quimica organica i w.r.m. 2013

W. Rivera M. [email protected] UATF

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Prefacio

Presentar la química orgánica en el primer año o semestre de estudio en el nivel universitario, con el nivel

adecuado, es un desafío enorme para los docentes de química orgánica, debido a que en este propósito se visibilizan

los enfoques que los docentes impimen a la asignatura en cuestión.

Así, muchas veces se observa en el estudio de la química orgánica, la exposición de los grupos funcionales,

haciendo incapié por muchas horas académicas en la nomenclatura de los compuestos y en los usos que se dan a

determinados productos representativos de los grupos funcionales. Otros agregan al trabajo anterior,

problemáticas vinculadas al balance de masa y/o energía, casi generalmente sin arribar a la explicación

mecanística de las transformaciones que sufren las moléculas orgánicas.

La presente obra en cambio, recoge un paradigma de la química orgánica denominada RETROSÍNTESIS ideada y

concretada por E.J. Corey. Este paradigma asume que el químico orgánico es esencialmente un profesional que

tiene por misión, diseñar estrategias de síntesis para moléculas de niveles de complejidad diversos. En suma en

esta obra se asume que el químico orgánico es un ARQUITECTO MOLECULAR.

Consiguientemente a la necesida de conocer la nomenclatura de los compuestos orgánicos, se agregan tópicos

referidos a la reactividad de la moléculas orgánicas, la estereoquímica de la mismas, así como a los mecanismos de

reacción involucrados en las transformaciones de los grupos funcionales, concluyendo con una incursión en los

“ritos de la síntesis orgánica”.

El método del “Arbol de Síntesis”, es el que se utiliza, para el diseño de la síntesis de la moléculas orgánicas, luego

de encarar un capítulo de fundamentos de la síntesis orgánica. Espero, que los muchos ejemplos presentados y

desarrollados a lo largo de los capítulos, permitan al estudiante ubicarse adecuadamente en el dominio de la

química orgánica, desde la perspectiva de la retrosíntesis, una metodología sumamente motivadora y en constante

desarrollo.

Wilbert Rivera Muñoz

Potosí- Bolivia - 2013


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Contenido

Pág.

Cap. 1 CONCEPTOS FUNDAMENTALES DE QUÍMICA ORGÁNICA 9

1.1. La Industria Química Orgánica (IQO) 1.2. Características Estructurales del Átomo de Carbono en los Compuestos Orgánicos

1.2.1. Multiplicidad de Formación de Enlaces del Átomo de Carbono

1.3. Fórmulas Estructurales

1.3.1. Representación de Lewis de las Moléculas Orgánicas

1.3.2. Electronegatividad y Polarización del Enlace

1.3.3. Carga Formal

1.3.4. Estructuras de Resonancia

1.3.4.1. Constribución de las Estructuras Resonantes

1.3.4.2 Cómo Dibujar Estructuras Resonantes

Cap. 2 CLASIFICACIÓN Y NOMENCLATURA DE LOS COMPUESTOS ORGÁNICOS 21

2.1. Funciones y Sustituyentes (radicales), Series Homólogas

2.1.1. Hidrocarburos Alifáticos Saturados

2.1.2. Hidrocarburos Alifáticos Insaturados

2.2. Hidrocarburos Aromáticos 2.3. Grupos Funcionales con otros Heteroátomos

2.3.1. Haluros o Halogenuros de Alquilo, Alquenilo, Alquinilo y Arilo

2.3.2. Alcoholels

2.3.3. Fenoles

2.3.4. Éteres 2.3.5. Tioéteres

2.3.6. Aminas 2.3.7. Aldehidos y Cetonas

2.3.8. Ácidos CArboxílicos

2.3.9. Derivados de Ácidos Carboxílicos

2.3.10. Nitrilos

Cap. 3 EFECTOS DE LA ESTRUCTURA SOBRE LA REACTIVIDAD Y PROPIEDADES MOLECULARES 57

3.1.. Efectos Inductivo y de Campo 3.2. Efecto conjugativos, de resonancia o mesomérico

3.2.1. Resonancia y Ortbitales Deslocalizados

3.2.2. Resonancia y Aromaticidad 3.2.3. Generalización de la Aromaticidad: Regla de Huckel

3.2.4. Efecto de resonancia y fuerza ácida 3.2.5. Efecto resonante y fuerza básica 3.3. Efectos Estéricos

3.3.1. Efectos estéricos y fuerza ácida 3.3.2. Influencia de otros efectos sobre la fuerza ácida

3.4. Enlaces más débiles que el enlace covalente


3

3.4.1. Fuerzas entre dipolos

3.5. Influencia de la estructura sobre las propiedades moleculares 3.5.1. Punti de ebullición

3.5.2. Punto de fusión 3.5.3. Solubilidad

Cap. 4 INTRODUCCIÓN A LAS REACCIONES ORGÁNICAS 75

4.1. Mecanismo de las Reacciones Orgánicas

4.1.1. Significado de reacción química 4.1.2. Significado de “Mecanismo de Reacción”

4.1.3. Ácidos y bases. Nucleófilos y Electrófilos

4.1.4. Ruptura y Formación de Enlaces

4.1.5. Compuestos intermedios y Estados de Transición

4.2. Clasificación de la Reacciones Orgánicas 4.2.1. Reacciones de Sustittución

4.2.1.1. Sustitución de radiclaes libres en Sistemas Alifáticos 4.2.1.2. Sustitución Nucleofílica en Sistemas Alifáticos

4.2.1.3. Sustitución Nucleofílica en Sistemas Aromáticos

4.2.1.4 Sustitución Electrofílica en Sistemas Aromáticos

4.3. Reacciones de Eliminación

4.4. Reacciones de Adición

4.4.1. Reacciones de Adición Electrofílica

4.4.2. Reacciones de Adición Nucleofílica

4.4.3. Reacciones de Adición de Radicales libres

4.5. Reacciones de Condensación

4.6. Reaccione de Reordenamiento (transposición) molecular

4.6.1. Transposición Inducida por el ión carbonio

4.6.2. Transposición a átomos de nitrógeno deficientes en electrones

4.6.3. Transposicion a átomos de oxígeno deficiente en electrones.

4.7. Reacciones Pericíclicas

4.7.1. Reacciones de Cicloadición

4.7.2. Reacciones Electrocíclicas 4.7.3. Reacciones Sigmatrópicas

4.8. Reacciones de Oxidación – reducción 4.8.1. Reacciones de Oxidación

4.8.1.1. Alquenos como sustratos 4.8.1.2. Alquinos como sustratos

4.8.1.3. Allcoholes como sustratos

4.8.1.4. Éteres como sustratos 4.8.1.5. Alldehidos y cetonas como sustratos

4.8.1.6. Oxidación de Comuestos NItrogenados 4.8.2. Reacciones de Reducción

4.8.2.1. Los alquenos y alquinos como sustratos

4.8.2.2. Halogenación de alquilo y arilo como sustratos

4.8.2.3. Reducción de Alcoholes

4.8.2.4. Reducción del C=O de aldlehidos y cetonas

4.8.2.4.1 Reducción de aldehídos y cetonas a alcoholes


4

4.8.2.4.2. Reducción del C=O de alddhidos y cetonas a metileno (-CH2-)

4.8.2.5 Reducción de ácidos carboxílicos y sus derivados 4.8.2.5.1. Reducción de ácidos carboxílicos

4.8.2.5.2. Reducción de ésteres 4.8.2.5.3. Haluros de ácido como sustratos

4.8.2.5.4. Las Amidas como sustratos 4.8.2.6. Reducción de Compuestos nitrogenados

4.8.2.6.1. Reducción de compuestos nitroaromáticos a compuestos nitroso

4.8.2.6.2. Reducción del grupo nitro y nitroso a azo y azoxicompuestos

4.8.2.6.3 Reducción de nitroaromáticos y nitroso compuestos a hidroxilaminas

4.8.2.6.4. Reducción de nitrilos

Cap. 5 REACTIVIDAD Y SÍNTESIS DE ALCANOS Y CICLOALCANOS 112

5.1. Propiedades físicas de los alcanos y cicloalcanos 5.2. Estereoquímica I

5.2.1. Isomería Conformacional 5.2.1.1. Isomería conformacional en compuestos acíclicos

5.2.1.2. Conformaciones y estabilidades de los cialoalcanos

5.3. Reactividad y síntesis de alcanos y cicloalcanos.

5.3.1. Reactividad de Alcanos

5.3.1.1. Pirólisis

5.3.1.2. Oxidación

5.3.2. Reactividad de los cicloalcanos

5.3.3. Síntesis de alcanos y cicloalcanos

5.3.3.1. Hidrogenación de enlaces múltiples C –C

5.3.3.2 Reducción de haluros de alquilo a cicloalcanos

5.3.3.3. Reducción de alcoholes a alcanos

5.3.3.4. Acoplamiento de halogenuros de alquilo con compuestos organometálicos

5.3.3.5. Síntesis de cicloalcanos

Cap. 6 REACTIVIDAD Y SÍNTESIS DE ALQUENOS Y CICLOALQUENOS 141

6.1. Aplicaciones de los alquenos y cicloalquenos

6.2. Reactividad de alquenos y cicloalquenos

6.2.1. Hidrogenación catalítica 6.2.2 Hidrohalogenación

6.2.3. Halogenación de alquenos

6.2.4. Hidratación de alquenos 6.2.4.1. Hidratación catalizada por H2SO4

6.2.4.2. Oximercuración – desmercuración 6.2.4.3. Hidroboración – oxidación

6.2.5. Epoxidación de olefinas

6.2.5.1. Oxidación de alquenos

6.2.5.2. Oxidación de olefinas con Peroxiácidos

6.2.5.3. Epoxidación electrofílica con Dimetildioxirano

6.2.5.4. Epoxidación nucleofílica

6.2.5.5. Epoxidación de alcoholes alílicos 6.2.6. Reacción de Ozonólisis de alquenos


5

6.2.6.1. Ozonólisis reductiva

6.2.6.2. Ozonólisis oxidativa 6.2.6.3. Otras reacciones de ruptura del enlace olefínico

6.2.7. Oxidación alílica con SeO2 6.2.8. Oxidación de olefinas con t-BuOOH y catalizadores

6.2.9. Adición de carbeno a olefinas. Síntesis de ciclopropanos 6.2.10. Reacciones de Polimerización de alquenos

6.2.11. Reacciones acoplamiento de alquenos

6.2.12. Otras reacciones útiles de los alquenos

6.3. Síntesis de alquenos y cicloalquenos

6.3.1. Deshidratación de compuestos alifátios y arenos

6.3.2. Deshidrohalogenación de haluros de alquilo y cicloalquilo 6.3.3. Deshidratación de alcoholes

6.3.4. Otros procesos que permiten obtener alquenos 6.3.5. Hidrogenación parcial de alquinos

6..3.6. Deshalogenación de vec-dibromuros

6.3.7. Pirólisis de ésteres

6.3.8. La reacción de Wittig

6.3.9. Pirólisis de hidróxidos cuaternarios de amonio

6.3.10. Reacciones Pericíclcicas

6.3.11. Reducción de anillos aromáticos

6.3.12. Reacciones de acoplamiento 6.3.12.1 Reacción de Cassar

6.3.12.2. Reacción de Heck y variantes

6.3.12.3. Reacción de acoplamiento de MacMUrry

6.3.12.4. Reacción de Ullman

Cap. 7 ESTEREOQUIMICA II 169

7.1 Isomería Geométrica

7.2 Nomenclatura de los isómeros geométricos

7.3. Quiralidad: Noción dxe Centro estereoquímico. Nomenclatura R y S

7.4. Nomenclatura de los isómeros configuracionales 7.5 Compuestos con varioscarbonos quirales: Diastereoisómeros y compuestos meso

7.6 Resolución de mezclas racémicas

Cap. 8 REACTIVIDAD Y SÍNTESIS DE LOS HALOGENUROS DE ALQUILO 182

8.1 Estructura 8.2. Propiedades físicas

8.3. Reacciones de los halogenuros de alquilo

8.3.1. Reacciones de Sustitución Nucleofílica

8.3.1.1. Reacciones de Sustitución Nucleofílica bimolecular: El mecanismo SN2

8.3.1.2. La sustitución nucleofílica monomolecular. El mecanismo SN1 8.3.2. Comparación entre las reacciones SN2 y SN1

8.3.3. Reacciones de eliminación beta (β)

8.3.3.1. Eliminación unimolecular (monomolelcular). El mecanimso E1 8.3.3.2 Eliminación bimolecular. El mecanismo E2

8.3.4. Reacciones de reducción


6

8.3.4.1. Reducción con metales (Método de disolución de metales)

8.3.4.2. Deshalogenación por hidrogenación catalítica 8.3.4.3. HI catalizado por P4 (rojo)

8.3.4.4. Reducción con cianoborohidruro de sodio (NaBH3CN) 8.3.4.5. Reducción con silanos

8.3.4.6. Reducción con hidruro de diisobutilaluminio (DIBAL) 8.3.4.7. Agentes reductores derivados del indio

8.3.4.8. Reducción con resinas de intercambio de borohidruro (BER)

8.3.4.9. Reducción con ioduro de samario

8.3.4.10. Reducción con éster de Hantzch

8.3.4.11. Reducción con hidruro de litio y aluminio (LiAlH4)

8.3.4.12. Reducción con NaBH4/DMSO 8.3.5. Reacciones de acoplamiento

8.3.6. Formación de compuestos organometálicos 8.3.6.1. Reactivos de Grignard

8.3.6.2. Reactivos de alquil litio y otros

8.3.6.3. Transmetalación

8.3.6.4. Reacciones de los compuestos organometálicos

8.3.6.5. Limitaciones del uso de los reactivos de Grignard

8.4. Síntesis de halogenuros de alquil, alil y vinilo

8.4.1. Los halogenuros de alquilo

8.4.2. Síntesis de halogenuros de alilo y vinilo

Cap. 9 REACTIVIDAD Y SÍNTESIS DE ALQUINOS 214

9.1. Reacciones de los alquinos

9.1.1. Hidrogenación (reducción, adición de H2)

9.1.2. Adición de ácidos hidrácidos (HX)

9.1.3. Halogenación

9.1.4. Hidratación (Adición de H2O)

9.1.5. Hidroboración – Oxidación

9.1.6. Sustitución de hidrógenos ácidos de los alquinos

9.1.7. Alquilación de aniones acetiluro 9.1.8. Ruptura oxidativa

9.1.9. Reacciones de acoplamiento 9.2. Síntesis de Alquinos

9.2.1. Deshidrohalogenación de dihalogenuros vecinales 9.2.2. Allquilación del ión aceitulo

Cap. 10 FUNDAMENTOS DE SÍNTESIS ORGÁNICA 227

10.1. Generalidades

10.2. Metodologías en la elaboración de un plan de síntesis

10.3. El Método del “Árbol de Síntesis” 10.4. Simetría, selectividad y control

10.4.1. Simetría 10.4.2. Selectividad

10.4.3. Control

10.5. Protección de grupos funcionales


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10.5.1. Protección de aldehídos ycetonas

10.5.2. Protección de ácidos carboxílicos 10.5.3. Protección de alcoholes

10.5.4. Protección de aminas 10.6. Activación – desactivación

10.7. Síntesis de Moléculas Polifuncionales

Cap. 11 REACTIVIDAD Y SÍNTESIS DE LOS COMPUESTYOS AROMÁTICOS 247

11.1. Halogenación electrofílica 11.2. Nitración electrofílica

11.3. Sulfonación electrofílica

11.4. Alquilación de sistemas aromáticos. Reacción de alquilación de Friedel – Crafts

11.5. Acilación de Friedel – Crafts

11.6. Ciclación de Friedel – Crafts 11.7. Problemas resueltos

11.8. Resúmen de las reacciones de sustitución electrofílica 11.9 Síntesis de bencenos polisustituidos

11.10. La heurística para predecir la orientación de los bencenos disustituidos

11.11. Reacciones de Talación

11.11.1. Sustitución con yodo

11.11.2. Sustitución con una grupo ciano

11.11.3. Sustitución con un grupo oxihidrilo

11.11.4. Sustitución en la posición para

11.11.5. Sustitución en la posición orto

11.11.6. Sustitución en la posición meta

11.11.7. Sustitución en la posición meta y para del mismo compuesto

11.12. Otras reacciones de interés en los arenos

11.13. Comportamiento de los fenoles

11.14. Reacciones SN2 de los halometilbencenos

11.15. Ozonólisis del benceno

11.16. Reducción de Birch

11.17. Oxidación de las cadenas laterales del benceno 11.18. Problemas propuestos

Cap. 12 COMPUESTOS CÍCLICOS CONDENSADOS 274

12.1. Naftaleno y sus derivados

12.1.1. Síntesis del naftaleno y sus derivados 12.2. Antraceno y Fenantreno

12.3. Síntesis del antraceno, Fenantreno y sus derivados

12.3.1. Síntesis del Antraceno y sus derivados

13.3.2. Síntesis del Fenantreno y sus derivados

Cap. 13 REACTIVIDAD Y SÍNTESIS DE ALCOHOLES, FENOLES Y TIOLES 289

13.1. Nomenclaltura de alcoholes, Tioles y fenoles

13.2. Alcoholes

13.2.1. Propiedades de los alcoholes 13.2.2. Acidez y basicidad


8

13.2.3. Reacciones de los alcoholes

13.2.4. Síntesis de Alcoholes 13.2.5 Alcoholes inasaturados y/o aromáticos

13.2.6. Alcoholes polihidroxílicos 13.3. Fenoles

13.3.1. Reacciones de fenoles y alcoxibencenos 13.3.2. Síntesis de fenoles

13.4. Tioles o mercaptanos y tiofenoles

13.5. Problemas resueltos

Bibliografía 347


9

1 CONCEPTOS FUNDAMENTALES DE QUÍMICA ORGÁNICA

El estudio de la reactividad y preparación de compuestos que contienen carbono, exceptuando a los carbonatos, cianatos y

carbono natural en sus distintas formas alotrópicas, configura un área de la química, conocida como Química Orgánica.

Ésta es una parte de la química que ha alcanzado un desarrollo importante en cuanto a teoría y al progreso de procesos

tecnológicos, que hacen de esta disciplina una ciencia altamente dinámica y predictiva.

El estudio de los mecanismos de reacción por métodos cinéticos y no cinéticos, la aplicación de la retrosíntesis en los

diseños de síntesis de moléculas de diverso nivel de complejidad, la utilización de métodos cromatográficos de separación y

purificación de compuestos, así como la elucidación estructural de moléculas orgánicas por métodos espectroscópicos,

muestran en toda su magnitud y justifican a la disciplina de química orgánica.

La teoría de la “fuerza vital” de J.J. Berzelius, hoy queda como un hecho anecdótico particularmente desde el momento en

que F. Wooler en 1828, preparara la úrea a partir de una sustancia inorgánica como es el cianato de amonio:

KOCN + NH4Cl NH4OCN + KCl

NH4OCNNH2NH2

O

calor

Inorgánico Orgánico

La Química Orgánica es una ciencia esencialmente estructural, mecanística y altamente predictiva, es decir, se basa en el

conocimiento de las estructuras moleculares, o sea en la arquitectura de las moléculas. Si se conoce la estructura molecular

de un compuesto orgánico pueden deducirse, y explicarse, sus propiedades y sus reacciones con otros compuestos y

diseñarse estrategias para su síntesis. Por eso la determinación de las estructuras de las moléculas preparadas o aisladas

es una tarea fundamental y rutinaria de la investigación en química orgánica. A medida que ésta avanza, la predicción de los

fenómenos se hace más precisa y sus principios fundamentales se hacen más unitarios.

1.1. La Industria Química Orgánica (IQO)(1)

El desarrollo vertiginoso de la Industria Química en algunos países es un indicador de una economía desarrollada y más aún

si se trata de la Industria Química Orgánica (IQO). Este crecimiento, se basa en la inagotable fuente de preparación de nuevas

moléculas orgánicas, existentes y/o inexistentes en la naturaleza y la diversidad de aplicaciones de las mismas. Esta

diversidad se debe a varios aspectos, entre los que destacan:

El tipo y finalidad de sus productos: desde abonos hasta perfumes.

A la capacidad de producción: desde millones de toneladas de etileno hasta pocas decenas de kilogramos de

algunos fármacos.

A la extensa variedad de estructuras químicas que se sintetizan industrialmente.

A los procesos de síntesis desarrollados para fabricar dichas estructuras químicas.

Toda la IQO se alimenta de las industrias químicas pesadas cuyas materias primas son el petróleo, el gas natural y el carbón,

mientras que los productos de estas empresas son, a su vez, las materias primas de los grandes sectores, tal y como se verá más adelante. Otra gran parte de la IQO se abastece de productos naturales de origen animal o vegetal.

1 PRIMO YUFERA E. Química Orgánica Básica y Aplicada. De la molécula a la industria. Edit. Reverté S.A. 1996


10

Los productos obtenidos en la IQO se utilizan bien como intermedios para otros procesos industriales o bien para consumo

directo (fármacos, plásticos, etc.). Estos últimos, es decir, los productos orgánicos industriales utilizados para consumo directo pueden englobarse en dos grandes grupos:

Aquellos que se producen a gran escala, toneladas por año, y su precio por kilogramo es moderado. Como son los plásticos, abonos, detergentes, plaguicidas, etc.

Aquellos que se fabrican en cantidades pequeñas, pero su precio es muy alto y, por tanto, el volumen de sus

ventas, en dinero, también lo es. La fabricación de estos productos constituye la llamada Industria Química Orgánica fina.

La IQO fina en la actualidad es la que posee mayor competencia, mayor gasto en investigación y mayor velocidad de cambio. A

continuación se muestra un esquema de los distintos sectores de la IQO:

Volumen de Producción

Precio

Fig. 1. Industria Química Orgánica

La Industria Química Orgánica utiliza varias fuentes de materias primarias: el carbón, el petróleo, el gas natural y materias

obtenidas de plantas y animales (semillas oleaginosas, maderas, frutos, hojas, sebos, fibras, etc.).

Las refinerías obtienen por destilación fraccionada del petróleo, una larga serie de productos que son la base de la

industria orgánica petroquímica.

La primera fracción obtenida hasta los 20°C, se trata de los productos gaseosos y ligeros que contienen: metano, etano, propano y butano. Estos pueden aún ser separados, para ello se comprimen en frío, el propano y butano se

condensan y se separan en sus compoentes, el propano se usa en calefacción industrial y el butano para las

cocinas y calefacción domésticas (GLP). Otras veces se utiliza la mezcla de propano y butano en las cocinas domésticas.

La segunda fracción, 20–150°C, corresponde a las naftas o gasolinas ligeras, la parte más volátil de esta fracción,

se puede recuperar por destilación fraccionada (éter de petróleo: 40 – 65°C) que después de purificada, se utiliza

como disolvente de extracción en las fábricas de aceite de soja, girasol, etc. El resto de la fracción o toda ella, se

usa para las mezclas de gasolina.

Las fracciones de gasolina, tienen un intervalo de destilación variable (70 – 200°C) con hidrocarburos de distinto

tipo y sus cadenas tienen de 6 a 12 carbonos. Tienen una elevada demanda de uso en los motores de combustión y la

calidad de los mismos se mide por el “índice de octano”, para mejorar su rendimiento se agrega el

Industria Química Orgánica

IQO

Detergentes

Emulsiones

Cosméticos

Plásticos

Elastómeros

Resinas

Fibras

sintéticas

Disolventes

Perfumes Medicamentos Agroquímicos

Colorantes y

pigmentos

Barnices y pinturas


11

2,2,4.trimetilpentano (isooctano), que tiene gran poder antidetonante, es decir que resite compresiones elevadas

sin detonar y se le asigna, convencionalmente, el índice de octano (IO) = 100. El n-heptano detona con bajas compresiones y se le asigna IO = 0. La presencia de mercaptanos y de polialquenos en las gasolinas es perjudicial.

El queroseno (175 – 275°C) es el combustible más usado para los motores a reacción y tractores y en calefacción doméstica e industrial

El gasóleo (gasoil) (250–350°C) es el combustible para los motores Diesel. La calidad del gasóleo Diesel se mide por el índice de cetano (IC). El cetano (n-Hexadecano) se inflama muy bien en el motor Diesel y se le asigna IC = 100,

el aalfa-metilnaftaleno necesita más presión, se inflama con retraso e incompletamente y se le da IC = 0.

Las fracciones pesadas ( > 350°C). que no destilan a 350°C es un residuo de color negro, líquido y viscoso, de olor

a alquitrán que se utiliza como combustible barato pa calefacción (fuel pesado); sin embargo una gran parte de esta

fracción se vuelve a fraccionar por destilación al vacío, para obtener productos útiles, como e fuel ligero, vaselinas,

ceras de parafina, lubricantes y asfalto,

Las refinerías tienen procesos complementarios para aumentar el rendimiento y calidad de la gasolina, para ello se recurre

al craqueo catalítico, al hidrocraqueo y a la reforma catalítica. El craqueo o ruptura (cracking) consiste en someter al

queroseno y al gaóleo (gasoil) a temperaturas elevadas para que las moléculas largas se rompan y se reestructuren dando

alcanos mas corto, alquenos, isómeros de cadenas ramificadas, cicloalcanos, hidrocarburos aromáticos e hidrógeno. La

mezcla se redestila utilizando catalizadores sólidos. (Silicatos ácidos de aluminio, zeolitas sisntéticas) y se utiliza menores

temperaturas.

El gas natural es una mezcla de compuestos de C e H de bajo punto de ebullición, en la que predomina el metano (CH4) (60 –

80%), y proporciones menores de etano, propano y butano. También contiene pequeñas cantidades de hidrocarburos de 5 y

6 carbonos, N2, CO2 y en algunos yacimientos H2S. El gas natural se utiliza en su mayor parte aomo combustible gaseoso para

industrias y ciudades. Otra parte del gas natural se emplea para la industria química y para ello, se fracciona en sus

componentes.

Las coquerías por fuerte calentamiento de la hulla, obtienen el carbón de coque, necesario para la industria siderúrgica y

otra serie de producto básicos para la industria química orgánica. De las plantas y animales se obtienen grasas, aceites,

celulosa, azúcares, etc. que son la base de numerosas síntesis industriales.

Así pues, partiendo de 4 clases de materias primarias, la industria química orgánica pesada (refinería de petróleo, gas

natural, coquerías, fábricas de celulosa de madera, etc.) obtiene productos (benceno, metano, etano, etileno, ácido

cianhídrico, anilina, grasas, celulosa, etc.) que son las materias primas básicas de las industrias más específicas, que

podríamos llamar finalistas.

Éstas, según sus productos finales, se clasifican en los siguientes grupos:

Industrias de los fertilizantes orgánicos (úrea y derivados)

Industrias de los plásticos

Industrias del caucho y elastómeros sintéticos

Industrias de las fibras sintéticas

Industrias de los fármacos

Industrias de los plaguicidas

Industrias de los colorantes

Industrias de los disolventes, pinturas y barnices

Industrias de los productos orgánicos finos (reactivos para análisis, perfumes, etc.) (Fine chemicals)

Industrias de productos intermediarios entre las básicas y otras finalistas.


12

1.2. Características estructurales del átomo de carbono en los compuestos orgánicos

El estudio de cientos de miles de productos naturales o sintéticos, de sus variadas propiedades y de las reacciones entre

ellos, aparece como una empresa difícil de encararla. Sin embargo, un conocimiento de la estructura del átomo de carbono,

la estructura de los grupos funcionales, las características del enlace químico y las propiedades moleculares emergentes de la deslocalización de los electrones, permiten encarar sistemáticamente el estudio de la reactividad de las moléculas

orgánicas y una comprensión de la formación de enlaces simple, dobles y triples así como la existencia de estructuras lineales y cíclicas simples o condensadas.

1.2.1. Multiplicidad de formación de enlaces del átomo de carbono

El átomo de carbono, al margen de formar enlaces C-H, también puede formar enlaces simples C C, enlaces dobles C C , en estructuras lineales y cíclicas, enlaces triples C C , y también forma enlaces con muchos otros elementos.

Hibridación sp3 (Alcanos)

La configuración electrónica del átomo de carbono en su estado fundamental o basal, es: 1s2, 2s2, 2px1, 2py

1, 2pz0, estado que

puede representarse gráficamente del siguiente modo:

n = 1 1s

n = 2

2s

2px 2py 2pz

energía

creciente

Fi.2. Estado basal del carbono

El átomo de carbono en su estado basal contiene dos orbitales p con

electrones desapareados y un orbital p vacío, pudiendo el carbono

según la teoría del enlace de valencia, combinarse con 2 átomos de

hidrógeno, para formar CH2 (carbeno), especie química muy reactiva.

En realidad lo que el químico ha constatado en la investigación de la estructura de compuestos orgánicos, es que el carbono es

tetravalente, con ángulos de enlace superiores a 90o .

La tetravalencia del carbono es conocida y para justificar la

misma, por ejemplo en la formación de 4 enlaces C-H, en una

molécula de metano (CH4), la más simple de los alcanos, se

puede postular la promoción de un electrón 2s al orbital

vacío 2pz:., para ello se requiere la adición energía de 96

kcal/mol. Esto significaría, que tres de los ángulos H-C-H

serían de 900 y uno de ellos quedaría indeterminado.

Aspecto no es respaldado por las evidencias experimentales.

n = 1 1s

n = 2

2s

2px 2py 2pz

energía

creciente

Fig. 3. Estado excitado del carbono

Para resolver este dilema, se postula la combinación lineal de estos cuatro orbitales ( 1 s y 3 p), lo cual da lugar a otro t ipo

de orbitales atómicos, denominados orbitales híbridos, que tendrían ¼ de carácter s y ¾ de carácter p, siendo por lo tanto

los cuatro orbitales híbridos equivalentes entre sí, y teniendo en cuenta que contienen triple carácter p que s, se les

denomina orbitales híbridos sp3 y se sitúan en direcciones tales que forman entre ellos ángulos de 109.50, como si se

dirigieran hacia los vértices de un tetraedro regular, con distancias de enlace C-H de 1.09 Ao

Entonces el metano, se representa en un diagrama de

contorno de densidad de e, de sus orbitales atómicos hibridizados, del siguiente modo:

n = 1 1s

n = 2energía

creciente

2sp3

2sp3

2sp3

2sp3

orbitales híbridos sp3

Fig. 4 Hibridación sp3 del carbono


13

El enlace formado entre un orbital sp3 del carbono y un s del hidrógeno, produce un orbital molecular de enlace sigma () si

los mismos se hallan en fase, caso contrario se formará un orbital sigma de antienlace (×). De la misma forma, los mismos

orbitales atómicos sp3 cuando se combinan con otros orbitales sp3 de otro átomo de carbono, para formar por ejemplo el

etano, forman un orbital de enlace sigma ().

Ejemplos: En las siguientes moléculas, todos los átomos de carbono presentan hibridación sp3.

a)

CH3CH2

CH

CH3

CH3

b)

CH3CH

CH

CH2

CH3

CH3

CH2

CH3

c)

CH2

CH

CH

CH2

CH2

CH2

Br

NH2

d) CH2 CH2

CH2 CH

CH2 CH2

CH

CH2

CH2

CH2

CH2

e)

CH2

S

CH

CH2

CH

CH3 CH3

f)

CH3CH2

CH

CH2

NH2

OH

g)

CH2 CH

CH

CHCH3 CH3

CH3

OH

Cl

h)

CH

CH

CH2

CH

CH2

CH2

CH2CH2

CH

CH2

CH2 CH2CH2

Hibridación sp2 (Alquenos)

Cuando el átomo de carbono, se encuentra formando la familia de los alquenos, lo hace a través de la hibridación previa de

un orbital s y dos orbitales, p, para formar 3 orbitales híbridos sp2, donde se da un 33.33% de carácter s y 66.66% de

carácter p.

n = 1 1s

n = 2energía

creciente

2sp2

2sp2

2sp2

2pz

orbitales híbridos sp2

Fig. 5 Hibridación sp2 del carbono

Los tres orbitales híbridos sp2 son idénticos y se encuentran en un mismo plano formando un ángulo de 120o entre ellos. El orbital pz que no participa de la hibridación se halla perpendicular al plano formado por los orbitales sp2.

En la formación del etileno (CH2=CH2), participan los tres orbitales sp2, cuando se combinan entre sí para formar enlaces

C=C o C-H, forman un orbital(2) molecular de enlace sigma () si se hallan en fase, caso contrario formarán un orbital de

antienlace sigma (*).

2

Las imágenes orbitálicas fueron tomadas de: Química Orgánica. Nomenclatura, reacciones y aplicaciones. Segunda Edición

2006. Publicada por la Universidad Autónoma de Sinaloa. Culiacán-México.


14

Por su parte los orbitales pz que no participan de la hibridación se combinan por un solapamiento (traslapo) lateral, para

formar un orbital molecular de enlace pi () si se hallan en fase los orbitales atómicos y caso contrario un orbital de

antienlace *

En conclusión, se puede afirmar categóricamente que cuando se forma un doble enlace entre dos átomos, sean éstos,

carbono-carbono, carbono-oxígeno, carbono-nitrógeno, etc., la hibridación utilizada por el átomo de carbono será la sp2.

Ejemplos: En las siguientes moléculas, los carbonos comprometidos sólo con enlaces simples presentan hibridación sp3, en

cambio los carbonos involucrados en la formación de dobles enlaces, participan con hibridación sp2

a)

CH3CH

C

CH3

CH3

b)

CH3C

CH

CH2

CH3

CH2

CH

CH2

c)

CH2

C

CH

CH2

CH

CH

Br

NH

d) CH CH2

CH C

CH2 CH2

C

CH2

CH2

CH

CH

e)

CH

S

C

CH

C

CH3 CH3

f)

CH3CH2

C

CH2

NH2

O

g)

CH C

CH

CCH2 CH3

CH3

OH

Cl

h)

C

C

CH2

CH

CH

CH

CH2CH

CH

CH

CH2 CH

CH

Hibridación sp (alquinos)

Los alquinos, se caracterizan por contener átomos de carbono que

forman triples enlaces, este hecho se explica a partir de la generación de orbitales híbridos resultado de la combinación lineal

de un orbital s y otro orbital p, quedando sin participar en el

proceso de hibridación dos orbitales atómicos p.

Las moléculas que se forman son lineales, con ángulos de enlace de

180o n = 1 1s

n = 2energía

creciente

2sp 2sp

2py2pz

orbitales híbridos sp

Fig.6 Hibridación sp

Los dos orbitales híbridos sp son usados por el átomo de carbono para formar dos orbitales moleculares de enlace sigma

() s y los orbitales p puros para formar dos orbitales moleculares de enlaces pi (). Cuando el átomo de carbono forma un

triple enlace carbono-carbono HC CH, carbono-nitrógeno HC N o dos enlaces dobles acumulados C OO , utiliza

una hibridación sp.


15

C con hibridación sp Formación enlace (sp-sp)

(se muestra los 2 orbitales p antes del

traslape para formar dos enlaces )

C con hibridación sp

Fig. 7. Formación de los enlaces en el acetileno

Prueba de Dominio: En las moléculas que se indican, de a) - h), verificar o indicar los siguientes aspectos:

a)

CH C CH

CH2 CH3

CH3

b)

C C CH2CH2

CH CH3

CH3

CH3

c)

C C CH2CH2

CH

CH

CH

CH

CH

CH

d)

CH C C CH C C CH2

OH OH

e)

CH2

CH2

CH2

C

CH

CH2

CH2

CH2

C

CH

f)

CH

CH

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2C

CH2

CH

C

CH

g)

C C C C C

CH

CH2

CH2

NH

C

CH2

CH

NH

CH2

h)

CH

CH2

CH2

CH

CH2

CH2

C

C

CH

CH2

CH

CH2

CH2

Br

Br

a) Que cada átomo de carbono sea tetravalente, b) Señalar el tipo de hibridación de los orbitales de cada uno de los

átomos de carbono en cada molécula, c) Clasificar a cada átomo de carbono como primario, secundario, terciario o

cuaternario (se refiere al número de sustituyentes distintos del H). d) El tipo de enlace formado entre los átomos que

conforman la molécula.

a) Fórmulas estructurales(3)

En 1858 Kekulé propuso una teoría estructural que permitía asignar la estructura de los compuestos orgánicos más simples.

Esta teoría se basaba en la tetravalencia del átomo de carbono y en el concepto de enlace químico, y fue la base de partida

para la asignación de las estructuras de moléculas orgánicas sencillas, tales como el metano, el etano o el propano. La teoría

estructural de Kekulé permitió explicar el fenómeno de la isomería, es decir la presencia de diferentes propiedades físicas y/o químicas en compuestos con la misma fórmula molecular.

3 Tomado de: http//es.geocities.com/quimicorganica


16

En 1916, la introducción del concepto de enlace covalente por el químico estadounidense Lewis proporcionó la base que

permitió relacionar las estructuras de las moléculas orgánicas y sus propiedades químicas.

1.a.1. Representación de Lewis de las moléculas orgánicas

Según Lewis una capa llena de electrones es especialmente estable y los átomos transfieren o comparten electrones para tratar de alcanzar una capa llena de electrones y alcanzar, así, la estructura electrónica estable similar a la del gas noble

más próximo, que normalmente contiene 8 electrones en su capa más externa. La tendencia de los átomos a adquirir la

configuración electrónica externa de 8 electrones se la conoce como regla del octeto.

Cuando dos átomos comparten dos electrones entre sí se forma entre ellos un enlace covalente. Los átomos, de acuerdo con su configuración electrónica, pueden cumplir la regla del octeto con pares de electrones compartidos (electrones

enlazantes) y pares de electrones sin compartir (electrones no enlazantes).

Las estructuras de Lewis utilizan un punto para representar a un electrón de valencia, y un par de puntos o una línea para

representar a pares de electrones. A continuación, se indica la representación de Lewis de algunas moléculas orgánicas,

como el etano, la metilamina, el metanol y el clorometano

Nótese que estas tres últimas contienen átomos que

consiguen su octeto electrónico mediante la suma de

electrones enlazantes y no enlazantes, como el caso del

átomo nitrógeno de la metilamina, del átomo de oxígeno

del metanol, o del átomo de cloro del clorometano.

C C

H

H H H

HH

C N

H

H H

H

H

C C

O H

H

H H

HH

C Cl

H

HH

Etano Metilamina Etanol Clorometano

Como se puede ver, cuando se comparte un par de electrones entre dos átomos se forma un enlace simple del tipo sigma. Muchas moléculas orgánicas contienen átomos que comparten dos pares electrónicos, como la del etileno, y se dice que

estos átomos están unidos mediante un enlace doble (un enlace sigma y otro pi)

También hay estructuras orgánicas con átomos que comparten tres pares

de electrones, como los de la molécula de acetileno, y en este caso se dice

que el enlace entre los átomos es un triple enlace. (un enlace sigma y dos enlaces pi)

C C

H

H H

H

C CH H

Etileno Acetileno

1.3.2. Electronegatividad y polarización del enlace4

Cuando dos átomos comparten por igual los dos electrones del enlace covalente se dice que el enlace es no polar, como

ocurre en el enlace covalente de la molécula de hidrógeno, en el enlace covalente de la molécula de cloro, o en el enlace

covalente carbono-carbono del etano. Sin embargo, la mayor parte de los enlaces covalentes están formados por dos átomos diferentes, de manera que los electrones del enlace son atraídos con mayor intensidad por uno de los dos átomos que

forman el enlace. Cuando esto ocurre el enlace covalente se denomina enlace polar.

Por ejemplo, cuando el carbono se enlaza al cloro el par de electrones del enlace se encuentra atraído

con más intensidad por el átomo de cloro, de manera que sobre el átomo de carbono aparece una

pequeña carga parcial positiva y sobre el átomo de cloro aparece una cantidad igual de carga negativa. En la siguiente figura se indica el enlace covalente polar C-Cl de la molécula clorometano. La polaridad

del enlace se indica con una flecha que dirige su punta hacia el extremo negativo del enlace polar y un

signo más (+) en el extremo positivo del enlace.

C Cl

H

HH

+

-

Clorometano

La polaridad del enlace se mide mediante su momento dipolar (µ) que se define como la cantidad de diferencia de carga

multiplicada por la longitud del enlace. El símbolo δ+ quiere decir una pequeña cantidad de carga positiva y el símbolo δ-

quiere decir una pequeña cantidad de carga negativa. A fin de predecir si un enlace covalente va a ser polar o no, se recurre

4

http//es.geocites.com/quimicorganica


17

a la comparación de las electronegatividades de los átomos que forman el enlace. La electronegatividad se define como la

tendencia del núcleo atómico a la atracción de electrones.

Pauling desarrolló una escala de electronegatividades relativas para la mayoría de los átomos. En el Sistema Periódico la

electronegatividad aumenta de izquierda a derecha y disminuye al bajar en una columna, por lo que el flúor es el elemento más electronegativo.

A continuación, se da una tabla de electronegatividades para los principales átomos de interés en Química Orgánica.

Como se deduce de la tabla parcial, un enlace C-H debería estar muy poco

polarizado, puesto que la electronegatividad del hidrógeno y del carbono es

similar.

Sin embargo, los halógenos, el oxígeno y el nitrógeno, que son heteroátomos

que suelen aparecer en las estructuras orgánicas, son más electronegativos

que el carbono y, por tanto, los enlaces C-halógeno, C-O y C-N son polares.

H

2.2

Li

1.0

Be

1.6

B

1.8

C

2.5

N

3.0

O

3.4

F

4.0

Na

0.9

Mg

1.3

Al

1.6

Si

1.9

P

2.2

S

2.6

Cl

3.2

Br

3.0

I

2.7

Fig. 8. Electronegatividad de átomos

Seguidamente, se representan las estructuras de Lewis de las moléculas de fluoruro de hidrógeno (HF), agua (H2O) y

amoníaco (NH3) con indicación de la polaridad de los enlaces. La molécula de metano se puede considerar que está

constituida por enlaces C-H muy poco polarizados:

H+

F-

O

H+

H+

N

H+

H+

H+

H

C

H

H

H Fluoruro de hidrógeno Agua Amoníaco Metano

1.3.3. Carga formal

En los enlaces polares las cargas parciales sobre los átomos son reales. Sin embargo, cuando se dibujan determinadas

estructuras químicas, según la representación de Lewis, aparecen cargas eléctricas asociadas a algunos átomos,

denominadas cargas formales. Las cargas formales permiten contar el número de electrones de un átomo determinado de

una estructura, y se calculan según la siguiente ecuación:

CF = noecv _ n

oenc + (n

oee)/2

Dónde:

noecv : número de electrones capa de valencia noenc : número de electrones no compartidos

noee : número de electrones enlazantes

A continuación, aparecen indicadas las estructuras de Lewis del anión carbonato y del

nitrometano. Se puede apreciar que sobre dos de los átomos de oxígeno del anión

carbonato aparecen una carga formal negativa y en la molécula de nitrometano aparece

una carga formal positiva sobre el átomo de nitrógeno y una carga parcial negativa

sobre uno de los dos átomos de oxígeno.

O

C

O

O

Anión carbonato

CH3 N

O-

O

Nitrometano

En la siguiente figura se indica el cálculo de la carga formal

de cada uno de los átomos que integran el anión carbonato:

O C

O

O

carga formal =

carga formal =

carga formal=

6 - (4+4/2) = 0

4 - (0+8/2) = 0

6 - (6+2/2) = - 1


18

Y el cálculo de la carga formal de los átomos que

forman el nitrometano, excepto el H, es como sigue:

carga formal =

carga formal =

carga formal=

CH3 N

O

O

carga formal=

6 - (4 + 4/2) = 0

5 - (0 + 8/2) = + 1

4 - (0 + 8/2) = 0

6 - (6 + 2/2) = - 1

Este ejemplo permite comprender que algunas moléculas orgánicas, aunque eléctricamente neutras, están compuestas en realidad por átomos con cargas formales neutralizadas entre sí. Por otro lado dos átomos diferentes que poseen la misma

configuración electrónica en la capa de valencia, aunque posean distinta carga formal, se denominan átomos isoelectrónicos.

Por ejemplo, el átomo de flúor del fluorometano y el átomo de oxígeno del anión metóxido son átomos

isoelectrónicos, al igual que el átomo de carbono del

metano y el átomo de nitrógeno del catión amonio.

C F

H

H H

C O

H

H H

C H

H

H H

N H

H

H H

Fluorometano Anión

metóxido Metano

Catión

amonio

1.3.4. Estructuras de resonancia

Algunas moléculas orgánicas se pueden representar mediante dos o más estructuras de Lewis, que difieren entre sí

únicamente en la distribución de los electrones, y que se denominan estructuras resonantes. En estos casos, la molécula

tendrá características de ambas estructuras y se dice que la molécula es un híbrido de resonancia de las estructuras

resonantes.

El método de la resonancia permite saber, de forma cualitativa, la estabilización que puede conseguir una molécula por

deslocalización electrónica. Cuanto mayor sea el número de estructuras resonantes mediante las que se pueda describir una

especie química mayor será su estabilidad.

El concepto de estructuras resonantes se puede aplicar en la

descripción del nitrometano, que se puede representar mediante las dos

estructuras de Lewis que se indican a continuación:

C N

H

H H O

O

C N

H

H H O

O

I II

En realidad, el nitrometano no es la estructura resonante I ni tampoco la estructura resonante II, sino la estructura que

resultaría al mezclar las características asociadas a la estructura I y a la II. Sin emabrgo surge el problema de dibujar los

compuestos orgánicos como híbridos de resonancia, debido a la imposibilidad de contar el número de electrones sobre

algunos átomos.

Una forma de escribir el híbrido de resonancia, que sí permite el contaje de los electrones en cada átomo, consiste en encerrar entre corchetes a todas las estructuras resonantes conectándolas entre sí mediante una flecha de doble punta, tal

y como se ha descrito más arriba.

1.3.4.1. Contribución de las estructuras resonantes

La mayor o menor contribución de las estructuras resonantes a la descripción de la molécula se puede relacionar con la

mayor o menor estabilidad que teóricamente puede atribuirse a cada estructura. De forma cualitativa se puede evaluar esta

mayor o menor estabilidad teniendo en cuenta los siguientes puntos

1. Una estructura resonante será tanto más estable cuanto mayor sea el número de enlaces formales que posea.

2. Las estructuras iónicas con separación de cargas son más inestables que las no cargadas.


19

3. Entre dos estructuras resonantes con separación de cargas, y en igualdad de otras condiciones, será más

estable la estructura con la carga negativa en el átomo más electronegativo.

4. Las estructuras resonantes con octetos completos en todos los átomos de la segunda fila del Sistema Periódico

son particularmente estables, aunque ello suponga la presencia de una carga positiva en un átomo electronegativo.

1.3.4.2. Cómo dibujar estructuras resonantes

Para dibujar correctamente las estructuras resonantes de un compuesto conviene seguir las siguientes reglas:

1. Dibujar una estructura de Lewis para el compuesto en cuestión.

2. Tomando como base la estructura de Lewis acabada de dibujar se dibuja otra estructura de Lewis de manera que:

a) Todos los núcleos mantengan su posición original.

b) Se mantenga el mismo número de electrones apareados.

A continuación se aplican estas reglas para el dibujo de las estructuras resonantes de la acetamida:

1. Se dibuja la estructura de Lewis de la acetamida:

NH2

C

CH3

O

I

2. Tomando como base la estructura de Lewis acabada de dibujar se dibuja otra estructura de Lewis que mantenga los

núcleos en la misma posición y que contenga el mismo número de electrones apareados que la primera, tal y como se indica

a continuación.

NH2

C

CH3

O

I

NH2

C

CH3

O

II

El método de las estructuras resonantes permite describir a la acetamida como un híbrido de resonancia entre las

estructuras resonantes I y II. De las dos estructuras resonantes la que contribuye en mayor proporción en la composición

del híbrido de resonancia es la I porque tiene un mayor número de enlaces y porque no comporta separación de cargas.

Sin embargo, la estructura resonante II, aunque contribuye poco a la hora de determinar las propiedades físicas y químicas

de la acetamida, pone de manifiesto que el enlace C-N de este compuesto debe tener un cierto carácter de doble enlace,

como así ocurre en realidad.

Prueba de Dominio.

1.1. Cuál es la hibridación del carbono en la tioúrea?

NH2

C

NH2

O

sp sp3 sp2 sp4

1.2. ¿Cuál de los siguientes compuestos no es consistente con las reglas de valencia?.

O

H

H H

O OH

C C

H

H

O

H

H


20

1.3. ¿Cuál de las siguientes moléculas no tendrá un momento dipolar?

CH3Cl CH3OCH3 CH2Cl2 CCl4

1.4. ¿Cuál de las siguientes moléculas tiene una forma lineal?

NH3 H2S CO2 H2CO

1.5. ¿Cuál de los siguientes compuestos se consideraría un reactive electrofílico?

NH3 Br2 CH3OH NH2OH

1.6. Los compuestos siguientes tienen pesos moleculares similares. ¿Cuál tiene el más alto punto de ebullición?

CH3CHO C2H5OH CH3OCH3 CH3CH2CH3

1.7. ¿Cuál de los siguientes ácidos será desprotonado por el NaOH?

PhOH

Fenol pKa: 10

CH3CH2OH

Etanol pKa : 16

H2O

Agua pKa : 15.7

Tanto etanol y agua

1.8. Este compuesto tiene los siguientes grupos funcionales:

O

O

COOHCHO

Cetona, alqueno, ácido carboxílico, ester

Alquino,ester, ácido carboxílico, aldehído

Ácido carboxílico, alqueno, cetona, ester

Ester, aldehído, ácido carboxílico, alqueno

1.9. Cuál es la relación de las dos estructuras que se muestran a continuación?:

(H3C)2HC C

CH2

HCH3

CH2

CH(CH3)2

CH(CH3)2C

CH2

H CH3

CH2

CCH3

CH3

H

Ellos son idénticos

Ellos son conformaciones de la misma estructura.

Ellos son isómeros constitucionales

Ellos son diferentes compuestos con diferente

composición

1.10. ¿Cuál de los siguientes pares de compuestos son isómeros constitucionales?

CH3CH2OCH3 y CH 3CH2CHO CH3CH2CHO y CH 3CH2CH2OH

CH3CH2CH2CHO y CH 3CH2COCH3 CH3CH2CH2CHO y CH3COCH2CH3

1.11. ¿Cuál de los siguientes compuestos puede ser clasificado como un solvente prótico?

tert-butanol Dietiléter n - hexano Acetona

1.12. El análisis de la quinina pura da la siguiente constitución: 74.1% de carbono, 7.41% de hidrógeno y 8.62% de nitrógeno. El

peso molecular de la quinina determinado es de 320 aproximadamente.

1.12.1. ¿Cuál es la fórmula empírica de la quinina?

1.12.2. ¿Cuál es la fórmula moleculalr de la quinina?

1.12.3. ¿Son estos datos suficientes para escribir la fórmula estructural de la quinina?


21

2

CLASIFICACIÓN Y NOMENCLATURA

DE LOS COMPUESTOS ORGÁNICOS

2.1. Funciones y Sustituyentes (radicales). Series homólogas

El estudio sistemático de la química orgánica, empezó con el estudio de las moléculas clasificadas en familias por la

presencia del tipo de enlace en su esqueleto carbonado o la presencia de uno o varios átomos o grupos de átomos típicos

que se repiten en miles de decenas de moléculas a los cuales se los denomina como grupos funcionales.

2.1.1. Hidrocarburos Alifáticos Saturados

Los hidrocarburos, son los compuestos orgánicos, resultante de la combinación de C e H y se clasifican según el siguiente

esquema:

Las cadenas de hidrocarburos lineales forman una serie

homóloga, cuando sólo varían en su estructura en el

número de grupos metileno (–CH2-).

Ejem. CH4, CH3CH3, CH3CH2CH3, CH3CH2CH2CH3,

CH3CH2CH2CH2CH3, CH3(CH2)nCH3

Cualquier otra molécula orgánica que contenga un átomo

diferente del carbono ó hidrógeno, puede considerarse

como derivada de un hidrocarburo o esqueleto de C e H,

en el cual se sustituyen los hidrógenos o el carbono por

uno o varios átomos o grupos atómicos típicos o

funciones.

Aromáticos

HIDROCARBUROS

Alifáticos

Saturados

Alcanos

Cicloalquenos

Cicloalcanos

Alquinos

Alquenos

Insaturados

Fig. 9. Clasificación de los Hidrocarburos

Alcanos:

Los alcanos, o hidrocarburos saturados, son compuestos que sólo contienen carbono e hidrógeno unidos por enlace covalente. Estos compuestos pueden ser lineales, como el heptano, ramificados, como el 3-metilhexano, un isómero del

heptano y cíclicos como el ciclopentano.

Heptano

…

3-metilhexano

…

Ciclopentano

Los alcanos, también conocidos como parafinas o hidrocarburos saturados, son hidrocarburos lineales o ramificados que

poseen sólo enlaces covalentes simples del tipo entre sus átomos de carbono. El término “saturado” significa que el

esqueleto carbonado está saturado de hidrógeno y que sus enlaces entre los átomos de carbono son sencillos.

El término «parafina» significa “poca actividad” y proviene de las raíces griegas «parum», poca y «affinis» afinidad. Esta característica de los alcanos se debe a que no poseen propiamente un grupo funcional, y por ello, experimentan sólo algunas

reacciones.


22

Para todos los alcanos, su fórmula general es CnH(2n+2) donde n corresponde al número de átomos de carbono en la

molécula.

i) Alcanos lineales o normales

Los alcanos de cadena lineal se denominan alcanos normales o simplemente n-alcanos para distinguirlos de los alcanos de

cadena ramificada. Se nombran con un prefijo que indica el número de C que posee y la terminación con el sufijo -ANO.

Estructuras Condensadas (moleculares) Estructuras topológicas

(con H terminales)

Estructuras topológicas

(sin H terminales)

CH4

CH3CH3

CH3CH2CH3

CH3 (CH2 )2CH3

CH3 (CH2 )3CH3

CH3 (CH2 )4CH3

metano: 1 atomo de carbono

etano: 2 atomos de carbono

propano: 3 atomos de carbono

butano: 4 atomos de carbono

pentano: 5 atomos de carbono

hexano: 6 atomos de carbonoCH3 (CH2 )5CH3

CH3 (CH2 )6CH3

CH3 (CH2 )7CH3

CH3 (CH2 )8CH3

heptano: 7 átomos de carbono

octano: 8 átomos de carbono

nonano: 9 átomos de carbono

decano: 10 atomos de carbono

CH4

CH3 CH3

CH3 CH3

CH3CH3

CH3 CH3

CH3CH3

CH3 CH3

CH3CH3

CH3 CH3

CH3CH3

.

Fig. 10. Representaciones usuales de las estructuras orgánicas

ii) Alcanos ramificados

Un grupo o sustituyente (denominado en el pasado incorrectamente como radical) es la porción de una molécula en la que un

conjunto de átomos se consideran como una unidad. Los grupos alquilo son los sustituyentes en las cadenas principales y no

existen aislados o libres, sino que forman parte de la estructura de un compuesto. El símbolo R se utiliza con frecuencia para

representar a un grupo alquilo. Para nombrar alcanos arborescentes, es necesario conocer los nombres de sus

arborescencias.

Las cadenas laterales R (denominados sustituyentes alquílicos) formadas por átomos de

carbono e hidrógeno que forman parte de cualquier compuesto orgánico se nombran

utilizando el prefijo correspondiente según el número de átomos de carbono que posea (tal y

como se acaba de ver para los alcanos lineales) y añadiendo la terminación –IL ó ILO.

Para nombrar hidrocarburos ramificados hay que seguir los siguientes pasos:

1. Numerar la cadena más larga comenzando por el extremo más próximo a un

sustituyente.

2. Se escribe y nombra el número correspondiente a la posición del sustituyente delante

de su nombre.

3. Si hay varios sustituyentes iguales, el nombre de mismo va precedido de un prefijo

que indica el número de sustituyentes (di-, tri- tetra-, etc.). 4. Los sustituyentes distintos se nombran por orden alfabético, comenzando a numerar

por el extremo más próximo a un sustituyente.

CH3-

CH3CH2-

CH3CH2CH2-

CH3 (CH2 )2CH2-

CH3 (CH2 )3CH2-

CH3 (CH2 )4CH2-

CH3 (CH2 )5CH2-

CH3 (CH2 )6CH2-

CH3 (CH2 )7CH2-

CH3 (CH2 )8CH2-

metilo

eti lo

propilo

buti lo

penti lo

hexilo

hepti lo

octi lo

nonilo

decilo

Sustituyentes R lineales

Los grupos alquilo que pueden derivarse de un alcano dependen de los tipos de átomos de carbono presentes en el compuesto. En el propano existen dos tipos de átomos de carbono, por lo tanto existen dos posibilidades de eliminar el átomo

de hidrógeno, uno de la parte terminal y el otro de la parte intermedia.

Entonces, tendremos los siguientes grupos alquílicos (aceptados por la IUPAC):


23

Para el propano, si se elimina el hidrógeno de un carbono primario, se formará el grupo CH3CH2CH2 – al que se denomina

como n-propil o n−propilo. En cambio, si se elimina el hidrógeno del carbono secundario, se formará el grupo isopropil o

isopropilo, aunque debiera recibir correctamente el nombre de sec-propil, pero de manera excepcional recibe el de isopropil.

Del mismo modo, los alcanos superiores presentarán varias posibilidades de eliminar un átomo de hidrógeno y para nombrar

a los grupos alquilo resultantes se utilizan varios prefijos, reconocidos por la IUPAC y que se recogen en la Tabla No. 1.

Se utiliza el prefijo sec-para indicar que el hidrógeno se ha

eliminado de un carbono secundario. Ejem. Sec-butil(o)

El prefijo iso se utiliza para indicar que un grupo CH3 − se

encuentra unido al segundo carbono del extremo opuesto al punto

de unión a otra molécula. Además, el prefijo iso significa igual; esto quiere decir que los dos grupos sustituyentes unidos al segundo

carbono, son iguales. Ejem. Isobutil(o)

El prefijo ter-, se utiliza para indicar que el hidrógeno se ha

eliminado de un carbono terciario. Ejem. Ter-butil(o)

El prefijo neo- se utiliza cuando dos grupos CH3- se encuentran

unidos al segundo carbono del extremo opuesto al punto de unión a otra molécula. Ejem. neopentil(o).

Tabla No 1. Grupos alquilo simples

y sus nombres triviales

-CH3 Metilo

-CH2CH3 Etilo

-CH2CH2CH3 Propilo

CH3 CH-

CH3

Isopropilo

-CH2CH2CH2CH3 n-Butilo

CH3 CH2 CH-

CH3

sec-

Butilo

C-

CH3

CH3 CH3

ter-Butilo

CH3 CH

CH3

CH2CH2

-

Isopentilo

Los siguientes ejemplos muestran la utilización de las reglas para nombrar alcanos ramificados:

CH3 CH3

CH3

CH3 CH3

CH3

CH3CH3

CH3

CH3

CH3CH3

2-Metilhexano

3-Metilheptano

3,3,5,5-Tetrametilheptano

2.1.2. Hidrocarburos Alifáticos Insaturados

i) Cíclicos. Los alcanos que forman ciclos, se denominan en general cicloalcanos o compuestos alicíclicos, su fórmula

general es CnH2n, Es decir el monociclo formado representa un punto de insaturación y pueden ser de los siguientes tipos:

a. Monocíclicos. Son sistemas constituidos por un sólo ciclo. Se nombran anteponiendo el prefijo ciclo- al nombre del

alcano acíclico de igual número de átomos de carbono.


24

Ejemplos:

Ciclopropano

Ciclobutano

Ciclopentano

Ciclohexano

Cicloheptano

Ciclooctano

Las reglas IUPAC para nombrar cicloalcanos son muy similares a las estudiadas en los alcanos.

En cicloalcanos con un solo sustituyente, cuyo número de átomos de C no excede al del ciclo, se toma el ciclo como estructura principal de la molécula. No es necesaria la numeración del ciclo.

Cl Metilciclobutano Isopropilciclopentano 1-Cloro-2-etilciclohexano

Cuando existe un grupo complejo unido al ciclo y su número de átomos de C es mayor al del ciclo, puede

tomarse como cadena principal de la molécula y el ciclo como sustituyente. Los cicloalcanos como

sustituyentes se nombran cambiando la terminación –ano por –ilo.

4-Ciclohexil-2-metiloctano 1-Ciclopentil-2-Metilhexano

Si en el cicloalcano hay varios sustituyentes, los mismos se nombran por orden alfabético. Se numera el ciclo

comenzando por el sustituyente que va antes en el nombre, de forma que se otorguen los localizadores más

bajos a los sustituyentes. Br

Cl 1-Etil-3-metilciclopentano 1-Bromo-3-clorociclohexano

En caso de obtenerse los mismos localizadores al numerar comenzando por diferentes posiciones, se tiene en

cuenta el orden alfabético.

b. Cicloalcanos enlazados. Son sistemas de dos o más ciclos unidos por un enlace simple (los más sencillos).

Con ciclos iguales: Se nombra con el prefijo, bi-, tri-, seguido de la palabra ciclo para indicar el número de ciclos enlazados y la posición relativa de los ciclos y los sustituyentes se indican con la ayuda de localizadores

Con ciclos distintos: se toma como base el mayor de ellos y los demás se nombran como sustituyentes ordenados alfabéticamente

Ejemplos:

1,1’-biciclopropano

1,1’-biciclobutano

1,1’-biciclopentano

1,1’-biciclohexano

Espiro compuestos. Son compuestos bicíclicos con un átomo de carbono común a ambos anillos. Se nombran

anteponiendo la palabra espiro seguido, entre corchetes del número de átomos de carbono a uno y otro lado


25

del carbono espiránico, de menor a mayor finalizando con el nombre del alcano de igual número de carbonos

que el total.

Ejemplos:

Espiro[3.4]octano

Espiro[4,4]nonano

Espiro[4,5]decano

Espiro[6,6]dodecano

c. Compuestos policíclicos fusionados. Son hidrocarburos policíclicos con dos o más átomos de carbono comunes a dos o

más anillos. Dichos carbonos se denominan cabeza de puente.

Se nombran anteponiendo el prefijo biciclo, triciclo... al nombre del alcano con igual número de carbonos e intercalando entre

corchetes el número de carbonos, de mayor a menor, que hay entre los átomos cabeza de puente.

Ejemplos:

biciclo[2.2.1]heptano

biciclo[1.1.1]pentano

biciclo[3.1.1]heptano

biciclo[4.1.1]octano


biciclo[3.3.1]nonano


biciclo[3.2.2]nonano

Varios compuestos policiclicos fusionados, tienen nombres comunes, como por ejemplo:

Decalina Norbornano

Cubano

Prismano

Adamantano

Nortriciclano

Homoadamantano

Secocubano

Diademan

Twistano

Bishomotwistano

Diamanatano

Ejemplos:


26

Br

Br

Br

1-bromo-(1-bromometil)ciclohexano 1-bromo-2-etil-4-hexilciclopentano (2-metilciclopropil)ciclohexano

Br

Br

Br

CH3

Br

1-bromo-1-(2-bromoetil)ciclohexano 1-bromo-1-(1-bromoetil)ciclohexano 1-ciclopropil-3-etilciclohexano

Los cicloalcanos con dos o más sustituyentes pueden poseer isomería geométrica:

H

CH3

H

CH3

cis-1,2-dimetilciclopropano

H

CH3H

CH3

trans-1,2-dimetilciclopropano

ii). Alquenos u Olefinas

Los alquenos, son hidrocarburos insaturados que contienen al menos un enlace

doble C=C. Se denominan también olefinas y pueden ser lineales, ramificados o

cíclicos y son parte del esqueleto carbonado.

1-buteno

2-hexeno

Estos hidrocarburos se nombran de acuerdo a la IUPAC, de la siguiente forma:

1. Los que sólo tienen un enlace doble, responden a la fórmula general (CnH2n), por lo que poseen dos átomos de H menos que

un alcano saturado de igual número de átomos de carbono, por tal razón se dice que el alqueno más simple (eteno o etileno

su nombre trivial o común) posee un punto o centro de insaturación y se nombran utilizando los mismos prefijos que para los

alcanos (met, et, prop, but, etc..) y cambiando la terminación (sufijo) -ano por –ENO, e indicando con un número la posición

del doble enlace (empezando a contar la cadena principal por el extremo más próximo al doble enlace).

2. Si hay ramificaciones se toma como cadena principal la cadena más larga que contenga el doble enlace y para comenzar la

numeración de los carbonos se realiza de manera que el doble enlace posea el número localizador más pequeño posible. Los

dobles enlaces tienen preferencia sobre los sustituyentes

3. Si contiene más de un doble enlace, se toma como cadena principal la que contiene el mayor número de dobles enlaces

(aunque no sea la más larga) y el sufijo que se utiliza al final del nombre es: adieno, -atrieno, -atetraeno. Ejemplos:

1

23

45

67

3-etil-6-metil-2-hepteno

3-propil-1,4-heptadieno

12

3

45

67 8

2,5-dimetil-1,3,6-octatrieno

1

23

4

5

3,4-Dimetil-1-penteno

Br1

2

34

5

5-Bromo-4-metil-2-penteno

1

23

45

6

7

4,5,6-Trimetil-1,3,5-heptatrieno


27

4. En realidad los alquenos se presentan formando isómeros espaciales que se distinguen con notaciones propuesta por

Ingold - Prelog, a los cuales nos referiremos en el capítulo de Estereoquímica. En esta sección sólo mencionaremos a los isómeros geométricos simples y que se pueden nombrar con la notación cis/trans.

Cuando en relación al doble enlace se tienen sustituyentes y éstos de hallan del mismo lado en relación al plano que contiene el doble enlace se dice que la molécula tiene una geometría espacial del tipo cis. Y cuando los sustituyentes se hallan en

posiciones opuestas al plano que contiene el doble enlace, el isómero es del tipo trans. Nótese que estos dos términos se escriben en cursiva.

1

2 3

4

cis -2-Buteno

1

23

4

trans-2-Buteno

trans-2-penteno

cis-2-penteno

Aciertos grupos comunes se les asigna nombres triviales:

- CH2 - CH2=CH - CH3CH=CH - CH2=CHCH2 -

Metileno Vinilo Propenilo Alilo

iii) Cicloalquenos

Los cicloalquenos, al menos presentan dos puntos de insaturación, una correspondiente al mismo ciclo (menos 2 H) y otra la

que corresponde a un doble enlace (menos 2 H). En esta sección nos referiremos a los cicloalquenos sin hacer mención a la

estereoquímica de los mismos, por las razones anteriormente expuestas. Los cicloalquenos, se nombran del siguiente modo:

1. Se antepone la palabra ciclo al nombre del alqueno con igual número de átomos de carbono y se termina el nombre con el sufijo eno (ciclopropeno, ciclobuteno, ciclopenteno, ciclohexeno, etc.).

2. En caso de haber varios dobles enlaces se utilizan los sufijos dieno, trieno, etc., con los localizadores más bajos para los

dobles enlaces.

3. De existir en el ciclo un solo doble enlace, éste será siempre el 1-2, para el conteo y la ubicación de los otros sustituyentes

se buscará que los mismos tengan los localizadores más bajos de las alternativas de numeración que se puedan idear, por

lo que no es necesario colocar el número 1 para el doble enlace.

Ejemplos:

1

2

3

1

2

34

1

2

34

1

2

3

1

2

3

4

5

1

2

3

4

5

3-Metilciclohexeno 4-Metilciclohexeno

1,4-Ciclohexadieno

1,3-Ciclohexadieno

5-Metil-1,3-Ciclohexadieno

3-Metil-5-isopropilciclohexeno

iv). Alquinos

Los alquinos, denominados también hidrocarburos acetilénicos, se caracterizan

por poseer al menos un triple enlace C C en su estructura. Pueden ser

lineales o ramificados y terminales o internos.

HC CH

acetileno

C C CH3CH3

2-butino

Estos hidrocarburos se nombran de acuerdo a la IUPAC, de la siguiente forma:


28

1. Los que sólo tienen un enlace triple se nombran cambiando la terminación -ano por -INO e indicando con un número la

posición del triple enlace (empezando a contar por el extremo más próximo al triple enlace).

2. Si hay ramificaciones y/o más de un triple enlace la nomenclatura es análoga a la de los alquenos.

3. Si hay dobles y triples enlaces se nombran en el orden –eno, -ino, con el localizador correspondiente de forma que sea lo

más bajo posible, independientemente de que las insaturaciones sean dobles o triples.

4. Cuando las ramificaciones también poseen insaturaciones, la cadena principal es aquella que cumple los siguientes

requisitos:

-Contiene mayor número de insaturaciones. -Contiene mayor número de átomos de C.

-Contiene mayor número de dobles enlaces.

1 2 3

4

5

67

1

2

34

56

78

9

1

2

34

5

6

7

8

910

12

3

4

6-Metil-1,4-heptadiino 3-Etil-5,7-nonen-1-ino 9-metil-4-(1-propenil)-2,7-decadien-5-ino

Otra forma común de nombrar a los alquinos es como derivados del miembro más simple de la serie, el acetileno:

CH CH….. CH C-Na

+

Acetileno Acetiluro de sodio Metilacetileno Etilisopropilacetileno

Nombres comunes de grupos:

C C -CH3 CCH CH2 -

Propinilo Propargilo

Existen cicloalquinos, en ciclos igual o mayor a 6 eslabones, la forma de numerarlos es como en los cicloalquenos, excepto en el bencino, que es un nombre común:

Cicloheptino Ciclooctino 4,6-Dimetilciclooctino Bencino

1.13. Hidrocarburos Aromáticos

Por otra parte, existen hidrocarburos que presentan en su estructura uno o

varios anillos aromáticos y por ello

reciben el nombre de hidrocarburos

aromáticos. El ejemplo más


29

representativo de esta familia de

compuestos orgánicos es el benceno.

Benceno 1-Etil-2-

metilbenceno

Cuando hay un solo grupo ubicado en un anillo bencénico, se nombra como sustituyente

seguidos de la palabra benceno: Estos sustituyentes pueden ser grupos alquilo, (etilbenceno), halógenos (bromobenceno), -CN (nitrilobenceno), -NH2 (Aminobenceno), -

NO2 (nitrobenceno), etc.

Si hay más de un sustituyente se utilizan localizadores o mediante los prefijos siguientes:

Localizadores Prefijos

1 -2 o –orto

1 -3 m - meta

1-4 p - para

1

2

3

12

3

1'2'

3'

1'2'

3' 1-Etil-3-propilbenceno

(m-Etilpropilbenceno)

1-(sec-butil)-3-(1’-propenil) benceno

(m-(1’-metilpropil)-1’-propenilbenceno)

Sin embargo, en los compuestos aromáticos se halla muy extendida la utilización de una nomenclatura en base a los nombres

triviales o comunes de determinadas moléculas.

CH3

Tolueno

OH

Fenol

CHO

Benzaldehido

NH2

Anilina

O

Acetofenona

COOH

Ác. benzoico

SO3H

Ác. Bencensulfónico

CN

Nitrilobenceno

CH3

CH3 m-Xileno

OH

OH Catecol

Ejemplos

CH3

NO2 m-nitrotolueno

OH

Br

o-bromofenol

CHO

3-etilbenzaldehido

NH2

NO2

o-nitroanililna

O

Cl m-cloroacetofenona

COOH

Ác. 4-isopropilbenzoico

SO3H

CH3 Ác- 3-

metilbencensulfónico

CN

CH3CH3

3,5-dimetilnitrilobenceno

NHCOCH3

Acetanilida

OCH3

Metilfenóxido o anisol


30

2.3. Grupos Funcionales con otros heteroátomos.

Como se dijo con anterioridad hay varios grupos formados por átomos diferentes al Carbono (heteroátomos) que se hallan

unidos a las cadenas carbonadas, sean estas lineales o cíclicas y se repiten en cientos de miles de compuestos orgánicos,

comunicándoles propiedades químicas características comunes a los compuestos que los portan, de los cuales se abordarán en este capítulo los más fundamentales, en relación a su estructura y nomenclatura.

Toda vez que irán apareciendo los diferentes grupos funcionales en las estructuras orgánicas que se estudien, se debe establecer el orden de prioridad de los mismos para su correspondiente nomenclatura, este aspecto se puede observar en la

siguiente tabla: Tabla No. 2. Orden de prioridad de los Grupos Funcionales para la Nomenclatura Sustitutiva

Cuando una molécula orgánica contiene más de un grupo funcional, su nombre base tendrá la terminación del grupo con mayor prioridad y el otro grupo funcional será considerado como sustituyente.

Grupo Funcional Estructura Estructura Sufijo (nombre

base)

Prefijo

(sustituyente)

Cationes (Sales) R4N+

R4P+

R4S+

(Ar)R NR4 (Ar)R PR4 (Ar)R SR4

-Amonio

-Fosfonio

-Sulfonio

Amonio-

Fosfonio-

Sulfonio-

Ácidos Carboxílicos

Sulfónicos

Sulfínicos

RCOOH

ArCOOH

-SO3H

-SO2H

OH(Ar)R

O

Ác. – oico

Ác. – sulfónico

Ác. - sulfínico

Carboxi-

Sulfo-

Sulfino-

Derivados de ácidos

carboxílicos:

Anhídridos

RCO-O-COR’

ArCO-O-COAr O(Ar)R R'

O O

Anh. – oico

-----------

Ésteres RCOOR’

ArCOOR OR(Ar)R

O

-carboxilato de

alquilo

R - oxicarbonil

Halogenuros de ácido (Ar)RCOX

X(Ar)R

O

Halogenuro de

-carbonilo

Halógeno –

alcanoil-

Amidas (Ar)RCONH2

(Ar)RCONHR’

(Ar)RCONR’R’’

NH2(Ar)R

O

NHR'(Ar)R

O

-amida

-amida N-

-amida N,N-

Carbamoil-

N(Ar)R

O

R2

R1

Nitrilos (Cianuros) (Ar)RCN (Ar)R C N -nitrilo Ciano-

Aldehídos (Ar)RCHO

H(Ar)R

O

-al

-carbaldehído

Formil-

Oxo-


31

Grupo Funcional Estructura Estructura Sufijo (nombre

base)

Prefijo

(sustituyente)

Cetonas (Ar)RCOR1

(Ar)RCOAr R

1(Ar)R

O

Ar(Ar)R

O

-ona Oxo-

Alcoholes RCH2OH

ArCH2OH

(Ar)R CH2OH

Ar(Ar)R

OH

-ol Hidroxi-

R1

(Ar)R

OH

Ar(Ar)R

OH

R3

Mercaptanos RCH2SH

ArCH2SH

(Ar)R SH -tiol Mercapto-

R1

(Ar)R

SH

Ar(Ar)R

SH

R1

Aminas (Ar)RNH2

(Ar)RNHR1

(Ar)RNR1R2

(Ar)R NH2 -amina Amino-

(Ar)R N

H

R1

(Ar)R N

R2

R1

Éteres (Ar)ROR1

(Ar)ROAr’

O R1

(Ar)R

O Ar1

(Ar)R

éter Alcoxi-

Sulfuros (Ar)RSR1

(Ar)RSAr’

S R1

(Ar)R

S Ar1

(Ar)R

sulfuro alquiltio

Alquenos RHC=CHR’

R2C=CR2 R

1

H(Ar)R

H

-eno Alquenil-

Alquinos CH CH C C R(Ar)H

C C R3

R4

-ino Alquinil-

Halogenuros (Ar)RX

X : Cl, Br, I, F

Cl(Ar)R

Br(Ar)R

halógeno

Nitro (Ar)RNO2 NO2(Ar)R Nitro

Alcanos RH R1

R2

-ano Alquil-

Para nombrar a los ácidos carboxílicos y sulfónicos y a los anhídridos es necesario anteponer la palabra ácido y

anhídrido respectivamente, seguido del nombre de la cadena hidrocarbonada con el sufijo -ico.


32

2.3.1. Haluros o halogenuros de alquilo, alquenilo, alquinilo y arilo.

Son compuestos en los que por lo menos un átomo de hidrógeno de los hidrocarburos (alcanos, alquenos, alquinos,

aromáticos) ha sido sustituido por un átomo de halógeno (F, Cl, Br, I). Cuando el átomo de carbono que está unido al halógeno

está unido también a otro átomo de carbono el haluro de alquilo se denomina primario. Si el átomo de carbono unido al halógeno está unido a otros dos átomos de carbono el haluro de alquilo es secundario. Si el átomo de carbono está unido al

halógeno y a otros tres átomos de carbono el haluro es un haluro terciario, el grupo metilo (–CH3) es primario (otros lo nominan como superprimario)

Haluro de alquilo primario Haluro de alquilo secundario Haluro de alquilo terciario

Br

CH3

Br

Cl

CH3

CH3

Cl

CH3

CH3

ClCH3

Cl

CH3 CH2

Br

CH3 CH

CH3

Cl

Bromo etano (Bromuro de etilo)

2-Cloropropano (Cloruro de isopropilo)

2-Cloro-2-metilpropano (Cloruro de t-butilo)

Se nombran como si se tratara de hidrocarburos que poseen sustituyentes de manera que se da el nombre del halógeno

precedido de su localizador, si es necesario, seguido del nombre del hidrocarburo correspondiente:

Br

1

2

3

4

5

5-Bromo-4-metil-1-penteno

1

23

45

ClCl

67

2,6-Dicloro-5-metilheptano

Br

Br Br

1,3,5-Tribromociclohexano

Cl

Clorobenceno

Otro tipo de nomenclatura de los haluros de alquilo, ampliamente usado, para los haluros simples, está relacionado con la

nomenclatura de las sales haloideas (NaCl). Así es común leer en algunos libros, la siguiente nominación: Cloruro de etilo,

bromuro de isopropilo, bromuro de ciclohexilo, etc.

También son de uso común, los nombres triviales para varios haluros: Cloroformo (CHCl3), Iodoformo (CHI3), Cloruro de vinilo

(CH2=CHCl), Teflón (CF2=CF2), Freón (CF2Cl2) etc.

2.3.2. Alcoholes

Los alcoholes, son compuestos que poseen el grupo hidroxilo (-OH) unido a un carbono con hibridación sp3 en su estructura.

Si el –OH se halla unido a un carbono con hibridación sp2 se denomina enol y cuando el carbono que soporta el –OH presenta

una hibridación sp se denomina fenol. Al igual que los haluros de alquilo, los alcoholes también pueden clasificarse en

primarios, secundarios o terciarios, según el grado de sustitución del carbono al que está unido el grupo hidroxilo.

Alcohol primario:

OH

Alcohol secundario: OH

Alcohol terciario:

OH

Etanol (alcohol etílico)

2-propanol (Isopropanol)

(alcohol isopropílico)

2-Metil-2-propanol (ter-Butanol)

(alcohol ter-butílico)


33

Se nombran como derivados de la cadena abierta más larga o del cicloalcano que contiene el grupo –OH. Se numera la

cadena o el ciclo de modo que el grupo hidroxilo tenga el número más bajo posible, y la posición de los sustituyentes se indica

por un número. Se agrega el sufijo -OL para designar al grupo –OH.

OH

12

34

5

OH

12

3

4

OH

OH

Br

12

34

5

OH

OH

1

23

45

OH

Cl12

3-Pentanol 3-Buten-1-ol Ciclohexanol 3-Bromo-2,4,5-trimetilhepten-1-ol 2,3-Pentenodiol 2-

clorociclopentanol

La nomenclatura trivial de los alcoholes, requiere que la palabra alcohol se anteponga al nombre del grupo alquílico

apropiado: Alcohol metílico, alcohol etílico, alcohol isobutílico, alcohol ter-butílico, alcohol isoamílico, etc.

Tabla No. 3. Nombres triviales de alcoholes todavía en uso

Alcohol alílico CH2=CHCH2OH Glicerol HOCH2CHOHCH2OH

Alcohol bencílico

C6H5CH2OH Pentaeritritol C(CH2OH)4

Alcohol fenetílico

C6H5CH2CH2OH Pinacol (CH3)2COHCOH(CH3)2

Etilenglicol HOCH2CH2OH 1,2-Propilenglicol (CH3)2CHOH

Alcohol Isoamílico

(CH3)2CHCH2OH

Xilitol

OH

OH OH

OH OH

Geraniol

OH

Fitol OH

OH

Borneol

OH

Mentol

Las sales compuestas de un anión RO- (alcóxido) y un catión, normalmente un metal, se pueden nombrar como el alquilóxido

de metal. Ejem. CH3ONa (Metóxido de sodio, CH3CH2OK (Etóxido de sodio), etc.

2.3.3. Fenoles y tioles

Los compuestos que tienen unidos el grupo –OH, a un carbono con hibridación sp, como en el benceno (PhOH), reciben el

nombre de fenoles y sus derivados se nombran tomando como base este último nombre. Ejem.

OH

Fenol

OH

Cl

m-

clorofenol

OH

2-

isopropilfenol

OH

NO2

3-

nitrofenol


34

Tabla No. 4. Nombres triviales de fenoles todavía en uso

OH

OH

OH

OH

OH

OH

Cresol (se muestra el

isómero para)

Xilenol (se muestra el

isómero 2,3) Carvacrol Timol Pirocatecol

(1,2-Dihidroxibenceno)

OH

OH

OH

OH

OH

OH

OH

OH

OHOH

OH

NO2

NO2

O2N

Resorcinol


Hidroquinona


Pirogalol

(1,2,3,-Trihidroxibenceno)

Floroglucinol

(1,3,5-Trihidroxibenceno)

Ácido pícrico

(2,4,6-Trinitrofenol)

Tioles (Mercaptanos)

Son considerados como análogos sulfurados de los alcoholes y fenoles y antiguamente se los conocía como mercapatanos

(que capta el Hg+2). Su nomenclatura es idéntica a la de los alcoholes, el sufijo –ol se cambia por –tiol. Ejemplos:

CH3

SH

SH

CH2

SH

Etanotiol

Etilmercaptano Ciclohexanotiol

Ciclohexilmercaptano 2-Propenotiol

Alilmercaptano

CH3

CH3

SH

SH

OH

SH

2-Propanotiol

Isopropilmercaptano Tiofenol

Fenilmercaptano Mercaptoetanol

2-mercaptoetanol

2.3.4. Éteres

Los éteres poseen un átomo de oxígeno unido a dos cadenas alquílicas o arílicas o combinadas, que pueden ser iguales o

diferentes:

R1O

R

Ar

O

R

Ar1

O

Ar

Según la IUPAC, los éteres se nombran como alcoxialcanos, de acuerdo a las siguientes reglas:

1. Se selecciona la cadena de átomos de carbono más larga.

2. Se selecciona el grupo alquiloxi (R-O-), el cual contendrá la cadena de átomos de carbono más corta. Por convención, hoy es más usual utilizar la contracción alcoxi. Por ejemplo: CH3O- es metiloxi, pero se denomina metoxi. Sin embargo, en los

grupos que contienen 5 carbonos en adelante sus nombres no se contraen, y así tenemos pentiloxi, hexiloxi, heptiloxi, etc.

3. En compuestos sencillos se nombra primeramente el grupo alcoxi y finalmente la cadena carbonada más larga, como un

alcano normal. Ejemplo: Asignar el nombre al siguiente éter: CH3OCH2CH3. El grupo alcoxi se denomina metoxi, por tanto, el


35

nombre del compuesto será metoxietano. En algunos casos más complicados, es necesario indicar la posición del grupo

alcoxi en la cadena o ciclo y utilizar el orden alfabético, para los otros sustituyentes.

O 1

2

3

EtO

O

12

3

4

EtO

O

1

2

3

tBuO

2-Etoxipropano 1-Etoxi-2-metilbutano 2-terButoxi-2-metilpropano

OEt

OEt

OEt

12

O O

O

1

23

O

OH

12

3

1,1,1-Trietoxietano 1-Etoxi-2,3-dimetoxipropano 1-(ciclopentiloxi)-2-propanol

4. Por reacciones de ciclación intramolecular, se forman los éteres cíclicos alifáticos y por deshidratación de estos últimos, se arriba a los aromáticos. Estos compuestos reciben el nombre de heterociclos, porque se halla presente

al menos un heteroátomo (átomo diferente al C) dentro el ciclo. Los nombres reconocidos por la IUPAC, para los

heterociclos alifáticos simples son los siguientes:

O

Oxirano

(Epóxido)

O

Oxetano

O

Tetrahidrofurano

(THF)

O Tetrahidropirano

(THP)

O

Oxepina

Ejemplos: Para efectos de numeración se asigna el número 1 al heteroátomo. El nombre base de la molécula es

tomado del heterociclo correspondiente.

O

Cl

1

2

2-(clorometil)oxirano

(epiclorhidrina))

O

1

2

2-n-propiloxirano

O

1

2

2-(3,4,5-

trimetilciclohexil)oxirano

O

Br12

2-bromooxetano

O

1

2

34

3,4-

Dimetiltetrahidrofurano

O1

2

2-Feniloxirano

O1

23

3-

ciclohexiloxetano

O

1

2

2-(2-propen-1-

il)tetrahidrofurano

O

O

1,4-Dioxano

O

Br

1

2

3

4 5

6

3-bromo-6-metiloxepina

Otro tipo de nomenclatura aceptada, es la de nombrar los éteres, colocando el nombre de los grupos alquílicos o arílicos que

se encuentran unidos al átomo de oxígeno, una a continuación de la otra respetando el alfabeto y finalmente añadiendo la

palabra éter:

CH3OCH3 CH3OCH2CH3

Metoximetano

(Dimetil éter)

Metoxietano

Etilmetil éter

O

O

(2,2-dimetil-1-propoxipropano) 1-(2-propen-1-iloxy)butano


36

El éter dietílico CH3CH2OCH2CH3, C2H5OC2H5 ó EtOEt, es muchas veces sólo nombrado como éter etílico o también se lo

denomina de manera común como éter sulfúrico (debido a que para su preparación se utiliza ácido sulfúrico concentrado).

2.3.5. Tioéteres

Los tioéteres o sulfuros de alquilo, son análogos de los éteres, pueden ser simples y mixtos y su nomenclatura, también es

análoga a la de los éteres.

Ejemplos:

CH3 S

CH3

CH3 S

CH3

CH3

S

CH2

CH2

S

Cl

Cl Dimetiltioéter

Sulfuro de dimetilo Metilisopropiltioéter

Sulfuro de metilo e isopropilo Sulfuro de alilo Gas mostaza o Iperita

Los tioéteres, también forman heterociclos, y la IUPAC reconoce para ellos los siguientes nombres:

S

S

S

S

S

NH2

OH

Tiirano Tietano Tetrahidrotiofeno Tetrahidrotiopirano Tiepina 2-Aminociclopentanol

2.3.6. Aminas.

Son compuestos que poseen el grupo amino en su estructura. Se consideran compuestos derivados del amoníaco, por tanto,

presentan propiedades básicas. También pueden clasificarse como primarias, secundarias o terciarias, según el grado de

sustitución del átomo de nitrógeno.

En primera instancia, se analizará, las diferentes nomenclaturas utilizadas para las aminas, y que continúan en vigencia, por

la utilidad de las mismas. Sin embargo es necesario resaltar, que en la nomenclatura para aminas simples son utilizadas las siguientes variantes.

a) Las aminas primarias que contienen el grupo amino en un carbono primario, se nombran sustituyendo la “o” del

alcano por AMINA.

Ejem. Metanamina, Butanamina, Octanamina, Etc.

b) En caso de que la cadena sea bastante larga y compleja. Si el grupo amino (-NH2) se halla ubicado en cualquier otra posición (distinto al C primario), se lo nombra como un sustituyente.

Ej. 3-aminohexano (Hexana-3-amino), 2-aminopropano (Propan-2-amino), etc.

c) Si el grupo amino se encuentra sustituyendo a un hidrógeno de un carbociclo alifático, la amina se nombra

cambiando la “o” del cicloalcano por AMINA, si el ciclo es insaturado, el grupo amino se nombra como sustituyente.

NH2

Ciclohexanamina

NH2

2,4.Ciclopentadien-1-amina

NH2

NH2

Ciclohexan-1,2-diamina

NH2

OH

2-Aminociclopentanol

NH2

2-Ciclohexen-1-amina

d) Otra forma de nominación aceptable de las aminas se logra colocando los nombres de los sustituyentes alquílicos o

arílicos en orden alfabético seguido de la terminación AMINA.


37

Ejemplos: Etilmetilamina, Dietilamina, Etilisobutilamina, etilciclohexilamina, difenilamina, etc.

Ejemplos de las nomenclaturas anteriormente mencionadas:

NH

N-Etilhexan-3-amina

NH2

Bencenamina

Fenilamina

(Anilina)

NH2

Cl 3-Cloro-2-etilciclobutanamina

NH2

NH2

2-(2-aminociclobutil)ciclopentanamina

NH2

Ciclopropanamina NH2

2-Ciclopropiletanamina

NH2

1-Ciclopropilpropan-2-amina

NH2

2-Propilciclopropanamina

En la actualidad, se emplea el sistema IUPAC para nombrar a las aminas. Este sistema consiste en:

1. Identificar la cadena principal como aquella que contiene mayor número de átomos de carbono y además contiene el grupo

amino.

2. Colocar la terminación AMINA al final del nombre del hidrocarburo que constituye el esqueleto de la cadena principal.

3. Para localizar el grupo amino dentro de la cadena principal se utiliza el número del carbono que está unido directamente al

nitrógeno y este número o localizador, el más bajo posible, se coloca delante del nombre de la terminación AMINA.

4. Si la amina es secundaria o terciaria, se dan los nombres de los radicales alquilo que están unidos al nitrógeno precedidos

de la letra N en cursiva para indicar que dichos grupos están unidos al nitrógeno y no a un carbono.

Amina primaria Amina secundaria Amina terciaria Amina cuaternaria

(sal de amonio)

NH2

1-Propanamina

(1-Propilamina) (Propan-1-amina)

1-Aminopropano

NH

N-etilpropan-1-amina

N-etil-1-propanamina Etil-n-propilamina

N

N,N-Dietilciclopentanamina

N+

N-Ciclopropil-N,N-dietilciclopropanamonio

NH2

Butan-2-amina 2-Butanamina

NH

N-metilaniline

N-Metilbencenamina

N

N,N- Dimetilanilina

N+

N-Etil-N,N-dimetilanilinio

NH2

Ciclopentanamina

NH

N- Ciclohexilanilina

N

N,N-Diciclopropilciclopropanamina

N+

N,N-Dietil-N-metilpropan-1-amonio


38

Amina primaria Amina secundaria Amina terciaria Amina cuaternaria

(sal de amonio)

NH2

2,6-Dimetilanilina

NH

1-Ciclohexil-N-metilmetanamina

N

N-Etil-N-metilpropan-1-amina

N+

N,N-Dietil-N-

metilciclopentanamonio

Las aminas también forman heterociclos alifáticos y aromáticos, conocidos mayormente por sus nombres triviales o

comunes, que en cierto modo han sido aceptadas por la IUPAC.

NH

aziridina

NH

azetidina

NH

pirrolidina

NH

piperidina

NH

azepina

NH

NH

piperazina

NH

NH

hexahidropiridazina

NH

NH

hexahidropirimidina

NH

Cl

2-(clorometil)aziridina

NH

Br

3-bromo-5-

metilpiperidina

N

Piridina N

4-Metilpiridina

N

Cl

3-Cloropiridina

N NO2

2-Nitropiridina

N

NH2

3-Aminopiridina

2.3.7. Aldehídos y cetonas

Estos compuestos contienen el grupo funcional carbonilo (C=O) que está formado por un átomo de oxígeno unido

mediante un doble enlace a un átomo de carbono. En los aldehídos el grupo carbonilo está unido a un átomo de carbono y a un

átomo de hidrógeno y en las cetonas el grupo carbonilo está unido a dos átomos de carbono. El grupo carbonilo es bastante polar de manera que los aldehídos y cetonas de bajo peso molecular son solubles en agua. De hecho, tanto la acetona como el acetaldehído son miscibles en agua en cualquier proporción.

