qoa3
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REACTIVIDAD EN
QUÍMICA ORGANICA
(1ª PARTE)
Sustitución, eliminación y
adición a enlaces múltiples
Sustitución y eliminación
Estados de transición para
ataques del nucleófilo SN2
Tres enlaces en el mismo plano
Formación de nuevo
enlace (HO-C)
Rompimiento de enlace
(C-Br)
Basicidad y nucleofilicidad.
• Podríamos pensar que el metóxido es mucho mejor
nucleófilo porque es mucho más básico. Esto sería un
error, ya que la basicidad y la nucleofilicidad son
propiedades diferentes.
Basicidad y nucleofilicidad.
• La basicidad viene determinada por la constante de equilibrio para
abstraer un protón. La nucleofilicidad se define por la velocidad de
ataque sobre un átomo de carbono electrofílico para dar
sustituciones o adiciones.
• Predecir de qué forma puede reaccionar una especie podría ser
difícil. La mayoría de los buenos nucleófilos (pero no todos) también
son bases fuertes, y viceversa.
• En ambos casos, el nucleófilo (o base) forma un nuevo enlace; si el
nuevo enlace lo forma un protón, ha reaccionado como una base, si
el nuevo enlace lo forma con el carbono, ha reaccionado como un
nucleófilo.
Basicidad y nucleofilicidad.
Grupos salientes comunes
• Los sulfonatos, los sulfatos y los fosfatos son buenos
grupos salientes porque pueden deslocalizar la carga
negativa sobre los átomos de oxígeno. Las moléculas
neutrales son grupos salientes cuando la reacción se
lleva a cabo en medios ácidos.
Influencia estérica del sustrato
sobre las reacciones SN2.
Influencia estérica del sustrato sobre las
reacciones SN2.
• Para formar un enlace, el nucleófilo tiene que
encontrarse dentro de la distancia enlazante del
carbono. Un haluro de alquilo estéricamente impedido
evitará que el nucleófilo se acerque lo suficiente como
para reaccionar.
Mecanismo de inversión.
• El estado de transición de la reacción SN2 tiene una
geometría bipiramidal trigonal, con el nucleófilo y el
grupo saliente a 180º de cada uno.
Influencia del disolvente en la
nucleofilicidad.
• En un disolvente prótico, los aniones pequeños se
solvatan más fuertemente que los grandes, ya que el
disolvente se aproxima más a un ión pequeño y forma
enlaces de hidrógeno más fuertes. Cuando un anión
reacciona como nucleófilo, se requiere energía para
«retirar» alguna de las moléculas de
disolvente, rompiendo alguno de los enlaces de
hidrógeno que estabilizaban al anión solvatado.
Influencia del disolvente en la
nucleofilicidad.
• Si el ión es más pequeño, como el fluoruro, se requiere
más energía para poder separar el disolvente de este
ión que está fuertemente solvatado que de otro ión más
grande, que está más débilmente solvatado, como el
yoduro
• Los disolventes próticos polares rodearán al nucleófilo y
reducirán su nucleofilia. Cuanto más pequeño sea el
átomo, más solvatado estará y mayor será la reducción
de la reactividad.
Influencia del disolvente en la
nucleofilicidad.
Mecanismo de una reacción
SN1.
Diagramas de energía de las reacciones
SN1 y SN2.
• La reacción SN1 tiene un mecanismo que consta de dos
pasos, con dos estados de transición (‡1 y ‡2) y un
carbocatión intermedio. La reacción SN2 sólo tiene un
estado de transición y no tiene intermedios.
Diagramas de energía de las reacciones
SN1 y SN2.
• La reacción SN1 tiene un carbocatión intermedio y
proporcionará una mezcla de enantiómeros. La reacción
SN2 tendrá como resultado una inversión de la
configuración.
Efecto inductivo e hiperconjugación.
• El paso limitante de la velocidad de la reacción SN1 es la
ionización para formar un carbocatión, proceso
fuertemente endotérmico, por lo que las velocidades de
las reacciones SN1 tienen una dependencia de la
estabilidad del carbocatión.
Estado de transición de la reacción SN1.
• El grupo saliente forma parte de la carga negativa, el
enlace C-X se rompe y el grupo saliente polarizable
todavía puede mantener un solapamiento sustancial.
• El estado de transición se asemeja al carbocatión
Racemización en la reacción SN1.
• Un átomo de carbono asimétrico experimenta
racemización cuando se ioniza y se transforma en un
carbocatión aquiral, plano. Un nucleófilo puede atacar al
carbocatión desde cualquier cara, dando lugar, como
producto, a cualquier enantiómero.
