/(SRRS) ; (RSRS)/(SRSR) Tipo de compuesto: número par (n) de carbonos estereogénicos (la fórmula del compuesto se puede dividir en

dos mitades iguales)

CH3 CH3

MOLÉCULAS ÓPTICAMENTE ACTIVAS: N = 2(n-1) MOLÉCULAS ÓPTICAMENTE INACTIVAS: N' = 2(n-2)/2

(n=2 ; N=2 ; N'=1

Pr

CHMe EJEMPLOS: CHMe

Et

(n=2 ; N=2 ; N'=1) )

CONFIGURACIONES DE LOS ISÓMEROS ÓPTICOS n = 2 ; N = 2 (RR)/(SS) N' = 1 (RS)=(SR) [forma MESO] n = 4 ; N = 8 (RRRR)/(SSSS) ; (SRRR)/(RSSS) (RSRR)/(SRSS) ; (SRRS)/(RSSR) N' = 2 (SRSR) [forma MESO] (RRSS) [forma MESO]

Page 35: LIBRO1 (0-675).pdf

I

22

H

PrMeMe

HEt

Me

PrH

Me

HEt

EtHH

MePrMe

Et(Pr)(H)H

Me(Me)

(conformación alternada )

(conformación eclipsada)

Me HPr

EtMeH

PrHMe

EtMeH

Me

EtH

HMe

Pr

proyección frontal

Et

HMe

PrH

Me

proyecciones laterales

Me HPr

EtMeH3

4

(3R,4S)

3

4

(3R,4S)

33

4 4

Me

EtH

PrH

Me

proyección frontal

Et

HMe

HMe

Pr

proyecciones laterales

3

4

(3R,4S)

3

4

(3R,4S)

PrHMe

EtMeH

CONFORMACIONES, PROYECCIONES DE NEWMAN Y PROYECCIONES DE FISCHER

Para dibujar una proyección de Fischer a partir de una representación tridimensional: lo más sencillo es mirar esta última de frente (proyección frontal) Haciéndolo así no es necesario preocuparse de si la representación tridimensional es eclipsada o alternada.

3

4

3

4

Page 36: LIBRO1 (0-675).pdf

23

EJERCICIOS ADICIONALES

1.1 Dibuja dos representaciones tridimensionales del enantiómero de las siguientes moléculas:

(1) (2) (3) (4)

H

Me Pr

Et

Me

Pr Et

Bu

Et

Bu Me

H

Pr

Bu H

Me

1.2 ¿Qué relación de estereoisomería existe entre las siguientes moléculas?

H

Et Me

Et

Pr Me

Me

Pr Et

Et

Me H

H

Me Et

Pr

Et Me

Et

H Me

Me

Pr Et

(1) (2) (3) (4) 1.3 Averigua si alguna de las siguientes moléculas es un estereoisómero MESO ópticamente inactivo:

Me

Et H

H

Et Me

H

Et Me

Et

Me H

Bu

Me Pr

Me

Bu Pr

Pr

Bu Me

Bu

Me Pr

(1) (2) (3) (4) 1.4 Dibuja las proyecciones de Fischer correspondientes al enantiómero de (1) y a los diastereoisómeros de (2):

EtMeMe

HHPr

MeHPr

PrHEt

(1) (2) 1.5 Utiliza proyecciones de Fischer para averiguar la relación de estereoisomería que existe entre las moléculas que aparecen a continuación.

ClEtMe

MeOHH HO H

Me

MeEt Cl MeH

Me

OHClEt Cl Et

H

MeMe OH

(1) (2) (3) (4)

I

Page 37: LIBRO1 (0-675).pdf

24

1.6 Ordena los siguientes radicales de menor a mayor prioridad:

CH3 CCH3

CH3

CH3 CHCH3

CH3CH2CH2 CH3 CCH3

CH3

CH2 CH3 CHCH3

CH2 CCH3

CH3

CH3 CHCH3

CH2CH3CH2 CH3CH2CH2CH2 CH3CH2CH2CH2CH2 CHCH3

CH3 1.7 Calcula las energías de enlace (C1−H) y (C1−C2) en la molécula de propano, empleando los siguientes da-tos:

mol/kcal2.104)H(D 20 = mol/kcal8.24)HC(H 83

0f −=Δ mol/kcal8.34)metilo(H0

f =Δ

mol/kcal0.28)etilo(H0

f =Δ mol/kcal8.22)propilo(H0f =Δ

1.8 Calcula las energías de enlace H-C2 y C1-C2 en el 2-metilpropano, empleando los datos siguientes:

mol/kcal2.104)H(D 20 = mol/kcal4.31)noMetilpropa2(H0

f −=−Δ mol/kcal8.34)Metilo(H0f =Δ

mol/kcal0.19)opiloPri(H0f =−Δ ΔH0

f (t-Butilo) = 9.0 kcal/mol

I

Page 38: LIBRO1 (0-675).pdf

2. HIDROCARBUROS SATURADOS CÍCLICOS

NOMENCLATURA DE CICLOALCANOS MONOCÍCLICOS

Ciclopropano Ciclobutano Ciclopentano Ciclohexano Cicloheptano

CH2CH3CH3

CH2CH3CH3

CH3

CH2CH3CH2CH3CH3

1-Etil-1-metilciclopropano 1-Etil-2-metilciclopropano 1-Etil-3-metilciclobutano 1-Etil-3-metilciclopentano

13

2 1 112

ESTEREOQUÍMICA DE CICLOALCANOS MONOCÍCLICOS

EQUILIBRIO CONFORMACIONAL EN EL CICLOHEXANO Conformaciones de silla y bote. Enlaces axiales y ecuatoriales Los enlaces de un átomo tetraédrico en un anillo hexagonal se denominan ecuatoriales o axiales, según formen un ángulo pequeño o grande con el plano que contiene la mayoría de los átomos del anillo. Los átomos o gru-pos unidos a través de dichos enlaces se denominan también ecuatoriales o axiales:

a

e

a

e

a

e

aa

a

ee

e

a

e

a

e

a

e

aa

a

e e

e1

23

4

56

4

32

1

65

a

e

a

e

a

e ea

ee

aa

1

2

3

4

5

6

"silla" "bote" "silla" Los términos ecuatorial y axial pueden abreviarse por e y a cuando se hallen unidos a fórmulas. Estas abrevia-turas se pueden usar también con los nombres de los compuestos y, en este caso, se colocan entre paréntesis después de los localizadores apropiados. Por ejemplo:

Cl

H4

H

Br1

1(e)-Bromo-4(a)-clorociclohexano Conviene fijarse que, en el equilibrio entre las dos conformaciones de silla, se intercambian los enlaces axiales y ecuatoriales. Así mismo, en los derivados de ciclohexano existen configuraciones cis(X y Z situados en el mismo lado del plano medio de la molécula) y trans(X y Z situados en lados opuestos del plano medio de la molécula) que pueden ser axial-ecuatorial, axial-axial y ecuatorial-ecuatorial:

II

Page 39: LIBRO1 (0-675).pdf

26

Z(a)

H2

cis-1(e)-X-2(a)-Z

H

X(e)1

X(a)

H

Z(e)

H1 2

cis-1(a)-X-2(e)-Z

Z(a)

H2

trans-1(a)-X-2(a)-Z

X(a)

H1

H

H

Z(e)

X(e)1 2

trans-1(e)-X-2(e)-Z

H

H

H

H

HH

HH

H

H

H

H

_

_

41.8

18.6

_0.0

ΔG

curso

"silla"

"bote"

"silla"

La diferencia de energía libre entre las conformaciones de silla y bote es, aproximadamente, 4.4 kcal/mol. Este valor permite calcular la concentración en el equilibrio de ambas conformaciones.

mol/kcal4.4G0298 +=Δ

H

H

H

H

H

H HH

"silla" "bote"

eq0T KlogTR3.2G −=Δ ,)K298(C25a 00 mol/cal4400G0

298 +=Δ

2.3298987.13.2

4400Klog −=××

−= [ ][ ] ( )

44 103.6;1silla

bote103.6K −− ×≅αα−

α==×=

[ ] [ ] 060.0100bote%940.99)1(100silla% =α==α−=

II

Page 40: LIBRO1 (0-675).pdf

27

En los ciclohexanos sustituidos, existen interacciones de van der Waals entre átomos de hidrógeno y los susti-tuyentes unidos a enlaces axiales:

H

H

H

H

HH

H

HH

HHH2.33 A

2.50 A

2.50 A

H

HHH

H

H

HH

Por ejemplo, en el (a)-Clorociclohexano las interacciones 1,3 provocan un desplazamiento del equilibrio hacia la conformación ecuatorial:

mol/cal4.502G0298 −=ΔH

H

Cl(a)

Cl(e)

(1-α) α

37.0298987.13.2

4.502Klog +=××

+= [ ][ ] ( ) 702.0;

1)a(Cl)e(Cl33.2K ≅α

α−α

===

[ ] [ ] 8.29)1(100)a(Cl%2.70100)e(Cl% =α−==α= Si existen dudas sobre la relación entre la variación de energía libre de una reacción y su constante de equilibrio,consultar el Tema 6. En el Bromociclohexano se da una situación análoga:

H(e)

H(a)

Br(a)

Br(e)

30% 70%

II

Page 41: LIBRO1 (0-675).pdf

28

En la tabla siguiente aparecen algunos valores significativos de ΔG, en función del tipo de sustituyentes:

H(e)

H(a)

X(a)

X(e)

X -ΔG(cal/mol) Keq %[X(e)] %[X(a)]

CN 200 1.4 58.3 41.7 Cl, Br, I 500 2.3 69.7 30.3

OH 700 3.3 76.7 23.3 Me 1700 17.7 94.6 5.4 Et 1800 21.0 95.4 4.6

C6H5 3100 205 99.5 0.5

ISOMERÍA GEOMÉTRICA Cuando a cada una de dos posiciones de un monociclo, se hallan unidos un sustituyente y un átomo de hidró-geno, las relaciones estéreas entre los dos sustituyentes prioritarios (CIP) se expresan como cis o trans, segui-dos de un guión y colocados delante del nombre del compuesto:

21

MePr

(cis)- 2-Metil-1-propilciclobutano

H

H

Pr

Me

1

2

(cis)

H

H

Me

Pr

2

1

(cis)

=H H

Pr

Me

H

H

1

2

(cis)

12PrMe

(cis)-2-Metil-1-propilciclobutano

Me

Pr

H

H

2

1

(cis)

=H H

(trans)-3-Metil-1-propilciclopentano

Pr

H

H

MeHPr

H Me1 3

(trans)

HMeH Pr

13

(trans)

=31

(trans)-3-Metil-1-propilciclopentano

Pr

H

H

MeH Me

HPr1 3

(trans)

PrHMe H

13

(trans)

=3 1

II

Page 42: LIBRO1 (0-675).pdf

29

21

Et

H

Me

H

H

Me

Me

H

21

Et

H

H

Me

(cis)-1-Etil-2-metilciclobutano (trans)-1-Etil-2-metilciclobutano (trans)-1,2-Dimetilciclopentano

21

1 4

(cis)-1-Metil-4-propilciclohexano

H

(e)Me

Pr(a)

H1

4

H

Pr(e)

Me(a)

H4

1

(cis) (cis)

Pr

H

Me

H

1 4

(cis)-1-Metil-4-propilciclohexano

H

(e)Me

H

Pr(e)1

4

Pr(a)

H

Me(a)

H4

1

(cis)

H

Pr

Me

H

(cis) Si existen dos posiciones con dos sustituyentes distintos cada una, también se emplea la regla de secuencia (CIP) para definir la estereoquímica:

21

Et[1]

H[2]

Me[2]

Et[1]

Et[1]

Me[2]

Me[1]

H[2]

21

Et[1]

H[2]

Et[1]

Me[2]

(trans)-1,2-Dietil-2-metilciclobutano (cis)-1,2-Dietil-2-metilciclobutano (cis)-1-Etil-1,2-dimetilciclopentano

21

ISOMERÍA ÓPTICA Los compuestos cíclicos con sustituyentes, pueden presentar isomería óptica debido a la presencia de carbo-nos estereogénicos. En este sentido, conviene indicar que, en muchas ocasiones, los descriptores cis y trans son insuficientes para definir de forma inequívoca la estereoquímica de una molécula. Por ejemplo:

21

(1)

(trans)-1,2-Dimetilciclopropano

12

(2)

H

CH3

CH3

H

CH3

H

H

CH3

(trans)-1,2-Dimetilciclopropano Las moléculas (1) y (2) son trans, pero se trata de dos estereoisómeros distintos, ambos quirales y de configu-raciones opuestas. De hecho, existen tres estereoisómeros diferentes del 1,2-dimetilciclopropano: una pareja de enantiómeros [(1) y (2)] y una forma meso (3):

II

Page 43: LIBRO1 (0-675).pdf

30

(1)

(trans)-1,2-Dimetilciclopropano

(2)

(trans)-1,2-Dimetilciclopropano

(3)

(cis)-1,2-Dimetilciclopropano

(forma MESO)(pareja de enantiómeros)

21 12

H

CH3

CH3

H

CH3

H

H

CH3

21

CH3

H

CH3

H

(1)

(trans)(1S,2S)-1,2-Dimetilciclopropano

(1S)

H[4]

[2](C3HH)C2 C2(C3CH)[1]

CH3[3]

1

CH3[3]

[1](C3CH)C1 C3(C1HH)[2]

H[4]

221

H

CH3

CH3

H

(2S)

(2)

(trans)(1R,2R)-1,2-Dimetilciclopropano

H[4]

[1](C3CH)C2 C3(C2HH)[2]

CH3[3]

1

CH3[3]

[2](C1HH)C3 C1(C3CH)[1]

H[4]

2

12

CH3

H

H

CH3

(1R) (2R)

(3)

(cis)(1R,2S)-1,2-Dimetilciclopropano

(forma MESO)

CH3[3]

[2](C2HH)C3 C2(C3CH)[1]

H[4]

1

CH3[3]

[1](C3CH)C1 C3(C1HH)[2]

H[4]

2

1 2

CH3

H

CH3

H

(1R) (2S)

Derivados de ciclobutano:

21Me

H

H

Me4 3

(1)

(trans)(1R,2R)-1,2-Dimetilciclobutano (trans)(1S,2S)-1,2-Dimetilciclobutano

(2)

2 1Me

H

H

Me 43

21

Me

H

Me

H4 3

(3)

(cis)(1R,2S)-1,2-Dimetilciclobutano

(forma MESO)

21Me

H

H

Me4 3

(1)

(trans)(1R,2R)-1,2-Dimetilciclobutano

Me[3]

[2](C3HH)C4 C2(C3CH)[1]

H[4]

1

H[4]

[1](C4CH)C1 C3(C4HH)[2]

Me[3]

2

(1R) (2R)

II

Page 44: LIBRO1 (0-675).pdf

31

(trans)(1S,2S)-1,2-Dimetilciclobutano

(2)

2 1Me

H

H

Me43

(1S)

Me[3]

[1](C3CH)C2 C4(C3HH)[2]

H[4]

1

H[4]

[2](C4HH)C3 C1(C4CH)[1]

Me[3]

2

(2S)

21Me

H

Me

H4 3

(3)

(cis)(1R,2S)-1,2-Dimetilciclobutano

(forma MESO)

Me[3]

[2](C3HH)C4 C2(C3CH)[1]

H[4]

1

Me[3]

[1](C4CH)C1 C3(C4HH)[2]

H[4]

2

(1R) (2S)

NOMENCLATURA DE ESPIRANOS Los compuestos monoespiránicos están formados por dos anillos que tienen un átomo de carbono común:

C C C C C

C

C

C

Los compuestos monoespiránicos se nombran anteponiendo el prefijo “espiro” al nombre del hidrocarburo ací-clico que tenga el mismo número total de átomos de carbono. El número de átomos de carbono unidos al áto-mo espiránico (átomo común a los dos ciclos) en cada uno de los dos anillos, se indica mediante números, en orden ascendente, situados entre corchetes entre el prefijo “espiro” y el nombre del hidrocarburo:

C C C

[átomo espiránico] [átomo espiránico] [átomo espiránico]

Espiro[3,4]octano Espiro[4,5]decano Espiro[5,5]undecano

II

Page 45: LIBRO1 (0-675).pdf

32

Los átomos de carbono se numeran consecutivamente, a partir de uno de los átomos contiguos al espiránico, numerando primero el anillo más pequeño (si existe) continuando por el átomo espiránico, y finalmente por el segundo anillo.

C C C

1

2

3

4

87

65 1

2

34

567

8

9 10

1 2

3

45

678

9

10 11 Los átomos de carbono se numeran de modo que los sustituyentes tengan los numeros más bajos posibles:

C1

2

3

4

87

65

CH3

C1

2

3 4

87

65

CH3

y no

1-Metil espiro[3,4]octano 3-Metil espiro[3,4]octano

C

1 2

34

56

78

9 10

CH3

C

12

345

67

8

910

CH3

y no

2,7-Dimetil espiro[4,5]decano 3,9-Dimetil espiro[4,5]decano

CH3CH3

ESTEREOQUÍMICA DE ESPIRANOS

CR2

R1

CC

R3

R4

R3

R1 R2

R4

[eje estereogénico]R1

R2

R3

R4

Los espiranos pueden ser ópticamente activos:

Cl

H

H

Me

1

369

3-Cloro-9-metilespiro[5,5]undecano

HMe

HMe

Cl

H

Cl

H

Cl[3]

[2]H Me[1]

H[4]

(R)

Cl[3]

H[2][1]Me

H[4]

(S) Los átomos de carbono 3 y 9 son los que definen la quiralidad de la molécula (eje quiral) Los sustituyentes del carbono situados en el plano perpendicular a la página tienen prioridad sobre los que están en el plano de la página. El Me de la derecha tiene prioridad sobre el H (prioridades 1 y 2) El cloro superior tiene prioridad sobre el H inferior (prioridades 3 y 4)

II

Page 46: LIBRO1 (0-675).pdf

33

HMe

Cl

H

Cl[3]

[2]H Me[1]

H[4]

(R) Comprueba que si en el cumuleno anterior se intercambian cualquier par de sustituyentes de los carbonos 3 o 9, se obtiene el estereoisómero (S)

NOMENCLATURA DE HIDROCARBUROS CON PUENTES Los sistemas cíclicos saturados, formados por dos anillos que comparten dos o más átomos, se nombran me-diante la combinación del prefijo “biciclo” y el nombre del hidrocarburo lineal que tenga el mismo número de átomos de carbono. Para poder distinguir entre isómeros, se escribe el número de átomos de cada puente que unen los átomos comunes, en orden decreciente, entre corchetes y separados por puntos:

[átomo común]

[átomo común] [átomo común]

[átomo común]

[átomo común]

[átomo común]

Biciclo[4.3.0]nonano Biciclo[6.1.0]nonano Biciclo[3.3.1]nonano Para la numeración de los sistemas bicíclicos con puentes, se procede según las siguientes reglas: 1 Se designa como 1 una de las posiciones cabeza de puente (átomos comunes a dos anillos) 2 Se prosigue la numeración por el puente más largo, hasta alcanzar la segunda cabeza de puente, que tam-

bién se numera:

1

6

5

4

3

2

[primera cabeza de puente]

[segunda cabeza de puente]

[puente más largo: 4 átomos]

3 Se continúa por el siguiente puente más largo, hasta regresar al átomo 1:

1

65

4

3

2

[siguiente puente más largo: 3 átomos]

7

8

9

II

Page 47: LIBRO1 (0-675).pdf

34

4 Se numera el puente menor (si existe) desde la primera hasta la segunda cabeza de puente:

1

65

4

3

2

[primera cabeza de puente]

7

8

9

[segunda cabeza de puente]

10

11

Los sustituyentes se sitúan de tal modo que tengan los números más bajos posibles:

1

65

4

32

7

8

910

11

Et

Me

7-Etil-3-metil biciclo[4.3.2]undecano

y no

6

12

3

45

9

8

710

11

Et

Me

9-Etil-4-metil biciclo[4.3.2]undecano

1

65

4

3

2

7

8

9

Biciclo[4.3.0]nonano Biciclo[6.1.0]nonano Biciclo[3.3.1]nonano

123

4

5

6 78

9 9

1 2

3

456

7

8

EJERCICIOS ADICIONALES 2.1 Averigua la configuración absoluta de las moléculas que aparecen a continuación, e indica cuál es la relación de estereoisomería entre ellas:

Me

H

Me

H1 2

34H

Me

H

Me

Me

H

H

Me

H

Me

Me

H

cis (1) cis (2) trans (3) trans (4)

Me Me

HH

Me H

MeH

H Me

HMe

H H

MeMe

1 2

3

4

5

cis (5) cis (8)trans (7)trans (6) 2.2 Dibuja las representaciones tridimensionales, y asigna las configuraciones absolutas, de los estereoisóme-ros de los siguientes compuestos: 1,2-Diclorociclohexano, 1,3-Diclorociclohexano, 1,4-Diclorociclohexano, 1-Bromo-2-cloro ciclohexano, 1-Bromo-3-clorociclohexano y 1-Bromo-4-clorociclohexano.

II

Page 48: LIBRO1 (0-675).pdf

3. HIDROCARBUROS CON ENLACES MÚLTIPLES ENTRE ÁTOMOS DE CARBONO

GEOMETRÍA

CH2 CH2

HH

H H

1170

HF

F H

1250

1100

HCl

Cl H

1230

1140

F2C CH2 Cl2C CH2

121.50

Ángulos de enlace promedios:

HR

R R

1190 CH2R

R R

CH3R

R R

110.50

CH3 122-1250

NOMENCLATURA DE ALQUENOS 1. Se elige como referencia la cadena más larga que contenga el doble enlace y el compuesto se nombra de

acuerdo con la nomenclatura de los alcanos, reemplazando el sufijo ano por eno. 2. La posición del doble enlace en la cadena principal, se indica numerándola a partir del extremo que de lugar

al menor numeral posible:

CH2 CH2 CH3 CH CH2 CH3 CH2 CH CH2 CH3 CH CH CH3

Etileno

Propeno

Propileno

Eteno 1-Buteno 2-Buteno

CH2 CH CH2 CH2 CH3 CH CH CH2 CH2 CH3CH2 CH3 CH3 CH2 CH CH CH2 CH3

1-Hexeno 2-Hexeno 3-Hexeno

1 1 2 1 2 3

3. Después de establecer la numeración de la cadena principal, se especifican los sustituyentes mediante sus

nombres y números asignados, y se ordenan aplicando las mismas reglas que para los alcanos:

CH3 C CH2

CH3CH3 CH2 C CH2 CH3 CH CH CH2

CH3 CH3CH3 C CH CH3

CH3

2-Metilpropeno 2-Metil-1-buteno 3-Metil-1-buteno 2-Metil-2-buteno

III

Page 49: LIBRO1 (0-675).pdf

36

CH3 CH CH CH CH2 CH3 CH C

2-Metil-1-hexeno 4-Etil-2-hexeno 3-Metil-3-hexeno

1 1 2 12

3

CH2CH3CH3

2

3

4CCH3

CH2CH2CH2CH3CH2 CH2CH3CH3CH2

CH CH CH2CH2CH3

1 2 3 4 5

1-Pentenilo

CH2 CH CH CH2CH3

1 2 3 4 5

2-Pentenilo

C CH CH1 3

CH2CH3 CH3

CH2CH3

1-Etil-3-metil-1-pentenilo

CH CH CH2CH2CH3

1 2 3 4 5

1-Pentenilo

CH2 CH CH CH2CH3

1 2 3 4 5

2-Pentenilo

C CH CH1 3

CH2CH3 CH3

CH2CH3

1-Etil-3-metil-1-pentenilo

1-Ciclohexil-1-penteno

1 2CH CH CH2CH2CH3 CH2 CH CH CH2CH3

1

1-Ciclohexil-2-penteno(1-Pentenil)ciclohexano (2-Pentenil)ciclohexano

CH3 CH3 CH31

1

23

1

2

34

Ciclohexeno 1-Metilciclohexeno 3-Metilciclohexeno 4-Metilciclohexeno

CH2 CHCH3

CH3

1-Isobutilciclohexeno

CH2 CHCH3

CH3

3-Isobutilciclohexeno

CH2 CHCH3

CH3

4-Isobutilciclohexeno

1

1

1

2

2

33

4

1 1

2

3

12

1-Ciclohexenilo 2-Ciclohexenilo 3-Ciclohexenilo

3

III

Page 50: LIBRO1 (0-675).pdf

37

CH2 CHCH3

CH3 CH2 CHCH3

CH3 CH2 CHCH3

CH31 1 1

2 2

3

1-(1-Ciclohexenil)-2-metilpropano

1

2

1-(2-Ciclohexenil)-2-metilpropano

1

2

1-(3-Ciclohexenil)-2-metilpropano

2

1

CHCH3

1,1-(1-Ciclohexenil)etano

CH2CH2 CH2CH2

3

1 1

1,2-(1-Ciclohexenil)etano 1-(2-Ciclohexenil)-2-(3-ciclohexenil)etano

1 1

1 1

2

CH2 CH CH3 CH CH2 CH3 CH CH CH3

CH3C CH2 CH3

CH3

Metileno Etilideno Propilideno 1-Metilpropilideno 2-Metilpropilideno

1 1

1

12 2

2 2

CH2

Metilenciclohexano

CH CH3

Etilidenciclohexano

CCH3 CH2CH3

(1-Metilpropiliden)ciclohexano

CH CHCH3

CH3

(2-Metilpropiliden)ciclohexano

1 1

2

1

Ciclobutilideno Ciclopentilideno Ciclohexilideno

CH CH3

Ciclohexilidenetano

CCH3 CH2CH3

2-Ciclohexilidenbutano

CH CHCH3

CH3

1-Ciclohexiliden-2-metilpropano

2 1

2

CH

(2-Cloroetiliden)ciclohexano

CH2Cl C

Cl

CH3

1-(1-Cloroetiliden)-3-metilciclohexano

CH3

13

C

CH2Cl

CH31

1-(1-Clorometiletiliden)-4-clorociclohexano

1

1

2

1 2Cl

4

III

Page 51: LIBRO1 (0-675).pdf

38

CH

1-Ciclohexiliden-2-cloroetano

CH2Cl C

Cl

CH3

1-(3-Metilciclohexiliden)-1-cloroetano

CH3

13

C

CH2Cl

CH31

1-(4-Clorociclohexiliden)-1-clorometiletano

1

1

2

1 2Cl 4

CH3

12

3

1,1'-Biciclohexilideno

11'

3-Metil-1,1'-biciclohexilideno

CH3

12

3

H3C

1'2'

3'

3,3'-Dimetil-1,1'-biciclohexilideno

CH3 CH CH CH CH CH3 CH3 C CH CH CH CH3 CH3 CH C CH C CH3

CH3 CH3 CH3

2,4-Hexadieno 2-Metil-2,4-hexadieno 2,4-Dimetil-2,4-hexadieno

1 2 4 1

2

4

24

CH3 CH C CH CH CH CH3 CH3 C C CH C CH CH3

CH3 CH3

2,3,5-Heptatrieno 2,5-Dimetil-2,3,5-heptatrieno

CH2

3-Metilenciclohexeno

1

CH2

CH3

2

4

2-Metil-4-metilenciclohexeno

CH2

4-Metilenciclohexeno

1

43

1

CH3 CH3 CH31

1

5

3

1

2

4

1,3-Ciclohexadieno 1-Metil-1,3-ciclohexadieno 5-Metil-1,3-ciclohexadieno 1-Metil-1,4-ciclohexadieno

3

1

3

CH2 CHCH3

CH3

1-Isobutil-1,3-ciclohexadieno

CH2 CHCH3

CH3

5-Isobutil-1,3-ciclohexadieno

CH2 CHCH3

CH3

6-Isobutil-1,4-ciclohexadieno

1

1

12

2

23 3

34

4

4

55

6

III

Page 52: LIBRO1 (0-675).pdf

39

12

1

3

2

5

1

1,3-Ciclohexadienilo

3

2,4-Ciclohexadienilo 2,5-Ciclohexadienilo

2

4

3

4

12

1

3

1-(1,3-Ciclohexadienil)-3-metilciclohexano

3

2

4

1-(2,4-Ciclohexadienil)-4-metilciclohexano

CH3

CH3

1

4

1

3

2-Ciclohexenilideno

1

2

3

1 12 2

3 3

4

3-Ciclohexenilideno 2,4-Ciclohexadienilideno

12

3

4

2,5-Ciclohexadienilideno

5

CH3CH2 CH2CH3

CH31

23

1'3'

1'-(3-Etil-2-ciclohexeniliden)-3'-metilciclohexano

12

3

CH3

1'-(3-Etil-3-ciclohexeniliden)-4'-metilciclohexano

4' 1'

CH3CH2 CH2CH3

CH3

12

3 1

23CH3

4' 1'1'3'

3-(3'-Metilciclohexiliden)-1-etilciclohexeno 4-(4'-Metilciclohexiliden)-1-etilciclohexeno

4

CH3

CH3

1

23

4

5

1'3'

1'-(4-Metil-3,5-ciclohexadieniliden)-3'-metilciclohexano

CH3

CH3

123

4

5

1'3'

1'-(4-Metil-2,4-ciclohexadieniliden)-3'-metilciclohexano

III

Page 53: LIBRO1 (0-675).pdf

40

ESTEREOISOMERÍA DE DOBLES ENLACES. ISOMERÍAS (Z)/(E) Y ÓPTICA

MONOOLEFINAS

Los sustituyentes unidos a los carbonos de un enlace C=C permanecen fijos en su posición relativa, ya que la energía requerida para que tenga lugar la rotación alrededor del enlace C=C (45 kcal/mol) es mucho mayor que la disponible a temperatura ambiente. Así pues, los alquenos con distintos sustituyentes en los dos carbonos del doble enlace, pueden existir en dos formas estereoisómeras, denominadas (Z) y (E):

CH3CH3

H H

(Z)-2-buteno

H HCH3CH3

(p.e. = 40C)

HCH3

H CH3

(E)-2-buteno

H CH3

HCH3

(p.e. = 10C) DIASTEREOISÓMEROS: Estereoisómeros que no son imágenes especulares entre sí

CH2CH3 [2][1] CH3

[2] H CH2CH2CH3 [1]

(E)-3-Etil-2-hexeno

CH3 CH C

CH2CH3

CH2CH2CH3

1

1

2

2

3

3

4

4

5

5

6

6

3-Etil-2-hexeno

CH2CH2CH3[1][1] CH3

[2] H CH2CH3 [2]

(Z)-3-Etil-2-hexeno

1

2 3

4 5 6

Los radicales con un doble enlace pueden presentar isomería (Z)/(E):

(Z)-2-Butenilo (E)-2-Butenilo (Z)-2-Pentenilo (E)-2-Pentenilo

HH

CH2 CH3

CH3H

CH2 H

HH

CH2 CH2CH3

CH2CH3H

CH2 H

[(Z)-2-Butenil]ciclohexano

12

12

[(E)-2-Butenil]ciclohexano

HH

CH2 CH3

CH3H

CH2 H

III

Page 54: LIBRO1 (0-675).pdf

41

12

12

HH

CH2 CH3

CH3H

CH2 H

1-[(Z)-2-Butenil]ciclohexeno 1-[(E)-2-Butenil]ciclohexeno 3-[(Z)-2-Butenil]ciclohexeno

1 2

CH3H

CH2 H

2

3

OLEFINAS CON DOS DOBLES ENLACES CONJUGADOS 2,4-Heptadieno:

HMe

HEt

H

H

HMe

HH

Et

H

HH

HEt

H

Me

HH

HH

Et

Me

(2Z,4Z) (2Z,4E) (2E,4Z) (2E,4E)

2

4

EJERCICIO RESUELTO¿Cuántos diastereoisómeros tiene el 2,4-Hexadieno?

RESPUESTA:

HMe

HMe

H

H

HMe

HH

Me

H

HH

HMe

H

Me

HH

HH

Me

Me

(2Z,4Z) (2Z,4E) (2E,4Z) (2E,4E)

2

4

Los estereoisómeros (2Z,4E) y (2E,4Z) son iguales (superponibles)

OLEFINAS CON DOBLES ENLACES ACUMULADOS (CUMULENOS)

CR2

R1

CC

R3

R4

R3

R1 R2

R4

[eje quiral]

Los cumulenos con un número par de dobles enlaces pueden ser ópticamente activos:

( )CMe

HC C

Et

H

( ) CMeHCC

Et

H

III

Page 55: LIBRO1 (0-675).pdf

42

Los átomos de carbono con doble enlace son los que definen la quiralidad de la molécula (eje quiral) Los sustituyentes perpendiculares al plano del papel (más próximos al observador: H, Me) tienen prioridad sobre los más alejados (los situados en el plano: H, Et):

( )CMe

HC C

H

Et C(CHH)[3]

[2]H C(HHH)[1]

H[4]

(R)

H[4]

[2]H C(HHH)[1]

C(CHH)[3]

(S)

( )CMe

HC C

Et

H

(1)

(2)

Lo más cómodo es mirar la molécula desde el lado en el que los sustituyentes son perpendiculares al plano del papel (desde la izquierda en el ejemplo anterior)

(1)

¡ ASÍ NO !

( ) CMeHCC

Et

H

Si la molécula se mira al contrario, se btiene la confogurción opuesta a la real.

C(CHH)[3]

[2]H C(HHH)[1]

H[4]

(S)

Si en un cumuleno se intercambian los sustituyentes de uno de los carbonos con doble enlace, se obtiene su enantiómero:

H[4]

[2]H C(HHH)[1]

C(CHH)[3]

(S)

C(CHH)[3]

[2]H C(HHH)[1]

H[4]

(R)

[intercambio]

( )CMe

HC C

H

Et

( )CMe

HC C

Et

H

Los cumulenos con un número impar de dobles enlaces pueden presentar isomería (Z)/(E):

(Z)-2,3,4-Hexatrieno (E)-2,3,4-Hexatrieno

( )CMe

HC C

MeHC

( )CMe

HC C

HMeC

III

Page 56: LIBRO1 (0-675).pdf

43

PRIORIDADES DE LOS RADICALES CON DOBLE ENLACE Los átomos subrayados son átomos "extra", que se añaden porque existe un doble enlace.

C12C

2 1C1(CC) C2(C)

(C)

C C

(C) En el ejemplo siguiente, los átomos de carbono del doble enlace que se duplican aparecen subrayados; la prioridad de los radicales aumenta de arriba hacia abajo: 1. C1(CHH) C2(CHH) CH2=C-CH2CH2-

Me 2. C1(CHH) C2(CCH) C3(CCH) C4(CHH) CH2=CH-CH-CH2-

Me 3. C1(CHH) C2(CCH) C3(CCH) C4(CHH) C5(HHH) Et-CH=CH-CH2- 4. C1(CHH) C2(CCH) C3(CCC) Me2C=CH-CH2- 5. C 1(CHH) C2(CCC) Me-CH=C-CH2-

Me

CH2=CH-CH2-CH-Me

6. C1(CCH) C2(CHH) 7. C 1(CCH) C2(CCH) C3(CHH) Et-CH=CH- 8. C 1(CCH) C2(CCH) C3(CCH) Me-CH=CH-CH-

Me

III

Page 57: LIBRO1 (0-675).pdf

44

Si resulta imposible establecer las prioridades de dos radicales, se recurre a la regla siguiente: tienen prioridad los átomos de carbono reales sobre los duplicados. En el 3,4-dimetilciclobuteno se plantea este problema:

21

Me

H

Me

H34

Átomo de carbono 3 (prioridades): C4(C1CH)[1] C2(C1CH)[2]>

Átomo de carbono 4 (prioridades): C3(C2CH)[1] C1(C2CH)[2]>

(3S)

Me[3]

[1](C1CH)C4 C2(C1CH)[2]

H[4]

3

Me[3]

[2](C2CH)C1 C3(C2CH)[1]

H[4]

4

(4R)

EJERCICIO RESUELTO¿Cuántos estereoisómeros tiene el 2,3,5-Heptatrieno?

RESPUESTA:CH3 CH C CH CH CH CH3

2,3,5-Heptatrieno

( ) C

H

H H

CH3 H

( ) CMe

CC

H

HH

H3C

H[4]

H[2] C(HHH)[1]

C(CCH)[3]

(S)

H[4]

H[2] C(HHH)[1]

C(CCH)[3]

(R)

(Z)(S)-2,3,5-Heptatrieno (Z)(R)-2,3,5-Heptatrieno

CMe

HC

( ) C

H

H CH3

H

( )C

H

HCH3

H

(E)(S)-2,3,5-Heptatrieno (E)(R)-2,3,5-Heptatrieno

CMe

HC C

HMeC

III

Page 58: LIBRO1 (0-675).pdf

45

RESPUESTA (continúa)H[4]

[2]H C(HHH)[1]

C(CCH)[3]

(S)

H[4]

[2]H C(HHH)[1]

C(CCH)[3]

(R)

El compuesto tiene cuatro estereoisómeros (dos parejas de enantiómeros):

Pareja de enantiómeros: (S)(Z) y (R)(Z)

Pareja de enantiómeros: (S)(E) y (R)(E)

EJERCICIO RESUELTO

¿Cuántos estereoisómeros tiene el 5-Metil-2,3-heptadieno?

RESPUESTA:

CH3 CH C CH CH

CH3

CH2CH31 2 3 4

5-Metil-2,3-heptadieno

C(CCH)[3]

[2]H C(HHH)[1]

H[4]

(R)

H

EtMe

2 3 45 H[4]

[2](HHC)C C(HHH)[3]

C(CCH)[1]

5

C(CCH)[3]

[2]H C(HHH)[1]

H[4]

(S) (5S)H[4]

[2](HHC)C C(HHH)[3]

C(CCH)[1]

5

CMe

HC

( ) C

H

HEtMe

2 3 4

5

CMe

H C

( ) C

H

(1)

(2)

(3)

(4)

C(CCH)[3]

[2]H C(HHH)[1]

H[4]

(R)

H

MeEt

2 3 45

(5S)

H[4]

C(CHH)[2][3](HHH)C

C(CCH)[1]

5

C(CCH)[3]

[2]H C(HHH)[1]

H[4]

(S)

H[4]

C(CHH)[2][3](HHH)C

C(CCH)[1]

5

CMe

HC

( ) C

H

HMe

Et

2 3 4

5

CMe

HC

( ) C

H

El 5-Metil-2,3-heptadieno tiene cuatro estereoisómeros (dos parejas de enantiómeros):

Parejas de enantiómeros: (1) (R)(5R) y (2) (S)(5S) ; (3) (R)(5S) y (4) (S)(5R)

(5R)

(5R)

III

Page 59: LIBRO1 (0-675).pdf

46

ESTEREOQUÍMICA DE ALQUILIDENCICLOALCANOS

Los alquilidencicloalcanos tienen una geometría semejante a los cumulenos con dos enlaces dobles:

CR2

R1CC

R3

R4

R3

R1 R2

R4

[eje quiral]

EtMe

14

1-(1-Propiliden)-4-metilciclohexano

Et

HMe

EtMe

Me Me

(S) (R)

[1] [1][2] [2]

[3] [3]

[4] [4]

Et Et

HH

H HH

H

H H

H

NOMENCLATURA DE ALQUINOS

CH3 C CHHC CH CH3 C C CH3HC C CH2 CH3

EtinoAcetileno Propino 1-Butino 2-Butino

HC C CH2 CH CH3 CH3 C C CH CH3 CH3 C C C CH3

CH3

CH3

CH3 CH3

4-Metil-1-pentino 4-Metil-2-pentino 4,4-Dimetil-2-pentino

CH C C CHCH3 CH3

1CH3

1-Ciclohexil-1,4-dimetil-2-pentino

CH2 C C CH2CH31

1-Ciclohexil-2-pentino

C C CH2CH2CH31

1-Ciclohexil-1-pentino

III

Page 60: LIBRO1 (0-675).pdf

47

CH C CCH3

C CH C CH3

CH3

1 2 3 4 5 6

1-(1-Ciclohexenil)-1,5-heptadien-2,6-dimetil-3-ino

CH C CCH3

C CH C CH3

CH3

1 2 3 4 5 6

1-(2,5-Ciclohexadienil)-1,5-heptadien-2,6-dimetil-3-ino

2

5

CH3 C CHC C CH3 C C CH2

Etinilo 1-Propinilo 1-Butinilo 2-Butinilo

CH3 CH2 C C

3-Metil-1-butinilo

CH3 CH C C CH3 C C CH

1-Metil-2-butinilo

CH3 CH3

CH3 C C C CH2

CH3

2-Metil-3-pentinilo

C C CH2CH2CH3

1

1-Pentinilo

CH2 C C CH2CH3

2-Pentinilo

1CH C C CHCH3 CH3

1

1,4-Dimetil-2-pentinilo

CH3

NOMENCLATURA DE HIDROCARBUROS AROMÁTICOS

C6H5

Benceno Fenilo

CH2

C6H5 CH2

Tolueno Bencilo

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

1

2

1 1

3

4

1,2-Dimetilbenceno 1,3-Dimetilbenceno 1,4-Dimetilbenceno

o-Dimetilbenceno m-Dimetilbenceno p-Dimetilbenceno

o-Xileno m-Xileno p-Xileno

CH C CH CCH2

CH3

CH2 CCH3

CH3

CH3

Feniletileno

Vinilbenceno

Estireno

2-Fenilpropeno 1-Fenil-2-metilpropeno 2-Fenil-2-buteno

(2-Metil-1-propenil)benceno (1-Metil-1-propenil)benceno

CH CH3

III

Page 61: LIBRO1 (0-675).pdf

48

1

2

Ciclohexilbenceno 1-Fenilciclohexeno 3-Fenilciclohexeno

1

3

Fenilciclohexano (1-Ciclohexenil)benceno (2-Ciclohexenil)benceno

1

2

1

2

C CH C C C C CH2CH3 CH2CH3

Fenilacetileno 1-Fenilpropino

CH2 C CH

3-Fenil-1-propino 1-Fenil-1-butino

C C CHCH3

CH3

1-Fenil-4-metil-2-pentino

1

2 3

4

56

2'3'

4'

5' 6'

1'

Bifenilo

1

2

3

45

6

7

88a

4a

12

3

45

6

7

8 9

10

8a 9a

10a 4a1

2

3

45

67

8

9

1010a

4a

4b

8a

1

2

34

4a4b

56

7

8 8a

9 1010a

Naftaleno Antraceno Fenantreno Fenantreno

EJERCICIO RESUELTODibuja todos los isómeros derivados del benceno, que tienen la fórmula molecular C9H12.

RESPUESTA:

CH2CH2CH3 CH CH2CH3

CH3

CH2CH3

CH3

1

3

CH3 CH3

Propilbenceno Isopropilbenceno 2-Metiletilbenceno 3-Metiletilbenceno

1

2

1-Fenilpropano 2-Fenilpropano o-Metiletilbenceno

o-Etilmetilbenceno

m-Metiletilbenceno

m-Etilmetilbenceno

CH3 CH3CH2CH3 CH3CH3

CH3

1

3

1

2

CH3

CH3

CH3 CH3

CH3

1 1

34 4

5

p-Etilmetilbenceno 1,2,3-Trimetilbenceno

2

1,2,4-Trimetilbenceno 1,3,5-Trimetilbenceno

III

Page 62: LIBRO1 (0-675).pdf

49

EJERCICIOS ADICIONALES

3.1 Ordena los siguientes radicales de menor a mayor prioridad:

HC C__CH2_ H2C CH_CH2

_ HC C_ H2C C_ H2C CH_ CH3_C C_

(1) (2) (3) (4) (5) (6) 3.2 Indica cuántos estereoisómeros tiene cada uno de los siguientes compuestos: 1-Cloro-1-penteno, 3-Cloro-1-penteno, 4-Cloro-1-penteno y 4-Cloro-2-penteno. Nombra de forma inequívoca cada uno de los estereoisómeros. 3.3 Asigna la configuración absoluta a los estereoisómeros de los siguientes compuestos: 2,3-Hexadieno, 2,4-Dicloro-2,3-pentadieno y 2,3,4-Hexatrieno. 3.4 Dibuja los siguientes estereoisómeros del 2-Cloro-5-metil-2,4-heptadieno: (2Z,4Z), (2E,4E), (2Z,4E) y (2E,4Z) 3.5 Averigua la configuración absoluta del siguiente cumuleno:

C C

( ) C

Br

HH

Et1

23

1' 4'4

6

III

Page 63: LIBRO1 (0-675).pdf

4. NOMENCLATURA DE GRUPOS FUNCIONALES

INTRODUCCIÓN

R__X ; Ar__X (X = F, Cl, Br, I)

R__OH ; Ar__OH

R__O__R ; R__O__R' ; R__O__Ar ; Ar__O__Ar

R__NH2 ; R__NH__R ; N

R

R R

C__H

O

R C__H

O

Ar C__R

O

R C__Ar

O

R; ; ;

C__OH

O

R C__OH

O

Ar;

C__O_R'

O

R C__O_R

O

Ar;

C__NH2

O

R C__NH_R

O

Ar; C__NR2

O

Ar;

C__X

O

R C__X

O

Ar; (X = Cl, Br, I)

C__O

O

R ;C__H

O

C__O

O

Ar C__Ar

O

C NR ; C NAr

R__NO2 ; Ar__NO2

1 Haluros de alquilo:

2 Alcoholes y fenoles:

3 Éteres:

4 Aminas:

5 Aldehidos y cetonas:

6 Ácidos carboxílicos:

7 Ésteres:

8 Amidas:

9 Haluros de ácido:

10 Anhidridos de ácido:

11 Nitrilos:

12 Nitrocompuestos:

HALUROS DE ALQUILO

ACÍCLICOS SATURADOS CH3CH2

__X (X = F, Cl, Br, I) (Cloroetano, Bromuro de etilo, etc.) X__CH2CH2

__X (X = F, Cl, Br, I) (1,2-Dicloroetano, 1-Bromo-2-yodoetano, etc.)

(X = F, Cl, Br, I) (1,1-Dibromoetano, 1-Cloro-1-yodoetano, etc.)X CH

X

CH3

IV

Page 64: LIBRO1 (0-675).pdf

51

Bromuro de neopentilo

1-Bromo-2,2-dimetilpropano

Cloruro de isopropilo

2-Cloropropano 7-Bromo-2-cloro-5-isopropil-2,7-dimetilnonano

CH3 CCH3

CH3

CH2Br CH3 CH

Cl

CH3 CH3CH2 C

Br

CH3

CH2 CH

CHMe2

CH2CH2 C

Cl

CH3

CH3

CÍCLICOS SATURADOS

Cl

(Clorociclohexano ; Cloruro de ciclohexilo)

H

(e) Cl

Cl (a)

H

(e) Clorociclohexano (a) Clorociclohexano

H

H1

1

H

H

H

(e) I

I (a)

H

(cis) (1a)-Cloro-(4e)-yodociclohexano

Cl (a)

H1

4

4

1

H

Cl (e)

(cis) (1e)-Cloro-(4a)-yodociclohexano

21

MeBr

cis (1S,2R) 1-Bromo-2-metilciclobutano

H

H

Br

Me

1

2

cis (1S,2R)

H

H

Me

Br

2

1

cis (1S,2R)

=H H

Br

Me

H

H

1

2

(cis)(1R,2S)

12

BrMe

(cis)(1R,2S) 1-Bromo-2-metilciclobutano

Me

Br

H

H

2

1

(cis)(1R,2S)

=H H

IV

Page 65: LIBRO1 (0-675).pdf

52

(trans)(1S,3S) 1-Bromo-3-clorociclopentano

31

Br

H

H

ClHBr

H Cl1 3

(trans)(1S,3S)

HClH Br

13=

(trans)(1S,3S)

(trans)(1R,3R) 1-Bromo-3-clorociclopentano

3 1

Br

H

H

ClH Cl

HBr1 3

(trans) (1R,3R)

BrHCl H

13 =

(trans) (1R,3R)

INSATURADOS ALIFÁTICOS

CH2Cl C

H

Cl

Clorometilo Clorometileno

CHCl2

Diclorometilo

CCl3

Triclorometilo

C

Cl

Cl

Diclorometileno

Cl_CH CH2

CloroetilenoCloruro de vinilo

Br_CH2_CH CH2

3-Bromopropeno Bromuro de alilo

CH3_CH C_CH2CH2CH3

MeI

3-Metil-2-yodo-2-hexeno

Br

Cl1

2

4-Bromo-1-clorociclohexeno

CH_Me

Cl

H

Me Me

(E)-4-Cloro-3-metil-2-penteno

Cl

Br

4-Bromo-5-clorociclohexeno

1

24

54

2 3

45

1

Cl

H

H

Br

Cl

H

H

Br

H

H

Cl

Br

H

H

Cl

Br

(trans)(4S,5S) (trans)(4R,5R) (cis)(4S,5R) (cis)(4R,5S)

1 1 1 1

2 2 2 24 4 4 4

5 5 5 5

(4-Bromo-5-clorociclohexeno)

HH

HBrCl

HH

H

HBrH

ClBr

H

HHCl

HBr

H

HHH

Cl

(1E,3Z) (1E,3E) (1Z,3Z) (1Z,3E)

1 1 1 13 3 3 34 4 4 4

(1-Bromo-4-cloro-1,3-butadieno)

IV

Page 66: LIBRO1 (0-675).pdf

53

C C_H

4-Cloro-1-butino 4-Bromo-1-cloro-2-pentino

C CH

Me

13

(3-Metilciclohexil)acetileno

ClCH2CH2

MeCHBr C C CH2 Cl

CH2Cl CClH

Clorometilciclohexano Clorometilenciclohexano

HIDROCARBUROS AROMÁTICOS

X

X

(X = F, Cl, Br, I)

(m-Dibromobenceno, m-Fluoroyodobenceno, etc.)

X

X

(X = F, Cl, Br, I)

(p-Diyodobenceno, p-Bromoyodobenceno, etc.)

(X = F, Cl, Br, I)

X

(Clorobenceno, Bromobenceno, etc.)

XX

(X = F, Cl, Br, I)

(o-Diclorobenceno, o-Bromoclorobenceno, etc.)

Bu

X

(X = F, Cl, Br, I) (p-Bromobutilbenceno, p-Butilclorobenceno etc.)

MeX

(X = F, Cl, Br, I) (o-Clorotolueno, o-Bromotolueno etc.)

Et

X(X = F, Cl, Br, I) (m-Etilyodobenceno, m-Etilfluorbenceno, etc.)

IV

Page 67: LIBRO1 (0-675).pdf

54

MeX

(X = F, Cl, Br, I) 4-Bromo-2-clorotolueno, 2-Bromo-4-yodotolueno etc.)

X

1

2

4

Et

X(X = F, Cl, Br, I) (2,3,5-Tricloroetilbenceno, 2-Bromo-3,5-dicloroetilbenceno etc.)

X

X

1

2

35

Bu

X

(X = F, Cl, Br, I) (4-Bromo-2,3-dicloro-5-metilbutilbenceno, 5-Metil-2,3,4-triyodobutilbenceno etc.)X

X Me

1

3

2

4

5

Cl

MeBr

1

36

6-Bromo-1-cloro-3-metilnaftaleno

Cl

Et

Br

Me

2

4

2'

4'

2'-Bromo-4-cloro-2-etil-4'-metilbifenilo

CH=CHCl

Br

4

1

Et 6

1-Bromo-4-(2-clorovinil)-6-etilnaftaleno

CH2C6H5

1C6H5

4

4-Bencil-5-bromo-1-fenilnaftaleno

1

Cl

1-(m-Clorofenil)naftaleno

Cl

m-(1-Naftil)clorobenceno

=

1Br5

Br

Me

Br18

10

1,8-Dibromo-10-metilantraceno

C6H5

ClBu

Br 6

81

3

3-Bromo-1-butil-8-cloro-6-fenilantraceno

IV

Page 68: LIBRO1 (0-675).pdf

55

ALCOHOLES Y FENOLES

R CH2 CH2OH R CH2 CHR'

R CH2 CR'

R''OH OH

alcohol primario alcohol secundario alcohol terciario CH3OH (Metanol, Alcohol metílico) CH3CH2OH (Etanol, Alcohol etílico) CH3CH2CH2OH (1-Propanol, n-Propanol, Alcohol n-propílico)

CH

OH

CH3CH3 (2-Propanol, Isopropanol, Alcohol isopropílico) CH3CH2CH2CH2OH (1-Butanol, n-Butanol, Alcohol n-butílico)

CH3CH2_CH_CH3

OH(2-Butanol, sec-Butanol, Alcohol sec-butílico)

CH3_CH_CH2OH

CH3

(2-Metil-1-propanol, Isobutanol, Alcohol isobutílico)

CH3_C__OH

CH3

CH3

(2-Metil-2-propanol, Alcohol terc-butílico)

1-Pentanol

CH3CH2CH2CH2CH2OH

2-Pentanol 3-Pentanol

CH3CH2 CH2 CH CH3

OH

CH3CH2 CH CH2CH3

OH

CH2 CH_CH_CH3

OH

CH2 CH_CH2OH

2-Propen-1-ol

Alcohol alílico

3-Buten-2-ol

C CH_CH2OHCH3

CH3

3-Metil-2-buten-1-ol 4-Cloro-3-penten-2-ol

C CH_CH_CH3CH3

Cl OH

IV

Page 69: LIBRO1 (0-675).pdf

56

CH2CH2OH

2-(1-Ciclohexenil)etanol

CH_CH3

OH CH2CH2OH1

21

1

2

1

23

1-(1-Ciclohexenil)etanol 2-(2-Ciclohexenil)etanol

HOCH2__CH2OH

1,2-Etanodiol

Etilenglicol

HOCH2__CH__CH2OH

OH

1,2,3-Propanotriol

Glicerina

HOCH2__CH__CH2OH

Br

2-Bromo-1,3-propanodiol

CH2OH

Fenilmetanol

Alcohol bencílico

CH2CH2OH CH_CH3HO2 1

CH2CH2CH2OH

Cl

2-Feniletanol 1-Feniletanol

3

3-(m-Clorofenil)-1-propanol

4-Fenil-2-buten-1-ol 1-(m-Yodofenil)-2-propen-1-ol

CH

Me

3-[1-(3-Metilnaftil)]-2-propen-1-ol

1

3

3CH2

_CH CH CH2OH I

CHOH

CH CH2

CH CH2OH

OH OHMe

OH

Me

HO

Me

Fenol o-Metilfenol

o-Cresol

m-Metilfenol

m-Cresol

p-Metilfenol

p-Cresol

OHMe

CH

OHOH

OH

Br

2-Meti-4-vinilfenol1-Naftolα-Naftol

2-Naftolβ-Naftol

3-Bromo-1-naftolCH2

IV

Page 70: LIBRO1 (0-675).pdf

57

m-(2-Metil-1-propenil)fenol

OHCH2CH2OH

o-(2-Hidroxietil)fenol

2-(o-Hidroxifenil)etanol

HO CH_CH3

OH

p-(1-Hidroxietil)fenol

1-(p-Hidroxifenil)etanol

OH

CH CCH3

CH3

ÉTERES

CH3_O_CH3 CH3

_O_CH2CH3 CH3CH2_O_CH2CH3

Dimetil éter Etil metil éter Dietil éter

O_CH3

Ciclohexil metil éter

MeO_ EtO_

Metoxi Etoxi

CH3CH2_O_CH2CH2Cl

1-Cloro-2-etoxietano

(2-Cloroetil) etil éter

O_Et

Etoxiciclohexano

Ciclohexil etil éter

CH3_O_CH=CH2

Metil vinil éter

Metoxietileno

HO

O_CH=CH_CH3

(3-Hidroxiciclohexil) (1-propenil) éter

OMe HO OEt MeO CH=CH_CH3

Fenil metil éter

Metoxibenceno

Anisol

(p-Hidroxifenil) etil éter

p-Etoxifenol

Metil [p-(1-propenil) fenil] éter

Anetol

OMe

CH=CH25

1

1-Metoxi-5-vinilnaftaleno

H2C CH2O

Oxirano

Oxido de etileno

ClCH2__CH CH2

O

Clorometil oxirano1-Cloro-2,3-epoxipropano

C6H5O_ C6H5CH2O_ CH2=CH_CH2O_

Fenoxi Benciloxi Aliloxi

IV

Page 71: LIBRO1 (0-675).pdf

58

AMINAS

amina primaria amina secundaria sal de amonioamina terciaria

+R CH2 NH2

:

R CH2 N:

HR' R CH2 N:

R''R' R CH2 N

R''R'

R'''

CH3_NH2 CH3

_N_CH3

CH3

CH3_NH_CH3

Metilamina Dimetilamina Trimetilamina

CH3CH2_NH_CH2CH2CH3

Etilpropilamina

CH3 CH2 CH2 CH2 CH2 NH2

1

1-Pentanamina

CH3 CH2 CH2 CH

CH3

2-Pentanamina

NH2

CH3 CH2 CH

3-Pentanamina

NH2

CH2 CH31

1

Pentilamina 1-Metilbutilamina 1-Etilpropilamina

2-Metil-3-pentanamina

CH3 CH

CH2 CH

CH3CH3

NH2

1,3-dimetilbutanamina

CH3 CH2 CH

CH

CH3

CH3NH2

1-Isopropilpropilamina1,3-Dimetilbutilamina

CH3 CH

CH

CH

CH3CH3

CH3

2,4-Dimetil-3-pentanamina

NH2

1,4-Butanodiamina

(putrescina)

1,5-Pentanodiamina

(cadaverina)

H2N CH2CH2CH2CH2 NH2 H2N CH2CH2CH2CH2CH2 NH2

NH2 NMeMe

Ciclohexilamina N,N-Dimetilciclohexilamina Metilvinilamina

NH2

Me

12

3

(3-Metil-2-ciclohexenil)amina

CH2 CH N CH3

H

H2N

Me

1

2

3

4

(4-Metil-3-ciclohexenil)amina

NH21

2

5

(2,5-Ciclohexadienil)amina

NH21

3

(1,3-Ciclohexadienil)amina

IV

Page 72: LIBRO1 (0-675).pdf

59

NH2 NH2

Me

NH2

NH2

Fenilamina

Anilina

o-, m-, p- Metilanilina

o-, m-, p-Toluidinao-, m-, p- Fenilendiamina

H2N N 2

p-(p-Aminofenil)anilinaBencidina

H

NH2OMe

Cl

4-Cloro-2-metoxianilina

NH_Me

OH

(m-Hidroxifenil)metilamina

NH2NH2

1-Naftilamina

α-Naftilamina

2-Naftilamina

β-Naftilamina

NH_C6H5

(N-Fenil)-1-naftilamina

CH2_CH_NH2

Me

Anfetamina

CH2CH2NH2

OHOH

2-(3,4-Dihidroxifenil) etilamina

Dopamina

1 1

12

12

34

2-Fenilisopropilamina

CH2CH2NH2

OMeOMe

MeO

2-(3,4,5-Trimetoxifenil) etilamina

OMeCH2

_CH_CH3

NH2

OO

HH

MDA ("Extasis")Mescalina (alucinógeno)

2

1

2

3

5

4

2 1

2

4

5

1

2-(2-Metoxi-4,5-metilendioxifenil)isopropilamina

ALDEHIDOS

C__H

O

H (H_CHO ; CH2O) (Metanal, Formaldehido, Formol)

C__H

O

CH3 (CH3_CHO) (Etanal, Acetaldehido)

C__H

O

CH3CH2 (CH3CH2_CHO) (Propanal, Propionaldehido)

IV

Page 73: LIBRO1 (0-675).pdf

60

Cuando el grupo –CHO está unido directamente a un átomo de carbono de un sistema cíclico, el nombre del aldehido se forma añadiendo el sufijo “carbaldehido” al nombre del sistema cíclico:

CHO CHO

Ciclohexanocarbaldehido Ciclopentanocarbaldehido

CHOCHO

1,2-Naftalenodicarbaldehido

CH2 CH_CH_CHO

CH3

2-Metil-3-butenal

CH2 C_CH2_CHO

CH3

3-Metil-3-butenal

CH2 C_CH2CH2_CHO

CH3

4-Metil-4-pentenal

CHO CHO1

3

21

1-Ciclohexeno-1-carbaldehido 2-Ciclohexeno-1-carbaldehido

CHO

3

21

Me 5

5-Metil-2-ciclohexeno-1-carbaldehido

CHO CH=CH_CHO CHO

OMe

CHO

OMeOH

Benzaldehido p-Metoxibenzaldehido3-Fenilpropenal

Cinamaldehido4-Hidroxi-3-metoxibenzaldehido

Vainillina

CETONAS

CH3 C__CH3

O

(Dimetil cetona, Propanona, Acetona))(CH3_CO_CH3)

CH3CH2 C__CH3

O

(CH3CH2_CO_CH3) (Etil metil cetona, Butanona)

CH3CH2CH2 C__CH3

O(CH3CH2CH2

_CO_CH3) (Metil propil cetona, 2-Pentanona)

CH3CH2 C__CH2CH3

O(CH3CH2

_CO_CH2CH3) (Dietil cetona, 3-Pentanona)

IV

Page 74: LIBRO1 (0-675).pdf

61

CH3CH_CH2 C__CH3

OCH3

(CH3_CH_CH2

_CO__CH3)

CH3

( Isobutil metil cetona, 4-Metil-2-pentanona)

CH3CH2 C__CH_CH3

O CH3

(CH3CH2 CO__CH_CH3)CH3

(Etil isopropil cetona, 2-Metil-3-pentanona

CH2=CH C__CH3

O

CH2=CH_CH2 C__CH3

OCH2=CH C__CH2CH3

O

Metil vinil cetona Alil metil cetona Etil vinil cetona

3-Buten-2-ona 4-Penten-2-ona 1-Penten-3-ona

CH3C=CH C__CH3

OCH3

(2-Metil-1-propenil) metil cetona

4-Metil-3-penten-2-ona

CH2_CO_CH2CH3CO_CH2

_CH2CH3

1-(2-Ciclohexenil)-2-butanonaCiclohexil propil cetona

CO_CH2_CH2CH3

1-Ciclohexenil propil cetona

1

2

1 1

CH3_CO_CO_CH2

_CH2_CH3 CH3

_CO_CH2_CO_CH2

_CH3 CH3_CO_CH2

_CH2_CO_CH3

2,3-Hexanodiona 2,4-Hexanodiona 2,5-Hexanodiona

1 2 3 1 2 4 1 2 5

O OO

Me

Et OH

O

5-Etil-3-hidroxi-1,2-ciclohexanodiona2-MetilciclopentanonaCiclobutanona

1 21 2

35

CO_CH3

CO CO

Fenil metil cetona

Acetofenona

Ciclohexil fenil cetona Difenil cetona

Benzofenona

OO

O

O

O

O?

o-Benzoquinona p-Benzoquinona m-Benzoquinona (?)

O

O

1,4-Naftoquinona

O O

1,8-Naftoquinona (?)

? ?

IV

Page 75: LIBRO1 (0-675).pdf

62

ÁCIDOS CARBOXÍLICOS

H C__OH

O

(H_CO2H) (Ác. metanoico, Ác. fórmico)

C__OH

O

CH3 (CH3_CO2H) (Ác. etanoico, Ác. acético)

C__OH

O

CH3CH2 (CH3CH2_CO2H) (Ác. propanoico, ác. Propiónico)

C__OH

O

CH3CH2CH2 (CH3CH2CH2_CO2H) (Ác. butanoico, Ác. butírico)

C__OH

O

CH3CH2CH2CH2 (CH3CH2CH2CH2_CO2H) (Ác. pentanoico, Ác. valérico)

C__OH

O

CH3__CH

CH3

(CH3_CH_CO2H)

CH3

(Ác. 2-metilpropanoico, Ác. isobutírico)

C__OH

OC__OH

O

CH2=CH CH2=CH_CH2C__OH

O

CH3_CH=CH C__OH

O

CH3CH2_CH=CH

Ác. propenoico Ác. 3-butenoico

Ác. acrílico

Ác. 2-butenoico Ác. 2-pentenoico

C__OH

O

CH2=CH_CH__CHC__OH

O

CH3_CH=CH_CH

Ác. 2-metil-3-pentenoico Ác. 2,3-dimetil-4-pentenoico

CH3 CH3 CH3

CH2=C_CH=CH_CO2HCH3

Ác.4-metil-2,4-pentadienoico

Ác. (E) 2-butenoico Ác. (Z) 2-butenoicoÁc. crotónico Ác. isocrotónico

Ác. etanodioico

Ác. oxálico

HO2C_CH2_CO2H

Ác. propanodioico

Ác. malónico

CO2HH

CH3 H

CO2HCH3

H H

OHHO

O O

HO2C_CH2CH2_CO2H HO2C_(CH2)3

_CO2H HO2C_(CH2)4_CO2H HO2C_(CH2)5_CO2H

Ác. butanodioico Ác. pentanodioico Ác. hexanodioico Ác. heptanodioico

Ác. succinico Ác. glutárico Ác. adípico Ác. pimélico

IV

Page 76: LIBRO1 (0-675).pdf

63

H

HO2C CO2H

H

ác. (Z) 2-Butenodioico

ác. Fumárico

HO2C

H CO2H

H

ác. (E) 2-Butenodioico

ác. Maleico

CO2H CO2H

NH2HO

ác. Ciclohexanocarboxílico ác. 3-Amino-5-hidtroxi- ciclohexanocarboxílico

1

5 3

CO2H CO2H CO2H

Ác. 1-ciclohexen-1-carboxílico Ác. 2-ciclohexen-1-carboxílico Ác. 3-ciclohexen-1-carboxílico

12

3 3

11

CO2H CO2H

Me

1 1

2

3

ác. (3-Metil-2-ciclohexen)- 1-carboxílico

Me

2

3

ác. (3-Metil-1-ciclohexen)- 1-carboxílico

CO2HO

O

CO2H1 2

1

6

53

ác. (3-Oxo-5-ciclohexen)- 1-carboxílico

3

ác. (2-Oxo-3-ciclohexen)- 1-carboxílico

CO2H CO2H

CH3

Ác. benzoico Ác. o-, m-, p-metilbenzoico

Ác. o-, m-, p-toluico

CO2HOH

Ác. o-hidroxibenzoico

Ác. salicílico

CH=CH_CO2H

Ác. 3-fenilpropenoico

13

Ác.cinámico

CO2H

OHOH

HOCO

CO2H

Ác. 3,4,5-trihidroxibenzoicoÁc. gálico

Ác. p-benzoilbenzoico

CO2H

Ác. 1-naftalenocarboxílico Ác. 2-naftalenocarboxílico

CO2H

CO2HCO2H

CO2H

CO2H

CO2H

CO2H

Ác. ftálico Ác. isoftálico Ác. tereftálico

IV

Page 77: LIBRO1 (0-675).pdf

64

ÉSTERES

H CH3C__O

O

C__O

O

CH3CH3 H C__O

O

CH2CH3 CH3 C__O

O

CH2CH3

Formiato de metilo Formiato de etilo Acetato de metilo Acetato de etilo

CH3CH2 C__O

O

CH3

Propanoato de metilo

CH3CH2CH2 C__O

O

CH3 CH3 C__O

O

CH2CH2CH3

Butanoato de metilo Acetato de propilo

Propionato de metilo Butirato de metilo

C__O

O

OCH3 CH3 C__O

O

C

O

CH3 O CH3 C__O

O

C

O

CH3 O C 3CH2

Carbonato de dimetilo Oxalato de dimetilo Malonato de dimetilo

H

C__O

O

CH3 C__O

O

CH2CH3CO2Me CO2Et( ) ( )

Metoxicarbonilo Etoxicarbonilo

CO2Me CO2Et CO2Me

Ciclohexanocarboxilato de metilo

Metoxicarbonilciclohexano

1

3

2

1-Etoxicarbonilciclohexeno

1

1-Metoxicarbonil-2-ciclohexeno

CO2Et

4

21

3

1-Etoxicarbonil-3-ciclohexeno

CO2CH2CH2CH3

Benzoato de propilo

CH=CH_CO2Me

3-Fenilpropenoato de metilo

13

Cinamato de metilo

CO2EtCO2Me

1

3

5

1-Naftalenocarboxilato de etilo

1-Etoxicarbonilnaftaleno

2-Naftalenocarboxilato de metilo

2-Metoxicarbonilnaftaleno

3-Cloro-5-fenil-6-hidroxi-5-metil- 3-hexenoato de etilo

6

C

CH2OH

CH3

CH C

Cl

CH2 CO2Et

IV

Page 78: LIBRO1 (0-675).pdf

65

AMIDAS

Las amidas se nombran sustituyendo la terminación ico de los ácidos, por la palabra amida (fórmico, formami-da; acético, acetamida; propiónico, propionamida, etc.)

C__NH2

O

H C__NH_CH3

O

H C__NH2

O

CH3 C__NH_CH2CH3

O

CH3

Formamida N-Metilformamida Acetamida N-Etilacetamida

CONH2

Ciclohexanocarboxamida

Carbamoilciclohexano

CONH2

3

21

1-Carbamoil-2-ciclohexeno

CONH_Me

OMe

4

21

1-(N-Metilcarbamoil)-2-metoxi-3-ciclohexeno

3

CONH2 CONH_Me CON_MeMe

Benzamida N-Metilbenzamida N,N-Dimetilbenzamida

C

O

NH

Benzanilida

(N-Benzoil) anilina

C__MeOH

N COH

N

Acetilamino Benzoilamino

NHCOMe

1-(N-Acetilamino) naftaleno

NHCOC6H5

2-(N-Benzoilamino) naftaleno

1 2

CONH

(N-Ciclohexil) benzamida

HALUROS DE ÁCIDO Los haluros de ácido se nombran sustituyendo la terminación ico de los ácidos, por ilo (fórmico, formilo; acéti-co, acetilo; propiónico, propionilo, etc.)

C__O

H Cl BrCH3 C__O

CH3CH2 C__O

I C6H5 C__O

Cl

Cloruro de formilo Bromuro de acetilo Yoduro de propanoilo Cloruro de benzoilo

IV

Page 79: LIBRO1 (0-675).pdf

66

C__

O

H CH3 C__

O

C6H5 C__

O

CH3CH2 C__

O

AcetiloFormilo BenzoiloPropionilo

C__

O

Cl C__

O

CH3CH C__

O

CloroacetiloCloroformilo 2-Cloropropionilo

ClCH2

Cl

CO2Et

COCl

m-Cloroformil benzoato de etilo

COCH2Cl1

1-Cloroacetil-7-cloroformilnaftaleno

COCHCH3

COCl

Cl

1-(2-Cloropropionil)-3-cloroformilnaftaleno

1

3

2ClOC 7

Dicloruro de oxalilo Dicloruro de maloniloDicloruro del ácido carbónico

Fosgeno

(empleado en la Primera Guerra Mundial)

C

O

Cl Cl C

O

Cl C

O

Cl C

O

Cl CH2 C

O

Cl

ANHIDRIDOS DE ÁCIDO

C__O

O

CO

CH3CH3 C__O

O

CO

CH3CH2 CH2CH3 C__O

O

CO

Anhidrido acético Anhidrido propiónico Anhidrido benzoico

(MeCO)2O ; Ac2O (EtCO)2O (C6H5CO)2O ; Bz2O

O

O

O

O

O

O

O

O

O

Anhidrido Succínico Anhidrido 1,2-Ciclohexanodicarboxílico Anhidrido Ftálico

IV

Page 80: LIBRO1 (0-675).pdf

67

NITRILOS

Los nitrilos se nombran sustituyendo la terminación ico de los ácidos, por nitrilo (propiónico, propionitrilo; butí-rico, butironitrilo; benzoico, benzonitrilo, etc.)

C N C N C N C NCH3 CH3CH2

Acetonitrilo PropionitriloBenzonitrilo

CH2

Etanonitrilo Propanonitrilo Fenilacetonitrilo

CN CN

3

21

Ciclohexanocarbonitrilo 2-Ciclohexen-1-carbonitrilo

CN

1-Ciclohexen-1-carbonitrilo

1CN

4

3

1

3-Ciclohexen-1-carbonitrilo

CH3

CNHO

1

5 3

3-Ciano-5-hidroxitolueno

CN

CH3HO

1

3 5

3-Hidroxi-5-metilbenzonitrilo

OH

CH3NC

1

3 5

3-Ciano-5-metilfenol

MeO O

CH2CH_CNCH3

CO2MeH2N

1

3

5

1

2

4

62

3

(6-metoxicarbonil-2-oxociclohexil)

(5-amino-3-metoxifenil)2-Metil-3-[...] propanonitrilo

2-Metil-3-[4-(5-amino-3-metoxifenil)-6-metoxicarbonil-2-oxociclohexil]propanonitrilo

NITRODERIVADOS

CH3_NO2 CH3CH2

_NO2 CH3CH2CH2_NO2 CH3CH2CH_NO2

CH3

CH3CHCH2_NO2

CH3

Nitrometano Nitroetano 1-Nitropropano 2-Nitrobutano 2-Metil-1-nitropropano

1

1

2 12

IV

Page 81: LIBRO1 (0-675).pdf

68

CH2=C_CH2_NO2

CH31

2CH3C=CH_NO2

CH3

12 3

2-Metil-1-nitropropeno 2-Metil-3-nitropropeno

NO2

Nitrociclohexano

NO2

1

23

NO21

1-Nitrociclohexeno 3-Nitrociclohexeno

NO2 CH3

NO2

NO2

NO2

CHO

NO2O2N

Nitrobenceno o-, m-, p-Nitrotolueno o-, m-, p-Dinitrobenceno 3,5-Dinitrobenzaldehido

NO2

NO2

COMe

NO2

CO2EtNO2

CH3O2N NO2

NO2

m-Nitroacetofenona o-Nitrobenzoato de etilo 2,4,6-Trinitrotolueno

TNT

1,3-Dinitronaftaleno

MOLÉCULAS HETEROCÍCLICAS

O S N N

NN

H1 11

1

1 1

2 2 22

2 23 3 3

3

3 3

4 4 4 4

4 4

5 5 55

5 5

6 6

7

8

6

7

8

Furano Tiofeno Pirrol Piridina Quinoleina Isoquinoleina

N

N

O

O

H

H1

2

34

56

Timina

se encuentra en el ADN

CH3

N

N

OH

1

2

345

6

Citosina

se encuentra en el ADN y en el ARN

NH2

N

NN

N

H

NH2H

1

23

4

5 6O

7

8

9

Guanina

se encuentra en el ADN y en el ARN

N

N

O

O

H

H1

2

345

6

Uracilo

se encuentra en el ARN

N

NN

NH

1

2

3

4

5 6NH2

7

8

9

Adenina

se encuentra en el ADN y en el ARN

IV

Page 82: LIBRO1 (0-675).pdf

69

PRIORIDADES RELATIVAS DE GRUPOS CON HETEROÁTOMOS (NOMENCLATURA R/S)

Prioridades de los átomos: H < C < N < O < F < Cl < Br < I

NITRILOS C1(NNN)1 N C

ALDEHIDOS Y CETONAS

CO

H C1(OOH)

CH3 CO

C1(OOC) C2(HHH)

CH3CH2 CO

C1(OOC) C2(CHH) C3(HHH)

C6H5 CH2 CO C1(OOC) C2(CHH) C3(CCC)

C6H5 CO C1(OOC) C2(CCC)

2

3

4

5

6

AMIDAS

C1(OON) N2(HH)7 H2N CO

C1(OON) N2(CH) C3(HHH)CH3 NH CO

8

CH2 NH CO

9 CH3 C1(OON) N2(CH) C3(CHH)

C6H5 NH CO C1(OON) N2(CH) C3(CCC)10

CH3 N

CH3

CO11 C1(OON) N2(CC) C3(HHH)

C1(OON) N2(CC) C3(CHH)Et NEt

CO12

C1(OON) N2(CC) C3(CCC)C6H5 N CO

C6H5

13

ÁCIDOS Y ÉSTERES

CO

HO

CH3 O CO

CH2 O COCH3

CH2 CH O CO

C6H5 O CO

C1(OOO) O2(H)

C1(OOO) O2(C) C3(HHH)

C1(OOO) O2(C) C3(CHH)

C1(OOO) O2(C) C3(CCH)

C1(OOO) O2(C) C3(CCC)

14

15

16

17

18

IV

Page 83: LIBRO1 (0-675).pdf

70

AMINAS

H2N

CH3 NH

C6H5 NH

CH3 NCH3

C6H5 NC6H5

19

20

21

22

23

N1(HH)

N1(CH) C2(HHH)

N1(CH) C2(CCC)

N1(CC) C2(HHH)

N1(CC) C2(CCC)

NITRODERIVADOS

O NO

24 N1(OOO)

ALCOHOLES, FENOLES Y ÉTERES

HO

CH3 O

CH3CH2 O

C6H5CH2 O

C6H5 O

25

26

27

28

29

O1(H)

O1(C) C2(HHH)

O1(C) C2(CHH) C3(HHH)

O1(C) C2(CHH) C3(CCC)

O1(C) C2(CCC)

PRIORIDADES DE LOS GRUPOS FUNCIONALES

Éteres > Fenoles, Alcoholes > Nitroderivados > Aminas > Ésteres > Ácidos > Amidas > Cetonas > Aldehidos > Nitrilos

EJERCICIOS ADICIONALES 4.1 Ordena los siguientes radicales de menor a mayor prioridad:

CH3 C

O

O N C O CH3 C

O

NH Cl C

O

CH3CH2 N CH2CH3 CH3 CCH3

CH3

O C

O

O NH C

O

O C

O

O HO NH CH3 CO

CH2 CO

H NH

H

+

IV

Page 84: LIBRO1 (0-675).pdf

71

4.2 ¿Qué relación de estereoisomería existe entre las siguientes parejas de moléculas? Nombra cada uno de los estereoisómeros e indica si son ópticamente activos.

Y

HMeHO

HClHO

HO HMe

HO HCl

EtHEt

OHHHO

HHOH

EtOHEt

Y

(1) (2) (3) (4)

MeHEt

NH2MeH

MeH2NH

HEtMe

(5) (6) (7) (8)

21Y

Cl

H H

H HCl

Cl Cl

Y

(9) (10) (11) (12)

Cl

H

H

Cl

H

Cl

Cl

H

1

2

21

3

4

5

H

Me

Me

H

H

Me

H

Me

YY

(13) (14)

4

H

Cl

Cl

H1

Cl

H

Cl

HY

CO2HMe

H Me

(15) (16)

YMeMe

H CO2H

( )

HMeEt

Br(17) (18)

( )

MeHBr

EtC CC C C CC CY

CC CMe

Et ( )

H

Et

Y

(19) (20)

CC CMe

Et ( )

Et

H

4.3 Mediante representaciones tridimensionales o proyecciones de Fischer, dibuja los estereoisómeros de los siguientes compuestos: 3-cloro-2-butanamina, 3-Hexen-2-ol y 5-Metoxi-2,3-hexadieno. Nombra cada uno de los estereoisómeros e indica en cada caso cuál es la relación de estereoisomería entre ellos.

