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alcoholes, síntesis y reactividadTRANSCRIPT
Estructura, síntesis y reactividad de alcoholes
Estructura del agua y del alcohol metílico.
La estructura del metanol se parece a la estructura del agua, reemplazando uno de los átomos de hidrógeno del agua por un grupo metilo.
El ángulo H-O-H en el agua es de 104,5º. El ángulo C-O-H en alcohol metílico es de 108,9º.
Tipos de alcoholes.
Puntos de ebullición de los alcoholes.
Esta gran diferencia en los puntos de ebullición sugiere que las moléculas de etanol se atraen entre sí con mucha más fuerza que las moléculas de propano. De esto son responsables dos fuerzas intermoleculares: el enlace de hidrógeno y las atracciones dipolo-dipolo
Los alcoholes tienen puntos de ebullición más elevados que los éteres y alcanos porque los alcoholes tienen interacciones dipolo-dipolo y pueden formar enlaces de hidrógeno. La interacción más fuerte entre las moléculas de alcohol requerirá más energía para romperlas teniendo como resultado un punto de ebullición más elevado.
Enlace de hidrógeno en los alcoholes.
Se puede observar los efectos del enlace de hidrógeno y de las atracciones dipolo-dipolo comparando el etanol con el dimetil éter. Igual que el etanol, el dimetil éter tiene un momento dipolar grande (1.30 D), pero el dimetil éter no puede tener enlaces de hidrógeno porque no tiene hidrógenos enlazados al oxígeno (-O-H).
El protón hidroxilo del alcohol tiene una carga positiva parcial. El hidrógeno pueden interactuar con los pares solitarios del oxígeno de una molécula de alcohol diferente. Esta interacción entre el hidrógeno y el oxígeno se denomina enlace de hidrógeno. Por el contrario, los éteres no pueden formar enlaces de hidrógeno porque los hidrógenos sobre los carbonos no son positivos parcialmente.
Las regiones hidrofóbicas e hidrofílicas de los alcoholes
El agua y los alcoholes tienen propiedades similares porque contienen grupos hidroxilo que pueden formar enlaces de hidrógeno. Los alcoholes forman enlaces de hidrógeno con el agua y varios de los alcoholes de masa molecular más baja son miscibles (solubles en cualquier proporción) con el agua
La cadena alquilo de un alcohol se considera la región hidrofóbica (no tiene afinidad por el agua) porque no existe una interacción entre los carbonos de la cadena y las moléculas de agua. El extremo hidroxilo del alcohol pueden interactuar bien con agua (enlace de hidrógeno), por lo que este extremo se considera hidrofílico (tiene afinidad por el agua).
Acidez de los alcoholes.
Al igual que el protón hidroxilo del agua, el protón hidroxilo de un alcohol es débilmente ácido. Una base fuerte puede extraer este protón hidroxilo para dar lugar a un ión alcóxido
El protón hidroxilo de un alcohol puede ser abstraído por una base para formar el ión alcóxido. Aunque algunos de los alcoholes son aproximadamente tan ácidos como el agua, la adición de los grupos de retirada de electrones aumentará la acidez. Los fenoles son mucho más ácidos que los alcoholes de cadena abierta porque el anillo aromático puede deslocalizar de manera efectiva la carga negativa dentro del anillo aromático.
Formación de alcóxidos de sodio y de potasio.
Cuando se necesita un ión alcóxido en una síntesis, normalmente se suele obtener mediante la reacción de sodio o de potasio metálico con alcohol. Ésta es una reacción de oxidación-reducción, de forma que el metal es oxidado y el ión hidrógeno (protón) reducido para dar lugar a hidrógeno gaseoso, que burbujea en la solución, generándose el alcóxido de sodio o de potasio.