El grupo aldehído (-CHO) se halla siempre en uno o ambos extremos de una cadena y se nombran cambiando la “o” del

alcano correspondiente por la terminación –AL. Ejem. Metanal, Etanal, Propanal, Butanal, Pentanal, hexanal, etc.

Cuando el grupo (-CHO) se tiene que nombrar como sustituyente, se utilizan los términos formilo o carbaldehido para

referirse al mismo en la estructura carbonada.

O

H

CHO

O

H

12

34

CHO

O

HOH

CHO

Propanal 3-Metilbutanal 3-hidroxipentanal 2-butenal


39

O

HO

CHO

H H

O

HCHO O

H

CHO

2-oxiranilacetaldehido

Benzaldehído Metanal

(Formaldehído)

Etanal

(Acetaldehído)

CHO

CHO

N

CHO

NH

CHO

Ciclopropancarbaldehído Ciclopentancarbaldehido 3-Formilpiridina 3-Formilpirrolidina

CHO

CHO

NO2

CHO

CHO

CHO

CHO

3,4-

dimetilciclopentancarbaldehido 2-nitrobenzaldehido Ciclohexan-1,2-dicarbaldehído 2,3-dimetilbutandial

El grupo C=O de cetona, se halla siempre al interior de un compuesto alicíclico, se nombran reemplazando la “o” del nombre

del hidrocarburo progenitor por el sufijo ONA. DE existir varios grupos C=O de cetonas se numera la cadena de carbonos que

los contiene, de manera que los localizadores de los grupos cetonas sean los más bajos posible.

O

12

34

5

O

O

12

34

5

O

NH2 O

12

34

5

O

O

12

34

5

3-Metil-2-pentanona 3-Metil-2,5-hexanodiona 3-Amino-2,5-heptanodiona 3-Hepten-2,5-dione

O

O

O

O

Cl

O

Ciclohexanona 1,3-Ciclohexanodiona 2-Clorociclopentanona 2,5-Ciclohexadien-1-ona

El nombre común de las cetonas se forma nombrando primero los dos grupos alquílicos, arílicos o mixtos en orden alfabético

y agregando la palabra “cetona”.

O

O

O

O

Etil n-propil cetona (3-Hexanona)

Alil vinil cetona (1,5-Hexadien-3-ona)

Dimetil cetona (acetona)

Metil ciclohexil cetona (Ciclohexiletanona)

O

O

O

O

O Bencil ciclohexil cetona

(1-cyclohexyl-2-feniletanona) Difenilcetona 1-Ciclopropil-3-pentanona 2,3-Pentandiona


40

2.3.8. Ácidos carboxílicos

Estos compuestos se caracterizan por poseer en su estructura al grupo funcional carboxilo (-COOH), se los nombra con la

palabra inicial ácido y la terminación OICO como si fuesen derivados del hidrocarburo de cadena más larga que contiene al

grupo carboxilo. Se comienza la numeración con el átomo de carbono del grupo carboxilo.

CH3COOH OH

O

COOH

Br

COOH

NO2

F

HOOC COOH

Ácido Etanoico (ác. Acético)

Ác. 3-Bromo-4-metilpentanoico Ác. 2-Fluoro-3-nitro-4-hexenoico Ác. 2-metilpentandioico

Muchos ácidos carboxílicos simples reciben nombres no sistemáticos que hacen referencia a las fuentes naturales de las cuales proceden. Por ejemplo, el ácido fórmico se llama así porque se aisló por primera vez de las hormigas (formica en

latín). El ácido acético, que se encuentra en el vinagre, toma su nombre de la palabra acetum, "ácido". El ácido propiónico da

el aroma penetrante a algunos quesos y el ácido butírico es el responsable del olor repulsivo de la mantequilla rancia.

OHH

O

OH

O

OH

O

OH

O

Ácido fórmico

Ácido acético

Ácido propiónico

Ácido butírico

Tabla No. 5. Nombres de algunos ácidos carboxílicos

Nombre sistemático Nombre trivial Nombre sistemático Nombre trivial

Metanoico Fórmico Etanodioico Oxálico

Etanoico Acético Propanodioico Malónico

Propanoico Propiónico Butanodioico Succínico

Butanoico Butírico Pentanodioico Glutárico

2-Metilpropanoico Isobutírico Hexanodioico Adípico

Pentanoico Valérico Heptanodioico Pimélico

3-Metilbutanoico Isovalérico Octanodioico Subérico

2,2-Dimetilpropanoico Piválico Propenoico Acrílico

Hexanoico Caproico Propinoico Propiólico

Heptanoico Enántico 2-Metilpropenoico Metacrílico

Octanoico Caprílico Trans-2-Butenoico Crotónico

Decanoico Cáprico Cis-2-Butenoico Isocrotónico

Dodecanoico Laúrico Cis-9-Octadecenoico Oleico

Tetradecanoico MIrístico Cis-Butenodioico Maleico

Hexadecanoico Palmítico Trans-Butenodioico Fumárico

Octadecanoico Esteárico 2-hidroxipropanoico Láctico


41

Nombre sistemático Nombre trivial Nombre sistemático Nombre trivial

Hidroxietanoico Glicólico 2,3-Dihidropropanoico Glicérico

Hidroxipropanodioico Tartrónico Hidroxibutanodioico Málico

2,3-Dihidroxibutanodioico Tartárico 2-hidroxi-2,2-difeniletanoico Bencílico

2-hidroxibenzoico Salicílico Metoxibenzoico Anísico

Cuando el grupo –COOH, se halla sustituyendo un hidrógeno de un carbociclo ó de un compuesto aromático, no entra en la

numeración, pero sigue siendo el nombre base de la molécula:

COOH

HOOC COOH

COOH

F

COOH

Ác. Ciclohexancarboxilico Ác. 1,3-Ciclopentandicarboxilico Ác. 2-Fluorociclohexancarboxilico Ác. 3-Ciclohexen-1-carboxilico

COOH

COOH

COOH

COOH N

COOH

Ác. Benzoico Ác. 2-Metilbenzoico Ác. 1,2-Benzendicarboxilico (Ác. Ftálico)

Ác. 3-Piridincarboxilico

2.3.9. Derivados de ácidos carboxílicos

Los halogenuros de ácido, los ésteres, las lactonas, las amidas y las lactamas, se consideran derivados de los ácidos

carboxílicos puesto que se pueden preparar fácilmente a partir de ellos.

2.3.9.1. Anhídridos y Halogenuros de ácido.

a) Halogenuros de ácido. El grupo funcional de los halogenuros de ácido (RCOX) se puede considerar formado por la

combinación carbonilo + halógeno. Se nombran colocando las palabras haluro de, por ejemplo cloruro de y el nombre del

ácido carboxílico del que deriva, según la IUPAC, cambiando la terminación -OICO por -OILO. La terminación del nombre

común del ácido pasa a ILO.

Fórmula Nombre IUPAC Nombre común

HCOCl Cloruro de metanoilo Cloruro de formilo

CH3COBr Bromuro de etanoilo Bromuro de acetilo

(Bromuro de acilo)

(CH3)2CHCOCl Cloruro de 2-metilpropanoilo Cloruro de isobutirilo

Cl

O

Cloruro de benzoilo Cloruro de bencilo

CH CCOCl Cloruro de 2-propinoilo Cloruro de propiolilo

Cl

Br O

Cloruro de 3-bromobutanoilo


42

b) Anhídridos. Son resultado de la deshidratación de dos moléculas de ácido carboxílico. Para nombrarlos, se utiliza el

nombre del ácido que le dio origen después de la palabra “anhídrido”.


HCOOCOH Anhídrido metanoico Anhídrido fórmico

CH3COOCOCH3 Anhídrido etanoico Anhídrido acético

O

O O

Anhídrido propanoico Anhídrido propiónico

(ClCH2CH2CH2CO)2O Anhídrido 4-clorobutanoico Anhídrido -clorobutírico

OO O

Anhídrido butanodioico Anhídrido succínico

O

O O

Anhídrido propanodioico Anhídrido malónico

O

O

O

Anhídrido 1,2-dicarboxílico

Anhídrido Ftálico

2.3.9.2. Ésteres.

Los esteres son el resultado de la condensación de un ácido carboxílico y un alcohol. Los ésteres de bajo peso molecular,

como el acetato de butilo (CH3COOBu) y el acetato de etilo (CH3COOEt) se emplean como disolventes industriales,

especialmente en la preparación de barnices.

O

O

O

O

Acetato de etilo

Acetato de butilo

El olor y sabor de muchas frutas se deben a la presencia de mezclas de ésteres. Por ejemplo, el olor del acetato de isoamilo recuerda al de los plátanos, el propionato de isobutilo al del ron, etc.

O

O

O

O

Propionato de metilo

Propionato de isobutilo

Los ésteres simples se nombran como las sales. Primero se nombra el ácido del que deriva cambiando –oico, por el sufijo –

ato de, más el nombre del sustituyente alquílico o arílico, con la terminación –ilo.


HCOOCH2CH3 Metanoato de etilo Formiato de etilo

CH3COOCH3 Etanoato de metilo Acetato de metilo

CH3COOCH2CH3 , (CH3COOEt) Etanoato de etilo Acetato de etilo

(CH3)2CHCH2COOCH2CH3 3.Metilbutanoato de etilo Isovalerato de etilo


43


CH3OOCH2CH2COOCH3 Butanodioato de dimetilo Succinato de metilo

CH2=CHCOOCH2CH(CH3)2 Propenoato de 2-metilpropilo Acrilato de isobutilo

CH2=CHCH2COOCH2CH2CH3 3-Butenoato de propilo

PhCOOCH2CH3 Benzoato de etilo

EtOOCCH2COOEt Etanodioato de dietilo Malonato de dietilo

En los ésteres complejos5, se pueden nombrar como si fuesen derivados de los hidrocarburos:

-COOCH3 Grupo carbometoxi RCOO- Grupo aciloxi

-COOCH2CH3 Grupo carboetoxi CH3COO- Grupo acetoxi

CH2COOCH3

CHCOOCH3

CH2COOCH3

1,2,3-Tricarbometoxi CH2COOCH3

CH2

CH2COOCH3

1,3-Diacetoxipropano

o

Diacetato de trimetilen glicol

Los ésteres de los ácidos inorgánicos se nombran igual que las sales de éstos.

CH3CH2OSO2OCH2CH3 o (CH3CH2)2SO4 ó Et2SO4 Sulfato de dietilo

Me2SO4 Sulfato de dimetilo

Los ortoésteres se nombran citando el ortoácido hipotético, tal como el ácido ortofórmico, HC(OH)3 o el ácido

ortocarbónico, C(OH)4.

HC(OC2H5)3 Ortoformiato de etilo C(OC2H5)4 Ortocarbonato de etilo

Las grasas, son ésteres compuestos por el glicerol (1,2,3-trihidroxipropano o glicerina) y los ácidos grasos.

CH2COO(CH2)16CH3

CHCOO(CH2)16CH3

CH2COO(CH2)16CH3

CH2COOCH3

CHCOOCH3

CH2COOCH3 Triacetato de glicerilo

(Triestearina)

Triacetato de glicerilo

(Triacetina)

Las ceras, son ésteres compuestos por ácidos grasos y alcoholes complejos o de cadena larga:

CH3(CH2)16COOCH2(CH2)4CH3 Estearato de caprilo

Las Lactonas, son consideradas ésteres cíclicos y son preparadas a partir de reacciones de ciclación intramolecular en un

medio ligeramente ácido, de una molécula que contiene a distancias adecuadas los grupos funcionales ácido carboxílico y

alcohol.

5

HANSCH C. y HELMKA MP G. Sinopsis de Química Orgánica. Problemas y Respuestas. 2da. Edición. Ediciones

Castillo S.A. Madrid.


44

Las lactonas simples se nombran sustituyendo el sufijo –ico u –oico del nombre del ácido carboxílico base por el sufijo –

olactona, así, cuando se usa el nombre IUPAC del ácido, la ubicación del átomo de oxígeno que forma parte del anillo se

indica por un número que antecede al nombre de la lactona; cuando se emplea el nombre común del ácido, la ubicación del átomo de oxígeno se indica por una letra griega: α, β, γ, δ, o ε.

El nombre base considera la cadena continua más larga iniciando la numeración en el carbono del carbonilo.Los nombres comunes se usan con más frecuencia que los nombres IUPAC. La γ y δ latonas son las más comunes, formando así anillos

de 5 y 6 eslabones respectivamente. Están ampliamente distribuidas en la naturaleza especialmente en las plantas.

O

O12

3

45

OO 1

2 3

4

O

O1

2

3

4

5

IUPAC: 3 - Pentanolactona Común: β-Valerolactona

4 - Pentanolactona γ - Valerolactona

5 – Pentanolactona δ - Valerolactona

2.3.9.3. Amidas. Las amidas se pueden obtener por reacción entre un ácido carboxílico y una amina, que puede ser primaria

o secundaria, para generar amidas N-sustituidas:. (Ar)RCONH2, (Ar)RCONHR’, (Ar)RCONR’R”.

Las amidas simples, en el sistema IUPAC, se nombran cambiando la “o” del hidrocarburo original por el sufijo AMIDA, de modo

que tendremos nombres del siguiente tipo:

Metanamida, Etanamida, Butanamida, ciclopentanamida, Bencenamida, tc.

En el sistema común, el sufijo AMIDA reemplaza a la terminación ICO del nombre común del ácido del cual se deriva.


HCONH2 Metanamida Formamida

(CH3)2CHCONH2 2-Metilpropanamida Isobutiramida

CH2=CHCONH2 Propenamida Acrilamida

H2NCOCH2CH2CONH2 1,4-Butanodiamida Succinamida

PhCONH2 Benzamida

PhCON(CH3)2 N,N-dimetilbenzamida

PhNHCOCH3 N-fenilacetamida Acetanilida

NH2

O

3-Butenamida

NH

O

N-Metil-2-propenamida

N-Metilacrilamida


45

Cuando un grupo alquilo o arilo reemplaza al H del grupo amido (-CONH2), esto se indica agregando el prefijo N al grupo

alquílico.

HCON(CH3)2 N,N-Dimetilformamida (o N,N’-dimetilmetanamida)

(CH3)2CBrCONHCH(CH3)2 N – isopropil-α-bromoisobutiramida

Ó N-(1-metiletil)-2-bromo-2-metilpropanamida

Por otro lado, las amidas secundarias y terciarias, pueden nombrarse en base a los siguientes criterios:

Las amidas simples son el resultado de reemplazar un H del NH3. Cuando dos o tres hidrógenos son

reemplazados por grupos acilo, resultan las amidas secundarias y terciarias:

(CH3CO)2NH Diacetamida

(CH3CO)3N Triacetamida

A las amidas secundarias, en especial a las cíclicas, se las llama con frecuencia imidas.

NH

O

O

NH

O O

NH

O

O

Ftalimida piperidine-2,6-dione Succinimida

Úrea. H2NCONH2., Es la diamida del ácido carbónico. Las ureas que tienen como sustituyentes grupos alquilo se nombran

como derivados de la urea. Cuando intervienen grupos alquílicos idénticos, con frecuencia se usan los términos simétrico y

asimétrico para identificar el modo de unión.

NH2 NH2

O

Urea

H3CHN NH2

O

1-Metilurea

H3CHN NHCH3

O

1,3-Dimetilurea

NH2 N(CH3)2

O

1,1-Dimetilurea

Ureidos. Los derivados acilados de la urea, son conocidos como ureidos y son los que explican la formación de un buen

número de fármacos como por ejemplo los barbitúricos.

NH2 NH

O O

NH2 NH

O O

NHNH

O O

O N-carbamoilacetamida

(Acetureído)

N-carbamoilpropanamida

(Propionureído)

Pirimidin-2,4,6(1H,3H,5H)-triona

(ác. Barbitúrico)

Carbamatos (uretanos). Los uretanos son los amido ésteres del ácido carbónico, H2NCOOR. Se nombran como derivados del

ácido carbámico, porque aun cuando no existe este ácido, si existen sus derivados.

H3CHN OCH2CH3

O

(H3CH2C)2N OCH(CH3)2

O

ethyl methylcarbamate

N-Metilcarbamato de etilo

propan-2-yl diethylcarbamate

N,N-Dietilcarbamato de isopropilo

Otros compuestos que también pueden considerarse como derivados del ácido carbámico son: la tioúrea y la guanidina. Sus

derivados se nombran del mismo modo que los derivados de la urea.


46

NH2 NH2

S

NH2 NH2

NH

Tiourea Guanidina

2.3.9.4. Lactamas. A las amidas cíclicas, se las llama lactamas. Se forman por condensación intramolecular entre una amina

y ácido carboxílico contenidos en la misma molécula. El tamaño del anillo de la lactama que se forma depende de la posición

que ocupa el grupo amino en la cadena principal del ácido carboxílico.

OH

NH2

O1

2

34

NH

O

IUPAC. Ácido 3-aminobutanoico 3 – Butanolactama Común: ácido β – aminobutírico 8 - Butirolactama

Por ejemplo, si en el ácido butanoico el grupo amino está en el carbono 4 se forma una lactama de 5 miembros y el nombre IUPAC es 4-butanolactama. Como el nombre común de este ácido es butírico y el grupo amino está en la posición γ, el

nombre común de la lactama es γ – butirolactama.

2.3.10. Nitrilos. El grupo funcional de los nitrilos es el grupo ciano (CN), que está constituido por un átomo de carbono unido

mediante un triple enlace a un nitrógeno.

Uno de los nitrilos más usuales en los laboratorios de Química Orgánica es el acetonitilo,

donde se emplea como disolvente CH3 C N

CH2 C N

CH3 Acetonitrilo Propionitrilo

Se nombran añadiendo la terminación NITRILO al nombre del hidrocarburo correspondiente

C

N

12

34

5

6

5-Metilhexanonitrilo

Ejercicios de aplicación:

Un tipo de ejercicio que permite relacionar la fórmula molecular, fórmula estructural, existencia de isómeros y por lo tanto el

manejo de grupos funcionales, los puntos o centros de insaturación, así como la asignación de nombres a las moléculas, es el siguiente:

Asignar una estructura probable así como sus isómeros más representativos, con sus correspondientes nombres, para las

moléculas que responden a las siguientes fórmulas moleculares:

a) C4H10, C5H10, C5H8, C6H6 y C7H10

b) C4H6Br2, C6H7Cl, C7H10I2, C6H6Br4, C3H2Cl2

c) C4H10O, C4H6O, C6H8O2, C7H8O2,

d) C4H9N, C5H8N2, , C3H7NO, C4H11NS,

Solución.

En todos los casos se entiende que se dispone de las fórmulas moleculares, consiguientemente, para poder bosquejar

estructuras probables para las mismas, se tiene que empezar estableciendo el número de insaturaciones de la misma.

El número de insaturaciones de las moléculas muchas veces se denominan puntos de insaturación o centros de insaturación y una insaturación es equivalente a menos 2H o la presencia de un ciclo si sólo se tiene CH en la fórmula molecular, si éste

contara con oxígeno en la fórmula molecular, el centro de insaturación podría ser un C=O de aldehído o cetona.


47

En todo caso, para establecer el número de insaturaciones se procede de la siguiente manera:

a) Si la molécula contiene sólo C e H. Se compara la relación existente con la que corresponde a un alcano de fórmula

general: CnH2n+2. La deficiencia de cada 2H, equivale a un punto de insaturación. Veamos la solución de las

moléculas del inciso a) de preguntas. NO tomar en cuenta aún la estereoisomería de las moléculas.

C4H10. Esta fórmula molecular responde a la fórmula general de alcano CnH2n+2. Para n=4 se tiene H=10, por lo tanto la molécula es completamente saturada y se pueden postular para la misma, entre otras, las siguientes

estructuras:

CH3CH2CH2CH3

CH3

CH

CH3

CH3

n – Butano Isobutano o 2-Metilpropano

C5H10. Para 5 C se debería tener 12 H, de acuerdo a la fórmula general de los alcanos, como tiene 10 H, existe una

deficiencia de 2H, por lo tanto existirá un centro de insaturación que puede ser un doble enlace o un ciclo. Estas posibilidades se indican a continuación

1-n-penteno 3-Metil-1-buteno 2-penteno 3-Metil-2-buteno

2-Metil-1-propeno Etilciclopropano Metilciclobutano Ciclopentano

C5H8. Para 5 C, esperaríamos contar con 12H, para una sustancia saturada, como sólo existen 8H, hay una

diferencia de 4H, lo que nos indicada que existe dos puntos de insaturación en la molécula. Esto puede

representarse como dos dobles enlaces (dieno o alquino), dos ciclos o una combinación de ambos, es decir un ciclo

y un doble enlace. Estas alternativas podemos verlas a continuación:

1,3-Pentadieno 1,4-Pentadieno 2-Metil-1,3-butadieno 1-Pentino 2-Pentino

3-Metil-1-butino Ciclopenteno 3-metlciclobuteno 1-Metilciclobuteno Metilidenciclobutano

Etenilciclopropano 3-Metilciclopropeno 1,3-

Dimetilciclopropeno

1,2-

Dimetilciclopropeno

1-Metil-2-

metilidenciclopropano

C6H6. Para una molécula saturada de 6C se requiere 14H, por lo tanto hay un déficit de 8H, lo que implica la

existencia de 4 puntos de insaturación en la molécula. Estructuras posibles compatibles con la anterior información, son las siguientes:


48

CH2

1,5-Hexadien-3-ino 2,4-Hexadiino 1,3-Hexadiino 1,4-Hexadiino

Las otras alternativas están relacionadas con estructura de cicloalifáticos y cicloaromáticos. Las estructuras que

se indican no son exhaustivas, existen aún otras estructuras que pueden responder a la misma fórmula molecular

Benceno 1,1'-bi(2-ciclopropen-1-il) 3-Etinilciclobuteno 3-(prop-1-in-1-il)ciclopropeno

1-Metilspiro[2.2]-1,4-

pentadieno

Biciclo[2.2.0]-1,4-hexadieno

Biciclo[2.2.0]-1(4),2-hexa-

1(4),2-dieno

Biciclo[2.2.0]-2,5-hexadieno

C7H10. Para 7C, una molécula saturada debería de presentar 16 H, sin embargo sólo se tiene 10H, presentándose un

déficit de 6H, lo que equivale a 3 insaturaciones. Las siguientes moléculas, pueden corresponder a la fórmula

molecular.

1,3,5-Heptatrieno 1,3,6-Heptatrieno 3-Metil-1,3,5-Hexatrieno 3-Etenil-1,4-pentadieno

4-Hepten-1-ino 5-Hepten-1-ino 1-Hepten-6-ino 1-Hexen-4-ino

3-(ciclopropilmetil)ciclopropeno 1-Butinil-1-ciclopropano 1-Propinil-1-ciclobutano Etinilciclopentano

1,3.Butadienil-1-ciclopropano Spiro[3.3]-1-hepteno 1,4-Dimetil-1,3-ciclopentadieno 3-[1-propen-1-il]ciclobuteno

5-Metil-1,3-ciclohexadieno 3-Metilidenciclohexeno 3-Ciclopropilciclobuteno 2-Ciclopropen-1-ilciclobutano

b) El grupo de moléculas propuestas en este grupo están formadas por C, H, X (X = halógeno), como el halógeno es monovalente, es contado en la fórmula molecular como si fuesen H.


49

C4H6Br2: Para una molécula saturada de 4C, se requieren 10H. Como la molécula contiene 8H (los halógenos se

cuentan como H), el déficit de 2H, nos muestra un centro de insaturación. Por lo tanto se tendrá un enlace doble o

ciclo en las estructuras a proponerse:

Br

Br

Br

Br

Br

Br

Br

Br

Br

Br

1,2-dibromobut-1-eno 3,4-dibromobut-1-eno 3,3-dibromobut-1-eno 4,5-dibromopent-1-eno 1,1-dibromobut-2-eno

Br

Br

Br

Br

Br

Br Br Br

Br

Br

1,4-dibromobut-2-eno

(dibromometil)ciclopropa

no

1,2-dibromociclobutano 3-bromo-2-

(bromometil)prop-1-ene

1,3-dibromociclobutane

C6H7Cl. Por lo anteriormente explicado, en este caso, la molécula tiene tres centros de insaturación.

Cl Cl

Cl Cl

Cl

3-cloro-1-hexen-5-ino

6-cloro-4-hex-1-ino

1'-cloro-1,1'-

bi(ciclopropan)-2-

eno

1-cloro-1,1'-

bi(ciclopropan)-2-ene

3-cloro-1,4-

ciclohexadieno

Cl

Cl

Cl

Cl

Cl

1-(2-cloroetil)-1,3-

ciclobutadieno

2-cloro-3-metil-1,3-

ciclopentadieno

5-(clorometil)-1,3-

ciclopentadieno

2-

clorobiciclo[2.2.0]hex-

1(4)-eno

1-

Clorobiciclo[2.2.0]hex-

2-ene

C7H10I2. Se tiene 2 puntos de insaturación, las estructuras que justifican los datos son:

I

I I

I

I

I

I

I

3,4-diiodo-1,6-heptadieno

1-iodo-1-(1-

iodociclopropil)ciclobutano

1,1-diiodo-4-

metilidenciclohexano

3,4-diiodo-1,2-

dimetilciclopenteno

I

I

I

I

I

I

I

I 6-iodo-5-(iodometil)-2-hexino 3,4-diiodobiciclo[4.1.0]heptano 4,5-diiodo-1-metilciclohexeno 1,5-diiodobiciclo[3.2.0]heptano

C6H6Br4: Como los halógenos se cuenta como H, hay un déficit de 4H, entonces existen dos centros de insaturación.

Y las estructuras que pueden escribir en concordancia con los 2 centros de insaturación, son las siguientes:


50

CHBr2

CHBr2

Br

Br

Br

Br

Br2HC

Br2HC

BrBr

Br

Br

1,1,6,6-tetrabromo-2,4-hexadieno 3,3,4,4-tetrabromo-1,5-

hexadieno

5,5-dibromo-4-

(dibromometil)-1,3-

pentadieno

4,4,5,5-tetrabromo-1-hexino

CHBr2

Br2HC

Br

Br

Br

Br

Br

Br

Br

Br Br

Br

1,1,6,6-tetrabromo-3-hexino 1,1'-dibromo-1,1'-bi(ciclopropil) 2,3,5,6-

tetrabromobiciclo[2.2.0]

hexano

1,2,4,5-tetrabromociclohexeno

Br

Br Br

Br

Br

Br Br

Br

Br

Br Br

Br

CHBr2

CHBr2

1,3,4,6-tetrabromociclohexeno 1,2,3-tribromo-5-

(bromometil)-4-

metilciclopenteno

1,2,3-tribromo-4-

(bromometil)-5-

metilidenciclopentano

3-(1,1,3,3-tetrabromo-.2-

propanil)ciclopropeno

c) El grupo de moléculas propuestas está formado por C, H, O (C4H10O, C4H6O, C6H8O2, C7H10O2,). Para hallar el número

de insaturaciones en este tipo de moléculas es suficiente sustituir un O por –CH2-. Como las fórmulas que sólo

difieren en el número de unidades CH2 tienen el mismo grado de insaturación (serie homóloga) los oxígenos pueden

ignorarse en el cálculo, así como cualquier otro elemento divalente por ejemplo S.

C4H10O. Ignorando la presencia de O en el cálculo, se observa que para 4C son necesarios 10H, en una molécula

saturada. Por consiguiente no existen centros de insaturación en la molécula y por la presencia del oxígeno se

puede suponer, que se trata de un tipo de alcohol ó éter:

OH

…. OH

…………. OH

1-n-butanol 2-butanol 2-Metil-1-propanol

O O

1 OH Metil-n-propil éter Dietiléter Ter-Butanol

C4H6O. Hay un déficit de 4H, por tanto se tiene 2 centros de insaturación. Los mismos pueden ser dobles enlaces,

un triple enlace, dos ciclos, un ciclo y un doble enlace o compuestos con carbonilo (C=O) de aldehídos o cetonas,

OH

OH

OH

O

(1E)-1,3-Butandien-1-ol 2-Butin-1-ol 3-Butin-1-ol 3-Metoxi-1-propino

O OH

CHO

O


51

(eteniloxi)eteno 2-Ciclopropen-1-ilmetanol Ciclopropancarbaldehido 2-Eteniloxirano

CHO

CHO

O

H

O (2E)-2-Butenal 3-Butenal 3-Buten-2-ona 2-Metil-2-propenal

O

OH

OH

O

Ciclobutanona 1-Ciclobuten-1-ol 2-Ciclobuten-1-ol 2-Metilidenoxetano

O

O

O

O

3-Metilidenoxetano 2,3-Dihidrofurano 2,5-Dihidrofurano 3-Metoxiciclopropeno

C6H8O2: Existen un déficit de 6H, para formar una molécula saturada de hidrocarburo, lo que implica que la

molécula tiene 3 puntos de insaturación. La presencia de 2O, permite vislumbrar estructuras que contengan 2

grupo C=O de aldehídos o centonas o combinadas, así como un dobles enlaces o ciclos acompañado de –COOH ó

COOR, también es posible idear cicloalquenos que contengas 2 OH.

COOH

CHO

O

O

O Ác. 2,5-Hexadienoico 5-Oxa-2-hexenal 3-Hexen-2,5-diona

O O

COOH

CHO

OH

5-Hexen-2,4-diona Ác. 4-hexinoico 3-Hidroxi-5-hexinal

COOMe

CHO

CHO

COOH

4-Pentinoato de metilo Ciclobutan-1,2-dicarbaldehido Ác. Ciclobutilidenacético

O

O

O

O

COOH

2,3-Dimetil-1,4-dioxano 2,5-Dimetiliden-1,4-dioxano Ác. 1-Ciclopenten-1-carboxílico

COOH

O

OH

OCHO

Ác. 3-Ciclopenten-1-carboxílico (5-metil-2-furanil)metanol 5-metil-4,5-dihidrofuran-2-carbaldehído


52

O

O

O

O

OH

OH

1-(4,5-dihidrofuran-2-il)etanona 1,3-Ciclohexandiona 1,4-Ciclohexandien-1,3-diol

C7H8O2: Esta es una molécula que tiene 8H de déficit, razón por la cual contarán con 4 centros de insaturación. La

presencia de 2O, permite realizar una gran variedad de combinaciones de los tipos de insaturación.

COOH

CHO

CHO

CHO

O

Ác. 2,4,6-Heptatrienoico 3-Metilhexa-2,4-diendial 6-Oxa-2,4-heptadienal

O

O

O

O

O

OH

3,6-Heptadien-2,5-diona 2-Metil-2-ciclohexen-1,4-diona 5-Hidrox-2-metil-2,5-ciclohexadien-1-ona

OHOH

OH

OH

OH

OH 5-Metil-1,3-bencenodiol 3-(hidroximetil)fenol 2-Metil-1,4-bencenodiol

OMe

OH

CHO

OH

O

O

4-Metoxifenol 5-Hidroxi-2,4-ciclohexadien-1-carbaldehido 2-Propil-4H-4-piranona O

O O

O

O

O

2-(1-propen-1-il)-1,4-dioxina 1-(4H-2-piranil)etanona 1-(2-furanil)-1-propanona O

O

O

OH

2-(2-propen-1-iloxi)furano 1-(2-furanil)-2-propen-1-ol


53

d) El grupo de moléculas en esta sección contienen C,H,N y en algún caso, otro átomo divalente. Cuando existe

nitrógeno en la molécula éste se sustituye por CH, para efectuar el cálculo de los centros de insaturación, lo mismo

ocurrirá si se tiene P. El nitrógeno participará de centros de insaturación en ciclos, iminas, hidroxilaminas y

nitrilos. C4H9N, C5H8N2, C3H7NO, C4H11NS, C6H8N2

C4H9N: Como tiene un N, se debe agregar un CH a la molécula para efectos de cálculo de las insaturaciones, así se

tendrá C5H10, molécula que presenta un punto de insaturación. Estructuras probables pueden ser las siguientes:

NH2 NH2 NH2 NH 1-Buten-1-amina 2-Buten-1-amina 3-Buten-1-amina 1-Butanimina

NH2

NH2

NH2

NH

2-Buten-2-amina 3-Buten-2-amina 1-Buten-1-imina 2-Butanimina

N

N

NH

NH

N-Etilidenetanamina N-1-propilidenmetanamina

N-Metil-1-propen-1-amina N-Etiletenamina

N

NH2

NH2

N

N,N-Dimetilenetenamina 1-Ciclopropilmetanamina Ciclobutanamina 1-Etilaziridina

N

NH

NH2

NH

1-Metilazetidine Pirrolidina 2,3-

Dimetilciclopropanamina 2,3-Dimetilaziridina

C5H8N2: Para determinar los centros de insaturación, la molécula se transforma en C7H10 (se adiciona 2 CH a la

fórmula molecular inicial en reemplazo de los 2N). De modo que se presenta un déficit de 6H, lo que equivale a 3

centros de insaturación.

NH

NH2

N

N

N

NH2

1,4-Dihidropiridín-4-amino 1-Metil-1,2-dihidropirazina (4H)Piridin-1-amino

N

NH

N

N

N

N

2-etenil-2,5-dihidro-1H-imidazol 4-Etil-4H-pirazol 2-Etil-4H-imidazol


54

N

NH

N

NH2

N

N

1-(azet-1(2H)-il)etanimina 2,3-Dihidropiridin-3-amino

2-Metil-2,5-dihidropirazina

NNH2 NH

NH2

N

N

5,6-Dihidropiridin-2-amino 1,6-Dihidropiridin-3-amino

2-Metil-4,5-dihidropirimidina

N

N

N

N

4-Metil-4,5-dihidropiridazina 5-Metil-2,3-dihidropirazina

C3H7NO, Para determinar el número de insaturaciones, el O no se toma en cuenta en el cálculo y el N, es sustituido

por CH. De modo que se tiene la siguiente fórmula: C4H8, lo que arroja un centro de insaturación. Estructuras

probables las vemos a continuación:

NH2

O

NH

O

H NH

O

H N

O Propanamida N-Metilacetamida N-Etilformamida N,N-Dimetilformamida

NH2

O

H

NH

O

H

NH2

O

NH

OH

1-Amino-2-propanona (metilamino)acetaldehído 2-Aminopropanal 1-Imino-2-propanol

H

N

OH

H

NH

OH

NO

NO

2-(metilimino)etanol 2-Imino-1-propanol 2-Nitrosopropano 1-Nitrosopropano

NH

OH

N

OH

O

NH

O

NH2

N-Hidroxiciclopropano Aziridinilmetanol N-Metilamina-2-oxirano 1(oxiran-2-il)metanamina

O

NH2

N

O

NH

O

O

N

2-aminooxetano 2-Metil-1,2-oxazetidina 3-Metil-1,2-oxazetidina 3-Metil-1,3-oxazetidina


55

O

NH

O

NH

NH

OH

N

OH

1,2-Oxazolidina 1,3-Oxazolidina 3-Azetidinol 1-Azetidinol

NH

OH

NH

O

2-Aziridinilmetanol 2-Metoxilaziridina

C4H11NS. Debido a la presencia de N, se agrega CH y se ignora el S, para el cálculo de las insaturaciones en la molécula, C5H12,

Se puede ver que la molécula es saturada y no existen insaturaciones en la misma. Estructuras probables, pueden ser las siguientes:

NH2

SH

NH

SH

N

SH NH2

SH

4-Amino-1-butanotiol 2-(etilamino)etanotiol 2-(dimetilamino)etanotiol 4-Amino-2-butanotiol

NH2

SH

S NH2 S

NH2 NH2

SH

1-Amino-2-butanotiol 3-(metilsulfanil)-1-

propanamina

2-(etilsulfanil)etanamina 1-Amino-1-butanotiol

NH2

SH

SH

NH2

S NH2 N SH

1-Amino-2-metil-1-

propanotiol

1-amino-2-metil-2-propanotiol 1-(propilsulfanil)metanamina étilmetilaminometanotiol

Prueba de Dominio:

2.1. Escribir, al menos cuatro isómeros, para cada una de las siguientes fórmulas moleculares y al mismo tiempo asignarles un nombre.

a) C8H14O2 b) C6H10Br2O c) C5H8O d) C8H11N e) C8H9NO f) C14H12N2O3 g) C7H10Br2O

2.2. Nombre las siguientes moléculas:

a). C2H5CH=CHCOOC6H5 b).- (CH3OCH2CO)2O c) NH(CH2CH2O)2 d) BrCH2COBr

e) CH3CO2NH2 f) C6H5CONH2 g) H2NCH2CONH2 h) ClCH2COOCH3

2.3. Escribir los nombres de los alcoholes primarios normales que tengan el siguiente número de átomos de carbono: 12, 13,

17, 25, 33.

2.4. a) ¿cuántos dodecanoles secundarios normales pueden existir?

b) ¿cuántos alcoholes pueden formarse si se sustituye un hidrógeno por un –OH, en el 2,4-dimetilhexano?


56

c) Nombrar y clasificar a cada uno de los alcoholes de b).

2.5. Escribir la fórmula estructural de cada uno de los siguientes compuestos:

2,5-dimetil-3-hexanol

2-cloro-7-bromononadecano

2,3,5-trimetil-3,4-dietil-4-octanol

2,2-dimetil-3,3-dietill-1-pentanol

4.cloro-6-isopropoxi-2-hexanol

4-cloro-2,2-dimetilciclohexanol

1-metil-2-etil-4-isoamilciclohexano

2-cloro-6-(1-metilhexil)-hexadecano

3-iodo-5-metilcicloheptano

3-metoxi-1,2-propanodiol

3,4,5.trimetil-4-metoxiheptano

1-cloro-2-metoxietano

1-metilbutilciclohexano

4,6,8-trimetil-8-(1,3-dimetilbutil)heptadecano

2.6. ¿Cuál es el nombre correcto para el siguiente compuesto?

OH

1,1-dimethyl-2-cyclohexenol

3,3-dimethyl-1-cyclohexen-6-ol

6,6-dimethyl-1-cyclohexen-3-ol

4,4-dimethyl-2-cyclohexenol

2.7. Nómbrense los compuestos siguientes: OH

OH

OH

Br OH

OH OH

OH

Cl OH F

OH

Cl

Cl

Br

H3CO OCH2CH3

OEt

OEt

OEt

CH2 O CH2 Ph

CHO

O COOEt

Ph


57

3

EFECTOS DE LA ESTRUCTURA SOBRE LA REACTIVIDAD

Y PROPIEDADES MOLECULARES

Al intentar la correlación entre la estructura y la reactividad de las moléculas, se deben tomar en cuentas, que los mismos se han agrupado hasta la fecha en tres grandes categorías: efectos inductivos y de campo (o electrostáticos), efectos de

resonancia (conjugación o mesomérico) y efectos estéricos. Esta división, si bien no está basada en la termodinámica, está de acuerdo con el pensamiento moderno de los químicos orgánicos.

3.1. Efectos Inductivo y de campo

La diferente electronegatividad de los átomos que constituyen las moléculas orgánicas, y las interacciones secundarias entre

sus orbitales, provocan la aparición de ciertos efectos de polarización y deslocalización electrónica. Uno de ellos es el efecto inductivo que se puede definir como la polarización de un enlace provocada por un átomo o un grupo atómico y que se transmite a lo largo de una cadena carbonada. Y a la acción electrostática transmitida a través de un espacio vacio o a

través de las moléculas de solvente como efectos de campo, pero ha resultado muy difícil la diferenciación experimental de

estos dos “efectos”6. Los efectos inductivo y de campo, no sólo se originan a partir de cargas iónicas, sino también de la

acción de dipolos dentro de la molécula reaccionante. Por ejemplo, en la molécula de cloroetano existe un enlace C-Cl

polarizado debido a la diferencia de electronegatividad entre el carbono y el cloro.

Como consecuencia de ello, sobre el átomo de cloro existirá una fracción de carga negativa y sobre

el átomo de carbono una fracción de carga positiva. Este átomo de carbono cargado positivamente

atraerá hacia sí los tres pares de electrones que le unen a los otros tres átomos y por tanto en el

otro átomo de carbono de la molécula aparecerá una fracción de carga positiva, aunque menor que en el átomo de carbono unido directamente al cloro.

C C

Cl

H

H

H

HH

Polarización de enlaces

en el cloroetano

El efecto inductivo es permanente y por tanto no es un fenómeno que ocurra en un momento dado en la molécula. Hay que

tener en cuenta que el efecto inductivo decrece rápidamente al aumentar la distancia al origen del desplazamiento

electrónico, y en la práctica se puede despreciar a partir del segundo átomo de la cadena. El efecto inductivo no supone

deslocalización de la densidad electrónica sino simplemente acercamiento de ésta a uno de los átomos, quedando los

electrones en su orbital.

El efecto inductivo puede ser electrón-atrayente, como el del átomo de cloro en el cloroetano, o

electrón-dador como el del grupo alquilo en la molécula anterior. El efecto inductivo se representa

transformando el enlace en una flecha y se indica como +l o –l, según el efecto sea electrón-dador o electrón-atrayente.

C C

Cl

H

H

H

HH

Tomando como referencia el H, cuyo efecto inductivo se considera 0, aquellos átomos, o grupos de átomos, cuya

electronegatividad es mayor que la del C tienen efecto inductivo –l. Este tipo de átomos, o grupos de átomos, se clasifican

como electrón-atrayentes, ya que atraen hacia sí el par de electrones del enlace dejando sobre el átomo de carbono al que

están unidos una densidad de carga positiva

Por otro lado, aquellos átomos, o grupos de átomos, que tienden a desplazar la densidad electrónica sobre el átomo de

carbono al que están unidos se dice que tienen un efecto inductivo +I, y se clasifican como grupos electrón-dadores. En este grupo se incluyen los grupos alquílicos, los metales, y los grupos cargados negativamente. En la siguiente tabla se da una

clasificación de los principales grupos orgánicos según sus efectos inductivos electrón-atrayentes o electrón-dadores.

6 GOULD E.S. Mecanismos y Estructuras en Química Orgánica. Pág. 224 Edit. Kapelusz.


58

Tabla No. 6. Efectos inductivos de los sustituyentes más comunes

Efecto decreciente Grupos –I

(atractor de electrones)

Grupos +I

(dador de electrones)I

-NH3+ -O2-

-NR3+ -COO-

-NO2 -CR3

-CN, ( C N ) -CHR2

-COOH -CH2R

-COOR -CH3

-CHO

-COR

-F

-Cl

-Br

-I

-OH

-OR

-SH

-SR

-CH=CH2

-CR=CR2

C C H

-Ph

Efecto inductivo y la fuerza ácida El efecto inductivo, se ha aplicado al estudio de la ionización de los ácidos carboxílicos, representativo de los ácidos de

Bronsted. Para dicha ionización (disociación) cualquier variación de la estructura que facilite la eliminación de iones hidrógeno de la molécula del ácido o que impida su retorno al anión carboxilato, deberá aumentar la constante de ionización

del ácido; es decir, disminuir la energía libre de ionización.

En 1923 Brönsted y Löwry definieron un ácido como una sustancia capaz de ceder protones y una base como una sustancia

capaz de aceptar protones. Según esta definición, cualquier compuesto que contenga un H en su estructura puede

potencialmente actuar como ácido y cualquier compuesto con un par de electrones solitario puede actuar como una base. Las dos especies, ácido y base, se necesitan en cualquier reacción de transferencia de protones, puesto que si un ácido cede

un protón ha de haber una base que lo acepte.

Por eso las reacciones de transferencia de protones se las conoce con el nombre de reacciones ácido-base. Cuando un

compuesto pierde un protón, la especie que se genera es su base conjugada. De la misma forma, cuando un compuesto acepta un protón, la especie generada es su ácido conjugado. Cuanto más fuerte es el ácido más débil será su base


59

conjugada y viceversa. Se podría decir que la basicidad es una medida de la capacidad que posee un compuesto para

compartir sus electrones con un protón.

La fuerza de un ácido depende de la capacidad para donar protones. Cuando un ácido se disuelve en agua se disocia hasta

alcanzar un equilibrio en el que coexisten especies iniciales (ácido) y finales (base conjugada). Este equilibrio viene definido por una constante que se denomina constante de disociación ácida (Ka). La constante de acidez es una medida de la fuerza

del ácido, de manera que cuanto mayor sea su valor más fuerte será el ácido (mayor facilidad para donar el protón). La acidez también se puede expresar como pKa, que se define como logaritmo negativo de Ka.

Cuanto menor sea el pKa mayor será la acidez del compuesto. Hay que tener presente que la acidez y basicidad son

conceptos termodinámicos: no importa la velocidad a la que se alcance el equilibrio sino la posición de éste. Un ácido fuerte

es el que tiene una elevada Ka, lo que significa que el equilibrio está muy desplazado a la derecha, lo que a su vez implica una

gran estabilización termodinámica de la base conjugada en relación con el ácido que la genera. Determinados compuestos

orgánicos poseen características ácidas. Los más importantes son:

Los ácidos carboxílicos (RCOOH) con pKa del orden de 3 a 5. Estos compuestos son, al igual que el agua, anfotéricos

y por tanto capaces de actuar como ácidos o como bases.

Los alcoholes, mucho menos ácidos que los ácidos carboxílicos, con valores de pKa alrededor de 16. Son también

anfóteros.

Las sales de amonio, ácidos conjugados de las aminas, con valores de pka entre 5-10. Son más ácidos que los

alcoholes.

La tabla siguiente compara los valores de pKa (en agua a 25| C) de una serie de ácidos alifáticos con los del ácido acético.

(Recuerde, que una constante de ionización grande corresponde a un valor pequeño de pKa).

TABLA. No. 7. Valores pKa de algunos ácidos carboxílicos7

Ácido pKa Ácido pKa Ácido pKa

CH3COOH 4.80 FCH3COOH 2.66 HOCH2COOH 3.83

(CH3)2N+CH2COOH 1.83 ClCH2COOH 2.86 NCCH2COOH 2.43

H3N+(CH2)4COOH 4.27 Cl2CHCOOH 1.30 HOOCCH2COOH 2.83

-O2CCH2COOH 5.69 Cl3CCOOH 0.65 CH3CH2COOH 4.88

-O2C(CH2)4COOH 5.41 Cl(CH2)2COOH 4.0 (CH3)3CCOOH 5.05

HCOOH 3.77

En la primera columna, se observa el efecto de introducir un sustituyente cargado. Como se esperaría de simples

consideraciones electrostáticas, la introducción de un centro positivo, tal como (CH3)3N+ o NH3+, acelera la salida del ión H+

del grupo –COOH.

El efecto es grande (aumenta el valor de Ka unas mil veces) para (CH3)3N+CH2COOH, en el cual el centro positivo se halla

cercano al grupo carboxilo; en cambio, es mucho menor aumenta unas tres veces el valor de Ka) para el NH3+(CH2)4COOH, en

el cual el centro positivo se halla alejado del grupo carboxilo en cinco átomos. Esto está nuevamente de acuerdo con

nuestros conocimientos sobre el hecho de que las interacciones electrostáticas se debilitan cuando aumenta la distancia entre las cargas.

7

Idem a 6, pag. 221


60

En forma inversa, la aintroducción de una carga negativa deberá aumentar la

energía necesaria para extraer un ion H+ y debe por lo tanto, debilitar el ácido.

La sustitución de un hidrógeno alfa (α) por un grupo –COO- en el ácido acético

dará el ión malonato. –O2CCH2COOH.

CH2

O

O

O

O

1

2

3

4

ión malonato

CH3

O

O

1

2

ión acetato

Sin embargo, se debe tener cuidado al comparar la fuerza de este ácido con la del ácido acético, porque el ión malonato

posee cuatro lugares básicos equivalentes, mientras que el ión acetato sólo tiene dos.

En la segunda columna de la Tabla 4, se puede observar que la sustitución de un hidrógeno alfa (α) por cloro o flúor, en el

ácido acético, lo refuerza, y que una posterior sustitución de dos o tres átomos de cloro produce un incremento adicional de la acidez. Similarmente el ácido glicólico, HOCH2COOH, el cual el átomo de hidrógeno α del ácido acético hue reemplazado por

el átomo electronegativo de oxígeno del grupo –OH, posee una acidez 10 veces superior al ácido acético.

La sustitución de un hidrógeno β por cloro, en el ácido propiónico, también incrementa la acidez, pero, de acuerdo con lo

previsto, este incremento es bastante menor que el de una sustitución en α, porque el grupo atrayente de electrones se

encuentra algo más alejado del lugar de reacción. Los desplazamiento de electrones asociados con efectos inductivos, a

veces se indican por cabezas de flechas, unidad a las uniones en las fórmulas estructurales y señalando la dirección en la cual se desplaza la densidad electrónica.

Por lo tanto, los efectos inductivos de los átomos de cloro en los ácidos dicloroacético y β-

cloropropiónico se pueden representar:

C C

O

OCl

H

Cl H

C C

O

OH

H H

C

H

ClH

NO se debe perder de vista que en una molécula no sólo actúa el efecto inductivo sobre la reactividad de la misma,

La variación de la acidez provocada por el efecto inductivo de los grupos, tambén se pone de manifiesto en los alcoholes. Así,

el 2,2,2-trifluoroetanol (CF3CH2OH, pKa = 12.8) es mil veces más ácido que el etanol (pKa = 15.9), porque el anión

trifluoroetóxido está más estabilizado que el etóxido debido al efecto atrayente sobre la carga negativa que ejercen los

átomos de flúor.

OH+ H2O O + H2O pKa = 15.9

F3C OH + H2O F3C O + H2O pKa = 12.8

En la siguiente tabla se comparan las constantes de disociación ácida de algunos alcoholes:

Tabla No. 8. Valores de pKa de algunos alcoholes

Alcohol Estructura pKa

Metanol CH3OH 15.5

Etanol CH3CH2OH 15.9

2-Cloroetanol ClCH2CH2OH 14.3

2,2,2.Trifluoroetanol CF3CH2OH 12.4

Isiopropanol CH3(CH3)CHOH 18.0

t-Butanol (CH3)3COH 19.0

Ciclohexanol C6H11OH 18.0 Fenol C6H5OH 10.0


61

Comparación con otros ácidos:

Agua H2O 15.7

Ácido acético CH3COOH 4.8

Ácido clorhídrico HCl -2.2

Efecto inductivo y fuerza básica.

Según la definición de Brönsted y Löwry una base es una sustancia capaz de aceptar protones, y por tanto cualquier

compuestos con un par de electrones solitario puede actuar como una base. Cuando un compuesto acepta un protón, la especie generada es su ácido conjugado. La fuerza básica se puede medir por la constante de basicidad Kb (o pKb = -logKb)

de manera que las sustancias que presenten constantes de basicidad elevadas (pKb pequeña) se comportan como bases fuertes y si tienen constantes de basicidad pequeñas (pKb grandes) se comportan como bases débiles.

Las bases más usuales de la Química Orgánica son las aminas. Una amina puede actuar como base de Bronsted-Lowry aceptando el protón de un ácido. Cuando una amina se disuelve en agua se observa un importante aumento del pH, lo que se

explica por la sustracción del protón del agua, lo que genera un catión amonio y un anión hidroxilo.

Cualquier característica estructural y/o electrónica que estabilice al ión amonio (en relación con la amina libre) desplaza la

reacción hacia la derecha, haciendo que la amina sea una base más fuerte. Por el contrario, cualquier característica

estructural y/o electrónica que tienda a estabilizar a la amina libre (en relación con el ión amonio) desplaza la reacción hacia

la izquierda, haciendo que la amina sea una base más débil. Las alquilaminas son bases más fuertes que el amoniaco.

Por ejemplo la metilamina (amina

primaria, pKb= 3.36, es más básica que el amoniaco, pKb= 4.74.

La diferencia de basicidad entre la

metilamina y el amoníaco se explica

por el efecto electrón-dador de los

grupos alquilo.

NH

H

H

H O

H

NH

H

HH

+ OHpKa = 4.74

NCH3

H

H

H O

H

NCH3

H

HH

+ OHpKa = 3.36

En el caso de la metilamina, el grupo metilo ayuda a estabilizar la carga positiva del nitrógeno, lo que provoca una

disminución de la energía potencial del catión metilamonio y desplaza el equilibrio hacia la derecha.

Siguiendo el anterior razonamiento, se debería esperar que las aminas secundarias fuesen bases más fuertes que las aminas

primarias, y las aminas terciarias fuesen bases más fuertes que las aminas secundarias. La situación real es más

complicada debido a la solvatación.

Como los iones amonio tienen carga positiva, están fuertemente solvatados por el agua y la energía de solvatación

contribuye a aumentar su estabilidad. Si el átomo de nitrógeno en el catión amonio presenta muchos grupos alquilo, caso de las aminas secundarias y terciarias, la solvatación se ve dificultada porque las moléculas de agua no se pueden acercar al

átomo de nitrógeno que porta la carga positiva.

Por tanto, los grupos alquilo sobre los átomos de nitrógeno en las aminas ejercen dos efectos contrapuestos: por una parte estabilizan al catión amonio por efecto inductivo electrón-dador, pero por otra desestabilizan al catión amonio al impedir una

buena solvatación. Como resultado de todo ello, las aminas primarias, secundarias y terciarias muestran valores semejantes

de basicidad.

En fase gaseosa no puede actuar el efecto de solvatación del catión amonio y en este caso el efecto inductivo electrón-dador hace que una amina terciaria sea más básica que una amina secundaria y ésta más básica que una amina primaria.


62

3.2. Efecto conjugativo, de resonancia o mesomérico

A pesar de la importancia del efecto inductivo, a veces falla cuando se trata de predecir la diferencia de reactividad entre los

compuestos aromáticos. Considerando sólo el efecto inductivo, por ejemplo, podría predecirse que el ácido p-hidroxibenzoico

es un ácido más fuerte que el benzoico, mientras que experimentalmente se halla como verdadera justamente la situación inversa. Igual, si usando el efecto inductivo se señala que el m-nitrofenol es un ácido más fuerte que su isómero para, nos

encontraríamos de nuevo que es la inversa la que se cumple. De igual modo, el efecto inductivo, por sí solo, no puede explicar la gran diferencia entre las basicidades de la anilina y la bencilamina (la bencilamina es 50000 veces más básica que la

anilina)

La transmisión de los efectos eléctricos a lo largo de la cadena de enlaces sigma () de una molécula alifática es muy

diferente en carácter de la transmisión de los efectos que involucran electrones pi () que pertenecen a un sistema

conjugado. En el primer caso (el efecto inductivo) tiene lugar una descarga de polarización de electrones, que disminuye a

medida que uno se mueve a lo largo de la cadena alifática, alejándose del polo primario.

Por el contrario, una variación en la densidad electrónica sobre un átomo del sistema conjugado puede transmitirse a

través de la “corriente de electrones ” asociada con todo el sistema, con todos los átomos lejanos al lugar de perturbación

afectado en igual grado que los átomos cercanos al mismo. Esta forma de transmisión se denomina efecto de resonancia o

de conjugación, debido a que se puede describir fácilmente usando el lenguaje de resonancia.

El efecto de resonancia o conjugativo aparece en las moléculas orgánicas cuando:

a) Hay enlaces múltiples conjugados, que son los enlaces dobles ó triples, separados por un enlace simple.

b) Hay enlaces múltiples contiguos a átomos que contienen pares electrónicos libres.

El efecto conjugativo o de resonacia consiste en el paso de un par de electrones compartido entre dos átomos a uno sólo de

ellos, ó en la compartición entre dos átomos de un par de electrones perteneciente a uno sólo de ellos. Este efecto, ha

recibido otros nombres como efecto mesómero, de resonancia, tautómero, electrómero y distintas notaciones M, E, T, etc.

Actualmente se ha impuesto el nombre de efecto conjugativo y la notación K, inicial de Konjugativ en Alemán.

La molécula de butadieno se puede representar con la estructura de Lewis I, que contiene dos enlaces dobles C-C conjugados

(separados por un enlace simple C-C). El efecto conjugativo permite describir la estructura del butadieno con una estructura de Lewis adicional que contiene un enlace doble y dos cargas de signo opuesto en los extremos de la molécula.

Como se acaba de indicar, al efecto conjugativo también se le

conoce como efecto resonante o mesomérico. De hecho, las

estructuras I y II no son más que las dos estructuras

resonantes mediante las que se puede describir al híbrido de resonancia del butadieno

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

I II

Según las reglas de las estructuras resonantes, la estructura resonante II contribuirá muy poco al híbrido de resonancia por tres motivos:

1) Tiene menos enlaces que la estructura resonante I.

2) El átomo de carbono cargado positivamente no tiene el octeto completo.

3) La estructura resonante comporta separación de cargas.

Otro ejemplo de efecto conjugativo es el que aparece en la

molécula de cloruro de vinilo. Este compuesto se puede

describir mediante las dos estructuras de Lewis I y II, como se indica en la siguiente figura:

H

Cl

H

H

I II

H

Cl

H

H


63

La estructura de Lewis I es una estructura resonante que describe con bastante exactitud a la molécula de cloruro de vinilo.

Sin embargo, el efecto conjugativo entre el doble enlace y uno de los pares electrónicos solitarios del cloro permite escribir la estructura de Lewis II. Las estructuras I y II no son más que las dos estructuras resonantes mediante las que se puede

describir al híbrido de resonancia del cloruro de vinilo. La estructura resonante II contribuirá menos al híbrido de resonancia porque comporta separación de cargas, pero pone de manifiesto que la desigual distribución de la densidad electrónica en el

doble enlace.

El efecto conjugativo se diferencia del efecto inductivo en que hay una cesión, o paso de electrones de un átomo a otro, que

se indica mediante flechas curvas. El efecto conjugativo puede ser positivo (+K) si es electróndador, o negativo (-K) si es

electroatrayente. En el caso del cloruro de vinilo se puede considerar que el átomo de cloro ejerce un efecto conjugativo +K

(electróndador). Un ejemplo de efecto conjugativo –K (electrón-atrayente) se da en la molécula de acroleína.

La conjugación del doble enlace con el grupo carbonilo origina

una estructura de Lewis adicional tal y como se describe a

continuación: La estructura resonante I es la que más contribuye

al híbrido de resonancia porque no comporta separación de cargas, todos los átomos tienen octetos completosy tiene un

mayor número de enlaces que la estructura II.

H

H

H

H

O

I II

H

H

H

H

O

Sin embargo, la estructura resonante II, que se genera por el efecto conjugativo –K del grupo carbonilo sobre el doble enlace, pone de manifiesto que en el carbono β hay un déficit de densidad electrónica. Como se verá en cursos más avanzados

muchas de las reacciones de la acroleína se explican mediante la participación de la estructura resonante II.

Tabla No 9. Efectos conjugativos (resonacia) de grupos

+K, grupos –I - K, grupos -I +K, grupos + I

- F -NO2 -O-

- Cl -CN -S-

- Br -CHO -CH3

- I -COR -CR3

- OH -COOH

- OR -COOR

- OCOR -CONH2

- SH -SO2R

- SR -CF3

- NH2

- NR2

- NHCOR

3.2.1. Resonancia y orbitales deslocalizados

Como ya se ha explicado anteriormente, a los enlaces dobles que están separados por tan sólo un enlace sencillo se les

denomina dobles enlaces conjugados. Cuando los dobles enlaces están separados por dos o más enlaces sencillos se les denomina enlaces dobles aislados. Existe una diferencia fundamental entre ambas situaciones y es que los enlaces dobles


64

conjugados, como ahora se verá, interaccionan entre si, y el resultado de esta interacción es una estabilización adicional de

la molécula.

Para explicar el fenómeno de la estabilización adicional de los dienos conjugados se recurre a la comparación de sus calores

de hidrogenación. Cuando un compuesto que contiene un enlace doble (hidrocarburo insaturado) se hace reaccionar con hidrógeno molecular, en presencia de un catalizador, se convierte en un compuesto con enlaces simples C-C (hidrocarburo

saturado). Esta reacción es exotérmica y el calor que se desprende en el proceso se puede medir con un calorímetro. Por ejemplo, cuando se hidrogena el 1-penteno se mide un calor de hidrogenación de -30 Kcal/mol y cuando se hidrogena el 1,4-

pentadieno, compuesto que contiene dos enlaces dobles aislados, el calor que desprende la reacción es de 60.2 kcal/mol,

aproximadamente el doble que se mide en la hidrogenación del 1-penteno.

H2, Pt

H0 = - 30.2 Kcal/mol

1 - buteno

H2, Pt

H0teórico = 2x( - 30.2) Kcal/mol = - 60.4 kcal/mol

1,3 - butadieno

Por otro lado, la hidrogenación del 1-buteno desprende 30.2 kcal/mol y por tanto se debería esperar que la hidrogenación del

1,3-butadieno desprendiese 60.4 kcal/mol, que es el doble de la energía que se desprende en la hidrogenación del 1-buteno.

Sin embargo, el calor de hidrogenación experimental del 1,3-butadieno es detan sólo -56.8 kcal/mol. A la diferencia entre el

valor teórico y el valor experimental, que es de 3.6 kcal/mol, se le denomina energía de resonancia o energía de

estabilización del 1,3-butadieno. La estabilización adicional que presenta el 1,3-butadieno se puede explicar mediante el

recurso a la teoría de Orbitales Moleculares.

3. 2.2. Resonancia y aromaticidad.

El benceno es un hidrocarburo de fórmula molecular C6H6 que se puede representar mediante las dos estructuras

resonantes que se indican a continuación:

H

H

H

H

H

H

H

H H

H

H

H

Se sabe que todos los enlaces C-C del benceno tienen la misma

longitud, que es de 1.39 Å y que el anillo bencénico es plano.

Además, la longitud de enlace C-C en el benceno tiene un valor intermedio entre la longitud del enlace simple C-C del 1,3-butadieno,

que es de 1.48 Å, y la del doble enlace C=C, que es de 1.34 Å.

Antes se ha visto cómo la comparación de los calores de hidrogenación permite cuantificar la estabilidad relativa de los

dienos conjugados con respecto a los dienos no conjugados. En el caso del benceno se puede recurrir al mismo método para

determinar cuál es la estabilidad adicional asociada a este compuesto en comparación con otros alquenos cíclicos.

En la siguiente gráfica se representan los calores de hidrogenación, determinados experimentalmente, del ciclohexeno, del

1,4-ciclohexadieno, del 1,3-ciclohexadieno y del benceno. También se representa, a modo de comparación, el calor de hidrogenación teórico del hipotético 1,3,5-ciclohexatrieno. Cuando el ciclohexeno se hidrogena a ciclohexano se desprenden

28.6 kcal/mol. El 1,4-ciclohexadieno, un dieno no conjugado, libera en la hidrogenación 57.4 kcal/mol, aproximadamente el

doble del calor de hidrogenación del ciclohexeno.

En la hidrogenación del 1,3-ciclohexadieno, un dieno conjugado, se miden 55.4 kcal/mol, aproximadamente 1.8 kcal/mol menos que el doble del valor del ciclohexeno. Una energía de resonancia de 1.8 kcal/mol es típica para un dieno conjugado. Para el

hipotético 1,3,5-ciclohexatrieno se puede calcular un calor de hidrogenación de:

ΔHº = - (3 x 28.6 - 2 x 1.8) kcal/mol = - 82.2 kcal/mol


65

Energía del

ciclohexano

- 28.6

kcal/mol

- 57.4

kcal/mol

- 55.4

kcal/mol

1.8 kcal/mol

energía deresonancia

1,3,5 - ciclohexatrieno

- 82.2

kcal/mol

- 32.9 kcal/mol

- 49.8

kcal/mol

energia de resonancia

Energía

Al contrario que los anteriores alquenos, que se hidrogenan a presión atmosférica, la hidrogenación del benceno necesita de

elevadas presiones de hidrógeno y de catalizadores muy activos. Cuando se produce la hidrogenación sólo se liberan 49.8

kcal/mol, aproximadamente 32.9 kcal/mol menos que el hipotético calor de hidrogenación del 1,3,5-ciclohexatrieno. A esta

diferencia de energía se le conoce como energía de resonancia del benceno. El benceno es, en comparación con los dienos y

trienos conjugados, un compuesto mucho más estable y la estructura del 1,3,5-ciclohexatrieno no puede explicar esta

estabilidad adicional. Los compuestos orgánicos que contienen un sistema pi () conjugado, cíclico, plano y que además

poseen una elevada estabilidad termodinámica reciben el nombre de hidrocarburos aromáticos.

La remarcable estabilidad del benceno se puede explicar si se admite la deslocalización de la densidad electrónica asociada a

los orbitales p. Como ya se ha explicado, las estructuras resonantes se diferencian en la distribución electrónica pero no en

la posición relativa de los átomos que las integran. En realidad el benceno es un híbrido de resonancia cuyos enlaces pi están

deslocalizados, con un orden de enlace de aproximadamente 1 ½ entre los átomos de carbono adyacentes. Esto explica que las longitudes de enlace C-C en el benceno sean más cortas que las de los enlaces simples, pero más largas que las de los

dobles enlaces. Como los enlaces pi están deslocalizados en el anillo a menudo se inscribe un círculo en el hexágono, en lugar de trazar los enlaces dobles localizados.

Por tanto, el benceno se puede describir como un anillo formado por seis átomos de carbono con hibridación sp2, enlazados

entre sí mediante enlaces sigma Csp2-Csp2. Cada uno de los átomos de carbono se enlaza además a un átomo de hidrógeno

mediante un enlace sigma Csp2-H1s. Todos los enlaces C-C tienen la misma longitud y todos los ángulos de enlace son de 120º.

Como los átomos de carbono presentan hibridación sp2, cada átomo de carbono tiene un orbital p perpendicular al plano del anillo que se solapa con los orbitales p de los carbonos contiguos para formar un círculo de densidad electrónica p por

encima y por debajo del plano molecular.

3.2.3. Generalización de la aromaticidad: Regla de Hückel.

Durante muchos años se supuso que la elevada estabilización termodinámica del benceno sería también un rasgo característico de otros polienos cíclicos con enlaces dobles conjugados. Sin embargo, no todos los polienos conjugados

cíclicos gozan de la excepcional estabilidad termodinámica asociada al benceno.

Por ejemplo, el ciclobutadieno es un dieno conjugado y cíclico, igual que el benceno, y sin embargo nunca se ha aislado o purificado porque es muy

inestable. Otros dienos conjugados cíclicos tampoco parecen gozar de la

estabilidad asociada termodinámica a la deslocalización electrónica.

Benceno Ciclobutadieno


66

Para que un compuesto sea aromático, y por tanto posea una elevada estabilidad termodinámica y una reactividad química

diferente de la de los alquenos y polienos conjugados, debe cumplir las siguientes condiciones:

1) Su estructura debe ser cíclica y debe contener enlaces dobles conjugados.

2) Cada átomo de carbono del anillo debe presentar hidridación sp2, u ocasionalmente sp, con al menos un orbital p no

hidridizado.

3) Los orbitales p deben solaparse para formar un anillo continuo de orbitales paralelos. La estructura debe ser plana o casi plana para que el solapamiento de los orbitales p sea efectivo.

4) Además debe cumplir la regla de Hückel cuyo enunciado es el siguiente:

a. Para que un compuesto sea aromático el número de electrones pi en el sistema cíclico tiene que ser 4n+2,

siendo n un número entero.

b. Si el número de electrones pi en el sistema cíclico es 4n, siendo n un número entero, el compuesto es

antiaromático.

Al emplear la regla de Hückel se debe estar seguro que el compuesto bajo consideración cumple con los criterios de un

sistema aromático o antiaromático, es decir debe tener un anillo continuo de orbitales p que se solapan en una conformación

plana.

El benceno contiene un anillo continuo de orbitales p que se solapan, con un total de seis electrones p, de modo que es un

sistema 4n+2, con n=1. La regla de Hückel predice que el benceno será un compuesto aromático.

El ciclobutadieno contiene un anillo continuo de orbitales p que se solapan pero tiene cuatro electrones p. Como es un

sistema 4n, con n=1, la regla de Hückel predice que el ciclobutadieno será un compuesto antiaromático, y por tanto muy inestable. Los hidrocarburos poliénicos conjugados cíclicos reciben el nombre genérico de anulenos

Por ejemplo, el benceno es el anuleno de seis miembros y

por tanto se le puede llamar [6]anuleno, y el ciclobutadieno

es el [4]anuleno. Otros hidrocarburos aromáticos son el

[14]anuleno y el [18]anuleno, puesto que presentan un

sistema cíclico de enlaces dobles conjugados, son planos y el número de electrones p es 4n+2 electrones, siendo n=3

para el [14]anuleno y n=4 para el [18]anuleno:

Hidrocarburos aromáticos:

(6) anuleno (14) anuleno (18) anuleno

El [16] anuleno, con 4n electrones pi (n=4) debería ser un compuesto antiaromático. Sin embargo, la falta de planaridad

del compuesto hace que se comporte como un polieno parcialmente conjugado. En estos casos se dice que el

compuesto es no aromático.

El [10] anuleno es un compuesto con 4n+2 electrones pi y por

tanto debería ser aromático.

HH

16 anauleno 10 anuleno

Sin embargo, los dos átomos de hidrógeno centrales del anillo impiden que el sistema adquiera la planaridad y en consecuencia se interrumpe el solapamiento continuo de orbitales p, por tanto el compuesto es no aromático.

Los conceptos de aromaticidad y antiaromaticidad también permiten predecir el comportamiento químico y la estabilidad de

compuestos con carga. Por ejemplo, el ciclopentadieno es más ácido de lo esperado porque la pérdida de un protón convierte

al dieno, que es un compuesto no aromático, en el anión ciclopentadienilo un compuesto conjugado, cíclico y plano con seis

electrones pi.


67

HH

H H

H H

+ (CH3)3COpKa = 16

HH

H H

H

+ (CH3)3COH

ciclopentadieno anión ciclopentadienilo

(compuesto aromático)

Cuando el cicloheptatrienol se trata con H2SO4 acuoso diluido se forma fácilmente el catión cicloheptatrienilo, denominado

catión tropilio.

OH

H

H3O OH2

H H

+ H2O

C7C7

cicloheptatrienol cicloheptatrienol

protonado

catión cicloheptatrienilo

(aromático)

Algunas sales de tropilio se pueden aislar y almacenar durante meses sin que se descompongan. El carbono sp3 (C7) que está

unido al grupo hidroxilo cambia su hibridación a sp2 cuando se ioniza. El orbital p vacío permite el solapamiento continuo del

sistema de orbitales p del catión tropilio. El número de electrones pi deslocalizados cumple la regla de Hückel para los

compuestos aromáticos (4n+2 electrones pi, n=1). En contraste con el catión tropilio, el anión tropilio es difícil de preparar. El anión tropilio es muy reactivo lo que concuerda con la predicción de Hückel que indica que el anión tropilio es antiaromático

con un total de 8 electrones pi (4n, n=2).

H

H H

C7

C7

cicloheptatrieno anión tropilio

(antiaromático, 8 e- )

B

3.2.4. Efecto resonante y fuerza ácida.

En general, las mejores indicaciones sobre la naturaleza del efecto de resonancia de un sustituyente se obtienen al estudiar

las reacciones en las cuales este sustituyente está en la posición para con rrespecto al centro de reacción en un sistema

aromático. En estos casos también están presentes los efectos inductivos, pero a menudo éstos son pequeños, ya que el sustituyente está distanciado del centro de reacción en cuatro carbonos.

Cuando el sustituyente y el centro de reacción se hallan en meta entre sí, los efectos inductivos son más notorios. Aquí,

debido a la naturaleza alternante de los átomos en el sistema conjugado, los efectos de resonancia se hacen menores, si bien

ellos no desaparecen completamente, como podría esperarse. Si el sustituyente está en orto con respecto al centro de

reacción, actúan intensamente ambos efectos inductivoi y de resonancia, pero además, superpuestos, hay efectos de

proximidad o estéricos que complican aún más la interpretación de los valores experimentales obtenidos.

Ahora se puede apreciar porqué el ácido p–hidroxibenzoico (pKa = 4.58), en el cual el grupo –COOH sufre más el efecto + K del grupo –OH que su efecto –I, es un ácido más débil que el acido benzoico (pKa = 4.20), mientras que el ácido m–

hidroxibenzoico (pKa = 4.08), en el cual la importancia de ambos efectos está invertida, es un ácido un poco más fuerte que

el ácido benzoico.

De manera similar, el ácido p–nitrobenzoico (pKa = 3.43) es un ácido algo más fuerte que su isómero meta (pKa = 3.45),

debido a que el efecto –K del grupo –NO2 es más importante en el compuesto para (el efecto –I es menos importante). En el


68

ácido p–fluorobenzoico (pKa = 4.14), los efectos +K y –I del flúor casi se anulan mutuamente, pero en el ácido p-clorobenzoico

(pKa = 3.99) la intensidad del efecto +K del cloro es mucho menor.

En general la conjugación es más importante para sustituyentes que involucren los elementos del segundo período (-F, -OH, -

NH2) que para sustituyentes que contengan elementos más pesados por ejemplo: -Cl, -Br, -SH.

Los orbitales exteriores (2p) del segundo período de elementos tienen casi el mismo tamaño que los orbitales pi ()

asociados con átomos de carbono ligados por dobles enlaces, pero los orbitales exteriore (3p y 4p) de los elementos más pesados son considerablemente mayores, y la superposición (traslapo) de orbitales, que es la base para la construcción de

un enlace, resulta menos efectiva. (En realidad, hay muy pocos ejemplos inequívocos de compuestos que posean verdaderos

múltples enlaces que involucren otros elementos distintos de carbono, oxígeno o nitrógeno).

Como el grupo p-CH3 disminuye la acidez del ácido benzoico, fenol y también del ión anilonio en forma más eficaz que en m-

CH3, se puede suponer que la acción repelente de electrones para este grupo opera a través de efectos de conjugación tanto

como de inducción.

3.2.5. Efecto resonante y fuerza básica.

Las aminas aromáticas son bases mucho más débiles que las aminas alifáticas. Esta disminución de la basicidad se debe a la

deslocalización por resonancia de los electrones no enlazantes de la amina.

Por ejemplo, en la anilina, una

amina aromática, el par aislado

de electrones no enlazantes en

el nitrógeno está deslocalizado

sobre el sistema p del anillo aromático.

Este solapamiento es imposible

en el catión anilinio y por ello el

reactivo está estabilizado en

comparación con el producto. NH2 + H

+

NH3

reacción más endotérmica

(anilina menos básica)estabilizado por

solapamiento

La reacción está desplazada hacia la izquierda y la anilina no es tan básica como las aminas alifáticas. Los efectos de

hibridación también juegan un papel en la basicidad de las aminas.

Por ejemplo, la piridina es una base más débil que las aminas alifáticas, como la piperidina. En la piridina, el par de electrones no enlazantes ocupan un orbital con hibridación sp2 y en la piperidina ocupan un orbital con hibridación sp3. Cuanto mayor es el carácter s de un orbital mayor es la atracción que ejerce el núcleo sobre los electrones.

En la piridina, el par electrónico solitario está en un

orbital con más carácter s que el orbital que ocupa

el par de electrones solitarios de la piperidina y por

tanto los electrones están menos disponibles para unirse al protón.

N

piridina

pKa = 8.75

híbrido sp2

N

Hhíbrido sp

3

piperidina

pKa = 2.88

3.3. Efectos estéricos

Mucho antes que se interpretara la naturalezam de los efectos inductivos y de resonancia, se sabía que un sustituyente podía

influir en una reacción, principalmente por su capacidad en ocupar un espacio. Las reacciones de esterificación, por lo general, son retardadas al sustiutir los hidrógenos o β, en el ácido o en el alcohol, por grupos alquilo y los ésteres de

estos ácidos o alcoholes “obstruidos”, una vez formados, se saponifican con una lentitud no usual.


69

Las hidrólisis de los benxonitrilo a benzamidas sustiuidas en orto son, por lo general, mucho más lentas que las de los

correspondientes compuestos sustiuidos en para o no sustituidos, y las reacciones de adición a carbonilo de cetonas alifáticas son fuertemente inhibidas por ramificaciones en las posiciones alfa (α). Estos efectos a veces se clasifican como

un fenómeno de obstrucción estérica; es decir, situaciones en las cuales el contacto entre los centros de reacción se hace

más difícil por interferencia de grupos que no participanen esa reacción de otro modo.

Si bién la obstrucción estérica fue usada antes para explicar una serie de problemas de reactividad, queda aún una cantidad

apreciable de hecho químicos que se interpretan mejor con la ayuda de argumentos estéricos. Se debe notar que, dadas las

condiciones correctas, los efectos estéricos pueden acelerar y no retardar las reacciones. Además, si bien los factores estéricos a menudo se consideran en relación con las velocidades de reacción, el equilibrio también puede ser afectado

estéricamente.

3.3.1. Efectos estéricos y fuerza ácida.

Los efectos estructurales que proceden de interacciones espaciales entre los grupos como ya se explicó se denominan

efectos estéricos. Los efectos estéricos también pueden jugar un papel importante en la acidez. El impedimento estérico a la

solvatación, causado por el tamaño del ácido o del disolvente, puede inhibir la estabilización de la base conjugada por parte

del disolvente y, en consecuencia, disminuir la acidez. Por ejemplo, el ácido benzoico es un ácido más fuerte que el ácido 2,6-

di-t-butilbenzoico ya que en el primero el grupo ácido carboxílico (COOH) está rodeado tan sólo de un anillo aromático y las

moléculas de agua pueden solvatar sin dificultad al anión benzoato.

O

O

H

+ H2O

O

O

+ H3O

ácido benzoico anión benzoato

pKa = 4.20

Sin embargo, cuando se disocia el ácido 2,6-di-t-butilbenzoico se genera el anión 2,6-di-ter-butilbenzoato, en el que los

voluminosos grupos ter-butilo, que se encuentran flanqueando al grupo carboxilato (-COO-), impiden el acercamiento de las

moléculas de disolvente y por tanto la estabilización del anión por solvatación.

+ H2O + H3OpKa = 6.25COOH COO

CH3

CH3

CH3

CH3 CH3

CH3 O

O

Impedimento estérico a la

solvatación del anión carboxilato

3.3.2. Influencia de otros efectos sobre la fuerza ácida.

El ácido o-hidroxibenzoico es unas 40 veces más ácido que el ácido p-hidroxibenzoico. Esto se explica por la estabilización

adicional que consigue el anión o-hidroxibenzoato por formación de un puente de hidrógeno intramolecular, que no se puede

formar en el anión p-hidroxibenzoato.


70

H3O

O

O

H

OH

+ H2O

O

O

O H

+

mayor estabilización

Como este anión está menos estabilizado, el equilibrio se desplaza menos hacia la derecha y el ácido phidroxibenzoico es

menos fuerte que el ácido o-hidroxibenzoico

O

O

H

HO + H2O

O

O

HO + H3O

menor estabilización

3.4. Enlaces más débiles que el enlace covalente.

El enlace covalente es la unión que explica el mantenimiento de la unidad estructural de un compuesto orgánico. Además de

este enlace intramolecular se pueden dar interacciones entre las moléculas, que son mucho más débiles que los enlaces covalentes, pero que a menudo son las responsables de la reactividad y las propiedades físicas de los compuestos orgánicos.

Este tipo de interacciones intermoleculares son de especial importancia en el estado sólido y en el estado líquido, situaciones

en las que las moléculas están en íntimo contacto. Los puntos de fusión, de ebullición y las solubilidades de los compuestos

orgánicos muestran los efectos de estas fuerzas.

Hay tres tipos principales de interacciones intermoleculares que hacen que las moléculas se asocien para formar sólidos y

líquidos:

Las fuerzas entre dipolos de las moléculas polares.

Las fuerzas de London, que afectan a todas las moléculas.

Los puentes de hidrógeno que actúan en moléculas que tienen enlaces OH y NH.

3.4.1. Fuerzas entre dipolos.

Las fuerzas de Van der Waals son fuerzas de atracción intermolecular que actúan entre dipolos, sean éstos permanentes o

inducidos. Son, por tanto, fuerzas intermoleculares de tipo electrostático que se establecen tanto entre molécula polares

como apolares. Su valor oscila entre 0.1 y 35 KJ/mol.

a) Interacciones moleculares entre moléculas polares. La mayor parte de las moléculas tienen momentos dipolares

permanentes como resultado de sus enlaces polares. Cada momento dipolar molecular tiene un extremo positivo y otro negativo. La ordenación intermolecular más estable es la que situa a las moléculas de manera que el extremo positivo de una

molécula esté cerca del extremo negativo de otra.

.

C Cl

H

H

H

+

-

C Cl

H

H

H

+

-

C Cl

H

H

H

+

-

C Cl

H

H

H

+

-

CCl

H

H

H

+

-

CCl

H

H

H

+

-

CCl

H

H

H

+

-

CCl

H

H

H

+

-

En la figura superior, se indican las orientaciones de atracción y repulsión de las moléculas polares utilizando el clorometano (CH3Cl) como ejemplo.


71

+

+- -

+-

+-

+-

+

- +

-

+-

+-

+-

+

-

+-

+-

+-

+-

En el estado líquido el resultado de la orientación positivo-negativo es una fuerza de atracción neta que mantiene unidas a las

moléculas. Para pasar del estado líquido al gaseoso debe superarse esta fuerza de atracción intermolecular, lo que explica el que los compuestos muy polares tengan mayores calores de evaporación y mayores puntos de ebullición que los compuestos

menos polares

b) Interacciones moleculares entre moléculas apolares: fuerzas de dispersión de London.

En las moléculas no polares, como la del tetracloruro de carbono CCl4, la principal fuerza de atracción es la fuerza de

dispersión de London, que surge de la interacción entre dipolos inducidos que se generan temporalmente en las moléculas.

El CCl4 no tiene momento dipolar permanente, sin embargo, cuando se provoca un desplazamiento transitorio de la densidad

electrónica, por ejemplo por el acercamiento de las nubes electrónicas de dos moléculas, se induce un momento dipolar

pequeño y temporal que provoca una atracción intermolecular.

Estos dipolos temporales solo duran una fracción de segundo y cambian continuamente de orientación. Sin embargo, se

correlacionan de forma que su fuerza neta es de atracción. Esta fuerza de atracción depende del contacto superficial entre

las moléculas y por tanto es proporcional al área molecular.

En el siguiente dibujo se representan esquemáticamente las atracciones

intermoleculares que se producen en el seno del tetracloruro de carbono.

El dipolo transitorio que se genera en la molécula de CCl4 se ha simbolizado con

un rectángulo que contiene los signos + y -. En un momento determinado los

dipolos inducidos se orientan de forma que los polos de signo opuesto se atraen

dando como resultado una fuerza neta de atracción.

--

-

-

--

-

+

+

+

+

+

+

+

c) Interacciones moleculares por puente de hidrógeno.

Un puente de hidrógeno no es un enlace verdadero sino una forma especialmente fuerte de atracción entre dipolos. Un átomo

de hidrógeno puede participar en un puente de hidrógeno si está unido a oxígeno, nitrógeno o flúor, porque los enlaces O-H,

N-H y F-H están muy polarizados dejando al átomo de hidrógeno con carga parcial positiva.

Este átomo de hidrógeno tiene una gran afinidad hacia

electrones no compartidos y forma agregados intermoleculares con los electrones no compartidos de los

átomos de oxígeno, nitrógeno y flúor.

A continuación se representan a modo de comparación las interacciones por puente de hidrógeno entre moléculas de

agua, entre moléculas de amoníaco (NH3)

H

H

O H

H

O H

H

O H

H

O

H

H

O H

H

O H

H

O H

H

O

H

H

N H

H

HN

H

H

HN

H

H

HN

H

Aunque el puente de hidrógeno es una forma de atracción intermolecular es mucho más débil que un enlace covalente normal

O-H, N-H. La energía de este tipo de interacción puede oscilar entre 8 y 40 KJ/mol.


72

El puente de hidrógeno tiene un efecto importante sobre las propiedades físicas de los compuestos orgánicos. Por ejemplo, el

etanol y el dimetil éter son dos compuestos isoméricos de fórmula molecular C2H6O, cuyo tamaño y peso molecular son similares. Sin embargo, el etanol hierve a 78ºC mientras que el punto de ebullición del dimetiléter es de -25ºC. Esta diferencia

de temperatura de 103° entre sus puntos de ebullición se explica por la formación de puentes de hidrógeno entre las moléculas de etanol. El dimetil éter no tiene hidrógeno unido a oxígeno y por tanto no puede formar puentes de hidrógeno

intermoleculares. La consecuencia es que se necesita muy poca energía para romper las débiles interacciones moleculares que mantienen unidas a las moléculas de dimetil éter.

3.5. Influencia de la estructura sobre las propiedades moleculares.

Las fuerzas intermoleculares influyen en las propiedades físicas de los compuestos orgánicos, tales como el punto de

ebullición, punto de fusión, solubilidad, etc.

3.5.1. Puntos de ebullición.

El punto de ebullición de un compuesto es la temperatura a la cual el compuesto líquido pasa al estado gaseoso, es decir la

temnperatura a la cual la presión de vapor del líquido es ligeramente mayor a la presión atmosférica que soporta.

Para que un compuesto se vaporice, las fuerzas que mantienen las moléculas unidas unas a otras deben romperse y su

presión de vapor debe exceder la presión atmosférica que soporta. Esto significa que el punto de ebullición de un compuesto

depende de la atracción entre las moléculas y la presión que soporta, de manera que si las moléculas se mantienen unidas

por interacciones fuertes, se necesitará mucha energía para separar las moléculas unas de otras y el compuesto tendrá el

punto de ebullición muy alto.

Por otra parte, si las fuerzas intermoleculares son débiles, se necesitará una cantidad de energía relativamente baja para

separar las moléculas unas de otras, y el compuesto tendrá el punto de ebullición bajo. Los alcanos, constituidos por

moléculas apolares, tienen puntos de ebullición relativamente bajos porque las atracciones intermoleculares se deben a la

interacción entre dipolos inducidos (fuerzas de dispersión de London), y este tipo de interacciones son de carácter débil. Las

fuerzas de dispersión de London son proporcionales a la superficie de contacto ente las moléculas lo que explica que las

alcanos formados por moléculas lineales (mayor superficie de contacto) tengan mayores puntos de ebullición que sus

isómeros formados por moléculas ramificadas (menor superficie de contacto).

Los puntos de ebullición de los éteres, los haluros de alquilo, y en general de las moléculas con heteroátomos, son más altos

que los de los hidrocarburos de similar peso molecular debido a la presencia de interacciones intermoleculares dipolo-

dipolo, que son más intensas que las interacciones de London.

En el caso de los alcoholes y las aminas, además de las interacciones entre dipolos, intervienen las fuerzas por puente de

hidrógeno, mucho más fuertes que las primeras. Por ello, los puntos de ebullición de los alcoholes son más altos que los puntos de ebullición de los éteres de igual peso molecular. Los alcoholes también presentan mayor punto de ebullición que las

aminas de igual peso molecular. La explicación a este hecho reside en la mayor electronegatividad del átomo de oxígeno en

comparación con el átomo de nitrógeno, que hace que los puentes de hidrógeno O-H sean más fuertes que los puentes de

hidrógeno N-H.

3.5.2. Punto de fusión.

Es la temperatura a la cual un sólido pasa al estado líquido. El factor determinante del punto de fusión es la energía requerida para destruir el empaquetamiento de las moléculas en la red cristalina y cuanto mejor se ajusten al cristal mayor será la

energía necesaria para romper la red y, por tanto, mayor será el punto de fusión.

3.5.3. Solubilidad.

Además de afectar a los puntos de ebullición y de fusión, las fuerzas intermoleculares determinan la solubilidad de los

compuestos orgánicos. La regla general es que lo semejante disuelve a lo semejante: las sustancias polares se disuelven en

disolventes polares y las no polares en disolventes no polares.


73

Hay cuatro casos distintos a la hora de considerar los efectos de la polaridad sobre la solubilidad.

a) Un soluto polar con un disolvente polar. Por ejemplo la disolución del cloruro sódico (NaCl, compuesto iónico, soluto

muy polar) en agua (H2O, disolvente polar). Para conseguir la disolución de un cristal es necesario romper la atracción

electrostática que lo iones de signo opuesto se ejercen mutuamente en una red cristalina.

Para separar a los iones se necesita una gran cantidad de energía pero el agua, un disolvente muy polar, es capaz de disolver

a muchos sólidos iónicos mediante un proceso de solvatación.

En la disolución del NaCl, los cationes sodio (Na+) quedan rodeados por una esfera de moléculas de agua que dirigen su

extremo negativo (el átomo de oxígeno) hacia los cationes: Al mismo tiempo, los aniones cloruro (Cl-) se rodean de una esfera de moléculas de agua que dirigen su extremo positivo (los átomos de hidrógeno) hacia los iones negativos.

La energía liberada en el proceso de solvatación, junto con el aumento de la entropía, compensan la energía necesaria para

romper la red cristalina y el resultado neto es la disolución de los cristales de NaCl. Otro ejemplo de interacción entre un

soluto polar y un disolvente polar es el de la disolución del HCl en agua.

En este caso se produce la ordenación de las moléculas de soluto y disolvente de manera que las moléculas de agua rodean al cloruro de hidrógeno acercando los oxígenos a la parte positiva (H) del dipolo que forma la molécula de HCl y acercando

los hidrógenos hacia la parte negativa (Cl) del dipolo que forma la molécula de HCl.

b) Un soluto polar con un disolvente no polar. Por ejemplo la adición de cloruro sódico (NaCl, soluto polar) a hexano

(disolvente no polar). En este caso no se produce la disolución del soluto porque las moléculas no polares del hidrocarburo

no solvatan a los iones y no pueden superar la gran energía que se necesita para romper la red cristalina.

c) Un soluto no polar con un disolvente no polar. Por ejemplo la disolución de la cera de parafina (soluto no polar) en

hexano (disolvente no polar). La cera de parafina está constituida por largas moléculas de hidrocarburo no polares que se

atraen débilmente, por interacciones de London.

Estas atracciones se compensan fácilmente con las atracciones de van der Waals con el disolvente. Aunque el intercambio

energético es mínimo, la fuerza impulsora que explica la disolución de la cera de parafina en hexano es el gran aumento de la

entropía que se produce en el proceso de disolución.

d) Un soluto no polar con un disolvente polar, como la interacción entre la cera de parafina (soluto no polar) y el agua

(disolvente polar). La energía necesaria para separar a las moléculas apolares es mínima puesto que las interacciones que actúan entre este tipo de moléculas son las débiles fuerzas de London.

Por el contrario, las interacciones entre las moléculas de agua son mucho más fuertes porque estas moléculas se mantienen

unidas por enlaces de hidrógeno. Para que el soluto no polar se disuelva en agua es necesario que se intercale entre las

moléculas del disolvente polar, lo que implica un proceso de separación de las moléculas de agua, y por tanto la consiguiente ruptura de puentes de hidrógeno

La energía necesaria que hay que invertir en este proceso no queda compensada por la energía desprendida en el proceso de

solvatación, que es prácticamente nulo y por tanto el soluto no se disuelve: la red de puentes de hidrógeno de las moléculas

de agua excluye a las moléculas de parafina.

Prueba de Dominio:

3.1. Predecir qué grupos, en cada uno de los siguientes pares, posee un efecto (I) más negativo (es decir, cuál es mayor

agente de atracción de electrones):

a) ¿ -N(CH3)2 o -P(CH3)2 ? b) ¿ -Si(CH3)3 o -SiCl(CH3)2? c) ¿ -PhCH3 o -CH2Ph ?

d) ¿ -NH2 o -N(CH3)3+ ? e) ¿ -COO- o -COOH ? f) –COCH3 o -CH3C=CH2 ?


74

g) ¿ -NH2 o -NHSO2CH3 ? h) ¿-SCH3 o – Cl ? i) ¿ -SO2H o -SO3H ?

3.2. Predecir qué acido es más fuerte en cada uno de los siguientes pares. Justificar en cada caso la elección.

a) ¿ +NH3CH2CH2COOH o HOCH2CH2COOH? b) ¿ Br2CHCH2COOH o CH3CHBrCOOH ?

c) ¿ (CH3)2C=CHCOOH o CH2=CHCH2COOH d) ¿ CH2(COOH)2 o HOOOCCHClCOO-

e) ¿ CH3SCH2COOH o CH3SO2CH2COOH ? f) ¿CH3OCH2CH2COOH o CH3SCH2CH2COOH?