Disolución de los iones.
• La reacción SN1 está favorecida en disolventes polares,
que estabilizan los iones intermedios. El paso limitante
de la velocidad forma dos iones y la ionización tiene
lugar en el estado de transición. Los disolventes próticos
como los alcoholes y el agua son incluso disolventes
más efectivos, ya que los aniones forman enlaces de
hidrógeno con el átomo de hidrógeno del grupo -OH y
los cationes con los electrones no enlazantes del átomo
de oxígeno del grupo -OH. Los disolventes polares
próticos, como los alcoholes, pueden solvatar mejor los
iones formados durante una reacción SN1.
Transposición de hidruro y
metilo en una reacción SN1.
Reacciones de eliminación: E1 y E2.
• Una eliminación implica la pérdida de dos átomos o
grupos del sustrato, generalmente con la formación de
un enlace π. Dependiendo de los reactivos y de las
condiciones en las que se encuentren, una eliminación
debería ser un proceso de primer orden (E1) o de
segundo orden (E2).
• De la misma forma que existe un SN1 y un SN2, existen
dos mecanismos de eliminación, E1 y E2.
Reacciones de eliminación: E1
y E2.
Mecanismo E1.
• Al igual que el SN1, la reacción E1 implica carbocationes
intermedios. El primer paso es la ionización de la
molécula para formar el carbocatión,
Mecanismo E1.
• En un segundo paso rápido, una base abstrae un protón
del átomo de carbono adyacente al C+. Los electrones
que antes formaban el enlace carbono-hidrógeno ahora
forman el enlace π entre dos átomos de carbono.
Competencia entre las reacciones SN1 y
E1
• El primer paso de los dos mecanismos es el mismo:
formación del intermedio carbocatiónico. El alcohol
puede actuar como una base o como un nucleófilo. Si
actúa como una base, la abstracción de un protón
producirá un alqueno. Si el alcohol actúa como un
nucleófilo, se obtendrá el producto de sustitución.
Competencia entre las
reacciones SN1 y E1.
Modelo orbital para la eliminación E1.
• En el segundo paso del mecanismo E1, el átomo de
carbono adyacente debe rehibridarse a sp2 cuando la
base ataca al protón y los electrones fluyen hacia el
nuevo enlace π.
• Las bases débiles se pueden utilizar en las reacciones
E1, puesto que no se encuentran implicadas en el paso
limitante de la velocidad de la reacción.
Modelo orbital para la
eliminación E1.
Diagrama de energía de reacción
para las reacciones E1.
Reordenamiento en el
mecanismo E1.
Las reacciones E2.
• La eliminación también puede ser bimolecular en
presencia de una base fuerte. A manera de
ejemplo, considérese la reacción del bromuro de ter-
butilo con ión metóxido en metanol.
• E2 muestra la misma preferencia de sustrato como
E1, 3o > 2o > 1o . E2 necesita una base fuerte
Mecanismo E2.
• La velocidad de esta eliminación es proporcional a las
concentraciones tanto del haluro de alquilo como de la
base, dando lugar a una ecuación de velocidad de
segundo orden. Esto es un proceso bimolecular, por lo
que este mecanismo se expresa como E2, forma
abreviada de eliminación bimolecular
Mezcla de productos en las reacciones E2
• Las reacciones E2 requieren la abstracción de un protón de un
átomo de carbono próximo al carbono que lleva el halógeno. Si hay
dos o más posibilidades, se obtienen mezclas de productos. Los
ejemplos siguientes muestran cómo la abstracción de protones
diferentes puede dar lugar a productos diferentes.
Mezcla de productos en las reacciones E2
• En general, el alqueno más sustituido será el producto
principal de la reacción
Estado de transición para las reacciones E2
• Los orbitales del átomo de hidrógeno y el haluro deben
estar alineados para que puedan comenzar a formar un
enlace π en el estado de transición.
• El hidrógeno que se va a abstraer debería ser anti-
coplanar al grupo saliente para minimizar cualquier
impedimento estérico entre la base y el grupo saliente.
Una orientación syn-coplanar entre el hidrógeno y el
grupo saliente creará una interacción repulsiva y
aumentará la energía del estado de transición.
Estado de transición para las
reacciones E2
REACCIONES DE LOS
ALQUENOS
Adición al doble enlace
Enlaces en los alquenos.
• Los electrones del enlace π se
extienden alejados de los núcleos
de los átomos de carbono y están
menos retenidos que los electrones
σ
• El enlace σ está formado por elsolapamiento de los orbitaleshíbridos sp2. El orbital p sin hibridarde cada átomo de carbono tiene unelectrón, de manera que se solapanformando un orbital de enlace π. Elorbital π tiene la mitad de un lóbulopor encima del enlace σ y la otramitad por debajo
Mecanismo de adición a
alquenos.