Los alcoholes reaccionan con sodio y potasio metálico para formar alcóxidos. Por ejemplo, el etanol reacciona con sodio para formar etóxido de sodio, una base fuerte utilizada frecuentemente para las reacciones de eliminación. Los alcoholes más impedidos como 2-propanol o terc-butanol reaccionan más rápidamente con potasio que con sodio. La reacción produce hidrógeno gaseoso.
Acidez de los fenoles
Se podría esperar que el fenol tuviese la misma acidez que el ciclohexanol, ya que sus estructuras son similares. Esta predicción es errónea: el fenol es casi 108 veces más ácido que el ciclohexanol.
El alcohol aromático fenol es más ácido que los alcoholes alifáticos debido a la capacidad que tienen los anillos aromáticos de deslocalizar la carga negativa del oxígeno dentro de los carbonos del anillo.
Deslocalización de la carga en el ión fenóxido.
El ión fenóxido es más estable que un ión alcóxido típico debido a que la carga negativa no sólo está localizada sobre el átomo de oxígeno sino que está deslocalizada entre el oxígeno y tres átomos de carbono del anillo bencénico.
La carga negativa del oxígeno puede estar deslocalizada en más de cuatro átomos del ión fenóxido. Existen otras tres estructuras de resonancia que pueden localizar la carga en tres carbonos diferentes del anillo. La estructura verdadera es un híbrido entre las cuatro formas de resonancia.
Reactivos organometálicos utilizados para la síntesis de alcoholes.
Los alquinos terminales pueden ser desprotonados por las bases fuertes como el amiduro de sodio para formar iones acetiluro. El ión acetiluro es un nucleófilo fuerte que puede reaccionar con haluros de alquilo y compuestos de carbonilo formando un enlace C-C. La reacción del ión acetiluro con los aldehídos y las cetonas produce alcoholes acetilénicos
Reactivos de Grignard.
Los compuesto organometálicos de litio y magnesio son los que se utilizan con más frecuencia para la síntesis de alcoholes. Los haluros organomagnésicos, de fórmula general R-Mg-X, se conocen como compuestos organomagnesianos o reactivos de Grignard.
Los reactivos de Grignard se preparan mediante la reacción del haluro de alquilo con magnesio metálico en una disolución con éter. No existen restricciones en cuanto a los haluros de alquilo utilizados, pero los yoduros de alquilo son los más reactivos seguidos de los bromuros y los cloruros. No es normal para un fluoruro de alquilo formar reactivos de Grignard.
Adición de reactivos organometálicos a
compuestos carbonílicos.
El grupo carbonilo está polarizado, con una carga positiva parcial en el carbono y una carga negativa parcial en el oxígeno. El carbono cargado positivamente es electrofílico y, si es atacado por un nucleófilo, el átomo de oxígeno adquiere una carga negativa formal
Los reactivos de Grignard y de litio tienen un carbono nucleofílico y como tal puede atacar a un electrófilo en solución. El carbono de carbonilo tiene una carga positiva parcial que es propensa a los ataques nucleofílicos. El ataque del carbono organometálico sobre el carbonilo producirá un intermedio tetraédrico con un átomo de oxígeno cargado negativamente, es decir, un alcóxido. La protonación del intermedio con ácido diluido da lugar al alcohol.
Protonación del alcóxido intermedio.
El producto de un ataque nucleofílico es un ión alcóxido, una base fuerte. La adición de agua o de un ácido diluido protona al alcóxido dando lugar al alcohol.
El alcóxido intermedio puede ser protonado utilizando una solución ácida diluida.
Formación de alcoholes primarios utilizando los reactivos de Grignard.
La adición de un reactivo de Grignard al formaldehído, seguida de protonación, da lugar a un alcohol primario con un átomo de carbono más que en el reactivo de Grignard.
Dependiendo del compuesto carbonílico utilizado se pueden obtener alcoholes primarios, secundarios o terciarios. La reacción de un reactivo de Grignard con formaldehído producirá un alcohol primario tras la protonación.