3.3. En cada uno de los siguientes grupos, escójase el ácido más fuerte (facilidad con que da un protón a una base y justifíquese la elección.

NH3, H2O Ciclopentadieno, 1,3-pentadieno Etanol, Etanotiol Acetona, Acetato de etilo

H2O, H2S Eter dimetílico, Acetona Fosfina (PH3), Amoniaco Acedtaldehído, Acetona

3.4. Col,óquense los siguientes compuestos según el orden creciente de su acidez (tendencia a ionizar H+).

Etanol, hexano, ácido acético,éster acetilacético, 3-acetil-2,4-pentanodiona

Ciclopentadieno, ciclopentano, butanol, nitrometano, ácido fórmico, ácido trifluoroacético

Metanol, 2-butanol, ácido butírico, butano, éster malónico, ácido fórmico

Propeno, propano, metilacetilacetato de metilo, (CH3CO)2CHCOOCH3, ácido acético

3.5. El fenol, es un ácido mucho más fuerte que el metanol. Son obvias las dos posibles razones para este hecho; en una

interviene la resonancia, y en la otra la hibridación del enlace. Explíquese este hecho.

3.6. Dibuje los orbitales y el ángulo de enblace que forman los alquenos, alquinos, carbonilos de aldlehidos y cetonas

3.7. Dibuje tantas estructuras resonantes cmo pueda para las siguientes especies químicas:

O

NH2NH2

NH2

CH3N3

3.8. ¿Cuáles de los siguientes compuestos actúan como ácidos d Lewis y cuáles como bases de Lewis?. Justificar su

respuesta.

AlBr3 CH3CH2NH2 BH3 HF CH3SCH3 TiCl4 Benceno Piridina

3.9. Clasifique las siguientes sustancias en orden creciente de acidez. Justifique su respuesta.

O

O O

OH

OH

O

3.10. El fenol, es un ácido más fuerte que el metanol, aún cuando ambos contienen un enlace O-H. Dibuje las estructuras de los

aniones resultantes de su disociación y utilice estructuras resonates para explicar la diferencia en la acidez.


75

4 INTRODUCCIÓN A LAS REACCIONES ORGÁNICAS

Se ha visto que varios efectos electrónicos son determinantes en la reactividad y propiedades de las moléculas orgánicas,

aspecto que caracteriza la reactividad de las mismas y puesto que estas llegan a ser millones, parecería una empresa difícil de afrontar su correspondiente estudio, sin embargo esta potencial amenaza es posible de superarla, primero, agrupando a

las moléculas orgánicas en familias según el grupo funcional que los caracteriza y en segundo lugar agrupando a las reacciones orgánicas de estas familias en varios tipos de reaccones, pues no son mayor a seis, tomando en cuenta los mecanismos de reacción que sufren los mismos en determinadas condiciones, ante la presencia de reactivos, que a su vez

también pueden ser clasificados, por ejemplo como nucleofílicos, electrofílicos, oxidantes, reductores, etc.

Como se puede ver, la comprensión de la reactividad de las moléculas oirgánicas clasificadas según su grupo funcional en

familias, (Alquenos, alquinos, alcoholes, aldehidos, etc) requiere del manejo de una terminología propia, con la que es

necesario, que a esta altura del estudio de la química orgánica, uno empiece a familiarizarse y a precizarlo.

Desde luego, será necesario que la información que se presente al respecto deba ser en cierto modo asumida y memorizada,

Puesto que en el desarrollo de los siguientes capítulos se volverá a reestudiar estas reacciones, con nuevos elementos

teóricos que permitirán su comprensión y aplicación, en aquello que se asume como el corazón de la química orgánica, la

síntesis orgánica.

4.1. Mecanismos de las reacciones orgánicas

4.1.1. Significado de Reacción química

Una reacción química, es el proceso por el cual ciertas especies químicas se combinan, en determinadas condiciones, como

consecuencia de la ruptura de sus enlaces y la formación de nuevos enlaces, para producir otras entidades químicas,

denominadas en general productos.

Si la reacción requiere de la adición de energía para su desarrollo, ésta es denominada endotérmica y si al contrario libera

energía espontáneamente, se trata de una reacción exotérmica.

En química orgánica, es necesario referirse a los reactivos que sufren la transformación, como reactantes y al interior de

éstos, diferenciarlos como sustratos y reactivos. En los productos dejar la denominación de producto para la nueva

estructura asumida por el sustrato (e isómeros) y los otros productos considerarlos como subproductos.

Reactantes Productoscondiciones

Sustrato Reactivo Producto Subproductos

Se debe reservar la designación de sustrato (o molécula precursora), para la molécula cuya transformación estructural

ocurre por la acción de otra especie química denominada reactivo, el cual se asume es el atacante. El reactivo puede ser una

especie química pequeña, del mismo volumen o mayor complejidad que el mismo sustrato; este aspecto resulta ser obvio en algunas reacciones y requiere en otros casos tener una comprensión correcta de la naturaleza de la reacción química que

se está observando.

En los siguientes ejemplos, se ilustrará la importancia de esta diferenciación en los denominados reactantes y productos de

la reacción.


76

a) + H2

Pt

En esta reacción, es obvio que el alqueno es el

sustrato, puesto que se transforma por adición del

hidrógeno (reactivo), en el 2-metilbutano, como único

producto y el platino metálico actúa como catalizador. Esta obviedad se presenta en todas aquellas reacciones de oxidación reducción de las moléculas orgánicas.

b) Como segundo ejemplo se observa uno de los métodos de hidratación de alquenos, denominado oximercuración-desmercuración, que permite transformar un alqueno (sustrato) en el alcohol más sustituido (producto), utilizando para ello

acetato de mercurio disuelto en THF (Tetrahidrofurano) y agua en la primera etapa y en la segunda un reductor en medio básico.

+Hg(AcO)2

THF, H2OHgOAc

OH

NaBH4

OH-

OH

+ 2 Hg + 2 CH3COOH2 2 2

c)

O

O-Na

+

CH3O-Na

+

H2O

H2O

OH

O

OH

OCH3

Cuando el epóxido del metilciclopentano

(sustrato) es abierto por el ataque de

nucleófilos como el metóxido de sodio o

fenóxido de sodio (reactivos) en medio

neutro o básico, lo hace por el lugar menos

impedido para formar un alcohol (producto).

Los volúmenes (tamaño) de los reactivos

pueden ser diferentes, pero el mecanismo

de reacción es el mismo y esta reacción es clasificada como una adición nucleofílica.

Consiguientemente, los reactivos también pueden ser moléculas de la misma o mayor complejidad que la molécula

considerada como el sustrato de una reacción, esto se puede observar en el siguiente esquema.

d)

O

O

CuLi

2

LDA, THF

O

O

O

2 - ciclohexenona

THF

En el primer caso, la ciclohexanona por

acción de una base (LDA), forma un

enolalto (nucleófilo) que ataca al carbono beta (β) de la 2-ciclohexenona.

En la segunda reacción el diarilcuprato

de litio (reactivo de Gilmann), es otro nucleófilo que ataca al carbono beta (β) de la 2-ciclohexenona.

Ambas reacciones son clasificadas como adiciones conjugadas 1,4. Y se

llaman reacciones de Michael.

En otro tipo de reacciones no se requiere de una molécula que actúe como reactivo, sino que las condiciones de reacción,

por ejemplo calentamiento, son el agente que promueve la reacción, esto ocurre en lagunas reacciones de transposición,

como la transposición de Fries o la de Claisen.

En general las reacciones orgánicas tienden a escribirse inicialmente mostrando sólo el producto formado y no así los

subproductos. Desde luego que si se pretende encontrar rendimientos de la reacción o especificar el mecanismo de la misma, corresponde escribir la reacción química debidamente balanceada.


77

4.1.2. Significado de “Mecanismo de Reacción”8

Como se a visto existen una diversidad de clases de reacciones orgánicas y uno de los desafíos para el químico, es el de

conocer con el mayor detalle posible la forma de cómo se producen las mismas, para explicarse y comprender la formación

de cierto tipo de productos y particularmente para predecir la naturaleza de los mismos si se mantienen o modifican las condiciones de en una determinada reacción.

Podría encontrarse una analogía del mecanismo de una reacción con un filme hipotético, sobre el comportamiento detallado del camino que transitan las especies químicas participantes en la reacción y que conduce a la formación de los productos.

Este film comensaría a mostrar, presumiblemente, desde el momento en que los reactantes entran en contacto con los solventes de la reacción y prosiga registrando las interacciones de los átomos de los reactantes en el momento en que se

aproximan, muestre la ruptura de los enlaces y el moviento de electrones, para empezar a formar nuevos enlaces y a

configurar de ser posible, las estructuras intermedias de la reacción, tomando en cuenta aspectos termodínamicos y

cinéticos de la misma, hasta finalmente arribar a la formación de los productos.

Como no es posible obtener un cuadro tan íntimo, la investigación de un mecanismo se limita a obtener la información que pueda dar una imagen de las especies participantes en uno o más intantes críticos durante el transcurso de la reacción. Aún

este modesto propósito es difícil de lograr, pues, como resultará evidente, los métodos experimentales utilizados en el

estudio de mecanismo brindan resultados más expositivos que concluyentes.

Para afines prácticos, un mecanimso de reacción orgánica se tomará en consideración si permite predecir las limitacines de

una reacción y la estructura de los productos. El mecanismo propuesto cobrará fuerza si además conduce a predicciones

cuantitativas de cómo la velocidad de la reacción es afectada por la concentración de los reactivos, la temperatura, el

solvente y el catalizador.

Es también deseable que el mecanismo propuesto permita predecir la forma en que variará la velocidad de la reacción al

cambiar en una forma determinada la estructura de uno o más de los reactivos. Éste es el cuadro general; la investigación

experimental de uno o más de los puntos señalados conducirá al mecanismo propuesto, que será luego confirmado (o

excluido) mediante la investigación de los demas aspectos.

Las flechas curvas indican la dirección del flujo de electrones dentro de una estructura. Los átomos de carbono del grupo

carbonilo, C=O, son electropositivos; los átomos de oxígeno del grupo carbonilo son electronegativos.

El orden de estabilidad de las especies químicas, es el siguiente:

Carbocationes : terciario > secundario > primario

Radical libre : terciario > secundario > primario

Carbaniones : primario > secundario > terciario

Finalemente se debe tomar en cuenta que en general, los efectos de resonancia son más importantes que los efectos inductivos en la estabilización de los intermediarios.

4.1.3. Acidos y bases. Nucleófilos y electrófilos

Se considera que en la mayor cantidad de reacciones orgánicas interactúan una base de Lewis y un ácido de Lewis, para

formar nuevos enlaces covalentes. Recuerde que una base de Lewis es toda especie química capaza de donar pares de electrones, la misma puede ser cualquier especie negativa que contenga un exceso de electrones (hidroxilo, metóxido,

carbaniones, etc), o simplemente cuente con pares de electrones no compartidos como el el O y N en sus compuestos. En

cambio un ácido de Lewis es toda especie capaz de aceptar pares de electrones para formar un enlace covalente,

8GOULD E.S. “Mecanismos y Estructuras en Química Orgánica”. Ediorial Kapeluz, Buenos Aires – Argentina.

Pág.141


78

éstas son especies que tienen al menos un átomo deficiente de electrones, es decir, pueden tener una carga positiva,

orbitales atómicos que no lleguen a su octeto, o bién una carga parcial positiva (+), si éste se encuentra unido a uno o más

átomos electronegativos.

Los ácidos de Lewis son denominados reactivos electrofílicos (buscadores de electrones) o simplemente electrófilos.

Similarmente, las sustancias básicas son llamadas reactivos nucleofílicos o nucleófilos, pues atacan generalmente moléculas en la posición en que el núcleo atómico está pobremente protegido por los electrones exteriores o simplemente es

deficiente en electrones.

Ácido de Lewis:

a) Un átomo tiene menos de un octeto completo de electrones. Algunos miembros típicos de esta clase son el trialquilboro, el trihaluro de boro, el trihaluro de aluminio y el trióxido de azufre.

B

Me

Me

Me

+ N

H

H

H

B N

Me

Me Me H

HH

(AL) (BL) Producto

de adición

La flecha llena, indica que el amoníaco, base de

Lewis, cede el par de electrones sin compartir del N hacia el orbital vacio del Boro, ácido de Lewis

+

(AL) (BL) Producto de adición

Al

Cl

Cl

Cl N

H

H CH3

O

N

H

HCH3

O

Al

Cl

ClCl

El Al, en el AlCl3 (BL), tiene un obital

incompleto, que será llenado con el par de electrones que aporta el nitrógeno de la

acetamida (BL).

+

(AL) (BL) Producto de adición

S

O

O

O

N +NS

O

O-

O

El producto de adición es un swinterion,

prsenta un polo positivo sobre el

nitrógeno y otro negativo sobre

cualquiera de los oxígenos

b) Los iones positivos pueden considerarse también como ácidos de Lewis (electrófilos). De un modo característico,

los iones litio y plata reaccionarán con metanol y amoníaco, bases de Lewis (nucleófilos).

+

(AL) (BL)Producto de adición

Li+

O

Me

H

O

Me

H

Li

El catión acídico formado, todavía puede coordinarse

con más moléculas de base.

En química orgánica tiene particular importancia un grupo de iones positivos (no derivados de metales) cuyas sales

no se encuentran ordinariamente en los laboraotrios químicos. Entre éstos iones están el nitronio (NO2+), el

nitrosonio (NO+), el bromonio (Br+) y varios iones acilonio (RC+=O). Todos estos iones se utilizan en reacciones de

sustitución electrofílica aromática.

+

(AL)(BL)

Br Br

+ FeBr3

Br

Producto de sustitución

El catalizador FeBr3, un ácido de Lewis, polariza el

enlace Br-Br, formando Br+¨(Fe(Br)4)- y éste

electrófilo (Br+) ataca al benceno(nucleófilo),

produciendosé. la sustitución de uno de sus

átomos de H.


79

+

(AL)(BL) Producto de sustitución

HNO3 H2SO4

N+

O-

O

El ácido sulfúrico es más fuerte que el

nítrico y se produce la sgte reacción:

(HO)NO2 + (H)HSO4 = (NO2+)(HSO4

-) + H2O

(AL)(BL)

Producto de sustitución

+ C CH3

O

Cl

CH3

O

El grupo acilo del cloruro de acetilo

(AL), ataca al benceno (BL),

produciendosé una sustitución

electrofílica, en la llamada reacción de

acilación de Friedel-Crafts.

c) En una forma similar, los compuestos que contienen dobles enlaces C=O, C=N o N=O o triples ligaduras C N , son

electrofílicos y por tanto ácidos de Lewis, puesto que tanto la acetona como el benzonitrilo son capaces de aceptar

pares de electrones de las sustancias básicas (nucleófilos) en los procesos de coordinación.

O + NH2

H+

N + H2O

(AL) (BL) imina

El carbono del carbonilo

C=O, tiene carga parcial

positiva y es atacado por un

nucleófilo

+

(AL) (BL)

C N NaOH

NH2

O

El primer paso de reacción de un nitrilo con

OH-, forma una amida, con un exceso de OH-

se forma un carboxilato (hidrólisis básica

de nitrilos)

Un doblel enlace C=C generalmente no actúa como un lugar ácido (es más corriente que lo haga como un nucleófilo

si se halla aislado), a menos que se quite de él la densidad electrónica por un grupo de atracción electrónica (-I),

situado en sus proximidades.

La clase más importante de dobles ligaduras C=C ácidas es la que incluye las conjugadas con grupos carbonílicos.

Éstas son atacadas por muchos aniones; en la conocida reacción de Michael, el reactivo básico generalmente es un

carbanión. Las olefinas fluoruradas pueden también ser atacadas por aniones.

+

(AL)(BL)

NH2

OONH

producto de adición 1,4

El carbono beta del

compuesto alfa, beta insaturadocetónico es

parcialmente positivo y atacado por nucleófilos

+

(AL)(BL)

O-Na

+

OO

Bases de Lewis

Aun cuando el sistema de Lewis permite, junto con el ión hidrógeno, exibir comportamientos ácidos a muchas otras especies,

las sustancias que actúan como bases bajo este sistema son principalmente aquellas que se comportan también como bases de Bronsted. Los reactivos nucleofílicos importantes entran en tres amplias clases:


80

a) Moléculas donde los elementos del quinto y sexto grupos de la tabla periódica tienen pares de electrones no

compartidos (tales como aminas, alcoholes, étes y mercaptanos).

b) Los iones negativos (por ejemplo, haluros, hidróxidos, alcóxidos, iones sulfuro y carbaniones).

c) Olefinas e hidrocarburos aromáticos

El comportamiento básico de las olefinas e hidrocarburos aromáticos toma un poco más de importancia en el sistema de

Lewis que en el de Bronsted.

4.1.4. Rurptura y formación de enlaces

Cualquiera sea el tipo de reacción química que ocurra, se dará la ruptura de viejos enlaces y formación de nuevos enlaces y sobre estos procesos, es necesario conocer, los siguientes aspectos básicos:

Tabla 10. Terminología utilizada en los procesos de rutptura y formación de enlaces

Proceso Terminología

Ruptura de enlaces:

Y

R

R R

C

R

R R

+ Y

un radicalcarbono

especie

radical

Homólisis

Y

R

R R

C

R

R R

+ Y

un ión

(carbocatión)

nucleófilo

carbonio

Heterólisis

Y

R

R R

C

R

R R

+ Y

un ión

carbanión

electrófilo

Heterólilsis

Formación de enlaces:

Z

R

R R

C

R

R R

+ Z

un radical

carbono

especie

radical

Combinación de radicales

(acoplamiento)

ZR

R R

C

R

R R

+ Z

un ión nucleófilo

carbonio

Combinación de un ión carbonio

con un nucleófilo

ZR

R R

C

R

R R

+ Z

electrófiloun carbonión

Combinación de un carbanión

con un electrófilo


81

Existe un grupo importante de reacciones químicas, diferentes en varios aspectos de las reacciones iónicas o de radicales

libres debido a que la reacción procede con una formación y rompimiento simultáneo o concertado de dos o más enlaces covalentes, dando frecuentemente productos estereoespecíficos.

Las reacciones de esta clase usualmente tienen estados de transisción que comprenden un intercambio cíclico de enlaces alrededor de un anillo de átomos, y por lo tanto son denominadas reacciones pericíclicas. Una de las reacciones muy

conocidas es la reacción de Diels – Alder.

4. 1.5. Compuestos intermediarios y estados de transición.

Cuando se rompe un enlace de carbono se produce una especie reactiva (en cantidades detectables) a partir de los reactivos que tiene un átomo de carbono en un estado de valencia normal. Hay evidencias convincentes de que estas especies químicas

juegan un papel importante como intermediarios en las reacciones orgánicas y en el establecimiento de los mecanismos de

reacción, puesto que pueden ser identificados por diferentes métodos.

En cambio se lllama estado de transición a una estructura hipotética, que explica el rompimiento y formación de nuevos

enlaces y que nunca podrá ser aislado o separado, estructura para la cual los reactivos necesitan una energía denominada energía de activación.

Por consiguiente, los intermedios de reacción más usuales en química orgánica son especies de carbono trivalente (tres

enlaces), y especie de carbo divalente (dos enlaces). Los intermediarios del carbono trivalentes, son:

Los carbocationes, o iones carbonio, especies químicas cargadas positivamente, el átomo de carbono tiene una

deficiencia de carga.

Los carbaniones, especies químicas cargadas negativamente, en las que el átomo de carbono trivalente contiene

un par electrónico no compartido.

Los radicales, también denominados radicales libres, entidades químicas electrónicamente neutras en las que el

átomo de carbono trivalente tiene un electrón no compartido.

Los intermedios de carbono divalente, llamados carbenos, han sido identificados en algunas reacciones, estas especies son

altamente reactivas.

4.2. Clasificación de las reacciones orgánicas

Las reacciones orgánicas, han sido clasificadas desde diferentes referentes, sin embargo una clasificación muy útil

particularmente para el estudio de la química orgánica y los mecanismos de reacción, siguiendo el eje vector de los grupos

funcionales, es la que toma en cuenta la naturaleza de la transformación que se dá en los reactantes y particularmente en

los sustratos. Esta clasificación agrupa a las reacciones orgánicas en los siguientes tipos y subtipos.

Tabla No. 11. Clasificación de las reacciones orgánicas

Tipo de reacción Sub-tipo de reacción

1

Reacciones de Sustitución

Sustitución de radicales libres

Sustitución nucleofílica en sistemas alifáticos

Sustitución nucleofílica en sistemas aromáticos

Sustitución electrofílica en sistemas aromáticos

2 Reacciones de Eliminación

3 Reacciones de Adición Adición nucleofílica en sistemas alifáticos

Adición electrofílica en sistemas aromáticos


82

Tipo de reacción Sub-tipo de reacción

Adición de radicales libres

4 Reacciones de Condensación

5 Reacciones de Reordenamiento

6 Reacciones Periciclicas Reacciones electrocíclicas

Reacciones de cicloadición

Reacciones sigmatrópicas

7 Reacciones de oxidación-reducción

A continuación se describirán las reacciones señaladas en el cuadro anterior, sin embargo no se ingresarán en los detalles

mecanísticos de las mismas y otros factores que tienen influencia directa sobre las mismas, ya que dichos aspectos serán

abordados en la sección correspondiente, es decir, en el desarrollo de los capítulos posteriores.

4.2.1. Reacciones de Sustitución

El desplazamiento de una parte (grupo o átomo) del sustrato por la acción de un reactivo, radical, nucleófilo o electrófilo, que

concluye con la sustitución del grupo o átomo y la inclusión de la especie química atacante en la estructura del sustrato, generando otra especie química, se denomina reacción de sustitución. Posiblemente ésta sea la reacción química más

estudiada y dependiendo de la naturaleza del reactivo atacante, se tendrán reacciones de: Sustitución de radicales libres,

sustitución nucleofílica y sustitución electrofílica.

4.2.1.1. Sustitución de radicales libres en sistemas alifáticos

Los radicales, denominados también indistintamente como radicales libres, son especies atómicas o moleculares que poseen uno o más electrones no apareados, son ejemplos comunes:

Radical alquilo (metilo, etilo, etc.) R , ( CH3 , CH3CH2 , etc)

Radical trifenilo Ph3C

El radical halógeno X , (Cl , Br , I )

El radical peróxido ROO , ArOO

Estos radicales pueden generarse por varios procedimietnos, de los cuales se mencionaran los siguientes:

Calentamiento (craqueo), se utiliza el calentamiento del sistema a temperaturas superiores a 300°C, para

lograr la ruptura homolítica de los enlaces covalentes

Fotólisis. Se utiliza energía radiante de longitud de onda adecuada, para el rompimiento de enlaces por

homólisis.

Uso de iniciadores. Se utilizan reactivos como los peróxidos, diazocompuestos, óxidos de nitrógeno, etc,

que promueven la ruptura homolítica de enlace en los reactivos.

La halogenación radicalaria de alcanos y cicloalcanos, es un buen ejemplo de este grupo de reacciones, la fluoruración

genera mucha energía, la yodación se halla en el otro extremo es una reacción demasidado lenta, por lo que incluso, algunos

optan por manifestar que no ocurre, en cambio la cloración es una reacción regularmente exotérmica, es rápida, pero lamentablemente se generan casi siempre una mezcla de productos de cloración, en cambio la bromación es suficientemente

lenta (endotérmica) como, para poder controlar la reacción de una manera mucho más regioespecífica.


83

En general los radicales carbono generados, muestran un orden de establidad decreciente del radical terciario (3°) al radical

(1°). El radical metilo que no tienen sustituyente alguno de sus H, es considerado como un radical super primario (s1°).

R C

R

R

> R C

R

H

H C

R

H

> >> H C

H

H

3° 2° 1° s1°

estabilidad decreciente de los radicales

La halogenación de alcanos y cicloalcanos, ocurre por un mecanismo en etapas: iniciación, propagación y terminación, las

que serán debidamente estudiadas en la sección correspondiente. La halogenación de alcanos superiores al etano, forma una

mezcla de isómeros estructurales, siendo el componente mayoritario, la posición del carbono más sustiuido, como puede verse en el siguiente ejemplo.

Cl2

calor ó hv

Cl

Cl

Cl+ +> >

En cambio una bromación es mucho más regioespecífica, se forma un solo producto, aquello que resulta de sustituir el hidrógeno del átomo de carbono más sustituído del sustrato. El número de posibles isómeros estructurales aumenta al

incrementarse en contenido de carbono en la cadena del alcano. En el cicloalcano, como todos sus H son equivalentes, se

forma un solo producto de cloración y bromación.

Cl2

calor ó hv

Br2

calor ó hv

Cl

+Cl

Br

(98%)

(60%) (40%)

Br2

calor ó hv

Br

único producto

+ HBr

Br2

calor ó hv

Cl2

calor ó hv

Cl

Br

únicos productos

La halogenación radicalaria de alquenos es una reacción estereoespecífica y otro ejemplo de una reacción de sustitución del

átomo de H ubicado sobre el átomo de carbono contíguo al doble enlace.


84

NBS

H2O2

NClS

H2O2

Br

Cl

NBS:

N

O

O

Br

Esta posición se conoce como la posición alílica. Los reactivos más utilizados, son el Bromo-N-succinimida (NBS) y el Cloro-N-

succinimida (NClS).

Para que se genere el radical halógeno se debe agregar un iniciador de radicales, por ejemplo un peróxido (H2O2).

NBS

H2O2

NClS

H2O2

Br

Cl

Prueba de Dominio

1.- Escribir fórmulas estructurales y nombres para todos los hidrocarburos cíclicos isoméricos de fórmula C5H10. ¿Cuál de

estos isómeros da un solo derivado monoclorado?. ¿Cuál isómero da sólo dos derivados monoclorados?

2. Los tres pentanos isómeros C5H12 se cloran por separado a 300°C. El isómero A produce tres monocloropentanos

diferentes, B da un monocloropentano y C da cuatro monocloropentanos diferentes.

Asignar estructuras para A, B y C.

¿Cuántos dicloropentanos isoméricos son posibles a partir de B?.

3.- Indique todos los pasos en la bromación por radicales libres del etilbenceno. Designe cada uno de los pasos en esta

reacción en cadena como: iniciación, propagación y terminación.

4. Escribir la estructura de los productos en las siguientes reacciones:

?+ Br2

hv

+ HBr

peróxidos?

5. ¿Cuáles serían las moléculas precursoras más adecuadas para la formación de las siguientes moléculas objetivo?

a)

Br

b)

c)

Br

D)

Br

Br

4.2.1.2. Sustitución nucleofílica en sistemas alifáticos.

Los nucleófilos (bases de Lewis), utilizando su par de electrones sin compartir, pueden atacar a un átomo de carbono que se halle ligeramente polarizado (cargado positivamente) y desplazar a otro átomo o grupo saliente que se hallaba unido al

carbono atacado, para generar un nuevo compuesto.

El mecanismo de reacción de las sustituticones nucleofílicas en sistemas alifáticos ha sido ampliamente estudiado y se puede afirmar que se tiene un nivel de aproximación importante a cómo ocurren estas reacciones.

Las moléculas precursoras (sustratos) que sufren sustitución nucleofílica son:


85

Los alcoholes, haluros de alquilo, ácidos carboxílicos y sus derivados (haluros de acilo, amidas, ésteres, anhídridos), Los

nucleófilo más comunes que participan de sustituciones nucleófilicas, son recogidos en el la siguiente Tabla.:

Tabla No. 12. Nucleófilos simples más comunes

Reactivo atacante Nucleófilo que aporta

SOCl2, Cloruro de tionilo Cl- cloruro

PBr3, Tribromuro de fósforo Br- bromuro

NaOH Hidróxido de sodio OH hidroxilo

NH2R alquil amina H2N- amino

RONa Alcóxido de sodio RO- alcóxido

NaCN cianuro de sodio CN- ciano o nitrilo

PhONa Fenóxido de sodio PhO- fenóxido

NaN3 Azida sódica -N3 azida

R2CuLi Dialquilcuprato de litio 2R- alquil

RSNa alquiltiolato de sodio RS- alquiltiolato

CH C-Na

+

Acetiluro de sodio CH C-

acetiluro

Los nucleófilos pueden ser clasificados en base a su nucleofilia (velocidad de sustitución) o fuerza básica (propiedad

termodinámica).

Alcoholes como sustratos:

(moléculas precursoras)

OH

SOCl2

PBr3

Cl

Br

calor + SO2 + HCl

calor+ H3PO3

Esta reacción funciona satisfactoriamente con alcoholes, primarios y secundarios y con los alcoholes terciarios, se tienen rendimientos bajos, debido a que se forman productos de eliminación.

Haluros de alquilo como

sustratos: (precursores)

Cl

Ph2NH NPh2

H2O No hay reacción, el agua es un nucleófilo

demasiado débil, actua sobre haluros 3°

CNKCN

Los haluros terciarios preferentemente

y algunos secundarios, producen con bases fuertes mayormente alquenos

por una reacción de eliminación en competencia con la reacción de

sustitución

O-Na

+

Br

O

(CH3CH2)2CuLi

NH2 NH

+


86

Acidos carboxílicos como sustratos:

(Precursores)

COOH

SOCl2

calor

COCl

NH

O

COOEt

NH2

OH

H+

Prueba de Dominio:

1.- Efectuar una clasificación de los nucleófilos, como nucleófilos duros y nucleófilos blandos

2.- Decidir si cada una de las sustancias siguientes puede ser: a) ácidos de Lewis, b) base de Lewis, c) ambos a la vez o d)

ninguno de ellos:

H2O FeCl3 B(OC2H5)3 (CH3)3CO-

HgCl2 CCl4 NO2- Naftaleno

SO2 NO+ (C6H5)3C+ Cr(ClO4)3

SO3

PhCOCH2Ph SbF5

3.- Decidir cuál de los reactivos es más nucleófio en cada uno de los siguientes pares. Justificar la elección en cada caso.

a) ¿NH2- o NH3? h) ¿(CH3)3B o (CH3)3P?

b) ¿Úrea o tioúrea? i) ¿(EtOOC)2CH- o -CH2COOEt?

c) ¿Nitrito o nitrato? j) ¿SH- o Cl-?

d) ¿HPO42- o HPO3S2-? k) ¿(C6H5)2O o C6H5Cl?

e) ¿Fenol o etanol? l) ¿N3- o F-?

f) ¿Anídrido acético o n-propanol? m) ¿Benceno o Mesitileno?

g) ¿PhO- o O2NPhO-?

4.2.1.3. Sustitución nucleofílica en sistemas aromáticos.

Para que ocurra una sustitución nucleofílica

sobre el anillo bencénico, éste debe presentar

en su estructura grupos fuertemente atractores de electrones, como por ejemplo el

grupo nitro –NO2, el grupo –CF3, etc. y los

sustratos aromáticos más comunes son los

haluros de arilo desactivados por grupos atractores de electrones

Cl

NO2

NH2

EtO-Na

+

NH

NO2

O

NO2

4.2.1.4. Sustitución electrofílica en sistemas aromáticos

Esta es otra de las reacciones orgánicas, abundantemente estudiadas en su mecanismo de reacción. La sustitución directa del H unido al anillo bencénico rico en electrones pi, se efectúa por una gran variedad de reactivos electrofílicos o iones


87

cargados positivamente. Sin embargo, en general es necesaria una catálisis ácida para que se produzca la sustitución

electrofílica directa, son utilizados en algunos casos ácidos de Bronsted - Lowry y en otros ácidos de Lewis.

La sustitución electrofílica de compuestos bencénicos sustituidos, están sujetas a efectos orientadores y activadores o

desactivadores de estos grupos, aspecto que se estudairá en el capítulo correspondiente. Aquí, se mencionará sólo las monosustituciones directas, para ejemplificar la SEA.

Halogenación del benceno: NO existe una reacción directa de fluoruración del benceno. La yodación directa presenta rendimientos muy bajos, razón por la cual se tiene alternativas indirectas para introducir en el anillo el F y el I en reemplazo

de sus H. En cambio la cloración y bromación son fáciles de realización.

Br2

FeBr3

Cl2

AlCl3

Br

Cl

Bromobenceno

Clorobenceno

Nitración del benceno. Para introducir el grupo nitro (–NO2) en el benceno en reemplazo de un H, se utiliza una mezcla de

ácido nítrico y ácido sulfúrico concentrados, denominada mezcla sulfonítrica y la reacción requiere de un calentamiento

moderado. La presencia del grupo nitro en el benceno es importante, porque permite caminos indirectos para introducir otros electrófilos, como el F, I, CN, OH, etc, por la dnominada reacción de Sandmeyer.

+ HNO3

H2SO4

NO2

Nitrobenceno

Sulfonación del Benceno: Para ello se utiliza ácido sulfúrico

concentrado saturado con SO3 (ácido sulfúrico fumante). La

sulfonación es una reacción de equilibrio, de tal modo que puede

desulfonarse el benceno, agrenado agua y calentando el sistema

+ H2SO4

SO3H

SO3

ác. bencensulfónico

H2O,

Alquilación de Friedel Crafts. Los cloruros de alquilo primarios, alcoholes primarios o alquenos, son los reactivos que

pemiten introducir grupos alquilo en el anillo bencécnio en reemplazo de uno de sus H. Esta reacción debe estar catalizada por un ácido de Lewis

Cl

AlCl3

CH3OH

AlCl3

AlCl3

Etilbenceno

Metilbenceno (tolueno)

Isopropilbenceno (cumeno)


88

Acilación de Friedel–Crafts.

Los reactivos acilantes del benceno, son los ácidos

carboxílicos, los haluros de ácido y los anhídridos de ácido.

Son también importantes las acilaciones intramoleculares

CH3COOH

H3PO4

CH3COCl

AlCl3

O

O

4.3. Reacciones de Eliminación

Las reacciones de sustitución nucleofílica de haluros secundarios habitualmente se hallan en competencia con la formación de alquenos como subproductos de la reacción.

Si el sustrato es un haluro terciario y

se hace reaccionar con un nucleófilo que a su vez sea una base fuerte,

prácticamente la formación del alqueno

predomina en los productos de

reacción.

Los haluros secundarios, dependiendo

de las condiciones de reacción, también

forman alquenos

Cl

EtO-Na

+OEt

+

CH2Ph(PhCH2)2CuLi

CH C-Na

+

+

único producto

(70%) (30%)

(90%) (10%)

EtOH

Se denomina reacción de eliminación a la pérdida de dos sustituyentes de un par de átomos adyacentes en una cadena o

anilllo y dependiendo de la estructura del sustrato se presentan dos tipos de mecanismos de eliminación. Comúnmente se

pierde un protón de uno de los dos átomos de carbono ligados y un nucleófilo, X:, del otro.

RR

1

HX

H

H

- HX RR

1

H

H

(-X = - halógeno, - NR3

+, -OH2

+, -SR2

+, -RCOO

- )

La ejemplificación de la reacción de eliminación, se circunscribirá a los haluros de alquilo y alcoholes alifáticos, dejando el resto de reacciones de eliminación para los capítulos y secciones correspondientes.

Haluros y dihaluros de alquilo como sustratos. La deshidrohalogenación (- HX) y deshalogenación (- X2), son reacciones

de eliminación, favorecidas por el uso de una base fuerte y un disolvente polar. El alqueno que se forma, según la regla de Saytzeff, debe ser el más sustituido de las alternativas que se presenten. Son tres los sistemas solvente-base comúnmente

utilizados para este fín:

Alcóxido de sodio RO-Na+, disuelto en alcohol ROH

Alcóxido de sodio (RO-Na+), disuelto en un

solvente aprótico como el sulfóxido de dimetilo (DMSO), (CH3)2SO

Cl

Cl

EtO-Na

+

EtOH

Zn

EtOH


89

KOH disuelto en alcohol

concentrado EtOH

Br

KOH

CH3CH2OH+

(90%)

Alcoholes como precursores (sustratos). La reacción de deshidratación de los alcoholes, pérdida de agua, es catalizada

por ácidos y calor. La formación del alqueno sigue la regla de Saytzeff.

Los ácidos, sulfúrico, fosfórico y HF seco, son buenos

catalizadores, para deshidratar alcoholes.

Para deshidratar alcoholes primarios (1°), se requiere de

ácidos concentrados, en cambio para deshidratar alcoholes secundarios (2°) y alicíclicos, la concentración de los ácidos

puede bajar hasta 60% y para la deshidratación de alcoholes

terciarios (3°), la concentración de los ácidos se debe bajar ostensiblemente, Lo mismo ocurre con el calentamiento.

OH

H2SO4 conc

160-175°C

H2SO4, 45%

OH120°C

H2SO4, 25%

90°C

OH

El 1-propanol y el 2-propanol, al ser dehidratados con ác.

Sulfúrico concentrado, producen el mismo producto,

propeno. Sin embargo las condiciones de deshidratación

del 2-propanol son más suaves.

OH

OH

H2SO4, 75%

140°C

H2SO4, 60%

90°C

En el 1-butanol se produce un reordenamiento

del hidrógeno en el carbocatión intermedio

formado, para alcanzar la estructura del alqueno más sustituido.

OH

H2SO4, 75%

140°C

H2SO4, 60%

90°COH

+mayoritario

4.4. Reacciones de Adición

La reacción de adición, se produce en general cuando las partes de un reactivo (A – B), se añaden a centros insaturados de:

C=C (olelfinas), C=O (aldehídos y/o cetonas) C=S (tionas),

C=N (iminas), RC CH (alquinos), C NR (nitrilos

En todos los casos se forma un solo producto de adición y no así subproductos. Igualmente el ciclopropano que posee un

punto de insaturación y se encuentra sometido a una fuerte tensión anular, participa de reacciones de adición, con la

apertura del ciclo. Los reactivos que participan en una reacción de adicion, en general, puden ser electrofílicos, nucleofílicos

o radicales.

4.4.1. Reacciones de adición electrofílica

Se tomarán, como ejemplo de este tipo, la hidrohalogenación (HX), la halogenación (X2) y la hidratación (H-OH), sobre alquenos y alquinos como sustratos.

Los alquenos como sustratos: Si los alquenos son simétricos se obtendrá un solo producto de adición. En cambio, si los mismos son asimétricos, se obtendrán los haluros y alcoholes más sustituidos, siguiendo la regla de Markovnikov.

El H+ electrófilo del HBr, es tomado por los electrones pi de la olefina, para formar un complejo activado cíclico “hidronio”,

que luego se abre para constituir el carbocatión más estable, que será posteriormente atacado por el nucleófilo Br-.


90

HBr Br

Br2Br

Br

OH

H2O

H+

CCl4

CCl4

Sin embargo, es también posible obtener los

alcoholes y haluros menos sustituídos.

Para ello se cambian las condiciones de

reacción, de la forma como se indican en el

siguiente esquema.

La bromación en agua, será explicada al

estudiar las reacciones de los alquenos

HBr

Br

Br2 Br

Br

OH

B2H6, THF

H2O2, NaOH

H2O2

(peróxidos)

H2O+ OH

Brhalohidrina

La adición de reactivos electrofílicos a dienos conjugados, genera una mezcla de productos de adición, debido a la movilidad

de los electrones pi, se produce una notable interacción, que se evidencian por la naturaleza de los productos formados:

HCl

Br2

Cl2

Cl

Cl

Br

Br

Br

Br

Cl

ClCl

Cl

+

+

+

1

2

3

4

adición 1,2 adición 1,4

Los alquinos como sustratos. La adición de un reactivo simétrico o nó, puede controlarse en una primera adición, para

formar un alqueno sustituído con isomería geométrica cis o trans y en una segunda etapa, saturar completamente el

alqueno, para formar un alcano sustituido.

H2

Pd/C

H2, Pd/C

BaSO4

La formación de productos de adición 1,2 y 1,4 es comprensible cuando estas reacciones son consideradas en el contexto del

mecanismo en dos etapas anteriormente señaladas. El ataque electrofílico en uno de los átomos de carbono terminales del dieno se favorece, puesto que conduce a un catión alílico intermedio relativamente estable.


91

Pt, Ni, Pd

1mol H2 1mol H2

Pt, Ni, Pd

H2

Pd/CaCO3 isómero cis

Na o Li

NH3,líqisómero trans

La hidratación de alquinos terminales e intermedios con H2O, catalizada por sales mercúricas en medio ácido, forma cetonas.

En cambio los alquinos terminales hidratados con el sistema H2O, disiamilborano (Sia2BH) (o también B2H6), seguido de oxidación con H2O2, NaOH forman esencialmente aldehídos.

HBr

CCl4

Br2

CCl4

Br

HBr

CCl4

Br

Br

Br

Br

Br2

CCl4

Br

Br

Br

Br

H2O, H2SO4

HgSO4

OH

Inestable

O

4.4.2. Reacciones de adición nucleofílica

Aldehidos y cetonas como sustratos. La adición en condiciones básicas o neutras generalmente ocurre con el ataque del

nucleófilo al grupo carbonilo, transformando su estructura plana en la estructura tetraédrica del producto.

El ión alcóxido formado abstrae

un protón del disolvente si se

emplea un disolvente prótivco (H2O. ROH), pero si se utiliza un

disolvente aprótico (éter), la

protonación ocurre hasta la

adición de ácido acuoso de una fuente externa (segundo paso).

O

CH3Li

O-Li

+

CH3H3O

+ OHCH3

EtMgBr

THF

O-MgBr

+

Et H3O+ OH

Et

HCN

CNOH

cianohidrina

La adición en condiciones ácidas empieza generalmente con la protonación del oxígeno del carbonilo, aprovechando que el oxígeno cuenta con pares de electrones sin compartir, esta reacción es reversible.

El átomo de carbono en el grupo carbonilo aumenta su

carácter positivo, debido a la naturaleza sustractora

de electrones del átomo de oxígeno protonado. La

reacción continúa con el ataque del nucleófilo al carbocatión para formar el producto.

O

OH

H+

O

OH

H3O+

OH

OH


92

Compuestos α,β-insaturado carbonílicos como sustratos. Los dobles enlaces conjugados con un grupo fuertemente

atractor de electrones (C=O, NO2, CN, COOR, etc), sufren una reacción de adición de reactvios nucleofílicos, seguido del ataque del electrófilo H+, de dos maneras:

O

NuNu

OH

Nu

OH

Nu

Adición 1,4adición 1,2

O

Nu

Como una regla general los nucleófilos fuertemente básicos tienden a atacar directamente al carbono carbonílico (i.e. 1,2-

adición), mientras que los nucleófilos débilmente básicos tienden a la 1,4-adición. En la tabla que se señala a continuación, se da una lista de selectividades.

Si la adición conjugada involucra el ataque por un carbono nucleófilo, se conoce como la reacción de Michael.

Tabla No. 13. Productos predominantes de adición nucleofílica

Átomo nucleofílico Nucleofilo Adición 1,4 Adición, 1.2

Carbonos nucleófilos

RLi

RMgBr

R2CuLi

RMgBr/CuI

NaCH(COOEt)2

-

-

Si

Si

Si

Si

Si

-

-

-

Hidrógenos nucleófilos

LiAlH4

NaBH4/CeCl3

NaBH4/CuI

-

-

Si

Si

Si

-

Heteroátomos nucleófilos

RNH2

RSNa

RONa

Si

Si

Si

-

-

-

O

+ Et2CuLi

O

O

NH2

Na+O

-

O NH

H

OH NH

OH O O O


93

4.4.3. Reacciones de adición de radicales libres

La adición de HBr a un alqueno y la de otro alqueno sobre otro alqueno (polimerización) son reacciones de adición de

radicales libres, para los cuales se han estudiado y establecido los respectivos mecanismos de reacción.

Adición de HBr a un alqueno. El HBr impuro se calienta o irradia fotoquímicamente, para generar radicales de Bromo, a

este reactivo caliente se agrega un alqueno.

BrH

CCl4

Br

BrHBr impuro

calor

producto

producto

Markovnikov

AntiMarkovnikov

El producto que se forma, muestra que el Br se adiciona al átomo de carbono menos sustituido del doble enlace, generándose

de este modo un producto de adición Ant-Markovnicov.

Los reactivos impuros suelen contener trazas de peróxidos (ROOR) que generan fácilmente radicales RO. con calentamiento

o energía radiante, que son las responsables de producir luego el radical Br. e iniciar las reacciones radicalarias en cadena

que explican la adicón “anormal” de HBr a los alquenos.

La reacción de halogenación radicalaria de alquenos ocurre con HBr pero no con HCl o HI. La explicación se encuentra en la

termoquímica de los dos pasos de la etapa de propagación. En la reacción con HBr ambos pasos son exotérmicos y poseen

bajas energías de activación, lo que no ocurre con HCl y HI.

Adición de un alqueno a otro alqueno (polimerización). Los dos alquenos de mayor importancia industrial son el etileno y

el propileno. A partir de éllos se obtienen una serie de polímeros de gran aplicación: Polietileno, polpropileno, policloruro de

vinilo (PVC), Politetrafluorometileno (PTFE, teflón), etc. La mayoría de los polímeros señalados, son obtenidos industrialmente

a gran escala mediante polimerización por radicales libres. Para ello, el etileno se calienta a alta presión en presencia de

oxígeno o de un peróxido.

CH2 CH2CH2 CH2n

CH2 CH2

polietileno

polimerización

etileno

(monómero) (polímero)

n

CH CH2

CH3

CH CH2

CH3

n

CH CH2

CH3polimerización

n

propileno polipropileno

monómero polímero

C CH2

Cl

Hn

C CH2

Cl

H

C CH2

Cl

H

polimerización

cloruro de vinilo policloruro de vinilo (PVC)

(monómero) (polímero)

En la actualidad, se continúa investigando sobre nuevas técnicas de polimerización que mejoren los rendimientos y

propiedades de los polímeros así como la formación de nuevos polímeros.

4.5. Reacciones de Condensación.

La condensación es una reacción orgánica donde dos moléculas se combinan, por lo general en presencia de un catalizador,

con la eliminación de agua. Amoníaco, etanol, sulfuro de hidrógeno o alguna otra molécula sencilla. Los catalizadores usados


94

comúnmente en reacciones de condensación incluyen ácidos y bases. La combinación de dos moléculas idénticas se conoce

como auto-condensación. Este proceso forma moléculas más grandes, muchas de las cuales son útiles en la síntesis orgánica.

Los aldehídos, cetonas, ésteres, alquinos, y alcoholes se encuentran entre las variadas moléculas que se combinan entre sí para formar moléculas más grandes. El mecanismo de muchas reacciones de condensación se ha demostrado que

comprenden una reacción de adición seguida de eliminación. La condensación intermolecular se produce entre dos moléculas separadas, mientras que la condensación intramolecular es la unión entre los átomos o grupos de la misma molécula, a

menudo conduce a la formación de anillo.

Las reacciones de condensación se utilizan en la polimerización de condensación cuando una serie de etapas de

condensación se producen para formar largas cadenas. Esta reacción puede ser o bien una homopolimerización de un

monómero o una copolimerización de dos co-monómeros. Muchas transformaciones biológicas son reacciones de

condensación, formación de péptidos, etc.

Alcoholes como sustratos. Algunos alcoholes simples pueden autocondensarse, si son catalizados por ácidos y calor, para

producir éteres como producto de condensación y agua como subproducto.

H2SO4

calor

CH3OH + CH3OH CH3OCH3 + H2O

H2SO4

calor

+ H2OOOH OH

+

Ácidos carboxílicos como sustratos. Un buen ejemplo de reacción de condensación de los ácidos carboxílicos es la formación de un éster, por la denominada síntesis de Fischer.

+ H2O

OH

O

MeOH

EtOH

H+

H+

H2O+

OMe

O

OEt

O

Aldehídos y cetonas como sustratos. Los aldehídos y cetonas que contienen al menos un hidrógeno en el carbono alfa

(contíguo al carbonilo), por catalisis ácida o básica generan un nucleófilo que luego se condensa con la misma molécula u

otro compuesto carbonílico. Ejemplos de este tipo son la condensación aldólica y la condensación de Claisen de ésteres.

H

O

EtO-Na

+

H

O

H

O

H

O O-

EtOH

H

O OH

+ EtONa

aldol

O

EtO-Na

+

O

Ph CHO

Ph

O

OPh

OHO

EtOH

Ésteres como sustratos: La autocondensación de un éster es conocida también como condensación de Claisen


95

CH3COOEtEtONa

CH2COOEt

CH3COOEt

CH3 C

CH2COOEt

OEtO

CH3 C

CH2COOEt

O

+ EtO-Na

+

acetoacetato de etilo

Polímeros de condensación. Se llama polimerización por condensación, si parte de la molécula de monómero se pierde cuando el monómero pasa a formar parte del polímero. Esa parte que se pierde es por lo general una molécula pequeña

como agua o HCl gaseoso. Es decir, en un polímero de condensación, algunos átomos del monómero no pasan a formar parte del polímero. En la obtención del nylon 6,6 a partir de cloruro de adipoilo y hexametilen diamina, cada átomo de cloro del

cloruro de adipoilo juntamente con uno de los átomos de hidrógeno de la amina, son expulsados como HCl gaseoso.

C (CH2)4Cl

O

C Cl

O

+ (CH2)6N N

H

H H

H

C (CH2)4

O

O

NH (CH2)6 N

Hn

+ HCl

nylon 6.6

Debido a que ahora hay menos masa en el polímero que en los monómeros originales, se dice que el polímero está

condensado con respecto a los monómeros. El subproducto, ya sea HCl gaseoso, agua o lo que fuere, se denomina

condensado. En conclusión, las polimerizaciones por condensación generan subproductos, en cambio las polimerizaciones

por adición no.

4.6. Reacciones de reordenamiento (transposición) molecular.

Durante el desarrollo de las anteriores reacciones, se ha observado intermediarios que contienen exceso de carga negativa,

si es en el átomo de carbono, se denominan carbaniones y si existe un átomo deficiente de electrones, será un carbanión, los

anteriores casos pueden extenderse a otros heteroátomos como el N y O particularmente.

Estos intemermediarios, como ya se ha señalado, buscan su estabilización como especies químicas, por procesos de

reordenamiento atómico o de grupos vecinos al centro deficiente o excesivo de electrones, proceso que se denomina migración y el resultado es un reordenamiento ó transposición de un grupo que origina un isómero estructural mucho más

estable del carbanión o carbocatión inicial.

4.6.1. Transposición inducida por el ión carbonio.

Los iones carbonio intermedios en los cuales el centro cargado positivamente está adyacente a unátomo de carbono altamente ramificado (sustituido), puede reagruparse por la migración de uno de los sustituyentes vecinos.

H - O - HClPh

Ph Ph

Ph

Ph Ph

Ph

Ph Ph

HCl

OHPh

Ph PhOH

+

Ph

Ph Ph

mayoritario

prod de transposición

menor

prod. de eliminación

4.6.2. Transposiciones a átomos de nitrogéno deficientes en electrones.

E. Beckmann, observó en 1886 que las oximas se transformaban en amidas por tratamiento con ácidos fuertes. Esta reacción

requiere claramente la migración de un grupo alquilo del carbono al nitrógeno.

N

R

R1

OH

H2SO4 o PCl5, éter H2ONH

O

R1

R


96

4.6.3. Transposiciones a átomos de oxígeno deficientes en electrones.

La transposición oxidativa de cetonas a ésteres o a lactonas por tratamiento con perácidos se conoce como la reacción de Baeyer- Villiger. Los ácidos fuertes catalizan esta reacción. Existen también transposiciones de radicales libres.

RR

O

+ R'CO3H

H

R', usualmente es CH3 o CF3

R

R

O

OO O

R'

H H

R

O

O R

OH O

R'

+

4.7. Reacciones Periciclicas9

Existen un grupo importante de reacciones químicas, diferentes en varios aspectos de las reacciones iónicas o de radicalels libres, por lo que los denomina reacciones no iónicas o Pericíclicas. Las características compartidas por estas reacciones, y

que las diferencian de las otras reacciones químicas, se pueden mencionar:

No son grandemente afectadas por cambios en el solvente, por la presencia de iniciadores o de recolectores de

radicales, o por catalizadores electrofílicos o nnucleofílicos.

No se conocen intermediarios discernibles iónicos o de radicales libres involucrados en sus mecanismos de

reacción.

Al parecer proceden con una formación y rompimiento simultáneo o concertado de dos o más enlaces covalentes,

dando frecuentemente productos estereoespecíficos.

Las reacciones de esta clase usualmente tienen estados de transición que comprenden un intercambio cíclico de enlace

alrededor de un anillo de átomos y por lo tanto son denominadas reacciones pericíclicas.

4.7.1. Reacciones de cicloadición.

La combinación concertada de dos moléculas no saturadas (electrones ) para formar simultáneamente un anillo que tiene

dos nuevos enlaces sigma (σ) y dos enlaces pi () menos, se llama una reacción de cicloadición. Son procesos concertados

y reversibles. Una reacción típica de este tipo es la denominada reacción de Diels-Alder.

+

Gcalor

R G

dieno dienófilo aducto de Diels-Alder

G: atractor de e-

+

O

O

calor

O

O

H

H

dieno dienófilo aducto

+hv

9

REUSCH W.H. Química Orgánica. Edit. McGraw-Hill México. pág. 567


97

4.7.2. Reracciones electrocíclicas.

Otra forma de reacciones pericíclicas catallizada por energía térmica o fotoquímica, es la ciclización concertada de un

sistema conjugado de electrones pi (), a un a un anillo que tiene un nuevo enlace σ entre los átomos terminales del sistema

conjugado y dos electrones menos que se “consumieron”.

Este proceso reversible se denomina reracción electrocíclica.

calor

calor

4.7.3. Reacciones sigmatrópicas

Las reacciones sigmatrópicas son migraciones (transposiciones) intramoleculares en las que un átomo o grupo de átomos de una molécula se trasladan de una posición a otra de un sistema insaturado con rotura de un enlace σ, formación de otro

σ distinto y cambios en la posición de los dobles enlaces.

Esta reacción requiere de energía térmica o fotoquímica.

calor

ó hv

O OOH

calor

4.8. Reacciones de Oxidación–Reducción.

Las reacciones de oxidación y reducción de los compuestos orgánicos, pueden estar comprendidas también simultáneamente

en cualquiera de las reacciones orgánicas anteriormente explicadas (sustitución, eliminación, adición, transposición, etc.).

Las definiciones de reducción y oxidación aplicadas al ámbito de las transformaciones de los compuestos inorgánicos,

también son aplicables a la química orgánica, pero con una adecuación necesaria e imprescindible.

Es decir, la pérdida o ganacia de electrones de los reactivos en la química inorgánica, debe ser adapatada a las oxidaciones y

reducciones de los compuestos orgánicos, toda vez que en los compuestos orgánicos esta transferencia de electrones no

suele ser completa y el proceso redox se produce como consecuencia de un cambio en los enlaces covalentes entre átomos

de distinta electronegatividad.

La formación de un enlace entre el carbono y un átomo más electronegativo, es un proceso de oxidación y la formación de un

enlace entre el carbono y un átomo menos electronegativo es un proceso de reducción, ya que en estos cambios se produce

una disminución o un aumento de la densidad electrónica sobre el átomo de carbono. Entonces la oxidación reducción de compuestos orgánicos, puede manifestarse del siguiente modo:

Las reacciones que originan nuevos enlaces, generalmente con el hidrógeno o los metales, deben de

entenderser y tomarse como reducciones.

La abstracción de átomos de hidrógeno de una molécula orgánica, para formar enlaces múltiples o para producir nuevos enlaces entrte el carbono y elementos más electronegativos que éste, tales como halógenos,

oxígeno, nitrógeno y azufre, se toman como oxidaciones.


98

4.8.1. Reacciones de Oxidación

Los agentes oxidantes aplicados en la química inorgánica, son también utilizados en química orgánica, bajo condiciones

adecuadas de control, para evitar la destrucción de la molécula. Los sistemas de oxidación más comunes toman en cuenta

las siguientes alternativas:

Reactivos basados en un metal: Cromo/ácido, Cromo/piridina, Manganeso/ácido, Pd, Ag, Rutenio/peróxido,

Hg(II),

Reactivos basados en no metales: Peróxidos, Peroxiácidos, Oxígeno/catalizador, Ozono/H2O2, Dimetil sulfóxido

activado (DMSO), SeO2., OsO4, Sia2BH, etc.

4.8.1.1. Alquenos como sustratos. 1) O3

2) (CH3)2S

1) O3

2) H2O2

CHOOHC+

COOH

HOOC+

MCPBA

O

alldehidos

ácidos carboxílicos

epóxidos

H2SO4/H2O

OH

CrO3

H2SO4

O

OH

OH

KMnO4

H2O, calor

PhCOOOEtO

4.8.1.2. Alquinos como sustratos:

Los alquinos terminales al ser hidratados, forman inicialmente un enol que es inestable en el medio de reacción y se

tautomeriza inmediatamente a una cetona o aldehído, como producto principal. Ocurre lo anteriormente señalado

cuando se cataliza la hidratación con sales mercúricas en medio ácido y con el hidroborano (diborano) en medio de un oxidante suave y una base, respectivamente

H2O, H2SO4

HgSO4 OH O

1) BH3, THF

2) H2O2, OH-

OH O

H

una metilcetona

un aldehido

1) Sia2BH

2) H2O2

NaOH

H

OH

enol

H

O


99

4.8.1.3. Alcoholes como sustratos:

OH

OH

COOH

O

CHO

O

MnO2

H2O

O

H

O

CrO3/H+

COOH

O

CrO3/H+

PCC

SeO2

COOH

O

O

Oxidación con clorocromato de piridinio (PCC, Oxidación de Corey-Suggs). TL 1975 2647 Synthesis 1982, 245 (review) CrO3 + 6M HCl + piridina pyH+CrO3 Cl-

4.8.1.4. Aldehídos y Cetonas como sustratos.

Los aldehídos son oxidados fácilmente a ácidos carboxílicos por la mayoría de los agentes oxidantes, incluso por el oxígeno

del aire. La oxidación al aire es una reacción en cadena. Sustancias tales como aminas aromáticas y los fenoles, inhiben la

oxidación al aire.

Oxidación destructiva de cetonas. El comportamiento de las cetonas respecto a la oxidación es muy similar al de los

alcoholes terciarios. Para romperlas se emplea a menudo HNO3 caliente y permanganato ácido o alcalino.

O OH

HNO3,

OH

H

NO2

O

H

NO2

COOH

COOH

ác. Adípico (60%)

V2O5

Oxidación de metil y metiléncetonas

Oxidación de Reilly. Las metiléncetonas están sujetas a ataque oxidativo específico en las posiciones alfa. La oxidación

de Reilly con SeO2 conduce a alfa-dicetonas.

O O

O

SeO2

dioxano/calor

SeO2

dioxano/calor

O

CHO

O

Piruvaldehído

(60%)

Oxidación de aldehídos a ácidos carboxílicos (con AgO2)

AgO2

JACS 1982, 104, 5557

CHO

Ph

COOH

Ph

Oxidación de α, β-insaturado aldehídos a α, β-insaturado ácidos. Para esta Interconversión de grupo funcional se

utiliza los iones clorito. Tetrahedron 1981, 37, 2091.


100

CHO

OBn

NaClO2

NaH2PO4

tBuOH, H2O OBn

OH

O-Cl

-O

-H

COOH

OBn

- HClO2

4.8.2. Reacciones de Reducción.

Todos los agentes reductores inorgánicos corrientes se usan con frecuencia en química orgánica, sin embargo, los más

útiles, son el hidrógeno (con catalizadores sólidos), los hidruros metálicos y los metales activos, especialmente el cinc y el

sodio.

4.8.2.1. Los alquenos y alquinos como sustratos

La hidrogenación catalítica, es uno de los procedimientos que permiten saturar los alquenos y alquinos.

H2, Pd/C

ó H2, Pt

H2, Pd/C

BaSO4

H2

Ni - Raney

El diborano disuelto en THF, se adiciona reversiblemente a los alquenos y el compuesto de adición formado cuando se calienta

en ácido acético (HAc), da origen a un compuesto saturado. Los compuestos, de adición de borano se pueden oxidar también

como ya se vio con anterioridad en la formación de alcoholes.

Los alquinos, pueden también reducirse a olefinas mediante el diborano. La reacción da productos del tipo cis.

31) B2H6

2) CH3COOH, 0º

H H

3 98%

Silanos. Una variedad importante de compuestos del silicio, denominados en general silanos, son una alternativa de reducción, para alquenos y alquinos, a través de dos mecanismos diferentes que utilizan por una parte la donación de

hidruros (H-) o por otra el aporte de radicales (H.). Como puede verse en los siguientes ejemplos, con el trietilsilano (Et3SiH):

R

R1

Et3SiH R

R1Pd/C, MeOH

Et3SiH

RR1R R1

Pd/C, MeOH

Et3SiH

CF3COOH

Et3SiH, TFA

CF3COOH


101

En estas dos últimas reacciones, se muestra que el trietilsilano, en presencia de ácido trifluoroacético, reduce

selectivamente a los dobles enlaces más sustituidos, de manera que por ejemplo, en las condiciones de la reacción no podrá reducirse 1-penteno.

Los ejemplos muestran cómo el tri-Etilsilano dispone de hidruros a través de una catálisis, por lo que puede hidrogenar tanto alquenos como alquinos hasta el correspondiente alcano. Estas son esencialmente reacciones de hidrosilación, en el que se

elimina en un segundo paso el sustituto sililo con el solvente protonado.

4.8.2.2. Halogenuros de alquilo y arilo como sustratos.

La reducción de halogenuros de alquilo y arilo a los alcanos respectivos es una transformación práctica frecuente en muchas síntesis. El reactivo más utilizado, es el Bu3SnH, que actúa a través de un mecanismo de radicales. Debido a la alta toxicidad

de los reactivos de estaño y los problemas de separación de subproductos de estaño, formado conjuntamente los productos

orgánicos deseados, se han buscado procedimientos alternativos de reducción, más amigables.

Descomposición de un compuesto de Grignard.

Se procede a la formación inicial de de un compuesto de Grignard con el haluro respectivo y la descomposición

posterior del mismo con agua, para generar el hidrocarburo

deshalogenado. Br

Mg, éter

MgBr

D2O

D

Li o Na en Alcohol. Un método conveniente empleado para la deshalogenación de haluros de alquilo, es el uso del sistema: Li

o Na en alcohol. Este método es efectivo no sólo para la reducción de halogenuros de alquilo simples, sino que también se

utiliza para la reducción de halogenuros que contienen enlaces C=C, sin que los mismos sean afectados.

Br

Li, EtOH

30 ºC

Se evita la utilización del NH3 líquido para la deshalogenación de los haluros de alquilo, en razón a que se presentan

competitivamente las reacciones de acoplamiento de los grupos alquilo (reacción de Wurts).

Polvo de Zn en medio ácido o alcohólico. La reducción directa de un haluro de alquilo con cinc metálico y ácido, implica la

sustitución de un átomo de halógeno X por un átomo de hidrógeno. En este proceso el esqueleto carbonado se mantiene

intacto. Esta misma reacción puede efectuarse en medio de alcohol y catalizarla con cloruro de níquel (II), para mejorar los rendimientos.

N

OMeO

Br

Br O

Zn(Cu)

MeOH, NH4Cl

N

OMeO

O

Br

O

Zn

CH3COOH

O

Cl

OH

O Zn/CH3COOH

OH

O

Cl

Zn/KOH, EtOH

NiCl2


102

4.8.2.3. Reducción de Alcoholes.

Existen muchos agentes reductores que permiten reducir los alcoholes, por tal razón se hace imprescindible conocer los

alcances de estos reductores y la acción que presentan sobre el resto de grupos funcionales, así como la selectividad de los

mismos.

Reducción con Silanos. Los silanos son buenos agentes reductores y son utilizados para retirar el grupo –OH de los

alcoholes y formar alcanos en presencia de ácidos de Lewis fuertes; los ácidos de Bronsted generalmente originan

reordenamientos del esqueleto carbonado. Los silanos pueden ser donantes del radical H., para lo cual se utilizan en la

reacción, iniciadores de radicales, o por el contrario pueden ser donantes de hidruros y propiciar una sustitución nucleofílica en el sustrato.

Los alcoholes primarios requieren un exceso del silano correspondiente.

Con Trietilsilanos: (Et3SiH).

Ph

OHEt3SiH, B(C6F5)3

CH2Cl2, reflujo, 20 hPh 95%

Ph

OH

R3SiH, TFA

CH2I2

Ph

H

100%

OH

Et3SiH, BF3.OEt2

CH2Cl2H

100%

Los alcoholes alílicos pueden ser desoxigenados preferentemente en presencia de alcoholes secundarios y terciarios, cuando

se utiliza perclorato de litio como catalizador en solución etérea.

OH

OH

Et3SiH, LiClO4

Et2O. reflujo, 16 h

OH

70%

La hidrogenólisis de alcoholes bencílicos utilizando Et3SiH y una cantidad catalítica de paladio (II) (Cloruro de paladio), tiene lugar en condiciones suaves, tiempos cortos y altos rendimientos del producto.

Ph R

OHEt3SiH/EtOH

cat. PdCl2

Ph R

70 - 100%

Maryam Mirza - Aghayan (2009)

El ácido trifluoroacético, es también un buen catalizador del Et3SiH, en la reducción de alcoholes bencílicos y alílicos.

R1

OH

Et3SiH

CF3COOH

R1

OEtO

OBn

BnO

OH

EtO

Et3SiH/TFA

CH2Cl2, reflujo

OEtO

OBn

BnO

EtO (76%)


103

Finalmente, existen otros reactivos que también actúan preferentemente

sobre los alcoholes bencílicos y alílicos, para transformar el carbono que contenía el –OH en un metileno: Ph R

OH

Ph R

NaBH3CN

Zn

4.8.2.4. Reducción de Aldehídos y cetonas.

La reducción de carbonilos de aldehídos y cetonas a alcoholes, es una de las transformaciones simples más importantes, que

regularmente se efectúa con NaBH4 y LiAlH4 a partir de la década de los 40. El primero es un reductor suave y el segundo, es uno de los más potentes reductores y consiguientemente su accionar no es selectivo, razón por la cual se han estudiado

entre estos extremos, diversos agentes reductores en medio acuoso y en solventes orgánicos que puedan ser utilizados con mayor selectividad, en función de los grupos presentes en la molécula orgánica, donde se desea realizar una reducción.

4.8.2.4.1. Reducción de aldehidos y cetonas a alcoholes.

Reducción con LiAlH4 o NaBH4. Como se tiene dicho, dos fuentes prácticas de la reactividad de hidruros, son los complejos

metálicos: hidruro de litio y aluminio (LiAlH4) y borohidruro de sodio (NaBH4).

Ambos son blancos (o casi blanco) sólidos, que son preparados a partir de hidruros de litio o de sodio por la reacción con

haluros de aluminio o boro y ésteres. El hidruro de litio y aluminio es de lejos el más reactivo de los dos compuestos,

reaccionando violentamente con el agua, alcoholes y otros grupos ácidos con la evolución de gas hidrógeno.

Tabla Nº 14. Características del NaBH4 y LiAlH4.

Reactivo Solventes preferidos Funciones que reducen Trabajo que se lleva a

acabo

Borohidruro de

Sodio

(NaBH4)

Etanol

Etanol acuoso 15%

NaOH

Diglima15% NaOH

Evitar ácidos fuertes

Aldehídos a alcoholes 1º

Cetonas a alcoholes 2º

NO actúa sobre otros grupos

funcionales

1) Neutralización simple

2) Extracción del

producto

Hidruro de litio y

aluminio

(LiAlH4)

Éter dietílico, THF

Evitar alcohol y aminas

Evitar compuestos

halogenados

Evitar ácidos fuertes

Aldehídos a alcoholes 1º

Cetonas a alcoholes 2º

Ac. Carboxílicos a alcoholes 1º

Ésteres a alcoholes 1º

Epóxidos a alcoholes

Nitrilos y Amidas a aminas Haluros y tosilatos a alcanos

También reacciona con otros grupos

funcionales

1) Tener cuidado con

la adición de agua

2) Separar sales de

aluminio

3) Extracción del

producto

Algunos ejemplos de la reducción de aldehídos y cetonas, utilizando los reactivos descritos anteriormente, se presentan a

continuación:

OLiAlH4

THF

O-M

+

M = Li o Al

H3O+

OH

+ sales de M4

4 4

O

NaBH4

EtOH/H2O

O-M

+

M = Na o B

H3O+

OH

+ borato de sodio4 4 4


104

NaBH4

EtOH/H2O+ borato de sodio

CHO

OO

OH

44

M = Li o Al

H3O+

NaBH4

EtOH/H2OH

O

O

O

O

O

O-M

+

OH

O

Las primeras tres reacciones muestran la estequiometría de la reacción y el último ejemplo, muestra la resistencia de los

acetales cíclicos al LiAlH4, aspecto que muchas veces se utiliza como método de protección de una parte de la molécula

mientras en otra actúa el reductor.

4.8.2.4.2. Reducción del C=O de aldehídos y cetonas a metileno (-CH2)

La reducción del grupo carbonilo de aldehídos y cetonas de compuestos alifáticos y en especial aromáticos, al

correspondiente metileno, puede efectuarse por varios sistemas de reducción.

Con Metales alcalinos en NH3 líquido. Se ha sabido desde principios del pasado siglo que la reducción de la benzofenona

con sodio en amoniaco líquido permite formar difenilmetanol, como un intermedio, Hall et. al., han demostrado recientemente

que el carbonilo de aldehídos y cetonas aromáticas pueden ser reducidos con litio en amoniaco líquido al correspondiente

metileno. O

Li/NH3

+ Alcohol + Dímero

99%

0.5 % 0.5 %

Li/NH3

R

CHO

RR = Bu

t

R = Pri

+ Dímero

96% 4%

98% 2% O

Li/NH3

87% + alcohol

97% 3%

Reducción de Clemmensen. La reducción de Clemmensen (Erik Clemmensen 1876–1941), excepto algunos casos especiales

en la serie alifática, permite transformar preferentemente el grupo C=O de aldehídos y cetonas de compuestos alifáticos y aromáticos, al respectivo metileno (-CH2).

La reducción de aldehídos alifáticos, tiene un rendimiento moderado,

siendo la reducción de cetonas alifáticas y particularmente aromáticas las que presentan rendimientos altos.

R1

R

OZn(Hg)

HCl, calorR

1R

H H

R o R’, debe ser un grupo arilo

Esto se debe a que en el mecanismo de reacción aceptado, se postula la formación de un intermedio complejo con carga negativa, que será preferentemente estabilizado por el anillo aromático y grupos donadores de electrones. Se

sobreentiende que el sustrato debe ser estable a las condiciones ácidas fuertes del medio en el que se produce la reducción del grupo carbonilo.


105

OH

OO

OMe

Zn(Hg), HCl

EtOH, H2O

OH

O

OMe

Zn(Hg), HCl

EtOH, H2O

O

CHO Zn(Hg), HCl

O

Zn(Hg), HCl

Zn(Hg), HCl

EtOH, H2O

OH

CHO

OH

Cuando se tienen sustratos conjugados (Aldehídos y/o cetonas) del tipo α-halocetonas o α–hidroxicetonas, inicialmente se

produce una hidrogenólisis de estos sustituyentes en posición α y luego recién puede ser atacado el grupo carbonilo. Sin

embargo el reductor de Clemmensen no afecta a los sistemas aromáticos.

R1

R2

OH

O

R1

R2

O

R1

R2

O

OH

Zn(Hg)/AcOCl, H2O

reflujo t.a.

OH

El reductor de Clemmensen, no afecta a dobles enlaces olefínicos aislado o grupos hidroxilo aislados, pero los reduce normalmente en primer lugar si están alfa, conjugados con el grupo C=O.

O

Zn(Hg)/ HCl

En los derivados acíclicos, sin interacción estereoquímica entre las dos funciones carbonilo, los grupos cetona son

independientemente reducidos para producir metilenos en la forma habitual.

En los sistemas aromáticos y el anillo de benceno posee grupos desactivantes del mismo para una segunda sustitución

electrofílica, funciones como el –OH, por ejemplo se sustituyen por cloro, lo que no ocurre con el reductor de Wolff-Kishner:


106

O

OH

Zn(Hg)

HCl, calor

NH2NH2, OH-

calor

Cl

OH

Reducción de Wolff–Kishner10. La reducción de Wolff-Kishner, es una reacción química que reduce completamente una cetona (o aldehído) alifático a un alcano.

R2

R1

O

NH2NH2

KOHR

2R

1

N

NH2

R2

R1

H H

El método originalmente involucraba el calentamiento de la hidracina con etóxido de sodio en un recipiente sellado a unos

180°C. En cambio, en los últimos años se han encontrado otras bases igual o más eficaces. Y como solvente se utiliza el

dietilenglicol (DEG), el DMSO, etc.

OH

O O

OH

O

NH2NH2

KOH, calor

1)

2) H3O+

OH

O

OH

O

90%

La modificación de Huang-Minlon, es una

transformación práctica de la reducción de

Wolff-Kishner y consiste en calentar el

compuesto carbonílico con hidróxido de potasio

e hidracina juntos

NH2NH2 ac. (85%)

KOH, (HOCH2CH2)O

195ºC, 4 hBr

O

Br 88%

4.8.2.5. Reducción de ácidos carboxílicos y sus derivados

4.8.2.5.1. Reducción de ácidos carboxílicos

Reducción con LiAlH4. El hidruro de litio y aluminio disuelto en un solvente aprótico como el Tetra Hidro Furano (THF),

seguido de un tratamiento con agua acidulada, reduce a los ácidos carboxílicos alifáticos y/o aromáticos a alcoholes

primarios, con bastante facilidad y altos rendimientos.

COOH 1) LiAlH4, éter

2) H3O+

OH

1) LiAlH4, éter

2) H3O+

COOH

COOH

OH

OH

Reducción con Diborano (B2H6). El diborano, también reduce selectivamente los carbonilos de los ácidos carboxílicos

alifáticos y/o aromáticos, antes que cualquier otro carbonilo (cetonas, aldehidos, etc) al correspondiente alcohol primario.

10

R. O. HUTCHINS Y M.K. HUTCHINS. Reduction of Wolff – Kishner and other Hydrazone Methods. ICI Americans

Exton PAUSA.

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107

COOH

O2 (BH3)

Diglima

O

OH

Reducción con AlH3. El ácido carboxílico es reducido rápida y completamente por el AlH3 para formar un alcohol primario, en cambio grupos funcionales poco reactivos como los haluros y nitros no son atacados.

Por latanto, esta diferencia puede aprovecharse, para reducir el grupo carboxilo en presencia de haluros en

una molécula, como se señala a continuación: Cl OH

O

AlH3

89%Cl OH

4.8.2.5.2. Reducción de ésteres.

Reducción con AlH3. El hidruro de aluminio puede lograr la reducción de un éster, transformándolo en un alcohol primario

con buenos rendimientos, por otro lado se conoce que los grupos poco reactivos, como los halógenos y nitros, no son atacados por este hidruro, razón por la cual se pueden lograr las siguientes transformaciones:

Br

COOEt

OH

Br

OH

OHAlH3

COOMe

NO2AlH3

80%

NO2

OH

Reducción con LiAlH4. Esta es una de las reducciones más importantes y corrientes de los ésteres, para transformarlos en

alcoholes primarios, sus limitaciones relacionadas con el costo y la acción del reactivo sobre casi todos los grupos

funcionales, excepto las insaturaciones, ha ocacionado la búsqueda de nuevas alternativas.

COOEt12

LiAlH4

H+

OH

12

Palmitato de etilo 1 - Hexadecanol(Hexadecanoato de etilo)

COOMe

1) LiAlH4, éter

2) H3O+

CH2OH

La reducción de Bouveault-Blanc. Este método es un sustituto de bajo costo para la reducción de los ésteres con el

Hidruro de Litio y Aluminio (LAH), hasta hace poco el más utilizado en la industria.

Este agente reductor de metal en disolución también se relaciona con la reducción de Birch.

R OR1

ONaº

EtOHR

OH

+ R1OH

Reducción con DIBAL-H. La reducción de estos grupos funcionales con hidruro de litio y aluminio (LiAlH4) no puede

detenerse en la etapa de aldehído y la reacción proporciona alcoholes (en el caso de los ésteres) o aminas (en el caso de

nitrilos y amidas). En cambio, la reducción de ésteres, amidas y nitrilos con hidruro de diisobutilaluminio (DIBAL-H) proporciona aldehídos.

DIBAL - H H3O+

N

O

Et2O

N

OH

AlO

H


108

O

O

DIBAL - H

Tolueno, - 60ºC

O

O

H

Al

H3O+

O

H

DIBAL - HH3O

+O

O

CN

O

O

N Al

H

O

O

O

H

DIBAL - H H3O+

N

O

Et2O

N

OH

AlO

H

4.8.2.5.3. Haluros de ácido como sustratos.

Hidrogenación con Catalizador de Lindlar. El catalizador de Lindlar: (H2, Pd/BaCO3), es posible utilizar también en la

reducción de un haluro de ácido:

Cl

O

H2, Pd/BaCO3 H

O

- Naftaldehído

4.8.2.5.4 Las Amidas como sustratos.

La amida (primaria, secundaria o terciaria) es transformado en el respectivo metileno con el LiAlH4. Prácticamente es la

única reacción donde el LiAlH4, produce esta transformación, puesto que en la reducción de los carbonilos de otros grupos funcionales, los transforma generalmente en alcoholes.

NH2R

O

1) LiAlH4/THF

2) H3O+

NH2R

R: Puede ser un grupo alquilo o arilo

Asimismo, el reductor LiAlH4, también transforma a

las amidas secundarias en las respectivas aminas

secundarias:

1) LiAlH4/Et2O

2) H3O+

NH

O

NH


109

En el mecanismo de la reducción, se postula que el carbonilo, primero se transforma en un intermediario imina, que

reaccionando con un segundo equivalente de LiAlH4, se transforma en la amina correspondiente.

1) LiAlH4/Et2O

2) H3O+

NH O NH

NHEt

O1) LiAlH4/Et2O

2) H3O+ NHEt

H H

Las lactamas (amidas secundarias cíclicas) también son reducidas

por el LiAlH4, a las aminas secundarias cíclicas, sin que se produzca la apertura del anillo:

1) LiAlH4/Et2O

2) H3O+

NH

O

NH

H H

Una reducción de amidas terciarias con (EtO)3SiH, catalizada por Zn(AcO)2 en tetrahidrofurano a 40ºC, muestra una

quimioselectividad notable, la presencia de los grupos éster, éter, nitro, ciano, azo y los sustitutos ceto, en la estructura del

sustrato no son afectado por este reactivo. Síntesis, 2010, 132, 1770 – 1771.

R

N

R1

O

R1

0.1 eq. Zn(AcO) 2

3 eq. (EtO)3SiH

THF, r..t. a 40ºC 22 hR

N

R1

R1

R = Aril, alquil, vinil

R1 = alquil

Está claro, que los rendimientos, de esta reducción no alcanzan los que se obtienen con los silanos, sin embargo, es uno de

los métodos más utilisados.

4.8.2.6. Reducción de compuestos nitrogenados11

Los nitrocompuestos son intermediarios versátiles y de mucha utilidad en la industria química. Los nitroaromáticos son

usualmente materiales de partida para diversas aplicaciones comerciales, pero los compuestos alifáticos exhiben una

diversidad química debido a que se forman una variedad de compuestos según las condiciones de reacción.

4.8.2.6.1. Reducción de compuestos nitroaromáticos a anilina

El reductor típico es el Fe/HCl, también se obtiene los mismos resultados con Sn/HCl o SnCl2/HCL. SnCl2/EtOH

NO2NO2

Fe/HCl

NH2NH2

Sn, HClNO2 NH2

NO2

Cl

glucosa, NaOH, 60 ºC

NCl

N+

Cl

-O

(71%)

11

Kabalka G.W. Rajender S.V. Reducción de Nitro y Nitroso Compuestos. Universidad de Tennese. USA.


110

El NaBH4 y un metal como catalizador, conforman otro sistema reductor de los grupos nitro en los aromáticos, para

formar hidroxilaminas.

NO2

X

NaBH4, Te(catal)

EtOH, reflujo

NHOH

X

X : H, Me, Cl, -CN, NO2, COOEt

En la transformación de nitroarenos a la respectiva N-

hidroxilamina, el NaBH4 sólo no tiene efectividad en la reducción de grupos nitro, para que ello ocurra es necesario que vaya

acompañado de un metal como catalizador, que le permita transformar el grupo nitro en amino.

Los catalizadores pueden ser CoCl2, Pd, TiCl4, SnCl2 y ZrCl4.

CN

NO2

NaBH4, 10%, Pd/C

THF, 30 min

CN

NH2

90%

NO2

Cl

Cl

NaBH4, ZrCl4

THF, reflujo

NH2

Cl

Cl

85%

4.8.2.6.2. Reducción de nitrilos

Sistemas reductores formados por el Borohidruro de sodio y trifluoruro de Boro, en éter. Los nitrilos se reducen a aminas y

ésta reacción es compatible con los grupos –OH, -NO2, Halógenos y –OR, o alternativamente el NaBH4 en presencia de I2, es

capáz de reducir el nitrilo a amina.

RCN

NaBH4/I2

THFRCH2NH2

CN

RNaBH4/BF3, Et2O

NH2

R

R : -OH, -NO2, -Halógenos, -OR

Prueba de Dominio.

4.1. Identifíquelas siguientes reacciones como adiciones, eliminaciones, sustituciones o rearreglos:

a) CH3CH2Br + NaCN CH3CH2CN + NaBr

b) OH

catalizador

ácido+ H2O

c)

+O

calor

O

d)

+ O2N NO2

hv

NO2

+ HNO2


111

4.2. Identifique los grupos funcionales en las siguientes moléculas y muestra la polaridad de cada una:

a) C N

b) OCH3

c)

O

O O

d) O

O

e)

NH2

O

f)

H

O

4.3. Cuando se irradia una mezcla de metano y cloro, la reacción comienza inmediatamente. Cuando se detiene la irradiación,

la reacción disminuye paulatinamente pero no se detiene por completo. Explique.

4.4. La cloración del pentano por radicales es una manera pobre de preparar 1-cloropentano, pero la cloración del

neopentano por radicales, (CH3)4C, es una buena manera de preparar cloruro de neopentilo, (CH3)3CCH2Cl. Explique.

4.5. A pesar de las limitaciones de la cloración de alcanos por radicales, la reacción sigue siendo útil para la síntesis de

ciertos compuestos halogenados. ¿Para cuáles de los siguientes compuestos la cloración por radicales da un solo

producto monoclorado?.

a) CH3CH3 b) CH3CH2CH2CH3 c)

d)

e)

f) g)

h)

4.6. El amoniáco reacciona con el cloruro de acetilo (CH3COCl) para dar acetamida (CH3CONH2). Identifique los enlaces que

se rompen y forman en cada paso de la reacción y dibuje flechas curvas para representar el flujo de electrones en cada paso.

4.7. Pronostique los productos de las siguientes reacciones:

a) HCl

b) HBr

c) MCPBA

d) OH

HF seco

4.8. Mostrar unmecanismo de reacción y el product6o X HBr / calor

ROORX


112

5

REACTIVIDAD Y SÍNTESIS DE

AlCANOS Y CICLOALCANOS

Los hidrocarburos saturados de cadena abierta se llaman alcanos ó hidrocarburos parafínicos (poca afinidad) por su

considerable resistencia a reaccionar, en cambio los hoidrocarburos que forman anillos, se denominan cicloalcanos o anillos alicíclicos. El número de isómeros de adena aumenta con el peso molecular a partir del butano, en el cual los cuatro átomos

de carbono pueden estar dispuestos en una cadena línea (como el n-butano) o en una cadena ramificada (Isobutano). Para los alcanos inferiores, se conocen todos los isómeros posibles, pero para llos superiores sólo algunos de los isómeros han sido sintetizados.

Los compuestos con anillos formados por átomos de carbono unidos por enlaces sencillos (total o casi totalmente) se

conocen como alicíclicos. Estos compuestos junto con el benceno y compuestos afines se llaman en conjunto homocíclicos,

porque los anillos están formados de átomos de un solo tipo (átomos de carbono). Los compuestos totalmente saturados

que contienen sólo átomos de carbono e hidrógeno se conocen como cicloalcanos; de éstos el ciclopentano y ciclohexano son

los más importantes.

Un ejemplo de compuestos con anillo pequeño es el encontrado en el

insecticida piretro, el cual es una mezcla compleja extraída de las flores de

chrysanthemun cinerarifolium12; uno de los compuestos que contiene esta mezcla es la piretrina (I), que contiene anillos de tres y cinco eslabones.

OO

O

Piretrina I

Los anillos de seis eslabones como en el mentol son los más comunes y los anillos de

tamaño intermedio ( 8 a 16 eslabones) son mucho menos comunes.

H

OH

H

5.1. Propiedades físicas de los alcanos y cicloalcanos

Los alcanos están agregados y sus puntos de ebullición (p.eb) y puntos de fusión (p.f.) son mucho más bajos que los de otros compuestos orgánicos de peso molecular similar. A la temperatura ambiente y presión ordinarias, los 4 primeros alcanos

son gaseosos, mientras que desde el pentano hasta el hexadecano (p.f. = 18°C) son líquidos. A partir del heptadecano son sólidos. Los hidrocarburos de cadena ramificada tienen puntos de ebullición menores que sus isómeros normales. Los

cicloalcanos tienen puntos de ebullición más elevados, mayor densidad y puntos de fusión más altos que sus isómeros de

cadena abierta, debido a que las moléculas de cicloalcanos son más simétricas y regulares y las atracciones intermoleculares son mayores y también la compactación y capacidad de empaquetamiento. En cambio el efecto de la

ramificación en el alcano sobre los puntos de fusión, es más irregular y depende de la simetría y facilidad de empaquetamiento de las moléculas

12

G.P. ELLIS. Quimica Orgánica. Edit. Limusa Wiley, S.A. México.


113

Los hidrocarburos no son solubles en agua. Si se pasa gas metano a través de una columna de agua, no queda nada disuelto;

la gasolina no se mezcla con el agua, y si se quiere mezclar con alcohol, éste debe ser anhidro, de lo contrario se separa una capa acuosa. La parafina no se moja con el agua. En cambio, los hidrocarburos se disuelven en compuestos no polares como

el cloroformo, el éter, las grasas, etc. El hexano es el mejor disolvente para la extracción industrial de los aceites de semillas oleaginosas (soja, girasol, etc.). La densidad de cualquier alcano, líquido o sólido, es menor que uno (1), por lo que el hexano,

la gasolina, el gasóleo o la parafina flotan sobre el agua.

La viscosidad de los alcanos aumenta con el peso molecular, esto se debe a la resistencia al deslizamiento de las moléculas

largas. Las fracciones de 20 a 35 átomos de C, son la base de los lubricantes, cuya importancia en la tecnología actual es

evidente. Un 3% del petróleo bruto refinado se destina a lubricantes. Esta fracción del petróleo se obtiene por destilación al

vacío del residuo que no destila a la presión ordinaria. (320°- 360°C).

5.2. Estereoquímica I.

La estereoquímica es una rama de la química, que estudia la conformación y configuración estructural así como la

arquitectura tridimensional de los compuestos y aquella parte del comportamiento fisicoquímico que depedende de las

conformaciones, configuraciones y orientación espacial que asumen los átomos en los mismos compuestos. En general se

utiliza el término isómero para denominar a los compuestos que se diferencia en sus formas de enlace atómico y en la orientación espacial de los mismos en la molécula, pero que responden a la misma fórmula molécular. Los isómeros se

clasifican de la siguiente manera:

Fig. No 6. Clasificación de los isómeros

Los isómeros constitucionales o estructurales son los que difieren en el orden en el que se enlazan los átomos en la

molécula. Por ejemplo, el n-butano y el metilpropano son dos isómeros estructurales con fórmula molecular C4H10. En el n-

butano hay dos clase diferentes de carbonos: los carbonos C1 y C4, con un enlace C-C y tres enlaces C-H, y los C2 y C3, que

presentan dos enlaces C-C y dos enlaces C-H.

ISÓMEROS

Misma fórmula molecular, al menos una propiedad diferente

CONSTITUCIONALES

Difieren en el orden en que se enlazan los átomos

De posición De función De cadena

ESTEREOISÓMEROS

misma secuencia de átomos enlazados, distinta orientación

espacial

CONFIGURACIONALES

Que no pueden interconvertirse son

separables

Isómeros geométricos

(en torno a un doble enlace o alicíclico9

Isómeros ópticos

(distinta orientación espacil alrededor de un

átomo de Carbono)

ENANTIÓMEROS

Son imágenes especulares no superponibles

DIASTEREOISÓMEROS

no son imágenes especulares

CONFORMACIONALES

Se interconvierten rápidamente, no son

separables


114

En el 2-metilpropano hay también dos clases diferentes de carbono: los carbonos C1, C3 y C4, similares a los carbonos C1 y C4

del butano puesto que tienen un enlace C-C y tres enlaces C-H, y el carbono C2, que tienen tres enlaces C-C y un enlace C-H. En el butano no hay ningún átomo de carbono con estas características.

Los Estereoisómeros se definen como isómeros que tienen la misma secuencia de átomos enlazados covalentemente, pero con distinta orientación espacial. Hay dos clases de esteroisómeros:

a) Isómeros conformacionales o confórmeros, que son aquellos que se interconvierten rápidamente a temperatura

ambiente mediante rotaciones sobre enlaces sencillos. Esta clase de isómeros no pueden separarse.

b) Isómeros configuracionales, que no pueden interconvertirse y, por tanto, pueden separarse. Hay dos clases de isómeros

configuracionales:

b1). Los que se originan por la distinta orientación espacial de átomos o grupo de átomos alrededor de un enlace

doble y que se denominan isómeros geométricos.

b2). Los que se originan por la distinta orientación espacial de átomos o grupos de átomos alrededor de un carbono

tetraédrico (hibridación sp3). Esta clase de esteroisómero abarca a dos tipos de isómeros configuracionales: Los

enantiómeros que se relacionan entre sí por ser imágenes especulares no superponibles y los diastereoisómeros

o diasterómeros, isómeros configuracionales que no son imagen especular uno del otro.

5.2.1. Isomería conformacional13.

5.2.1.1. Isomería conformacional en compuestos acíclicos.

En la figura que a continuación se describe, se representa la molécula de metano mediante un sistema que da una idea de la

forma tridimensional de este compuesto.

H

H

H H

109.5°

1.09A°

Como se puede apreciar los cuatro enlaces covalentes C-H se dibujan de tres formas diferentes. Los dos

enlaces covalentes C-H, dibujados en trazo simple, están contenidos en el plano del papel, mientras que el

enlace C-H, dibujado en trazo grueso en forma de cuña se dirige hacia el observador.

El cuarto enlace C-H está dibujado mediante una línea a trazos, y también en forma de cuña, y esta forma

de representar el enlace significa que este enlace se aleja del observador.

El siguiente hidrocarburo en complejidad, después del metano, es el etano cuya fórmula molecular es

C2H6. Los dos grupos CH3 unidos por el enlace C-C y que constituyen la molécula de etano, se denominan

grupos metilo.

En la figura siguiente se dibuja la molécula de etano en una representación tetrahédrica, con enlaces

gruesos en forma de cuña que se acercan al observador, y enlaces a trazos que se alejan del

observador, y que ponen de manifiesto la forma tridimensional del etano.

CC

H

H

HH

H

H

Si se observase la representación del etano a lo largo del enlace C-C se vería una disposición de átomos de manera que el primer átomo de

carbono, el que estuviese más cerca del observador, taparía (eclipsaría) al otro átomo de carbono pero ninguno de los hidrógenos

del grupo metilo (CH3) más cercano al observador taparía a los

hidrógenos del grupo metilo más alejado.