IV

Page 85: LIBRO1 (0-675).pdf

72

4.4 Indica cuántos estereoisómeros existen de los siguientes compuestos: 1-Bromo-2-clorociclobutano 1,4-Dimetoxiciclohexano 1,1-Dihidroxiciclopropano 3-Penten-2-ona 1-(sec-Butil)-2-Metilciclohexeno 3-Cloro-2-metilbutanal 1-Bromo-3-cloro-1,2-butadieno 2-Amino-2,3,4-heptatrieno 2,6-Diamino-espiro[3.3]heptano 2,4-Hexadieno Nombra cada uno de los estereoisómeros utilizando la nomenclatura (R)-(S) y/o cis-trans (Z-E). 4.5 Indica cuántos estereoisómeros existen de los siguientes compuestos: 2-Clorociclopentanona 4-Amino-2-penteno Acido 4-Hidroxiciclohexanocarboxílico 3-Metilciclobuteno 5-Nitro-2,3-hexadieno 3-Metoxicarbonil espiro[5.5]undecano 1,6-Dibromo-2,4-hexadieno 2,3-Dimetilpentanal 5-Metil-1,3-ciclohexanodiona 1-Metil espiro[4.4]nonato 4.6 Dibuja los estereoisómeros de los compuestos que aparecen a continuación, indicando en cada caso su configuración absoluta. 2-Cloro-1,3-ciclopentanodiona 1,3-Ciclohexanodiol 1,2-Dimetilciclobuteno 4-Amino-2,3-butadieno 2-Metil-1,3-butadieno 2-Metoxicarbonil-1,3-ciclohexanodiona 2-Metoxi espiro[3.3]heptano 3-Nitro-1-penteno 1,2,3-Pentatrieno Ciclohexilamina 4.7 Dibuja una representación tridimensional y asigna la configuración absoluta de los estereoisómeros de los siguientes compuestos: a) 3-Nitrociclobuteno b) 3-Metilclorociclohexano c) ácido 1,3-Ciclopentanodioico d) espiro[2.3]2-Metoxicarbonil-6-formilheptano e) 5-Fenil-2,3-hexadieno f) 3-Metil-4-hexen-2-ona g) Metilciclopropano

IV

Page 86: LIBRO1 (0-675).pdf

73

4.8 Apartado 1: Averigua la configuración absoluta de las siguientes moléculas:

1 2 2

Et Me

H

OHO 1 3H CH2Cl

MeO H

O1

Cl OH

Me Et

(1) (2) (3) Apartado 2: Dibuja una representación tridimensional de los siguientes estereoisómeros: 1 (Z)(2R) 2,8-Dicloro espiro [4,5] decano 2 (2R) 2-Cloro-3-butenal 3 (3R) 3-Fenil-3-terc-butil-4-hexen-1-ino Apartado 3: Dibuja la representación tridimensional y asigna la configuración absoluta de todos los estereoisó-meros correspondientes al 3-(Metilamino)-2-pentanol. Es imprescindible que numeres correctamente los átomos de carbono estereogénicos y que dicha numeración aparezca en la configuración absoluta de cada molécula y en su representación tridimensional 4.9 Utiliza representaciones tridimensionales para dibujar todos los estereoisómeros de los compuestos que aparecen a continuación. Es imprescindible que numeres correctamente los átomos de cada estereoisómero y que dicha numeración aparezca en la representación tridimensional, en la proyección de Fischer y en la confi-guración absoluta. 1. (3-Metil-2-ciclohexenil)amina 4. 2-Cloro-1-etilidenciclohexano 2. 5-Metil-2-ciclohexeno-1-carbaldehido 5. (9-Acetil-3-ciano-2-hidroxi)espiro[5.5]undecano 3. Ácido 2-metil-3-pentenoico 6. 1,2,3-Trimetilciclobuteno 4.10 Asigna la configuración absoluta a cada uno de los estereoisómeros siguientes:

H

H2N CO2HMe

EtHMe

H

Cl

H H

H

(1) (2) (3)

H

Me

H

Me

(4)

C

( ) C CH

CO2Et

H

H

1

2

H

CH

CN

MeH

HOCl

H

Me

H

H

Me

(5) (6) (7)

1

2

1

4

CH2

IV

Page 87: LIBRO1 (0-675).pdf

74

C

CH

HMe

H2N NO2

H

Cl

Cl

H

Me

Me

(8) (9) (10)

NH2

H H

Me

Et

CO2H

CH2

CH

4.11 Ordena los radicales siguientes de menor a mayor prioridad.

Acetoacetilo

Acetonilo

SO

C6H5

MeCOCH2 CO

MeCOCH2

CH2 CH CH2 O Aliloxi

Aminometilenamino

Aminooxi

Bencenoazoxi

Bencenosulfinilo

Cianato

CN Ciano

C6H5 S Feniltio

HO NH

CS

Me

Tioacetilo

CS

C6H5

Tiobenzoilo

CS

NH2 Tiocarbamoilo

Hidroxiamino

N C O

H2N−CH=N−

H2N−O−

C6H5 N=N−O−

SO

C6H5 NHO

Bencenosulfonamido

SO

C6H5

O

Bencenosulfonilo

(C6H5)2CH

CO

Br

Bromoformilo

CH2 CCH3

CH2

2-Metil-2-propenilo

CH2 CH CHCH3

1-Metil-2-propenilo

CH3CH2 CH CH CH2 2-Pentenilo

CH2 CCH2CH3

1-Etiletenilo

Difenilmetilo

H2C=CH CH=CH

CH3CH=CHCH2

CO

NH2

Carbamoilo

CH CHCH3CH2 1-Butenilo

CH2 C CH2CH2

CH3

3-Metil-3-butenilo

CH3 CH CCH3

CH2

2-Metil-2-butenilo

2-Butenilo

1,3-Butadienilo

H2C=CH CH=CH

CH3CH=CHCH2

CO

NH2

Carbamoilo

CH CHCH3CH2 1-Butenilo

CH2 C CH2CH2

CH3

3-Metil-3-butenilo

CH3 CH CCH3

CH2

2-Metil-2-butenilo

2-Butenilo

1,3-Butadienilo

IV

Page 88: LIBRO1 (0-675).pdf

75

4.12 Dibuja las representaciones tridimensionales, y asigna las configuraciones absolutas, de los estereoisómeros de los siguientes compuestos: 1,2-ciclohexanodiol, 1,3-ciclohexanodiol, 1,4-ciclohexanodiol, 2-bromociclohexanol, 3-bromociclohexanol y 4-bromociclohexanol. 4.13 Asigna la configuración absoluta a los siguientes espiranos:

NH2

H

CO2H

H

(1) (2)

HH2N H

HO2C

H

CH2OH

H

CO2H

CO2HH

(3) (4)

HMe

4.14 Averigua la configuración absoluta de los siguientes estereoisómeros:

H Me

O

C6H5H

(1)

Me H

O

HC6H5

(2)

HO2CH H

Me

Me

H

Me

H

(3) 4.15 Averigua la configuración absoluta de los siguientes estereoisómeros:

(3)(1)

( )C CHMe

H

Me

H 24

1

Me H

HMe

4' 4

MeH

MeH3' 3

1

5

1'

5'(2)

(6)

H

MeMe

H

34'11

6

C

( )

Me

H C CMe

H

3

4'1

2

65

CMe

HC

( ) CMe

H4 4'

(5)(4) 4.16 Asigna la configuración absoluta a las siguientes sustancias naturales:

NMe

H

OH

H

H

O OMe

O

1

23 4

56

78

Cocaina

Me

H

Me

Me

Me O

1

2

34

5

6 78

910

β−Vetivona

Me

HMe

HOH

MeMe

Elemol

Me

H

OH

Me1

23

3'

4

56

12

3

4

Grandisol

IV

Page 89: LIBRO1 (0-675).pdf

76

Me

H

MeMe H

HMe

Cedreno

H

MeH

Me

OH

MeMe

β−Acorenol Agarospirol

H

Me

Me

H

OHMe

Me

12

3 4

5

6 7

8910

1

2

34

5

6 7

8

910

1

23

4

56

7

8

9

10

MeMe

MeH

H

Me

OH

H

Alcohol de Patchouli

1

234

56

78 9

10

Me

HO

Me H OH

MeMe

O

Illudin-s

HOH H

O

H

67

8

9

1112

1314

15

16

Me

Estrona

1

2

34 5

6

7

O

CO2H

Me

HHO

HHO

HHO

H

H

12

3

4

56

7

8

9

1011

12

1314

1516

1718

19

20

Prostaglandina PGF2α

NH

H

HO

OH

H

MeH5

6 78

9

10

11

12

1314

1516

Morfina

H H

COMe

H

67

8

9

1112

1314

15

16

Me

Progesterona

O

Me

H

10

12

45

N

NH

H

HH

23

45

6

7

8

910 11

12

14

13

15

16

17

Esparteina

H H

H

67

8

9

1112

1314

15

16

Me

Colesterol

H

MeH

HO

3

4

2

17

1

1

IV

Page 90: LIBRO1 (0-675).pdf

5. ENLACE QUÍMICO EN MOLÉCULAS ORGÁNICAS

EL MODELO DE ENLACE LOCALIZADO Los electrones pertenecientes a un átomo aislado están atraídos por un solo núcleo, es decir, están localizados (confinados) en el espacio que rodea al núcleo. La formación de un enlace covalente entre dos únicos átomos implica la deslocalización de los electrones en el espacio comprendido entre los dos núcleos. Los electrones de cualquier molécula poliatómica están deslocalizados, esto es, están sometidos todos ellos a la atracción simultánea de cada uno de los núcleos y su movimiento tiene lugar en todo el espacio molecular. Llegado el momento de elaborar un modelo sencillo, G. N. Lewis planteó la hipótesis de que el enlace químico podía describirse considerando únicamente los electrones de valencia. El resto de los electrones de cada átomo formarían, junto con su núcleo, un nuevo “núcleo” (core, corazón) con carga positiva. Así, en el átomo de carbono, cuya estructura electrónica es 1s22s2p2, el core estará constituido por el núcleo del átomo (6 protones) más los dos electrones del orbital atómico 1s. Su carga positiva será (6 - 2) = +4. Los cuatro electrones de valencia (2s2p2) estarán atraídos por un core con cuatro cargas positivas. En este modelo, se admite que un enlace sencillo entre dos átomos de carbono, se origina como consecuencia de la atracción simultánea de dos electrones (uno de cada átomo) por los dos cores (también de cada uno de los átomos) El resto de los enlaces (tres, para cada átomo de carbono) se describen de la misma forma. Esta descripción equivale a suponer que los enlaces son individualizados, es decir, formados por pares de electrones singulares que intervienen solo en ese enlace y no en los restantes enlaces que constituyen la molécula. Este tipo de enlace es esencialmente localizado, en el sentido de que muchas de las propiedades colectivas de la molécula (entalpía de atomización, momento dipolar, susceptibilidad diamagnética, etc.) pueden expresarse, con una aproximación aceptable, como la suma de las contribuciones de enlace a dichas propiedades. Por ejemplo, si se conocen las energías de enlace C-C y C-H, es posible calcular la energía de atomización de cualquier hidrocarburo saturado, sumando todas las energías de los enlaces presentes en la molécula. Naturalmente, las energías de dichos enlaces no son iguales en todas las parafinas; por este motivo, es necesario utilizar las energías medias de enlace, determinadas para una gran variedad de moléculas. En resumen: 1. Todos los electrones de enlace están sometidos a la atracción simultánea del conjunto de cores que

constituyen la molécula, es decir, están deslocalizados. 2. Existen moléculas cuyas propiedades colectivas pueden describirse razonablemente bien, suponiendo que

los pares de átomos están unidos entre sí por una o más parejas de electrones, que están sometidos solo a la atracción de dos cores. En este modelo, los electrones están localizados (entre cada pareja de cores) y los enlaces se definen como enlaces localizados de dos centros.

3. Muchas moléculas con dobles enlaces conjugados pueden describirse aceptablemente bien mediante el

modelo de enlaces sencillos y dobles localizados.

V

Page 91: LIBRO1 (0-675).pdf

78

ENTALPÍA DE ATOMIZACIÓN DE PARAFINAS

El modelo de enlace localizado implica que la entalpía de atomización de una molécula puede calcularse, con una aproximación aceptable, sumando las energías medias de todos sus enlaces.

PARAFINAS ACICLICAS

)H(H)2n2()C(Hn 0a

0a Δ++Δ)HC(H 2n2n

0f +Δ

0aHΔ

CnH2n+2 (g,l,s)

n C(grafito) + (n + 1) H2(g)

nC(g) + (2n+2)H(g)

C(grafito) C(g) gramoátomo/kcal29.171)C(H0

a =Δ

1/2 H2(g) H(g) gramoátomo/kcal10.52)H(H0

a =Δ

)HC(H)H(H)2n2()C(Hn)HC(H 2n2n

0f

0a

0a2n2n

0a ++ Δ−Δ++Δ=Δ

mol/kcal]2.104n49.275)HC(H[)HC(H 2n2n

0f2n2n

0a ++Δ−=Δ ++

Los valores medios, de las energías de enlace C-C y C-H son, respectivamente, 89 y 97 kcal/mol. Vamos a comprobar el grado de concordancia que se obtiene utilizando el modelo de enlace localizado. Lo haremos para las moléculas de propano, butano y pentano.

CH3 CH2 CH3 CH3 CH2 CH2 CH3 CH3 CH2 CH2 CH2 CH2

mol/kcal82.24)propano(H0

f −=Δ =Δ )propano(H0a −(−24.82) + 275.49 x 3 + 104.2 = + 955.49 kcal/mol

( ) mol/kcal812.29otanbuH0f −=Δ =Δ )otanbu(H0

a −(−29.812) + 275.49 x 4 + 104.2 = + 1235.97 kcal/mol

( ) mol/kcal00.35otanpenH0

f −=Δ =Δ )otanpen(H0a −(−35.00) + 275.49 x 5 + 104.2 = + 1516.65 kcal/mol

La suma de todas las energías medias de enlace para cada una de las parafinas es la siguiente:

∑ 0D (propano) = 2 x 89 + 8 x 97 = 954 kcal/mol

∑ 0D (butano) = 3 x 89 + 10 x 97 = 1237 kcal/mol

∑ 0D (pentano) = 4 x 89 + 12 x 97 = 1520 kcal/mol

V

Page 92: LIBRO1 (0-675).pdf

79

( )2n2n0a HCH +Δ ∑ 0D Δ

954

1237

1520

955.49

1235.97

1516.65

+ 1.49

- 1.03

- 3.35

PARAFINAS CICLICAS

)s,l,g(HC n2n )g(Hn2)g(nC +

)HC(H n2n0fΔ

)g(nH)grafito(nC 2+

)H(Hn2)C(Hn 0a

0a Δ+Δ

0aHΔ

)HC(H)H(Hn2)C(Hn)HC(H n2n

0f

0a

0an2n

0a Δ−Δ+Δ=Δ

n49.275)HC(H)HC(H n2n

0fn2n

0a +Δ−=Δ

Veamos que resultados se obtienen para las moléculas de ciclopentano y ciclohexano:

0fHΔ =Δ )otanciclopen(H0

a(ciclopentano) = - 18.46 kcal/mol −(−18.46) + 275.49 x 5 = + 1395.91 kcal/mol

=Δ )ociclohexan(H0a

0fHΔ (ciclohexano) = - 29.43 kcal/mol −(−29.43) + 275.49 x 6 = + 1682.37 kcal/mol

Ahora emplearemos las energías de enlace C-H reales (94.5 kcal/mol para el ciclopentano y 95.5 kcal/mol para el ciclohexano) y las energías medias de enlace C-C:

∑ 0D (ciclopentano) = 5 x 89 + 10 x 94.5 = 1390 kcal/mol

∑ 0D (ciclohexano) = 6 x 89 + 12 x 95.5 = 1680 kcal/mol

∑ 0D)HC(H n2n0aΔ Δ

1390

1680

1395.91

1682.37

+ 5.91

+ 2.37

V

Page 93: LIBRO1 (0-675).pdf

80

MONOOLEFINAS ACÍCLICAS (CnH2n) Las monoolefinas acíclicas tienen la misma fórmula molecular que las cicloparafinas. La expresión que permite calcular la entalpía de atomización es la misma en los dos casos:

n49.275)HC(H)HC(H n2n0fn2n

0a +Δ−=Δ

Realizamos el cálculo para las moléculas de propeno, (Z)-2-penteno y (E)-2-hexeno.

CH3 CH CH2 CH3 CH CH CH2 CH3 CH3 CH CH CH2 CH2 CH3

0fHΔ =Δ )propeno(H0

a(propeno) = + 4.879 kcal/mol 275.49 x 3 − 4.879 = 821.591 kcal/mol

0fHΔ [ ] =−−Δ penteno2)Z(H0

a[(Z)-2-penteno] = -6.710 kcal/mol 275.49 x 5 + 6.711 = 1384.16 kcal/mol

0fHΔ [ ] =−−Δ hexeno2)E(H0

a[(E)-2-hexeno] = -12.56 kcal/mol 275.49 x 6 + 12.56 = 1665.55 kcal/mol La energía media del enlace C=C es 148 kcal/mol:

∑ 0D (propeno) = 148 + 89 + 6 x 97 = 819 kcal/mol

∑ 0D [(Z)-2-penteno] = 148 + 3 x 89 + 10 x 97 = 1385 kcal/mol

∑ 0D [(E)-2-hexeno] = 148 + 4 x 49 + 12 x 97 = 1668 kcal/mol

∑ 0D Δ

819

1385

1668

821.59

1384.16

1665.55

+ 2.59

- 0.84

- 2.45

)HC(H n2n0aΔ

En la tabla siguiente aparecen los valores de ( )∑−Δ=Δ 00

a DH para una serie de olefinas acíclicas:

V

Page 94: LIBRO1 (0-675).pdf

81

Monoolefina )mol/kcal(H0

aΔ ∑ )mol/kcal(D0 Δ 2-metilpropeno 1105.303 1102 +3.30 1-penteno 1382.45 1385 -2.55 (Z)-2-penteno 1384.16 “ -0.84 (E)-2-penteno 1385.04 “ +0.04 2-metil-1-buteno 1386.13 “ +1.13 3-metil-1-buteno 1384.37 “ -0.63 2-metil-2-buteno 1387.62 ” +2.62 1-hexeno 1662.90 1668 -5.10 (Z)-2-hexeno 1664.50 “ -3.50 (E)-2-hexeno 1665.50 “ -2.50 (Z)-3-hexeno 1664.50 ” -3.50 (E)-3-hexeno 1665.50 “ -2.50 2-metil-1-penteno 1666.50 “ -1.50 3-metil-1-penteno 1663.96 ” -4.04

4-metil-1-penteno 1664.60 ” -3.40 2-metil-2-penteno 1667.90 “ -0.10 (Z)-3-metil-2-penteno 1667.26 ” -0.74 (E)-2-metil-2-penteno 1667.90 ” -0.10 (Z)-4-metil-2-penteno 1666.20 “ -1.80 (E)-4-metil-2-penteno 1667.20 “ -0.80 2-etil-1-buteno 1665.86 “ -2.14 2,3-dimetil-1-buteno 1667.72 “ -0.28 3,3-dimetil-1-buteno 1667.19 “ -0.81

Δ(medio) = -1.32 kcal/mol DIOLEFINAS ACÍCLICAS

)HC(H 2n2n0f −Δ )H(H)2n2()C(Hn 0

a0a Δ−+Δ

0aHΔ

CnH2n-2 (g,l,s)

n C(grafito) + 1/2(2n -2) H2(g)

nC(g) + (2n-2)H(g)

mol/kcal]2.104n49.275)HC(H[)HC(H 2n2n

0f2n2n

0a −+Δ−=Δ −−

=−Δ )pentadieno3,1(H0f + 18.70 kcal/molCH2 CH CH CH CH3

=−Δ )pentadieno4,1(H0f + 25.20 kcal/molCH2 CH CH2 CH CH2

=−Δ )pentadieno3,2(H0f + 33.10 kcal/molCH3 CH C CH CH3

Al tratarse de tres isómeros, la suma de las energías de enlace es la misma en los tres casos:

∑ 0D (pentadienos) = 148 x 2 + 89 x 2 + 97 x 8 = 1250 kcal/mol

V

Page 95: LIBRO1 (0-675).pdf

82

0aHΔ (1,4-pentadieno) = −25.20 + 275.49 x 5 − 104.2 = + 1248.05 kcal/mol

0aHΔ (1,3-pentadieno) = −18.70 + 275.49 x 5 − 104.2 = + 1254.55 kcal/mol

0aHΔ (2,3-pentadieno) = −33.10 + 275.49 x 5 − 104.2 = + 1240.15 kcal/mol

∑ 0D)HC(H 2n2n0a −Δ Δ

1250

1250

1250

1248.05

1254.55

1240.15

- 1.95

+ 4.55

- 9.85

POLIOLEFINAS ACÍCLICAS

Hidrocarburo )mol/kcal(H0aΔ ∑ )mol/kcal(D0 Δ

1248.05 1250 -1.95 1528.64 1533 -4.36

CH2 CH CH2 CH CH2

971.01 967 +4.01 1254.55 1250 +4.55 1254.45 1250 +4.45 1255.15 1250 +5.15 1537.94 1533 +4.94 676.35 684 -7.65 958.21 967 -8.79 1240.15 1250 -9.85 1242.25 1250 -7.75 1238.45 1250 -11.55

CH2 CH CH2 CH2 CH CH2

CH2 CH CH CH2

HC CH3

H H

H2C

HC H

H CH3

H2C

CH2 CCH3

CH CH2

CH2 CCH3

C CH2

CH3

CH2 C CH2

CH2 C CH CH3

CH C CH CH3CH3

CH2 C C CH3

CH3

CH2 C CH CH2 CH3

V

Page 96: LIBRO1 (0-675).pdf

83

POLIOLEFINAS CÍCLICAS

mol/kcal)n39.223)HC(H(H nn0f

0a +Δ−=Δ

mol/kcal)102.52n39.223)HC(H(H 1nn0f

0a −+Δ−=Δ +

mol/kcal)20.104n39.223)HC(H(H nn0f

0a −+Δ−=Δ

(CnHn)

(CnHn+1)

(CnHn+2)

Siguen algunos ejemplos. Poliolefina )mol/kcal(H0

fΔ )mol/kcal(H0aΔ ∑ )mol/kcal(D0 Δ

32.1 1136.95 1145 -8.05 47.5 1292.84 1293 -0.16 25.4 1419.14 1428 -8.86 43.2 1572.63 1576 -3.37

V

Page 97: LIBRO1 (0-675).pdf

84

ESTRUCTURA ELECTRÓNICA DE LAS MOLÉCULAS ORGÁNICAS

ORBITALES ATÓMICOS HÍBRIDOS LOCALIZADOS DEL CARBONO

HIBRIDACIÓN sp: Los híbridos sp se obtienen por combinación lineal de un OA 2s y un OA 2p de carbono

+

++ +_ _

2s(C) 2px(C) dos OAs sp(C)

sp(C) sp(C)

. .

OA pz

OA sp OA sp

OA py

OA pz

OA py

átomo de carbono con hibridación sp

átomo de carbono con hibridación sp

.

..

.

..

HIBRIDACIÓN sp2: Los híbridos sp2 se obtienen por combinación lineal de un OA 2s y dos OAs 2p de carbono

+

2s(C) 2px(C)

tres OAs sp2(C)

sp2(C) sp2(C)

+

2py(C)

___

+

+ +

+

++

+

tres OAs sp2(C)

sp2(C)

__

_

.

. .

átomo de carbono con hibridación sp2

OA pz

OA sp2OA sp2

OA sp2

OA pz

átomo de carbono con hibridación sp2

.

. ..

.

V

Page 98: LIBRO1 (0-675).pdf

85

HIBRIDACIÓN sp3: Los híbridos sp3 se obtienen por combinación lineal de un OA 2s y tres OAs 2p de carbono

+

2s(C) 2px(C)

+

2pz(C) cuatro OAs sp3(C)

+

2py(C)

sp3(C) sp3(C)

+

+

sp3(C)

__

__+

+

+

sp3(C)

.

. ..

átomo de carbono con hibridación sp3

OA sp3

OA sp3OA sp3

OA sp3

átomo de carbono con hibridación sp3

.

. ..

ORBITALES MOLECULARES LOCALIZADOS

Los OMs localizados se obtienen por combinación lineal de OAs localizados (OAs híbridos) entre sí o por combinación lineal de OAs localizados con otros OAs (p.e. un OA 1s del átomo de hidrógeno)

ORBITALES MOLECULARES LOCALIZADOS DEL ACETILENO

C: 1s2 2s2 p2 1s2 2s1 px1py

1pz1 electrones de valenciaH C C H

1 Formación de dos OAs híbridos sp de carbono:

+

2s(C) 2px(C) dos OAs sp(C)

+ +_ _

2 Formación de un OM localizado σ[C(sp)-C(sp)] por combinación lineal de dos OAs híbridos sp de C:

dos OAs sp(C)

+

dos OAs sp(C)

C(sp) C(sp)

σ [C(sp)-C(sp)]

. . . . . . . .

V

Page 99: LIBRO1 (0-675).pdf

86

La combinación lineal de dos OAs p, empleando el eje de simetria de ambos (interacción frontal), da lugar a orbitales moleculares σ (enlace σ)

3 Formación de dos OMs localizados π por combinación lineal de dos OAs (py ,pz) de C:

2pz 2pz

2py

2py

π

π

. .

. . . .

..

La combinación lineal de dos OAs p, de forma paralela (interacción lateral), da lugar a orbitales moleculares π (enlace π)

4 Formación de dos OMs σ por combinación lineal de un OA híbrido localizado sp del C y un OA 1s del H:

1s(H)

+ +

1s(H)

C(sp) C(sp) σ [C(sp)-C(sp)]

σ [H(1s)-C(sp)] σ [H(1s)-C(sp)]

. . . . . . . . . . . .

H C C H

σ [C(sp)-H(1s)]

π [C(2pz)-C(2pz)]

π [C(2py)-C(2py)]

σ [C(sp)-C(sp)]

ORBITALES MOLECULARES LOCALIZADOS DEL ACETILENO

ORBITALES MOLECULARES LOCALIZADOS DEL ETILENO

C: 1s2 2s2 p2 1s2 2s1 px1py

1pz1 electrones de valencia

H

C C

H

H H Formación de tres OAs híbridos sp2 de carbono:

+

2s(C) 2px(C)

tres OAs sp2(C)

+

2py(C)

___

+

+ +

tres OAs sp2(C)

.

. .

V

Page 100: LIBRO1 (0-675).pdf

87

2 Formación de un OM localizado σ[C(sp2)-C(sp2)] por combinación lineal de dos OAs híbridos sp2 de C:

+

C(sp2) C(sp2) σ [C(sp2)-C(sp2)]

.

.

. .

.

.

.

.

. .

.

.

3 Formación de un OM localizado π[C(pz)-C(pz)] por combinación lineal de OAs pz del C:

2pz 2pz

π [C(2pz)-C(2pz)]

. .

. ... .

. . .

. .

.

.

Formación de cuatro OMs localizados σ[C(sp2)-H(1s)] por combinación lineal de híbridos C(sp2) e H(1s):

+

H(1s)

... . .

... .

.

. ... .

.

.... .

ORBITALES MOLECULARES LOCALIZADOS DEL ETILENO

π [C(2pz)-C(2pz)]

H

C C

H

H H

σ [H(1s)-C(sp2)]

σ [C(sp2)-C(sp2)]

ORBITALES MOLECULARES LOCALIZADOS DEL ETANO

C: 1s2 2s2 p2 1s2 2s1 px1py

1pz1 electrones de valenciaC C

H

H

H

H

H

H

1 Formación de cuatro OAs híbridos sp3 de C:

+

2s(C) 2px(C)

+

2pz(C) cuatro OAs sp3(C)

+

2py(C)

.

. ..

V

Page 101: LIBRO1 (0-675).pdf

88

2 Formación de un OM localizado σ[C(sp3)-C(sp3)] por combinación lineal de dos OAs híbridos sp3 de C:

+

C(sp3) C(sp3) σ [C(sp3)-C(sp3)]

.

.

. .

.

.

..

.

. .

. .

.

..

3 Formación de seis OMs localizados σ[C(sp3)-H(1s)] por combinación lineal de híbridos C(sp3) e H(1s):

σ [C(sp3)-C(sp3)]

+

H(1s)

.

. .

. .

.

. .

.

..

.. .

.

. .

..

..

ORBITALES MOLECULARES LOCALIZADOS DEL ETANO

C C

H

H H

H

H

H

σ [C(sp3)-C(sp3)]

σ [H(1s)-C(sp3)]

σ [C(sp)-C(sp)] C C

C C

C C

C N

:

C N :

C O

C(2s1px1py1pz1)

híbrido geometría grupo funcionalátomo tipo de enlace

sp C C (alquinos)

sp2 σ [C(sp2)-C(sp2)] (alquenos)C C

sp3 σ [C(sp3)-C(sp3)] (alcanos)C C

O(2s1px1py2pz1) sp3 σ [C(sp3)-O(sp3)] (alcoholes, éteres)C O:

sp2 σ [C(sp2)-O(sp2)] C O

:: C O: (aldehidos, cetonas)

N(2s2px1py1pz1) sp3 σ [C(sp3)-N(sp3)] C N: (aminas)

sp σ [C(sp)-N(sp)] C N : (nitrilos)

: :

TIPOS DE HIBRIDACIÓN Y GEOMETRÍA MOLECULAR

::

V

Page 102: LIBRO1 (0-675).pdf

89

ESTRUCTURA ELECTRÓNICA DE GRUPOS FUNCIONALES

ALCOHOLES Y ÉTERES

C: 1s2 2s1 px1py

1pz1 +

2s(C) 2px(C)

+

2pz(C) cuatro OAs sp3(C)

+

2py(C)

.

.

.

..

. ..

+

2s(O) 2px(O)

+

2pz(O) cuatro OAs sp3(O)

+

2py(O)

O: 1s2 2s2 px1py

2pz1 . .

.

.

. .

.. ...

.

Orbitales moleculares localizados del metanol

C OH

H

HH

Metanol:

+

C(sp3) O(sp3) σ [C(sp3)-O(sp3)]

.

.

. .

.

.

..... .

.

. .

.

....

+

σ [C(sp3)-O(sp3)]

H(1s)

.

. .

. .

.

. ...

.

..

..

..

. .

..

....

C

H

H

HO

H

σ [H(1s)-C(sp3)]

σ [C(sp3)-O(sp3)]

σ [H(1s)-O(sp3)]

ORBITALES MOLECULARES LOCALIZADOS DEL METANOL

V

Page 103: LIBRO1 (0-675).pdf

90

Orbitales moleculares localizados del dimetil éter

O CH3:

: O

H HHH

H H::

Dimetil éter: CH3

+

C(sp3) O(sp3) σ [C(sp3)-O(sp3)]

2 σ [C(sp3)-O(sp3)]

.

.

..

.

.

..

.

. .

. .

.

..

.

. .

.

... .

+

C(sp3) C 3)

O(sp3)

..

.

. . . . ..

.

.

.. .

..

..

. . .

.

.

. ..

.

. .... ...

(sp

: O

H H

HH

H H:

σ [C(sp3)-O(sp3)] σ [H(1s)-C(sp3)]

ORBITALES MOLECULARES LOCALIZADOS DEL DIMETIL ÉTER

ALDEHIDOS Y CETONAS

C: +

2s(C) 2px(C)

+

2pz(C) cuatro OAs sp3(C)

+

2py(C)

1s2 2s1 px1py

1pz1 . .

..

.

. ..

C +

2s(C) 2px(C)

+

2py(C)

OA pz

+

2pZ(C) tres OAs sp2(C) + un OA pz(C)

1s2 2s1 px1py

1pz1 . .

.. .

.

.

..

V

Page 104: LIBRO1 (0-675).pdf

91

+

2s(O) 2px(O)

+

2pz(O) tres OAs sp2(O) + un OA pz(O)

+

2py(O)

O: 1s2 2s2 px1py

2pz1 . .

..

.

. .

.

...

.

Con el fin de no complicar los dibujos, primero aparece un diagrama con el esqueleto de enlaces σ, y después otro con los enlaces π.

Orbitales moleculares localizados del acetaldehido

OC O

CH3

H ::Acetaldehido: CH3 C H

C

O

HCH

H H

σ [C(sp3)-C(sp2)]

σ [C(sp2)-O(sp2)]

σ [H(1s)-C(sp2)]

[H(1s)-C(sp3)] σ

. .

.. .

.

. . ..

.

.

. .. .

C OHCH3

..

..

..

. .. .

. .

.. ....

C

O

H

H

HH

σ [C(sp2)-O(sp2)][C(pz)-O(pz)]π

[H(1s)-C(sp3)]σ

σ[H(1s)-C(sp2)]

σ [C(sp3)-C(sp2)]

ORBITALES MOLECULARES LOCALIZADOS DEL ACETALDEHIDO

V

Page 105: LIBRO1 (0-675).pdf

92

Orbitales moleculares localizados de la dimetilcetona

C

H H HHH

H

O

Dimetilcetona: CH3 CO

CH3

C

O

H

H

H

HH H

σ [C(sp2)-C(sp3)]

σ [C(sp2)-O(sp2)]

[C(sp3)-C(sp2)] σ

[H(1s)-C(sp3)] σ σ [H(1s)-C(sp3)]

.. ..

.

.

... .

.. .

.

. .. .

...

.

C OCH3

CH3

CH3

CH3

.

. .

.

. .. .

C

O

H

HH

H

HH

σ [C(sp2)-O(sp2)][C(pz)-O(pz)]π

σ [C(sp2)-C(sp3)]

σ [H(1s)-C(sp3)]

ORBITALES MOLECULARES LOCALIZADOS DE LA DIMETILCETONA

ÁCIDOS CARBOXÍLICOS

C: +

2s(C) 2px(C)

+

2pz(C) cuatro OAs sp3(C)

+

2py(C)

1s2 2s1 px1py

1pz1 . .

.. .

...

V

Page 106: LIBRO1 (0-675).pdf

93

C +

2s(C) 2px(C)

+

2py(C)

OA pz

+

2pZ(C) tres OAs sp2(C) + un OA pz(C)

1s2 2s1 px1py

1pz1 . .

..

.

.

..

.

+

2s(O) 2px(O)

+

2pz(O) cuatro OAs sp3(O)

+

2py(O)

O: 1s2 2s2 px1py

2pz1 . .

..

.

.

......

+

2s(O) 2px(O)

+

2pz(O) tres OAs sp2(O) + un OA pz(O)

+

2py(O)

O: 1s2 2s2 px1py

2pz1 . . .

.

.

. .

...

..

Con el fin de no complicar los dibujos, primero aparece un diagrama con el esqueleto de enlaces σ, y después otro con los enlaces π.

Orbitales moleculares localizados del ácido acético

Ácido acético:C

O

H

H

OH

HCH3 CO

OH

C

O

H

H

O

H

Hσ [O(sp3)-C(sp2)]

σ [C(sp2)-O(sp2)]

[C(sp3)-C(sp2)] σ

[H(1s)-C(sp3)] σ

.. ..

.

.

... .

. ...

. .. .

.. ..

V

Page 107: LIBRO1 (0-675).pdf

94

C OCH3

HO

CH3

HO

. .

. .. ...

C

O

O

H

HH

H

σ [C(sp2)-O(sp2)][C(pz)-O(pz)]π

σ [H(1s)-O(sp3)]

σ [O(sp3)-C(sp2)] [H(1s)-C(sp2)]σ

σ [C(sp3)-C(sp2)]

ORBITALES MOLECULARES LOCALIZADOS DEL ÁCIDO ACÉTICO

ÉSTERES

Orbitales moleculares localizados del acetato de metilo

Acetato de metilo:C

O

H

H

OH

H

HH

CH3 CO

OCH3

C

O

H

H

O

H

CH3

σ [O(sp3)-C(sp2)]σ [C(sp2)-O(sp2)]

[C(sp3)-C(sp2)] σ

[H(1s)-C(sp3)] σσ [O(sp3)-C(sp3)]

.. ..

.

.

... .

.. .

.

. .

. .. .

. ..

.

...

.

C OCH3

CH3O

CH3

CH3O

. .

. .. ...

C

O

O

H

HH

CH3

σ [C(sp2)-O(sp2)][C(pz)-O(pz)]π

σ [O(sp3)-C(sp2)] [H(1s)-C(sp2)]σ

σ [C(sp3)-C(sp2)]

σ [C(sp3)-O(sp3)]

ORBITALES MOLECULARES LOCALIZADOS DEL ACETATO DE METILO

V

Page 108: LIBRO1 (0-675).pdf

95

ANHIDRIDOS DE ÁCIDOS

Orbitales moleculares localizados del anhidrido acético

Anhidrido acético: C

OH

H

OHC

OH

H

HCH3 CO

O C

O

CH3

C

O

H

H

O

H

C

O

H

HH

σ [C(sp2)-O(sp2)]

[C(sp3)-C(sp2)] σ

[H(1s)-C(sp3)] σσ [C(sp2)-O(sp3)]

.. . .

.

.

....

. .. .

. .

. ...

. .

. .

.

.

. .. .

...

.

C OCH3

O

CH3

C OCH3

O

CH3

.

. .

. .... .

. .

.

. ...

C

O

OC

O

HH

H HH H

σ [C(sp2)-O(sp3)]

[O(2pz)-C(2pz)]π σ[O(sp2)-C(sp2)]

σ [H(1s)-C(sp3)]

σ [C(sp3)-C(sp2)]

ORBITALES MOLECULARES LOCALIZADOS DEL ANHIDRIDO ACÉTICO

HALUROS DE ÁCIDOS

Orbitales moleculares localizados de un haluro de acetilo

Haluro de acetilo:C

O

H

H

XH

CH3 CO

X

V

Page 109: LIBRO1 (0-675).pdf

96

C

O

XCH

H H

[C(sp3)-C(sp2)] σ

σ [C(sp2)-O(sp2)]

σ [X(sp3)-C(sp2)]

[H(1s)-C(sp3)] σ

.. ..

.

.

... .

..

..

. .

. .

..

. .

C OHX

..

.. ..

..

..

. .

. ...

C

O

X

H

HH

σ [C(sp2)-O(sp2)][C(pz)-O(pz)]π

σ [X(sp3)-C(sp2)] [H(1s)-C(sp2)]σ

σ [C(sp3)-C(sp2)]

ORBITALES MOLECULARES LOCALIZADOS DE UN HALURO DE ÁCIDO

AMINAS

Orbitales moleculares localizados de la dimetilamina

N

H HHH

HH

:Dimetilamina:

:

H

CH3HN CH3

+

C(sp3) N(sp3) σ [C(sp3)-N(sp3)]

2 σ [C(sp3)-N(sp3)]

.

. .

. .

.

...

.

. .

. .

.

. ..

.

..

..

V

Page 110: LIBRO1 (0-675).pdf

97

+

C(sp3) C 3)

N(sp3)

..

.

. .

. ..

. . ..

.

.

.. .

.

.

. .

.. . .

. .

.

..

..

. .

(sp

NH

H

H

H H

H

σ [C(sp3)-N(sp3)]

[H(1s)-C(sp3)] σ

H

:

σ [H(1s)-N(sp3)]

ORBITALES MOLECULARES LOCALIZADOS DE LA DIMETILAMINA

AMIDAS

Orbitales moleculares localizados de la N-metilacetamida

N-Metilacetamida:C

O

H

H

NH

H

H

H

H

CH3 CO

NH CH3

:

C

O

NCH

H H H

CH

HH

[C(sp3)-C(sp2)] σ

[C(sp2)-O(sp2)] σσ [N(sp3)-C(sp2)]

[H(1s)-C(sp3)] σσ [N(sp3)-C(sp3)]

.. ..

.

.

... .

.. .

.

. ..

..

..

..

.

...

.

C OHN

CH3

CH3NH

CH3

CH3

. .

. . ....

V

Page 111: LIBRO1 (0-675).pdf

98

C

O

NH

H

H H

σ [C(sp2)-O(sp2)][C(pz)-O(pz)]π

[H(1s)-C(sp3)]σ H

HH

[C(sp3)-C(sp2)] σ σ [C(sp2)-N(sp3)]

σ [N(sp3)-C(sp3)]

σ [H(1s)-C(sp3)]

ORBITALES MOLECULARES LOCALIZADOS DE LA N-METILACETAMIDA

NITRILOS

Orbitales moleculares localizados del etanonitrilo

Etanonitrilo: : CH

HH

C NCH3 C N

+

σ [C(sp)-N(sp)]

sp(N)sp(C)

sp3(C)

+

σ [C(sp3)-c(sp)]

.

.

..

. . . .

.

. .

. . . . ...

+

.

. .

. . . . . .

..

..

..

. . . . ...

H

HH

2pz 2pz

2py

2py

π

π

C C N :

H

HH

π [C(pz)-N(pz)]

π [C(py)-N(py)]

σ [C(sp3)-C(sp3)]

[H(1s)-C(sp3)] σ

σ [C(sp)-N(sp)]

ORBITALES MOLECULARES LOCALIZADOS DEL ACETONITRILO

V

Page 112: LIBRO1 (0-675).pdf

99

NITRODERIVADOS

C: +

2s(C) 2px(C)

+

2pz(C) cuatro OAs sp3(C)

+

2py(C)

1s2 2s1 px1py

1pz1 . .

..

.

. ..

N +

2s(N) 2px(N)

+

2py(N)

OA pz

+

2pz(N) tres OAs sp2(N) + un OA pz(N)

1s2 2s2 px1py

1pz1 .. .

.. .

. ...

+

2s(O) 2px(O)

+

2pz(O) cuatro OAs sp3(O)

+

2py(O)

O: 1s2 2s2 px1py

2pz1

[ OA sp3 vacio ]

.. .

..

. . . ....

+

2s(O) 2px(O)

+

2pz(O) tres OAs sp2(O) + un OA pz(O)

+

2py(O)

O: 1s2 2s2 px1py

2pz1 .. .

.

.

. .

. .. ..

Orbitales moleculares localizados del nitrometano

:

+_Nitrometano:

H

HH

NO

O

::

:

:CH3 NO2

V

Page 113: LIBRO1 (0-675).pdf

100

N

O

OCH

H H

[C(sp3)-N(sp2)] σ

[N(sp2)-O(sp2)] σ

σ [N(sp2)-O(sp3)] (enlace dativo)

[H(1s)-C(sp3)] σ

.. ..

.

.

....

.. .

. .. ..

..

. .

N OO

H3CCH3

O

. .

. . ....

C

H

HH

N

O

O

::

:

:_

+

[N(sp2)-C(sp3)] σ π [N(pz)-O(pz)]

σ [N(sp2)-O(sp2)]

σ [N(sp2)-O(sp3)] (enlace dativo)

[H(1s)-C(sp3)]σ

:

ORBITALES MOLECULARES LOCALIZADOS DEL NITROMETANO

CUMULENOS

Orbitales moleculares localizados del 1,2-propadieno

1,2-Propadieno: H2C C

( )CH2 CH

HC C

H

H

( )

CH

H C C

H

H

σ [C(sp2)-C(sp)]

[C(sp2)-C(sp)] σ

σ [H(1s)-C(sp2)]

[H(1s)-C(sp2)]σ

.. .

. . . . .

..

..

V

Page 114: LIBRO1 (0-675).pdf

101

H

H

H

HC

HH C C

H

H

π [pz(C)-pz(C)]

[py(C)-py(C)] π

. .. .

CH

HC

( ) C

H

H [pz(C)-pz(C)] π

[C(sp2)-C(sp)] σ σ[C(sp2)-C(sp)]

π [py(C)-py(C)]

σ[H(1s)-C(sp2)]

ORBITALES MOLECULARES LOCALIZADOS DEL 1,2-PROPADIENO

Orbitales moleculares localizados del 1,2,3-butatrieno

1,2,3-Butatrieno: H2C C C

( ) CH2 C C C

( ) CH HH H

CH

HC C

H

HC

σ [C(sp2)-C(sp)]

[C(sp)-C(sp)] σ [H(1s)-C(sp2)]σ σ [C(sp)-C(sp2)]

..

.. . . . . . . . .

. .

H

HC

HH C C

H

HC

HH

π [pz(C)-pz(C)]

[py(C)-py(C)] π

π [pz(C)-pz(C)]

. ..

..

.

[pz(C)-pz(C)] ππ[py(C)-py(C)]

CH

HC

( ) C

π [pz(C)-pz(C)]

CH

H

[C(sp2)-C(sp)] σ σ [C(sp)-C(sp2)]σ [C(sp)-C(sp)]

ORBITALES MOLECULARES LOCALIZADOS DEL 1,2,3-BUTATRIENO

V

Page 115: LIBRO1 (0-675).pdf

102

POLIOLEFINAS CONJUGADAS

Orbitales moleculares localizados del1,3-butadieno

1,3-Butadieno: CHH

CH

C CH H

HCH2 CH CH CH2

H H

H

H

H H

σ [C(sp2)-C(sp2)]

[C(sp2)-C(sp2)] σ

σ [C(sp2)-C(sp2)] [H(1s)-C(sp2)]σ

..

..

. .

..

. .

..

. .

..

..

H

HH

H H

H

π [C(pz)-C(pz)]

π [C(pz)-C(pz)]

. .

. .

CH

HC

C

H

HC

H

H

π [C(pz)-C(pz)]

π [C(pz)-C(pz)]

σ [C(sp2)-C(sp2)]

[C(sp2)-C(sp2)] σ

[C(sp2)-C(sp2)] σ

[H(1s)-C(sp2)]σ

ORBITALES MOLECULARES LOCALIZADOS DEL 1,3-BUTADIENO

Orbitales moleculares localizados del 1,3-ciclohexadieno

1,3-Ciclohexadieno: HH

H H

H

H

H

H

V

Page 116: LIBRO1 (0-675).pdf

103

HH

HH

H

H

H

Hσ [C(sp3)-C(sp3)]

σ [C(sp2)-C(sp3)]

[H(1s)-C(sp2)]σ

σ [H(1s)-C(sp3)]

[C(sp2)-C(sp2)] σ

.

.

....

..

..

. .

.

.

. . . ...

.

.

. .... .

H

H

H

H

[C(pz)-C(pz)]π π [C(pz)-C(pz)]

..

..

H

H

π [C(pz)-C(pz)]

H

H

[C(sp2)-C(sp2)]σ

[C(sp2)-C(sp3)]σ σ [C(sp3)-C(sp3)]

σ [H(1s)-C(sp3)]

ORBITALES MOLECULARES LOCALIZADOS DEL 1,3-CICLOHEXADIENO

EL MODELO DE ENLACE DESLOCALIZADO

La flecha de doble sentido se utiliza cuando una molécula no puede representarse de forma inequívoca con un sólo dibujo. Las distintas formas de dibujarla reciben el nombre de estructurasresonantes, y se relacionan entre sí mediante dicho símbolo.

ADVERTENCIA IMPORTANTE

Las estructuras resonantes se utilizan para dibujar las moléculas que aparecen en los tres apartados siguientes. APARTADO 1 Radicales, cationes y aniones de moléculas acíclicas y cíclicas con dobles enlaces conjugados, y número impar de átomos de carbono (alilo, pentadienilo, bencilo, etc.) Esta clase de moléculas reciben el nombre de hidrocarburos alternantes impares (ver más adelante, p. 114)

V

Page 117: LIBRO1 (0-675).pdf

104

Para dibujar una estructura resonante de este tipo de moléculas se procede de la siguiente forma:

a) Se marca con un asterisco el átomo de carbono que tiene la carga (o el electrón impar):

H2C CH CH2+

*H2C CH CH CH CH2

*

++

*CH2

b) Después se continúa marcando los átomos de forma que cada átomo marcado esté sólo unido a átomos sin marcar. Análogamente, cada átomo sin marcar sólo estará unido a átomos con asterisco. En definitiva, se trata de marcar un átomo de carbono si y otro no, comenzando por el que tiene la carga.

H2C CH CH2+

*H2C CH CH CH CH2

*

++

*CH2

* **

***

* *

Cualquier estructura resonante que se dibuje tiene la carga (o el electrón impar) en un átomo con asterisco. El resto de los átomos (los que no tienen carga, o un electrón impar) están unidos entre sí por dobles enlaces.

H2C CH CH2+

**H2C CH CH2

+

H2C CH CH2**

H2C CH CH2

H2C CH CH2**

H2C CH CH2

_ _

H2C CH CH**

CH CH2 H2C CH CH CH CH2 H2C CH CH CH CH2*

++ +

H2C CH CH**

CH CH2 H2C CH CH CH CH2 H2C CH CH CH CH2*

. . .

APARTADO 2 Cationes y aniones monocíclicos con número impar de carbonos. Estas moléculas no son hidrocarburos alternantes impares. Por consiguiente, no pueden marcarse con asteriscos.

H

H H

+

+ +

H

H H

_

_ _

V

Page 118: LIBRO1 (0-675).pdf

105

HH

H

H

++

++

APARTADO 3 Moléculas cíclicas neutras con (4n+2) átomos de carbono (el benceno y todos sus derivados):

MOLÉCULAS ACÍCLICAS Y CÍCLICAS CON UN NÚMERO IMPAR DE ÁTOMOS DE CARBONO Cualquier átomo de carbono perteneciente a un sistema de enlaces conjugados π se describe mediante hibridación sp2:

catión radical anión

pz (vacio)

...

.

.. .

pz

.

.

...

pz (lleno)

MOLÉCULAS ACÍCLICAS Todos los átomos de carbono están implicados en el sistema conjugado, pero únicamente se pueden dibujar estructuras resonantes con la carga (o el electrón impar) situada en los átomos marcados con asterisco.

Alilo (catión) El número de átomos de carbono del sistema conjugado es tres y el número de electrones π es dos:

H2C CH CH2+

**H2C CH CH2

+

HH H

HH

HH H

HH

. . ..

++

V

Page 119: LIBRO1 (0-675).pdf

106

Alilo (radical) El número de átomos de carbono del sistema conjugado es tres y el número de electrones π es tres:

H2C CH CH2**

H2C CH CH2

HH H

HH

HH H

HH

. . . ...

Alilo (anión) El número de átomos de carbono del sistema conjugado es tres y el número de electrones π es cuatro:

H2C CH CH2**

H2C CH CH2

__

HH H

HH

HH H

HH

. . ...

.

..

_ _

Pentadienilo (catión) El número de átomos de carbono del sistema conjugado es cinco y el número de electrones π es cuatro:

HH H

H H

H

H

HH H

H H

H

H+

+

. .. .

. ..

.HH H

H H

H

H

.

+. .

.

H2C CH CH CH CH2 H2C CH CH CH CH2** *

++H2C CH CH CH CH2

+

Pentadienilo (radical) El número de átomos de carbono del sistema conjugado es cinco y el número de electrones π es cinco:

HH H

H H

H

H

HH H

H H

H

H

HH H

H H

H

H

. .. .

.

. .. .

.

. .. .

.

H2C CH CH CH CH3 H2C CH CH CH CH2 H2C CH CH CH CH2** *

V

Page 120: LIBRO1 (0-675).pdf

107

Pentadienilo (anión) El número de átomos de carbono del sistema conjugado es cinco y el número de electrones π es seis:

HH H

H H

H

H

H2C CH CH CH CH2

HH H

H H

H

H

HH H

H H

H

H

H2C CH CH CH CH2 H2C CH CH CH CH2

.

** *

:_

_

.. .

.

.

: :_ _

__

. ..

.

..

.

.

.. .

.

MOLÉCULAS ACÍCLICAS (n = 1,2... ; n' = 0,1,2...)

:

(2n'+ 3) (2n'+ 2) catión no localizado

(2n'+ 3) (2n'+ 3) radical no localizado

(2n' + 3) (2n'+ 4) anión no localizado

(2n + 2) (2n + 2) polieno localizado

Tipo de sistema π nc n0 e(π) Especie Tipo de enlace π

H2C CH CH CH2( )n

H2C CH CH CH( )n'

CH2

H2C CH CH CH( )n'

CH2+

H2C CH CH CH( )n'

CH2_

Siguen algunos ejemplos:

n = 1 ; nc = (2n + 2) = 4 ; n0 e(π) = (2n + 2) = 4: H2C CH CH1,3-butadieno CH2

n = 1 ; nc = (2n' + 3) = 5 ; n0 e(π) = (2n' + 2) = 4: catión pentadienilo H2C CH CH**

CH CH2*

+

n' = 1 ; nc = (2n' + 3) = 5 ; n0 e(π) = (2n' + 3) = 5: radical pentadienilo H2C CH CH**

CH CH2*

.

n' = 1 ; nc = (2n' + 3) = 5 ; n0 e(π) = (2n' + 4) = 6: anión pentadienilo H2C CH CH**

CH CH2*

:_

MOLÉCULAS CÍCLICAS

MOLÉCULAS CÍCLICAS CON UN NÚMERO IMPAR DE ÁTOMOS DE CARBONO Ciclopropenilo (catión) El número de átomos de carbono del sistema conjugado es tres y el número de electrones π es dos:

H

H H+

+

+

V

Page 121: LIBRO1 (0-675).pdf

108

. .

.

. ..

++ +

Ciclopropenuro (anión) El número de átomos de carbono del sistema conjugado es tres y el número de electrones π es cuatro:

H

H H

_

_ _

. .

.

. ...

.

.

.

.

.__ _

Ciclopentadienilo (catión) El número de átomos de carbono del sistema conjugado es cinco y el número de electrones π es cuatro:

+

+ +

H

H H

+

..

..

.. .+ +

Ciclopentadienuro (anión) El número de átomos de carbono del sistema conjugado es cinco y el número de electrones π es seis:

H

H H

_

_ _

V

Page 122: LIBRO1 (0-675).pdf

109

..

..

.. .

.

.

. .

..

_

_ _

Cicloheptatrienilo (catión) El número de átomos de carbono del sistema conjugado es siete y el número de electrones π es seis:

HH

H

H

++

++

Cicloheptatrienuro (anión) El número de átomos de carbono del sistema conjugado es siete y el número de electrones π es ocho:

HH

H

H

__

_

_

MOLÉCULAS CÍCLICAS CON UN NÚMERO PAR DE ÁTOMOS DE CARBONO Ciclobutadieno El número de átomos de carbono del sistema conjugado es cuatro y el número de electrones π es cuatro:

Benceno El número de átomos de carbono del sistema conjugado es seis y el número de electrones π es seis:

ORBITALES MOLECULARES LOCALIZADOS DEL BENCENO

Benceno: HH

H H

H H

V

Page 123: LIBRO1 (0-675).pdf

110

HH

HH

H

H [H(1s)-C(sp2)]σ σ [C(sp2)-C(sp2)]

.

.

....

.

.

..

. .

.

.

. . . .

.

.

..

..

π [C(pz)-C(pz)]

..

. ..

.

π [C(pz)-C(pz)]

σ [C(sp2)-C(sp2)]

σ [H(1s)-C(sp2)]

H H

H H

HH

ORBITALES MOLECULARES LOCALIZADOS DEL BENCENO

Ciclooctatetraeno El número de átomos de carbono del sistema conjugado es ocho y el número de electrones π es ocho:

V

Page 124: LIBRO1 (0-675).pdf

111

[10] anuleno El número de átomos de carbono del sistema conjugado es diez y el número de electrones π es diez:

MODELO DE HÜCKEL

MOLÉCULAS NO AROMÁTICAS, AROMÁTICAS Y ANTIAROMÁTICAS Molécula cíclica no aromática: aquella cuya energía de enlace π es la misma que la de su homóloga acíclica. Sus enlaces son localizados, es decir, tienen diferente longitud y distinta energía. Molécula cíclica aromática: aquella cuya energía de enlace π es mayor que la de su homóloga acíclica. Sus enlaces no son localizados, y tienen la misma longitud e idéntica energía. Molécula cíclica antiaromática: aquella cuya energía de enlace π es menor que la de su homóloga acíclica. Sus enlaces no son localizados, pero tienen diferente longitud y distinta energía. A continuación aparecen algunos ejemplos de radicales, cationes y aniones de moléculas monocíclicas con un número impar de átomos de carbono: Radicales Todos los radicales monocíclicos con (2n + 1) átomos de carbono y (2n + 1) electrones π en el ciclo son no aromáticos:

comparada conCH

CHHC

H2C

CHH2C

Cationes Los cationes monocíclicos con (4n-1) átomos de carbono y (4n-2) electrones π son aromáticos:

comparada conCH

CHHC

H2C

CHH2C

++

Los cationes monocíclicos con (4n + 1) átomos de carbono y 4n electrones π son antiaromáticos:

V

Page 125: LIBRO1 (0-675).pdf

112

comparada con

++

HC

H2C

H2C

CH

CH

Aniones Los aniones monocíclicos con (4n + 1) átomos de carbono y (4n + 2) electrones π son aromáticos:

comparada con

HC

H2C

H2C

CH

CH

_ _

Los aniones monocíclicos con (4n-1) átomos de carbono y 4n electrones π son antiaromáticos:

comparada conCH

CHHC

H2C

CHH2C__

EJEMPLOS n = 1 ; 4n = 4 ; n0 e(π) = 4n = 4 ; CICLOBUTADIENO (antiaromático) :

n = 1 ; (4n + 2) = 6 ; n0 e(π) = (4n + 2) = 6 ; BENCENO (aromático) :

n = 1 ; (2n + 1) = 3 ; n0 e(π) = (2n + 1) = 3 ; CICLOPROPENILO (radical: no aromático) :

H n = 1 ; (4n - 1) = 3 ; n0 e(π) = (4n - 2) = 2 ; CICLOPROPENILO (catión: aromático) :

H

H H

+

+ +

V

Page 126: LIBRO1 (0-675).pdf

113

n = 1 ; (4n - 1) = 3 ; n0 e(π) = 4n = 4 ; CICLOPROPENILO (anión: antiaromático) :

H

H H

:

: :

_

_ _

n = 1 ; (4n + 1) = 5 ; n0 e(π) = (4n + 2) = 6 ; CICLOPENTADIENILO (anión: aromático) :

:

H

H H

_

:_ :_

n = 1 ; (4n + 1) = 5 ; n0 e(π) = 4n = 4 ; CICLOPENTADIENILO (catión: antiaromático) :

+

+ +

H

H H

En las tablas siguientes se resume el carácter no aromático, aromático o antiaromático de las moléculas monocíclicas:

MOLÉCULAS NEUTRAS (anulenos)

(aromático) (antiaromático) (aromático)nc = 8 10...6

(antiaromático)4

CATIONES MONOCÍCLICOS

+ ++

+

(aromático) (aromático)(antiaromático) (antiaromático)

nc = 3 5 7 9...

ANIONES MONOCÍCLICOS

(aromático) (aromático)(antiaromático) (antiaromático)

nc = 3 5 7 9...

_ __

_

H HH

H

H HH

H

V

Page 127: LIBRO1 (0-675).pdf

114

4n 4n anuleno antiaromático no localizado

(4n + 2) (4n + 2) anuleno aromático no localizado

(2n + 1) (2n + 1) radical no aromático localizado

(4n - 1) (4n - 2) monocatión aromático no localizado

(4n - 1) 4n monoanión antiaromático no localizado

(4n + 1) (4n + 2) monoanión aromático no localizado

(4n + 1) 4n monocatión antiaromático no localizado

Átomos del ciclo n0 e(π ) Especie Carácter Tipo de enlace

MOLÉCULAS MONOCÍCLICAS (n = 1,2...)

HIDROCARBUROS ALTERNANTES IMPARES Son hidrocarburos con un número impar de carbonos, que tienen un sistema de dobles enlaces conjugados, unido directamente a un átomo de carbono con carga o con un electrón impar:

H2C CH CH CH CH2+ CH2

+

En los hidrocarburos alternantes impares existen dos tipos de átomos de carbono. Con el fin de diferenciarlos, se comienza marcando con un asterisco el átomo de carbono que tiene la carga (cationes o aniones) o el electrón impar (radicales) Después se continúa marcando los átomos de forma que cada átomo marcado esté sólo unido a átomos sin marcar. Análogamente, cada átomo sin marcar sólo estará unido a átomos con asterisco. En definitiva, se trata de marcar un átomo de carbono si y otro no, comenzando por el que tiene la carga.

+

****

* *

CH2

Los hidrocarburos alternantes impares pueden ser acíclicos o cíclicos. Estos últimos son derivados de benceno con una cadena en la que existen dobles enlaces conjugados y/o un átomo de carbono con carga o con un electrón impar. Cualquier estructura resonante que se dibuje de un hidrocarburo alternante impar tiene la carga (o el electrón impar) en un átomo con asterisco. El resto de los átomos (los que no tienen carga, o un electrón impar) están unidos entre sí por dobles enlaces. Ejemplos de hidrocarburos alternantes impares acíclicos:

H2C CH CH2+

**H2C CH CH2

+

H2C CH CH**

CH CH2 H2C CH CH CH CH2 H2C CH CH CH CH2*

_ _ _

V

Page 128: LIBRO1 (0-675).pdf

115

Ejemplos de hidrocarburos alternantes impares derivados de benceno:

CH2 CH2 CH2+ +_

Anión bencilo Catión 3-fenilpropenilo Catión 5-fenil 2,4-pentadienilo

**

* *

***

* *

****

* *

Todos los átomos de carbono están implicados en el sistema conjugado, pero únicamente se pueden dibujar estructuras resonantes con la carga (o el electrón impar) situada en los átomos marcados con asterisco: Anión bencilo: El número de átomos del sistema conjugado es siete y el número de electrones π es ocho: _

**

* *

**

* *

**

* *

**

* *

_

_ _

CH2 CH2 CH2 CH2

H

H

H

H*

*

*

**

**

*

H

H

H

H*

*

**

**

**

Catión 3-fenilpropenilo: El número de átomos del sistema conjugado es nueve y el número de electrones π es ocho:

CH2+

***

* *

CH2***

* *

CH2***

* *

+ +

CH2***

* *

CH2***

* *+ +

V

Page 129: LIBRO1 (0-675).pdf

116

Catión 5-fenil-2,4-pentadienilo: El número de átomos del sistema conjugado es once y el número de electrones π es diez:

CH2+

****

* *

CH2*

***

* *

CH2*

**

*

* *

+ +

CH2*

***

* *

CH2*

***

* *

CH2*

***

* *

+

+ +

Existen moléculas en las que no todos los átomos de carbono pertenecen al sistema conjugado. En cualquier sistema conjugado, el átomo de carbono con carga (o con un electrón impar) está directamente unido a un átomo de carbono con doble enlace.

+

C(sp3) [no pertenece al sistema conjugado]

[sistema conjugado de tres carbonos sp2]

H2C CH CH CH3**

En el catión 3-butenilo el átomo de carbono 1 (con carga positiva) no está unido directamente al átomo de carbono 3 (con doble enlace) Por consiguiente, no se trata de un sistema conjugado:

C(sp3)

+H2C CH CH2 CH2

El catión que aparece a continuación es un sistema conjugado de nueve átomos de carbono:

C(sp3)

+

sistema conjugado de 9 carbonos

CH C

CH3

CH CH CH2

CH3

*

**

* *

C(sp3)

C(sp3) C(sp3)

C(sp3)

CH3

V

Page 130: LIBRO1 (0-675).pdf

117

CÁLCULO DE LOS COEFICIENTES DEL ORBITAL MOLECULAR NO ENLAZANTE

Todos los hidrocarburos alternantes impares tienen un ORBITAL MOLECULAR NO ENLAZANTE (ONE) Los coeficientes de dicho orbital tienen unas propiedades muy interesantes y se pueden calcular de forma sencilla. El valor de estos coeficientes es cero en los átomos que no tienen asterisco. En los átomos con asterisco su valor es distinto de cero. Este hecho permite realizar su cálculo sin problemas. Primero se marcan con asteriscos todos los átomos del sistema conjugado (comenzando por el que tiene la carga):

CH2+

*

*

*

*

A continuación llamamos “a” al valor del coeficiente del ONE en un átomo que esté alejado del carbono que tiene la carga:

CH2+

*

*

*

*

a La primera propiedad de los coeficientes del ONE es la siguiente: la suma de los coeficientes de todos los átomos con asterisco que estén unidos a un átomo sin asterisco es igual a cero:

-aCH2+

*

*

*

*

a

átomo sinasterisco

átomo sinasterisco

-a

[(a)+(−a)=0] [(a)+(−a)=0] Finalmente, se utiliza esta primera propiedad para calcular el valor relativo del coeficiente en el carbono con carga:

-a

2a

CH2+

*

*

*

*

a

átomo sinasterisco

-a

[(−a)+(−a)+2a=0]

La segunda propiedad de los coeficientes del ONE es esta: la suma de los cuadrados de todos los coeficientes de los átomos con asterisco es igual a la unidad:

V

Page 131: LIBRO1 (0-675).pdf

118

-a

CH2+

*

*

*

*

a

-a

2a

(a)2+ (-a)2+ (-a)2+ (2a)2 = 1

= =2 17a 1 a7

Los coeficientes del ONE en el radical bencilo serán los siguientes:

27 CH2

+*

*

*

*

17

17

− 17

El orbital molecular no enlazante será de la forma:

ONE 1 2 3 41 1 1 2

7 7 7 7Ψ = Φ − Φ − Φ + Φ

O su equivalente:

ONE 1 2 3 41 1 1 2

7 7 7 7Ψ = − Φ + Φ + Φ − Φ

Donde son los orbitales atómicos que se han empleado en hacer la combinación lineal que da lugar a los orbitales moleculares.

1 2 3, , y Φ Φ Φ Φ4

Como los signos de los coeficientes son intercambiables, existen dos formas de expresarlos que son equivalentes:

-a

CH2+

*

*

*

* a

-a

2a CH2+

*

*

*

*

-2a

a

a-a

CH2+

*

*

*

*

17

17

− 17

CH2+

*

*

*

*17

27

17

17

27

V

Page 132: LIBRO1 (0-675).pdf

119

Siguen algunos ejemplos:

CH+

*

*

*

*

a

-a-a

2a*

-2a(-2a)2+ (2a)2+ (-a)2+ (a)2+ (-a)2 = 1 ;

CH_CH2

111a =

(4a)2+ (-2a)2+ (2a)2+ (-a)2+ (a)2+ (-a)2+ (-2a)2 = 1 ;CH2*

**

**

* *

_

4a-2a

2a-a

a

-a -2a

311a =

CH2+*

***

* * *

3a-2aa

-aa -a

(-3a)2+ (3a)2+ (-2a)2+ a2+ (-a)2+ a2+ (-a)2 = 1 ;261a =

-3a

+*

*

**

*

* *

2a-a

-a-a

-a

a a(2a)2+ (-a)2+ a2+ (-a)2+ (-a)2+ a2+ (-a)2 = 1 ;

101a =

CH2

+*

**

*

**

*3a

-3aa

a

-a

-2a2a

(3a)2+ (-3a)2+ a2+ (-a)2+ a2+ (-2a)2+ (2a)2 = 1291a =

CARGAS FORMALES EN CATIONES Y ANIONES DE HIDROCARBUROS ALTERNANTES IMPARES La carga formal (Q) de un átomo de carbono, en un hidrocarburo alternante impar, es igual al cuadrado del coeficiente del orbital molecular no enlazante en dicho átomo de carbono. En los átomos de carbono sin asterisco el coeficiente del orbital molecular no enlazante es cero y, por consiguiente, su carga formal es también cero.

+*

*

*

* 7

(Q = + 4a2)

(Q = + a2)

(Q = + a2)

(Q = + a2)a = 1/

+*

* *

(Q = + 0,57)

(Q = + 0,14)

(Q = + 0,14)

(Q = + 0,14)

*

CH2CH2

V

Page 133: LIBRO1 (0-675).pdf

120

CH=CH-CH2+

*

*

*

*

*

(Q = + 4a2)

(Q = + a2)a = 1/ 11

CH=CH-CH2+

*

*

*

*

*

(Q = + 0,36)

(Q = + 0,09)

(Q = + 4a2)

(Q = + a2)

(Q = + a2)

(Q = + 0,36)

(Q = + 0,09)

(Q = + 0,09)

***

*

*

* *

_16a24a2

4a2a2

a2

a2 4a2

31a = 1/ ***

**

* *

_ - 0,52- 0,13

- 0,13- 0,03

- 0,03

- 0,13- 0,03

CH2 CH2

a = 1/

+*

***

* * *

9a24a2a2

26

+*

***

* * *a2

a2a2

9a2

+ 0,35

+ 0,35+ 0,15+ 0,04

+ 0,04+ 0,04

+ 0,04

CH2 CH2

+*

*

**

*

* *

4a2

a2

a = 1/ 10

a2a2a2

a2 a2 +*

*

**

*

* *

+ 0,4

+ 0,1

+ 0,1

+ 0,1

+ 0,1 + 0,1

+ 0,1

ÁTOMOS DE CARBONO REACTIVOS Y NO REACTIVOS Los cationes y aniones de los hidrocarburos alternantes impares, reaccionan con otros aniones y cationes a través del átomo de carbono con más carga Q:

+

**

**

a

-a 2a

-a

Q(max.) = 4a2

+

**

* *

a

-a 2a

-aBr

_

Br

CH2Br*

+ *

**

* *a

-a

a -2a

2a

-3a

Q(max.) = 9a2

*+

*

**

* *a

-a

a -2a

-3a

2a Br_

CH2CH2

V

Page 134: LIBRO1 (0-675).pdf

121

+*

**a

-a

a

+

*

**a

-a

a

Br_

Br_

CH2H2C

CH2BrH2C CH2H2C

Br

CH2H2C

+

a

-a2a

-2a

*

*

*a*

CH2 CH2Br

Q(max.) = 4a2

a

-a2a

-2a

*

*

*a*

+ a

-a2a

-2a

*

*

*a* +

Br_

Br_

CH2

Br

CH2 CH2

ENTALPÍA DE ATOMIZACIÓN DE ANULENOS CnHn(n = 4, 6, 8…) El número de carbonos es par: 4, 6, 8, etc.:

)HC(H nn0fΔ )H(Hn)C(Hn 0

a0a Δ+Δ

)g(H2n)grafito(nC 2+

mol/kcaln39.223)HC(H)HC(H nn0fnn

0a +Δ−=Δ

CnHn(l,s) nC(g) + nH(g)

Ejemplo: benceno

=Δ )benceno(H0f +19.820 kcal/mol

=Δ )benceno(H0

a -19.820 + 223.39 x 6 = +1320.52 kcal/mol Δ = 27.52 kcal/mol

=∑ )benceno(D0 3 x 148 + 3 x 89 + 6 x 97 = 1293 kcal/mol

V

Page 135: LIBRO1 (0-675).pdf

122

La molécula de benceno (aromática) no puede describirse de acuerdo con el modelo de enlace localizado. La diferencia entre su entalpía de atomización y la suma de las energías de enlace es demasiado grande (Δ=27.52 kcal/mol) Empleando la misma metodología se puede calcular la entalpía de atomización de cualquier hidrocarburo bencenoide.

HIDROCARBUROS AROMÁTICOS

Hidrocarburo )mol/kcal(H0fΔ )mol/kcal(H0

aΔ ∑ )mol/kcal(D0 Δ

benceno 19.82 1320.52 1293 27.52 tolueno 11.95 1603.88 1576 27.88 etilbenceno 7.12 1883.20 1859 24.20 o-xileno 4.54 1886.78 “ 27.78 m-xileno 4.12 1887.20 “ 28.20 p-xileno 4.29 1887.03 “ 28.03 propilbenceno 1.87 2164.94 2142 22.94 isopropilbenceno 0.94 2165.87 “ 23.87 1,3,5-trimetilbenceno -3.84 2170.65 “ 28.65 butilbenceno -3.30 2445.60 2425 20.06 α-metilestireno 27.00 2035.61 2007 28.61 o-metilestireno 28.30 2034.31 “ 27.31 m-metilestireno 27.60 2035.01 “ 28.01 naftaleno ⎯ 2093.60 2050 43.6 antraceno ⎯ 2863.86 2807 56.86 fenantreno ⎯ 2869.56 “ 62.56

EJERCICIOS ADICIONALES 5.1 Apartado 1: Ordena las moléculas de los siguientes apartados de acuerdo con su estabilidad relativa (mayor energía de enlace π) Indica en cada caso si la molécula es no aromática, aromática o antiaromática.

(1) (2)

(3)

1.1) H2C CH CH CH CH2+

H2C CH CH CH CH2

+

+H

(4)

1.2)+

++

(5) (6)

CH2

CH CH3

(7)

1.3)

(8) (9)

H2C CH CH CH CH CH CH2 _

V

Page 136: LIBRO1 (0-675).pdf

123

Apartado 2: ¿Cuál será el producto principal que se obtendrá cuando cada uno de los carbocationes siguientes reacciona con anión bromuro?

(4)(3)

+

(5)

CH2+

+

+

+

(1) (2)

H2C CH2

CH2 CH CH3

5.2 Apartado 1: Averigua si el anión (1) puede describirse empleando el modelo de enlace localizado.

ΔHa(H2) = 104,2 kcal/mol D0(C=C) = 148 kcal/mol

ΔHa (grafito) = 171,3 kcal/mol D0(C-C) = 89 kcal/mol

ΔHf (1) = 60,4 Kcal/mol D0(C-H) = 97 kcal/mol

CH2

(1)

_

Apartado 2: ¿Qué producto se obtendrá cuando el anión (1) reacciona con agua? 5.3 ¿Qué productos se obtendrán en las siguientes reacciones: Reacción 1:

CH2+

Cl_

Reacción 2:

_CH2

H3O+

5.4 Apartado 1: Ordena las moléculas de los siguientes subapartados de acuerdo con su estabilidad relativa (energía de enlace π) Indica en cada caso si la molécula es no aromática, aromática o antiaromática. Subapartado a):

(1) (2)

(3)

CH3 CH CH CH2 CH3 CH CH CH2

Me

H

Subapartado b):

H2C C CH

CH3

CH CH CO2Et+

H2C C CH

CH3

CH CH CO2Et+

(6)

H

CH3

CO2Et

+(4) (5)

V

Page 137: LIBRO1 (0-675).pdf

124

Subapartado c):

Me CH2

+

(7) (8) (9) (10)

H

H

H

HMe

H HH+

+

CH2+

Apartado 2: ¿Qué productos se obtendrán cuando cada uno de los carbocationes siguientes reacciona con anión cloruro?

+

++

(3)(2)(1)

HHH

MeH

CH2 CH2

5.5 Averigua si la molécula de etilbenceno puede describirse de acuerdo con el modelo de enlace localizado.

ΔHa(H2) = 104.2 kcal/mol ; ΔHa (grafito) = 171.3 kcal/mol ; ΔHf (etilbenceno) = 7.12 kcal/mol

D0(C=C) = 148 kcal/mol ; D0(C_C) = 89 kcal/mol ; D0(C_H) = 97 kcal/mol

V

Page 138: LIBRO1 (0-675).pdf

6. EQUILIBRIO QUÍMICO Y REACTIVIDAD

ÁCIDOS Y BASES

MODELO DE BRONSTED-LOWRY ÁCIDO: Molécula que puede perder un protón. BASE: Molécula que puede extraer un protón de un ácido

CH3 CO

O H CH3 CO

O_

+ OH2H+

ác. acético(ácido)

agua(base)

anión acetato catión hidronio

base conjugada del ac. acético

ácido conjugado del agua

: :

::

:: ::O H

H

CH3CH2 NH2HO +

agua Etilamina(base)(ácido)

H C 3CH2 NH2HO +

aniónhidroxilo

catiónetilamonio

_ H

+

base conjugada del agua

ácido conjugado de la Etilamina

H

MODELO DE LEWIS ÁCIDO: Molécula o ión con un orbital vacío que puede aceptar un par de electrones.

BASE: Molécula o ión con un par de electrones no enlazantes (situados en un orbital que no interviene en ningún enlace) que puede cederlos a otra molécula o ión con otro orbital vacío (ácido)

CH3 O

CH3

: B

Cl

Cl

Cl CH3 O

CH3

B

Cl

Cl

Cl+ _

Éter dimetílico(base de Lewis)

Tricloruro de boro (ácido de Lewis)

complejo del Éter dietílico con Tricloruro de boro

CH3CH2 OH

:: Zn2+

Etanol(base de Lewis)

Catión cinc (ácido de Lewis)

CH3CH2 O: Zn

H 2+

complejo de catión cinc y Etanol

VI

Page 139: LIBRO1 (0-675).pdf

126

REACCIONES ÁCIDO – BASE ENTRE COMPUESTOS ORGÁNICOS

CONSTANTES DE ACIDEZ Y pKa

CH3__C__OH

O

+ H2O CH3__C__O

O_

+ H3O+ Keq =[CH3CO2 ] [H3O+]

_

[CH3CO2H ] [H2O] Cuando la disolución es diluida, la concentración de agua es mucho mayor que las concentraciones del resto de las sustancias que intervienen en el equilibrio. Si la concentración de agua se considera constante el error que se comete es despreciable:

Keq [H2O] = Ka =[CH3CO2 ] [H3O+]

_

[CH3CO2H ]= 1,75 x 10-5[H2O] = cte.

La constante de equilibrio de cualquier reacción ácido-base puede expresarse en función de las constantes de acidez de los ácidos que intervienen en la reacción. Considera la siguiente reacción entre ácido acético y anión terbutóxido:

CH3__CO2H + Me3C_O

_CH3

__CO2 + Me3C_OH_

Keq =[CH3CO2 ] [Me3C_OH]

_

[CH3CO2H ] [Me3CO ]_

ácido (1) ácido (2) La constante de equilibrio de dicha reacción puede expresarse en función de Ka(1) y Ka(2):

CH3__CO2H + H2O CH3

__CO2 + H3O+_

Keq(1) =[CH3CO2 ] [H3O+]

_

[CH3CO2H ] [H2O]ácido (1)

Ka(1) [H2O]

=

Me3C_OH + H2O Me3C_O + H3O+_

ácido (2) Keq(2) =

[Me3CO ] [H3O+]_

[Me3COH] [H2O] Ka(2) [H2O]

=

CH3__CO2H + Me3C_O

_CH3

__CO2 + Me3C_OH_

Keq(3) =[CH3CO2 ] [Me3C_OH]

_

[CH3CO2H ] [Me3CO ]_

ácido (1) ácido (2)

REACCIÓN GLOBAL:

Keq(3) =[CH3CO2 ] [Me3C_OH]

_

[CH3CO2H ] [Me3CO ]_

Keq(1) Ka(1) Ka(2)=

Keq(2)

Ka (ácido de partida)

Ka (ácido obtenido)= =

En este caso: Ka (ácido acético) = 1,75 x 10–5 Ka (alcohol ter-butilico) = 10–19

CH3__CO2H + Me3C_O

_CH3

__CO2 + Me3C_OH_

ácido (1) ácido (2) Keq(3) =

1,7 x 10-5=

10-19 1,7 x 1014

VI

Page 140: LIBRO1 (0-675).pdf

127

El concepto de pKa se define de la forma siguiente:

pKa = − log Ka

log Keq(3) = log Ka (ácido de partida) - log Ka (ácido obtenido) = = - pKa (ácido de partida) + pKa (ácido obtenido)

Keq = antlog [pKa(ácido obtenido) − pKa(ácido de partida)] = antlog ΔpKa

CH3__CO2H + Me3C_O

_CH3

__CO2 + Me3C_OH_

Keq =

pKa 4,8 pKa 19antlog (19 - 4,8) = 1,6 x 1014

Siguen algunos ejemplos (ver Tabla de pKa en el Apéndice II):

H2O + NC HO + NCH_ _

Keq = 2,5 x 10-7

pKa 15,7 pKa 9,1

C6H5_CO2H + C6H5

_NH2 C6H5_CO2 + C6H6

_NH3 Keq = 2,5

pKa 4,2

+_

pKa 4,6

C6H5_OH + MeO C6H5

_O + MeOH Keq = 1,6 x 105

pKa 10

_

pKa 15,2

_

pKa 9

CH3_CO_CH2

_CO_CH3 + EtO CH3_CO_CH_CO_CH3 + EtOH

pKa 17 Keq = 108

__

O2N_CH2_CO2Et + HO O2N_CH_CO2Et + H2O

_

pKa 15,7pKa 5,8

_ Keq = 8 x 109

CH3_CO_CH3 + H

_CH2

_CO_CH3 + 1/2 H2

pKa 19 pKa 35

Keq = 1016_

CH3_CH2OH + NH2 CH3

_CH2O + NH3

_ _

pKa 17 pKa 36

Keq = 1019

VI

Page 141: LIBRO1 (0-675).pdf

128

1 Una molécula es tanto más ácida cuanto menor es el valor del pKa

2 Una molécula es tanto más básica cuanto mayor es el valor del pKa de su ácido conjugado

3 Cuanto más ácida es una molécula, menos básica es su base conjugada

4 Cuanto menos ácida es una molécula, más básica es su base conjugada

5 La reacción en equilibrio entre un ácido (1) y una base (2) está muy desplazada hacia la derecha cuando se cumple:

[pKa (2) - pKa (1)] >> 1 Un ácido (1) reacciona con cualquier base (2) que esté situada por debajo de él en la tabla dando lugar al ácido (2) y a la base conjugada del ácido (1) (ver tabla de pKa en los apéndices)

ÁCIDO (1)

ÁCIDO (2) BASE CONJUGADA (2)

BASE CONJUGADA (1)

ácido (1) + base (2) ácido (2) + base (1)pKa (1) pKa (2)

El equilibrio estará tanto más desplazado hacia la derecha cuanto mayor sea la diferencia [pKa (2) – pKa (1)] Siguen algunos ejemplos:

H3O+ + CH3_CO2

_CH3

_CO2H + H2O

pKa (1) -1,7 pKa (2) 4,8base (2) base (1)

Keq = 3 x 106

CH3_CO2H + HO

_H2O + CH3

_CO2_

pKa (1) 4,8 pKa (2) 15,7base (2) base (1)

Keq = 8 x 1010

Una base (2) reacciona con cualquier ácido (1) que esté situado por encima de ella en la tabla, dando lugar a la base conjugada del ácido (1) y al ácido conjugado de la base (2)

ÁCIDO (1)

ÁCIDO (2) BASE CONJUGADA (2)

BASE CONJUGADA (1)

base (2) + ácido (1) base (1) + ácido (2)

pKa (1) pKa (2)

El equilibrio estará tanto más desplazado hacia la derecha cuanto mayor sea la diferencia [pKa (2) – pKa (1)]

VI

Page 142: LIBRO1 (0-675).pdf

129

A continuación aparecen dos ejemplos:

base (1)base (2) pKa (1) 10,2 pKa (2) 19

Keq = 6 x 108Me3CO + CH3_NO2 CH2

_NO2 + Me3COH_ _

NH2 + CH3_CO2Et CH2

_CO2Et + NH3_ _

base (1)base (2) pKa (1) 23 pKa (2) 36

Keq = 1013

Las especies mayoritarias en el equilibrio son el ácido más débil y la base más débil:

Me3CO + H2O Me3COH + HO_ _

base más fuerte

ácido más débil

ácido más fuerte

Keq = 1995

pKa 15,7 pKa 19

base más débil

Me3CO + H2O Me3COH + HO_ _

Keq =

(1-α) α α(1-α)

α2

(1-α)2= 1995

α = 0,98 ; en el equilibrio

[Me3CO ] = [H2O] = 0,02 moles / l

_

_

[Me3COH] = [HO ] = 0,98 moles / l

Si [pKa (2) - pKa (1)] = 0 la constante de equilibrio es la unidad (Keq = 1) Cuando la constante de equilibrio es la unidad:

Keq = 1α2

(1-α)2= 1 α = 0,5

CH3_CO_CH3 + Me3CO

_CH2

_CO_CH3 + Me3COH

pKa 19 pKa 19

Keq 1

En el equilibrio: [CH3COCH3] = [Me3CO ] = [CH2COCH3] = [MeCOH] = 0,5 moles / I_ _

_

El valor α = 0,5 significa que el 50 % de acetona se transforma en su carbanión y el 50 % del anión terbutóxido se transforma en alcohol terbutílico.

EJERCICIO 6.1¿Cuál debe ser la diferencia entre los pKa de los ácidos que intervienen en una reacción para que los reactivos se transformen en los productos en un 90 % ?

A(1) + B(2) B(1) + A(2)

VI

Page 143: LIBRO1 (0-675).pdf

130

EJERCICIO 6.2Se pretende obtener anión fenóxido a partir de fenol con un rendimiento elevado. Indica cuál de las bases siguientes es la más adecuada: metóxido sódico, dimetilamina, agua, acetato sódico, amoniaco, terc-butóxido potásico, amiduro sódico.

EJERCICIO 6.3Calcula la constante de equilibrio de las reacciones del catión hidronio con los siguientes compuestos alifáticos: una amida, un ácido carboxílico, un éster, una cetona, un aldehido.

RELACIÓN ENTRE LA ENERGÍA LIBRE ESTANDAR, LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO Y EL pKa

La relación entre la variación de energía libre de una reacción y su constante de equilibrio es la siguiente:

eq0T KlogTR303.2G −=Δ

El superíndice indica que la presión es de 1 atmósfera y el subíndice es la temperatura absoluta a la que tiene lugar la reacción. Si la reacción transcurre a 1 atm. de presión y 250C (condiciones estandar):

K298)25273(T;molgrado/kcal10987.1R 03 =+=⋅×= −

eqeq30

298 log36.1Klog29810987.1303.2 KG ×−=××××−=Δ −

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ Δ−=

36.1logant

0298

eqGK

[ ] mol/kcal)partidadeácido(pK)obtenidoácido(pK36.1G aa0298 −−=Δ

a0298 36.1 pKG Δ−=Δ

: 50 % de conversión de los reactivos en productos

: el equilibrio está desplazado hacia la izquierda (la reacción no es útil en síntesis)

: el equilibrio está desplazado hacia la derecha (la reacción si es útil en síntesis)

Δ = =G K0298 eqSi 0 1

Δ > <G K0298 eqSi 0 1

Δ 0298 eqSi G < 0 K >1

EJERCICIO 6.4Calcula la variación de energía libre estándar de las reacciones que aparecen a continuación y decide si son útiles para obtener los productos situados a la derecha.

Reacción 1:

Reacción 2:

CH3_NO2 + CH3

_CO2 Na+ CH2_NO2 + CH3

_CO2H + Na+__

CH3_CO2Et + NH2 Na+

_CH2

_CO2Et + NH3 + Na+_

VI

Page 144: LIBRO1 (0-675).pdf

131

EQUILIBRIO QUÍMICO

La ley de reversibilidad microscópica implica que todas las reacciones son reversibles. Esto significa que el mecanismo de una reacción, escrito de izquierda a derecha, es el mismo que si la reacción se escribe de derecha a izquierda, con el movimiento de electrones invertido.

EJERCICIO RESUELTOEscribe el mecanismo de la siguiente reacción, cuando el proceso tiene lugar de derecha a izquierda:

H

CHCH3 CH

Br

CH3

HO_

CHCH3 CH CH3

HO

Br_

H

:

:: :

::

RESPUESTA:

CHCH3 CH CH3

Br_

HO H H

CHCH3 CH

Br

CH3

HO_

:

::

:: :

INSUFICIENCIA DE LOS CONCEPTOS TERMODINÁMICOS Según el Segundo Principio de la Termodinámica, si una reacción tiene lugar es porque, al tener lugar, aumenta la entropía (desorden) del universo de la reacción.

C A B Si la molécula A puede transformarse en B o en C, a través de procesos que transcurren con la misma velocidad, una vez alcanzado el equilibrio, el producto mayoritario (B o C) será aquél que implique mayor aumento de entropía. Sin embargo, las situaciones de “vigencia plena” del Segundo Principio, no son excesivamente frecuentes, debido a que la velocidad de reacción puede ser muy lenta.

CH3 CH2 CH3 (g) 2CH4 (g) + C (grafito) Keq = 1014

Si la reacción fuese muy rápida el propano no existiría.

molécula orgánica + oxígeno productos de combustión La reacción tiene una constante de equilibrio muy alta (está “totalmente desplazada” hacia los productos de combustión) ¿Por qué no han ardido ya todos los bosques, toda la materia viva? La velocidad del proceso, a temperatura ambiente, es muy lenta.