Formación de alcoholes secundarios utilizando reactivos de Grignard
Los reactivos de Grignard se añaden a los aldehídos para formar, después de la protonación, alcoholes secundarios.
Formación de alcoholes terciarios utilizando reactivos de Grignard.
Una cetona tiene dos grupos alquilo enlazados a su átomo de carbono carbonílico. La adición de un reactivo de Grignard, seguida de protonación, da lugar a un alcohol terciario, con tres grupos alquilo enlazados al átomo de carbono.
Reacción de Grignard con derivados de ácidos carboxílicos.
Reacción de Grignard con derivados de ácidos carboxílicos.
La adición del primer equivalente del reactivo de Grignard produce un intermedio inestable que expulsa a un ión cloruro (en el cloruro de ácido) o a un ión alcóxido (en el éster), dando lugar a una cetona. El ión alcóxido es un buen grupo saliente en esta reacción porque al eliminarse estabiliza al intermedio cargado negativamente en un paso fuertemente exotérmico.
Reacción de Grignard con derivados de ácidos carboxílicos
Mecanismo de adición de Grignard.
Adición de óxido de etileno.
Los reactivos de Grignard generalmente no reaccionan con los éteres, pero los epóxidos son éteres muy reactivos debido a la tensión de anillo. El óxido de etileno reacciona con reactivos de Grignard para dar lugar, después de la protonación, a alcoholes primarios con dos átomos de carbono adicionales. Observe que el ataque nucleofílico del reactivo de Grignard sobre el óxido de etileno abre el anillo y libera la tensión anular
Los reactivos de Grignard y de litio atacarán a los epóxidos (también denominados oxiranos) y los abrirá para formar alcoholes. Esta reacción está favorecida porque la tensión anular presente en el epóxido se libera mediante la apertura. La reacción se utiliza comúnmente para ampliar la longitud de la cadena de carbono en dos carbonos.
Resumen de las reacciones de Grignard.
Los alcoholes primarios y secundarios se pueden sintetizar mediante la adición de reactivos de Grignard al formaldehído y a los aldehídos, respectivamente. Una segunda forma de obtener alcoholes primarios es la adición de un reactivo de Grignard al óxido de etileno. Esta reacción añadirá átomos de carbono a la cadena.
Resumen de las reacciones de Grignard: alcoholes terciarios.
Los alcoholes terciarios se pueden preparar mediante el ataque de los reactivos de Grignard con las cetonas, los cloruros de acilo y los ésteres. Cuando se utilizan los cloruros de acilo y los ésteres, el alcohol tendrá dos grupos alquilo idénticos
Reducción de un grupo carbonilo mediante un hidruro.
Los compuestos carbonilos se pueden reducir a alcoholes mediante la utilización de hidruros como el borohidruro de sodio (NaBH4) y el hidruro de litio y aluminio (LiAlH4 o LAH). El nucleófilo, un hidrógeno cargado negativamente (hidruro), atacará al átomo de carbono del carbonilo de aldehídos y cetonas para producir alcoholes primarios o secundarios después de la protonación.
Facilidad de reducción de los compuestos carbonilos.
El borohidruro de sodio (NaBH4) reduce los aldehídos a alcoholes primarios y las cetonas a alcoholes secundarios.
Aunque el borohidruro de sodio y el hidruro de litio y aluminio reducen las cetonas y los aldehídos a sus correspondientes alcoholes, solamente el hidruro de aluminio y litio es capaz de reducir los ésteres y los ácidos carboxílicos a alcoholes. Esto hace que borohidruro de sodio sea un reactivo selectivo para las reducciones cuando hay más de un tipo de carbonilo presente en la molécula.
Hidrogenación catalítica de cetonas y aldehídos.
La reducción de una cetona o un aldehído a alcohol implica la adición de dos átomos de hidrógeno al enlace C=O. Esta adición se puede llevar a cabo por hidrogenación catalítica, generalmente utilizando níquel Raney como catalizador.