C

C

H

H

H

H

H

H

H

H H

HH

H

13

Esta sección fue tomada, con algunas pequeñas modificaciones, por el valor didáctico insuperable de la

explicación del tema de : http://es.geocities.com/quimicaorganica


115

A esta disposición de los átomos de hidrógeno de la molécula de etano, en la que ninguno de los átomos de hidrógeno de un

grupo metilo eclipsa (tapa) a ninguno de los átomos de hidrógeno del otro grupo metilo se le denomina conformación

alternada del etano. Una característica del etano es que los dos grupos que constituyen su estructura no están fijos en una

posición determinada sino que pueden girar con relativa libertad alrededor del enlace sigma que mantiene unidos a los dos

átomos de carbono. Esto es así porque el enlace s es capaz de mantener el solapamiento lineal sp3-sp3 a pesar del giro

relativo de los dos grupos metilo.

La rotación de los grupos metilo de la conformación alternada puede llevar a otra

disposición relativa de los átomos de hidrógeno de los grupos metilo, de manera que en la nueva colocación los átomos de hidrógeno de un grupo metilo eclipsan a

los átomos de hidrógeno del otro grupo metilo. A esta disposición particular de la

molécula de etano se le denomina conformación eclipsada. Aunque

estrictamente los átomos del grupo metilo posterior no se ven en la conformación eclipsada, en la figura se han dibujado los tres átomos de H del grupo metilo

posterior para poner de manifiesto su posición.

H

H H

H

H

H

Representaciuón

de Newmann

H

H H

H

H

H

Representación

de caballete

La estereoquímica del etano puede expresarse por la representación de Newman. Esta forma de representar las moléculas

orgánicas Implica la visión de la molécula desde el extremo del eje de un enlace C-C. El átomo de carbono que queda más

próximo al observador se representa por un punto central del que emergen los enlaces restantes.

El átomo de carbono posterior se representa por un círculo. Otra forma de visualizar al etano en el espacio, se denomina

representación de caballete o en perspectiva. Esta forma de representar las moléculas orgánicas implica la visión de la

molécula desde arriba y desde la derecha de un enlace C-C. Todos los enlaces se dibujan con líneas continuas, de forma que

la representación angular proporciona una imagen en perspectiva de la estructura tridimensional.

Para pasar de la conformación eclipsada del

etano a la alternada es necesario girar 60º uno

de los dos átomos de carbono de manera que

este giro se realice a lo largo del enlace C-C. Y

para volver a la situación inicial, será necesario

otra rotación del 60°.

H

H H

H

H

H

60°

H

H H

HH

H

H

H H

H

H

H

60°

conformacióneclipsada

conformación

alternada

conformación

eclipsada

A temperatura ambiente la molécula de etano está haciendo continuamente este viraje alternada-eclipsada-alternada. La

conformación alternada del etano es más estable que la eclipsada, una forma de explicar la mayor estabilidad de la

conformación alternada con respecto a la eclipsada es suponer que a medida que los átomos de hidrógeno van acercándose, desde la posición alternada a la eclipsada, sus nubes electrónicas van aproximándose y la energía del sistema empieza a

aumentar hasta llegar a un máximo, que es la energía que contiene la conformación eclipsada.

Tal situación, desfavorable desde el punto de vista energético, empieza a normalizarse cuando la molécula, desde la

conformación eclipsada, comienza a girar en su viraje hasta la otra conformación alternada. A medida que se van

distanciando los átomos de hidrógeno desde la posición eclipsada sus nubes electrónicas se van alejando, hasta llegar a la situación de mínima energía que corresponde a la otra conformación alternada.

Muy recientemente se ha demostrado que la mayor estabilidad de la conformación alternada del etano se debe a un efecto de

hiperconjugación, más que a un efecto estérico. En la conformación alternada se produce una transferencia de densidad

electrónica desde el orbital s C-H al orbital vacío sigma* C-H del enlace contiguo, y en esta conformación se consigue una

óptima estabilización por deslocalización interna de la densidad electrónica.


116

Después del etano el siguiente hidrocarburo en

complejidad creciente es el propano, cuya fórmula molecular es C3H8. Las representaciones

estructurales de este compuesto son las que se indican a continuación:

CC

C

H

H

H

H

HH

HH

H

H H

CH3

H

H

H

H

H

H

CH3

H

Otro ejemplo más complejo de isomería conformacional es el

que presenta la molécula del butano.

En la siguiente figura se da la representación de Newman de

las conformaciones del butano

a lo largo del enlace C2-C3.

CH3

H H

CH3

H

H

60°

CH3

H

H

CH3

HH

60°

CH3 H

HCH3

HH

A B C

60°

H

CH3

H

CH3

HH

60°

H CH3

HCH3

H H60°

H

CH3H

CH3

H H

D E F

Como se observa en la figura anterior, las conformaciones A, C y E son eclipsadas y las B, D y F alternadas Para distinguir

unas de otras se ha propuesto la nomenclatura sistemática que se describe a continuación:

El prefijo anti se emplea cuando los enlaces de los grupos más voluminosos (en este caso los dos grupos metilo)

forman angulos superiores a 90°.

El prefijo sin se emplea cuando los enlaces de los grupos más voluminosos (en este caso los dos grupos metilo)

forman angulos inferiores a 90°.

La terminación periplanar se aplica cuando los dos grupos más voluminosos están en un mismo plano.

La terminación clinal se aplica cuando los dos grupos voluminosos están en distintos planos.

De acuerdo con esta nomenclatura los confórmeros del butano se denominarían del siguiente modo:

Conformación D = Conformación antiperiplanar (o alternada anti).

Conformaciones B y F = Conformaciones sinclinales (o alternada gauche).

Conformaciones C y E = Conformaciones anticlinales (o eclipsada gauche).

Conformación A = Conformación sinperiplanar (o eclipsada anti).

Como cabe esperar la estabilidad de las tres conformaciones alternadas será mayor que la de las tres conformaciones

eclipsadas, pero dentro de cada tipo también hay diferencias energéticas. La conformación de menor energía y, por tanto, la

más estable y abundante, es la D, alternada anti o antiperiplanar, y la de mayor energía es la conformación A (eclipsada anti o

sinperiplanar).

Se ha observado una diferencia de 19 kJ/mol (4.5 kcal/mol) entre ambas conformaciones, siendo éste un valor relativamente

pequeño fácilmente superable a temperatura ambiente. Por tanto, a temperatura ambiente, aunque hay una rápida interconversión, la gran mayoría de moléculas se encuentran en una conformación alternada anti.

La tensión estérica es muy importante a medida que se acercan los dos metilos e incluso se nota en las conformaciones alternadas gauche donde no existe tensión torsional por ser conformaciones alternadas. Debido a esta tensión estérica


117

existe un diferencia energética de 4 kJ/mol (0.9 kcal/mol) entre las alternadas gauche y la alternada anti, que es más

estable porque sitúa los dos grupos metilo lo más alejados posible.

Por otra parte, todas las conformaciones eclipsadas presentan tensiones torsionales (ver más adelante), debido a la

repulsión enlace-enlace, y estéricas, debido a la proximidad de los dos grupos voluminosos. Debido a la continua rotación alrededor de los enlaces simples C-C las moléculas orgánicas no pueden ser consideradas como estáticas, sino que están

compuestos por diferentes confórmeros en rápida intercoversión.

Estos confórmeros son inseparables. El número de moléculas con una determinada

conformación en un momento dado depende de la estabilidad de los confórmeros, de manera

que la conformación más estable será la que adopten la mayoría de las moléculas. Los

cálculos revelan que el 72% de las moléculas de butano adoptan la conformación alternada

anti y el 28% la alternada gauche.

El número de moléculas que presentan conformación eclipsada es mínimo y sólo existen

instantáneamente como paso de unas conformaciones alternadas a otras La preferencia por

la conformación alternada es la que hace que se representen las moléculas en zig-zag.

Conformación alternada del

butano

CH3

CH2CH2

CH3

C

C

C

CH

H

H

H

H

H H

H H

H

5.2.1.2. Conformaciones y estabilidades de los cicloalcanos

El ciclopropano, que sólo contiene tres átomos de carbono, tiene la forma de un triángulo equilátero y por tanto con ángulos

de enlace carbono-carbono de 60º. El ciclobutano, que geométricamente es un cuadrado, debe tener ángulos de enlace de

90º. En el ciclopentano se sabe que los ángulos de enlace carbono-carbono son de 108º y en el ciclohexano de 109.5º.

Adolf von Baeyer propuso, en 1885, que los cicloalcanos cuyo ángulo de enlace difería del ángulo de enlace ideal de 109,5º, deberían estar tensionados y, por tanto, serían más inestables que aquellos cicloalcanos cuyos ángulos de enlace fuesen

iguales o muy próximos a 109,5º.

De acuerdo con esta teoría, el ciclopropano tendría una tensión angular que se podría cuantificar como la diferencia entre

el ángulo tetraédrico de 109,5º y su ángulo de enlace carbono-carbono, que es de 60º, que en este caso arroja el valor de

49,5°. De la misma forma se pueden calcular las tensiones angulares del ciclobutano (19.5°), ciclopentano (1.5°) y

ciclohexano (0°).

Cuando Baeyer propuso su teoría de la tensión angular asumió que los cicloalcanos eran compuestos planos, lo cual sólo es

cierto en el caso del ciclopropano. Además de la tensión angular, o tensión de Baeyer, hay otros factores que influyen

también en el grado de inestabilidad de un cicloalcano. Se acaba de ver que los hidrocarburos acíclicos son más estables en

las conformaciones alternadas que en las conformaciones eclipsadas. Esta diferencia de estabilidad entre conformaciones

alternadas y eclipsadas se conoce como tensión torsional.

En el ciclopropano, además de la tensión angular debe existir una considerable tensión torsional

porque los enlaces C-H están eclipsados.

En cicloalcanos de mayor tamaño de anillo la tensión torsional puede disminuir si el ciclo adopta una

conformación plegada, no plana. C C

H

HH

C

H

H

H

Además de la tensión angular y de la tensión torsional hay un tercer factor que también contribuye a la energía de tensión

total de un cicloalcano. En el n-butano, hidrocarburo acíclico, existen dos conformaciones alternadas que no son de igual

energía por que en una de ellas los grupos metilo están más cerca uno de otro e inestabilizan la conformación debido a un

efecto de repulsión estérica.

En la siguiente figura se indican las dos conformaciones alternadas del n-butano. La de la izquierda, conformación alternada

anti, es de menor energía que la de la derecha, conformación sesgada o gauche, porque en esta conformación los grupos


118

metilo están relativamente próximos y provocan un aumento de la energía conformacional, debido al efecto de repulsión

desestabilizante de las nubes electrónicas de los grupos metilo.

A este efecto desestabilizante se le denomina

tensión estérica.

Conformaciones alternadas del n-butano

H

CH3

H

CH3

HH

H

CH3

H

H

HCH3

conformación anti conformación gauché

energía creciente

Interacción estérica

desestabilizante

En resumen, los tres factores que inciden en la energía de los cicloalcanos son:

La tensión angular: La tensión debida a la expansión o compresión de los ángulos de enlace.

La tensión torsional: La tensión debida al eclipsamiento de átomos y enlaces.

La tensión estérica: La tensión debida a interacciones repulsivas entre átomos o grupos de átomos que están

relativamente próximos.

El ciclopropano es un gas, con un punto de ebullición de -33ºC, y ya se ha

visto que, de acuerdo con la teoría de Baeyer, el ángulo de enlace carbono-

carbono debe ser de 60ºC. ¿Cómo se puede explicar, desde el punto de vista

de la teoría de los orbitales híbridos, tal deformación del ángulo de enlace

tetraédrico que es de 109.5°?. La respuesta es que los enlaces C-C del

ciclopropano están doblados.

C

C C

109.5°

C

CC

enlace sp3

- sp3

doblado En un alcano sin tensión el máximo solapamiento orbitálico se consigue cuando los dos átomos que se van a enlazar solapan

sus orbitales frontalmente. En el ciclopropano los orbilates sp3 no pueden solaparse de manera frontal y su solapamiento, que se produce de manera tangencial, es mucho menos profundo que el que se produce en los alcanos sin tensión. El

resultado es que los enlaces del ciclopropano son mucho más débiles y más reactivos que los de los alcanos típicos.

a). Conformaciones del ciclobutano y ciclopentano.

El ciclobutano tiene menor tensión angular que el ciclopropano, porque los ángulos de enlace carbono-carbono son de 90º, y por tanto están más próximos al ángulo de enlace ideal de 109.5°. Sin embargo, si el ciclobutano fuese plano tendría más

tensión torsional que el ciclopropano al tener ocho interacciones eclipsadas H-H, por tan sólo seis del ciclopropano.

H

HH

H

H

H H

H

C2-

H

H

H

H

H

H

H

H

Interacción no

completamente eclipsada

Interacción no

completamente eclipsada

En realidad, el ciclobutano no es completamente plano sino que está ligeramente doblado, de manera que uno de sus cuatro

átomos de carbono se sitúa unos 25º por encima del plano en el que están colocados los otros tres. Este doblamiento provoca un ligero aumento de la tensión angular que queda compensada por una disminución de la tensión torsional.


119

Según la teoría de Baeyer, el ciclopentano estaría prácticamente ausente de tensión angular, porque sus ángulos de enlace

carbono-carbono son de 108º. Sin embargo, si el ciclopentano fuese plano tendría una elevada tensión torsional debido a que presentaría diez interacciones eclipsadas H-H.

En realidad, el ciclopentano adquiere una conformación doblada que, aunque provoca un ligero aumento de la tensión angular, consigue disminuir la tensión torsional al evitar el eclipsamiento directo de los átomos de hidrógeno. Cuatro de los átomos de

carbono que constituyen el anillo ciclopentánico se colocan en un mismo plano, situándose el quinto átomo de carbono por encima de este plano.

En la siguiente figura se indica la conformación que

adopta el ciclopentano con los carbonos C1, C2, C3 y

C4 en un plano y el carbono C5 fuera del plano. En la

proyección de Newman a lo largo del enlace C1-C2 se

observa cómo los enlaces C-H están casi alternados.

H

H

H

H

H

HH

H

H

H

1

2 3

4

5

H

H

C

H

H

H

H

H

H

H

H

1

2

3

4

5

b). Conformaciones del ciclohexano

El ciclohexano es un hidrocarburo cíclico que no presenta tensión angular ni tampoco tensión torsional. La falta de tensión

angular es fácil de explicar porque los ángulos de enlace carbono-carbono son de 109º. Sin embargo, si el ciclohexano fuese

plano debería presentar una importante tensión torsional debido al eclipsamiento de sus doce enlaces C-H.

En realidad, adquiere una conformación doblada, denominada conformación de silla, en la que no existe ningún tipo de

eclipsamiento H-H y por tanto no hay tensión torsional porque todos los enlaces C-H están alternados.

En la siguiente figura se indica la conformación

de silla del ciclohexano, junto con una representación de Newman a lo largo de los

enlaces C1-C2 y C4-C5, y en la que se aprecia la

posición alternada de los enlaces C-H.

H

H

H

H

H

HH

H

H

H

1

2 3

4

5

H

H

C

H

H

H

H

H

H

H

H

1

2

3

4

5

Enlaces axiales y ecuatoriales en el ciclohexano.

Una de las consecuencias de la conformación de silla del ciclohexano es que hay dos clases de posiciones en las cuales se

colocan los enlaces C-H en el anillo, denominadas posición axial y posición ecuatorial.

El ciclohexano en conformación de silla contiene seis hidrógenos colocados en posiciones axiales y seis en posiciones

ecuatoriales. Cada átomo de carbono del anillo ciclohexánico está enlazado a un átomo de hidrógeno en posición axial y a otro en posición ecuatorial.

Cada cara del anillo ciclohexánico contiene tres

hidrógenos en posiciones axiales y tres en posiciones ecuatoriales, de manera que si en la cara superior del

anillo los carbonos C1, C3 y C5 colocan los hidrógenos

en la posición axial, los carbonos C2, C4 y C6 los colocan en la posición ecuatorial, tal y como se aprecia en las

siguientes figuras.

Ha

Ha

Ha

Ha

Ha

Ha

Hidrógenos axiales

He

He

He

He

He

He

Hidrógenos ecuatoriales

Movilidad conformacional en el anillo del ciclohexano

Como hay dos clases de enlaces en el anillo ciclohexánico, axiales y ecuatoriales, se debería esperar que los compuestos ciclohexánicos monosustituidos, como por ejemplo el metilciclohexano, existiesen en dos formas isoméricas: el

metilciclohexano axial y el metilciclohexano ecuatorial.


120

En realidad, solo existe un metilciclohexano porque los anillos ciclohexánicos son conformacionalmente móviles a

temperatura ambiente, de manera que dos conformaciones de silla diferentes se interconvierten rápidamente, provocando el intercambio de las posiciones axiales y ecuatoriales.

C

C

C

C

H

H

H

Ha

H

CH3

H

H

H

H

H

H

Metilciclohexano axial

12

3

4 5

6C

C

C

C

H

H

H

Ha

H

H

H

H

H

CH3

H

H

1

2 3

4

56

Metilciclohexano ecuatorial

Las conformaciones de silla del ciclohexano se pueden interconvertir manteniendo los cuatro átomos de carbono centrales

en su sitio y doblando los dos átomos de carbono de los extremos del anillo en direcciones opuestas. Por ejemplo, el bromociclohexano axial se interconvierte fácilmente, a temperatura ambiente, en bromociclohexano ecuatorial, porque la

barrera de energía que tiene que superar esta interconversión silla-silla es de sólo 10.8 kcal/mol, de manera que lo que se

observa es lo que parece ser una única estructura.

Conformaciones de silla alternativas para el 1,2-dimetilciclohexano

C

C

C

C

Br

Bromociclohexano axial

12

3

4 5

6C

C

C

C

Br

1

2 3

4

56

Bromociclohexano ecuatorial

c). Conformaciones de los compuestos ciclohexánicos monosustituidos

Aunque el anillo ciclohexánico se interconvierte rápidamente entre las dos conformaciones silla-silla, los dos confórmeros de

un anillo ciclohexánico monosustituido no son igual de estables. Por ejemplo, en el metilciclohexano el confórmero ecuatorial

es 1.8 kcal/mol más estable que el axial, e igual ocurre con otros compuestos ciclohexánicos monosustituidos. Por tanto, un

compuesto ciclohexánico monosustituido es más estable en la conformación ecuatorial que en la axial.

C

C

C

C

CH3

H

H

Metilciclohexano axial

12

34 5

6C

C

C

C

CH3

H

H

1

2 34

56

Metilciclohexano ecuatorial

Interacciones estéricas1,3

-diaxiales

La diferencia de energía entre los confórmeros axial y ecuatorial es debido a la tensión estérica causada por las

interacciones 1,3-diaxiales, lo que significa que el grupo metilo del metilciclohexano axial, situado por ejemplo en el carbono

C5, está muy cerca de los átomos de hidrógeno axiales de los carbonos vecinales en C1 y C3, y esta proximidad provoca una repulsión entre sus nubes electrónicas que desestabiliza la conformación, como puede verse en la figura superior.

Se ha calculado que el valor de cada una de las interacciones estéricas 1,3-diaxiales metilo-hidrógeno es del orden de 0.9

kcal/mol. Como hay un total de dos interacciones de este tipo en el metilciclohexano axial, la desestabilización de este compuesto, en relación con el metilciclohexano ecuatorial, es de 0.9 kcal/mol x 2 = 1.8 kcal/mol.

La energía de las interacciones 1,3-diaxiales depende de la naturaleza y del tamaño del grupo sustituyente. Es fácil predecir que cuanto mayor sea el tamaño del grupo mayor será el valor de la energía de interacción 1,3-diaxial. Esto se puede

comprobar en la siguiente tabla, en la que se dan los valores de las interacciones 1,3-diaxiales de un átomo de hidrógeno con

una serie de grupos funcionales.


121

Tabla No. 16. Interacción 1,3-diaxial (X – H)

X Kcal/mol Kj/mol

C

C

C

C

XH

1

32

Interacción

1,3-diaxial

-F

-Cl

-Br

-OH

-CH3

-CH2CH3

-CH(CH3)2

-CH(CH3)3

-C6H5

-COOH

-CN

0.12

0.25

0.25

0.5

0.9

0.95

1.1

2.7

1.5

0.7

0.1

0.5

1.0

1.0

2.1

3.8

4.0

4.6

11.4

6.3

2.9

0.4

En la tabla anterior se puede observar cómo la interacción estérica 1,3-diaxial aumenta en la serie -CH3 < -CH2CH3 < -

CH(CH3)2 < -C(CH3)3, lo que está en relación directa con el aumento del tamaño de estos grupos.

d). Conformaciones de los compuestos ciclohexánicos disustituidos

Como se acaba de explicar en el apartado anterior, el confórmero más estable de un compuesto ciclohexánico

monosustituido es el que coloca el sustituyente en la posición ecuatorial. En los compuestos ciclohexánicos disustituidos la

situación es más compleja, ya que hay que analizar las dos conformaciones de silla para poder decidir cuál de las dos será la

predominante en el equilibrio conformacional.

C

C

C

C

CH3

H

CH3

HH

H

1

3C

C

C

C

CH3

H

H

H CH3

H

1

23

45

6

4

56

2

Uno de los compuestos ciclohexánicos disustituidos más simple, desde el punto de vista funcional, es el 1,2-

dimetilciclohexano. Para este compuesto existen dos isómeros denominados cis-1,2-dimetilciclohexano y trans-1,2-

dimetilciclohexano. En el isómero cis los dos grupos metilo están del mismo lado del plano molecular, mientras que en el trans los dos grupos metilo están en lados opuestos del plano molecular.

En el cis-1,2-dimetilciclohexano una conformación de silla coloca un grupo metilo en posición axial, por ejemplo en C1, de

manera que el otro grupo metilo en C2 queda situado en la posición ecuatorial. En la conformación de silla alternativa, el

grupo metilo en C1 pasa a estar en posición ecuatorial y el grupo metilo en C2 pasa a colocarse en posición axial:

En la conformación de silla de la izquierda, el grupo metilo axial en C1 presenta dos interacciones 1,3-diaxiales

desestabiliantes con los hidrógenos situados en C3 y C5. El grupo metilo en C2, que está situado en una posición ecuatorial,

no presenta interacciones 1,3-diaxiales. En la conformación de silla de la derecha, el grupo metilo de C1 pasa a ocupar una posición ecuatorial, y por tanto carente de interacciones estéricas 1,3-diaxiales. Sin embargo, el metilo en C2 ahora está

colocado en posición axial y por tanto presenta interacciones 1,3-diaxiales con los átomos de hidrógeno situados en C4 y C6.


122

El resultado es que las dos conformaciones del cis-1,2-dimetilciclohexano tienen la misma energía porque cada una de ellas

tiene un metilo en axial y otro en ecuatorial. Para el isómero trans-1,2-dimetilciclohexano la situación no es la misma, puesto que en una de las conformaciones de silla los dos grupos metilo ocupan posiciones axiales, y en consecuencia cada uno de

ellos presenta dos interacciones 1,3-diaxiales.

Por el contrario, en la otra conformación de silla del trans-1,2-dimetilciclohexano los dos grupos metilo ocupan posiciones

ecuatoriales y por tanto no presentan interacciones desestabilizantes de tipo 1,3-diaxial. El resultado es que en el trans-1,2-dimetilciclohexano la conformación con los dos grupos metilo ecuatoriales es mucho más estable que la conformación con

los dos grupos metilo axiales. Todas las consideraciones acabadas de comentar se indican en la figura que se da a

continuación:

Conformaciones silla para el trans-1,2-dimetilciclohexano

C

C

C

C

CH3

H

CH3

H

H

H

1

3 C

C

C

C

CH3

H

H

H

CH3

H

123

45

6

4

56

2

El mismo tipo de análisis conformacional acabado de explicar se puede llevar a cabo para cualquier compuesto ciclohexánico

sustituido. Por ejemplo, el cis-1-ter-butil-4-clorociclohexano sólo existe en una conformación, que es la que coloca al

voluminoso grupo t-butilo en posición ecuatorial.

La conformación alternativa, que colocaría al

grupo t-butilo en posición axial y al bromo en posición ecuatorial, no existe apenas en el

equilibrio conformacional debido a las enormes interacciones estéricas que se

generarían entre el grupo t-butilo y

los.hidrógenos en las posiciones 1,3-diaxiales

Conformaciones silla del cis-1-t-butil-4-bromociclohexano

C

C

C

C

BrH

H

H

CH3

CH3

CH3

1

3 C

C

C

C

Br

H

H

H

12

3

45

6

4

56

2

En la figura anterior se aprecia cómo la conformación de silla de la izquierda presenta interacciones estéricas 1,3-diaxiales

entre el átomo de bromo del C1 y los átomos de hidrógeno en C3 y C5, mientras que el grupo t-butilo, colocado en la posición

ecuatorial, no presenta interacciones desestabilizantes 1,3-diaxiles. En el confórmero de la derecha el átomo de bromo de C1

está colocado en posición ecuatorial, pero el grupo t-butilo pasa a ocupar la posición axial presentando importantes

interacciones estéricas 1,3-diaxiales con los átomos de hidrógeno en C2 y C6.

El valor de una interacción 1,3-diaxial entre un grupo t-butilo y un átomo de hidrógeno se cifra en 2.7 kcal/mol (11.4 kJ/mol),

mientras que una interacción 1,3-diaxial Br-H es de tan solo 0.25 kcal/mol (1.0 kJ/mol). En el isómero conformacional de la

izquierda la energía de desestabilización sería de 2 x 0.25 kcal/mol = 0.5 kcal/mol, mientras que en el isómero de la derecha

sería de 2 x 2.7 kcal/mol = 5.4 kcal/mol, de manera que la diferencia de energía entre los dos isómeros sería de 5.4

kcal/mol - 0.5 kcal/mol = 4.9 kcal/mol, o lo que es lo mismo: la conformación que coloca al grupo t-butilo ecuatorial en el

cis-1-t-butil-4-bromociclohexano es 4.9 kcal/mol más estable que la conformación que coloca al grupo t-butilo en posición

axial.

e). Conformación bote del ciclohexano

Además de la conformación silla del ciclohexano existe una segunda posibilidad, llamada

conformación bote, que también está libre de tensión angular y que es la que se describe en la

figura que se da a continuación: Los carbonos C1, C2, C4 y C5 de la conformación bote del ciclohexano residen en un mismo plano, mientras que los carbonos C3 y C6 están por encima de

este plano.

H

H H

H

H

H

H

H

H

HH

H

12

34 5

6


123

Los átomos de hidrógeno internos de los carbonos C3 y C6 se aproximan uno al otro provocando un aumento de la tensión

estérica, mientras que los hidrógenos de los carbonos C1, C2, C4 y C5, al estar eclipsados, provocan una considerable tensión torsional en la estructura.

La conformación bote es aproximadamente 7.0 kcal/mol (29 kJ/mol) menos estable que la conformación silla, aunque este valor se reduce a 5.5 kcal/mol (23 kJ/mol) mediante un ligero doblamiento de la estructura, lo que disminuye ligeramente la

tensión torsional. La conformación bote doblada se denomina “bote retorcido”.

H

H H

H

H

H

H

H

H

HH

H

12

34 5

6

H

HH

H

H

H

H

H

H

H

HH

conformación bote

(7.0 Kcal/mol de tensión)

conformación bote retorcido

(5.5 Kcal/mol de tensión)

1

2

3

4

5

6

Aun así, la conformación bote está mucho más tensionada que la conformación silla y los compuestos ciclohexánicos sólo adoptan la geometría bote bajo especiales circunstancias.

5. 3. Reactividad y síntesis de alcanos y cicloalcanos14

5.3.1. Reactividad de los alcanos

Los ácidos y bases fuertes como el H2SO4 y HNO3 concentrados, NaOH fundido, así como los oxidantes fuertes, K2Cr2O7,

KMnO4, no afectan a los alcanos, debido a la fuerza de los enlaces C–C y la escasa polaridad de los enlaces C–H. Sin embargo

reaccionan espontáneamente con el flúor y con otros reactivos lo hacen a temperaturas elevadas, en presencia de

catalizadores, por un mecanismo de ruptura homolítica de sus enlaces.

5.3.1.1. Pirólisis. El proceso de calentamiento de alcanos a temperaturas elevadas, se denomina pírsolisis, y este proceso

puede darse sobre moleculas pequeñas y fracciones pesadas de petróleo de bajo valor comercial.

En el primer caso, la pirólisis del metano a 1200°C produce el negro de humo, un carbón finamente dividido que se usa como

pigmento negro para neumáticos de caucho, tinta china, plásticos, etc. e hidrógeno molecular, para usos diversos como la

síntesis de amoníaco o procesos de reducción de otras moléculas orgánicas.

Cuando se someten a pirólisis los alcanos de peso molecular superior, se produce una mezcla de radicales libres que luego

se recombinan para formar una mezcla de alcanos de bajo peso molecular, así como alquenos y fracciones de gasolina.

CH3

CH3CH2

CH3CH2CH2

H2C

H2C

H2C

+

+

+

calor

El craqueo térmico ha sido en cierto modo desplazado por el craqueo catalítico, debido a que este último se desarrolla a temperaturas más bajas y los catalizadores utilizados son reutilizables.

Las reacciones que ocurren luego de la formación de los radicales por pirólisis, pueden agruparse en los siguientes tipos:

Reacciones de acoplamiento de radicales libres: En esta reacción los radicales libres formados pueden acoplarse

aleatoriamente, para formar otras moléculas de alcano.

14

PRIMO YÚFERA E. Química Orgánica Básica y Aplicada. De la molécula a la industria. Edit. Reverté S.A.

Tomo. 1. Pág. 187


124

+ CH3 CH3CH3CH3

CH3 + CH3CH2 CH3CH2CH3

Reacciones de dismutación o desproporción: En esta reacción, los radicales abstraen un protón del carbón

adyacente, para formar alcanos y alquenos.

CH2+CH3CH2CH2

H

H

CH3CH3 +

+ +H2CH

HH

H2CCH2 CH2

5.3.1.2. Oxidación. La transformación de los hidrocarburos en compuestos orgánicos oxigenados simples, tales como acidos

carboxílicos, peróxidos, cetonas, aldehídos y alcoholes, han sido investigados profusamente, debido a que tales productos son

importantes intermedios de la industria química. La oxidación de los alcanos produce variados productos en diferentes

condiciones de trabajo.

Oxidación completa o combustión. Los alcanos se queman fácilmente con una llama no luminosa en presencia de aire u

oxígeno para dar CO2 y agua, junto con la producción de calor. Debido a ello los alcanos son usados como combustibles.

CnH2n+2 + [(3n+1)/2]O2 → nCO2 + (n+1)H2O Exotérmica

CH3 + 2O2 → CO2 + 2H2O Exotérmica

Oxidación incompleta: La oxidación incompleta de los alcanos, acontece debido al suministro limitado de aire, la misma

forma negro de carbono y monóxido de carbono.

2CH4 + 3O2 → 2CO + 4H2O

CH4 + O2 → C + 2H2O negro de carbono

Oxidación catalítica: La oxidación de los alcanos, utilizando una serie de catalizadores de metales u óxido metálicos y

algunos polímeros desarrollados con esta finalidad, muestran el intéres y la importancia de estas reacciones para

transformar los alcanos en compuestos intermedios útiles para la preparación de otro tipo de productos. Estas

reacciones se pueden agrupar en las siguientes:

i. Los alcanos inferiores se convierten fácilmente en alcoholes y aldehídos en virtud de la oxidación catalítica

controlada.

CH4 + O2Tubo de Cu o Fe al rojo vivo

CH3OH100 atm/200°C

Este es el método industrial de preparación del metanol a partir del metano

CH4 + O2

MoO3HCHO + H2O

CH3CH3 Oxidación controlada

CH3CHO

ii. El butano es una materia prima para la producción en escala industrial de hidrocarburos no saturados que pueden

ser transformados en otros productos químicos valiodos. Así con oxígeno y un catalizador, el butano puede ser deshidrogenado a 1-buteno o a 1,3-butadieno:


125

O2

catalizador, I 2

+

En otro proceso, el butano se pasa sobre un catalizador de óxido de cromo y alúmina, para formar una mezcla de alquenos:

+Cr2O3 - Al2O3

500°C

1 - buteno 2 - buteno

iii. Los alcanos superiores en el proceso de oxidación en presencia de acetato o estearato de manganeso dan ácidos grasos.

CH3(CH2)nCH3 + 3O2 (CH3COO)2Mn

100 - 160°C

CH3(CH2)nCOOH

Oxidación Química: Los alcanos ramificados son más susceptibles a la oxidación que los alcanos no ramificados. Así, el

isobutano se convierte, en alcohol terciario por la acción del KMnO4.

H

CH3

CH3 CH3

KMnO4

OH

CH3

CH3 CH3

e). Halogenación

Halogenación por radicales libres. Los átomos de hidrógeno de un alcano pueden ser sustituídos por átomos de

halógeno, el flúor reacciona violentamente con un alcano y el yodo prácticamente no reacciona, los halógenos más

usados (X2) son el cloro, Cl2, y el bromo, Br2, por lo general se requiere de calor o luz ultravioleta (hv). La reactividad y

formación de productos depende de la estructura del hidrocarburo.

La reacción directa de los halógenos con hidrocarburos rara vez se utiliza en el laboratorio, sin embargo, es un proceso

ampliamente utilizado en la industria, donde los isómeros pueden separarse mediante proceso de destilación fraccionada,

puesto que todos los productos pueden ser comerciales.

Por ejemplo el triclorometano (cloroformo) se ha empleado como anestésico y el tetracloruro de carbono como agente

limpiador común que no favorece la combustión.

Halogenación del Metano. La mezcla de metano y cloro reacciona vigorosamente cuando es calentada a 300°C o sujetas

a luz ultrvioleta a temperatura ambiente. Es posible controlar las reacciones de modo que una de las cuatro sea el

producto principal, no obstante, siempre se formarán en cierto grado los otros tres productos.

CH4 + Cl 2

300° o

hv, 25°CH3Cl + HCl

Cl2, 300° o hv, 25°

CH2Cl2

HCl

Cl2, 300° o

hv, 25°

CHCl3 + HCldiclorometano

Cl2, 300° o hv, 25°

cloroformo

CCl4 + HCl

tetracloruro de carbono

Si una pequeña cantidad de metano se

mezcla con un exceso de cloro, se puede

formar exclusivamente el tetracloruro de carbono.

Por otra parte, si se toma un exceso de

metano y una pequeña cantidad de cloro, es más probable que se forme sólo

cloruro de metilo.

Si se empieza con cantidades equimolares de cloro y metano, se encontrará en los productos una mezcla de los cuatro

haluros de metano. Cuando en la mezcla se tiene un exceso de cloro, se obtienen una mezcla de productos que se forman en forma escalonada. Una reacción similar ocurre cuando el bromo y el metano se mezclan, pero se requieren de

condiciones más drásticas (125° y hv) para la bromación.


126

Halogenación del etano. Cuando el etano reacciona

con bromo o cloro, sólo se forma un producto de

monosustitución, debido a que todos los hidrógenos

del etano son idénticos.

CH3 CH3

Cl2, 300°

o hv

Br2 125°

hv

CH3 CH2Cl

CH3 CH2Br

cloroetano

(cloruro de etilo)

bromoetano

(bromuro de etilo)

La halogenación del propano, en las

condiciones típicas de halogenación por radicales libres, da lugar a dos compuestos

monosustituidos posibles.

Sin embargo, la distribución del producto de

cloración del propano difiere de la de

bromación, como puede verse en el siguiente

esquema15:

propano

Cl

Cl

Br

Br

Cl2, hv, 25°

Br2, 125°, hv

+

+

1 - cloropropano

1 - bromopropano

2 - cloropropano

2 - bromopropano

45% 55%

3% 97%

La halogenación del butano y del

2-metilpropano (Isobutano), presenta el siguiente

comportamiento.

Cl

Cl

Br

Br

Cl2, hv, 25°

Br2, 125°, hv

+

+butano

1 - clorobutano 2 - clorobutano

28% 72%

1 - bromobutano 2 - bromobutano

2% 98%

El bromo es mucho más

selectivo que el cloro. Esto

puede observarse en la

halogenación del Isobutano:

Cl

Cl

Br

Br

Cl2, hv, 25°

Br2, 125°, hv

+

+isobutano

cloruro de isobutilo cloruro de ter - butilo

64% 36%

bromuro de isobutilo bromuro de ter - butilo

1% 99%

Como puede comprenderse, el número de isómeros estructurales, con el incremento de átomos de carbono en los alcanos,

es una cuestión inevitable. El pentano produce tres isómeros, el e-metilbutano da cuatro isómeros y el 2,2-dimetilpropano

sólo produce un compuesto.

Mecanismo de la halogenación por radicales lilbres. Se postula que el mecanismo de halogenación (reacción en cadena)

ocurre en tres etapas, según el esquema que se muestra:

Paso 1. Iniciación: X2lento

energía2 X ( X2 = Cl2 o Br2 )

15

WINGROVE A. – CARET R. Química Orgánica. Edit. Harla S.A. de C.V. M{exico D.F. pág. 148


127

Paso 2. Propagación:

X2

R H + Xmás lento

R + XH

R + rápidoR X + X

Estos dos pasos

se repiten hasta

la finalización

determinante de la velocidad de reacción

Paso 3. Terminación:

R X

X X

XR

R R

+

+

+

X2

R R

Halogenación con cloruro de sulfurilo (SO2Cl2). El cloruro de sulfurilo, SO2Cl2, reacciona con los alcanos y cicloalcanos

en presencia de peróxidos, RO-OR. El peróxido de benzoilo, PhCOO-OCOPh, se emplea frecuentemente en este tipo de reacciones, debido a que cataliza la reacción de 60 a 80°C. La reacción total es la siguiente:

R H ++ +Cl S

O

O

Cl

huella de peróxido de benzoilo

R Cl SO2HCl

cloruro de sulfurilo

60 - 80°

Esta reacción de radicales llibres se inicia por la descomposición del peróxido de benzoilo en radicales, que a su vez

reaccionan con cloruro de sulfurilo para generar átomo de cloro.

Ejemplo:

SO2Cl2

hv

Cl

Cl

+

2,3 - dimetilbutano1 - cloro - 2,3 - dimetilbutano 2 - cloro - 2,3 - dimetilbutano

38% 62%

peróxido de benzoilo

c. Nitración. Otra reacción de los alcanos es la nitración, en la que un hidrógeno es sustituido por un grupo nitro (-NO2).

Esta reacción requiere de condiciones excepcionalmente vigorosas y proporciona muy pequeños rendimientos de

producto.

Con el metano, el único producto es el nitrometano,

CH3NO2; esta reacción se lleva a cabo con el metano y el ácido nítrico concentrado de 400 a 500° y a alta

presión:

CH4 + CH3 NO2OH NO2 + H2O400 - 500°

presión

nitrometanoác. nítrico

Con alcanos mayores, se obtiene una mezcla de productos, algunos de los cuales resultan del rompimiento de enlaces C–

C. Así, la nitración del etano da lugar a una mezcla de nitrometano y nitroetano:

+ CH3 NO2OH NO2 + H2O400 - 500°

presiónnitrometanoác. nítrico

CH3 CH3CH3 CH2NO2 +

nitroetano

Se señala que el mecanismo para la nitración de alcanos, ocurre mediante una ruta de radicales lilbres y se inicia posiblemente con el desdoblamiento térmico de algunas moléculas de alcano en radicales libres.


128

5.3.2. Reactividad de los cicloalcanos

A partir del ciclopentano, los alcanos alicíclicos, presentan

reacciones muy similares a la de los alcanos:

Cl2, calor

Br2, 120°, hv

Cl

Br

Cl2, calor

Br2, 120°, hv

Cl

+Cl

+Cl

+

Cl

decreciente

único producto

En los cicloalcanos que no se hallan sometidos a fuertes tensiones como el ciclopentano, ciclohexano, etc, y que además

dichas estructuras tengan hidrógenos no equivalentes, la cloración del mismo producirá una mezcla de isómeros, en cambio

en la bromación se tendrá casi exclusivamente el desplazamiento del hidrógeno más sustituido por el bromo.

En cambio, cuando el cicloalcano se halla sometido a fuertes tensiones anulares, como es caso del ciclopropano, la

halogenación en presencia de ácidos de Lewis, origina la apertura del anillo, formandosé productos de adición y no de

sustitución.

Br2

H2 / Ni

H2SO4

HBr

BrCH2CH2CH2Br

CH3CH2CH3CH3CH2CH2Br

CH3CH2CH2OHAlCl3CCl4

H2O

100°C

+ CH3CHBrCH3 + CH3CBr2CH3

96%

Las reacciones del ciclopropano con HBr y H2SO4 acuoso, implican la ruptura heterolítica de un enlace sigma C–C del anillo de

ciclopropano que se lleva a cabo por protólisis. La reacción de apertura del anillo del ciclopropano con Br2/AlCl3,

aparentemente procede mediante un mecanismo similar, en ella, el agente responsable de la ruptura del enlace es o bien el

ácido de Lewis o un ión bromonio (Br+).

El ciclobutano reacciona con mayor dificultad y los siguientes no dan reacciones de adición.

H2/Pt

200°C

Estos cicloalcanos también se rompen a temperaturas elevadas, isomerizándose a alquenos:

calor

calor

Los cicloalcanos también pueden clorarse con altos rendimientos con cloruro de sulfurilo (SO2Cl2), la reacción ocurre en presencia de peróxidos.

SO2Cl2

peróxidos

Cl

SO2Cl2

peróxidos

Cl


129

Con catalizadores de AlCl3, los cicloalcanos y alquilcicloalcanos, producen reacciones de isomerización con apertura y cierre

del anillo:

AlCl3, calor

1,2 - dimetilciclopentano metilciclohexano

AlCl3, calor

ciclohexano metilciclopentano

La deshidrogenación catalítica del ciclohexano y de su alquilderivados o cicloalquibenceno, produce benceno y sus derivados

y nafataleno y sus drivados.

Pt - Al2O3

500° - 30 atm + 3 H2

Pt/C 300º

En el laboratorio, las deshidrogenaciones se hacen con

S/calor, Se/calor, C/calor o DDQ.

Sin embargo en la industria las reacciones indicadas no

tienen importancia, en cambio si la deshidrogenación

catalítica.

3 Se

calor + 3 H2Se

DDQ

S

calor

El ciclohexano se usa para obtener por oxidación

catalítica con aire, Ciclohexanol y ciclohexanona,

que son materias primas para la obtención de

Nylon, resinas de poliéster y poliuretano.

Ambos productos se usan también como

disolventes.

+ O2

150° . 200°

H3BO3

ZnO

etc.

OH

+

O

ciclohexanol ciclohexanona

O

O2

5.3.3. Síntesis de Alcanos y Cicloalcanos

Los alcanos menores, desde el metano hasta el n-pentano y el isopentano, pueden obtenerse en forma pura por destilación

fraccionada del petróleo y del gas natural. Más allá de los pentanos, el número de isómeros de cada homólogo se hace tan

grande y las diferencias en sus puntos de ebullición tan pequeños, que resulta imposible aislar compuestos individuales

puros; estos alcanos deben ser sintetizados por alguno de los métodos que a continuación se exponen:

5.3.3.1. Hidrogenación de enlaces múltiples C-C. La mayoría de las reducciones orgánicas (hidrogenación) producen la

saturación de los grupos funcionales no saturados. Los procesos de reducción más comunes, comprenden el uso de los siguientes reactivos:

Hidrogenación catalítica Reactivos de aluminio Hidruros metálicos

Reactivos de boro Hidruros de estaño

Silanos

Metales activos disueltos en

medio ácido


130

Los sustratos que más se emplean para la formación alcanos y cicloalcanos, son los alquinos, alquenos y compuestos

aromáticos a través de procesos de reducción conocidos como hidrogenación catalítica y la reducción del diborano.

a) Hidrogenación catalítica. Los catalizadores más utilizados consisten en metales de transición absorbidos en un soporte

sólido, como por ejemplo: Pd, Pt (finamente dividido), PtO2 (Adams), Ni y Rh. El soporte puede ser carbono, Al2O3, SiO2, CaCO3,

BaSO4 y los solventes más utilizados llegan a ser el EtOH, EtOAc (acetato de tilo), Et2O, hexanos, etc.

El Pt se añade como PtO2 y se reduce en el mismo reactor. El Pd se prepara reduciendo sus sales sobre un soporte de

carbón finamente dividido. Estos catalizadores son muy activos y permiten la hidrogenación a temperatura ambiente y presiones de 1 o 2 atm, pero son sumamente caros, por lo cual deben recuperarse cuidadosamente. La reacción es sensible a

los efectos estéricos y cambios de solvente.

b). Sistema reductor H2,Pd/C. La estereoquímica de los productos hidrogenados presenta adición cis (syn): los dos átomos

de hidrógeno se adicionan a la misma cara del doble enlace.

R1

R2 R2

R1 H2, Pd/CH

R2 R2

H

R1 R1

H2

PtO2

H

H

cis - 1,2 - dimetilciclohexano

El hidrógeno requerido para la reacción,

puede ser proporcionado por ejemplo por

el ácido fórmico disuelto en una amina

terciaria.

Et3N, HCOOH,/Pd,C, 3 h

Otra fuente de hidrógeno, es la indolina, catallizada por Pd/C

y reflujo, transforma los alquenos y cicloalquenos en los

respectivos compuestos saturados

indolina, 5% /Pd,C, 1 h

c). Reducción con Pd/Fibroína. Se ha reportado que el complejo de paladio-fibroína, cataliza de forma quimioselectiva, la hidrogenación de acetilenos, olefinas y azidas, en la presencia de cetonas, aldehídos aromáticos y haluros, así como de los

grupos protectores N-Cbz y ésteres de bencilo, que son fácilmente hidrogenados con Pd/C o Pd/C(en) como catalizadores.

(T. Ikawa, H. Sajiki, K. Hirota, Tetrahedron, 2005, 61, 2217-2231)

R1

RR

2 2.5% Pd/Fibroína

H2 (botellón)

MeOH, r.t., 2 -- 48 hR

1

RR

2

R : COOH, COOR3,

CH2OR3, CH2CCbzR

3

d) Reducción con NBSH (2-nitrobencenosulfonilhidracida). La reducción de alquenos a los alcanos respectivos, ha sido

encarada satisfactoriamente y con mucha quimioselectividad, con el 2-nitrobencenosulfonilhidracida (NBSH), preparado a

partir de reactivos comerciales, (B. J. Marsh, D. R. Carbery, J. Org. Chem., 2009, 74, 3186-3188).

R2

R1

R

NO2

SO2Cl

2 eq.

4 eq. H2NNH2, H2O

MeCN, 0ºC, luego ref lujoR

2

R1

R

R : alquil, aril, -CH2OBn, -COOR’’, -CH2NHCbz

R1: H, alquil, aril, ArHN R2; H, alquil


131

e) Reducción con diborano. El diborano disuelto en THF, se adiciona reversiblemente a los alquenos y cicloalquenos y el

compuesto de adición formado cuando se calienta en ácido acético (HAc), da origen a un compuesto saturado. Los

compuestos, de adición de borano se pueden oxidar para formar alcoholes.

f). Silanos. Una variedad importante de compuestos del silicio, denominados en general silanos, son una alternativa de

reducción, para alquenos, cicloalquenos y alquinos, a través de dos mecanismos diferentes que utilizan por una parte la donación de hidruros (H-) o por otra el aporte de radicales (H.). Como puede verse en los siguientes ejemplos, con el

trietilsilano (Et3SiH):

R

R1

Et3SiH R

R1Pd/C, MeOH

Et3SiH

RR1R R1

Pd/C, MeOH

Et3SiH

CF3COOH

Et3SiH, TFA

En estas dos últimas reacciones, se muestra que el trietilsilano, en presencia de ácido trifluoroacético, reduce

selectivamente a los dobles enlaces más sustituidos, de manera que por ejemplo, en las condiciones de la reacción no podrá

reducirse 1-penteno.

Los ejemplos muestran cómo el tri-Etilsilano dispone de hidruros a través de una catálisis, por lo que puede hidrogenar tanto

alquenos como alquinos hasta el correspondiente alcano. Estas son esencialmente reacciones de hidrosilación, en el que se

elimina en un segundo paso el sustituto sililo con el solvente protonado.

g). Hidrogenación catalítica de compuestos aromáticos. La reducción del anillo bencénico, requiere condiciones

extremas de presión para poder adicionar hidruros. Sin embargo se han estudiado alternativas, que proponen la reducción

del anillo bencénico por sistemas mucho más asequibles para el trabajo en un laboratorio.

En los siguientes ejemplos, podrá evaluarse las alternativas diversas que se han generado, para adicionar iones hidruro en el

anillo bencénico de un areno, buscando no afectar a otros sustituyentes presentes en la molécula.

COOH

OMe

H2, 5% COOH

OMe

90%

Rh/alúmina

OMe

Rh(CO(2C5H4, polímero

4.5 MPa, H 2, 100ªC, 38 h

OMe

OH

NHMe

RuO2, H2

8,3 MPa,

OH

NHMe90ºC, 90 min

RhCl3 en polímero

25ºC, 18 h

340 Kpa H 2

H

H

H

H

H2/NiH2/PtO2

cis-decalinatrans-decalinanaftaleno


132

h). Reducción catalizada por Rh/C. Una hidrogenación completa de anillos aromáticos, en codiciones suaves, se logra

utilizando como catalizador heterogéneo, 10% Rh/C, a una temperatura de 80°C en agua y a 5 atm de presión de H2.

Este sistema reductor es aplicable a la hidrogenación de

diversos compuestos heteroaromáticos como

alquilbencenos, bifenilos, piridinas y furanos (Maegawa, A.

Akashi, H. Sajiki, Synlett, 2006, 1440-1442).

Y

R

10 wt % Rh/C (10%)

H2 ( 5 atm)

H2O, 80ªC, 1.5 - 3 h

Y

R

Y : CH, N

5.3.3.2. Reducción de haluros de alquilo o cicloalcanos

a). Reducción con PVP-PdCl2. La reacción de un haluro de alquilo o arilo, con H2, catalizado por dicloruro de paladio fijado

sobre la superficie de un polímero como el poli (N-vinil-2-pirrolidona) (PVP-PdCl2), presenta una alta actividad catalítica para

la reducción de haluros orgánicos a presión atmosférica normal y en presencia de una base. (Zhang Yiping, Shijian Liao y Xu Yun 1994).

R X

PVP - PdCl2, base, EtOH

60ºC, presión normal+ H2 R H

R = Alquil, Aril

b.). Reducción con hidruros de cobre (CuH). Otro metal utilizado con mucha frecuencia es el Cu. El sistema reductor se

prepara con CuI y LiAlH(OMe)3, que origina in situ, a temperatura ambiente el hidruro cuproso (CuH) necesario para la

reducción de los haluros. Otras variantes de estos sistemas reductores que también proporcionan CuH, son las siguientes:

LiCuH(n-C4H9), (KCuH2)n, LinCuH(n+1), utilizando como solvente THF.

El sustrato en estos procesos de reducción mantiene su estereoquímica sin ninguna variación, lo que no ocurre por ejemplo

en la reducción de alcoholes o sus ésteres tosilatos o de alquenos y alquinos.

Br

H LiAlD(OMe)3 - CuI

D

HLiAlD(OMe)3

-CuI

H

OTs

H

BrLiAlD(OMe)3 - CuI

H

DLiAlD(OMe)3

-CuI

OTs

H

c). Reducción con HI catalizada por P4 (rojo).

Este sistema reductor actúa sobre

haluros de alquilo 1º y 2º.

I2 HI

P4

+ HI + I2

d). Reducción con cianoborohidruro de sodio (NaBH3CN). Los haluros de alquilo 1º y 2º, pueden ser reducidos al alcano

correspondiente con NaBH3CN, disuelto en Hexametilfosforico triamida (HMPA), este mismo sistema puede también reducir a los tosilatos, ésteres de los alcoholes a los correspondientes alcanos.

I

NaBH3CN

HMPA, 70ºC

Br NaBH3CN

HMPA, 70º NaBH3CN

HMPA, 70ºCl


133

La selectividad superior de esta reacción de desplazamiento reductor se demuestra por la inercia de casi todos los otros

grupos funcionales como éster, amida, nitro, cloro, ciano, alqueno y aldehídos al reactivo utilizado.

e). Reducción con hidruro de diisobutilaluminio (DIBAL). Los bromuros de alquilo secundarios se reducen con hidruro de

diisobutilaluminio y cloruro de etilmagnesio, en presencia de catalizadores de Pd metálico con difosfina (H2PPH2).

Extrañamente, complejos de paladio y fosfina

generados por otros medios no son viables como catalizadores para la reacción en ausencia de DIBAL y

cloruro de etilmagnesio.

BrDIBAL, EtMgBr

Pd/ H2PPH2

f). Reducción con resina de intercambio de borohidruro (BER). La resina de intercambio de borohidruro (BER)

combinada con sales de níquel, como por ejemplo acetato de níquel BER–Ni(AcO)2 es un excelente agente quimioselectivo para la reducción de halogenuros de alquilo y arilo y grupos nitro en presencia de muchos otros grupos funcionales sensibles

a otros reductores, tales como epóxidos, ésteres, amidas, y olefinas.

BER / Ni(AcO)2

MeOH, 65 ºC, 1h

Br

Br BER / Ni(AcO)2

MeOH, reflujo, 3h(95%)

g). Reducción con Ioduro de Samario (SmI2). Los haluros de alquilo, alquenilo y arilo, pueden sufrir sustitución de sus

átomos de halógeno, por hidrógeno, cuando estos haluros se hacen reaccionar con ioduro de samario (II) en presencia de un

alcohol, como solvente y donador de protón y como co-solvente HMPA.

R1

R

X

SmI2

R2OH

R1

RX = halógeno, -SO2Ar

Preparación: Sm + ICH2I SmI2 + CH2=CH2

THFSolventes: HMPA, TPPA

h)1. Reducción con éster de Hantzch, por catálisis fotoreductiva. Un método de reducción conveniente de haluros de

alquilo, que no utilice el estaño en dicho propósito, lo constituye la fotoreducción de un haluro de alquilo.

R R1

X

hv (14 w fluorescente bulb)

2.5 mol%, Ru(bpy)3Cl22 - 10 eq. DIPEA

10 eq HCOOH, o 1.1. eq. Hantzsch ester

DMF, r.t. 4 - 24 h

R R1

X Br, Cl R : Ar, COR"

la transferencia electrónica se produce por la acción catalítica de la radiación y Ru(bpy)3Cl2. Como fuente de hidrógeno se utiliza el ácido fórmico o el éster de Hantzch.

El ester de Hantzsch, es una buena fuente de

hidruros, en cantidades moderadas, para reacciones quimioselectivas.

NH

EtOOC COOEt

Este nuevo método de reducción de haluros alifáticos y de areno, corresponde al trabajo realizado por J. M. R. Narayanam, J.

W. Tucker, C. R. J. Stephenson, J. Am. Chem. Soc., 2009, 131, 8756-8757.

i). Reducción con Hidruro de litio y aluminio (LiAlH4). Este hidruro es un compuesto inorgánico que fue descubierto por

Finholt, Bond y Schlesinger en 1947, se utiliza como agente reductor en síntesis orgánica, especialmente para la reducción de los ésteres, ácidos carboxílicos y amidas. Enestado sólido es peligrosamente reactivo hacia el agua, liberando gas de hidrógeno (H2).

http://translate.googleusercontent.com/translate_c?hl=es&sl=en&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Inorganic_compound&prev=/search%3Fq%3Dreduction%2Bwith%2Bsodium%2Bhydride%26start%3D10%26hl%3Des%26client%3Dfirefox-a%26hs%3Dz72%26sa%3DN%26rls%3Dorg.mozilla:es-ES:official%26channel%3Ds%26biw%3D1016%26bih%3D573%26prmd%3Divns&rurl=translate.google.com&twu=1&usg=ALkJrhhmFGCwVkYrj55uj6mYdH2tVptZCw

http://translate.googleusercontent.com/translate_c?hl=es&sl=en&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Water&prev=/search%3Fq%3Dreduction%2Bwith%2Bsodium%2Bhydride%26start%3D10%26hl%3Des%26client%3Dfirefox-a%26hs%3Dz72%26sa%3DN%26rls%3Dorg.mozilla:es-ES:official%26channel%3Ds%26biw%3D1016%26bih%3D573%26prmd%3Divns&rurl=translate.google.com&twu=1&usg=ALkJrhg12MoVQeslIVdMBy01U4CyZMhycA


134

El hidruro de litio y aluminio, fue preparado por primera vez, de la reacción entre el hidruro de litio (LiH) y cloruro de

aluminio: 4 LiH + AlCl3 → LiAlH4 + 3 LiCl. El Hidruro de Litio y Aluminio también puede ser preparado con altos rendimientos

por una reacción de metátesis: NaAlH4 + LiCl → 4 LiAlH4 + NaCl

R XLiAlH4

THFR H

j). NaBH4/DMSO. Por otra parte, en solventes apróticos, los haluros alifáticos y aromáticos se reducen cuantitativamente

con el sistema NaBH4/DMSO, en presencia de muchos otros grupos funcionales, tales como hidroximetil, fenol, éster, ciano y grupos amino.

Cl

NaBH4

S

O O

5.3.3.3. Reducción de alcoholes a alcanos

Los alcoholes pueden deshidroxilarse, para formar alcanos o cicloalcanos, de manera indirecta y directa.

a). Reducción indirecta de alcoholes. En general, una forma indirecta de remover los –OH de los alcoholes, pasa por una

primera etapa de deshidratación del alcohol, seguido de una hidrogenación catalítica. Ejem.

OH

H2SO4 conc. H2/Pd

OH

H2SO4 conc. H2/Pd

Otro procedimiento es el de transformar el alcohol en el haluro correspondiente, luego el mismo hacer reaccionar con Mg

metálico en medio de éter y posteriormente agregar agua para descomponer el compuesto de Grignard anteriromente

formado:

OHPBr3

Br Mg/éter MgBrH2O

Una tercera opción indirecta, de remoción del –OH, de los alcoholes, radica en la transformación de los mismos en ésteres

del tosilato y posteriormente este grupo es desplazado de la estructura orgánica con un agente reductor, como el NaBH3CN.

OHTosCl

OTos(reductor)

OTsNaBH3CN

HMPA, 80ºC

b). Reducción directa de alcoholes a alcanos. Existen varios procedimientos selectivos, para reducir directamente los

alcoholes primarios, secundarios y terciarios al alcano correspondiente.

Reducción con Silanos. Los silanos en presencia de ácidos de Lewis fuertes son buenos agentes reductores y son utilizados

para retirar el grupo –OH de los alcoholes y formar alcanos; los ácidos de Bronsted generalmente originan reordenamientos

del esqueleto carbonado. Los silanos pueden ser donantes del radical H., para lo cual se utilizan en la reacción, iniciadores de

radicales, o por el contrario pueden ser donantes de hidruros y propiciar una sustitución nucleofílica en el sustrato.


135

La gama de compuestos silanos que se utilizan como agentes reductores, se extiende desde los alquilsilanos simples (EtSiH3),

pasando sobre diferentes fenilsilanos, como PhSiH3 y silanos halogenados (tales como triclorosilanos), hasta arribar a los

tris(trimetilsilil)silanos.

Sustituciones nucleofílicas con hidruros: El agente reductor es uno de los silanos generador de hidruros, como se verá a

continuación:

Con Trietilsilanos: (Et3SiH). Los alcoholes primarios que deben estar en exceso y secundarios son buenas moléculas

precursoras, para perder el –OH y transformarse en alcano y/o cicloalcano.

Ph

OH Et3SiH, B(C6F5)3

CH2Cl2, reflujo, 20 h

Ph

95%

Ph

OH

R3SiH, TFA

CH2I2

Ph

H

100%

OH

Et3SiH, BF3.OEt2

CH2Cl2H

100%

Los alcoholes alílicos pueden ser desoxigenados preferentemente en presencia de alcoholes secundarios y terciarios, cuando

se utiliza perclorato de litio como catalizador en solución etérea.

OH

OH

Et3SiH, LiClO4

Et2O. reflujo, 16 h

OH

70%

Con Clorodifenilsilanos (Ph2SiHCl). Este reactivo en presencia catalítica de InCl3, genera hidruros y muestra una alta

quimioselectividad en la reducción de alcoholes bencílicos, alcoholes secundarios y alcoholes terciarios, mientras que

no reduce alcoholes primarios y a los grupos funcionales que son fácilmente reducidos por los métodos normales, tales

como ésteres, bromo, cloro y los grupos nitro. (M. Yasuda y colb. A.J. Org. Chem 2011, 7741 – 7744).

R

OH

R1

2 eq. Ph 2SiHCl

5 mol % InCl3

CH2Cl2, reflujo, 5 - 6 h

R R1

R, R1,: Alquil o aril

R

OH

OH

ROH (99%)

86 ºC, 5 h

Ph2SiHCl/InCl3

R OEt

OH O

Ph2SiHCl/InCl3

CH2Cl2, reflujo, 3h

R OEt

O

Finalmente, existen otros reactivos que también actúan preferentemente sobre los alcoholes bencílicos y alílicos,

para transformar el carbono que contenía el –OH en un

metileno:

Ph R

OH

Ph R

NaBH3CN

Zn

La reducción de Mitsunobu. Más conocida como la reacción de desplazamiento de Mitsunobu de un alcohol con o-

nitrobencensulfonilhidrazina, seguido de la eliminación in situ del ácido o-nitrobencensulfinico, genera diazenos


136

monoalquílicos, que se descomponen por un mecanismo de radicales libres para formar productos desoxigenados (A. G.

Myers, M. Movassaghi, B. Zheng, J. Am. Chem. Soc., 1997, 119, 8572-8573).

R OH +

O2N

S

NH

NH2

O O

2 eq. DEAD

2 eq. PPh3

THF ó NMM

- 30ºC, 140 min

O2N

S

NH

N

O O

R

H

32 ºC, 2 h

R H

R : alquil

Reducción de alquil, vinil y sulfonatos con el sistema CuCl2·2H2O-Li-DTBB(cat) (G. Radivoy*, F. Alonso, Y. Moglie, C. Vitale

and M. Yus Tetrahedron, 2005, 61, 3859-3864). La reducción de una serie de alquil sulfonatos al correspondiente hidrocarbono ha sido eficientemente trabajado usando un sistema reductor compuesto por CuCl2.2H2O y un exceso de sal de

litio y una cantidad catalítica de 4,4’ –di-tert-butilfenil (DTBB) en tetrahidrofurano a temperatura ambinete. El proceso es también posible aplicarlo al enol y dienol de triflatos formando alquenos y dienos respectivamente.

R OSO2R'

1-2, eq. CuCl2.2H2O

(eq. Li, 0.1 eq. DTBB

RHF, r.t., 4-12 h

R H R. Alquil, vinil

OMs

11

CuCl2.2H2O

8 eq. LI, 0.1 eq. DTBB

THF, rt, 10h

H10

CuCl2.2H2O


THF, rt, 10hOMs

2 CuCl2.2H2O


THF, rt, 6h

Bu

TfO n

Bu

H n

CuCl2.2H2O


THF, rt, 6h

OTf

CuCl2.2H2O


THF, rt, 6h

OTf

CuCl2.2H2O


THF, rt, 8h

TfO

5.3.3.4. Acoplamiento de halogenuros de alquilo con compuestos organometálicos.

Una reacción de acoplamiento, es una transformación química de formación de un nuevo enlace carbono–carbono, que abarca toda una variedad de reacciones en las que dos fragmentos de hidrocarburos, para el caso de alcanos y cicloalcanos,

se acoplan con la ayuda de un catalizador que generalmente es un metal, una aleación, un óxido metálico o una sal. Esta

reacción es muy frecuente, cuando el sustrato es un haluro de alquilo primario o secundario si se trata de un halicíclico y el reactivo es un metal o un compuesto organometálico.

Los acoplamientos más usuales para formar alcanos y cicloalcanos, son la reacción de Wurtz y sus variantes y la reacción de Corey - House:

Reacción de Wurtz (1855). Esta reacción está limitada a haluros de alquilo simétricos y de número par de átomos de

carbono, en otros casos se formarán inevitablemente mezclas de productos.

2 RX + 2 Na = R-R + 2 NaX

Ejemplos:


137

Br

+2 2 Na + 2 NaBr

Cl +2 2 Na + 2 NaCl

+2 2 Na + 2 NaClCl

Se ha econtrado que la reacción de Wurtz presenta buenos rendimientos sólo en hidrocarburos de número par de átomos de

carbono y de peso molecular elevado. La reacción falla con halogenuros de alquilo terciarios.

Reacción de Corey–House. (1960) La reacción desarrollada por E. J. Corey y Herbert House, se la denomina también como

Síntesis de Corey–House, por su versatilidad y amplitud en la formación del dialquilcuprato de litio (reactivo de Gilmann) para formar enlaces C–C de alcanos, cicloalcanos y otras estructuras moleculares que incluyen los aromáticos.

Los dialquilcupratos de litio “R2CuLi”, permiten la formación de enlaces carbono-carbono por reacción con un electrófilo

adecuado, como los haluros de alquilo primarios y los haluros alicíclicos. Los haluros de alquilo secundarios combinado con

un reactivo de Gilman, producen rendimientos muy bajos y lo haluros de alquilo terciarios sencillamente no reaccionan con el

dialquilcuprato de litio. Por consiguiente los grupos secundarios y terciarios deberán ser aportados por el dialquilcuprato de

litio.

R1

X + R2CuLi R1

R +THF

25°CRCu + XLi

Preparación del reactivo de Gilmann (dialquilcuprato de litio).

I. A partir de un organolitio y yoduro de Cu(I). Este método es el adecuado si en el dialquilcuprato de litio el grupo

R es arílico, vinílico y alquílico primario, pero es inviable para la obtención de organocupratos con restos alquílicos

secundarios y terciarios:

+ +2 RLi CuI R2CuLi LiI

Los dialquilcupratos de litio son más estables y reactivos que los acetiluros de cobre (I).

II. A partir de un alquillitio y yoduro de Cu(I)PnBu3. Este procedimiento se utiliza para sintetizar los organocupratos

de litio con grupos alquilo secundarios y terciarios que no se podían obtener por el procedimiento anterior.

+2 tBuLi CuI.P

nBu3

tBu2CuLi.P

nBu3 + LiI

Ejemplos de síntesis de alcanos de Corey-House: Señale las moléculas precursoras probables para la MOb: 3-Metilhexano.

CH3Br

CuLi.PnBu3

2

Br

Br

CuLi.PnBu3

2

CuLi

2

¡rendimiento bajo!MOb

5.3.3.5. Síntesis de cicloalcanos. Los cicloalcanos o compuestos alicíclicos normalmente se preparan en dos etapas:

a). Conversión de algún compuesto o compuestos de cadena abierta en uno que contenga un anillo, proceso al que se

denomina ciclación.


138

b). La conversión de un derivado cíclico como por ejemplo un alcohol, un haluro etc., inicialmente en un alqueno y

posterior hidrogenación, para formar el cicloalcano correspondiente.

Acoplamiento de dihaluros

Los 1,3 dihaloalcanos, pueden sufrir un acoplamiento intramolecular en presencia de sodio metálico como catalizador

para formar ciclopropanos. Esta reacción es conocida como reacción de Freund.

Cl ClNa

Cuando se utiliza zinc como catalizador la reacción se denomina reacción de Gustavson. La síntesis industrial de

ciclopropano utilizando 1,3-dicloropropano con polvo de zinc en etanol acuoso se conoce como proceso del

ciclopropano de Hass.

BrBr

Zn

calor+ ZnBr2

Zn, NaI ZnCl

Cl

Cl

Cl

A partir de las reacciones pericíclicas

a) Reacciones electrocíclicas:

+hv

+

hv

b) Reacciones de Diles-Alder: El producto de este tipo de reacciones, se denomina aducto y éste tiene una base

estructural de un ciclohexeno, que por hidrogenacióncatalítica, formará un ciclohexano o un derivado del mismo.

COOEt

+calor

COOEt COOEt

H2/Pd

COOEt

+calor

COOEtCOOEtH2/Pd

+calor

H2/Pt

La adición de carbenos a olefinas (La reacción de Simmons-Smith)

2CH2I2

Zn, CuCl

2CH2I2

Zn, CuCl

Reacciones de reducción de aldehídos o cetonas cíclicas

a) Reducción de Wolf-Kishner:

CHONH2NH2/KOH

calor


139

NH2NH2/KOH

calorO

indeno

b) Reducción de Clemmensen:

OZn(Hg)/HCl

azuleno

Zn(Hg)/HClCHO

metilfenaleno

c) Por desulfuración de tioacetales. Cuando en la molécula se hallan presentes grupos sencibles a medios ácidos o

básicos, la desulfuración de tioacetales de aldehídos y cetonas con níquel Raney, es una buena alternativa, para

transformar el grupo carbonilo de aldehídos y cetonas a metilenos ( >C=O >CH2 ).

O

2 EtSH

SHSH

SEt

SEt

S

S

H2,

Ni/Raney+ 2 CH3CH3 + NiS

+ CH3CH3 + NiSH2,

Ni/Raney

d) Por reducción de cetonas cíclicas con LiAH4-AlCl3.

OLiAlH4 - AlCl3

O LiAlH4 - AlCl3

Pruebas de Dominio:

5.1. Un ciclohexano disustituido 1,2-cis, tall como el cis-1,2-diclorociclohexeno, debe tener un grupo axial y uno ecuatorial

explique.

5.2. Dibuje las dos comformaciones de silla del cis-1-cloro-2-metilciclohexano. ¿cuál es mas estable?.

5.3. La galactosa, un azúcar reaqlcionada con la glucosa, contiene un anillo con seis miembros en el cual todos los sustituyentes, a excepción del grupo –OH indicado on un asterisco, son ecuatgoriales. Dibuje la galactosa en su conformación

de silla más estable:


140

OHOH2C OH

OH

OH

OH

Galactosa

5.4.16. Dibuje las dos conformaciones de silla del mentol y diga cuál es más estable.

OH

Mentol

5.5. Hay cuatro isómeros cis-trans del mentol (problema 4), incluyendo al que se muestra. Dibuje los otros tres.

5.6. Dibuje el 1,3,5-trimetilciclohexano utilizando un hexágono para representar el anillo, ¿cuántos estereoisómeros cis-trans

son posibles?.

5.7. Suponga que tiene una variedad de ciclohexanos sustituidos en las posiciones indicadas. Identifique los sustituyentes

como axiales o ecuatoriales; por ejemplo, una relación 1,2-cis significa que uno de los sustituyentes debe ser axial y uno

ecuatorial, mientras que una relación 1,2-trans significa que ambos sustituyentes son axiales o ambos son ecuatoriales.

a) 1,3-trans disustituido e) 1,4.cis disustituido

1,3 – cis disustituiso f) 1,5-trans disustituido

1,5 - disustituido g) 1,6-trans disustituido

5.8. Proponer las moléculas precursoras y la reacción correspondiente, que permitan transformar las mismas, en las

siguientes moléculas objetivo:

a)

Br

b) Cl

c)

d)

e)

f)

g)

h)

i)

j)

k)

l)

16

McMurry J. Química Orgánica. Editorial Thomson. Pág.134


141

6 REACTIVIDAD Y SÍNTESIS DE

ALQUENOS Y CICLOALQUENOS

Son hidrocarburos alifáticos que contienen uno o más dobles enlaces carbono-carbono, identificados en la nomenclatura

IUPAC por la terminación -eno; también son conocidos como olefinas. Estos compuestos se denominan insaturados, puesto

que tienen una relación hidrógeno-carbono más pequeña que en los alcanos correspondientes. El doble enlace carbono-

carbono es más corto (1.34 A°) y más fuerte que un enlace sencillo correspondiente y tiene una configuración planar.

Las reacciones de polimerización en las que intervienen, dieron origen a los primeros polímeros: polietileno, polipropileno,

etc., por lo que son sumamente importantes. En la naturaleza se encuentran ampliamente distribuidos compuestos más complejos que contienen dobles enlaces, y cuyos nombres derivan a partir de su origen botánico. Limoneno (de aceites

cítricos), los alfa y beta pineno (de la trementina), la vitamina A, el ácido cariofileno, etc.

OH

Vitamina A

limoneno

- pineno - pineno

Las reacciones de eliminación de sustratos como los alcoholes, haluros de alquilo o aminas, a través de las cuales se forman

alquenos y cicloalquenos, transcurren por mecanismos E2 o E1.

6.1. Aplicaciones de los alquenos y cicloalquenos.

El etileno o eteno es una sustancia muy importante que se utiliza en grandes cantidades en la manufactura de polímeros

orgánicos, de la polimerización del etileno y propileno se obtienen el polietileno y polipropileno respectivamente, ambos

utilizados ampliamente en la vida diaria, en la fabricación de artículos como botellas desechables, retornables, garrafones,

bolsas, sillas, mesas, juguetes, entre otros.

Por otro lado, el etileno tiene la propiedad de acelerar la maduración de las frutas (plátanos, limones,

piñas, etc.), por tal razón, con el fin de conservar mejor las frutas, éstas pueden transportarse no maduras y llevarse a la maduración en el lugar de consumo, introduciendo en el aire de los almacenes

cerrados una cantidad muy pequeña de etileno.


142

Los objetos de plástico traen un triángulo con un número en el centro, que hace referencia a su composición química, lo cual

permite clasificarlos para su reciclado. El Tereftalato de polietileno lleva el 1, el polietileno de alta densidad el 2, y el polietileno de baja densidad el 4 y el propileno el 5; el 3 se utiliza para el PVC y el 6 para el poliestireno.

Muchos compuestos con dobles enlaces en su estructura, son los responsables de los aromas que se hallan asociados a la menta, clavo, limón, canela y, entre otros, los perfumes de rosas y

lavanda, se deben a aceites esenciales volátiles que las propias plantas elaboran. Los compuestos insaturados que contienen estos aceites, se pueden sintetizar en el laboratorio a

partir de unidades de isopreno (2-metil-1,3-butadieno), que son los responsables del aroma.

Los hexenos y nonenos que tienen seis y nueve átomos de carbono, respectivamente están en

el rango de la fracción que corresponde a las gasolinas. Por lo tanto, se suelen usar en las

mezclas de este combustible. Sin embargo, si se separan y purifican, se pueden utilizar para

fabricar otros productos, sobre todo, el noneno que se combina con el fenol para hacer

nonilfenol que es la base de algunos shampoos para el cabello.

Los insectos expelen cantidades muy pequeñas de sustancias insaturadas denominadas feromonas, las cuales utilizan para comunicarse con otros miembros de su especie. Algunas feromonas indican peligro o son una llamada para defenderse, otras

constituyen un rastro o son atrayentes sexuales. La bioactividad de muchas de estas sustancias depende de la configuración

cis o trans del doble enlace en la molécula. Varias de estas sustancias se están utilizando como atrayentes sexuales para

atrapar y eliminar insectos, como es el caso de la abeja africana, la termita, el gorgojo, la polilla, etcétera.

6.2. Reactividad de Alquenos y Cicloalquenos

6.2.1. Hidrogenación catalítica. Los alquenos y cicloalquenos reaccionan con hidrógeno en presencia de un catalizador

adecuado para formar los alcanos saturados y cicloalcanos. El Platino y paladio son los dos catalizadores metálicos más

utilizados para la mayoría de las hidrogenaciones de alquenos y cicloalquenos. El paladio suele emplearse finamente dividido

y con un mineral inerte, como carbón, a manera de soporte para maximizar el área superficial (Pd/C). El platino se emplea

generalmente como PtO2, reactivo llamado catalizador de Adams.

Sistema reductor H2 Pd/C. La estereoquímica de los productos hidrogenados presenta adición cis (syn): los dos átomos de

hidrógeno se adicionan a la misma cara del doble enlace.

R1

R2 R2

R1 H2, Pd/C H

R2 R2

H

R1 R1

H2 PtO2

H

H

cis - 1,2 - dimetilciclohexano

CH3COOH

H2

H

Pd

H

H

H

reducción exclusiv a en la cara

inf erior por bloqueo del metilo

a - pineno

La reacción de hidrogenación ha resultado difícil de estudiar mecanísticamente. Sin embargo, la experiencia ha demostrado

que la hidrogenación suele ocurrir con estereoquímica syn; ambos hidrógenos se unen al doble enlace desde la misma cara. El primer paso de la reacción es la adsorción del hidrógeno en la superficie del catalizador. Después se forma un complejo

entre el catalizador y el alqueno mediante la superposición de orbitales vacantes del metal con el orbital pi lleno del alqueno, a continuación el producto saturado se separa del catalizador.


143

Catalizadores de Wilkinson. La hidrogenación catalítica, puede ser también homogénea, eso sucede cuando se utilizan los

denominados catalizadores de Wilkinson: [(C6H5)3P]3RhCla) , [(C6H5)3P]3RuHClb) .

En estos procesos, la hidrogenación es más selectiva para el doble enlace, sin isomerizaciones, altamente estereoespecífica,

una adición SYN y un medio donde los catalizadores no presentan envenenamiento. Otro aspecto ventajoso de la utilización de

los catalizadores de Wilkinson, radica en que éstos, no afectan a los grupos: -COOH, -CO-, -CHO, -CN, -NO2 y -COOR’.

[(C6H5)3P]3RhCl

CN CN

[(C6H5)3P]3RhCl

NO2 NO2

O

O

O

O

[C6H5)P]RhCl

Si en la molécula existen triples y dobles enlaces, estos últimos se reducen preferentemente, quedando sin modificación los

triples enlaces y tampoco actúa sobre los sistemas aromáticos:

[(C6H5)3P]3RhCl

CHO

[C6H5)P]RhCl

CHO

[C6H5)P]RhCl

CN CN

Reducción con NBSH (2-nitrobencenosulfonilhidracida). La reducción de alquenos a los alcanos respectivos, ha sido

encarada satisfactoriamente y con mucha quimioselectividad, con el reactivo 2-nitrobencenosulfonilhidracida (NBSH),

preparado a partir de reactivos comerciales, (B. J. Marsh, D. R. Carbery, J. Org. Chem., 2009, 74, 3186-3188).

R2

R1

R

NO2

SO2Cl

2 eq.

4 eq. H2NNH2, H2O

MeCN, 0ºC, luego ref lujoR

2

R1

R

R : alquil, aril, -CH2OBn, -COOR’’, -CH2NHCbz

R1: H, alquil, aril, ArHN R

2; H, alquil


144

Tabla Nº 16. Reducción de olefinas con NBSH

Sustrato Producto Rendto (%)

OOH

O

O

OH

O

72

NHCbz

NH

Cbz 100

OH

OH

65

OHOH

OHOH

100

70

Ph

Ph

65

Ar-NH

OH

O

Ar-NH

OH

O

87

Ar-NH

O

O

Ar-NH

O

O

100

Otras reducciones catalíticas de alquenos

O

Ni-Raney /H2

O

H

O

PtO2/H2

O

Pd/CaCO3, H2

Ph

RhCl(PPh3)3, H2

PhH, 25 ºC

Ph

IrCl(CO)(PPh3)2

H2, PhH, 50ºCPh

Metalación reductora de 1,2- diaril etenos. La reducción de estilbenos con el metal Na en THF seco permite un fácil acceso

a diversos 1,2-diaril-1,2-diisodioetanos. Estos intermediarios diorganometalicos producen 1,2-diariletanos cuando son

tratados con agua. (U. Azzena, G. Dettori, C. Lubinu, A. Mannu, L. Pisano, Tetrahedron, 2005, 61, 8663-8668.)


145

ArAr'

1) 3- 9 eq. Na

THF, -20ºC a 0ºC, 7-12 h

2) H2OAr

Ar'

Producto T1 (ºC) t1(h) %

Ph N

0 12 78

Producto T1 (ºC) t1(h) %

OMe

MeO

0 12 78

Alternativamente, estos procesos, tienen una utilidad sintética importante, cuando los 1,2-diaril-1,2-diisodioetanos se tratan con 1,3-dicloropropanos, se producen, trans-1,2-diarilciclopentanos con buenos rendimientos

Ar

Ar'

1) 3- 9 eq. Na

THF, -20ºC a 0ºC, 7-12 h

2) 2 eq. Cl(CH2)3Cl

-80ºC - 0ªC, 12 h Ar Ar'

Producto T1(ªC) t1(h) % Producto T1(ªC) t1(h) %

Ph

N

0 12 78

MeO OMe

0 7 62

Reducción con Diborano (B2H6). La acción reductora del diborano (B2H6) disociado a BH3 en éter o THF, se observó por

primera vez en las reacciones de adición a alquenos y alquinos. Esta sigue siendo una principal aplicación de este reactivo.

Por otro lado, debido a los efectos de reducción rápida y completa de los ácidos carboxílicos, amidas y nitrilos, proporciona

uno de los mejores métodos para reducir los ácidos carboxílicos a alcoholes primario, aparte del LiAlH4.

Alquenos: El diborano disuelto en THF, se adiciona reversiblemente a los alquenos y el compuesto de adición formado cuando

se calienta en ácido acético (HAc), da origen a un compuesto saturado. Los compuestos, de adición de borano se pueden

oxidar también hacia la formación de alcoholes.

6.2.2. Hidrohalogenación. El protón de ácido fuerte puede adicionarse a un doble enlace para dar una carbocatión, mediante

un ataque electrofílico y posterior captura por el nucleófilo (X-). Para la reacción se requieren temperaturas bajas, para

evitar transposiciones. Si los carbonos del alqueno no están igualmente sustituidos, el protón del haluro ataca al carbono

menos sustituido, dejando de esa manera un carbocatión más estable y en consecuencia el halógeno tiende hacia el carbono

más sustituido. Este hecho se denomina regla de markovnikov.

Mecanismo de adición electrofílica de HX a alquenos:

R

H

H R

H

H

H

H XR

XH

H

H

ataque

electrófilo

captura

por el

nucleófilo


146

Ejemplos:

HI I

Hataque electrófilo

HBr

ataque electrófilo

Br

Hidroboración–Halogenación de alquenos: Hidrohalogenación anti-Markovnicov. Los alquilboranos también suelen ser

precursores de los haloalcanos. El resultado global de esta hidroboración-halogenación es la hidrohalogenación de un alqueno de forma regioselectiva y estereoespecífica. El halógeno, al contrario de las adiciones Markovnikov, se coloca en el

carbono menos sustituido. Ejemplos.

1) BH3, THF, 0°C

2) Br2

Br

1) BH3

I

2) HCHI2

Adiciones radicalarias sobre los alquenos: formación del producto anti-Markovnikov

+ HBrH2O2

H

Br

El bromuro de hidrógeno puede adicionarse de forma anti-

Markovnikov a los alquenos: en un nuevo mecanismo, el

mecanismo de esta reacción de adición no sigue una secuencia

iónica, sino una más rápida en cadena radicalaria. La condición

es tratar al alqueno en HBr y presencia de un peróxido.

Mecanismo de hidrobromación radicalaria:

RO OR 2 RO

35 kcal/mol

RO + HBr

ROH + Br

- 15.5 kcal/mol

Iniciación:

Propagación:

+ BrBr

- 3 kcal/mol

radical secundario

Br+ H Br

Br + Br

- 7.5 kcal/mol

El cloruro de hidrógeno (HCl) y el yoduro de hidrógeno (HI) no dan productos de adición anti-Markovnikov con los alquenos

debido a una cinética desfavorable.

6.2.3. Halogenación de Alquenos. Los reactivos que no contienen átomos electrófilos pueden atacar electrofílicamente a

los dobles enlaces. Un ejemplo es la halogenación de los alquenos, que tiene lugar con adición al doble enlace de dos átomos

de halógeno para dar un dihaluro vecinal. Esta reacción va bien con el cloro y el bromo. El flúor reacciona demasiado violentamente y la formación de un diyoduro es neutra desde el punto de vista termodinámico.

La estereoquímica de la adición es anti (trans). ¿Cuál es el mecanismo que explica esta estereoquímica? ¿Cómo ataca el

halógeno al doble enlace rico en electrones, si parece que no contiene ningún centro electrófilo?. La nube electrónica π del

alqueno es nucleófila y ataca a un extremo de la molécula de halógeno con desplazamiento simultáneo del segundo halógeno como anión haluro.

El intermedio que resulta es un ión halonio cíclico. Un posterior ataque nucleófilo del X- vía una SN2 por la cara contraria al

ión halonio explica claramente una adición anti. Cuando los iones halonio son simétricos, el ataque es igualmente probable en cualquiera de los dos átomos de carbono, dando por lo tanto el producto racémico.


147

Mecanismo de halogenación.

X X

X

X X

X

SN2

+X

X

ión halonio

Cuando el halógeno es bromo, el intermedio es un ión bromonio cíclico. La principal característica de esta especie es que el

bromo se une a los átomos de carbono del doble enlace inicial para formar un anillo de tres miembros. Una importante característica de este ión bromonio cíclico es que explica la estereoquímica de la bromación. La estructura de este ión es

rígida y únicamente puede ser atacada por el lado opuesto al bromo. Ejemplos:

Cl

Cl2, CHCl3

0°CCl

Cl

Cl

Br

Br

Br2

CCl4

1-Cloro.2.metilciclohexeno 1,1,2-Tricloro-2-metilciclohexano 1-Hexeno 1,2-Dibromohexano

Br2

CCl4+

Br2

CCl4

Br

Br

Ciclohexeno trans – 1,2-dibromociclohexano racémico trans – 2-buteno meso-2,3-dibromobutano

Reacción del ión halonio con otros nucleófilos. En presencia de otros nucleófilos, el ión haluro compite con ellos para

atrapar al ión halonio cíclico. Por ejemplo la bromación del ciclopenteno en presencia de un exceso de ión cloruro (añadido

como sal) da una mezcla de trans-1,2-dibromociclopentano y trans-1-bromo-2-clorociclopentano.

Br2, Cl-, CCl4

0°C

Br+H

H+ Br + Cl

BrH

Br

H

BrH

Cl

H

+

De este mismo modo se pueden explicar la formación de las halohidrinas y haloéteres vecinales. Ejemplos:

Br2 , H2O

0°C

Br+H

HH2O

BrH

H

O+

H

H- H

BrH

H

OH

ó HOBr

Ciclopenteno trans – 2 –Bromociclopentanol

Br2, CH3OHOCH3

Br

Cl2, EtOHOCH2CH3

Br


148

6.2.4. Hidratación de alquenos.

6.2.4.1. Hidratación catalizada por H2SO4. Cuando un alqueno se trata con una disolución acuosa de un ácido que contenga

un contraión que sea un mal nucleófilo, como el ácido sulfúrico, el agua juega el papel de nucleófilo e intercepta al

carbocatión que se ha formado después de la protonación inicial.

50%, H2SO4, H2O OH

En la reacción global, los elementos del agua se adicionan al

doble enlace, o sea, ha tenido lugar una hidratación. Este

proceso es el inverso de la deshidratación de alcoholes

inducida en medio ácido.

Mecanismo de hidratación. El mecanismo de hidratación en medios ácidos diluidos, se produce en tres etapas, la reacción

se incia con la protonación deldoble enlace, seguida del ataque nucleofílico del agua al carbocatión formado en la primera

etapa y la reacción culm ina con la pérdida del protón:

R

R1

HR

R1

H2O O+R

R1

H

H

OHR

R1

Sin emabrgo muchos alquenos no se hidratan fácilmente en ácidos acuosos diluidos debido a que son poco solubles en el

medio de reacción. En otros casos el e equilibrio favorece al alqueno en vez de al alcohol. Por tales razones la hidratación

tambié puede efectuarse por otros procedimientos, como son la oximercuración-desmercuración y la hidroboración.

6.2.4.2. Oximercuración-Desmercuración: La reacción consta de un primer paso de oximercuración y ataque nucleofílico

del agua hacia el alqueno y un segundo de desmercuración reductiva.

Este método permite obtener alcoholes, si el nucleófilo es

agua o éteres si el nucleófilo es un alcohol a partir de

alquenos, por una adición syn.

La oximercuración-desmercuración, asi como la hidratación

con ácido sulfúrico diluido, en general conducen al producto

más sustituido, adición Markovnikov. El OH se une al

carbono más sustituido, Adición syn.

1) Hg(OAc)2, H2O

2) NaBH4

OH

1) Hg(OAc)2, EtOH

2) NaHB4

OEt

Mecanismo de reacción de la Oximercuración–desmercuración: La disolución del acetato de mercurio, contiene el ión

acetomercurio, debido a su disociación parcial, ión que es el electrófilo atacado por el nucleófilo alqueno, formando un ión intermedio cíclcioco de tres miembros denominado ión mercurinio, el cual es abierto por ataque nucleofílico del agua,

formando el alcohol organomercúrico, que al reaccionar con un reductor como el NaBH4, descompone el ión acetomercúrico

en mercurio metálico y acetato:

+ HgOCOCH3

Hg

CC

OCOCH3

ión mercurinio

H2OHg

CC

OCOCH3

O+

HH

Hg

CC

OCOCH3

OH

- H+

NaBH4CCH

OH

+Hg+CH3COONa


149

6.2.4.3. Hidroboración–Oxidación. El resultado global de una hidroboración-oxidación, es la adición de agua a un doble

enlace. Al contrario de las hidrataciones descritas anteriormente, esta reacción de adición no sigue la regla de

Markovnikov. El borano, BH3, se adiciona al doble enlace sin activación catalítica. Esta reacción se denomina hidroboración.

La hidroboración, además de ser estereoespecífica (adición syn), es también regioselectiva. Al contrario de las adiciones

electrófilas descritas con anterioridad, sólo controlan la regioselectividad los factores estéricos (y no los electrónicos): el boro se une al carbono menos impedido (menos sustituido). La posterior oxidación del producto de hidroboración con

peróxido de hidrógeno en medio básico acuoso, da lugar a la oxidación del alquilborano, produciendo la formación del

alcohol.

Mecanismo de reacción:

R

+B H

H

H

H

C

B

CR

H

H

H

C

B

CR

H

H

H

C

OH

CRH2O2, NaOH

H2O

Ejemplos:

H

BH2

H

BH3 H2O2

NaOH, H2O

H

OH

BH3H2O2

H2O2, NaOH, H2OBH2

OH

6.2.4.4. Dihidroxilación Vecinal (anti) (formación de dioles (trans). Al tratar un oxaciclopropano con agua, en

presencia de cantidades catalíticas de un ácido o una base, tiene lugar la apertura del ciclo con formación del

correspondiente diol vecinal. En esta reacción el agua ataca nucleofílicamente al anillo de tres miembros por la parte

opuesta a donde se encuentra el oxígeno.

RCOOOHO

H2O, H+

OH

OH

trans - etanodiol

6.2.4.5. Dihidroxilación Vecinal (sin) (formación de dioles (cis). El permanganato potásico reacciona, en solución fría,

con los alquenos para dar los correspondientes dioles vecinales sin. El otro producto de esta reacción es el dióxido de

manganeso, que es un oxidante débil e insoluble en el medio de reacción. En estas condiciones neutras el MnO2 no reacciona ni con el alqueno ni con el diol.

¿Cuál es el mecanismo de esta transformación? La reacción del enlace π con permanganato constituye una adición

concertada con movimiento simultáneo de tres pares de electrones para dar un éster cíclico que contiene Mn (V). Por

razones estéricas, la única manera de formarse el producto es cuando los dos átomos de oxígeno se introducen por el

mismo lado del doble enlace: sin. Este intermedio es reactivo y en presencia de agua se hidroliza para dar el diol libre.

La dihidroxilación sin puede conseguirse con mejores rendimientos usando tetróxido de osmio OsO4, muy similar al

permanganato en su modo de acción. Si se utilizan en cantidades estequiométricas se pueden aislar los ésteres cíclicos, pero

normalmente estos se reducen con H2S o bisulfito, NaHSO3.

Sin embargo, al ser el OsO4 caro y muy tóxico se utilizan cantidades catalíticas en presencia de cantidades estequiométricas

de peróxido de hidrógeno.


150

Mecanismo de dihidroxilación cis de alquenos con KMnO4.