VI

Page 145: LIBRO1 (0-675).pdf

132

ENTALPÍA Y ENTROPÍA

0T

0T

0T STHG Δ−Δ=Δ

El superíndice indica que la presión es de 1 atmósfera y el subíndice es la temperatura absoluta a la que tiene lugar la reacción

[ ] [ )B(Gb)A(Ga)D(Gd)C(Gc)neta(G 0T

0T

0T

0T

0T Δ+Δ−Δ+Δ=Δ ]aA + bB cC + dD

0)neta(Si 0

T <ΔG aA + bB cC + dD hasta que la reacción alcance el estado de equilibrio

0)neta(Si 0T >ΔG cC + dD aA + bB hasta que la reacción alcance el estado de equilibrio

0)neta(Si 0

T =ΔG aA + bB cC + dD la reacción está en estado de equilibrio

EJERCICIO RESUELTOExplica en qué sentido tendrá lugar la siguiente reacción, cuando se realiza a 250 C y 1 atm.de presión:

CH3CH2OH (l) + 3O2 2CO2(g) + 3H2O(l)

0298 2 5ΔG (C H OH , l) = -40.2 kcal/mol 0

298 2G (CO , g) = -94.26 kcal/molΔ 0298 2ΔG (H O , l) = -56.70 kcal/mol

RESPUESTA:

Un valor negativo tan alto de GT(neta) indica que el proceso tiene lugar de izquierda a derecha. Esto es, una mezcla de un mol de etanol y tres moles de oxígeno a 250 C y 1 atm. de presión, se transformarán (si reac-cionan) en dos moles de CO2 y tres moles de H2O. El equilibrio estará desplazado hacia la derecha de forma prácticamente total,es decir, las concentraciones de etanol y oxígeno serán despreciables.

0298G (neta) = -3×56.7 +(-2×94.26) - (-40.2) = -318.42 kcal/molΔ

0Si 0T <ΔH la reacción es exotérmica

S = R lnp (p = número de estados posibles del sistema) 0Si 0

T >ΔH la reacción es endotérmica

0S0T ≈Δ

0S0T >Δ

0S0T <Δ

A + B C + D

C + D

A + B

A

C

(no hay variación del desorden)

(aumenta el desorden)

(disminuye el desorden) Cuando es necesario calcular la variación de energía libre de una reacción, a la presión de 1 atm., pero a una temperatura T distinta de 250C, puede utilizarse la siguiente aproximación:

0298

0298

0T STHG Δ−Δ=Δ

VI

Page 146: LIBRO1 (0-675).pdf

133

Por otra parte,

eq0T KlogR303.2 TG −=Δ

cal/mollog4.6mol/kcallog106.4log10987.1303.2KlogR303.2 eqeq

3eq

3eq

0T KTKTKTTG −=×−=××−=−=Δ −−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ Δ−Δ−=⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ Δ−=

TTH

TGK

6.4S

logant6.4

logant0298

0298

0T

eq

Por ejemplo, la siguiente reacción es exotérmica cuando tiene lugar de izquierda a derecha:

+ 3H2 ΔHT < 0

ΔST < 0 , ya que cuatro moléculas se trasforman en una y, en consecuencia, disminuye el desorden.

0 0 0298 298A temperatura ambiente (25 C) se cumple que ΔH > TΔS y entonces:

0)()( 0298

0298

0298

0298

0298

0298

0298 <Δ+Δ−=Δ−−Δ−=Δ−Δ=Δ STHSTHSTHG

Tendrá lugar la reacción:

0G0298 <Δ+ 3H2

[ ] [ ] :cumpliráseySHC300hastaelevaseatemperaturlaSi 0298

0298

0 Δ<Δ T

0)()( 0298

0298

0298

0298

0298

0298

0573 >Δ+Δ−=Δ−−Δ−=Δ−Δ=Δ STHSTHSTHG

Ahora, la reacción que tiene lugar es la inversa:

0G0573 >Δ+3H2

Todo esto significa que a temperaturas elevadas no es posible hidrogenar el benceno a ciclohexano. O dicho de otro modo: a temperaturas elevadas el equilibrio estará muy desplazado hacia la izquierda.

Page 147: LIBRO1 (0-675).pdf

134

EJERCICIO RESUELTOA 250C, la proporción de ciclohexano en conformación de "silla", es superior al 99%. Teniendo en cuenta que la energía libre de dicha conformación es 5 kcal/mol menor que la correspondiente a la conformación de "bote". ¿Cuál es el valor de la constante de equilibrio para el siguiente proceso?

RESPUESTA:silla bote mol/cal5000)sillabote(G0

298 =−Δ

silla bote(1-α) α

Keq =[bote]

[silla]= α

(1-α) = 0.000224 α = 0.0002239

[bote] = 100α = 0.02239 % [silla] = (1-α)100 = 99.9776 %

0-4298

eqΔG 5000K = antlog - = antlog - = 2.24×104.6 T 4.6×298

⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎝ ⎠⎝ ⎠

EJERCICIO RESUELTOConsidera el equilibrio entre las conformaciones anti y sesgada del n-Butano:

a) Calcula el porcentaje de n-Butano sesgado a 250 Cb) Repite el cálculo para 5000 Cc) ¿Cómo influye la temperatura en el porcentaje de ambas conformaciones, cuando el sistema está en equilibrio?d) ¿A qué temperatura serán iguales los porcentajes de ambas conformaciones?

CH3

H HCH3

HHH

CH3 HCH3

HH

anti sesgada

mol/kcal8.0H0298 =Δ

.e.u4.1S0298 =Δ

RESPUESTA:

a)(1-α) αanti sesgada 0

2980298

0T STHG Δ−Δ=Δ

A 250 C (2980 K): 0298ΔG = 800 - 298×1.4 = 382.8 cal/mol 0

eq 298logK = -ΔG /4.6 T = -382.8/1370.8 = -0.279

Keq = 0.5257

Keq =[sesgada]

[anti]=

α(1-α) = 0.5257 α = 0.344

VI

Page 148: LIBRO1 (0-675).pdf

135

RESPUESTA (continúa)

[anti]= 100 α = 34.4 %[sesgada] = (1-α)100 = 65.6 %

b) A 5000 C (7730 K): eq0 0 0T 298 298

logKΔG = ΔH - TΔS = -

4.6T

0773ΔG = 800 - 773×1.4 = -282.2 cal/mol 0

eq 773logK = -ΔG /4.6T = +282.2/3555.8 = +0.079

eqK = antlog (+0.079) = 1.1995

Keq =[sesgada]

[anti]=

α(1-α) = 1.1995 α = 0.545

[anti]= 100α = 54.5 %[sesgada] = (1-α)100 = 45.5 %

c) Al aumentar la temperatura, el equilibrio se desplaza hacia la derecha, es decir, aumenta el porcentaje de la conformación menos estable (sesgada).

[sesgada] = [anti] ; α = 0.5 ; Keq =[sesgada]

[anti]=

0.5(1−0.5)

(1−α)= 1

0 00 0 0298 298

eq TΔH -TΔS -800 +1.4TlogK = -ΔG /4.6T = - = = 0 ; T = 571.43 K = 298.4 C

4.6T 4.6T

d)

EJERCICIO RESUELTO

Bajo condiciones experimentales adecuadas, es posible transformar un alqueno en un alcohol:

R CH CH2 + H OHH3O+

R CHOH

CH3 0H0S 0T

0T <Δ<Δ

¿Qué condiciones experimentales elegirías para que la reacción transcurra en el sentido de dar alcohol? ¿y cuáles para que transcurra en sentido inverso, dando alqueno?

RESPUESTA:Obtención del alcohol:

R CH CH2 + H OHH3O+

R CHOH

CH3 0H0S 0T

0T <Δ<Δ

Si la temperatura no es muy alta se cumple [ H] > [TΔS] y entonces:

0 0 0 0 0 0 0T T T T T T TΔG = (ΔH - TΔS ) = -ΔH - (-TΔS ) = -ΔH + TΔS < 0

VI

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136

RESPUESTA (continúa)

Por otra parte: Keq =[alcohol]

[alqueno] [H2O]

Para que el equilibrio se desplace hacia la formación del alcohol, se aumenta la concentración de agua antes de comenzar la reacción.

Si la temperatura se eleva demasiado: [ H] < [TΔS] y se cumplirá,

0 0 0 0 0 0 0T T T T T T TΔG = (ΔH - TΔS ) = -ΔH - (-TΔS ) = -ΔH + TΔS > 0

La formación de alcohol estará favorecida trabajando a temperaturas no muy altas y empleando exceso de agua.

Obtención de la olefina:

R CH CH2 + H OHH3O+

R CHOH

CH3 ΔST >0 ΔHT > 0+ +

Ahora sucede lo contrario. Si la temperatura no es alta se cumple que [Δ HT] > [TΔS] y entonces:

0 0 0T T TΔG = (ΔH - TΔS ) > 0

Si la temperatura se eleva lo suficiente: [ ΔH] < [TΔS] y se cumplirá,

0 0 0T T TΔG = (ΔH - TΔS ) < 0

La constante de equilibrio de la reacción es:

K'eq =

[alcohol][alqueno] [H2O]

Para que el equilibrio se desplace hacia la formación de la olefina, se debe eliminar agua del medio de reacción.

La formación de olefina estará favorecida trabajando a temperaturas altas y eliminando agua del medio de reacción.

R CHOH

CH3H3O+

R CH CH2 + H2OQ

INTERMEDIOS DE REACCIÓN

CARBOCATIONES Los haluros de alquilo reaccionan con NaOH acuoso, dando lugar a alcoholes:

CH3 CCH3

CH3

Cl + NaOH CH3 CCH3

CH3

OH + Cl Na_

+ +

La reacción transcurre del modo siguiente:

VI

Page 150: LIBRO1 (0-675).pdf

137

CH3 CCH3

CH3

Cl CH3 CCH3

CH3

+ + Cl_

(carbocatión)

CH3 CCH3

CH3

+ + HO_

CH3 CCH3

CH3

OH

Los carbocationes tienen una geometría triangular y plana:

CH3 CCH3

CH3

+

(carbocatión)

CH3 CCH3

CH3+CH3

CH3

CH3

[OA vacio] Una prueba indirecta de la existencia de cationes carbonio planos es la racemización de sustratos ópticamente activos:

C6H5 CH

CH3

Cl

estereoisómero puro ópticamente activo

NaOHH2O

C6H5 CH

CH3

OH50 % (R)

50 % (S)

C6H5CH3

H

C6H5

OH

CH3H

C6H5

OH

CH3

H

+

1

2

estereoisómero puro ópticamente activo

C6H5

CH3

H

ClCl

C6H5 CH3

H(S)

HO_

1

2

OH

C6H5 CH3

H(S)

H

C6H5 CH3

OH(R)

ESTABILIDADES RELATIVAS DE LOS CATIONES CARBONIO

>R C CH2+

Ar CH2+

R CR

R+ > CH2 C

RCR

R+

R CR

H+ > R C

H

H+ > H C

H

H+~_~_

Las reacciones de transposición que transcurren a través de cationes carbonio, se deben a las estabilidades relativas de estos intermedios:

CH3 CCH3

CH3

CH2OHHCl CH3 C

Cl

CH3

CH2 CH3 CH3 CCH3

CH3

CH2 Cly no

2-Cloro-2-metilbutano 1-Cloro-2,2-dimetilbutano2,2-Dimetil-1-propanol

VI

Page 151: LIBRO1 (0-675).pdf

138

CH3 CCH3

CH3

CH2

::OH H+ CH3 C

CH3

CH3

CH2 :OH

H+

H2O_CH3 C

CH3

CH3

CH2+

(carbocatión primario)

transposiciónCH3 C

CH3

CH3

CH2+ CH3 C

CH3

CH2 CH3+

(carbocatión terciario)

Cl_

CH3 CCH3

CH2 CH3

Cl

2-Cloro-2-metilbutano

CARBANIONES Los carbaniones se forman a partir de compuestos que tienen hidrógenos ácidos unidos a átomos de carbono:

Keq = 103EtO CO

CH2 CO

OEt

α

Malonato de dietilo

pKa 13

+ Et3N: EtO CO

CH CO

OEt_

+ Et3N H+

pKa 10

Acetilacetato de etilo

pKa 11,0

pKa 15,7

Keq = 5,0 x 104H3C CO

CH2 CO

OEt

α

+ HO_

H3C CO

CH CO

OEt_

+ H2O

Los carbaniones, lo mismo que los cationes carbonio, tienen geometría triangular y plana:

HCO2Et

CO2Me

[OA lleno]

EtO CO

CH CO

OMe_

HCO2Et

CO2Me_

Este hecho explica que, en algunas reacciones en las que intervienen carbaniones, tengan lugar procesos de racemización. Un ejemplo es la reacción del malonato de dietilo con un haluro de alquilo en medio básico:

1)HO

2)ICH3CH2

CO2Et

CO2Me CH3 CH

CO2Et

CO2Me

_

CH2

EtO2C

MeO2C+ HO

_CH

EtO2C

MeO2C

_+ H2O

CHEtO2C

MeO2C

_CH3 I CH

EtO2C

MeO2CCH3 + I

_

VI

Page 152: LIBRO1 (0-675).pdf

139

HCO2Et

CO2Me

H

CH3

CO2EtCO2Me

CH3

H CO2Et

CO2Me

(S)

(R)

CH3 I

CH3 I

1

2

H

CH3

CO2EtCO2Me

CO2Me

H CH3

CO2Et

1

2

VELOCIDAD Y ORDEN DE UNA REACCIÓN

CH3Br + CH3CH2O Na_ + CH3 O CH2CH3 velocidad moderada: 4h

+ CH3CH2O Na_ + CH3 C

CH3

CH3

O CH2CH3CH3 CCH3

CH3

Br velocidad moderada: 4h

CH3 CCH3

CH3

CH2 Br + CH3CH2O Na_ + CH3 C

CH3

CH3

CH2 O CH2CH3 107 veces más lenta: ~_ 4500 años

ORDEN DE REACCIÓN

v = k [concentración] k es la velocidad específica de reacción, es decir, la velocidad de reacción cuando la concentración es la unidad.

VARIACIÓN DE LA VELOCIDAD DE REACCIÓN CON LA CONCENTRACIÓN

CH3Br + CH3CH2O Na_ + CH3 O CH2CH3

(velocidad de formación) [BrCH3]i [C2H5O−]i CH3-O-CH2CH3 0.1 0.1 v v = k [BrCH3] 0.2 0.1 2v 0.1 0.1 v v = k [C2H5O−] 0.1 0.2 2v

VI

Page 153: LIBRO1 (0-675).pdf

140

La reacción del CH3Br con C2H5O− es de primer orden con respecto al CH3Br y de primer orden en relación al C2H5O−; globalmente es una reacción de segundo orden, porque la velocidad de reacción depende de las concentraciones de dos reactivos.

CH3Br + CH3CH2O Na_ + CH3 O CH2CH3 v = k[CH3Br][C2H5O ]

_

+ CH3CH2O Na_ + CH3 C

CH3

CH3

O CH2CH3CH3 CCH3

CH3

Br

(velocidad de formación) [Me3CBr]i [C2H5O−]i Me3C-O-CH2CH3

0.1 0.1 v v = k [(Me3)3CBr]I 0.2 0.1 2v 0.1 0.1 v v = cte. 0.1 1 v La reacción del (Me3)3CBr con C2H5O− es de primer orden respecto a la concentración del derivado halogenado y de orden cero para al anión etóxido. Globalmente es una reacción de primer orden:

+ CH3CH2O Na_ + CH3 C

CH3

CH3

O CH2CH3CH3 CCH3

CH3

Br v = k [Me3CBr]

ORDEN, MOLECULARIDAD Y MECANISMO DE UNA REACCIÓN

Se llama molecularidad de una reacción, el número de moléculas que participan en el paso que determina la velocidad global de dicha reacción (es decir, el paso más lento)

Los aniones alcóxido reaccionan con haluros de alquilo originando éteres:

CH3Br + CH3CH2O Na_ + CH3 O CH2CH3 v = k[CH3Br][C2H5O ]

_

La estereoquímica de la reacción se puede visualizar del modo siguiente:

Br

H

HH

CH3CH2O_ CH3CH2O

H

Br

HH

δ_

δ_

CH3CH2_O

H

HH

+ Br_

La reacción transcurre en un solo paso y su velocidad depende de las concentraciones de los dos compuestos que intervienen en la reacción. Se trata de una reacción bimolecular de segundo orden.

+ CH3CH2O Na_ + CH3 C

CH3

CH3

O CH2CH3CH3 CCH3

CH3

Br v = k [Me3CBr]

La reacción transcurre de la forma siguiente:

VI

Page 154: LIBRO1 (0-675).pdf

141

Br

Me

MeMe

Me

Br

MeMe

δ_

δ+ lenta

Me

MeMe

+ Br_

+

catión carbonio

Me

MeMe

+CH3CH2O_ rápida

Me

MeMe

CH3CH2O

La reacción entre Me3CBr y C2H5O− es monomolecular, de primer orden y transcurre en dos pasos. El orden global de cualquier reacción es el mismo que el orden correspondiente a la etapa más lenta

EL ESTADO DE TRANSICIÓN La velocidad de cualquier reacción viene determinada por el paso del sistema a través de un estado de energía máxima, llamado estado de transición, en el que un enlace comienza a romperse y, en algunos casos, otro enlace inicia su formación.

reactivos productos K =[estado de transición]

[reactivos][estado de transición]

Mediante la mecánica estadística, puede demostrarse que todos los estados de transición se transforman en sus productos respectivos con la misma velocidad: KBT/h (KB B es la cte. de Bolztmann; h es la cte. de Planck) A 250C, TKB / h = 6x1012 seg. La velocidad de cualquier reacción puede expresarse entonces como:

[ ]transicióndeestadohKT B=v

K =[estado de transición]

[estado de transición] = K [reactivos][reactivos]

v =KBT

h[estado de transición] =

KBTh

K [reactivos]

La velocidad específica de cualquier reacción será: k =KBTh

K[reactivos] = 1 ; v =

Como ΔG = ΔH − TΔS ; ΔG = ΔH − TΔS ; en el equilibrio: ΔG = −RT lnK

ΔGTk =KBTh

expRT

(ecuación de Eyring)

_

Esta ecuación dice que la velocidad específica de cualquier reacción (k) es proporcional a ΔGTΔGT (no a )

VI

Page 155: LIBRO1 (0-675).pdf

142

UN SÓLO ESTADO DE TRANSICIÓN Y NINGÚN INTERMEDIO DE REACCIÓN

curso de la reacción

ΔG > 0

ΔG<0

ΔG

A

B

A B

Reacción entre BrCH3 y EtO−: un estado de transición y ningún intermedio de reacción:

+BrH

HH

CH3CH2O

CH3CH2O

H

Br

HH

δ_

δ_

CH3CH2_O

H

HH

curso de la reacción

_

Br_

+

ΔG > 0

ΔG<0

ΔG

VI

Page 156: LIBRO1 (0-675).pdf

143

DOS ESTADOS DE TRANSICIÓN Y UN INTERMEDIO DE REACCIÓN

ΔG

A + B

C

I

(1)

(2)

ΔG (1)

ΔG (2)

ΔG

intermedio de reacción

curso

A + B Clenta Irápida

ΔG (1) > ΔG (2)

Reacción entre Me3CBr y C2H5O−: dos estados de transición y un compuesto intermedio.

curso

Me

MeMe

CH3CH2O

Br

Me

MeMe

Me

Br

MeMe

δ_

δ+

Me

MeMe

+

catión carbonio

δ+δ_

Me

MeMe

CH3CH2O

ΔG1

ΔG2

ΔG < 0

ΔG

VI

Page 157: LIBRO1 (0-675).pdf

144

CONTROL CINÉTICO Y CONTROL TERMODINÁMICO DE UNA REACCIÓN ⎯ Una reacción está controlada termodinámicamente cuando los productos se aislan después de alcanzado el

equilibrio. En estas condiciones, el producto mayoritario es el más estable. ⎯ Una reacción está controlada cinéticamente cuando los productos se aislan antes de que se alcance el

equilibrio. En estas condiciones, el producto mayoritario es el que se forma más rápidamente y no tiene por qué ser el más estable.

Imaginemos un compuesto A capaz de transformarse en dos productos distintos B y C, a través de dos reacciones diferentes con constantes de equilibrio KB y KB C, y constantes específicas de velocidad idénticas:

AC B KB =[B]

[A]KC =

[C]

[A]

KBKC

Supongamos que KB = 100KC ;[B]

[A]= 100

[C]

[A][B] = 100 [C]

Una vez alcanzado el equilibrio entre A, B y C, la concentración de B será 100 veces mayor que la de C. De los dos compuestos (B y C) B es el más estable. Supongamos ahora que las constantes específicas de velocidad, para la transformación de A en B o C son significativamente distintas:

Ak(B) = 1000 seg-1

k(-B) = 1 seg-1B

k(C) = 100000 seg-1

k(-C) = 10000 seg-1C

La constante de equilibrio de cada reacción, es igual a la relación que existe entre las constantes específicas de velocidad de las reacciones directa e inversa:

KC =k(C)k(-C) =

10000010000

=10 KB =k(B)k(-B)

=1000

1= 1000 KB

KC= 100 (de acuerdo con el supuesto inicial)

Ahora el producto mayoritario será el C, porque es el que se forma más deprisa y la reacción no ha tenido tiempo de alcanzar el equilibrio.

TIPOS DE PROCESOS DE RUPTURA Y FORMACIÓN DE ENLACES

A B A+(catión) + :B_

(anión)Reacciones heterolíticas:

Reacciones homolíticas: A B A + B(radical) (radical)

VI

Page 158: LIBRO1 (0-675).pdf

145

REACTIVOS NUCLEÓFILOS Y ELECTRÓFILOS

Un reactivo nucleófilo es un anión o una molécula con pares de electrones libres, que se une a un átomo de carbono con densidad electrónica baja (base de Lewis):

:Cl

::

_H O

::

_: : R O

::

_: N C :

_H2O

:: NH3:

Un reactivo electrófilo es un catión que se une a un par de electrones de un átomo de carbono con densidad electrónica alta (ácido de Lewis):

H3O:+ ++

NO2 Br RCH2+

Ejemplo de reacción nucleófila (el reactivo que provoca la reacción es un nucleófilo):

NCK + C6H5CH2_Br C6H5CH2

_CN + KBr

N C:_

CH2 BrC6H5

N C CH2

C6H5

+: Br: :_

Ejemplo de reacción electrófila (el reactivo que provoca la reacción es un electrófilo):

+ HO3NH2SO4

NO2H

HNO3 + H2SO4 NO2+

+ SO4H_

+ H2O

H

NO2+ NO2H

+SO4H

_ NO2

+ H2SO4

TIPOS DE REACCIONES ORGÁNICAS REACCIONES DE SUSTITUCIÓN REACCIONES DE ELIMINACIÓN REACCIONES DE ADICIÓN En las reacciones de sustitución y adición, el reactivo que interviene puede ser electrófilo o nuclófilo:

El reactivo es electrófilo: SUSTITUCIÓN ELECTRÓFILA REACCIONES DE SUSTITUCIÓN El reactivo es nucleófilo: SUSTITUCIÓN NUCLEÓFILA

El reactivo es electrófilo: ADICIÓN ELECTRÓFILA REACCIONES DE ADICIÓN El reactivo es nucleófilo: ADICIÓN NUCLEÓFILA

VI

Page 159: LIBRO1 (0-675).pdf

146

Por otra parte, en las reacciones orgánicas intervienen átomos de carbono saturados o átomos de carbono no saturados. Existen seis tipos básicos de procesos:

Sustitución nucleófila en un átomo de carbono no saturado

Sustitución nucleófila en un átomo de carbono saturado

Sustitución electrófila en un átomo de carbono no saturado

Adición nucleófila a un átomo de carbono no saturado

Adición electrófila a un átomo de carbono no saturado

Reacciones de eliminación en un átomo de carbono saturado o no saturado

REACCIONES DE SUSTITUCIÓN NUCLEÓFILA EN UN ÁTOMO DE CARBONO NO SATURADO

C

O

Z

RNu

_C

O

Z

R

Nu + _

Los grupos salientes Z más comunes son: Cl−, R-CO-O−, HO−, RO−, NH2

−, RNH−. Es decir, son reacciones en las que están implicados los siguientes compuestos: cloruros de ácido, anhidridos de ácido, ácidos, ésteres y amidas.

eliminación C

O

CH3 Cl_

+

Cloruro de acetiloÁcido acético

C ClCH3

O

HO_

:adición C Cl

CH3

O:

HO

:_

HO

: :

eliminaciónC

O

CH3 Cl_

+

Cloruro de acetilo

C ClCH3

O:adición C Cl

CH3

O:

H3N

:_

H3N

: :H3N: + +

acetamida

+H NH2 C

O

CH3B: H2N C

O

CH3 + B H+

REACCIONES DE SUSTITUCIÓN NUCLEÓFILA EN UN ÁTOMO DE CARBONO SATURADO

Nu_

CH2____Z

R

Nu___CH2__R + Z:

_

NC RO HO Br C6H5O R-CO2 R-OH H2O: R3N:_ _ _ _ _ _

Los reactivos nucleófilos más empleados son:

::

:

VI

Page 160: LIBRO1 (0-675).pdf

147

Los sustratos (RCH2 ⎯ Z) más comunes en estas reacciones son los derivados halogenados (Z= Cl, Br, I) La reacción entre un haluro de alquilo y amoníaco o anión cianuro son dos ejemplos:

H3N: CH2

CH3

Cl H3N CH2

CH3

Cl+_+

Cloruro de etilo

_ +NH2 CH2H

CH3CH3 CH2 NH2 + H2O

EtilaminaHO

CH2 CH CH2 I + NC_

CH2 CH CH2 CN + I_

Yoduro de alilo

3-Yodo-1-propeno3-Butenonitrilo

REACCIONES DE SUSTITUCIÓN ELECTRÓFILA EN UN ÁTOMO DE CARBONO NO SATURADO El benceno y la mayoría los hidrocarburos bencenoides reaccionan con electrófilos (E+) dando lugar a hidrocarburos aromáticos en los que el reactivo electrófilo sustituye a un átomo de hidrógeno:

+ E+

E

+

H

H+

Los reactivos (E) implicados normalmente en las reacciones de sustitución electrófila son los siguientes:

+++E = R R C

O

NO2 SO3 X +

RCOClAlCl3

COR

+ HCl

CO

R_ Cl : AlCl3 CO

R_ Cl AlCl3_+

CO

R_ AlCl4_

+

+ +CO_RH

H Cl3Al Cl_

CO_R

+ HCl + AlCl3R CO

VI

Page 161: LIBRO1 (0-675).pdf

148

REACCIONES DE ADICIÓN NUCLEÓFILA A GRUPOS CARBONILO

Los sustratos más comunes en este tipo de reacciones son los aldehidos y las cetonas:

δ+

δ−

δ+

δ−

μ = 2,73 D μ = 2,84 D

C

O

Me HC

O

Me Me

Los nucleófilos que se utilizan son, entre otros, los siguientes:

H R_OH R_NH2 NC R_C CNu_ _ _ _:

:

:

:= Esquema general de la reacción:

Nu

R

R

C O_ Nu C_

R'

R

O HB Nu C

R'

R

OH

Los aldehidos y las cetonas reaccionan, por ejemplo, con anión cianuro (NaCN o KCN), dando lugar a un ión alcóxido que en medio ácido se transforma en una cianhidrina:

R

RO_ C__R

O_ H___OH2

+

C__R

OH

+ H2O

R Rión alcóxido cianhidrina

N C N C N C

CH2CHO + CN_

CH2__CH__CN

O_

H3O+CH2

__CH__CN

OH

Fenilacetaldehido 2-Hidroxi-3-fenilpropanonitrilo

(67 %)

REACCIONES DE ADICIÓN ELECTRÓFILA A UN ÁTOMO DE CARBONO NO SATURADO En este tipo de reacciones, el enlace π de una olefina se transforma en dos enlaces σ:

+

_R CH CH R

ER C

HHC R

E

+Nu

R CH

CH

R

E Nu

VI

Page 162: LIBRO1 (0-675).pdf

149

R CH CH2

H Brδ+ δ−

lenta R CH CH3+

+ Br_

[carbocatión secundario]

R CH CH3+

+ Br_ rápida

R CH CH3

Br

2-Bromopropano

REACCIONES DE ELIMINACIÓN EN UN ÁTOMO DE CARBONO SATURADO O NO SATURADO Las reacciones de eliminación son, esencialmente, lo contrario de las reacciones de adición electrófila: formación de un enlace π a partir de dos enlaces σ. El desencadenante de la reacción es una base (nucleófilo):

H CHR

CH

Br

RHO_

CHR

CH R + H2O Br+_

H CHCH3

CH

Br

CH3HO_

CHCH3

CH CH3 + H2O Br+_

H C

CH3

C

Br

CH3HO_

CCH3

C CH3 + H2O Br+_

EJERCICIOS ADICIONALES 6.1 Los aniones alcóxido, empleados en la síntesis de éteres, se obtienen a partir del alcohol correspondiente por reacción con un metal (Na o K) o una base. Explica si las siguientes reacciones son adecuadas para la obtención de los alcóxidos que se indican, calculando en cada caso la variación de energía libre estandar y la constante de equilibrio (utiliza la tabla de pKa que aparece en los apéndices)

1. CH3CH2OH + NaOH CH3CH2O Na+ + H2O

2. 2CH3OH + 2Na 2CH3O Na+ + H2

3. Me3C-OH + NH3(liq.) Me3CO NH4+

4. Me2CH-OH + Na+H Me2CHO Na+ + H2

_

_

_

__

6.2 Los carbaniones son intermedios de reacción muy útiles en la síntesis de compuestos orgánicos. Explica si las siguientes reacciones son adecuadas para la obtención de los carbaniones que se indican, calculando en cada caso la constante de equilibrio.

VI

Page 163: LIBRO1 (0-675).pdf

150

H CO

CH2 CO

H + HO_

H CO

CH CO

H

:

_+ H2O1.

CH4 + CH3CH2O_

CH3 + CH3CH2OH:_

2.

CH3 CN + CH3O_

CH2 CN + CH3OH:_

3.

CH3 +NO2 NH2:

:

_

CH2 +NO2 NH3::_

4.

CH3 C CH2 CO2C2H5 + HCO3

_CH3 C CH CO2C2H5 + H2CO3

:

_5.

O O

6.3 Considera el siguiente equilibrio conformacional:

H

H

CH3(a)

CH3(e) mol/cal1700G0298 −=Δ

Apartado 1: Calcula la constante de equilibrio a 250 C y una atmósfera de presión. Apartado 2: Averigua los porcentajes molares de las dos conformaciones, una vez que el sistema alcanza el

equilibrio. Apartado 3: Explica brevemente (sin realizar ningún cálculo) qué sucederá si, una vez alcanzado el equilibrio a

250C y una atmósfera de presión, la temperatura se eleva hasta 1500C manteniendo la presión constante

VI

Page 164: LIBRO1 (0-675).pdf

7. REACCIONES DE OLEFINAS Y ALQUINOS

ESTABILIDADES DE LOS ALQUENOS

REACCIONES DE HIDROGENACIÓN

CH3CH2 CH CH2H2

[Pt]CH3CH2CH2CH3 ΔH0 = -30.3 kcal/mol

Butano

C CH

Me Me

H

H2

[Pt]CH3CH2CH2CH3

Butano

ΔH0 = -28.6 kcal/mol

(Z)-2-Buteno

C CH

Me H

Me

H2

[Pt]CH3CH2CH2CH3

Butano

ΔH0 = -27.6 kcal/mol

(E)-2-Buteno El alqueno con el doble enlace al final de la cadena (1-buteno, alqueno terminal) es menos estable que cual-quiera de los dos alquenos con el doble enlace en el interior de la cadena (2-buteno) El alqueno (E) con los grupos más voluminosos del doble enlace alejados entre sí, es más estable que el al-queno (Z) en el que dichos grupos están próximos.

CH3CH CH CH2H2

[Pt]CH3CHCH2CH3 ΔH0 = -30.3 kcal/mol

2-Metilbutano

CH3 CH3

3-Metil-1-buteno

alqueno terminal conun sustituyente (i-Pr) en el doble enlace

CH3CH2 C CH2H2

[Pt]CH3CH2CHCH3 ΔH0 = -28.5 kcal/mol

2-Metilbutano2-Metil-1-buteno

alqueno terminal condos sustituyentes (Me,Et) en el doble enlace

CH3 CH3

H2

[Pt]CH3CH2CHCH3 ΔH0 = -26.9 kcal/mol

2-Metilbutano2-Metil-2-buteno

alqueno con tres sustituyentes (Me) en el doble enlace

CH3CH3CH C CH3

CH3

VII

Page 165: LIBRO1 (0-675).pdf

152

Los alquenos con el doble enlace en el interior de la cadena son más estables que los alquenos terminales. La estabilidad de un alqueno aumenta con el número de grupos alquilo que están unidos a los átomos de carbono del doble enlace. Los alquenos con los sustituyentes más voluminosos en posición trans, son más estables que los correspondientes diastereoisómeros cis.

En los alquenos, los términos cis y trans se utilizan para describir la posición relativa de dos grupos cualquiera unidos a átomos distintos del doble enlace. La terminología (Z) / (E) hace referencia a la configuración absoluta del alqueno.

REACCIONES DE ADICIÓN ELECTRÓFILA

REACCIONES CON HALUROS DE HIDRÓGENO (HCl, HBr, HI) Las adiciones electrófilas a enlaces múltiples implican la conversión de un enlace π en dos enlaces σ. El átomo de hidrógeno es el electrófilo más común en estas reacciones. En general, este tipo de reacciones es energéti-camente favorable, es decir, son exotérmicas. Las olefinas sustituidas simétricamente sólo pueden dar lugar a un producto de reacción:

CH3 CH CH CH3HX CH3 CH

HCHX

CH3

C6H5 CH CH C6H5HX C6H5 CH

HCHX

C6H5 En general:

R1 C C R1 HXR2 R2

R1 C C R1R2 R2

XH Sin embargo, cuando el doble enlace del alqueno no tiene los mismos sustituyentes, existe la posibilidad de que se formen dos productos diferentes:

CH3 CH CH2

(CH3CH2CH2Cl ; 1-Cloropropano)

(CH3_CH_CH3 ; 2-Cloropropano)

Cl

HCl

CH3 CH CH2

Cl H

CH3 CH CH2

H Cl

La adición electrófila de haluros de hidrógeno al doble enlace de una olefina transcurre a través de carbocatio-nes (Tema 6): Primer paso: reacción del alqueno con el protón procedente de H-X:

CH3 CH CH2

H Brδ+ δ−

lenta CH3 CH CH3+

+ Br_

[carbocatión secundario]

CH3 CH CH2

H Brδ+ δ−

lenta CH3 CH2 CH2+

+ Br_

[carbocatión primario]

VII

Page 166: LIBRO1 (0-675).pdf

153

Segundo paso: reacción del catión carbonio con el anión bromuro (nucleófilo):

CH3 CH CH3+

+ Br_

[carbocatión secundario]

rápidaCH3 CH CH3

Br

2-Bromopropano

CH3 CH2 CH2+

+ Br_

[carbocatión primario]

rápidaCH3 CH2 CH2Br

1-Bromopropano

EJERCICIO 7.1La reacción del propeno con HBr da lugar únicamente a bromuro de isopropilo.

1. ¿Cuál de los dos equilibrios estará más desplazado hacia la derecha? :

2. Calcula las constantes de equilibrio correspondientes a las dos reacciones.

3. Calcula los porcentajes de 1-bromopropano y 2-bromopropano una vez alcanzado el equilibrio.

4. ¿Por qué no se obtiene nada de 1-bromopropano?

Datos: ΔG(1-propeno)= +14,99 kcal/mol; ΔG(1-bromopropano)= 5,37 kcal/mol

ΔG(2-bromopropano)= 6,51 kcal/mol; ΔG(1-bromopropano)= 12,73 kcal/mol

(g) + HBr (g) CH3 CH

CH3 (g)Br

CH3 CH CH2 (g) + HBr (g) (g)CH3 CH2 CH2Br

CH3 CH CH2

_

_ _

En la reacción entre propeno y HBr, el 2-bromopropano se forma más rápidamente que el 1-bromopropano (ver la respuesta del Ejercicio 1) ¿Por qué?

CH3 CH CH2

lenta CH3 CH CH3+

+ Br_

[carbocatión secundario]

lentaCH3 CH2 CH2

++ Br

_

[carbocatión primario]

HBr

rápidaCH3 CH CH3

Br

2-Bromopropano

rápidaCH3 CH2 CH2Br

1-Bromopropano La velocidad total de reacción es proporcional a la energía libre de activación del paso más lento que, en este caso, corresponde a la formación de los dos carbocationes (ecuación de Eyring, Tema 6) El carbocatión iso-propilo (secundario) es más estable que el catión propilo (primario) y la energía de activación necesaria para su formación (ΔG1

≠) es bastante menor que la correspondiente al primario (ΔG2≠) Por consiguiente, el carbocatión

secundario se forma más rápidamente que el primario y esto se refleja en el resultado final: no se obtiene nada de 1-bromopropano, que proviene del carbocatión primario. La reacción está sometida a control cinético.

VII

Page 167: LIBRO1 (0-675).pdf

154

ΔG1

ΔG2

ΔG

CH3 CHBr

CH3

CH3 CH CH2

HBr

CH3CH2CH2

Br

CH3CHCH3

Br

CH3CH2CH2Br

curso

+

+

+ _

+

+ _

-7.63 kcal/mol

-8.77 kcal/mol

≅ 16 kcal/mol

≅ 1 kcal/mol

REGIOSELECTIVIDAD EN LA ADICIÓN DE ÁCIDOS PRÓTICOS A OLEFINAS. REGLA DE MARKOVNIKOV En este caso, el término regioselectividad hace referencia al hecho de que el reactivo electrófilo (H+) se une preferentemente al átomo de carbono del doble enlace que tiene más hidrógenos. O dicho de otro modo: el reactivo electrófilo se une al doble enlace dando lugar con preferencia al carbocatión más estable.

R1 C

R2

CH2

12

R1 C

R2

CH3+

[terciario]

R1 C

R2

CH3

Br

R1 CH

R2

CH2+

[primario]

Br_

(producto mayoritario)

Br_

R1 CH

R2

CH2Br

HBr

1

2(producto minoritario)

VII

Page 168: LIBRO1 (0-675).pdf

155

R1 C

R2

CH

12

R1 C

R2

CH2+

[terciario]

R1 C

R2

CH2

Br

R1 CH

R2

CH+

Br_

(producto mayoritario)

Br_

R1 CH

R2

CH

HBr

1

2(producto minoritario)

R3

R3

R3

R3

BrR3

[secundario] Las olefinas que no tienen átomos de hidrógeno unidos a los carbonos del doble enlace, dan lugar siempre a dos carbocationes terciarios:

R1 C

R2

C

12

R1 C

R2

CH+

[terciario]

R1 C

R2

CH

X

R1 CH

R2

C+

X_

(1)

X_

R1 CH

R2

C

HX

1

2(2)

R4

R4

R4

R4

R3

R4

R3

R3 R3

[terciario]

R3

Br

En una situación así, resulta muy difícil (si no imposible) predecir cuál de los dos productos obtenidos (1) o (2) será el mayoritario. Lo habitual es que se obtenga una mezcla que contiene aproximadamente el 50 % de (1) y el 50 % de (2)

REACCIONES DE TRANSPOSICIÓN EN CARBOCATIONES Hay ocasiones en las que una reacción de adición electrófila da lugar a productos inesperados, en los que la estructura de la molécula inicial cambia de forma sustancial (Tema 6) Por ejemplo:

CH3 CHCH3

CH CH2HCl

250CCH3 C

CH3CH2 CH3

Cl+ CH3 CH

CH3CHCl

CH3

2-Cloro-2-metilbutano 2-Cloro-3-metilbutano

50 % 50 % En principio, no debería obtenerse 2-cloro-2-metilbutano:

_

[primario]

12

CH3 CHCH3

CH CH2HCl

250C

+

[secundario]

CH3 CHCH3

CH CH3

CH3 CHCH3

CH2 CH2+

1

2

Cl

_Cl

CH3 CHCH3

CH CH3

Cl

CH3 CHCH3

CH2 CH2Cl

2-Cloro-3-metilbutano

1- Cloro-3-metilbutano

(no se obtiene)

VII

Page 169: LIBRO1 (0-675).pdf

156

¿De dónde procede el 2-cloro-2-metilbutano?

CH3 CHCH3

CH CH2

H Cl+

[secundario]

CH3 CHCH3

CH CH3

En el carbocatión secundario tiene lugar una transposición de anión hidruro (H:−):

+CH3 CCH3

CH CH3

H

transposición

+CH3 C

CH3

CHH

CH3

[secundario]

_Cl

[terciario; más estable]

CH3 CCH3

CH2 CH3

Cl

2-Cloro-2-metilbutano En estas reacciones de transposición pueden estar implicados, además del anión hidruro, grupos alquilo. El ejemplo siguiente es un “anión” metilo el que se desplaza:

CH3 CCH3

CH3

CH CH2HCl

-780CCH3 C

CH3

ClCHCH3

CH3 + CH3 CCH3

CH3

CHCl

CH3

3,3-Dimetil-1-buteno 2-Cloro-2,3-dimetilbutano 2-Cloro-3,3-dimetilbutano

61 % 37 %

EJERCICIO 7.2Escribe un mecanismo de la reacción anterior que permita explicar la formación de los dos haluros de alquilo.

ESTEREOQUÍMICA DE LAS REACCIONES QUE TRANSCURREN A TRAVÉS DE CARBOCATIONES Ya se ha dicho que los carbocationes tienen geometría plana (Tema 6) Este hecho da lugar a la aparición de mezclas racémicas en muchas reacciones de adición electrófila.

C6H5 CH CH2HBr C6H5 CH

BrCH3

* mezcla de dosestereoisómeros

C6H5 CH CH2

H BrCH CH3+

**

*

*

carbocatiónestabilizado

C6H5 CH3

H+

VII

Page 170: LIBRO1 (0-675).pdf

157

C6H5CH3

H

C6H5

Br

CH3H

C6H5

Br

CH3

H

+

1

2

Br_

1

2

Br

C6H5 CH3

H(S)

H

C6H5 CH3

Br(R)

C6H5 CH CH2HBr

EJERCICIO 7.3 Escribe el mecanismo de la reacción que tiene lugar entre (Z)-3,4-dimetil-3-hexeno y HCl. Utiliza representa-ciones tridimensionales y comprueba que se obtiene una mezcla equimolecular de los cuatro estereoisómeros posibles del 3-cloro-3,4-dimetilhexano.

REACCIÓN CON AGUA EN MEDIO ÁCIDO FUERTE

CH3 CCH3

CCH3

CH3H2SO4

H2OCH3 CH

CH3

CCH3

CH3

OH

2,3-Dimetil-2-butanol2,3-Dimetil-2-buteno

H2O: H O S OHO

OH3O + O SO3H:

_+

CH3 CCH3

CCH3

CH3

H2O H+

CH3 CCH3

CCH3

CH3++ H2O:

H

CH3 CCH3

CCH3

CH3+:

HOH2

CH3 CCH3

CCH3

CH3H OH2:

+

:+CH3 CH

CH3CCH3

CH3OH

H :

CH3 CHCH3

CCH3

CH3OH

2,3-Dimetil-2-butanol

+ H3O+

OH2 El carbocatión que se forma, además de reaccionar con una molécula de agua, puede hacerlo con el anión hidrogenosulfato presente en el medio:

CH3 CCH3

CCH3

CH3+

:H

O

CH3 CCH3

CCH3

CH3

H OSO3H

_ SO3H

hidrogenosulfato de alquilo

éster de un alcohol y ácido sulfúrico

VII

Page 171: LIBRO1 (0-675).pdf

158

Estos hidrogenosulfatos de alquilo reaccionan con agua dando lugar al mismo alcohol:

CH3 CHCH3

CCH3

CH3OH

2,3-Dimetil-2-butanol

CH3 CCH3

CCH3

OH CH3

hidrogenosulfato de alquilo

S OHO

O+ H OH + HO S OH

O

O

EJERCICIO 7.4Averigua que olefinas se deben utilizar para obtener los siguientes alcoholes: alcohol terc-butílico, 1-feniletanol,1-metilciclobutanol y 2-metil-2-butanol.

La reacción de olefinas cíclicas, con haluros de hidrógeno o con agua en medio ácido fuerte, transcurre tam-bién a través de carbocationes:

MeHCl

MeCl

Me

HBr

EtH EtH

Me

Br

MeH2O

Me

OH

HMe

H2SO4

HMe

EJERCICIO 7.5Escribe el mecanismo de las tres reacciones anteriores utilizando representaciones tridimensionales y averigua la configuración absoluta de los estereoisómeros que se obtienen.

REACCIONES DE LOS CARBOCATIONES CON ALQUENOS. POLIMERIZACIÓN CATIÓNICA DE OLEFINAS Los carbocationes son reactivos electrófilos, capaces de reaccionar con las olefinas:

CH3 CCH3

CH2 + H B+

CH3 CCH3

CH3++ :B

VII

Page 172: LIBRO1 (0-675).pdf

159

CH3 CCH3

CH2 CCH3

CH3CH3

CH3 CCH3

CH2 C CH3

CH3

CH3+

catión dímero El proceso puede continuar indefinidamente, mientras existan moléculas de alqueno en el medio de reacción:

CH3 CCH3

CH2 C CH2

CH3

CH3+

catión trímero

CH3 CCH3

CH2CH3

CCH3

CH2 C CH3

CH3

CH3

catión dímero

CCH3

CH3CH3

CH3

CCH3

CH2 C CH2

CH3

CH3

+

catión trímero

CCH3

CH3CH3

CH3 CCH3

CH2 CH3 CCH3

CH2 C CH2

CH3

CH3+

catión tetrámero

CCH3

CH2CH3

CCH3

CH3CH3

La reacción se detiene cuando la base (:B) sustrae un protón del átomo contiguo al carbono con carga:

CH3 CCH3

CH C CH2

CH3

CH3+

CCH3

CH2CH3

CCH3

CH3CH3

HB:

CH3 CCH3

CH C CH2

CH3

CH3

CCH3

CH2CH3

CCH3

CH3CH3

+ H B+

Si se permite que la reacción avance, se obtiene un polímero (“plástico”) es decir, un compuesto de peso mole-cular elevado en el que se repite la estructura carbonada de la olefina de partida:

C

CH3

CH2 H B

polimerizaciónC

CH3

CH CCH3 CH3

CH3

CH3

CH2

n

polímero del metilpropeno

EJERCICIO 7.6Escribe la reacción de polimerización del etileno cuando se emplea un catalizador ácido, p.ej. H2SO4.

REACCIÓN DE LOS ALQUENOS CON HALÓGENOS Las olefinas reaccionan con cloro o bromo dando lugar a derivados dihalogenados:

CH3 CH CH CH3Cl2 CH3 CH

ClCHCl

CH3

2-Buteno 2,3-Diclorobutano

VII

Page 173: LIBRO1 (0-675).pdf

160

CH2 CH2 + Br2NaCl / H2O

disolución saturada

BrCH2CH2Br + BrCH2CH2Cl

1,2-Dibromoetano 1-Bromo-2-cloroetano54 % 46 %

CH2 CH2 + Br2 BrCH2CH2Br + BrCH2CH2OH

1,2-Dibromoetano 2-Bromoetanol37 % 54 %

H2O

00C

Cuando se hace reaccionar el (E)-2-buteno con bromo se obtiene únicamente la forma meso del 1,2-dibromobutano:

H Me

Me H

(E)-2-Buteno

Br2

Br

BrH

Me

Me

H Br Br

H HMe Me

(2R,3S)

2 3

Si la reacción se lleva a cabo con el (Z)-2-buteno se obtiene una mezcla equimolecular de dos enantiómeros (racémico):

Me Me

H H

(Z)-2-Buteno

Br2

Br

BrMe

Me

H

H+

Br

Br Me

Me

H

H

(2S,3S) (2R,3R)

2 3 2 3

EJERCICIO 7.7Comprueba que si las dos reacciones anteriores transcurrieran a través de carbocationes, se obtendrían los mismos productos partiendo del estereoisómero (Z) o del (E)

Para poder explicar la estereoquímica de estas reacciones se planteó la siguiente hipótesis: la reacción con la olefina debe dar lugar a un catión en el que el halógeno está unido simultáneamente a los dos átomos de carbono del doble enlace (catión halogenonio):

R CH CH R'

X

X

:

::

:

1 2

3

R C C R'

X

H H

: :+

X ::_

(catión halogenonio) El catión halogenonio reacciona posteriormente con el anión del halógeno (nucleófilo) por el lado menos impe-dido estéricamente (adición anti):

R R'HH

X: :+

X::_

R

R'X

XH

H

(1)

VII

Page 174: LIBRO1 (0-675).pdf

161

R R'HH

X: :+

X::_

R'

R X

X H

H

(2) Se obtiene una mezcla de dos enantiómeros: (1) y (2) Veamos si la hipótesis del catión halogenonio, permite dar cuenta de los resultados que se obtienen en la reac-ción del bromo con los dos estereoisómeros del 2-buteno: (Z)-2-buteno:

2 3

_

Me Me

HH Br2

Me Me

HHBr+

Me

Me Br

Br H

H

Me

MeBr

BrH

H

(1) (2S,3S)

Br

(2) (2R,3R)

HBr Me

H

Me Br

2

3

HBrMe

H

MeBr

2

3

32

1

2

1 2

Se obtiene una mezcla equimolecular (racémico) de la pareja de enantiómeros del 2,3-dibromobutano. (E)-2-buteno:

_

Me H

MeH Br2

Me H

MeHBr+

H

Me Br

Br Me

H

Me

HBr

BrH

Me

(1) (2S,3R)

Br

(2) (2R,3S)

HBr Me

Me

H Br

2

3

HBrMe

Me

HBr

2

3

2 3

2 3

1 2

1

2

Ahora se obtiene únicamente la forma meso: (1) = (2)

Si la reacción de una molécula da lugar a un solo estereoisómero, se dice que la reacción es estereoespecífica.Cuando el sustrato conduce a una mezcla de estereoisómeros en la que predomina uno de ellos, la reacciónrecibe el nombre de estereoselectiva.

La reacción del (E)-2-buteno con bromo es estereoespecífica, ya que se obtiene un solo estereoisómero: la forma meso.

VII

Page 175: LIBRO1 (0-675).pdf

162

EJERCICIO 7.8Para averiguar qué estereoisómeros se forman al reaccionar cualquier olefina con cloro o bromo, sólo es preciso trabajar con uno de los dos cationes halogenonio posibles: (1) o (2)

R H

R'H X2

R H

R'HX+

R H

R'H

X+

o

(1)

(2)

Comprueba que esto es cierto utilizando el catión bromonio (2) del (E)-2-buteno.

REACCIÓN DE LOS ALQUENOS CON ÁCIDOS HIPOHALOSOS (HOCl Y HOBr)

Los ácidos hipohalosos se obtienen haciendo reaccionar sus sales sódicas con un ácido fuerte disuelto en agua:

NaOCl + H3O+ HOCl + Na+ + H2O

hipoclorito sódico

ácidohipocloroso

δ+ δ−

En los ácidos hipohalosos el enlace que une el oxígeno y el halógeno está polarizado: HO X La baja densidad electrónica sobre el átomo de halógeno hace que se comporte como un electrófilo potencial. El resultado de la interacción entre el par de electrones del doble enlace y el halógeno electrófilo, conduce también a un catión halogenonio, igual que en la reacción de halógenos con una olefina:

C C

OH

X ::

:

1 2

3

(catión halogenonio)

R R

HH

(Z)

C C

X::

R R

HH

+

+ HO_

(nucleófilo)

Ahora, el catión halogenonio reacciona en anti con el anión hidroxilo. Si la olefina tiene los mismos sustituyen-tes en los dos carbonos del doble enlace, el catión halogenonio que se forma es simétrico. En una situación como ésta, la reacción posterior con el nucleófilo tiene la misma probabilidad de ocurrir por cualquiera de los dos carbonos.

_

R R

HHX+

R

R OH

X H

H

R

RHO

XH

H

(1)

HO

(2)

1

2

1 2

(Z)

(halogenohidrina)

(halogenohidrina)

En este caso se obtiene un racémico de las halogenohidrinas (1) y (2)

VII

Page 176: LIBRO1 (0-675).pdf

163

R R

HH X-OHR R

HHX+

R R

HH

X+

(Z)

1 2

1 2

HO_

....

HO_

....

EJERCICIO 7.9Dibuja los estereoisómeros que se obtienen en las siguientes reacciones:

R H

RH X-OHR H

RHX+

R H

RH

X+

(E)

1 2

1 2

HO_

....

HO_

....

(dos estereoisómeros)

(dos estereoisómeros)

(dos estereoisómeros)

(dos estereoisómeros)

Cuando los sustituyentes son distintos, en particular si uno de los carbonos del doble enlace tiene unidos dos átomos de hidrógeno, el catión halogenonio deja de ser simétrico:

R H

HR X-OHR H

HRX+

1 2 Ahora, la reacción por 1 o 2 con el nucleófilo (HO−) no tiene lugar con la misma facilidad. Veamos dos ejemplos concretos:

CH3CH2 CCH3

CH2Cl-OHH2O CH3CH2 C

CH3CH2Cl

OH

2-Metil-1-buteno 1-Cloro-2-metil-2-butanol

C6H5 CH CH2Cl2, H2ONa2CO3

C6H5 CHOH

CH2Cl

Feniletileno (Estireno)

2-Cloro-1-feniletanol

72 % El átomo de halógeno se une al carbono con más hidrógenos (el menos sustituido) y el grupo HO− al carbono más sustituido. ¿Por qué la reacción tiene una regioselectividad de tipo Markovnikov, cuando no existe ningún carbocatión como intermedio?

VII

Page 177: LIBRO1 (0-675).pdf

164

Supongamos que el catión halogenonio no simétrico reacciona con el nucleófilo por el átomo de carbono al que están unidos los dos hidrógenos:

R H

HRX+

1

HO_

R H

HRX

OH

δ+

δ−

carbocatión incipiente

H

R OH

X H

R

(minoritario)

La aproximación del HO− al átomo de carbono debilita el enlace C-X, que comienza a romperse. Este hecho da lugar a la aparición de un carbocatión primario incipiente, que no llega a formarse porque el nucleófilo (HO−) se une a él. Si por el contrario, la reacción transcurre por el otro átomo de carbono, el carbocatión incipiente será terciario y más estable:

R H

HRX+

2

HO_

R H

HRX

OH

δ+

δ−

carbocatión incipiente

H

R X

HOH

R

(mayoritario)

Una consideración importante: el hecho de que los grupos alquilo unidos a un carbono con carga positiva estabilicen el carbocatión, significa que son cesores de electrones. Cualquier carbocatión es inestable debidoa la carga positiva; si un grupo cede electrones al carbono con carga, disminuye su inestabilidad, ya que hace aumentar la densidad electrónica sobre él.

La reacción entre ácidos hipohalosos y olefinas no simétricas, como la que se muestra a continuación, da lugar a una mezcla de estereoisómeros de dos compuestos diferentes:

R CH CH R'XOH R CH

OHCHX

R' + R CHX

CHOH

R'

(Z) o (E) Para obtener los estereoisómeros de los dos compuestos es necesario trabajar con los dos cationes halogeno-nio posibles:

R R'

HHX+

R R'

HH

X+

yEstereoisómero (Z):

1 2

3 4

R H

R'HX+

R H

R'H

X+

yEstereoisómero (E):

1 2

3 4

VII

Page 178: LIBRO1 (0-675).pdf

165

EJERCICIO 7.10Utiliza representaciones tridimensionales para escribir la reacción entre ácido hipobromoso y 1-etil-2-metil- ciclohexeno. Nombra todos los compuestos que se obtienen y averigua la configuración absoluta de los este- reoisómeros

REACCIONES DE LOS ALQUENOS CON ELECTRÓFILOS OXIGENADOS

OXIDACIÓN DE ALQUENOS CON PEROXIÁCIDOS

R CO

OH R CO

O OH

ácido carboxílico ácido peroxicarboxílico Ácidos peroxicarboxílicos empleados habitualmente:

H CO

O OH CH3 CO

O OH C6H5 CO

O OH

CO O OH

Ác. peroxifórmico Ác. peroxiacético Ác. peroxibenzoico Ác. m-cloroperoxibenzoicoÁc. m-cloroperbenzoico

Cl

La reacción de las olefinas con peroxiácidos da lugar a derivados de oxirano:

R R

HH

C OR

O

OH

R R

HH

C OR

HO

O

Siguen un par de ejemplos:

H C6H5

HC6H5

H C6H5

HC6H5

O1

2 3CH3CO3H

CH2Cl, 30-350C

1,2-Difeniletileno (2S,3S)-2,3-Difeniloxirano

H H

O

HCO3H

Ciclohexeno Epoxiciclohexeno

VII

Page 179: LIBRO1 (0-675).pdf

166

El anillo de oxirano se abre fácilmente en medio ácido:

H C6H5

HC6H5

O ::

H2O H+

H C6H5

HC6H5

O:H

+

H C6H5

HC6H5

O :H

+

OH2: H2O

OH

C6H5

H

H

C6H5

+

OH

OH

C6H5

H

H

C6H5

+HH2O : HO

OH

C6H5

H

H

C6H5

1 2+ H3O+

(1S,2R)-1,2-Difenil-1,2-etanodiol

(forma meso)

: :

El proceso completo da lugar a una adición neta anti de los dos grupos OH al doble enlace de la olefina. Es decir, permite obtener 1,2-dioles a partir de olefinas:

R R

HHR R

HHO

HO

OH

R

R

H

H

(Z)

R R

HHO

RCO3H H3O+

H+

1 2 OH

HO

R

R

H

H

H2O

1

2

La reacción de la olefina con el peroxiácido transcurre con una estereoselectividad superior al 99 % (si lo hicie-se con un 100 % sería estereoespecífica) ya que la geometría de los grupos R y H unidos a C1 y C2 en el 1,2-diol es la misma que la del oxirano de partida.

Comprueba que cuando en la reacción anterior se parte del estereoisómero (E) se obtiene la forma meso.

Igual que sucede con los cationes halogenonio la apertura de los oxiranos no simétricos, catalizada por ácidos, tiene lugar con regioselectividad Markovnikov. En este sentido, la reacción es parecida a una SN1 (ver Tema 9), en la que el carbocatión intermedio más estable reacciona con el nucleófilo antes de que tenga lugar su rota-ción interna:

VII

Page 180: LIBRO1 (0-675).pdf

167

Et Me

HMeEt Me

HMeO

1)RCO3H

2)H3O+

3-Metil-2-penteno

H

+

Et Me

HMeO

H2O

H+ OH

H2O

Et

Me

Me

HEt Me

HMeO

H

+

H2O:

: +

OH

HO

Et

Me

Me

H

23

(1) (2S,3S)

3-Metil-2,3-pentanodiol

H2O::H2O

OH

H2O

Et

Me

Me

H+

(1') (2R,3R)

3-Metil-2,3-pentanodiol

Et Me

HMe

OH

+ Et Me

HMe

OH

+

OH

HO

Et

Me

Me

H

En esta reacción se obtendrá una mezcla mayoritaria de (1) y (1’), ya que la reacción transcurre preferentemen-te a través del carbocatión incipiente más estable (en este caso el carbocatión terciario).

Emplea representaciones tridimensionales para escribir la reacción entre propilidenciclohexano y un peroxi-ácido, seguida de acidificación. Indica cuáles serán los productos mayoritarios y averigua la configuraciónabsoluta de los estereoisómeros.

EJERCICIO 7.11

OXIDACIÓN DE ALQUENOS CON TETRAÓXIDO DE OSMIO El tetraóxido de osmio (OsO ) reacciona con las olefinas, dando lugar a ésteres del ácido osmico: 4

R R'

HHR R'

HH OOsO4

Et2O, piridina

O

OsOO

(adición syn) La descomposición en medio básico del éster da lugar a un glicol en el que los dos grupos OH están en posi-ción syn (al contrario de lo que sucede en la reacción con peroxiácidos, que sitúa los dos grupos OH en posi-ción anti)

VII

Page 181: LIBRO1 (0-675).pdf

VII

168

Para averiguar el número total de estereoisómeros que se obtienen en la reacción hay que trabajar con los dos ésteres posibles: (1) y (2):

eriguar el número total de estereoisómeros que se obtienen en la reacción hay que trabajar con los dos ésteres posibles: (1) y (2):

R R'

HH OKOH

O

OsOO

H2OR'R

OHHO

HH(1) (1')

R R'HH

O

KOH

O

OsOO

H2O

R'R

OHHO

HH

(2)

(2')

EJERCICIO 7.12Utiliza representaciones tridimensionales para escribir la rea sNombra todos los compuestos que se obtienen y averigua la configuración abso

En la reacción del OsO4 con cada estereoisómero de la olefina se obtiene una pareja de enantiómeros. En el ejemplo los enantiómeros son (1’) y (2’).

cción entre O O4 y 1-etil-2-metilciclohexeno. luta de sus estereoisómeros.

EJERCICIO 7.13Averigua la estereoquímica de los productos que se obtienen en las siguientes reacciones:

CH3 CH

CH CH2CH3

(Z)

1)RCO3H

2)H3O+CH3 CH CH CH2CH3

CH3 CH CH CH2CH3

(E) OCH3 CH

1)OsO4

2)KOH, H2

CH CH2CH3

HO

HO HO

HO

OLEFINAS CON DOBLES ENLACES CONJUGADOS

CH2 CH CH CH2 CH3 CH CH CH CH CH3

1,3-Butadieno 2,4-Hexadieno 1,3-Ciclohexadieno

CH2 CH

REACCIÓN CON HALUROS DE HIDRÓGENO Y HALÓGENOS A TRAVÉS DE CARBOCATIONES

CH CH2

1,3-Butadieno

1 2 4

HCl

AcOH, 00CCH3 CH CH CH2

ClCH3 CH CH CH2Cl+

3-Cloro-1-buteno 1-Cloro-2-buteno

(adición 1,2 ; 80 %) (adición 1,4 ; 20 %)

Page 182: LIBRO1 (0-675).pdf

169

VII

RCO3H

RCO3H

OsO4

OsO4

12

1

1 1

1

22

22

[1]

[2]

[4]

[3]

(Z)(E)

anti syn

antisyn

HO

OH

R'

HR

H

OH

HO

R

HR'

H

HO

RH

OH

R'H

HO

RH

OH

R'H

R R'

HH

R H

R'H

R R'

HH

O

1

2

R R'

HH

2

1

R H

R'H

21

R H

R'H

O

enantiómeros: [1] y [2] Cuando R = R´ forma meso: [3] = [4]

Enantiómeros: [1] y [2] ; [3] y [4]

HIDROXILACIÓN DE OLEFINAS CON PEROXIÁCIDOS Y TATRAÓXIDO DE OSMIO

Page 183: LIBRO1 (0-675).pdf

170

Primer paso: reacción del electrófilo (H+) con el par de electrones del doble enlace.

CH2 CH CH CH2

1,3-Butadieno

1 2 CH3 CH CH CH2

CH2 CH2 CH CH2

+CH3 CH CH CH2

+

(carbocatión estabilizado por deslocalización de la carga)

+(carbocatión no estabilizado)

HCl

1

2 La reacción transcurre a través del carbocatión estabilizado. El carbocatión primario no estabilizado carece de importancia, ya que se forma en cantidades tan pequeñas que no es preciso tenerlo en cuenta.

−Segundo paso: reacción del nucleófilo (Cl ) con el carbocatión estabilizado:

CH3 CH CH CH2

ClCH3 CH CH CH2Cl

3-Cloro-1-buteno 1-Cloro-2-buteno

(adición 1,2 ; 80 %) (adición 1,4 ; 20 %)

CH3 CH CH CH2+

CH3 CH CH CH2+

Cl_

Cl_

Cuando la reacción se realiza a baja temperatura el producto mayoritario es la olefina menos sustituida (olefina terminal) esto es, la menos estable:

CH2 CH CH CH2

1,3-Butadieno

HBrEt2O, -800C

CH3 CH CH CH2

BrCH3 CH CH CH2Br+

(80 %) (20 %)

CH2 C CH CH2

2-Metil-1,3-Butadieno

HCl -150C

CH3 C CH CH2

CH3CH3 C CH CH2Cl+

(73 %) (27 %)

CH3

Cl

CH3

(Isopreno) Estos resultados experimentales indican que, en el carbocatión estabilizado, la carga positiva no está distribui-da simétricamente entre los dos carbonos, es decir, cada carbono no tiene la misma carga (+1/2) Si el átomo de carbono con mayor carga está unido al metilo (cesor de electrones) el carbocatión es más estable que cuando la carga máxima está en el carbono terminal.

CH3 CH CH CH2+

CH3 CH CH CH2+

mayor carga; catiónestabilizado por CH3

mayor carga; catión no estabilizado

La energía de activación es menor en el primer caso que en el segundo:

VII

Page 184: LIBRO1 (0-675).pdf

171

CH3 CH CH CH2+

+ X_

CH3 CH CH CH2

X

δ+

δ−

ΔG (1,2)

CH3 CH CH CH2+

+ X_

CH3 CH CH CH2

X δ−

δ+ΔG (1,4)

ΔG (1,2) ΔG (1,4)<

Es importante fijarse que el producto obtenido a través del estado de transición de menor energía no tiene por qué ser el más estable. De hecho no lo es, ya que se trata de la olefina menos sustituida en el doble enlace. Cuando la reacción se realiza a temperaturas bajas, el producto mayoritario es el que proviene del estado de transición de menor energía y el proceso está sometido a control cinético. Se obtiene la olefina que se forma más rápidamente, a través del estado de transición de menor energía, es decir, la olefina menos estable (olefina terminal: CH3-CHX-CH=CH2) En esta situación, el sistema no ha tenido tiempo de alcanzar el equilibrio, y por este motivo se dice que la reacción está controlada cinéticamente. Sin embargo, cuando la reacción se hace a temperatura elevada está sometida a control termodinámico, es decir, se alcanza el equilibrio. Los porcentajes de los productos de reacción se invierten: la olefina mayoritaria es la más estable (adición 1,4) y la minoritaria la menos estable (adición 1,2):

CH2 CH CH CH2

1,3-Butadieno

1 2 4

HCl1000 C

CH3 CH CH CH2

ClCH3 CH CH CH2Cl +

(adición 1,4)

75 %

(adición 1,2)

25 % Ahora, la mezcla de isómeros refleja sus estabilidades termodinámicas relativas. Al aumentar la temperatura, aumenta el número de moléculas capaces de alcanzar el estado de transición de mayor energía y, si se pro-longa el tiempo de reacción, el sistema alcanza el equilibrio (control termodinámico)

CH2 CH

H

CH CH2

δ+δ+

CH3 CH CH CH2

ΔG

CH3 CH CH CH2X

ΔG (1,4)

CH3 CH CH CH2

X δ−

δ+

CH3 CH CH CH2

X

δ+

δ−

+CH3 CH CH CH2

CH3 CH CH CH2+

XCH2 CH CH CH2+HX

ΔG (1,2)

ΔG(1,2)

ΔG(1,4)

curso

(menos estable)

(más estable)

VII

Page 185: LIBRO1 (0-675).pdf

172

EJERCICIO 7.15En la reacción del 1-fenil-4-metoxi-1,3-ciclopentadieno con HBr pueden formarse cuatro carbocationes diferen-tes. Elige el menos inestable de los cuatro para averiguar los estereoisómeros que se obtienen, cuando el proceso está sometido a control termodinámico o a control cinético.

REACCIONES DE LOS ALQUINOS

ACIDEZ DE LOS ALQUINOS TERMINALES Los alquinos con un triple enlace terminal tienen valores de pKa ≈ 26 (Apéndice II):

R C C Hácido

R C C:_

+ H + pKa 26

base Son compuestos poco ácidos que sólo se desprotonan en presencia de bases muy fuertes, por ejemplo el anión amiduro (NH2

−) cuyo ácido conjugado (NH3) tiene un pKa ≈ 36. El anión amiduro se obtiene por reacción entre NH3 líquido (¡no NH3 disuelto en agua!) y sodio metálico; se trata de una reacción de oxidación-reducción:

2NH3 (liq.) + 2Na -330 C 2Na+ :NH2_

+ H2

Amiduro sódico

R C C H + :NH2_

R C C:_

+ :NH3 (liq.)

pKa 26 pKa 36Keq. 1010

anión acetiluro El equilibrio está desplazado a la derecha de forma prácticamente total. Los aniones acetiluro son nucleófilos muy efectivos, que dan lugar a reacciones de sustitución nucleófila cuan-do se utilizan haluros de alquilo como sustratos (Tema 6):

H C C H

Acetileno

_Na+:NH2

-330 CH C C:

_

H C C:_

CH2 XR

H C C CH2 R + X_

alquino con triple enlace terminal

Si se parte de acetileno, esta reacción permite obtener alquinos terminales con mayor número de carbonos:

H C C H + CH3 Br

_Na+:NH2

-330 CCH3 C CH

Propino

H C C H + CH3CH2 C CH

1-Butino

CH3CH2 Cl

_Na+:NH2

-330 C

VII

Page 186: LIBRO1 (0-675).pdf

173

H C C H +

1-Pentino

CH3CH2CH2 Br CH3CH2CH2 C CH

_Na+:NH2

-330 C

Cuando se utiliza cualquier alquino terminal que no sea el acetileno, el triple enlace queda situado en el interior de la cadena:

CH3CH2 C CH CH3CH2 C C:_

_Na+:NH2

-330 C

CH3CH2 C C:_

CH2 BrCH3

CH3CH2 C C CH2CH3 + Br_

3-Hexino

REACCIONES DE ADICIÓN ELECTRÓFILA

ADICIÓN DE HALUROS DE HIDRÓGENO

CH3CH2 C CH HBr

150 CCH3CH2 C CH2

Br+ CH3CH2 C CH3

Br

Br

2-Bromobuteno 2,2-Dibromobutano La reacción transcurre a través de carbocationes con regioselectividad Markovnikov:

CH3CH2 C CH

H Br

CH3CH2 C CH2+

Br_

CH3CH2 C CH2

Br

2-Bromopenteno

CH3CH2 C CH2

Br

H Br

CH3CH2 C CH3

Br

+

Br_

CH3CH2 C CH3

Br

Br

2,2-Dibromopentano La interpretación de estos resultados no es evidente. Observa qué sucede cuando la reacción se hace con acetileno:

H C C HHCl, ZnCl2

1000 CCH2 CHCl

Cloruro de vinilo

HCl, HgCl2250 C

CH3 CH ClCl

1,1-Dicloroetano Reacción 1:

HC CH

H Cl

+

Cl_

CH2 CH CH2 CHClCloruro de vinilo

VII

Page 187: LIBRO1 (0-675).pdf

174

Reacción 2:

CH2 CH Cl

1 2

HCl

CH3 CH Cl+

+ Cl_

CH2 CH2Cl+

+ Cl_

CH3 CHCl

Cl

Cl CH2 CH2 Cl

(1)

(2)

1,1-Dicloroetano

1,2-Dicloroetano

1

2

En el carbocatión (1) el cloro está unido al átomo de carbono con carga. El átomo de cloro es más electronega-tivo que el de carbono y cabría esperar que su efecto electroatrayente disminuyera la carga del carbono, des-estabilizando aún más el carbocatión. Sin embargo, esto no sucede, puesto que el carbocatión (2) que no tiene el cloro unido al carbono con carga, es menos estable que (1) La estabilización de (1) puede explicarse admitiendo que existe una interacción entre el OA pz lleno del cloro y el OA pz vacío del carbono:

ClH

CH3 +

(1)

HCH3

+

pz vacio pz lleno

(1)

HCH3 +

enlace π de dos electrones aportados por el cloro

Si esta interpretación se realiza utilizando enlaces de valencia, es necesario dibujar dos estructuras del carbo-catión (1):

ClH

CH3 +

(1)

: ClH

CH3:

+

(1) La deslocalización de la carga entre los átomos de carbono y cloro estabiliza el carbocatión (1)

EJERCICIO 7.16Considera las siguientes reacciones sucesivas:

Haz un esquema en el que aparezcan todos los carbocationes posibles y justifica la formación de los productos, empleando un razonamiento semejante al utilizado en el caso del acetileno.

R C C H HCl R C CH2

ClHBr

R C CH3

Cl

Br

ADICIÓN DE AGUA CON CATÁLISIS ÁCIDA El acetileno reacciona con agua, en presencia de un ácido fuerte y sales mercúricas (Hg2+) dando lugar a ace-taldehído:

HC CHH2O, H2SO4

HgSO4CH3 C

OH

Acetaldehido

VII

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175

La reacción transcurre del modo siguiente (ver equilibrio ceto-enólico, Tema 9, p. 229):

HC CHH OH2

+ H2C CH+

OH2:

H2C CHHO H OH2:

+

CH2 CHOH

+ H3O+

enol del acetaldehido

CH2 CH

OH

CH3 CO

H Acetaldehido

(equilibrio ceto-enólico)

El resto de los alquinos se transforman en cetonas; los que están sustituidos en los dos carbonos del triple enlace son bastante reactivos y no se necesita utilizar catalizadores de mercurio para que tenga lugar la reac-ción:

CH3CH2CH2CH2 C CHH2O, H2SO4

HgSO4CH3CH2CH2CH2 C CH3

O

1-Hexino 2-Hexanona80 %

C C CH2CH3H2O, H2SO4

00 C, 10 min.CO

CH2CH3 + CO

CH3

3-Pentanona 2-Pentanona50 % 50 %

2-Pentino

CH3 CH2CH3 CH3CH2CH2

REDUCCIÓN DE ALQUINOS CON SODIO EN AMONÍACO LÍQUIDO Los alquinos se reducen a olefinas cuando reaccionan con sodio o litio metálicos en amoníaco líquido. La reac-ción es estereoselectiva, ya que conduce mayoritariamente al estereoisómero (E) del alqueno:

R C C R'Na, NH3(liq.)

-330 C

HR

H R'(E)

En la reacción están implicados radicales libres, debido a la ruptura homolítica del triple enlace: 1. Reacción de oxidación-reducción:

R C C R'

Na

R C C R'

_

anión radical

+ Na+

2. Reacción del anión radical con amoníaco:

R C C R'_

H NH2

R C CR'

H+ :NH2

_(anión amiduro)

radical

VII

Page 189: LIBRO1 (0-675).pdf

176

3. Reacción de oxidación-reducción:

Na

R C C

R'

Hradical

R C C

R'

H

_

carbanión

+ Na+

4. La reacción del carbanión con amoníaco da lugar a la olefina (E):

R

C C

R'

H

_

carbanión

HH2N

R

C C

R'

H

H

(E)

+_

:NH2

:

:

:

Por ejemplo:

CH3CH2 C C CH2CH2CH2CH3Na, NH3 (liq.)

-330 CH

CH3CH2

CH2CH2CH2CH3

H

3-Octino

(E)-3-Octeno

SÍNTESIS DE COMPUESTOS ORGÁNICOS A PARTIR DE OLEFINAS Y ALQUINOS Los alquenos y los alquinos se utilizan como sustancias de partida para la obtención de otros compuestos or-gánicos. A continuación aparece una síntesis de la 2-butanona empleando acetileno como único producto orgánico. Retrosíntesis de la 2-butanona:

CH3CH2 CO

CH3 CH3CH2 COH

CH2 CH3CH2 C CH

CH3CH2 X

+H C C:

_

CH2 CH2

HC CH

Síntesis de la 2-butanona:

HC CHH2

[Pt]CH2 CH2

HBrCH3CH2Br

HC CH HC C:_

HC C:_

CH2

CH3

Br HC C CH2CH3

HC C CH2CH3H2O

H3O+CH3CH2 C

OHCH2

CH3CH2 CO

CH3

2-Butanona

_:

Na+:NH2

-330 C

VII

Page 190: LIBRO1 (0-675).pdf

177

EJERCICIO 7.17Utiliza acetileno como único producto orgánico para obtener 3,4-hexanodiol y (E)-3-hexeno

R CH2CH2 R

R CH2CH RX

R CH2CH ROH

R CH__CH RX X

R CH__CH RX OH

R CH__CH ROH

OH

R CH__CH ROH OH

RCO3H

H2

[Pt]

HX

H2O

H3O+

X2

XOH

OsO4

R CH CH R

ESQUEMA GENERAL DE LAS REACCIONES DE OLEFINAS

HX

H2O

H3O+

R C CH

1)Na+NH2_

2)R'-XR C C R'

R CX

CH2HX R C

XCH3

X

R COH

CH2 R CO

CH3

R CH CH2 R CH2 CH3H2

[Pt]

H2

[Pt]

ESQUEMA GENERAL DE LAS REACCIONES DE ALQUINOS

VII

Page 191: LIBRO1 (0-675).pdf

178

EJERCICIOS ADICIONALES

7.1 La reacción de un compuesto A(C4H8) con ácido hipocloroso, da lugar a una mezcla de (2S,3R) y (2R,3S)-3-cloro-2-butanol. Averigua la estructura de A y escribe el mecanismo a través del que discurre el proceso. 7.2 En el esquema siguiente se muestran los productos a los que da lugar una olefina A, cuando reacciona con ácido peroxifórmico o tetraóxido de osmio:

A

1)HCO3H

2)H2O

1)OsO4

2)H2O

[(2R,3R) + (2S,3S)] 2,3-pentanodiol

[(2R,3S) + (2S,3R)] 2,3-pentanodiol (racémico)

Averigua la estereoquímica de A, e indica qué productos se obtendrán cuando dicha olefina reacciona con ácido hipocloroso a través de iones onio. 7.3 Escribe las reacciones del 1,2-dimetilciclohexeno con tetraóxido de osmio, ácido peroxibenzoico y ácido clorhídrico (vía carbocationes). Averigua la configuración absoluta de todos los productos que se obtienen y nombra cada uno de ellos. 7.4 El (E)-1-fenil-2-penteno reacciona con HBr dando lugar a una mezcla de dos racémicos. Uno de ellos corresponde al 1-bromo-1-fenilpentano y el otro al 3-bromo-1-fenil pentano. Apartado 1: Averigua si la reacción transcurre a través de carbocationes o de iones onio y haz un esquema con todas las reacciones. Apartado 2: Escribe las reacciones del (E)-1-fenil-2-penteno con ácido peroxibenzoico y con tetraóxido de osmio, indicando en cada caso la configuración absoluta de los productos que se obtienen. 7.5 La reacción del (4S)-4-fenil-2-penteno con HBr da lugar a los siguientes resultados:

(4S)-4-fenil-2-penteno

2-bromo-4-fenilpentano (mezcla de dos estereoisómeros)

1-bromo-1-fenil-2-metilbutano (mezcla de cuatro estereoisómeros)

HBr

Averigua si la reacción transcurre a través de carbocationes o de iones onio y haz un esquema con todas las reacciones. 7.6 La reacción de una olefina A(C6H9OCl) con ácido hipocloroso, da lugar a la siguiente mezcla de cuatro este-reoisómeros:

[(1S,2R) + (1S,2S)] 3,3-dicloro-1,2-ciclohexanodiol + [(1R,2S,3S) + (1S,2R,3S)] 1,2-dicloro-1,3-ciclohexanodiol Averigua la estereoquímica de la olefina A y escribe el mecanismo de todas las reacciones.

VII

Page 192: LIBRO1 (0-675).pdf

179

7.7 El estereoisómero ópticamente activo de una olefina A(C H12 13Cl) reacciona con HOCl, dando lugar a cuatro productos distintos. Uno de ellos es el (1S,2S,3R) 1,3-Dicloro-1-fenil-2-hidroxiciclohexano. Apartado 1: Averigua la estructura de la olefina A y escribe únicamente la reacción que conduce al producto indicado. Apartado 2: La olefina A se somete a una reacción de eliminación en medio básico, obteniéndose un compues-to B(C H12 12) El tratamiento de B con HCl origina una mezcla de dos racémicos, uno de cuyos componentes es el compuesto de partida A. Escribe el mecanismo de la reacción entre B y HCl utilizando representaciones tridimensionales. 7.8 La reacción del 1,3-Ciclohexadieno con HCl, a través del carbocatión más estable, da lugar a un racémico. Utiliza representaciones tridimensionales para averiguar la estereoquímica de los productos resultantes y expli-ca por qué se obtienen los mismos productos cuando la reacción está sometida a control termodinámico o a control cinético. 7.9 Averigua la estructura de la olefina A:

A1)OsO4

2)H3O+[(1R,3S) + (1R,3R)]-3-hidroximetil-1,3-ciclohexanodiol

1. Escribe el mecanismo de la reacción empleando representaciones tridimensionales y asigna la configuración

a los estereoisómeros que se obtienen. 2. ¿Se llegaría al mismo resultado si la olefina A se trata con ácido peroxibenzoico, seguida de hidrólisis en

medio ácido? 7.10 Averigua la estructura de la olefina A, teniendo en cuenta que la reacción transcurre a través del carboca-tión incipiente más estable:

A [(1R,3R) + (1R,3S)]-3-clorometil-1,3-ciclohexanodiolClOH

7.11 Se hace reaccionar 3-metilenciclohexeno con HCl, dejando que la reacción alcance el equilibrio. Escribe el mecanismo de la reacción utilizando representaciones tridimensionales y averigua la estereoquímica de las olefinas monocloradas que se obtienen. 7.12 Averigua la estereoquímica del compuesto A(C5H10) y escribe el mecanismo de todas las reacciones que aparecen en el esquema.

3-cloro-2-pentanol (racémico) + 2-cloro-3-pentanol (racémico)

2,3-pentanodiol (racémico)

[(2R,3S) + (2S,3R)] 2,3-pentanodiol

HOCl

1)HCO3H

2)H3O+ / H2O

1)OsO4

2)H2O

A

7.13 El 1,4-difenil-1,3-butadieno reacciona con HBr a través del carbocatión más estable, dando lugar a una mezcla de dos racémicos. Uno de ellos corresponde al (E)-3-bromo-1,4-difenil-1-buteno y el otro al (E)-1-bromo-1,4-difenil-2-buteno.

VII

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180

Apartado 1: Averigua si la configuración del 1,4-difenil-1,3-butadieno de partida es (1E,3E) o (1E,3Z) y escribe el mecanismo a través del que transcurren todas las reacciones. Apartado 2: El racémico del (E)-1-bromo-1,4-difenil-2-buteno se hace reaccionar con HCl acuoso, obteniéndose una mezcla de 1-bromo-1,4-difenil-4-hidroxibutano y 1-bromo-1,4-difenil-4-clorobutano. Explica mediante qué tipo de mecanismo tiene lugar la reacción, indicando la configuración absoluta de todos los estereoisómeros que se obtienen. 7.14 Las reacciones que aparecen a continuación transcurren a través de carbocationes y están sometidas a control termodinámico (equilibrio) Indica en cada caso la estereoquímica absoluta de los productos que se obtienen y ordénalos de acuerdo con su abundancia relativa (los estereoisómeros del mismo compuesto están colocados entre corchetes)

Reacción 1: 3-Fenilpropeno + Cl2

Reacción 2: 1-Fenilpropeno + HBr

Reacción 3: 1,3-Ciclopentadieno + Br2 [A + B + C + D] + [E + F + G]

[A + B ] + [ C + D]

[A + B ]

7.15 Apartado 1: Utiliza el esquema que aparece a continuación para identificar los estereoisómeros A y B del 2-buteno:

1)C6H5CO3H

2)H3O+

1)OsO4

2)H3O+

A(¿Z o E?)

B(¿Z o E?)

[(2R,3R) + (2S,3S)] 2,3-butanodiol

Escribe el mecanismo de todas las reacciones Apartado 2: Escribe el mecanismo de la reacción del estereoisómero A con HCl acuoso y asigna la configura-ción absoluta a los compuestos que se obtienen. 7.16 Averigua la configuración absoluta de los estereoisómeros que se forman en los siguientes procesos y escribe el mecanismo de todas las reacciones:

Reacción 1:(E)-2-hexeno1)OsO4

2)H3O+(1) + (2)

Reacción 2: (3) + (4)feniletileno HBr

Reacción 3: 1,2-dimetilciclohexeno HCl (5) + (6) + (7) + (8)

Reacción 4: 1-metilciclopenteno1) HCO3H

2) H3O+(9) + (10)

7.17 Uno de los estereoisómeros del 1-metil-3-hidroxiciclohexeno (A) se somete a una reacción de hidroxilación con ácido peroxibenzoico, obteniéndose una mezcla de (1R,2R,3S) y (1S,2S,3S)-1-metil-1,2,3-ciclohexanotriol.