El grupo carbonilo de las cetonas y los aldehídos se puede reducir mediante la hidrogenación catalítica utilizando níquel Raney como catalizador. El níquel Raney es más reactivo que los catalizadores Pd o Pt. Esta reacción no se utiliza frecuentemente porque también reduce los enlaces dobles y triples que pueden encontrarse en la molécula. Los hidruros son más selectivos, por lo que se utilizan más frecuentemente para las reducciones de carbonilo.
Tipos de reacciones de los alcoholes.
Los alcoholes pueden experimentar reacciones de deshidratación para formar alquenos, oxidaciones para dar cetonas y aldehídos, sustituciones para crear haluros de alquilo, y reacciones de reducción para producir alcanos. Se pueden utilizar para elaborar ésteres y éteres. El OH no es un buen grupo saliente, pero la reacción del alcohol con cloruro de tosilo forma un éster tosilato que es un buen grupo saliente.
Oxidación y reducción.
En química orgánica el aumento del número de enlaces con el oxígeno se considera una oxidación. Los alcanos se pueden oxidar a alcoholes (1 enlace con el oxígeno) y éstos a su vez se pueden oxidar a aldehídos o cetonas (2 enlaces con el oxígeno). Los aldehídos se pueden oxidar con posterioridad al ácido carboxílico (3 enlaces con el oxígeno). Los alcoholes terciarios no se pueden oxidar. La reducción del número de enlaces con el oxígeno o la reducción del número de enlaces carbono-carbono es una reacción de reducción.
Oxidación de alcoholes secundarios en cetonas.
Los reactivos ácidos crómicos como el dicromato de sodio (Na2Cr2O7) o el ácido de cromo (VI) se utilizan normalmente para oxidar alcoholes secundarios en cetonas. Ambas especies producen ácido crómico (H2CrO4) o ácido cromato, que se cree que es la especie activa de la mezcla.
Mecanismo de oxidación por ácido crómico.
El primer paso del mecanismo es la formación del éster cromato. La desprotonación y la eliminación del éster cromato produce la cetona oxidada y las especies de cromo reducidas. La reacción puede monitorizarse gracias a los cambios de color dado que el reactivo es naranja, pero el la especie de cromo reducido es verde azulado.
Oxidación de alcoholes primarios a ácidos carboxílicos.
Los alcoholes primarios se pueden oxidar al aldehído o al ácido carboxílico dependiendo del agente oxidante utilizado. El dicromato de sodio (Na2Cr2O7) o el trióxido de cromo (CrO3) oxidarán un alcohol primario al ácido carboxílico.
Oxidación de los alcoholes primarios a aldehídos.
La oxidación de alcoholes primarios a aldehídos se puede conseguir utilizando clorocromato de piridinio (PCC) como agentes oxidante. El PCC es una mezcla de óxido de cromo (VI), piridina y HCl. El PCC es capaz de oxidar alcoholes secundarios a cetonas, pero casi siempre se utiliza para oxidar alcoholes primarios a aldehídos.
Oxidación de Swern.
Otra forma de oxidar un alcohol primario a un aldehído es mediante la oxidación de Swern. Esta reacción utiliza dimetilsulfóxido (DMSO) como agente oxidante junto con cloruro de oxalilo y piridina. Los subproductos de esta reacción se pueden separar con facilidad de los productos, haciendo de ésta una reacción conveniente. Los alcoholes secundarios también se puede oxidar a la cetona correspondiente con esta reacción.
Oxidación enzimática.
La alcohol-deshidrogenasa cataliza una reacción de oxidación: la eliminación de dos átomos de hidrógeno de la molécula de alcohol. El agente oxidante se conoce como dinucleótido nicotinamida-adenina (NAD).
El NAD oxida el alcohol a acetaldehído y después a ácido acético en el cuerpo.
Tosilación de alcoholes.