Tipos de adición a alquenos.
Regla de MarkovnikovEl primer paso es la protonación del doble enlace. Si el protón se adiciona al
carbono secundario, el producto será diferente del que se formaría si el protón se
adicionase al carbono terciario.
La regla de Markovnikov afirma que el protón se añadirá al átomo de carbono
menos sustituido, es decir, el carbono con más hidrógenos. Este tipo de adición
creará el carbocatión más sustituido (el carbocatión más estable)
La adición sigue la regla de Markovnikov.
Un electrófilo se adiciona al extremo
menos sustituido del doble enlace
para formar el carbocatión más
sustituido.
La regla de Markovnikov garantiza
la formación del carbocatión más
estable con la protonación del doble
enlace.
Hidratación de alquenos y
deshidratación de alcoholesUn alqueno puede reaccionar con agua en presencia de un ácido fuerte como
catalizador para formar un alcohol.
Se puede añadir agua a través del doble enlace en una reacción conocida como
hidratación. Las reacciones de hidratación producen alcoholes.
Mecanismo de hidratación de un alqueno
catalizada por un catión.• El primer paso es la
protonación del enlace doble
para formar un carbocatión.
Este paso sigue la regla de
Markovnikov, por lo que se
formará el carbocatión más
estable.
• El carbocatión es atacado por
una molécula de agua en el
segundo paso de la reacción.
• El paso final es la
desprotonación del alcohol
para producir un alcohol
neutral.
Oximercuriación-desmercuriación.
• La oximercuriación-desmercuriación es otro método para
convertir los alquenos en alcoholes con orientación de
Markovnikov. La reacción es más moderada que las
condiciones de hidratación normales y puesto que no hay
carbocationes intermedios, no es posible ningún tipo de
reordenamiento
Mecanismo de reacción de
oximercuriación-desmercuriación.El mecanismo de oximercuriación consta de dos pasos. El primer paso es
la adición de especies de mercurio con carga positiva al doble enlace para
formar un ión mercurinio. En el segundo paso de la reacción, el agua ataca
al ión mercurinio y pierde un protón para formar un alcohol
organomercúrico.
Reacción de desmercuriación
El segundo paso es la desmercuriación para eliminar el mercurio. El
borohidruro de sodio (NaBH4, un agente reductor) reemplaza el
fragmento de acetato de mercurio por hidrógeno. La reacción de
oximercuriación-desmercuriación da lugar al producto Markovnikov con el
grupo hidroxi en el carbono más sustituido.
Oximercuriación-desmercuriación del 2-
metil-2-buteno.
La oximercuriación-desmercuriación del 2-metil-2-buteno produce 2-metil-2-
butanol en un rendimiento del 90 por ciento. Adviértase que el producto es la
adición Markovnikov de agua a través del doble enlace.
Reacción alcoximercuriación-
desmercuriación
Si la reacción de oximercuriación se lleva a cabo en presencia de alcoholes, será
el alcohol el que ataque al ión mercurinio formado en el primer paso. El producto
final después de la desmercuriación es cualquiera que tenga una orientación
Markovnikov
Estructura del diborano.
El borano (BH3) se suele encontrar en su forma dimérica en
la que dos moléculas de borano están unidas por dos
hidrógenos puente.
Reacción hidroboración-oxidación
El resultado neto de la reacción de hidroboración-oxidación
es la adición de agua a través del enlace doble con
orientación anti-Markovnikov. La reacción tiene una
estereoquímica syn donde el OH y el hidrógeno se
añadirán al mismo lado del doble enlace.
Hidroboración de un alqueno.
El borano se añade al doble enlace con un solo paso. El boro se adiciona al
carbono menos impedido, menos sustituido, y el hidrógeno se adiciona al carbono
más sustituido.
La adición del borano tiene orientación Markovnikov y pasa por un estado de
transición de cuatro miembros en el que los dos enlaces nuevos se forman al
mismo tiempo en que se rompen.
Oxidación del átomo de boro.
El átomo de boro se puede eliminar oxidándolo con peróxido
de hidrógeno (H2O2) en presencia de base acuosa. Un
hidróxido desplazará al boro. La reacción hidroboración-
oxidación es anti-Markovnikov dado que el alcohol da lugar al
átomo de carbono menos sustituido del doble enlace.
Hidrogenación de alquenos.