VII

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181

Apartado 1: Averigua la configuración absoluta del estereoisómero de partida (A) y escribe el mecanismo de la reacción utilizando representaciones tridimensionales. Apartado 2: Escribe la reacción del enantiómero de (A) con bromuro de hidrógeno acuoso utilizando de nuevo representaciones tridimensionales y asigna la configuración absoluta de todas las moléculas. 7.18 Averigua la configuración absoluta de los estereoisómeros que se forman en los siguientes procesos y escribe el mecanismo de todas las reacciones

Reacción 1:

Reacción 2:

Reacción 3:

Reacción 4:

(E) 2-hepteno1) OsO4

2) H3O+(1) + (2)

1,2-dietilciclohexenoHCl

(3) + (4)1-fenilpropenoHBr

1-etilciclopenteno1) HCO3H

2) H3O+(9) + (10)

(5) + (6) + (7) + (8)

7.19 Uno de los estereoisómeros del 3-fenil-1-buteno se hace reaccionar, primero con ácido m-cloroperoxibenzoico, y el compuesto que resulta se trata con HCl acuoso. El producto final es una mezcla de estereoisómeros del (3R)-3-fenil-1,2-butanodiol. Apartado 1: Averigua la configuración absoluta del 3-fenil-1-buteno de partida y escribe el mecanismo de las reacciones empleando representaciones tridimensionales. Apartado 2: La reacción del estereoisómero del Apartado 1 (3-fenil-1-buteno) con HBr, da lugar a una mezcla de estereoisómeros de dos compuestos distintos: el 2-bromo-3-fenilbutano y el 1-bromo-1-fenil-2-metilpropano. Escribe el mecanismo de las reacciones empleando representaciones tridimensionales y averigua la configura-ción absoluta de los estereoisómeros que se obtienen. 7.20 Uno de los estereoisómeros del 4-fenil-2-penteno se hace reaccionar con tetraóxido de osmio, y el com-puesto que resulta se trata con KOH acuoso. El producto final es una mezcla de los estereoisómeros (2S,3R,4S) y (2R,3S,4S) del 4-fenil-2,3-pentanodiol. Apartado 1: Averigua la configuración absoluta del 4-fenil-2-penteno de partida. Apartado 2: La reacción del estereoisómero del 4-fenil-2-penteno con bromo da lugar a una mezcla de diaste-reoisómeros del 2,3-dibromo-4-fenilpentano. Escribe el mecanismo de las reacciones empleando representa-ciones tridimensionales y averigua la configuración absoluta de los productos que se obtienen.

VII

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8. REACCIONES DE SUSTITUCIÓN NUCLEÓFILA EN GRUPOS CARBONILO

INTRODUCCIÓN Las reacciones de sustitución nucleófila en moléculas con grupos carbonilo (C=O) transcurren de acuerdo con el siguiente esquema general:

_ _R C

OZ +

ONu R C + ZNu

Los grupos salientes Z más comunes son: Cl−, R–CO–O−, HO−, RO−, NH2

−, RNH−. Es decir, son reacciones en las que están implicados los siguientes compuestos: cloruros de ácido, anhidridos de ácido, ácidos, ésteres y amidas. Estas reacciones transcurren en dos pasos: en el primero, el nucleófilo (Nu) se adiciona al grupo carbonilo, y en el segundo se elimina el grupo saliente Z:

Nu_

CO

RZ

:

CO

RZ

:

Nu

:_

CO

R

:

Nu

:

+ Z:_adición eliminación

Por ejemplo:

Cloruro de acetilo

adición eliminaciónCO

CH3

Cl

:

CO

CH3

Cl

:

H3N

:_

CO

CH3

:

H3N

:

H3N: +Cl

_+

+ :B CO

CH3

:

H2N

:

+ HB

Acetamida

Cloruro de acetilo

adición eliminaciónCO

CH3

Cl

:

CO

CH3

Cl

:

HO

:_

CO

CH3

:

HO

:

HO Cl_

+

Ácido acético

_

CORRELACIONES ESTRUCTURA – REACTIVIDAD En el proceso adición-eliminación, la constante de equilibrio global está determinada por las constantes de equilibrio correspondientes a las reacciones individuales de adición y de eliminación. El valor de dichas constantes depende de las características estructurales del grupo carbonilo, del tipo de nucleófilo (Nu) y de la naturaleza del grupo saliente Z. Con respecto al grupo carbonilo, su interacción electrónica con el grupo saliente Z, es el factor determinante del valor de la constante de equilibrio en el paso de la adición. Un grupo Z que sea atractor de electrones, a través de un efecto inductivo -I, hace disminuir la densidad electrónica en el átomo de carbono, aumentando su reactividad. Debido a que todos los grupos Z tienen pares de electrones sin compartir, existe un efecto mesómero +M, opuesto al efecto inductivo -I, que provoca la deslocalización de dichos electrones, estabilizando la molécula, es decir, disminuyendo su reactividad.

VIII

Page 196: LIBRO1 (0-675).pdf

183

Disminución de la densidad electrónica sobre el carbono del C=O:

efecto inductivo −I la reactividad aumentaR C

OZ

::δ

_

δ+

Deslocalización de los pares de electrones de Z:

efecto mesómero +M la reactividad disminuyeR C

O

Z

::

:: R C

O

Z

::

:

: _

+

Cuanto más electronegativo es el átomo del grupo Z que está unido al carbonilo, menor será la densidad electrónica sobre el carbono del C=O, y mayor su reactividad frente a los nucleófilos:

átomo máselectronegativo

átomo menoselectronegativo

R C

O

Cl : R C

O

O R C

O

NH:C

O

R R'(cloruro de ácido) (éster)(anhidrido de ácido) (amida)> > R C

O

O R' >

Por otra parte, la deslocalización de los pares de electrones presentes en Z, estabiliza la molécula, disminuyendo la reactividad del C=O. El efecto +M será tanto mayor cuanto menor sea la electronegatividad de Z:

R C

O

Cl

::

R C

O

Cl

::_

+::

R C

O

O

::

C

O

R R C

O

O

::

C

O

R

_

+R C

O

O

::

C

O

R

_

+::

R C

O

O

::

R C

O

O

::_

+R' R'

R C

O::

R C

O::_

NH R' N R'+

La combinación de los efectos -I y +M varia de un grupo a otro, como puede apreciarse en la tabla siguiente:

combinación de efectos reactividad del C=O

-I > +M

-I > +M

-I +M

-I < +M

muy grande

semejante a

muy grande

pequeña

sustrato

R C

O

Cl

R C

O

O C

O

R

R C

O

O R'

R C

O

NH2

R C

O

R'~_

VIII

Page 197: LIBRO1 (0-675).pdf

184

Orden de reactividad en la etapa de adición

+ Nu_

R C

O

Cl

R C

O

Cl

_

+ Nu_

R C

O

O

R C

O

O

_

CO R'

CO R'Nu Nu

+ Nu_

R C

O

OR'

R C

O

OR'

_

Nu

+ Nu_

R C

O

NHR'

R C

O

NHR'

_

Nu Con respecto al grupo saliente Z, su facilidad de eliminación está directamente relacionada con la basicidad: cuanto menor sea su basicidad más fácilmente es eliminado:

grupo saliente (Z)

NH2

_

_

pKa

5

R CO

Z

R CO

Cl Cl_

-7

R CO

O CO

R R CO

O

R CO

O R' R'O_

15-19

R CO

NH2 36 Orden de reactividad en la etapa de eliminación:

>R C

O

Nu

Cl

_

R C

O

Nu

O

_

R C

O

Nu

OR'

_

R C

O

Nu

NHR'

_

> >

CO R'

R CO

Nu R CO

Nu R CO

Nu R CO

Nu

Cl_

R'CO_O_

R'O_

R'NH2_ _ _ _

Combinando las constantes de equilibrio de las etapas de adición y eliminación, es evidente que la constante del equilibrio global disminuye en el mismo orden:

>

[cloruro de ácido] [anhidrido de ácido]

[disminución de la reactividad]

[éster]

R C

O

Cl R C

O

O CO

R R C

O

OR'> R C

O

NHR'

[amida]

>

VIII

Page 198: LIBRO1 (0-675).pdf

185

Este orden de reactividad implica que cada uno de los cuatro compuestos se transforma fácilmente en cualquiera de los que están situados a su derecha, pero no al revés. Por ejemplo, a partir de un cloruro de ácido se pueden obtener un anhidrido, un éster o una amida; sin embargo, no es posible sintetizar directamente un anhidrido partiendo de un éster o una amida. Los nucleófilos implicados en este tipo de reacciones son los siguientes: Nucleófilos de halógenos: Cl (generado a partir de SOCl2, PCl3 Y PCl5)

_

Nucleófilos de oxígeno: H2O: (agua)

HO (anion hidroxilo):_

R__OH (alcoholes)

R__O (aniones alcóxido):_

(ácidos carboxílicos)R CO

OH

R CO

O (aniones carboxilato)_:

Nucleófilos de nitrógeno: H3N: (amoniaco)

R__NH2 (aminas primarias) Nucleófilos de ésteres y cetonas: R__CH__CO2Et (aniones enolato de ésteres)

_

R__CH__CO__R (aniones enolato de cetonas)_

Nucleófilos de hidrocarburos (aniones alquilo y arilo): RCH2 (aniones de radicales alquilo; generados a partir de RCH2Li)

_

:_

(aniones de radicales arilo; generados a partir de C6H5Li)

Anión hidruro: H (generado a partir de LiAlH(OCMe3)3 y LiAlH(OEt)3):

_

VIII

Page 199: LIBRO1 (0-675).pdf

186

Las reacciones de sustitución nucleófila en compuestos carbonílicos, tienen lugar entre los nucleófilos mencionados y cada uno de los siguientes sustratos: cloruros de ácido, anhidridos de ácido, ésteres y amidas. La adición del nucleófilo (Nu) es el primer paso y la eliminación del grupo saliente (Z) el segundo:

Nu_

CO

RZ

:

CO

RZ

:

Nu

:_

CO

RZ

:

Nu

:

+ Z:_adición eliminación

Conviene aclarar que los grupos liberados Z no siempre tienen carga negativa; el mecanismo general de adición-eliminación transcurre con frecuencia en presencia de ácidos, y este hecho da lugar a la liberación de moléculas neutras, que son mejores grupos salientes. Si la reacción se hace en medio básico lo más frecuente es que el grupo Z tenga carga negativa, pero el anión amiduro (NH2

−) es una excepción. Se trata de una base muy fuerte (pKa 36) y el mecanismo de la reacción transcurre de tal modo que el grupo realmente liberado es amoníaco o una amina primaria. En la tabla siguiente aparecen las reacciones más comunes de cloruros de ácido, anhidridos de ácido, esteres y amidas, con los nucleófilos que se utilizan habitualmente en este tipo de procesos.

Cl_

H2O

producto obtenidonucleófilo grupo liberado (Z)

:

:

R CO

R CO

Cl

Z

R CO

OH

:

R' OH R CO

OR'

R' O:

:: :

_R C

OOR'

Cl_

Cl_

N NR' C

OOH

_R' C

OO R C

OO C

OR'

R CO

O CO

R'

Cl_

R CO

NH2

R CO

NHR'

H3N:

:

R NH2

Cl_

R' CH CO2R''

:_R C

OCH CO2R''

R'

Cl_

Cl_

H_

R CO

H Cl_

VIII

Page 200: LIBRO1 (0-675).pdf

187

producto obtenidonucleófilo grupo liberado (Z)R CO

Z

H2O (H3O+)

:

:

HO_ _

R CO

O CO

R R CO

OH R CO

OH

R CO

O_

R CO

O

:: (H3O+)

_

R' OH R CO

OR' R CO

OH

::R' O: R C

OOR'

_R C

OO

H3N: R CO

NH2

_R C

OO

:

R NH2 R CO

NHR'_

R CO

O

R CO

OR'' R CO

OHH2O (H3O+)

:

: R'' OH

HO_

R CO

O_

R'' OH

R CO

OR''

R CO

NHR'

:

R' NH2

H3N:

R'' O_

R CO

NH2R'' O

_

(H3O+)R' OH:

: R CO

OR'R'' OH

:_

R' CH CO2R'' R CO

CH CO2R''

R'R'' O

_

H2OR C

OOHLi R' (Ar) R C

OR' (Ar)

H2O (H3O+)

:

:

HO_

R CO

NHR' R CO

OH

:

R' NH2

R CO

O_

:

R' NH2

H_

R CO

H

:

R' NH2

VIII

Page 201: LIBRO1 (0-675).pdf

188

APLICACIONES DE LA SUSTITUCIÓN NUCLEÓFILA EN SÍNTESIS

FORMACIÓN DE ENLACES C–X

SÍNTESIS DE CLORUROS DE ÁCIDO Los reactivos que se utilizan habitualmente son: cloruro de tionilo (SOCl2), tricloruro de fósforo (PCl3) y pentacloruro de fósforo (PCl5):

+ SOCl2 SO2 + HClR CO

OH R CO

Cl +

+R CO

OH3 R CO

Cl +PCl3 PO3H33

POCl3 + HCl+R CO

OH PCl5 R CO

Cl + Esquema de la reacción con cloruro de tionilo:

+ Cl_+

R CO

OH

: S Cl

Cl

OR C

OOH

SO

Cl

Cl_

adición del nucleófilo:+

RC

O

O S

O

Cl

H

RC

O

O S

O

ClCl

H

eliminación : + SO2 + (Cl_

+ H+) [HCl]RC

O

O S

O

ClCl

H

R CO

Cl

EJERCICIO 8.1Cuando se utiliza PCl3 para sintetizar un cloruro de ácido, se obtiene ácido fosforoso (PO3H3) como subproducto de la reacción. Su estructura no es (1) como podría pensarse, sino (2):

(1) (2)

PHO

OH

OH PHO OHH

O

Escribe el mecanismo completo de la reacción que tiene lugar entre un ácido carboxílico y el tricloruro de fósforo utilizando como ayuda la reacción con SOCl2. Idea un mecanismo que explique la transformación de (1) (éste es el compuesto que se obtiene inicialmente) en ácido fosforoso (2)

El empleo de cada uno de los tres reactivos, en la preparación de cloruros de ácido, depende de los puntos de ebullición de las sustancias que están presentes en el medio. Se elige aquél que permita separar más fácilmente el cloruro de ácido de la mezcla de reacción:

VIII

Page 202: LIBRO1 (0-675).pdf

189

CH3CH2CO2H + PCl3

(p.e. = 1800C)

CH3CH2COCl

(p.e. = 800C)

+ H3PO3

(p.e. = 2000C)

3 3

CO2H COCl+ PCl5

(p.s. = 1620 C)

+ POCl3 + HCl

(p.e. = 3040 C) (p.e. = 1070 C)

(p.e. = 770 C)

CO2H+ SOCl2

COCl

(p.e. = 1840 C)

+ SO2 + HCl

FORMACIÓN DE ENLACES C–O

SÍNTESIS DE ÉSTERES La reacción entre un ácido carboxílico y un alcohol, catalizada por ácidos fuertes, se conoce como esterificación de Fischer:

+ R'OHH3O+ [R-CO2R'][H2O]

[R-CO2H][R'OH]Keq =R C

O OOH + H2OR C OR'

Para desplazar el equilibrio hacia la formación del éster se pueden hacer dos cosas: utilizar exceso de alcohol (los alcoholes etílico y metílico son más baratos que los ácidos) o eliminar de forma aceotrópica el agua que se origina en la reacción. Esquema del proceso:

H___OH2

:

: [adición]1: 2:R C

OOH

::R C

OOH

: H OH2

R C

O

OH

:

O R'H

H

R C

O

OH

:

O R'H

H

3: 4:

+

R C

O

OH

:

O R'

H

H

OH2:

R C

O

OH

:

O R'

H

OH2H

R C

O

HO

:

O R'

H

OH2H:

R C

O

HO

:

O R'

H

H OH2:

[eliminación]5: 6:

[éster]

R C

O

HO

:

O R'

H

H

R C

O

HO

O R'

H

H

R C

O

O R'

H OH2:

R C

O

O R'

OH2:: H

:+ + ::

+ :

:+

:

:

:

:

:

:

::

: :

::

::: ::

: :

+

+

+

+ +

+

+

+

: :

El orden de reactividad de los alcoholes que se observa en las reacciones de estirificación, se debe básicamente al impedimento estéreo en el segundo paso del mecanismo:

VIII

Page 203: LIBRO1 (0-675).pdf

190

R CH2OH (primario) > R CHOH

R

(secundario) > R C

R

(terciario)

ROH

El impedimento estéreo en el carbono α, es el factor que determina la reactividad de los ácidos carboxílicos:

α

αα

CH3 CO2H > CH2 CO2HR > CH CO2HR

R

> C CO2HR

R

R

El método más utilizado en el laboratorio para sintetizar ésteres , es la acilación de alcoholes con cloruros o anhidridos de ácido: Con cloruros de ácido:

R CO

Cl +O

NaOH, H2OR' OH R C O R' + Cl

_+ H2O

10 %HO

_+

Esquema de la reacción con un cloruro de ácido:

+

_

[adición]R' OH C

O

Cl

R

R' O C

O

Cl

R

H

+

_

R' O C

O

Cl

R

H

R' O C

OH

Cl

R

HO_

[eliminación] _H O

C O

Cl

R R' C OR R'

O

+ Cl + H2O

Con anhidridos de ácido:

H3O+ (trazas)+R C

OO C

OR + R C

OOH

OR' OH R C O R'

Esquema de la reacción con un anhidrido de ácido

H2O HCO

RO C

OR

+ ::CO

R

O CO

R:H

+ H2O

+

VIII

Page 204: LIBRO1 (0-675).pdf

191

[adición]C

O

R

O CO

R

:H+

R' OH C

OH

R

O C

O

R

:

R' O

H

+

H2O:

:: +H OH2

C

OH

R

O C

O

R

:

R' O

: H+

+ H2O

H2O:[eliminación]

:

+

ácido delanhidrido

éster

+ H3O+C

O

R

O C

O

R

:

R' O

: H+

H

R' O CO

R O C

O

R

H

Cuando la esterificación se realiza con un anhidrido de ácido, se suele utilizar piridina como catalizador; la piridina reac-ciona con el anhidrido dando lugar a una sal de acilamonio muy reactiva. Escribe el mecanismo completo de la siguiente reacción:

OH

N+

_

N

H+

+ CH3 CO O CO CH3

O CO

CH3

CH3 CO

O +

EJERCICIO 8.2

Si se trabaja con cantidades muy pequeñas de un ácido, su éster metílico se sintetiza habitualmente empleando Diazometano (CH2N2); esta reacción no es una sustitución nucleófila en el grupo carbonilo:

R CO

OH +Et2O

R CO

CH2N O CH3 + N22 Esquema de la reacción:

_:

+ _

[diazometano]

H2C N N :+

H2C N N

_+

CH3

R CO

O H_

:+

H2C N N R CO

O :+N NCH3

++ N N:: (N2)

[éster metílico]

_R C

OO + CH3

+R C

OO CH3

VIII

Page 205: LIBRO1 (0-675).pdf

192

HIDRÓLISIS DE ÉSTERES Los ésteres pueden hidrolizarse en medio ácido o básico:

O

R CO

O R' R C R' OH+OH+ H OH

OOR C R C OO R' + HO− −

R' OH+ En medio ácido el equilibrio está parcialmente desplazado hacia la derecha, pero en medio básico la hidrólisis del éster es prácticamente total:

H3O+(50-700C)CH3CH2OHCH3CH2CH2 C

OOEt CH3CH2CH2 C

OOH +

(100 %)

NaOH (20%)+ CH3CH2OH

_CH3 C

OOEt CH3 C

OO Na+

triglicérido (éster de la glicerina con los ácidos Esteárico, Oleico y Linoleico)

NaOH / H2OQ

CH2 O CO

(CH2)16_CH3

CH O CO

(CH2)7_CH CH (CH2)7

_CH3

CH2 O CO

(CH2)7_CH CH CH2 CH CH (CH2)4

_CH3

OCO

CH3_(CH2)16

CHCH3_(CH2)4

[sal sódica del ácido Esteárico]

[sal sódica del ácido Oleico (Z)]

[sal sódica del ácido Linoleico (Z,Z)]

JABÓN

+

CH2 OH

CH OH

CH2 OH

_

CH CH CH (CH2)7 CO

O_

CHCH3_(CH2)7 CH (CH2)7 C

OO

_

Na+

Na+

Na+

ceras: ésteres derivados de ácidos grasos de 24 a 28 átomos de carbono y alcoholes primarios de 16 a 36 átomos de carbono.

aceites: ésteres de glicerina y ácidos carboxílicos (la mayoría insaturados) con 12 o más átomos de carbono.

grasas: ésteres de glicerina y ácidos carboxílicos (la mayoría saturados) con 12 o más átomos de carbono.

VIII

Page 206: LIBRO1 (0-675).pdf

193

Observa que el mecanismo de la reacción de hidrólisis es exactamente el mismo que el de la esterificación, pero escrito al revés. Esto es cierto para cualquier reacción en equilibrio. Esquema de la hidrólisis en medio ácido:

R CO

O R'H3O+

R CO

OH + R' OH Primer paso:

[éster]

R C

O

O R'

H___OH2::

R C

O

O R'

OH2: H

Segundo paso:

R C

O

O R'

: H

O__HH

[adición]R C

O

O R'

: H

O HH

Tercer paso:

:

R C

O

O R'

: H

O HH

R C

O

O R'

: H

OH :OH2

Cuarto paso:

OH2H

R C

O

O R'

: H

OH : OH2

R C

O

O R'

: H

OH : H

Quinto paso:

[alcohol]R C

O

O R'

: H

OH : H

[eliminación]R C

O

O R'

H

OH : H

:

Sexto paso:

OH2:

[ácido]

R C

O

OH

: H :

R C

O

OH

: H OH2

VIII

Page 207: LIBRO1 (0-675).pdf

194

Mecanismo de la reacción en medio básico:

R__C__OR' R__C__O Na+ + R'OHNaOHH2O

_O O

HO_

_

C

O

R

OR'[adición]

C

O

R

OR'HO

[eliminación]R'O+

_

_

C

O

R

OR'HO C

O

RHO

+ [anión del ácido]C

O

ROR'O_

H R' OH[alcohol]

R C

O

O_

H3O ++ (ácido fuerte: HCl)R CO

O_

R CO

OH

[ácido]

+ H2O

SÍNTESIS DE ANHIDRIDOS DE ÁCIDO El anhidrido acético es el más empleado de todos los anhidridos de ácido. Su síntesis industrial se realiza por deshidratación directa del ácido acético; la reacción se lleva a cabo haciendo pasar una corriente gaseosa de ácido acético por un tubo de cuarzo calentado a 8000 C que contiene porcelana pulverizada como catalizador:

8000CCH3 C

OOH H O C

OCH3

OO C

OCH3CH3 C H+ H O

Los anhidridos cíclicos que tienen un anillo de cinco o seis eslabones, se forman muy fácilmente por simple calefacción del ácido dicarboxilico correspondiente

Q+ H2O

Ácido maleico Ánhidrido maleico(89%)

C

C

H

H

O

O

OH

OHO

O

O

QCO2H

CO2H

O

O

O

+ H2O

Ácido ftálico Anhidrido ftálico

VIII

Page 208: LIBRO1 (0-675).pdf

195

Los anhidridos se sintetizan también a partir de cloruros de ácido, por reacción con la sal sódica del ácido o con el mismo ácido libre:

_Na+

C+

C+ NaCl

Cloruro de benzoilo

Benzoato sódico Anhidrido benzoico

O O

O OClC O C

O

Esquema de la reacción con la sal sódica del ácido:

+ Cl_

R C

O

O_

CR

O

Cl[adición]

R C

O

O CR

O

Cl

_

[eliminación]R C

O

O C RO

Cuando se utilizan un cloruro de ácido y el ácido libre para obtener un anhidrido, la reacción se lleva a cabo empleando piridina como catalizador. La Piridina reacciona con el cloruro de ácido dando lugar a un catión acilamonio muy reactivo. Escribe el mecanismo completo de la siguiente reacción:

COCl

+

CO2H

N+ Cl

_

N +

C

O

O C

O

H

EJERCICIO 8.3

FORMACIÓN DE ENLACES C–N

SÍNTESIS DE AMIDAS Las amidas se pueden sintetizar a partir de cloruros de ácido, anhidridos o ésteres:

OR C Cl

ONH3

R'__NH2

R C NH2O O

R C O C RO

R C NH R'O

R C OR' Mecanismo de la reacción con cloruros de ácido:

+ Cl + NH4

_ +H3N: C

R

O

Cl

:[adición]

H2N C

H

R

Cl

O

+

: :_

H2N C

R

Cl

O: H :NH3[eliminación]

H2N C R

O: :

VIII

Page 209: LIBRO1 (0-675).pdf

196

Mecanismo de la reacción con anhidridos de ácido:

C

O

R'

O C

O

R'

:

R2NH

:[adición]

C

O

R'

O C

O

R'

:

R2N

H

+

:_

C

O

R'

O C

O

R'R2N

:H

C

O

R'

O C

O

R'R2N

:HR2NH

:[eliminación]

C

O

R' OC

O

R'R2N

::

+_

+ R2N

H

H+

Escribe el mecanismo completo de la siguiente reacción:EJERCICIO 8.4

NH2:

+

HN

+ MeOHCH3CH2 CO

O Me

CO

CH2CH3

A continuación aparecen algunos ejemplos concretos de síntesis de amidas:

NH3 / H2O

(83 %)

CH3 CHCH3

COCl CH3 CHCH3

CONH2

+ NH3 +

Dietilacetamida (91 %)

bis-Dietilacetamida (9 %)

CH3CH2 CHCH2CH3

COClC6H6 CH3CH2 CH

CH2CH3CONH2 CH3CH2 CH

CH2CH3CO NH CO CH

CH2CH3CH2CH3

Cloroacetamida (84 %)

Cl CH2 CO2EtNH3 / H2O

Cl CH2 CONH2

COCl + 2Me2NHC6H6

CO

N,N-Dimetilciclohexano- carboxamida (89 %)

NMe2

Cloroformiato de etilo

CONH2

CO2Et

CO2H

CO2Et

Biciclo[2,2,2]octano-1,4-dicarboxilato de metilo

+ Cl CO

OEt -HCl

CO

CO2Et

O CO2Et

NH3 / H2O

VIII

Page 210: LIBRO1 (0-675).pdf

197

HIDRÓLISIS DE AMIDAS Las amidas se hidrolizan en medio ácido o básico, transformándose en ácidos carboxílicos:

H3O+R CO

NH2 + R CO

OH + NH4+

_ _

R CO

NH2 + HO R CO

O + NH3 Mecanismo de la hidrólisis en medio ácido:

: H2O

[base]1 [ácido]2 [ácido]1 [base]2

R C O

NH2

H__OH2+

R C OH

NH2+

+

:+

H2O:

R

C

HO

NH2

+

[adición]:

R

C

HO

NH2H2O

[base]1 [ácido]2 [base]2[ácido]1

H2O: H O

H

C+

NH2

R

OH

H3O :+

+ HO C

OH

NH2

R

[base]1 [ácido]2 [ácido]1 [base]2

HO C

OH

NH2

R

H___OH2+

HO C

OH

NH3

R

++ H2O:

:[eliminación]

HO C

OH

NH3

R

+OHC

O

R

H+

:NH3+

:OH2 + H3O+

[ácido]

OH

C OR H+ OH

C OR

H___OH2+

H3N: NH4+ + H2O:

VIII

Page 211: LIBRO1 (0-675).pdf

198

Escribe el mecanismo completo de la hidrólisis de una amida en medio básico:EJERCICIO 8.5

_ + NH3

_R C

ONH2 + HO R C

OO

Las lactonas y las lactamas son ésteres y amidas cíclicas que pueden obtenerse a partir de hidroxiácidos y aminoácidos:

CO2Hα

β

δγ

OH

-H2OO

O

-Valerolactona δÁc. 5-hidroxipentanoico (ác. Valérico)

α

β

δ

ε

γ

-H2O

NH2CO2H N O

H

-CaprolactamaεÁc. 6-aminohexanoico (ác. Caproico)

Escribe el mecanismo de las siguientes reacciones de hidrólisis:EJERCICIO 8.6

O

O

H2OHO_CH2CH2CH2

_CO2H

ác. γ-hidroxibutírico γ-butirolactona

H3O+

anión del ácido δ-aminopentanoico

H2N_CH2CH2CH2CH2_CO2

δvalerolactama

NO

H

_

H2OHO

_

FORMACIÓN DE ENLACES C–H

REDUCCIÓN DE CLORUROS DE ÁCIDO Y AMIDAS Los cloruros de ácido y las amidas se pueden reducir a aldehidos utilizando hidruro de litio y triterbutoxialuminio o de litio y trietoxialuminio:

C__Cl

O

+

Li

Al( OCMe3)3-780C

(MeOCH2CH2)2OC__H

O

+ LiCl + Al(OCMe3)3

(73 %)

H_

+

Hidruro de litio ytriterbutoxialuminio

Los hidruros metálicos actúan como dadores de anión hidruro (H−):

CLi

Al(

H

OCMe3)3Cl

O

C__H Li +Al( OCMe3)3

Cl

O[adición]_

+: ::_

++

VIII

Page 212: LIBRO1 (0-675).pdf

199

[eliminación]C + LiCl + Al(OCMe3)3

OH

Hidruro de litio y trietoxialuminio

Butanal (85 %)

N,N-Dimetilbutiramida

CH3CH2CH2 CO

NMe2 + LiAlH(OCH2CH3)3 CH3CH2CH2 CO

H

FORMACIÓN DE ENLACES C–C

SÍNTESIS DE CETONAS A PARTIR DE ÁCIDOS CARBOXÍLICOS El litio reacciona con los derivados halogenados de alquilo o de arilo, dando lugar a compuestos organolíticos:

R__X: + Li [R__X:] + Li+_

[R__X:]_

R + :X:_

R + Li R__Li (organolítico)

CH3CH2CH2CH2_Br + 2Li

Tetrahidrofurano00C

CH3CH2CH2CH2_Li + LiBr

1-Butil-litio

Cl + 2Li Tetrahidrofurano

00CLi + LiCl

Fenil-litio Los compuestos organolíticos reaccionan con los ácidos carboxílicos dando lugar a cetonas:

CH3_(CH2)4_CO2H

Ác. hexanoico

1)CH3Li (2 eq.)

2)H3O+ CH3_(CH2)4_CO_CH3

2-Heptanona

(83 %)

Mecanismo de la reacción:

δ+

δ−CH3

LiR C

O

O

H

R C

O

O Li + CH4

δ+

δ−

2H3O+

+ H2O + 2LiC

O

R

O

H3C

Li

Li

[adición]CH3 C

O

O

R

Li

Li

CH3 C

O

O

R

H

H

+

VIII

Page 213: LIBRO1 (0-675).pdf

200

:OH2[eliminación]

+ H3O+ + H2Ocetona

CH3 C

O

O

R

H

H H OH2+

:

CH3 C

O

O

R

H

H H+

CH3 C

O

R

EJERCICIO 8.7Escribe el mecanismo de las siguientes reacciones:

O

O

O

+ H2OH3O+ C__OH

C__OH

O

OAnhidrido ftálico

O

O

O

+ MeOHC__OMe

C__OH

O

O

H3O+

O

O

O

+ 2MeNH2

H3O+ C__NHMe

C__O

O

O

_ + MeNH3+

CONDENSACIÓN DE CLAISEN La condensación de Claisen es una reacción entre dos ésteres con hidrógenos en α, catalizada por bases, que conduce a β-cetoésteres:

β

-cetoésterβ

α

+ +R CH2 CO

OEtRCH

CO2EtO

H R CH2 C CH

RCO2Et EtOH

Los hidrógenos en α de los ésteres son ácidos y pueden ser extraídos por una base, originando aniones enolato:

α

+ H_B

[anión enolato]

+R CH2 C

O

OEt + :B R CH C

O

OEt_ :: *

*R CH C

O

OEt

::_

(1) (2)

De las dos formas resonantes dibujadas para representar el anión enolato, (2) es la que más se aproxima a la estructura electrónica de la molécula, ya que la carga está situada sobre el oxígeno, un átomo más electronegativo que el carbono.

VIII

Page 214: LIBRO1 (0-675).pdf

201

Sin embargo, con el fin de simplificar los dibujos, utilizaremos normalmente la estructura (1) para escribir los mecanismos de reacción. Mecanismo simplificado:

[ácido]1 [base]2

R CH2 C

O

OEt + :B

[ácido]2[base]1

R CH C

O

OEt + H_B_ ::

+

+ EtO_

-cetoésterβ

R CH

CO2Et

_C

CH2R

O

OEt[adición]

R CH

CO2Et

C

CH2R

O

OEt

_

[eliminación]R CH

CO2Et

C CH2R

O

Él mecanismo completo de la reacción es el siguiente: Formación del anión enolato:

Keq = 10-6CH3_CO2Et + EtO CH2

_CO2Et + EtOH_ _

[ácido]1 [ácido]2[base]1[base]2

pKa 23 pKa 17 Adición del enolato (nucleófilo) al grupo carbonilo de otra molécula de éster, eliminación de un anión alcóxido y formación del β-cetoéster:

Keq = 1+ EtO__

C

CH3

O

OEt[adición]

CH2EtO2C C

CH3

O

OEt

_

[eliminación]CH2EtO2C C CH3

O

EtO2C CH2

Formación del enolato del β-cetoéster por reacción con la base. Este último paso es crucial, porque de todos los equilibrios es el único que está desplazado hacia la derecha:

[base]2

Keq = 106

pKa 11

_

[ácido]1 [base]1

pKa 17

+ EtO_

CH2EtO2C C CH3

O

CHEtO2C C CH3

O

+ EtOH

[ácido]2

Para recuperar el éster se añade un ácido fuerte a la mezcla de reacción:

+_CHEtO2C C CH3

O

+ H3O CH2EtO2C C CH3

O

+ H2O

[base]1 [ácido]2 [ácido]1 [base]2pKa -1,7 pKa 11

Keq = 5 x 1012

La formación del enolato del β-cetoéster determina el rendimiento global de la secuencia de reacciones. Si el éster empleado en la reacción tiene únicamente un átomo de hidrógeno en el carbonio α, no se puede formar el enolato final y la condensación de Claisen sólo tiene lugar si se utilizan bases muy fuertes:

VIII

Page 215: LIBRO1 (0-675).pdf

202

[un sólo Hα]

x no hay reacciónCH3 CH

CH3

CO2Et

Para aumentar el rendimiento de la reacción se puede eliminar el alcohol según se va formando, ya que el equilibrio se desplaza entonces a la derecha.

CH3_CO2Et

1)EtO-Na+ ; EtOH

2)AcOH ; H2OCH3

_CO_CH2_CO2Et + EtOH

(75 %)

CH3_CO2CH2CHMe2

1)i-BuO-Na+ ; i-BuOH2)AcOH ; H2O

CH3_CO_CH2

_CO2CHMe2 + Me2CHCH2OH

Acetato de isobutilo (71 %)

CH3_(CH2)4_CO2Et

1)EtO-Na+ ; EtOH

2)AcOH ; H2O(80 %)

3-Oxooctanoato de etilo

CH3 (CH2)4 CO CHCO2Et

(CH2)3 CH3 + EtOH

Existe una forma alternativa de mejorar el rendimiento de la condensación de Claisen. Consiste en utilizar bases muy fuertes, de modo que el primer paso de la reacción (la formación del enolato del éster) sea prácticamente irreversible.

+Na NH2 NCHMe2

CHMe2

_

Li_ _

Hidruro sódico Amiduro sódico Diisopropilamiduro de litio (LDA)

Na H+ +

El amiduro sódico se obtiene por reacción entre sodio metálico y amoniaco líquido (no amoniaco disuelto en agua):

2 NH3(liq.) + Na 2 Na NH2 + H2

-330C + _

El diisopropilamiduro de litio se sintetiza a partir de n-butil-litio (ver p. 22):

LiCH3CH2CH2CH2_Li + H N

CHMe2

CHMe2

+N

CHMe2

CHMe2

_

+ CH3CH2CH2CH3

(LDA) Empleando cualquiera de estas bases la constante de equilibrio del primer paso es mucho mayor que uno:

CH3_CO2Et + Na H

Hidruro sódicopKa 23

CH2_CO2Et + H2

_

pKa 35

Keq = 1012+ _

VIII

Page 216: LIBRO1 (0-675).pdf

203

CH3

_CO2Et + Na+ NH2

Amiduro sódicopKa 23

CH2-CO2Et + NH3

_

pKa 35

Keq = 1012_

CH3_CO2Et +

pKa 23

CH2_CO2Et +

_

pKa 36

Keq = 1013+Li NCHMe2

CHMe2

_

NCHMe2

CHMe2

H

Diisopropilamiduro de litio (LDA)

El diisopropilamiduro de litio (LDA) tiene la ventaja añadida de ser muy poco nucleófilo; debido a su gran volumen no reacciona con el átomo de carbono del C=O, más impedido estéricamente que los hidrógenos del Cα. Además, permite realizar la condensación de Claisen con ésteres que tienen un sólo átomo de hidrógeno en el carbono α:

[un sólo Hα]

LDA sí hay reacciónCH3 CHCH3

CO2Et

Las reacciones de condensación entre dos ésteres diferentes que tengan hidrógenos en α (condensaciones mixtas) dan lugar a mezclas de los cuatro β-cetoésteres posibles:

R_CH2_CO2Et + R'_CH2

_CO2Et

:B_

R CH2 CO

CHR

CO2Et + R' CH2 CO

CHR'

CO2Et + R CH2 CO

CHR'

CO2Et + R' CH2 CO

CHR

CO2Et

CH2 CO

OEt + :B R CH CO

OEt + H_B_ ::

+

_ R CHCO2Et

CO

CH2 + EtO_

-cetoésterβ

R CHCO2Et

CO

CH2R

OEt

Escribe el mecanismo simplificado de las reacciones que tienen lugar cuando se mezclan antidades equimole-culares de acetato de etilo y fenilacetato de etilo con etóxido sódico en etanol.

Mecanismo simplificado:

EJERCICIO 8.8

R

R

Las condensaciones mixtas son útiles en síntesis cuando uno de los ésteres carece de hidrógenos en α:

Formiato Carbonato Oxalato Benzoato

H CO

OR RO CO

OR RO CO

CO

OR CO

OR

VIII

Page 217: LIBRO1 (0-675).pdf

204

Para minimizar la autocondensación del éster que sí tiene hidrógenos en α, se mezclan primero la base y el éster que no tiene hidrógenos en α y a continuación se añade lentamente el otro éster. Estos son algunos ejemplos de condensaciones mixtas con un éster sin hidrógenos en α:

Oxalato de dietilo Propanoato de etilo 3-Metil-2-oxobutanodioato de dietilo

(70 %)

α

EtO CO

CO

OEt + CH3CH2CO2Et1)EtONa ; EtOH

2)AcOH ; H2OEtO2C C

OCHCH3

CO2Et + EtOH

3-Fenil-2-metil-3-oxopropanoato de etilo

(56 %)

α

C6H5 CO

OMe +

Benzoato de metilo Propanoato de etilo

CH3CH2CO2Et1)NaH ; C6H6

2)AcOH ; H2OC6H5 C

OCHCH3

CO2Et + MeOH

H_CO2Et + C6H5_CH2

_CO2Et1)EtONa ; EtOH

2)H3O+

Formiatode etilo

Fenilacetato de etilo 2-Fenil-2-formilacetato de etilo

(90 %)

α

C6H5 CHCO2Et

CHO

En las condensaciones mixtas se puede utilizar LDA para preparar el enolato del éster (reacción totalmente desplazada a la derecha Keq >> 1) y a continuación añadir un cloruro de ácido:

3-Oxopentanoato de etilo(60 %)

CH3_CO2Et

2) CH3CH2COClCH3CH2 C

OCH2

1) LDACO2Et

CH3_CO2Et

LDATetrahidrofurano

; -780C

_

Keq = 1013H2C C

O

OEt

Li +

EtO C

O

CH2

_

CEt

O

Cl[adición]

EtO C

O

CH2 C

O

Et

Cl

_[eliminación]

CH3CH2 CO

CH2 CO2Et

EJERCICIO 8.9Escribe el mecanismo simplificado de las reacciones que aparecen a continuación, empleando la estructura resonante del enolato que tiene la carga en el átomo de oxígeno.

1. C6H5_CH2

_CO2Et + H_CO2Et1)EtO

_

2)H3O+A2.

Na+ NH2_

NH3 (liq.)EtO C

OOEtCH3 CH

CH3

CO2Et

3.LDA

BCH3COClC6H5 CH

CH3

CO2Et

VIII

Page 218: LIBRO1 (0-675).pdf

205

ESTRATEGIA PARA LA SÍNTESIS DE β-CETOÉSTERES

esta parte de la molécula proviene del ataque nucleófilo al grupo C=Oen el éster RCH2CO2Et o en el cloruro de ácido RCH2COCl

esta parte de la molécula proviene del enolato del éster R'CH2CO2Et

RCH2 CO CH CO2EtR'

EJERCICIO RESUELTO¿A partir de qué compuestos se puede sintetizar el 4-Fenil-2-metil-3-oxobutanoato de etilo?

RESPUESTA

resto acilo en el fenilacetato de etiloo en el cloruro del ácido fenilacético

enolato del propanoato de etilo

C6H5CH2CO CHCH3

CO2Et

Alternativa 1: propanoato de etilo + fenilacetato de etilo

CH3CH2_CO2Et

NaHCH3CH_CO2Et

_

CH3 CH

CO2Et

_C

O

OEt

CH2C6H5

CH2 C

O

CH CO2Et

CH3

Alternativa 2: propanoato de etilo + cloruro del ácido fenilacético

C6H5

LDACH3 CH C

O

OEt

_Li+

CH3CH2_CO2Et

O C

CHCH3

_OEt

C

O

CH2C6H5

Cl CH3 CHCO2Et

CO CH2 + Cl_

C6H5

Los β-cetoésteres, como cualquier éster, se hidrolizan en medio ácido dando lugar a β-cetoácidos:

C6H5_CO_CH2

_CO2Et C6H5_CO_CH2

_CO2HH3O+

β

β−cetoácido

VIII

Page 219: LIBRO1 (0-675).pdf

206

Los β-cetoácidos se descarboxilan (pierden CO2) fácilmente por calefacción:

CCH2

C

OH

O

C6H5

β-cetoácido

QC

C6H5

OH

CH2

+ O=C=O (CO2)

forma enólica de una cetona

O

Las cetonas están en equilibrio con sus correspondientes formas enólicas (ver detalles en Tema 9, p. 229):

enol

C6H5 C

O

CH2

H

C6H5 C

O

CH3

cetona Estas dos reacciones (hidrólisis del β-cetoéster y descarboxilación del β-cetoácido) permiten sintetizar cetonas a partir de β-cetoésteres:

C6H5_CH2

_CO2Et1)LDA

2)CH3CO2Etβ-cetoéster

H3O+

β-cetoácido

Q

-CO2C6H5

_CH2_CO_CH3

Bencil metil cetonaC6H5 CH

CO2EtCO CH3 C6H5 CH

CO2HCO CH3

REACCIÓN DE CLAISEN Los átomos de hidrógeno unidos al carbono α de las cetonas son algo más ácidos (pKa 19) que los de un éster (pKa 23) Este hecho permite realizar condensaciones mixtas empleando como nucleófilo el enolato de una cetona; el resultado de la reacción son 1,3-dicetonas:

1)NaH ; Et2O2)H3O+

CH3_CO_CH3 CH3

_CO_

2,4-Pentanodiona

(85 %)

CH2_CO_CH3CH3

_CO2Et +

CH3 CO CH3 + NaH CH3 C

O

CH2

_CH3 C

O

CH2

_

Na+ + 1/2 H2

CH3 C

O

CH2

_C

O

CH3

OEt[adición]

CH3 C

O

CH2 C

CH3

OEt

O_

[eliminación]CH3 CO CH2 CO CH3 + EtO

_

OH

α

+ H__CO2Et1)EtONa ; EtOH

2)H3O+

CHO

2-Formilciclohexanona

(59 %)

O

VIII

Page 220: LIBRO1 (0-675).pdf

207

O

H1)NaH ; Et2O

2)H3O+

OCO2Et

(2-Oxocicloheptano)- carboxilato de etilo

(91-94 %)

Carbonatode dietilo

α

EtO CO

OEt+

Los γ- o δ-cetoésteres dan lugar a reacciones de Claisen intramoleculares en las que el enolato de la cetona reacciona con el grupo carbonilo del éster, originando 1,3-dicetonas cíclicas con cinco o seis eslabones:

CH3CH2_CO_CH2CH2

_CO2Et

α

γ

1)NaOMe ; MeOH

2)H3O+

Me

2-Metil-1,3-ciclopentanodiona

(70-71 %)

OO

O

Me

O O

MeOEt

OO

Me

OEtO

MeOEt

O

α

MeO_

_

_

+ EtO_[eliminación][adición]

O

α

δ

CH3CH2_CO_CH2CH2CH2

_CO2Et1)NaH ; Et2O

2)H3O+ O OMe

2-Metil-1,3-ciclohexanodiona

ENOLATOS TERMODINÁMICOS Y ENOLATOS CINÉTICOS Las cetonas que tienen dos tipos diferentes de hidrógenos en alfa pueden dar lugar a dos clases distintas de aniones enolato, dependiendo de cuál sea el hidrógeno extraído por la base. (ver detalles en Tema 9, p. 232) Cuando la base elimina el hidrógeno unido al carbono más sustituido, se obtiene el enolato más estable, ya que su doble enlace es también el más sustituido. Por el contrario, si la base extrae el hidrógeno del carbono menos sustituido se forma el enolato con el doble enlace también menos sustituido, es decir, el menos estable. Al enolato más estable se le llama enolato termodinámico y al menos estable enolato cinético.

enolato con el doble enlace menos sustituido / menos estable

enolato cinético

enolato con el doble enlace más sustituido / más estable

enolato termodinámico+ B_

α1α2

α2

α1

CH3 CO

CHCH3

CH3

CH3 CO

CCH3

CH3_ CH3 CO

CCH3

CH3

_

+ HB

CH2 CO

CHCH3

CH3

_CH2 C

OCHCH3

CH3

_

+ HB

VIII

Page 221: LIBRO1 (0-675).pdf

208

El enolato termodinámico es el mayoritario cuando se deja que la reacción alcance el equilibrio (temperatura alta y bases moderadamente fuertes) El enolato cinético se forma más rápidamente que el termodinámico (menor impedimento estéreo), y es el mayoritario si los productos se aíslan antes que la reacción alcance el equilibrio, la temperatura es baja y la base muy fuerte e impedida estéricamente (LDA). El siguiente ejemplo es una reacción sometida a control cinético (se forma el enolato menos sustituido a partir del Hα del grupo metilo de la cetona, no del Hα del grupo isopropilo):

3-Metil-2-butanona

CH3 CO

CHCH3

CH3 + CH3 CHCH3

CO2Et

Isobutirato de etilo

LDA

2,6-Dimetil-3,5-heptanodiona

(70 %)

CH3 CHCH3

CO CH2 CO CHCH3

CH3

REACCIÓN DE DIECKMANN La reacción de Dieckmann es una condensación de Claisen intramolecular que tiene lugar cuando un diéster reacciona consigo mismo, originando β-cetoésteres cíclicos con anillos de cinco a siete eslabones.

O

CO2Et

2-Oxociclopentanocarboxilato de etilo

(86 %)

EtO CO

(CH2)4 CO

OEt

Hexanodioato de dietilo

1)KH ; Et2O

2)H3O+

Mecanismo de la reacción:

CO2Et

OEtO

CO2Et

_

α

OKH

CO2Et

OEt

O

_[adición] OEt

O

CO2EtOEt

_ + EtOHOEt

_

[eliminación]

CO2Et

O

H

O

CO2Et

_

O

CO2Et

_

00 C

CH3CO2H (10 %)O

CO2Et

H

enol

O

CO2Et

Puede suceder que el diéster sometido a la reacción de Dieckmann tenga dos tipos diferentes de Hα:

α α

EtO2C CHCH3

CH2CH2CH2 CH2 CO2Et

VIII

Page 222: LIBRO1 (0-675).pdf

En un caso así, con independencia del tipo de base utilizada, siempre se forma el enolato correspondiente al carbono menos sustituido:

209

C__OEtMe

EtO_

Me O

CO2Et

2-Etoxicarbonil-6-metil-ciclohexanona

CO2Et_C

HC CO2Et

OOEt

MeO

EtO_

_

O

CO2Et

2-Etoxicarbonil-2-metil-

Me

XCHC CO2Et

Me

OOEt C

C CO2Et

Me

OOEt

EJERCICIO 8.10Escribe el meca e las e Dieckmann:

Reacción 1:

ciclohexanona (no se forma)

Este resultado puede deberse a las interacciones estéricas entre los sustituyentes situados en enlaces axiales en el estado de transición del anión enolato.

Reacción 3:

N

Reacción 2:

nismo simplificado d

MeO2C

MeO2C

siguientes reacciones d

EtO_

+ CO2

(68 %)

MeMe

O

H

H CO2Et

CH2_CO2Et

Me

Me

(60 %)

CH2CH2 CO2

MeOH

Me

CH CH2CH2

CH

CO2Me

CO2Et

(CH2)4__CO2Et

1)EtO_

2)H3O+ N

MeO

O

(

2C

O

O

CO2Me

27 %)

EtOHA

H3O+

MeONa

VIII

Page 223: LIBRO1 (0-675).pdf

VIII

210

REACCIONES DE SUSTITUCIÓN NUCLEÓFILA EN UN CARBONO NO SATURADO

RCH2_CO_Cl

LiAlH(t-BuO)3R'OH

H_OHSOCl2

RCH2_COOH

H_OHRCH2COCl

RCH2_CO_O_COCH2R

H_OH/H+

R'NH2

R'NH2

RCH2_CO_OR'

R'OH

HO /H2O

R'OH

MeCOCH2_CO_CH2R

1):B

2)MeCOMe

RCH2_CO_NHR'

RCH2_CHO

1)LiAlH(OEt)32)H+/ H2O

RCH2_CO_R'

R'Li

RCH2 COCO2R'

CHR :B

_

Page 224: LIBRO1 (0-675).pdf

VIII

211

EJERCICIOS ADICIONALES

8.1 Averigua la estructura de los compuestos que aparecen en las siguientes secuencias de reacciones. Secuencia 1:

Me OH

OCH2N2 A(C3H6O2)

C2H5NH2 B(C4H9ON)HLiAl(OEt)3 C(C2H4O)

Me

Secuencia 2:

OH

O

PCl3 AMe CO2H C6H5 NH2B(C6H10O3)

H3O+

H2O

D(C3H6O2) + E(C7H9N)C(C10H13ON)

H5

Secuencia 3:

C6 Cl

OH

H3O+

2OA

C6H5LiB

O

Secuencia 4:

ONH3

H2OA(C5H11O2N)

H3O+

H2OB(C5H10O3)

H3O+

H2OC(

C6H5

C5H8O2)

Secuencia 5:

O C6H5

O OC6H5 OH

A(C14H12O2)MeNH2 B(C8H9ON)

H3O+

H2OC(C7H6O2)

Me LiD(C11H14O)

Page 225: LIBRO1 (0-675).pdf

VIII

212 8.2 Completa las reacciones siguientes, escribiendo la fórmula de los compuestos que intervienen y, en los casos no indicados, diciendo los reactivos necesarios para efectuar cada transformación.

CH3 CH COCH3

CO2Et 1)

2)CH3 CH2 CO2Et

1)LDA

2)ICH3

+H3O

NH3 CH3 CH CONH2

CH3

+H3O

CH3Li

1)

2)CH3 CH CO

CH3

CH2 CO CH3

1)

Q

1)HO_

+2)H3O

CH3CH2CO2H

CH3 CH2 CO O CO CH2 CH3CH3NH2

CH3 CH2 CHO

CH3 CH CHOCH3

HO (dil.)_

+2)H3O

Page 226: LIBRO1 (0-675).pdf

213

8.3 Escribe un mecanismo razonable para las siguientes reacciones:

CO2Et

+ Cl CO

OEt

Cloroformiato de etilo

H2O

CO2Et

OOO OH OEt

ONH3

H2O

CO2Et

O NH2

8.4 Averigua la estructura de los compuestos que aparecen en las siguientes secuencias de reacciones. Secuencia 1:

C6H5 Me

O

H CO2Et

1)HNa

2)A(C9H8O2)

Secuencia 2:

C6H5 Me

O1)HNa

2)OEt

OEtO

A(C11H12O3)

Secuencia 3:

C6H5 Me

O

A(C12H12O4)1)HNa

2)EtO2C_CO2Et Secuencia 4:

C6H5 Me

O1)HNa

2)C6H5CO2EtA(C15H12O2)

8.5 Averigua la estructura de los compuestos que aparecen en las siguientes secuencias de reacciones. Secuencia 1:

CH3CO2EtMe

COCl2)

1)LDAA(C8H14O3)

H3O+

QB(C5H10O)

Secuencia 2:

CH3CH2CH2CO2EtCH3COCl

1)LDA

2)A(C8H14O3)

H3O+

QB(C5H10O)

Secuencia 3:

CH3CO2Et1)LDA

2)Me COClA(C9H16O3)

H3O+

QB(C6H12O)

VIII

Page 227: LIBRO1 (0-675).pdf

214

Secuencia 4:

CH3CH2CH2CO2EtCH3CH2COCl

1)LDA

2)A(C9H16O3)

H3O+

Q B(C6H12O)

8.6 Averigua la estructura de los compuestos que aparecen en las siguientes secuencias de reacciones. Secuencia 1:

Me Me

O1)HNa

2)CH3CO2EtA(C5H8O2)

Secuencia 2:

1)HNa

2)Me Me

O

CH3CH2CO2EtA(C6H10O2)

Secuencia 3:

C6H5 Me

O

C6H5CO2Et

1)HNa

2)A(C15H12O2)

Secuencia 4:

C6H5

OMe

1)HNa

2)C6H5CO2EtA(C16H14O2)

Secuencia 5:

C6H5 Me

O1)HNa

2)C6H5CH2CO2EtA(C16H14O2)

Secuencia 6:

C6H5

OMe

1)HNa

2)C6H5CH2CO2EtA(C17H16O2)

8.7 Averigua la estructura de los compuestos que aparecen en las siguientes secuencias de reacciones. Secuencia 1:

A(C8H8O) + B(C9H10O2)EtO

_

C6H5 C6H5

O O

Secuencia 2:

2 A(C10H12O2)EtO

_

C6H5 CO2EtO

C6H5

VIII

Page 228: LIBRO1 (0-675).pdf

215

Secuencia 3:

C6H5 CO2Et+EtO

_

A(C5H10O3) C6H5

CO2Et

CO2Et Secuencia 4:

MeO

+ A(C3H6O2)EtO

_ MeO

CHO

VIII

Page 229: LIBRO1 (0-675).pdf

9. REACCIONES DE SUSTITUCIÓN NUCLEÓFILA EN UN CARBONO SATURADO

GENERALIDADES Los métodos más usados en el estudio de los mecanismos de este tipo de reacciones son los cinéticos (medida de las velocidades de reacción) y los estereoquímicos. Los estudios cinéticos muestran el tiempo que tarda la reacción en transcurrir y los estereoquímicos la relación que existe entre las configuraciones de las sustancias reaccionantes y los productos. La combinación de ambos tipos de información puede dar una idea detallada de cómo el reactivo y el sustrato interaccionan durante la reacción:

__CH2

____Z

R

Nu___CH2__R + Z:Nu

Los reactivos nucleófilos (Nu) son especies que tienen un par de electrones no compartido (bases de Lewis):

NC , RO , HO , Br , C6H5O , R-CO2 , R_OH , H2O: , R3N:_ _ _ _ _ _

Los sustratos (R-Z) más comunes en las reacciones de sustitución nucleófila son los derivados halogenados (R-X; X=Cl, Br, I)

R_X + Nu: R_Nu+ + X_

R_X + Nu R_Nu + X__

Por ejemplo:

+ ICH2 CH CH2I + CN_

CH2 CH CH2 CN_

CH3CH2Cl + :NH3 CH3CH2NH3 + Cl

+CH3CH2NH2

+ Cl + H2OHO__ _

MECANISMO DE LAS REACCIONES DE SUSTITUCIÓN NUCLEÓFILA En general, estas reacciones transcurren mediante dos tipos de mecanismos distintos. 1. El proceso transcurre en un solo paso, de una manera concertada, de forma que la ruptura del enlace R-Z es simultánea a la formación del enlace R-Nu; la cinética de estas reacciones es de primer orden respecto del sustrato y del nucleófilo, es decir, de segundo orden total. Durante la reacción, dos moléculas experimentan cambio de valencia, por consiguiente, se trata de una reacción bimolecular y se representa por SN2. La reacción pasa por un estado de transición intermedio en el que ambos grupos, entrante y saliente, están unidos al mismo átomo de carbono:

v = k2 [CH3Br][HO ]HO + CH3_Br

_ SN2[HO...CH3...Br]

δ− δ−

HO_CH3 + Br_ _

IX

Page 230: LIBRO1 (0-675).pdf

217

2. El proceso transcurre en dos pasos: en el primero se produce la ionización de R-Z y se libera el catión carbonio R+

que, en la segunda fase, se une al nucleófilo:

v = k1 [R_X]R_Z lenta [R....Z]δ+ δ−

R+ + Z_

R+ + Nu_ rápida [R....Nu]

δ+ δ−

R_Nu La velocidad y la naturaleza de los productos quedan determinadas en fases diferentes: la fase determinante de la velocidad es la primera, que es relativamente lenta, pues supone la ionización de un compuesto covalente; su estado de transición será el punto de máximo contenido energético en el progresivo debilitamiento del enlace entre R y Z, y por ello, se considera el estado de transición del proceso total. La segunda fase fija la naturaleza de los productos y es rápida, ya que supone la neutralización de un carbocatión. Como en la fase limitante de la velocidad sólo una molécula experimenta cambio de valencia, la reacción se llama unimolecular y se representa por SN1. Por ejemplo:

v = k1[t-BuBr]CH3 C

CH3

CH3

Br + HO_ SN1

CH3 C

CH3

CH3

OH + Br_

ESTEREOQUÍMICA DE LAS REACCIONES DE SUSTITUCIÓN Las reacciones de sustitución nucleófila bimoleculares SN2 tienen lugar con una inversión completa de la geometría del sustrato:

Cl

Me

EtH

HO

Me

EtH

+ Cl

Me

Et Cl

H

Me

HO Et

H

2 2HO

_ _

(2R) (2S)

2 2

Si la reacción se lleva a cabo en un compuesto con dos átomos de carbono asimétricos, el proceso de inversión conduce a un diastereoisómero del sustrato:

1

(1R,3S) (1S,3S)NC

Br_ _Me

(cis)

13

2

4 5

_

Me

(trans)

3

Br

H

C3(CCH)(CHH)C4

H

CN

C3(CCH)(CHH)C4

Br

HH H

H

CN

La inversión de la configuración en las reacciones de sustitución nucleófila se denomina frecuentemente Inversión de Walden, debido a su descubridor.

IX

Page 231: LIBRO1 (0-675).pdf

218

El que una reacción SN2 transcurra con inversión de la configuración, no significa necesariamente que cuando tiene lugar una inversión de la configuración el proceso transcurra mediante un mecanismo SN2. Esto lleva a suponer que el estado de transición de una reacción SN2 tiene la forma de bipirámide trigonal, con los grupos entrante (Nu) y saliente (Z) ocupando los extremos del eje principal de la bipirámide:

Z

R1

R3

R2

+ Z..... .....Nu ZC

R3

Nu_ _

R2

R1

Nu

R1

R3

R2

El hecho de que la inversión de la configuración acompañe necesariamente a las reacciones SN2, es debido a que este tipo de reacciones son concertadas. Las reacciones de sustitución nucleófila monomoleculares SN1 transcurren en dos etapas:

C6H5 CH

Cl

CH3 C6H5 CH CH3+

+ Cl_

C6H5 CH CH3+

+ H2O C6H5 CH CH3

OH2+

H2OC6H5 CH CH3

OH+ H3O+

Si el producto de partida es ópticamente activo, el producto final es un racémico:

+

Cl

MeC6H5H

MeC6H5

H

1

2

Me

C6H5

H

1

2

OH

C6H5 Me

H

(1S)

HO

Cl_ H_OH

Me

C6H5H

HO OH

C6H5 Me

H

(1R)(1R)

Cuando el sustrato tiene varios átomos de carbono asimétricos, el producto formado será una mezcla de diastereoisómeros.

El tratamiento del (2R)2-Yodooctano con anión yoduro radioactivo produce [(2R) + (2S)] 2-Yodooctano radio-activo. La velocidad de racemización es el doble que la de incorporación de iodo radioactivo. Explica mediante qué tipo de mecanismo transcurre la reacción.

EJERCICIO 9.1

IX

Page 232: LIBRO1 (0-675).pdf

219

REACCIONES DE TRANSPOSICIÓN CARBOCATIONES

En las reacciones SN1 pueden tener lugar transposiciones de Wagner-Meerwein en el catión carbonio intermedio:

CH3 CCH3

CH3

CH2 Brlenta

CH3 CCH3

CH3

CH2+

+ Br_

rápida

2-Metil-2-butanol

CH3 C

Me

MeCH2 CH3 C

MeCH2

Me

+

+ H_OH CH3 COH

MeCH2 Me

El carbocatión formado inicialmente es primario, menos estable que uno terciario; la emigración (transposición) de un grupo metilo permite que se origine el carbocatión más estable. Este carbocatión reacciona posteriormente con agua para dar un alcohol con un esqueleto carbonado isómero del que poseía el sustrato inicial. Puesto que un carbocatión saturado es tanto más estable cuanto mayor número de grupos alquilo están unidos a él, el orden de reactividad será: terciarios > secundarios > primarios.

R_Z R+ + Z (en H-CO2H a 1000 C)

CH3CH2 + Br v = 1,00

v = 26,1

+

v = 108

_

_

CH3CHCH3

CH3CHCH3

++ Br

_Br

CH3CH2 Br

CH3C

CH3

CH3

Br CH3C

CH3

CH3

+ + Br_

Velocidades relativas de reacciones SN1

IMPEDIMENTO ESTÉREO DE LOS SUSTITUYENTES EN EL ESTADO DE TRANSICIÓN En las reacciones SN1 el carbocatión intermedio plano contiene un carbono unido a tres radicales, mientras que el sustrato posee un carbono tetraédrico. En el estado de transición entre ambos, los sustituyentes unidos a dicho carbono están menos comprimidos unos contra otros; por consiguiente, el paso del sustrato al estado de transición está energéticamente favorecido, y lo estará tanto más cuanto más voluminosos sean los sustituyentes del carbocatión. Como el hidrógeno es muy poco voluminoso, el proceso será tanto más fácil cuanto mayor sea el volumen de los sustituyentes unidos al carbono que da origen al carbocatión. Es decir: terciario > secundario > primario.

IX

Page 233: LIBRO1 (0-675).pdf

220

estado de transición favorecido energéticamente(grupos menos comprimidos)

(SN1)δ+ δ−

Z

RH

R

C Z

RH

R

RH

R

+ + Z_

Por el contrario, en las reacciones SN2, el carbono en el que tiene lugar la sustitución está unido a cinco átomos, mientras que el sustrato lo está a cuatro. En el estado de transición la aglomeración crece y la velocidad de reacción debe disminuir cuando aumenta el tamaño de los sustituyentes unidos al carbono en el que ocurre la sustitución:

Z

R

RR

+ Z..... .....Nu ZC

R

Nu_ _

R

R

Nu

R

RR

estado de transición desfavorecido energéticamente (grupos más comprimidos)

(SN2)δ− δ−

R_Br + IK R_I + BrK (en acetona a 250C)

CH3_Br CH3CH2

_Br

12.500.000 85.000 650 50

CH3CH2_Br

85.000

CH3CH2CH2_Br

70.000 3.000 1

Velocidades relativas de reacciones SN2

CH3 CHCH3

Br CH3 CCH3

BrCH3

CH3 CHCH3

CH2 Br CH3 CCH3

CH2 BrCH3

APLICACIONES DE LAS REACCIONES DE SUSTITUCIÓN NUCLEÓFILA EN SÍNTESIS

FORMACIÓN DE ENLACES C-O

SÍNTESIS DE ALCOHOLES, ÉTERES Y ÉSTERES Las reacciones de solvolisis (el nucleófilo es el disolvente) transcurren a través de un mecanismo SN1:

(1)

2-Propanol

CH3 CHCH3

Br + H_OH QSN1

CH3 CHCH3

OH + HBr

IX

Page 234: LIBRO1 (0-675).pdf

221

(CH3)3C_O_CH2CH3 + (2)

N+H

Cl_

terc-Butil etil éter

CH3CH2_OH + (CH3)3C_Cl N

SN1

(3)

Acetato de butilo

CH3 CO

OH CH3(CH2)3_Br+Q

SN1CH3 C

OO +(CH2)3 CH3 HBr

Si se emplea agua como disolvente (1) el producto obtenido es un alcohol; si el disolvente es un alcohol (etanol en el ejemplo) (2) se llega a un éter y cuando se trata de un ácido (acético en el ejemplo) (3) el producto final es un éster. En la etanolisis del cloruro de t-butilo se añade al medio de reacción piridina (una amina, básica) con el fin de eliminar el HCl que se desprende y desplazar el equilibrio en el sentido de la formación del éter. Otro método consiste en utilizar oxianiones como reactivos nucleófilos; este procedimiento se utiliza con preferencia al anterior y transcurre mediante un mecanismo SN2:

2-Propanol

Na+HO + + NaBr_

CH3 CHCH3

BrH2O

C2H5OHCH3 CH

CH3

OH

(CH3)3CO K+ + CH3CH2_Br

C6H6 (CH3)3C_O_CH2CH3 + BrK

terc-Butil etil éter

_

Na+ +C2H5OH

+ BrNa_

Butanoato de butilo

CH3CH2CH2 CO

O CH3(CH2)3_Br CH3CH2CH2 CO

O (CH2)3 CH3

La reacción de un estereoisómero ópticamente activo del 1,3-Dibromociclohexano con NaOH transcurre a través de un mecanismo SN2 y da lugar a (1S,3S) 1,3-Ciclohexanodiol. Dibuja una representación tridimensional del 1,3-Dibromociclohexano de partida.

EJERCICIO 9.2

La reacción SN2 se puede utilizar para provocar la inversión de la configuración en un determinado centro asimétrico:

HCONMe2

CH3

BrH

H

SN2CH3CO2

_CH3

HO

HOCH3C

H2OHO

_CH3

HHO

H

+ CH3CO2_

La ventaja fundamental de las reacciones SN2 frente a las SN1 (cuando ambas se emplean con fines sintéticos) es que en los procesos SN1 tienen lugar con cierta frecuencia transposiciones moleculares que dan lugar a mezclas de productos:

IX

Page 235: LIBRO1 (0-675).pdf

222

1-Cloro-3-metil-2-buteno

CH3 CCH3

CH CH2Cl + H OHSN1

acetonaCH3 C

CH3CH CH2OH

3-Metil-2-buten-1-ol

+ CH3 CCH3

CH CH2OH

2-Metil-3-buten-2-ol En este caso se trata de una transposición alílica: el catión alilo formado inicialmente puede reaccionar con el nucleófilo (H2O) en dos posiciones distintas, obteniéndose dos productos de sustitución:

CH3 CCH3

CH CH2ClSN1

CH3 CCH3

CH CH2 CH3 CCH3

CH CH2+

+

La reacción del 3Fenil-1-cloro-2-buteno en acetona acuosa origina una mezcla de 3-Fenil-2-buten-1-ol y 2-Fenil-3-buten-2-ol ópticamente activo. Escribe el mecanismo de las reacciones que tienen lugar.

EJERCICIO 9.3

La competición entre las reacciones de sustitución y eliminación es un factor a tener en cuenta a la hora de idear la síntesis concreta de un compuesto. Por ejemplo, en la síntesis de éteres de Williamson, el empleo de halogenuros terciarios, junto con nucleófilos fuertes, suele dar lugar casi exclusivamente a reacciones de eliminación:

Br + CH3CH2OH

(100 %)

CH3CH2O H__CH2___C____Br

CH3

CH3Bromuro de terc-butilo

CH2 CCH3

CH3 +__

Si se recurre a una reacción de solvolisis (el alcohol como nucleófilo) entonces el haluro de etilo es muy poco reactivo y el proceso es demasiado lento para tener aplicación en síntesis:

CH3CH2Cl + (CH3)3C_OH (CH3)3C_O_CH2CH3 + HCl (muy lenta)X La única solución sería emplear un alcóxido terciario y un halogenuro primario:

CH3CH2Cl + (CH3)3C_O K+ (CH3)3C_O_CH2CH3 + KCl_

Los aniones alcóxido empleados en la síntesis de éteres se obtienen a partir del alcohol correspondiente, por reacción con un metal (Na o K) o una base muy fuerte. Explica si las siguientes reacciones son adecuadas para la síntesis de los alcóxidos que se indican.

EJERCICIO 9.4

1. CH3CH2OH + NaOH CH3CH2O Na+ + H2O

2. 2CH3OH + 2Na 2CH3O Na+ + H2

3. Me3C-OH + NH3(liq.) Me3CO NH4+

4. Me2CH-OH + Na+H Me2CHO Na+ + H2

_

_

__

IX

Page 236: LIBRO1 (0-675).pdf

223

La síntesis de Williamson también permite obtener éteres cíclicos a partir de halogenohidrinas:

Oxido de etileno(Oxirano)

HOClH2C CH2 HO CH2 CH2 Cl

K2CO3H2C CH2

O

+ Cl_

SN2

HO_CH2_CH2

_CH2_CH2

_ClO

+ H2O + NaCl

Tetrahidrofurano(95 %)

H2ONaOH,SN2

Se trata de una reacción de sustitución nucleófila intramolecular:

HO_CH2_CH2

_ClK2CO3 _

O_CH2_CH2

_Cl

_CH2 CH2

O

Cl

H2C CH2

O

+ Cl_SN2

HO_CH2_CH2

_CH2_CH2

_ClNaOHH2O

O_CH2_CH2

_CH2_CH2

_Cl_

O+ Cl

OCH2

___Cl_

_SN2

Normalmente los éteres no son suficientemente reactivos como sustratos para hidrolizarse con facilidad. Sin embargo, el óxido de etileno y sus derivados son muy reactivos debido a la tensión del anillo. Estos compuestos se hidrolizan en presencia de cualquier ácido o base. También reaccionan con nucleófilos, en ausencia de ácidos:

H R

HH

O

reacción con nucleófilos con catálisis ácida

reacción con nucleófilos sin catálisis ácida

La reacción con nucleófilos sin catálisis ácida tiene lugar en el átomo de carbono menos sustituido del oxirano. Por el contrario, la reacción con catálisis ácida ocurre en el átomo de carbono más sustituido del oxirano. Reacción catalizada por ácidos:

H2C CH2

O

H2SO4

H2OHOCH2

__CH2OH

O: : H___OH2 O:H

+ + H2O+

IX

Page 237: LIBRO1 (0-675).pdf

224

EtilenglicolO:H

+H2C_____CH2OH

+

OH2

H2C_____CH2OH

O___HH__

+OH2:

HO_CH2___CH2

_OH + H3O+

La apertura de los oxiranos no simétricos, catalizada por ácidos, tiene lugar con regioselectividad Markovnikov. En este sentido, la reacción es parecida a una S 1, en la que el carbocatión incipiente más estable reacciona con el nucleófilo antes de que tenga lugar su rotación interna:

N

Et Me

HMeO

H2O

H+ OH

H2O

Et

Me

Me

HEt Me

HMeO

H

+

H2O:

: +

OH

HO

Et

Me

Me

H

23

(1) (2S,3S)

3-Metil-2,3-pentanodiol

H2O::H2O

OH

H2O

Et

Me

Me

H+

(1') (2R,3R)

3-Metil-2,3-pentanodiol

Et Me

HMe

OH

+ Et Me

HMe

OH

+

OH

HO

Et

Me

Me

H

En esta reacción se obtendrá una mezcla mayoritaria de (1) y (1’), ya que la reacción transcurre preferentemente a través del carbocatión incipiente más estable (en este caso el carbocatión terciario).

Escribe el mecanismo de la siguiente reacción (el Metanol es el nucleófilo):EJERCICIO 9.5

2,2,3-Trimetiloxirano

Me CMe

CH MeR_C_O_OH

O

Me CMe

CH Me

OH2SO4, H2O

Me CMe

CH Me

3-Metil-3-metoxi-2-butanol

OH

OMe

CH3OH

El anillo de los oxiranos también se abre fácilmente con reactivos nucleófilos en ausencia de ácidos; la reacción SN2 tiene lugar sobre el carbono menos sustituido del anillo oxiranico (menor impedimento estéreo)

O

Me H

HH

MeO_

:: O

OMe

H

MeH

H::

_MeO___H HO

OMe

H

MeH

H

+ MeO_

IX

Page 238: LIBRO1 (0-675).pdf

225

Escribe el mecanismo de la siguiente reacción:

Me

Me Me

2,2,3-Trimetiloxirano

CH3O Na+_

Me COH

CH MeOMe

Me

2-Metil-3-metoxi-2-butanol

C CH

OMeOH

EJERCICIO 9.6

FORMACIÓN DE ENLACES C-X

SÍNTESIS DE HALUROS DE ALQUILO A PARTIR DE ALCOHOLES Los alcoholes reaccionan con haluros de hidrógeno dando lugar a haluros de alquilo:

R_CH2__CH2OH

HBrSN2

alcohol primarioR_CH2

__CH2Br + H2O

HBrSN1 / SN2

alcohol secundario

+ H2OR CH2 CHMe

OH R CH2 CHMe

Br

HBrSN1

alcohol terciario

+ H2OR CH2 CMe

OH R CH2 CMe

BrMe Me

Mecanismo de la reacción SN2:

R__CH2OH H____Br R__CH2OH2 + Br_

Keq = 107

pKa -9 pKa -2

+

+

Br_ R__CH2Br + H2OCH2

OH2

R

Si la reacción es SN1 pueden tener lugar transposiciones de Wagner-Meerwein:

+

3-Pentanol 2-Bromopentano

CH3CH2 CHOH

CH2CH3HBrSN1

CH3CH2 CHBr

CH2CH3

3-Bromopentano

CH3CH2 CH2 CHCH3

Br

Mecanismo de la reacción SN1:

+CH3CH2 CH

EtO

H

: H____Br CH3CH2 CHEt

OH2 +_

Br

IX

Page 239: LIBRO1 (0-675).pdf

226

+

CH3CH2 CH CH2CH3

OH2

H2O_CH3CH2 CH CHCH3

+H

transposición

_Br

_Br

CH3CH2 CH CH2CH3

Br

CH3CH2 CH2 CH CH3+

CH3CH2 CH2 CH CH3

Br

SÍNTESIS DE HALUROS DE ALQUILO A PARTIR DE TOSILATOS Otra forma de convertir un alcohol en un haluro de alquilo es a través del tosilato del alcohol (éster del ácido p-toluensulfónico)

+ HCl

(tosilato) Cloruro del ácido p-toluensulfónico

Me SO

OCl + R CH

OHR' Me S

O

OO CH

R'R

Me S_

p-toluensulfonilo

(tosilo Ts)

O

O

El tosilato se transforma en el haluro de alquilo por reacción con el anión del halógeno:

Br_

Na+MeSO

OOCH

R

R'

BrNa R CHR'

Br + Me SO

OO

_Br

_Na+MeS

O

OOCH

R

R'

BrNa R CHR'

Br + Me SO

OO

_

La reacción se escribe normalmente de forma abreviada:

Na+BrR CHOH

R' + TsCl HCl_R CH

OTsR'

_R CH

BrR' + TsO

_+ Na+

Los haluros de alquilo pueden obtenerse por tratamiento del alcohol con SOCl2, PCl3 o PCl5. La reacción se parece mucho a la síntesis de cloruros de ácido. Utiliza como ayuda aquella síntesis para escribir el mecanismo de la reacción entre el 2-Butanol y Cloruro de tionilo (en este caso, la Piridina es simplemente una base)

EJERCICIO 9.7

IX

Page 240: LIBRO1 (0-675).pdf

227

FORMACIÓN DE ENLACES C–N

SÍNTESIS DE AMINAS El amoníaco y las aminas reaccionan con los haluros a través de un mecanismo SN2:

Cl_CH2_CO2H + 2NH3 H2N_CH2

_CO2H + Cl NH4+

_

La reacción de alquilación del amoniaco y las aminas da lugar a mezclas de productos, dependiendo de la proporción relativa entre el derivado halogenado y el sustrato.

Averigua la estructura de los compuestos que aparecen en la siguiente secuencia de reacciones:EJERCICIO 9.8

HOIMe AQ

_D(C4H8) + H2O + NMe3CH3 CH

CH3

CH2IMe B IMe CNH2

La síntesis de Gabriel es un proceso especial que, en la preparación de aminas primarias, evita la aparición de productos más alquilados (aminas secundarias, terciarias y sales de amonio):

O

O

O

Anhidrido ftálico

+ NH3calor

N_H

O

O

Ftalimida

KOH

Ftalimida potásica

N K+

O

O

_

El reactivo nucleófilo es el anión ftalimido:

N

O

O

_CH2C2H5

Br N

O

O

CH2CH2CH3KOHcalor

CH3CH2CH2_NH2 +

CO2

CO2

K_

_

+

K+

N_CH2CH2CH3

O

O

KOHcalor

CO2

CO2

CH3CH2CH2_NH2 +

_

_

+K

+K

EJERCICIO 9.9Utiliza el Ejercicio 5 del Tema 1 para escribir el mecanismo de la hidrólisis en medio básico de la imida N-sus-tituida que aparece en el último pasop de la síntesis de Gabriel:

IX

Page 241: LIBRO1 (0-675).pdf

228

FORMACIÓN DE ENLACES C–C

SÍNTESIS DE NITRILOS

Un tipo de reacción muy útil es la que tiene lugar entre un halogenuro y un carbanión; los carbaniones alquilo sencillos no son satisfactorios, pero pueden emplearse muchas clases de carbaniones relativamente estables; el anión cianuro es un ejemplo:

CH3CH2CH2CH2_Br + Na+ NC CH3CH2CH2CH2

_CN + Na+Br_ _

Esta reacción (SN2) brinda un método fácil, para añadir un átomo de carbono más a una cadena carbonada:

C6H5_CH2

_Cl + Na+NC EtOH C6H5_CH2

_CN + Na+ClSN2

_ _

SN2Cl_CH2CH2CH2CH2

_Cl + 2Na+ NCacetona

NC_CH2CH2CH2_CN + 2Na+Cl

_ _

La hidrólisis de nitrilos conduce a ácidos carboxílicos; su reducción con hidruro de litio y aluminio (H4AlLi) da lugar a aminas:

C6H5_CH2

_CN

H4AlLi

C6H5_CH2

_CO2H

C6H5_CH2

_CH2_NH2

H3O+

La reacción del (R)(1-Bromoetil) metil éter con cianuro sódico conduce a (1-Cianoetil) metil éter ópticamente activo. Su configuración absoluta es la misma que la del producto de partida. Explica esta anomalía aparente.

EJERCICIO 9.10

SÍNTESIS DE ALQUINOS Los átomos de hidrógeno unidos a carbonos con triple enlace son lo suficientemente ácidos (pKa 25) para reaccionar con bases fuertes. El anión amiduro (pKa 35) es capaz de extraer este tipo de hidrógenos originando carbaniones:

+ NH3R C C H :NH2

_

Na

NH3 (liq.)R C C:

_

Estos carbaniones pueden reaccionar con derivados halogenados, dando lugar a alquinos:

R C C:_

CH2R'

X R C C CH2 R' + X_

IX

Page 242: LIBRO1 (0-675).pdf

229

SÍNTESIS DE ALCOHOLES PRIMARIOS A PARTIR DE OXIRANOS Y COMPUESTOS ORGANOMAGNÉSICOS

El magnesio reacciona con los haluros de alquilo, dando lugar a compuestos organometálicos de magnesio (magnesianos, reactivos de Grignard)

RCH2__I + Mg RCH2

__Mg__IEt2O

magnesianoreactivo de Grignard

Se trata de una reacción de oxidación-reducción en la que el magnesio cede un par de electrones al carbono unido al halógeno:

RCH2 I + Mg: RCH2 + Mg2+ + Iδ+ δ− _

(carbanión)

_

El resultado es un carbanión que puede actuar como nucleófilo en una gran variedad de reacciones. Una de ellas es la reacción con oxiranos, que conduce a alcoholes primarios con dos átomos de carbono más que el haluro de partida:

RCH2__X + Mg RCH2

__Mg__X RCH2__CH2CH2OHOEt2O

dos átomos de carbono más que RCH2X

Mecanismo de la reacción:

+ H2OH3O+

RCH2 CH2 CH2OH + Mg2+ + X_Et2O

RCH2

Mg OX O

RCH2

XMg

Diseña una síntesis de la Pentilamina, empleando Etileno como único producto orgánico.EJERCICIO 9.11

ANIONES ENOLATO COMO INTERMEDIOS DE REACCIÓN La tautomería se refiere a una interconversión entre dos estructuras que se diferencian en la posición de un átomo o grupo (isómeros constitucionales) Los compuestos con grupos carbonilo están en equilibrio con sus formas enólicas correspondientes (tautomería ceto-enólica):

(99,999 %)

CH3 CO

CH3H2O

CH2 COH

CH3

(forma enólica)

(0,001 %)

H2OCH3 C

OCH2 C

OCH3

(83 %)

CH3 C CH CO

CH3

OH

(17 %)

IX

Page 243: LIBRO1 (0-675).pdf

230

O

H

O O

HH2O

(50 %) (50 %)

OH

O OH

Me Me

H2O O O

Me Me

(5 %) (95 %)

H

La formación del enol está catalizada por bases:

Keq = 5,0 x 106H CH

CO

CO

Me

Me

HO_

pKa 9,0

H2O +

pKa 15,7

Me CO

CH CO

Me_

El anión enolato está estabilizado por deslocalización de la carga negativa:

enolato

Me C

O

CH C

O

Me_ :::

Me C

O

CH C

O

Me

::::_

Me C

O

CH C

O

Me

:::_

:

HO___H

enolenolato

Me C

O

CH C

O

Me

::::_

Me C

OH

CH C

O

Me

::

+ HO_

Reacción global:

cetona

Me CO

CH2 + HO_

enolatoMe C

O

CH C

O

Me

:::

:

:_

+ H2O

enol

Me C

OH

CH C

O

Me

::

+ HO_

CO

Me

Cuando la (2S)2-Metilciclohexanona se trata con cantidades catalíticas de NaOH se transforma en una mezcla de (2S) y (2R)2-Metilciclohexanona. Cómo puedes explicar la formación del estereoisómero R.