Un OH no es buen grupo saliente , pero se puede convertir en un grupo saliente excelente mediante la tosilación. En esta reacción el alcohol reacciona con ácido p-toluensulfónico para dar éster tosilato. El éster tosilato puede experimentar reacciones de eliminación y sustitución fácilmente.
Reacciones de sustitución y eliminación utilizando tosilatos.
El éster tosilato puede experimenta reacciones de sustitución y eliminación fácilmente ya que el tosilato es un grupo saliente excelente.
Reacción de los alcoholes con los ácidos.
El grupo hidroxilo puede protonarse por un ácido para convertirlo en un buen grupo saliente (H2O). Una vez que el alcohol está protonado, puede tener lugar una reacción de sustitución o eliminación.
Mecanismo de la reacción de un alcohol terciario con HBr (SN1).
En primer lugar, el alcohol se protona por el ácido creando un buen grupo saliente. La disociación en un carbocatión tiene lugar porque el carbocatión es estable (3o). Un ión de bromuro presente en la disolución ataca al carbocatión formando un enlace C-Br.
Mecanismo de la reacción de un alcohol primario con HBr (SN2).
Un alcohol primario puede experimentar una reacción SN2 debido a que la formación de un carbocatión primario no se ve favorecida. Después de la protonación, el ión bromuro ataca por la parte posterior desplazando a la molécula de agua y creando un enlace C-Br.
Mecanismo de la reacción de alcoholes con PBr3.
El grupo hidroxilo de un alcohol se puede sustituir fácilmente por un haluro usando trihaluros de fósforo. El primer paso del mecanismo de un alcohol con PBr3 es el ataque y desplazamiento de un ión de bromuro a partir del fósforo, creando así un enlace O-P. El ión bromuro desplazado en el primer paso servirá como nucleófilo en el segundo paso de la reacción en la que ataca al carbono que desplaza al grupo saliente. Esta reacción es una reacción SN2 y funciona mal con alcoholes terciarios.
Reacción de alcoholes con cloruro de tionilo.
El cloruro de tionilo (SOCl2) se puede usar para convertir alcoholes en el correspondiente cloruro de alquilo en una reacción simple que produce HCl gaseoso y SO2.
Deshidratación de un alcohol catalizada por ácido.
En una disolución ácida el grupo hidroxilo del alcohol será protonado por el ácido. La molécula de agua se pierde para producir un carbocatión. El agua puede actuar como una base y abstraer un protón a partir del alcohol para dar un alqueno. El ácido sulfúrico concentrado (H2SO4) se suele utilizar para llevar a cabo esta reacción.
Diagrama de la energía de reacción para la deshidratación de un alcohol.
Las deshidrataciones de los alcoholes generalmente se producen por mecanismo E1. El paso limitante de la velocidad de reacción es la formación de carbocatión, por lo que cuanto más estable sea el carbocatión más rápido se formará. Los carbocationes intermedios se reordenan para formar carbocationes más estables, de manera que la deshidratación de los alcoholes primarios no es un buen método para su conversión a alquenos
Diagrama de la energía de reacción para la deshidratación de un alcohol.
Reordenamiento pinacolínico.
En el reordenamiento pinacolínico un diol adyacente se convierte en cetona (pinacolona) bajo condiciones ácidas y calor. La reacción se clasifica como una deshidratación dado que se elimina una molécula de agua a partir del material inicial.
Reordenamiento pinacolínico.
El primer paso del reordenamiento es la protonación y la pérdida de una molécula de agua para producir un carbocatión. Hay una migración del grupo metilo para formar un carbocatión estabilizado por resonancia que con la desprotonación por el agua da lugar al producto pinacolona.
Reordenamiento pinacolínico.
Ruptura de glicoles con ácido peryódico.
Los glicoles se pueden romper de forma oxidativa con ácido peryódico (HIO4) para formar las correspondientes cetonas y aldehídos. Esta ruptura se puede combinar con la hidroxilación de alquenos por el tetraóxido de osmio o permanganato de osmio frío para dar el glicol y la ruptura del glicol con ácido peryódico.