El hidrógeno (H2) se puede añadir a través del doble enlace en un proceso
conocido como hidrogenación catalítica. La reacción sólo tiene lugar si se
utiliza un catalizador. Los catalizadores que más se usan son el paladio
(Pd), el platino (Pt) y el níquel (Ni), pero existen otros metales que son
igualmente efectivos. La hidrogenación reduce el doble enlace.
Hidrogenación catalítica
En una hidrogenación catalítica, ambos sustratos, el hidrógeno y el
alqueno, necesitan ser adsorbidos en la superficie del metal. Una vez
absorbidos, los hidrógenos se insertan a través de la misma cara del
doble enlace y el producto reducido se libera del metal. La reacción tiene
una estereoquímica sin dado que ambos átomos de hidrógeno se
añadirán al mismo lado del doble enlace.
Reacción de ciclopropanación.
Un carbeno es un intermedio que tiene un átomo de carbono
con dos enlaces y dos electrones no enlazantes. Los
carbenos pueden adicionarse a los dobles enlaces para
formar anillos de ciclopropano.
La reacción de Simmons-Smith.
La reacción de Simmons-Smith se considera que es la mejor
forma de llevar a cabo una reacción de ciclopropanación. La
reacción usa yoduro de yodometilzinc (ICH2ZnI) como fuente
del tercer carbono. Este reagente, conocido como Simmons-
Smith, no es un carbeno, pero reacciona como si lo
fuera, por lo que se denomina carbenoide.
Síntesis de carbenos por eliminación
alfa.
El bromoformo se puede deshalogenar una vez
para formar dibromocarbeno utilizando bases
fuertes como el hidróxido de potasio.
Adición de halógenos a alquenos
Los halógenos se pueden añadir al doble enlace para formar
dihaluros vecinales. La estereoquímica de esta adición es
anti, es decir, los átomos del halógenos se añaden a los
lados opuestos del doble enlace.
Adición de halógenos a alquenos.
El doble enlace actúa como un nucleófilo y ataca a la molécula de bromo,
desplazando a un ión bromuro. Se forma un ión bromonio que contiene un anillo
de tres miembros. El segundo paso de la reacción es la apertura del anillo de ión
bromonio por un ión bromuro. El ión bromuro ataca al anillo desde el lado
posterior del grupo que abandona.
Estereoquímica de la adición de
halógenos
Una vez que se ha formado el ión bromonio, un ión bromuro
le ataca desde el lado posterior y abre el anillo para dar un
dibromuro vecinal estable. Los bromuros son anti entre sí, de
manera que la reacción es estereoespecífica.
Formación de halohidrinas.
• Un alcohol con un halógeno en el átomo de carbono
adyacente. En presencia de agua, los halógenos se
añaden a los alquenos para formar halohidrinas. El
halógeno se añade al alqueno para formar un ión
halonio, que es fuertemente electrofílico. El agua actúa
como nucleófilo para abrir el ión halonio y formar la
halohidrina.
Formación de halohidrinas.
Reacción del ciclopenteno para formar
una halohidrina.
El ciclopenteno reacciona con bromo en disolución acuosa
para formar trans-2-bromociclopentanol (una halohidrina) y
su correspondientes enantiómero.
Epoxidación de alquenos.
Los peroxiácidos reaccionan con enlaces dobles para formar
epóxidos. Los epóxidos, también conocidos como
oxiranos, son éteres cíclicos de otros grupos funcionales.
Epoxidación de alquenos.
El peroxiácido y el alqueno reaccionan entre sí en un
proceso de un solo paso que produce el epóxido y una
molécula de ácido. El peroxiácido más común es el ácido
meta-cloroperoxibenzoico (AMCPB).
Estereoquímica de la epoxidación.
La adición es syn, por lo que la estereoquímica del material
de inicio será preservada en el producto, es decir, un alqueno
cis producirá un epóxido cis y un alqueno trans dará un
epóxido trans.
Apertura de epóxidos catalizada por
ácidos
El anillo epóxido se puede abrir por una molécula de agua.
La molécula de agua atacará por el lado posterior del anillo.
El producto final después de la desprotonación es el glicol o
diol adyacente con orientación anti.
Hidroxilación de alquenos en syn.
El tetraóxido de osmio y el permanganato de
potasio se puede utilizar para oxidar un enlace
doble al diol adyacente. Esta es una adición syn a
través del doble enlace.
Mecanismo de hidroxilación con OsO4.
El tetraóxido de osmio se añade al doble enlace de un
alqueno en un mecanismo concertado formando un éster
ósmico. El éster ósmico se puede hidrolizar para producir
un cis-glicol y regenerar el tetraóxido de osmio.