EJERCICIO 9.12

IX

Page 244: LIBRO1 (0-675).pdf

231

Al aumentar la fuerza de la base en relación con el pKa del compuesto carbonílico, la concentración en el equilibrio del anión enolato también aumenta:

O

H

H

+ CH3O_

OH

+ MeOH

pKa 16pKa 15,5

Keq = 0,3_

O

H

H

+ HO_

OH

+ H2O

pKa 16pKa 15,7

Keq = 0,5_

O

H

H

+ EtO_

OH

+ EtOH

pKa 16pKa 17

Keq = 10_

O

H

H

+ Me3CO_

OH

+ Me3COH

pKa 16pKa 19

Keq = 103_

O

H

H

+ Na+ H_

OH

+ H2

pKa 16pKa 35

Keq = 1019_

O

H

H

+ Na+ NH2_

OH

+ NH3

pKa 16pKa 36

Keq = 1020_

O

H

H

+

OH

pKa 16 pKa 36

Keq = 1020_

[Me2C_N_CMe2] Li

_+

(LDA)

Me2C NH

CMe2+

IX

Page 245: LIBRO1 (0-675).pdf

232

ALQUILACIÓN DE CETONAS

Los compuestos carbonílicos que no son simétricos, como es el caso de la 2-metilciclohexanona, pueden dar lugar a dos aniones enolato diferentes, dependiendo del átomo de hidrógeno extraído por la base:

OH

H

H

Me

1 2

:B :B

OHMe _

OHMe _

OMe

_O

Me

_

HH

(1) (2) La reacción de cada uno de los aniones enolato (nucleófilo) con un átomo de carbono electrófilo origina dos productos distintos:

(1)

OH

Me

_

CH2 BrR

SN2H

Me

CH2

O_

R + Br

_CH2R

Br

(2)

OMe

H

_

SN2Me

H

CH2

O

R Br+

Los aniones enolato son nucleófilos ambidentes que pueden reaccionar con un carbono electrófilo (de baja densidad electrónica) de dos formas distintas:

O

H

H

O

CH3O_

CH3OH

O

O

_

O

O

_

[nucleófilo ambidente]

IX

Page 246: LIBRO1 (0-675).pdf

233

Reacción con el átomo de carbono (C-alquilación):

O

O

_

(CH2)2CH3

CH2

O

O

CH2CH2CH2CH3

(15 %)

δ+

SN2Br

Reacción con el átomo de oxígeno (O-alquilación):

O

O

_(CH2)2CH3

CH2 O

O

CH2CH2CH2CH3

(37 %)δ+

SN2Br

En general, los electrófilos de carbono reaccionan con preferencia a través del átomo de carbono del enolato y los electrófilos de silicio lo hacen exclusivamente por el átomo de oxígeno. Este hecho permitió estudiar las condiciones experimentales más adecuadas para controlar la regioselectividad de las reacciones de alquilación en moléculas no simétricas con grupos carbonilo:

OMe Et3N, Q

Dimetilformamida

OMe

SiMe3 OMe

SiMe3

+

(22 %) (78 %)

Me3SiCl

OMe

_O

Me

_

+

OMe (MeCH)2N Li+

00C

O Li+

Me

_O Li+

Me

_

+Me3SiCl

Et3N

O_SiMe3Me

O_SiMe3Me

+

(99 %) (1 %)

_

CONTROL TERMODINÁMICO Y CONTROL CINÉTICO DE LA REACCIÓN Cuando la reacción se hace a una temperatura elevada, la 2-metilciclohexanona se transforma más rápidamente en el enolato con el doble enlace menos sustituido (menor energía de activación) El enolato más sustituido se forma más lentamente porque la energía de activación es más alta. Sin embargo, conforme pasa el tiempo, la cantidad de enolato más sustituido va aumentando mientras que el enolato menos sustituido comienza a transformarse cada vez más rápido en la cetona, ya que la energía de activación ΔG (inversa) es menor que ΔG‡ (termodinámico) Si se deja que la reacción alcance el equilibrio, la concentración del enolato más sustituido será mayor que la del enolato menos sustituido. Por el contrario, si la reacción se lleva a cabo a temperatura baja, el número de moléculas de cetona con energía suficiente para pasar la barrera que conduce al enolato más sustituido [ΔG‡ (termodinámico)] es muy pequeño, comparado con el de moléculas capaces de traspasar la barrera que da lugar al enolato menos sustituido. Ahora, el tiempo requerido para que el sistema alcance el equilibrio es comparativamente mucho mayor que a temperatura elevada. En consecuencia, el enolato mayoritario será el menos sustituido.

IX

Page 247: LIBRO1 (0-675).pdf

234

O

Me

_+ HB

enolato menos sustituido

O

Me

_+ HB

enolato más sustituido

O

Me

+ :B_

diferencia de energíaentre los dos enolatos

ΔG (cinético)

ΔG (termod.)

enolato termodinámicoenolato cinético

ΔG(inversa)

Control termodinámico: la reacción alcanza el equilibrio y el producto mayoritario es el que se obtiene a partir del enolato más estable, es decir, el que tiene el doble enlace más sustituido (1):

O

H

MeEt3N:

Et3NH+

OMe

_ CH2____X

R

OMe

CH2__R + X

_

OMe

(1)

_

SN2

Condiciones experimentales: temperatura elevada y base no muy fuerte (p.e. trietilamina)

IX

Page 248: LIBRO1 (0-675).pdf

235

Control cinético: los productos se aíslan antes que la reacción alcance el equilibrio. El producto mayoritario es el que se forma más rápidamente y proviene del anión enolato menos estable, esto es, el que tiene el doble enlace menos sustituido (2):

O

H

HO

H_ CH2

____X

R

OH

CH2__R + X

_

OH

(2)

_

Me (Me2CH)2N Li+ Me

Me

MeSN2_

Condiciones experimentales: temperatura baja y base muy fuerte e impedida estéricamente (diisopropilamiduro de litio: LDA)

Escribe el mecanismo de las reacciones que aparecen a continuación:EJERCICIO 9.13

Reacción 1:

Reacción 2:

Reacción 3:

CH2

O

00CA + B

ICH3

250C

CH2 MeO

(76 %)

+

(6 %)

OMe

CH2_C6H5

(Me2CH)2N Li+_ C6H5

C__Me

CH2CH2CH2Br

Me3CO K+_

Q

CO_Me

(90 %)

O

C_Me

CH2CH2CH2Br-600C

CQ

O

(80 %)

(Me2CH)2N Li+_

O

ALQUILACIÓN DE ÉSTERES En la condensación de Claisen (Tema 8, p. 200) se dijo que el diisopropilamiduro de litio (LDA) permite obtener el enolato de un éster de forma cuantitativa, es decir, la reacción entre el éster y la base está totalmente desplazada hacia la formación del enolato:

IX

Page 249: LIBRO1 (0-675).pdf

236

pKa 22

CH3CH2 CH2 CO

OMe + (MeCH)2N Li+_

CH3CH2 CH CO

OMe_

CH3CH2 CH CO

OMe

_Li+ + (MeCH)2NH

pKa 36

Keq = 1014

Utilizando derivados halogenados y LDA se pueden realizar reacciones de sustitución nucleófila con rendimientos muy elevados:

+ I_

2-Etilbutanoato de metilo

(92 %): :_

SN2CH3CH2 CH C

O

OMeCH2

CH3I

CH3CH2 CHCH2CH3

CO2Me

1)LDA, THF

2)CH3I

2,3-Dimetilbutanoato de etilo

(95 %)

CH3 CHCH3

CHCH3

CO2EtCH3 CHCH3

CH2 CO2Et

CH21)LDA, THF

2)CH3ICH

2-Fenilpropanoato de metilo

CO2MeCH3

CO2Me

Escribe el mecanismo de las siguientes reacciones:EJERCICIO 9.14

Reacción 1:

Reacción 2:

O

O1)LDA, THF

-780CA

H2C=CH-CH2Br

-780CB

O

O

1)LDA, THF

-780CC

HC C_CH2Br

-780CD

ALQUILACIÓN DE COMPUESTOS CON HIDRÓGENOS METILÉNICOS ÁCIDOS La presencia de ciertas funciones insaturadas como sustituyentes en un átomo de carbono saturado, tales como NO2, -CO- o -CN, provocan que los hidrógenos unidos a dicho átomo sean relativamente ácidos. En la tabla siguiente aparecen algunos ejemplos.

IX

Page 250: LIBRO1 (0-675).pdf

237

COMPUESTOS CON HIDRÓGENOS ÁCIDOS Y OTROS REACTIVOS COMUNES

4,8

9

9

10

11

11

13

19

23

25

25

5,8

9

17NC-CH2−CO2Et

CH3CO2H

H2C(CO2Me)2

CH3CH2OH

CH3−CO−CH3

H2C(CN)2

CH3−CO2Et

CH3−CN

CH3−CONH2

CH3−NO2

Compuesto pKa pKaCompuesto

CH3CO−CH2−CO2Et

H2C(CO2Et)2O2N-CH2−CO2Et

CH3−CO−CH2−CO-CH3

Todos los compuestos con metilenos activos forman aniones enolato en medio básico:

Malonato de dietilo

pKa 13 pKa 10

_ +Keq = 103EtO C

OCH2 C

OOEt + Et3N: EtO C

OCH C

OOEt + Et3NH

Acetilacetato de etilo

pKa 11.0

CH3 CO

CH2 CO

OEt + HO_

CH3 CO

CH CO

OEt_

+ H2O

pKa 15,7

Keq = 5,0 x 104

Cianoacetato de etilo

pKa 9 pKa 15,5

N C CH2 CO

OEt + MeO_

N C CH CO

OEt + MeOH_

Keq = 3 x 106

Keq = 1,6 x 1011

Nitroacetato de etilo

pKa 5,8 pKa 17

O NO

CH2 CO

OEt + EtO_

O2N CH CO

OEt + EtOH:_

+

_

ALQUILACIÓN DE β-CETOÉSTERES (SÍNTESIS ACETILACÉTICA) Los sustratos más utilizados son los siguientes: 1. Derivados halogenados alifáticos (síntesis de metil alquil cetonas y ácidos monocarboxílicos) 2. α-Halocetonas (síntesis de 1,4-dicetonas) 3. α-Haloésteres (síntesis de cetoácidos y ácidos dicarboxílicos)

IX

Page 251: LIBRO1 (0-675).pdf

238

1. SÍNTESIS DE METIL ALQUIL CETONAS Y ÁCIDOS MONOCARBOXÍLICOS

R−CO_C H R−CO_CH_CO2Et EtOH__

CO2Et

OEt

H

+

β−cetoéster

R−CO CH

CO2Et

_CH2

R'

SN2R−CO CH

CO2Et

CH2R'X

El β-cetoéster formado puede someterse a dos tipos de hidrólisis.

β-cetoéster

(CETONA)

R CO CH

CO2Et

CH2R'

R CO CH2 CH2R'base diluida o ácido diluido

base concentradaR CO2H R'−CH2CH2−CO2H+ (ÁCIDO)

1

2

1 HIDRÓLISIS CETÓNICA

HIDRÓLISIS ÁCIDA2 La hidrólisis cetónica da lugar a cetonas y se realiza con bases o ácidos fuertes diluidos en agua. La hidrólisis ácida origina ácidos carboxílicos y se lleva acabo empleando disoluciones acuosas concentradas de una base fuerte. HIDRÓLISIS CETÓNICA a) Con disoluciones diluidas de una base:

β-cetoéster

OH_

_

EtO__

β-cetoácido

R CO CHCH2R'

C

O

OEt

[adición]OHR CO CH

CH2R'C

O

OEt

[eliminación]OHR CO CH

CH2R'

CO

Como el medio de reacción es básico, el β-cetoácido se transforma en un anión carboxilato que pierde fácilmente CO2, transformándose en una cetona:

OH_ H2O_

H___OH_

enolato de la cetonaβ-cetoácido

OCH3 CO CH

CH2R

C

O

H OCH3 C CH

CH2R

C

O_

OCO2

_CH3 C CH

CH2R

O

enol de la cetona cetona

HO_ _CH3 C CH

CH2R

OH

CH3 CO

CH2CH2R

IX

Page 252: LIBRO1 (0-675).pdf

239

b) Con disoluciones diluidas de un ácido fuerte:

β-cetoácido

_H3O+

EtOHR CO CH

CH2R'CO

OEt R CO CH

CH2R'

CO2H

HO

CR

CH2R'

O

O

CO2_

enol de la cetona

cetona

R C

OH

CH

CH2R'

R CO

CH2 CH2R'

HIDRÓLISIS ÁCIDA La reacción del β-cetoéster con la disolución concentrada de una base es una retrocondensación de Claisen, es decir, el proceso contrario a la condensación de Claisen (Tema 8, p. 200)) La hidrólisis ácida da lugar a ácidos carboxílicos:

β-cetoésterHO_

[adición]

_

[eliminación]

:_

R C

O

CH

CO2Et

CH2R'

OH

R C

O

CH

CO2Et

CH2R'

R CO

OH

CH

CO2Et

CH2R' El medio de reacción es básico:

R CO

OHHOH2O

_

__

(ac. fuerte: HCl)

H3O+

R CO

O R CO

OH

: _CH

CO2Et

CH2R'HO___H HO_

R'CH2CH2 C OEt

O+ R'CH2CH2 C O

O_

+ EtOH

_

(ac. fuerte: HCl)

H3O+

CO

O R'CH2CH2 CO

OHR'CH2CH2

12 HO dil. o H3O+

HO (conc.)

2

(cetona)

(ácido monocarboxílico)

Ruptura de un β−cetoéster (hidrólisis cetónica y ácida)

CH3CO

1CH3CO_

R

CH CO2EtR

_

_Ácetilacetato de etilo alquilado (R)

CH2

CH2

R

CO2H

IX

Page 253: LIBRO1 (0-675).pdf

240

Ácetilacetato de etilo

CH3COCH2CO2Et1)EtO /EtOH

2)C4H9Br/EtOH

(69-72%)

1)NaOH

2)H3O+

(52-61%)

_

CHCO2Et

COCH3 CH2 COCH3C4H9C4H9

Estas reacciones de alquilación pueden aplicarse con éxito a la síntesis de compuestos cíclicos; en general, las velocidades relativas de cierre de anillos de diferente tamaño sigue el orden:

ciclos de 3, 5 y 6 eslabones > ciclos de 7 > ciclos de 4 = ciclos mayores de 7 = compuestos no cíclicos

CH3CO-CH-CO2Et

R

Producto principal Producto secundario

CH3COCO2Et

CH3COCO2Et

CH3CO

CO2Et

CH3CO

CO2Et

BrCH2_(CH2)_CH2Br

BrCH2_CH2Br

n = 0

R_X

n = 1

BrCH2_(CH2)2

_CH2Br

n = 2

BrCH2_(CH2)3

_CH2Br

n = 3

BrCH2_(CH2)4

_CH2Br

n = 4

BrCH2_(CH2)n

_CH2Br

CH3COCH2CO2Et

CO2EtCH3CO

EtO_

CH3CO CHCO2Et

(CH2)n+2 CHCO2Et

COCH3

CH3CO CHCO2Et

(CH2)2

CH3CO CHCO2Et

(CH3)3

CH3CO CHCO2Et

(CH2)4

CH3CO CHCO2Et

(CH2)5

CH3CO CHCO2Et

(CH2)6 CHCO2Et

COCH3

CHCO2Et

COCH3

CHCO2Et

COCH3

CHCO2Et

COCH3

CHCO2Et

COCH3

_ EtO /EtOH

1000CCH3COCH

CO2EtCH2CH2CH2CH2Br

Br _ CH2 CH2

CH2

CH2Br

HCCH3CO

CO2Et

EtO_

H2C

CCH3CO

EtO2C

_

Br

CH3CO

CO2Et

IX

Page 254: LIBRO1 (0-675).pdf

241

Sintetiza la Ciclopentil fenil cetona empleando Benzoilacetato de etilo y el derivado halogenado que creas conveniente.

EJERCICIO 9.15

2. SÍNTESIS DE 1,4–DICETONAS A PARTIR DE α–BROMOCETONAS Las α-bromocetonas se obtienen por reacción de la cetona con bromo en medio básico:

_

cetona

R CH2 CO

R' + Br2HO

R CH CO

R'Br

α−bromocetona

enolcetona

CO

R':B

R CH C

OH

R'

:

:

+ Br_

+

enolR

HCC

OH

R' Br____Br

:

R

CHC

OH

R' Br

B:_

+ H_B

::+

:

R

CHC

O

R' Br

H

Br

CHC

O

R' R

R−CH2

_

1)HO (dil)

2)H3O+

1)EtO2)R'-X

SN2CH3CO CH

CO2EtCH2

CORBr CH3CO CH

CO2EtCH2 COR

_

_

CH3CO CHCO2H

CH2 COR

CO2Et

CCH3CO

R'

COR

QCH3CO CH

CO2H

CH2 CORCO2

_CH3CO CH2 CH2 COR

CO2Et

CCH3CO

R'

CORHO (dil.)

Q

_ CO2H

CCH3CO

R'

CORCO2

_CHCH3CO

R'

COR

Los β-cetoésteres pueden utilizarse también como precursores de aniones enolato en reacciones de sustitución nucleófila de moléculas con grupos carbonilo. El ejercicio 16 es un ejemplo de ello.

IX

Page 255: LIBRO1 (0-675).pdf

242

1. Idea una síntesis de la 4-Metil-3,5-heptanodiona partiendo de Ácido propiónico como producto base.2. Diseña una síntesis de la Dibencil cetona empleando Fenilacetato de etilo como único producto orgánico. 3. Realiza la síntesis de la Etil fenil cetona utilizando Acetato de etilo y Benzoato de etilo como sustancias de partida.

EJERCICIO 9.16

3. SÍNTESIS DE CETOÁCIDOS Y ÁCIDOS DICARBOXÍLICOS A PARTIR DE α–BROMOÉSTERES La bromación en Cα de los ácidos carboxílicos (reacción de Hell-Volhard-Zelinsky) se realiza empleando tricloruro de fósforo como catalizador:

Br2R CH2 CO2H

PCl3R CH CO2H

Br

Los α-bromoésteres se obtienen por esterificación del correspondiente α-bromoácido:

EtOHH3O+R CH

BrCO2H R CH

BrCO2Et

_

1)HO-(conc.)

2)H3O+1)HO-(dil.)

2)H3O+ HO2C_CH2_CH2

_CO2H

CH3COCH2_CH2

_CO2H

1)EtO /EtOH

2)R_X

1)HO (conc.)

2)H3O+1)HO (dil.)

2)H3O+ HO2C_CH_CH2_CO2H

R

SN2CH3CO CH

CO2EtCH2

CO2Et

Br CH3CO CHCO2Et

CH2 CO2Et

_

CH3CO CCO2Et

CH2 CO2EtR

_

_

CH3COCH CH CO2HR

Averigua la estructura del β -cetoéster F y escribe el mecanismo simplificado de las reacciones que aparecen en los esquemas.

EJERCICIO 9.17

1)HO (dil.)

2)H3O+E(C7H10O2)

1)HO (conc.)

2)H3O+G(C8H12O5) Ácido 5-ceto-3-metilhexanoico

_

_

F(C10H14O4)

Q

Ác. 3-metilpentanodioico A(C10H18O4) ; Ác. propanodioicoSOCl2C2H5OH

H3O+B(C3H2O2Cl2)

1)HO (dil.)

2)H3O+E(C7H10O2)

1)EtOA(C10H18O4)

2)B(C3H2O2Cl2)

_ _QC(C13H18O6) D

IX

Page 256: LIBRO1 (0-675).pdf

243

ALQUILACIÓN DE DIÉSTERES MALÓNICOS (SÍNTESIS MALÓNICA)

Los sustratos más empleados son los siguientes: 1. Derivados halogenados alifáticos (síntesis de ácidos monocarboxílicos) 2. Derivados dihalogenados alifáticos y α-haloésteres (síntesis de ácidos dicarboxílicos) 1. SÍNTESIS DE ÁCIDOS MONOCARBOXÍLICOS La síntesis malónica abre un camino, teóricamente inagotable, para la obtención de ácidos alifáticos. No obstante, presenta una limitación: no es posible obtener ácidos trisustituidos en el átomo de carbono α.

(80-90%)

CH2

CO2Et

CO2EtEtOHEtO

_

CHCO2Et

CO2Et

_ n-C4H9Br

EtOHCHCO2Et

CO2EtC4H9

KOH/H2OCHCO2 K+

CO2 K+C4H9

_

_

(80-90%)

CH2

CO2Et

CO2EtEtOHEtO

_

CHCO2Et

CO2Et

_ n-C4H9Br

EtOHCHCO2Et

CO2EtC4H9

KOH/H2OCHCO2 K+

CO2 K+C4H9

_

_

H2O

H2SO4CHCO2H

CO2HC4H9

CO2_

C4H9 CH2 CO2H

1)EtO /EtOH

(83-84%)2)C2H5CHBr

Me

_

CHMe

CHCO2Et

CO2EtC2H5KOHH2O

CHMe

CHCO2 K+

CO2 K+C2H5

__

H2C(CO2Et)2

H2SO4/H2O

(62-65%)CO2

_ CHMe

CH2 CO2HC2H5

Se pueden utilizar con éxito tanto los haluros primarios como los secundarios, y también haluros de alilo y bencilo primarios y secundarios. Sin embargo, los haluros de alquilo terciarios que tienen al menos un Hα son de poco valor, ya que se produce mayoritariamente una reacción de eliminación E2:

IX

Page 257: LIBRO1 (0-675).pdf

244

EtOH(CH3)3C_Br + H2C(CO2Et)2 (CH3)3C_CH(CO2Et)2 +

(6%)

EtO_

CH3 CCH3

CH2

_

EtOH + H2C(CO2Et)2 +

(60%)

Br CH(CO2Et)2

EtO

Si la reacción de alquilación se realiza con un derivado dihalogenado, se llega a compuestos cíclicos; en tal caso, valen las mismas generalizaciones hechas en el caso de la síntesis acetilacética.

1)EtO /EtOH

2)Br(CH2)3BrCO2Et

CO2Et

+

(55-56%) (10%)

2H2C(CO2Et)2

_

CHEtO2C

CO2Et

(CH2)3 CH

CO2Et

CO2Et

EtOH2H2C(CO2Et)2 + BrCH2

_CH2Br

CO2Et

CO2Et

EtO_

Síntesis de un ácido espiroheptanocarboxílico:

EtOH H2C(CO2Et)2+

H4AlLi HBr H2C(CO2Et)2CH2

CH2Br

CH2Br

EtO_ CO2Et

CO2Et

CH2OH

CH2OH

CH2Br

CH2Br EtO_

1)HO /H2O

2)H3O+Q

CO2H

_

CO2_

CO2Et

CO2Et

CO2H

CO2H 2. SÍNTESIS DE ÁCIDOS DICARBOXÍLICOS Reacción del anión enolato con derivados halogenados que tengan los átomos de halógeno suficientemente alejados:

IX

Page 258: LIBRO1 (0-675).pdf

245

CH

CO2Et

CO2Et

_CH2

Br

(CH2)n CH2

Br

CH

CO2Et

CO2Et

_CH

CO2Et

CO2Et

CH2 (CH2)n CH2 CH

CO2Et

CO2Et

H3O+CH

CO2H

CO2H

CH2 (CH2)n CH2 CH

CO2H

CO2H

QCO2

_ CH2 CH2 (CH2)n CH2 CH2HO2C C 2HO

Dependiendo del valor de n se pueden obtener ácidos dicarboxílicos cíclicos, como sucede en la síntesis acetilacética:

CH2

CO2Et

CO2Et

21)EtO

2)BrCH2CH2Br

_

CH

CO2Et

CO2Et

CH2 CH2 CH

CO2Et

CO2Et

1)EtO

2)BrCH2CH2Br

_ CO2EtCO2Et

CO2EtEtO2C

CO2EtCO2Et

CO2EtEtO2C

1)HO

2)H3O+

CO2H

CO2H

_ CO2HCO2H

CO2HHO2C

QCO2

_

Los α-haloésteres también pueden dar lugar a ácidos dicarboxílicos:

CO2Et

CH

CO2Et

_CH2

Br

CO2Et

CO2Et

CH

CO2Et

CH2 CO2EtH3O+

CO2H

CH

CO2H

CH2 CO2HQ

CO2_ CH2CH2 CO2HHO2C

El anión enolato del malonato de dietilo se utiliza también para sintetizar metil cetonas mediante reacciones de sustitución nucleófila en moléculas con grupos carbonilo:

CO2Et

CH

CO2Et

_C O

Cl

R

CO2Et

CH

CO2Et

C R

OH3O+

CO2H

CH

CO2H

C R

OQ

CO2_ R CO CH3

IX

Page 259: LIBRO1 (0-675).pdf

246

Efectividad de algunos nucleófilos habituales (reacciones SN2)

reactividad nucleófilo reactividad relativa nucleófilos muy activos I¯ HS¯ RS¯ >105

nucleófilos activos Br¯ HO¯ RO¯ NC¯ 104

nucleófilos aceptables :NH3 Cl¯ F ¯ RCO2¯ 103

nucleófilos débiles H2O ROH 1 nucleófilos mediocres RCO2H 10-2

(*) reactividades relativas respecto al metanol

Efecto del grupo saliente

Grupos salientes en orden creciente de facilidad para ser eliminados (reacciones SN2)

Clase de compuesto Grupo saliente R-OR' Dialquiéteres R'O− Alcóxido*

R-OH Alcoholes HO− Hidróxido

R-O-Ar Alquilariléteres ArO− Fenóxido R-OCOR' Ésteres R'CO-O− Anión carboxilato R-F Fluoruros de alquilo F− Fluoruro (v.r.= 0,001)**

R-Cl Cloruros de alquilo Cl− Cloruro (v.r.= 0,02)

Éteres O-protonados R'OH Alcohol Alcoholes protonados H2O Agua (v.r.= 1)

R

R-Br Bromuros de alquilo Br− Bromuro (v.r.= 1) R-I Ioduros de alquilo I− Ioduro (v.r.= 3)

_OH(R')+

R-OH2+

*Los grupos fuertemente básicos (RO-, HO-, H2N-, F-) no pueden ser desplazados en condiciones ordinarias de reacción. Esta es la razón por la que se usan catalizadores ácidos en reacciones de sustitución de alcoholes, éteres y aminas.**(v.r.) = velocidad relativa de eliminación

IX

Page 260: LIBRO1 (0-675).pdf

247

REACCIONES DE SUSTITUCIÓN NUCLEÓFILA EN UN ÁTOMO DE CARBONO SATURADO

ENLACEFORMADO R_Z + Nu: R__Nu + Z:

R_Z Nu: R_Nu Z:

__

_ _

R_X

HO ; H2O

R'O ; R'OH

R'CO2

R__OH

R__OR'

R__O_COR'

[RCH=CH2 + H2SO4]

(tosilato)

H2O R_CH2__OH

R'_CO_O R_CH2__O-COR'

O O O

H2O ; H3O+

O; H3O+

HOCH2CH2__OH

ArO Na+

Cl_CH2CH2_OH

[Z_CH2CH2_Nu] O

Cl_CH2CH2CH2CH2_OH

[Z_CH2CH2CH2CH2_Nu] O

C__O

*

sulfato de dimetilo

+

N2

N2

(diazometano)

X

_

_ _

_

R CH

Me

O SO

OOH HO

_R CH

MeOH O S

O

OOH

_

R CH2 O SO

OMe _ O S

O

OMe

_

MeO SO

OOMe

_ArO__Me MeO S

O

OO Na+_

Cl

Cl

_

_

Me N N

R CO

OH R CO

O__Me

R CO

CH CO

R_

R CO

CH CO

R

_

R CO

CH CO

RMe

*éster del ácido p-toluensulfónico

IX

Page 261: LIBRO1 (0-675).pdf

248

ENLACEFORMADO R_Z + Nu: R__Nu + Z:

R_Z Nu: R_Nu Z:

__

_ _

NH3

R'NH2

R2'NH

R3'N

R__NH2

R__NH_R'

R__NR2'

R__NR3'+

R_X

X = (Cl, Br, I)

X_

C−−N

O

HO_CH2CH2__NH2

HO_CH2CH2__NHR

OO

HO2C_CH2CH2__NHR

HO2C_CH2CH2__NH2

NH3

RNH2

NH3

RNH2

R_OH

(X = Cl , Br , I )

R__X

R_OH SOCl2, PCl3, PCl5 R__Cl

R_OMe R__I

X HO

MeO

__ _ _

_

_HI

R_X LiAlH4 (H ) R__H

OLiAlH4 (H )

R_OTs(tosilato)

LiAlH4 (H ) R__H TsO

X_

_

_

_

_

R CH CH

H OHR

R R

C−−H

R_X LiAlH4 (H ) R__H

OLiAlH4 (H )

R_OTs(tosilato)

LiAlH4 (H ) R__H TsO

X_

_

_

_

_

R CH CH

H OHR

R R

C−−X

IX

Page 262: LIBRO1 (0-675).pdf

249

ENLACEFORMADO R_Z + Nu: R__Nu + Z:

R_Z Nu: R_Nu Z:

__

_ _

R_X

R__CN

C__C

HC(CO2Et)2

R'CO_CH_COR'

CH3CO_CH_CO2Et

_

_

_

O

(X = Cl, Br, I)

X_Mg_R (R )

NC_

X_

R' C C Na+_R' C C R

R CH(CO2Et)2

R' CO CH

R

COR'

CH3 CO CH

R

CO2Et

_R__CH2CH2OH

EJERCICIOS ADICIONALES 9.1 Considera la siguiente secuencia de reacciones:

2-Bromo-3-metil-3-pentanolNaOH, H2O

SN2A(C6H12O)

MeOH, H3O+B(C7H16O2)

Utiliza representaciones tridimensionales para escribir la secuencia de reacciones con cada uno de los estereoisómeros del 2-Bromo-3-metil-3-pentanol. Asigna la configuración absoluta a todos los compuestos que intervienen. 9.2 Averigua la configuración absoluta de los compuestos A y B.

(2S,3R)-3-Cloro-2-butanolNaOH, H2O

SN2A(C4H8O)

H2SO4

H2OB (C4H10O2)

9.3 Averigua la configuración absoluta de los compuestos A y B.

(2S,3R)-3-Cloro-2-butanolNaOH, H2O

SN2A(C4H8O)

HBr (48 %)

00CB(C4H9OBr)

9.4 Averigua la configuración absoluta de los compuestos A y B:

A(C4H9OBr) B(C4H8O) (2R,3S)-3-Amino-2-butanolHO_

SN2

NH3, H2O

SN2

IX

Page 263: LIBRO1 (0-675).pdf

250

9.5 Dos compuestos isómeros A(C6H11OBr) y B(C6H11OBr) reaccionan con NaOH acuoso, a través de un mecanismo SN2, dando lugar a la misma sustancia ópticamente inactiva C(C6H10O). La reacción SN2 de C con metóxido sódico en metanol, conduce a una mezcla de (1R,2R) y (1S,2S)-2-Metoxiciclohexanol. Averigua la configuración absoluta de los compuestos A, B y C. 9.6 Utiliza representaciones tridimensionales para averiguar la configuración absoluta de todos los compuestos que aparecen en las siguientes secuencias de reacciones:

(1R,2R)-2-Bromo-1-metilciclohexanolNaOH, H2O

A(C7H12O)MeO Na+, MeOH

_

SN2SN2B(C8H16O2)

C(C8H16O2)

MeOHH3O+

9.7 Empleando Éster acetilacético o Malonato de dietilo, y cualquier otro compuesto orgánico o inorgánico que precises, diseña una síntesis de las siguientes sustancias:

CO2H

Me

MeCO2H

O O

(1) (2) (3) (4)

CO2H

CO2Et

CO2Et

EtO2C CO2Et

(5) (6) (7) (8)

CO2H

CO2H

9.8 Averigua la configuración absoluta del compuesto A:

SN2C(C13H15O2N)[(2S,3R) + (2R,3R)]

Ácido (3R)-3-Fenilbutanoico

A(C8H9Br) + B(C5H7O2N) EtO_

H3O+

D(C11H12O4) Q

E(C3H4O4) G(C9H14O4) Ácido ciclopropanocarboxílicoEtO + BrCH2CH2Br

_EtOHH3O+

H3O+F

Q

H3O+B

9.9 Apartado 1: Teniendo en cuenta las reacciones que aparecen a continuación, averigua la estructura de los β-

cetoésteres A, B, C, D, y E.

A(C8H14O3)

2)H3O+ CH3CO2H + CH3CH2CH2CO2H1)HO-(conc.)

C6H5COCH2COCH3 + CO22)H3O+

1)HO-(dil.)B(C13H14O4)

IX

Page 264: LIBRO1 (0-675).pdf

251

1)HO-(conc.)2)H3O+ CH3CH2CO2H + HO2C-CH2CH2-CO2HC(C11H18O5)

1)HO-(dil.)2)H3O+ CH3COCH2CH2COCH3 + CO2D(C9H14O4)

E(C5H8O3) 1)HO-(dil.)

2)H3O+ CH3CHO + CO2

Apartado 2: Una vez conocida la estructura de los cinco β-cetoésteres, realiza su síntesis utilizando reacciones de sustitución nucleófila. Puedes emplear cualquier producto inorgánico, pero únicamente los siguientes productos orgánicos: Etanol Cloroacetona Formiato de etilo Cloruro de benzoilo Acetato de etilo Bromoacetato de etilo Acetilacetato de etilo Propionilacetato de etilo 9.10 Averigua la estructura del β-cetoéster E y escribe el mecanismo de las reacciones que aparecen en los esquemas.

E(C9H12O4)

1)HO (dil.)

2)H3O+

1)HO (conc.)

2)H3O+[F(C7H10O5) + G(C7H10O5)]

-2CO2

Ac. 4-ceto-3-metilpentanoico +Ac. 4-ceto-2-metilpentanoico

_

_

D(C6H8O2)

Q

1)EtO

2)BrCH2CO2Et2)MeCOCl

1)EtO_ _

MeCH2CO2EtNaOHH2O

H3O+

QA B C(C9H12O4) D(C6H8O2)

9.11 Apartado1: Empleando como sustancias de partida Heptanodioato de dietilo y Formiato de etilo, diseña

una síntesis de la 2-Formilciclohexanona, Apartado2: Utiliza Acetilacetato de etilo y Acetona como reactivos para sintetizar 3-Metil-2,5-hexadiona. Apartado3: Emplea Malonato de dietilo y Etilenglicol como reactivos para sintetizar ácido 1,4-Cicloexano-

dicarboxílico. NOTA: Además de las sustancias de partida indicadas en cada apartado, puedes utilizar cualquier reactivo

orgánico o inorgánico que necesites. 9.12 Indica cómo llevarías a cabo las siguientes reacciones estereoespecíficas:

OH Me

HH(2S)-1,2-Propanodiol

OH Me

HH(2R)-1,2-Propanodiol

9.13 Averigua la configuración absoluta del compuesto A:

A(C4H8O) NaCNEtOH, H2O

[(2R,3R) + (2S,3S)] 3-Ciano-2-butanol

IX

Page 265: LIBRO1 (0-675).pdf

252

9.14 Averigua la configuración absoluta de los compuestos A, B y C:

A(C3H6O)1)C6H5MgBr

2)H3O+B(C9H12O) HBr

SN2C(C9H11Br)

Me C CH , NH2Na

SN2(4R)-5-Fenil-4-metil-2-pentino

9.15 Averigua la estructura de los compuestos que aparecen en las siguientes secuencias de reacciones. Secuencia 1:

A(C13H16O4) + C6H5 BrEtO

_

B(C20H22O4)H3O+

C6H5

CO2H

CO2H

C6H5 Q

C(C15H14O2) EtOHH3O+

D(C17H18O2)

Secuencia 2:

Me CHOO

+ A(C3H5Br)HO

_ MeO

CH2

Secuencia 3:

A(C7H12O4) + B(C7H7Br)EtO

_

C6H5CO2Et

CO2Et

1)EtO_

2)C6H5COClC

9.16 Idea un mecanismo razonable que justifique la siguiente transformación:

Me

Me

OH

H3O+

Me OH

Me

9.17 Averigua la estructura de los compuestos que aparecen en las siguientes secuencias de reacciones. Secuencia 1:

C6H5 Me

O

Br2

HO_ A

Me O

O_

Na+B(C10H10O3)

Secuencia 2:

Me2NH + A Me2NOH 1)EtO

_

2) ?

C6H5CH2ClC6H5 N

OOH

Me Me

+Cl

_B(C6H15NO2)

Secuencia 3:

MeMe

O

Br2

HBrA Me

MeO

OCO2Et

Me

EtO_

? +

IX

Page 266: LIBRO1 (0-675).pdf

253

Secuencia 4:

O

MeCO2Et

O1)EtO

_

2)A(C6H8O3)(lactona)

H3O+

QB(C5H10O2) ?

MeBr

O

Secuencia 5:

CO2Et

(CH2)4

CO2Et

EtO_

A(C8H12O3)1)EtO

_

2)

O

C6H5

HClH2O

O

C6H5

ClB(C16H20O4)

Secuencia 6:

1)EtO_

2)H2C(CO2Et)2 A(C10H14O4)

H3O+

Q

H3O+, H2O

Hg2+Me CO2H

O

B(C5H6O2)BrCH2 C CH

9.18 Averigua la estructura de los compuestos que aparecen en la siguiente secuencia de reacciones.

MeCO2Et

OEtO

_

Me IA

OC6H5

EtO_

[B(C16H21O4)](anión) C(C14H16O3) HBrH3O+, Q

[D(C14H17O3Br)] E(C13H17OBr)HO

_Me

C6H5

MeO

IX

Page 267: LIBRO1 (0-675).pdf

10. REACCIONES DE ELIMINACIÓN

GENERALIDADES En un sustrato saturado, el esquema general de cualquier reacción de eliminación es el siguiente:

π

:B_

H C C Z C C BH Z_

+ +

[:B- es una base (nucleófilo) que puede no llevar carga] Si la reacción ocurre en un sustrato insaturado:

π

:B_

H C C Z BH Z_

+ +C C

Los sustratos más comunes en las reacciones de eliminación son los haluros de alquilo y los alcoholes:

CH3 CH CH

H

Br

CH3

B_

CH3 CH CH CH3 + HB + Br_

H2O:

CH3 C OHCH3

CH3

H3O+H CH2 C

CH3OH2

CH3

+CH2 C CH3

CH3+ H3O+ H2O+

MECANISMO DE LAS REACCIONES DE ELIMINACIÓN De forma semejante a las reacciones SN, las reacciones de eliminación transcurren normalmente a través de dos tipos diferentes de mecanismos.

REACCIONES DE ELIMINACIÓN E1 El proceso transcurre en dos pasos: en el primero se produce la ionización del sustrato y se libera un catión carbonio que, en la segunda fase, reacciona con la base originando el producto no saturado. La reacción responde a una cinética de primer orden:

v = k1[R-Z]H C C Z lenta H C C Zδ+ δ−

H C C+

+ Z_

+ HBrápidaB

_H C C + C C

X

Page 268: LIBRO1 (0-675).pdf

255

Resulta evidente que la etapa lenta es la misma que en las reacciones SN1; todas las consideraciones con respecto a la influencia de Z, R y el disolvente sobre el mecanismo SN1 son aplicables al mecanismo E1. En cambio, la naturaleza de la base influye sobre el producto obtenido. Por ejemplo, el bromuro de t-butilo reacciona en etanol originando el 81% de t-butil etil éter (SN1) y el 19% de isobutileno (E1):

CH3 C BrCH3

CH3 lentaCH3 C

CH3

CH3+ + Br

_

(81%)

t-Butil etil éter

SN1: C2H5 OH C CH3

CH3

CH3

+rápida

C2H5 O C CH3

CH3

CH3

H

+C2H5 O C CH3

CH3

CH3

H+_

E1: (19%)C2H5 OH CCH2

CH3

CH3

H +rápida

C2H5 OH2+

+ CH2 C CH3

CH3

Isobutileno La formación del carbocatión, por ionización del bromuro de t-butilo, es la etapa determinante de la velocidad en ambas reacciones. El etanol puede actuar como nucleófilo o como base; en el primer caso reacciona con el carbono cargado positivamente, dando lugar al producto de sustitución, y en el segundo lo hace con el hidrógeno en β, originando el alqueno. Puesto que las reacciones E1 y SN1 tienen lugar a partir del mismo catión carbonio, el tipo de estructura carbonada influye de igual forma en ambos tipos de procesos. El grupo saliente (Z) no suele jugar ningún papel en las cantidades relativas de productos E1 o SN1, ya que todos ellos se forman después de que Z se ha desprendido del sustrato. La temperatura es el factor que suele determinar la proporción relativa de productos de eliminación o sustitución. En general, una temperatura elevada favorece la reacción de eliminación. Los halogenuros terciarios reaccionan más fácilmente que los secundarios a través de reacciones E1, ya que dan lugar a olefinas más sustituidas y, por consiguiente, más estables (control termodinámico) Sin embargo, un disolvente polar y nucleófilo, y la ausencia de bases fuertes, favorecen la formación de productos de sustitución en vez de los de eliminación. La ruta E1 está favorecida por los reactivos fuertemente básicos y débilmente nucleófilos, y también por los sustituyentes atractores de electrones que aumentan la acidez del hidrógeno en β.

REACCIONES DE ELIMINACIÓN E2 El proceso transcurre en un solo paso de una manera concertada, es decir, la ruptura de los dos enlaces σ y la formación del enlace π son simultáneas. La reacción pasa por un estado de transición del tipo:

δ+δ− δ−

+ Z_

H C C ZB:_

B H C C Z HB + C C

v = k2[R-Z][:B- ]La cinética de la reacción es de segundo orden:

X

Page 269: LIBRO1 (0-675).pdf

256

Lo mismo que la reacción E1 es competitiva con la SN1, las reacciones de sustitución SN2 pueden competir con las de eliminación E2. En este sentido, es importante la naturaleza primaria, secundaria o terciaria del carbono al que está unido Z. La formación de un alqueno mediante un mecanismo E2 va acompañada de una disminución de la aglomeración alrededor del átomo de carbono que contiene el grupo saliente Z, mientras que en el estado de transición que conduce a la sustitución SN2, la aglomeración en torno a este átomo aumenta.

........

δ−

Z

H

R

R'

R

R'Nu

R R'R'R

Z

H.....Nu

δ−

[la aglomeración disminuye]

E2:R R'

R'R + H_Nu + Z_

_

δ−

Z

H

R

R'

R

R'Nu

R'R'

Z

Nu

δ−

[la aglomeración aumenta]

SN2:H

RR

H

RR

Nu

R'R'

+ ZSN2

_

_

E2

La reacción E2 está favorecida si existe considerable impedimento estéreo en el carbono y si la base(nucleófilo) es grande y fuertemente básica. Inversamente, la reacción SN2 está favorecida si el impedimento estéreo es mínimo en el carbono y el nucleófilo (base) es pequeño y muy polarizable. Finalmente, lareacción E2 prevalece sobre la SN2 en disolventes que no sean muy polares (p.e. un alcohol)

α

α

Se comprende fácilmente que los dos factores actúan en el mismo sentido, para favorecer considerablemente la eliminación en los derivados terciarios y para entorpecerla en los primarios. En resumen, la competencia entre los caminos SN2 y E2 está gobernada por: 1 La magnitud del impedimento estereo en el carbono al que está unido el grupo saliente Z. 2 La basicidad, el tamaño y la polarizabilidad del nucleófilo. 3 La temperatura a la que se realiza la reacción. Por ejemplo, el bromuro de etilo (carbono en posición α no impedido estéricamente) reacciona con el metiltiolato sódico (nucleófilo pequeño y muy polarizable), dando lugar a sulfuro de etilo y metilo (SN2):

CH3CH2Br + CH3_S_Na CH3CH2

_S_CH3 + NaBrSN2

Sin embargo, el bromuro de t-butilo (carbono en α muy impedido) reacciona con el t-butóxido potásico (base nucleófila grande y poco polarizable) para dar como producto más abundante el isobuteno (E2):

(CH3)3C_Br + (CH3)3CO K+ E2 (CH3)3C_OH_

CH3 CCH3

CH2 + + KBr

X

Page 270: LIBRO1 (0-675).pdf

257

REGIOSELECTIVIDAD EN LAS REACCIONES E1 Y E2

REACCIONES E1 Si la base puede reaccionar con dos hidrógenos en β que no son equivalentes, se obtiene una mezcla de olefinas. El alqueno más sustituido (producto Saytzev) suele predominar sobre el menos sustituido (producto Hofmann):

[Saytzev] (32%) [Hofmann](8%)

CH3CH2 CCH3

CH3

Br E1:B CH3 CH C CH3

CH3+ CH3 CH2 C

CH3CH2

[Saytzev] (32%)

[Hofmann] (8%)

=

:BB: 1 2+

CH3CH2 CCH3

BrCH3

E1:B CH3CH2 C

CH3

CH3

+ CH3 CH

H

C CH2

CH3

H

1

2

E1

CH3 CH CCH3

CH3

CH3 CH2 CCH3

CH2

[Saytzev] (81%) [Hofmann] (19%)E1

CH3CH2 CHBr

CH3EtO

_

CH3 CH CH CH3 + CH3 CH2 CH CH2

REACCIONES E2 La extensión en la que se cumple la regioselectividad Saytzev, en las reacciones E2, depende de la estructura de la cadena carbonada, de la naturaleza del grupo saliente y de la base que desencadena la eliminación. A medida que crece el impedimento estéreo del hidrógeno en β y el tamaño de la base, el producto Saytzev va siendo menos abundante:

[Saytzev] (81%) [Hofmann] (19%)

CH3CH2 CHBr

CH3E2

EtO

Me3CO

_

_

CH3 CH CH CH3 + CH3 CH2 CH CH2

[Saytzev] (47%) [Hofmann] (53%)

CH3 CH CH CH3 + CH3 CH2 CH CH2

+

[Saytzev] (14%) [Hofmann] (86%)

Me3CE2

EtO

Me3CO

_

_

Me3C CH

CH2 C CH3

Br

CH3

C CH3

CH3Me3C CH2 C CH2

CH3

+

[Saytzev] (2%) [Hofmann] (98%)

Me3C CH C CH3

CH3Me3C CH2 C CH2

CH3

X

Page 271: LIBRO1 (0-675).pdf

258

ESTEREOQUÍMICA DE LAS REACCIONES DE ELIMINACIÓN

REACCIONES DE ELIMINACIÓN MONOMOLECULARES (E1)

Con independencia del tipo de molécula de partida, ninguna reacción E1 es estereoespecífica. El giro libre del enlace en el carbocatión intermedio da lugar a dos conformaciones distintas: una de ellas origina el estereoisómero Z de la olefina, y la otra el estereoisómero E. No obstante, la interacción entre los grupos de carbonos contiguos hace que uno de los estereoisómeros predomine sobre el otro. El mayoritario será aquél que surja del carbocatión con menor impedimento estéreo:

H H

H

Me

Me I

E1H

HMe

MeH+

:

MeHH

Me(Z)

H

HMe

HMe+

:

HMeH

Me(E)

H Me

H

H Me

H Me

H

Me H=

=

(minoritario)

(mayoritario)

B

B

Los ejemplos que siguen son todos reales, pero es probable que los tipos de moléculas que aparecen en ellos se transformen en olefinas a través de mecanismos E1 o E2, dependiendo de las siguientes variables: la naturaleza del grupo saliente (Z), la base concreta que desencadena la reacción, el impedimento estéreo en el hidrógeno β, el disolvente y la temperatura a la que tiene lugar el proceso. Por los mismos motivos, además de la reacción de eliminación (E1 o E2), pueden producirse reacciones de sustitución nucleófila competitivas (SN1 o SN2)

EJEMPLO 1

E1R

RCH2

HH

RRCH2

H+

(E)(Z)H

RCH2 CHZ

CH2R

H H

H

CH2R

R Z

E1CH2RHH

R(Z)

(E)

H R

H

H CH2R

=

=

HH

H CH2RR

+:

HCH2R

H HR

+:

H R

H

RCH2 H HCH2RH

R

B

B

Se obtiene una mezcla de los estereoisómeros (Z) y (E) de la olefina. El impedimento estéreo en el carbocatión que da lugar al isómero (Z) (interacción entre los grupos R / RCH2 y H / H) es mayor que el existente en el otro carbocatión (interacción entre los grupos R / H y RCH2 / H) Cabe esperar que el producto mayoritario sea el estereoisómero (E)

X

Page 272: LIBRO1 (0-675).pdf

259

EJEMPLO 2

E1H

RR

Z

ZR

H+

(E)(Z)

R

R CHZ

CHZ

R

Prioridades de los grupos: Z > C(R, R’) > H

R Z

H

H R

=

=H R

ZR

(Z)

H

Z RZ

HR

(R,R)

E1

H

RZR

H +:

H

RZH

R +:

R Z

H

R HR R

ZH

(E)

B

B

Z R

H

R H

=

=R Z

RH

(Z)

H

Z ZR

RH

(S,S)

E1

H

ZRH

R +:

H

ZRR

H +:

Z R

H

H RH Z

RR

(E)

B

B

Z R

H

H R

=

=H Z

RR

(E)

H

Z ZR

HR

(R,S)

E1

H

ZRR

H +:

H

ZRH

R +:

Z R

H

R HR Z

RH

(Z)

B

B

Si el radical R es de mayor tamaño que el grupo saliente Z, el estereoisómero (Z) será el mayoritario cuando la pareja de enantiómeros (R,R) / (S,S) o la forma meso (R,S) se someten a una reacción de eliminación E1.

X

Page 273: LIBRO1 (0-675).pdf

260

EJEMPLO 3

E1R'

HRCH2

HH

R'RCH2

H+

(E)(Z)

R

HR'CH2

HH

RR'CH2

H+

(E)(Z)

+RCH2 CHZ

CH2R'

Z R'

H

H CH2R

=

=R' CH2R

HH

(Z)

H

ZR'H

CH2RH

E1

H

R'H H

CH2R+:

H

R'H CH2R

H+:

H R'

H

RCH2 HR' H

CH2RH

(E)

(R) o (S)

B

B

Z R

H

H CH2R'

=

=R CH2R'

HH

(Z)

H

ZRH

CH2R'H

E1

H

RH H

CH2R'+:

H

RH CH2R'

H+:

H R

H

R'CH2 HR H

CH2R'H

(E)

(R) o (S)

B

B

El estereoisómero (E) será el mayoritario en ambos casos, con independencia de los tamaños relativos de los grupos R, R', RCH2 y R'CH2 .

EJEMPLO 4

E1H

R'R

ZR'

ZR

H+

(E)(Z)

Z

R'R

H

(Z)

+

R'

HR

Z

(E)

+R CHZ

CHZ

R'

Prioridades de los grupos: Z > C(R, R’) > H Si los radicales R y R' son de mayor tamaño que el grupo saliente Z, el estereoisómero (Z) será el mayoritario en los dos casos.

X

Page 274: LIBRO1 (0-675).pdf

261

R' Z

H

H R

=

=H R'

ZR

(Z)

H1

Z R'Z

H2R

E1

H

R'ZR

H +:

H

R'ZH

R +:

R' Z

H

R HR R'

ZH

(E)

(R,R) (S,S)(R,S) (S,R)

R Z

H

H R'

=

=Z R'

HR

(Z)

H2

ZZR

R'H1

E1

H

ZR H

R'+:

H

ZR R'

H+:

R Z

H

R' HZ H

R'R

(E)

B

B

B

B

La deshidratación del 4-Metil-3-hexanol en medio ácido transcurre a través de un proceso E1. Escribe el mecanismo de la reacción que aparece seguidamente para cada uno de los cuatro estereoisómeros del alcohol.

EJERCICIO 10.1

E1CH3CH2 CHMe

CHOH

CH2CH3 CH3CH2 CMe

CH CH2CH3H3O+

REACCIONES DE ELIMINACIÓN BIMOLECULARES (E2) En las reacciones E2 asume enorme importancia la disposición relativa que adoptan los grupos eliminados. Normalmente, las reacciones E2 transcurren con mayor facilidad cuando dichos grupos están en relación antiperiplanar; por este motivo, el proceso se denomina anti-eliminación. Si son posibles dos o más conformaciones antiperiplanares, la más favorecida será la de menor contenido energético (interacción mínima entre grupos de carbonos contiguos):

1H

I2H

Me

Me

H

Me H2

H1

I

H Me E22H Me

HMe

[antiperiplanar](menos impedida)

(E)

[mayoritario]

2H

IMe

Me

1H

H

1H Me

H2

I

H Me E2

Me MeH1H

(Z)

[mayoritario] [antiperiplanar] (más impedida)

B:

B:

X

Page 275: LIBRO1 (0-675).pdf

262

En los ejemplos que siguen se utilizan los mismos tipos de moléculas que en las reacciones E1 (ver p.6-9) Así se pueden apreciar mejor las diferencias y semejanzas entre ambas clases de procesos (E1 y E2).

EJEMPLO 1

R

RCH2

HH

RRCH2

H+

(E)(Z)H

RCH2 CHZ

CH2R E2

E2CH3CH2 CH

BrCH2CH3

[(Z) + (E)]

CH3CH CH CH2CH3

1H

BrMe

Et

2H

H

2H Me

H1

Br

H Et E2

Me EtH2H

(Z)

[minoritario]

2H

Br1H

Et

Me

H

Me H1

H2

Br

H Et E21H Et

HMe

(E)

[mayoritario]

B:

B:

EJEMPLO 2

E2H

RR

ZR

ZR

H

(E)(Z)(R,R) o (S,S)

E2

(R,S)

R CHZ

CHZ

R R CHZ

CHZ

R

CH3 CHBr

CHBr

CH3E2

CH3 CH C CH3

Br

La reacción es estereoespecífica:

H

BrBr

Me

Me

H

Me Br

H

Br

H Me E2

Br MeHMe

(Z)

H

Br Me

H

Br

Me

Me Br

H

Br

H Me E2

H MeBrMe

2

3

(2R,3R)

(2R,3R) (Z)

2

3

B:

B:

X

Page 276: LIBRO1 (0-675).pdf

263

H

BrMe

H

Br

Me

Br Me

H

Br

Me H E2

Me HMeBr

(Z)

H

Br Br

Me

Me

H

Br Me

H

Br

Me H E2

Me BrMeH

23

(2S,3S)

(2S,3S) (Z)

23

B:

B:

H

BrBr

H

Me

Me

Me Br

H

Br

Me H E2

Br HMeMe

(E)

H

Br Br

H

Me

Me

Br Me

H

Br

H Me E2

H BrMeMe

2

3

(2R,3S)

(2R,3S) (E)

2

3

B:

B:

EJEMPLO 3

R'

HRCH2

HH

R'RCH2

H+

(E)(Z)

R

HR'CH2

HH

RR'CH2

H+

(E)(Z)

+(R) o (S)

E2RCH2 CH

ZCH2R'

E2

[1] [2]

CH3CH2CH2 CHCl

CH2CH3 CH3CH2 CH CH CH2CH3 + CH3CH2CH2 CH CH CH3

3-Hexeno 2-Hexeno

3-Hexeno [1]:

1H

Cl H2

H

Et

Et

2H Et

H1

Cl

H Et E2

H H2EtEt

(Z)[minoritario]

2H

Cl Et

H

H1

Et

Et H1

H2

Cl

H Et E2

H EtH1Et

(E)[mayoritario]

32

32

B:

B:

(3R)

1H

Cl H2

H

Et

Et

2H Et

H1

Cl

H Et E2

H H2EtEt

2H

Cl Et

H

H1

Et

Et H1

H2

H Et

H EtH1Et

B:

B:

(3R)

X

Page 277: LIBRO1 (0-675).pdf

264

1H

Cl H2

Et

Et

H

2H Et

H1

Cl

Et H E2

Et H2EtH

2H

Cl Et

Et

H1

H

Et H1

H2

Cl

Et Et E2

Et EtH1H

3

(3S) (E)

[mayoritario]

(Z)

[minoritario]

2

3

2

B:

B:

2-Hexeno [2]:

1H

Cl H2

Pr

Me

H

2H Me

H1

Cl

Pr H E2

Pr H2MeH

2H

Cl Me

Pr

H1

H

Me H1

H2

Cl

Pr H E2

Pr MeH1H

3

(E)

[mayoritario]

(Z)

[minoritario]

2

2

3

B:

B:

(3R)

1H

Cl H2

H

Me

Pr

2H Me

H1

Cl

H Pr E2

H H2

MePr

2H

Cl Me

H

H1

Pr

Me H1

H2

Cl

H Pr E2

H MeH1Pr

3

(3S) (Z)

(E)

[minoritario]

[mayoritario]

2

32

B:

B:

X

Page 278: LIBRO1 (0-675).pdf

265

EJEMPLO 4

R'

HR

ZR'

ZR

H+

(Z)(Z)

H

R'R

ZZ

R'R

H+

(E)(E)

(R,R) o (S,S)

E2

(R,S) o (S,R)

E2R CHZ

CHZ

R' R CHZ

CHZ

R'

CH3 CH CHBr Br

CH2CH3E2

CH3 C CHBr

CH2CH3 + CH3 CH CBr

CH2CH3 + CH3 CHBr

CH CH CH3

[1] [2] [3] 2-Bromo-2-penteno [1] y 3-Bromo-2-penteno [2]:

Br

1H H2

Me

Et

Br

2H Et

Br

1H

Me Br E2

Me H2EtBr

2H

Br Et

1H

Br

Me

Et Br

H2

Br

1H Me E21H Et

BrMe

2

(Z)

(Z)

(2R,3R)[1]

3

23

[2]

B:

B:

Br

1H Et

Br

H2

Me

Et H2

Br

1H

Br Me E2

Br EtH2Me

2H

Br Br

Me

Et

1H

Br Et

H2

Br

Me H1E2

Me BrEt1H

2

(Z)

(Z)

(2S,3S)[1]

3

2

3 [2]

B:

B:

Br

1H Et

Me

H2

Br

Et H2

Br

1H

Me Br E2

Me EtH2Br

2H

Br Br

1H

Et

Me

Br Et

H2

Br

1H Me E21H Br

EtMe

2

(E)

(E)

(2R,3S)[1]

3

23

[2]

B:

B:

X

Page 279: LIBRO1 (0-675).pdf

266

Br

1H H2

Br

Et

Me

2H Et

Br

1H

Br Me E2

Br H2EtMe

2H

Br Et

Me

Br

1H

Et Br

H2

Br

Me H1E2

Me EtBr1H

2

(E)

(E)

(2S,3R)[1]

3

23

[2]

B:

B:

Escribe el mecanismo de formación de los estereoisómeros del compuesto [3] (Ejemplo 4) utilizando los cuatro estereoisómeros del 2,3-Dibromopentano.

E2

[3]

CH3 CH

Br

CH

Br

CH2CH3 CH3 CHBr

CH CH CH3

EJERCICIO 10.2

TIPOS DE ESTEREOISÓMEROS OBTENIDOS EN LAS REACCIONES E1 Y E2

EJEMPLO 1

E1R

HRCH2

HH

RRCH2

H+

(E)(Z)

E2

R

HRCH2

HH

RRCH2

H+

(E)(Z)

[estereoselectiva]

RCH2 CH CH2RZ

EJEMPLO 2

E1

E2

H

RR

ZR

ZR

H+

(E)(Z)

(R,R) o (S,S)* *

R

ZR

H

(Z)

[estereoespecífica]

R CHZ

CHZ

R

X

Page 280: LIBRO1 (0-675).pdf

267

E1

E2

H

RR

ZR

ZR

H+

(E)(Z)

(R,S)

(meso)

* *H

RR

Z

(E)

[estereoespecífica]

R CHZ

CHZ

R

EJEMPLO 3

E1

E2

R'

HRCH2

HH

R'RCH2

H+

(E)(Z)

R

HR'CH2

HH

RR'CH2

H+

(E)(Z)

+

(R) o (S)*

R'

HRCH2

HH

R'RCH2

H+

(E)(Z)

R

HR'CH2

HH

RR'CH2

H+

(E)(Z)

+

RCH2 CHZ

CH2R'

EJEMPLO 4

E1

E2

H

R'R

ZR'

ZR

H+

(E)(Z)

Z

R'R

H

(Z)

+

R'

HR

Z

(E)

+

R'

H2R

ZR'

ZR

H1

+

(Z)(Z)

* *(R,R) o (S,S)

R CH1 CH2 R'Z Z

E1

E2

H

R'R

ZR'

Z

H+

(E)(Z)

Z

R'

H

(Z)

+

R'

HR

Z

(E)

+

H2

R'R

ZZ

R'R

H1

+

(E)(E)

* *(R,S) o (S,R)

R CH1Z

CH2Z

R'

R R

X

Page 281: LIBRO1 (0-675).pdf

268

ESTEREOQUÍMICA Y REGIOSELECTIVIDAD EN LAS REACCIONES E1 Y E2

REACCIONES E1 Si la base puede extraer dos hidrógenos en β que no son equivalentes, se pierde preferentemente el que da lugar al alqueno más sustituido:

CH3CH2 CHBr

CH3E1 CH3 CH CH CH2

1 2+

1

2

EtO_

CH3 CH CH CH3

(Z) + (E)

CH3CH2 CH CH2

(Saytzev)

(Hofmann)

H H

Productos Saytzev:

H

HMe

HMe Me

H

HMe

H

MeH

HMe

H

Me

H

HH Me

HMeMeH

MeMeHH

+

+

(E)

(Z)

(may.)

(min.)

B:

B:

Producto Hofmann:

H

HEt

HH H

H

HEt H

HHEtH+

B:

REACCIONES E2 La extensión en la que se cumple la regioselectividad Saytzev en las reacciones E2, depende de la estructura de la cadena carbonada, de la naturaleza del grupo saliente y de la base que desencadena la eliminación. A medida que crecen el impedimento estéreo del hidrógeno en β y el tamaño de la base, el producto Saytzev va siendo menos abundante:

+

[Saytzev] (81%) [Hofmann] (19%)

CH3CH2 CHBr

CH3E2

EtO

Me3CO

_

_

CH3 CH CH CH3 CH3 CH2 CH CH2

+

[Saytzev] (47%) [Hofmann] (53%)

CH3 CH CH CH3 CH3 CH2 CH CH2

X

Page 282: LIBRO1 (0-675).pdf

269

Productos Saytzev:

H1

2HMe Me

H1

2HHMe

Me2H

(E)Br

HMe

H

H2

Me1H

H1

H2

MeH1H

MeMe

Br

HMe

HMe

Br

Br

(may.)

(min.)(Z)

MeB:

B:

Producto Hofmann:

H

HH H

H

H EtH

HHB:

Br

EtH EtH

Br

H

HH

Br

H

H

H

HH

H

1

2Saytzev

Hofmann

[Saytzev] (14%) [Hofmann] (86%)

Me3C CH2 CBr

CH3CH3

E2

EtO

Me3CO

_

_

Me3C CH C CH3

CH3+ Me3C CH2 C CH2

CH3

[Saytzev] (2%) [Hofmann] (98%)

Me3C CH C CH3

CH3+ Me3C CH2 C CH2

CH3

Producto Hofmann:

H

HH H

H

HCH2CMe3H

HHB:

Br

CH2CMe3Me

CH2CMe3Me

Br (Hofmann)

X

Page 283: LIBRO1 (0-675).pdf

270

Productos Saytzev:

H1

2HMe3C CMe3

H1

2H MeMe3C

Me2H

B:

Br

MeMe

MeMe

H2

Me3C1H

H1

H2

Me3C Me1H

MeMe3C

B:

Br

MeMe

MeMe

Br

Br

(Saytzev)

(Saytzev)

H

HH

Br

H

H

Me

HH

H

1

2Saytzev

Hofmann

APLICACIONES DE LAS REACCIONES DE ELIMINACIÓN EN SÍNTESIS

REACCIONES E1 Los cationes carbonio que se forman en las reacciones de solvolisis dan lugar con frecuencia a mezclas de productos E1 y SN1. La proporción relativa de unos y otros está determinada en parte por la basicidad del disolvente y también por la presencia de otros nucleófilos en la disolución.

(27 %) (7 %)

CH3CH2 CBr

CH3

CH3

EtOH250 CH3CH2 C CH3

CH3

+ C2H5OH

SN1

E1

CH3CH2 CCH3

CH3

O CH2CH3 (66 %)

CH3 CH CCH3

CH3 + CH3CH2 CCH3

CH2

Por ejemplo, la solvolisis en piridina (básica) conduce en general a reacciones en las que predomina la eliminación E1, mientras que la solvolisis en presencia de tiosulfato (S2O3

2-) da lugar normalmente a reacciones SN1. Cuando aumenta la sustitución en el carbono β o se eleva la temperatura se incrementa la proporción del producto de eliminación. Las reacciones E1 tienden a originar productos en los que predomina la olefina más sustituida (producto Saytzev). Ya que el grupo saliente no interviene en el paso final que da lugar a los productos, sus porcentajes relativos son independientes de los sustratos de partida:

X

Page 284: LIBRO1 (0-675).pdf

271

(36 %) (64 %)

CH3 CCH3

BrCH3

C2H5OH / H2O (80:20)

650H2C C

CH3CH3 + CH3 C

CH3

CH3

OH + CH3 CCH3

CH3

O CH2CH3

(catión sulfonio) (36 %) (64 %)

C2H5OH / H2O (80:20)

650H2C C

CH3CH3 + CH3 C

CH3

CH3

OH + CH3 CCH3

CH3

O CH2CH3CH3 CCH3

SCH3

CH3CH3

+

La deshidratación de alcoholes, catalizada por ácidos, sólo tiene aplicación en síntesis cuando no hay transposiciones de Wagner-Meerwein que den lugar a productos indeseables:

CH3 CH2OHH2SO4

1800CH3 CH2 OH2

+ H2O_CH3 CH2

+ SO4H_

CH2 CH2

H3PO4 (85 %)

OH

E1I2 (trazas) +

90-1000

(85 %) (15 %)

CH3 COH

CH3

CH2CH3 CH3 C CH2CH3CH3

CH3 CCH3

CH2CH3 + CH2 CCH3

CH2CH3

E1

H2SO4

(80 %)

C

OH

CH3

C

CH3

+C

CH2

REACCIONES E2 Las reacciones E2 se favorecen cuando la temperatura y la basicidad del reactivo nucleófilo son altas y el impedimento estéreo en el carbono β del sustrato es elevado. Si existen sustituyentes electronegativos unidos a dicho carbono, aumenta la acidez del hidrógeno susceptible de eliminación y la reacción E2 transcurre con mayor facilidad. Las bases (nucleófilos) empleados en las reacciones de eliminación son, entre otras, las siguientes:

H2O ; R3N ; CH3CO2 ; HO ; RO ; H2N ; CO3

2_ _ _ _ _

Los grupos eliminados son los mismos que en las reacciones SN2:

Cl ; Br ; I ; RSO3 ; RCO2 ; R3N: ; R2S ; HO ; RO_ _ _ _ _ _ _

La reactividad de los nucleófilos en las reacciones E2 es paralela a la basicidad de dichos nucleófilos en las reacciones de trasferencia protónica. En consecuencia, nucleófilos tales como RS¯ , que deben la mayor parte de su reactividad a una polarizabilidad elevada, tienden a producir reacciones de sustitución en lugar de eliminación. Las bases muy fuertes, como el anión amiduro H2N¯ provocan predominantemente reacciones de eliminación en sustratos primarios.

X

Page 285: LIBRO1 (0-675).pdf

272

Algunas de estas tendencias aparecen en los ejemplos siguientes:

(90 %) (10 %)

CH3CH2Br + EtO_ EtOH

550CH3CH2 O CH2CH3 + CH2 CH2

EtOH

550

(21 %) (79 %)

CH3 CHCH3

Br +_

EtO CH3 CHCH3

O CH2CH3 + CH2 CH CH3

550CH3 CH

CH3Br + EtOH CH3 CH

CH3O CH2CH3 + CH2 CH CH3

(97 %) (3 %)

EtOH

550

(100 %)

CH3 CCH3

BrCH3

+_

EtO CH2 CCH3

CH3

Las reacciones de eliminación en haluros de alquilo tiene escaso valor en síntesis, ya que dichos sustratos se obtienen normalmente a partir de alcoholes, y éstos son fácilmente deshidratables a olefinas:

HBr

H3O+

R CH2 CHOH

R

R CH2 CHBr

R

R CH CH R

Sin embargo, hay situaciones en las que la deshidrohalogenación es útil:

EtOHCl2

NaOH+CH2 CH2 ClCH2 CH2Cl CH2 CHCl

Br2 NCH3CH2CH2 CO2HPBr3

CH3CH2 CHBr

CO2H CH3CH CH CO2H

La mayor parte de las reacciones E2 son estereoespecíficas:

Br

H

C6H5

C6H5H

Me

C6H5 C6H5

HMe

(Z)

12

(1R,2R)

HO_

EtOHKOH

Br

H

C6H5

HC6H5

Me

C6H5 HC6H5Me12

(1S,2R)(E)HO

_

EtOHKOH

X

Page 286: LIBRO1 (0-675).pdf

273

Las reacciones de eliminación son muy rápidas en los ésteres β-sustituidos, ácidos, cetonas, aldehidos y nitrocompuestos. Los grupos electronegativos unidos al mismo carbono que el hidrógeno eliminado aumentan la acidez de dicho hidrógeno, facilitando la reacción.

NaOH _N

N-H

H2O

C6H5 CO

CH

H

CH2

HO_

NH2O

C6H5 CO

CH CH2 +

EtONa / H2O _Na+ CH(CO2Et)2C6H5 CH CH

CH(CO2Et)2

H

CO2Et_

EtO

C6H5 CH CH CO2Et +

La reacción de dihaluros vecinales con Zn da lugar a olefinas:

Br

Br

Me

MeH

H

Me MeHH

(Z)

2

(2S,3S)

3 + ZnBr2Me2CO

Zn

Br

Br

Me

HMe

H

Me H

MeH2

(2S,3R)

(E)

3 + ZnBr2

Zn

Me2CO

Apartado 1: ¿Qué estereoisómeros de A y B son coherentes con las reacciones del esquema?EJERCICIO 10.3

A(C5H10I2) (Z) 2-Penteno

Zn

SN2

Br_

B(C5H10Br2)

Apartado 2: ¿Cuáles son los estereoisómeros del 3-Metil-2-pentanol que conducen a los compuestos siguientes?

[A(C6H13Br) + B(C6H13Br)] 3-Metil-2-pentanolSN1 SN2

(2R,3S)

(2S,3S)

2-Amino-3-metilpentano+HBr NH3

Apartado 3: ¿Qué estereoisómeros del 2,3-Dibromobutano darán lugar a reacciones de eliminación estereo- específicas?

E2

X

Page 287: LIBRO1 (0-675).pdf

274

COMPETITIVIDAD ENTRE LAS REACCIONES DE SUSTITUCIÓN Y DE ELIMINACIÓN

DERIVADOS ALQUÍLICOS PRIMARIOS SIN IMPEDIMENTO ESTÉREO Nucleófilo básico con impedimento estéreo: normalmente E2:

Me3CO_

H CHR

CH2 O SO

OMe R CH CH2 + Me3C OH + O S

O

OMe

_

+

Me3CO_

H CHR

CH2 NMe3 R CH CH2 + Me3COH + NMe3

Nucleófilo sin impedimento estéreo: normalmente SN2, con independencia de Nu, Z y disolvente. Estas tres variables influyen en la velocidad de reacción pero no en el tipo de mecanismo.

IK + RCH2ClMe2CO

RCH2I + ClK

OH + RCH2Br RCH2OH + Br_ _

H2S + RCH2NMe3 H2S_CH2R + NMe3++

Br + RCH2-OH2 RCH2Br + H2O+_

Me3N + RCH2I RCH2NMe3 + I+ _

Reactividad: MeCl >> MeCH2Cl > MeCH2CH2Cl ≅ Me(CH2)nCH2Cl [modelo]: RCl RIIK

Me2CO;

DERIVADOS ALQUÍLICOS PRIMARIOS CON IMPEDIMENTO ESTÉREO Dos sustituyentes β (tipo neopentilo): Normalmente SN1 + E1 (transposiciones de Wagner-Meerwein)

SN1

E1

transp. de W-MCH3 C

CH3

CH3

CH2BrH2O

CH3 CCH3

CH3

CH2+

CH3 CCH3

CH2 CH3+

CH3 COH

CH3

CH2CH3

CH3 CCH3

CH CH3

Un sustituyente β o dos γ: Normalmente SN2 (mayoritario) + E2 (minoritario)

_EtO+ CH3 CH

CH3CH2 O CH2CH3 + CH3 C

CH3CH2CH3 CH

CH3CH2Br

X

Page 288: LIBRO1 (0-675).pdf

X

275

Normalmente S

CH3 CCH3

CH3

CH2CH2Br +_

EtO CH3 CCH3

CH3

CH2CH2 O CH2CH3 + CH3 CCH3

CH

CH3

CH2

Reactividad: R CH2CH2CH2 Z > R CHR'

CH2 Z R CR'

R''CH2CH2 Z >>> R C

R'

R''CH2 Z

DERIVADOS ALQUÍLICOS PRIMARIOS QUE ORIGINAN CARBOCATIONES ESTABILIZADOS

N1 muy rápida:

+SN1 NuCH2 CH CH2Cl CH2 CH CH2

+H2CHCH2C

_

CH2 CH CH2 Nu

+

+SN1 Nu...CH2 CH2*

*

*

*

Qmax

C6H5 CH2Cl

_

C6H5 CH2 Nu

DERIVADOS ALQUÍLICOS SECUNDARIOS

Nu poco y disolvente muy polar: SN1

Nu muy r y disolvente poco polar: SN2

reactivo

eactivoNormalmente:

_

_

Page 289: LIBRO1 (0-675).pdf

276

SUSTITUCIÓN – ELIMINACIÓN [ I ]

se forma un alqueno por E2

¿es Nu- una base fuerte impedida? (p.e. t-BuO-)

dos sustituyentes β (R' y R'') (tipo neopentilo)

R-C-CH2-Z

R'

R''

un sustituyente β (R')

R-C-CH2-Z

R'

H

R-C-CH2CH2-Z

R'

dos sustituyentes γ (R' y R'')

carbocationesestabilizados del tipo:

SI

SN2 lenta

NO

(SN1 + E1)

transposiciones de Wagner-Meerwein endisolventes muy polares

SN2 (mayoritario)

E2 (minoritario)

SN1 muy rápida

(lo mismo para secundarios)

PRIMARIOcon impedimento estéreo

PRIMARIOsin impedimento estéreo R-C-Z

H

H

¿qué tipo de sustituciónpresenta el C unido a Z?

¿es Z un buen grupo saliente?

SI

NONO HAY REACCIÓN

R''

R-CH-CH=CH2+

+R-CH-C6H5

X

Page 290: LIBRO1 (0-675).pdf

X

277

¿es Nu- una base fuerte? (p.e. RO-)

SI

SN2moderadamente rápida

¿qué tipo de sustituciónpresenta el C unido a Z?

¿es Z un buen grupo saliente?

SI

NONO HAY REACCIÓN

SECUNDARIOR Z

R HTERCIARIO

R Z

R Rse forma un alqueno por E1 o E2

¿el disolvente es polar? ¿es Nu- una base fuerte? (p.e. RO-)

¿es Nu- un buen nucleófilo, débil o moderadamente básico? (p.e. : I-, Br-, RS-)

SN1 rápida

reacción muy lenta(no útil en síntesis)

SI

NO

¿el disolvente es polar?SI

se forma un alqueno por E2

NO

SI

¿el disolvente es polar?

SN1 lenta

SI

SI

NO

NO NO

NO

SUSTITUCIÓN – ELIMINACIÓN [ II ]

Page 291: LIBRO1 (0-675).pdf

278

EJERCICIOS ADICIONALES

10.1 Cuando el estereoisómero ópticamente inactivo del 2,3-Dibromobutano se somete a una reacción de eliminación E2, con metóxido sódico en metanol, se obtienen varios compuestos de fórmula molecular C4H7Br. Haz un esquema de las reacciones que tienen lugar y nombra de forma inequívoca todos los compuestos que se obtienen. 10.2 La reacción del 3-Fenil-2-yodo-butanoato de etilo con nitrato de plata en etanol, da lugar a una mezcla de cuatro estereoisómeros de fórmula molecular C12H O14 2. Sabiendo que la cinética de la reacción es de primer orden, averigua la estructura de dichos compuestos y explica cuáles de ellos serán mayoritarios. Teniendo en cuenta que la sustancia de partida tiene dos átomos de carbono asimétricos, indica si su configuración absoluta influye en la estereoquímica de los productos que se obtienen. 10.3 Averigua la configuración absoluta del compuesto A(C10H Cl): 13

A + IK

(2S,3S) + (2R,3S)-3-Fenil-2-yodobutano

2-Fenil-2-yodobutano (racémico)

A + EtONa (Z) 2-Fenil-2-buteno + (3R) 3-Fenil-1-buteno

H2O

EtOH

Una vez conocida la estructura de A, escribe todas las reacciones que conducen a los compuestos indicados en los esquemas. 10.4 Averigua la configuración absoluta de las moléculas que constituyen el racémico A(C9H10ClBr):

A (racémico)E2

(Z) B(C9H9Br) 1-Fenilpropino

(Z) C(C9H9Cl) 1-Fenilpropino

_EtO

HO

HO

_

_

H2O

H2O

MeCOCH2CO2Et + EtO_

Econc.HO

_C6H5CH2 CH CH2CO2H

MeB

H2

[Pd]D(C9H11Br)

MeCOCH2CO2Et + EtOconc.

_HO

_CH3CH2 CH CH2CO2H

C6H5

CH2

[Pd]F(C9H11Cl) H

X

Page 292: LIBRO1 (0-675).pdf

279

10.5 Averigua la estereoquímica de los compuestos que aparecen en las siguientes secuencias de reacciones. Secuencia 1:

B(C4H9OBr) (racémico)SN2

C(C4H8IBr) (racémico)E2

(Z) 2-Bromo-2-buteno + (Z) 2-Yodo-2-butenoA EtO_

HOBr IH

Secuencia 2:

D(C6H10O3) + E(C4H9Br)SN2

HO (conc.)

HO (dil.)

Ácido (3S) 3-Metilpentanoico

(4S) 4-Metil-2-hexanona

EtO_

_

_

F(C10H18O3)

10.6 Averigua la estereoquímica de los compuestos que aparecen en las siguientes secuencias de reacciones (los estereoisómeros de cada compuesto están colocados entre corchetes) Secuencia 1:

(Z) 1-Bromo-3-fenil-2-butenoNaOH, H2O(20%) [A + B] + [C] (%A = %B = %C)

250C Secuencia 2:

(3R,4R) 3-Cloro-4-metilhexanoEtO , EtOH

_[A + B] + [C] (%A = %B %C)~_

650C Secuencia 3:

2,2-Dimetil-1-yodopentano [A + B] + [C] (%A > B >> %C) + [D + E] (%D = %E)H2O

500C 10.7 Averigua la estereoquímica de los compuestos que aparecen en el esquema y explica cuál será la abundancia relativa de los compuestos B, D y F.

A(C4H8BrI)

E2B [(Z) + (E)]

D [(Z) + (E)] + F(C4H7I)

H2

[Pd]1-Bromobutano

(2R)-1,2-ButanodiolOH-(dil.)

SN2 10.8 Apartado 1: Realiza la síntesis de los compuestos H y G:

1-Yodo-2-metilbutano H2C(CO2Et)2 + EtO 1)HO-

2)H3O+, QG

_

H

X

Page 293: LIBRO1 (0-675).pdf

280

Apartado 2: Una vez conocidas las estructuras de H y G, averigua las de D, E y F:

MeCOCH2CO2Et + EtO

E(C5H11Cl)

1)HO- (conc.)

2)H3O+, QG

MeCOCH2CO2Et + EtO

_

_

D(C5H11I)

F

Apartado 3: ¿Qué estructura tienen los compuestos B y C?

(E) C(C5H9Cl)

(Z) B(C5H9I)

E(C5H11Cl)

D(C5H11I)H2

[Pt]

H2

[Pt] Apartado 4: Finalmente, averigua la configuración absoluta de los enantiómeros que constituyen el racémico A.

(Z) B(C5H9I)

(E) C(C5H9Cl)

A(C5H10ICl) EtONaEtOH

(único producto de reacción)

(único producto de reacción) 10.9 El tratamiento del (1S,2S)1-Fenil-1,2-propanodiol con HBr acuoso da lugar a un único producto de reacción (1) (C H Br9 10 2) Si (1) se somete a una reacción de eliminación bimolecular se obtienen dos compuestos ópticamente inactivos [(2) y (3)] y otro que presenta actividad óptica (4) Con estas tres sustancias se llevan a cabo las siguientes trasformaciones:

(1) (C9H10Br2) E2

(2)

(3)

(4)

[(5) + (6)]

[(9) + (10)]

E1

SN2

[(7) + (8)]

[(11) + (12)]

SN1[(13) + (14)] + [(15) + (16)]

H2

HO_

HO_

H2[Pd]

[Pd]NH3

Apartado 1: Ordena los compuestos (2), (3) y (4) de acuerdo con su abundancia relativa. Apartado 2: Escribe el mecanismo de todas las reacciones utilizando representaciones tridimensionales, y asigna la configuración absoluta a cada uno de los estereoisómeros que aparecen.

X

Page 294: LIBRO1 (0-675).pdf

11. REACCIONES DE ADICIÓN NUCLEÓFILA A GRUPOS CARBONILO

GENERALIDADES Los sustratos más comunes en este tipo de reacciones son los aldehidos y las cetonas:

δ+

δ−

μ = 2,73 D μ = 2,84 D

C

O

Me Hδ+

δ−

C

O

Me Me

Los nucleófilos que se utilizan son, entre otros, los siguientes:

Nu_

: H ; R_OH ; R_NH2 ; R_NH_R ; H2N_NH2 ; NC ; ; RCH2_ __

: :_: R C C

Mecanismo general:

Nu

R

R

C O_ Nu C_

R'

R

O HB Nu C

R'

R

OH

En el estado de transición la aglomeración de grupos en torno al átomo del C=O aumenta:

C

O

R'R

Nu_

C

R'R

O

δ+

δ_

C

R'R

O_

Nu Nu

Por este motivo, la velocidad de reacción sigue el orden:

H C H

O

> R C H

O

R C R

O

> ' Las cetonas son bastante menos reactivas que los aldehidos, y si existen grupos alquilo unidos al Cα la reactividad disminuye todavía más:

CH3__CO__CH3 CH3

__CO__CH__CH3> > CH3__CO__C__CH3 > > CH3

__C__CO__C__CH3

CH3

CH3

CH3 CH3

CH3 CH3CH3

XI

Page 295: LIBRO1 (0-675).pdf

282

Dependiendo del nucleófilo empleado se obtienen los siguientes tipos de compuestos:

Nucleófilo Sustrato

H

R OH

(imina, base de Schiff)R NH2

(enamina)

H2N NH2 (hidrazona)

R NH R

(cianhidrina)NC_

CH (alcohol)R C :_

R CH2

_(alcohol)

R'CH2 C R''

O

Producto

R'CH2 CH

O

R''

H

R'CH2 C

OR

OR

R''

R'CH2 C

R''

NR

R'CH C

R''

NR2

R'CH2 C NR''

NH2

R'CH2 C

OH

CN

R''

R'CH2 COH

R''C C R

R'CH2 COH

R''CH2R

_

ESTEREOSELECTIVIDAD EN LA ADICIÓN NUCLEÓFILA. REGLA DE CRAM En las reacciones de adición nucleófila, el átomo de carbono del grupo carbonilo puede transformarse en un átomo de carbono asimétrico, dependiendo del tipo de nucleófilo empleado y de los radicales alquilo que están unidos inicialmente al C=O.