MnO

O-

O-

O O

Mn

O

O

O

H

H

H2OOH

OH

H

H

+ MnO2

Mecanismo de dihidroxilación cis de alquenos con OsO4.

O

OsO

O-

O-

O O

Os

O

O

O

H

H

O

H2SOH

OH

H

H

O

THF

25°C

6.2.5. Epoxidación de Olefinas.

El grupo -OH de los ácidos peroxicarboxílicos, RCO3H, contienen un oxígeno electrófilo. Estos compuestos reaccionan con

los alquenos, adicionando este oxígeno al doble enlace con formación de oxaciclopropanos. El otro producto de reacción

es el ácido carboxílico, que se elimina mediante extracciones con base acuosa.

Los oxiranos denominados comúnmente como epóxidos son reactivos intermedios importantes en la síntesis orgánica,

puesto que los mismos pueden ser abiertos con diversos nucleófilos, tanto en medio ácido por el lado del carbono con

mayor impedimento estérico y en medio básico, por el carbono que presenta menor impedimento estérico. Originándose

de este modo alcoholes en una gama amplia de sustratos.

6.2.5.1. Oxidación de alquenos. Una reacción común de formación de epóxidos, comprende la reacción de un alqueno

con cloro acuoso, seguido por tratamiento con una base, otro procedimiento, consiste en poner en equilibrio un alqueno

con el oxígeno del aire, catalizado por plata metálica.

Cl2

H2OCl OH

OH-

Oalqueno clorhidrina epóxido

6.2.5.2. Oxidación de olefinas con peroxiácidos. En la mayoría de las síntesis de laboratorio se utilizan como

sustratos olefinas con dobles enlaces aislados por medio de peroxiácidos, como el ácido peroxibenzoico y el ácido m-cloroperoxibenzoico (MCPBA o m-CPBA).

R OO

H

O

O

OH

O

O

O

H

O

Cl

peroxiácido ác. peroxibenzoico ác. m - cloroperoxibenzoico

La adición del oxígeno del perácido, tiene una

geometría anti, por lo cual al hidrolizarse un epóxido se forman dioles anti.

m - ClPBA O

m - ClPBAOO


151

6.2.5.3. Epoxidación electrofílica con Dimetildioxirano (DMDO). El DMDO es un oxidante fuertemente electrófilo. La

oxidación ocurre en condiciones suaves con sustratos olefínicos ricos en electrones (nucleófilos). Se utiliza

normalmente la acetona como disolvente.

DMDO

OOPh

+cis

estereoespecífica

epoxidación

Ph

O

cis

+ acetona

> 95%

Preparación del DMDO: O "oxone"

H2O, NaHCO3DMDO

OO

6.2.5.4. Epoxidación nucleofílica. Este tipo de epoxidación requiere de sustratos olefínicos conjugados con grupos atractores de electrones, que logran generar que el carbono beta (β) al grupo atractor tenga una carga parcialmente

positiva (electrófilo), que orienta la formación del epóxido O

C5H11

COOH

R3SiO

30% H 2O2

MeOH, NaOH

- 40º

O

C5H11

COOH

R3SiO

O

6.2.5.5. Epoxidación de alcoholes alílicos. La epoxidación de Sharpless, presenta alta regioselectividad en los

alcoholes alílicos y homoalílicos y no epoxida los dobles enlaces aislados y la epoxidación ocurre estéreoselectivamente

respecto a la cantidad de alcohol. El catalizador en la reacción puede ser cualquiera de los siguientes compuestos:

VO(acac)2; Mo(CO)6; Ti(OiPr)4 y el oxidante puede ser una de los peroxiácidos siguientes: tBuOOH; PhC(CH3)2OOH.

(Comprehensive Organic Synthesis 1991, vol 7, 389 - 438).

Un estudio comparativo de la

acción de los catalizadores

(Synthesis 1986, 89 Org. React. 1996, 48, 1-299), puede verse en

el siguiente cuadro:

(CH2)n

OH

(CH2)n

OH

O

ring size VO(acac)2 mCPBAMoO2(acac)2

5

6

7

8

9

> 99 %> 99 %

> 99

> 99

97

91

-----

98

95

42

3

84

95

61

< 1

< 1

También se puede revisar estas epoxidaciones en: Chem. Rev. 1989, 89, 431. Aldrichimica Acta 1979, 12, 63.

OH

VO(acac)2

tBuOOH OHO

Sistemas homoalílicos: OH OH

O

Otra variante de esta reacción se presenta con un nuevo sistema catalizador para la epoxidación asimétrica de alcoholes alílicos, la misma se ha desarrollado con alta enantioselectividad para olefinas Z. La carga de catalizador es cerca de 1 mol%,

las temperaturas de reacción alrededor de 0° C ó a temperatura ambiente durante un tiempo más corto, se hace uso de una solución acuosa de terc-butilhidroperóxido (TBHP) anhidro como oxidante aquiral. (W. Zhang, A. Basak, Y. Kosugi, Y. Hoshino,

H. Yamamoto, Angew. Chem. Int. Ed., 2005, 44, 4389-4391).


152

R1

OH

R2

R

1 mol % VO(OiPr)

2 mol% ligando

1.5 eq. tret-butilhidroperóxido

(70% eq.)

CH2Cl2, 0ºC, 12 - 18 h

R1

OH

R2

R

O

Ligando:

OH

CHP 2O

OH

O CHPh 2

Tabla No. 17. Resumen de reacciones de epoxidación a partir de olefinas

(Tomado de Burkhard König, Institut für Organische)

Métodos de epoxidación Olefinas

Reactivos Electrofílicos:

m – CPBA Olefinas ricas en electrones. Alílicos o homoalílicos

DMDO La mayoría de las olefinas son epoxidadas

Reactivos que requieren un grupo

direccionador:

VO(acac)2/TBHP Bueno para alcoholes alílicos y homoalílicos

Ti(O’Pr)4/TBHP/DET Formas asimétricas de epoxidación de alcoholes alílicos y

homoalílicos.

Reactivos Nucleofílicos:

TBHP/NaOH Sistemas α,β – insaturado carbonilos

6.2.6. Reacción de Ozonólisis de alquenos.

En todas las reacciones de adición de alquenos que se han considerado hasta aquí, el esqueleto carbonado del material de

partida ha permanecido intacto. El doble enlace carbono-carbono se ha transformado en nuevos grupos funcionales, por

adición de diferentes reactivos, pero no han roto o transpuesto enlaces del esqueleto de carbono. Sin embargo existen

reactivos fuertemente oxidantes que rompen los enlaces carbono- carbono para producir dos fragmentos.

H

R R2

R1

O3

O

O OH

R R2

R1

reducción O

H

R

O

R2

R1

+

ozónido productos carbonílicos

El ozono (O3) es el reactivo más útil para la ruptura de dobles enlaces. Este compuesto que se elabora convenientemente en

el laboratorio haciendo pasar oxígeno a través de una descarga eléctrica de alto voltaje, se une rápidamente a los alquenos a

bajas temperaturas para formar intermedios cíclicos llamados molozónidos. Una vez formados, los molozónidos se

transponen con rapidez para formar ozónidos.

Los ozónidos son muy explosivos, y por tanto nunca se aíslan, sino que suelen transformarse en diferentes productos que pueden ser aislados: Si el tratamiento es reductivo se forma alcoholes o compuestos carbonilo de aldehídos y/o cetonas,

mientras que un tratamiento oxidativo conduce a ácidos carboxílicos o cetonas.

Mecanismo de la ozonólisis (mecanismo de Criegee): El mecanismo fue sugerido por Criegee (Angew. Chem. Int. Ed., 1975,

87, 745. DOI) y ha sido revisado recientemente usando Espectroscopia 17O-RMN por el Grupo de Berger (Eur. J. Org. Chem.,

1998, 1625. DOI).


153

Etapa 1. Formación y ruptura del molozónido. El primer paso es una cicloadición 1,3-dipolar del ozono para el alqueno.

R

H R1

H

O+

O O

R

H R1H

O

O

O

molozónido

R

H

O

O

R1H

O

+

Etapa 2. Formación y reducción u oxidación del ozónido

H

R R2

R1

O3

O

O OH

R R2

R1

reducción O

H

R

O

R2

R1

+

ozónido productos carbonílicos

6.2.6.1. Ozonólisis reductiva. Como se tiene mencionado en el mecanimso de la ozonólisis, el ozónido intermedio formado,

puede ser tratado con diferentes agentes reductores para formar alcoholes, aldehídos y/o cetonas.

Al tratar en la reacción de ozonólisis, el ozónido con borohidruro sódico se obtienen alcoholes.

1) O3, CH2Cl2

2) NaBH4, CH3OH

OH2

1 - butanol (95%)

1) O3, CH2Cl2

2) NaBH4, CH3OH

OH

2

isopropanol

Otros agentes reductores, como H2/Pt, Zn/CH3COOH, (CH3)2S, transforman los ozónidos en aldehídos y/o cetonas. Ejemplos:

Ph

H1) O3, CH2Cl2

2) Zn/CH3COOHPh

O

H

O+

1) O3, CH2Cl2

2) H2/PtCHO

O

1) O3, CH2Cl2

2) (CH3)2S

O

H

O

+

6.2.6.2. Ozonólisis oxidativa. En cambio, cuando el ozónido intermedio de la azonólisis, es tratado con un agente oxidante,

como el H2O2, el producto de la reacción, puede ser un ácido carboxílico, dicarboxílico o una combinación de ácido carboxílico

y cetona o ambos carbonos del alqueno cetonas. Todo dependerá de la naturaleza del sustrato. Ejem.

1) O3, CH2Cl2

2) H2O2

COOH

COOH

1) O3, CH2Cl2

2) H2O2 COOH

O

1) O3, CH2Cl2

2) H2O2

O O+


154

6.2.6.3. Otras reacciones de ruptura del enlace olefínico: Otros agentes oxidantes además del ozono también causan

ruptura del doble enlace. Por ejemplo, el permanganato de potasio en solución neutra o ácida y un calentamiento moderado

provoca la ruptura del alqueno, formando productos carbonílicos con rendimiento bajo o moderado. Si en el doble enlace

están presentes hidrógenos, se producen ácidos carboxílicos, si hay dos hidrógenos en un mismo carbono, se forma CO2.

Ejem.

KMnO4/OH-

O

OH

O

+

KMnO4/OH-

+

O

CO2

KMnO4

OH-

O

O

+

KMnO4

OH-

COOH

COOH

Como se dijo con anterioridad, el KMnO4 y el OsO4, transforman un enlace olefínico en un diol del tipo cis, los mismos que al ser tratados con ácido periódico o tetraacetato de plomo forman cetonas y/o aldehídos, pero no ácidos carboxílicos.

KMnO4/H2O OH

OH

HIO4

Pb(AcO)4

OO

+

6.2.7. Oxidación alílica con SeO2. Las olefinas que cuentan al menos con un grupo metileno del tipo alílico, pueden

oxidarse al correspondiente alcohol alilíco con buenos rendimientos haciendo uso del SeO2.

R R1

H

SeO2 R R1

OH

El dirhodio (II) caprolactamato, cataliza efectivamente la oxidación alílica de una variedad de olefinas y enonas con terc-butilo

como oxidante terminal. La reacción es totalmente selectiva, tolerante al aire y humedad, y se puede realizar con tan sólo el 0,1% en moles de catalizador en cuestión de minutos. (A. E. Lurain, A. Maestri, A. R. Kelli, P. J. Carroll, P. J. Walsh, J. Am. Chem. Soc., 2004, 126, 13622-13623).

Rn

0.1 mol% Rh2(cap)4

5 eq. tBuOOH

0.5 eq. K2CO3

CH2Cl2, r.t. 0.3 - 1 hR

O

n

n = 1, 2

R : H, Alquil, aril, EWG

NRh

Rh

O

Rh2(cap)4

6.2.8. Oxidación de olefinas con tBuOOH y catalizadores. Utilizando el ligando Quinox y la TBHP acuosa, se produce

una oxidación del tipo Wacker, que convierte eficientemente sustratos tradicionalmente difíciles, tales como alcoholes

alílicos protegidos a los productos de oxidación correspondientes. Los sustratos que son enantiomeros sufren una

oxidación completa con la retención de configuración del enantiomero. (B. W. Michel, A. M. Camelio, C. N. Cornell, M. S.

Sigman, J. Am. Chem. Soc., 2009, 131, 6076-6077).

R

1 - 5 mol%, Pd(Quinox)Cl2

5 eq. K 2CO3

12 eq. tBuOOH (70% acuo)

CH2Cl2 0ºC, 5 min, rt. 0.3 - 20 h

R

O

NO

N

Quinox:


155

R: alquil, aril o CH(OPG)R’

Otro sistema catalizador de ruptura oxidaiva de alquenos, lo forman las sales de oro (I) y neocuproine con tert-butilhidroperóxido (TBHP) como agente oxidante, para formar aldehidos y/o cetonas como productos. (D. Xing, B. Guan, G. Cai,

Z. Fang, L. Yang, Z. Shi, Org. Lett., 2006, 8, 693-696.)

Ar

R R1

H 5 mol % AuCl

5 mol % neocurpoine

2.5 eq. TBHP (70% en tBuOH)

H2O, 90ºC, 3 - 36 h

O

Ar

R

N N

neocuproine:

6.2.9. Adición de carbenos a alquenos: Síntesis de ciclopropanos. La última reacción de adición a alquenos que se

considerará en esta sección es la adición de un carbeno a un alqueno para producir un ciclopropano. Un carbeno R2C:, es

una molécula neutra que contiene un carbono divalente con sólo seis electrones en su capa de valencia. Por ello es altamente

reactivo, y sólo puede generarse como un intermediario de reacción, no como una sustancia aislable.

Uno de los mejores métodos para generar un carbeno sustituido es el tratamiento de cloroformo, CHCl3, con una base fuerte

como hidróxido de potasio. La pérdida de un protón del CHCl3 genera el anión triclorometano, -:CCl3, el cual libera un ión

cloruro para convertirse en diclorocarbeno: CCl2.

Si se genera diclorocarbeno en presencia de un doble enlace, ocurre la adición del carbeno, electrófilo, al doble enlace, y se

forma un diclorociclopropano. La adición es estereoespecífica, lo cual significa que se forma un solo estereoisómero como

producto. Ejemplos:

+ CHCl3

KOH

Cl

Cl

Ciclohexeno

H

Ph

H

+ CHCl3

KOH

Ph

ClCl

+ KCl

El mejor método para producir ciclopropanos no halogenados es la reacción de Simmons-Smith. Ejemplo:

+ CH2I2Zn(Cu)

éter

H

H

+ 2 I2

6.2.10. Reacciones de polimerización de alquenos. Los polímeros son macromoléculas formadas por la unión covalente de

pequeñas unidades moleculares conocidas como monómeros. Estas macromoléculas pueden estar formadas por un único

tipo de monómero, y se denominan homopolímeros, o por varios tipos de monómeros, en cuyo caso se conocen como copolímeros. El número de moléculas de monómero que componen la cadena constituye su grado de polimerización. Tanto los

homopolímeros como los copolímeros pueden ser lineales, ramificados o reticulados. Los copolímeros, además, pueden

clasificarse, según la forma en que se organicen las diferentes unidades monoméricas, en: al azar, alternantes, en bloque o

de injerto.

La polimerización17 es una de las reacciones más importantes de los alquenos y sus derivados, pudiendo formularse la misma de forma general, del siguiente modo:

17

Hans Beyer, Wolfong Waty. Manual de Química Orgánica. Pág 82 y siguientes. Edit Reverté


156

CH2 CH

R

ncatalizador

ó iniciador

CH2 CH

R n

monómero polímero

El paso decisivo en la reacción es la activación de un doble enlace C=C, lo que puede darse de distintas maneras. Cuando esta

activación ha alcanzado, la cadena crece generalmente en forma rectilínea, con formación de moléculas lineales y en ciertos

casos puede darse un crecimiento diferente.

Las sustancias que inician la polimerización se designan como iniciadoras o activadoras y también como catalizadoras, que

en su mayor parte se gastan durante la polimerización. Las reacciones de polimerización en general se dividen en dos grupos

principales: Polimerización por radicales y Polimerización iónica (catiónica o aniónica). Las mismas pueden estar

comprendidas en otras clasificaciones de los procesos de polimerización.

Los procesos de polimerización fueron clasificados originalmente por Carothers en 1929 como polimerización por

condensación y adición, basándose en la comparación de la fórmula molecular de los polímeros obtenidos con la de los

monómeros de los cuales fueron formados.

Posteriormente Flory en 1953 proporcionó una nueva base para la clasificación, de acuerdo al mecanismo de la

polimerización, definiéndolos como polimerización en etapas y polimerización en cadena. En la actualidad los términos

condensación y etapas así como adición y cadena son usados sinónimamente, aunque esta relación no siempre es verídica.

Las características generales de la polimerización en etapas (condensación), son las siguientes:

La polimerización transcurre mediante reacción entre grupos funcionales, usualmente de distinta naturaleza, tales como

hidroxilo (-OH), cloruros de acilo (-COCl), carboxilo (-COOH), amina (-NH2), etc y por lo general con eliminación de una

molécula pequeña.

El grupo funcional resultante de la reacción de los grupos funcionales de los monómeros forma parte de la cadena

principal del polímero, repitiéndose ininterrumpidamente a lo largo de ella.

En cualquier instante a lo largo de la polimerización, la mezcla de reacción consiste en una distribución continua de

tamaños moleculares que comprende desde el mismo monómero hasta polímeros de elevado peso molecular.

A continuación se muestra un ejemplo de este tipo de reacción:

NH2 R

NH2

+HOOC R

COOH

H NH

R

NH R OH

O O n

+ (2n - 1) H2O

Por otra parte las características más relevantes de la polimerización en cadena (adición) se resumen a continuación:

La polimerización transcurre mediante la adición continua de monómero a una cadena en crecimiento, que contiene un

extremo activado hasta el momento de su terminación.

La reacción transcurre sin pérdida de materia, por lo que la unidad constitucional repetitiva del polímero y el monómero

presentan una estequiometría idéntica.

En cualquier instante a lo largo de la polimerización, la mezcla de reacción tiene una composición constituida por monómero y polímero de elevado peso molecular.

Un ejemplo de esta reacción lo constituye la polimerización vinílica:


157

CH2 CH

Y

R CH2 C

H

Y

R

CH2 CH

Y

n

CH2HC

Y

R CH2 CH

Y

Dependiendo del tipo de mecanismo, la evolución del peso molecular promedio del polímero que se genera es claramente

diferente. En la poliadición, las cadenas adquieren sus tamaños finales desde el comienzo de la reacción, por lo que el peso

molecular apenas varía con la conversión. En la policondensación, las cadenas están continuamente creciendo por

combinación de otras más cortas, es decir, los primeros productos son los dímeros, después los trímeros, los tetrámeros y

finalmente después de una serie de pasos los polímeros, por lo que el peso molecular crece exponencialmente con la conversión. Así por ejemplo, en la polimerización en cadena a cualquier tiempo de polimerización se encuentra polímero de

alto peso molecular y monómero, mientras que en la polimerización por etapas solo es posible encontrar polímero de alto peso molecular cerca del final de la polimerización, cuando las conversiones son mayores del 92%.

6.2.10.1. Polimerización por radicales. Esta clase de polimerización, la mayoría de las veces, comienza por iniciadores

(formadores de radicales); las más importantes son el oxígeno, peróxido de hidrógeno y peróxidos orgánicos (como peróxido

de acilo o hidroperóxido de cumeno), así como azocompuestos alifáticos, como el a,a’-azoisobutironitrilo (AIBN) (CH3)2(CH)C-

N=N-C(CN)(CH3)2.

El mecanismo es el siguiente:

Reacción de iniciación:

R1

+R

CH2 CHR1

R

Reacción de propagación:

CH2 CHR1

R

+R

n CH2 HCR1

R

CH2 CH

R

CH2 CH

R

radical macroradical

n - 1

Según este esquema, la activación del doble enlace C=C sucede por la acción del radical .R1 procedente del iniciador, con

formación de un nuevo radical, que origina la reacción de propagación. Este a través de la adición a nuevos monómeros,

conduce al macroradical, que por terminación de la cadena se trnasforma en la macromolécula estable. Para las reacciones

de terminación se utilizan inhibidores (antioxidantes) p. ej. Hidroquinona, pirogalol y tiofenoles entre otros.

6.2.10.2. Polimerización por el mecanismo iónico. La segunda clase de polimerización iónica de los alquenos es la

polimerización iónica, que se inicia por la acción de catalizadores electrófilos (ácidos) o nucleófilos (bases) y en general, no se inhibe por los antioxidantes.

i. Polimerización catiónica. Los catalizadores para este tipo de reacción son los ácidos de Lewis, como el BF3,

AlCl3, TiCl4, y ZnCl2, que solamente inician la polimerización en presencia de ácidos o agua. De esta manera, la

reacción de un alqueno adecuado con trifluoruro de boro conduce a un ión carbenio que desencadena la polimerización:

CH2 CH

R1

H (BF3X) CH2 CH

R1

HBF3X formación de iones

R1 = OR ó -C6H5


158

CH2 CH

R1

CH2 CH

R1

H

ión carbenio

+ nH2C CH

R1

CH2 CH

R1

CH2 CH

R1

n - 1

Crecimiento de la cadena

La terminación de la cadena se produce por la intervención de aniones.

ii. Polimerización aniónica. Los catalizadores para el tipo de reacción aniónica son de naturaleza básica, p. ej.

Alquilos metálicos, alcoholatos, amidas metálicas o hidróxidos metálicos.

Por acción de amida de sodio sobre un alqueno adecuado, se origina un carbanión, el cual desencadena la

polimerización aniónica:

H2C CH

R2

Na NH2 CH2 CH

R2

NH2 Na Formación de iones

R2 = -COOR, -CN

H2C CH

R2

CH2 CH

R2

NH2 + n CH2 HC

R2

NH2CH2 CH

R2

CH2 CH2

R2

n - 1

crecimiento de la cadena

La terminación de la cadena se produce por la adición de cationes.

Tabla No. 18 Alternativas de polimerización de algunos alquenos

y derivados monómeros comunes

Monómero Radical Catiónico Aniónico

Etileno + + +

Propileno - + +

Isobutileno - + -

Estireno + - -

Tetrafluoroetileno + - -

Butadieno + + +

Isopreno + + +

Cloropreno + - -

Cloruro de vinilo + - +

Acido acrílico + - -

Acido metacrílico + - -

Acrilato de metilo + + +

Acrilamida + + +

Öxido de etileno - + + Tetrhidrofurano - + -

Ejemplo de otros polímeros de alquenos y sus derivados que son de interés industrial:


159

Monómero Polímero

1,1-Dicloroetileno n

Cl

Cl

cat.H2C

Cl

Cln

SARAN

Cloruro de vinilo n

Cl

cat.H2C

Cl

Hn

PVC

Tetrafluoroetileno n

F

F

F

Fcat.

C C

F

FF

F

n

TEFLÓN

Acrilonitrilo n

n

CN cat.

H2C CH

CN

ORLÓN

Cloropreno

n

n

cat.Cl

H2C

CH2

Cl

NEOPRENO

Trabajo de investigación. Describir las características y aplicaciones así como las posibilidades de reciclado de los

siguientes polímeros: PEAD (HDPE), PEBD (LDPE), PP, PS, ABS, SAN, SBP, PVC, PTFE, PVF, PMMA, PET, PBT, PC, PA.

6.2.11. Reacciones de acoplamiento de alquenos. Las reacciones de acoplamiento en quimica orgánica se refieren a las

reacciones donde dos moléculas del mismo tipo o aún siendo diferentes se combinan por la acción de un determinado

catalizador metálico (Pd, Cu, Zn, Ni) formando un nuevo enlace C-C.

La década de los años 70 ha sido el inicio de descubrimientos importantes en este campo de las reacciones, siendo galardonadas las mismas con el premio Nobel el año 2010. Heck, Suzuki, Sonogashira, Matsuda, Misouri, Stile y otros, son

nombres vinculados a estos descubrimientos.

Sin embargo la reacción de Heck, es la única que demanda de una olefina como sustrato, la misma puede ejemlificarse con el

siguiente esquema:

PhX

Pd(0)/Base

PhPhI

Pd(AcO)2/Bu3N

Ph

PhMeOH, calor

RX

Pd/BaseR

R = arilo, vinilo, alquilo X = halógeno


160

6.2.12. Otras reacciones útiles de los alquenos.

Reactivo de

Normant

Se constituye en una

buena alternativa en medios donde es

difícil obtener el compuesto de

Grignard

R1

R2

R3

XHg

R1

R2

R3

HgXO

R1

R2

R3

OH

X : halógeno

Reacción de Levinsteín.

S2Cl2

Cl

S

Cl + S2

Alilación de Trost

X Pd, NuH

Base

Nu

Nu: malonato, beta dicetona, beta cetoester, enamina, beta cetosulfona

Base: Hidruro sódico X : halógeno Hydroxilación de Milas

H2O2 OH OH

óxido metálico

o luz UV

Reacción de

Paterno - Buchi

ArR

O

+

H

ArR

O

ArR

O

H

H

O

H

ArR

O

H

ArR

Reacción de

Sakurai Si

Z

Acido de Lewis

Z

Z = Aldehido, cetona, HCl, epóxido

Ácido de Lewis= TiCl 4, AlCl3, BF3(OEt)2, SnCl4, AlCl(Et)2

Reqacción de

Prevost R

R

I2, C6H5COOAg R

R

I

OC6H5

I2, C6H5COOAg R

R

OC6H5

OC6H5

H2OR

R

OH

OH

6.3. Síntesis de Alquenos y Cicloalquenos

La fuente industrial más importante para los alquenos simples, lo constituye el petróleo y el gas natural. Los alcanos por medio del cracking en sus diversas formas, producen los hidrocarburos aromáticos (benceno, tolueno y los xilenos) y los

alquenos menores: etileno, propileno y los butilenos.

Los métodos de síntesis en un laboratorio más comunes comprenden la eliminación de una molécula pequeña o simple,

considerada inorgánica (ejem. Agua o haluro de hidrógeno) a partir de un compuesto saturado que contiene, -OH, Halógenos. NH2, Etc. En muchos casos la eliminación sigue dos cursos diferentes, originándose los isómeros respectivos, para lo cual


161

deben tomarse en cuenta reglas generales como la de Saytzeff o de Hoffmann y tener cuidado de posibles transposiciones en

sustratos altamente sustituidos.

La reacción de Wittig, es regioespecífica, razón por la cual la posición del doble enlace formado se puede predecir y conocer

con certeza, así como la reducción parcial de los alquinos, que en esencia es una adición controlada de hidrógeno a un triple enlace carbono-carbono.

6.3.1. Deshidrogenación de compuestos alifáticos y arenos

Cr2O3-Al2O3

520º

500 -700º

6.3.2. Deshidrohalogenación de haluros de alquilo y cicloalquilo

Cl

KOH

CH3OHproducto principal

KOH

CH3OH

Br

Según la regla de Saytzeff, se debe obtener el alqueno más estable, es decir aquel doble enlace con el mayor número de

sustituyentes entorno a los carbonos involucrados en el doble enlace. Si los H y X que se eliminan se hallan en la posición anti, se obtiene la mezcla de isómeros cis/trans. Las bases típicas utilizadas en esta eliminación pueden ser: KOH, C2H5ONa,

(CH3)3COK, etc. La facilidad de deshidrogenación de los RX, es como sigue: 3º › 2º > 1º.

6.3.3. Deshidratación de alcoholes

OH

OH

H2SO4 al 75%

175º

H2SO4 60%

95º H2SO4 75%

150º

H2SO4 60%

95º

OH

OHbuteno-2(cis y trans)

mayoritario

buteno-1 (minoritario)

Ácidos típicos utilizados para la deshidratación de alcoholes:

sulfúrico, fosfórico (H3PO4) y calor

H2SO4 50%

130º

H2SO4 50%

130º

mayoritario

OH

OH

En algunos alcoholes existe transposición de hidruro y alquilo, dependiendo de la estructura del carbocatión:


162

Desplazamiento 1-2 de hidruro, en la deshidratación de

alcoholes OH

H

calor

producto principal

Desplazamiento 1,2- de alquilo, en las reacciones de deshidratación

H

calor

producto principal

OH

OH

H

H2SO4 conc.

calor

Preparación de alcadienos OH

OH

H

calor

6.3.4. Otros procesos que permiten obtener alquenos

Facilidad de deshidratación de ROH:

3º>2º>1º.

Estabilidad de carbocationes:

3º>2º>1º>metilo.

ROH

PX3

TsCl

ácido

concen

RX

RTs

alqueno

OH-

OH-

alqueno

alqueno

6.3.5. Hidrogenación parcial de alquinos

Facilidad de formación de alquenos.

R2C=CR2> R2C=CHR> R2C=CH2>

RHC=CHR> RHC=CH2

R R1

H2

catalizador

Na

NH3

LiH

EtNH2

R

H H

R1

óLi

RNH2

R

H R1

H

NH4ClR

H R1

H

Syn

H2/Ni2B

H2/Pd/CaCO3

Lindlar + quinoleina

Anti

Reducción de alquinos por el diborano

En esta reacción se forman las olefinas cis

Etn-Pr31) B2H6

2) CH3COOH, 0ºH

Etn-Pr

H

3

98%

6.3.6. Deshalogenación de vec-

dibromuros X X

Zn

CH3COOH+ ZnX2

6.3.7. Pirolisis de ésteres

De este modo se evita las reacciones de transposición, de ahí que a veces los

CH3COO(CH2)4CH3 CH3(CH2)2CH=CH2

450º

85%


163

alcohol se esterifican previamente para

formar una alqueno e su esqueleto carbonado

H

O

O

575º

H5C6

OH Et

O

500ºH5C6

6.3.8. La reacción de Wittig

Se calienta aldehído o cetona con un alquilidén

fosforano: (Ph)3P=CHR. El grupo R, puede contener otros grupos funcionales como por ejemplo, dobles o

triples enlaces, grupos aldehído o cetona, derivados

de ácido carboxílico, pueden ser grupos cíclicos, etc., aspecto que le confiere a la reacción una gran

aplicabilidad en problemas de síntesis

(C6H5)3P=CH2

calor

CHO

CHO

2

calor(H5C6)3P PhCHO PhCH

(C6H5)3P=CH2C6H5COCH3

calor

75%

6.3.9. Pirolisis de hidróxidos

cuaternarios de amonio

Este tipo de pirolisis solo puede ocurrir

si uno de los grupos alquilo unidos al

nitrógeno tiene átomos de hidrógeno en

el carbono beta.

Se forma siempre el alqueno menos

sustituido.

Esta reacción se conoce como la

reacción de degradación de Hoffmann.

(Ar) RCH2CH2NH2

CH3I exceso

(Ar) RCH2CH2N(CH3)3 I

Ag2O, H2O

(Ar) RCH2CH2N(CH3)3 OH Agcalor

(Ar) RCH=CH2 N(CH3)3

N

1) CH3I exceso

2) Ag2O, H2O N+

OH

calor

N

1) CH3I exceso

2) Ag2O, H2O

N+ OH

calor

NH2O

6.3.10. Reacciones Pericíclicas

Reacciones de cicloadición: (reacciones de Diels – Alder)

R : debe ser un buen grupo atractor de electrones

Reacciones electrocíclicas:

Es una ciclación concertada a partir de un sistema conjugado de electrones π

R

hv

R

dieno dienófilo aducto

O

hv

O


164

calor

calor

6.3.11. Reducción de anillos aromáticos

Se utilizan soluciones de sodio o litio en amoníaco líquido, para formar compuestos alicíclicos

Na

etilamina

CH2CH2OH

1) Li, etilamina

2) H2O

CH2CH2OH

La reacción de Birch (reducción)

Esta reacción es regioespecífica, ello se puede observar

cuando en el anillo bencénico se tiene inicialmente un grupo

dador de electrones (R, OH, NH2), un doble enlace involucra al carbono que tiene dicho sustituyente.

En caso de existir un sustituyente atractor de electrones (-

CHO. COR. COOR, CONH2), el doble enlace no contiene al

carbono en el que se halla unido dicho sustituyente.

Na, NH3 líquido

EtOH

OEt

OEt

Na, NH3 líquido

EtOH

COOMe

COOMe

Na, NH3 líquido

EtOH

6.3.12. Reacciones de acoplamiento. Las reacciones de acoplamiento, proporcionan un buen camino para formar alquenos

con la estereoquímica requerida, los mismos se pueden agrupar en las reacciones del tipo Suzuki y la de McMurry.

XPd

base

RMgX

RB(OH)2

RSnR'3

RZnX

R

RSiR"3

Acoplamiento de Kumada

Acoplamiento de Suzuki

Acoplamiento de Stille

Acoplamiento de Negishi

Acoplamiento de Hiyama

R = Aril, vinil, alquil, éster, etc,X = Halógeno

Los alquenos sufren acoplamiento, por una catálisis de sales de Pd (II) y la aplicación de un medio básico:

6.3.12.1. Reaacción de Cassar:

RX

Pd (base)

R

6.3.12.2. Reacción de Heck:

R

H H

H

R1X

Pd, base

R

H R1

H


165

Las reacciones de acoplamiento. Pueden también ser catalizadas por otros metales y ligandos, como por ejemplo el Fe:

X RMgX+(Fe)

R

(Fe)R

X

+ ArMgXR

Ar

MgX+(Fe)

RX R

(Fe)

+ R"MgXRX R R"

6.3.12.3. La reacción de acoplamiento de McMurry, consiste en la reacción de cetonas y/o aldehídos, pudiendo ser un

acoplamiento homogéneo o acoplamiento cruzado entre dos sustancias que contienen el grupo –C=O de aldehídos y cetonas.

OTiCl3/Zn

-Cu

3 °K

2

TiCl3/Zn-Cu

O

O

THF

O

+ 4

O

TiCl3, Li, THF + TiO2

Prueba de dominio:

6.1. Identificar las estructuras de las moléculas precursoras, en cada una de las siguientes reacciones18:

a)

MPABr2, H2O

NaHCO3

OH

Br

b)

MPB B2H6 H2O2

OH-

OH

c)

MPC Br2

CCl4

Br

H

Br

d)

OH

H

H

OHMPD OsO4

NaHSO3

18

REUSCH H.W. Química Orgánica. Edit. McGraw-Hill. 1979. Pág. 160


166

6.2. Cuáles son las estructuras de los alquenos que por tratamiento con ozono, seguido de la acción de polvo de cinc, forman

los siguientes productos:

O y CHO

H

y

O

CH3CH2CHO

H

O O

6.3. Indicar la estructura de los compuestos identificados por letras:

a)

A(C5H10) + CH2I2Zn(Cu)

B

H2, Pt

+

b) cis - 2 - buteno + CHBr 3 + t - C4H9OK E

trans - 2 - buteno + CHBr3 + t - C4H9OK F

c)

+ Br2 C D+isómeros

6.4. Indicar los reactivos y condiciones de reacción necesarias para transformar el 1–metilciclohexeno en cada uno de los

siguientes compuestos:

a)

OH

b) Br

Br

H

c) OH

H

OH

d)

H

H

OH

e) OH

Cl

H

f)

Br

H

mezcla de

isómeros g)

Br

h)

OH

O

O

6.5. La feromona de atracción sexual de la mosca casera (Musca domestica L.) tiene la fórmula molecular C23H46, decolora

las soluciones de Br2 en CCl4 y de KMnO4, y presenta absorción infrarroja en 685 cm-1 (doble enlace cis). La ozonólisis de

esta sustancia, seguida de tratamiento con H2O2, da n-C8H17COOH y n-C113H27COOH. ¿Cuál es la estructura de la

feromona?

6.6. El mirceno (C10H16), un hidrocarburo aislado del aceite de arrayán, decolora el Br2 en CCl4 y adiciona tres equivalentes

molaresde hidrógeno. La ozonólisis del mirceno con tratamiento con polvo de cinc, da los siguientes productos:

O

+O H

O

O

+HH

O

2


167

¿Cuál estructura o estructuras estarían de acuerdo con estos hechos?

6.7. Un hidrocarburo desconocido A con fórmula molecular C6H12 reacciona con 1 equivalente molar de H2 sobre un

catalizador de paladio. El hidrocarburo A también reacciona con OsO4/NaHSO3 para dar un diol B. Cuando se oxida con KMnO4 en disolución ácida y caslaiente, A da dos fragamentos. Un fragmento es el ácido propanoico, y el otro es la

cetona C. ¿Cuáles son las estructuras de A, B y C?. Escriba todas las reacciones y muestre su razonamiento.

6.8. Utilizando una reacción de rompimiento oxidativo, explique cómo distinguiría entre los dos dienos isoméricos siguientes:

y

6.9. El compuesto A, C10H18O, experiementa una reacción con H2SO4 diluido a 50°C para producir una mezcla de dos alquenos,

C10H16. El alqueno principal B, sólo da ciclopentanona después de un tratamiento con ozono seguido por la reducción con

cin en ácido acético. Identifique A y B y escriba las reacciones.

6.10. ¿Cuáles de los siguientes alcoholes no se pueden preparar selectivamente por hidroboración/oxidación de un alqueno?.

Explique.

a)

OH

b)

OH

c) H

H

OH

d) OH

H

H

6.11. El compuesto A tiene la fórmula C8H8. Reacciona rápidamente con KMnO4 para dar CO2 y un ácido carboxílico, B (C7H6O2),

pero sólo reacciona con 1 equivalente molar de H2 en la hidrogenación catalítica sobre un catalizador de paladio. En la

hidrogenación bajo condiciones que reducen anillos aromáticos se necesitan 4 equivalentes del H2 y se produce un hidrocarburo C (C8H16). ¿Cuáles son las estructuras de A, B y C?. Escriba las reacciones.

6.12. Haga una predicción de los productos de las siguientes reacciones:

OH Colesterol

Br2

HBr

1. OsO4

2. NaHSO3

CH2I2, Zn(Cu)

1. BH3, THF

2) H2O2, OH-

A?

B?

C?

D?

E?

6.13. El polivinilpirrolidina, preparado a partir de N-vinilpirrolidina, se utiliza en cosméticos y como un sustituto sintético de la

sangre. Dibuje un segmento representativo del polímero:


168

N

O

N - vinilpirrolidona

6.14. La reacción del ciclohexano conacetato de mercurio (II) en CH3OH en lugar de H2O, seguida por el tratamiento con NaBH4,

produce ciclohexilmetiléter en lugar de Ciclohexanol. Sugiera un mecanismo.

6.15. Proponer un plan de síntesis para las siguientes moléculas:

a)

b)

c)


169

7

ESTEREOQUÍMICA II

7.1. Isomería geométrica19

El doble enlace de los alquenos se representa mediante una doble línea que une a los dos átomos de carbono olefínicos. La

orientación de los orbitales sp2 y el solapamiento de los orbitales p en el etileno obliga a colocar a los cuatro átomos que

componen esta olefina en el mismo plano. En el esquema que aparece a continuación se indican varias representaciones de Lewis del etileno, así como las correspondientes representaciones en el modelo de varillas y bolas. La vista superior pone de

manifiesto la planaridad de este compuesto.

CH2 CH2

C C

H

H H

H

Vista superior

C CH

H H

H

Vista frontal

El siguiente alqueno en complejidad estructural, después del etileno, es el propileno, de fórmula molecular C3H6. La

representación de este compuesto se da en el siguiente esquema.

CH3

H H

H

Vista superior

CH3

H H

H

Vista frontal

Obsérvese que en la molécula de propileno los tres átomos de carbono y los tres átomos de hidrógeno unidos a los carbonos sp2 están contenidos en un plano, no así los tres átomos de hidrógeno del grupo metilo (CH3) que están enlazados a un carbono con hibridación sp3. Después del propileno el siguiente hidrocarburo olefínico es el de fórmula molecular C4H8. Con

esta fórmula se pueden dibujar hasta un total de cuatro olefinas diferentes, que son las que se indican a continuación:

CH2

CH3

1 - buteno

CH2 CH3

CH3

2 - metilpropeno

CH3

H

H

CH3 cis – 2-buteno

H

H

CH3

CH3 trans -2-buteno

19

http:/es.geocities.com/quimicaorganica


170

Dos de los isómeros anteriores, los denominados cis-2-buteno y trans-2-buteno no son isómeros estructurales entre sí,

puesto que ambos tienen la misma secuencia de átomos enlazados covalentemente. La diferencia entre ellos estriba en la posición relativa en la que se encuentran dispuestos los grupos metilo y los átomos de hidrógeno y esta clase de isómeros,

que se forman como consecuencia de la distinta orientación espacial de átomos o grupo de átomos alrededor de un enlace doble, se denominan isómeros geométricos. En el denominado cis-2-buteno los dos grupos metilo están del mismo lado del

doble enlace, mientras que en el trans-2-buteno estos dos grupos metilo están situados en lados opuestos del doble enlace. A continuación, se dan las representaciones en los modelos de varillas y bolas de cis- y trans-2-buteno.

Cis -2- buteno

Trans – 2- buteno

La representación del cis- y trans-2-buteno en el modelo space-filling pone de manifiesto la forma diferente de ambos

isómeros:

Cis-2-buteno

Trans-2-buteno

¿Cómo se explica la existencia de dos isómeros diferentes del 2-buteno? La respuesta reside en la rotación restringida a lo

largo del doble enlace carbonocarbono. La energía de disociación del doble enlace C=C es aproximadamente de 146 kcal/mol

y la energía de disociación de un enlace simple C-C es de 83 kcal/mol. Por tanto, la energía de disociación del enlace p? debe ser de 63 kcal/mol. Los extremos de la molécula de 2-buteno no pueden torcerse entre sí, porque para ello se debería

romper el enlace pi. Por tanto, a diferencia de lo que ocurre en los enlaces simples, en los enlaces dobles C=C no hay libre

rotación. Como se ha apuntado antes, este es el origen de la isomería cis-trans.

7.2. Nomenclatura de los isómeros geométricos

El cis-2-buteno se denomina así porque los dos grupos iguales, como los dos grupos metilo (CH3), están del mismo lado del

doble enlace. Por el contrario, en el trans-2-buteno los dos grupos iguales (CH3) están en lados opuestos del doble enlace.

Por tanto, la configuración cis de los enlaces dobles se asigna en aquellos isómeros geométricos que contienen grupos

iguales o similares del mismo lado del doble enlace y la denominación trans se aplica en aquellos isómeros geométricos que

contienen grupos iguales o similares de lados opuestos del doble enlace.

El problema de la nomenclatura cis/trans es que presenta muchas ambigüedades ya que muy a menudo se hace complicado elegir cuáles son los grupos iguales o similares situados en los carbonos olefínicos. Por ejemplo, no sería fácil asignar la

configuración cis o trans de los dos isómeros geométricos del 1-bromo-1-fluoro-propeno:

Isómeros geométricos del 1-bromo-1-fluoropropeno

H

CH3 F

Br

I

H

CH3 Br

F

II


171

Para evitar las ambigüedades que se producen en el sistema de nomenclatura cis/trans la I.U.P.A.C. ha propuesto un sistema

de nomenclatura basado en las reglas de Cahn-Ingold-Prelog, que establecen un orden de prioridad según el número

atómico.

Si el doble enlace presenta los dos grupos de mayor prioridad del mismo lado del plano de referencia, establecido por el

doble enlace, se le asigna la configuración Z (del alemán zusammen).

Si el doble enlace presenta los dos grupos de mayor prioridad de lados opuestos del plano de referencia, establecido por el

doble enlace, se le asigna la configuración E (del alemán entgegen).

H

CH3CH3

H

(1) (1)

(2) (2)

CH3

H CH3

H

(1)

(1)(2)

(2)

Grupos principales priorizados del mismo lado del

plano de referencia:

Configuración Z

Grupos principales priorizados de lados opuestos del

plano de referencia:

Configuración E

La asignación de prioridades se basa en el número atómico de los átomos directamente unidos a los

carbonos sp2. Por ejemplo, si se dese asignar la configuración E o Z del isómero I 1-bromo-1-fluoro-

propeno se procede del siguiente modo:

H

CH3 F

Br

I

1. El carbono sp2 de la izquierda de la figura está unido a CH3 y a H. Como el C tiene mayor número atómico que el H se le asigna a este átomo, y por tanto

al grupo CH3, la prioridad:

H

CH3 F

Br

10

2o

2. El carbono sp2 de la derecha de la figura está unido a Br y a F. Como el Br

tiene mayor número atómico que el F se le asigna a este átomo la prioridad: H

CH3 F

Br1

0

2o

3. Como los dos átomos o grupos de átomos prioritarios están de lados opuestos del doble enlace éste tiene configuración E. (Para asignación de

prioridades en otros átomos y grupos de átomos ver más adelante).

H

CH3 F

Br

10

10

(E)-1 - bromo -1 -fluoropropeno

Aplicando las mismas reglas se puede ver como el estereoisómero II del 1-

bromo-1-fluoro-propeno es de configuración Z 1

01

0

(Z)-1 - bromo -1 -fluoropropeno

H

CH3 Br

F

7.3. Quiralidad: noción de centro esteroquímico. Nomenclatura R y S.

El tipo de estereoisomería más interesante es el que da lugar a la actividad óptica. A principios de siglo XIX Biot señaló que algunas sustancias orgánicas de origen natural poseían la propiedad de girar el plano de la luz polarizada. Este fenómeno

consiguió explicarse cuando los químicos comenzaron a considerar la disposición tridimensional de las moléculas en el espacio y la configuración tetraédrica del átomo de carbono. Las propiedades geométricas de un carbono con hibridación


172

sp3 hacen que, en el caso de que esté unido a cuatro átomos o grupos de átomos diferentes, la molécula no tenga plano de

simetría y que existan dos maneras diferentes de ordenar a los cuatro átomos o grupos de átomos.

Estas dos ordenaciones o configuraciones generan dos formas isoméricas denominadas enantiómeros, que son imágenes

especulares entre sí pero que no son superponibles.

Cuando esto ocurre se dice que la molécula es quiral y ópticamente activa,

puesto que es capaz de desviar el plano de la luz polarizada. Dos enantiómeros desvían el plano de la luz polarizada en la misma magnitud pero

en sentidos opuestos.

Al carbono con hibridación sp3 que está unido a cuatro átomos o grupos de

átomos diferentes se le denomina estereocentro o centro estereogénico.

En la siguiente figura se dibuja un compuesto de carbono con hibridación sp3

unido a cuatro grupos diferentes, representados por cuatro colores distintos.

El reflejo de esta estructura genera su enantiómero:

Carbono sp3 y su imagen especular con los

cuatro sustituyentes distintos

En la siguiente representación se indican dos compuestos enantioméricos, cuyo

estereocentro está unido a cuatro grupos diferentes simbolizados por bolas de

diferente color.

Se puede observar en el dibujo la imposibilidad de superposición entre las dos

imágenes que son enantiómeros.

Cuando una molécula es superponible con su imagen especular se dice que no

es ópticamente activa y por tanto es incapaz de desviar el plano de la luz

polarizada. Normalmente esto ocurre cuando la molécula presenta un plano de simetría.

La quiralidad no es una propiedad exclusiva de las moléculas orgánicas que contienen estereocentros. En la vida ordinaria se

pueden encontrar objetos quirales, y por tanto, no superponibles con su imagen especular, como la mano derecha y la mano

izquierda, el pie derecho y el izquierdo, el zapato derecho y el izquierdo, etc.

7.4. Nomenclatura de los isómeros configuracionales

El sistema más aceptado para nombrar la configuración de un centro estereogénico es la denominada convención de Cahn,

Ingold y Prelog, que asigna una letra R o S a cada centro estereogénico de una molécula quiral.

Las reglas que hay que seguir para asignar una configuración R o S son las siguientes:

Cada átomo unido al carbono estereogénico recibe un número 1, 2, 3 ó 4. El 1 se asigna al grupo de mayor prioridad y el 4 al de menor prioridad. La prioridad se establece según el número atómico: el átomo de mayor

prioridad es el de mayor número atómico.

na vez asignado el orden de prioridad se mira el carbono estereogénico desde el lado opuesto al grupo de

menor prioridad.

Si el orden de prioridades decreciente de los restantes grupos representa una secuencia en el sentido de las agujas del reloj

se asigna al estereocentro la configuración R (rectus, derecha). Si la secuencia gira en el sentido opuesto a las agujas del

reloj la configuración del estereocentro es S (sinister, izquierda).

A continuación se aplican estas reglas de prioridad para la asignación de las configuraciones de centros estereogénicos en

una serie de compuestos quirales.

Ejemplo 1: Asignación de la configuración R o S de los dos enantiómeros del 1- cloro-1-fluoroetano.


173

La representación tridimensional de los dos enantiómeros del 1-cloro-1-fluoroetano es la

siguiente:

F

CH3

HCl

F

CH3

HCl

Para asignar las configuraciones de estos dos compuestos se procede del siguiente modo:

El orden de prioridad de los grupos unidos al carbono estereogénico en base al número atómico es, de mayor a

menor, Cl > F > C > H. Por tanto, el orden de prioridad será Cl (1º), F (2º), C (3º) y H (4º).

Una vez asignado el orden de prioridad hay que mirar al compuesto quiral desde el lado opuesto al que ocupa el

último grupo en prioridad, tal y como se indica en los siguientes esquemas:

F

CH3

HCl (1)

(2)

(3)

(4)

Secuencia en sentido contrario a las agujas del reloj

Configuración S

(1)

(2)

(3)

(4)

F

CH3

HCl

Secuencia en el sentido de las

agujas del reloj

Configuración R

Ejemplo 2: Asignación de la configuración R ó S en estereocentros unidos a más de un átomo igual, como en el compuesto

que se da a continuación: CHBr2

CH3

HCH(CH3)2

Se asigna el orden de prioridad de los átomos unidos al carbono estereogénico en base al número atómico que es,

en este caso, C, C, C > H. Esta claro que el átomo de hidrógeno es el último en prioridad pero no está claro cual es la

prioridad del grupo CH3, del grupo CH(CH3)2 y del grupo CHBr2 puesto que todos estos grupos están unidos al

estereocentro por un átomo de carbono.

Para establecer la prioridad entre estos tres grupos se procede del siguiente modo:

i. Para cada uno de los átomos de carbono unido directamente al esterocentro se ordenan, de mayor a menor número atómico, los átomos a los que está unido, tal y como se indica en la siguiente figura:

CHBr2

CH3

HCH(CH3)2

(Br, Br, H)

(H, H, H)

(C, C, H)

ii. A continuación, se establece la prioridad comparando los tres primeros átomos dentro de cada paréntesis. En el

ejemplo que se está considerando estos átomos son Br, C y H, que aparecen subrayados en la siguiente figura:

CHBr2

CH3

HCH(CH3)2

(Br, Br, H)

(H, H, H)

(C, C, H)


174

Como el número atómico es Br > C > H esto hace que la prioridad de los grupos sea CHBr2 > CH(CH3)2 > CH3. Según

esta ordenación la configuración del estereocentro será R:

CHBr2

CH3

HCH(CH3)2

(1)

(2)(3)

(4)

(Br, Br, H)

(H, H, H)(C, C, H)

Secuencia en el sentido de

las agujas del reloj:

Configuración R

Ejemplo 3: Asignación de la configuración R o S en el siguiente compuesto

quiral:

C(CH3)3

CH3

HCH(CH3)2

Se asigna el orden de prioridad de los átomos unidos al carbono estereogénico en base al número atómico que es, en este

caso, C, C, C > H. Está claro que el átomo de hidrógeno es el último en prioridad pero no está claro cual es la prioridad del

grupo CH3, del grupo CH(CH3)2 y del grupo C(CH3)3 puesto que todos estos grupos están unidos al estereocentro por un

átomo de carbono.

Para establecer la prioridad entre estos tres grupos se

procede del siguiente modo: Para cada uno de los átomos de carbono unido directamente al esterocentro se ordenan, de

mayor a menor número atómico, los átomos a los que está

unido, tal y como se indica en la siguiente figura:

C(CH3)3

CH3

HCH(CH3)2

(C, C, C)

(C,C,H)

(H, H, H) A continuación se establece la prioridad comparando

los tres primeros átomos dentro de cada paréntesis.

En el ejemplo que se está considerando estos átomos

son C, C y H, que aparecen subrayados en la siguiente figura:

C(CH3)3

CH3

HCH(CH3)2

(C, C, C)

(C,C,H)

(H, H, H)

Esta primera comparación permite asignar al grupo CH3 el número 3 en el orden de prioridad.

C(CH3)3

CH3

HCH(CH3)2

(C, C, C)

(C,C,H)

(H, H, H)

(4)

(3)

Para diferenciar al grupo C(CH3)3 del CH(CH3)2 se pasa a comparar el segundo átomo dentro del paréntesis de cada grupo.

Como este segundo átomo es en ambos casos el C se pasa a comparar el tercer átomo dentro del paréntesis de cada grupo

que en este caso es C y H, lo que determina que el el grupo C(CH3)3 es prioritario sobre el grupo CH(CH3)3.

Comparación del segundo átomo: no hay diferencias.

C(CH3)3

CH3

HCH(CH3)2

(C, C, C)

(C, C, H)

(H, H, H)

(4)

(3)

Comparación del tercer átomo:

C(CH3)3 > CH(CH3)3.

C(CH3)3

CH3

HCH(CH3)2

(C, C, C)

(C, C, H)

(H, H, H)

(4)

(3)

(2)

(1)


175

Según la ordenación anterior la configuración del estereocentro será R:

C(CH3)3

CH3

HCH(CH3)2

(4)

(3)

(2)

(1)

Secuencia en el sentido de las agujas del reloj:

Configuración R

Para asignar la prioridad de átomos unidos mediante enlaces múltiples se considera que cada enlace pi equivale a un enlace

simple adicional. Las equivalencias de una serie de grupos que contienen enlaces múltiples se dan en la siguiente figura.

CH2

H

H

C C

HH

C CH C C

C

C

C

H

C

C O

H

C O

H

O C

C O

CH3

C O

O

CC

C O

OH

C O

H

OH C

C N C N

N

CN

C

Proyección de Fischer. Configuraciones de los enantiómeros

La proyección de Fischer es una forma de representar una molécula tridimensional en una superficie bidimensional. Para

transformar la representación tridimensional de una molécula con un estereocentro en una proyección de Fischer se siguen

los siguientes pasos:

1. Se orienta la estructura de manera que el carbono del

esterocentro quede contenido en el plano del papel, dos de los

sustituyentes se dirijan hacia el observador y los otros dos

sustituyentes se alejen del observador:

CH2CH3

CH3

HOH OH

CH3

CH3CH2

H

C (1)(2)

(3)

(4)

2. Con la orientación correcta se proyectan los dos enlaces

que se acercan al observador en la horizontal y los dos

enlaces que se alejan del observador en la vertical: OH

CH3

CH3CH2

H

C

Para asignar la configuración R o S en las proyecciones de

Fischer se determina primero el orden de prioridad según la

convención Cahn-Ingold-Prelog.

En el caso anterior sería:

OH

CH3

CH3CH2

H

C (1)(2)

(3)

(4)

Se unen los tres grupos prioritarios en el orden 1 -> 2 -> 3 y se observa si está unión va en el sentido del reloj o en el sentido

contrario. Si el último grupo en prioridad está en la vertical y la unión 1 - 2 - 3 va en sentido de las agujas del reloj, la

configuración del estereocentro será R. Si el último grupo en prioridad está en la vertical y la unión 1 - 2 - 3 va en sentido contrario a las agujas del

reloj, la configuración del estereocentro será S.


176

Por ejemplo, en la proyección de Fischer anterior la unión 1 - 2 - 3

va en sentido contrario a las agujas del reloj y como el hidrógeno (último en prioridad) está en la vertical la configuración correcta

del estereocentro es S.

OH

CH3

CH3CH2

H

C (1)(2)

(3)

(4)

Configuración S

Si el último grupo en prioridad está en la horizontal y la unión 1 -

2 - 3 va en sentido R la configuración del estereocentro es

opuesta, o sea, S. Por ejemplo

H

OH

CH3CH2

CH3

C

(1)

(2)

(3)

(4)

Configuración S

Si el último grupo en prioridad está en la horizontal y la unión 1 -2

- 3 va en sentido S la configuración del estereocentro es opuesta,

o sea, R. Por ejemplo:

H

CH3

CH3CH2

OH

C

(1)

(2)

(3)

(4)

Configuración R

Propiedades de las proyecciones de Fischer.

Las proyecciones de Fischer pueden ser movidas

180° en el plano sin que cambie la configuración del

estereocentro, por Ejemplo:

OH

CH3

CH3CH2

H

C(1)

(2)

(3)

(4)

Configuración S

180° OH

CH3

CH2CH3

H

C(1)

(2)

(3)

(4)

Configuración S

Este giro de 180° en el plano en una proyección de Fischer equivale a un número par de intercambios de grupos, lo que

permite deducir que un número par de intercambios en una proyección de Fischer deja la configuración del estereocentro

inalterada y, por tanto, un número impar de intercambios cambia la configuración del estereocentro.

Si una proyección de Fischer se gira 90° se cambia la configuración del estereocentro, porque un giro

de 90° equivale a un número impar de intercambios (un total de tres interconversiones).

OH

CH3

CH3CH2

H

C(1)

(2)

(3)

(4)

Configuración S

OH

CH3

CH2CH3

H C

(1)

(2)

(3)(4)

Configuración R

90°

7.5. Compuestos con varios carbonos quirales: diastereoisómeros y compuestos meso.

Cuando un compuesto orgánico contiene dos o más centros estereogénicos son posibles un máximo de 2n estereoisómeros.

A continuación, se indican las proyecciones de Fischer de los cuatro posibles estereoisómeros del 3-bromobutan-2-ol y las

relaciones de estereoisomería que se establecen entre ellos.


177

Estereoisómeros del 3-bromo-2-butanol

CH3

CH3

H OH

H Br

CH3

CH3

OH H

Br Henantiómeros

diastereoisómeros diastereoisómeros

enantiómeros

CH3

CH3

H OH

Br H

CH3

CH3

OH H

H Br

2S, 3R 2R, 3S

2R, 3R2S, 3S

diastereoisómeros

Compuestos meso.

En la siguiente figura se describen las proyecciones de Fischer de los cuatro posibles estereoisómeros del 2,3-

dibromobutano:

CH3

CH3

Br H

H Br

CH3

CH3

H Br

Br Henantiómeros

CH3

CH3

H OH

Br H

CH3

CH3

OH H

H Br

2S, 3S 2R, 3R

2R, 3S 2S, 3R

imágenes especulares

superponiblesplano de

simetríaplano de

simetría

(compuesto meso)

mismo compuesto

En la proyección de Fischer se observa que los estereoisómeros 2R,3S y 2S,3R presentan un plano de simetría y, aunque aparentan ser imágenes especulares uno del otro, en realidad son el mismo compuesto porque son superponibles. Este tipo

de estereoisómeros que carecen de actividad óptica, a pesar de contener en su estructura centros estereogénicos, se

denominan compuestos meso.

Enantiomerismo conformacional.

El bifenilo es un compuesto que no contiene centros

estereogénicos y es ópticamente inactivo.

H

H

H H

H H

H H

H

H


178

Sin embargo, el 6,6´-dibromo-2,2´-diyodobifenilo, cuya estructura

se indica a continuación, existe en dos formas enantioméricas, a pesar de que el compuesto no contiene centros estereogénicos.

BrH

H

H I I

Br H

H

H

Si la estructura fuese totalmente plana, tal y como se indica en la figura anterior, habría que concluir que el compuesto sería ópticamente inactivo y por tanto incapaz de existir en dos formas enantioméricas.

Sin embargo, la conformación plana del 6,6´- dibromo-2,2´-diyododifenilo

no puede existir porque colocaría los voluminosos átomos de bromo y de

yodo en una situación de enorme repulsión estérica.

H Br Br

H

H I I

H

H

H

Br Br

I I

repulsión estérica entre los

repulsión estérica entre los

átomos de bromo

átomos de yodo

Para evitar la interacción estérica entre los átomos de halógeno la molécula adquiere una conformación que coloca a los dos anillos aromáticos mutuamente perpendiculares. De acuerdo con esta disposición de los anillos aromáticos es posible dibujar

dos conformaciones alternativas que son las que se indican a continuación:

Conformaciones enantioméricas del

6,6’ – dibromo- 2,2’ – diyodobifenilo

H

H

I

Br

H

Br

I

H

H

H

H

H

Br

I

H

Br H

H

HI

Estas dos conformaciones, que carecen de plano de simetría, son entre sí imágenes especulares no son superponibles. Son

por tanto dos conformaciones enantioméricas. Además, como estas dos conformaciones no se pueden interconvertir se puede afirmar, por tanto, que estas dos conformaciones corresponden a dos compuestos enantioméricos que desviarán el

plano de la luz polarizada en igual magnitud pero en direcciones opuestas.

7.6. Resolución de mezclas racémicas

Cuando la acetofenona se reduce con NaBH4 se genera una mezcla racémica de (R)-1-fenil-1-etanol y (S)-1-fenil-1-etanol. Si se necesitase uno de los dos enantiómeros en forma pura habría que separarlo de la mezcla racémica. La separación de

enantiómeros de mezclas racémicas se denomina resolución. Hay diferentes procedimientos para la resolución de mezclas racémicas pero los más utilizados son la resolución química y la resolución cromatográfica.

Ph

O

NaBH4

Ph

OH

Ph

OH

+

acetofenona (R) - 1 - fenil - 1 - etanol (s) - 1 - fenil - 1 - etanol

50% 50%


179

Resolución química. La resolución química consiste en la separación de los enantioméros de la mezcla racémica mediante

su conversión en una mezcla de diastereoisómeros. Para ello, la mezcla de enantiómeros se hace reaccionar con un

compuesto quiral que recibe el nombre de agente de resolución.

Supongamos que la mezcla racémica formada por el (R)-1-fenil-1-etanol y (S)-1-fenil-1-etanol se hace reaccionar con el ácido (R)-2-fenilpropiónico. La reacción de ácidos carboxílicos con alcoholes proporciona ésteres y en este caso se obtendrá una

mezcla de dos ésteres diastereoisoméricos.

Ph

OH

Ph

OH

(R) - 1 - fenil - 1 - etanol

(s) - 1 - fenil - 1 - etanol

50%

50%

+ COOH

Ph

ácido (R) - 2 -fenil

propiónico

Ph

O

O

Ph

Ph

O

O

Ph

+

(R, R)

(S, R)

MEZCLA RACÉMICA MEZCLA DE DIASTEREOISÓMEROS Los diastereoisómeros tienen propiedades físicas diferentes y pueden separarse mediante destilación, cristalización o

cromatografía.

+Ph

O

O

Ph

Ph

O

O

Ph

(R, R)

(S, R)

MEZCLA DE DIASTEREOISÓMEROS

destilación

ó cristalización

ó cromatografía

separación porPh

O

O

Ph

Ph

O

O

Ph

(R, R)

(S, R)

NaOH

Ph

OH

Ph

OH

(R) - 1 - fenil -1 - etanol

(s) -1 - fenil - 1 - etanol

Una vez separados los diastereoisómeros por cualquiera de las técnicas de separación anteriormente mencionadas, se

procede a la eliminación del agente de resolución para obtener cada uno de los enantiómeros puros.

Por ejemplo, en el caso que nos ocupa cada uno de los ésteres diastereoisoméricos se puede saponificar para obtener el

alcohol enantiomérico puro y el agente quiral de resolución.

Resolución cromatográfica. Este procedimiento de resolución se basa en la utilización de técnicas cromatográficas que

emplean como fase estacionaria un compuesto quiral. El fenómeno que permite explicar la separación cromatográfica de mezclas racémicas se basa en las débiles interacciones que forman los enantiómeros con la fase estacionaria quiral. Estas

interacciones forman agregados o complejos diastereoisoméricos que tienen diferentes propiedades físicas y por tanto

diferentes energías de enlace y diferentes constantes de equilibrio para el acomplejamiento. El enantiómero que forma complejos más estables con la fase estacionaria quiral se mueve más lentamente a lo largo de la columna, y emerge de ella

después del enantiómero que forma complejos menos estables y que, por tanto, se mueve más rápidamente.


180

Pruebas de Dominio (McMurry. Química Orgánica):

7.1. Dibuje las moléculas quirales que coincidan con las siguientes fórmulas moleculares:

a) Un cloroalcano, C5H11Cl b) 5-etil-3,3-dimetilheptano

c) Un alqueno, C6H12 d) 4,5-dimetil-2,6-octadiino

7.2. Dibuje ejemplos de los siguientes:

a) Un compuesto meso con la fórmula molecular C8H18

b) Un compuesto meso con la fórmula C9H20

c) Un compuesto con dos centros quirales, uno R y el otro S

7.3. ¿Cuáles son las configuraciones estereoquímicas de los dos diastereómeros del (2S, 4R)-2,4-octanediol?

7.4. Oriente cada una de las siguientes reprsentacines de tal manera que el grupo con la prioridad más baja esté atrás y

después asigne configuración R o S:

a)

1

2

3

4

b)

1

2

3

4

c)

1

23

4

7.5. Asigne las prioridades de Cahn-Ingold-Prelog para los siguientes conjuntos de sustituyentes:

a) CH CH2. CH(CH3)2. C(CH3)3. CH2 CH3., , ,

b) CH CH. C.C(CH3)3.CH CH2.

c) CO2CH3. COCH3. CH2OCH3. CH2CH3.

d) CH2Br.C N. CH2CH2Br. Br.

7.6. En las siguientes moléculas, asigne la configuración R o S a los centros quirales:

a) OHH

b) HCl

c)

COOH

OCH3H

OH

d)

H

OH

H

Cl

7.7. Identifique los centros de quiralidad en las siguientes moléculas:

a)

NH

Coniina

(cicuta venenosa)

b)

H

HH

OH

Mentol

(agente saborizante)

c)

H3CO

HN

H

Dextrometorfano

(supresor de la tos)


181

7.8. La alanina, un aminoácido que se encuentra en las proteínas, es quiral; dibuje los dos enantiómeros de la alanina

utilizando la convención estándar de líneas contínuas gruesa y punteadas.

O

H

NH2

O

Alanina

7.9. Dibuje la forma meso de cada una de las siguientes moléculas e indique el plano de simetría en cada una.

a) OH

OH

b)

c) OH

7.10.- Asigne la configuración R o S a los centros quirales en el ácido ascórbico (vitamina C)

O

OH

O

OH

H

OHH

OH

7.11. La xilosa es un azúcar común que se encuentra en varios tipos de madera, incluyendo arce y cereza. Debido a que es

mucho menos propensa a causar caries que la sacarosa, la xilosa se ha utilizado en caramelos y goma de mascar. Asigne la

configuración R o S a los centros quirales en la xilosa.

OH

HOH

OH H

HOH

O

H

(+) - xilosa

7.12. La ribosa, una parte esencial del ácido ribonucleico (ARN), tiene la siguiente estructura:

OHCHO

OHH

OH H

OHH

OHH

Ribosa

a) ¿Cuántos centros quirales tiene la ribosa? Identifíquelos

b) ¿Cuántos estereoisómeros existen de la ribosa?

c) Dibuje la estructura del enantiómero de la ribosa

d) Dibuje la estructura de un diastereómero de la ribosa

7.13. El cis-4-octeno reacciona con peroxiácido para producir 4,5-epoxietano. ¿El producto es quiral?. ¿Cuán tos centros

quirales tiene? ¡Cómo describiría su estereoquímica?.

7.14. Dibuje todos los estereoisómeros posibles del ácido 1,2-ciclobutanodicarboxílico e indique las interrrelaciones. ¿Cuáles,

si no es que ninguno, son ópticamente activos?. Haga lo mismo para el ácido 1,3-ciclobutanodicarboxílico.


182

8

REACTIVIDAD Y SÍNTESIS DE LOS HALOGENUROS DE ALQUILO

Sería difícil seguir estudiando la química orgánica por mucho tiempo sin encontrar a los alcanos halosustituidos. Entre los

muchos usos de los halogenuros de alquilo (haluros de alquilo), se emplean como solventes industriales, anestésicos

inhalables para cirugía como el halotano, refrigerantes, plaguicidas, agentes fumigantes, propelentes de sprays, etc. Tienen

gran importancia comercial los plásticos, PVC, teflón, etc. Por otro lado son ampliamente utilizados como intermediarios en muchas síntesis industriales y de laboratorio. En cambio los halogenuros de alquilo naturales son escasos. Se han

encontrado más en hongos, en algunas especies marinas y en insectos; la hormona del tiroides (tiroxina) es un compuesto yodado. Dentro de estos compuestos se distinguen los siguientes grupos:

Derivados halogenados, utlizados como fármacos. a) Anestésicos como el Cloroformo (CHCl3), halotano

(CF3CHClBr), clouro de metilo (CH3Cl), sustituidos por otros fármacos por razones de eficiencia y medioambientales b) Antibióticos como la cloromecitina (cloranfenicol), la aureomicina (clorotetraciclina) y lla fluoroquinolonas.

Derivados halogenados de hidrocarburos alifáticos utilizados como fumigantes: metilbromuro, 1,2-dicloropropano,

Derivados halogenados de hidrocarburos alicíclicos con importancia práctica como insecticidas y fungicidas:

Clordano, aldrín, dieldrín, endrín.

Derivados halogenados aromáticos que tienen propiedades insecticidas, acaricidas, herbicidas y fungicidas

dependiendo de la naturaleza del átomo de halógeno, el número de ellos en la molécula de benceno y de su posición

en el anillo: Diclorodifeniltricloroetabo (DDT), diclorodifenildicloroetano (DDD), ácido 2,2-bis(4-clorofenil)acético

(DDA), metoxiclor, hexaclorobenceno, etc.

Derivados halogenados utilizados como solventes: Tetracloruro de carbono, dicloroetano, tricloroetano.

Derivados halogenados, utilizados como refrigerantes, los denominados clorofluorocarbonos (CFC), como el freón

12 (CF2Cl2), freon 22 (CHF2Cl).

8.1. Estructura20.

Los halogenuros de alquilo son derivados hidrocarbonados en los que uno, o más, enlaces C-H han sido sustituidos por

enlaces C -X (X= F, Cl, Br, I). El enlace C-halógeno es el resultado del solapamiento de un orbital sp3 del carbono con un

orbital híbrido del halógeno. Los estudios basados en la teoría de orbitales moleculares sugieren que el híbrido

correspondiente al orbital del halógeno tiene principalmente carácter p y una pequeña proporción de carácter s. En el fluoruro de metilo el orbital del flúor del enlace C -F se calcula que tiene, aproximadamente, un 15% de carácter s y un 85%

de carácter p. Tabla No. 19. Longitudes y energías de enlace de los halogenuros

Enlace Longitud (A°) Energía de enlace (Kcal/mol) CH3 F 1.39 108 CH3 Cl 1.78 85 CH3 Br 1.93 70 CH3 I 2.14 57

20 www. Tema2QO.pdf


183

Como se aprecia en la tabla anterior, la fortaleza de los enlaces C-X disminuye a medida que se desciende en la columna de

los halógenos. Esto se explica porque el solapamiento orbitálico disminuye a medida que aumenta la diferencia de energía entre los orbitales que forman el enlace.

Aunque los enlaces C -H de los haluros de alquilo son covalentes poseen un cierto carácter polar porque los halógenos son

más electronegativos que el carbono. Esta diferencia de electronegatividad origina un momento dipolar que se expresa

como el producto de la carga q por la distancia de separación d entre las cargas.

8.2. Propiedades Físicas21. Los derivados halogenados tienen propiedades semejantes a los de los alcanos de PM análogos

porque la polaridad del enlace X – C- produce poca agregación intermolecular. Los derivados bromados y, así como los

yodados, cuyo peso molecular (PM) es muy alto en relación al número de carbono (tamaño molecular), tienen p.e.b. inferiores a los hidrocarburos de PM análogos.

A la temperatura ordinaria (20°C), son gaseosos los tres primer allquilfluoruros, los dos primeros alquilclorados y el

bromuro de metiulo, mientras que ningún yodado es gaseoso; la mayor parte son líquidos y el primer sólido que se encuentra

es el bromuro de octadecilo.

Los p. eb., aumentan al pasar del fluoruro de alquilo al yoduro correspondiente. Igualmente aumenta para un mismo halóogeno en la serie homóloga que ininica con el haluro de metilo. En cambio los halogenados secundarios y terciarios de un

mismo halógeno hierven a temperaturas más bajas.

Finalmente se puede indicar que los compuestos halogenados son insolubles en agua y solubles en los disolventes orgánicos

poco polares.

8.3. Reacciones de los halogenuros de alquilo

Los halogenuros de alquilo, son compuestos orgánicos de utilidad sintética importante como intermediarios, debido a que a

partir de ellos se pueden introducir una gran variedad de otros grupos funcionales y en general las reacciones en las que

participa como sustrato pueden ser agrupadas en: Reacciones de sustitución nucleofílica, reacciones de eliminación,

reacciones de reducción, reacciones de acoplamiento y reacciones de formación de organometálicos.

8.3.1. Reacciones de Sustitución Nucleofílica.

La sustitución de los halógenos de los haluros de alquilo por un nucleófilo, es una de las reacciones de mayor importancia en

este tipo de compuestos. En química orgánica es muy usual, denominar a una reacción química por la naturaleza del reactivo

atacante y la transformación que sufre el sustrato. Así, la sustitución del halógeno por un nucleófilo como el -OH, -RO, -CN,

serán consideradas como reacciones de sustitución nucleofílica, en función del reactivo que ataca y dependiendo de la naturaleza del haluro, esta sustitución será preponderantemente una sustitución nucleofílca monomolecular (SN1) o una

sustitución nucleofílica bimolecular (SN2).

Una clasificación importante de las reacciones orgánicas se basa en la naturaleza del reactivo atacante. Según la definición

de Lewis, un ácido es aquella especie capaz de aceptar electrones y una base es un dador de un par de electrones.

Los electrófilos (E) se definen en Química Orgánica como reactivos aceptores de electrones y por consiguiente son ácidos

de Lewis. Los nucleófilos (Nu) son reactivos dadores de electrones y por tanto bases de Lewis.

Sin embargo, pese a la equivalencia anteriormente señalada entre los conceptos de ácido (electrófilo) y base (nucleófilo), es

imprescindible señalar que ambos términos se hallan ubicados en campos diferentes. La basicidad y la acidez son conceptos

termodinámicos y por tanto se refieren a la posición de equilibrio entre un dador de electrones(base) y un aceptor de

electrones (ácido). Por ejemplo, cuando se afirma que una base es fuerte, se entiende que en la reacción con ácidos, el equilibrio está desplazado hacia la derecha.

21

PRIMO YÚFERA E. Química Orgánica Básica y Aplicada (De la molécula a la industria). Universidad

Politécnica de Valencia. Editorial Reverté S.A. pág. 273.


184

En cambio, el concepto de electrofilia y nucleofilia, son conceptos cinéticos: un buen nucleófilo es una especie química que

reacciona rápidamente con electrófilos. Por ejemplo, cuando el anión metóxido CH3O- y el anión mercapturo CH3S- reaccionan con el agua, se deja que las reacciones alcancen el equilibrio, se miden las concentraciones de las especies y se calculan las

constantes de equilibrio se observa que Kb de la reacción del metóxido es mayor que Kb de la reacción del ión mercapturo y por tanto se concluye que el metóxido CH3O- es una base más fuerte que el anión mercapturo CH3S-.

Bases:

(1) CH3O + CH3OCH3+ OH

(2) CH3S + H2O CH3SCH3 + OH Kb(2)

Kb(1) Kb(2)>

H2O Kb(1)

Al contrario que la basicidad, la nucleofilia es un concepto cinético y se refiere a la velocidad con que determinadas especies

reaccionan con los sustratos. Por ejemplo, la reacción del metóxido con el bromuro de metilo forma el dimetil éter y la reacción del mercapturo con el bromuro de metilo forma el dimetil tioéter. Cuando se mide la velocidad de estas dos

reacciones se observa que el mercapturo reacciona mucho más rápidamente que el metóxido y se concluye que el anión

mercapturo es un nucleófilo más fuerte que el anión hidróxido

Nucleófilo

(1) CH3O + CH3OCH3+ Cl-

(2) CH3S + CH3Cl CH3SCH3 + Cl v(2)

v(1) v(2)

CH3Cl v(1)

<

8.3.1.1. Reacciones de sustitución nucleofílica bimolecular: el mecanismo SN2.

Una reacción de sustitución nucleofílica tiene la siguiente fórmula general:

Nu + X

H

HH

H

H

Nu

H

+ X

Donde: Nu- : simboliza al nucleófilo del proceso X : representa al grupo saliente

Por ejemplo, en la reacción entre el cloruro de metilo y el ión hidróxido como nucleófilo, el cloruro de metilo es el

componente electrofílico del proceso. El ión hidróxido (-OH) es el nucleófilo. El hidróxido es un buen nucleófilo porque el

átomo de oxígeno tiene pares de electrones no compartidos y una carga negativa.

El átomo de carbono del cloruro de metilo es el átomo electrofílico porque está enlazado a un átomo de cloro

electronegativo. El cloro provoca una retirada parcial de la densidad electrónica del carbono creando sobre este átomo una

carga parcial positiva. La carga negativa del ión hidróxido es atraída hacia esa carga. El mecanismo de ataque del nucleófilo,

el estado de transición asociado a la sustitución nucleofílica bimolecular y la formación del producto, se muestra en el siguiente esquema:

HO + Cl

H

H H

C Cl

H

H H

HO

-

C

H

H

H

HO + Cl

Estado de transición

El carbono sólo puede admitir ocho electrones en su capa de valencia, y por tanto, el enlace C -Cl debe comenzar a romperse

cuando el enlace C - O se comience a formar. El ión cloruro, es expulsado del sustrato junto con el par de electrones que estaba enlazándolo al átomo de carbono.


185

La reacción del ión hidróxido con el cloruro de metilo es una reacción concertada, es decir el proceso de formación y ruptura

de enlaces tiene lugar en un solo paso: los enlaces se rompen y se forman al mismo tiempo. En el estado de transición de la reacción el enlace con el nucleófilo está parcialmente formado y el enlace con el grupo saliente está parcialmente roto.

El mecanismo de la reacción de sustitución anterior se determinó a partir de la información experimental cinética. Al variar la concentración de los reactivos se observa que la velocidad se duplica cuando la concentración de cualquiera de los dos

reactivos se duplica. La reacción es de primer orden con respecto a cada uno de los reactivos y de segundo orden general. La ecuación de velocidad es:

velocidad = kr(CH3Cl)(OH-)

El mecanismo necesita del choque entre una molécula del ión hidróxido y un molécula de cloruro de metilo. La frecuencia de

las colisiones es proporcional a ambas concentraciones. Esta reacción se denomina Sustitución Nucleofílica Bimolecular y se

abrevia SN2. El término bimolecular significa que el estado de transición del paso que determina la velocidad implica la

colisión de dos moléculas. Desde el punto de vista orbitálico la reacción se puede describir mediante la interacción de un

orbital lleno del nucleófilo con un orbital vacío del electrófilo.

El ataque del nucleófilo invierte la configuración tetraédrica del átomo de carbono como un paraguas que voltea el viento. A

este proceso de inversión de la configuración en la reacción SN2 se le llama inversión de Walden. En la reacción del cloruro

de metilo con el ión hidróxido es imposible apreciar el proceso de inversión de la configuración. Sin embargo, en los casos

donde el sustrato presenta una configuración determinada, R o S, se aprecia perfectamente este fenómeno, es decir el

producto presentará una configuración contraria a la del compuesto que sufre la sustitución nucleofílica bimolecular.

i. Variables que afectan la SN2.

Efecto de la estructura del sustrato en la SN2. Las velocidades experimentales relativas de las sustituciones

nucleofílicas bimoleculares (SN2), halladas para diferentes haluros de alquilo son las siguientes:

Haluro de alquilo Tipo de sustrato Velocidad relativa

CH3-X Haluro de metilo 30

CH3CH2-X Haluro primario 1

(CH3)2CH2-X Haluro secundario 0.02

(CH3)3C-X Haluro terciario 0

De los valores determinados, se deduce que los haluros de alquilo más reactivos en procesos SN2 son los haluros de metilo.

Esta variación de la velocidad de reacción, se interpreta bajo el concepto del impedimento estérico al ataque del nucleófilo.

HO

+ C Cl

H H

H

H

H

HO

+ C Cl

H H

H

H

CH3

HO

+ C Cl

H H

H

CH3

CH3

HO

+ C Cl

H H

CH3

CH3

CH3

Es decir, la parte posterior de la molécula, por donde se aproxima el nucleófilo, tiene un grupo metilo que está relativamente

abierto a un ataque. A medida que los hidrógenos se van reemplazando por grupos metilo la zona de ataque del nucleófilo se hace de más difícil acceso y cada vez es más problemático que el nucleófilo se acerque lo suficiente a la parte posterior del

enlace C-X para que se produzca la reacción y por tanto se observará que la velocidad de reacción disminuye.


186

Fuerza del nucleófilo en las SN2.

Puesto que el nucleófilo interviene en el paso clave de la reacción, la naturaleza del nucleófilo afecta a la velocidad de las

sustituciones nucleofílicas bimoleculares (SN2). Lo lógico sería esperar que los buenos nucleófilos fuesen también buenos

dadores de electrones, es decir, buenas bases de Lewis. Este razonamiento es válido en muchos casos, sobre todo cuando se comparan especies cuyo átomo nucleofílico es el mismo. Por ejemplo, el CH3OH y su base conjugada, el anión metóxido CH3O-,

son nucleófilos y además el ión metóxido, que es más básico que el metanol, es también más nucleofílico.

La explicación a la mayor nucleofília del anión metóxido, en comparación con el metanol, reside en el reparto de la densidad

electrónica en el estado de transición de cada una de las reacciones SN2 asociada a este par de nucleófilos. Supóngase que se lleva a cabo una reacción SN2 del yoduro de metilo con dada uno de estos dos nucleófilos. Los estados de transición de

cada una de estas dos reacciones serían los siguientes:

Ataque del anión metóxido:

CH3O + I

H

HH

C I

H

H H

CH3O

-

C

H

H

H

CH3O + I

menor Ea Ataque del metanol:

+ I

H

HH

C I

H

H H

CH3OH

-

C

H

H

H

CH3OH + I

mayor Ea

CH3 O

H

En el esquema anterior se afirma que el estado de transición asociado al ataque del anión metóxido tiene menor energía

que el estado de transición para la reacción del metanol. La explicación es la siguiente:

El anión metóxido tiene electrones no enlazantes que están disponibles con facilidad. En el estado de transición del ataque

del anión metóxido, la carga negativa está repartida entre el oxígeno del ión metóxido y el halógeno.

Sin embargo, en el estado de transición asociado al ataque del CH3OH, el átomo de halógeno tiene una

carga parcial negativa, pero el átomo de oxígeno contiene una carga parcial positiva.

La conclusión es que el estado de transición de la reacción del metóxido tiene menos energía porque la

carga negativa se encuentra mucho más repartida. Por tanto, se puede concluir que: la base

conjugada de un nucleófilo es más nucleofílica que su ácido conjugado:

OH-

MeO-

NH2

-

SH+

>

>

>

>

H2O

MeOH

NH3

SH2

Variación de la fuerza del nucleófilo a lo largo del sistema periódico.

La correlación entre nucleofília y basicidad es útil, pero no exacta, puesto que se comparan dos clases diferentes de

propiedades. La basicidad es un fenómeno de equilibrio que mide la reactividad de una especie química frente al protón,

usualmente en agua como disolvente.

La nucleofília hace referencia a la velocidad de reacción de una especie química con un sustrato carbonado, que se lleva a

cabo, por lo general, en disolventes no acuosos. La nucleofília y basicidad no correlacionan cuando se comparan átomos de

una misma familia (columna) de la tabla periódica tal y como se expresa en la siguiente afirmación:

Al bajar a lo largo de una columna del sistema periódico,

disminuye la basicidad, pero aumenta la nucleofília.

Al aumentar el número atómico los átomos son más grandes y los electrones de valencia están más lejos del núcleo. Los

electrones son más fácilmente polarizables. Su nube electrónica de valencia se puede deformar con más facilidad por la


187

acción de una carga externa. La mayor movilidad de los electrones aumenta la capacidad del nucleófilo para comenzar a

formar el enlace a una distancia relativamente grande lo que se traduce en un aumento de la velocidad de reacción.

En el siguiente diagrama se representa la variación de la nucleofília y de la basicidad al bajar a lo largo de un grupo familiar

del Sistema Periódico.

Nucleófilos del grupo V Nucleófilos del grupo VI Nucleófilos del grupo VII

Disminuye la

basicidad

R3N ROH F

Aumenta la

nucleofilia

R3P RSH

Cl

Br

I

La nucleofilia disminuye de izquierda a

derecha en la tabla periódica.

Los elementos más electronegativos tienen los pares de electrones solitarios sujetos con más

fuerza al núcleo, son menos polarizables, y por tanto son menos reactivos en la formación de

nuevos enlaces:

OH

-

NH3

>

>

>

H2O

R3P

F

R2S

disminuye la

nucleofilia

A modo de resumen se da la siguiente tabla en la que aparecen clasificados una serie de nucleófilos según su grado de

nucleofília.

Tipo de nucleófilo Especie química Nombre Nucleofilia relativa

Excelentes

CN- Anión cianuro 126000

HS- Anión tiolato 126000

I- Anión yoduro 80000

Buenos

HO- Anión hidróxido 16000

Br- Anión bromuro 10000

N3- Anión azida 8000

NH3 Amoniaco 8000

Moderados

Cl- Anión cloruro 1000

CH3COO- Anión acetato 630

F- Anión fluoruro 80

CH3OH Metanol 1

H2O Agua 1


188

Efectos del grupo saliente en la SN2. El enlace entre el grupo saliente y el carbono comienza a romperse en el

estado de transición de la SN2. Para que el nucleófilo sea capaz de desplazar al grupo saliente éste debe ser capaz

de acomodar los electrones enlazantes originales.

Por tanto: los buenos grupos salientes son bases débiles, o sea

las bases conjugadas de los ácidos fuertes .

A continuación se indica una tabla con una serie de grupos salientes ordenados según su facilidad de desplazamiento en la

reacción SN2.

Grupo saliente PKa del ác. conjugado Observ.

p-CH3C6H5SO3- < 0

I- < 0

Br- < 0 Muy

Cl- < 0 Buenos

H2O < 0 grupos

(CH3)2S < 0 salientes

CF3COO- 0.2

H3PO4- 2

CH3COO- 4.8

CN- 9.1

NH3 9.2 Buenos

C6H5O- 10 grupos

RNH2, R3N 10 salientes

CH3CH2S- 10.6

OH- 15.7 Malos grupos

CH3O- 15 salientes

NH2- 36 Muy malos grupos

CH3- 49 salientes

Efectos del disolvente en la SN2. La velocidad de las sustituciones nucleofílicas bimoleculares (SN2) depende del

tipo de disolvente utilizado en el proceso. Por ejemplo, se ha establecido experimentalmente que la velocidad de la

SN2 del yoduro de metilo con el ión acetato para dar acetato de metilo es aproximadamente unas 10 millones de

veces más rápida en dimetilformamida (DMF) que en metanol.

CH3

O

O

+ CH3 I CH3

O

O

CH3

+ I

En una gran mayoría de las SN2 participan especies cargadas, ya sea en la parte del nucleófilo o en los productos. Por esta razón se ha observado que la velocidad de una SN2 aumenta, por lo general, al aumentar la polaridad del


189

disolvente. Un disolvente polar es el que tiene una constante dieléctrica elevada. En la siguiente tabla se dan las

constantes dieléctricas de a lgunos disolventes de uso común:

Disolventes próticos Constantes

Dieléctricas

(Debye) a 25°C

Disolventes apróticos

H2O (agua) 81

HCOOH (ácido fórmico) 54

45 (CH3)2SO (DMSO, dimetilsulfóxido)

38 CH3CN (acetonitrilo)

37 HCON(CH3)2 (DMF, dimetilformamida)

CH3OH (metanol) 33

30 ((CH3)2N)3PO (HMPA)

CH3CH2OH (Etanol) 24

23 (CH3)2CO (acetona)

(CH3)2CHOH (Isopropanol) 18

(CH3)3COOH (t-butanol) 11

7 Tetrahidrofurano (THF)

CH3COOH (ácido acético) 6

4 CH3CH2OCH2CH3 (éter dietílico)

2 n-C5H5, C6H6, CCl4

En la tabla anterior los disolventes se encuentran clasificados en dos categorías:

Los próticos o hidróxilicos: el agua (H2O), los ácidos carboxílicos (RCOOH) y los alcoholes (ROH).

Los apróticos: el resto de la tabla anterior

Los disolventes próticos poseen grupos hidroxilo (grupos OH) que pueden solvatar tanto a los aniones, por formación de

puentes de hidrógeno, como a los cationes. El disolvente hidroxílico más polar es el agua. En este disolvente se pueden

solubilizar compuestos iónicos como el NaCl porque el agua rompe la red cristalina del NaCl solvatando tanto al catión sodio como al anión cloruro

Si el nucleófilo de una SN2 es un anión la velocidad de la reacción aumentará al pasar de un disolvente polar hidroxílico

(agua, alcoholes) a un disolvente polar no hidroxílico (DMF, DMSO, HMPA). En un disolvente hidroxílico el anión se encontrará solvatado por formación de puentes de hidrógeno. En consecuencia, se necesitará consumir energía

adicional para quitar algunas moléculas de disolvente de la esfera de solvatación, a fin de que el anión pueda atacar al

sustrato.

Los disolventes polares apróticos (DMSO, DMF, HMPA) no poseen grupos hidroxilo y por tanto no pueden solvatar a los aniones. Si la misma SN2 se lleva a cabo en un disolvente polar aprótico no se necesitará consumir energía adicional para retirar moléculas de disolvente de la esfera de solvatación y por tanto la reacción será mucho más rápida, en

comparación con la misma reacción efectuada en el disolvente prótico.


190

8.3.1.2. La sustitución nucleofílica monomolecular. El mecanismoSN1.

Cuando el bromuro de t-butilo se trata con NaOH no se obtiene el alcohol t-butílico, a pesar de que el ión hidróxido es un

buen nucleófilo y por tanto debería sustituir al bromo, en cambio sólo se obtiene un producto de eliminación debido a la

deshidrohalogenación. Por el contrario, cuando el bromuro de t-butilo se calienta en agua, si se obtiene el t-butanol. En este caso, el H2O, nucleófilo mucho más débil que el ión hidróxido, si que es capaz de sustituir al bromo, sin modificar la

configuración inicial del haluro de alquilo.

Br

CH3

CH3 CH3

+ Na OH

OH

CH3

CH3 CH3

Na Br+

CH2CH3

CH3

Br

CH3

CH3 CH3

+ H OHOH

CH3

CH3 CH3

Na Br+

Para explicar la reacción de sustitución en sustratos terciarios, que no pueden seguir el mecanismo SN2, se ha propuesto un

mecanismo alternativo denominado SN1 (Sustitución Nucleofílica Unimolecular o monomolecular). La palabra unimolecular o monomolecular significa que sólo hay una molécula implicada en el estado de transición del paso determinante de la

velocidad de reacción. La ecuación de velocidad de esta clase de procesos es de primer orden con respecto al sustrato y la

concentración del nucleófilo no influye en la velocidad de la reacción.

velocidad = k (bromuro de t-butilo)

Al contrario que el mecanismo SN2, el mecanismo SN1 es un proceso en dos etapas. En la primera se genera un carbocatión y

en la segunda se produce el ataque rápido del nucleófilo al carbocatión. El carbocatión es un electrófilo muy fuerte y

reacciona rápidamente tanto con nucleófilos fuertes como con nucleófilos débiles, lo que explica que el H2O sea capaz de

sustituir al bromo en el bromuro de t-butilo. El mecanismo SN1 que explica la formación del alcohol t-butílico es el siguiente:

Paso 1: Formación del carbocatión (paso determinante de la velocidad)

Br

CH3

CH3 CH3

CH3

CH3 CH3

+ Br(etapa lenta)

Paso 2: Ataque del nucleófilo al carbocatión

CH3

CH3 CH3

+ O

H

HCH3

CH3 CH3

O+

H

H

(etapa rápida)

Paso 3: Pérdida de protón

CH3

CH3 CH3

O+

H

H

(etapa rápida)+ Br

CH3

CH3 CH3

OH

+ HBr


191

El primer paso de la reacción, la formación del carbocatión, es muy endotérmico y su gran energía de activación determina la

velocidad general del proceso. Por el contrario, el segundo paso de la reacción es muy exotérmico y su estado de transición tiene una energía relativamente baja: el nucleófilo reacciona con el carbocatión tan pronto como se forma.