Esterificación de Fischer.
La esterificación de Fischer es la reacción catalizada por un ácido entre alcoholes y ácidos carboxílicos para formar ésteres. La reacción es un equilibrio entre los materiales de inicio y los productos, y por esta razón la esterificación de Fischer casi nunca se utiliza para la preparación de ésteres
Reacción de alcohol con cloruro de ácido.
La reacción de esterificación consigue mejores resultados reaccionando el alcohol con un cloruro de ácido. La reacción es exotérmica y produce el éster correspondiente en grandes proporciones sólo con HCl como subproducto.
Síntesis de éteres de Williamson
Los éteres se pueden sintetizar por la reacción de iones alcóxidos con haluros de alquilo primarios en lo que se conoce como síntesis de éteres de Williamson. Esta es una reacción de desplazamiento SN2 y, como tal, funciona mejor con haluros de alquilo primarios para facilitar el ataque por el lado posterior. Si se utiliza un haluro secundario o terciario el alcóxido actuará como una base y se producirá una eliminación
1. Mostrar cómo se sintetizan los siguientes alcoholes mediante la adición de el adecuado reactivo de Grignard a aldehídos.
CH2OH
OH
CH2OHa) b) c)
OH
d) e) f)
OHOH
Ejercicios
2. Mostrar cómo se sintetizan cada alcohol terciario mediante la adición de un apropiado reactivo de Grignard a una cetona.a) 3-fenilhexan-3-ol (3) b) Ph3COHc) 1-etilciclopentanol d) 2-ciclopentil-2-pentanol
3. Predecir los productos que se pueden obtener de la reacción de los siguientes compuestos con NaBH4
4. Cuales serian los productos de estos mismos compuestos con LiAlH4
H3C (CH2)8 CHO CH3CH2 C OCH3
O
Ph COOHa) b) d)
d) e) f)O
CH
O
COCH3
O
O
O
O CH
O
5. Determinar las estructuras de los compuestos A - GO
C6H12O(1) CH3MgI
(2) H3O+
H2SO4calor C6H10
H2, Pt
CH3
H2SO4calor
C6H12OC10H16
A B
G D
KMnO4conc
H2SO4calor
C10H18O(1) Mg, éter
(2)
(2) H3O+
OC5H9Br
HBr PhCO3HC5H8O
(1) CH3MgI
(2) H3O+
F E C
6. El compuesto A (C7H11Br) se trata con magnesio en éter para dar B (C7H11 MgBr), que reacciona violentamente con D2O para dar 1-metilciclohexeno con un átomo de deuterio en el grupo metilo (C). La reacción de B con acetona (CH3COCH3) seguido de hidrólisis da D (C10H18O). El calentamiento de D con H2SO4 concentrado da E (C10H16), que decolora dos equivalentes de Br2 para dar F (C10H16Br4). E se somete a hidrogenación con un exceso de H2 y catalizador de Pt para dar isobutilciclohexano. Determinar las estructuras de los compuestos A hasta la F, y mostrar su razonamiento.
7. Desarrollar síntesis para los siguientes compuestos. Como materiales de partida es posible utilizar ciclopentanol, alcoholes que no contenga más de cuatro átomos de carbono, y cualquiera de los reactivos y disolventes habituales.(a) trans-ciclopentan-1,2-diol (b) 1-cloro-1-etilciclopentano
O CH3
OCH3
C CH2CH3
OCH2CH3
(c) (d) (e)
8. Prediga los productos formados de las siguientes reacciones
H
H H
H
H
H
1) KMnO4 diluido, OH-
2) HIO4
1) OsO4, H2O22) HIO4
1) OsO4, H2O22) HIO4
9. Identificar de A-H
CH3Br C CH3CH2CH2OH CH3CH2CH2OCH2CH2CH3A 1. D
2.E1.F2.G3.H