NC C O

Me

Et

_C O

Me

Et

NC_ HB

C OH

Me

Et

NC *

XI

Page 296: LIBRO1 (0-675).pdf

283

Si el compuesto carbonílico y el nucleófilo no son quirales se obtiene una mezcla equimolecular de dos enantiómeros (racémico):

C OEt

Me

1

2

NC_

OEt

NC

Me_

O

Et

NC

Me_1

2

HB

HB

OH

Et

NC

Me

OHEt

NC

Me

Sin embargo, cuando el compuesto carbonílico es quiral, la probabilidad de que el nucleófilo reaccione por cada una de las dos caras del grupo carbonilo no es la misma. El impedimento estéreo hace que la reacción por una de las caras esté favorecida, y el resultado es una mezcla de diastereoisómeros en proporciones diferentes (inducción asimétrica):

H

Me

O

H

Me

H

Me

1 menor impedimento

mayor impedimento

Nu_

1

2

(producto mayoritario)

(producto minoritario)2

Nu

OH

OH

Nu

El diastereoisómero mayoritario se forma cuando el nucleófilo reacciona con el grupo carbonilo por el lado menos impedido, y la conformación del sustrato es aquella en la que el grupo carbonilo está flanqueado por los grupos menos voluminosos unidos al Cα asimétrico.

Cα COMeC6H5

H

Me

*

[grupo pequeño]

[grupo mediano]

[grupo grande]

Conformaciones más favorecidas en relación con el grupo carbonilo:

O

MeC6H5

MeH

3 y

O

MeC6H5

HMe

3

(3S)

H Me

C6H5

OMe H

C6H5

O

(Me) (Me)

[grupo carbonilo flanqueado por los grupos menos voluminosos: H y Me]

(3R)

XI

Page 297: LIBRO1 (0-675).pdf

284

La regla de Cram se refiere a la reacción de uno de los estereoisómeros que forman la pareja de enantiómeros, no a la reacción del racémico con el nucleófilo.

G grupo de mayor tamaño grupo medianoM grupo de menor tamañoP

O

RG

MP

*

P M

G

O

(R)

P M

G

O

P M

G

O

_

_

RNu

NuR

Nu_

1

2

21

HB

HB

P M

G

OH

RNu

P M

G

OH

NuR

[1]

(mayoritario)

[2]

(minoritario)

carbonoasimétrico

El nucleófilo se aproxima por el lado en que están situados P y G:

M

PG

O

R

1

Nu_

M

PG

RO

Nu

_M

PG

ROH

NuHB

[1]

(mayoritario)

El nucleófilo se aproxima por el lado en que están situados M y G:

P

GM

O Nu_

P

GM

OR

Nu

P

GM

OHR

NuHB

[2]

(minoritario)

R

2

_

La regla de Cram sólo es aplicable a reacciones sometidas a control cinético, en las que los complejos activados (estados de transición) tienen energías diferentes y los productos se forman a velocidades distintas.

APLICACIONES DE LAS REACCIONES DE ADICIÓN NUCLÓFILA EN SÍNTESIS

FORMACIÓN DE ENLACES C−H

REDUCCIÓN CON HIDRUROS METÁLICOS Los hidruros metálicos más utilizados en la reducción de moléculas con grupos carbonilo son el hidruro de litio y aluminio (LiAlH4) y el borohidruro sódico (NaBH4) El hidruro de litio y aluminio reacciona con compuestos que tienen hidrógenos ácidos (agua, alcoholes y ácidos carboxílicos, por ejemplo):

XI

Page 298: LIBRO1 (0-675).pdf

285

_+LiAlH4 + 4H2O

rápidaLi Al(OH)4 4H2

+

Para utilizarlo como agente reductor, el disolvente empleado en la reacción tiene que ser anhidro (exento de agua) El disolvente más común es el dietil éter. El borohidruro sódico también reacciona con el agua y los alcoholes:

NaBH4 + 4CH3CH2OH lenta Na B(OEt)4 + 4H2

_+

En este caso la reacción es mucho más lenta y, de hecho, los alcoholes y el agua pueden utilizarse como disolventes. Ambos reactivos son fuentes de anión hidruro (H−), el nucléfilo que se adiciona al grupo carbonilo provocando su reducción:

1)LiAlH4, Et2O

2)H3O+ CH3__(CH2)5

__CH2OH

Heptanal

1-Heptanol

(86 %)

CH3 (CH2)5 CO

H

O1)LiAlH4, Et2O

2)H3O+

OH

Ciclobutanona

Ciclobutanol

(90 %)

1)LiAlH4, Et2O

2)H3O+ CH2__CH2

__OH

Ac. fenilacetico 2-Fenil-1-etanol

(92 %)

CH2 CO

OH

1)LiAlH4, Et2O

2)H3O+ CH2OH

Benzoato de etiloAlcohol bencilico

(90 %)

C

O

OEt

N__C__Me

O1)LiAlH4, Et2O

2)H3O+

N-Metilacetanilida (91 %)

Me

N___CH__Me

Me

N-(1-Hidroxietil)-N-metilanilina

OH

1)LiAlH4, Et2O

2)H3O+CH3

__(CH2)11__CH2NH2

Tridecanonitrilo Tridecilamina

(90 %)

CH3 (CH2)11 C N

XI

Page 299: LIBRO1 (0-675).pdf

286

Mecanismo de la reducción de un éster:

+ H4AlLiEt2O

2 R__CH2O_

+ Al(OR')2 + Li+4H3O++

R CO

OR'2

2R__CH2OH + 2R'OH + Li+ + Al3+ + 4H2O

Cada molécula de H4AlLi reduce dos moléculas de éster. Reducción de la primera molécula:

H__AlH3

_Li+

R__C__H

O

OR'

_Li+

AlH3

R__C__H

O: : Li+

OR'

R__C__H

O

H

_: : Li+

+ R'O__AlH2+AlHH

R C

O

OR'

Reducción de la segunda molécula:

R__C

O

OR'

H__AlH__OR' R__C__

O

OR'

H

_

AlHOR'

R__C__H

O: :

H__Al(OR')2

+

: :_

Al(OR')2+

R C H

H

O

Una vez finalizada la reducción se añade un ácido mineral (H3O+):

2R__CH2__O

_+ Al(OR')2

++ Li+ + 4H3O+ 2R__CH2OH + 2R'OH + Al3+ + Li+ + 4H2O

El borohidruro sódico (NaBH4) es menos reactivo que el H4AlLi y, por consiguiente, más selectivo. En condiciones ordinarias no reacciona con ésteres, amidas, nitrilos y nitrocompuestos:

CH3__C__CH2

__CH2__CO2Et

H4BNa

H2OCH3

__CH__CH2CH2__CO2Et

OH

4-Oxopentanoato de etilo 4-Hidroxipentanoato de etilo

O

NC__CH2CH2__C__H

H4BNa

EtOHNC__CH2CH2

__CH2OH

3-Cianopropanal 4-Ciano-1-propanol

O

CH3__CH2

__C__CH3

OH4BNa

H2O(87 %)2-Butanona

2-Butanol

CH3_CH2

_CH_CH3

OH

XI

Page 300: LIBRO1 (0-675).pdf

287

CH3CH2CH2__C__H

OH4BNa

H2O(85 %)Butanal

1-Butanol

CH3CH2CH2__CH__H

OH

Compuesto LiAlH4 NaBH4 Producto

R__CHO R__CH2OH

R__CO__R' R__CHOH__R'

R__CO2H R__CH2OH

R__CO2R' R__CH2OH + R'__OH

R__CN R__CH2NH2

R__NO2 R__NH2

Ar__NO2

R__X R__H

+

+

+

+

+

+

+

+

+

OXIDACIÓN DE ALCOHOLES (OXIDACIÓN DE SWERN) La oxidación de Swern transforma los alcoholes primarios en aldehidos y los secundarios en cetonas. Los reactivos empleados son: sulfóxido de dimetilo (Me2S=O), dicloruro de oxalilo (Cl-CO-CO-Cl) y una base tipo trietilamina (Et3N):

Me3C__CH__CH3

OHSwern Me3C__C__CH3

O

3,3-Dimetil-2-butanolterc-Butil metil cetona

(76 %)

La reacción transcurre en tres etapas. Etapa 1: Formación del catión clorodimetilsulfonio.

SMe

MeO: + Cl

_C

O

ClC

O

Cl SMe

Me

O C

O

Cl

C

O

Cl

_+

SMe

Me

O C

O

C

O

Cl+

Cl_

S

Me

Me

O C

O

C

O

Cl+:

+Cl__S__Me

Me

Clorodimetil- sulfonio

_O C O+ + C O + Cl

XI

Page 301: LIBRO1 (0-675).pdf

288

Etapa 2: Reacción del alcohol con el catión clorodimetilsulfonio.

+: +

Cl_

+HClRCH2 O S

MeMe

+RCH2 O S

MeMe

H

+RCH2 O

H

: SMe

MeCl

Etapa 3: Reacción de oxidación-reducción.

+H__NEt3 +

_

Sulfuro de dimetilo

RH2 O S

CH2

Me

H :NEt3

+R C

H

HO S

CH2

Me

:+

R CH

O + Me S Me

FORMACIÓN DE ENLACES C−O

REACCIÓN CON ALCOHOLES Los aldehidos y las cetonas reaccionan con los alcoholes originando acetales:

+ CH3OHH3O+ CH3OH

H3O+

hemiacetal acetal

R CO

H R CHOH

OCH3 R CHOCH3

OCH3

+ CH3OHH3O+ CH3OH

H3O+

hemiacetal acetal

R CO

R' R COH

OCH3 R COCH3

OCH3R' R'

Mecanismo de formación de un acetal:

H___B

HO__R'

+ HBR C

O

R

: :

R C

O

R

: BH :_+

R C

O

R

: H

OH R'+

:B_

R C

O

R

: H

O R':

hemiacetal

R C

O

R

:H

O R':

hemiacetal

H___B

:B_

+ R C

OH2

R

O R':

+

H2O_

R C R

O R':

+

HO__R'

R C R

O R':

O R'H+

:B_

R C R

O R':

O R':

acetal

+ HB

XI

Page 302: LIBRO1 (0-675).pdf

289

Si en lugar de emplear un alcohol con un solo grupo hidroxilo se utiliza un glicol, se obtienen acetales cíclicos. El glicol más utilizado es el etilenglicol (HOCH2-CH2OH):

(acetal cíclico de un aldehido)R C

O

H

::

+ HOCH2__CH2OH

H3O+ OC

O CH2

CH2R

H

R C

O

R'

::

+ HOCH2__CH2OH

H3O+ OC

O CH2

CH2R

R'

(acetal cíclico de una cetona)

Escribe el mecanismo de la reacción entre la ciclohexanona y el etilenglicol en medio ácido:

O + HOCH2__CH2OH

H3O+

O

O+ H2O

EJERCICIO 11.1

La reacción de formación de acetales es reversible; esto significa que, en medio ácido, los acetales se transforman en el alcohol y el aldehido o la cetona de partida:

O + HOCH2__CH2OH

H3O+

O

O

+ HOCH2__CH2OH

H3O+

O

OC__HO

Por el contrario, los acetales son muy estables frente a las bases. Su fácil ruptura por los ácidos, combinada con la ausencia de reactividad frente a las bases, hace que sean muy útiles para proteger grupos carbonilo.

Escribe el mecanismo de la siguiente reacción de hidrólisis:EJERCICIO 11.2

O + HOCH2__CH2OH

H3O+

O

O

EJEMPLO DE PROTECCIÓN DE UNA CETONA EN FORMA DE ACETAL Imagina que se pretende realizar la siguiente reacción:

CH2CH2__CN

reducciónCH2CH2

__CH2NH2

O

2-(2-Cianoetil)-ciclohexanona 2-(3-Aminopropil)-ciclohexanona

O

XI

Page 303: LIBRO1 (0-675).pdf

290

Se trata de convertir el nitrilo en una amina, dejando intacto el grupo carbonilo. Es una reducción que puede hacerse empleando hidruro de litio y aluminio; sin embargo, el H4AlLi también reducirá la cetona, convirtiéndola en un alcohol secundario. La estrategia a seguir es muy simple: primero se protege el grupo carbonilo en forma de acetal, a continuación se lleva a cabo la reducción y, finalmente, se regenera el grupo carbonilo hidrolizando el acetal:

CH2CH2__CN

O

HOCH2__CH2OH

H3O+

OOCH2CH2CN

1)H4AlLi

2)H3O+

OOCH2CH2

__CH2NH2

CH2CH2__CH2

_NH3 CH2CH2__CH2NH2

OO

H3O++

HO (dil.)_

¿Cómo llevarías a cabo la siguiente transformación?

1)Na+NH2

2)CH3I5-Hexin-2-ona 5-Heptin-2-ona

CH3 CO CH2CH2 C CH CH3 CO CH2CH2 C C CH3

_

EJERCICIO 11.3

EJEMPLO DE PROTECCIÓN DE UN ALCOHOL EN FORMA DE TETRAHIDROPIRANIL ÉTER Hay ocasiones en las que es necesario proteger el grupo hidroxilo de los alcoholes, para poder llevar a cabo transformaciones en otra parte de la molécula. Por ejemplo (Tema 9):

CH3__CH__CH2CH2Br CH3

__CH__CH2CH2__CH2CH2OH

O

1)Mg

2)

OH OH

Ahora se plantea un problema distinto: los magnesianos reaccionan con los hidrógenos ácidos, dando lugar al hidrocarburo correspondiente:

BrMg___R'

RO____H

BrMg+ R'__H

OR

Si se pretende obtener el magnesiano de una molécula que tiene un grupo OH sucede lo siguiente:

+BrCH2CH2 CHCH3

O H

BrMg CH2CH2CHCH3OH

BrCH2CH2 CHCH3

OMgBr

CH2CH2CHCH3OH

H

El magnesiano se destruye y no tiene lugar su reacción con el oxirano. La forma de evitar esta reacción, que impide llevar a cabo la síntesis, consiste en proteger el grupo OH.

XI

Page 304: LIBRO1 (0-675).pdf

291

Una forma de hacerlo es preparar el tetrahidropiranil éter del alcohol:

RCH2OH +O

Dihidropirano

TsOH

250CRCH2

__OO

RCH2__O__THP

tetrahidropiranil éter

O

THP

(tetrahidropiranilo)

Mecanismo de la reacción:

OH___OTs

OH

H

+ O O__R

H

+TsO

__

TsO_

O O__R+ TsOH

tetrahidropiranil éter

:ORH

La síntesis que pretendemos realizar es la siguiente:

+O

CH3 CH

OH

CH2CH2MgBr CH3 CH

OH

CH2CH2 CH2CH2OH

Primer paso: Protección del alcohol.

O

O

CH3 CHOH

CH2CH2Br +TsOH CH3 CH

O

CH2CH2Br

Segundo paso: Formación del magnesiano.

Mg

Et2Omagnesiano con el OH protegido

O

CH3 CH

O

CH2CH2Br CH3 CH

O

CH2CH2MgBr

THP

Tercer paso: Reacción del magnesiano con el oxirano.

CH3__CH__CH2CH2

__MgBr

O__THP

+O

CH3__CH__CH2CH2

__CH2CH2__OMgBr

O__THP

CH3__CH__CH2CH2

__CH2CH2__OH

O__THPNH4

+Cl_

H2O+ Mg2+ + Br

_

XI

Page 305: LIBRO1 (0-675).pdf

292

Cuarto paso: Hidrólisis del tetrahidropiranil éter del alcohol.

CH3__CH__CH2CH2

__CH2CH2OH

O OH3O+

CH3__CH__CH2CH2

__CH2CH2OH

OH

+O

Se pretende realizar la siguiente reacción de alquilación (Tema 9)EJERCICIO 11.4

O

CH2OHHOCH2

1)ter-BuO K+

2)ICH3

_

O

CH2OHHOCH2

CH3

Esta síntesis plantea un problema: el anión terc-butóxido que se utiliza para formar el enolato de la cetona es una base fuerte (pKa 19) que reaccionará con los grupos OH (pKa 16) dando lugar a un anión alcóxido:

O

CH2OHHOCH2

ter-BuO K+_

O

CH2OOCH2__

Este dianión reacciona con el yoduro de metilo:

O

CH2OOCH2__

I___CH3 CH3___I

O

CH2O__CH3OCH2CH3

¿Cómo protegerías los dos grupos OH para impedir esta reacción secundaria?

Ayuda: debes formar un acetal.

FORMACIÓN DE ENLACES C-N

REACCIÓN CON AMINAS PRIMARIAS Los aldehidos y las cetonas reaccionan con las aminas primarias en una secuencia de adición nucleófila seguida de eliminación; el resultado son unos compuestos conocidos como iminas o bases de Schiff:

C__H

O

+ H2N__CH3benceno

QCH N__CH3 + H2O

Benzaldehido(70 %)

N-Bencilidenmetilamina

XI

Page 306: LIBRO1 (0-675).pdf

293

O

+benceno

QN__CH2

__CH__CH3

(79 %)

N-Ciclohexilidenisobutilamina

+ H2OCH3

CH3_CH_CH2

_NH2

CH3

Mecanismo de la reacción (catálisis ácida pH 3-5; tampón AcOH + AcONa)

_

aminoalcohol

:HNR'

H

CR

R

O

H___OAc

R'__NH2

:

C

R

R

O

AcO_

+adiciónR' NH C

RR

OH

: H___OAc

+

eliminaciónH2O+R' NH C R

R

R' N C

H2O

RRH

R' N CH

RR

+

AcO_

++ AcOH

imina(base de Schiff)

R' N C R

R

H

R' N C RR

REACCIÓN CON AMINAS SECUNDARIAS Las aminas secundarias reaccionan con aldehidos y cetonas dando lugar a enaminas:

CH3CH2__C__H + CH3

__NH__CH3AcOHAcONa

CH3CH2__CH__N__CH3

H2O_

N-(1-Propenil)-dimetilamina

O

OH

CH3

CH3CH CH N CH3

CH3

O + HNAcOHAcONa

N

OHH2O_

N

N-(1-Ciclopentenil)-pirrolidinaPirrolidina

Escribe el mecanismo de la reacción entre la Ciclohexanona y la Pirrolidina.EJERCICIO 11.5

XI

Page 307: LIBRO1 (0-675).pdf

294

G. Stork descubrió que las enaminas son compuestos análogos al enolato de la cetona de partida. Porejemplo, se pueden llevar acabo reacciones de alquilación (Tema 9) en la enamina y recuperar la cetona alquilada mediante una reacción final de hidrólisis:

EJERCICIO 11.6

O +NH

AcOHAcONa

N

enamina

+ H2O

Ciclohexanona

N + R__X bencenoQ

N+

R

+ X_

NH

N+

R

H2O

Q

OR

+

Ciclohexanona alquilada

Escribe el mecanismo de todas las reacciones y comprueba que la enamina se comporta como el anión enolato de la Ciclohexanona.

REACCIÓN CON HIDRAZINA Los aldehidos y las cetonas reaccionan con hidracina (H2N-NH2) y dan lugar a un tipo de compuestos llamados hidrazonas:

Q+ H2N__NH2

hidrazona del PropanalCH3CH2 C

OH CH3CH2 CH

OHNH NH2 CH3CH2 CH N NH2

O

+ H2N__NH2

NH__NH2HO

Q

N__NH2

hidrazona de la Cicloexanona

Las hidrazonas se descomponen en medio básico; el grupo carbonilo del aldehido o de la cetona se transforma en un metileno:

H2N__NH2 NaOHQ

CH3__(CH2)5

__CH2__CH3

(75 %)

Octano

CH3 (CH2)5 CO

CH3 CH3 (CH2)5 C

N

CH3

NH2

Se trata de la reducción más extrema de un grupo carbonilo, ya que el oxígeno es sustituido por dos átomos de hidrógeno. La reacción recibe el nombre de reducción de Wolff-Kishner y conduce al mismo resultado que la reducción de Clemennsen.

XI

Page 308: LIBRO1 (0-675).pdf

295

FORMACIÓN DE ENLACES C-C

REACCIÓN CON ANIÓN CIANURO

Los aldehidos y las cetonas reaccionan con anión cianuro (NaCN o KCN), dando lugar a un ión alcóxido que en medio ácido se transforma en una cianhidrina:

R

RO_

_ H___OH2+

C__R

OH

+ H2O

R

ión alcóxido cianhidrina

N CC__R

O

R

N CN C

CH2CHO + CN_

CH2__CH__CN

_

H3O+CH2

__CH__CN

OH

Fenilacetaldehido

2-Hidroxi-3-fenilpropanonitrilo

(67 %)

O

CH3__CO__CH3 + CN

__

H3O+

(78 %)

2-Hidroxi-2-metilpropanonitrilo

CH3 CO

CH3

CN CH3 COH

CH3

CN

Las cianhidrinas son útiles en síntesis, debido a la presencia de los grupos HO y CN; el hidroxilo puede dar lugar a reacciones de eliminación (obtención de olefinas) y el CN es susceptible de transformarse en carboxilo (Tema 9):

(90 %)

Metacrilato de metilo

CH3__CO__CH3

1)NaCN

2)H3O+

(78 %)

CH3 COH

CH3

CNCH3OH

H2SO4CH2 C

CH3CO

OCH3

CH3__CHO

1)NaCN

2)H3O+H3O+

Ác. 2-hidroxipropanoicoQ

(Ác. láctico)

CH3 CHOH

CN CH3 CHOH

CO

OH

¿Cuál será la configuración absoluta del ácido láctico obtenido mediante la reacción anterior?EJERCICIO 11.7

XI

Page 309: LIBRO1 (0-675).pdf

296

REACCIÓN CON ANIONES ACETILURO

Los alquinos con el triple enlace al final de la cadena reaccionan con sodio en amoniaco líquido, dando lugar al anión acetiluro correspondiente (Tema 9)

Na + NH3 (liq.)330_

NH2 Na+ + 1/2 H2

_

+_

NH2_

+ NH3

pK 26 pK 36 aniónacetiluro

Keq 1010R C C H R C C:

El anión acetiluro se adiciona al grupo carbonilo de aldehidos y cetonas, originando alcoholes acetilénicos:

_

Formol

_

H3O+

alcohol primarioR C C: R C C C H

O

HR C C CH2OHC

O

HH

_

_

H3O+

R C C: R C C C HO

R'R C C CH

alcohol secundario

OH

R'C

O

R'H

_

_

H3O+

R C C: R C C C R'

O

R''

R C C C

OH

R'

alcohol terciario

R''C

O

R''R'

Reacción global: _

H3O+Na+

R'_CO_R''Et2O

Na+R C C HNa

NH3 (liq.)

_R C C: R C C C R'

O

R''R C C C R'

OH

R''

Escribe las reacciones que conducen a 1-Fenil-2-propin-1-ol y (1-Propinil)-1-ciclohexanol partiendo de Benzal-dehido, Ciclohexanona y el hidrocarburo acetilénico que consideres conveniente.

EJERCICIO 11.8

REACCIÓN CON COMPUESTOS ORGANOMAGNÉSICOS Reactivos organomagnésicos (magnesianos, reactivos de Grignard) (Tema 9, p. 229):

R__X + Mg R__Mg__X (haluro de alquil magnesio)

R Ar R (alquilo); ; ; ; ;CH2 CH CH2 CH CH2 CH C ArCH2

XI

Page 310: LIBRO1 (0-675).pdf

297

Los magnesianos reaccionan con hidrógenos ácidos, oxígeno y CO2: Los compuestos con átomos de hidrógeno ácidos destruyen el magnesiano, transformándolo en el hidrocarburo correspondiente al haluro de alquilo de partida:

X__Mg__CH2__R

Z___H

+

[ Z HO (agua) ; RO (alcohol) ; ArO (fenol) ; RCO2 (ácido) ; RCONH (amida)]

X MgZ

CH2 RH

La reacción con oxígeno conduce a alcoholes primarios:

R__CH2__MgX

1)O2

2) H3O+R__CH2OH

X__Mg__CH2R XMg

O____O

CH2R

RCH2____MgX

RCH2

O

MgX

+

RCH2

O

MgXH3O+

RCH2OH + Mg2+ + 2X_

22

O O

La reacción con CO2 origina ácidos carboxílicos:

R__CH2__MgX

1)CO2

2) H3O+ R__CH2CO2H

X__Mg

RH3O+

+ Mg2+ + X_

C

O

O

R CO

O Mg X

R CO

OH

SÍNTESIS DE ALCOHOLES Los magnesianos reaccionan con aldehidos, cetonas y ésteres dando lugar a alcoholes:

Formol

XMg

R C

O

H

H

XMg

R CH2

OH3O+

R__CH2OHalcohol primario

+ Mg2+ + X_

XMg

R C

O

HR'

aldehido

XMg

R C

O

HR'

H3O+R C

OH

HR'

alcohol secundario

+ Mg2+ + X_

XI

Page 311: LIBRO1 (0-675).pdf

298

cetona alcohol terciario

XMg

R C

O

R''R'

XMg

R C

O

R''R'

H3O+R C

OH

R''R' + Mg2+ + X

_

Conviene darse cuenta que los radicales R, R’ y R’’ son intercambiables. Es decir, la síntesis de cualquier alcohol secundario puede realizarse a partir de dos aldehidos y dos magnesianos distintos; análogamente, la obtención de un alcohol terciario se puede llevar a cabo utilizando tres cetonas y tres magnesianos diferentes. Síntesis de un alcohol secundario:

R' C

O

H1 R__MgX + R' CH

O

R

MgXH3O+

R' CH

OH

R

R C

O

H2 R'__MgX + R CH

O

R'

MgXH3O+

R CH

OH

R' Síntesis de un alcohol terciario:

R' C

O

R''1 R__MgX + R' C

O

R''

MgXH3O+

R' C

OH

R''R R

R C

O

R''2 R'__MgX + R C

O

R''

MgXH3O+

R C

OH

R''R' R'

R C

O

R'3 R''__MgX + R C

O

R'

MgXH3O+

R C

OH

R'R'' R''

Utilizando magnesianos y aldehidos diseña dos síntesis del 2-Butanol. Emplea magnesianos y cetonas que den lugar al 3-Metil-3-hexanol.

EJERCICIO 11.9

Los ésteres también reaccionan con los magnesianos. Si se hace reaccionar un mol de magnesiano con un mol de éster tiene lugar una sustitución nucleófila en el grupo carbonilo y se obtiene una cetona:

XMg

R C

O

R'

OR''[adición]

R C

O

R'

OR''

_MgX+

[eliminación] R CO

R' + R''__OMgX

XI

Page 312: LIBRO1 (0-675).pdf

299

Cuando se utilizan dos moles de magnesiano y un mol de éster, el segundo mol de magnesiano reacciona con la cetona formada inicialmente, dando lugar a un alcohol terciario con dos radicales iguales (los que provienen del magnesiano):

R CO

R' + XMgR R C

O

R'R

MgXH3O+

R C

OH

R'

R Reacción global:

R' CO

OR''1)2XMgR

2)H3O+ R' C

OH

RR

+ R''OH + Mg2+ +_

2X

Las lactonas son ésteres cíclicos que reaccionan con los magnesianos. Escribe las reacciones correspondientes a la siguiente transformación:

EJERCICIO 11.10

O

O

1)2BrMgEt

2)H3O+5-Etil-1,5-heptanodiol

1 Diseña una síntesis del Trifenilmetanol empleando como sustancias orgánicas Benceno y Etanol.

2 Haz lo mismo con el 1-Butanol, utilizando únicamente Etileno.

3 Idea una síntesis del 2,3-Dimetil-2-butanol a partir del Propino.

EJERCICIO 11.11

SÍNTESIS DE ALCOHOLES ACETILÉNICOS A PARTIR DE MAGNESIANOS Los alquinos terminales reaccionan con magnesianos, originando haluros de alquinilmagnesio:

RC CH R'__CH2MgX+

pKa 26

RC C MgX + R'CH3 Keq 1013

pKa 49 Los haluros de alquinilmagnesio se adicionan al grupo carbonilo de aldehidos y cetonas, dando lugar a alcoholes acetilénicos:

H3O+

H3O+

H3O+

(alcohol primario)

(alcohol secundario)

(alcohol terciario)

R C C MgX

H CO

H

R' CO

H

R' CO

R''

R C C CH2

O MgX

R C C CH

O MgX

R'

R C C C

O MgX

R'R''

R C C CH

R C C CH2OH

OHR'

R C C COH

R'R''

XI

Page 313: LIBRO1 (0-675).pdf

300

Las siguientes reacciones no se pueden llevar a cabo sin proteger adecuadamente determinados grupos funcionales. Escribe todos los pasos necesarios para que ambas síntesis sean viables.

Síntesis 1:

EJERCICIO 11.12

HC C CH

CH2OH

CH2OH1)EtMgBr

2)H3O+C C CH

CH2OH

CH2OHBrMg1)CH3CHO

2)H3O+C C CH

CH2OH

CH2OHCH

O

CH3

H

COMe

Br

1)Li

3)H3O+

2)CH3CHO

COMe

CH__CH3

CMgBr

2)H3O+

C__C

CH__CH3

OH

Me

OH

MeC1)

OH

C Me

Síntesis 2:

REACTIVOS ORGANOLITICOS El litio reacciona con los haluros de alquilo o de arilo, dando lugar a compuestos orgánicos de litio (Tema 8, p. 199)

CH3CH2CH2CH2_Br + 2Li tetrahidrofurano

00 CCH3CH2CH2CH2

__Li + LiBr

1-Butil-litio

Cl + 2Litetrahidrofurano

00 CLi + LiCl

Fenil-litio Los compuestos orgánicos de litio reaccionan con los aldehidos y las cetonas de la misma forma que los magnesianos. La única diferencia es que los organoliticos son más reactivos y, en ciertos casos, permiten la obtención de alcoholes terciarios a partir de cetonas que, al estar impedidas estéricamente, son poco reactivas frente a los magnesianos.

Li+_

(76 %)

CH2 CH Li + C6H5 CO

H C6H5 CH

O

CH CH2H3O+

C6H5 CH

OH

CH CH2

1-Fenil-2-propen-1-ol

C6H5__Li +

H3O+

(100 %)

Difenilmetanol

C6H5 CO

H

Li+_

C6H5 CH

O

C6H5 C6H5 CH

OH

C6H5

CH3(CH2)4__CH2

__Li + CH3(CH2)4_CH2

_CH2OHH3O+

(72 %)

1-Heptanol

H CO

H CH3(CH2)4CH2 C

O

HH

_Li+

XI

Page 314: LIBRO1 (0-675).pdf

301

CH3CH2CH2CH2__Li +

H3O+

(91 %)

5-Butil-5-nonanol

CH3(CH2)3 C

O

(CH2)3CH3 Bu C

O

BuBu

_Li+

C

OH

(CH2)3CH3CH3(CH2)3

(CH2)3CH3

REACTIVOS ORGÁNICOS DE CINC Los α-bromoésteres (Tema 9) reaccionan con cinc para dar compuestos organocincicos:

BrCH2__CO2Et + Zn BrZn__CH2

__CO2Et Esta reacción (reacción de Reformatsky) es interesante porque permite trabajar con un compuesto organometálico que, a diferencia de los magnesianos y los organoliticos, no reacciona con el grupo éster:

H3O+

+ Zn2+ Br+_

C6H5 C

O

Me

CH2

ZnBr

CO2Et C6H5 C

O

Me

CH2

ZnBr

CO2Et C6H5 C

OH

Me

CH2 CO2Et

O

+1)Zn

2)H3O+

CO2EtHO

BrCH2 CH CH CO2Et

La reacción del (2S)-2-Fenilpropanal con Yoduro de metilmagnesio, seguida de acidificación, da lugar a una mezcla de dos diastereoisómeros en la proporción 2:1. Teniendo en cuenta que la reacción está sometida a control cinético, averigua cuál es el estereoisómero mayoritario.

EJERCICIO 11.13

XI

Page 315: LIBRO1 (0-675).pdf

302

EJERCICIOS ADICIONALES

11.1 Realiza la síntesis de los compuestos a-i utilizando magnesianos. a) 5-Metil-1,5-hexanodiol f) 3-Hidroxi-3-metil-1,4-pentadieno b) 3-Fenilpropanol g) 2-Fenil-2-butanol c) 2-Hexanona h) 1-Metilciclobutanol d) 4-Metil-4-heptanol i) Ácido fenilacético e) 3-Pentanol Puedes emplear cualquier producto inorgánico, pero únicamente los siguientes compuestos orgánicos: Propino 1-Propanol 3-Buten-2-ona Ác. propiónico Benceno Alcohol bencílico 5-Bromo-2-pentanona Ác. 5-hidroxipentanoico Metanol Óxido de etileno Ác. fórmico Etanol Bromuro de vinilo Ác. acético 11.2 Utilizando Bromuro de fenilmagnesio y cualquier otro producto orgánico o inorgánico que precises, diseña una síntesis de los siguientes compuestos: 1) Ac. benzoico 6) 1,1-Difeniletanol 2) 1-Fenilpropino 7) 2-Fenilpropeno 3) Vinilbenceno 8) Fenol 4) Trifenilmetanol 9) 1,1-Difenil-1,5-pentanodiol 5) 2-Feniletanol 11.3 La reacción de un compuesto A(C7H12O) con Bromuro de metilmagnesio, seguida de tratamiento con H2SO4 diluido, conduce a una mezcla de dos diastereoisómeros. Uno de ellos es el (1R,3S)1,3-Dimetilciclohexanol. Apartado 1: Averigua las configuraciones absolutas de A y del otro diastereoisómero del 1,3-Dimetilciclohexanol. Explica si la mezcla de reacción es ópticamente activa. Apartado 2: ¿Qué resultado se obtendrá cuando el enantiómero de A se somete a la misma reacción? Explica si la mezcla de reacción carece ahora de actividad óptica. 11.4 Averigua la estructura de los compuestos que aparecen en la siguiente secuencia de reacciones:

2-BromoetanolO

TsOHA

1)Mg

2)O

Me

3)H3O+

HBr (1eq.)C(C5H11OBr)

O

TsOHDB(C5H12O2)

1)Mg2)CO2

3)H3O+[E(C6H12O3)] F(C6H10O2)

1)2CH3Li

2)H3O+4,5-Dimetil-1,5-hexanodiol

XI

Page 316: LIBRO1 (0-675).pdf

303

11.5 Averigua la estructura de los compuestos que aparecen en las siguientes secuencias de reacciones. Secuencia 1:

CH3COCH2CO2Et + HC C CH2BrEtO

_

A(C9H12O3)HOCH2CH2OH

H3O+B

1)NaNH2

2)IMe

CHClH2O

D(C7H10O)H2[Pd/C]

BaSO4E(C7H12O)

Secuencia 2:

CH3CH2CH2Br

1)Mg2)EtCHO

1)H3O+A

PBr3 B

1)Mg2)CO2

1)H3O+C

1)SOCl22) ? N

CH3

CH3

O 11.6 Averigua la estructura de los compuestos que aparecen en las siguientes secuencias de reacciones. Secuencia 1:

Br 1)Mg2)CH2O

1)H3O+A Swern

oxidaciónB ?

C6H5

OH Secuencia 2:

HC CH2) ?

1) ?A(C3H4O)

2) ?

1) ?B(C4H6O2)

H2[Pd/C]

BaSO4C(C4H8O2) Me Me

O

H3O+O

O Me

Me Secuencia 3:

CH3COCH2CO2Et?

H3O+A(C8H14O4)

1)C6H5MgBr

2)H3O+

H3O+Me OH

O C6H5

C6H5

B(C18H20O3)

11.7 Averigua la estructura de los compuestos que aparecen en la siguiente secuencia de reacciones.

C6H5CH2 CO2H1)P, Br2

2)EtOHA

1)Zn

2)

O

B(C15H20O3)

O+ HNMe2

EtO_

transesterificación

HO CH

C6H5

CO O CH2CH2NMe2

midriático(dilatador de la pupila)C(C4H11NO)

11.8 Apartado 1: Escribe las reacciones que aparecen en la siguiente secuencia sin utilizar estereoquímica.

CH3CH2 CHMe

CHO1)IMgEt

2)H3O+

Swern[A + B]

oxidación[C]

1)NaCN, EtOH

2)H3O+

XI

Page 317: LIBRO1 (0-675).pdf

304

[D + E]H3O+

[F + G] Q[H + I]H3O+

[J + K]E1

Apartado 2: Utiliza representaciones tridimensionales y proyecciones de Newman, para averiguar la configuración absoluta de todos los compuestos que aparecen en la secuencia de reacciones. Ayuda: El primer paso está sometido a control cinético; el paso [C] [D + E] está sometido a control

termodinámico. 11.9 Averigua la estructura de los compuestos que aparecen en las siguientes secuencias de reacciones. Secuencia 1:

C6H5 Me

O1)CN

_

2)H3O+A MeOH

H2OB

Secuencia 2:

H2C(CO2Et)21)EtO

_

2)Me2CHCH2Br

H3O+

QA(C11H20O4) B(C6H12O2) EtOH

H3O+C(C8H16O2)

D(C9H16O3)CN

_

E(C10H17O3N)H3O+

MeCO2H

Me CO2H

OH

EtO_

HCO2Et

Secuencia 3:

H C C H1)Na, NH3(liq.)

2)Me2COA(C5H8O)

H3O+, H2O

Hg2+B(C5H10O2)

Secuencia 4:

H C C H1)Na, NH3(liq.)

2)2Me2COA(C8H14O2)

H3O+, H2O

Hg2+B(C8H16O3)2

H3O+

OMe

Me

Me

Me

O

Secuencia 5:

OH

1)Br3P

2)Mg3)CH2O

A(C7H14O)H3O+

B(C7H12)R_CO3H

C(C7H12O)C6H5CH2OH

Na

HO CH2_O_CH2C6H5

11.10 Las α-bromocetonas se obtienen por reacción directa entre la cetona y bromo en medio básico (Tema 9, p. 241) Las γ-bromocetonas se sintetizan a partir de γ-hidroxicetonas (Tema 9, p. 253, Secuencia 4) Cómo sintetizarías la 4-Bromo-2-butanona, una β-bromocetona.

XI

Page 318: LIBRO1 (0-675).pdf

305

11.11 Averigua la estructura de los compuestos que aparecen en las siguientes secuencias de reacciones. Secuencia 1:

EtO2C

EtO2C

EtO_

IMeA

BrEtO

_

B(C11H18O4)1)HO

_

2)H3O+[C] D(C6H10O2) EtOH

H3O+

EH4AlLi

F(C6H12O)Ac2O

piridinaO

MeMe

O Secuencia 2:

CH2(CO2Et)2EtO

_

BrA(C10H16O4)

H3O+

Q[B] EtOH

H3O+D

H4AlLiC(C5H8O2)

EPBr3 F(C5H9Br)

C6H5O Na+_

C6H5O Secuencia 3:

C6H5NH2 + ClMe

O

AH4AlLi

B Secuencia 4:

Br 1)Mg2)CO2

1)H3O+A

SOCl2 BMe2NH

CH4AlLi

D

Secuencia 5:

H C C H1)Na, NH3(liq.)

2)O

A(C4H6O)EtO

_

C6H5CH2BrB(C11H12O)

1)Na, NH3(liq.)

2) CH2OC(C12H14O2)

Secuencia 6:

MeCO2Et

O

MeCOCH2Br

EtO_

A(C9H14O4)NH2Cl H3O+

[B(C15H18O3NCl)] C(C15H16O2NCl)

NMe Me

CO2H

Cl

XI

Page 319: LIBRO1 (0-675).pdf

306

Secuencia 7:

MeCO2Et

OH2N_NH2 [A(C6H14O3N)] N

N

Me

O 11.12 ¿Cómo llevarías a cabo las síntesis que aparecen a continuación? Puedes utilizar todos los productos orgánicos o inorgánicos que necesites. Síntesis 1:

Me OEt

O Ovarios pasos

Me C6H5

O OH

C6H5 Síntesis 2:

varios pasosMeO2COH

Me

MeO OH

Me

XI

Page 320: LIBRO1 (0-675).pdf

12. REACCIONES DE ADICIÓN NUCLEÓFILA CON ANIONES ENOLATO

INTRODUCCIÓN Ya se ha dicho que los aniones enolato de cetonas se emplean habitualmente en reacciones de sustitución nucleófila sobre un grupo carbonilo (Tema 8) y en reacciones de sustitución nucleófila sobre un átomo de carbono saturado (Tema 9) La utilidad de los aniones enolato de ésteres se puso también de manifiesto en reacciones del mismo tipo. Los aniones enolato de aldehidos, cetonas y ésteres se emplean como nucleófilos en reacciones de adición, en las que el sustrato puede ser, entre otros, una cetona, un aldehido, un nitrilo α,β-insaturado o un nitrocompuesto α,β-insaturado. Estas reacciones de adición nucleófila transcurren mediante el siguiente mecanismo general (el ejemplo se refiere a una cetona que reacciona con ella misma):

+ B_

+ HB_

R CH2 C R'

O

R CH C R'

O

+ B_

R' C CH

R

O _C

O

R'

CH2 R R' C CH

R

O

C

O

R'

CH2 R

_ H___B

R' C CH

R

O

C

OH

R'

CH2 R

El producto de la reacción es un compuesto β-hidroxicarbonílico que, eventualmente, puede deshidratarse mediante una reacción de eliminación, dando lugar a un compuesto carbonílico α,β-insaturado:

R' C CH

R

O

C

OH

R'

CH2 R

H___B+

+ H2O + HB

:

R' C C

RO

C

OH2

R'

CH2 R

HB_

:

R' C C

RO

C

R'

CH2 R

REACCIÓN ALDÓLICA

ALDEHIDOS COMO SUSTRATOS

CHO

* *CH3 CH CH CH2CH3

OH

CH3CH2HO

CHO

CH3CH2CHO+−

HO+ H + HO −HO H

Mecanismo de la reacción:

HO_

_

_

anión enolatopKa 15,5

+ H2O

pKa 15,74

Keq = 1,7Me2C C H

O

H

Me C

Me

C

O

H Me C

Me

C

O

H

XII

Page 321: LIBRO1 (0-675).pdf

308

:_

_HO__H

(aldol)

+ HO_

Me2CH C

O

H

C CHO

Me

Me

Me2CH C

O

H

C CHO

Me

Me

Me2CH CH C CHO

Me

Me

HO

Si el aldehido tiene dos hidrógenos en Cα y la temperatura es alta, el aldol se convierte normalmente en un aldehido α,β-insaturado a través de una reacción de eliminación (el proceso completo recibe el nombre de condensación aldólica):

2 CH3CH2CH2CHONaOH

H2O, 800

(no se aisla)

(E)-2-Etil-2-hexanal

(86 %)

-H2OCH3CH2CH2 CH C

OH

CH3CH2CH2 CH C C

CH2CH3

CH3CH2CH2 CH C CCH2CH3

OH

CH2CH3

CHO

H

HO_

_ OH CH3CH2CH2 CH C C

CH2CH3

OH_

O

H

OH

_HO_

+

En la reacción aldólica de un aldehido con dos hidrógenos en el carbono α se origina un aldol con doscarbonos asimétricos. Escribe el mecanismo de la reacción utilizando representaciones tridimensionales y comprueba que se obtiene una mezcla equimolecular de dos racémicos.

EJERCICIO 12.1

* *CH3 CH CH

CHO

CH2CH3

OH

2 CH3CH2CHONaOHH2O

CETONAS COMO SUSTRATOS El átomo de carbono del grupo carbonilo de las cetonas es menos reactivo que el de los aldehidos. Por consiguiente, en la reacción aldólica de cetonas, el equilibrio está normalmente desplazado hacia la izquierda:

+

(2 %)4-Hidroxi-4-metil-2-pentanona

CH3C

OH

CH3CH3

C CH3

OOCH2CH3 C CH3

HO −

HO H+ HO −HO+ HCH3 CO

Sin embargo, la deshidratación del aldol desplaza el equilibrio hacia la derecha, dando lugar a cetonas α,β-insaturadas con buenos rendimientos:

H2OO CH2CH3 KOH ;

OO

HOCH3

HHO

_

XII

Page 322: LIBRO1 (0-675).pdf

309

O

CH3

O

HO CH3_

O

HO CH3_

Escribe el mecanismo de las siguientes reacciones:EJERCICIO 12.2

1)KOH

2)H3O+, Q

CH3

O

(60 %)

CH3 CO CH CH2COCH3

CO2Et

O

CH2COCH3 O

(72 %)

KOH Q

O

O

O

(96 %)

Na2CO3

H2O

CH2CH2COCH3

CO2Et

O

CO2Et

O(66 %)

_EtO Na+

EtOH

REACCIÓN RETROALDÓLICA El equilibrio de la reacción aldólica está normalmente desplazado hacia la izquierda. El hecho de que la reacción sea un equilibrio implica que el aldol puede transformarse en el aldehido o en la cetona de partida. Esta reacción recibe el nombre de reacción retroaldólica. Reacción aldólica:

+ B_ _

R CH2 C

O

R' + HBR CH C

O

R'

_

_ H___B

+ B_

R' C

O

CH

R

C

O

R'

CH2 R R' C

O

CH

R

C

O

R'

CH2 R R' C

O

CH

R

C

OH

R'

CH2 R

XII

Page 323: LIBRO1 (0-675).pdf

310

Reacción retroaldólica:

R' C

O

C

O

R'

CH2

H

R

B_

CH

R

R' C

O

C

O

R'

CH2 RCH

R

_H___B

R' CO

CH

R

_

H___B

+ CO

R'CH2 R

R' CO

CH2 R + B_

Observa que el mecanismo de la reacción retroaldólica es exactamente el mismo que el de la reacción aldólica, pero escrito al revés. Esto es cierto para cualquier reacción.

Escribe el mecanismo de la siguiente reacción:EJERCICIO 12.3

MeO

CH

O

CHMe

CO

CMe3

_Li+

+

CHOCH

O

CHMe

CO

CMe3

_Li+

+

CHO

OMe

REACCIÓNES ALDÓLICAS MIXTAS La reacción aldólica entre dos cetonas distintas, dos aldehidos diferentes o un aldehido y una cetona, puede dar lugar a cuatro productos. Reacción entre dos cetonas distintas:

R CO CH3 + R' CO CH3B

_R CO CH2 C

OH

CH3

R' + R' CO CH2 COH

CH3

R

Reacción entre dos aldehidos diferentes:

R CH2 CHO + R' CH2 CHO B_

R CH CHCHO

OHCH2 R' + R' CH CH

CHO

OHCH2 R

Reacción entre un aldehido y una cetona:

R CH2 CHO + R' CO CH3B

_R CH

CHOCOH

CH3

R' + R' CO CH2 CHOH

CH2 R

En cada una de las tres reacciones anteriores faltan dos productos ¿Cuáles son?EJERCICIO 12.4

XII

Page 324: LIBRO1 (0-675).pdf

311

Este tipo de condensaciones mixtas no es útil en síntesis. Para obtener un sólo producto de reacción existen dos alternativas: 1 Preparación del enolato cinético de la cetona (Tema 9) y reacción posterior con un aldehido o una cetona

diferentes:

CH3CH2CH2 C

O

CH3 + (Me2CH)2N Li+_

(LDA)

-780CTHF

CH3CH2CH2 C

O

CH2

_Li+

+ (Me2CH)2NH

pKa 36

Keq 1017

pKa 19

CH3CH2CH2 C

O

CH2

_

C

O

HCH2CH2CH3

Butanal

CH3CH2CH2 C

O

CH2 CH

O

CH2CH2CH3

_

HB

CH3CH2CH2 CO

CH2 CH

OH

CH2CH2CH3HB

6-Hidroxi-4-nonanona

(65 %)

5-Nonen-4-ona

(72 %)

TsOHQ

CH3CH2CH2 CO

CH CH CH2CH2CH3

2 Uno de los compuestos carbonílicos (el aldehido o la cetona) carece de hidrógenos en el Cα:

MeO CO

H + CH3 CO

CH3NaOHH2O

MeO CHOH

CH2 CO CH3

MeO CH CH CO CH3

(83 %)

4-(p-Metoxifenil)-3-buten-2-ona

Escribe los productos que se obtienen en las siguientes reacciones:EJERCICIO 12.5

CH3 CHCH3

CH2CHO+

H CO

H

K2CO3

H2O

O+CHO CH3 CO CH3

1)NaOH, H2O

2)H3O+

2

CHO

+1)NaOH, H2O

2)H3O+CH3 CO CH3

XII

Page 325: LIBRO1 (0-675).pdf

312

Escribe el mecanismo de las siguientes reacciones:

Reacción 1:

EJERCICIO 12.6

3 CH3 CO CH3

Me

MeMe

2)H3O+

1)NaOH, H2O

Reacción 2:O

32)H3O+

1)NaOH, H2O

Reacción 3:

CH3 CO CO2 CH3

CH3

CH3 O

O

2)H3O+

1)NaOH, H2O

Reacción 4:

CO

CH2 + C COO

O

2)H3O+

1)NaOH, H2O

Reacción 5:

CH3 CO CH2 + CH3 CO CH21)EtO-, EtOH

2)H3O+

OHCO2Et

CH3

CH2

CO2Et CHO

CONDENSACIÓN DE DARZENS La condensación de Darzens transcurre entre cetonas y α-haloésteres; permite la obtención de aldehidos con un átomo de carbono más que la cetona de partida:

1)NH2 Na+

2)H3O+

O

+ ClCH2__CO2Et

CHO

CiclohexanocarbaldehidoCiclohexanona

_

Mecanismo de la reacción:

+ClCH2__CO2Et NH2

_Cl__CH__CO2Et + NH3

pKa > 23 pKa 36

Keq > 1013_

_O O

CH

_O

HCO2Et

H3O+O

HCO2H

CHCl

CO2Et CO2Et

Cl

XII

Page 326: LIBRO1 (0-675).pdf

313

O

HCO2H O

H

C

O

O

H

O

H

H

enol del eldehido

(CO2)C OO

enol

OHOHH

CONDENSACIÓN DE PERKIN La reacción transcurre entre aldehidos aromáticos y anhidridos de ácido en presencia de aniones carboxilato (sal de un ácido carboxílico):

Ác. p-nitrocinámico

CH3 C OO

CO

CH3

CHO

NO2

+1)CH3CO2 Na+

_CH

NO2

CH CO2H

2)H3O+

+CHO

OHCH3 C O

OCO

CH3

_

Cumarina

O O2)H3O+

1)CH3CO2 Na+

Los hidrógenos metílicos del anhidrido acético son ácidos; partiendo de este hecho, escribe el mecanismo de la condensación de Perkin que conduce a Cumarina.

EJERCICIO 12.7

REACCIÓN DE MICHAEL Una gran variedad de aniones enolato reaccionan con compuestos carbonílicos, nitrilos y nitrocompuestos α,β-insaturados a través del doble enlace C=C: Reacción 1:

EtO2C CH2 CO2Et + CH2 CH CO

CH3

NH EtO2C CH CH2CH2

CO2Et

CO CH3

2-Etoxicarbonil-5-oxo-hexanoato de etilo

(71 %)

XII

Page 327: LIBRO1 (0-675).pdf

314

EtO2C CH2 CO2Et +NH

EtO2C CH CO2Et_

+N

H H

+

EtO2C

CH

EtO2C

_CH2 CH C

O

CH3 EtO2C CH CH2

CO2Et

CH C CH3

O_

HB+

enol (71 %)

EtO2C CHCO2Et

CH2 CH COH

CH3 EtO2C CHCO2Et

CH2 CH2 C CH3

O

Reacción 2:

CH3 CO CH2 CO CH3 + CH2 CH CNEt3N

t-BuOHCH3 CO CH CH2 CH2

CO CH3

CN

(77 %)

4-Acetil-5-oxo-hexanonitrilo

CH3__CO__CH2

__CO__CH3 + Et3N CH3__CO__CH__CO__CH3 + Et3N__H

_ +

CH3 CO CH

COCH3_

CH2 CH C N: CH3 CO C

H

COCH3

CH2 CH C N:_

CH3 CO CCOCH3

HCH2 CH C N:

_

+Et3N

H

CH3 CO CCOCH3

HCH2 CH2 C N: + Et3N:

Reacción 3:

CH3 C CH2

OCO2Et + CH CH NO2

Et3Nt-BuOH

CH3 C CHO

CH

CO2Et

CH2 NO2

3-Etoxicarbonil-2-fenil-4-oxonitropentano

CH3__CO__CH2

__CO2Et + Et3N: CH3__CO__CH__CO2Et

_+ Et3N_H

+

XII

Page 328: LIBRO1 (0-675).pdf

315

CH3 CO C

CO2Et

H

_CH

C6H5

CH NO

O

_+

CH3 CO CH

CO2Et

CHC6H5

CH NO

O

_

_+

CH3 CO CHCO2Et

CHC6H5

CH NO

O

_+_

+NEt3

H

CH3 CO CHCO2Et

CHC6H5

CH2 NO2 + :NEt3

Escribe el mecanismo de las siguientes reacciones de Michael:EJERCICIO 12.8

Reacción 1:

CH3CH2__NO2 +

O

MeO Na+ OCH3

NO2

3-(1-Nitroetil) ciclohexanona

_

MeOH

Reacción 2:

MeO2C CH2 + CH3 CH CH CH CH CO2MeMeO

_

MeO2C CHCO2Me

CHMe

CH CH CH2

5-Metil-6-metoxicarbonil-3-heptanodioato de dimetilo

(72 %)MeOH

Reacción 3:

CH3CH2 CO CH CH2 +

OMe

O

Me

OMe

O

EtO_

EtOH

1)EtO

2)CH3_CO_CH=CH2

Me

OMe

O

_

CO2Me CO2Me

Las reacciones de Michael intramoleculares transcurren a través del mismo mecanismo que las intermoleculares:

EtO2C CH2 CO2Et + CH3 CH CH CO C C OEtt-BuO K+

t-BuOH

_

MeEtO

O

EtO2C CO2Et

(70 %)

XII

Page 329: LIBRO1 (0-675).pdf

316

Mecanismo de la reacción:

t-BuOHEtO2C C

CO2Et

H

_C

OEt

C C

O

CH CH Me EtO2C C

CO2Et

H

C

OEt

C CO

CH CH Me

_

EtO2C C

CO2Et

H

C

OEt

C COH

CH CH Me

enol

EtO2C CH

CO2Et

COEt

CH CO

CH CH Met-BuO

_

Me

_ OEtO2C

EtO2C

OEt

O

EtO

EtO2C

EtO2C

Me

_

t-BuOH OH

EtO

EtO2C

EtO2C

Meenol

EtO

CO2EtEtO2C

Me

O

Escribe el mecanismo de las siguientes reacciones de Michael intramoleculares:

Reacción 1:

EJERCICIO 12.9

HNa, DMF

-300C

OO

O

(56 %)

CH CO CH CH2+OO

Reacción 2:

O

CO2Me

Me

O

CO2MeMe

O

O

(50 %)

CsCO3

Reacción 3:

Me

OH

CH2O

NaOH (5 %)

O

MeO

(80 %)

H2O

CH2

XII

Page 330: LIBRO1 (0-675).pdf

317

Escribe el mecanismo de las siguientes reacciones de Michael intramoleculares:

Reacción 4:

EJERCICIO 12.9 (continúa)

Reacción 5:

Reacción 6:

Reacción 7:

Reacción 8:

O CO2EtO

O O

CO2Et(89 %)

K2CO3

EtOH

CH3

O

2LDA

THF, -700

O

COCH3

O

CN

t-BuO K+

t-BuOH, 700C

CH2_CN

Me2CH

O

(90 %)

Me2CH

_

Me

CO2Et

O O 1)K2CO3, EtOH

2)HCl, Q

MeO

O

(45 %)

O1)LDA

CO2Me2)A(C10H14O3) EtO Na+

O

CO2Me

_

EtOH

Reacción 9:

CH2

OHTHF, -400 O

(68 %)

KH

MÉTODO DE ROBINSON PARA LA SÍNTESIS DE CICLOS Robinson fue el primer químico que tuvo la idea de utilizar la reacción de Michael y la condensación aldólica para obtener compuestos cíclicos. La originalidad de su planteamiento consistió en realizar el proceso en un solo paso, es decir, mezclando todos los reactivos para obtener un compuesto que, en realidad, es el resultado de dos reacciones sucesivas:

CH3

CH2

O+

O

EtO Na+

EtOHO

_

XII

Page 331: LIBRO1 (0-675).pdf

318

1 Reacción de Michael:

CH3

H2C

O

O

EtO Na+

EtOHMe

O

_

O

_H___OEt

MeOH

O

enolMeO

O

_

2 Condensación aldólica intramolecular:

O OMe

EtO_

O OH2C_

OO_EtO____H

OOH

H2O_

O

cetona α,β-insaturada

Escribe el mecanismo de las siguientes reacciones, basadas en el método de Robinson para obtener ciclos:EJERCICIO 12.10

Reacción 1:

Reacción 2:

Reacción 3:

Me Me

O CHOO

Me

Ca(OH)2

MeOH

O

Me+

Me

O

HC C CO MeEt3N

O

CO2Et+

CH3

O

O

CO2Et

2)(t-BuO)3Al

1)Et3N

CO2Et

O

(92 %) (34 %)

H2C CH CO CH3Et3N

EJERCICIO 12.11La síntesis de la vitamina A, realizada por un grupo de químicos suizos (Isler y colaboradores, 1947), incluye una serie de reacciones de condensación de grupos carbonilo. La vitamina se fabrica a partir del Citral, aldehido quese encuentra en el aceite esencial de limón. El primer compuesto intermedio, la β-Ionona, se obtiene como sedescribe a continuación:

XII

Page 332: LIBRO1 (0-675).pdf

319

EJERCICIO 12.11 (continúa)

CH3 C

CH3

CH CH2CH2 C

CH3

CH CHO

Citral

CH3 CO CH3+EtO

_

(transposición)Me

OMeMe

MeEtOH

AH3O+

La síntesis de la vitamina A, a partir de la β-Ionona, es como sigue: β-Ionona

(Darzens)Me

OMeMe

Me

+_

CHO

MeMe

Me

Me

EtOClCH2CO2Et

(B)

CH CO

CH3HC C Na+_1)

2)H3O+

(transposición alílica)CH2OH CH C

MeC CH(C)

H2O

2C6H5MgBr(D)

1)H2/Pd (selectiva)

2)(MeCO)2O

3)H3O+ (transp. alílica)(B) + (D)

MeMe

Me

MeC C CH C

MeCH2OH

Me Me

Me

Me Me

acetato de vitamina A

CH2 O CO

CH3

Escribe el mecanismo de todas las reacciones.

CH2

EJERCICIOS ADICIONALES 12.1 Averigua la estructura de los compuestos que aparecen en cada secuencia y escribe el mecanismo simplificado de todas las reacciones. Secuencia 1:

CH3CO2Et + HCO2Et A(C5H8O3)EtO_

NaBH4B

H3O+

QC(C5H8O2)

MeCO2Et + EtO 1)EtO

2)MeCOCH2COMeE(C14H24O6)

MeCO2Et

CO2EtMe

_ _

H3O+D(C9H16O4) Q

Secuencia 2:

MeCO2Et + EtOO

O

MeCO(CH2)5CHOHO

_ _HO

_

A B(C12H20O3)

XII

Page 333: LIBRO1 (0-675).pdf

320

Secuencia 3:

A(C6H10O) + B(C7H7Br)1)Mg

2)H3O+OH

C6H5

Secuencia 4:

1)HBr

2)HOCH2CH2OH

1)Mg

2)C6H5COMeCOH

CH3

CH2CH2A(C3H4O) B(C5H9O2Br) CH3O+

C6H5 CHO

Secuencia 5:

A(C10H18O4)1)HO

2)H3O+, Q

NH2 Na+EtO

_HC CH +

_

C(C5H8O)

_

B D

E CH2H3O+

Q

H2

[Pd] Secuencia 6:

A(C6H10O3)1)EtO

2)

_

O COMe

OO

[B]

Secuencia 7:

A(C7H12O)1)HNa

O

Me

HC C COMe2)[B(C11H16O2)]

Secuencia 8:

MeCOCH2COMe + MeCOCH2CO2Et [A(C11H16O4)]H3N:

[B(C11H19O4N)]

N

MeCO2Et

MeMe

[C(C11H17O3N)]

Secuencia 9:

1)EtO

2)A(C3H5Br)

1)H3O+

2)EtOH, H3O+(EtO2C)2CH2

_

B(C10H16O4) C(C7H12O2)

H4AlLi

QD

H3O+H2C CH CH2 CH CH2

Secuencia 10:

A(C12H14O4) + MeCOCMe3

O

O

COHO

_

CMe3[B]

XII

Page 334: LIBRO1 (0-675).pdf

321

12.2 Averigua la estructura de los compuestos (1)-(10) y escribe el mecanismo de las siguientes reacciones: Secuencia 1:

(1) (C7H12O2)NaOH / H2O

COCH3

Secuencia 2:

(2) (C3H4O4) NCH CH CHO+ CH CH CH CH CO2HCH3 CH3

Secuencia 3:

NaOH / H2O(3) (C5H8O2) + CH2 CN CH3 CO CHCOMe

CH2CH2 CNCH2 Secuencia 4:

(4) (C4H6O) +O

O

EtO_

EtOH

Secuencia 5:

1)HNa

2)H3O+(5) (C4H8O2) + CH3 CO CH3 CH3COCH2COCH3

Secuencia 6:

1)NaOH/H2O

2)H3O+

C6H5

C6H5C6H5

C6H5

O

(6) (C14H10O2) + C6H5 CH2 C CH2 C6H5

O

Secuencia 7:

CO2EtEtO2C

O O

Me Me

(7) (C6H10O4) + EtO2C CH2 CMe

MeCH2 CO2Et

EtONaEtOH

Secuencia 8:

O

Me

CO2Et

(8) (C15H26O4)Me

Me

EtONaEtOH

Secuencia 9:

(9) (C4H4O) LDA

O

Me+

O

MeCH CH CO CH3

XII

Page 335: LIBRO1 (0-675).pdf

322

Secuencia 10:

2 (10) (C4H6O2)O Me

Me O

NaOHH2O

12.3 Averigua la estructura de los productos que aparecen en las secuencias siguientes y escribe el mecanismo de todas las reacciones. Secuencia 1:

A(C11H14O2) + B(C3H6O2) HNaCCHO

CO2EtMe

C6H5

Secuencia 2:

+ B(C5H10O3)

O

H3O+ / H2O

CH2

:B C(C9H14O3)H4AlLi

DQ

Secuencia 3:

(4S) 4-Metil-3-hexanona A(mayoritario) + B(minoritario)1)MeMgI

2)H3O+

Secuencia 4:

NN O

Me

A(C6H8N2) + B(C6H10O2)

C6H5

H:B

Secuencia 5:

1)RMgBr

2)H3O+A(C5H8O) C6H5 C

HCH

CH3

CH CH2OH

Secuencia 6:

A(C6H10O2)1)2MeMgBr

2)H3O+CH3 C

OHCH2CH2CH2CH2OH

Me Secuencia 7:

O

+ A(C4H6O)O

:B [B(C10H16O2)]

XII

Page 336: LIBRO1 (0-675).pdf

323

Secuencia 8:

Acetilacetato de etilo + A(C4H6O2)

OHO

Me OH

CO2Et

:B[B(C10H16O5)]

C(C10H12O3) D(C10H12O3) 12.4 Averigua la estructura de todos los compuestos que aparecen en las siguientes secuencias de reacciones: Secuencia 1:

Ciclohexanona + Bromoacetato de etilo A(C10H18O3) B(C10H16O2)ZnQ

H3O+

O

O

MeCOCH2CO2Et / EtO- 1)HO-

2)H+, QD(C14H20O4)C HO-

Secuencia 2:

A(C6H10O) + Cloroacetato de etilo [MeCO2Et + EtO-] [C]B(C7H12O)NH2−Na+

O

O

Me2CO / HO-ED(C11H18O2) HO-

12.5 Averigua la estructura de todos los compuestos que aparecen en la siguiente secuencia de reacciones:

MeMe

O

O

1)EtO-

2)MeCO(CH2)3Br

3)H3O+

1)OH-

2)ClCO2EtA [B] [C] D(C9H14O3)

1)KOH

2)H3O+E(C9H14O3)

1)OH-

2)H3O+

Me

OHMe

O

HO

12.6 Averigua la estructura de todos los compuestos que aparecen en las siguientes secuencias de reacciones: Secuencia 1:

OMe

O 2)MeCH2COCH=CH2

1)EtO- / EtOHA(C16H20O3)

1)EtO- / EtOH

2)H3O+B(C16H18O2)

XII

Page 337: LIBRO1 (0-675).pdf

324

1)H4AlLi

2)H3O+

Me OMe

Secuencia 2:

1)EtO- / EtOH

O

1)LDA

2)CH2=CHCO2MeA(C9H12O3)

2)H3O+

O

CO2Me3)H3O+

12.7 Averigua la estructura de los compuestos A, B, C, y D. Escribe el mecanismo de las siguientes reacciones:

O

EtO2C CO2EtC6H5C6H5

C6H5_CH=CH_CO_CH=CH_C6H5 + A EtO

_

+

O

COMe

B NaOH

+O

OMe

O

O Me

CKOH

CH2CH2COCH3

O

OMe

+ O OMe

Me

D EtO-

12.8 Averigua la estructura de todos los compuestos que aparecen en las siguientes secuencias de reacciones. Secuencia 1:

LDA 1)CH2=C-CO2Me

2)H3O+

CO2Me

O

LDA

O

A B(C10H13O3Br)

Br

Secuencia 2:

MeO2C_(CH2)5_CO2Me

1)EtO-

2)BrCH2CO2Me3)H3O+

1)EtO- / EtOH

2)H3O+A(C8H12O3) B(C11H16O5)

XII

Page 338: LIBRO1 (0-675).pdf

325

1)LDA

2)CH2=CH-CH=CH-CO2Me

1)HNa

2)H3O+

1)EtO-

2)H3O+O

OCO2Me

CO2Me

C(C17H24O7) D(C17H24O7)

12.9 Averigua la estructura de los productos que aparecen en las secuencias siguientes y escribe el mecanismo simplificado de las reaciones. Secuencia 1:

A(C3H3N)EtNH2 B(C5H10N2)

H4AlLiCH3CH2 NH CH2CH2CH2 NH2

Secuencia 2:

A(C7H6O2) +piridina

O OB(C3H4O4)

Secuencia 3:

A(C6H10O) +NH2 Na+

_1)C6H5MgBr

2)H3O+ CHOH

B(C4H7O2Cl) C(C7H12O)

Secuencia 4:

1)EtO Na+_

2)H3O+A(C6H8O)1)LDA2)H2C CH CO2Me

B(C10H14O3)O

CO2Me Secuencia 5:

A(C7H12O)1)HNa

2)HC C CO Me

CH3

O

[B(C11H16O2)]

12.10 Averigua la estructura de los compuestos que aparecen en las siguientes secuencias de reacciones. Secuencia 1:

CH2O + AAcO

_

Me OHCHO

Me

H2O

Secuencia 2:

A(C6H10O) +HO

_

H2O

O

C6H5

O

HO C6H5

B(C14H10O2)

XII

Page 339: LIBRO1 (0-675).pdf

326

Secuencia 3:

A(C7H5O3N) + B(C2H4O)KOHMeOH

O2N

CHO

12.11 Averigua la estructura de los compuestos que aparecen en las siguientes secuencias de reacciones. Secuencia 1:

A(C3H4O3) + B(C7H6O)KOH, MeOH

[C] C6H5 CO2H

O

80 %250C

Secuencia 2:

A(C6H10O2)HO

_

O Me[B(C6H10O2)]

Secuencia 3:

MeH

Me

O

+ CH2OK2CO3

A(C5H10O2)

A(C5H10O2) +CO2H

CO2H NH3, EtOH

1000C

QO

MeMe

O

[B(C8H14O6)] [C(C8H12O5)]

12.12 Averigua la estructura de los compuestos que aparecen en las siguientes secuencias de reacciones. Secuencia 1:

C6H5C6H5

O1)EtO

_

2) ?C6H5

C6H5

CHO

O

Secuencia 2:

A(C9H14O) + B(C4H6O)EtO

_Me

O CO2Et O

Secuencia 3:

HO_

[C(C10H12O2)] C6H5 Me

O

A(C7H6O) + B(C3H6O)

XII

Page 340: LIBRO1 (0-675).pdf

327

C6H5 Me

O+ D(C5H7O2N)

HO_

EtO2CMe

CN

C6H5 O 12.13 Averigua la estructura de los compuestos que aparecen en las siguientes secuencias de reacciones. Secuencia 1:

MeCO2Et

O+ A(C15H12O)

EtO_

Me C6H5

O

CO2Et

C6H5 O

[B(C21H22O4)]C6H5 C6H5

CO2EtO

Secuencia 2:

OMe

CHO

O

HO_ [A(C11H14O3)]

CO2EtO

EtO_ C(C17H22O5)

H3O+

QB(C11H12O2)

OMe

Me Me

OO

Secuencia 3:

A(C6H10O3)1)EtO

_

2)ICHMe2Me Me

O

CO2Et

Me

EtO_

?HO

_

B(C13H22O4)Me Me

O

Me Me

CO2Et OH3O+

Q

Me

Me

Me

O

12.14 Averigua la estructura de los compuestos que aparecen en las siguientes secuencias de reacciones. Secuencia 1:

A(C3H6O) + B(C7H12O4)NH4

+AcO_

EtO2CMe

CO2Et

MeH4AlLi

C(C6H12O2)PBr3 D

CH2(CO2Et)2, NaHEtO2C

EtO2C

CO2Et

Me

MeCO2Et

H3O+

QE EtOH

H3O+F HNa

EtO2CMe

Me

O

XII

Page 341: LIBRO1 (0-675).pdf

328

Secuencia 2:

A(C4H6O) + MeCO2Et

O

EtO_

Me Me

O O

CO2EtB(C10H14O3)

1)EtO_

2)CH2OC(C11H16O4)

H3O+

D(C9H12O4) Q

Me

CH2

O

1)EtO_

2) ?Me O

Me

CO2Et

O

E(C15H22O4)H3O+

QF(C12H16O)

12.15 Averigua la estructura de los compuestos que aparecen en las siguientes secuencias de reacciones. Secuencia 1:

Me Me

CHO

K2CO3

CH2OA(C5H10O2) CN

_B(C6H11O2N) HO

_

H2OHO2C OH

OH

Me Me

EtOHH3O+ C

TsOHD

1)C6H5MgBr

2)H3O+?

E

Secuencia 2:

EtO2C

Me Me

O

EtO2C

Me

Me O

Me

2HO

_

A(C6H10O)CH2(CO2Et)2 + EtO

_H3O+

Q

CN_

B CH3O+

Q

O

Me Me

CO2H

MeO

12.16 Utiliza enaminas para realizar las síntesis siguientes. Síntesis 1:

O O

CO2Me

Síntesis 2:

ONH

H3O+

Me

O

O? O

XII

Page 342: LIBRO1 (0-675).pdf

329

Síntesis 3:

O

enamina OC6H5

OC6H5

OH

1)

2)H3O+

12.17 Averigua la estructura de los compuestos que aparecen en las siguientes secuencias de reacciones. Secuencia 1:

Me

MeCHO

CH2O

K2CO3A CNK B HCl

H2O[C]

O

MeMe

OH

O

Secuencia 2:

OCH2C6H5

CO2EtCO

OEt

OEt

HNaA t-BuO K+

_

Me

OB

NaBH4 C

1)NaOH, H2O

2)H3O+[D] Q

OMe O

OCH2C6H5

E

Secuencia 3:

MeCHO

1)R2NH, H3O+

2) CO2MeA(C8H14O3)

1)R2NH, H3O+

2)

Me

O

H3O+ Me

CO2Me

OB(C12H20O4)

Secuencia 4:

C6H5 CO2MeCO2Me (exceso)

MeO_

[A(C13H16O4)] B(C17H22O6) MeO_ CO2Me

C6H5 CO2Me

O

12.18 Averigua la estructura de los compuestos que aparecen en las siguientes secuencias de reacciones. Secuencia 1:

Me Me

O

Ba(OH)2 A(C6H10O)MeCOCH2CO2Et + EtO

_HO

_1)H3O+, Q

2)RCO3HB(C12H20O4) C(C12H18O3)

XII

Page 343: LIBRO1 (0-675).pdf

330

MeMe

MeO

O Secuencia 2:

CO2EtEtO2CMeCHCO2Et

Me

EtO_

A(C12H20O6)CN

EtO_

EtOH

H3O+B(C15H23O6N)

EtO_ Me

CO2Et

CO2Et

O

EtO2C[C(C15H24O8)]

Secuencia 3:

EtO2C CO2EtC6H5CHO

EtO_

A(C14H18O5)H3O+

H2OEtOHH3O+

CB(C9H8O2)

CH2(CO2Et)2 + EtO_

C6H5NH2

N

C6H5

CO2Et

O OC6H5

D(C18H24O6)

Secuencia 4:

CH2(CO2Et)21)EtO

_

2)IC2H5A

1)EtO_

CHO2)B

NaBH4 C(C12H22O5) HO_

C6H5CH2ClD(C19H28O5)

1)HO_

2)H3O+

E(C15H20O5) Q F(C14H20O3) EtOHH3O+

G1)(C6H5)3C Na

2)Br CO2Et

_ +

Me

CO2Et

OCH2C6H5EtO2C

12.19 Averigua la estructura de los compuestos que aparecen en la siguiente secuencia de reacciones.

H Me

OMe2NH

AcOH, AcONaA(C6H13N)

CO2EtB(C11H21O2N)

H2O

H3O+

C(C9H16O3)Me2NH

AcOH, AcONaD(C11H21O2N)

Me

O

E(C15H28O3N)H2O

H3O+

XII

Page 344: LIBRO1 (0-675).pdf

331

CO2EtMe

Me

OH

O AcO_

[F(C13H22O4)] G(C13H20O3)HO

OH

H3O+H(C15H24O4)

NH3

H2O

I(C13H21O3N)H4AlLi

J(C13H23O2N)H2OH3O+,1)

H2OHO ,2)_ K(C11H19ON)

Me

HN

:

O

XII

Page 345: LIBRO1 (0-675).pdf

13. REACCIONES DE SUSTITUCIÓN ELECTRÓFILA Y SALES DE DIAZONIO

GENERALIDADES El Benceno y la mayoría los hidrocarburos bencenoides reaccionan con electrófilos (E+) dando lugar a hidrocarburos aromáticos en los que el reactivo electrófilo sustituye a un átomo de hidrógeno:

+ E+

E

+

H

H+

+ E+

EHH E

+ + H+

Las reacciones de sustitución electrófila transcurren a través de los pasos siguientes:

E+

H EHH

+ **

EH

*

*

*

HE

*

*

*

+H

H ++ H+

[catión arenio ; intermedio de Wheland ; complejo σ]

*

E

H

+ E+

+

+

+

H E

H

E

E

H

E

+ H+

E

curso

[catión arenonio]

XIII

Page 346: LIBRO1 (0-675).pdf

333

El paso más lento de estas reacciones, la formación del catión arenio, es el que determina la velocidad total de reacción. La formación de un catión arenio, a partir del hidrocarburo aromático correspondiente, supone siempre una disminución de la energía de enlace π. Es decir, cualquier catión arenio es menos estable que el hidrocarburo del que proviene, y su inestabilidad será tanto mayor cuanto más pequeña sea su energía de enlace π. Esto es así porque el sistema conjugado del catión arenio tiene siempre un átomo de carbono menos que el hidrocarburo del que deriva. Los reactivos (E) implicados normalmente en las reacciones de sustitución electrófila son los siguientes:

E = R CO

+R NO2 SO3 X++ +; ; ; ; Los carbocationes (R+) se obtienen por reacción entre un derivado halogenado y un ácido de Lewis:

+ AlCl3 R_CH_R + AlCl4+

R CH RCl _

Los cationes acilo (RCO+) resultan de la reacción entre un haluro de ácido y un ácido de Lewis:

+ AlCl3 + AlCl4+

R CO

Cl R CO _

El cation nitronio (NO2

+) surge de la reacción entre los ácidos nítrico y sulfúrico:

HNO3 + 2H2SO4 NO2+ + H3O+ + 2HSO4

_

El carácter electrófilo del SO3 se debe a la carga parcial positiva del átomo de azufre:

::

: :_

+S

O

OO ::

: :

S

O

OO ::

: :

S

O

OO ::

: :

S

O

OO_ _+ +

Los cationes halogenonio (X+) se obtienen haciendo reaccionar el halógeno con hierro:

3Br2 + 2Fe 2FeBr3

2FeBr3 + Br2 Br+ + FeBr4_

XIII

Page 347: LIBRO1 (0-675).pdf

334

ENERGÍA DE ENLACE DE CATIONES ARENIO POLICÍCLICOS

La variación de energía π (δEπ) que tiene lugar cuando un hidrocarburo aromático se transforma en un catión arenio, se puede estimar utilizando los coeficientes del orbital molecular no enlazante (ONE) de los átomos unidos al carbono que ha reaccionado con el electrófilo (ver Tema 5):

E+

H EHH

+ **δEπ = −2β(a + a) = −4aβ = −2,31β

a

-a

a

3a =1/

*

En el modelo de Hückel, 2β es la energía del enlace π del etileno Todos los átomos de carbono del benceno son equivalentes; esto significa que cuando el benceno se transforma en el catión arenio, la variación de energía π es independiente del átomo de carbono al que se une el reactivo electrófilo. Sin embargo, en los hidrocarburos aromáticos policíclicos, existen posiciones que no son equivalentes, es decir, átomos de carbono distintos. Cuando el reactivo electrófilo se une a estos átomos no equivalentes, la variación de energía de enlace π no es siempre la misma, originándose cationes arenio de diferente inestabilidad.

H

E++

H E

+ *

**

* *a

a -2a

2a-a

11a =1/

(δEπ)1 = −2β(a + 2a) = −6aβ = −1,81β

[1]

1 1

Como los signos relativos de los coeficientes son arbitrarios, se eligen siempre positivos para calcular la variación de energía de enlace π:

[2]

E++**

**

8b =1/

(δEπ)2 = −2β(b + 2b) = −6bβ = −2,12β

HH

E

+

*

-2bb

b-b -b

2 2

En el naftaleno existen dos posiciones no equivalentes (átomos de carbono 1 y 2) Como el catión arenio [1] es menos inestable que el [2], el producto mayoritario de cualquier reacción de sustitución electrófila es el que surge de dicho catión:

XIII

Page 348: LIBRO1 (0-675).pdf

335

(δEπ)1

(δEπ)2

H

E

H E

+

+

cursocurso

E+ H + H

E

1

2

2

1

(δEπ)2 (δEπ)1>

+ E+ +

+

H

H E+

(dEπ)1 = −1,81β

(dEπ)2 = −2,12β

H

E

+

[menos inestable]

E

[producto mayoritario]

[más inestable]

H1

2

1

2[producto minoritario]

E

1

2

Factor Parcial de Velocidad (FPV) El factor parcial de velocidad expresa las velocidades relativas de reacción, determinadas experimentalmente, para las diferentes posiciones no equivalentes de un determinado hidrocarburo aromático. El benceno se elige como molécula de referencia (FPV = 1) y el resto de los hidrocarburos se comparan con él. La reacción empleada en la determinación de los diferentes factores parciales de velocidad suele ser la destritiación (sustitución electrófila de tritio por hidrógeno) en tetrahidrofurano a 700 C:

Ar-T + H+ Ar-H + T+

XIII

Page 349: LIBRO1 (0-675).pdf

336

Por ejemplo, en el naftaleno, la posición 1 es 7,7 (1160/151) veces más reactiva que la posición 2:

(FPV)1 = 1160

(FPV)2 = 151

Existe una relación estrecha entre los distintos FPV de un determinado hidrocarburo aromático y la disminución de la energía de enlace π en los diferentes cationes arenio. Por este motivo, emplearemos con frecuencia los factores parciales de velocidad para comprobar si las predicciones que hacemos son acertadas.

SUSTITUCIÓN ELECTRÓFILA EN EL ANTRACENO En el antraceno existen tres posiciones no equivalentes, que dan lugar a tres productos de sustitución diferentes:

H HH1

2

9

+ E+

EE

E

+ +

1 2 9

Las estabilidades relativas de los tres cationes arenio son las siguientes:

H1

+ E+

EH+ *

***

* * *a

a-a

-a 2a -3a

3a(δEπ)1 = −2β(a + 3a) = −8aβ = −1,57β

26a =1/

1

+ E+ (δEπ)2 = −2β(b + 3b) = −8bβ = −1,88β

H

E

+H2*

**

* * * *

b

bb-b

-b

-2b3b

18b =1/

2

+ E+

***

* * *(δEπ)9 = −2β(c + c) = −4cβ = −1,26β

10c =1/

H H E

+c c*-c

-c -c2c

-c9 9

Disminución de la energía de enlace π: (δEπ)2 > (δEπ)9(δEπ)1 >

Orden de reactividad que se predice: C9 > C1 > C2

Estos son los valores de los factores parciales de velocidad en el antraceno:

XIII

Page 350: LIBRO1 (0-675).pdf

337

(FPV)1 = 7900

(FPV)2 = 1135

(FPV)9 = 127 x 105

Reactividades relativas (datos experimentales) : C9 > C1 > C2

H HH1

2

9

+ E+

E

E

E

1

2

9

EH

(δEπ)1 = −1,57β

(δEπ)2 = −1,88β

H

E

(δEπ)9 = −1,26β

H E+

+

+

[mayoritario]

[minoritario]

[minoritario]

9

1

2

C9

C1

C2

SUSTITUCIÓN ELECTRÓFILA EN EL FENANTRENO En el Fenantreno existen cinco posiciones no equivalentes, que dan lugar a cinco productos de sustitución diferentes:

12

9H

H

HH

H

34

EH

H

E

EH

HE

HE

+

+

+

+

+

E

E

E

E

11

2 2

33

4 4

99

E

E+

XIII

Page 351: LIBRO1 (0-675).pdf

338

Estabilidades relativas de los cinco cationes arenio:

a

-a

2a

-2a

3a

-3a

1

H

E

H

+

1E+

*

**

*

**

*

a

29a =1/

(δEπ)1 = −2β(2a + 3a ) = −10aβ = −1,86β

*b-b

2b-2b

3b

H

E

+

2E+2

H

**

*

**

*b

-b

21b =1/

(δEπ)2 = −2β(2b + 3b ) = −10bβ = -2,18β

c

-c

2c-2c

EH

+ 3

E+

H3

*

**

**

*

*-c

2c

3c

24c =1/

(δEπ)3 = −2β(2c + 3c ) = −10cβ = -2,04β

HE

+4

E+

H4

*

**

*

*

**

d-d

2d

3d

-3d

d

-d

(δEπ)4 = −2β(2d + 3d ) = −10dβ = -1,96β

26d =1/

HE

+9

E+

9H

**

**

*

*

*e

-e

2e-2e

4e

e

-2e(δEπ)9 = −2β(e + 4e ) = −10eβ = -1,80β

31e =1/

Disminución de la energía de enlace π: (δEπ)2 > (δEπ)4 >(δEπ)3 >

Orden de reactividad que se predice: C9 > C1 > C4 > C3 > C2

(δEπ)1 > (δEπ)9

Factores parciales de velocidad del fenantreno:

(FPV)9 = 1630

(FPV)1 = 900

(FPV)2 = 173

(FPV)3 = 385(FPV)4 = 810

Reactividades relativas (datos experimentales): C9 > C1 > C4 > C3 > C2

XIII

Page 352: LIBRO1 (0-675).pdf

339

Ordena las posiciones 4, 4' y 5 del 1-Fenilnaftaleno, de acuerdo con su reactividad relativa en una reacción de sustitución electrófila.