El segundo paso de la reacción determina la estructura del producto pero no influye en la velocidad del proceso. Si en la mezcla de reacción existen varias especies nucleofílicas se establecerá una competencia entre ellas por la captura del

carbocatión y en consecuencia se podrá obtener una mezcla de productos de sustitución.

Sin embargo, la velocidad a la que se formarán los diferentes productos de sustitución no dependerá del tipo de nucléofilo

presente en la mezcla reactiva sino del tipo de carbocatión que se forme en el primer paso del mecanismo.

Las variables de la SN1.

Efectos de la estructura del sustrato en la SN1.

Los halogenuros de alquilo más sustituidos son más reactivos en la SN1 que los menos sustituidos. A continuación, se indican

las velocidades relativas para la reacción de sustitución, en condiciones SN1, de una serie de bromuros de alquilo para la

reacción:

R Velocidad relativa

CH3- 1

CH3CH2- 1

(CH3)2CH- 12

(CH3)3C- 1.2x106

De la tabla anterior se deduce que el orden de reactividad de los haluros de alquilo, y en general de cualquier sustrato que

contenga un buen grupo saliente, en un proceso SN1, es:

3° > 2° >>> 1° > CH3+

Como se puede observar, el orden de reactividad de los sustratos, en un proceso SN1, es el mismo que el orden de estabilidad de los carbocationes. Esto se debe a que el paso que determina la velocidad de un proceso SN1 es el paso que genera el

carbocatión.

Efectos del grupo saliente en la SN1.

En las SN1 el nucleófilo no participa en la etapa de formación del carbocatión, que es la que determina la velocidad, pero el grupo saliente está siendo desplazado en esta etapa. Por lo tanto, la SN1 necesita de un buen grupo saliente por las mismas

razones que lo necesita la SN2.

Un buen grupo saliente ayuda a estabilizar la energía del estado de transición, estabilizando la carga negativa que se

desarrolla en este punto del mecanismo.

Los buenos grupos salientes son las bases débiles, o sea los mismos grupos que son buenos grupos salientes en los procesos SN2. Por tanto, la clasificación de los grupos salientes anteriormente señalada es de aplicación también en las SN1.

Efectos del solvente en la SN1.

La SN1 ocurre más rápidamente en solventes polares que sean capaces de solvatar a los iones puesto que en el paso

determinante de la velocidad de la SN1 se forman iones. Los solventes polares, como el agua y los alcoholes, solvatan eficazmente a las especies cargadas y por tanto disminuyen la energía de los iones y, en consecuencia, disminuyen también

la energía del estado de transición que los genera.


192

Solvente Nombre Constante dieléctrica Velocidad relativa

H2O Agua 81 8000

CH3OH Metanol 33 1000

CH3CH2OH Etanol 24 200

CH3COCH3 Acetona 23 1

CH3CH2OCH2CH3 Éter dietílico 4 0.001

CH3(CH2)4CH3 n-Hexano 2 < 0.0001

De la tabla anterior se deduce que la formación del carbocatión t-butilo es muy rápida en los disolventes muy polares (los

que tienen mayor constante dieléctrica). Por ejemplo, la formación del carbocatión t-butilo es 8.000 veces más rápida en

agua que en acetona y 1.000 veces más lenta en éter etílico que en acetona.

Estereoquímica de la reacción SN1.

El átomo de carbono de un carbocatión presenta

hibridación sp2 , con los grupos enlazados a este

átomo ordenados en un plano y con un orbital p vacío

perpendicular a dicho plano. El carbocatión puede ser

atacado desde el lado que dejó el grupo saliente, lo

que produce retención de la configuración, o desde el

lado opuesto, lo que produce inversión de la

configuración.

C

R1

Br

R3

R2

C R1R3

R2

Nu

C

R1

Nu

R3

R2

C

R1

Nu

R3

R2

50% retención

50% inversión

Se podría esperar que el ataque de un nucleófilo a un carbocatión diera lugar a cantidades iguales del producto de retención

de la configuración y del producto de inversión de la configuración, y en consecuencia se obtendrían mezclas racémicas

cuando las reacciones SN1 tuvieran lugar sobre sustratos que contuviesen un sólo carbono estereogénico enlazado al grupo

saliente. En ocasiones este es el caso.

Sin embargo, en muchas reacciones SN1 se observa un ligero exceso del producto resultante de la inversión de configuración, como en el ejemplo que se da a continuación:

Esto es debido a la elevada reactividad del carbocatión, una especie altamente electrofílica. Si el nucleófilo ataca rápidamente al carbocatión no da tiempo a que el grupo saliente abandone la proximidad del sustrato y se puede encontrar

con uno de los lóbulos del orbital parcialmente bloqueado por la presencia del grupo saliente. En estos casos es más probable que el carbocatión sea atacado por el lóbulo contrario, que está libre de impedimento estérico, dando lugar a una

mayor proporción del producto de inversión de configuración.

D

H

Br

H

CH3OH D

H

OCH3

H + D

HOCH3

H

cis (40%) trans (60%)

(producto de retención) (producto de inversión)


193

En la siguiente figura se representa la situación del impedimento estérico de uno de los lóbulos de un carbocatión generado a

partir de un bromuro de alquilo:

C

R1

Br

R3

R2

C R1R3

R2

Nu

C

R1

Nu

R3

R2

C

R1

Nu

R3

R2

50% retención

50% inversión

Bromuro quiral

Br

Via bloqueada por el bromuro

via no impedida

<

> Transposiciones de carbocationes en las SN1.

Cuando el 2-bromo -3-metilbutano se calienta a reflujo en etanol se obtiene una mezcla de 2-etoxi-3-metilbutano y de 2-etoxi

-2-metilbutano: Br

CH3CH2OH

reflujo

OCH2CH3 OCH2CH3

+

2 - bromuro - 3 - metilbutano 2 - etoxi - 3 - metilbutano 2 - etoxi - 2 - metilbutano

(menor producto) (mayor producto)

El 2 -etoxi-3-metilbutano es el producto que se espera de un proceso SN1. Sin embargo el producto que se forma, responde a

una transposición previa de hidruros, para buscar el carbocatión más estable. El mayor producto se forma como

consecuencia de una migración 1,2 de hidruro. La fuerza impulsora de la reacción es la formación de un carbocatión

terciario, mucho más estable que un carbocatión secundario. Estos procesos de transposición son bastante comunes, de

hecho las migraciones 1,2 de hidruro son una de las reacciones más rápidas que se conocen en Química Orgánica.

Las transposiciones no son exclusivas de los hidruros. Los grupos alquilo, como el metilo también pueden migrar con el par de electrones de enlace (migración 1,2 de metilo). Por ejemplo, cuando el 1 -bromo -2,2-dimetilpropano se calienta en etanol a

reflujo se obtiene el 2- etoxi-2-metilbutano, la formación de este producto se explica por la transposición 1,2 de metilo. El

desplazamiento del metilo ocurre al mismo tiempo que el bromuro está saliendo del sustrato, de modo que al final del

proceso de transposición se genera un carbocatión terciario. El ataque nucleofílico del etanol seguido de pérdida de protón, lleva al producto de la reacción.

CH=CH2

H2O

H2SO4

OH

OH

C

A

B

Por otro lado las transposiciones tampoco son exclusivas de las reacciones SN1. En cualquier proceso en el que intervengan carbocationes son posibles las reacciones de transposición, ya sea mediante la migración de hidruro, la migración de metilo

o en general de cualquier grupo alquilo cuya transposición origine un carbocatión más estable. Por ejemplo, la reacción de


194

hidratación del alqueno A no da lugar al compuesto B, que sería el compuesto que se debería obtener en un proceso normal

de hidratación, sino al alcohol ciclohexánico C.

8.3.2. Comparación entre las reacciones SN2 y SN1.

A continuación se da una tabla comparativa entre las principales características de los mecanismos SN2 y SN1

SN2 SN1

Cinética Segundo orden Primer orden

Estereoquímica Inversión Mezcla de inversión y retención

Sustrato CH3X >> 1° > 2° 3°>> 2°

Nucleófilo Se necesita un nucleófilo fuerte Los nucleófilos débiles son los adecuados

Grupo saliente Se necesita un buen grupo saliente Se necesita un buen grupo saliente

Solvente Amplia variedad de solventes Solvente ionizante

Transposiciones No son posibles Comunes

8.3.3. Reacciones de Eliminación beta (β)

Los halogenuros de alquilo, no sufren sólo reacciones de sustitución nucleofílica por los dos mecanismos anteriormente

explicados. Dependiendo de las condiciones del medio de reacción, también es posible observar la formación de una serie de

olefinas, como productos de la deshidrohalogenación. Estas reacciones de eliminación, denominadas eliminación beta,

también transcurren a través de dos mecanismos diferentes, que se hallan en competencia con las reacciones de sustitución

nucleofílica. H

X

- HX

X = halógeno o un buen grupo saliente

Se designa carbono α al átomo de carbono sobre el cual está ubicado el sustituyentye X, y como carbono β al átomo de

carbono del cual se pierde el protón.

8.3.3.1. Eliminación unimolecular (monomolecular). El mecanismo E1.

Cuando el bromuro de t-butilo se calienta en etanol a reflujo se obtiene una mezcla formada por t-butil etil éter y 2-

metilpropeno.

BrEtOH

rf

OEt +

t - butiléter 2 - metilpropeno

(producto SN1) (producto E1)

El éter es el producto de la SN1. En cambio la formación del alqueno se explica mediante un proceso de eliminación denominado E1 (Eliminación Unimolecular o monomolecular). El término unimolecular o monomolecular significa que el estado

de transición de la reacción del paso que determina la velocidad general del proceso, implica una única molécula en vez de un

choque entre dos moléculas. El paso que determina la velocidad de una E1 es el mismo que el que determina la velocidad de una SN1: la formación del carbocatión. La diferencia entre una SN1 y una E1 se establece en el segundo paso y se explica por el

comportamiento dual del nucléofilo, éste:


195

Puede actuar como nucleófilo, atacando al carbocatión y dando lugar al compuesto resultante de un proceso SN1.

Puede actuar como una base, capturando un protón de uno de los átomos adyacentes, al carbono que soporta la carga positiva, lo que da lugar a una olefina mediante el proceso E1.

El mecanismo de la reacción de eliminación E1 sigue la regla se Saytzeff y es como siguie:

Paso 1: Formación del carbocatión

Br + Br (paso lento del proceso)

Paso 2: Ataque básico del nucleófilo (disolvente) (reacción E1)

+CH3CH2OH

CH3

CH3

H

H

H

CH3

CH3

H

H

+ CH3CH2OH2

C CH

H CH3

CH3

H

carbocatión

enlace (Csp3 - H1s)

Csp2

orbital p vacío

Csp3

B :

C CH

HCH3

CH3

alqueno

B H+

Cuando la base ataca al carbocatión el átomo de carbono adyacente al carbono catiónico tiene que experimentar un cambio

de hibridación de sp3 a sp2. El cambio de hibridación permite el solapamiento de orbitales y en consecuencia la formación del

nuevo enlace .

La reacción de eliminación E1 tiene un perfil de energía potencial similar al de una reacción SN1. El paso de formación del

carbocatión es muy endotérmico, con un estado de transición que es el que determina la velocidad de la reacción.

El segundo paso es una desprotonación rápida y exotérmica. La base no participa en el paso que determina la velocidad del proceso, por lo que ésta sólo depende de la concentración de halogenuro de alquilo.

Por otro lado, las reacciones E1 de los haluros de alquilo serán más rápidas en solventes polares que en no polares y deben

ser aceleradas por adición de sales e iones no comunes. Tambiuén se ha establecido que la eliminación unimolecular, aún más que la sustitución unimolecular, es favorecida por una ramificación en el átomo de carbono β.

8.3.3.2. Eliminación bimolecular. El mecanismo E2.

Cuando el bromuro de t-butilo reacciona con metóxido sódico (NaOMe) en MeOH se obtiene el 2-metilpropeno. No se observa la formación del t-butil metil éter, que sería el producto resultante de la reacción SN2, porque el bromuro de t-butilo es un

haluro terciario y está estéricamente bloqueado hacia un proceso de sustitución de tipo SN2.

Br + MeONaMeOH

+ NaBr + MeOH

bromuro de ter - butilo 2 - metilpropeno


196

El producto que se forma en el proceso, el 2-metilpropeno, es el resultado de la eliminación formal de HBr. En esta reacción

el anión metóxido reacciona como base y no como nucleófilo. En lugar de atacar al carbono que soporta el grupo saliente, el metóxido captura un protón de uno de los grupos metilo. Esta reacción se lleva a cabo en un solo paso, pues el bromuro

resulta eliminado del sustrato al mismo tiempo que la base captura al protón. A este mecanismo de eliminación se le conoce como E2, (Eliminación Bimolecular).

La formación del 2-metilpropeno mediante el mecanismo E2 se indica a continuación:

H

H H Br

CH3

CH3

CH3O

E2

H

H Br

CH3

+ Br + CH3OH

La velocidad del proceso es proporcional a las concentraciones tanto de haluro de alquilo como de base:

v = k((CH3)3CBr)(CH3O-)

La ecuación cinética es de segundo orden, y tanto la base como el haluro de alquilo participan en el estado de transición. Al

igual que el proceso SN2, la reacción de eliminación E2 es un proceso concertado: la ruptura y la formación de enlaces tienen

lugar al mismo tiempo.

Los mecanismos concertados necesitan requerimientos estructurales específicos para que puedan tener lugar. Los orbitales

de los enlaces que se están formando se tienen que solapar con los orbitales de los enlaces que se están rompiendo. En el

estado de transición del mecanismo la densidad electrónica que forma el enlace C-H debe comenzar a solaparse con el

orbital que está dejando libre el grupo saliente.

Cuando salen el hidrógeno y el halógeno, los orbitales sp3 cambian su hibridación a orbitales p, y para que éstos se puedan

solapar los dos orbitales sp3 deben estar paralelos. Esto requiere que la conformación que debe adoptar el hidrógeno y el

grupo saliente sea anti-coplanar, que es la que se indica a continuación:

H

X

H

X

Las interacciones de eclipsamiento y las interacciones estéricas y electrónicas entre la base y el grupo saliente no se dan en el estado de transición anti-coplanar.

Orientación de la eliminación. Regla de Saytzeff.

Muchos haluros de alquilo pueden dar lugar a mas de un alqueno en la reacción de eliminación E2. Por ejemplo, cuando el 2-

bromobutano se calienta en MeOH en presencia de NaOMese obtiene una mezcla de 1-buteno y 2 -buteno.

Br

MeONa

MeOH+

81% 19%

Del ejemplo anterior se deduce que el alqueno mayoritario en la reacción de eliminación E2 es el alqueno más sustituido y esta tendencia es general en este tipo de eliminaciones: la reacción de eliminación E2 de haluros de alquilo con bases poco

voluminosas proporciona mayoritariamente el alqueno más sustituido.


197

Cuando la reacción de eliminación E2 proporciona mayoritariamente el alqueno más sustituido(el 2-buteno en el caso

anterior) se dice que el proceso transcurre con orientación Saytzeff.

Por el contrario, cuando la reacción de eliminación E2 proporciona mayoritariamente el alqueno menos sustituido (el 1-

buteno en la reacción anterior) se dice que el proceso transcurre con orientación Hofmann.

La formación del alqueno más sustituido corresponde a la formación del alqueno más estable. Los grupos alquilo estabilizan

el doble enlace por el mismo motivo que estabilizan a los carbocationes. En el caso de los carbocationes la estabilización se produce por un efecto de llenado del orbital p vacío que interacciona con los orbitales s paralelos de los enlace C-C o C-H.

En el caso de los enlaces dobles la estabilización se produce porque el orbital p* antienlazante del doble enlace, que está

vacío, interacciona con los orbitales s llenos de los enlaces CH o C-C, que estén paralelos, de manera que cuantos más

enlaces C -C o C-H estén unidos a un enlace doble, más interacción y mayor estabilización del alqueno.

El hecho de que los alquenos más estables sean los más sustituidos no explica por qué además son los que se forman más

rápidamente en la reacción de eliminación E2. Para explicar este hecho hay que recurrir al estado de transición de la

reacción de eliminación.

En el estado de transición que conduce al 2-buteno, el grado de sustitución del doble enlace que se está empezando a formar

es disustituido. Por el contrario, en el estado de transición que conduce al 1-buteno se está generando un doble enlace

monosustituido. En consecuencia, el estado de transición que lleva al 2-buteno tiene menos energía que el que conduce al 1-

buteno, y como la reacción es irreversible, el producto mayoritario de la reacción será el que se formará a través del estado

de transición de menor energía.

Si el doble enlace puede existir como mezcla de isómeros E/Z, la relación isomérica dependerá de las interacciones es

téricas en el estado de transición que conducen a cada isómero. Normalmente, está favorecida la formación del isómero con

los grupos más voluminosos situados en lados opuestos del doble enlace (isómero E).

8.3.4. Reacciones de reducción

La reducción de halogenuros de alquilo a alcanos es una transformación frecuentemente requerida en muchas síntesis. El

reactivo más común utilizado para ese propósito, es el Bu3SnH, que actúa a través de un mecanismo de radicales. Debido a la

alta toxicidad de los reactivos de estaño y los problemas de separación de subproductos de estaño formado conjuntamente

los productos orgánicos deseados, se han buscado procedimientos alternativos de reducción, más amigables con el medio

ambiente.

Los halógenos de una molécula orgánica se pueden sustituir por hidrógeno (reducción) de manera directa o indirecta. Así los

procesos reductivos más comunes, son el uso de metales activos en medio ácidos o alcohólicos, las reacciones de

sustitución nucleofílica de haluros, las reducciones con hidruro de litio y aluminio (LiAlH4), la acción directa de la aleación Ni-Al (Niquel – Raney), y la hidrogenación catalítica.

El orden de deshalogenación en los haluros de alquilo va paralelo a la energía del enlace entre el C-halógeno. Siendo por lo

tanto rápida y con aplicación de poca energía para los ioduro de alquilo y sumamente difícil, para los fluoruros. Por otro lado

la reactividad de los haluros de alquilo 1º, 2º y 3º, dependen de los reactivos empleados.

8.3.4.1. Reducción con metales (Método de la disolución de metales). Los haluros orgánicos son reducidos por la

reacción de un metal en presencia o ausencia de donadores de protón. Los metales comúnmente utilizados son los metales

alcalinos (Li, Na, K, aleación de Na-K), los alcalinotérreos (Mg, Ca, Ba) y otros metales como el Zn, Fe, etc.. El método clásico

que utiliza Na o Li en amoníaco líquido (Reducción de Birch) es efectivo para la deshalogenación reductora de haluros de arilo

y vinilo. Este sistema igualmente es utilizado con buenos rendimientos, en la deshalogenación de haluros de ciclopropilo y

haluros bicíclicos con puente.

i. Li o Na en Alcohol. Un método conveniente empleado para la deshalogenación de haluros de alquilo, es el uso del

sistema: Li o Na en alcohol. Este método es efectivo no sólo para la reducción de halogenuros de alquilo simples,


198

sino que también se utiliza para la reducción de halogenuros que contienen enlaces C=C, sin que los mismos sean

afectados

Br

Li, EtOH

30 ºC

Se evita la utilización del NH3 líquido para la deshalogenación de los haluros de alquilo, en razón a que se presentan

competitivamente las reacciones de acoplamiento de los grupos alquilo (reacción de Wurts).

ii. Polvo de Zn en medio ácido o alcohólico. La reducción directa de un haluro de alquilo con cinc metálico y ácido,

implica la sustitución de un átomo de halógeno X por un átomo de hidrógeno. En este proceso el esqueleto carbonado se mantiene intacto. Esta misma reacción puede efectuarse en medio de alcohol y catalizarla con

cloruro de níquel (II), para mejorar los rendimientos.

N

OMeO

Br

Br O

Zn(Cu)

MeOH, NH4Cl

N

OMeO

O

Br

O

Zn

CH3COOH

O

Cl

OH

O

Zn/CH3COOH

OH

O

Cl

Zn/KOH, EtOH

NiCl2

Otro aspecto interesante, que se presenta con el cinc en alcohol y NiCl2, es la deshalogenación parcial de haluros geminales:

Zn/KOH, EtOH

NiCl2

O

Br

Br

O

Br

Cuando las condiciones de reacción son suaves y se

realizan con el sistema Zn/NH4Cl (acuoso), ocurre la

deshalogenación de haluros de alquilo y arilo

Zn

NH4Cl(acuoso)

X : Cl, Br, I, F

R X R H

R: Alquil o aril

El Zn en ácido acético no afecta a los compuestos α, β -insaturado CO

I

O

R2

R1

Zn

CH3COOH

O

R2

R1

(90%)

8.3.4.2. Deshalogenación por hidrogenación catalítica. Se puede afirmar que la mayoría de los sistemas de

hidrogenación catalítica, son capaces de abstraer el halógeno de los haluros de alquilo y arilo y sustituirlos por hidrógeno, como puede evidenciarse en los siguientes casos:

Deshalogenación con el sistema H2/Pd/C y otros. Este

sistema, es también eficaz para reducir haluros de alquilo o

cicloalquilo.

b)

O

Br

OCH2Ph

Br

AcO

AcO

H2/Pd - C

EtOH

O

OCH2PhAcO

AcO


199

O

F

AcO

H2

Pd - C

O

AcO

La reacción de un haluro de alquilo o arilo, con H2, catalizado por dicloruro de paladio fijado sobre la superficie de un polímero, poli (N-vinil-2-pirrolidona) (PVP-PdCl2), presenta una alta actividad catalítica para la reducción de haluros

orgánicos a presión atmosférica normal y en presencia de una base. (Zhang Yiping, Shijian Liao y Xu Yun 1994).

R X

PVP - PdCl2, base, EtOH

60ºC, presión normal+ H2 R H

R = Alquil, Aril

Deshalogenación catalizada por platino. Se separa el halógeno y no puede impedirse la saturación del alqueno hasta llegar al cicloalcano.

Br

H2, Pt

25ºC + HBr

Reducción con Niquel–Raney. El uso directo de esta aleación en medio básico, es capaz de separar los halógenos de los

compuestos alifáticos y aromáticos, sin necesidad de una fuente de H2. Este reactivo ha sido utilizado como catalizador en la

reducción de bromuros y ioduros de alquilo, así como en la reducción de cloruros bencílicos.

H2 ( 760 mmHg), Niquel- Raney

KOH, EtOH

O

OH

OH

OMeO

OH

OH

OMe

Cl

O

Br

OCH3

OH

H2

Ni - Raney

O

OCH3

OH

Reducción con hidruros de cobre (CuH). Otro metal utilizado con mucha frecuencia es el Cu. El sistema reductor se

prepara con CuI y LiAlH(OMe)3, que origina in situ, a temperatura ambiente el hidruro cuproso (CuH) necesario para la

reducción de los haluros. Otras variantes de estos sistemas reductores que también proporcionan CuH, son las siguientes:

LiCuH(n-C4H9), (KCuH2)n, LinCuH(n+1), utilizando como solvente THF. El sustrato en estos procesos de reducción mantiene su estructura sin ninguna variación, lo que no ocurre por ejemplo en la reducción de alcoholes o sus ésteres tosilatos.

Br

H LiAlD(OMe)3 - CuI

D

HLiAlD(OMe)3

-CuI

H

OTs


200

H

BrLiAlD(OMe)3 - CuI

H

DLiAlD(OMe)3

-CuI

OTs

H

8.3.4.3. HI catalizada por P4 (rojo).

Actúa sobre haluros de alquilo 1º y 2º. I2 HI

P4+ HI + I2

8.3.4.4. Reducción con cianoborohidruro de sodio (NaBH3CN). Los haluros de alquilo 1º y 2º, pueden ser reducidos al

alcano correspondiente con NaBH3CN, disuelto en Hexametilfosforico triamida (HMPA), este mismo sistema puede también

reducir a los tosilatos, ésteres de los alcoholes a los correspondientes alcanos.

I

NaBH3CN

HMPA, 70ºC Br

NaBH3CN

HMPA, 70º NaBH3CN

HMPA, 70º

Cl

La selectividad superior de esta reacción de desplazamiento reductor se demuestra por la inercia de casi todos los otros

grupos funcionales como éster, amida, nitro, cloro, ciano, alqueno y aldehídos al reactivo utilizado. Esta selectividad se vuelve

aún más pronunciada cuando se utiliza cianoborohidruro de tetrabutilamonio.

O

Br

O

NaBH3CN

HMPA, 70º

O

O

NaBH3CN

HMPA, 70º

Br

NaBH3CN

HMPA, 70º

Br

O2N O2N

NaBH3CN

HMPA, 70º

O

Cl

H HOH H

NaBH3CN

HMPA, 70º

Br CNCN


201

8.3.4.5. Reducción con Silanos. De hecho, una variedad de derivados del silano han demostrado ser eficaces reductores, no

sólo como donantes de hidruro, sino también como agentes de transferencia de átomo de hidrógeno en reacciones de

radicales. El proceso requiere de un iniciador de radicales y un catalizador. Los iniciadores de radicales tradicionalmente

utilizados, se los consigue a través de la termólisis de varios peróxidos, como puede verse en la tabla 6. Se han desarrollado varios iniciadores de radicales modernos, para mejorar los rendimientos de las síntesis, de los cuales se mencionan a un

grupo importante de compuestos:

Tabla No 20. Iniciadores de radicales modernos

No Acrónimo Nombre t1/2

1 AIBN 2’,2’-azobisisobutironitrilo 1 h a 81 ºC

10 h a 65 ºC En tolueno

2 AMVN 2’,2’–azobis–(4–metoxi)–3,4-dimetil valeronitrilo 1 h a 56 ºC 10 h a 33 ºC

En tolueno

3 APPH 2’,2’-azobis-(2-metilpropionamidina)dihidro clorhídrico 10 h a 56 ºC en agua

N N

CNCN

AIBN

N NOMe

CNCN

MeO

AMVN

N N

NH

NH2

NH2

NH. 2 HCl

APPH

Trietilsilano (Et3SiH). Halogenuros de alquilo primario, secundario y terciario RX (X = Cl, Br o I) saturados, se reducen a los

correspondientes alcanos RH, con rendimientos esencialmente cuantitativos con trietilsilano, reflujando con hexano o

ciclohexano en presencia de un iniciador de radicales y un catalizador adecuado como un alcanotiol (RSH). La reducción del

6-bromohexeno forma una mezcla de isómeros, el 1-hexeno y el metilcicloplentano

+Et3SiH, n - hexano

(AIBN), EtSH

Br

En cambio, la deshalogenación del 4-bromobutanoato de etilo, transcurre con la sustitución del bromo por H, sin que el grupo éster (–COOEt) sea afectado y se forme el butanoato de etilo.

OEt

O

Br

Et3SiH, n - hexano

(AIBN), EtSH

OEt

O

H

Si la deshalogenación de haluros de alquilo o arilo con trietilsilano, se lleva a cabo con la catálisis de PdCl2 en condiciones suaves, la reducción es más eficaz y la presencia de otros grupos funcionales como éteres o ésteres no interfieren en el

resultado de la reacción.

R X

Et3SiH

PdCl2

R H

X : Cl, Br ó I R: Alquil, aril


202

Los trieetilsilanos, también son catalizados por ácidos de Lewis, para mejorar los rendimientos de la reducción:

Et3SiH

AlCl3

Cl (87%)

R X

Et3SiH/AlCl3

0 - 40 ºCX = Cl, Br, I ó F

R H

BrEt3SiH

AlCl3

Reducción de haluros con hidrosilanos catalizada por sales de Indio. Los hidrosilanos acompañados por la acción

catalítica del acetato de indio, producen la deshalogenación de los haluros de alquilo, esta reacción de reducción procede por

radicales, la misma ha sido comunicada por: K. Miura, M. Tomita, Y. Yamada, A. Hosomi, J. Org. Chem., 2007, 72, 787-792.

R X + PhSiH3

0.2 eq In(AcO) 3

0.2 eq. Et 3B ( 1 M en Hexano)

aire (10 ml/mmol R- X)/N2

R H

X : I, Br R : Alquil

8.3.4.6. Reducción con hidruro de diisobutilaluminio (DIBAL). Los bromuros de alquilo secundarios se reducen con

hidruro de diisobutilaluminio y cloruro de etilmagnesio, en presencia de catalizadores de Pd metálico con difosfina (H2PPH2).

Extrañamente, complejos de paladio y fosfina generados

por otros medios no son viables como catalizadores para

la reacción en ausencia de DIBAL y cloruro de

etilmagnesio.

Br

DIBAL, EtMgBr

Pd/ H2PPH2

8.3.4.7. Agentes reductores derivados de Indio.

Acetato de indio: In(AcO)3 . En cambio el acetato de indio, se utiliza como catalizador en la reducción de bromo y

yodoalcanos con PhSiH3 en THF a 70º C con rendimientos altos en la formación de alcanos en presencia de Et3B y aire.

Asimismo se ha probado la acción de la 2,6-lutidina como aditivo, permitiendo una reducción eficaz de iodoalcanos simples y

funcionalizados en EtOH. Finalmente también se probó que el GaCl3 resultó ser un catalizador eficaz para la reducción de

haloalcanos con poli (metilhidrosiloxano).

Tabla No. 21 Reducción de haluros con PhSiH3 cat. por In(AcO)3.

Sustrato X % Sustrato X %

Ph X Br 91

Ph O

O

X

Br 82

I 90 I 93

X

Br 86

X

11

Br 93

I 90 I 81

Cl 36

8.3.4.8. Reducción con resina de intercambio de borohidruro (BER). La resina de intercambio de borohidruro (BER)

combinada con sales de níquel, como por ejemplo acetato de níquel BER–Ni(AcO)2 es un excelente agente quimioselectivo

para la reducción de halogenuros de alquilo y arilo y grupos nitro en presencia de muchos otros grupos funcionales sensibles a otros reductores, tales como epóxidos, ésteres, amidas, y olefinas.


203

BER / Ni(AcO)2

MeOH, 65 ºC, 1h

Br

Br BER / Ni(AcO)2

MeOH, reflujo, 3h

(95%)

8.3.4.9. Reducción con Ioduro de Samario (SmI2). Los haluros de alquilo, alquenilo y arilo, pueden sufrir sustitución de

sus átomos de halógeno, por hidrógeno, cuando estos haluros se hacen reaccionar con yoduro de samario (II) en presencia

de un alcohol, como solvente y donador de protón y como co-solvente HMPA.

R1

R

X

SmI2

R2OH

R1

RX = halógeno, -SO2Ar

Preparación: Sm + ICH2I SmI2 + CH2=CH2

THF

Solventes: HMPA, TPPA

SmI2

R2OH

X

O

Y X

O

H

X = R, OR

Y = -OH, -OR, -OOCR, -haluro, -OSiR3

El THF, es uno de los disolventes, que permite que la reducción transcurra a través de intermediarios radicales. El HMPA

utilizado como co-solvente, normalmente coadyuva a la formación de mayor producto. Un probable mecanismo de la reacción

puede ser el siguiente:

R XSmI2

R

SmI2RSmI2

R X

R H+ SmI2X

-SmI2XR = Alquil

solv - H

- SolvR = Aril, Alquenil

Los haluros de alquilo son reducidos por ioduro de Samario. Las condiciones de la reducción son compatibles con una

variedad de grupos funcionales, incluyendo alcoholes, arenos, alquenos y ésteres.

8.3.4.10. Reducción con éster de Hantzch, por catálisis fotoreductiva. Un método de reducción conveniente de haluros

de alquilo, que no utilice el estaño en dicho propósito, lo constituye la fotoreducción de un haluro de alquilo. La transferencia electrónica se produce por la acción catalítica de la radiación y Ru(bpy)3Cl2. Como fuente de hidrógeno se utiliza el ácido

fórmico o el éster de Hantzch.

El ester de Hantzsch, es una buena fuente de hidruros, en cantidades moderadas,

para reacciones quimioselectivas. NH

EtOOC COOEt

R R1

X

hv (14 w fluorescente bulb)

2.5 mol%, Ru(bpy)3Cl22 - 10 eq. DIPEA

10 eq HCOOH, o 1.1. eq. Hantzsch ester

DMF, r.t. 4 - 24 h

R R1

X Br, Cl R : Ar, COR"


204

Este nuevo método de reducción de haluros alifáticos y de areno, corresponde al trabajo realizado por J. M. R. Narayanam, J.

W. Tucker, C. R. J. Stephenson, J. Am. Chem. Soc., 2009, 131, 8756-8757.

8.3.4.11. Reducción con Hidruro de litio y aluminio (LiAlH4). Debido a que casi todos los grupos funcionales, son afectados

por el LiAlH4, el desplazamiento de los halógenos de las estructuras alquílicas por hidruros, es directa y fácil para el LiAlH4.

R XLiAlH4

THFR H

Br

Br

OEt

O

LiAlH4

THF

OH

O

O

N

O

F

F

LiALH4 , AlCl3

Et2O

O

O

N

8.3.4.12. Reducción con NaBH4/DMSO. A diferencia del LiAlH4, el borohidruro de sodio, no reduce ésteres, amidas, ácidos carboxílicos, haluros de alquilo, nitrilos, nitroderivados, oximas, epóxidos, tosilatos y acetilalcoholes. Sin embargo el NaBH4 en

solventes apróticos como el DMSO, reduce cuantitativamente los haluros alifáticos y aromáticos en presencia de muchos

otros grupos funcionales, tales como hidroximetil, fenol, éster, ciano y grupos amino.

Cl

NaBH4

S

O

O

8.3.5. Reacciones acoplamiento. Las reacciones de acoplamiento de los halogenuros de alquilo, se observan en las

reacciones de Wurtz, la síntesis de Corey–House y la reacción de Heck y otras reacciones de acoplamiento. De éstas, ya

estudiadas en capítulos anteriores, las que presentan mayor interés para el químico que busca formar enlaces C –C, son las

siguientes:

a. Síntesis de Corey-House:

R2CuLi + R'X RR'

R y R' = Alquil, vinil, aril

Cl

+ Ph2CuLi

+Br

(CH3COOCH2CH2)2CuLi

(CH2)3COOCH3

ClCp2CuLi

+

b. Reacción de Heck:

RX +

R'

H H

HPd(0)

Base

R'

H R

H

R, R' = aril, vinil, alquil

+

Ph

H H

HPd(Ac0)2

Base

Ph

H

HBr

+Ph Pd(Ac0)2

BaseBr

Ph

Ph

Ph


205

c. Reacción de Suzuki:

RX + R'B(OH)2PdLn

baseRR'


Br

+

(HO)2BNi(cod)2

t - BuOK

s -Butanol

n - Hex9 -BBN

n - Bu

I

+

Pd(PPh3)4

K3PO4, dioxano

60° C

n - Bu

n - Oct

d. Reacción de Stille:

RX + R'SnBu3

PdCl2

baseRR'


Bu3Sn

+Br

n - Oct

PdCl2

t - BuONa

Me3Nn - Oct

+Br

n - Pent

PdCl2SnBu3

basen - Pent

e. Reacción de Negishi.

RZnX + R'X

Pd-catalizador

baseRR'


X = halógeno, triflato

+

Ph

O

IZnBr

n - Bu

Ni(acac)2

THF/NMP

n - HexPh

O

+Br

Znn - Pent

Pd2(dba)3

base6

Br

PhPh

8.3.6. Formación de compuestos organometálicos

Los halógenos de los haluros de alquilo, pueden ser desplazados por la

acción de un metal como el Li, Na, K, para formar compuestos

organometálico con un enlace fuertemente polar, que en general son

utilizados como reactivos importante en la síntesis orgánica.

ClM

M

M = Li, Na y K

En cambio el Zn y el Mg, forman reactivos especiales que también tienen muchas aplicaciones, en síntesis orgánica. El

reactivo de Refortmasky RZnX y el reactivo de Grignard RMgX. Donde X = Br, Cl o I y R = alquilo 1°, 2°, 3°, arilo o vinilo.

Los reactivos organometálicos son una fuente de carbono nucleofílico, y por lo tanto de gran utilidad en la química orgánica

sobre todo en síntesis. Recuérdese que hasta ahora siempre se ha visto al carbono en sus compuestos estudiados como un

centro electrófilo. Puesto que los metales son elementos electropositivos, los enlaces metal-carbono pueden tener un alto

grado de carácter iónico. Es decir, las estructuras resonantes dipolares contribuyen a menudo de forma importante a las estructuras de estos compuestos.

[R-M ↔ R-M+] = δ-R-Mδ+

El grado de covalencia de este género de enlaces metal-carbono depende considerablemente del metal y se relaciona con la

electronegatividad del mismo. Los compuestos organometálicos de los metales alcalinos pueden ser considerados simplemente como sales iónicas del catión metálico alcalino y el correspondiente anión orgánico denominado carbanión.


206

Muchos de los compuestos organometálicos se descomponen con el agua; no obstante, son solubles en varios disolventes

orgánicos apróticos. Los disolventes típicos son los éteres y los alcanos. Hay un elevado número de compuestos organometálicos usados en síntesis orgánica, debido a su solubilidad en disolventes adecuados y a su reactividad extrema, no

se purifican normalmente y se hace uso de sus disoluciones sin aislamiento previo (in situ).

8.3.6.1. Reactivo de Grignard

Los halogenuros orgánicos de muy variadas estructuras, -de alquilo, de arilo y vinílicos- reaccionan con magnesio

metálico en éter o tetrahidrofurano (THF) como disolvente para producir halogenuros de alquil-magnesio, RMgX. Estos

productos, llamados reactivos de Grignard en honor a su

descubridor, Víctor Grignard, son ejemplos de compuestos

organometálicos, ya que contienen un enlace carbono-metal.

R X + MgEter (ó)

THFR Mg X

Donde R = alquilo 1º, 2º o 3º, arilo o alquenilo; X = Cl, Br o I.

BrMg

MgBr

Bromobenceno Bromuro de fenilmagnesio

Cl

Mg

éter

MgCl

2-Clorobutano Cloruro de sec-butilmagnesio

Muchas clases de halogenuros orgánicos forman reactivos de Grignard. El impedimento estérico en los halogenuros no

parece ser un factor determinante en la formación de los reactivos de Grignard, dado que reaccionan fácilmente

halogenuros de todo tipo, sean primarios, secundarios o terciarios. Los halogenuros de arilo y de alquenilo también

reaccionan, aunque en estos casos es mejor usar tetrahidrofurano como solvente. El halogenuro puede ser Cl, Br o I, aunque

los cloruros son algo menos reactivos que los bromuros y los yoduros. Los fluoruros orgánicos rara vez reaccionan con

magnesio.

Como podría esperarse en base en lo expuesto sobre la electronegatividad y la

polaridad de los enlaces, el enlace carbono-magnesio está altamente polarizado, lo

cual hace al átomo de carbono nucleófilo y básico:

C

MgX

sitio básico y nucleófilo

En sentido formal, puede considerarse que un reactivo de Grignard es un anión de carbono o carbanión; es decir, la sal de

magnesio de un hidrocarburo ácido. Sin embargo es más exacto considerar que los reactivos de Grignard contienen un

enlace C-Mg covalente altamente polar y no un enlace iónico entre C y X

Debido a su carácter nucleófilo/básico, los reactivos de Grignard reaccionan tanto con ácidos como con una amplia variedad de electrófilos. Por ejemplo, reaccionan con dadores de protones (ácidos de Bronsted) como H2O, ROH, RCOOH o RNH2, para formar hidrocarburos. La secuencia total es un método sintético útil para transformar un halogenuro de alquilo en un alcano. R-X → R-H. También reaccionan con compuestos carbonílicos para dar alcoholes, R-CO-R’ → R-CH(OH)-R’.

Br7

1) Mg/éter

2) H2O 7

O1) CH3MgBr

2) H3O+

OH

1-Bromodecano Decano (85%) Propanona ter-Butanol

8.3.6.2. Reactivos de alquil lito y otros.

Es posible obtener otros reactivos organometálicos

de manera semejante a como se hace para los

reactivos de Grignard. Por ejemplo, los compuestos de alquil-litio pueden producirse por reacción de un

halogenuro de alquilo con litio metálico.

Br

2 Li

PentanoLi + LiBr

1-Bromobutano Butil-litio


207

Los compuestos de alquil-litio son tanto nucleófilos como bases, y su comportamiento químico es semejante en muchos

aspectos al de los halogenuros de alquil-magnesio. Como los compuestos organolíticos son más difíciles de manejar, se prefiere el uso de los reactivos de Grignard en el caso de adiciones sencillas a compuestos carbonílicos. Sin embargo, la

mayor reactividad de los reactivos organolíticos permite su adición a grupos carbonilo bastantes impedidos, con buenos rendimientos.

Otros compuestos organometálicos como los organosódicos y organopotásicos; son tan reactivos que rara vez se utilizan para adiciones a grupos carbonilos. Deben ser manejados con sumo cuidado, pues reaccionan con éteres y pueden

inflamarse espontáneamente en contacto con el aire.

En cambio, los compuestos organocíncicos (organocinc) son no demasiado reactivos, por lo que dan lugar a reacciones muy

selectivas. Así, mientras que los reactivos de Grignard reaccionan fácilmente con ésteres, los derivados de cinc son

prácticamente inertes frentes a ellos, aunque, sin embargo, se adicionan al grupo carbonilo de aldehídos y cetonas

Br

O

C2H5

O

+ Znbenceno BrZn

O

C2H5

O

1) C6H5CHO

2) H3O+

C6H5O

C2H5

OH O

Bromoacetato de etilo Bromocincacetato de etilo 3-Fenil-3-hidroxipropanoato de etilo (64%).

Esta selectividad se utiliza en la reacción de Reformatsky. Se prepara el derivado organocíncico de un α-halogenoéster y

se adiciona a continuación sobre un compuesto carbonílico. La reacción constituye un método de preparación de β-

hidroxiésteres.

8.3.6.3. Transmetalación.

Los compuestos organometálicos con metales que no sean litio o magnesio pueden prepararse por una reacción nucleófila

del alquil-litio o del reactivo de Grignard con haluros metálicos. Esta transformación se denomina transmetalación ya que

convierte un organometálico en otro.

Transmetalación general R-M + M’-X → R-M’ + M-X

Transmetalaciones:

4 RMgX + SiX4 → SiR4 + 4 MgX2 Tetraalquisilano

2 RMgX + CdX2 → CdR2 + 2 MgX2 Dialquilcadmio

3 RLi + AlX3 → R3Al + 4 LiX Trialquilaluminio

2RLi + CuI → R2CuLi + LiI Dialquilcuprato de litio

RCu + RLi → R2CuLi Dialquilcuprato de litio

8.3.6.4. Reacciones de los compuestos organometálicos

1.- Hidrólisis (obtención de alcanos)

2.- Acoplamiento de halogenuros de alquilo con compuestos organometálicos.

3.- Adiciones nucleofílicas

4.- Adición de compuestos organometálicos a aldehídos y cetonas

5.- Adición de compuestos organometálicos a otros compuestos que contienen carbonilo

6.- Apertura nucleofílica de epóxidos por compuestos organometálicos


208

8.3.6.5. Limitaciones del uso de los reactivos de Grignard

Los reactivos de Grignard son tan sensibles a los compuestos ácidos que cuando se los prepara debe tenerse especial

cuidado en evitar que haya humedad en el aparato y debe utilizarse éter anhidro como disolvente, entonces no es posible

prepara uno de estos reactivos a partir de un grupo orgánico que contenga un hidrógeno ácido; y por hidrógeno ácido debe entenderse a cualquier hidrógeno más ácido de los hidrógenos de un alcano o alqueno. Así no es posible preparar un

compuesto de Grignard a partir de un compuesto que contenga OH-, NH-, SH-, -COOH, -SO3H.

En general, los reactivos de Grignard no se pueden preparar a partir de

halogenuros de alquilo que contengan los siguientes grupos funcionales (GF): moléculaBr GF

Donde GF = -OH, -NH2 , -SH. –COOH El reactivo de Grignard se protona con estos grupos

GF: -CHO, -COR, -CONR2, -CN, -NO2, -SO3H El reactivo de Grignard se adiciona a estos grupos

ún los hidrógenos acetilénicos son lo suficientemente ácidos para reaccionar con

los compuestos de Grignard.

Esta limitación puede ser de utilidad para

preparar derivados alquílicos: Ejemplo:

C2H5MgBr

éterMgBr

C2H5CHO

C2H5

OH

8.4. Síntesis de halogenuros de alquilo, alilo y vinilo

8.4.1. Los halogenuros de alquilo, Como ya se vió anteriormente pueden obtenerse mediante halogenación por radicales

de alcanos, pero este método es de poca utilidad general dado que siempre resultan mezclas de productos. Sin embargo la

bromación es más selectiva por los hidrógenos de los carbonos más sustituidos. El orden de reactividad de los alcanos hacia

la cloración y bromación con mayor selectividas, es idéntico al orden de estabilidad de los radicales: terciario > secundario

> primario.

i. A partir de alquenos por adición de HBr, HCl y X2. Los halogenuros de alquilo pueden formarse a partir de alquenos.

Estos últimos se combinan con HX (X = Br, Cl, I), por una reacción de adición electrofílica y cuando se efectúa la adición

con halógeno molecular en CCl4, se forman los dihaluros vecinales anti.

H X

X = Cl, Br

Br

X

X

X2

adición Markovnikov

CCl4 adición vecinal anti

CCl4

HBrBr

HBr

H2O2

Br

CCl4adición Markovnikov

adición anti - Markovnikov

+ Br2

CCl4

Br

Br


209

ii. A partir de alcoholes. Los alcoholes reaccionan con HX para formar halogenuros de alquilo, pero este método sólo

funciona bien para alcoholes terciarios, R3C-OH. Los halogenuros de alquilo primarios y secundarios normalmente se

obtienen a partir de alcoholes usando cloruro de tionilo (SOCl2) o tribromuro de fósforo (PBr3).

El mejor método para producir halogenuros de alquilo es la síntesis a partir de alcoholes. El método más sencillo (aunque generalmente el menos útil) para la conversión de un alcohol en un halogenuro de alquilo consiste en el tratamiento del

alcohol con HCl, HBr o HI:

ROH HX RX H2O (X = Cl, Br o I)+ +

El método funciona bien cuando es aplicado a alcoholes

terciarios, R3C-OH. Los alcoholes secundarios y primarios también reaccionan pero a velocidades menores y a temperaturas de reacción considerablemente altas. La

reacción de HX con un alcohol terciario es tan rápida que a

menudo se efectúa simplemente burbujeando el HX gaseoso

puro en una solución fría de alcohol en éter.

OH

HCl, (gas)

Éter, 0°C

Cl

+ H2O

1 - Metilciclohexanol

(90%)

1 - Cloro - 1 - metilciclohexano

La reacción suele realizarse en unos cuantos minutos. La mejor forma de transformar los alcoholes primarios y

secundarios en halogenuros de alquilo es tratándolos con reactivos como el cloruro de tionilo (SOCl2) en piridina o

tribromuro de fósforo (PBr3) en éter. Estas reacciones normalmente ocurren en condiciones suaves, menos ácidas, y es

menos probable que se ocasionen transposiciones catalizadas por ácido que el método con HX.

O

OH

SOCl2

PiridinaO

Cl

+ SOCl2 + HCl

OH

2 - Butanol

3PBr3

Éter, 35°C

Br

3 + P(OH)3

2 - Bromobutano

Como indican los ejemplos anteriores, los rendimientos de las reacciones con PBr3, y el SOCl2 generalmente son altos. No

suelen interferir otros grupos funcionales como éteres, carbonilos o anillos aromáticos.

iii. Otros métodos de preparación de haluros de alquilo

La reacción de Appel, es un procedimiento que permite obtener a

partir de alcoholes y en condiciones suaves de reacción, haluros de

alquilo con una estereoquímica diferente al alcohol, 1°, 2° o 3° de

partida. En esta reacción se puede utilizar halógeno molecular o el tetrahaluro correspondiente

R1R

OHCCl4, PPh3

X = Br, Cl R1R

X

La reacción de Finkelstein, es otro procedimiento para formar haluros de alquilo, partiendo paradójicamente de otros

haluros de alquilo, es decir que se trata de un desplazamiento de un halógeno por otro,

Se aprovecha la diferente nucleofilia de lo halógenos para este propósito, combinando con la diferencia de solubilidad en los

solventes de trabajo, de las sales alcalinas de haluros: XR

M X'

M X

X'R


210

Esta reacción, en un prinicipio implicaba la conversión de un cloruro de alquilo o bromuro de alquilo a yoduro de alquilo,

mediante tratamiento con una solución de yoduro de sodio en acetona. El NaI es soluble en acetona y el NaCl y NaBr no lo son. La reacción es conducida hacia los productos por acción de masas debido a la precipitación de la sal insoluble, como

puede verse en el siguiente ejemplo:

Br(acetona) + NaI(acetona) I (acetona) + NaBr (s)

La reacción funciona bien para haluros primarios (a excepción del neopentilo) y excepcionalmente bien para haluros de alilo, bencilo y haluros α–carbonilos. Los haluros secundarios son mucho menos reactivos, en cambio los hauros de

vinilo, arilo y terciarios sencillamente no participan de la reacción de Finkelstein.

Reacción de Hunsdiecker. Es una reacción de descarboxilación que permite preparar bromuros de alquilo a partir de

carboxilatos de plata y sigue el siguiente esquema:

OHR

O

O AgR

O

AgNO3

KOH, H2O

Br2

CCl4

R Br + +CO2 AgBr (s)

Las sales dicarboxílicas, también pueden ser descarboxilada por este proceso, para formar dibromo alcanos:

Br2

CCl4

AgO

O

OAg

O

AgO

O

Br

Br2

CCl4

Br

Br

Si se trata el carboxílato de plata con yodo, la descarboxilación culmina en la formación de un éster, esta reacción asume

el nombre de reacción de Simmonini.

Reacción de Kochi. Para formar cloruros de alquilo, se utiliza una variante de la reacción de Hunsdiecker, denominada

reacción de Kochi, en ella la descarboxilación de la sal de plata se la efectúa con tetracetato de plomo y como fuente de

aniones cloruro al LiCl:

OHR

O

R Cl +1) Pb(AcO)4

2) LiCl / -CO2

LiPb(AcO)3 + AcOH

8.4.2. Síntesis de halogenuros de alilo y vinilo

i. Halogenuros de alilo. Los alquenos reaccionan con N-bromosuccinimida (que se abrevia NBS) en presencia de luz, para formar productos que resultan de la sustitución de hidrógeno por bromo en la posición adyacente al doble

enlace (la posición alílica). Por ejemplo, el ciclohexeno se convierte en 3-bromociclohexeno, con un 85% de

rendimiento.

Esta bromación alílica con NBS es muy parecida a la reacción de halogenación de alcanos: En ambos casos se rompe un enlace C-H de un carbono saturado, y el átomo de hidrógeno es reemplazado por un halógeno.

H H

HH

posición

alílicas

N

O

O

Br

(NBS)

Br

N

O

O

H+hv, CCl4

La analogía es adecuada, pues se ha demostrado que las bromaciones con NBS

efectivamente ocurren a través de un mecanismo por radicales. Si bien el mecanismo exacto de la reacción es

complejo, el paso crucial que determina el


211

Ciclohexeno 3-bromociclohexeno (85%) producto implica la sustracción de un átomo

de hidrógeno alílico y la formación del radical correspondiente.

Dependiendo de la estructura del sustrato (alqueno), puede presentarse productos de transposición y para decidir el producto mayoritario, es suficiente recordar que el orden de reactividad para la pérdida de un H, es como sigue:

Alilo > 3° > 2° > 1° > CH3 > vinilo

Así en la bromación del 1-octeno, se tendrán dos productos, siendo el producto traspuesto mayoritario, debido a la

regla de Sayzeft.

4

NBS

Br

4

Br4

+

1 - octeno 3 - bromo - 1 - octeno 1 - bromo - 2 - octeno

producto traspuesto

Por otro lado, la cloración alílica de alquenos, puede efectuarse de manera similar al NBS, con la utilización de NClS

(n-clorosuccinimida), ó el uso de cloruro de sulfurilo (SO2Cl2) en presencia de energía radiante o peróxidos:

+ SO2Cl2

uv ó

peróxidos

Cl+HCl+ SO2

ii. Halogenuros de vinilo. En cambio para la formación de haluros de vinilo, se tiene como sustratos, una variedad de

compuestos que con el reactivo y condiciones de reaccióncion específicos, se pueden transformar en haluros de vinilo.

A partir de cetonas:

R

R1

OP(OPh)3, Br2

CH2Cl2, HNEt2 R

R1

Br

R : Aril, alquil

R1: H, alquil

A partir de alquinos: Los alquinos pueden adicionar HX, para formar halogenuros de vinilo, dihalogenuros de vinilo y

polihalogenuros:

R

HBr

Br2

R

Br

HBr

R

Br Br

R

Br H

Br

adición anti

Br2

R

Br H

BrBr

Br

A partir de alquilfluoroboranos:

R BF3K

NaBr, Cloramina - T

CF3COOH

THF/H2O (1:1) r.t.

R Br

R : Aril, Alkenil, Alquinil Prueba de Dominio:

8.1.- Dibujar todos los isómeros de C4H9Br y colocarlos en orden de reactividad hacia el yoduro de sodio en acetona

8.2. Escribir fórmulas estructurales para el o los productos principales esperados a partir de las siguientes reacciones:


212

a)

Cl+ KCN

acetona

b) Br

+ NaOCH3

CH3OH

c)

Cl

acetona

+ NaI

d)

Br + NaSHalcohol, agua

e)

Br

+ Mg éterX

D2O

Y

f) Cl Br + NaCN

Alcohol

g) Alcohol

Cl

+ NaOC2H5

h) Br+

Br

8.3. Colocar cada uno de los siguientes grupos, primero en orden de reactividad a la reacción SN2, y luego en orden de

reactividad a la reacción SN1.

a) 1-bromopentano, 2-bromopentano, 2-bromo-2-metilbutano

b) 1-cloro-3-metilbutano, 2-cloro-2-metilbutano, 3-cloro-2-metilbutano

8.5. ¿Cuáles de los siguientes pares de compuestos reeaccionarán mas rápidamente?

a) (CH3)3CCl o CH3(CH2)3Cl con NaI en acetona

b) (CH3)3CCl o CH3(CH2)3Cl con H2O

c) (CH3)3CCl o CH3(CH2)3Cl con KOH en alcohol

d) NaI o NaOCI en CH3OH con (CH3)3CBr

e) CH3CH2CH2Cl o (CH3CH2)2 con AgNO3 en alcohol

f) CH3CH2CH2Br o CH3CH2CH2Cl con NI en acetona

8.6. ¿Cómo prepararía los siguientes compuestos, comenzando con ciclopentano y cualesquiers otros reactivos necesarios?

a) Clorocilopentano d) Metilciclopentano

b) 3-bromociclopentano e) Ciclopentanol

c) ciclopentilciclopentano f) 1,3-ciclopentadieno

8.7. ¿Qué productos esperaría de la reacción de los siguientes alquenos con NBS?. Si se forma más de un producto,

muestre las estructuras de todos ellos:


213

a)

b)

c)

d)

8.8. Cómo realizaría las siguientes transformaciones?. En cada caso se requiere más de un paso.

a)

b) Br

OO

c)

d)

e)

8.9. La reacción del ciclohexeno con acetato de mercuri (II) en CH3OH en lugar de H2O, seguida por el tratamiento con

NaBH4, produce ciclohexilmetiléter en lugar de Ciclohexanol. Sugiera un mecanismo.

8.10. Utiliece su conocimiento general de la química de alquenos para proponer un mecanismo para la siguiente reacción:

CO2CH3

AcOHg

CO2CH3

Hg(AcO)2

8.11. El tratmiento de 4-penten-1-ol con Br2 acuoso produce un éter cíclcico de bromo en lugar de la bromohidrina esperada.

Sugiera un mecanismo mutilizando flechas curvas para mostrar el movimiento de electrones.

OHBr2/H2O

OCH2Br

4 - penten - 1 - ol 2 - (bromometil)tetrahidrofurano

8.12. La hidroxilación del cis-2-buteno con OsO4 produce un producto distinto que la hidroxilación del trans-2-buteno. Dibuje

la estructura, muestra la estereoquímica de cada producto y explique la diferencia entre ellos.

8.13. ¿ Cómo distinguiría, utilizando pruebas químicas sencillas, los siguientes compuestos?. Indique cómo lo realizaría y

cómo lo visualizaría. a) ciclopenteno y ciclopentano b) 2-hexeno y benceno


214

9 REACTIVIDAD Y SÍNTESIS DE ALQUINOS

Los alquinos son hidrocarburos que se caracterizan por poseer un grupo funcional del tipo triple enlace carbono-carbono.

La fórmula general de los alquinos es CnH2n-2. El acetileno, CH CH, que es el alquino más simple, fue ampliamente usado en

la industria como materia prima para la elaboración de acetaldehído, ácido acético, cloruro de vinilo y otros productos

químicos, pero ahora son más comunes otros procesos más eficientes en los que se usa etileno como materia prima. Los átomos de carbono de los alquinos tienen hibridación sp, y el triple enlace está formado por un enlace sigma (σ) sp-sp y dos

pi(π) p-p. Existen pocos métodos generales para la síntesis de alquinos.

Por analogía con los alquenos, el relativo carácter s de los orbitales híbridos del carbono de los alquinos sustituidos se

traduce en la presencia de momentos dipolares, excepto en el caso en que los sustituyentes se encuentren distribuidos de

forma totalmente simétrica. C CH

μ = 0.74 D

C CH

μ = 0.80 D

C C

μ = 0 D

Por las mismas razones, los alquinos terminales son más

ácidos que los alcanos o alquenos homólogos. El pKa del

etino, por ejemplo, es de 25, marcadamente alto

comparado con los del eteno (pKa = 44) y del etano (pKa =

50).

CH CH > CH2 CH2> CH3 CH3

Hibridación: sp sp2 sp3 pKa: 25 44 50.

Inicialmente se creía que el triple enlace no se presentaba en productos naturales, debido a la gran reactividad de este grupo

funcional, sin embargo, recientemente se han descubierto muchos alquinos en ciertas plantas de la familia de las compuestas

(diente de león) y se sabe que son productos del metabolismo de ciertos microorganismos. Casi todo estos compuestos son

polialquinos y muchos contienen algunos otros grupos funcionales además del triple enlace.

El uso de alquinos menores como intermedirios de síntesis y la presencia del triple enlace en fármacos aplicables a

diferentes tipos de enfermedades, muestra la importancia del presente capítulo.

Estructura que contiene triples enlaces C-C Fuente y/o uso del fármaco

COOMe

H

H (E) - Dec-2-en-4,6,8-triinoato de metilo

Aislado en 1826 de plantas de la familia de la manzanilla

común

OH

NH

Histrionicotoxina

Veneno secretado por un anfibio


215

Estructura que contiene triples enlaces C-C Fuente y/o uso del fármaco

OH

OH

Cicutoxina es un poliino venenoso y alcohol que se

encuentra en varias plantas, como la cicuta de agua

altamente tóxico (especie Cicuta). Es un producto natural

estructuralmente relacionada con la oenanthotoxin.

6

OH

OH

OH

Ácido dehidromatricárico

OH

6

Falcarinol (carotatoxin) es un pesticida natural y alcohólico

grasoso que se encuentra en la zanahoria. Es un poliino con

dos enlaces triples C-C y dos enlaces dobles.

O

H

H H

OH

Noretinodrel. Es un fármaco anticonceptivo

NH

O CF3

Cl

O

Efavirene. Es un fármaco inhibidor de la transcriptasa

inversa no análogo a los nucleósido (ITRNN)

N

Terbinafina. Se usa para tratar las infecciones fúngicas de

las uñas de los pies y las manos.

9.1. Reacciones de los Alquinos.

Como regla general, los reactivos electrófilos se unen a los alquinos del mismo modo que a los alquenos.


216

9.1.1. Hidrogenación (Reducción, adición de H2)

Los alquinos pueden hidrogenarse en las mismas condiciones empleadas para hidrogenar alquenos. Por lo general, el platino

o el paladio sobre carbón se colocan en suspensión en una solución que contiene al alquino, y la mezcla se pone en contacto

con una atmósfera de hidrógeno. En estas condiciones se produce la completa saturación del triple enlace.

Ejemplos:

2H2

Pd/C

2 - Pentino Pentano

O2H2

Pd/CO

3 - Metoxipropino 1 - Metoxipropano

La hidrogenación es un proceso por pasos, lo cual permite en ciertos casos detener la reacción a nivel del alqueno intermedio, desactivando la presencia de H2 en el medio. La alternativa para evitar la hidrogenación del alqueno, es la

utilización de catalizadores modificados.

Uno de tales sistemas es paladio precipitado sobre carbonato cálcico y tratado con acetato de

plomo y quinoleína, lo que se conoce como

catalizador de Lindlar . La superficie del metal

en el catalizador de Lindlar adopta una

configuración menos activa que la del paladio

sobre carbón, de forma que solamente el primer

enlace pi () del alquino, más reactivo, es

hidrogenado.

Ejemplo:

2 - Pentino cis - 2 - Penteno

H2

catalizador

de Lindlar

Al tratarse de una adición sin, constituye un método de síntesis

estereoselectiva del alqueno cis.

Un segundo método para la conversión de alquinos en alquenos es emplear sodio o litio metálico en amoniaco líquido como

disolvente. Este método es complementario al de la reducción de Lindlar, puesto que con él se producen alquenos trans en

vez de alquenos cis

El mecanismo en sí implica la donación de un electrón

al triple enlace para producir un anión radical

intermedio (tiene número impar de electrones) como

un anión (tiene carga negativa). 2 - Pentino trans - 2 - Penteno

1) Li/NH3

2) H2O

Este intermediario acepta un protón del amoniaco para formar un radical vinílico; la adición de un segundo electrón al radical

vinílico produce un anión vinílico, el cual toma un segundo protón del amoniaco para formar el alqueno trans como producto.

9.1.2. Adición de ácidos hidrácidos: HX (X = Br o Cl)

Los alquinos pueden adicionar en etapas controladas dos equivalentes de ácido hidrácido HX. Aunque usualmente las

reacciones pueden detenerse después de la adición de un equivalente de HX, un exceso de ácido hidrácido forma un

dihalogenuro. Por ejemplo, la reacción de 1-hexino con dos equivalentes de HBr produce el 2,2-dibromohexano.

RH Br

CH CR

H

H

BrC C

H

HBr

R

alquino carbocatión vinílico bromuro vinílico

La regioquímica de la adición sigue la regla de Markovnikov. El halógeno se une al carbono más sustituido del triple enlace, y

el hidrógeno lo hace al menos sustituido. La mayoría de las veces se encuentra en el producto la estereoquímica trans de H y


217

X. Esto indica un mecanismo similar al de los alquenos es decir vía carbocatión. En este caso el intermedio formado es un

carbocatión vinílico. Ejemplo:

HBr

CH3COOH

HBrBr Br

Br

1 - Butino 2 - Bromo - 1 - buteno 2,2 . Dibromobutano

+ HBrH2O2

Br

Las reacciones de adición de HCl o HBr al triple enlace no se emplean en la preparación de haluros de vinilo porque estos

compuestos contienen un enlace πque compite con el alquino de partida en la reacción de adición. Como el haluro de vinilo no

es simétrico se pueden formar dos dihaluros diferentes. Sin embargo, el producto que se forma mayoritariamente es el gem-

dihaloderivado.

9.1.3. Halogenación

El bromo y cloro también se unen a los alquinos para formar productos de adición, y también en este caso resulta una

estereoquímica trans. La adición es similar a la de los alquenos. Si se agregan 2 equivalentes de halógeno se obtiene el

derivado tetrahalogenado. Ejemplo:

Br2

CCl4 H

Br

Br

Br2

CCl4H

Br

Br

Br

Br

1 - Butino (E) - 1,2 - Dibromo - 1 - buteno 1,1,2,2 - Tetrabromobutano

9.1.4. Hidratación (Adición de H2O)

Los alquinos pueden adicionar agua en analogía con la hidratación de alquenos. La adición va en el sentido Markovnikov para

dar enoles que tautomerizan a cetonas. La reacción esta catalizada por los iones mercurio. Los alquinos simétricos internos

dan solamente un compuesto carbonílico; los no simétricos conducen a mezclas de productos. Ejemplos:

HgSO4

H2SO4/H2O

O

único producto3 - Hexino

HgSO4

H2SO4/H2O

O O

+

2 - Pentino 3 - Pentanona (50%) 2 - Pentanona (50%)

HgSO4

H2SO4/H2OOH

OH

O (91%)

HgSO4

H2SO4/H2O

O

1 - Butino 2 - Butanona La hidratación de los alquinos es mecanísticamente semejante a la reacción de oximercuriación de alquenos. En el primerpaso del mecanismo de oximercuriación de un alquino se produce la complejación del triple enlace con el acetato de

mercurio. El intermedio catiónico es atacado por el agua originando un enol organomercúrico, que se halla en equilibrio tautomérico con su forma cetónica, termodinámicamente más estable:

Los tautómeros son tipos especiales de isómeros que se interconvierten con rapidez por medio de un equilibrio, llamado

ceto-enólico


218

R H

Hg SO4

22

C

Hg SO4

H

R2

H2O

Hg SO4

HO

R

H

H

2

- H

Hg SO4

HOH

R

2

H3O

H

HOH

RH

HO

R

ceto enol

9.1.5. Hidroboración - oxidación

Los alquinos terminales pueden reaccionar con borano, aunque en la práctica es difícil detener la reacción en el paso del

borano vinílico. En circunstancias normales, experimentan una segunda adición al borano vinílico intermedio. Para evitar esta

doble adición puede usarse un borano voluminoso estéricamente impedido, como el bis-(1,2-dimetilpropil) borano (que se

conoce comúnmente como disiamilborano: Sia2BH) en lugar del borano normal (BH3).

Sia2BH

THF

H

BSia2

H

H2O2

H2O, NaOH

H

OH

H

Un enol

O

H

1 - Pentino

Borano vinílico

Pentanal (70%)

Donde Sia2BH : B H Disiamilborano

bis - (1,2 - dimetilpropil) borano

Cuando un alquino terminal reacciona con disiamilborano, ocurre la adición de B-H al triple enlace C-C con la regioquímica

anti Markovnikov esperada. Sin embargo, una segunda adición es bastante lenta, puesto que el volumen estérico del reactivo

dialquilborano dificulta el acercamiento al doble enlace. Por lo tanto, la oxidación del borano vinílico forma primero un enol y

finalmente un aldehído.

Obsérvese que la secuencia de hidroboración-

oxidación es complementaria de la reacción de hidratación directa de alquinos, ya que resultan

productos diferentes. La hidratación directa de un alquino terminal con ácido acuoso y sulfato

mercúrico produce una metil cetona, mientras que

la hidroboración-oxidación del mismo alquino forma

un aldehído.

R H

un alquino

terminal

HgSO4

H2SO4 H2O

1) Sia2BH, THF

2) H2O2, OH-

R

O

CHO

Una metil cetona

Un aldehído

9.1.6. Sustitución de hidrógenos ácidos de los alquinos.

La diferencia más notable entre la química de los alquenos y la de los alquinos es que los alquinos terminales son débilmente ácidos. Cuando un alquino terminal se trata con una base fuerte, como el amiduro sódico, NaNH2, el hidrógeno terminal es

eliminado y se forma un anión acetiluro:


219

R H + NH2Na R Na + NH3

9.1.7. Alquilación de aniones acetiluro.

La presencia de un par de electrones no compartidos hace que los aniones acetiluro sean fuertemente nucleófilos. Como

resultado, cuando están disueltos en tetrahidrofurano estos aniones reaccionan con halogenuros de alquilo, para sustituir el halógeno y formar un nuevo alquino como producto.

La alquilación de alquinos no se limita al ión acetiluro. Cualquier alquino terminal puede convertirse en un anión acetiluro

correspondiente y alquilarse por tratamiento con un halogenuro de alquilo para formar un alquino interno. Debido a su

generalidad, la alquilación de acetiluros es el mejor método para formar alquinos sustituidos a partir de precursores más

simples.

La alquilación de iones acetiluro se limita al uso de bromuros y yoduros de alquilo primarios, RCH2X, por razones estéricas,

dado que son sustituciones nucleofílicas del tipo SN2. Además de su reactividad como nucleófilos, los iones acetiluro son

suficientemente fuertes para causar deshidrohalogenación en vez de sustitución cuando reaccionan con halogenuros de

alquilo secundarios o terciarios.

Ejemplos:

1) NaNH2, NH3

2) CH3CH2CH2Br, THF

4 - Octino1 - pentino 1) NaNH2, NH3

2) CH3I, THF

Propino 2 - Butino (78%)

1) NaNH2, NH3

2) CH3CH2Br, THF

1 - Butinilciclohexano (88%)

BrCH C

-Na

++ CH CH + NaBr

ciclohexeno

no se forma

predomina la eliminación

9.1.8. Ruptura oxidativa

Los alquinos, como los alquenos, pueden romperse por reacción con agentes oxidantes fuertes, como el permanganato de

potasio u ozono. Sin embargo, un triple enlace suele ser menos reactivo que un doble enlace, y los rendimientos de los productos de ruptura algunas veces son bajos.

La reacción es demasiado compleja mecanísticamente para ser tratada con detalles. Los productos que se obtienen son ácidos carboxílicos. Si se oxida un alquino terminal se forma CO2 como uno de los productos.


220

Ejemplos:

KMnO4

H2O,

COOH COOH+

2 - Pentinoác. propanoico ác. etanoico

KMnO4

H2O,

COOH +ác. Propanoico

CO2

1 - Butino

9.1.9. Reacciones de acoplamiento

Existen varios métodos de acoplamiento de los alquinos, que normalmente son catalizados por Cu o Pd, Estas reacciones al mismo tiempo participan de la reacción de alquinos, para generar posibilidad de formación de una variedad inmensa de

productos.

El acoplamiento de Glaser (1869), es el método más antíguo de los acoplamientos acetilénicos, se basa en la reacción de los

alquinos, a través de una catálisis de sales de ión cuproso, CuBr, y un oxidante como el oxígeno atmosférico. La base que se utiliza es el amoniáco acuoso.

R

R = H, alquil, aril

CuCl, O2

NH4OH, EtOH

2 R R

El mecanismo de la reacción sigue las siguientes etapas:

Iniciación: Se rompe el enlace Carbono-Cobre, recuperando el catión cuproso.

Propagación: El catión cuproso formado puede reaccionar con otra molécula de alquino.

Terminación: Dos radicales alquilalquinilo se unen formando un enlace .

Acoplamiento de Eglinton. Este acoplamiento es un modificación de la reacción de Glaser en donde dos alquinos terminales

se acoplan directamente, empleando una sal de cobre (II) (acetato de cobre) y piridina como base:

R

R = H, alquil, aril

Cu(AcO)22 R R

piridina

Este procedimiento ha sido utilizado en la síntesis de ciclooctadecenona, así como en la síntesis de difenildiacetileno a partir

de fenilcetileno. Al igual que en los casos anteriores, se trata de una reacción quimioselectiva y estereoespecífica,

compatible con la presencia de numerosos grupos funcionales y útil para realizar enlaces Csp-Csp y Csp-Csp 2. Tiene la particularidad que se realiza una catálisis bimetálica donde también la sal de cobre es catalítica generando el

alquinilcobre en el medio:

Acoplamiento de Stille. Su amplia utilidad se debe a que los organoestannanos son estables y fáciles de preparar, poseen

baja nucleofilia y elevada quimioselectividad, lo que implica la compatibilidad con gran número de grupos funcionales como

aldehídos, cetonas, ésteres, nitrilos, aminas y alcoholes.

R1

SnR3 + R2

XPd (cat)

R2

R1 + SnR3X

R1 = alquenil, alquinilo, arilo

R = butilo, metiloR

2 = Alquilo, alquenilo, alquinilo, arilo, alilo, acilo

X = Cl, Br, I, OTf

Los organometálicos de estaño sólo transfieren uno de los grupos orgánicos unidos al estaño, debido a la diferente velocidad de transferencia de los diversos grupos se consigue una elevada selectividad en organoestannanos con sustituyentes diferentes aunque no se transfieren grupos alquilo de manera efectiva.


221

En la reacción de Stille se pueden emplear halogenuros o triflatos aromáticos o vinílicos como electrófilo. En el caso de

emplear triflatos, es necesario añadir una pequeña cantidad de LiCl debido a que el triflato tras la adición oxidante queda como contraión y no está enlazado al Pd. Como en la etapa de transmetalación es necesaria una geometría plano cuadrada,

se sustituye el triflato por Cl.

Acoplamiento de Sonogashira (1975). La reacción de Sonogashira se conoce como la reacción de un alquino con un

halogenuro arílico o alquenílico bajo catálisis de cobre y paladio y condiciones suaves.

El compuesto organometálico se genera in situ

por reacción de un alquino terminal con una sal de cobre (CuI) en medio básico.

R1

XPd (cat)

+ H R2

CuI(cat), base

R1

R2

R1 = alquenilo, arilo, heteroarilo

X = Cl, Br, T, OTf

R2 = alquilo, arilo

Base = Et3N, i - Pr2NH, K2CO3

Al igual que en los casos anteriores, se trata de una reacción quimioselectiva y estereoespecífica, compatible con la

presencia de numerosos grupos funcionales y útil para realizar enlaces Csp-Csp y Csp-Csp2. Tiene la particularidad de que

se realiza una catálisis bimetálica donde también la sal de cobre es catalítica generando el alquinilcobre en el medio de

reacción. La reacción de Sonogashira posee una amplia quimioselectividad frente a numerosos grupos funcionales como hidroxilos, carbonilos, aminas, ésteres, amidas y los alquinos más empleados son aquellos que poseen grupos dadores de

carga. Esta reacción proporciona una metodología para la obtención de sistemas acetilénicos conjugados, presentes en

productos naturales como la tetrodotoxina.

9.2. Síntesis de Alquinos

9.2.1. Deshidrohalogenación de dihalogenuros vecinales.

Los alquinos pueden obtenerse por eliminación de HX a partir de halogenuros de alquilo de manera muy parecida a como se

obtenían los alquenos. Sin embargo, dado que un alquino está doblemente insaturado, es necesario eliminar dos moléculas de

HX. El tratamiento de un 1,2-dihalogenuro (un dihalogenuro vecinal) con un exceso de base fuerte, como KOH o NaOH, da como

resultado una doble eliminación, mediante un mecanismo E2. Los dihalogenuros vecinales requeridos se obtienen fácilmente por adición de bromo o cloro a los alquenos. De este modo, la secuencia global de halogenación-deshidrohalogenación

constituye un muy buen método par transformar un alqueno en un alquino.

Si bien es posible utilizar distintas bases para la deshidrohalogenación, normalmente se prefiere el amiduro sódico, NaNH2,

porque suele tener mayores rendimientos. La doble deshidrohalogenación ocurre en pasos bien diferenciados a través de un

halogenuro vinílico intermedio, lo cual sugiere que los halogenuros vinílicos mismos se conviertan en alquinos cuando se tratan con bases fuertes.

H

R Br Br

R1

H

2 KOH, etanol

ó 2 NaNH2, NH3

R R1

+ 2H2O + 2 KBr

R, R1 = Alquil, aril, H

2 KOH, etanol

ó 2 NaNH2, NH3

R

H R1

Br

R R1

+ H2O + KBr

R, R1 = Alquil, aril, H

Ejemplos:

2 KOH, etanol

ó 2 NaNH2, NH3

Br2

CCl4

Br

Br


222

Br2

CCl4

1) B2H6

2) H2O2, OH-

Br

Br

O

KOH

EtOH

Cl

ClPCl5

3) PCC

Na. NaNH2

9.2.2. Alquilación del ión acetiluro

CH CHNaNH2

NH3

CH C-Na

+ RCH2BrCH CCH2R

alquino terminal

NaNH2

NH3

R'CH2Br

CH CCH2RNa

+C

-CCH2R R'CH2C CCH2R

alquino interno

Ejemplos:

NH2Na

NH3 líquido

Br

C Na+

CHNH2Na

NH3 líquidoCCH3 Na

CH3Br

Prueba de Dominio

9.1. En la reacción siguiente, los productos que se forman tienen

la fórmula molecular C10H11Br. Cuál es la estructura de los

mismos?. Fundamente su respuesta en el mecanismo

probable de la reacción.

HBr

HBr

H2O2

C10H11Br

9.2. Predecir la estructura del producto, justificar la misma en base al mecanismo de reacción por el que transcurren dichas transformaciones químicas:

HBr

H2SO4

H2O, calor

HBr

H2O2

OsO4

H2O2 HCl

1) Hg(AcO)2H2O

2) NaBH4


223

1) Hg(AcO)2H2O

2) NaBH4

H3CO

HCl (gas)

1) BH3

2) H2O2, NaOH

H2

Pd/BaSO4

Quinolina HBr

H2O2

Br2

CCl4

1) O3

2) (CH3)2S

HCl

H2O

+ Cl2H2O

1) O3

2) H2O2, H2O

Br2

hv

Br2

H2O

SOCl2

AIBN + Cl2

+ Br2

9.3. Cómo realizaría las siguientes transformaciones químicas?. Utilice los reactivos y materiales simples de partida

necesarios.

2-propanol a metilciclopropano

Propeno a trans-2-hexeno

Propano a butanona

1-butano a 2-butino

2-clorobutano a trans-1,2-dimetilciclopropano

2-butanol a butanona

2-propanol a cis-2-buteno

1-buteno a cis-2-butino

9.4. Qué reacciones y condiciones utilizaría para justificar las siguientes trasformaciones químicas?

OHC

O

Br

Br Br Br

O


224

CH=CH2

O

Br

CHO

H H

O

9.5. En la reacción siguiente, los productos que se forman tienen

la fórmula molecular C10H11Br. Cuál es la estructura de los

mismos?. Fundamente su respuesta en el mecanismo

probable de la reacción.

HBr

HBr

H2O2

C10H11Br

9.6. Predecir la estructura del producto, justificar la misma en base al mecanismo de reacción por el que transcurren

dichas transformaciones químicas:

HBr

H2SO4

H2O, calor

HBr

H2O2

OsO4

H2O2 HCl

1) Hg(AcO)2H2O

2) NaBH4

1) Hg(AcO)2H2O

2) NaBH4

H3CO

HCl (gas)

1) BH3

2) H2O2, NaOH

H2

Pd/BaSO4

Quinolina HBr

H2O2

Br2

CCl4


225

1) O3

2) (CH3)2S

HCl

H2O

+ Cl2H2O

1) O3

2) H2O2, H2O

Br2

hv

Br2

H2O

SOCl2

AIBN + Cl2

+ Br2

9,7, Qué reacciones y condiciones utilizaría para justificar las siguientes trasformaciones químicas?

OHC

O

Br

Br Br Br

O

CH=CH2

O

Br

CHO

H H

O

9.8. Proponga un esquema de síntesis para obtener 1–ciclopropil-1-pentino a partir de acetileno y cualquier reactivo orgánico de no mas de tres átomos de carbono. Además puede utilizar en la síntesis, cualquier reactivo inorgánico

necesario.


226

9.9. A partir de bromuro de ciclopentilo, y cualquier reactivo orgánico de no mas de tres átomos de carbono, además de los reactivos inorgánicos necesarios, proponga un esquema de síntesis para obtener 1-ciclopentil-1-pentino.

9.10. Complete el siguiente esquema de síntesis, dibujando las estructuras (A), (B), (C), (D), (E) y (F).

+ HBrperóxidos

(A)2 Na°

(B)2NBS

(C)2KOH

etanol(D)

2 Br2/CCl4

(E)2 NaNH2

NH31,4

-difenil

-1,3

-butadiino (F)

9.11. Complete el siguiente esquema de reacción, indicando: a) Estructuras de (A) y (B).y b) Escriba el nombre de las

estructuras (A), (B) y (C).

Br2, CCl4(A)

KOH

etanol

(B)

CHO

(C)

9.12. Escriba las estructuras que resultan de tratar (C) con una Ozonolisis.

9.13. Los alquinos terminales reaccionan con Br2 y agua para producir bromoacetonas, por ejemplo:

Br2, H2O

O

Br

Proponga un mecanismo para la reacción, ¿a cuál reacción de alquenos es análogo elproceo?

9.14. Sintetice los siguientes compuestos utilizando al 1-butino como la única fuente de carbono, junto con cualquiera de los

reactivos inorgánicos que necesite. Necesitará más de una etapa.

a) 1,1,2,2,-tetraclorobutano b) 1,1-dicloro-2-etilciclopropano

9.15. El tosilato de (2R, 3S)-3-fenil-2-butanol experimenta una eliminación E2 cuando se trata con Etóxido de sodio para

producir el (Z)-2-fenil-2-buteno. Explique este comportamiento, para lo cual puede utilizar las proyecciones de Newman.

OTos

CH3CH2O-Na

+


227

10

FUNDAMENTOS DE SINTESIS ORGÁNICA

10.1. Generalidades

Uno de los desafíos más importantes para el químico, es la preparación de moléculas orgánicas conocidas o no. Debido a la

relativa complejidad de las mismas, su síntesis eficiente (construcción, preparación, obtención, etc.) requiere (salvo en

casos muy simples) de varias etapas, cada una de las cuales usa reacciones químicas que llevan específicamente a una estructura.

Las motivaciones, que llevan a sintetizar compuestos orgánicos, son diversas, de entre las cuales se puede resaltar las siguientes:

Por el desafío cognitivo que implica la labor de encarar una síntesis.

Para confirmar la estructura y/o estereoquímica propuesta para un producto natural.

Obtener cantidades importantes de un producto natural que se aísla en pequeñas cantidades o cuya fuente natural

es de difícil renovación (caso de la quinina, taxol, etc.).

Realizar estudios detallados de actividad biológica, muy utilizados en la industria farmacéutica.

Para obtener una nueva estructura a la que teóricamente se le predicen determinadas propiedades/actividades

(muy usado en el diseño de nuevos fármacos, polímeros, etc.)

El objetivo en cualquier síntesis es obtener el producto (molécula objetivo) (MOb) en forma pura por el procedimiento más

eficiente y conveniente posible. Si el proceso de síntesis será utilizado comercialmente también se deberá considerar el

costo de los reactivos y los residuos y efluentes que deberán descartarse.

El esquema de síntesis o “ruta de síntesis”, debe tener el menor número de pasos posibles, ya que el rendimiento total cae rápidamente a medida que aumenta el número de pasos o etapas. La secuencia de reacciones que se use en una síntesis

puede ser lineal o convergente.

a. Síntesis lineal:

A B C D E F G MOB90% 90% 90% 90% 90% 90% 90%

Rendimiento total: R = 0.907 x 100 = 47.8%

b. Síntesis convergente:

G

A B

C D

E F

H

MOB

90%

90%

90%

90%

90%

90%

90%

Eº

Hº

Rendimiento total: R= 0.93 x100 = 72.9%

Sin duda que la estrategia convergente es la más eficiente. En la práctica el esquema convergente ·puro· no siempre es aplicable y es más común usar una combinación de ambas estrategias.


228

La síntesis total de un compuesto orgánico requeriría partir de los elementos que lo componen. Sin embargo a partir de ellos

se puede obtener compuestos orgánicos simples como la úrea, el metano, metanol, acetileno, ácido acético, etanol y así siguiendo se puede ir construyendo estructuras cada vez más complejas. No obstante esto no es práctico ni necesario ya que

existen una gran cantidad de compuestos orgánicos que están disponibles comercialmente o son asequibles económicamente y se puede usar éstos como materiales de partida. Estrictamente hablando todos ellos derivan de los elementos o pueden

derivarse de ellos, así que cualquier síntesis que se encare a partir de esas materias primas es “formalmente” una síntesis total.

10.2. Metodologías en la elaboración de un plan de síntesis

La metodología para encarar una síntesis exitosa ha ido cambiando con el transcurrir del tiempo y el desarrollo de la misma

química como ciencia, de ahí que se conocen, las siguientes:

Metodología de la “asociación directa”

Metodología de la “aproximación intermedia”

Metodología del “análisis lógico”

La metodología de la asociación directa, fue la que llevó en el siglo XIX y principios del XX a la obtención de muchas

moléculas de interés, como el .terpineol (Perkin 1904), alcanfor (Komppa 1903 y Perkin 1904, tropinona ( Robinsón 1917). En

esta metodología, se reconoce directamente en la estructura de la molécula objetivo (MOb), una serie de subestructuras o

unidades, que puedan ser colocados apropiadamente en la estructura de la molécula objetivo o precursora, empleando

reacciones conocidas.

Generalmente se tiende a que los grupos se inserten en un solo paso, lo que exige del químico conocimientos bastos sobre

reacciones orgánicas y ante todo mucha experiencia en síntesis, para poder asociar una reacción específica al objetivo de

ubicar la subestructura en el lugar deseado.

OH

.terpineol

…..

O

Alcanfor

….. N

O

Tropinona

Entre 1920 y 1945 se lograron síntesis de moléculas más complejas que se basaron en el conocimiento de reacciones para

formar moléculas políciclicas y en un planteamiento detallado que permitiera aplicar esos métodos. Después de la 2da

Guerra Mundial y hasta 1960 se pasó a otro nivel de sofisticación gracias a la formulación de los mecanismos de las reacciones orgánicas, la introducción del análisis conformacional, el desarrollo de métodos espectroscópicos, el uso de

métodos cromatográficos de análisis y separación y el descubrimiento y aplicación de nuevos reactivos selectivos.

Muchas de estas síntesis que tenían 20 o más pasos fueron posibles gracias a la evaluación previa de cada paso basada en el

conocimiento de mecanismos de reacción, intermedios reactivos, efectos estéricos y electrónicos en la reactividad, efectos

conformacionales y estereoelectrónicos. A pesar de ello en esa época cada problema sintético se encaraba como un caso

especial y con un análisis individualizado.

Se hacía mucho uso de la intuición y no se aplicaban técnicas generales de solución de problemas, se insistía mucho que la

síntesis química se asemejaba más a un arte. Uno de los grandes representantes de esta corriente es el químico y premio

Nóbel (1965) R.B. Hoodward, por su aporte a la síntesis orgánica, con la síntesis de moléculas complejas como la quinina, el

colesterol, etc.


229

“Una estructura conocida, pero aún no sintetizada es para el químico lo que para otros

hombres puede representar una montaña todavía no escalada, un mar no surcado, un

campo nunca cultivado o un planeta aún no alcanzado”. R.B. Hoodward.

En cambio la metodología del Análisis Lógico, tiene como uno de sus propulsores y defensores a otro químico orgánico contemporáneo. J.E. Corey, también premio Nobel por su aporte a la síntesis. La metodología supone la elección y aplicación

de una determinada estrategia como el empleo táctico de los diferentes recursos que la moderna química orgánica nos ofrece y constituye “una metodología limitada únicamente por las fronteras de la química y el poder creador de la inteligencia humana”22

El punto central de esta metodología es un análisis racional y penetrante de la estructura molecular de la Molécula Objetivo

(MOb) y de las moléculas precursoras generadas en sentido antitético. La mejor aplicación se ha encontrado en una serie de Software creados, para generar las diferentes rutas de síntesis.

“El químico sinyético es más que un lógico y unestratega: es un explorador

fuertemente inclinado a especular e incluso crear”. E.J.Corey

En cambio, la mayoría de los químicos orgánicos, planean las síntesis, con un mínimo de análisis lógico, haciendo uso

simultáneamente las metodologías de la “asociación directa” y de “análisis lógico”, lo que origina consiguientemente la

metodología de la “aproximación intermedia”. Los métodos que mejor se conocen dentro de esta metodología y el

paradigma retrosintético, son:

El “método de las desconexiones” o el “método del sintón”

El método del “árbol de síntesis” y

El método de las “Hojas de síntesis”

Un plan de síntesis, para una molécula con cierta complejidad en su estructura, que se elabore dentro el paradigma

retrosintético y cualquiera sea el método empleado para su diseño, toma en cuenta los siguientes elementos generales:

En principio, uno debe conocer y familiarizarse con todo los detalles estructurales de la molécula objetivo (MOb).

Cuando se trata de una sustancia natural, es necesario disponer de toda la información posible, sobre los

antecedentes químicos de la molécula y en consecuencia deducir sus probables propiedades, como también es

imprescindible conocer sus propiedades físicas.

La “regla de oro” para elaborar un plan de síntesis, es proceder en sentido inverso (antitético) al que en la

práctica se seguirá en el laboratorio químico. Se empieza con la MOb y se hace una “degradación mental” de su

estructura, lo que genera una secuencia de moléculas precursoras que también son sometidos a similar análisis,

hasta llegar a los materiales de partida, que a su vez deben ser simples y fácilmente asequibles.

Por ser esta sección sólo una introducción a la síntesis orgánica, limitaremos el estudio al método del árbol de síntesis.

10.3. El Método del Árbol de Síntesis

La elaboración de un “árbol de síntesis” a base de generar moléculas intermedias o precursoras, paso a paso en dirección antitética (retrosíntesis), es decir a partir de la molécula objetivo, constituye un método que puede comprenderse mejor al

considerar los siguientes principios generales de dicho proceso.

i. Comenzar con la estructura final (MOb). Partiendo de la estructura final, la molécula objetivo, se trabaja hacia

atrás (retrosíntesis) hasta lograr materias primas fácilmente accesibles. Si la materia prima de partida está

especificada en el problema de síntesis, esto tan sólo limita el número de posibles rutas sintéticas a ser encaradas.

22 SERRATORA F. HEURISKÓ. Introducción a la Síntesis Orgánica. Pág. 37


230

ii. Caracterización de la molécula objetivo (MOb). Al examinar la estructura de la molécula objetivo, es necesario

responder las siguientes interrogantes:

¿Qué tipo de compuesto es?

¿Qué grupo (s) funcional (es) contiene? Cuál es la naturaleza del esqueleto carbonado?

¿Tiene la molécula una cadena alquílica normal o con ramificaciones? ¿Contiene anillos y son éstos cicloalquílicos o aromáticos?.

¿La MOb tiene simetría real o potencial?

iii. El Grupo Funcional. Sobre el particular será también bueno responder a las siguientes interrogantes:

¿Es conocida la reactividad, sensibilidad e inestabilidad de los grupos funcionales que posee la MOb? ¿Qué métodos generales se tiene disponibles para su preparación?

¿Cuál de ellos es aplicable al grupo funcional específico de la molécula problema?

iv. Aspectos estereoquímicos. Se analizará en la MOb, preferentemente:

Centros de quiralidad

Conformación y configuración de anillos

Efectos de proximidad entre grupos

v. El esqueleto carbonado. El principal problema en la mayoría de las síntesis orgánicas es la construcción del

esqueleto carbonado. El intercambio de grupos funcionales (IGFs) a menudo es simple de hacer, como por ejemplo,

cetona a alcohol, aldehído a ácido ó alcohol a bromuro. Las preguntas que se hace con respecto a la construcción de

enlaces C-C se relacionan con las que ya se han planteado a propósito del grupo funcional.

¿Algunos de los métodos disponibles para formar grupos funcionales, son aplicables para generar enlaces

C-C?.. Si es así.

¿Es compatible el método con el esqueleto carbonado específico de la molécula objetivo?. Si no lo es.