Ruptura oxidativa de alquenos con
KMnO4La reacción de KMnO4 con alquenos dependerá de la condición en la que se lleve
a cabo la reacción. Manteniéndola fría, la reacción producirá cis-glicol. El calor o el
ácido promocionarán la ruptura oxidativa del doble enlace para formar cetonas y/o
aldehídos. Los aldehídos reaccionarán más adelante con KMnO4 para producir
ácidos carboxílicos.
Ozonólisis de los alquenos
El ozono rompe de forma oxidativa el doble enlace para
producir aldehídos y cetonas. La ozonólisis es más suave
que KMnO4 y no oxidará los aldehídos más adelante. Un
segundo paso en la ozonólisis es la reducción del intermedio
por el zinc o el sulfuro de dimetilo.
Mecanismo de adición de ozono
El ozono se añade al doble enlace formando un
anillo intermedio con cinco miembros llamado
molozónido, que se reordena para formar un
ozónido.
Reducción del ozónido
El ozónido difícilmente se aísla, pero se reduce
inmediatamente con agentes reductores moderados como el
zinc o el sulfuro de dimetilo para dar aldehídos y cetonas
como productos principales. Cuando se usa el sulfuro de
dimetilo, el átomo de sulfuro se oxida para formar dimetil
sulfóxido (DMSO).
1. Escribe las estructuras de productos de sustitución esperados cuando
el 1-bromohexano reacciona con:
a) Na+ˉOCH2CH3 b) KCN c) NaOH
2. Muestra con que otro reactivo como se puede llegar a sustitución SN2
para convertir el 1-clorobutano a los siguientes compuestos
a) 1-butanol e) CH3-(CH2)3-C≡CH
b) 1-fluorobutano f) CH3CH2-O-(CH2)3-CH3
c) 1-iodobutano g) CH3-(CH2)3-NH2
d) CH3-(CH2)3-CN
Ejercicios
3. Prediga el producto mayoritario de las siguientes reacciones:
a) CH3CH2Br + (CH3)3CO-+K
b) HC≡C:ˉ+Na + CH3CH2CH2CH2Cl
c) (CH3)2CHCH2Br + NH3 (exceso)
d) CH3CH2CH2I + NaCN
e) 1-cloropentano + NaI
f) 1-cloropentano + KF
4. Dibuja la estructura en perspectiva o 3D para los productos de las
siguientes reacciones de sustitución SN2
a) trans-1-bromo-3-metilciclopentano + KOH
b) (R)-2-bromopentano + KCN
6. Prediga los productos de eliminación de las siguientes reacciones.
Cuando es posible obtener dos alquenos, prediga cual será el mayoritario,
justifique su respuesta mostrando el grado de sustitución de cada doble
enlace en los productos
7. ¿Cuál de estas reacciones son susceptibles obtener tanto productos de
eliminación y sustitución?
a) 2-bromopentano + NaOCH3
b) 3-bromo-3-metilpentano + NaOMe
c) 2-bromo-3-etilpentano + NaOH
d) cis-1-bromo-2-metilciclohexano + NaOEt
8. Prediga los principales productos de las siguientes
reacciones, proponer el mecanismos que apoye sus predicciones.
a) 1-penteno + HBr
b) 2-metilpropeno + HCl
c) 1-metilciclohexeno + HI
d) 4-metilciclohexeno + HBr
9. Prediga el producto mayoritario de las siguientes reacciones
a) 1-metilciclohexeno + BH3-THF c) producto de (a) + H2O2/OHˉ
b) 2-metil-2-penteno + BH3-THF d) producto de (b) + H2O2/OHˉ
10. Mostrar cómo se llevaría a cabo la siguiente conversión sintética
2-bromo-2,4-dimetilpentano 2,4-dimetil-3-pentanol
11. Mostrar cómo se llevaría a cabo las siguientes transformaciones
c) 1-metilcicloheptanol 2-metilcicloheptanol
12. Prediga el producto mayoritario de las siguientes reacciones
a) cis-2-hexeno + MCPBA en cloroformo
b) trans-3-hexeno + acido peroxiacetico en agua
c) 1-metilciclohexano + MMPP en metanol
d) trans-ciclodeceno + acido peroxiacetico (H3O+)
e) (E)-3-metil-3-octeno + (a)ozono (b) dimetilsulfuro
f) (Z)-3-metil-3-octeno + KMnO4 conc. caliente
g) 1-etilciclohepteno + (a)ozono (b) dimetilsulfuro
h) 1-etilciclohepteno + KMnO4 conc. Caliente
i) 1-etilciclohepteno + KMnO4 diluido frío