EJERCICIO 13.1

4

4'

5

REACCIONES DE SUSTITUCIÓN ELECTRÓFILA

REACCIONES CON ELECTRÓFILOS DE CARBONO

ALQUILACIÓN DE HIDROCARBUROS AROMÁTICOS CON HALUROS DE ALQUILO (ALQUILACIÓN DE FRIEDEL-CRAFTS) La reacción está catalizada por ácidos de Lewis:

AlBr3 > AlCl3 > FeCl3 > SbCl5 > TiCl4 > ZnCl2 > BF3

H

CH3Cl

AlCl3

CH3

CH3 Cl

H

AlCl3 CH3.... Cl .... AlCl3

+δ+ δ−δ+

δ−CH3 + Cl_AlCl3

_

+CH3

Me+

Cl AlCl3_

H Me

+ H_Cl + AlCl3

Cuando en las reacciones de alquilación se originan carbocationes primarios, pueden tener lugar reacciones de transposición de Wagner-Meerwein:

CH2CH2CH3

CH3_CH2

_CH2Cl+AlCl35 h

+

t = -60C 60 % 40 %t = 350C 40 % 60 %

CH3 CH CH3

Si la temperatura se mantiene baja, la reacción está sometida a control cinético y se obtiene como producto mayoritario el que surge del carbocatión primario (este carbocatión es el que se forma más rápidamente) Por el contrario, a temperatura más elevada, el producto mayoritario es el que se obtiene a través del carbocatión más estable (control termodinámico), es decir, del carbocatión que resulta de la reacción de transposición.

XIII

Page 353: LIBRO1 (0-675).pdf

340

AlCl3 Cl .... AlCl3+δ−δ+

δ−AlCl4_

CH3CH2CH2δ+

.... CH3CHCH2 +

H

CH3CHCH3+

CH2CH2CH3

CH[transp.]

CH3CH2CH2 Cl

CH3 CH3

Escribe el mecanismo completo de la siguiente reacción:EJERCICIO 13.2

CH3 CCH3

CH3

CH2Cl +CCH3

CH3

CH2CH3AlCl3

ALQUILACIÓN DE HIDROCARBUROS AROMÁTICOS CON OLEFINAS Y ALCOHOLES Las olefinas y los alcoholes se protonan en medio ácido, dando lugar a carbocationes: Reacción con olefinas:

CH3_CH_CH_CH3 CH3

_C_CH2_CH3

CH3

+ +

(45 %) (55 %)

CH3

CH3 CHCH3

CH CH2H_Cl / AlCl3

00 C

H___Cl

[Regla de Markownikoff]

CH3_CH_CHCH3

CH2 CH3_CH_CH

CH3

CH3+

AlCl3

CHCH3 CH CH3

CH3

+

[carbocatión más estable]

CH3_C___CH_CH3

CH3

H

transposición+

CH3_C__CH2

_CH3

CH3CCH3

CH3CH2CH3

XIII

Page 354: LIBRO1 (0-675).pdf

341

Reacción con alcoholes:

H2SO4+ +CH3

_CH_CH_CH3

CH3

OH

CHCH3 CHCH3

CH3 CCH3

CH3CH2CH3

+ transposiciónCH3

_CH_CH_CH3

CH3

OH:

H O_SO3H

SO4H_ _

CH3_CH_CH_CH3

CH3 H2O_CH3

_C___CH_CH3

CH3

H+

CH3_C__CH2

_CH3

CH3

OH+

++

H

CHCH3

CHCH3

CH3

CHCH3

CHCH3

CH3H+

HO3S_O:_

CHCH3 CHCH3

CH3

HO3S_OH

+

HH

+HO3S_O:

_CCH3 CH2 CH3

HO3S_OHCCH3

CH3

CH2 CH3+

Me Me Me

CH3

Las cadenas hidrocarbonadas unidas a los anillos aromáticos pueden oxidarse fácilmente, dando lugar a ácidos carboxílicos:

CH3

K2Cr2O7

H2O / H2SO4

CO2H CH2CH3

KMnO4 / H2O

CO2H

Escribe el mecanismo completo de las siguientes reacciones:EJERCICIO 13.3

Me

MeMe Me

H2SO4

+H2SO4

XIII

Page 355: LIBRO1 (0-675).pdf

342

ACILACIÓN DE HIDROCARBUROS AROMÁTICOS CON CLORUROS Y ANHIDRIDOS DE ÁCIDO (ACILACIÓN DE FRIEDEL-CRAFTS) Los cloruros y anhidridos de los ácidos carboxílicos reaccionan con ácidos de Lewis, dando lugar a un catión acilo: Reacción con haluros de ácido:

H

RCOClAlCl3

COR

_+R C

OCl: AlCl3 R C

OCl AlCl3 R C

O

++ AlCl4

_

[catión acilo]

R CO

++

CO_RHH

_CO_R

+ HCl + AlCl3

Cl3Al Cl

Reacción con anhidridos de ácido:

H

AlCl3

COR

R C O C ROO

[catión acilo]

AlCl3_

:R C

O

R CO

OR C

O

O RCO

AlCl3

R CO

+_

O RCO

AlCl3

+

CO

++

CO_RHH CO_R

+ AlCl3

R_CO_O___AlCl3_

R R CO

OH+

Reactividades relativas en la acetilación y benzoilación del naftaleno:

1,0

0,31

+ MeCOClAlCl3

CHCl3

COMeCOMe

+

[mayoritario] [minoritario]

1,0

0,4

+ C6H5_COCl

AlCl3CHCl3

CO_C6H5CO_C6H5

+

[mayoritario] [minoritario]

XIII

Page 356: LIBRO1 (0-675).pdf

343

Debido al impedimento estéreo de C4, en la acetilación del fenantreno se obtienen las siguientes reactividades relativas referidas al benceno (=1):

0,615 (C9)

0,293 (C1)

0,122 (C2)

0,643 (C3)0,0085 (C4)

[acetilación en CHCl3]

reactividades: C3 > C9 > C1 > C2 > C4

La reacción de Gattermann - Koch permite introducir el grupo formilo en un hidrocarburo aromático; el cloruro de formilo se obtiene haciendo reaccionar monóxido de carbono y cloruro de hidrógeno en presencia de cloruro cuproso como catalizador:

ArH + CO + HClAlCl3CuCl

Ar_CHO

AlCl3:: + AlCl4+CuCl C O

H

ClC O

H

ClH C

O

+H

+

CHO

+ HCl + AlCl3CO

H CO

HAlCl4

_

El grupo carbonilo de los aldehidos y las cetonas se puede transformar en un grupo metileno mediante la reducción de Clemennsen. En esta reacción se emplean amalgama de cinc (Zn + Hg) y ácido clorhídrico. Los ácidos carboxílicos no se reducen, lo cual permite realizar reducciones selectivas:

C

CO2H

CH3O

Zn-Hg / HCl

CH2-CH3

CO2H

Escribe el mecanismo completo de las reacciones de Friedel - Crafts que aparecen a continuación:EJERCICIO 13.4

O

O

O

+CO2H

O1)SOCl22)AlCl3

Zn-Hg / HCl CO2HH H

O

AlCl3 Q

XIII

Page 357: LIBRO1 (0-675).pdf

344

REACCIONES CON ELECTRÓFILOS DE NITRÓGENO (NITRACIÓN DE HIDROCARBUROS AROMÁTICOS)

Los hidrocarburos aromáticos reaccionan con el catión nitroílo (nitronio) dando lugar a derivados nitrados:

H

HNO3 + H2SO4

NO2

El catión nitronio se genera por reacción entre los ácidos nítrico y sulfúrico:

:_

++ :

_:N

O

OO

HOH SO3H

:_

+:N

O

OO

HO SO3H

H:

+

ONO+

+ H2O

[catión nitronio]

:

: :

+

HHO3S_O

_ NO2H+

NO2

+ HO3S_OHN

O

O Resultados experimentales obtenidos en la nitración del fenantreno:

(C9) 34 %27 % (C1)

4 % (C2)

25 % (C3) [impedimento estéreo]

+reactividades: C9 > C1 > C3 > C2

0 % (C4)

NO2

NO2

La nitración de hidrocarburos abre un camino importante para la síntesis de aminas aromáticas; la reducción del grupo nitro puede realizarse de dos formas diferentes: a) Con estaño o hierro en medio ácido:

NO2

1)Sn / HCl

NH2

2)NaOH

XIII

Page 358: LIBRO1 (0-675).pdf

345

NO2

2 + 3Sn + 14HCl

NH3 Cl+ _

2 + 3SnCl4 + 4H2O

[hidrocloruro]

NH3 Cl+ _

NH2

+ NaCl + H2ONaOH

b) Hidrogenación catalítica:

NO2 NH2

CO2H CO2H

H2

Pd / C

REACCIONES CON ELECTRÓFILOS DE AZUFRE (SULFONACIÓN DE HIDROCARBUROS AROMÁTICOS) El Benceno reacciona con ácido sulfúrico originando ácido bencenosulfónico:

+ H2SO4170-1800 C

SO3H

+ H2O

(95 %) Cuando se emplea ácido sulfúrico el electrófilo es el catión H3SO4

+ :

2H2SO4 H3SO4+ + HSO4

_

S OHOO

OHSO OO

OHH

[ácido] [base]

SO OO

OH:_

+ SO OH2

O

OH

+

+::

lenta+ H3O+

: _

H+S

O

O

O:

SO

O

OH2

O

H: ::

rápida

:

: _

H+HSO4

_

SO3+ H2SO4

_

S

O:

O

O:

XIII

Page 359: LIBRO1 (0-675).pdf

346

SO3_

+ H3O+SO3H

+ H2Orápida

En las reacciones de sulfonación, el equilibrio está normalmente desplazado hacia la izquierda; por consiguiente, para aumentar el rendimiento es necesario eliminar el agua del medio de reacción. La sulfonación puede realizarse también empleando trióxido de azufre como electrófilo:

::

: :

::

: :_

+::

: :_ +

::

: :

_+S

O

OOS

O

OOS

O

OOS

O

OO El trióxido de azufre se utiliza disuelto en ácido sulfúrico exento de agua; la disolución recibe el nombre de oleum:

::

: :

S

O

OO

H+

S OO

O

H

:::

:_

SO3HH2SO4

Sulfonación del naftaleno:

H2SO4

H2O (79%)

SO3H

(FPV)1 = 1020

(FPV)2 = 180

Si un ácido sulfónico se calienta en presencia de agua se produce la reacción inversa:

SO3H

+ H2OQ

H

+ H2SO4

H2O + C6H5_SO3H H_OH2 + C6H5

_SO3_+

O

O

O:

:::

: :

:

_H2O___H+

H+ H2O + SO3

S

SO3 + H2O SO4H2

XIII

Page 360: LIBRO1 (0-675).pdf

347

REACCIONES CON ELECTRÓFILOS DE HALÓGENOS (HALOGENACIÓN DE HIDROCARBUROS AROMÁTICOS)

3Br2 + 2Fe 2FeBr3

2FeBr3 + Br2 Br+ + FeBr4_

H

Br+ +Br FeBr3Br H

Br

+ HBr + FeBr3

_

La cloración se puede llevar a cabo empleando SnCl4 o ZnCl2 como catalizadores:

Cl2 + ZnCl2 Cl+ + ZnCl3

Cl2 + SnCl4 Cl+ + SnCl4

_

_

EFECTO DE LOS SUSTITUYENTES EN LAS REACCIONES DE SUSTITUCIÓN ELECTRÓFILA Si un hidrocarburo aromático que tiene unido un sustituyente (Z) al núcleo, se somete a una reacción de sustitución electrófila ¿a qué posición se unirá el nuevo sustituyente? ¿Se obtendrá una mezcla de todos los productos posibles?

Z

E+

ZE

Z

E

Z

E

++ (?)

Z

E+

ZE

+

Z

E+

Z

E

+

Z

E

+

Z

E+

E+

ZE

(?)

Z

La respuesta a las dos preguntas está directamente relacionada con la naturaleza del sustituyente Z, pero es poco dependiente del tipo de reactivo electrófilo que se utilice.

XIII

Page 361: LIBRO1 (0-675).pdf

348

Cuando el hidrocarburo es el benceno, hay sustituyentes que favorecen la entrada del electrófilo en las posiciones orto y para:

CH3 CH3Br

CH3

Br

+Br2 / Fe

o-Bromotolueno p-Bromotolueno

CH3 CH3COCH3

CH3

COCH3

+

o-Metilacetofenona p-Metilacetofenona

CH3COCl

AlCl3

Otros sustituyentes provocan la entrada del electrófilo en posición meta:

CO2Et CO2Et

NO2

m-Nitrobenzoato de etiloH2SO4

HNO3

CO2Et

Br

m-Bromobenzoato de etiloBr2

CO2Et

[Fe]

SUSTITUYENTES QUE ORIENTAN LA ENTRADA DEL ELECTRÓFILO A LAS POSICIONES ORTO Y PARA

_O _NR2 _NH2 _OH _NHCOR _OR _OCOR _CH3 _CH2CH3

_CHMe2 _CMe3

_CH=CH2 _Arilo _CH2CO2R

SUSTITUYENTES QUE ORIENTAN LA ENTRADA DEL ELECTRÓFILO A LA POSICION META

_CH2Cl _CHCl2 _CCl3

_CONR2 _CO2R _CO2H _COR _CHO _SO3H _CN _CF3

_NO2 _NR3+

Los sustituyentes que orientan a orto y para estabilizan el catión arenio intermedio; es decir, un compuesto que tenga uno de estos sustituyentes reaccionará con cualquier electrófilo más fácilmente que el benceno. Por el contrario, los sustituyentes que orientan a meta, desestabilizan el catión arenio intermedio, y el compuesto portador de dicho sustituyente reaccionará con más dificultad que el benceno. En general, los sustituyentes que ceden electrones estabilizan el catión arenio cuando están unidos a átomos de carbono que tienen carga (posiciones activas); y a la inversa: los sustituyentes aceptores de electrones desestabilizan el catión arenio si están unidos a carbonos con carga. Cualquier sustituyente que esté unido a una posición sin carga (inactiva) no tiene ningún efecto sobre la estabilidad del catión arenio.

XIII

Page 362: LIBRO1 (0-675).pdf

349

H NO2

δ+

+ *

*

*H NO2

δ+

+

*

*

*

a

-a-a

Q = a2

[catión arenonio estabilizado por el Me]

[posición activa]

Menos inestable que:

H NO2

+

CH3 CH3

δ+

NO2

H

+*

* *Q = 0 [posición inactiva]

[catión arenonio no estabilizado por el Me]

La misma inestabilidad que:

+ NO2

H

CH3

H Br+ *

*

*H Br

+

*

*

*

a

-a-a

Q = a2

[catión arenonio desestabilizado por el NO2]

[posición activa]

Más inestable que:

H Br+

NO2 NO2

Br

H* *Q = 0 [posición inactiva]

Br

H

+Br

H

+*

* *Q = 0

[catión arenonio no desestabilizado por el NO2]

La misma inestabilidad que:

Br

H

+

NO2NO2

Para los hidrocarburos aromáticos policíclicos son válidos los mismos principios:

Br

H

+**

*Q = 0 [posición inactiva]

[catión arenonio no desestabilizado por el NO2]

La misma inestabilidad que:

Br

H

+

* *

NO2

H Br+ *

**

H Br

+

*

*2a

-2a

Q = 4a2

[catión arenonio desestabilizado por el NO2]

[posición activa]

Más inestable que:

H Br+* * **

*-a

-aa

NO2 NO2

XIII

Page 363: LIBRO1 (0-675).pdf

350

TIPOS DE SUSTITUYENTES

Inductivos

+I : Z C

_

δ+ δ−

(Me, Et, etc. ; cualquier grupo alquilo)

I : Z C_ δ− δ+

(-CX3, -CHX2, -CH2X, -CN)

Electrómeros(mesómeros) +

_+ M : _CH=CH2, C6H5_ (en general: Ar_)

M : _NH2, _NHR, _OH, _OR, _O , _X (F, Cl, Br, I)

M : _CHO, _COR, _CO2H, _CO2R, _CONH2, _CONHR, _NO2, _SO3H

_

Grupos estabilizantes del catión arenio Grupos desestabilizantes del catión arenio (orientación o- y p- en el benceno) (orientación m- en el benceno)

−O− −CH2Cl máxima

estabilizaciónmínima

desestabilización −NR2 −I (*) −NHR −Cl (*) −NH2 −Br (*) −OH −CHCl2 −NHCOR −CCl3 −OR −CONR2 −OCOR −CO2R −CH3 −CO2H −CH2CH3 −COR −CHMe2 −CHO −CMe3 −SO3H −CH=CH2 −CN −Arilo −CF3 −CO2

− −NO2

−CH2CO2R (*) Los halógenos desestabilizan el catión arenio, pero orientan a o- y p-

mínima estabilización

máxima desestabilización NR3

+

XIII

Page 364: LIBRO1 (0-675).pdf

351

SUSTITUYENTES INDUCTIVOS +I (GRUPOS ALQUILO) Todos los grupos alquilo son cesores de electrones (el enlace σ que une el grupo al núcleo aromático está polarizado en el sentido Z C) Estos sustituyentes estabilizan el catión arenio cuando están situados en posiciones activas (con carga):

Me

E+

MeH

E

+*

* *

a

a-a

MeE

a = 1/ 3

Sustitución en o- : δEπ = −4aβ = −2,31β [mayoritario]

(Q = +1/3)

Sustitución en m- :

Me

E+

Me Me

E

δEπ = −4aβ = −2,31β [minoritario]

(Q = 0)

E

H

+*

* *a a

-a

a =1/ 3

Me

E+

Me Me

Sustitución en p- : δEπ = −4aβ = −2,31β [mayoritario]

H EE

a = 1/ 3

+ *

*

*

(Q = + 1/3)

a

-a-a

Estos son algunos resultados experimentales: Alquilación:

CH2CH2CH3

+ C6H5_CH2Cl

AlCl3

MeNO2, 250C

PrCH2C6H5

Pr

CH2C6H5

Pr

CH2C6H5

+ +

(39,6 %) (8,1 %) (52,3 %) Acilación:

CH3

+ C6H5_COCl

AlCl3

MeCOC6H5

Me

COC6H5

Me

COC6H5

+ +

32,6 4,9 626(FPV):

XIII

Page 365: LIBRO1 (0-675).pdf

352

Nitración:

Me

HNO3-Ac2O

00 C

MeNO2

Me

NO2

Me

NO2

+ +

(FPV) : 49.7 1.3 60

Et

HNO3-Ac2O

00 C

EtNO2

Et

NO2

Et

NO2

+ +

(FPV) : 31.4 2.3 69.5

CHMe2

HNO3-Ac2O

00 C

CHMe2NO2

CHMe2

NO2

CHMe2

NO2

+ +

(FPV) : 14.8 2.4 71.6

CMe3

HNO3-Ac2O

00 C

CMe3NO2

CMe3

NO2

CMe3

NO2

+ +

(FPV) : 4.5 3.0 75.5 La disminución del FPV correspondiente a la posición o- ,se debe al aumento progresivo del impedimento estéreo. Halogenación:

Et

Cl2 [Fe]

EtCl

Et

Cl

Et

Cl

+ +

450 ___ 840(FPV):

AcOH

XIII

Page 366: LIBRO1 (0-675).pdf

353

SUSTITUYENTES INDUCTIVOS −I

Son grupos aceptores de electrones (el enlace σ que une el grupo al núcleo aromático está polarizado en el sentido Z C) Estos sustituyentes desestabilizan el catión arenio cuando están situados en posiciones activas (con carga):

E+H

E+*

* *

a

a-a

CCl3E

a = 1/ 3

Sustitución en o- : δEπ = −4aβ = −2,31β [minoritario]

(Q = +1/3)

CCl3 CCl3

E+

ESustitución en m- : δEπ = −4aβ = −2,31β [mayoritario]

(Q = 0)

E

H

+*

* *a a

-a

a =1/ 3

CCl3CCl3 CCl3

E+

CCl3

Sustitución en p- : δEπ = −4aβ = −2,31β [minoritario]

H EE

a = 1/ 3

+ *

*

*

(Q = + 1/3)

a

-a-a

CCl3 CCl3

Algunos resultados experimentales: Nitración:

CCl3

250 C

CCl3NO2

CCl3

NO2

CCl3

NO2

+ +

6,8 % 64,5 % 28,7 %

HNO3−H2SO4

CF3

HNO3-H2SO4

00 C

CF3NO2

CF3

NO2

CF3

NO2

+ +

6.0 % 91 % 3.0%

XIII

Page 367: LIBRO1 (0-675).pdf

354

16.8 % 80.8 % 1.95%

CN

HNO3

00 C

CNNO2

CN

NO2

CN

NO2

+ +

Halogenación:

CN CNCl

CN

Cl

CN

Cl

+HOCl

H3O+ +

(23.2 %) (73.9 %) (2.9 %)

CF3 CF3Cl

CF3

Cl

CF3

Cl

+HOCl

H3O++

(15.7 %) (80.2 %) (4.1 %)

EFECTO COMBINADO DE VARIOS SUSTITUYENTES +I Los grupos que en el catión arenio están en posiciones activas (con carga) aparecen en negrita:

MeMeH

SO3

MeMe

H SO3

MeMe

+

+

*

* *

*

*

*

MeMe

SO3H

MeMe

SO3H

(45,1 %)

(54,9 %)

H2SO4 + H2O

98,4 %

H2SO4 + H2O

98,4 %

MeMeMe

MeMeMe

SO3

H

+*

* *

MeMeMe

H SO3

+ *

*

*

MeMeMe

SO3H

MeMeMe

SO3H

(90 %)

(10 %)

_

_

_

_

XIII

Page 368: LIBRO1 (0-675).pdf

355

EJERCICIO 13.5Ordena, de acuerdo con su abundancia relativa, los productos que se obtienen en las siguientes reacciones:Reacción 1:

H2SO4 + H2O

98,4 %

Me

Me(?)

Reacción 2:

Me

Me

Me H2SO4 + H2O

98,4 %(?)

SUSTITUYENTES MESÓMEROS ± M Son grupos que tienen dobles enlaces C-C. Dichos enlaces pueden ser localizados o no localizados. Por ejemplo:

_CH=CH2_CH=CH_CH=CH2dobles enlaces localizados: ;

dobles enlaces no localizados: ; en general, cualquier grupo Ar-

Cuando este tipo de sustituyentes está unido a un núcleo aromático, el enlace es siempre un enlace σ esencial, es decir, un enlace que sólo se puede dibujar como sencillo:

CH=CH2[enlace σ esencial]

[enlace σ esencial]CH=CH2

[enlace σ esencial]

Si se dibuja como doble, aparecen átomos de carbono con electrones desapareados, que no forman enlace:

CH_CH2CH_CH2

Sin embargo, cuando se forma un catión arenio en un hidrocarburo que tiene alguno de estos sustituyentes, pueden darse dos situaciones diferentes. Una de ellas es que el sustituyente esté ocupando una posición inactiva (sin asterisco), en cuyo caso el enlace continúa siendo un enlace σ esencial y el número de carbonos del sistema conjugado disminuye:

CH=CH2

E+[sistema conjugado de 6 carbonos] [sistema conjugado de 5 carbonos]

CH=CH2

E

H

+*

* *

[enlace σ esencial]

XIII

Page 369: LIBRO1 (0-675).pdf

356

La otra, es que el sustituyente ocupe una posición activa (con asterisco); entonces el enlace σ deja de ser esencial y el número de carbonos del sistema conjugado aumenta:

CH=CH2

E+

CH_CH2

H E

+

*

*

*[sistema conjugado de 6 carbonos]

*

[sistema conjugado de 7 carbonos]

En cualquier reacción de sustitución electrófila que tenga lugar en el estireno, el electrófilo se unirá preferentemente a las posiciones o- y p-, ya que los cationes arenio son los menos inestables (mayor número de carbonos en el sistema conjugado):

CH=CH2

E+

CH=CH2H

E

CH=CH2

H E

+

+

*

* *

*

*

*

[sistema conjugado de 7 carbonos]

*

[sistema conjugado de 5 carbonos]

CH=CH2

E

H

+*

* *+

[sistema conjugado de 7 carbonos]

CH=CH2E

CH=CH2

E

CH=CH2

E

[minoritario]

EJERCICIO 13.6Seguidamente aparecen los factores parciales de velocidad del bifenilo para una reacción de bromación y otra de nitración:

(FPV) = 10,7

(FPV) = 15,6

(FPV) = 41

(FPV) = 38

(FPV) < 0,6Bromación

[HOBr, H3O+ / dioxano]

Nitración

[HNO3, Ac2O / 00 C]

(FPV) = 0,28

Explica estos resultados experimentales con el mismo tipo de razonamiento que el empleado en el caso del estireno.

XIII

Page 370: LIBRO1 (0-675).pdf

357

EJERCICIO 13.7Ordena, de acuerdo con su abundancia relativa, los 12 productos que pueden obtenerse cuando se lleva a cabo la siguiente reacción de sustitución electrófila:

2'

3'

4'

5'

6'

2

3

45

6

7

8

(?)Br2

[Fe]

El Ejercicio 13.1 te servirá de ayuda. No es preciso que tengas en cuenta el impedimento estéreo.

SUSTITUYENTES MESÓMEROS +M Son grupos en los que un heteroátomo, más electronegativo que el carbono y con pares de electrones no compartidos, está unido directamente al núcleo aromático:

_NH2 ; _OH ; _NH_COR ; _OR ; _O_COR ; _X (Cl, Br, I): Siempre existen dos efectos electrónicos contrapuestos:

N HH

-I:NH2

-I>+M

+M

Los sustituyentes +M son, como los sustituyentes +I, orto- y para- dirigentes, ya que estabilizan el catión arenio cuando están situados en posiciones activas:

OH:

+E

OHH

E+

:

*

* *

OH:

+E

OH

+

:

H E*

*

*

OH:

+E

OH:

+ E

H

*

* *

XIII

Page 371: LIBRO1 (0-675).pdf

358

Los sustituyentes +M estabilizan el catión arenio cuando están situados en posiciones activas (con carga), y no tienen ningún efecto sobre dicha estabilidad cuando están unidos a carbonos sin carga:

OMe OMeH

E

OMeE+

*

* *

[posición activa]

:

E+sustitución en orto : [mayoritario]

OMe

H

E

OMe

E+*

* *

[posición inactiva]

sustitución en meta :

OMe:

E+[minoritario]

OMe

H E

OMe

E

+ *

*

*

[posición activa]

sustitución en para :

OMe:

E+[mayoritario]

Estos son algunos resultados experimentales: Acilación:

OMe

COMe

OMe

+ CH3COClAlCl3

OMe OMeCOMe

COMe

(FPV): ___ ___ 1.8xI06

+ +

Nitración:

OMe OMeNO2

OMe

NO2

OMe

NO2

+

:

HNO3

450C

(40 %) (0.0 %) (58 %)

+

XIII

Page 372: LIBRO1 (0-675).pdf

359

O_C6H5 O_C6H5NO2

O_C6H5

NO2

O_C6H5

NO2

+

:

HNO3 - Ac2O

00C

(51 %) (0,0 %) (49 %)

+

NH_C6H5 NH_C6H5NO2

NH_C6H5

NO2

NH_C6H5

NO2

+

:

HNO3 - Ac2O

00C

(76 %)(0,0 %)(24 %)

+

Sulfonación:

OH OHSO3H

OH

SO3H

OH

SO3H

+

:

250C

3400 7300

+H2SO4 / H2O (77,8 %)

(FPV) : ___

Halogenación:

NMe2 NMe2Br

NMe2

Br

NMe2

Br+

:

3x1019

+Br2 / H2O - AcOH

(FPV) : ______

OMe OMeCl

OMe

Cl

OMe

Cl+

:

4.6x107

+Cl2 - AcOH

(FPV) : ___6.1x106

OCOMe OCOMeCl

OCOMe

Cl

OCOMe

Cl

+

:

87

+Cl2 - AcOH

(FPV) : 0.0716.5

250C

XIII

Page 373: LIBRO1 (0-675).pdf

360

Los halógenos provocan la entrada de un nuevo sustituyente en posiciones orto y para; sin embargo, desestabilizan el catión arenio intermedio. No existe ninguna explicación sencilla que ayude a entender este hecho. Nitración:

Cl Cl:

MeNO2

AcONO2

:

NO2

(FPV)orto = 0,029

(FPV)meta = 0,0009

(FPV)para = 0,137

Br Br:

MeNO2

AcONO2

:

NO2

(FPV)orto = 0,033

(FPV)meta = 0,011

(FPV)para = 0,112

I I:

MeNO2

AcONO2

:

NO2

(FPV)orto = 0,252

(FPV)meta = 0,012

(FPV)para = 0,78 Acilación:

Distribución de isómeros y reactividades relativas en la benzoilación de C6H5-X en nitrometano a 250C

C6H5-COCl

AlCl3

X X

COC6H5

%

X orto meta para reactividad relativa H ⎯ ⎯ ⎯ 1 F 14.7 0.2 85.1 0.46 Cl 33.0 0.6 66.4 0.24 Br 32.5 0.7 66.8 0.18 I 30.6 0.7 68.7 0.28

Halogenación:

Cl ClCl

Cl

Cl

Cl

Cl

Cl++ +

36.4 % 1.3 % 62.3 %

XIII

Page 374: LIBRO1 (0-675).pdf

361

Br BrCl

Br

Cl

Br

Cl

Cl+ + +

39.7 % 3.4 % 56.9 %

SUSTITUYENTES MESÓMEROS −M Son grupos que tienen enlaces polarizados en el sentido C Z del enlace que les une al núcleo aromático:

δ−

δ+δ+

δ−:

CRO

CO OH

δ+δ−

CO OR

SO

O

Oδ+ δ−

NR3+

Son, como los sustituyentes -I, meta- dirigentes, ya que desestabilizan el catión arenio cuando están situados en posiciones activas (con asterisco):

NO2 NO2H

E

NO2E+

*

* *

[posición activa]

E+sustitución en orto : [minoritario]

NO2

H

E

NO2

E+*

* *

[posición inactiva]

sustitución en meta :

NO2

E+[mayoritario]

NO2

H E

NO2

E

+ *

*

*

[posición activa]

sustitución en para :

NO2

E+[minoritario]

Nitración:

HNO3 + H2SO4

NO2 NO2NO2

NO2

NO2

NO2

NO2

(6,1 %) (91,8 %) (2,1 %)

+ +

XIII

Page 375: LIBRO1 (0-675).pdf

362

HNO3 + H2SO4

CO2H CO2HNO2

CO2H

NO2

CO2H

NO2

(18,5 %) (80,2 %) (1,3 %)

+ +

HNO3 + H2SO4

CHO CHO

NO2

(90,8 %)

HNO3 + H2SO4

COMe COMe

NO2

(90,0 %)

HNO3

CONH2 CONH2

NO2

(70,0 %)

CONH2

NO2

+

(<0,3 %)

HNO3

CO2Et CO2Et

NO2

(68,4 %)

CO2Et

NO2

+

(3,3 %)

CO2EtNO2

+

(28,3 %) Halogenación:

NO2 NO2 NO2 NO2Cl

ClCl

+ +Cl+

(17,6 %) (80,9 %) (1,5)

CHO CHO CHO CHOCl

ClCl

+ +Cl+

(30,7 %) (63,5 %) (5,8)

XIII

Page 376: LIBRO1 (0-675).pdf

363

SUSTITUCIÓN ELECTRÓFILA EN HIDROCARBUROS POLICÍCLICOS CON SUSTITUYENTES

Cuando se realiza la nitración del 1-metilnaftaleno (el grupo metilo estabiliza el catión arenio) se obtiene una mezcla de 1-metil-2-nitronaftaleno y 1-metil-4-nitronaftaleno:

NO2+

Me MeNO2

Me

NO2

+

1 2

4

1

La nitración del 1-nitronaftaleno (el grupo nitro desestabiliza el catión arenio) conduce a una mezcla de 1,5- y 1,8-dinitronaftaleno:

1NO2

+

NO2 NO2 NO2

+

NO2

NO2

5

8 1

Para predecir los productos mayoritarios que se obtienen en las reacciones de sustitución electrófila del benceno, sólo es preciso fijarse si el sustituyente está en una posición activa o inactiva. Esto es así porque al formarse el catión arenio, la variación de energía de enlace π siempre es la misma, con independencia de la posición en la que tiene lugar la nueva reacción de sustitución. Sin embargo, en los hidrocarburos policíclicos con algún sustituyente, es preciso tener en cuenta dos factores: ⎯ Variación de la energía de enlace π (δEπ) al formarse el catión arenio ⎯ Valor de la carga (Q) del átomo de carbono, al que está unido el sustituyente en el catión arenio

situación más favorable: mínima variación de (δEπ) y carga máxima situación más desfavorable: máxima variación de (δEπ) y carga mínima (Q = 0)

+

Me

H NO2

H

NO2

Me

+*

**

* * * *

***

[posición activa] [posición inactiva]

[C más reactivo]

4

[C menos reactivo]

(δEπ)4 = −1,81β ; Q(1) = +0,36

[situación más favorable]

6

(δEπ)6 = −2,12β ; Q(1) = 0

1 1

[situación más desfavorable]

sustituyentes que estabilizan el catión arenio

XIII

Page 377: LIBRO1 (0-675).pdf

364

situación más favorable: mínima variación de (δEπ) y carga mínima (Q = 0) situación más desfavorable: máxima variación de (δEπ) y carga máxima

HNO2

NO2H

NO2+ +*

[posición activa]

[posición inactiva]

[C más reactivo]

[C menos reactivo]

(δEπ)2 = -2,12β ; Q(1) = +0,50

[situación más favorable]

(δEπ)8 = -1,81β ; Q(1) = 0

1

[situación más desfavorable]

* *

**8

**

* * *

21

O2N

sustituyentes que desestabilizan el catión arenio Nitración del 1-Metilnaftaleno (el grupo metilo estabiliza el catión arenio): Existen siete posiciones diferentes en las que puede tener lugar la reacción:

Me2

3

5 4

6

7

8

Estos son los valores de (δEπ) y de la carga Q en C1 (átomo al que está unido el sustituyente) cuando el electrófilo (NO2

+) se une a cada uno de los siete carbonos:

MeH

NO2

MeNO2

2

1

(δEπ)2 = −6aβ = −2,12β

* +*

* * *a-a

a

-a 2a a = 1/ 8 Q(1) = 4a2 = + 0,5;2

Me

2 NO2+

Me Me

H

NO2

Me

NO23

3+*

*

* * *a

-a

-a

2a

aNO2+

(δEπ)3 = −6aβ = −2,12β

a = 1/ 8 Q(1) = 0,0;1

3

Me Me1

(δEπ)4 = −6bβ = −1,81β

*

+

*

* * * -2b-bb

-b2b b = 1/ 11 Q(1) = 4b2 = + 0,36;

Me

4 H NO2 NO2

4

NO2+

4

XIII

Page 378: LIBRO1 (0-675).pdf

365

Me Me1

(δEπ)5 = −6bβ = −1,81β

**

* * b-b-2b

2b-b

b = 1/ 11 Q(1) = b2 = + 0,09;

Me

NO2+

H NO2 NO2

5 5+ *

5

Me Me Me

+ * *

* * *a

-a

-a

2a

a

(δEπ)6 = −6aβ = −2,12β

a = 1/ 8 Q(1) = 0,0;

O2N

H

NO26

6

1NO2

+

6

Me Me

(δEπ)7 = −6aβ = −2,12β

*+*

* * * a-aa

-a2a

a = 1/ 8 Q(1) = a2 = + 0,12;

MeNO2

H

NO2

17

7NO2

+ 7

Me Me1

*

*

* *b -b

-2b

2bb = 1/ 11 Q(1) = 0,0;+

MeNO2 H

*b

NO28 8

(δEπ)8 = −6bβ = −1,81β

NO2+

8

nitración del 1-Metilnaftaleno

posición δEπ x (-β) Q (1) C4 1.81 +0.36 C2 2.12 +0.50 C8 1.81 0.00 C5 1.81 +0.09

C7 2.12 +0.12 C3 2.12 0.00 C6 2.12 0.00

Me

46

[C más reactivo]

[C menos reactivo]

(FPV): C4 (95800) > C2 (40100) > C8 (11770) > C5 (2525) > C7 (468) > C3 (451) > C6 (265) La nitración del 1-Metilnaftaleno da lugar a una mezcla de dos productos mayoritarios: el 1-Metil-4-nitronaftaleno (FPV = 95800) y el 1-Metil-2-nitronaftaleno (FPV = 40100):

Me

Me

H NO2

MeH

NO2

Me

NO2

MeNO2

+

+2

4

NO2+

1

1

1-Metil-4-nitronaftaleno

1-Metil-2-nitronaftaleno

4

2

XIII

Page 379: LIBRO1 (0-675).pdf

366

Nitración del 1-Nitronaftaleno (el grupo nitro desestabiliza el catión arenio): Estos son los valores de (δEπ) y de la carga en C1 (átomo al que está unido el sustituyente) cuando el electrófilo (NO2

+) se une a cada uno de los siete carbonos: nitración del 1-nitronaftaleno

posición δEπ x (-β) Q(1) C8 1.81 0.00 C5 1.81 +0.09 C4 1.81 +0.36

C3 2.12 0.00 C6 2.12 0.00 C7 2.12 +0.12 C2 2.12 +0.50

NO2

[C más reactivo]

[C menos reactivo]2

8

La nitración del 1-Nitronaftaleno da lugar a una mezcla en la que son mayoritarios el 1,5- y el 1,8-Dinitronaftaleno:

NO2

NO2

NO2

NO2

NO2

+

+

NO2+

1

1

1,8-Dinitronaftaleno

1,5-Dinitronaftaleno

NO2 HNO2

H NO2 NO2

8

5

8

5

EJERCICIO 13.8¿Cuáles son los dos productos mayoritarios que se obtienen en las siguientes reacciones?:

Me(?)Reacción 1: HNO3

H2SO4

NO2

(?)Reacción 2: HNO3

H2SO4

Cuando el hidrocarburo policíclico tiene más de un sustituyente se utiliza el mismo procedimiento. Por ejemplo, ¿cuál será el producto mayoritario que se obtiene en la siguiente reacción?:

MeE+

Me(?)

1

3

45

78

El método menos incómodo consiste en dibujar los ocho cationes arenio del Naftaleno, con la carga de los átomos de carbono en los que puede tener lugar la sustitución:

XIII

Page 380: LIBRO1 (0-675).pdf

367

E

H+**

* * *EH

+ *

**

* *

(δEπ)1 = −1,81β

1

3

4

*

+

*

* * *H E

0,36

0,09 0,36

0,09E

H

(δEπ)2 = −2,12β

+**

* * *

0,500,12

0,12 0,12

(δEπ)3 = −2,12β

0,120,12

0,12 0,50

(δEπ)4 = −1,81β

0,36

0,360,09

0,09

2

5

6

**

* *H E

++

* * *

E

H7

8*+*

* * *

H

E*

*

**+

E H

*

(δEπ)5 = −1,81β

0,09

0,090,36

0,36

(δEπ)6 = −2,12β

* *0,12

0,120,12

0,50

(δEπ)7 = −2,12β

0,12

0,120,12

0,50

(δEπ)8 = −1,81β

0,09

0,09

0,36

0,36*

La ventaja de hacerlo así es que, una vez dibujados todos los cationes arenio, se puede averiguar fácilmente la influencia de los sustituyentes (da igual el número) en la reactividad relativa de los carbonos del hidrocarburo. A continuación, se hace una tabla como las que aparecen en las páginas 365 y 366, comenzando por los cationes arenio menos inestables (menor variación de δEπ) Como en el ejemplo del 2,6-Dimetilnaftaleno hay dos sustituyentes, en la columna de las cargas (Q) se escriben los valores que corresponden a cada uno de los dos metilos. posición (δEπ) x (-β) Qx(Z)

Q2(Me) = +0,36 C1 1,81 Q6(Me) = 0,00

Q2(Me) = +0,00 C5 1,81

Q6(Me) = +0,36 Q2(Me) = 0,00 C4 1,81 Q6(Me) = +0,09 Q2(Me) = +0,09 C8 1,81 Q6(Me) = 0,00 Q2(Me) = +0,12 C3 2,12 Q6(Me) = 0,00 Q2(Me) = 0,00 C7 2,12 Q6(Me) = +0,12

sustitución electrófila en el 2,6-dimetilnaftaleno

Me

Me

[C más reactivo]

1

3

[C menos reactivo]

8

4

7

5

carbonos equivalentes: C1 y C5 ; C3 y C7

C4 y C8

Orden de reactividad que se predice: C1 = C5 > C4 = C8 > C3 = C7

(FPV): C1 = C5 (1010000) > C4 = C8 (31400) > C3 = C7 (8060)

XIII

Page 381: LIBRO1 (0-675).pdf

368

Apartado 1: Averigua cuál de las dos posiciones marcadas en el 2,3-Dimetilnaftaleno es más reactiva.EJERCICIO 13.9

Me

Me

1

6

Apartado 2: Ordena las tres posiciones indicadas en el 1-Metil-4-nitronaftaleno de acuerdo con su reactividad relativa.

3

2

Me

NO2

8

SALES DE DIAZONIO Las aminas aromáticas primarias reaccionan con ácido nitroso dando lugar a sales de diazonio. El ácido nitroso se obtiene haciendo reaccionar nitrito sódico (NaNO2) con ácido clorhídrico:

( O=N_O + Na+ ) + ( Cl + H3O+ )H2O

00CO=N_OH + H2O + Na+ + Cl:

_

[ác. nitroso]

_ _

El ácido nitroso se protona en medio ácido fuerte, originando el catión nitrosonio (nitrosilo):

:

O=N_OH H OH2+

O=N OH

H

+ H2O

O=N:+

[catión nitrosonio]

+ H2O

+

Reacción del catión nitrosonio con una amina aromática primaria:

NH2+

N+

HH2O:

NH N=O

N-Nitrosoanilina

+ H3O+N ON OH

OH2H+

OH2H+

OH

H+

N N O

H OH2:

OH2N N OH + N N OH2+

N N:+

H2O:+

[catión fenildiazonio]

XIII

Page 382: LIBRO1 (0-675).pdf

369

Las sales de diazonio se obtienen habitualmente de la forma siguiente:

HNO3

H2SO4

NO2

reducción

NH2

NaNO2

HCl, H2O

N N Cl+

RRRR

[sal de diazonio]

_

El grupo diazonio se sustituye con facilidad por otros grupos (F, Cl, Br, I, CN, OH, NO2, H) a través de reacciones que transcurren mediante mecanismos que no son bien conocidos:

H2SO4

N2Cl

+

+

N

Cl

I

CN

OH

NO2

H

Br

N BF4

_ Q FHBF4

Cuo CuCl

KBr

KI

CuCN

H2O (40-50%)

NaNO2

Cu+

H3PO2

N2++ BF3

N2+

N2+

N2+

N2+

N2+

N2+

N2+

_

Las principales ventajas de las sales de diazonio en síntesis son las siguientes: 1 Permiten introducir grupos que no son asequibles mediante reacciones de sustitución electrófila (CN, OH y

también F o I):

H2SO4

N2Cl+

CN

OH

CuCN

H2O (40-50%)

NaNO2

N2+

N2+

NH2 HCl

_

XIII

Page 383: LIBRO1 (0-675).pdf

370

2 Sirven para obtener compuestos que no pueden sintetizarse a través de reacciones de sustitución electrófila con un rendimiento aceptable. Por ejemplo, el m-nitrofenol no se obtiene por nitración del fenol, ya que el grupo OH provoca la entrada de un nuevo sustituyente en posiciones o- y p-.

H2SO4

+

H2O

NaNO2

NO2 NO2

NO2 NO2

N2 SO4H

NO2

OH

NO2

HNO3

H2SO4

HNO3 reducciónH2SO4 /

NH2

Q

m-Nitrofenol

_

3 El grupo diazonio se puede utilizar para introducir un nuevo sustituyente en la posición adecuada, y eliminarlo

al final de la secuencia de reacciones, tratando su sal de diazonio con ácido hipofosforoso:

H2OBr2(exceso)

CO2H CO2H

NO2 NH2 NH2H2SO4

HNO3 reducciónH2SO4 /

CO2H CO2HBr

Br

BrNaNO2

+N2 SO4H

CO2HBr

Br

Br H3PO2

CO2HBr

Br

Br

_

EJERCICIO 13.10¿Cómo llevarías a cabo las siguientes transformaciones empleando reacciones de sustitución electrófila y sales de diazonio?:

1. 2.

NH2 NO2

NO2

(5 pasos)

CO2H CO2H

CO2H

(5 pasos)

3. 4.

NH2 Cl

(6 pasos)

NO2

BrBrCl Cl

CH2NH2

(3 pasos)

NH2

5. 6.

CMe3 CMe3

CO2H

(5 pasos)

CH2CH3

OH

(5 pasos)

7. 8.

Br

(8 pasos)

OH

I

(8 pasos)

Cl

XIII

Page 384: LIBRO1 (0-675).pdf

371

COLORANTES AZOICOS Las agrupaciones de átomos que absorben radiación ultravioleta o visible son normalmente dobles enlaces conjugados (1), dobles enlaces conjugados con grupos carbonilo (2) o anillos aromáticos (3) Todas estas agrupaciones reciben el nombre de cromóforos.

MeMeCH2OH

Me Me

Me

(1) vitamina A

[amarillo pálido]

MeMeMe

Me

Me

O

(2) β-Irona

[color violeta; fragancia de las violetas]

N=N

(3) (E) Azobenceno

[color naranja] Los cationes arildiazonio son electrófilos; reaccionan con los hidrocarburos aromáticos que tienen algún sustituyente activante (+M):

NN+

:

O_

N N

+

HB

O_

N N O_

H B N N OH + :B

p-Hidroxiazobenceno

[compuesto azoico; azoderivado] Los grupos OH y NH2, especialmente si están en orto o para respecto al doble enlace azo, intensifican el color de los compuestos azoicos. El colorante llamado amarillo de mantequilla se utilizaba para dar color a la margarina, hasta que se descubrió que producía cáncer:

N2Cl_+

+ NMe2

N,N-Dimetilanilina

N N

NMe2

p-Dimetilaminoazobenceno

[amarillo de mantequilla]

EJERCICIO 13.11El "rojo para" es un colorante azoico que se utiliza para teñir algodón. Su estructura es la siguiente:

N N

: :

HO

O2N

Idea una síntesis de este colorante a partir de Anilina y β -Naftol (2-Hidroxinaftaleno)

XIII

Page 385: LIBRO1 (0-675).pdf

372

EJERCICIO 13.12Para que un colorante azoico presente color azul, su molécula debe tener un número elevado de dobles enlaces conjugados. A continuación aparece la síntesis de un colorante de este tipo; averigua la estructura de loscompuestos A y B.

H2N

Me

NH2

Me

NaNO2 (2 eq.)

HCl, H2OA

+

OH NH2

SO3H

SO3H

(2 eq.) B (colorante azul)A

EJERCICIOS ADICIONALES 13.1 Predice cuál de las posiciones indicadas del Benzo[c]fenantreno (1) será la más reactiva en una reacción de nitración electrófila. Haz lo mismo para el 1-Metoxi-4-nitronaftaleno (2) en una reacción de bromación. Desprecia en ambos casos los posibles efectos debidos a impedimentos estéreos.

6

52

6

OMe

(1) (2)

NO2

13.2 Clasifica los compuestos que aparecen a continuación en orden decreciente de reactividad frente al catión nitronio, en una reacción de sustitución electrófila que tenga lugar en C7.

7 7 7

OH

CO2H

CO2H

OH

MeO CO2Me

(1) (2) (3)

7 7 7

(6)(5)(4)

MeO CO2MeMeO

MeO

O2N

NO2

XIII

Page 386: LIBRO1 (0-675).pdf

373

13.3 Los cloruros de ácido que aparecen a continuación se someten a una reacción de Friedel-Crafts intramolecular empleando las mismas condiciones experimentales. Ordénalos de acuerdo con su reactividad relativa.

(1) (2) (3)

MeO

CH2COCl CH2COCl

MeO

CH2COCl OMe

(4) (5)

CH2COCl CH2COCl

OMe

OMe

13.4 Empleando Naftaleno como producto inicial se pretende sintetizar los compuestos A y B:

COMe CMe3

(A) (B)

NO2

NO2

Explica cuál de las siguientes alternativas es la más razonable: Compuesto A: 1 Primero se realiza la acilación y después la nitración. 2 Primero se realiza la nitración y después la acilación. Compuesto B: 1 Primero se realiza la alquilación y después la nitración. 2 Primero se realiza la nitración y después la alquilación. 13.5 ¿Cuál de las siguientes reacciones tendrá lugar más fácilmente? : Reacción 1:

CH2 CMe3MeO

CMe3CH2Cl

OMe

+AlCl3

Reacción 2:

CH2

OMeCH2Cl

+

CMe3

MeO CMe3AlCl3

XIII

Page 387: LIBRO1 (0-675).pdf

374

Reacción 3:

CH2

CMe3CH2Cl

+

OMe

MeO

CMe3

AlCl3

Reacción 4:

CH2MeO

OMeCH2Cl

+

CMe3

CMe3AlCl3

13.6 Diseña una síntesis que permita obtener, con un rendimiento elevado, los compuestos que aparecen a continuación. Utiliza Naftaleno, Antraceno o Fenantreno como sustancias de partida y cualquier reactivo orgánico o inorgánico que necesites.

NO2

CMe3

CH2CH3NO2 COMe

SO3H

(2)(1) (3)

MeCHO NO2

(4) (5)

MeOC

13.7 Explica cuál de los dos productos que aparecen en las reacciones siguientes será el mayoritario. Indica los reactivos que son necesarios en cada caso para llevar a cabo cada una de las transformaciones. Secuencia 1:

OMeOMe

COMe COMe

OMe

+

Secuencia 2:

+

CO2Et CO2Et CO2Et

NO2

NO2

XIII

Page 388: LIBRO1 (0-675).pdf

375

Secuencia 3:

+

NMe2 NMe2 NMe2

BrBr Secuencia 4:

+

NHCOMe NHCOMe NHCOMe

SO3HSO3H

Secuencia 5:

+

COMeEt

COMeCOMe

Et

13.8 Diseña una síntesis que permita obtener, con un rendimiento aceptable, los productos que aparecen a continuación: a) p-Nitroisopropilbenceno b) m-Bromoacetofenona c) 1-Etil-4-nitronaftaleno d) 1-Feniletanol e) Ácido 8-bromo-1-naftalensulfónico Puedes utilizar cualquier producto inorgánico, pero únicamente las siguientes sustancias orgánicas: Benceno Metanol Ácido acético Naftaleno Etanol Isopropanol 13.9 El 6-Metil-2-nitronaftaleno se somete a una reacción de sustitución electrófila con ácidos nítrico y sulfúrico. Explica de forma clara y concisa cuál será el producto mayoritario que se obtiene: el 7-Metil-1,3-dinitronaftaleno o el 3-Metil-1,7-dinitronaftaleno. 13.10 Averigua la estructura de los compuestos que aparecen en las siguientes secuencias de reacciones. Secuencia 1:

1) Mg2)

3)H3O+

SOCl2BOBr2

[Fe]A C

1)Mg2)HCO2Et

1)H3O+D

2)H3O+

1) ?C6H5 C6H5

OH

C6H6

XIII

Page 389: LIBRO1 (0-675).pdf

376

Secuencia 2:

Me

MeO

??

Zn-Hg

HCl(conc.)A

MeCOCl?

B(C12H16O)1)NaBH4

2)PBr3C

1)Mg2)CO2

1)H3O+ "Brufen"(antirreumático)

13.11 La Difenadiona es un anticoagulante que ha sido utilizado en Suramérica para controlar la población del murciélago vampiro.

O

O

CO CH

Difenadiona Diseña una síntesis de la Difenadiona empleando únicamente los siguientes compuestos orgánicos: Benceno, 1,2-Bencenodicarboxilato de dimetilo (éster dimetílico del ácido o-ftálico), Metil-litio y LDA. Puedes utilizar cualquier sustancia inorgánica. 13.12 ¿Cómo llevarías a cabo las síntesis que aparecen a continuación? Puedes utilizar todos los productos orgánicos o inorgánicos que necesites. Síntesis 1:

HO2C

HO

varios pasos HO

HO

HN Me

OH

HMe

Me

salbutamol(fármaco para el tratamiento del asma)

Síntesis 2:

CMe3

varios pasos

CMe3

Br

XIII

Page 390: LIBRO1 (0-675).pdf

377

RESPUESTAS DE LOS EJERCICIOS INCLUIDOS EN EL TEXTO

6. EQUILIBRIO QUÍMICO Y REACTIVIDAD RESPUESTA 6.1

A(1) + B(2) B(1) + A(2)

α α(1−α) (1−α)

(1−α)2α2

log Keq = logΔpKa = = log(1−α)2α2

= log(1−0,9)2

0,92= 1,9

RESPUESTA 6.2

C6H5_OH + H2O C6H5

_O + H3O+

pKa 10 pKa -1,7Keq = 2 x 10-12

C6H5_OH + CH3

_CO2 C6H5_O + CH3

_CO2H

pKa 4,8

Keq = 6,3 x 10-6

C6H5_OH + NH3 C6H5

_O + NH4+

_

_ _

_

pKa 9,24Keq = 0,2

C6H5_OH + Me2NH C6H5

_O + Me2NH2+

pKa 10,7

Keq = 5,0

C6H5_OH + MeO C6H5

_O + MeOH

_

_ _

pKa 15,2Keq = 1,6 x 105

C6H5_OH + Me3CO C6H5

_O + Me3COH_ _

pKa 19Keq = 109

C6H5_OH + NH2 C6H5

_O + NH3_ _

pKa 36Keq = 1026

RESPUESTA 6.3

R CO

NH2 + H3O+ R C

O

NH2 + H2O

H+

Keq = 16

pKa 1,7 pKa -0,5

R CO

OH + H3O+ R C

O

OH + H2O

H+

pKa -6

Keq = 5 x 10-5

RT-6,7

Page 391: LIBRO1 (0-675).pdf

378

R CO

OH + H3O+ R C

O

OH + H2O

H+

pKa -6

Keq = 5 x 10-5

R CO

OR' + H3O+ R C

O

OR' + H2O

H+

Keq = 5 x 10-6

pKa -7

Keq = 2,5 x 10-6R CO

R + H3O+ R C

O

R + H2O

H+

pKa -7,3

Keq = 5 x 10-9R CO

H + H3O+ R C

O

H + H2O

H+

pKa -10 RESPUESTA 6.4 Reacción 1:

pKa 10,2 pKa 4,8

ΔG0 = 1,36 ΔpKa_ Keq = antlog _ ΔG0

1,36= -1,36 (4,8 - 10,2) = 7,3 > 0 = 4,3 X 10-6 (la reacción no es útil)

CH3_NO2 + CH3

_CO2 Na+ CH2_NO2 + CH3

_CO2H + Na+__

Reacción 2:

pKa 23 pKa 36

ΔG0 = 1,36 ΔpKa_ Keq = antlog _ ΔG0

1,36= -1,36 (36 - 23) = -17,7 < 0 = 1,0 X 1013 (la reacción sí es útil)

CH3_CO2Et + NH2 Na+

_CH2

_CO2Et + NH3 + Na+_

7. REACCIONES DE OLEFINAS Y ALQUINOS RESPUESTA 7.1 Apartado 1:

[ ] mol/kcal77.8)73.12(99.1451.6G0T −=−+−−=Δ

CH3 CH CH2 (g) + HBr (g) CH3 CH CH3

Br(g)

[ ] mol/kcal63.7)73.12(99.1437.5G0T −=−+−−=Δ

CH3 CH CH2 (g) + HBr (g) CH3 CH2 CH2Br (g)

El primer equilibrio está más desplazado a la derecha que el segundo (mayor variación negativa de energía libre)

RT-6,7

Page 392: LIBRO1 (0-675).pdf

379

Apartado 2:

( )22,6.p,7TemaT6.4

GlogantK0

.eq ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ Δ−=

CH3 CH CH2 (g) + HBr (g) CH3 CH CH3

Br(g)

( ) 60

.eq 1050.23977.6logant2986.4

8770logantT6.4

Glogant1K ×==⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛×

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ Δ=

CH3 CH CH2 (g) + HBr (g) CH3 CH2 CH2Br (g)

( ) 50

.eq 1068.35661.5logan2986.4

7630logantT6.4

Glogan2K ×==⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛×

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ Δ=

Apartado 3:

( ) [ ][ ][ ( ) [ ]

[ ][]HBrpropenonobromopropa21K .eq

−= ]HBrpropeno

nobromopropa12K .eq−

=

( )( )

[ ][ ] 79.6

1068.31050.2

nobromopropa1nobromopropa2

2K1K

5

6

.eq

.eq =×

×=

−−

=

[ ] [ ]nobromopropa179.6nobromopropa2 −=−

% (2-Bromopropano) = 6.79 % (1-Bromopropano) (1-bromopropano) = 12.83 % (2-bromopropano) = 87.17 % % (2-Bromopropano) + % (1-Bromopropano) = 100 Apartado 4: ¿Por qué no se obtiene nada de 1-bromopropano?

( )mol/kcal51.6G0f −=Δ ( )mol/kcal37.5G0

f −=Δ es más estable que el 1-bromopropano El 2-bromopropano Si se deja tiempo suficiente para que la reacción alcance el equilibrio, la mezcla resultante tendrá el 87.17 % de 2-bromopropano y el 12.83 % de 1-bromopropano (la reacción está sometida a control termodinámico) Cuando los productos se aíslan antes de alcanzarse el equilibrio, el producto mayoritario será el que se forma más rápidamente (la reacción está sometida a control cinético) ¿Por qué el 2-bromopropano se forma más deprisa que el 1-bromopropano? RESPUESTA 7.2

Cl_

[carbocatión secundario]

Cl_

[carbocatión primario]

HCl 3-Cloro-2,2-dimetilbutano

1-Cloro-3,3-dimetilbutano

CH3 C CHCH3

CH3

CH2

12

1

2

CH3 C CHCH3

CH3

CH3

CH3 C CH2

CH3

CH3

CH2

+

+

CH3 C CHCH3

CH3

CH3

Cl

CH3 C CH2

CH3

CH3

CH2Cl

(no se obtiene)

RT-6,7

Page 393: LIBRO1 (0-675).pdf

380

En el carbocatión secundario tiene lugar la transposición de un anión metilo:

[carbocatión secundario]

Cl_

CH3 C CH

Me

CH3

CH3+

transposiciónCH3 C CH

CH3

CH3+ CH3

[carbocatión terciario]

CH3 C CHCH3

CH3

CH3Cl

2-Cloro-2,3-dimetilbutano RESPUESTA 7.3 Reacción del (Z)-3,4-dimetil-3-hexeno con HCl: Se obtiene una mezcla de dos racémicos del 3-cloro-3,4-dimetilhexano: (1) y (4) ; (2) y (3) Comprueba que partiendo del diastereoisómero (E) del 3,4-dimetil-3-hexeno se obtiene la misma mezcla de reacción.

EtMe

H

Cl

EtMe

H

MeEt

EtMe

Cl

EtMe

Cl

EtMe

H

MeMeEt Et

H

MeEt

Cl

EtMe

[1] (3S,4S)

(Z)

[2] (3R,4S)

[3] (3S,4R)

[4] (3R,4R)

H

MeEt

Et

Me

EtMe

H

Et

Me

+

+

1

2

2

1

1

2

HCl

Cl_

Cl_

1

2

1

2

1

2

4 3

4

4

4

3

3

3

RESPUESTA 7.4 Alcohol terc-butílico

CH3 CCH3

OHCH2H

CH3 CCH3

CH2H

+CH3 C

CH3CH2

CH3 CCH3

CH2 + H3O+ CH3 CCH3

CH3+

+ H2O CH3 CCH3

CH3OH

+ H3O+

2-MetilpropanoAlcohol terc-butílico

RT-6,7

Page 394: LIBRO1 (0-675).pdf

381

1-Metilciclobutanol

CH3

OHCH3H3C

H

++CH3H2C

1-MetilciclobutenoMetilenciclobutano

CH3

H

+

CH3

1-Metilciclobuteno

H3O++

+ H2OH2O

CH3OH

+ H3O+

1-Metilciclobutanol

CH2

Metilenciclobutano

+ H3O+

CH2 H++ H2O

CH3OH

+ H3O+

1-Metilciclobutanol

H2O

1-Feniletanol

C6H5 CH CH3

OHC6H5 CH CH3

+C6H5 CH CH2

Feniletileno(Estireno)

C6H5 CH CH2

Feniletileno

H3O++ C6H5 CH CH3+

H2O+H2O

C6H5 CH CH3

OHH3O++

2-Metil-2-butanol

CH3 C CH2CH3

CH3

OHCH3 C CHCH3

CH3

+H

CH3 C CHCH3

CH3

2-Metil-2-buteno

CH3 C CHCH3

CH3

2-Metil-2-buteno

H3O++ CH3 C CHCH3

CH3

+H

H2O+ CH3 C CHCH3

CH3

2-Metil-2-butanol

H2O

RESPUESTA 7.5 Reacción 1:

CH3

H

H Cl

H

H CH3+ Cl

_ Cl

CH3

1-Cloro-1-metilciclohexano(carbocatión terciario)

RT-6,7

Page 395: LIBRO1 (0-675).pdf

382

Reacción 2:

CH3

H

Et HClCH3

H

Et

H

H

MeH

EtCl

(1R,3S)

(1)

ClH

EtMe

(1S,3S)

(2)

3-Etil-1-metil-1-clorociclohexano

3-Etil-1-metil-1-clorociclohexano

Cl_

1

2

(3S)-3-Etil-1-metilciclohexeno

1

23

4

5 6

1

2

+

2

1

3

4

5 6

2

1

3

4

5 6

Se obtiene una mezcla de dos diastereoisómeros: (1) (1R,3S) y (2) (1S,3S) Reacción 3:

CH3 CH3

H

H

Me

OH

OH

Me

trans 1,4-Dimetilciclohexanol

1

2(4R)-1,4-Dimetilciclohexeno

H

Me

HOHH2SO4

H

Me

H

Me

H

Me

cis 1,4-Dimetilciclohexanol

1

23

4

5 6

1

2

+

2

1

3

4

5 6

2

1

3

4

5 6

H2O

Se obtiene una pareja de diastereoisómeros cis / trans del 1,4-dimetilciclohexanol RESPUESTA 7.6

CH2 CH2 + H3O+ CH3 CH2+

+ H2O

CH2 CH2+CH2 CH3 CH2 CH2CH2CH3

+

dímero

CH2 CH2CH2CH3+

CH2 CH2 CH2 CH2CH2CH2CH2CH3+

. . .

trímero

CH2 CH+

H

CH2 CH3nB:

CH2 CH CH2 CH3n + HB+

Polietieno

RT-6,7

Page 396: LIBRO1 (0-675).pdf

383

RESPUESTA 7.7 (E)-2-Buteno:

HMe

Br

Br

MeH

Br

MeH

MeH

Br

MeH

Br

HMe

Br

HMeH Me

Br

MeH

Br

MeH

[1] (2S,3S)

(E)

[2] (2S,3R)

[3] (2R,3S)

[4] (2R,3R)

Br

MeH

Me

H

HMe

Br

Me

H

+

+

1

2

2

1

1

2

Br2

Br_

1

2

1

2

Br_

1

2

2

2

2

2

3

3

3

3

Enantiómeros: (1) y (4) ; Forma meso: (2) = (3) (Z)-2-Buteno:

MeH

Br

Br

MeH

Br

HMe

MeH

Br

MeH

Br

MeH

Br

HHMe Me

Br

HMe

Br

MeH

[1] (2R,3S)

(Z)

[2] (2R,3R)

[3] (2S,3S)

[4] (2S,3R)

Br

HMe

Me

H

MeH

Br

Me

H

+

+

1

2

2

1

1

2

Br2

Br_

1

2

1

2

Br_

1

2

2 3

2

2

2

3

3

3

Se llega al mismo resultado que con el estereoisómero (E) Enantiómeros: (2) y (3) ; Forma meso: (1) = (4)

RT-6,7

Page 397: LIBRO1 (0-675).pdf

384

RESPUESTA 7.8

_

Me H

MeH Br2

Me H

MeH

Br+

H

Me Br

Br Me

H

Me

HBr

BrH

Me

(2) (2S,3R)

Br

(1) (2R,3S)

H

Br Me

Me

H Br

2

3

H

BrMe

Me

HBr

2

3

2 3

2 3

1 2

1

2

El resultado es el mismo que si se parte del otro catión bromonio:

Me HMeH

Br+

RESPUESTA 7.9 A continuación aparece un esquema de la reacción entre XOH y los estereoisómeros (Z) y (E) de una olefina que tiene los mismos sustituyentes unidos al doble enlace.

R R

HH

_

R R

HHX+

R

R OH

X H

H

R

RHO

XH

H

A(1)

HO

A(2)

1

2

1 2

_

R R

HH

X+

R

R X

HO H

H

R

RX

OHH

H

A(1)

HO

A(2)

1

2

1 2

(Z)

XOH

Enantiómeros: A(1) y A(2)

RT-6,7

Page 398: LIBRO1 (0-675).pdf

385

Para obtener una de las dos parejas de enantiómeros, a partir del estereoisómero (Z), sólo es necesario trabajar con uno de los dos cationes halogenonio posibles. Si la reacción se hace con el estereoisómero (E), hace falta emplear los dos cationes halogenonio, ya que cada uno de ellos sólo da lugar a uno de los estereoisómeros de la otra pareja de enantiómeros:

R H

RH

_

R H

RHX+

H

R OH

X R

H

R

HHO

XH

R

A(3)

HO

A(3)

1

2

1 2

_

R H

RH

X+

H

R X

HO R

H

R

HX

OHH

R

A(4)

HO

A(4)

1

2

1 2

(E)

XOH

Enantiómeros: A(3) y A(4) Si en los esquemas anteriores R ≡ Me, los resultados son los siguientes:

Me Me

HHMe

Me OH

Cl H

H

Me

MeHO

ClH

H(Z)

ClOH

(2S,3S)-3-Cloro-2-butanol

2 23 3+

(2R,3R)-3-Cloro-2-butanol

H

Me Cl

HO Me

H

Me

HHO

ClH

MeMe H

MeH

(E)

ClOH 22 33+

(2S,3R)-3-Cloro-2-butanol (2R,3S)-3-Cloro-2-butanol

RT-6,7

Page 399: LIBRO1 (0-675).pdf

386

RESPUESTA 7.10

EtMe

HOBr

Br

MeEt

OH

1

2

+

OH

MeEt

Br

2

1

2-Bromo-2-etil-1-metilciclohexanol

2-Bromo-1-etil-2-metilciclohexanol

(1R,2R)

OH

MeBr

Et

Me

BrEt

OH

Me

OHEt

Br

Br

MeOH

Et

1 2

1

1

1

2

2

2

Br+

Br+

Et Me

Et Me

HO_

HO_

HOBr

Et Me

1

2

4

3

1 2

3 4

(1)

(2)

(1)

(2)

(1S,2S)

(1S,2S)

(1R,2R)

Se obtienen los siguientes productos: (1R,2R) 2-bromo-1-Etil-2-metilciclohexanol (1) pareja de enantiómeros (1S,2S) (1S,2S) 2-bromo-2-Etil-1-metilciclohexanol (2) pareja de enantiómeros (1R,2R) RESPUESTA 7.11

CH CH2CH31)RCO3H

2)H3O+ CH CH2CH3

OH

OH

1-(1-Hidroxipropil)ciclohexanol

RT-6,7

Page 400: LIBRO1 (0-675).pdf

387

EtH RCO3H

EtH

OH3O+

EtH

O

H+

EtH

O

H+ 1

OH

HO

EtH

EtH

OH

+

H2O

(1)(1S)H2O

OH

HOEt

H1EtH

O

+

H

H2O

(2)(1R)

H2O

EtH

O

H

+

RESPUESTA 7.12

(1S,2R)

Me

OHOH

Et

OH

MeEt

OH

1 2

21

Et MeOsO4

Et Me

(1)

(2)

(1R,2S)

O O

OsO O

Et MeO O

OsO O

KOHH2O

KOHH2O

Se obtiene una pareja de enantiómeros del 1-Etil-2-metil-1,2-ciclohexanodiol. RESPUESTA 7.13 Reacción del (Z)-2-Penteno:

Me Et

HH

Me Et

HHO

HO

OH

Et

Me

H

H

(Z)-2-Penteno

Me Et

HHO

RCO3H H3O+

H+

1 2

OH

HO

Me

Et

H

H

H2O

1

2

(1)(2S,3S)

(2)(2R,3R)

2

2

3

3

RT-6,7

Page 401: LIBRO1 (0-675).pdf

388

Reacción del (E)-2-penteno:

OsO4

Me H

KOHH2O

KOHH2O

H Et

(E)-2-Penteno

Me H

H EtO O

OsOO

Me H

H Et

O OOs

O O

HEt

OH

MeH

HO

HO

HMe

OH

HEt

(2) (2R,3R)

(1) (2S,3S)

2 3

2 3

En los dos casos se obtiene la misma pareja de enantiómeros. RESPUESTA 7.14 Las reacciones que conducen a los dos isómeros son reversibles. Los dos haluros de alquilo se ionizan fácilmente, debido a que ambos originan un carbocatión estabilizado:

ClCH2 CH CHCl

CH22000C ClCH2 CH CH CH2

++ Cl

_

ClCH2 CH CH CH2Cl 2000C ClCH2 CH CH CH2+

+ Cl_

−Ahora, el carbocatión vuelve a reaccionar con el nucleófilo (Cl ) en condiciones de control termodinámico, ya que la temperatura se ha elevado hasta 2000C. El resultado final es el mismo que si la reacción entre 1,3-butadieno y cloro transcurre a 2000C. RESPUESTA 7.15

C6H5 OMe13

42

OMe

H

HH

OMe

H

OMe

H

H

OMe

+

+

+

+

**

**

*

**

**

*

*

ÁTOMOS CONJUGADOS

9

7

3

0

1

2

3

4

(1)

(2)

(3)

(4)

RT-6,7

Page 402: LIBRO1 (0-675).pdf

389

Orden de estabilidad relativa: (1) > (2) >> (3) >>> (4) La reacción transcurre a través del carbocatión (1):

C6H5 OMe

1

2

C6H5OMe

C6H5

+

+

H

H

OMe

C6H5OMe

+H

C6H5H

+OMe

(adición 1,2)

(adición 1,2)

(adición 1,4)

(adición 1,4)

H

1

2

+

Adición 1,2: se obtiene 3-Bromo-1-fenil-4-metoxiciclopenteno

C6H5

1

2

C6H5OMe

C6H5

H

OMe

H

Br_

1

2

+ H

OMe

Br

H

H

Br

1

2 3

4

4

32

1

(1)(3R,4R)

(2)(3S,4R)

(trans)

(cis)

C6H5

1

2

C6H5H

C6H5

OMe

H

OMe

Br_

1

2

+ OMe

H

Br

H

H

Br

1

2 3

4

4

32

1

(3)(3R,4S)

(4)(3S,4S)

(cis)

(trans)

Se obtienen dos racémicos: (1) y (4) ; (2) y (3) Las cantidades de (1) y (4) son iguales porque ambos se obtienen en la reacción del anión bromuro por el lado menos impedido del carbocatión. Lo mismo sucede con (2) y (3) que surgen de la interacción por la cara más impedida. Por este motivo, el racémico [(1) + (4)] será mayoritario y el [(2) + (3)] minoritario.

RT-6,7

Page 403: LIBRO1 (0-675).pdf

390

Adición 1,4: se obtiene 3-Bromo-3-fenil-5-metoxiciclopenteno

C6H5OMe

+H

Br_

1

2

12

3

4

(trans)

(cis)

1

2

C6H5 OMe

HBr5

(5)(3R,5R)

12

3

4Br OMe

HC6H5

5

(6)(3S,5R)

C6H5H

+OMe

Br_

1

2

12

3

4

(cis)

(trans)

1

2

C6H5 H

OMeBr5

(7)(3R,5S)

12

3

4Br H

OMeC6H5

5

(8)(3S,5S) Ahora se obtiene una mezcla de otros dos racémicos: (5) y (8) ; (6) y (7) Por la misma razón que antes, el racémico [(5) + (8)] será el mayoritario. Si la reacción se realiza a temperatura alta, está sometida a control termodinámico. Producto mayoritario: mezcla de estereoisómeros [(1), (2), (3) y (4)] de la olefina más sustituida: 3-Bromo-1-fenil-4-

Metoxiciclopenteno [adición 1,2] Si la reacción se realiza a temperatura baja, está sometida a control cinético. Producto mayoritario: mezcla de estereoisómeros [(5), (6), (7) y (8)] de la olefina menos sustituida: 3-Bromo-3-fenil-5-

Metoxiciclopenteno [adición 1,4] RESPUESTA 7.16

12

R C CHHCl

R C CH3

Cl

Br

R CH CH2BrCl

R CH CH2ClBr

R CH2 CHClBr

R C CH3

Cl

R CH CH2

Cl

R CH CH2

R CH2 CH

Cl

Cl

+

+

+

+

R C CH2

Cl

R CH CHCl

R C CH2+

R CH CH+

(2)

Br_

Br_

Br_

Br_

HBr

HBr

(1)

Cl_

Cl_

(1')

(1'')

1

1

2

2

12

RT-6,7

Page 404: LIBRO1 (0-675).pdf

391

El carbocatión (1) es menos inestable que el (2) debido al grupo alquilo R (cesor de electrones) unido a él. El carbocatión (2) no se forma o lo hará en cantidades insignificantes. En la reacción con HBr se originan los carbocationes (1’) y (1’’) De los dos, (1’) es más estable que (1’’) debido a la deslocalización de la carga entre los átomos de cloro y carbono.