¿Hay un procedimiento para formar una cadena carbonada que produzca una función convertible en la

requerida?

vi. Moléculas Precursoras (MP)

El análisis de la estructura de la molécula problema y la

consideración de las preguntas planteadas en las etapas 1) a 5),

dará origen a dos posibles tipos de moléculas precursoras. Uno de

ellos es un grupo funcional equivalente al de la estructura final.

El otro es un conjunto de compuestos con menos átomos de

carbono que la molécula objetivo. Cuando se juntan estos últimos, se logra la cadena carbonada final.

La generación de cualquiera de estos tipos de molécula precursora,

debe resultar una simplificación del problema.

En general, si una ruta proyectada conduce a precursores más

difíciles de sintetizar que el problema mismo (objetivo) debe buscarse otro camino

MOb

MP MP

MP MP MP MP

MP MP MPMPMPMPMPMP

Materiales de partida asequibles

ARBOL DE SÍNTESIS

Sintetizar el 2,3-dimetil-2-penteno (MOb 01), partiendo de materiales simples con no más de dos átomos de carbono, como

por ejemplo, haluro de alquilo, formaldehído, ácido acético, etc.


231

Solución

Analizando en sentido retrosintético, se concluye que la MOb.01, es un alqueno no simétrico. Recuérdese que los mejores

sustratos o precursores de los alquenos son los alcoholes o haluros de alquilo, que por reacciones de eliminación forman el

alqueno correspondiente. Por lo tanto una buena molécula precursora (o mejor sustrato) de la MOb 01, será el 2,3-dimetil-3-pentanol, que tratado con ácido sulfúrico concentrado, producirá la MOb 01.

Este alcohol pudo haber sido preparado a partir de otras moléculas precursoras como son la 2-butanona y un reactivo de Grignard, bromuro de isopropil magnesio, que se obtiene a partir del bromuro de isopropilo con Mg metálico.

El bromuro requerido, se prepara a partir del alcohol isopropílico y

tribromuro de fósforo. La cetona a

su vez, se prepara a partir de la

oxidación del precursor 2-butanol, el

cual es también preparado a través de una reacción de Grignard

bromuro de etil magnesio con el

acetaldehído.

El Grignard es consecuencia de la

reacción del bromuro de etilo con

Mg metálico en éter seco. Se llega al

Grignard a través del bromuro de

etilo.

Se ha recurrido a la reacción de

Grignard, por el nivel de

conocimiento sobre las reacciones

orgánicas, hasta el momento

abarcado. Desde luego que existen

otras rutas, en función de las

reacciones a ser utilizadas.

OH

H2SO4 80%

OMg

Br

2) H3O+

BrMg

éter seco

OH

PBr3

CH3MgBr

2) H3O+

CH3CHO

OHCrO3/H2SO4

CH3CH2MgBrCH3CHO

2) H3O+

CH3BrMg

éter secoMg CH3CH2Br

éter seco

(MOb 01)

Ejemplos de síntesis por el método del “Árbol de Síntesis”

Partiendo de materiales simples y los reactivos necesarios, proponer un plan de síntesis para las siguientes moléculas:

MOb02. N-Hexanol. La MOb 02, es un alcohol primario, cuya cadena carbonada no presenta ramificaciones. Por lo tanto, la

estrategia se reduce en buscar reacciones que permitan hacer crecer la cadena en un buen número de átomos de carbono.

No es aconsejable que el crecimiento de la cadena sea de uno en uno, ya que dicho camino conduciría a un plan de síntesis

con muchas etapas, consiguientemente un bajo rendimiento.

En tal virtud, la apertura de anillos epóxido por un compuesto de Grignard se puede adecuar a este propósito; como también

se puede combinar con la síntesis acetilénica (utilización de derivados del acetiluro de sodio y posterior saturación del triple enlace).

El epóxido necesario para que se combine con el Grignard se prepara a partir de un alqueno y un ácido perácido. Así, se llega a deducir el presente plan de síntesis, donde los materiales de partida pueden ser el acetileno y el etanol.


232

OH

OMg

Br

2) H3O+

CH2=CH2 MCPBA

H2/cat. Lindlar

Mg

Br

éter seco

OHPBr3

OCH3CH2MgBr

2) H3O+

CH3CH2BrMg

éter secoCH3CH2OH

PBr3

(MOb 02)

éter

MOb 03. 7-metil-3-penteno. La MOb 03, es un alqueno no simétrico. La mejor opción para generar una molécula precursora

es recurrir a la síntesis acetilénica, es decir considerar al alqueno, como un producto de una hidrogenación parcial del triple

enlace del alquino, para ello la mejor opción es la utilización del catalizador de Lindlar.

H2/cat. Lindlar

CH3CH2Br

CNa

NaNH2

CNa

Br

OH

PBr3

OMg Br

2) H3O+

Br

Mgéter seco

OH

PBr3

CH3CHO

CH3MgBr2) H3O

+

(MOb 03)

Posteriormente se hace reaccionar los haluros de alquilo respectivos con los acetiluros de sodio que se forman con la

sodamida. Nuevamente se encuentra como molécula intermedia precursora un alcohol, que requiere ser preparado por

apertura de epóxido. Los materiales de partida son el acetileno y el acetaldehído.

MOb 04. Hexanodial. El Hexanodial, es una molécula simétrica y la extensión de la cadena, sugiere que la misma sea

producto de la apertura de un anillo de seis miembros. Adicionalmente el grupo formilo del aldehído es muy reactivo y tendrá que haberse formado el mismo también de manera preferente en la última etapa de la ruta de síntesis.


233

Estas consideraciones, permiten proponer como molécula precursora de la MOb. Un cicloalqueno, que por una ozonólisis

reductiva, formará el hexanodial.

El ciclohexeno,

puede ser preparado por

diferentes vía, se indican dos

alternativas. La

alternativa que

se reduce al

etanal

(acetaldehído) como material

de partida es la que se

aproxima mejor

a un material

de partida

simple y

asequible

OHCCHO

O3/Zn, H2O

Cl

KOH/calor

Cl2/hv

hv

Br

Br

KOH/calor

Br2/CCl4

OH

H2SO4 con

CH3CHO

CH3CH2MgBr

2) H3O+

mayoritario

(MOb 04)

MOb 05. 4-metoxi-1, 2- pentanodiol. La MOb 05. es polifuncional presenta un diol y un grupo éter, que también es portador

de un grupo alcohol. No es posible pensar en formar el grupo éter selectivamente frente a los otros alcoholes. Pero si es

posible formar un diol estando presente un grupo éter como protector de otro grupo –OH en la MOb.

OH

OH

OCH3OCH3

OsO4/NaHSO3

OH

(Me)2SO4

CH3CHO

2) H3O+

Mg

Br

Mg/eter secoBr

NBS

CH3CHO

Ph3P=CH2

(MOb 05)

Por lo tanto es correcto proponer como molécula precursora el 4-metoxi-1-penteno, que por hidroxilación con tetróxido de

osmio, seguido de acidificación formará el diol correspondiente, sin afectar al grupo éter. Este grupo puede formarse estando presente un doble enlace, a través de la metilación con sulfato de dimetilo, como se señala en el árbol de síntesis

10.4. Simetria, Selectividad y Control

Además de los principios generales anteriormente estudiados, son de extraordinaria importancia otros tres principios sintéticos más, que permiten tomar decisiones para seleccionar una u otra ruta de síntesis, principalmente cuando la molécula objetivo (MOb) presenta dos o más grupos funcionales.

Una síntesis racional y exitosa de un compuesto polifuncional debe emplear uno o más de los principios de síntesis

siguientes: simetría, selectividad y control.


234

10.4.1. Simetria. Cuando la molécula a sintetizarse presenta en su estructura una simetría real o potencial (ejes de simetría

o planos de simetría), su síntesis se facilita, pues si se tiene por ejemplo grupos funcionales idénticos en posiciones

simétricas en la estructura de la molécula, los mismos pueden ser generados simultáneamente, es decir al mismo tiempo, a

través de una misma operación o reacción determinada.

Ejemplo: MOb 06. ¿Cómo se puede efectuar la transformación siguiente?:

CH2=CH2 HOOCCH2CH2COOH

Solución: La MOb 06 es un ácido dicarboxílico que presenta una simetría en la posición de los dos grupos carboxílicos, por lo

que será necesario pensar en una operación que genere simultáneamente ambos grupos.

HOOCCH2CH2COOH

H3O+/calor

NCCH2CH2CN

2 NaCN

BrCH2CH2Br

Br2/CCl4

CH2=CH2

(MOb 06)

Ello se consigue por la hidrólisis del grupo–CN. Como se ilustra con la secuencia de reacciones en el árbol de síntesis

descrito.

10.4.2. Selectividad. La mayoría de los compuestos orgánicos contienen más de un grupo funcional y cada grupo funcional

presenta una reactividad característica. Por lo tanto, a veces hay que predecir qué grupo funcional va a reaccionar, dónde y

cómo lo va a hacer. Conocer la respuesta a estas preguntas es lo que nos permitirá conseguir selectividad en la síntesis.

Hay diferentes tipos de selectividad, las más frecuentes son: quimioselectividad, regioselectividad y estereoselectividad.

Quimioselectividad: qué grupo funcional reacciona

Regioselectividad: dónde reacciona

Estereoselectividad: cómo reacciona (estereoquímica de los productos)

En general se debe planear la síntesis de una molécula de modo de evitar que se generen grupos de idéntica reactividad que

deban reaccionar en forma diferente en las etapas siguientes

Quimioselectividad. Diferenciar entre grupos funcionales con reactividad química idéntica o similar

Se habla de quimioselectividad cuando en una reacción un grupo funcional reacciona en presencia de otros grupos

funcionales similares o iguales que se mantienen inalterados. En este caso se dice que la reacción es quimioselectiva y el reactivo quimioselectivo.

El borohidruro de sodio, es un reductor que no ataca a dobles o triples enlaces y tampoco lo hace con el grupo carbonilo derivado de

ácidos carboxílicos. En cambio sí reacciona con el carbonilo de

aldehídos y cetonas. Mientras que un reductor más potente como el LiAlH4 reduciría ambos grupos carbonílicos y no así el doble enlace

O

COOEt

OH

COOEt

NaBH4

También, se puede aplicar el término quimioselectividad, cuando un grupo funcional en una molécula determinada reacciona de forma selectiva o diferente frente a distintos reactivos o condiciones de reacción.

PhCOOOH

1 equivO


235

Cuando dos dobles enlaces de un dieno difieren en su grado de sustitución, el más sustituido reaccionará mucho más

rápidamente con un peroxiácido

Regioselectividad. Diferenciar entre posiciones o regiones de una molécula con reactividad similar que darán lugar a

isómeros estructurales.

Una reacción que puede dar lugar a diversos productos que son isómeros estructurales (o regioisomeros) será

regioselectiva si da lugar casi exclusivamente a un único producto. Una reacción se dice que es regioespecífica cuando

potencialmente puede dar lugar a dos o más isómeros constitucionales pero da preferentemente uno. En general es un factor

que puede controlarse por una elección cuidadosa de reactivos y condiciones. Para ilustrar esta definición véase por ejemplo

la bromación de alcoholes alílicos.

Cuando el 3-butenol se trata

con ácido bromhídrico conduce

a una mezcla de bromuros

donde el producto mayoritario

es el que resulta del ataque del

ión bromonio a la posición

menos impedida estéricamente.

OH

OH2 CH2

Br

Br

HBr

Br Br

20% 80%

Estereoselectividad. Se refiere a la obtención preponderante de un estereoisómero frente a otro.

Una reacción estereoselectiva es aquella que pudiendo transcurrir a través de diferentes mecanismos lo hace

preferentemente a través de uno de ellos obteniéndose así, un estereoisómero del producto de forma mayoritaria.

La hidrogenación de alquinos en presencia de un catalizador envenenado conduce únicamente al alqueno Z, mientras que la

reducción con metales en amoníaco líquido conduce al alqueno E. en consecuencia ambos procesos son estereoselectivos.

OCH3

OO

OCH3

O OH

H

H2

Pd-BaSO4/quinolina

Z

Na

NH3 líquido

H

HE

Obsérvese en el primero de los ejemplos que además, el proceso de reducción del triple enlace es quimioselectivo respecto a

la cetona, el éster y el doble enlace del producto final. Además, el estereoisómero que se obtiene depende de la

estereoisomería del material de partida. Todas las reacciones estereoespecíficas son estereoselectivas pero la inversa no es cierta. Una reacción realizada sobre un compuesto que no tiene estereoisómeros puede ser estereoselectiva pero NO

estereoespecífica.

Ejemplo: H H

H2/cat.Lindlar

Estereoselectiva pero NO estereoespecífica

Si los estereoisómeros resultantes son diastereómeros se habla de diastereoselectividad y si son enantiómeros de

enantioselectividad, Un ejemplo de reducción enantioselectiva muy bien estudiado es la hidrogenación en presencia de un


236

catalizador quiral "La síntesis asimétrica del analgésico napoxeno implica una reducción de un doble enlace en atmósfera de

hidrógeno y en presencia de un catalizador quiral

MeO MeO

H

H2

((S)-BINAP)Ru(AcO)2

10.4.3. Control. El contro| en síntesis orgánica es una operación sintética que puede englobar o considerar también a los

aspectos de simetría y selectividad. Sin embargo este término se ha reducido en la química orgánica, más a una serie de operaciones, que demandan del químico, ciertas habilidades cognitivas y destrezas similares a las artísticas, para la

construcción de las moléculas orgánicas.

“El constructor civil, hace de sus materiales de construcción edificaciones que maravillan a la humanidad. El químico hace de las moléculas y los átomos (materiales de partida), moléculas (polímeros, fármacos, piezas para sustituir órganos en el cuerpo humanos, etc.) que también maravillan al mundo”, W. Rivera

Esta serie de operaciones de control en síntesis, pueden clasificarse del siguiente modo:

o Protección y/o desprotección

o Activación y/o desactivación molecular

10.5. Protección de Grupos Funcionales. En el diseño de una síntesis de una molécula con varios grupos funcionales, es

muy común que un reactivo que produce una transformación sobre un grupo funcional afecte también a otro grupo en otra

parte de la molécula. En los casos en que no se puede lograr una quimioselectividad adecuada, el grupo que debe permanecer

inalterado se protege convirtiéndolo temporalmente en una funcionalidad inerte a las condiciones de la reacción.

La operación de protección, requiere del siguiente procedimiento:

o Proteger el grupo o los grupos funcionales más reactivos o Efectuar la reacción sobre el grupo funcional requerido

o Desproteger el grupo funcional, sometido a protección

Esa protección debe satisfacer los siguientes requisitos básicos:

o La reacción debe de tener buen rendimiento y ser quimioselectiva

o El nuevo grupo funcional debe ser estable en las condiciones de la reacción del grupo que reaccionará

o La funcionalidad introducida no debe agregar centros quirales a la molécula que puedan generar diasterómeros

o El grupo funcional original debe poder regenerarse con buen rendimiento y sin afectar al resto de la molécula

No existe en la práctica un grupo protector ideal para cada funcionalidad, si existe una gran batería de protectores posibles cada uno de los cuales cumple las condiciones anteriores en determinadas circunstancias. Una lista muy breve se recoge en

la tabla No. 25. El uso de protectores debe reducirse al mínimo indispensable y su elección debe ser tal que no se requiera

reemplazarlos a lo largo de la síntesis ya que los pasos de introducción y remoción (desprotección) suman costo y trabajo a

la síntesis y disminuyen el rendimiento.

Ejemplo.

O

COOMe

OHOH

COOMe

OO

2 CH3MgBr

OO

OH

H3O+

O

OH


237

Se ha protegido el grupo cetónico de la molécula transformándolo en un cetal cíclico, con un etanodiol en medio ligeramente

ácido, posteriormente se ha hecho reaccionar esta molécula con dos moles del bromuro de fenil magnesio, que actúa sobre el grupo éster, para transformarlo en alcohol. Finalmente se hidroliza el cetal cíclico para regenerar la cetona.

Tabla No. 25. Grupos Protectores más comunes

Grupo Forma de

protección

(GP)

Operación de

síntesis

Eliminación El GP resiste a; El GP reacciona con:

Aldehído

Cetona

Acetal

RCH(OR’)2 R’OH/H+ H2O, H+

Bases, nucleófilos

Oxidantes, reductores Electrófilo, ácidos

Ácidos

(Ar)RCOOH

Ésteres

(Ar)RCOOMe’ (AR)RCOOEt

(Ar)RCOOBn (Ar)RCOOt-Bu

Anión: (Ar)RCOO-

CH2N2 EtOH, H+

BnOH, H+

t-BuOH, H+

base

H2O, OH- H2, o HBr

H+

H+

ácido

Ácidos y bases débiles

Electrófilos

Nucleófilos

Bases fuertes,

nucleófilos,

agentes reductores

“

“

“

Electrófilos

Alcohol

ROH

Acetales: THP DHP, H+ H2O, H+ Nucleófilos, bases, agentes

reductores Electrófilos, ácidos

éteres: ROBn

ROTr

BnBr, NaH

TrCl, base

H2 o HBr

H2O, H+

Ácidos y bases, oxidantes Reductores, nucleófilos,

Electrófilos débiles

HX (X= nucleófilo)

ácidos

Sililéteres:

TES TBDMS

TBDPS

TESCl TBDMSCl

TBDPSCl

F, o H2O, H+ “

“

Bases, oxidantes, Nucleófilos “

“

Ácidos

“

“

Ésteres:

R’COOR

R’COCl, piridina

H2O, H+ o H2O,

OH-

Electrófilos, agentes oxidantes Ácidos, bases y

nucleófilos

Dioles Acetales Bases, nucleófilos Oxidantes, reductores

Tioles Tioésteres Electrófilos

Aminas

(Ar)RNH2

Amidas:

R’CONHR Uretanos:

R’OCONHR

R’COCl, base

R’OCOCl, base

H2O, OH- o H2O,

H+

Si R’= Bn: H2, cat, o HBr

Si R’ = t-Bu: H2O, H+

Electrófilos

Electrófilos, agentes oxidantes

“

Base, nucleófilos

“

10.5.1. Protección de aldehídos y cetonas

Una forma de protección de las cetonas y los aldehídos es su conversión en acetales.

R2R1

O

+ 2 R'OH

H+

R1

R2

OR'R'O

+ OH2

acetal


238

Los acetales se pueden desproteger en condiciones suaves mediante reacciones de hidrólisis ácida. En la reducción de un

cetoéster a cetoalcohol. La protección de la cetona en forma de acetal es muy conveniente porque el acetal resiste las condiciones reductoras en que se emplearán en la conversión del grupo éster en grupo hidroxilo. En el siguiente esquema se

da la secuencia de síntesis completa que permite conseguir la reducción del éster sin afectar a la cetona:

OHOH

H+

COOEt

O

COOEt

OO

LiAlH4/THF

CH2OH

OOH3O+

CH2OH

O

En la primera etapa la cetona se convierte en un acetal cíclico por reacción con etilenglicol en presencia de un catalizador

ácido. En la segunda etapa se reduce el éster con LiAlH4. Este reactivo no ataca al acetal. Finalmente, en la tercera etapa e l

alcohol-acetal se trata en medio ácido acuoso. En estas condiciones el acetal resulta hidrolizado regenerándose el grupo

carbonilo cetónico. Cada una de las tres etapas es quimioselectiva puesto que en cada una de ellas se consigue la reacción

preferente de un grupo funcional en presencia de otro.

10.5.2. Protección de Ácidos Carboxílicos

a. ésteres de etilo y metilo

La forma de protección más corriente de los ácidos

carboxílicos es su conversión en ésteres. Los ésteres más

empleados son los de etilo y metilo que pueden obtenerse

fácilmente mediante la reacción de esterificación de Fischer.

OHR1

O

+ R'OH

H+

OR'R1

O

+ OH2

éster

La desprotección se lleva a cabo mediante la hidrólisis ácida o básica

(saponificación) del grupo éster. R OH

O

R OR'

O

ác. carboxílicoéster

H2O, H+

(ó H2O, OH-)

b. ésteres de bencilo

La desprotección de ésteres de etilo o metilo puede ser problemática en sistemas polifuncionales debido a la elevada acidez o basicidad que se debe emplear en el proceso de hidrólisis. Por ello se emplean otro tipo de ésteres que permiten efectuar

la etapa de desprotección en condiciones neutras o de baja acidez,

Los ésteres de bencilo se pueden desproteger mediante hidrogenólisis

(ruptura de enlaces por H2) del enlace C-

O, a temperatura ambiente y en

condiciones neutras.

R OH

O

R O

O

ác. carboxílicoéster de bencilo

+ H2

Pd/C +

tolueno

c. ésteres de t-butilo

Los ésteres de t-butilo se pueden hidrolizar

fácilmente a los correspondientes ácidos

carboxílicos, en condiciones suaves de acidez y temperatura ambiente, debido a la fácil formación

del carbocatión t-butilo.

R O

O

ác. carboxílico

+ +OH2R O

O

H OH

éster de t-butilo t-butanol


239

10.5.3. Protección de alcoholes

a. Como acetales. El DHP (dihidropirano) se emplea para la conversión de alcoholes en acetales mixtos.

Como el alcohol se convierte en acetal, la

desprotección se efectúa mediante hidrólisis

ácida.

R OH +O ORO

RO THP

alcohol dihidropirano (DHP) acetal

b. Como éteres de bencilo. Puesto que los éteres son uno de los grupos funcionales menos reactivos no es de extrañar que

muchos de ellos se empleen como grupos protectores. Sin embargo, la inercia química de los éteres es un inconveniente a la hora de utilizarlos como grupos protectores porque la etapa de desprotección obliga, en muchos casos a la utilización de

condiciones de reacción muy drásticas. Es por ello que, en la práctica, el número de tipos de éter que se emplean como

protectores de alcoholes se ve notablemente reducido.

Uno de los éteres más empleados en el

proceso de protección de alcoholes es el bencil éter (ROBn). La etapa de

protección se consigue por la

ionización previa del alcohol, por

ejemplo con NaH, seguida de ataque

SN2 del alcóxido generado sobre

bromuro o cloruro de bencilo.

R OH + NaH RO Na + H2

RO Na +Br

RO

SN2 + NaBr

bencil éter (ROBn)

Los bencil éteres son muy populares entre los

químicos orgánicos de síntesis porque conjugan

una gran facilidad de introducción, una gran

inercia química, y una gran quimioselectividad

en la etapa de desprotección. La desprotección

se efectúa en condiciones neutras y a

temperatura ambiente, mediante una reacción

de hidrogenólisis.

R OH

R O

+

bencil éter (ROBn)

+ H2Pd/C

alcohol tolueno

c. Como tritiléteres. Los tritil éteres, o éteres de trifenil metano, se emplean para la protección quimioselectiva de

hidroxilos primarios. Los grupos hidroxilo secundario y terciario, al estar estéricamente más impedidos que los primarios, no

forman éteres de tritilo porque el cloruro de trifenilmetilo (cloruro de tritilo) es un reactivo muy voluminoso.

Los éteres de trifenilmetano (éteres de tritilo) se obtienen mediante la reacción de

alcoholes primarios con el cloruro de

tritilo en presencia de una base nitrogenada terciaria no nucleofílica, como

la piridina. La misión de la base es

neutralizar el HCl que se genera en la

reacción.

R OH +

alcohol

Cl

Ph

PhPh

N O

Ph

PhPh

R ++

N

H

Cl

cloruro de tritilo tritil éter (ROTr)


240

La desprotección de este tipo de éteres se consigue

mediante una hidrólisis ácida suave. Los productos son dos alcoholes

R OH+

alcohol

O

Ph

PhPh

R +

tritil éter (ROTr)

H+ H2O

Ph

PhPh

OH

d. Como sililéteres. Los sililéteres se obtienen por reacción de los alcoholes con cloruros de sililo.

Como el cloruro de trietilsililo (Et3SiCl), el

cloruro de t-butildimetilsililo (t-BuMe2SiCl) o el cloruro de t-butildifenilsililo (t-BuPh2SiCl). La

síntesis de estos éteres se efectúa en presencia de una base no nucleofílica para

neutralizar el HCl que genera la reacción

R OH +

alcohol

Cl Si

Et

EtEt

N +

N

H

Cl

cloruro de trietilsililo

O Si

Et

EtEt

R +

TES éter (ROTES)

R OH +alcohol

Cl SiN +

N

H

Cl

O SiR +

cloruro de t-butildimetilsililo TBDMS éter (ROTBDMS)

R OH +alcohol

Cl Si

Ph

Ph

N +

N

H

Cl

O Si

Ph

Ph

R +cloruro de t-butildifenilsililo TBDPS éter (ROTBDPS)

Los silil éteres se pueden desproteger quimioselectivamente mediante la reacción con sales que contengan el anión fluoruro.

Esta desprotección se basa en la

fortaleza del enlace Si-F, uno de los

enlaces covalentes más fuertes que

existen, que impulsa la reacción hacia la formación del correspondiente

fluorosilano. R OH

+

alcohol

O Si

Ph

Ph

R +TBDPS éter (ROTBDPS)

F M RO MF Si

Ph

Ph

alcóxido

RO M + OH2

H+

+ M OH

El otro producto de estareacción es una sal del anión alcóxido (RO-M+). Para obtener el alcohol se procede a efectuar una

etapa de hidrólisis para provocar la protonación del anión alcóxido. El tamaño de los tres reactivos de sililación, aumenta en el siguiente orden:

Et3SiCl t-Bu(CH3)2SuCl t-Bu(Ph2)SiCl

Aumenta el tamaño del reactivo de sililación

e. Protección como ésteres. Los alcoholes también se pueden proteger mediante su conversión en ésteres. Uno de los

ésteres más comunes en la estrategia de protección-desprotección de alcoholes es el éster del ácido acético

R OH +alcohol

+O

O O

O

O

RN +

N

NH2

CH3COOanhidrido acéticoacetato


241

10.5.4. Protección de Aminas

El par electrónico libre situado sobre el átomo de nitrógeno de las aminas es el responsable de la nucleofilia y de la basicidad

de éstas. La forma evidente de ocultar las propiedades básicas y nucleofílicas de las aminas es su conversión en compuestos

en los que el par electrónico del nitrógeno esté conjugado con un grupo electrón-atrayente.

a. Como amidas. La conversión de aminas en amidas puede ser una buena solución para la protección de los grupos

amino porque la deslocalización de la densidad electrónica asociada al átomo de nitrógeno disminuye la basicidad y la

nucleofilia de este par electrónico. Esta protección tiene un inconveniente, la etapa de desprotección.

Las amidas son poco reactivas y la hidrólisis del grupo amida hay

que efectuarla en condiciones de alta basicidad (o acidez) y

temperatura que puede afectar a

otros grupos funcionales presentes en la estructura

R NH2 +amina

Cl R1

O

RNH R1

O

RN

+

R1

O

H

base

amida

Por ello, las aminas se suelen proteger en forma de uretanos y no de amidas.

b. Como uretanos. En los uretanos la densidad electrónica del átomo de nitrógeno también está disminuida por conjugación

con un grupo carbonilo. La ventaja de estos protectores es que pueden eliminarse en condiciones suaves y muy

quimioselectivas. Uno de los reactivos empleados en la protección de aminas en forma de uretanos es el cloruro de t-

butiloxicarbonilo. Los uretanos obtenidos con este reactivo se abrevian como RNHBoc

R NH2 +amina

Cl O

O

RNH O

O

RN

+

O

O

H

base

cloruro de t-butiloxicarbonilo

uretano (RNHBoc)

La reacción de los RNHBoc con ácidos acuosos, en condiciones suaves de acidez y temperatura, genera un ácido carbámico

que es inestable y se descarboxila in situ dando lugar a la amina libre. Otro tipo de uretanos empleados en la protección de

aminas son los que se obtienen en la reacción con cloruro de benciloxicarbonilo. Las aminas (RNH2) protegidas como

uretanos de benciloxicarbonilo se abrevian como RNHCBz

NH2 + Cl O Ph

O

R

NH O Ph

O

base

amina cloruro de benciloxicarbonilo uretano (RNHCBz)

Estos uretanos se desprotegen en condiciones neutras mediante una reacción de hidrogenólisis.

Desprotección de N-CBz derivados:

1º. Generación del ácido carbámico por

hidrogenólisis R

NH O Ph

O

uretano (RNHCBz)

R

NH O

H

O

ácido carbámico

+H2, Pd/C

Ph CH3

tolueno

2º. Descarboxilación espontánea del ácido carbámico

R

NH O

H

O

ácido carbámico

N H

R

H

+ O C O

amina


242

10.6. Activación - Desactivación

Muchas veces es necesario activar una parte de una molécula para que la reacción ocurra preferentemente en ese lugar o

sencillamente es necesario desactivar un grupo activante, para disminuir la reactividad de la molécula. Esto puede

observarse en los siguientes ejemplos.

a. Cuando se pretende obtener la orto nitroanilina a partir de la anilina, una nitración directa de la misma,

proporcionaría una mezcla de isómeros orto y para anilinas, debido a que el grupo –NH2 es activante de la molécula

de benceno para las sustituciones electrofílicas. De manera que la estrategia debe contemplar una necesaria

disminución del poder activante del grupo amino, lo que se consigue transformándolo en un grupo amida, con la ácido acético o anhídrido acético.. Se forma la acetanilida.

El nuevo grupo sigue siendo orientador orto para, preferentemente para, debido a que por ser voluminoso el grupo amida, se origina un efecto estérico, que impide a que cualquier electrófilo pueda aproximarse exitosamente a la

posición orto del anillo bencénico, estando libre la posición para.

NH2

CH3COOH

glacial

NHCOCH3

anilina acetanilida

H2SO4

conc.

NHCOCH3

SO3Hmayoritario

HNO3

H2SO4

NHCOCH3

SO3H

NO2H2SO4 (1:1)

NH2

NO2

o-nitroanilina

Esto se puede aprovechar para sulfonar la acetanilida, obtener el isómero mayoritario para-sulfo-acetanilida, que

luego es sometida a nitración, que luego por hidrólisis ácida del grupo amida y del grupo sulfónico, se libera la orto

nitro anilina solicitada.

b. Frecuentemente se requiere que los carbono alfa de un compuesto carbonílico, por ejemplo una cetona, se

transformen en buen nucleófilo, para participar de reacciones con altos rendimientos, esto se puede lograr de las

dos maneras siguientes:

O

NH

N

enamina

O

LDA

O-Li

+

enolato

10.7. Síntesis de Moléculas Polifuncionales

Para la síntesis de moléculas polifuncionales, es necesario la aplicación de los principios generales y fundamentalmente los

tres principios que se acaban de explicar (simetría, selectividad y control), de acuerdo a las características la molécula

objetivo que se desee sintetizar.

MOb. 07. Proponer un plan de síntesis para el 2-metil-3-etil-2,6-

hexanodiol. OH

OH

(MOb 07)

Solución. LA MOb 7 es bifuncional y los grupos son hidroxílicos: uno terciario y otro primario. El esqueleto carbonado

presenta dos ramificaciones: un metilo y un etilo. Puesto que la molécula posee poca simetría, es improbable que ambos

grupos puedan introducirse simultáneamente.

Para empezar por el final, considérese cómo se podría intentar la introducción de una función, en presencia de la otra. En

forma arbitraria, inténtese introducir un grupo oxhidrilo primario en una molécula precursora que tenga el OH terciario.


243

Para esto se tiene dos posibilidades: Hidroboración/oxidación de una olefina terminal y adición de un reactivo de Grignard al

formaldehído.

Si se analiza con detenimiento, la segunda ruta es improbable, puesto que es imposible formar un compuesto de Grignard del

mismo ya que el OH terciario es suficientemente ácido como para descomponer el Grignard que estuviera formándose. La reacción de hidroboración/oxidación del primer camino resulta ser un proceso selectivo: no afecta el grupo hidroxilo ya

existente en una molécula.

Se debe considerar ahora cómo

formar el alcohol olefínico

terciario requerido para la

reacción de hidroboración.

Puesto que este alcohol también

contiene dos funciones;

nuevamente se debe considerar

la introducción de un grupo

funcional en presencia de otro.

Br

OH

OH

1) BH3

2) H2O2/-OH

1) Mg/éter

2) HCHO

3) H3O+

OH

OH

Los alcoholes terciarios se forman comúnmente

por adición de un reactivo de Grignard una

cetona y el doble enlace no altera la reacción,

siendo por lo tanto también selectiva. De este

modo, puede prepararse el alcohol partiendo de

un precursor cetónico no saturado. OH

O

1) CH3MgBr

2) H3O+

Ahora se puede centrar la atención en la construcción del esqueleto carbonado. Para ello se puede recurrir nuevamente a

una síntesis de Grignard; sin embargo se puede observar que el último precursor está estructuralmente relacionado con el

éster acetoacético ya que la estructura típicamente se puede obtener a partir del éster acetoacético o es una metil cetona o

es un producto de transformación de ella.

En consecuencia, se puede obtener el compuesto intermedio por alquilización del acetoacetato de etilo: primero con bromuro

de etilo y luego con bromuro de alilo, para finalmente hidrolizar y descarboxilar el producto, para generar la MOb 7.

OH

OH

OH

1) BH3

2) H2O2/-OH

O

1) CH3MgBr/THF

2) H3O+

OCOOEt

1) H3O+

2) calor/(-CO2)

COOEt

O

1) EtONa

2) CH2=CHCH2BrCH3COCH2COOEt

1) EtONa

2) CH3CH2Br

(MOb 07)


244

El bromuro de alilo se prepara de la siguiente manera: CH2=CHCH3

NBS

CH2=CHCH2Br NBS = NBr

O

O MOb 08. Las feromonas, son agentes

químicos que utilizan los insectos para sus

comunicaciones. El atrayente sexual de la

polilla tiene la siguiente estructura:

Proponer un plan de síntesis para la misma.

O

CCHH

MOb 08

Solución:

El grupo funcional de la molécula es un epóxido, su esqueleto

carbonado tiene una sola ramificación: un grupo metilo. El

epóxido es un isómero geométrico del tipo cis.

Con estas consideraciones se puede mencionar a continuación,

que para la preparación de un grupo epóxido se dispone de los

métodos de la reacción de un alqueno con un perecido y un alqueno con hipodromito seguido de la acción de una base

hidróxilica.

a. RCO3H O

b.

HOBr

OH BrOH O

Por otra parte, el isómero geométrico epóxido tiene que btenerse de su similar alqueno cis. Entonces el alqueno precursor

debe ser:

CCHH

La deshidratación de un alcohol, normalmente genera el alqueno trans, por lo que el precursor “no será” un alcohol y por lo

tanto debe desecharse esta posibilidad, por tal razón el método más adecuado para la formación del alqueno será una

reducción parcial de un compuesto acetilénico sustituido, es decir, un acetileno interno.

El plan de síntesis que se propone a continuación se basa en las consideraciones anteriormente descritas. Los compuestos

(A) y (B), deben ser todavía sintetizados a partir de moléculas más simples.

CCHH

O

CC(CH2)7(CH2)3

HH

C6H5COOOH

(CH2)7

(CH2)3

H2/Pd-BaSO4

C CNa

(CH2)3

CH3(CH2)8CH2Br(A)

(CH2)4

C

NaNH2

CNa

(CH2)4

Br

(B)


245

Las aplicaciones en los siguientes capítulos estarán centradas en las interrogantes: ¿cómo se justifica la siguiente

transformación?. ¿Cómo se sintetiza la siguiente molécula?. En la solución de ellos se irán ampliando más aspectos de la síntesis orgánica

MOb 09. (1E,4E)-hepta-1,4-dienilcyclopentano. Proponer un plan de síntesis, a partir de materiales simples y los reactivos necesarios, para la

siguiente molécula:

(MOb 09)

CH3CH2Br

CNa

Li/NH3

NaNH2CNa

Br

NBS

OH

POCl3

CH3CHO

MgBr

2) H3O+

Mg/THF

Br

PBr3

OH

HCHO

MgBr

2) H3O+

OH

1) HBr/reflujo

2) Mg/éter seco

(MOb 09)

Una adecuada combinación de la síntesis acetilénica y de Grignard, permite elaborar un plan de síntesis factible a partir del

ciclopentanol y el acetaldehído.

Es necesario hacer notar que a esta altura de los conocimientos de las reacciones, no permite aún plantearse la preparación

del anillo de cinco miembros. Sin embargo se debe tener cuidado que el haluro que reacciona con el ión acetiluro deba ser

necesariamente primario, con los haluros secundarios y terciarios, la reacción que predomina es la de eliminación y no

ocurre la sustitución.

Se aprovecha adecuadamente la bromación del sistema alílico que se forma con la succinimida, Los acetiluros también son

nucleófilos que pueden atacar un epóxido formando, luego de la hidrólisis ácida un alcohol.

MOb. 10. ¿Cómo se efectuaría la síntesis de la MOb 10 a

partir del estireno?.

Utilice todos los reactivos necesarios con la finalidad de justificar la transformación indicada. estireno


246

Solución:

La MOb 10, incrementa en un

grupo metilo la cadena alquílica

del compuesto aromático.

El punto de instauración sugiere

que el mismo puede prepararse

a partir de la deshidratación de

un alcohol.

Esto permite pensar que el

grupo metilo proviene de un compuesto de Grignard, que a su

vez forma simultáneamente el

alcohol.

OH

H2SO4 conc.

CHO

1) CH3MgBr

2) H3O+

OHPy.CrO 3.HCl

1) BH3

2) H2O2, -OH

(MOb 10)

Esta reacción sólo podrá ocurrir si la molécula precursora es un aldehído, el cual a su vez es formado por la oxidación de un

alcohol, con PCC. El alcohol requerido puede formarse por hidroboración de la molécula de partida que es el estireno

Prueba de Dominio. Proponer un plan de síntesis a partir de materiales simples y asequibles, para las moléculas que a

continuación se indican:

a)

COOH

b)

COOPh

c)

COOH

Et

Et

d)

N+

NHO

O

O

e)

CHO

f)

O

BrO

g)

Et

COOH

h)

OHC

i) OH

OH

j)

O

OEt

O

k)

O O

l) O


247

11

REACTIVIDAD Y SÍNTESIS DE LOS COMPUESTOS AROMÁTICOS

La sustitución electrofílica aromática es la reacción más importante de los compuestos aromáticos. Es posible introducir al

anillo muchos sustituyentes distintos por este proceso. Si se elige el reactivo apropiado pueden efectuarse reacciones de

bromación, cloración, nitración, sulfonación, alquilación y acilación, estas seis son reacciones directas, y a partir de

ellas se pueden introducir otros grupos. En este capítulo se estudiará estas reacciones, más las que se puedan obtener a partir de ellas, como también la introducción de un segundo sustituyente.

Como ya se tiene indicado, la reacción más importante de los compuestos aromáticos es la sustitución electrofílica

aromática (SEAr). Es decir la introducción de un electrófilo (E+),

en el anillo bencénico.

E

+ E + H

Seleccionando las condiciones y los reactivos

apropiados, el anillo aromático se puede

halogenar, nitrar, sulfonar, acilar y alquilar.

Todas estas reacciones y muchas otras proceden

a través de un mecanismo similar.

X

NO2

SO3H

R

R

O

Halogenación

Nitración

Sulfonación

Alquilación

Acilación

11.1. Halogenación electrofílica

El benceno es normalmente inerte en presencia de halógenos, debido a que los halógenos no son lo suficientemente

electrófilos para destruir su aromaticidad. Sin embargo, los halógenos pueden activarse mediante ácidos de Lewis como los

haluros de hierro, FeX3 o de aluminio, AlX3, para dar electrófilos más potentes.

Mecanismo de la Bromación.

1) Activación del bromo por un ácido de Lewis (FeBr3)

Br Br + FeBr3 Br Br+

FeBr3Br Br FeBr3

2) Ataque electrófilo sobre el benceno por bromo activado

3) El FeBr4- formado en la etapa anterior actúa ahora como base abstrayendo el protón del catión hexadienilo.

H

+ Br Br+

FeBr3

H

Br + FeBr4


248

BrBr

H + FeBr4 + HBr + FeBr3

En resumen, la halogenación del benceno se hace más exotérmica al pasar del I2 (endotérmica) a F2 (explosiva). Las

cloraciones y bromaciones se consiguen utilizando ácidos de Lewis como catalizadores que polarizan el enlace X-X y activan el halógeno aumentando su poder electrófilo.

La dificultad termodinámica de la yodación puede evitarse añadiendo una sal de plata a

la mezcla de nitración, que activa y elimina el

producto (yoduro) de la reacción por

precipitación.

H

+ I2

AgNO3

I

+ +AgI HNO3

Para la fluoración del benceno puede emplearse la reacción de Schiemann.

N2

+BF4

-

F

+ +N2 BF3

A su vez, la sal de diazonio para la reacción

de Schiemann se prepara a partir de la

anilina por diazotación con nitrito de sodio en

medio ácido:

NH2NaNO2

HBF4

N2

+Cl

-N2

+BF4

-

HCl

11.2 Nitración electrofílica.

Los anillos aromáticos se pueden nitrar, con una mezcla de ácido nítrico y ácido sulfúrico concentrados. Se piensa que en

ésta reacción el electrófilo es el ion nitronio, NO2+, que se genera a partir del ácido nítrico por protonación y pérdida de agua.

Mecanismo de la nitración

1) Activación del ácido nítrico por el ácido sulfúrico

(formación del ion nitronio)

N

O-

O

OH + H OSO3H N

O-

O

H2O + OSO3H

NO2

2) Ataque nucleofílico sobre el ion nitronio y estabilización de la carga positiva en el anillo

bencénico por resonancia

H

+ NO2

H

NO2

3) Abstracción del protón por parte de la base conjugada del ácido sulfúrico.

H

NO2OSO3H+

NO2

+ H2SO4

La nitración de anillos aromáticos es una reacción de particular importancia, debido a que los nitroarenos que se producen pueden reducirse con reactivos como hierro o cloruro estannoso para formar aninoarenos (derivados de la anilina).


249

11.3. La Sulfonación Electrofílica

El ácido sulfúrico concentrado no reacciona con el benceno a temperatura ambiente excepto por protonación. Sin embargo,

una forma más reactiva, llamada “ácido sulfúrico fumante” da lugar a un ataque electrofílico por SO3. El ácido sulfúrico

fumante comercial se prepara por adición de aproximadamente un 8% de trióxido de azufre (SO3), a ácido sulfúrico

concentrado. El electrófilo reactivo es HSO3+ o SO3 neutro, dependiendo de las condiciones de reacción.

Mecanismo de la Sulfonación

H

S

O

O O

+

H

SO3

SO3H

ácido bencensulfónico (95%)

La sulfonación es reversible, lo cual tiene utilidad sintética, debido a que el

sustituyente ácido sulfónico puede utilizarse como grupo protector para

dirigir una segunda o tercera sustitución en el anillo bencénico. SO3H

H2SO4, H2O

100°C

11.4 Alquilación de sistemas aromáticos: Reacción de Alquilación de Friedel–Crafts.

En 1877, Charles Friedel y James Crafts descubrieron que los haloalcanos reaccionan con benceno en presencia de cloruro

de aluminio, para dar el producto de alquilación. La reacción de Friedel-Crafts es una sustitución electrofílica aromática en la

cual el anillo aromático ataca a un carbocatión electrofílico. El carbocatión se genera cuando el catalizador AlCl3 ayuda al

halogenuro de alquilo a ionizarse, de forma muy similar a como el FeBr3 cataliza las bromaciones aromáticas polarizando al

bromo.

Mecanismo de la alquilación electrofílica.

1) Activación del haloalcano

R CH2 X + AlCl3R CH2 X AlCl3

2) Ataque electrófilo

H

R CH2 X AlCl3 + AlCl3X

3) Pérdida del protón

H

CH2R +AlCl3X+CH2R

HX + AlCl3

Las alquilaciones de Friedel-Crafts intramoleculares pueden utilizarse para la construcción de un nuevo

anillo fusionado con el núcleo bencénico.

Cl

AlCl3, CS2

25°C, 70 h

Las alquilaciones de Friedel-Crafts además pueden llevarse a cabo con un alcohol o un alqueno en presencia de un ácido de Lewis, tal como cloruro de aluminio anhidro, fluoruro de hidrógeno, trifluoruro de boro o cloruro de hierro (III).:


250

HF 0°C

CH2OH

ác.p-toluensulfónico

Difenilmetano

+ H2O

Cada átomo de halógeno de un polihalogenuro reacciona con una molécula de hidrocarburo aromático de manera similar:

2 + CH2Cl2

AlCl3, 45º C

Difenilmetano (60%)

+ 3HCl

La autocondensación de dos moléculas de cloruro de bencilo da 9.10 dihidroantraceno, el cual puede oxidarse a antraceno:

CH2Cl

ClH2C

+AlCl3 [Ox]

Antraceno

El calentamiento prolongado de un alquilbenceno con un ácido de Lewis, da por resultado la eliminación del grupo alquilo y por

consiguiente la alquilación de Friedel – Crafts es reversible. Si bien las alquilaciones de Friedel-Crafts son útiles en términos

generales para la síntesis de alquilbencenos, están sujetas a ciertas limitaciones. Una de ellas es que sólo se pueden usar

halogenuros de alquilo, la reacción no funciona con halogenuros de arilo y halogenuros vinílicos.

Halogenuros de arilo Cl

No hay reacción con estos haluros¡¡¡

Cl

Halogenuros vinílicos

Una segunda limitación es que las reacciones de Friedel-Crafts no proceden con anillos aromáticos que estén sustituidos con

grupos que atraigan fuertemente a los electrones (desactivadores).

G

+ R-XAlCl3

NO hay reacción

Donde:

G= -NR3, -NO2, -CN

Una tercera limitación es que estas reacciones son difíciles de detener en el producto monosustituido,

suelen dar el producto disustituido en para como

producto principal

C(CH3)3

C(CH3)3

AlCl3

+ (CH3)3CCl +

C(CH3)3

mayor menor

Una limitación final a la reacción de Friedel-Crafts es la transposición del grupo alquilo que ocurre algunas veces durante la reacción, en particular cuando se emplea un halogenuro de alquilo primario, con más de dos átomos de carbono en, su

longitud.


251

CH2CH2CH2CH3CH3CH2CH2CH2Cl

AlCl3, 0ºC

+

sec-butilbenceno Butilbenceno

(66%) (34%)

Benceno

La reacción de Friedel–Crafts, es excepcional en el sentido de que si ocurre dialquilación, los dos grupos se introducirán en

meta cuando la temperatura sea de 80º o mayor en presencia de un catalizador enérgico, pero se introducirán en orto y

para en condiciones más suaves. Esto puede deberse a que el isómero meta es el más estable y por lo tanto será el producto

favorecido con un control termodinámico

C2H5

C2H5

C2H5

C2H5

C2H5

C2H5

C2H5

C2H5

C2H5H5C2

+ C2H5Cl

BF3, 25ºC2H5Cl/BF3, 25º

+

AlCl3, 80º

C2H5Cl/AlCl3, 80º

AlCl3, 80º, C 2H5Cl

C2H5/AlCl3, 80º

El AlCl3 es un catalizador más poderoso que el BF3, el FeCl3 y el HF.

11.5 Acilación de Friedel Crafts

La reacción consiste en la introducción del grupo acilo (-COR), al anillo aromático para la obtención de cetonas, es una de las

reacciones de sustitución aromática más empleadas, la sustitución tiene lugar sin reagrupamientos. Puesto que los grupos

carbonilo se reducen con facilidad a grupos metileno por los métodos de Clemmensen y Wolf-Kischner, la acilación seguida

de reducción es un procedimiento excelente para introducir grupos alquilo en las cadenas laterales.

El mecanismo de acilación de Friedel-Crafts es similar al de la alquilación. El electrófilo reactivo es un catión de acilo

estabilizado por resonancia, el cual se genera por reacción entre el cloruro de acilo y el AlCl3. A diferencia de las

alquilaciones, las acilaciones nunca proceden más de una vez en un anillo, debido a que el acilbenceno producido es siempre menos reactivo que el material de partida no acilado.

Mecanismo de la Acilación de anillos armáticos

ClR

O

R = alquil, aril

+ AlCl3

ClR

O

AlCl3R C=O R C=O + AlCl4

-

catión alílico

H

+ R C=O

HR

OAlCl4

-

R

O

+ HCl + AlCl3

Ejemplos de acilación de Friedel –Crafts.


252

OCH2COCl

+ AlCl3, CS2

Fenilbencilcetona

+ CH3COCl

AlCl3, ClCH=CHClCOCH3

COOH

4-acetilbifeniloCl2/NaOH

(Reac. del Haloformo)

ác. parafenilbenzoico (86%)

CH=CHC(CH3)3CH2C(CH3)3OHCOCH2C(CH3)3

(CH3)3CCH2COCl

AlCl3

87%

1) NaBH4

2) H3O+

I2

(POCl3)

(piridina)

O

furano

(C6H5CO)2O

H3PO4 OC6H5

O

1) C6H5MgBr

2) H3O+

O

(C6H5)2

OH

Los anillos aromáticos con sustituyentes orientadores en posición meta no son lo suficientemente reactivos para sufrir

acilaciones directamente; por consiguiente, las cetonas meta-sustituidas se deben obtener por procedimientos indirectos:

COCH3 COCH3

N2

+Cl-

COCH3

NO2

1) SnCl2

2) HNO2/HCl

HNO3/H2SO4

0º C

COCH3

CN

COCH3

Cl

Cu2(CN)2

Cu2Cl2

Cuál es el plan de síntesis más adecuado, para preparar la 3,5-dibromoacetofenona (MOb 11), a partir del benceno?

MOb 11. El grupo metilcetónico es desactivante del anillo bencénico, razón por la cual es imposible introducir el Br en la

molécula. Sin embargo se puede en la molécula precursora, hacer aparecer un grupo que pueda activar el anillo bencénico

aún estando el grupo cetónico en ella. Ese grupo es el amino, activante fuertel, que por diazotación y reacción con el H3PO2,

prácticamente vuelve a alejarse del anillo bencénico.

El grupo amino es orientador orto para, lo que permite introducir el bromo en las posiciones requeridas No obstante recuerde que tampoco es posible acilar directamente la anilina, por lo que el grupo amino se debe transformar en su amida,

que permitirá la acilación en la posición para preferentemente.

El resto de reacciones ya no requieren de explicación, por ser demasiado obvias.


253

Br Br

COCH3BrBr

COCH3

NH2

1) NaNO2/HCl

2) H3PO2

COCH3

NH2

Br2/H2OCOCH3

NHCOCH3

HCl/H2O/calor

NHCOCH3

CH3COBr/AlBr3, CS2

0º C

70%

NH2

(CH3CO)2ONO2

Sn/HCl

HNO3/H2SO4

(MOb 11)

[email protected]

11.6. Ciclación de Friedel-Crafts.

La ciclación intramolecular de ácidos y -arilalcanoicos (y cloruros de ácido) en condiciones ácidas, es un método

elegante en la síntesis de anillos carboxílicos condensados con núcleos aromáticos. Se han investigado una amplia variedad

de condiciones de reacción para la síntesis de sistemas policíclicos.

CH2CH2COClAlCl3

90 %

O1-hidrandona

CH2CH2CH2COOH

HF

O

-tetralona

seco

HOOC

O

+ O

O

O

AlCl3/CS2 HF

Seco

O

O

Antraquinona

Las ciclaciones intramoleculares de Friedel-Crafts se usan no solo para la síntesis de nuevos sistemas en anillo, sino también

para la preparación de derivados de hidrocarburos polinucleares corrientes como el naftaleno, fenantreno y antraceno.

Todos los naftalenos monosustituidos se obtienen a partir del naftaleno, pero normalmente se obtiene una mezcla compleja

de isómeros que dificultan una separación práctica significativa; lo mismo ocurre con la monosustitución del fenantreno.

Las estructuras de los productos de sustitución se establecen mediante síntesis concretas, las cuales, usualmente, llevan

consigo ciclaciones. El anhídrido succínico y sus derivados se emplean particularmente en la formación de anillos.

Combinando convenientemente las reacciones de acilación de Friedel-Crafts, reducción de Clemmensen, adiciones de

Grignard, reducciones simples de grupos carbonilo y las reacciones de deshidrogenación de compuestos alicíclicos, se

obtienen caminos que proporcionan una gran cantidad de compuestos policíclicos sustituidos.

11.7. Problemas resueltos

Proponer a partir del tolueno o xileno, un plan de síntesis para cada una de las siguientes moléculas objetivo (MOb),:


254

(MOb 12)

CH(CH3)2

1-isopropil-7-metilnaftaleno

(MOb 13)

2,7-dimetilnaftaleno

(MOb 14)

CH(CH3)2 1-isopropil-6-metilnaftaleno

(MOb 15)

OCH3 4-metox-1,2,7-trimetilnaftaleno

Solución:

(MOb 12). En la estrategia se toma en cuenta que la última etapa tiene que ser un proceso de “aromatizacion”, por lo cual se

propone que la molécula precursora presenta un anillo no aromático, con un doble enlace sobre el carbono que contiene el

doble enlace y al grupo alquilico. Esta estructura se puede conseguir por la acción del un Grignard sobre un carbonilo y la posterior deshidratación del alcohol formado. La cetona se forma por la acilación sobre el compuesto bencénico adecuado

con el anhídrido succínico y sus posteriores cierres intramoleculares de acilación de Friedel -Crafts.

CH(CH3)2

CH(CH3)2

Pd/calor (-H2)

O

1) (CH3)2CHMgBr

2) H2SO4 conc.

HOOC

1) SOCl22) AlCl3

HOOC

O

Zn(Hg)/HCl

O

O

O

AlCl3

(MOb 12)

[email protected]

(MOb 13). Nuevamente la molécula

precursora tiene que se “aromatizada”,

la estrategia más adecuada de entre

otras se basa en la combinación de acilación con anhídrido succínico

sustituido y la reducción de

Clemmensen.

El carbonilo final se reduce a alcohol con

hidrógeno molecular y un catalizador

denominado cromilo de cobre. que será

luego deshidratado

2) SOCl2

3) AlCl3

HOOC

OO

O

O

AlCl3

1) H2, CuCrO2

2) H2SO4 conc.

Pd/calor (-H2)

O

1) Zn(Hg)/HCl

(MOb 13)

[email protected]

(MOb 14). La aromatización final se consigue, luego de reducir el grupo carbonilo a alcohol para ser deshidratado. La

molécula precursora se consigue con una acilación del benceno con anhídrido succínico. El carbonilo más electrofílico se


255

protege temporalmente como un cetal cíclico, para lo cual se usa un equivalente del etanodiol. El otro carbonilo

posteriormente es atacado por un Grignard para introducir el grupo alquilo requerido y generar el alcohol que será deshidratado, para llegar al la MOb 14.

CH(CH3)2

O

CH(CH3)2

1) NaBH4

2) H2SO4 conc.

O

O

1) SOCl2

2) AlCl3

HOOC

O

O

O

O

AlCl3

O

O O

1) (CH3)2CHMgBr

2) H2SO4 conc.

3) H2O

OH OH H+

(MOb 14)

[email protected]

1 eq.

(MOb 15). El anillo mas sustituido se considera que corresponde al anillo aromático que por una acilación adecuada con un

derivado del anhídrido succínico, permitirá el cierre de un anillo, con una combinación inteligente de la acilación y reducción del carbonilo. El anillo bencénico con la funcionalidad requerida se prepara a partir del o-xileno, que es sulfonado y el grupo –

OH se protege eterificándolo hasta el final.

OCH3

OCH3

2) SOCl2

3) AlCl3

HOOC

OOCH3

OCH3

O

O

O

AlCl3

H2SO4 conc.

1) Zn(Hg)/HClSe, calor

4) Zn(Hg)/HCl

OH

SO3H

NaOH, fusión

(MOb 15)

(CH3)2SO4

NaOH

[email protected]

La acilación del naftaleno está sujeta a un interesante efecto del disolvente. La reacción en disulfuro de carbono o disolvente

halogenado, produce un ataque predominantemente en la posición , sin embargo, en solución de nitrobenceno, el tamaño

del agente electrofílico atacante se incrementa por solvatación con el nitrobenceno, atacándose la posición , que es menos

impedida estéricamente.


256

CH3COCl

AlCl3, CH2Cl2

0º C

AlCl3, C6H5NO2

45º C

COCH3

COCH3

COCH3

+

93%trazas

90%

[email protected]

La succinoilación del naftaleno en nitrobenceno produce una mezcla

separable de isómeros y , los

cuales se usan en la síntesis de

derivados del fenantreno

CO(CH2)2COOH

CO(CH2)2COOH

O

O

O

AlCl3, C6H5NO2

[email protected]

El tetralín, se acila exclusivamente en la posición , lo que demuestra la resistencia de los derivados 2-ftaloilo a ciclarse en

la posición 3 para dar productos condensados lineales.

O

O

O

AlCl3HOOC

O

O

O

+O

OH3PO4

Zn, dest. 300º

Zn, dest. 500º

Naftaceno

1, 2 - Benzantraceno

[email protected]

11.8. Resúmen de las reacciones de sustitución electrofílica aromática

Las reacciones de sustitución electrofílica aromática, estudiadas líneas arriba, se pueden resumir en la siguiente tabla:

H

R

X

X

R


257

ELECTRÓFILO (X) REACTIVO REACCIÓN

R+ RBr + AlCl3

ROH + H+

Alqueno + H+

Alquilación Friedel-Crafts

RCO+ RCOCl + AlCl3 Acilación Friedel-Crafts

NO2+ HNO3 + H2SO4 Nitración

Cl+ Cl2 + FeCl3 Cloración

Br+ Br2 + Fe Bromación

HOSO2+ H2SO4 Sulfonación

ClSO2+ ClSO2OH Clorosulfonación

Muchos compuestos aromáticos se preparan por desplazamiento nucleofílico a partir de sales de diazonio. A su vez las sales de diazonio se pueden preparar de la siguiente manera:

NO2

H2, Pd/C

o bién:

Fe, HCl

NH2

HNO2

o bién:

NaNO2, HCl

N2

+Cl

-

sal de diazonio

ArNH2

HNO2ArN2

+Cl

- ZArZ

Z REACTIVO

HO H2O

RO ROH

CN CuCN

Cl CuCl

Br CuBr

I KI

Ar ArH

H H3PO2 o EtOH/H+

F HBF4/calor Para la preparación de otros derivados monosustituidos, distintos a los ya mencionados se procede a partir de alguno de

ellos, empleando las reacciones químicas clásicas, como oxidación, reducción, etc. Las cuales se resumen a continuación en la siguiente tabla.

Y

R

X

X

R


258

Y X REACTIVO

REDUCCIÓN:

-NO2

-NH2

H2, Pd/C (o)

Sn, HCl, conc.

-COR -CH(OH)R NaBH4

-COR -CH2R Zn/Hg, HCl, conc.

H2, Pd, Etanol

OXIDACIÓN:

-CH2Cl

-CHO

hexamina

-CH2R -CO2H KMnO4

-CH3

-COR -OCOR R’CO3H

SUSTITUCIÓN:

-CH3

-CH3

-CCl3

-CH2Br

Cl2, PCl5

NBS, CCl4

-CCl3 -CF3 SbF3

-CN -CO2H HO-, H2O

-Br -NH2 NH2- Na+, NH3

11.9. Síntesis de bencenos polisustituidos

Cuando la reacción de sustitución electrofílica se efectúa sobre el benceno, solamente se puede formar un producto; pero

¿qué sucedería si efectuáramos una reacción con un anillo aromático que ya tiene un sustituyente o varios?. Un sustituyente

que ya está presente en el anillo tiene dos efectos.

Los sustituyentes afectan la reactividad del anillo aromático. Algunos sustituyentes activan el anillo, haciéndolo más

reactivo que el benceno y otros lo desactivan, haciéndolo menos reactivo.

Los sustituyentes afectan la orientación de la reacción. Por lo general no se forman en cantidades iguales los tres

posibles productos disustituidos (orto, meta y para). En lugar de ello, la naturaleza del sustituyente ya presente en el anillo bencénico determina la posición de la segunda sustitución electrofílica.

Una interacción entre los efectos inductivos y los de resonancia controla la reactividad y la orientación en las sustituciones electrofílicas aromáticas.

Un efecto inductivo es la atracción o la donación de electrones a través de un enlace sigma ( ) a causa de la

electronegatividad y la polaridad de los enlaces en los grupos funcionales. Por ejemplo, los halógenos y los grupos carbonilo,

los grupos ciano y los grupos nitro atraen inductivamente a los electrones a través de un enlace sigma () que une al

sustituyente con el anillo aromático.

Por otra parte, los grupos alquilo son donadores inductivos de electrones. Es el mismo efecto donador que causa que los

sustituyentes alquilo estabilicen a los alquenos y a los carbocationes.

Un efecto de resonancia es la atracción o donación de electrones a través de un enlace pi (), generado por el traslape de

un orbital p de un sustituyente con un orbital p del anillo aromático. Por ejemplo, los sustituyentes carbonilo, ciano y nitro


259

atraen electrones del anillo aromático por resonancia. Los electrones pi () fluyen de los anillos a los sustituyentes, dejando

una carga en el anillo. A la inversa, los sustituyentes halógeno, hidroxilo, alcoxilo (-OR) y amino donan electrones por

resonancia al anillo bencénico. Los electrones fluyen de los sustituyentes al anillo y dejan una carga negativa en el anillo.

Activación y desactivación de los anillos aromáticos

Una de las formas más seguras de adquirir dominio de la química orgánica es resolver problemas de síntesis. La habilidad para planear una síntesis satisfactoria en varios pasos de una molécula compleja requiere un conocimiento práctico de los

usos y las limitaciones de varios cientos de reacciones orgánicas. Es necesario saber no sólo que reacciones emplear, sino

también cuándo utilizarlas. El orden en que se realizan las reacciones con frecuencia es crítico para el éxito del método total.

Ejemplo: Sintetizar el ácido p-bromobenzoico a partir de

benceno.

COOH

Br

? ? ?

(MOb 16)

(MOb 16). Inicialmente es necesario preguntarse “¿Cuál es un precursor inmediato del ácido p-bromobenzoico?” El análisis sintético hacia atrás (retrosintético) de la Mob 16, revela dos rutas válidas que van del benceno al ácido p-bromobenzoico.

COOH

Br

Br

CN

Br

H3O+

CrO3/H+ Br2/FeBr3

CH3Cl/AlCl3

N2

+Cl

-

Br

CuCN

NHCOCH3

1) Br2/FeBr3

2) H3O+

3) NaNO2/HCl

1) HNO3/H2SO4

2) Sn/HCl

3) CH3COOH

[email protected](MOb 16)

Un segundo ejemplo de interés, es la síntesis del 4-cloro-1-nitro-2-propilbenceno (MOb. 17) a partir del benceno. En principio

hay tres posibles precursores disustituidos, pero sólo uno de ellos permite formar la MOb 17, lamentablemente como el

isómero de menor producción ya que el mayoritario llegaría a ser el 5-cloro-1-nitro-3-propilbenceno, como puede

verificarse en el siguiente esquema:

Cl

NO2

Cl

NO2

Cl

NO2(MOb 17)

Esta molécula se halla

desactivada y no experimenta

la alquilación de

Friedel - CraftsNO

esta molécula, no forma

el isómero deseado por lareacción de cloración

HNO3/H2SO4

Isómero minoritario

Cl

O2N

Isómero mayoritario

debido al efecto estérico

del grupo propilo

el efecto estérico del cloro

es mucho menor


260

La síntesis final de la MOb 17, se puede encarar por medio de una ruta que utiliza la reacción de Diels–Alder para formar el

aducto adecuado, que se aromatizará en la última etapa de la síntesis con DDQ.

Cl

NO2

(MOb 17)

Cl

NO2

DDQ

NO2

Cl

O

H

NO2

EtONa

[email protected]

A continuación se realizara un pequeño estudio, para ver como se produce la entrada de un segundo grupo (E), dado que este

queda sujeto a la presencia del grupo ya presente en el anillo bencénico (G). Los sustituyentes en el anillo de benceno afectan

tanto la reactividad del anillo hacia posteriores sustituciones como la orientación de estas últimas.

Los grupos pueden clasificarse en tres categorías:

activadores orientadores orto-para,

desactivadores orientadores orto-para, y

desactivadores orientadores meta.

La entrada y dirección del electrófilo (E) en la sustitución electrofílica aromática en bencenos monosustituidos (G) queda

gobernada por la naturaleza química del grupo G, los cuales a su vez se clasifican en activantes fuertes (orientadores orto-para), activantes moderados (orientadores orto-para), activantes débiles (orientadores orto-para), desactivantes

débiles (orientadores orto-para), desactivantes fuertes (orientadores meta), que también pueden clasificarse de similar

manera,

G

G

G

+

+

+

E

E

E

G

H

E

G

H

E

G

H

E

G

H

E

G

H E

G

H E

G

H E

G

H

E

G

H

E

G

E

orto

G

E

meta

G

E

para

A continuación se muestran algunos de ellos en orden decreciente, de acuerdo a su poder activante o desactivante.


261

ORIENTADORES GRUPO ACTIVACIÓN

orto-para -NH2 , -NHR , -NR2, -OH Activantes fuertes

orto-para -OR, -NHCOR, -OCOR, Alquenos Activantes moderados

orto-para -R (alquilo) , -fenilo Activantes débiles

orto-para -F , -Cl , -Br , -I Desactivante débiles

meta

-CX3 (X = F, Cl, etc.), -NO2; -NR+3 Desactivantes fuertes

-SO3H;, -CN Desactivantes moderados

COOH, -COOR, -COR , -CHO Desactivantes débiles

La bromación electrofílica, del metilbenceno (tolueno) da sustitución orto y para. La bromación no es un caso particular; la

nitración y la sulfonación dan los mismos resultados cualitativos, sustitución principalmente en las posiciones orto y para, en

la molécula del benceno. Sólo el ataque en las posiciones orto y para da lugar a un catión hexadienilo en el que una

estructura resonante tenga la carga positiva adyacente al sustituyente alquilo, dejando un carbocatión terciario, en cambio

en meta ninguna de las formas resonantes deja un carbocatión terciario, por tal motivo predominan los productos orto y para dado que el intermedio es más estable, a su vez el mayoritario es el para por efectos estéricos

CH3

+ Br2

FeBr3

CCl4

CH3

Br

+

CH3

Br

+

CH3

Br39% < 1% 60%

Seguidamente se efectúa la explicación mecanistica para el caso del bromo:

CH3

+

CH3

H

Br

CH3

H

Br

CH3

H

Br

CH3

Br

orto

Br2

FeBr3

carbocatión estable

CH3

+

CH3

H

E

CH3

H

E

CH3

H

E

CH3

Br

meta

Br2

FeBr3

+

CH3

H E

CH3

H E

CH3

Br

para

CH3

Br2FeBr3

carbocatión estable


262

Los sustituyentes desactivantes por efecto inductivo

orientan en meta, como por ejemplo la nitración del trifluorometilbenceno, en donde el único producto es el

meta.

CF3

+

CF3

NO2

HNO3

H2SO4

único producto

Explicación mecanistica:

CF3 CF3

H

NO2

CF3

H

NO2

CF3

H

NO2

CH3

NO2

ortocarbocatión muy inestable

HNO3

H2SO4

CF3 CF3

H

NO2

CF3

H

NO2

CF3

H

NO2

CF3

NO2meta

HNO3

H2SO4

CF3

H NO2

CF3

H NO2

CF3

H NO2

CF3

NO2para

CF3

carbocatión muy inestable

HNO3

H2SO4

Ahora el ataque en orto y para están más desfavorecidos, dado que hay intermedios inestables, el ataque se produce en

meta, de esta manera se evita la formación de intermedios inestables.

Los halógenos retiran densidad electrónica por efecto inductivo mientras que son donadores por resonancia, globalmente el

efecto inductivo prevalece y los haloarenos están desactivados, sin embargo la sustitución electrófila tiene lugar

principalmente en las posiciones orto y para.

11.10. La heurística para predecir la orientación en los bencenos disustituidos

1.- Si todos los sustituyentes se refuerzan entre si, la entrada del tercer grupo no genera ningún tipo de problemas.

CH3

CH3

este punto presenta

impedimento estérico

si el electrófilo es

muy voluminoso

CH3

NO2

Ejemplos:

CH3

CH3

Br2

FeBr3

CH3

CH3

Br

CH3

SO3H

CH3COCl

AlCl3

CH3

SO3H

COCH3


263

2.- Si un orientador orto-para y uno meta no se están reforzando, el orientador orto-para controla la orientación del tercer

grupo. (El grupo entrante se dirige principalmente orto hacia el orientador meta.)

Cl

NO2

principal

CH3

NO2

principal

Ejemplos:

Cl

NO2

Cl2/FeCl3

Cl

NO2

Cl

CH3

NO2

SO3/H2SO4

CH3

NO2

SO3H

3.- Un grupo fuertemente activador, que compite con un grupo débilmente activador, controla la orientación.

OMe

Me

(o, p - moderado)

( o,p débil)

OH

Me

(o,p - fuerte)

(o, p -débil)

principal

Ejemplos:

OMe

Me

HNO3/H2SO4

OMe

Me

NO2

OH

MeBr2

FeBr3

OH

Me

Br

4.- Cuando compiten dos grupos débilmente activadores o desactivadores o dos grupos fuertemente activadores o

desactivadores, se obtienen cantidades considerables de ambos isómeros, hay muy poca preferencia.

Cl

Me

Cl

Me

(o, p - débil)

( o, p - débil)

+

( o, p - débil)

(o, p - débil)

Ejemplo: Cl

Me

+Br2

FeBr3

Cl

Me

Br

Cl

Me

Br


264

5.- En la posición de impedimento estérico, entre los sustituyentes meta

hay muy poca sustitución.

CH3

CH3

poca sustitución

11.11. Reacciones de Talación23

El uso de trifluoroacetato de talio permite tener un método para introducir halógenos y otros grupos de manera regioespecífica en un anillo bencénico. Los arenos reaccionan con el trifluoroacetato de talio en medio de ácido

trifluoroacético formando un enlace que es sumamente débil (25-30 kcal/mol) y que es fácil romperlo en forma homolítica o heterolítica, para lograr introducir ciertos grupos que por otras vías presentan una reconocida dificultad.

+ Tl(OOCCF3)3

CF3COOH

Tl(OOCCF3)2

+ CF3COOH

trifluoro acetato de talio

bis - trifluoroacetato de talio

11.11.1. Sustitución con Yodo

Los bis-trifluoro acetato de aril talio reaccionan con yoduro

de potasio para formar yoduros de arilo

Tl(OOCCF3)2

KI

I

11.11.2. Sustitución con un grupo ciano

La sustitución puede darse por reacción de los bis-trifluoroacetato de aril talio con: a) cianuro cuproso en dimetil formamida

(DMF) o por reacción con cianuro de potasio acuoso bajo la acción de luz ultravioleta.

ArTl(OOCCF3)2

CuCN

DMF

KCN

hv

ArCN

Aril nitrilos

ArCN

11.11.3. Sustitución con un grupo oxhidrilo:

Los bis-trifluoroacetato ftálico son sustituido por oxhidrilo (OH), tratando los bis-trifluoroacetato de aril talio con

tetraacetato de plomo y trifenilfosfina seguidos por tratamiento con hidróxido de sodio. De este modo se pueden formar

fenoles. ArTl(OOCCF3)2

1) Pb(Ac)4/(C6H5)3P

2) OH-

ArOH (un fenol)

11.11.4. Sustitución en la posición para:

La talación de los compuestos bencénicos que tienen un solo grupo alquilo, halógeno o metoxilo ocurre casi

exclusivamente y de manera rápida en la posición para respecto al primer sustituyente.

Z

Tl(OOCCF3)3

CF3COOH

Z

Tl(OOCCF3)2Z = Allquil, haluro, OMe

23

SOLOMONS T.W.G. Química Orgánica. Editorial Limusa, pág 582


265

En la bromación y acetilación también puede utilizarse como catalizador ácido, el ácido trifluoroacético, que forma un

complejo voluminoso con el electrófilo, razón por la cual éste se ubica en posición para. NO existe en esta reacción propiamente la talación.

11.11.5.Sustitución en orto:

Cuando el benceno presenta un

sustituyente que tenga oxígeno de ácido carboxilo, éster,

alcohol y éter, la talación ocurre en la posición orto a

temperatura ambiente, debido a

la formación de un complejo del

trifluoroacetato de talio con el

oxígeno del primer sustituyente.

G

Tl(OOCCF3)3

CF3COOH

G

Tl(OOCCF3)2

G = - COOH (ácido benzóico)

-COOCH3 (benzoato de metilo)

-CH2OH (Alcohol bencílico)

-CH2OCH3 (éter bencil metílico)

G = -CH2CH2OH (2-feniletanol)

-CH2CH2OCH3 (éter 2-feniletil metílico)

-CH2COOH (ácido 2-fenilacético)

-CH2COOCH3 (2-fenilacetato de metilo

11.11.6. Sustitución en meta:

Como la reacción de talación es reversible, se puede efectuar un control de la misma con la variación de la temperatura de

reacción, tal cual se puede observar en el siguiente esquema:

CH(CH3)2

CH(CH3)2

Tl(OOCCF3)2

CH(CH3)2

Tl(OOCCF3)2

Tl(OOCCF3)3

CF3COOH

temp ambiente

73º

más estable

más rápido

CH(CH3)2

I

CH(CH3)2

I

KI/H2O

KI/H2O

11.11.7. Sustitución orto, meta y para del mismo compuesto:

CH2CH2OH

CH2CH2OCOCH3

CH2CH2OH

I

CH2CH2OH

I

CH2CH2OH

1) Tl(OOCF3)3 75º

2) KI/H2O

1) Tl(OOCF3)3

2) KI/H2O

CH3COCl

1) Tl(OOCF3)3

2) KI/H2O

3) H3O+ calor


266

11. 12. Otras reacciones de interés en los arenos:

Ar CH3

Cl2

calor

CrO3

(AcO)2O

Ar CH2Cl

Ar CH(OOCCH3)2

H2O/H+

Ar CHO

Aldehído

Ar XMg

éterAr MgX

CO2Ar COOMgX

H3O+

Ar COOH

ác. carboxílico

Ar CN

H3O+

Ar COOH 11.13. Comportamiento de los Fenoles

Los fenoles son sustancias sumamente reactivas frente a los electrófilos, si se emplean directamente en una reacción de

sustitución electrofílica, sufren una polisustitución

Si se desea obtener un compuesto disustituido a partir de ellos, se debe

proteger el grupo OH como acetato (OAc) o como éter bencílico (OBn), de esa

manera conserva su poder orientador (orto, para) pero disminuye su poder

activador

OH

Br2

FeBr3

OH

Br

Br

Br

Para obtener el para-bromofenol (MOb. 18) a partir de fenol se debe proceder de la siguiente manera:

OH

Br

OAc

Br

NaOH/H2O

OAc

Br2/FeBr3 OH

(Ac2O)/Piridina

OBn

Br

OBn

Br2/FeBr3 O-Na

+

BnBr

OH

NaH

H2, Pd/C

(MOb 18)

[email protected]

El acetato al no ser muy voluminoso, formará los isómeros orto – para bromados, siendo el mayoritario el isómero para. En

cambio con el éter bencílico el único producto que se forma es la MOb 18, debido al impedimento estérico del grupo bencilo. (PhCH2-).

El mismo cuidado hay que tener

con la Anilina, dado que el

grupo amino es un activante fuerte, problema que puede evitarse protegiéndolo como

amida.

NH2

Br2

FeBr3

NH2

Br Br

Br


267

En consecuencia, la para-bromo

anilina (MOb. 19), podrá

prepararse del siguiente modo,

previa separación del isómero bromado en la posición orto

NH2

Br

NHCOCH3

Br

Br2 /FeBr3

H3O+

NHCOCH3

NH2

Ac2O/piridina

mayoritario

separar del

isómero orto(MOb 19)

Halogenación radicalaria

CH2R

X2

CH

RX

+ HX a través de

CHR CHR CHR

etc

Ejemplos:

CH3

+ HX

Br2

CH2Br

CH3

Cl2

CH2Cl

Cl2

CHCl2

Cl2

CCl3

Un exceso de halógeno puede conducir a sustituciones múltiples, tal como se ilustra para la cloración del tolueno:

Solvólisis:

CH

R OSO2R'

+ R''OH

CH

R OR''

+ HOSO2R' a través de

CH

R

etc.

cetión bencílico

Ejemplo: Etanólisis del 4-metilbencenosulfonato de fenilmetilo, preparado por la tosilación del fenol.

CH2 O S

O

O

CH3

EtOHCH2 OCH2CH3 + CH3 SO3H

4 - metilbencensulfonato de fenilmetiloBenciletil éter

11.14. Reacciones SN2 de los halometilbencenos:

CH2X

+ Nu

CH2Nu

+ X

CH2Br

KCN

CH2CN

Feniletanonitrilo

+ Br


268

11.15. Ozonólisis del benceno:

1) O3

2) (CH3)2S3

H

OO

H

Ejemplo: Ozonólisis del orto-dimetilbenceno

1) O3

2) (CH3)2S

CH3

CH3

O

CH3

O

H CH3

CH3

O

O

O

O

H

H

2 + +

11.16. Reducción de Birch

Esta reducción es regioespecífica, en función de los sustituyentes que se hallen en el anillo bencénico, con sustituyentes donadores de electrones, por lo menos uno de

los dobles enlaces comprende a los carbonos sobre los que se hallan los referidos

grupos.

Na, NH3(líqui)

EtOH

OEt

Na, NH3(liq)

OEt

EtOH

CH3

CH3

Na, NH3(liq)

CH3

CH3

EtOH

En cambio, cuando los sustituyentes son grupos atractores de electrones, es decir con un fuerte efecto inductivo (-I), el

ciclohexadieno que se forma no comprende al sustituyente en ninguno de los dobles enlaces que se forman.

COOH

Na, NH3(liq)

COOH

EtOH

11.17. Oxidación en la cadena lateral del bencceno

Obtención de ácidos carboxílicos y cetonas

CH2R

1) KMnO4, OH,

2) H3O+

COOH

CH

R1

R2

1) KMnO4, OH,

2) H3O+

COOH

Sin embargo si el carbono que se halla unido al anillo bencénico es del tipo secundario, el producto de la reacción es fenol y

una cetona, este es el método industrial para la preparación del fenol y la acetona, cuando la molécula precursora es el isopropilbenceno.

CH

R1

R2

1) KMnO4, OH,

2) H3O+

OH

+R

1R

2

O

fenol cetona

C

R1

R2

R3

1) KMnO4, OH,

2) H3O+

NO HAY

REACCIÓN


269

En el caso de que el carbono enlazado al anillo bencénico sea terciario, sencillamente las oxidaciones anteriores no se

verifican. Otros agentes oxidantes que se utilizan, para oxidar las cadenas laterales de los arenos, son los siguientes:

Na2Cr2O7, H+ HNO3, H2O O2, Co(OAc)2, Mn(OAc)2 O2, V2O5

Ejemplos:

CH

OH

OMe

MeO

OH

1) KMnO4, OH,

2) H3O+

C

O

OMe

MeO

OH

1) KMnO4, OH,

2) H3O+

HOOC

COOH

O2, V2O5

350° - 400°CO

O

O 11.18. Problemas Propuestos

1) ¿Cuáles son las reacciones y las condiciones de las mismas, que justifican las siguientes transformaciones?.

MOb 20

Br MOb 24

CH=CH2

NO2

MOb 21

OH

OH

MOb 25

PhCH2-CH2Ph

MOb 22

t-Bu

MOb 26

O2N

MOb 23

Cl

Br

MOb 27

Soluciones: MOb. 20. Esta MOb, puede preparase a partir de la reacción de acoplamiento de Sonogashira y también a partir

de la deshidrobromación de un areno vec-dibromado, que se obtiene por bromación del estireno, obtenido previamente por


270

una deshidrobromacion de un haluro de bencilo formado por una bromación por el mecanismo de radicales libres sobre el

etilbenceno.

CH2Br

Br

CH2=CH2 HF

KOH/etanol

Br2/CCl4

Br

KOH/Etanol

Br2calor

Br

Pd

CuI

Et3N

Br2/FeBr3 [email protected]

MOb. 21 El para nitroestireno, no es posible obtener por nitración directa del estireno, debido a que el grupo etenilo unido al

anillo es inestable en las condiciones de la nitración. En tal virtud la molécula precursora tendrá un grupo que sea fácil de deshidrobromar. Este precursor se obtiene por bromación de radicales del grupo etilo ligado al anillo bencénico, que

previamente fue nitrado mayoritariamente en la posición para. La reacción de acoplamiento de Heck, puede ser otra

alternativa de síntesis.

Br

O2N

CH3CH2Br

KOH/etanolO2N

Br2calor

CH=CH2

NO2

HNO3/H2SO4

FeBr3

BrCH=CH2

Br NO2

Pd

base

BrCH=CH2BrMg

NO2

Feetc, etc,

etc, etc,

[email protected]

MOb. 22. La simetría de la molécula permite pensar en una estrategia que tome en cuenta la reacción de Corey-House.

También es una ruta

alterna, si se utiliza el PhCH2CH2Cl, sobre el

benceno o se acila con

PhCH2COCl y posterior

reducción del grupo carbonilo por

Clemmensen, o finalmente

PhCH2-CH2Ph

PhCH2Br

(PhCH2)2CuLi

PhCH3

Br2 calor

CuI

PhCH2Li

PhCH2Br

BuLi

PhCH3

Br2/calor

CH CH PhPhH2, Pd/C

PhCHO

PhCHO

acoplamiento de McMurry

[email protected]

el acoplamiento de dos moléculas de benzaldehido, según las condiciones de reacción de McMurry.

MOb 23. La molécula precursora puede ser una cetona, cuyo grupo carbonilo es reducido a metileno por el reductor de Wolf-Kischner. De este modo se evita la presencia del Zn en medio ‘acido que afectaría al grupo nitro. Otra molécula precursora

puede ser, el haluro siguiente: O2N-PhCH2Cl que actúe sobre una molécula de benceno


271

O2N

O2N

O

NH2NH2/KOH

COCl

O2NAlCl3

COOH

O2N

SOCl2

O2N

KMnO4HNO3/H2SO4

isómero

mayoritario

O2N

Br

FeBr3

O2N

NBS

HNO3/H2SO4

[email protected]

MOb. 24. La posición del bromo en la molécula precursora, es la típica posición alílica, la que se obtiene por Bromación de

radicales.

Br

OH

PBr3, éterO

Cl

O

AlCl3

OH

O

SOCl2

MgBr

CO2

NaBH4

2) H3O+

Br

Mg/éter

OH

PBr3, éter

OBrMg

Br

Mg, éter

MCPBA

Estireno

[email protected]

El grupo alquílico, sobre el anillo bencénico no se puede obtener del haluro correspondiente, porque se presentaría

transposición. Entonces se recurre a la acilación y posterior reducción del grupo carbonilo, con amalgama de cinc en medio

acido (reducción de Clemmensen).

MOb. 25. El diol de esta molécula puede obtener por un hidroxilación selectiva del estireno, como molécula precursora. El

estireno se forma a partir de la deshidrobromacion, como en anteriores casos.

OH

OH

KMnO4 dil.

Br

KOH/etanol, calor

NBS

EtOHAlCl3


272

MOb. 26. La molécula precursora, muestra una posible ruta a partir de un halogenuro y se aprovecha el grupo voluminoso

del t-Butil, para introducir en la posición para el grupo acilo portador del grupo etilo.

t-Bu

t-Bu

Br

KOH/etanol t-Bu

Br2 (1mol)/hv

t-Bu

O

Zn(Hg)/HCl

t-Bu

CH3COCl

AlCl3

t-BuOH

AlCl3

MOb. 27. La estrategia pasa por definir la inclusión del bromuro en una molécula precursora que no permita la formación de

ningún isómero. El alqueno menos sustituido es el que obligatoriamente se forma por una deshidrohalogenacion, de un grupo

formado por Halogenación de radicales.

Cl

Br

Cl

HBr/ROOR

Cl

Cl

EtONa/etanol

Cl

Cl2/AlCl3

Cl2/hv

Cl

AlCl3

OH

PCl3

11.19. Prueba de Dominio

11.1. A partir de materiales simples y asequibles como materiales de partida, proponer un plan de síntesis para la preparación

en el laboratorio de cada una de las siguientes moléculas:

OH

OH

NO2

Cl COCH3

COOH

BrO2N

NH2

Br

Br

Cl

NO2

COOH

NO2

F

Br

Br

Br NO2

Cl

OH


273

OCH3

O2N

Br

COOH

Br

BrBr Br NH

OCH3CH3CO

COCH3

BrBr

11.2. Ordene por su reactividad decreciente durante la nitración, a los siguientes compuestos:

a. Benceno, anilina, Acetofenona, acetanilida

b. Ácido p-touico, tolueno, ácido tereftálico, p-xileno

c. Benceno, 1,3,5-trimetilbenceno (mesitileno), tolueno, m-xileno, p-xileno

d. Clorobenceno, p-cloronitrobenceno 2,4-dinitroclorobenceno

11.3. Ordene los compuestos de cada grupo en orden decreciente de su reactividad hacia la sustitución electrofílica. En cada

grupo indique cuál miembro dará mayor porcentaje de isómero meta y cuál el menor.

a. Toleno, fenilacetato de metilo, C6H5C(COOCH3)3, C6H5CH(COOCH3)2 b. C6H5CH2CH2NO2, C6H5CH2NO2, C6H5NO2 c. Los cationes, trimetilfenilamonio, trimetilbenciulamonio, C6H5CH2N(CH3)3

+ y C6H5CH2CH2N(CH3)3+

11.4. Indicando condiciones y reactivos, muestre cómo se pueden efectuar las síntesis siguientes:

a. 4-bromo-2-nitroetilbenceno a partir del etilbenceno

b. 5-cloro-2,4-dimetil-1-nitrobenceno a partir del m-xileno. 11.5. Indique los reactivos y condiciones que usted utilizaría para preparar los siguientes compuestos a partir del fenol:

a) O

C2H5

b) OH

BrBr

Br

c)

O

O

d) OH

SO3H

11.6. Proponga un plan de síntesis a partir del benceno, para los productos que se forman según el siguiente esquema:

OH

EtO


274

12

COMPUESTOS CÍCLICOS CONDENSADOS

La fusión de varios anillos de benceno conduce a una clase de moléculas denominadas hidrocarburos bencénicos

policíclicos. En estas estructuras, dos o más anillos de benceno comparten dos o más átomos de carbono. No existe un

sistema simple para nombrarlos, por lo que se denominan preferentemente por sus nombres comunes.

Se dice que dos anillos aromáticos que comparten un par de átomos de carbono que están fusionados, son hidrocarburos

policíclicos. En esta sección se estudiara la química básica de anillos fusionados e importantes como el naftaleno, C10H8, el

antgraceno y fenantreno.

Naftaleno Antraceno Tatraceno (Naftaceno)

Fenantreno Trifenileno Pireno

12.1. Naftaleno y sus Derivados

Al contrario de lo que ocurre con el benceno, que es líquido, el naftaleno es un material cristalino e incoloro con un punto de

fusión de 80 ºC. Se lo conoce como repelente e insecticida contra las polillas. El naftaleno se clasifica como aromático porque sus propiedades se parecen a las del benceno. Su fórmula C 10H8, permite suponer un alto grado de insaturación.

Desde el punto de vista químico da las típicas reacciones de sustitución electrofílica aromáticas, en las que desplaza

hidrógeno en forma de ion, conservándose su sistema anular.

De acuerdo con la teoría de la resonancia, el naftaleno puede considerarse como un híbrido de resonancia de las tres

estructuras I, II y III; su energía de resonancia es de 61 kcal/mol, como lo indica el calor de combustión

I II III

1

2

3

45

6

7

8

De acuerdo con estas representaciones la estructura del naftaleno debería ser simétrica, con los anillos de benceno planos,

casi hexagonales, y con dos planos especulares perpendiculares diseccionando la molécula. Las medidas cristalográficas de

rayos X confirman esta predicción. Las distancias de los enlaces C-C se desvían sólo muy ligeramente de las del benceno

(1.39 Å) y son claramente muy diferentes de las de los enlaces sencillos (1.54 Å) y los dobles (1.33 Å).


275

12.1.1. Síntesis del Naftaleno y sus Derivados. El método general para la síntesis del naftaleno y sus derivados, consiste

en una alcanoilación de Friedel-Crafts del benceno (Benceno sustituido con un orientador orto-para) con anhídrido

succínico, posterior reducción de Clemmensen de la cetona resultante, y subsiguiente alcanoilación intramolecular de

Friedel-Crafts, catalizada por ácido fosfórico, para formar el segundo anillo, reducción ulterior de la cetona bicíclica

formada, con NaBH4, deshidratación y deshidrogenación.

Pd/C,

O

1) NaBH4

H3PO4

HOOC2) HF seco

HOOC

O

Zn(Hg)

HCl

O

O

O

AlCl3

[email protected]

Naftaleno

Anh. Succínico

El acenafteno, que se extrae del alquitrán de hulla, es un buen sustrato para formar derivados 1,8 del naftaleno. Para usarlo

en síntesis, el 1-acenaftenol puede ser convertido en bromuro u oxidado a 1-acenaftenona con un agente oxidante.

Acenafteno

1 2

3

4

56

7

8

Na2Cr2O7

CH3COOH

O O

Acenaftenoquinona

Na2Cr2O7

H2SO4, H2O

COOH COOH

O OO

Ác. 1,8 - naftálico

calor

Anh. 1,8 - naftálico

El tetracetato de plomo es un agente oxidante de gran uso para atacar estructuras específicas. Una estructura

selectivamente atacada por este agente es un grupo metileno algo reactivo, como el acenafteno o el malonato de dietilo.

Acenafteno

1 2

3

4

56

7

8

OAc OH

Pb(AcO)4 OH-

1 - Acenaftenol

12.1.2. Reacciones del Naftaleno

a. Oxidación: El naftaleno puede oxidarse más fácilmente que el benceno, los grupos con efecto inductivo atractor de

electrones, estabilizan el cilco hacia la oxidación, en cambio los grupos donadores de electrones, hacen el anillo sensible

a la oxidación, excepto los grupos alquílicos que contrariamente a la serie del benceno, son mucho más estables que el anillo a la oxidación.


276

CrO3,AcOH

25°C

O2, V2O5

460 - 480°C

O

O

O

O

O

1,4 - Naftoquinona

( 40% de rdto.)

Anhídrido ftálico

(76% de rdto.)

Consiguientemente, no pueden obtenerse ácidos carboxílicos por oxidación de

alquilnaftalenos.

Esta es una de las diferencias que existen

entre la síntesis de la serie del naftaleno y la del benceno.

NO2

OH

OH

O

O

NO2

O

O

O

NH2

vigoroza

oxidación

Fe/HCl

Naftilamina

oxidación

vigoroza

ác. nitroloacético

CrO3

CH3COOH

O

O

+ H2O

Como en la serie del benceno, los mejores rendimientos de quinonas se garantizan por oxidación de compuestos sustituidos

con grupos hidroxilo o amino en las posiciones oxidadas.

OH

NH2

Na2Cr2O7 +H2SO4

O

O

NH3

La 1,2-naftoquinona es un compuesto más bien sensible, pero es más estable que la 1,2-benzoquinona; puede obtenerse por

oxidación del apropiado aminofenol en medio acuoso. La estabilidad algo mayor de la 1,2-naftoquinona, en comparación con la

1,2-benzoquinona, puede atribuirse a la presencia de un ciclo aromático en la naftoquinona.

OH

NH2Fe(III)

O

O

+ NH3

b. Reducción: El naftaleno puede reducirse mejor que el benceno, así puede ser completa la reducción de un anillo en el naftaleno.24 Bajo condiciones extremas, suficientes para reducir el benceno, pueden ser reducidos los dos anillos del

naftaleno. El mejor método es la hidrogenación catalítica a alta presión

24 CASON JAMES. Química Orgánica Moderna. Edi. URMO, S:A: pág. 573-


277

Na

C2H5OH

5H2

alta presión

alta temperatura

1,2,3,4 - tetrahidronaftaleno

ó tetralina

Decahidronaftaleno

ó decalina

La tetralina y la decalina se encuentran en el comercio. Como la unión de los anillos de la ecalina puede ser cis o trans,

existen dos isómeros geométricos de esta sustancia. Si hay sustituyentes en el anillo del naftaleno, uno de los ciclos se reduce preferentemente al otro.