R C CH3

Cl ::

R C CH3

:Cl :+

+ El producto mayoritario de la reacción será el siguiente:

R C CH3

Cl ::

+Br

_

R C CH3

Cl

Br RESPUESTA 7.17 3,4-Hexanodiol Retrosíntesis:

CH3CH2 CHOH

CHOH

CH2CH3 CH3CH2 CH CH CH2CH3 CH3CH2 C C CH2CH3

CH3CH2X

CH C:_

CH2 CH2 CH CH

CH CH

+

Síntesis:

CH CH

_Na+:NH2

-330 CCH C:

_ CH3CH2BrCH3CH2 C CH

2)CH3CH2Br

1)Na+NH2-

CH3CH2 C C CH2CH3

HBr H2C CH2H2

[Pt]CH CH

H2

[Pt]CH3CH2 CH CH CH2CH3

2)H3O+

1)OsO4CH3CH2 CH

OHCHOH

CH2CH3

3,4-Hexanodiol

CH3CH2 C C CH2CH3

(E)-3-Hexeno La síntesis es idéntica a la anterior hasta llegar al 3-Hexino. Este compuesto se transforma en (E)-3-Hexino por reducción con sodio en amoníaco líquido:

CH3CH2 C C CH2CH3 C CCH2CH3H

CH3CH2 H

(E)-3-Hexeno

_:

Na+:NH2

-330 C

RT-6,7

Page 405: LIBRO1 (0-675).pdf

392

8. REACCIONES DE SUSTITUCIÓN NUCLEÓFILA EN GRUPOS CARBONILO

RESPUESTA 8.1

R CO

OHPCl3

R CO

Cl +3 PO3H33

Cl_

R CO

OH

: P

Cl

Cl

Cl

R CO

OH

PCl2

+R C

OCl + HO P

ClCl

Cl_

R CO

OH

: P

Cl

OH

Cl

R CO

OH

P+

R CO

Cl + HO PCl

OHOH

Cl

Cl_

R CO

OH

: P

OH

OH

Cl

R CO

OH

P+

R CO

Cl + HO POH

OHOH

OH

HO P

OH

OH

: O P

OH

OH

:H HO P

OH

OH

H+

+ PO

OH

OH

:_

PO

OH

OH

:_

O P

OH

OH

H+

H PO

OH

OH

H + PO

OH

OH

H

RESPUESTA 8.2

OH

N+

_

N

H+

+ CH3 CO O CO CH3

O CO

CH3

CH3 CO

O +

[catión acilamonio]

CO

MeO C

Me

ON: N C

OMe +

+Me C

OO

_

OH NC

O

Me

+ [adición]O NC

O

Me

++

_[eliminación]

O NCMe

+ O+ :

H H

RT-8,9,10,11

Page 406: LIBRO1 (0-675).pdf

393

Me CO

O H+

N: Me CO

O

[Acetato de fenilo]

N+

+ H

RESPUESTA 8.3

COCl

+

CO2H

N+

_

N +

C

O

O C

O

H

Cl

N: C

O

Cl

C6H5

N C

O

Cl

C6H5

_

+N C

OC6H5

[catión acilamonio]

+

CO

OH C

O

N

C6H5

+ [adición]CO

O C

O

C6H5

N+

H

_+

CO

O C

O

C6H5

N+

H

_+ [eliminación]

CO

O C

O

C6H5

N+H

+:

CO

O C

O

C6H5

+

H

+

N:

CO

O C

O

+NH

RESPUESTA 8.4

NH2:

+

HN

+ MeOHCH3CH2 CO

O Me

CO

CH2CH3

NH2 C

O

CH2CH3

O Me

:[adición]

NH2 C

O

CH2CH3

O Me

: :_

+

RT-8,9,10,11

Page 407: LIBRO1 (0-675).pdf

394

N C

O

CH2CH3

O Me

: :_

H+

HN C

O

CH2CH3

O Me

:

H

H

+NH C

O

CH2CH3

O

H

Me

H2N[eliminación]

NH CO

CH2CH3

NH3+

+ MeO_

+

H2N H+

O_Me_

NH2

+ MeOH

RESPUESTA 8.5

_ + NH3

_R C

ONH2 + HO R C

OO

_

C

O

RNH2

::

HO_ [adición]

C

O

R

NH2

::

HO

_C O

R

NH2

:HO H___OH C OH

R

NH2

HO + HO_

[base]1 [ácido]2 [ácido]1 [base]2

C

OH

R

NH2HO H___OH C

OH

R

NH3HO+

+ HO_

[base]1 [ácido]2 [ácido]1 [base]2

C

O

R

NH3HO+

HHO_

[eliminación]HO C

O

R + H2O + NH3

ácido

: ::

RT-8,9,10,11

Page 408: LIBRO1 (0-675).pdf

395

R C

O

OH

: :

+ HO_

R C

O

O

: :_

+ H2O

H3O+ (ácido fuerte: HCl)

R C

O

OH

: :

+ H2O

ácido libre

anión del ácido

RESPUESTA 8.6 Hidrólisis de la lactona:

O

OHO_CH2CH2CH2

_CO2H

Ác. γ −hidroxibutírico γ −Butirolactona

H3O+

H2O

O

O+ H3O+

O+ H2O

O H+

O

OH2

O [adición]+

O OH

O___HH

+ OH2:

O O_H

O_H

:

H___OH2+

O O_H

O_H

:

H+

+ H2OH

OO_H

O_H

H+ :

[eliminación]

OO___H

O_H

H

:

+OH2:

OC O

O_H

H

:

:

Ác. γ-hidroxipropiónico

+ H3O+

Hidrólisis de la lactama:

anión del Ácido δ−aminopentanoico

H2N_CH2CH2CH2CH2_CO2

δ−Valerolactama

NO

H

_

H2OHO

_

N

H

[adición]O

OH_

N

H

O

OH_

H___OHNH

OH

OH

H___OH

N_HOH

OH

H

+ + HO_

RT-8,9,10,11

Page 409: LIBRO1 (0-675).pdf

396

N_HO__H

OH

H+

OH_

NH2

C

O___H

O

OH_

NH2

C

O

O[eliminación]

+ H2O

_

anión del Ácido δ−aminopropiónico

RESPUESTA 8.7 1. Hidrólisis en medio ácido:

O

O

O

+ H2OC__OH

C__OH

O

OAnhidrido ftálico

H3O+

O

O

O

:

:

H__OH2+

O

O__H

O:

+

:OH2 [adición]O

O:

O O__H+HH

O

O:

O O___H+

:OH2

O

O:

O O_H

H___OH2+

O

O_H

OO_H

+

+ H2O

H HH

H

C

C+ H3O+O

O_H

O O___H

+

:OH2 [eliminación]H

O

O

O

O

H

H 2. Reacción con metanol en medio ácido:

O

O

O

+ MeOH

C__OMe

C__OH

O

O

H3O+

O

O

O

:

:

H__OH2+

O

O__H

O:

+

[adición]O

O:

H-O O__H

Me

+OMe

H

:

RT-8,9,10,11

Page 410: LIBRO1 (0-675).pdf

397

O

O:

O O___H

Me

+ :OH2

O

O:

HO O_Me

H___OH2+

O

O_H

MeO O_H

+

+ H2O

H

C

C+ H3O+O

O_H

MeO O___H

+

:OH2 [eliminación] O

O

OMe

OH 3. Reacción con metiIamina:

O

O

O

+ 2MeNH2

C__NHMe

C__O

O

O

_ + MeNH3+H3O+

O

O

O

:

:

[adición]O

O:

O +:NMe

H

H

: :_

N__Me

H

H O

O:

MeH_N O_H

O

O:

MeNH O___H :NH2Me[eliminación] C

C_

+ MeNH3+

O

O

NHMe

O RESPUESTA 8.8

R CH2 CO

OEt + :B R CH CO

OEt + H_B_ ::

+

R_CH C___OEt

O

CH2RCO2Et

_R CH

CO2EtCO

CH2 R + EtO_

β−cetoéster Se pueden formar dos aniones enolato:

CH3_CO2Et CH2

_CO2Et (1) (anión enolato del acetato de etilo)EtOEtOH

_ _

RT-8,9,10,11

Page 411: LIBRO1 (0-675).pdf

398

EtOEtOH

_C6H5CH2

_CO2Et C6H5_CH_CO2Et (2) (anión enolato del fenilacetato de etilo)

_

1. Reacción del enolato (1) con acetato de etilo:

CH2EtO2C_

C

O

CH3

OEt[adición]

CH2EtO2C C

O

CH3

OEt

_

[eliminación]CH3 C

OCH2 CO2Et + EtO

_

3-Oxobutanoato de etilo 2. Reacción del enolato (1) con fenilacetato de etilo:

4-Fenil-3-oxobutanoato de etilo

CH2EtO2C_

C

O

CH2

OEt

C6H5

[adición]CH2EtO2C C

O

CH2

OEt

_

C6H5 C6H5CH2 CO

CH2 CO2Et + EtO_[eliminación]

3. Reacción del enolato (2) con acetato de etilo:

2-Fenil-3-oxobutanoato de etilo

CHEtO2C_

C

O

CH3

OEt[adición]

CHEtO2C C

O

CH3

OEt

_

[eliminación]CH3 C

OCH CO2Et + EtO

_

C6H5 C6H5

C6H5

4. Reacción del enolato (2) con fenilacetato de etilo:

2,4-Difenil-3-oxobutanoato de etilo

CHEtO2C_

C

O

CH2C6H5

OEt[adición]

CHEtO2C C

O

CH2C6H5

OEt

_

C6H5CH2 CO

CH CO2Et + EtO_

C6H5 C6H5

C6H5[eliminación]

RESPUESTA 8.9 Reacción 1:

C6H5_CH2

_CO2Et + H_CO2Et1)EtO

_

2)H3O+

C6H5_CH2

_CO2Et + EtO_

C6H5 CH CO

OEt C6H5 CH C

O

OEt

__

+ EtOH

(1) (2)

(2)

C6H5 CH

CEtO

O_

C

O

HOEt

[adición]C6H5 CH

CEtO

O

C

O

HOEt

_

[eliminación]C6H5 CH

CO2Et

CO

H + EtO_

RT-8,9,10,11

Page 412: LIBRO1 (0-675).pdf

399

Reacción 2:

Na+ NH2_

NH3 (liq.)EtO C

OOEtCH3 CH

CH3

CO2Et A

+ NH3

(A)

CH3 CHCH3

CO2Et + NH2_

CH3 CCH3

CO

OEt_ CH3 CCH3

CO

OEt

_

(A)

EtO C

O

CCH3

H3C

_

C

O

OEtOEt

[adición]EtO C

O

C

CH3

H3C C

O

OEt

OEt

_

[eliminación]CH3 C

CH3

CO2EtCO

OEt + EtO_

Reacción 3:

LDAC6H5 CHCH3

CO2Et BCH3COCl

C6H5 CHMe

CO2Et + LDA C6H5 CMe

CO

OEt_ C6H5 CMe

CO

OEt

_

+ HN(CHMe2)2

(B)

C6H5 CMe

C

O

EtO

_

C O

Cl

Me

[adición]C6H5 C

Me

C

O

EtO

C O

Cl

Me

_ [eliminación]CH3 C

OC

C6H5

Me

CO2Et + Cl_

RESPUESTA 8.10 Reacción 1:

EtO_

+ CO2

(68 %)

MeMe

OH CO2Et

H CH2_CO2Et

Me

Me EtOHA

H3O+

CO2EtH

HCH2

__CO2Et

C__OEtH

H

CH__CO2Et

C___OEtH

HCH__CO2Et

OO

Me Me EtO_

EtOH _

_

RT-8,9,10,11

Page 413: LIBRO1 (0-675).pdf

400

CH

HCH__CO2Et

O HO

CO2H

HO

H3O+Q

β-cetoácido

+ CO2

Reacción 2:

(60 %)

MeOH

CH2CH2 CO2Me

CH CH2CH2 CO2Me

CH

CO2Me

O

O

CO2MeMeO2CMeONa

CO2Me

α

α3

2

4

56

7

234

56 7

CH CH2CH2 CO2Me

CH

CO2Me

CO2Me

CH2CH2 CO2MeCH

CHMeO2C

CO2Me

CO2Me

MeO2C

H

H

MeONaMeOH

CH

HC

C___OMeMeO2C

CO2Me

O

C

O

CH

HC

C___OMe

CO2Me

O

_

MeO2C

_

_

MeO C

O

_MeO

MeO2C CO2Me

O

O Reacción 3:

N (CH2)4__CO2Et

CO2Et

1)EtO_

2)H3O+ N

O

(27 %)

N

H2CC

N

CC

NEtONaEtOH

OEtO CO2Et

O

EtOCO2Et

O

EtO_H

_

RT-8,9,10,11

Page 414: LIBRO1 (0-675).pdf

401

N

CO2Et

N

CO2H

N

H3O+ Q+ CO2

O O O

9. REACCIONES DE SUSTITUCIÓN NUCLEÓFILA EN UN CARBONO SATURADO RESPUESTA 9.1 Mecanismo SN1:

I

Me

C6H13

HMe

C6H13

H +

1

2

I

MeC6H13

H

I

MeC6H13H

1

2

_*

*

*

(2R)

(2S)

(2R)

I

Supongamos:

100 moléculas (R) al principio

20 moléculas se sustituyen, dando [10(R) + 10(S)] Ahora existen 80(R) + [10(R) + 10(S)]; desde el punto de vista de la actividad óptica es como si quedaran 80 moléculas (R). El poder rotatorio aparente ha disminuido un 20 % después del 20 % de sustitución.

velocidad de sustitución = velocidad de racemización

Mecanismo SN2:

I

Me

C6H13

H_

*

Me

C6H13H

* ..... ..... I

Me

C6H13

H* + I

_

(2R)

I I I

(2S)

.....I

Me

C6H13H

*_

I

Me

C6H13H

+ I_

*

(2S)

I

(2R) Supongamos:

100 moléculas (R) al principio

20 moléculas se sustituyen, dando 20 (S)

RT-8,9,10,11

Page 415: LIBRO1 (0-675).pdf

402

Ahora existen [80(R) + 20(S)]; desde el punto de vista de la actividad óptica es como si quedaran 60 moléculas (R). El poder rotatorio aparente ha disminuido un 40 % después del 20 % de sustitución.

velocidad de sustitución = 2 velocidad de racemización

RESPUESTA 9.2

2 3

56

1 4

H

C5(CHH)

Br

1

Br

C1(BrCH)

H

3

_

trans (1S,3S)trans (1R,3R)

(BrCH)C3

SN2

H

Br

Br

H2 3

56

1 4

OH

H

H

OH

(CHH)C5

(1R)

(3R)

HO

RESPUESTA 9.3

SN1 +

+

_

CHCH3

C6H5 +_

CH=CH2

CH3

HO

C6H5

CH=CH2

CH3

HO

C6H52

2

3-Fenil-2-buten-1-ol

2-Fenil-3-buten-2-ol

_

C6H5 C

CH3

CH CH2Cl C6H5 C

CH3

CH CH2C6H5 C

CH3

CH CH2OH

C6H5 C

CH3

CH CH2

OH

C6H5 C

CH3

CH CH2

CH2HO

(2R)

(2S)

HO

HO

RESPUESTA 9.4 Reacción 1: La reacción no es válida; el equilibrio está desplazado hacia la izquierda:

CH3CH2OH + NaOH CH3CH2O Na+_+ H2O Keq = 0,05

pKa 17 pKa 15,7 Reacción 2: La reacción es válida; el equilibrio está totalmente desplazado a la derecha (eliminación de H2):

2CH3OH + 2Na 2CH3O Na+_

+ H2

RT-8,9,10,11

Page 416: LIBRO1 (0-675).pdf

403

Reacción 3: La reacción no es válida; el equilibrio está totalmente desplazado hacia la izquierda:

Me3C_OH + NH3(liq.) Me3C_O + NH4+

_

pKa 9,24pKa 19

Keq = 1,7 x 10-10

Reacción 4: La reacción es válida; el equilibrio está totalmente desplazado hacia la derecha:

2Me2CH_OH + 2Na+ H

pKa 16,5

Keq = 3 x 1018_

2Me2CH_O Na+ + H2

pKa 35

_

RESPUESTA 9.5

O

Me MeHMe + H3O+

O

Me MeHMe

H+

+ H2O

O

Me Me

HMe

H+

MeMe

MeH

OH+

Me_O_H

Me

Me

Me

H

OH

O

H

Me +

H2O

Me

Me

Me

H

OH

MeO

+ H3O+

RESPUESTA 9.6

O

Me Me

HMe

MeO_

:: O

OMe

Me

MeMe

H::

_MeO___H HO

OMe

Me

MeMe

H

+ MeO_

RESPUESTA 9.7

+:_

+ Cl_

CH3CH2 CHMe

OH

: S

Cl

Cl

O CH3CH2 CHMe

OH

S O

Cl

Cl

+CH3CH2 CH

Me

O

H

S O

Cl

+ N H++

CH3CH2 CH

Me

O

H

S O

Cl

N:

CH3CH2 CH

Me

O S O

Cl

+

Cl_

Cl_

+ SO2CH3CH2 CH

Me

O S O

Cl

CH3CH2 CHCl

CH3

RT-8,9,10,11

Page 417: LIBRO1 (0-675).pdf

404

Reacción global:

++ SO2

N

HCl

_+ SOCl2 +N

+CH3CH2 CHOH

CH3 CH3CH2 CHCl

CH3

RESPUESTA 9.8

+ I_

CH3 CHMe

CH2 NH2MeI CH3 CH

MeCH2 NH Me MeI CH3 CH

MeCH2 N Me

MeMeI CH3 CH

MeCH2 N Me

Me

Me

+ I_

CH3 CHMe

CH2 N MeMe

Me

HO_

HO_+CH3 CH

MeCH2 N Me

Me

Me

+

HO_

β

+ NMe3 + H2OCH3 CMe

H

CH2 N Me

Me

Me

Q CH3 CMe

CH2

RESPUESTA 9.9

N

O

O

Pr

OH_

OH_

N

O

O

Pr

_

_

H___OH

H___OH

N

OH

OH

Pr

HO

HO

+ 2HO_OH

OH

N

OH

OH

Pr

HO

HO

H___OH N

OH

OH

PrHO

HOH

++ HO

_

N

OH

OH

PrO

HOH

+HO

_

NH__Pr

C_OH

OHHO

+ H2O

H O

NH2__Pr

C_O

OHHO

NH__Pr

C_OH

OHHO

_

+

OO

RT-8,9,10,11

Page 418: LIBRO1 (0-675).pdf

405

NH2__Pr

C

OHO

_

+

HO_

CO2

CO2H

_

+ CH3CH2CH2__NH2

H

OO

CO2

CO2H

_

+ HO_ CO2

CO2

_

_ + H2O

RESPUESTA 9.10

Me

NC OMe

H

N C_ Br

H

MeOMe

SN2

Me

MeO Br

H

NC

H

OMeMe

+_

(R)(R)

Br

La sustitución de Br por CN hace cambiar las prioridades relativas de los grupos. Hay inversión de la configuración, pero la configuración absoluta no varia. RESPUESTA 9.11

HO_CH2_CH2-Cl

K2CO3H2C

O

CH21)EtMgBr

CH3CH2_CH2CH2OH

2)H3O+HOClCH2 CH2

CH3CH2_CH2CH2

_ClHCl CH3CH2_CH2CH2

_CNH4AlLi

CH3CH2__CH2CH2

_CH2NH2

Pentilamina

CN_

Síntesis del bromuro de etilmagnesio:

CH2 CH2 + HBr CH3_CH2Br

Mg

Et2OCH3

_CH2_Mg_Br

RESPUESTA 9.12

Me

H

O O O

Me Me_

H2O +_

_

enolatoHO

(2S)

La reacción es reversible; el agua reacciona con el anión enolato regenerando la cetona:

Me

H

OO

Me

+ HO_

_

H___OH

(2S)

RT-8,9,10,11

Page 419: LIBRO1 (0-675).pdf

406

H

Me

OO

Me

+ HO_

_

HO___H

(2R) RESPUESTA 9.13 Reacción 1: La reacción está sometida a control cinético; el LDA extrae de forma preferente el hidrógeno del Cα menos sustituido:

OH

H

H

C6H5CH2

LDAO

HH

C6H5CH2

_+

OH

H

C6H5CH2 _

OHH

C6H5CH2

_O

H

H

C6H5CH2

_

(enolato mayoritario) (enolato minoritario)

+

00C

(A) (B)

OH

C6H5CH2

_

(A)

CH3____I

250CH

C6H5CH2

H

Me

O

+ I_

2-Bencil-6-metilciclohexanona

(76 %)

O_

(B)

CH3____I

250CCH2C6H5

Me

O

+ I_

2-Bencil-2-metilciclohexanona

(6 %)

CH2C6H5

Reacción 2: La reacción está sometida a control termodinámico; el anión terbutóxido (Me3CO¯) extrae preferentemente el hidrógeno del Cα más sustituido:

HC__Me

CH2CH2CH2__Br

Me3C_O_ C__Me

CH2CH2CH2__Br

C__Me

CH2CH2CH2__Br

_

_

enolato termodinámico (más estable)

OO O

RT-8,9,10,11

Page 420: LIBRO1 (0-675).pdf

407

COMe

+ Br_

(90 %)

C

C__Me

_

CH2____Br

O

Reacción 3: La reacción está sometida a control cinético; el LDA extrae preferentemente el hidrógeno del Cα menos sustituido:

_C__Me

CH2CH2CH2__Br

LDAC__CH2

CH2CH2CH2__Br

enolato cinético(menos estable)

-600C

C

CH2CH2CH2__Br

O_

CH2

O O

+ Br_

(80 %)

C

O_

CH2

CH2____Br

Q

O

RESPUESTA 9.14 Reacción 1:

O

O

H

lactona del Ácido4-hidroxibutanoico

LDA

THF ; -780CO

O_

Li+

enolato de la lactona

O

O_

CH2____Br

CH

O

O

CH2_CH CH2

(B)

(90%)

CH2

Reacción 2:

lactona del Ácido5-hidroxipentanoico

_Li+

enolato de la lactona

O

OH

LDA

THF ; -780C

O

O

_

O

O

CH2____Br

C CH

O

OCH2

_C

(D)(C)

CH

RT-8,9,10,11

Page 421: LIBRO1 (0-675).pdf

408

RESPUESTA 9.15

CO_CH2

CO2Et

EtO

EtOH

_

CO_CH

CO2Et

_CH2

__(CH2)2__CH2

_Br

Br

CO__C

CO2Et

Br

_

CO

CO2Et1)HO (dil.)

2)H3O+, QCO

CO2H

CO

_CO2

_

RESPUESTA 9.16 Reacción 1

CH3CH2__CO2H EtOH

H3O+ CH3CH2__CO2Et

EtOEtOH

_

CH3CH2 CO CHCH3

CO2Et

CH3CH2__CO2H

SOCl2CH3CH2

__COCl

_CH3CH2 CO CHCH3

CO2EtNaH ; Et2O

CH3CH2 C C

CH3

CO2Et

O_

CH3CH2 C C

CH3

CO2Et

O

1)HO- (dil.)

2)H3O+CH3CH2 CO C

CH3

CO2Et

_C

Cl

OCH2CH3 CH3CH2 CO C

CH3

CO2Et

CO

CH2CH3

CH3CH2 CO C

CH3

CO2H

CO

CH2CH3Q

CO2_ CH3CH2 CO CH

CH3CO CH2CH3

Reacción 2 Retrosíntesis:

C6H5_CH2

__CO__CH2_C6H5 C6H5

_CH2__CO__CH_C6H5

CO2Et

β-cetoéster

C6H5_CH2

__CO2Et

ββ

α α

β

+ C6H5_CH2

__CO2Et

α Síntesis:

C6H5_CH2

_CO2EtEtO Na+

EtOHC6H5

__CH__CO2Et__

RT-8,9,10,11

Page 422: LIBRO1 (0-675).pdf

409

_ HO (dil.)C6H5 CH

CO2Et

CO

OEt

CH2 C6H5 C6H5 CH

CO2Et

CO CH2 C6H5

_

C6H5 CH

CO2

CO CH2 C6H5

_

H3O+

C6H5 CH

CO2H

CO CH2 C6H5QCO2

_ C6H5 CH2 CO CH2 C6H5

Reacción 3 Retrosíntesis:

β-cetoéster

β αβ

α

C6H5 CO CH

CH3

CO2Et C6H5 CO CH2 CO2Et C6H5__CO2Et + CH3

_CO2Et

β

α Síntesis:

CH3_CO2H EtO Na+

EtOHCH2

__CO2Et__

EtO2C CH2

_CO

OEt

C6H5 EtO2C CH2 CO

C6H51)EtO

2)IMe

_

C6H5 CO CHCH3

CO2EtHO (dil.)

_

C6H5 CO CHCH3

CO2_ H3O+

C6H5 CO CHCH3

CO2H QCO2

_ C6H5 CO CH2 CH3

RESPUESTA 9.17 Síntesis de E:

Me

CO2H

CO2H

H3O+ Me

CO2Et

CO2Et

SOCl2

(A) (B)

CO2H

CH2

CO2H

COCl

CH2

COCl

C2H5OH

Me

CO2Et

CO2Et_

_Me

EtO2C

EtO2C

O

O

(C)

1)HO-(dil.)

2)H3O+

β

β

(D)

Q-2CO2

O

O

Me

(E)

C

Cl

OCH2C O

Cl

Me

HO2C

HO2C

O

O

RT-8,9,10,11

Page 423: LIBRO1 (0-675).pdf

410

El grupo éster del β-cetoéster F puede estar unido a C o C2 4 en E; en ambos casos se obtiene ácido 5-ceto-3-metilhexanoico

Me

O

O

(F)

1)HO (conc.)

2)H3O+ Me

Q MeMe

O

CO2Et2 CO2H

Ác. 5-ceto-3-metilhexanoico

2-Etoxicarbonil-5-metil- 1,3-ciclohexadiona

CO2H CO2H

(G)

_

CO2_

Me

O

O

(F)

1)HO (conc.)

2)H3O+

Q

Ác. 5-ceto-3-metilhexanoico

4-Etoxicarbonil-5-metil- 1,3-ciclohexadiona

EtO2C4

β

Me

O

CO2H

CO2H

β

MeMe

O

CO2H

(G)

_

CO2_

10. REACCIONES DE ELIMINACIÓN RESPUESTA 10.1

:

:

(Z) + (E)

CH3CH2 CHCH3

CHOH

CH2CH3H3O+

Et CHMe

CH EtOH2+

Et CMe

CH Et

H

+Et C

MeCH Et

H2O_

H2O Todos los estereoisómeros del sustrato (un alcohol en el ejercicio) originan una mezcla de las olefinas Z y E. Estereoisómeros (3R,4R) y (3S,4R)

Et

H

HEt

H HEt

H HEt

H

+

HEt+

(3R,4R)

34 :

:Et H

EtMe

(E)(1)

Et Et EtMe Me Me

:

: :

H EtH

H EtH

H

+

EtH+

(3S,4R)

34 :

:Et Et

HMe

(Z)(2)

Et Et EtMe Me Me:

: :

Me

Et

H

EtH

Me

(mayoritario)

(minoritario)

H3O+

H2O

H2O H3O+

H2O H3O+

H3O+ _

_

_

_

OH OH2

H2O

OH OH2

RT-8,9,10,11

Page 424: LIBRO1 (0-675).pdf

411

El carbocatión (1) origina el estereoisómero (E), que será el mayoritario, ya que las interacciones Et / Me y Et / H dan lugar a una conformación con menor contenido energético que (2) (impedimento estérico entre los grupos Et / Et y Me / H) Estereoisómeros (3S,4S) y (3R,4S)

Me

H

EtH

OH

H EtH

H EtH

H

+

EtH+

(3S,4S)

34 :

:Me Et

HEt

(E)(3)

Me Me MeEt Et Et:

: :

OH

H HEt

H HEt

H

+

HEt+

(3R,4S)

34 :

:Me H

EtEt

(Z)(4)

Me Me MeEt Et Et:

: :

Et

Me

H

HEt

Et

(mayoritario)

(minoritario)

H2O H3O+

H2O H3O+

_ _

__

H3O+OH2

H2O

H3O+OH2

H2O

Cualquiera de los cuatro estereoisómeros del alcohol da lugar a la misma mezcla de diastereoisómeros de la olefina. RESPUESTA 10.2

CH*3-CH-Br

El radical no interviene en la reacción y lo designamos por R; la configuración del carbono asimétrico en los productos finales será la misma que en el estereoisómero de partida. Enantiómero (2R,3R) del 2,3-dibromopentano:

R H

Br

H1

Me H2E2

Me RH2H

E21H R

HMe

R H

Br

H2

H1 MeBr

RH

Me1H

2H

(Z)

(2R,3R)

3

Br

RH

H2Me

1H

(2R,3R)

3

(E)

Me

MeH Br

HH2

H1

MeH Br

HMe

(Z)(4R) [minoritario]

43

2

2

34

(E)(4R) [mayoritario]

4

4

B:

B:

RT-8,9,10,11

Page 425: LIBRO1 (0-675).pdf

412

Enantiómero (2R,3S):

H R

Br

H1

Me H2E2

Me HR2H

E21H H

RMe

H R

Br

H2

H1 MeBr

HR

Me1H

2H

(E)

(2R,3S)

3

Br

HR

H2Me

1H

(2R,3S)

3

(Z)

MeH Br

HH2

H1

MeH Br

H

(E)(4R) [mayoritario]

43

2

2

34

(Z)(4R) [minoritario]

4

4

Me

Me

B:

B:

Enantiómero (2S,3S):

H R

Br

H1

Me H2E2

Me HR2H

E21H H

RMe

H R

Br

H2

H1 MeBr

HR

Me1H

2H

(E)

(2R,3S)

3

Br

HR

H2Me

1H

(2R,3S)

3

(Z)

HMe Br

HH2

H1

MeH Br

H

(E)(4S) [mayoritario]

43

2

2

34

(Z)(4S) [minoritario]

4

4

Me

Me

B:

B:

Enantiómero (2S,3R):

R H

Br

H1

Me H2E2

Me RH2H

E21H R

HMe

R H

Br

H2

H1 MeBr

RH

Me1H

2H

(Z)

(2S,3R)

3

Br

RH

H2Me

1H

(2S,3R)

3

(E)

HMe Br

HH2

H1

HMe Br

H

(Z)(4S) [minoritario]

43

2

2

34

(E)(4S) [mayoritario]

4

4 Me

Me

B:

B:

RT-8,9,10,11

Page 426: LIBRO1 (0-675).pdf

413

(2R,3R) 2,3-Dibromopentano o(2R,3S) 2,3-Dibromopentano

(E)(4R) 4-Bromo-2-penteno [mayoritario] +(Z)(4R) 4-Bromo-2-penteno [minoritario]

E2

(2S,3S) 2,3-Dibromopentano o(2S,3R) 2,3-Dibromopentano

(E)(4S) 4-Bromo-2-penteno [mayoritario] +(Z)(4S) 4-Bromo-2-penteno [minoritario]

E2

RESPUESTA 10.3 Apartado 1 La pareja de enantiómeros (2R,3R) y (2S,3S) :

I

I

HEt

HMe

E2

A (2R,3R)

SN2

Br

Br

H

HMe

Et

I

I

HEt

HMe

H HEtMe

A (2R,3R)

E2

2

2 2

3

3 3

I

I

EtH

MeH

E2

A (2S,3S)

SN2

Br

Br

Et

MeH

H

I

I

EtH

MeH

Me EtHH

A (2S,3S)

E2

2

2 2

3

3 3

(Z) (Z)

B (2S,3S) B (2R,3R)

_Br Br

_

Zn

Zn

Zn

Zn

Apartado 2 La pareja de diastereoisómeros (2S,3S) y (2R,3S) :

Et

OH

MeH

HMe

Et

Me

OH

MeH

2

2

3

3

(2S,3S)

(2R,3S)

SN1Et

HMe

2

3

MeH+

1

1

2

Et

Br

MeH

HMe

23

A(2S,3S)

Et

HMe

Br

MeH

23

B(2R,3S)

SN2

SN2

Et

HMe

NH2

MeH

23

(2R,3S)

Et

NH2

MeH

HMe

23

(2S,3S)

Br_

H

HBr

NH3

NH3

Apartado 3 Los tres estereoisómeros dan lugar a reacciones E2 estereoespecíficas.

E2CH3 CH

BrCHBr

CH3 CH3 CH CBr

CH3

R CH CH RZ Z

(R,R) o (S,S)

E2R

ZR

H

(Z)

R CH CH RZ Z

E2R

ZR

H

(E)(R,S)

RT-8,9,10,11

Page 427: LIBRO1 (0-675).pdf

414

Estereoisómero (2R,3R):

H

BrMe Me Br

H

Br

H Me E2

Br Me

HMe

E2

H MeBrMe

Me Br

H

Br

H Me

(Z)

H

MeBr

MeH

Br

Br

MeH

(Z)

[estereoespecífica]

(2R,3R)

(2R,3R)

2

2

3

3

B:

:B

Estereoisómero (2S,3S):

H

MeBr Br Me

H

Br

Me H E2

Me H

MeBr

E2

Me BrMeH

Br Me

H

Br

Me H

(Z)

H

BrMe

HMe

Br

Br

HMe

(Z)

[estereoespecífica]

(2S,3S)

(2S,3S)

2

2

3

3

B:

:B

Estereoisómero (2R,3S):

H

BrMe Me Br

H

Br

Me H E2

Br H

MeMe

E2

H BrMeMe

Br Me

H

Br

H Me

(E)

H

BrMe

MeH

Br

Br

HMe

(E)

[estereoespecífica]

(2R,3S)

(2R,3S)

2

2

3

3

B:

:B

RT-8,9,10,11

Page 428: LIBRO1 (0-675).pdf

415

11. REACCIONES DE ADICIÓN NUCLEÓFILA A GRUPOS CARBONILO

RESPUESTAS 11.1 y 11.2 El mecanismo de la reacción de hidrólisis de un acetal es el mismo que el de su formación, pero escrito al revés. La formación del acetal transcurre en los mismos pasos (1-7) que su hidrólisis (1’-7’) El primer paso de la formación (1) corresponde al último de la hidrólisis (7’) y el último de la formación (7) al primero de la hidrólisis (1’) 1 Formación:

O H___OH2+

O H+

OH2

7’ Hidrólisis:

O H___OH2+

O H+

OH2:

2 Formación:

O H+

HO__CH2CH2OH

O__H

O__CH2CH2OH

:

:H

+

6’ Hidrólisis:

O H+

HO__CH2CH2OH

O__H

O__CH2CH2OH:

H

+

:

3 Formación:

O__H

O__CH2CH2OH:

H

+

:

H2O:

O__H

O__CH2CH2OH:

H

:

H2O+

5’ Hidrólisis:

O__H

O__CH2CH2OH:

H

+

:

H2O:

O__H

O__CH2CH2OH:

H

:

H2O+

4 Formación:

H___OH2+

O

O__CH2CH2OH:

H

:: +O

O__CH2CH2OH:

H

: H OH2

RT-8,9,10,11

Page 429: LIBRO1 (0-675).pdf

416

4’ Hidrólisis:

H___OH2+

O

O__CH2CH2OH:

H

::+

O

O__CH2CH2OH:

H

: H OH2:

5 Formación:

+OH2

O__CH2CH2OH:

: OH2

O__CH2CH2OH

:

:

+

3’ Hidrólisis:

OH2

O__CH2CH2OH:

+

O__CH2CH2OH:

OH2

+

6 Formación:

+

O CH2

CH2HO

O CH2

CH2O

H+:

2’ Hidrólisis:

+

O CH2

CH2HO

O CH2

CH2O

H+:

7 Formación:

:

O CH2

CH2O

H

+:

H2O

O CH2

CH2O

+

:

H2O H

1’ Hidrólisis:

O CH2

CH2O

+

:

H2O H

O CH2

CH2O+:

H2OH

RT-8,9,10,11

Page 430: LIBRO1 (0-675).pdf

417

RESPUESTA 11.1

O H___OH2+

OH2

O H+

HO__CH2CH2OH

O__H

O__CH2CH2OH:

H

+

:

H2O:

1 2 3

H___OH2+

O

O__CH2CH2OH:

H

:: OH2+OH2

O__CH2CH2OH:

:+

O CH2

CH2HO

OH2 +3 4 5 6

:

O CH2

CH2O

H

+:

H2O

O CH2

CH2O

+

:

H2O H

6 7

acetal RESPUESTA 11.2

1 2 3

O CH2

CH2O:

H2O H2O

O CH2

CH2O

H+:

OH2

O__CH2CH2OH:

+

H

4 5 6

+O

O__CH2CH2OH:

H

: H OH2:

H2O:

O__H

O__CH2CH2OH:

H

:

H2O+

3H__OH2

+O__H

O__CH2CH2OH:

H

+

:

6 O H___OH2+

O H+

OH2:

HO__CH2CH2OH

7

Etilenglicol

Ciclohexanona

RESPUESTA 11.3 Si no se protege el grupo carbonilo de la cetona (pK 19) la reacción con amiduro sódico (pKa a 36) dará lugar a una mezcla de su enolato y del carbanión alquinilo (R-C≡C:−) (pK 26): a

_NH2 + NH3H CH2 CO CH2CH2 C CH CH2 CO CH2CH2 C CH:

_

RT-8,9,10,11

Page 431: LIBRO1 (0-675).pdf

418

El enolato de la cetona reaccionará con otra molécula de cetona a través de una reacción de condensación (Tema 6, p. 1) Es necesario proteger previamente el grupo carbonilo. La secuencia de reacciones es la siguiente:

HOCH2CH2OH

H3O+

_NH2

CH3 CO CH2CH2 C CH

O O

CH3 CH2CH2 C CH

_NH2

O O

CH3 CH2CH2 C C :_

CH3___I

O O

CH3 CH2CH2 C C CH3

H3O+CH3 CO CH2CH2 C C CH3 + HOCH2CH2OH

RESPUESTA 11.4 En este caso se trata de proteger los dos grupos OH a la vez, formando el acetal con acetona:

CH2OH

CH2OHO CO

CH3

CH3

+CH2

__O

CH2__O

O C

CH3

CH3

diol protegido

1)t-BuO

2)ICH3

O

OO

CH3

CH3

CH3

H3O+

O

CH2OHHOCH2 RESPUESTA 11.5

N

H

:O

N

H

O

AcO_

_ H___OAc

+N

O H___OAcH :

N

OH2:+

HAcO_

N + H2O + AcOH

RT-8,9,10,11

Page 432: LIBRO1 (0-675).pdf

419

RESPUESTA 11.6

NO :B_

O_

CH3___I

(enamina)(enolato)

I___CH3

O

CH3

N+

CH3

cetona alquilada enamina alquilada

N

H

+ O

Hidrólisis de la enamina alquilada:

N+

CH3

OH2:

N

CH3

O___HH+

OH2:

N

CH3

OH:

+ H3O+ Keq 2

pKa -2

pKa -1,7

N

OH:

CH3H2O__H+

N

OH:

CH3

+N H + OH

+

CH3H

O H OH2::+

O

CH3 CH3

+ H3O+ Keq 2x105

pKa -7pKa -1,7

RESPUESTA 11.7

CMeH O

2

1

NC_

O

NC

MeH

_ H3O+

OH

HO2C

MeH

H3O+1

2

OH

NC

MeH

O

NC

Me H_

OH

NC

Me H

OH

HO2C

MeH

H3O+ H3O+

(2S)

(2R)

Se obtiene un racémico (mezcla equimolecular de los estereoisómeros 2R y 2S)

RT-8,9,10,11

Page 433: LIBRO1 (0-675).pdf

420

RESPUESTA 11.8

_

NH3(liq.) ; -330 C

Na Na+HC CH HC C

CHO + CH__C

O_

Na+

H3O+CH__C

OH

(65 %)

1-Fenil-2-propin-1-ol

NH3(liq.)

-330 C

_Na+HC C CH CH

O +NH3(liq.)

-330 C

O Na+

C

_H3O+

(1-Propinil)-1-ciclohexanol

_Na+C CCH3

C CH3

OH

C C CH3

RESPUESTA 11.9 Síntesis del 2-Butanol:

CH3CH2BrMg

CH3CH2__Mg__Br

CH3__CHO H3O+

2-Butanol

CH3 CH

O

CH2

MgBr

CH3 CH3 CH

OH

CH2 CH3

CH3BrMg

CH3__Mg__Br

CH3CH2__CHO H3O+

CH2 CH

O

CH3

MgBr

CH3

2-Butanol

CH3 CH2 CH CH3

OH

Síntesis del 3-Metil-3-hexanol:

CH3CH2BrMg

Et__Mg__BrH3O+

C

O

CH3

MgBr

3-Metil-3-hexanol

Pr CO

Me

CH2CH3

CH3CH2CH2 C

OH

CH3

CH2CH3

CH3CH2CH2

CH3BrMg

Me__Mg__BrH3O+

C

O

CH2CH3

MgBr

3-Metil-3-hexanol

Pr CO

Et

CH3

CH3CH2CH2 C

OH

CH2CH3

CH3

CH3CH2CH2

MgPr__Mg__Br

H3O+C

O

CH3

MgBr

3-Metil-3-hexanol

Et CO

Me

CH2CH2CH3

CH3CH2 C

OH

CH3

CH2CH2CH3

CH3CH2CH2CH3CH2CH2Br

RT-8,9,10,11

Page 434: LIBRO1 (0-675).pdf

421

RESPUESTA 11.10

O

O

MgBr

Et

[adición] O

EtO_

MgBr+ [eliminación]

O

O

Et

MgBrEt O

O

MgBr

Et O

O

MgBr + Et__MgBr Et O

O__MgBr

MgBrEt

H3O+

Et OH

OH

Et

5-Etil-1,5-heptanodiol RESPUESTA 11.11 Trifenilmetanol Retrosíntesis:

+ EtOHC6H5 C

C6H5

C6H5

OH C6H5 CO

C6H5 C6H5 CO

OEt C6H5 CO

OH

C6H5__Br C6H6 + Br2C6H5 C

OOH C6H5 MgBr

Síntesis:

C6H5__MgBrC6H5

__BrC6H6Br2[Fe]

Mg 1)C6H5CO2Et

2)H3O+

C6H5__CO2H

CO2 EtOH, H3O+

2)H3O+

Trifenilmetanol

C6H5 CO

C6H5 C6H5 C

OH

C6H5

C6H5

1)C6H5MgBr

1-Butanol Retrosíntesis:

CH3CH2CH2CH2OH CH3CH2MgBr +O

Mg + CH3CH2Br + BrH

peroxiácidoCH2 CH2 R C

OO OH+

CH2 CH2 Síntesis:

Operoxiácido

CH2 CH2 R CO

O OH+

RT-8,9,10,11

Page 435: LIBRO1 (0-675).pdf

422

HBr CH3__CH2Br

Mg

O

CH3CH2__CH2CH2

__OMgH3O+

CH3CH2__CH2CH2

__OH

1-Butanol

CH2 CH2

2,3-Dimetil-2-butanol Retrosíntesis:

+

+ H2O

CH3 COH

CH3

CHCH3

CH3 CH3 CO

CH3 CH3 CHCH3

MgBr

CH3 CHCH3

Br CH3 CH CH2

CH3 C CH

CH3 C CH Síntesis:

H2

[Pd]HBr Mg

CH3 C CH CH3 CH CH2 CH3 CHCH3

Br CH3 CHCH3

MgBr

H2O

[Hg2+] enol

1)Me2CHMgBr

2)H3O+

2,3-Dimetil-2-butanol

CH3 C CH CH3 C CH2

O H

CH3 CO

CH3 CH3 COH

CH3

CHCH3

CH3

RESPUESTA 11.12 Síntesis 1:

+H2SO4

H3O+EtMgBr

HC C CH

CH2OH

CH2OH CH3 CO

CH3 HC CO

O

H

CH3

CH3

1)CH3CHO

2)Cl NH4+

H3O+

C CO

O CH3

CH3

BrMg _ C CO

O CH3

CH3

CH3 CHOH

+C CCH3 CHOH

CH2 CH2OH CH3 CO

CH3 Síntesis 2:

COCH3

Br+ HOCH2

__CH2OH TsOHQ Br

OOMe

LiHTF

Li

OOMe

1)CH3CHO

2)H3O+

RT-8,9,10,11

Page 436: LIBRO1 (0-675).pdf

423

CH__CH3

OOMe

OH

H3O+

CH__CH3

CO__Me

OH

OTsOH CH__CH3

CO__Me

O

O

2)H3O+CH__CH3

Me__C__C

OTHP

OH

H3O+

+O

C Me

MeC C MgBr1)

CH__CH3

Me__C__C

OH

OH

C Me

RESPUESTA 11.13

*

1)MeMgI

2)H3O+ *CH3 CH CHO

C6H5

*CH3 CH CH

C6H5 OH

CH3

CHO

C6H5

H

Me

H

C6H5 CHO

Me

(2S)(2S) Regla de Cram Conformación más favorecida en relación con el grupo carbonilo:

HC6H5

HMe

O

(2S)

H

C6H5(H)

MeO

el carbonilo está situado entre los grupos pequeño (H) y mediano (Me)

H

C6H5(H)

MeO

12

OMgX

MeHC6H5

Me H

OMgX

HMeC6H5

Me H

IMgMe

1

2

H3O+

H3O+

OH

MeHC6H5

Me H

OH

HMeC6H5

Me H

(I) (mayoritario)

(II) (minoritario)

RT-8,9,10,11

Page 437: LIBRO1 (0-675).pdf

424

C6H5

HMe OH

MeH

(I)C6H5

HMe

Me

OHH

23

Me

H OH

C6H5

Me H(2S,3S) (mayoritario)

2

3

C6H5

HMe OH

HMe

(II)C6H5

HMe

H

OHMe

23

H

Me OH

C6H5

Me H(2R,3S) (minoritario)

2

3

Estereoisómero mayoritario: (2S,3S)-3-Fenil-2-butanol (I)

12. REACCIONES DE ADICIÓN NUCLEÓFILA CON ANIONES ENOLATO RESPUESTA 12.1

3

Et

Me

HO

HCHO

H

Me

HO

H

H

CHO

Et

Et

Me

O

HCHO

H

Me

O

H

H

CHO

Et

_

_

EtO

H

MeH

CHO_

EtO

H

carbanión del propanal

(2R,3S)

(2S,3R)3

2

2

H2O

H2O

Et

Me

HO

CHOH

H

Me

HO

CHO

H

H

Et

Et

Me

O

CHOH

H

Me

O

CHO

H

H

Et

_

_

EtO

H

MeCHO

H_

EtO

H

carbanión del propanal

(2S,3S)

(2R,3R)

23

2

3

H2O

H2O

RT-8,9,10,11

Page 438: LIBRO1 (0-675).pdf

425

RESPUESTA 12.2 Reacción 1:

CH3EtO2C

Me

O HO_

CH2EtO2C

Me

O

EtO2C

OMe

O

_H____OH_

EtO2C

OHMe

O

HO_

OHMe

O

_ H3O+

Me

O

Q

Me

O(60 %)

CO2_

CO

O CO

HO

Reacción 2:

HO_ _

C CH2

O

C CH3

O

O

O

_H___OH

OO

Q

O

O O + H2O

(72 %)

H

Reacción 3:

O

O

CO32

O

O

_

O

O

_ H____OH

__HO

_H

O_H

O

Q

O

(96 %)

H2O_

Reacción 4:

CO2Et

OMe O

CO2Et

OH2C O

EtO_

_ O

CO2Et

O _ H____OC2H5

RT-12,13

Page 439: LIBRO1 (0-675).pdf

426

O

CO2Et

O_H

_

O

CO2Et

(66 %)

H2O_QEtO_

RESPUESTA 12.3 Reacción retroaldólica:

MeO

CH

O

CHMe

C

O

CMe3

_

C

MeO

H

O

+ CHMe C

O

CMe3

_

anión enolato El anión enolato de la cetona reacciona con el benzaldehido:

C

O

HCH

Me

C

O

CMe3

_CH

O

CHMe

C CMe3

O_

RESPUESTA 12.4 Reacción entre dos cetonas distintas:

R CO CH2 C

OH

CH3

R y R' CO CH2 C

OH

CH3

R'

Reacción entre dos aldehidos diferentes:

R CH CH y

CHO

OHCH2 R R' CH CH

CHO

OHCH2 R'

Reacción entre un aldehido y una cetona:

R CH CH y

CHO

OHCH2 R R' CO CH2 C

OH

CH3

R'

RESPUESTA 12.5 Reacción 1:

2-Hidroximetil-3-metilbutanal

(52 %)

CH3 CH

CH3

CH CHO

CH2OH

RT-12,13

Page 440: LIBRO1 (0-675).pdf

427

Reacción 2:

OCH

OH

CH2 CO CH3H3O+

OCH CH CO CH3

4-(2-Furanil)-3-buten-2-ona Reacción 3:

1,5-Difenil-1,4-pentadien-3-ona

CHOH

CH2 CO CH2 CHOH

H3O+

CH CH CO CH CH

RESPUESTA 12.6 Reacción 1:

O MeMe

OO

Me

_O

Me

O

Me

OMe

_

__

_ _

_

H3O+Me

OH2

Me

OH2Me

H2O H

HH

HO

+

+

+

MeMe

Me

3H2O

Reacción 2:

O

O

OHO

_H2O

OH2

H2O

__

_

O

O

O

H3O+_

_

_

3H2O

+

+

+ Reacción 3:

OCH3

O

O

CH3O

_

_NaOH

QO

OO

CH3

O

CH3

O

O

CH3

CH3

__

H3O+

O

OOH2

CH3

OH2

CH3

2H2O+

+

Reacción 4:

O

C6H5C6H5 _ _

OO

C6H5C6H5NaOH

O

C6H5C6H5

O

C6H5

O

C6H5

__

H3O+

O

C6H5C6H5

OH2

C6H5C6H5

2H2O

O

C6H5C6H5

C6H5C6H5H2O++

RT-12,13

Page 441: LIBRO1 (0-675).pdf

428

Reacción 5:

O

H3C H

_

OO

H3CCO2Et

EtO_

O

H3C H

OO

H3CCO2Et

EtO_

O

H3C H

OHO

H2CCO2Et

_

_

H2O

O

H3C H

OHO

H2CCO2Et

_

O

H3C H

OH2OH2

H2CCO2Et

H3O+ 2H2O CO2Et

CH3

O

EtO_

HH

+ +

CO2Et

CH3

OHCO2Et

CH3

O_H

_

¡anión enolato de un fenol!

H2OCO2Et

CH3

OH

H

RESPUESTA 12.7

CH3 CO

O H CH2 CO

O CO

CH3_

CH3CO2H CH2 CO

O CO

CH3+_

anión enolato del anhidrido

CH2CO

OCO

CH3

_ C

O

HCH2C

OOC

OCH3 CH

O

HO

_CH3CO2H

HO

CH3CO2_

+ CH2CO

OCO

CH3 CHOH

HO

CH3CO2HCH2C

OOC

OCH3 CH

OH2

HO

+

CHCO

OCO

CH3 CH

OH2

HO

+

HCH3 CO

O_

H2O_CHC

OOC

OCH3 CH

HO

Hidrólisis del anhidrido de ácido:

Ác. o-hidroxicinámico

CHCO

OCO

CH3 CH

HO

H3O+

CH3CO2H + CHCO

CH

HO

HO

RT-12,13

Page 442: LIBRO1 (0-675).pdf

429

C O

OHO__H

[esterificación]

H3O+

O O

Ác. o-hidroxiinámicoCumarina

RESPUESTA 12.8 Reacción 1:

CH3__CH2

__NO2 + CH3O_

CH3__CH__NO2 + CH3OH

_

CH3__CH

_

NO2

O O

NO2

H3C

_H___OCH3 OH

NO2

H3C

enol

NO2

H3C

O

Reacción 2:

MeO2C

CHMeO2C

_CH

CH3

CH CH CH C

O

OMe

MeO2C

CHMeO2C

CHCH3

CH CH CH C

O

OMe* *

_*

MeO2C

CHMeO2C

CHCH3

CH CH CH C

O

OMe_

MeO___H*

**

MeO2C

CHMeO2C

CHCH3

CH CH CH2 C

O

OMe

Reacción 3:

OMe

O _

CH3CH2 CH

CH2

O

OMe

O_

EtOHO

Me

HOenol

OMe OMe

OMe

O

EtO_

OMe

O

_

O

MeO_

EtOH

OMe OMe OMe

Page 443: LIBRO1 (0-675).pdf

430

O

MeHO

H2O_

O

Me EtO_

O

Me_

Me MeMe

Me_

Me

O

H2CEtOH

Me

Me

HO

Me

O

Me

_

enolOOO

OMeOMe OMe

Me

Me

O

Me

OO

_

EtO_

O C

Me

O

H2C_

EtOH

O

OMe OMeOMe

Me

OOH

EtOH H2O_Me

O

OMe OMe

RESPUESTA 12.9 Reacción 1:

OO_

O

OO

O_

OO

OH

enol

OO

O

HNa

enol

OO

O

_OO

O_

OO

OH

OO

O

RT-12,13

Page 444: LIBRO1 (0-675).pdf

431

Reacción 2:

OCO2Me

O

Me_

OCO2Me

O_

Me OCO2Me

Me

O

Reacción 3:

MeO

O___H OH_

MeO

O_

+ H2O Keq 5x105

pKa 10

pKa 15,7

Me

O

O_ O

OMe

_

H___OH

O

MeO

H

H + HO_

Reacción 4:

O O

CO2Et

+ O__C__O

O__

O O

CO2Et

_+ OH__C__O

O_

Keq 0,2

pKa 11

pKa 10,3

O O

CO2Et

_+O O

CO2Et

_O

CO2Et

O

H

CO32_

O CO

O H_

Reacción 5:

CH2

O

Me

O COMe

O

LDA

COMe

O

_

O

COMe

_

Reacción 6:

OC

Me2HC

:

_O

C

Me2HC

:

_*

* OC

Me2HC

:**

*

:

_*

N N N

RT-12,13

Page 445: LIBRO1 (0-675).pdf

432

t-BuOH

OC

Me2HC

:NH

Reacción 7:

CO2EtMeO

O

_CO2EtMe

O

O

_

HCl

CO2EtMeHO

O

enol

CO2EtMe

OO

[hidrólisis]

H3O+

CO2HMe

OO

QCO2

Me

OO

Reacción 8:

O_

CO2Me

OCO2Me

A(C10H14O3)

EtO_ O

CO2Me_

O

CO2Me

_

H3O+ HO

CO2Meenol

CO2Me

O O

CO2Me

Reacción 9:

C6H5

OH HK

C6H5

O_

C

C6H5

O_ _

C6H5

O

C6H5

O_

HK

C6H5

OHenol

C6H5

O

RT-12,13

Page 446: LIBRO1 (0-675).pdf

433

RESPUESTA 12.10 Reacción 1:

MeMe

O

CHO

_ Me

OHO

_

C

O

_

OHCMe C Me

O

Me

O

MeHO

H2

OH

Reacción 2:

Me

O

_HC C C

O

Me

Me

O

CH C C

O

Me

_Me

O

CH C C

OH

Me

enol

Me

Me

O CCH2

Me

O_O

Me

OOH

Me

O

LDA

O Reacción 3:

CO2Et

O

_CH C

O

MeCH2

CO2Et

O

CH2 CH C

O

Me

_

Et3NH+

CO2Et

O

CH2 CH C

OH

Me

enol

Et3NH

C

CO2Et

OMe

C

CO2Et

OCH2

_

CO2Et

OHO

CO2Et

OO O

RESPUESTA 12.11 Obtención de la β-ionona:

MeMe

CH

Me

Citral

CH2__CO__CH3

_

MeMe

CH__CH2__COCH3

Me

EtOH

MeMe

CH__CH2__COCH3

Me

H2O_

O O_

OH

RT-12,13

Page 447: LIBRO1 (0-675).pdf

434

MeMe

Me

H3O+

(A)

CH CH COCH3Me

Me

Me

CH CH COCH3H

+

MeMe

H

transposición

Me+

Me

O

H2OMe Me

Me

Me

O

β-Ionona Reacción de Darzens:

Me Me

Me

Me

O

CH__CO2Et

Cl

_

Me Me

Me

CH__CO2Et

O_

Me

Cl

Me Me

Me

CH__CO2Et

OMe

EtO_

Me Me

Me

CH

OMe_

CO

O CO2_

Me

Me

CH___O

Me_

HMe

***

EtO_

Me

Me

CHO

MeHMe

_ Me

Me

CHO

MeH

MeH

(B) Síntesis de D:

HC C_

C

O

CH3

CH CH2 HC C C

O

CH3

CH CH2

_

H3O+HC C C

OH

CH3

CH CH2H3O+

HC C C

OH2

CH3

CH CH2

+

H2O_HC C C

CH3

CH CH2+**

(C)

*HC C C

CH3

CH CH2+ H2O

HC C C

CH3

CH CH2

OH2+

H2O

H3O+_ HC C C

CH3

CH CH2OH2C6H5MgBr

RT-12,13

Page 448: LIBRO1 (0-675).pdf

435

C C C

CH3

CH CH2OBrMg MgBr

(D) Reacción entre B y D:

C C C

CH3

CH CH2OBrMg MgBr

(D)

Me

Me

CHO

MeMe

(B)

+

Me

Me

CH

MeMe

OMgBr

C C C

CH3

CH CH2O MgBr

Me

Me

CH

MeMe

OH

C C C

CH3

CH CH2OHH3O+

Me

Me

CH

MeMe

OH

HC

HC C

CH3

CH CH2OHH2

[Pd]

(CH3CO)2OMe

Me

CH

MeMe

OH

HC

HC C

CH3

CH CH2O CO

CH3

Me

Me

CH

MeMe

OH2

HC

HC C

CH3

CH CH2O CO

CH3H3O+ H2O_

+

Me

Me

MeMe

Me

+

CH2O CO

CH3

trasposición

Me

Me

MeMe

Me

+

CH2O CO

CH3

RT-12,13

Page 449: LIBRO1 (0-675).pdf

43 6

MeMe

Me

Me MeCH2O C

OCH3

H2O

OH2

H

+

Me Me

Me

Me Me

acetato de vitamina A

H2OCH2O C

OCH3

13. REACCIONES DE SUSTITUCIÓN ELECTRÓFILA Y SALES DE DIAZONIO RESPUESTA 13.1

EH

E+

E4' 4'

*+

*

*

**

* *a

-a 2a

-2a3a

-3a * -3a

-a

38a =1/

(δEπ)4' = −2β(3a +3a) = −12aβ = −1,95βH+_

4'

*+

b

2b

-2b

-b

14b =1/

(δEπ)4 = −2β(b + 2b) = −6bβ = −1,60β

H E

*

*

*

*

*

* *

-b

-b

-bb

E44

E+ H+_

4

E+

*+

-c

2c

-2c

47c =1/

(δEπ)5 = −2β(2c + 4c) = −12cβ = −1,75β*

*

*

*

*

* * 5H EE

5

4c

-4c -2cH+_

5

Disminución de la energía de enlace π: (δEπ)4' > (δEπ)4(δEπ)5 >

Reactividades relativas: C4 > C5 > C4'

RT-12,13

Page 450: LIBRO1 (0-675).pdf

437

RESPUESTA 13.2

_CH3 C

CH3

CH3

CH2 Clδ+

AlCl3δ−

CH3 CCH3

CH3

CH2 Clδ+ δ−

.... .... AlCl3δ−

CH3 CCH3

CH3

CH2+

Cl AlCl3

CH3

[carbocatión más estable]CH3 CCH3

CH2+ transposición

CH3 CCH3

CH2+

CH3

CHCH3

CH3

CH2CH3+ HMe Me

Me+

Cl AlCl3_ CCH3

CH3CH2CH3

+ HCl + AlCl3

RESPUESTA 13.3 Reacción 1:

MeMe

Me Me

H O_SO3H

Me

Me

+

H

HSO3_O:

_

+ HSO3_OH

Me Me+

Reacción 2:

H O_SO3H

HHH+

+ O_SO3H:_

+ HSO3_OH

H H

H

HSO3_O:

_

RESPUESTA 13.4

O

O

O

: AlCl3 O

O

O

+ _+

_AlCl3 C

OCH2CH2 C

OO AlCl3

+

O

+ AlCl3H

OO

O

AlCl3

OO

O

AlCl3

+

CO2H

_ _

RT-12,13

Page 451: LIBRO1 (0-675).pdf

438

O CO2H

Zn-Hg / HCl

Q

SOCl2

CO2HH

HC_ClO

C=O

Cl3AlO

+

OH+

O

+ HCl + AlCl3

_Cl Cl3Al Cl

RESPUESTA 13.5 Reacción 1:

Me

Me

Me

Me+

*

*

*SO3H

Me

MeSO3H

(84,3 %)H2SO4 + H2O

98,4 %

[dos Me en posiciones activas]

_

[dos Me en posiciones activas]

H2SO4 + H2O

98,4 %SO3Me

+ *

**

HMe Me

SO3H

Me(14,5 %) [impedimento estéreo]

Me

Me

_

*

Me

MeH

+ *

*SO3

Me

SO3HMe

(1,2 %)H2SO4 + H2O

98,4 %

Me

Me

[ningún Me en posicion activa]

_

Reacción 2:

Me

Me

Me H2SO4 + H2O

98,4 %

Me

Me

Me

H SO3

+*

*

*

MeMe

MeSO3H

[dos Me en posiciones activas]

(75 %)

_

RT-12,13

Page 452: LIBRO1 (0-675).pdf

439

Me

Me

Me H2SO4 + H2O

98,4 %

Me

Me

MeMe

Me

[un Me en posicion activa]

(25 %)

SO3

H+*

*

* HO3S Me_

Me

Me

Me H2SO4 + H2O

98,4 %

[dos Me en posiciones activas]

MeMe

Me

SO3

H+*

* *

MeMe SO3H

[impedimento estéreo]

Me

(0,0 %)

_

RESPUESTA 13.6

[ σ esencial ]

[sustituyente C6H5] [núcleo al que se une el electrófilo]

[ σ esencial ]

+

+

+

HBr

BrH

H

Br

* *

*

*

*

*

*

*

*

**

**

*

*

[11 carbonos en el sistema conjugado]

[5 carbonos en el sistema conjugado]

[11 carbonos en el sistema conjugado]

Br+

[mayoritario]

[mayoritario]

[minoritario]

Conviene fijarse en el catión arenonio resultante de la sustitución en m- está formado por dos sistemas conjugados independientes que no interaccionan entre sí, ya que el enlace que les une es σ esencial:

+ BrH

*

*

* +Br

H*

*

*+

BrH

*

*

*+

BrH

*

*

*

[5 carbonos en el sistema conjugado]

X

[estructura electrónica no válida] (dos electrones desapareados)

[σ esencial] [σ esencial] [σ esencial] [no se puede dibujar como doble]

RT-12,13

Page 453: LIBRO1 (0-675).pdf

440

El caso de la nitración es idéntico al anterior:

+

+

HNO2

H

NO2

* *

*

**

*

**

**

*

*

[11 carbonos en el sistema conjugado]

[5 carbonos en el sistema conjugado]

[11 carbonos en el sistema conjugado]

NO2+

[mayoritario]

[mayoritario]

[minoritario]

+ NO2

H*

*

*

[σ esencial]

RESPUESTA 13.7

E+ *+

a

11a =1/

(δEπ)2 = −2β(a + 2a) = −6aβ = −1,81βBr

H*

* * *

*

*

*

a a

-a -a

-a

-a

2a Br2 2 2H+_

E+

*+

b

2b

8b =1/

(δEπ)3 = −2β(b + 2b) = −6bβ = −2,12β***

*

-bb

Br

H3 3

Br3

-b

[ σ esencial ]

H+_

c

4

E+

*

2c

-2c

-c

14c =1/

(δEπ)4 = −2β(c + 2c) = −6cβ = −1,60β*

*

*

*

*

* *

-c

-c

c -c

H Br+

Br4 4

H+_

RT-12,13

Page 454: LIBRO1 (0-675).pdf

441

5

E+

*

-d

-2d

-2d

d

47d = 1/

(δEπ)5 = -2β(2d + 4d) = −12dβ = −1,75β*

*

*

*

*

* *

d4d

-4d+ 2d

Br5 5BrH

H+_

6

E+

*

e

-e

8e =1/

(δEπ)6 = −2β(e + 2e) = −6eβ = −2,12β***

*

-ee

2e

[ σ esencial ]

Br

HBr6

+ 6

H+_

7 E+

*

2f

-2f

35f =1/

(δEπ)7 = −2β(2f + 4f) = −12fβ = −2,03β

*

*

*

*

* *

-4f

2f

+H

Br

-2f

-f* -f

f

Br7 7H+_

E+

*

g

-g

11g =1/

(δEπ)8 = −2β(g + 2g) = −6gβ = −1,81β***

*

-g-2g

2g

[ σ esencial ]Br H+

Br8 8 8

H+_

*

E+

*

-2h

-h

38h =1/

***

*

h

2h

+

Br

H Br2' 2' 2'

*-3h 3h

*

3h

-h(δEπ)2' = −2β(3h + 3h) = −12hβ = −1,95β

H+_

[ σ esencial ]

E+

3i =1/

*

+

3'

(δEπ)3' = −2β(i + i) = −4iβ = −2,31β

Br

H3' Br3'

* *

i

-i i

H+_

RT-12,13

Page 455: LIBRO1 (0-675).pdf

442

E+

38j =1/

+

(δEπ)4' = −2β(3j + 3j) = −12jβ = −1,95β

4'

*

BrH Br

*

*

*

**

*

*

-3j

3j

-3j

j -2j-j

2j-j

4' 4'

H+_

[ σ esencial ]

E+

3k =1/

*+

(δEπ)5' = −2β(k + k) = −4kβ = −2,31β

5'

* *-kk

Br

HBr

-k

5' 5'

H+_

E+

38l =1/

*+

(δEπ)6' = −2β(3l + 3l) = −12lβ = −1.95β

6'

*H

BrBr6'

6'*

***

* *

l -l

2l

-2l

3l-3l

3l

-l

H+_

[C más reactivo]

Cx

4 1,60

5 1,75

2 1,81

8 1,81

2' 1,95

4' 1,95

6' 1,95

7 2,03

3 2,12

6 2,12

3' 2,31

5' 2,31

(δEπ) x (-β)

[C menos reactivo]

[mínima inestabilidad]

[máxima inestabilidad]

2

3

45

6

7

8

2'

3'4'

5'

6'

[FPV]4 = 18 400

RT-12,13

Page 456: LIBRO1 (0-675).pdf

443

RESPUESTA 13.8 El sustituyente (Me o NO ) lo designamos por Z: 2

H

NO2+*

*

* * *b

-b

-b

2b

b

a = 1/ 11 Q(2) = 0,0;

(δEπ)4 = −6aβ = −1,81β

NO2HZ

+ *

**

* *a

-a

-a

2a

-2a

a = 1/ 11 Q(2) = 4a2 = + 0,36;

(δEπ)1 = −6aβ = −1,81β

34

*

+

*

* * * -2a-a

a

-a 2a

b = 1/ 8 Q(2) = b2 = + 0,12;

H NO2

Z Z

(δEπ)3 = −6bβ = −2,12β

5

**

* * a-a-2a

2a -a

H NO2

+

Z

a = 1/ 11 Q(2) = 0,0;

(δEπ)5 = −6aβ = −1,81β

1

*

6

(δEπ)6 = −6bβ = −2,12β

b = 1/ 8 Q(2) = b2 = + 0,12;

+*

*

* * *b

-b

-b

2b

b

O2N

HZ 7

8

(δEπ)8 = −6aβ = −1,81β

a = 1/ 11 Q(2) = a2 = + 0,09;

(δEπ)7 = −6bβ = −2,12β

*+*

* * * b

-bb

-b2b

b = 1/ 8 Q(2) = 0,0;

H

NO2

Z *

*

* *a

-a

-2a

2a +

NO2 H

* a

Z

Q(1) posición δEπ x (-β) C 1.81 +0.36 1

C8 1.81 +0.09 Z1

345

6

78C 1.81 0.00 4

1.81 0.00 C5

2.12 +0.12 C3

2.12 +0.12 C6

2.12 0.00 C7

2-Metilnaftaleno (Z = CH ) 3 El sustituyente (Me) estabiliza el catión arenonio: ⎯ situación más favorable: (δEπ) = -1,81β ; Q = +0,36 (sustitución en C ; producto mayoritario) 1 ⎯ situación más desfavorable: (δEπ) = -2,12β ; Q = 0,0 (sustitución en C ; producto minoritario) 7 Estos son los factores parciales de velocidad en la nitración del 2-Metilnaftaleno: (FPV): C (347000) > C (3360) > C1 8 4 (3190) > C6 (2920) > C (1515) > C (240) 5 7 La nitración del 2-Metilnaftaleno da lugar a una mezcla mayoritaria de 2-Metil-1-nitronaftaleno y 2-Metil-8-nitronaftaleno:

MeNO2

MeNO2

Me1 2 8HNO3

H2SO4+

2

RT-12,13

Page 457: LIBRO1 (0-675).pdf

444

2-Nitronaftaleno (Z = NO ) 2 El sustituyente (NO ) desestabiliza2 el catión arenonio: ⎯ Situación más favorable: (δEπ) = -1,81β ; Q = 0,0 (sustitución en C o C ; productos mayoritarios) 4 5 ⎯ Situación más desfavorable: (δEπ) = -2,12β ; Q = +0,12 (sustitución en C o C ; productos minoritarios) 3 6 La nitración del 2-Nitronaftaleno da lugar a una mezcla mayoritaria de 2,5- y 2,8-Dinitronaftaleno:

NO2 NO2

NO2Me2 8

HNO3

H2SO4+

2

NO2

5

RESPUESTA 13.9 Apartado 1:

EHMe

Me H

EMe

Me

+

+

1

6

*

**

* *

* *

***Q = + 0,36

Q = 0,00

Q = + 0,12

Q = 0,00

(δEπ)1 = −1,81β (δEπ)6 = −2,12β posición (δEπ) x (-β) Qx(Z) Q2(Me) = +0,36 C1 1,81 Q6(Me) = 0,00 Q2(Me) = +0,12 C6 2,12 Q6(Me) = 0,00 Orden de reactividad que se predice: C > C1 6 (FPV): C1 (1x106) > C (6970) 6 Apartado 2:

E

H+ **

* * *E

H

(δEπ)2 = −2,12β

+**

* * *

(δEπ)3 = −2,12β

8

*

*

* *+E H

*

(δEπ)8 = −1,81β

Me

NO2

Me

NO2

Me

NO2

2

Q = + 0,50

Q = 0,00 Q = + 0,09

Q = 0,00

Q = + 0,50

Q = 0,00

3

RT-12,13

Page 458: LIBRO1 (0-675).pdf

445

posición (δEπ) x (-β) Qx(Z) Q1(Me) = +0,50 C 2,12 2 Q4(NO2) = 0,00 Q1(Me) = 0,00 C 1,81 8 Q4(NO2) = +0,09 Q1(Me) = 0,00 C 2,12 3 Q4(NO2) = +0,50 Si el metilo está en una posición activa estabiliza el catión arenonio; con el grupo nitro sucede lo contrario. Orden de estabilidad que se predice: C > C > C2 8 3

Me

NO2

2

3

[ C más reactivo ]

[ C menos reactivo ]

8

RESPUESTA 13.10 Secuencia 1:

(MeCO)2OCu

NH2 NHCOMe NHCOMe

NO2

NH2

NO2

N2+Cl

NO2

NO2

NO2

HNO3

H2SO4

:B NaNO2

HClNaNO2

_

Secuencia 2:

CO2H CO2H CO2H CO2H CO2H CO2H

NaNO2

HClNO2 NH2 N2

+Cl CN CO2H

HNO3

H2SO4

H2

Pd / CCuCN H3O+

_

Secuencia 3:

NH2 NH2 N2+Cl Cl

BrBr

NO2

BrBr

NO2

BrBr

NO2NO2

Br2H2O

NaNO2

HClCuCl

_

Cl ClBrBr

NH2

BrBrCl

BrBr

N2+Cl

SnHCl

NaNO2

HCl

H3PO2

_

RT-12,13

Page 459: LIBRO1 (0-675).pdf

446

Secuencia 4:

Cl

NH2

Cl

N2+Cl

Cl

CN

Cl

CH2NH2

NaNO2

HClCuCN H2

Pd / C_

Secuencia 5:

CMe3 CMe3

NO2

CMe3

NH2

CMe3

N2+Cl

CMe3

CN

CMe3

CO2H

HNO3

H2SO4

H2

Pd / C

NaNO2

HClCuCN H3O+

_

Secuencia 6:

Et Et

NO2

Et

NH2

Et

N2+SO4H

Et

OH

CH3CH2Cl

AlCl3

HNO3

H2SO4

SnHCl

NaNO2

H2SO4

H2O

_

Secuencia 7:

NO2 NO2 NO2 NO2

SnHCl

NO2 NH2 N2+Cl

HNO3

H2SO4

HNO3

H2SO4

NaNO2

HCl _

NO2 NH2

Cl

N2+Cl

ClCl

Br

Cl

CuCl SnHCl

NaNO2

HClCuBr

_

Secuencia 8:

H2

Pd / C

NO2 NH2 N2+SO4H OH

H2ONaNO2

H2SO4

HNO3

H2SO4

_

OH

H2

Pd / C

OH OH OH

HNO3 NaNO2

HClCuI

IN2+ClNH2NO2

_

RT-12,13

Page 460: LIBRO1 (0-675).pdf

447

RESPUESTA 13.11

N2ClO2N_+

+

cloruro de p-Nitrobencenodiazonio

OH

[C más reactivo]

O2N N N

HO

Síntesis del cloruro de p-nitrobencenodiazonio:

+ _NH2

(MeCO)2O

NH_COMe

Acetanilida

HNO3

NH_COMe

NO2

:B

NH2

NO2

NaNO2

HCl, H2O

N2Cl

NO2 RESPUESTA 13.12

NaNO2 (2eq.)

HCl, H2O+

H2N

Me Me

NH2

Me Me

N2ClCl N2

_ _+

(A)

N

Me Me

N

SO3H

HO3S

H2N

HO

HO3S

SO3H

NH2

OH

NN++

N

Me Me

N

SO3H

HO3S

H2N

HO

HO3S

SO3H

NH2

OHNN

[colorante azul]

(B)

RT-12,13

Page 461: LIBRO1 (0-675).pdf

448

RESPUESTAS DE LOS EJERCICIOS ADICIONALES

1. HIDROCARBUROS SATURADOS ACÍCLICOS RESPUESTA 1.1

CH3CH2__CH__CH2CH2CH3

CH3

3-Metilhexano(1)

H

MePr

Et

H

Me Pr

Et

(1)

3

H

MePrEt

H

Pr MeEt

(3S)

CH3CH2__CH__CH2CH2CH2CH3

CH3

3-Metilheptano

(2)

Et

BuMe

H

Et

Bu Me

H

(2)

3

Et

BuMeH

Et

Me BuH

(3S)

CH3CH2CH2__C__CH2CH2CH2CH3

CH2CH3

4-Etil-4-metiloctano

(3)

CH3

Me

PrEt

Bu

Me

Pr Et

Bu

(3)

4

Me

PrEtBu

Me

Et PrBu

(4S)

RA-1,2,3,4

Page 462: LIBRO1 (0-675).pdf

449

CH3CH2CH2__CH__CH2CH2CH2CH3

CH3

4-Metiloctano

(4)

Pr

BuH

Me

Pr

Bu H

Me

(4)

4

Pr

BuHMe

Pr

H BuMe

(4R) RESPUESTA 1.2

CH3CH2__CH__C__CH2CH2CH3

Me Me

Et

4-Etil-3,4-dimetilheptano

H

Et Me

Et

Pr Me

Me

Pr Et

Et

Me H

H

Me Et

Pr

Et Me

Et

H Me

Me

Pr Et

(1) (2) (3) (4)

4

43

3 34 4

3

(3R,4R) (3S,4R) (3S,4S) (3S,4S)

Iguales (superponibles): (3) y (4) Enantiómeros: (1) y (3) ; (1) y (4)

Diastereoisómeros: (1) y (2) ; (2) y (3) ; (2) y (4) RESPUESTA 1.3

CH3CH2__CH__CH__CH2CH3

Me Me

3,4-Dimetilhexano

Me

Et H

H

Et Me

H

Et Me

Et

Me H

(1) (2) MESO(3S,4S) (3R,4S)

3

43

4

RA-1,2,3,4

Page 463: LIBRO1 (0-675).pdf

450

CH3CH2CH2CH2__CH__CH__CH2CH2CH2CH3

Me Me

5,6-Dimetil-5,6-dipropildecano

Pr Pr

Bu

Me Pr

Me

Bu Pr

Pr

Bu Me

Bu

Me Pr

(3) (4) MESO(5S,6S) (5S,6R)

5

6

5

6

H

Et Me

H

Et Me

Me

Pr Bu

Me

Pr Bu

(2) (4)(3R,4S) (5S,6R)

3

4

5

6[plano de simetria]

RESPUESTA 1.4

CH3CH2__CH__CH__CH2CH2CH3

Me Me

3,4-Dimetilheptano(1)

EtMeMe

HHPr

(1)

600

Et(Me)(Pr)Me

H(H)

(1)

33

H

Me Et

H

Pr Me

(3R,4R)

3

4

H

MeEt

H

PrMe

34

CH3CH2CH2__CH__CH__CH2CH2CH3

Et Me

4-Etil-5-metiloctano(2)

MeHPr

PrHEt

(2)

600

Pr(Pr)(Et)Me

H(H)

55

H

Me Pr

H

Et Pr

(4R,5S)

5

4

Diastereoisómeros de (2): (4R,5R) y (4S,5S)

RA-1,2,3,4

Page 464: LIBRO1 (0-675).pdf

451

H

Pr Me

H

Et Pr5

4

(4R,5R)

H

Me Pr

H

Pr Et5

4

(4S,5S) RESPUESTA 1.5

CH3__CH__C__CH2CH3

OH Cl

Me3-Cloro-2-hidroxi-3-metilpentano

ClEtMe

MeOHH

(1)

600

Cl(OH)(Me)Et

Me(H)

Me

Et Cl

H

Me OH

(2S,3R)

2

3

HO HMe

MeEt Cl

(2)

600

Cl

Et Me

Me

HO H

(2S,3S)

2

3

(Et)HO H(Me)

Me(Cl)

MeHMe

OHClEt

(3)

600

OH(Et)(Cl)Me

H(Me)

H

Me OH

Me

Cl Et

(2R,3R)

2

3

Cl EtH

MeMe OH

(4)

600

H

HO Me

Me

Cl Et

(2S,3R)

2

3

(HO)Cl Et(Me)

Me(H)

Iguales (superponibles): (1) y (4) Enantiómeros: (2) y (3) Diastereoisómeros: (1) y (2) ; (1) y (3) ; (2) y (4) ; (3) y (4)

RA-1,2,3,4

Page 465: LIBRO1 (0-675).pdf

452

RESPUESTA 1.6

Prioridades: radicales primarios < radicales secundarios < radicales terciarios Radicales primarios: 1. CH - C (HHH) 3 1

(CHH) CCH - C (HHH) 2. CH3 2 1 2

(CHH) C 3. CH CH CH - C (CHH) C (HHH) 3 2 2 1 2 3

(CHH) 4. CH CH CH CH - C (CHH) C (CHH) C3 2 2 2 1 2 3

(CCH) 5. (CH ) CHCH - C (CHH) C3 2 2 1 2

(CCC) 6. (CH ) CCH - C (CHH) C3 3 2 1 2 Radicales secundarios:

(CCH) C 7. (CH ) CH- C (HHH) 3 2 1 2 (HHH) 8. CH3(CH2)4-CH(CH3)- C1(CCH) C2 (CHH) Radicales terciarios: 9. (CH3)3C- C1(CCC) C (HHH) 2 (HHH) 10. (CH3)2CHCH2C(CH3)2- C1(CCC) C2 (CHH) RESPUESTA 1.7 Energía de enlace H−CMe3

0fHΔ 0

fHΔ

H CH2CH2CH3(g) CH2CH2CH3 (g) + H (g)

3C (grafito) + 4H2 (g)

D0(H_C1)

1/2D0(H2) + ( CH2CH2CH3)(CH3CH2CH3)

0fHΔ 0

fHΔ

0fHΔ0

fHΔ

(CH3CH2CH3) + D0(H_C1) = 1/2D0(H2) + ( CH2CH2CH3)

D0(H_C1) = (CH3CH2CH3)_ + 1/2D0(H2) + ( CH2CH2CH3) =

= +24.8 + 104.2/2 + 22.8 = 99.7 kcal/mol

RA-1,2,3,4

Page 466: LIBRO1 (0-675).pdf

453

Energía de enlace CH −CH CH3 2 3

0fHΔ 0

fHΔ0fHΔ

CH2CH3 (g) + CH3 (g)

3C (grafito) + 4H2 (g)

D0(C1_C2)

( CH2CH3)(CH3CH2CH3)

CH3 CH2CH3 (g)

( CH3) +

0fHΔ 0

fHΔ

0fHΔ0

fHΔ

0fHΔ

0fHΔ

(CH3CH2CH3) + D0(C1_C2)= ( CH2CH3)

= (CH3CH2CH3)_ + ( CH2CH3) =

= +24.8 + 34.8 + 28.0 = 87.6 kcal/mol

( CH3) +

D0(C1_C2) ( CH3) +

RESPUESTA 1.8 Energía de enlace H−C : 2

4C (grafito) + 5H2 (g)

)CH(D0 −CCH3

CH3

CH3 + HH CCH3

CH3

CH3

)CMe(H)H(D21

30f2

0 Δ+)CMeH(H 30f −Δ

)Butilot(H)H(D2/1)CH(D)noMetilpropa2(H 0f2

01

00f −Δ+=−+−Δ

mol/kcal1.520.94.31

)Butilot(H)H(D2/1)noMetilpropa2(H)CH(D 0f2

00f1

0

92.5=++=

=−Δ++−Δ−=−

Energía de enlace C −C : 1 2

)CMeH(H 30f −Δ

)CC(D 210 −

)CHMe(H)CH(H 20f3

0f Δ+Δ

4C (grafito) + 5H2 (g)

CH

CH3 CH3+CH3 CHCH3

CH3 CH3

mol/kcal198.344.31

)opiloPri(H)Metilo(H)noMetilpropa2(H)CC(D 0f

0f

0f21

0

85.2=++=

=−Δ+Δ+−Δ−=−

RA-1,2,3,4

Page 467: LIBRO1 (0-675).pdf

454

2. HIDROCARBUROS SATURADOS CÍCLICOS

RESPUESTA 2.1

Me

H

Me

H1 2

34

cis 1,2-Dimetilciclobutano (1)

Me

(CCH)C2 C4(CHH)

H

1

(1S)

Me

(CHH)C3 C1(CCH)

H

2

(2R)

Las configuraciones absolutas de (2), (3) y (4) se obtienen empleando como referencia la configuración absoluta de (1): (1): cis (1S,2R) (1) = (2) ; forma MESO

Enantiómeros: (3) y (4)

(2): cis (1R,2S) Diastereoisómeros: (1) y (3) ; (1) y (4) (3): trans (1S,2S) (4): trans (1R,2R)

H H

Me Me1 2

3

4

5

cis 1,2-Dimetilciclopentano (5)

Me

(CHH)C5 C2(CCH)

H

1

(1R)

Me

(CCH)C1 C3(CHH)

H

2

(2S)

Las configuraciones absolutas de (6), (7) y (8) se obtienen empleando como referencia la configuración absoluta de (5): (5): cis (1R,2S) Formas meso: (5) y (8) (iguales) (6): trans (1R,2R) Enantiómeros: (6) y (7) (7): trans (1S,2S) Diastereoisómeros: (5) y (6) ; (5) y (7) (8): cis (1S,2R) RESPUESTA 2.2 1,2-Diclorociclohexano (3 estereoisómeros: una forma meso y una pareja de enantiómeros):

Cl

H

Cl

H1 2

36

cis (1S,2R) (MESO)

plano de simetriaCl

(CHH)C6 C2(ClCH)

H

1

(1S)

Cl

(ClCH)C1 C3(CHH)

H

2

(2R)

RA-1,2,3,4

Page 468: LIBRO1 (0-675).pdf

455

Cl

H

H

Cl1 2

36

trans (1S,2S)

H

Cl

Cl

H2 1

63

trans (1R,2R) 1,3-Diclorociclohexano (3 estereoisómeros: una forma meso y una pareja de enantiómeros):

5 4

36

cis (1R,3S) (MESO)

Cl

H

Cl

H1 2

Cl

(CHH)C5 C3(ClCH)

H

1

(1R)

Cl

(ClCH)C1 C5(CHH)

H

3

(3S)

5 4

36

trans (1R,2R)

H

Cl

Cl

H1 2

54

3 6

trans (1S,2S)

H

Cl

Cl

H12

1,4-Diclorociclohexano (2 estereoisómeros: una pareja de diastereoisómeros cis/trans):

1 4Cl

H

Cl

H

1 4

Cl

H

H

Cl

plano de simetria centro de simetria

cis trans Los carbonos C1 y C4 no son estereogénicos, ya que ambas moléculas tienen un elemento de simetría. No se puede asignar configuración absoluta a ninguno de los dos carbonos, puesto que cada uno de ellos tiene unidos dos sustituyentes iguales. No son formas meso. 1-Bromo-2-clorociclohexano (4 estereoisómeros: dos parejas de enantiómeros):

Br

H

Cl

H1 2

36

cis (1S,2R)

Br

(CHH)C6 C2(ClCH)

H

1

(1S)

Cl

(BrCH)C1 C3(CHH)

H

2

(2R)

Br

H

Cl

H1 2

36

cis (1S,2R)

Br

H

Cl

H12

3 6

cis (1R,2S)

Br

H

H

Cl1 2

36

trans (1S,2S)

Br

H

H

Cl12

3 6

trans (1R,2R)

RA-1,2,3,4

Page 469: LIBRO1 (0-675).pdf

456

1-Bromo-3-clorociclohexano (4 estereoisómeros: dos parejas de enantiómeros): 1-Bromo-3-clorociclohexano (4 estereoisómeros: dos parejas de enantiómeros):

Cl

H2 3

41

cis (1S,3R)

Br

(ClHH)C3 C5(CHH)

H

1

(1S)

Cl

(CHH)C5 C1(BrCH)

H

3

(3R)

Br

H

56

Cl

H2 3

41

cis (1S,3R)

Br

H

6 5

Cl

H23

4 1

cis (1R,3S)

Br

H

65

H

Cl2 3

41

trans (1S,3S)

Br

H

6 5

H

Cl23

4 1

trans (1R,3R)

Br

H

65

1-Bromo-4-clorociclohexano (2 estereoisómeros: una pareja de diastereoisómeros cis/trans):

1 4Br

H

Cl

H

1 4Br

H

H

Cl

plano de simetria centro de simetria

cis trans Los carbonos C1 y C4 no son estereogénicos, ya que ambas moléculas tienen un elemento de simetría. No se puede asignar configuración absoluta a ninguno de los dos carbonos, puesto que cada uno de ellos tiene unidos dos sustituyentes iguales. No son formas meso.

3. HIDROCARBUROS CON ENLACES MÚLTIPLES ENTRE ÁTOMOS DE CARBONO RESPUESTA 3.1

HC C__CH2_ H2C CH_CH2

_ HC C_ H2C C_Me

H2C CH_ CH3_C C_

2-propinilo alilo etinilo isopropenilo vinilo 1-propinilo

HC C__CH2_

H2C CH_CH2_

(2) C (CHH) C (CCH) 1 2 (1) C (CCC) (CHH) C1 2

HC C_

H2C CH_ (CCH) (5) C1

CH3_C C_

H 2C C_Me

(4) C (CCC) C (CHH) 1 2 (3) C (CCC) C (CCH) 1 2

(CCC) (6) C (CCC) C1 2

RA-1,2,3,4

Page 470: LIBRO1 (0-675).pdf

457

RESPUESTA 3.2

ClCH CH_CH2CH2CH3 CH2 CH_CH_CH2CH3 CH2 CH_CH2CHCH3

Cl Cl

CH3_CH CH_CH_CH3

Cl

1-cloro-1-penteno 3-cloro-1-penteno 4-cloro-1-penteno 4-cloro-2-penteno 1-Cloro-1-penteno (dos estereoisómeros: una pareja de diastereoisómeros Z / E):

ClCH CH_CH2CH2CH3

1-cloro-1-penteno

H H

Cl C3H7

(Z) 1-cloro-1-penteno (E) 1-cloro-1-penteno

H C3H7

Cl H

3-Cloro-1-penteno (dos estereoisómeros: una pareja de enantiómeros):

CH2 CH_CH_CH2CH3

Cl

3-cloro-1-penteno

CH=CH2

Et Cl

H3

(3S)

CH=CH2

EtCl

H3

CH=CH2

ClEtH

CH=CH2

Cl EtH

(3R) 4-Cloro-1-penteno (dos estereoisómeros: una pareja de enantiómeros):

CH2 CH_CH2CHCH3

Cl

4-cloro-1-penteno

CH2_CH=CH2

Me Cl

H4

(4S)

CH2_CH=CH2

MeCl

H

4

CH2_CH=CH2

ClMeH

CH2_CH=CH2

Cl MeH

(4R)

RA-1,2,3,4

Page 471: LIBRO1 (0-675).pdf

458

4-Cloro-2-penteno (cuatro estereoisómeros: dos pareja de enantiómeros)

4-cloro-2-penteno

CH3 CH CH CH CH3

Cl

ClMeH

Me

HH

Cl MeH

Me

HH

(Z) (4S) 4-cloro-2-penteno (Z) (4R) 4-cloro-2-penteno

4 4

ClMeH

H

MeH

Cl MeH

H

MeH

(E) (4S) 4-cloro-2-penteno (E) (4R) 4-cloro-2-penteno

4 4

CH=CH_CH3

Me Cl

H4

(4S)

CH=CH_CH3

MeCl

H4

CH=CH_CH3

Me Cl

H4

(4S)

CH=CH_CH3

MeCl

H4

(4R) (4R) RESPUESTA 3.3 2,3-Hexadieno (dos estereoisómeros: una pareja de enantiómeros)

CH3_CH=C=CH_CH2CH3

2,3-hexadieno

C C

( ) CH

Me

(S) 2,3-hexadieno

Et

Me H

H

(S)

[3]

[2]

[4]

[1]

(R) 2,3-hexadieno

Et

H Me

H

(R)

[3]

[2]

[4]

[1]

Et

HCC

( )CH

MeEt

H

2,4-Dicloro-2,3-pentadieno (dos estereoisómeros: una pareja de enantiómeros):

CH3_C=C=C_CH3

2,4-dicloro-2,3-pentadieno

Cl Cl

C C

( ) CCl

Me

(S) 2,3-hexadieno

Me

Me Cl

Cl

(S)

[3]

[2]

[4]

[1]

(R) 2,3-hexadieno

Me

MeCl

Cl

(R)

[3]

[2]

[4]

[1]

Me

ClCC

( )CCl

MeMe

Cl

RA-1,2,3,4

Page 472: LIBRO1 (0-675).pdf

459

2,3,4-Hexatrieno (dos estereoisómeros: una pareja de diastereoisómeros Z / E)

CH3_CH=C=C=CH_CH3

2,3,4-hexatrieno

C C

( ) CMe

HC

H

Me

(Z) 2,3,4-hexatrieno

C C

( ) CMe

HC

Me

H

(E) 2,3,4-hexatrieno RESPUESTA 3.4

CH3_C CH_CH C_CH2CH3

Cl Me

2-cloro-5-metil-2,4-heptadieno

Cl

Me H

H Me

Et24

(2Z,4Z) 2-cloro-5-metil-2,4-heptadieno

Me

Cl H

H Et

Me24

(2E,4E)

Cl

Me H

H Et

Me24

Me

Cl H

H Me

Et24

(2Z,4E) (2E,4Z) RESPUESTA 3.5

H

C4(CHH)(CHH)

Br3(CCC)(CHH)C2

[1]

[3]

[4]

[2] C CH

Et

(BrCH)(CHH)C2

(CHH)(CHH)C61 4'

trans

[1]

[2][1]

[2]

(3R)

4. NOMENCLATURA DE GRUPOS FUNCIONALES RESPUESTA 4.1

C_O_

O

CH3_ C_NH_

O

CH3_

C_O_

O

C_

O

Cl CH3CH2_N CH2CH3

Acetoxi Cianato Acetilamino

CN O_

Cloroformilo Dietilamino ter-Butoxicarbonilo

C_

O

Me3C_O_

RA-1,2,3,4

Page 473: LIBRO1 (0-675).pdf

460

C_O_

O

H

HO_NH_ Formiloxi Benzoiloxi Hidroxiamino

C_CH2

O

C_

O

CH3

H3N_+

O=N_ Acetoacetilo Amonio Nitroso Orden creciente de prioridad:

C CCH _CH2

O_

O

3

C (OOC) 1

CMe _

O

3C_O_

C (OOO) 1

CH _O_

O

CCl _

O C (ClOO) 1

H3N_+ N (HHH) 1

C_NH_

O CH _

3 N (CH) 1

CH _3CH2 N CH2CH3 N (CC) 1

HO_NH_ N (OH) 1

CN O_

C_O_

O

CH _3

C_O_

O

O=N_ N (OO) 1 O1(C) C (NNN) 2 O1(C) C (OOH) 2 O1(C) C (OOC) C (HHH) 2 3 O1(C) C (OOC) C (CCC) 2 3 RESPUESTA 4.2

RA-1,2,3,4

Page 474: LIBRO1 (0-675).pdf

461

(1) y (2) son enantiómeros:

H

Cl OH

H

HO Me

(1)

(1R,2R)

1

2

H

ClHO

H

OHMe

1

2

1-Cloro-1,2-propanodiol (1S,2S)1-Cloro-1,2-pr