El que un anillo se reduzca más rápidamente depende de la naturaleza de los sustituyentes y de las condiciones empleadas

para la reducción.

Na. EtOH

reflujo

1,4 - Dihidronaftaleno

Na. C6H11OH

reflujo

H2

catalizador

1,2,3,4 - Tetrahidronaftaleno

Decahidronaftaleno

c. Sustitución aromática electrofílica del naftaleno. En general, las mismas reacciones de sustitución electrofílicas

emplealdas en la serie del benceno son aplicables a la del naftaleno, sin embargo, en este último debe considerarse la

posibilidad de monosustitución, tanto en las posiciones alfa como en las beta del naftaleno.

E

E

E E

producto termodinámicoproducto cinético

d. Nitración. Ocurre a temperatura ambiente y casi exlusivamente en la posición 1 (alfa)

HNO3 conc.

H2SO4 conc

NO2

+ H2O

- Nitronaftaleno

50 - 60°C

e. Halogenación. Ordinariamente queda limitada a la bromación y cloración y no requiere de un ácido de Lewis como

catalilzador. La velocidad de sustitución en el naftaleno es mucho mas rápida en la posición alfa que en la beta, por lo tanto, la halogenación se realiza casi exclusivamente en la posición alfa.


278

Br

+ HBr

- Bromonaftaleno

Br2, CCl4

no es necesariocatalizador

reflujo

f. Sulfonación. Como en la serie del benceno, la sulfonación es reversible. Además, el isómero 1 que iniclamente se forma,

se hidroliza rápidamente que el 2. La sulfonación bajo condiciones suaves da principalmente el isómero 1, pero bajo

conidicones más extremas se produce el equilibrio, acumulándose lentamente el isómero 2.

SO2OH

Ácido 1 - naftalenosulfónico

H2SO4 conc.

50°

SO2OH

120°

(lento a 50°)Ácido 2 - naftalenosulfónico

H2SO4 conc.

g. Reacciones de Friedel–Crafts. La alquilación del naftaleno, por el procedimientode Friedel-Crafts, tiene utilidad muy

limitada, sin embargo, la acilación es un procedimiento muy útil. Dependiendo de las condiciones de la reacción pueden

obtenerse los siguientes peroductos:

CH3COCl

AlCl3

PhNO2, como

0 - 10°

COCH3

(90%)

+

COCH3

C2H2Cl4, como

disolvente

disolvente

(93%)

CS2, como

disolvente

t.a.(45%) (55%)

El nitrobenceno como disolvente, forma un complejo con el AlCl3 y el grupo sustituyente, la aproximación de este

voluminso complejo al anillo es más fácil sobre la posición que no esté interferida por el ciclo adyacente. La mezcla que

se obtiene por acilación en sulfuro de carbono no se separa fácilmente, pero hay casos, como la cetilación con anhídrido succínico, en que la mezcla es separable.

h. Formación de otros derivados a partir de productos primarios de sustitución. La consideración de los

compuestos que se obtienen por monosustitutción, revela que algunas vías de síntesis pueden ser distintas de las de la

serie del benceno.

o Naftilaminas. La alfa-naftilamina se obtiene por reducción del nitrocompuesto, procedimiento que es tamb ién

aplicable al benceno.

NO2

H2

varios agentes

reductores

NH2

+ 2 H2O


279

En cambio, la beta-naftilamina se prepara a partir del beta-naftol, por la reacción de Bucherer, que no es útil

en la serie del benceno, pero da muy buenos rendimientos en la serie del naftaleno.

OH NH2

+ H2O+ NH3 (acuoso)

(NH4)2SO3

calor y presión

Las naftilaminas son compuestos importantes, pueden diazotarse como en la serie del benceno y convertirse

en el gran número de compuestos obtenibles a partir de sales de diazonio. Además por acoplamiento se

obtienen numerososo colorantes azoicos de importancia comercial.

o Naftoles. Los naftoles se obtienen por fusión de los ácidos sulfónicos correspondientes con hidróxido potásico.

Sin embargo no se obtiene el alfa-naftol puro. Por eso que para obtener el alfa-naftol se parte de la

correspondiente amina. Puede lograrse también por diazotación como en la serie del benceno.

NH3

+Cl

-OH

+ NH4Cl

+ H2OHCl, H2O

presion elevada

Este proceso no es aplicable en la serie del benceno. Los naftoles sustituidos son importantes como

colorantes intermedios.

o Acidos naftoicos. El ácido 1-naftoico se obtiene a partir del 1-bromonaftaleno, por cualquiera de los métodos

utilizados en la serie del benceno para la conversión de un bromuro en ácido carboxílico.

Br

+ Mgéter

MgBr

CO

COOMgBr

CuCN, 200°

piridina

H+

CN COOH

2 H2O, H+ ( o OH

-)

Como el 2-acetilnaftaleno puede conseguirse con cierta facilidad, el ácido carboxílico se obtien mejor por

oxidación mediante hipohalito, de esta cetona, como se indica a continuación:

O

3 NaOCl ONa

O

+ 2NaOH + CHCl3

H+

COOH

Ác. 2 - naftoico

o Nitrilos y amidas. Se pueden conseguir por deshidratación de las sales de amonio de los ácidos

correspondientes o por los cloruros de ácido. Así suelen obtenerse las amidas, pero para los nitrilos se


280

emplean otros métodos. El isómero beta se obtie normalmente, por fusión de cianuro potásico con la sal del

ácido sulfónico.

SO2OK

+ KCN

Fusión

a 500° C

CN

+ K2SO3

2 - naftonitrilo

También pueden obtenerse los nitrilos de la amina correspondiente por diazotación y reacción de Sandmeyer.

o Naftaldehídos y naftilcetonas. Los naftaldehpidos normalmente se preparan a partir de un derivado de ácido.

Es el proceso conocido como la reducción de Rosenmund de cloruros de ácido. En cambio las naftilcetonas se

unen por reacción de un Grignard con un nitrilo o por la de un reactivo de cadmio con cloruro de ácido y finalmentge ya se vió que se puede formar por acilación de Friedel-Crafts.

COOH

SOCl2

COCl

Pd(BaSO4) catalizador

Xileno como disolvente

S8: como "veneno"

CHO

o Monoalquilnaftalenos. Los metilnaftalenos se extraen del alquitrán de hulla, pero los alquiulnaftalenos

superiores se obtienen normalmente por reducción de Clemmensen o de Wolff-Kishner de la correspondiente

metilcetona

COC2H5

C2H5MgBr C2H5

C2H5OH

1) deshidratación

2) H2, Pt

C2H5

C2H5

Derivados polisustituidos del naftaleno. La polilsustitución en el naftaleno, conduce a una variedad de isómeros. Cuando

dos grupos iguales se sustituyen en el núcleo, existen diez isómeros poisbles. Con dos grupo diferentes, el número de

isómeros posibles es catorce. Por otro lado la disustitución da frecuentemente tres o cuatro de estos isómeros y sólo un

número relativamente limitado de reglas de orientación son de aplicación general. Por lo tanto, se debe dedicar atención

especial a las pocas reglas generales concernientes a la influencia directiva.

Las reglas de orientación en el ataque en bencenos monosustituidos pueden hacerse extensivas al núcleo de naftaleno. Así, el

anillo sustituido es el más afectado por los sustituyentes ya presentes: un grupo activante normalmente dirige al electrófilo

entrante al mismo anillo, mientras que un grupo desactivante lo dirige al otro.

Un orto, para director en la posición 1, dirige al segundo sustituyente a la posición 4, con una menor sustitución en la

posición 2. Estos isómeros son separables. El diazoacoplamiento se produce exclusivamente en la posición 4 si esta posición

esta libre, si esta ocupada, el acoplamiento se realiza en la posición 2.

OH

H2SO4

OH

SO2OH

OH

SO2OH

+

ác. 1-naftol - 4 - sulfónico ác. 1 - naftol - 2 - sulfónico


281

OH

+ HCl+

N2

+Cl

-

OH

N

N

único isómero

OH

NH2

reductor

+ PhNH2

Br2

obscuridad

Br

+ HBr

rendimiento alto

de este isómero

Un orto-para director en la posición 2 dirige principalmente a la posición alfa. Cuanto más voluminoso sea el grupo

entrante, menos clara es la sustitución en la posición 1. La posición secundaria de la sustitución está en el otro lado. La ubicación depende del sustituyente y de las condiciones.

OCH3

CH3COCl

AlCl3

CS2 como

disolvente

PhNO2, como

disolvente

OCH3

O

OCH3

O

+

+

HCl

HCl

rendimiento alto en ambos casos

La sustitución en naftalenos que contienen un meta director, conduce a la sustitución en el otro anillo, pero casi siempre se

obtiene una mezcla de isómeros.

12.2. Antraceno y Fenantreno.

Debido a sus propiedades, también el antraceno y el fenantreno se clasifican como aromáticos. La descripción de los orbitales atómicos sigue el mismo esquema para el naftaleno y conduce al mismo tipo de resultados: estructuras planas con

nubes p que se traslapan parcialmente por encima y por debajo del plano de la molécula.

Desde el punto de vista del enlace de valencia, se considera que el antraceno consta de tres anillos bencénicos

condensados linealmente. Sus principales formas de resonancia son representadas por las estructuras I-IV. Obsérvese que


282

no es posible ordenar los enlaces, en el antraceno, de modo que cada anillo tenga la estructura de un anillo bencénico. Esto

tiene un efecto importante sobre las reacciones del antraceno.

1

2

3

45

6

7

8 9

10I II IIIIV

Los sustituyentes del antraceno siempre se localizan por números, y debe hacerse notar que la numeración no ews contínua

alrededor del sistema cíclico.

La estructura simétrica del antraceno probablemente es la responsable de su punto de fusión (218°C) y de su pequeña

solubilidad en la mayoría de los disolventes. El compuesto puro es incoloro, pero posee una fluorescencia azul, en el

ultravioleta.

El fenantreno, tiene tres anillos hidrocarbonados fusionados en disposición angular y se considera como un híbrido de las

estructuras V-IX. Los calores de combustión indican que el antraceno tiene una energía de resonancia de 84 kcal/mol,

mientras que el fenantreno tiene una energía de resonancia de 92 kcal/mol.

V VI VII

1

2

3456

7

8

9 10

VIII IX

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

El Fenantreno es un compuesto incoloro que se extrae del alquitrán de hulla. Es más soluble que su isómero lineal, el

antraceno, y su punto de fusión es aproximadamente 100°C.

12.3. Síntesis del Antraceno, Fenantreno y sus derivados.

12.3.1. Síntesis del Antraceno y sus derivados. Frecuentemente, el antraceno y sus derivados se obtienen a partir de la

reducción de antraquinonas intermedias que se obtienen por una síntesis similar a la síntesis del naftaleno con anhídrido

succínico. En este caso el anhídrido utilizable es el anhídrido ftálico.

O

O

O

COOH

O

O

O

OAlCl3

H2SO4 conc

100°C

2) Zn(Hg), HCl,3) HF seco

1) NaBH4

2) H+

[email protected]


283

Los grupos cetónicos que se generán son reducidos al grupo metileno por reductores como el de Clemmensen y/o Wolf-

Kischner o alternativamente reducir a alcohol con NaBH4 y luego deshidratar el producto intermedio formado para llegar a la MOb. La ciclación es muy difícil, porque el cierre se produce en un anillo sustituido con un grupo meta director.

Otro procedimiento alternativo, es preparar el antraceno a partir de la benzoquinona y un dieno por la reacción de Diels-Alder.

O

O

1) 2 CH2=CHCH=CH2

2) KOH, O2

O

O

NaBH4, BF3, Et2O

12.3.2. Síntesis de Fenantreno y sus derivados. Los métodos de síntesis tradicionales del Fenantreno, aquellos que

conllevan la formación de los ciclos y su posterior “aromatización”, están vinculados a los propuestos por Haworth y Bardhan–Sengupta (1932). Es posible también, proponer otros nuevos métodos, para el Fenantreno y en general para los

compuestos aromáticos policíclicos, en base a la utilización adecuada de las reacciones de acoplamiento de Ullman, Heck,

Suzuki y MacMurry, así como sus variantes.

i)Síntesis de Haworth: Se basa en la acilación de Friedel–Crafts y presenta el inconveniente de que la ciclación final, para

formar el tercer anillo fusionado al naftaleno, no es selectiva, debido a que también, es posible que el cierre se produzca en

el carbono adyacente al grupo que contiene la función carboxílica y forme de este modo un isómero, que por las condiciones

de reacción resulta ser el minoritario.

Método A:

DDQ O

O

menor

mayor

NH2NH2/KOH

O

OH

PPA (ác. polifosfórico)

O

OH

OZn(Hg)

HClOO O

AlCl3

65°C

[email protected]

Los materiales de partida, suelen ser el naftaleno y el anhídrido succínico. Para garantizar que la reacción de acilación con el anhídrido ocurra en el carbono 2 (beta) del naftaleno, es necesario realizar la reacción a una temperatura superior a los 60

ºC. A temperatura ambiente, la posición de acilación será el carbono 1 (alfa), lo cual origina una variante al método, que sin

embargo esencialmente son las mismas reacciones que ocurren y también existe la formación de otro isómero que es mucho menos significativo que en el primer caso. Por tal razón, el método de Howorth, es preferiblemente utilizado como la reacción

oficial para la preparación del Fenantreno.


284

Método B:

DDQ ó Se/calor

O

O

mucho menor

mucho mayor

NH2NH2/KOH

PPA (ác. polifosfórico)

Zn(Hg)

HCl

OO O

AlCl3

COOH

COOH

O

t.a.

[email protected]

ii) Síntesis de Bardhan–Sengupta (1932). En esta síntesis, la estrategia, pasa por construir o “armar”, el ciclo intermedio

que luego es reducido (aromatizado) por selenio metálico y calor, la ciclación se la efectúa por la reacción de un alcohol,

sobre un anillo bencénico, catalizado por pentóxido de fósforo, que al mismo tiempo, abstrae los hidrógenos del ciclohexanol.

Se/calor

P2O5

OH

O

NaBH4/EtOH

O

H2/PdCHO

O

LDAOH

MnO2 ó PCC

PhMgBr

O

2) H3O+

[email protected]

La ciclación resulta ser regioespecífica, no se la efectúa por la alquilación tradicional del Friedel–Crafts, razón por la cual no

se presenta la formación de otros isómeros.

iii) Síntesis, basada en la reacción de Ullman. Los grupos arilo, pueden acoplarse con buenos rendimientos según la

reacción de Ullman y algunas de sus variantes. En la síntesis que se propone seguidamente, se forma el ciclo interno por un acoplamiento de dos bencenos que cuentan en su estructura con un sustituyente halógeno (bromo). La aromatización de este

ciclo se lo efectúa a través de la acción de una quinona disustituida como el DDQ. Debido a esta estrategia, se ubica en la


285

posición para, al bromo benceno, un grupo que temporalmente deberá ocupar dicha posición y cuyo alejamiento del anillo

bencénico sea posteriormente, relativamente fácil.

Se/calor

HO3S

SO3H

H2SO4 (1:1), reflujo

HO3S

SO3H

O

O

.1) 2eq. NH2NH2/KOH

2) H+ (neutralización)

Ullmann

Cu, bronce

calor

O

O

Br Br

HO3S

SO3H

O

O

Br

HO3S

OH

Br

SO3H

PPAO

O

OH

OH

Br

HO3S

Br H2SO4 conc

[email protected]

iv) Síntesis, basada en la reacción de Heck. El acoplamiento de haluros aromáticos a alquenos, por la acción catalítica del

Pd o sus sales, puede ser otra de las reacciones utilizadas en una estrategia de síntesis, para poliarilos fusionados.

Se/calor

O

PhMe2SiH

CuCl/DMF

Br

O

Pd(AcO)2, NEt3

CH3CN

Heck

Br

O

Et2N

1) EtCl

2) Ag2O, H2O

calor

Br

O

HCHO, NHEt2

Br

O

Br

Br

Br2/FeBr3 t.a.

calor

[email protected]

v) Síntesis, basada en la reacción de MacMurry. La reducción bimolecular de aldehídos y cetonas, catalizada por sales de Ti(III) o Ti(IV), conocida como la reacción de MacMurry, también puede ser utilizada en una estrategia de síntesis de

compuestos policíclicos condensados, como es el caso del Fenantreno y como puede apreciarse a continuación


286

CHO

CHO

TiCl3/K

Cu, bronce

calor

CHO

BrCHO

Br

THF, reflujo

(MacMurry)

CHO

Br

SO3H

H2SO4 (1:1), reflujo

Br

SO3HGatterman - Koch

Br

H2SO4 conc.

[email protected]

vi) Síntesis, basada en la reacción de Diels–Alder. La funcionalización del Fenantreno a un compuesto tricíclico no

aromático, permite formar una molécula precursora del tipo aducto, donde se puede vislumbrar la estructura del dieno

y el dienófilo, lo cual permite aplicar la desconexión relacionada con la reacción de Diels–Alder. Esta molécula

precursora puede obtenerse a través de la reducción de Birch del bifenilo. El bifenilo es resultado de la reacción de

acoplamiento de dos moles de bromobenceno, según Ullman.

DDQ

calorNa/NH3 liq. EtOH

Cu

bronce

Br

Br

Br2/FeBr3

[email protected]

vii) Variantes de la síntesis basada en acilaciones y alquilaciones de Friedel–Crafts. Síntesis que no requieren de

comentarios especiales, en razón a que las reacciones utilizadas son abundantemente conocidas. v1.

DDQ

AlCl3

OH

APPAO

NaBH4 EtOH

O

COOEt

1) H3O+

2) calor (- CO2)

O

COOEt

Br

O

COOEt

Et2CO3

LDA

PhMgBr

1)O

2) PBr3

[email protected]


287

v.2.

Se, calor

AlCl3

OH

HF seco

OH

MgBr

O

[email protected]

MgBr

O

1) PBr3

2) Mg/éter

2) H3O+

1) Br2/FeBr3

2) Mg, éter

v.3.

S, calor

O

Zn(Hg)/HCl

HOOC

[email protected]

APPA

HOOC

O

Zn(Hg)/HCl

O

EtOOC

O

COOEt

1) H3O+

2) calor ( - CO2)EtOOC

COOEt

EtONa

EtOH

v.4.

Se, calor

O

Zn(Hg)/HCl

HOOC

[email protected]

APPA

HOOC

O

Zn(Hg)/HCl

OO O

O

OZn(Hg)/HCl

OO O


288

Prueba de dominio:

12.1. Sugiera las condiciones y reactivos más favorables, para efectuar las transformaciones de síntesis que a continuación

de señalan:

a. C6H6 CH2

b.

OH

OH

c.

d.

OH

OH

12.2 Escriba y complete las reacciones de cada uno de los sustratos (I a V) con todos los reactivos que se señalan:

Sustratos Reactivos

I) 1,2-difeniletano

II) Naftaleno

III) Antraceno

IV) 1-nitronaftaleno V) 2-metoxinaftaleno

a) HNO3, H2SO4 calor

b) Cl2, Fe

c) (CH3CO)2, AlCl3 anh.

d) H2SO4 e) KMnO4, H2SO4

12.3. La reducción de compuestos aromáticos polinucleares condensados con Li (metal) en amoníaco líquido, usualmente da

adición 1,4, formando un dihidrocompuesto. El sodio y un alcohol usualmente forman el tetrahidrocompuesto. El naftaleno,

C10H8 y el beta-metoxinaftaleno (C11H10O) forman dihidro compuesto con el Li/NH3.

b) Escriba la estructura de estos derivados.

c) Si se escinde el éter con un ácido ¿cuál es la estructura del producto incial y cuál la del producto final? d) ¿Cuál será la estructura del producto del dihidronaftaleno con ozono (un mol) seguido de H2O/Zn/CH3COOH?


289

13

REACTIVIDAD Y SÍNTESIS DE ALCOHOLES, FENOLES Y TIOLES

Los alcoholes, R-OH, figuran entre los compuestos orgánicos más versátiles. Están ampliamente distribuidos en la

naturaleza, son muy importantes en la industria y tienen una química extraordinariamente rica. Los alcoholes pueden

obtenerse por un gran número de métodos. En los métodos más importante de síntesis de alcoholes se emplean compuestos

carbonílicos.

Los alcoholes experimentan una gran variedad de reacciones, se emplean para la obtención de halogenuros de alquilo.

Además, los alcoholes son débilmente ácidos (pKa = 16 a 18), reaccionan con bases fuertes y con metales alcalinos para

formar aniones alcóxido, R-O-, que se usan mucho en síntesis orgánica. La reacción más importante de los alcoholes es su

oxidación a compuestos carbonílicos, para formar aldehídos, cetonas o ácidos carboxílicos.

Los fenoles ArOH, son la contraparte aromática de los alcoholes, pero son mucho más ácidos, puesto que los aniones

fenóxido ArO- , pueden estabilizarse por deslocalización de la carga negativa en el anillo aromático. La sustitución de este

anillo con grupos electroatrayentes eleva la acidez del fenol, mientras que la sustitución con grupos electrodonadores la reduce. En general los fenoles se elaboran por uno de los dos métodos: (1) fusión alcalina de sulfonatos aromáticos o (2)

hidrólisis de una sal de arenodiazonio.

Los tioles, R-SH, análogos azufrados de los alcoholes, poco solublels en agua y mucho más ácidos que los alcoholes (Pka 9 a

12), suelen producirse por reacciones SN2 de un halogenuro de alquilo con tioúrea. La oxidación suave de un tiol produce un disulfuro, R-SS-R, y la reducción suave de un disulfuro forma nuevamente el tiol. Los RS- son más nucleófilos que los

alcoxidos, pero son bases más débiles. Los enlacesdel S con elementos negativos están más polarizados, pero los enlaces C-S lo están menos; los compuestos RSH nno forman puentes de H. Por otro lado los Tioles son más volátiles que los alcoholes.

13.1. Nomenclatura de Alcoholes, tioles y Fenoles

Nomenclatura de los Alcoholes

Los alcoholes se clasifican en primarios (1º ), secundarios (2º ) o terciarios (3º ), dependiendo del número de sustituyentes

unidos al carbono que tiene el hidroxilo. En la nomenclatura del sistema IUPAC los alcoholes simples se designan como

derivados del alcano progenitor y se utiliza el sufijo –ol :

Reglas:

1. Seleccione la cadena de carbonos mas larga que contenga el grupo hidroxilo y derive el nombre del alcohol

reemplazando la terminación –o del alcano correspondiente con –ol. 2. Numere la cadena más larga de carbonos a partir del extremo más cercano al grupo hidroxilo.

3. Numere los sustituyentes de acuerdo con su posición en la cadena y escriba el nombre, mencionando los

sustituyentes en orden alfabético.

OH

2-metil-2-pentanol

H

OHOH

H

cis-1, 4-ciclohexanodiol

OH

3-fenil-2-butanol

Algunos alcoholes sencillos que se encuentran en la naturaleza tienen nombres comunes o triviales que acepta la IUPAC.

Ejemplos.


290

CH2OH

Alcohol bencilico

(fenilmetanol)

CH2=CHCH2OH

Alcohol alilico

(2-propen-1-ol)

OH

Alc. ter-butilico

(2-metil-2-propanol)

HOCH2CH2OH

Etilenglicol

( 1, 2-etanodiol)

OH OH

OH

Glicerol

( 1, 2, 3-propanotriol )

Nomenclatura de Tioles y tioéteres

La nomenclatura de los Tioles y tioéteres, presenta un paralelismo con la de los alcoholes. Así el grupo –SH se llama

mercapto, tiol o sulfhidrilo. Ejemplos:

SH

Etanotiol

Etilmercaptano

SH

2 - Propenotiol

Alilmercaptano

SH

2 - propanotiol

Isopropilmercaptano SH

OH

Mercapoetanol SH

Tiofenol

Fenilmercaptano

S

Metilisopropiltioéter

Sulfuro de metilo e isopropilo Nomenclatura de Fenoles

La palabra fenol se utiliza como nombre de una sustancia específica (hidroxibenceno) o para nombrar a los compuestos

aromáticos hidroxisustituidos, de acuerdo a las reglas previstas para los compuestos aromáticos di o polisustituidos. Por tal

razón que –fenol se emplea ahora como nombre base, ocasionalmente los fenoles se denominan hidroxicompuestos.

OH

m-metilfenol

OH

NO2O2N

2, 4-dinitrofenol

OH

Cl

o-clorofenol

COOHOH

ac. p-hidroxibenzoico

Muchos fenoles en la actualidad mantienen sus nombres comunes, con la aceptación de la IUPAC. Los metilfenoles por ejemplo se denominan cresoles.

COOH

OH

Ac. Salicilico

OH

OCH3

CHO

Vainillina

OH

OCH3

CH2CH=CH2

Eugenol

OH

CH(CH3)2

Timol

13.2. Alcoholes

Los alcoholes son compuestos que tienen grupos hidroxilo unidos a átomos de carbono saturado, con hibridación sp3. Esta

definición excluye deliberadamente a los fenoles (grupo hidroxilo unidos a anillos aromáticos) y a los enoles (grupo hidroxilo unidos a un carbono vinílico), debido a que la química de estos tres tipos de compuestos es muy diferente. Los alcoholes

pueden considerarse los derivados orgánicos del agua, donde uno de los hidrógenos es sustituido por un grupo orgánico:


291

H-O-H pasa a ser R-O-H.

OH

un alcohol

OH

un fenol

OH

un enol

Los alcoholes están ampliamente distribuidos en la naturaleza y tienen muchas aplicaciones industriales y farmacéuticas. El

etanol, por ejemplo, es una de las sustancias orgánicas más simples y mejor conocidas, y se usa como aditivo de combustibles, como disolvente industrial y en las bebidas; el mentol, un alcohol aislado de la menta, se usa mucho como

saborizante y en perfumería; y el colesterol, un alcohol esteroide cuya fórmula tiene aspecto complicado, se considera un agente responsable de las enfermedades cardiovasculares.

13.2.1. Propiedades de los alcoholes

a. Enlace de hidrógeno. Como ya se comentó, los alcoholes se pueden considerar derivados del agua, en el sentido de que

uno de los hidrógenos ha sido reemplazado por un grupo orgánico. De este modo los alcoholes tienen casi la misma

configuración geométrica del agua. El ángulo de enlace R-O-H tiene aproximadamente el valor tetraédrico (109º en el

metanol, por ejemplo), y el átomo de carbono al que está unido el –OH, presenta hibridación sp3.

Los alcoholes son muy distintos de los hidrocarburos y de los halogenuros de alquilo. No sólo su química es mucho más rica,

sino que sus propiedades físicas son también diferentes. Los puntos de ebullición de algunos alcoholes, alcanos y cloroalcanos simples, son mucho mayores que sus homólogos del mismo peso molecular.

La causa de sus puntos de ebullición altos es que los alcoholes, al igual que el agua, están muy asociados en solución debido a

la formación de los llamados enlaces de hidrógeno.

TABLA No. 26. Puntos de ebullición de alcanos, cloroalcanos y alcoholes (ºC)

Grupo alquilo, R Alcano, R-H Cloroalcano, R-Cl Alcohol. R-OH

CH3- -162 -24 64.5

CH3CH2- -88.5 12.5 78.3

CH3CH2CH2- -42 46.6 97

(CH3)2CH- -42 36.5 82.5

CH3CH2CH2CH2- -0.5 83.5 117

(CH3)3C- -12 51 83

El átomo de hidrógeno de un grupo -OH en una molécula está polarizado positivamente, y forma un enlace débil (“enlace de

hidrógeno”) con el átomo de oxígeno polarizado negativamente de otra molécula. Aunque los enlaces (puentes) de hidrógeno

tienen una energía de sólo 5 kcal/mol, en contraste con las 103 kcal/mol de un enlace O-H típico, la presencia de muchos

puentes de hidrógeno significa que se debe agregar energía extra para romperlos durante la ebullición.

O

R

H

+

-

O

R

HO

R

H

O

R

H

O

R

H

-

-

-

-

+

+

+

+

Puentes de hidrógeno en los alcoholes.


292

13.2.2. Acidez y Basicidad

Como el agua, los alcoholes son débilmente ácidos y débilmente básicos. Como bases de Lewis débiles, los alcoholes son

protonados reversiblemente por los ácidos para formar iones oxonio, R-OH2+.

Como podría esperarse, los alcoholes protonados son mucho más reactivos que los alcoholes neutros hacia los

nucleófilos, debido a que portan carga positiva. R O

H

+ H X R O

H

HX

Como ácidos débiles, los alcoholes actúan como donadores

de protones. En solución acuosa diluida, se disocian ligeramente donando un protón al agua

R O

H

+ H2O R O + H3O

Los efectos inductivos también son importantes para determinar la acidez de los alcoholes.

Por ejemplo, los sustituyentes halógeno, atrayentes de electrones, estabilizan un anión alcóxido ayudando a dispersar la

carga en una área grande, y haciendo así más ácido al alcohol.

Este efecto inductivo puede observarse comparando la acidez del etanol (pKa = 16) con la del 2,2,2-trifluoroetanol (pKa =

12.43), o la del terc-butílico (pKa = 18) con la del perfluoro-2-metil-2-propanol (pKa = 5.4). (véase Tabla3)

TABLA No. 27. Constantes de acidez de algunos alcoholes

Alcohol pKa

(CH3)3COH

CH3CH2OH

HOH (agua)

CH3OH

CF3CH2OH

(CF3)3COH

HCl

8.00 Ácido débil

16.00

15.74

15.54

12.43

5.4

-7.00 Ácido fuerte

Los grupos atrayentes de electrones estabilizan el alcóxido y reducen el pKa.

C O

F3C

F3CCF3

C O

CH3

CH3 CH3

contra

pKa = 5.4 pKa = 18

Dado que los alcoholes son mucho más débiles que los ácidos carboxílicos o los ácidos minerales, no reaccionan con bases

débiles como aminas, ion bicarbonato o hidróxido metálico. Sin embargo, reaccionan con metales alcalinos y con bases fuertes como hidruro de sodio (NaH), aminas de sodio (NaNH2), reactivos de alquil-litio (RLi) y reactivos de Grignard (RMgX).

Las sales metálicas de los alcoholes (alcóxidos) son por sí mismas bases fuertes, por lo que a menudo se usan como

reactivos en química orgánica. Ejemplos:

CH3OH + NaH CH3O-Na

+

+ H2

Metanol Metóxido de sodio

CH3CH2OH + NaNH2 CH3CH2O-Na

+

+ NH3

Etanol Etóxido de sodio


293

OH

+ CH3Li

O-Li

+

+ CH4

Alc. isopropílico Isopropóxido de litio

13.2.3. Reacciones de los Alcoholes

Las reacciones de los alcoholes pueden dividirse en dos

grupos. Las que ocurren en el enlace C-O y las que ocurren en el enlace O-H, que generalmente se las puede

denominar como reacciones de desprotonación o sustitución del H del OH.

O

H Reacciones en el OH

Reacciones en el C - O

Reacciones de ruptura del enlace oxígeno-hidrógeno del hidroxilo. R O H

Los alcoholes son ácidos muy débiles con Ka menor a la del H2O y ligeramente mayor a la Ka de los alquinos y por tal razón

no se disocian en soluciones acuosas. La Ka de los alcoholes disminuye con la ramificación de los mismos, lo que es

consecuencia directa del efecto +I de los grupos alquilo

CH3 OH > RCH2 OH > CH OH

R

R

> C OH

R

R R

>

Formación de alcóxidos (alcoholatos). Los alcoholes no reaccionan con disoluciones acuosas de NaOH pero sí con metales

alcalinos, alcalinotérreos y aluminio dando alcóxidos (alcoholatos) o hidruros de Na. Con los alcoholes terciarios menos

reactivos es mejor utilizar el potasio (K). Para obtener los alcoholatos del aluminio se utiliza su amalgama. Los alcoholatos,

compuestos que poseen un enlace iónico RCH2O-Na+, son sólidos de color blanco y de elevado punto de fusión, no son solubles

en hexano o benceno pero sí en alcoholes.

La basicidad es del siguiente orden: H2N- > RO- > HO-

Los alcoholatos se hidrolizan con el agua regenerando el alcohol, los alcoholatos terciarios son los más básicos; el orden de

basicidad de los mismos el el siguiente:

Terciarios > secundarios > primarios > CH3O-

Y recordar que el orden de baiscidad de los halógenos, es: I > Br > Cl

OH

NaHO

-Na

+ + H2

éter

Propóxido de sodio

OH

NaHO

-Na

+ + H2

éterEtóxido de sodio

Formación de éteres. Los alcoholes reaciona muy lentamente con los haluros de alquilo, para formar éteres, puede

agregarse óxido de plata, para atrapar el haluro y promover la mayor formación de productos (éteres), sin embargo, los

rendimientos no logran ser elevados.

Cl

O-Na

+

Cl

O

+

O

mayoritario

único producto


294

En cambio, los alcoholatos o alcóxidos reaccionan fácilmente con los haluros de alquilo primarios para formar éteres,

procedimiento que se conoce como síntesis de éteres de Williamson.

Los alcóxidos, cuando actúan sobre haluros de alquilo alifáticos secundarios y/o terciarios, originan reacciones de

eliminación para formar alquenos. Cuando el haluro es cícloalifático produce éteres en mayor proporción al producto de eliminación.

Los alcoholes, pueden también reaccionar con alquenos en medio ácido para formar éteres, por un proceso de adición Markovnikov y un mecanismo de carbocationes:

OH

H

H

O

O

Formación de ésteres. La formación clásica de ésteres, es la denominada síntesis de Fischer, que establece la reacción de

un alcohol y un ácido carboxílico en medio ácido como catalizador. Ésta es una reacción de equilibrio, de la que es necesario separar el agua para lograr una mayor formación del producto, sin embargo, la reacción de los alcoholes (y mucho mejor de

sus alcóxidos) con haluros de ácido (haluros de alcanoilo) y anhídridos de ácido carboxílico, permiten formar con buenos

rendimientos los ésteres carboxílicos.

Et OH

CH3CH2COOH

H

CH3CH2COOEt

PhCH2COClPhCH2COOEt

(CH3CO)2OCH3COOEt

*

*

*

*

+

+

+

H2O

H2O

H2O

El oxígeno marcado en el etanol, permite ver que el H del alcohol, es reemplazado por un grupo acilo, para formar un éster.

Los tosilatos, mesilatos y triflatos, són ésteres sulfónicos, que se forman a partir de la sustitución del H del grupo –OH

de alcoholes, con –Ts, -Ms, y –Tf, generalmente como intermediarios para sustituir el grupo –OH del alcohol con una gran

variedad de nucleófilos. Los alcoholes reaccionan con cloruro de p-toluensulfonilo, cloruro de mesilo y cloruro de triflato en solución de piridina para

formar tosilatos de alquilo, ROTs, mesilatos de alquilo ROMs y triflatos de alquilo ROTf. En esta reacción sólo se rompe el

enlace O-H del alcohol; el enlace C-O queda intacto, y no ocurre cambio en la configuración si el alcohol es quiral.

El tosilato, mesilato otriflato de alquilo resultante tienen comportamiento químico muy similar al de los halogenuros de

alquilo, y como éstos sufren reacciones de sustitución SN1 y SN2 con facilidad.

Et OH*

*

*

+

+

+

TsCl

Py

MsCl

TfCl

Py

Py

TsOEt

MsOEt

TfOEt

*

Py.HCl

Py.HCl

Py.HCl


295

Donde:

Cloruro de para-toluensulfonato (cloruro tosilo): TsCl

S

O

O

ClCH3

Cloruro de metillsulfonato (cloruro de mesilo): MsCl

S

O

O

ClCH3

Cloruro de trifluorometilsulfonato (cloruro de triflato): TfCl

S

O

O

ClF3C

Cloruro de para-bromobencensulfonatos (cloruro de brosilo): BsCl

S

O

O

ClBr

Los grupos Ts-, Ms-, Tf- Bs-, son buenos salientes en una sustitución nucleofílica

OH TsCl

piridina

OTsNa

+CN

-

DMF

CN + NaOsT

Reacciones de ruptura del enlace C – O del alcohol. R O H

Deshidratación de alcoholes. Una de las reacciones más importantes de ruptura del enlace C-O de los alcoholes es la

deshidratación para formar alquenos. Se rompe el enlace carbono-oxígeno, se rompe el enlace C-H vecino y se forma un

enlace pi (π) de alqueno. Debido a la importancia de la reacción, se ha desarrollado un gran número de formas alternativas

de realizar las deshidrataciones. Uno de los métodos más comunes y que funciona particularmente bien para los alcoholes

terciarios es el método catalizado por ácido. Las deshidrataciones catalizadas por ácido normalmente siguen la regla de

Saytzeff.

En la práctica normal de laboratorio, sólo los alcoholes terciarios se deshidratan con ácido. Puede hacerse que los alcoholes

secundarios reaccionen, pero las condiciones son más severas (H2SO4 al 75%, 100ºC) y las moléculas sensibles no las resisten. Los alcoholes primarios son menos reactivos aún que los secundarios, y se requieren condiciones todavía más

severas para la deshidratación (H2SO4 al 95%, 150º C) .

Una vez que se ha reconocido que la deshidratación catalizada por ácido es una reacción E1, se esclarece la causa por la cual

los alcoholes terciarios reaccionan más rápido. Los sustratos terciarios siempre reaccionan con más rapidez en las reacciones E1, debido a que conducen a carbocationes intermedios muy estabilizados.

OH HO

+

H

H

H

H + H2O + H3O+

o Dos electrones del átomo de oxígeno del alcohol se unen al H+, produciendo un alcohol protonado intermediario, el cual a su vez es un buen grupo saliente.


296

o Se rompe el enlace carbono-oxígeno y los dos electrones del enlace quedan en el oxígeno, dejando el carbocatión

intermediario.

o Dos electrones de un enlace carbono-hidrógeno vecino forman el enlace pi del alqueno, y se elimina un H+ (un

protón), que es atrapado por el solvente H2O.

Para evitar la necesidad de ácidos fuertes y poder deshidratar alcoholes secundarios de un modo más suave, se han

desarrollado otros reactivos que son eficaces en condiciones básicas suaves. Uno de tales reactivos, el oxicloruro de fósforo (POCl3), a menudo es capaz de provocar la deshidratación de alcoholes secundarios y terciarios a 0ºC en piridina (una amina

básica) como disolvente.

OH

POCl3

piridina, 0°C

1-Metilciclohexanol 1-Metilciclohexeno (96%)

…..

POCl3

piridina, 0°C

OH

Ciclohexanol Ciclohexeno (97%)

Mecanismo:

OH NP Cl

O

Cl Cl

O+

H

POCl2

H

El grupo hidroxilo del alcohol reacciona con POCl3 para formar un diclorofosfato intermedio. La eliminación E2 procede por el

mecanismo usual de un paso, la piridina, una amina básica, sustrae un protón del carbono vecino al mismo tiempo que el

grupo diclorofosfato está saliendo.

Formación den halogenuros de alquilo. Una segunda reacción del enlace C-O de los alcoholes es su conversión en

halogenuros de alquilo. Los alcoholes terciarios se convierten con facilidad en halogenuros de alquilo por tratamiento con HCl

o HBr a 0ºC. Sin embargo, los alcoholes primarios y secundarios son mucho más resistentes a los ácidos, y se transforman mejor en halogenuros por tratamiento ya sea con cloruro de tionilo (SOCl2) o con tribromuro de fósforo (PBr3). La

reactividad de los alcoholes sigue el orden: terciarios > secundarios > primarios y la de los halógenos: I > Br > Cl.

Obtención de cloruros de alquilo con SOCl2.

CH3CH2CH2OH + SOCl2 CH3CH2CH2Cl + SO2 + HCl

Mecanismo:

+RCH2OH Cl S

Cl

O

RCH2O S

Cl

O

+ H + Cl

+O S

Cl

O

CH2

R

+H +ClRCH2 Cl S OO + HCl


297

Obtención de bromuros de alquilo con PBr3:

OH3

PBr3

éter Br3 + H3PO3

Mecanismo:

OH + P Br

Br

BrO

+PBr2

H

+ Br

BrOH

PBr2+

A continuación, el HOPBr2 reaccionará con dos o más moléculas del alcohol por mecanismos análogos al de la primera etapa.

En resumen, los reactivos más adecuados para obtener los halogenuros de alquilo son:

Para derivados

clorados

Alcoholes primarios y

secundarios

HCl gas + ZnCl2

SOCl2 + piridina

El HCl sólo no reacciona

El cloruro de tionilo es líquido

corrosivo

Alcoholes terciarios HCl gaseoso, 0°C El HCl anhidro

Para derivados

bromados

Alcoholes primarios y secundarios HBr concentrado en

caliente

PBr3, éter

Solución acuosa de HBr al 48% ó se

obtiene in situ con NaBr + H2SO4.

El PBr3, se prepara in situ añadiendo lentamente Br2 a la mezcla de alcohol y

fósforo.

Alcoholes terciarios HBr

Para derivados

iodados

Alcoholes primarios, secundarios y

terciarios

PI3 El triioduro de fósforo se prepara in

situ con I2 y P

Oxidación de Alcoholes.

La reacción más importante de los alcoholes es su oxidación para producir compuestos carbonílicos. Los alcoholes primarios

forman aldehídos o ácidos carboxílicos; los alcoholes secundarios generan cetonas, y los alcoholes terciarios no reaccionan

con la mayoría de los agentes oxidantes, excepto en condiciones más vigorosas, con la destrucción de la estructura.

Oxidación de alcoholes primarios y secundarios. La oxidación de los alcoholes primarios y secundarios puede efectuarse

con un gran número de reactivos, como KMnO4, CrO3 y Na2Cr2O7 ó K2Cr2O7. Los alcoholes primarios se oxidan a aldehídos o

ácidos carboxílicos, dependiendo de los reactivos seleccionados y de las condiciones de reacción. Probablemente el mejor

método para elaborar aldehídos a partir de alcoholes primarios es por medio del clorocromato de piridinio (PCC), en diclorometano como disolvente, seguido del reactivo de Collins (Py.CrO3.Py)

o Oxidación con reactivos de cromo. La abstracción por oxidación de los átomos de hidrógeno alfa en los alcoholes

primarios y secundarios, puede realizarse con variados reactivos de cromo, los cuales dependen del solvente y el pH del

medio de reacción.

OH

H2Cr2O7

O

H

H2Cr2O7

O

OH

H2CrO4 H2CrO4


298

En los procedimientos de laboratorio se usa frecuentemente el ácido crómico, como por ejemplo en el método de

Oppenauer, en el que un exceso de una cetona barata se equilibra con un alcohol secundario.

Reactivo de Jones, (H2CrO4, H2Cr2O7, K2Cr2O7). J. Chem. Soc. 1946 39 y Org. Syn. Col. Vol. V, 1973, 310

CrO3 + H2O H2CrO4 ( sol acuosa)

K2Cr2O7 + K2SO4

Cr(VI) Cr (III)

(negro) (verde)

Los alcoholes 2º, son transformados a cetonas: R2CHOH

reactivo de

Jones

acetona

O

R

R Los alcoholes 1º son oxidados a ácidos carboxílicos.

RCH2OH

reactivo de

Jones

acetonaR H

OH OH

RCHOhidratación Jones

reactivo de

acetona R OH

O

El medio ácido, no es un buen camino para grupos y compuestos sensibles al H+, por lo que se recurren a otras

opciones como medio de reacción.

O

OH17C8 OH

O

Jones

acetona O

OH17C8 O

O

JACS 1975, 97, 2870

1) Jones

acetona

2) CH2N2

JACS 1982, 104, 5558

SiOH Si

OMe

O

Oxidación de Collins ( CrO3. 2 piridina) TL 1969, 3363

- CrO3 (anhidro) + piridina (anhidro) CrO3.2piridina

O

ArO

OH

O

CrO3 . (C5H5N)2

CH2Cl2

O

ArO

O

O

H

JACS 1969, 91, 44318

- Los alcoholes 1º y 2º son oxidados a aldehídos y cetonas, respectivamente, en soluciones no acuosas

(CH2Cl2) sin sobre oxidación.

- El reactivo de Collins puede ser preparado y aislado o generado in situ. El aislamiento de los reactivos

a menudo conduce a mejores rendimientos.

- Útiles para la oxidación de compuestos sensibles al H+


299

- Debe utilizarse un gran exceso del reactivo

Clorocromato de Piridinio (PCC, Oxidación de Corey-Suggs). TL 1975 2647 Synthesis 1982, 245 (review)

CrO3 + 6M HCl + piridina pyH+CrO3 Cl-

- El reactivo puede ser usado en cantidades estequiométricas w / sustrato.

- El PCC se alimenta ligeramente ácido, pero puede ser amortiguada w / NaOAc

JACS 1977, 99, 3864

OH

PCC, CH2Cl2

O

H

PCC, CH2Cl2

O

OOH

O

OO

H

TL, 1975, 2647

Clorocromato de piridin-p-dietilamina: La reacción es específica para la oxidación de alcoholes bencílicos,

aún existiendo otros grupos OH en la molécula, los mismo no son atacados si están presentes –OH bencílicos.

OH

OH

N HClCrO3Me2NCHO

OH62%

Oxidación selectiva de alcoholes alílicos.

OH

OH

PCC, CH2Cl2

3,5 - dimetil

pirazol

O

OH

(87%)

Dicromato de Piridinio. (PDC, Oxidación de Corey – Schmidt). TL 1979, 399.

Na2Cr2O7. 2H2O + HCl + piridina (C5H5N)2Cr2O7

OH

PDC

CH2Cl2

PDC

DMF COOHCHO

Los alcoholes alílicos son oxidados a α, β–insaturado aldehídos


300

o Oxidación con reactivos de Manganeso

Permanganato de Potasio,

- Los alcoholes 1º son oxidados a ácidos

- Los alcoholes 2º son oxidados a cetonas

Permanganato de Bario (Ba(MnO4)2), TL 1978, 839 - Oxidación de 1º y 2º alcoholes a aldehídos y cetonas. NO hay sobreoxidación

- Los múltiples enlaces no son oxidados

- Similar en reactividad al MnO2.

Dióxido de Manganeso, (MnO2) Review: Synthesis 1976, 65, 133 - Oxidación selectiva de alcoholes α, β –insaturado (alílico, bencílico, acetilénico)

- La actividad del MnO2 depende del método de preparación y la elección del disolvente. - Los cis y trans alcoholes alílicos se oxidan a la misma velocidad sin isomerización del doble enlace.

OHOH

OH

MnO2, CHCl3

62%

OHOH

O

J Chem. Soc. 1953, 2189

JACS 1955, 77, 4145

- Los alcoholes alílicos 1º, son oxidados a ésteres α, β –insaturados.

OH

MnO2

ROH, NaCN COOR OH

MnO2, Hexano

MeOH, NaCN

COOMe

JACS 1968, 90, 5616, 5618

- El MnO2, transforma a los alcoholes bencílicos en aldehídos, con buenos rendimientos

O

O

OH

OMe

MnO2, r.t.

CHCl3

O

O CHO

OMe

o Oxidación con reactivos de Ruthenio

Tetróxido de Ruthenio (RuO4)

- Efectivo para la conversión de alcoholes 1º a RCOOH y alcoholes 2º a cetonas

- Oxida enlaces múltiples y 1, 2-dioles

PhOH

O RuO4, NaIO4

CCl4, H2O, CH3CNPh

OH

O

O

JOC 1981, 46, 3936


301

RuO4, NaIO4

CCl4, H2O, CH3CNO

OH

O

O

O

O

TL 1970, 4003

Ph OH

OH

RuO4, NaIO4

CCl4, H2O, CH3CN

JOC 1981, 46, 3936

PhOH

O

Ph3P)4RuO2Cl3, RuO2(bipy)Cl2.

Oxida una amplia gama de

alcoholes 1 º y 2 º a aldehídos y cetonas sin oxidación de

enlaces múltiples.

OH

OH

CHO

CHO

JCS P1 1984, 681.

o Oxidación con reactivos de Paladio. La oxidación de alcoholes secundarios (deshidrogenación) con carbonatos de

alilo y catalizada por Pd (0), es un buen método de laboratorio para formar cetonas impedidas. (Oxidación de Tsuji)

OH

R

H R

O CO

2

Pd(OAc)2,

CH3CN, 80º C

O

R

H R

O

O

Pd (0)

- CO2O

R

H R

O

O Pd

O

R

R

TL 1984, 25, 2791. Tetrahedron, 1987, 43, 3903

OH

H

OH

OH

OH

O CO

2

Pd2(DBA)3.. CHCl3.

OH

H

OH

OH

OCH3CN

JACS 1989, 111, 8039 o Oxidación con reactivos de plata

Ag2CO3 (oxidación de Fetizon) También Ag2CO3/celita Synthesis 1979, 401

- Oxidación preferencial de un alcohol 2º sobre un alcohol 1º

OH

OH

Ag2CO3, celitaO

OHJCS, CC 1969, 1102

- Oxidación sólo de los hidroxilos más reactivos O

OH

OH

Ag2CO3

OO

OH

OH

OH

O

O

Ag2CO3, C6H6O

O

O

O

JACS 1981, 103, 1864

mecanismo: TL 1972, 4445


302

El procedimiento normal para la conversión de alcoholes a cetonas y aldehídos en la industria, es la deshidrogenación

catalítica. El oxígeno atmosférico convierte los alcoholes primarios en ácidos y los secundarios en cetonas. La reacción es muy lenta, a menos que se añadan radicales libres como iniciadores.

2 CH3OH + O2

Ag

250º C2 HCHO + 2 H2O

OH O

Cu, 250º C

+ H2

ciclohexanol ciclohexanona

OH

CuCrO2

275º C O

H

+ H2

alc. isoamílico Isovaleraldehido

Oxidación de alcoholes terciarios. Para la oxidación de los alcoholes terciaros se requieren condiciones drásticas, ya

que implica la ruptura del enlace C–C. Los productos que resultan al reemplazar por oxidación todos los átomos de

hidrógeno adicionados a los átomos de carbono son ácidos ó cetonas.

En estas roturas degradativas se usan frecuentemente las soluciones calientes de trióxido crómico, que es la etapa

clave del método Barbier–Wieland, para la degradación escalonada de ácidos carboxílicos. Se han efectuado algunas

aplicaciones de este método en síntesis.

Ejemplo:

Sintetizar el ácido 6-fenilpentanoico, a partir de

la ciclohexanona y reactivos necesarios.

O (CH2)5 COOH

Síntesis:

Zn(Hg)/HCl

CrO3, AcOH1)

2) H3O+

1) Br2/Fe

2) Mg/éter

MgBr

O OH

(CH2)5 COOH

calor

1)

2)

o Otros agentes oxidantes de alcoholes

DMSO activado. Synthesis 1981, 165; 1990, 857 Organic Reactions 1990, 39, 297

Me

S+

Me

O-

+ E

Me

S+

Me

O

E

NuMe

S+

Me

Nu + E - O

E = (CF3CO)2O, SOCl2, (COCl)2, Cl2, (CH3CO)2O, TsCl, MeCl.

SO3/piridina, F3CSO2H, PO5, H3PO4, y Br 2

Nu: R-OH, Ph

-OH, R

-NH2, RC=NOH, enoles

Oxidación de alcoholes 1º y 2º, con DMSO. La oxidación de alcoholes por dimetilsulfóxido (DMSO), permite la

conversión de alcoholes 1º y 2º a aldehídos y cetonas respectivamente. Una fuente de oxígeno que ha demostrado ser eficaz para la oxidación de alcoholes es el DMSO. Debido a la naturaleza exotérmica de la reacción, por lo general funcionan a -50 º C o inferior. Los co-solventes tales como cloruro de metileno o THF son necesarios,

puesto que el DMSO puro se se congela a 18 º.


303

En algunos casos se añade trietilamina para proporcionar una base adicional. Se debe tomar en cuenta que este

procedimiento de oxidación es muy suave y tolera una gran variedad de otros grupos funcionales, incluidos los que tienen el nitrógeno oxidable y átomos de azufre.

DMSO, CH2Cl2

OH

OH

SO3 (Et3N) - 60ºC

OH

O

DMSO, CH2Cl2

R

R

H3CO

OH

O

O

(CF3CO)2O, - 60ºCR

R

H3CO

O

O

O

OH

DMSO, CH2Cl2

ClCOCOCl, - 60ºCO

H

Oxidación de Swern. (El anhídrido trifluoroacético puede ser utilizado como agente activador del DMSO).

O

OH

DMSO, (COCl)2

CH2Cl2, Et3N

O

O

Cl

TL 1988, 29, 49

DMSO, (COCl)2R

OH Et3NR

O

H

Oxidación de Moffatt (DMSO/DCC), JACS 1965, 87, 5661, 5670

Me

S+

Me

O-

CF3COOH

piridina

Me

S+

Me

O

NH

N

C6H11

C6H11

R2CHOHMe

S+

Me

O

R

R

H R

R

O

N N C6H11H11C6= DCC

Me

S

Me

+

OH

COOMe

S

O

DCC/DMSO

CF3COOH, piridina

CHO

COOMe

S

O

JACS 1978, 100, 5565


304

R

OH

H

DCC

DMSO

R

O

H

+Me S

Me

Oxidación de Corey-Kim (DMS/NCS), JACS 1972, 94, 7586

R1

R2

OH1) NCS, Me2S

2) Et3NR1

R2

O

Me

S

Me

+ N

O

O

Cl

Me

S+

Me

Cl

N - Clorosuccinimida(NCS) :

Oxidación de Dess-Martín (DMP), JOC 1983, 48, 4155 JACS 1992, 113, 7277

El Dess-Martin periodinane es un reactivo químico utilizado para oxidar alcoholes primarios a aldehídos y

alcoholes secundarios a cetonas. El periodinane tiene varias ventajas sobre los oxidantes de cromo y DMSO, debido a que se trabaja en condiciones más suaves (temperatura ambiente, pH neutro), presenta menor tiempo

de reacción y tiene rendimientos más altos. Por otro lado presenta tolerancia de grupos funcionales sensibles, y

posee una larga vida útil.

R

R

O

I

O

OAcAcO

OAc

O

R2CHOH

+

I

O

OAc

O

+ 2 AcOH

DMP

a. Oxidación llevada a cabo en CHCl3, CH3CN o CH2Cl2

b. Excelente reactivo para alcoholes con impedimento estérico

c. Requiere de condiciones suaves

OH

OR

Dess - MartínO

OR

JOC 1991, 56, 6264

Oxidación de Oppenauer. Synthesis 1994, 1007 Organic reactions 1951, 6, 207

O+

Al

OiPr

OiPr

R1R

2CHOH

(CH3)2C=O

O+

Al-

OiPr

OiPr

O

R1 R2

HR1 R2

O

Reducción de Alcoholes

Existen muchos agentes reductores que permiten reducir los alcoholes, por tal razón se hace imprescindible conocer los

alcances de estos reductores y la acción que presentan sobre el resto de grupos funcionales, así como la selectividad de los

mismos.


305

o Reducción indirecta de alcoholes. En general, una forma indirecta de remover los –OH de los alcoholes, pasa por una

primera etapa de deshidratación del alcohol, seguida de una hidrogenación catalítica. Ejem. OH

H2SO4 conc. H2/Pd

OH

H2SO4 conc. H2/Pd

Otro procedimiento, es el de transformar el alcohol en el haluro correspondiente, luego el mismo hacer reaccionar con

Mg metálico en medio de éter y posteriormente agregar agua para descomponer el Grignard formado:

OH

PBr3

Br

Mg/éter

MgBrH2O

Una tercera opción indirecta, de remoción del –OH, de los alcoholes, radica en transformar los mismos en ésteres del tosilato y posteriormente este grupo es desplazado de la estructura orgánica con un reductor.

OHTosCl

OTos(reductor)

OTsNaBH3CN

HMPA, 80ºC

o Reducción directa de alcoholes. Existen varios procedimientos selectivos, para reducir directamente los alcoholes

primarios, secundarios y terciarios al alcano correspondiente.

Reducción con Silanos. Los silanos son buenos agentes reductores y son utilizados para retirar el grupo –OH de los

alcoholes y formar alcanos en presencia de ácidos de Lewis fuertes; los ácidos de Bronsted generalmente originan

reordenamientos del esqueleto carbonado. Los silanos pueden ser donantes del radical H ., para lo cual se utilizan en la

reacción, iniciadores de radicales, o por el contrario pueden ser donantes de hidruros y propiciar una sustitución

nucleofílica en el sustrato. Los alcoholes primarios requieren un exceso del silano correspondiente. La gama de compuestos silanos que se utilizan como agentes reductores, se extiende desde los alquilsilanos simples

(EtSiH3), pasando sobre diferentes fenilsilanos, como PhSiH3 y silanos halogenados (tales como triclorosilanos), hasta

arribar a los tris(trimetilsilil)silanos.

Trietilsilanos: (Et3SiH).

Ph

OH Et3SiH, B(C6F5)3

CH2Cl2, reflujo, 20 hPh

95%

Ph

OH

R3SiH, TFA

CH2I2

Ph

H

100%

OH

Et3SiH, BF3.OEt2

CH2Cl2H

100%

Los alcoholes alílicos pueden ser desoxigenados preferentemente en presencia de alcoholes secundarios y terciarios, cuando se utiliza perclorato de litio como catalizador en solución etérea.


306

OH

OH

Et3SiH, LiClO4

Et2O. reflujo, 16 h

OH

70%

La hidrogenólisis de alcoholes bencílicos utilizando Et3SiH y una cantidad catalítica de paladio (II) (Cloruro de paladio), tiene lugar en condiciones suaves, tiempos cortos y altos rendimientos del producto.

Ph R

OHEt3SiH/EtOH

cat. PdCl2Ph R

70 - 100%

Maryam Mirza - Aghayan (2009)

El ácido trifluoroacético, es también un buen catalizador del Et3SiH, en la reducción de alcoholes bencílicos y alílicos.

R1

OH

Et3SiH

CF3COOH

R1

OEt

O

OBn

BnO

OH

EtO

Et3SiH/TFA

CH2Cl2, reflujo

OEtO

OBn

BnO

EtO (76%)

Clorodifenilsilanos (Ph2SiHCl). Este reactivo en presencia catalítica de InCl3, genera hidruros y muestra una alta

quimioselectividad en la reducción de alcoholes bencílicos, alcoholes secundarios y alcoholes terciarios, mientras que no reduce alcoholes primarios y a los grupos funcionales que son fácilmente reducidos por los métodos

normales, tales como ésteres, bromo, cloro y los grupos nitro. (M. Yasuda y colb. A.J. Org. Chem 2011, 7741 – 7744).

R

OH

R1

2 eq. Ph 2SiHCl

5 mol % InCl3

CH2Cl2, reflujo, 5 - 6 h

Ph PhR, R

1,: Alquil o aril

Ph

OH

OH

PhOH

(99%)86 ºC, 5 h

Ph2SiHCl/InCl3

Ph OEt

OH O

Ph2SiHCl/InCl3

CH2Cl2, reflujo, 3h

Ph OEt

O

Ph

OH

NO2

Ph2SiHCl/InCl3

CH2Cl2, reflujo, 3hPh

NO2

Reducción con Trimetilsilil yoduro (TIS). Debido a que el Me3SiI (TIS) es relativamente caro y muy sensible a la

luz, aire y humedad, usualmente es preparado in situ a partir del trimetilsilil cloruro (TCS) y NaI en acetonitrilo u

otros solventes como el CH2Cl2, DMF, benceno o hexano.


307

I2

solvente2 Me3SiIMe3Si - SiMe3

-NaCl

Me N

Me3SiCl + NaI Me3SiI + MeCN + NaCl

Las moléculas hidroxilbencílicas y el alcohol bencílico mismo, son convertidas en yoduro de bencilo y HMDS, si la

reacción ocurre en cantidades equimolares. Sin embargo un exceso del TIS, permite retirar el –OH y sustituirlo por H.

OH Me3SiCl/NaI

MeCN, 24 h, 0 - 25 ºC

I exc. Me 3SiCl/NaI

MeCN. 10 min, 0 - 25 ºC98%

OHMe3SiCl/NaI

MeCN, 24 h, 0 - 25 ºC

I

exc. Me 3SiCl/NaI

MeCN. 10 min, 0 - 25 ºC75%

F

S

OH

4 Me3SiCl / NaI

12 h - 10 - 25ºC, MeCN

F

S90%

O

OH R

4 Me3SiCl / NaI

0.1 - 1 h - 10 - 25ºC, MeCNO

R

a) R = H; b) R = COOH

Finalmente, existen otros reactivos que también actúan

preferentemente sobre los alcoholes bencílicos y alílicos, para

transformar el carbono que contenía el –OH en un metileno: Ph R

OH

Ph R

NaBH3CN

Zn

Los alcoholes terciarios también pueden ser hidrogenados y desplazar el –OH, con ácido trifluoroacético en presencia de un catalizador de

óxido de platino (IV) (cuando el

intermediario es un alqueno, la

reacción se efectúa en presencia de níquel-Raney).

COOH

OH

H2 ó HCOOH

Pd - C

Hexano

COOH

o La reducción de Mitsunobu. Más conocida como la reacción de desplazamiento de Mitsunobu de un alcohol con o-

nitrobencensulfonilhidrazina, seguido de la eliminación in situ del ácido o-nitro bencensulfinico, genera diazenos

monoalquílicos, que se descomponen por un mecanismo de radicales libres para formar productos desoxigenados (A. G.

Myers, M. Movassaghi, B. Zheng, J. Am. Chem. Soc., 1997, 119, 8572-8573).

R OH +

O2N

S

NH

NH2

O O

2 eq. DEAD

2 eq. PPh3

THF ó NMM

- 30ºC, 140 min

O2N

S

NH

N

O O

R

H

32 ºC, 2 hR H

R : alquil


308

Tabla. No.28. Reducción directa de alcohol por Mitsunobu

Sustrato Producto Solvente (%)

N

O

OHMeO

Cl

N

O

MeO

Cl

THF 87

OHMeO

MeO

MeO

MeO

NMM 86

Ph

OH

Ph

NMM 80

Bu

OH

Bu

NMM 71

O N

OH

O N

THF

65

La reacción es compatible con varios otros grupos funcionales, como puede verificarse en los ejemplos reportados. El mecanismo de la eliminación del nitrógeno intermedio, puede postularse del siguiente modo:

O2N

S

NH

N

O O

R

H

R H> 0ºC

O2N

S

OH

O

N NH

R- N2

13.2.4. Síntesis de Alcoholes

o A partir de alquenos. Los alquenos y cicloalquenos, pueden ser hidratados, por una catálisis ácida para formar

alcoholes y también pueden ser hidroxilados como productos intermedios por algunos agentes oxidantes, antes de la

ruptura del mismo doble enlace.


309

a. Hidratación de alquenos

Catalizada por ácido: forma alcoholes Markovnikov

Oximercuración – desmercuración: forma alcoholes

Markovnikov.

Hidroboración y oxidación: forma alcoholes anti-Markovnikov.

Adición de ácido hipohaloso a alquenos

H2SO4, H2O ó

1) Hg(OAc)2, H2O

2) NaBH4

OH

1) BH3.THF

2) H2O2, NaOH

H

OH

OH

H H

X

X2, H2O

(HOX)

b. Hidroxilación de alquenos(formación de dioles)

Hidroxilación sin, usando KMnO4/NaOH, o empleando

OsO4/H2O2……

Hidroxilación anti, con perácidos (el mas usado es el ácido

meta cloroperbenzocio: MCPBA)

OsO4/H2O2 o

KMnO4/NaOH

H

OH

OH

H

MCPBA/H+

H2O

H

OH

H

OH

c. Sustitución nucleofílica de los haluros de alquilo.

Sustitución de segundo orden: halogenuros primarios y

algunos secundarios.

Sustitución de primer orden: halogenuros terciarios (y algunos

secundarios)

Br

KOH

H2O

OH

Cl

acetona/agua

calor

OH

+

o Reducción del C=O de aldehídos y cetonas a alcohol

La reducción de carbonilos de aldehídos y cetonas a alcoholes, es una de las transformaciones simples más importantes, que

regularmente se efectúa con NaBH4 y LiAlH4 a partir de la década de los 40. El primero es un reductor suave y el segundo, es

uno de los más potentes reductores y consiguientemente su accionar no es selectivo, razón por la cual se han estudiado

entre estos extremos, diversos agentes reductores en medio acuoso y en solventes orgánicos que puedan ser utilizados con mayor selectividad, en función de los grupos presentes en la molécula orgánica, donde se desea realizar una reducción.

Reducción con LiAlH4 o NaBH4. Como se tiene dicho, dos fuentes prácticas de la reactividad de hidruros, son los

complejos metálicos: hidruro de litio y aluminio (LiAlH4) y borohidruro de sodio (NaBH4). Ambos son blancos (o casi

blanco) sólidos, que son preparados a partir de hidruros de litio o de sodio por la reacción con haluros de aluminio

o boro y ésteres.

El hidruro de litio y aluminio es de lejos el más reactivo de los dos compuestos, reaccionando violentamente con el

agua, alcoholes y otros grupos ácidos con la evolución de gas hidrógeno.

Reducción con cianoborohidruro de sodio NaBH3CN. De una excelente revisión de la selectividad del cianoborohidruro de sodio, efectuada por Clinton F. Lane (1974), se tomará la correspondiente a la reducción

selectiva de aldehídos y cetonas por este versátil agente reductor. El cianoborohidruro de sodio es altamente soluble en una variedad de solventes como el agua, alcoholes, aminas y THF, pero es insoluble en hidrocarburos.


310

Uno de los métodos de preparación de este agente reductor, se lo efectúa de acuerdo a la siguiente reacción:

NaCN + B2H6

1) H3COCH2CH2OCH3

2)

O O

NaBH3CNBH3.2 O O

El cianoborohidruro de sodio es un agente reductor muy versátil, debido a que una variedad de grupos funcionales

tienen remarcable selectividad por este reactivo.

Tabla No. 29. Reducción de aldehídos y cetonas con NaBH3CN

Sustrato pH tmpo Producto (%) CHO

4 2h OH

87

O

4 1 h OH

88

O

4 4 h OH

84

O

3 2 h

OH

86

O

3 1 h OH

93

O

4 1 h OH

67

Por ejemplo, se ha observado la reducción selectiva mucho más rápida que la de un grupo carbonilo de aldehídos o

cetonas, en estructuras que a su vez pueden tener otros grupos que han demostrado ser inertes a la acción del

reactivo, como por ejemplo: amidas, éteres, lactonas, nitrilos, nitrocompuestos y epóxidos.

En condiciones neutras en agua o metanol hay una reducción insignificante de aldehídos y cetonas. Sin embargo, a

un pH 3-4, el porcentaje de reducción es suficientemente alto y rápido para ser sintéticamente útil. Dado que la

reducción consume ácido, se requiere de un sistema amortiguador o se requiere agregar ácido para mantener el

pH bajo.

O + BH3CN- + 3ROH + H

+ OH3 3 + B(OR)3 + HCN


311

También se ha reportado una reducción selectiva del aldehído en presencia del éster tiol:

HOH

O

S

HO

O

SNaBH3CN

EtOH/AcOH

OH

O

S

pH = 5.5

Al cambiar el catión y el disolvente es posible llevar a cabo una reducción aún más selectiva. Por lo tanto, el cianoborohidruro, tetrabutilamonio en triamida acidificada con ác. hexametilfosfórico, reduce selectivamente

aldehídos en presencia de casi todos los demás grupos funcionales que incluyen ciano, éster, amida, nitro, e incluso cetonas.

Reducción de aldehidos y cetonas con H2/Complejo de hierro. El complejo de hierro que contiene acoplados

electrónicamente hidrógenos ácidos, cataliza la hidrogenación de cetonas en condiciones suaves y muestra

quimioselectividad alta de aldehídos, cetonas, e iminas.

R1

R

O 2 mol%, catalizador

H2 (3 atm)

Tolueno

25ºC, 1 - 72 hR

1R

OH

R : Aril, alquil R1: alquil, H, aril

alquenil, alquinil

Catalizador:

SiMe3

FeOC

CO

H

Los enlaces de carbono dobles y triples aislados, haluros de arilo, nitratos, epóxidos y las funciones éster se ven

afectados por las condiciones de hidrogenación. (C. P. Casey, H. Guan, J. Am. Chem. Soc., 2007, 129, 5816-5817).

Reducción de aldehídos con Decaborano (B10H14). (Seung Hwan Lee, Mi Hye Nam y Min Young Chiol) Japan november

24, 2005.

Tabla No 30. Reducción de aldehídos usando Decaborano (B10H14)

Sustrato Producto t (h) % Sustrato Producto t(h %

O2N CHO

O2N

OH

1- 9

99

CHO

OH OH

OH

6

84

NC CHO

NC

OH

0.5

95

CHO

OMe OMe

OH

1

82

Br CHO

Br

OH

0.3

99

CHO

OH

0.5

84

O

O

CHO

O

O

OH

0.5

97

CHO

OH

0.5

94

MeO CHO

MeO

OH

0.5

95 N

CHO

N

OH

0.5

76


312

El Decaborano en medio acuoso y a temperatura ambiente, presenta una acción quimioselectiva sobre los aldehídos, para

transformarlos en los respectivos alcoholes. Los grupos nitro, ciano, cetonas, ésteres, amidas y halógenos no son afectados por el Decaborano.

Por tal razón el grupo aldehído puede ser reducido selectivamente en presencia de los grupos citados. Tabla 14

R CHO

B10H14

THF/H2O, a.t., r.t. R CH2OH

R : alquil o aril

Tabla No. 31. Reducción quimioselectiva de aldehídos

en presencia de cetonas

Sustrato Producto t (h) % O

CHO

O

OH

1

83

CHO

O

O

O

O

OH

1

83

O

O2N

O

O2N

1.5

80

O2N CHO

O2N

OH

1.5

97

En conclusión, la reducción de aldehídos alifáticos y/o aromáticos usando Decaborano en solución acuosa, con algunas gotas

de THF como solvente y a temperatura ambiente, los transforma quimioselectivamente al alcohol respectivo con buenos

rendimientos. Tabla No. 15.

Sin embargo, si las condiciones de

reacción, se modifican y el

Decaborano se disuelve en pirrolidina

y cataliza la reacción con CeCl3.7H2O

en MeOH, es posible reducir las

cetonas quimioselectivamente a alcoholes como reportan:

R1

R

O0.3 eq. B 10H14

0.1 eq. CeCl 3. 7H2O

0.1 eq. pirrolidina

R1

R

OH

R, R. alquil o aril

MeOH, 50ºC, 1.5 - 8 h

J. W. Bae, S. H. Lee, Y. J. Jung, C.-O. M. Yoon, C. M. Yoon, Tetrahedron Lett., 2001, 42, 2137-2139.

Tabla No.32. Acción del catalizador CeCl3.7H2O/MeOH

Cetona Producto t(h) (%)

Ph

O

Ph

OH

6 95


313

O

OH

4 92

BnO

OO

BnO

OOH

1.5 98

Br

O

Br

Br

OH

Br

2

92

Ph Ph

O

Ph Ph

OH

8 97

Reduccióm de aldehidos y cetonas con AlH3. En química orgánica, el hidruro de aluminio se utiliza principalmente

para la reducción de varios grupos funcionales. En muchos sentidos, la reactividad del hidruro de aluminio es

similar a la del hidruro de litio y aluminio. El hidruro de aluminio reduce aldehídos, cetonas, ácidos carboxílicos,

anhídridos, cloruros ácidos, ésteres y lactonas a sus correspondientes alcoholes. En cambio las amidas, nitrilos, y

oximas se reducen a sus correspondientes aminas .

En términos de selectividad del AlH3 sobre los grupos funcionales, éste difiere de otros reactivos de hidruro. Por

ejemplo, en la reducción de la ciclohexanona el hidruro de litio y aluminio (LiAlH4) produce alcoholes con

estereoquímica trans:cis en una relación de 1,9:1, mientras que el hidruro de aluminio da una trans:cis con relación

de 7,3: 1

O

LiAlH4

ó AlH3

OH OH

+

Por otro lado el hidruro de aluminio, permite la

hidroximetilación de cetonas en su carbono alfa,

sin atacar propiamente al carbonilo de la cetona.

O

1) NaH, EtO2CH

2) NaH, AlH3

O

OH

Reducción de aldehídos y cetonas con resinas de intercambio (BER). Estudios efectuado por Nung Min Yoon, en la

República de Corea, han demostrado que la resina de intercambio BER, es mucho más eficaz y conveniente reductor

que el NaBH4, debido a que la resina es selectiva para aldehídos aún en presencia de cetonas, ésteres, amidas, nitrilos, ácidos carboxílicos, enlaces múltiples C-C y sulfóxidos.

El BER es un borohidruro de amonio cuaternario, que se coloca en una resina de intercambio iónico, Amberlite IRA-400,

y es mucho más estable en disolventes alcohólicos que el borohidruro de sodio.

http://translate.googleusercontent.com/translate_c?hl=es&sl=en&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Lithium_aluminium_hydride&prev=/search%3Fq%3Dreduction%2Bof%2BAlH3%26hl%3Des%26client%3Dfirefox-a%26hs%3DkQL%26sa%3DG%26rls%3Dorg.mozilla:es-ES:official%26channel%3Ds%26biw%3D1016%26bih%3D573%26prmd%3Divnsb&rurl=translate.google.com&twu=1&usg=ALkJrhg7NbHzHlYTHWV9WNccL4Ue7TPGIQ

http://translate.googleusercontent.com/translate_c?hl=es&sl=en&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Aldehyde&prev=/search%3Fq%3Dreduction%2Bof%2BAlH3%26hl%3Des%26client%3Dfirefox-a%26hs%3DkQL%26sa%3DG%26rls%3Dorg.mozilla:es-ES:official%26channel%3Ds%26biw%3D1016%26bih%3D573%26prmd%3Divnsb&rurl=translate.google.com&twu=1&usg=ALkJrhiEpjaELBZ7R-8XGnJPlVvZoj2D5A

http://translate.googleusercontent.com/translate_c?hl=es&sl=en&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Ketone&prev=/search%3Fq%3Dreduction%2Bof%2BAlH3%26hl%3Des%26client%3Dfirefox-a%26hs%3DkQL%26sa%3DG%26rls%3Dorg.mozilla:es-ES:official%26channel%3Ds%26biw%3D1016%26bih%3D573%26prmd%3Divnsb&rurl=translate.google.com&twu=1&usg=ALkJrhgg0cit5CzEt4K9Rky_tbvqXaL3kg

http://translate.googleusercontent.com/translate_c?hl=es&sl=en&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Carboxylic_acid&prev=/search%3Fq%3Dreduction%2Bof%2BAlH3%26hl%3Des%26client%3Dfirefox-a%26hs%3DkQL%26sa%3DG%26rls%3Dorg.mozilla:es-ES:official%26channel%3Ds%26biw%3D1016%26bih%3D573%26prmd%3Divnsb&rurl=translate.google.com&twu=1&usg=ALkJrhgDFYwuXJIgSdKQwVUW8n4OJx3Pwg

http://translate.googleusercontent.com/translate_c?hl=es&sl=en&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Anhydride&prev=/search%3Fq%3Dreduction%2Bof%2BAlH3%26hl%3Des%26client%3Dfirefox-a%26hs%3DkQL%26sa%3DG%26rls%3Dorg.mozilla:es-ES:official%26channel%3Ds%26biw%3D1016%26bih%3D573%26prmd%3Divnsb&rurl=translate.google.com&twu=1&usg=ALkJrhgRRuWmOUKrmlsg7APoo8xO8jOljw

http://translate.googleusercontent.com/translate_c?hl=es&sl=en&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Acid_chloride&prev=/search%3Fq%3Dreduction%2Bof%2BAlH3%26hl%3Des%26client%3Dfirefox-a%26hs%3DkQL%26sa%3DG%26rls%3Dorg.mozilla:es-ES:official%26channel%3Ds%26biw%3D1016%26bih%3D573%26prmd%3Divnsb&rurl=translate.google.com&twu=1&usg=ALkJrhhMkXg7jRThbi2g2vP0GLTyEN9BSA

http://translate.googleusercontent.com/translate_c?hl=es&sl=en&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Ester&prev=/search%3Fq%3Dreduction%2Bof%2BAlH3%26hl%3Des%26client%3Dfirefox-a%26hs%3DkQL%26sa%3DG%26rls%3Dorg.mozilla:es-ES:official%26channel%3Ds%26biw%3D1016%26bih%3D573%26prmd%3Divnsb&rurl=translate.google.com&twu=1&usg=ALkJrhhlbG7z4ZA3ypnIfmghJqA559BCpQ

http://translate.googleusercontent.com/translate_c?hl=es&sl=en&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Lactone&prev=/search%3Fq%3Dreduction%2Bof%2BAlH3%26hl%3Des%26client%3Dfirefox-a%26hs%3DkQL%26sa%3DG%26rls%3Dorg.mozilla:es-ES:official%26channel%3Ds%26biw%3D1016%26bih%3D573%26prmd%3Divnsb&rurl=translate.google.com&twu=1&usg=ALkJrhg3P1gA9sfOoKCoBHk7RJ1axb0s2g

http://translate.googleusercontent.com/translate_c?hl=es&sl=en&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Alcohol&prev=/search%3Fq%3Dreduction%2Bof%2BAlH3%26hl%3Des%26client%3Dfirefox-a%26hs%3DkQL%26sa%3DG%26rls%3Dorg.mozilla:es-ES:official%26channel%3Ds%26biw%3D1016%26bih%3D573%26prmd%3Divnsb&rurl=translate.google.com&twu=1&usg=ALkJrhg7Dl7lbf2OuA4HS3OY4mMqv60Q7w

http://translate.googleusercontent.com/translate_c?hl=es&sl=en&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Amide&prev=/search%3Fq%3Dreduction%2Bof%2BAlH3%26hl%3Des%26client%3Dfirefox-a%26hs%3DkQL%26sa%3DG%26rls%3Dorg.mozilla:es-ES:official%26channel%3Ds%26biw%3D1016%26bih%3D573%26prmd%3Divnsb&rurl=translate.google.com&twu=1&usg=ALkJrhhmxVDyI7ZJEvyn9P38ZdrkurfxwA

http://translate.googleusercontent.com/translate_c?hl=es&sl=en&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Nitrile&prev=/search%3Fq%3Dreduction%2Bof%2BAlH3%26hl%3Des%26client%3Dfirefox-a%26hs%3DkQL%26sa%3DG%26rls%3Dorg.mozilla:es-ES:official%26channel%3Ds%26biw%3D1016%26bih%3D573%26prmd%3Divnsb&rurl=translate.google.com&twu=1&usg=ALkJrhiadHOLDOzIe2iPihQxg29y6dki_w

http://translate.googleusercontent.com/translate_c?hl=es&sl=en&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Oxime&prev=/search%3Fq%3Dreduction%2Bof%2BAlH3%26hl%3Des%26client%3Dfirefox-a%26hs%3DkQL%26sa%3DG%26rls%3Dorg.mozilla:es-ES:official%26channel%3Ds%26biw%3D1016%26bih%3D573%26prmd%3Divnsb&rurl=translate.google.com&twu=1&usg=ALkJrhism_DqO9r20Wczbd4Rmjob61xLng

http://translate.googleusercontent.com/translate_c?hl=es&sl=en&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Amine&prev=/search%3Fq%3Dreduction%2Bof%2BAlH3%26hl%3Des%26client%3Dfirefox-a%26hs%3DkQL%26sa%3DG%26rls%3Dorg.mozilla:es-ES:official%26channel%3Ds%26biw%3D1016%26bih%3D573%26prmd%3Divnsb&rurl=translate.google.com&twu=1&usg=ALkJrhhfUZhvYpiTQ6DV7IGQtHdBg4d1UA

http://translate.googleusercontent.com/translate_c?hl=es&sl=en&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Lithium_aluminium_hydride&prev=/search%3Fq%3Dreduction%2Bof%2BAlH3%26hl%3Des%26client%3Dfirefox-a%26hs%3DkQL%26sa%3DG%26rls%3Dorg.mozilla:es-ES:official%26channel%3Ds%26biw%3D1016%26bih%3D573%26prmd%3Divnsb&rurl=translate.google.com&twu=1&usg=ALkJrhg7NbHzHlYTHWV9WNccL4Ue7TPGIQ


314

CHO

+

O

BER

95% EtOH/rt/3h

OH

+

OH

99% 1%

Asimismo se observó y comprobó que era posible otra aplicación del BER, la aminación reductiva de compuestos de carbonilo. De este modo se demostró también, que el BER es un reactivo alternativo bueno para NaBH3CN y el diborano

disuelto en piridina.

BER/LiCl

95% EtOH/rt/3h

O

COOEt

OH

COOEt

(92%)

Reducción de aldehídos y cetonas con: Dimetilsulfuro Borano y Complejo Borano-Tetrahidrofurano. El

diborano (B2H6), el más simple de los boranos, es un reactivo útil con muchas aplicaciones, pero es pirofórico,

gaseoso y no conveniente para su manejo. Existe una amplia gama de boranos utilizados como agentes reductores.

Complejos de la forma Borano-Ácido de Lewis, tales como el Borano-tetrahidrofurano (BTHF) y sulfuro de dimetil

borano (BMS, DMSB) se utilizan a menudo como una fuente de borano para la reducción.

BTHF y BMS se utilizan en hidroboraciones ofrecen

ininteresantes aplicaciones en la reducción de los

didiversos grupos funcionales

O+

BH3

BTHF

Me S+

BH3

Me

BMS

Ambos reactivos están disponibles en solución (1 M en THF), y por lo tanto son más fáciles de manejar que el

diborano. Sin embargo la volatilidad e inflamabilidad son siempre un inconveniente. El BMS es más estable que BTHF

pero tiene un olor desagradable.

La aplicación más interesante es como una fuente de borano en el catalizador oxazeborolidina en la reducción

asimétrica de cetonas (Reducción de Corey-Bakshi-Shibatan). Asimismo es muy interesante, la reducción directa de

ácidos carboxílicos a alcoholes con (BMS) y amidas a aminas con (BTHF). La Reducción de Corey-Bakshi-Shibata.

(CBS), es como sigue:

R R1

O

NB

O

HPh

Ph

R2

CBScatalizador

BH3, THF R R1

OH

R = R'

R'' = H, Alquilo

BMS BMS:

Una reducción enantioselectiva práctica utilizando el catalizador oxazaboeolidina se

presenta, cuando la misma es genera in situ,

a partir de una lactama alcohólica quiral y

borano. Tetrahedron 2003, 59, 8411 – 8414. R1 R2

O NH

OH

Ph

Ph

O

1 eq. BH3, THF/rt/ 10 minR

1R2

OH0.1 eq.

Otra ruta eficiente y enantioselectiva es la síntesis de Corey Backsi Shibatan, y que permite preparar sustancias

bioactivas, este hecho se observa en la siguiente reacción, reportada en J. Org. Chem. 1988, 53, 2861 -2963.


315

NB

O

HPh

Ph

H

Ph

Cl

O1 mol % catalizador

0.1 eq. BH3 (1.1.M en THF)

THF, 20 -30ºC, 60 minPh

Cl

OH

(97%)

Catalizador:

Una nueva síntesis enantioselectiva de alcoholes, con el mismo tipo de catalizador, y a partir de cetonas se puede efectuar utilizando catecolborano en vez de BH3.

R CCl3

O

NB

O

HPh

Ph

Bu

R CCl3

OH0.1 eq. catalizador

1.5 eq. catacolborano

Tolueno o DCM, -78 - 23ºC

1.3 a 48 h

catalizador A partir de

NH

OH

HPh

Ph

BuB(OH)2/tolueno

reflujo

J. Am. Chem. Soc. 1992, 114, 1901 - 1908

Reducción de aldehídos y cetonas con: Et3SiH, (EtO)2MeSiH. Los silanos en ciertas condiciones de reacción no

actúan sobre aldehídos, cetonas y ésteres. Pero la gran versatilidad de los derivados de silano se hace evidente

cuando se modifican estas condiciones de reacción y los anteriores grupos resultan ser afectados y reducidos al

alcohol correspondiente como se puede observar en los siguientes ejemplos:

R

O

R : Alquil, aril o H

+ Et3SiH + H2OH* (HCl o H2SO4)

éter ó CH3CN R

OH

+ Et3SiOH

Ph

O

Br

Ph

OH

Br

Si, el solvente (agua en el anterior ejemplo) se sustituye por alcohol, se observará que el producto resultante es un

éter.

R

O

R : Alquil, aril o H

+ Et3SiH + R'OHH* (HCl o H2SO4)

éter ó CH3CN+ Et3SiOH

R

H

OR'

Como los silanos no son tan poderosos donantes de iones hidruro, a menudo es necesario mejorar el carácter

catiónico del sustrato. La formación del éter es una variante interesante de la reducción del carbonilo como se

ilustra en el ejemplo anterior. En ambos casos una gran variedad de aldehídos y cetonas se han reducido, y el ácido

trifluoroacético es el ácido preferido para la formación de éter.

Reducción de aldehídos y cetonas con polimetilhidrosiloxano (PMHS). En contraste con la mayoría de los

reactivos silano descritos con anterioridad, el polimetilhidrosiloxano (PMHS) un subproducto en la industria de las

siliconas y por consiguiente barato, no es tóxico y es muy amigable con el medio ambiente.

O

H

(H3C)3SiO Si Si(CH3)3

n

A los aspectos positivos mencionados sobre el PMHS, se debe agregar que es

muy estable ante la humedad ambiente, lo que hace fácil de manejarlo y almacenarlo por largos períodos. Por otro lado, ha demostrado ser un eficaz

agente reductor generador de hidruros para muchos grupos funcionales

comunes


316

. R2R1

O

+ PMSH

1) TBAF

2) H+ o MeOH

R2R1

OHTBAF : (C4H9)4N

+F

-

R1 y R

2 : Alquilo, arilo, H

La ecuación anterior ilustra la reducción de aldehídos y cetonas empleando ión fluoruro como activante de las especies (TBAF). Estas reducciones se pueden efectuar también con fluoruro de potasio en solventes no polares altamente próticos como DMF y DMSO, sin embargo la reacción es heterogénea y lenta. Por regla general, los

enlaces doble carbono-carbono, halógenos, nitrilos y grupos nitro no se reducen en estas condiciones.

Reducción de cetonas con Difenilmetilsilano (Ph2Me2SH). La reducción enantioselectiva de cetonas se puede

lograr mediante el uso de cantidades catalíticas de complejos quirales de metales de transición.

En algunos casos, los metales de transición, simplemente sirven como un ácido de Lewis, que coordina al oxígeno de

la cetona, sin embargo, algunos metales (principalmente cobre) reaccionan con fenilhidrosilanos para dar hidruro de metal como intermediarios, y son los que actúan como agentes reductores activos.

Ph

OPh2MeSiH, CuCl, t

-BuONa

L, C6H5CH3, -78ºC Ph

OH

( 90 - 95%)

P

P

t-Bu

OMe

t-Bu

t-Bu

OMe

t-Bu

MeO

MeO

2

2

L:

En presencia de un catalizador de rodio y tricloruro de rodio, por ejemplo la 2-fenilciclohexanona, se reduce sin

diastereoselectividad, pero forma una mezcla de enantiomeros.

O

Ph Ph2SiH2, RhCl3, (1)

AgBF4, THF, 0ºC, 1 d.

OH

Ph

OH

Ph

46% 46%

(1S, 2R) (1S, 2S)

N

N NRhCl3

+

Reducción de cetonas con hidruro de cobre (CuH)

Dialquil cetonas. Los diversos procedimientos para generar CuH in situ, han dado lugar a un método de

hidrosililación eficiente y barato para las cetonas dialquílicas (B. H. Lipshutz, C. C. Caires, P. Kuipers, W.

Chrisman, Org. Lett., 2003, 5, 3085-3088).

R1

R

O

0.1 - 3 mol % CuCl

1.2 - 5 eq. R" 3SiH

0.05 - 0.1 mol %, ligando

3 mol % NaOtBu, tolueno, r.t., 3 h R

1R

OSiR"3R, R

1, alquil

R", Et, Bu

Ligando: O

O

O

O

PMeS2

PMeS2

Cetonas Heteroaromáticas. Un complejo formado entre CuH y mezclas no racémicas de los ligandos de Takasago (DTBM-SEGPHOS), es un sistema reductor especial para hidrosililación asimétrica de cetonas

heteroaromáticas en condiciones muy suaves.

Se utiliza el PMHS como una fuente barata de hidruro para la generación in situ de CuH. (B. H. Lipshutz, A. Lower,

K. Noson, Org. Lett., 2002, 4, 4045-4048).


317

R1

Ar

O

1 mol% CuCl

0.05 mol% (-)-DTBM

4 eq. PMHS

Tolueno, - 50ºC, 2 h

1 mol% NaOtBu

SEGPHOS2.5 m aq.

NaOH

THF

r.t. 3 h

R1

Ar

OH

(-) –DTBM – SEGPHOS:

O

O

O

O

PAr2

PAr2

OMe

Ar'

Cetonas diarílicas. El uso del ligando de Takasago (R)-(-)-(DTBM-SEGPHOS) CuH presenta efectos altamente

enantioselectivos en la 1,2-hidrosililación de compuestos proquirales diaril cetónicos, para producir mezcla no

racémicas de diarilmetanoles con excelentes rendimientos. C.-T. Lee, B. H. Lipshutz, Org. Lett. 2008, 10, 4187-

4190. 5 mol% CuCl

0.4 mol% (-)-DTBM

2 eq. PMHS, tolueno

0 a - 30ºC, 1 - 21 h

5 mol% NaOtBu

SEGPHOS (30% aq).

NaOH

AcOEt

r.t. 1 h

R

Ar'

O

R1

R : Br, Cl, CF3

R

Ar'

OH

R1

Cetonas α,β–insaturadas. El uso de ligandes asimétricos en la catálisis de la reducción de cetonas α, β–

insaturadas con CuH, permite la síntesis de alcoholes alílicos con muy buenos rendimientos. (R. Moser, Ž. V.

Bošković, C. S. Crowe, B. H. Lipshutz, J. Am. Chem. Soc., 2010, 132, 7852-7853).

R

Ar R1

O3 mol% Cu(AcO).2H2O

3 mol% ligando

3 eq. (EtO)2SiH2

Et2O, -25ºC, 5 h R

Ar R1

OH

R: alquil, ph, Br R1: Me, Et

Ligando:

MeO

MeO

PAr'2

PAr'2

Ar' : 3,4,5 -Me3

-C5H2

Reducción de cetonas aromáticas con Triclorosilano (Cl3SH). Las arilcetonas son reducidas a los

correspondientes alcoholes con excelente enantioselectividad por el Triclorosilano en presencia de una cantidad

catalítica de N-formil-á-(2,4,6–trietilfenil)-L-prolina, que actúa en la reacción química como activador del sustrato.

Ar R

O3 eq. Cl3SiH

0.1 eq. activador

CHCl3, r.t., 6 hAr R

OH

N

OHC

HOOC

activador:

Org.Lett., 2006, 8, 3789 . 3792

Tabla No.33. Reducción de cetonas con Triclorosilano

Producto (%) Producto (%)

Ph

OH

90

OH

O2N

93

Ph

OH

90


318

Cl OH

61

OH

91

En la misma publicación, se reporta para algunas cetonas aromáticas estudiadas, los rendimientos que se indican

en la tabla 17.

Reducción de cetonas alifáticas y acilsilanos, con 2,4-antipentanodiol y ác. 2,4-dinitro bencensulfónico. Las

cetonas y los acilsilanos alifáticos, pueden ser reducidos asimétricamente al alcohol, utilizando una mezcla del

quiral 2,4. Antipentanodiol y una cantidad catalítica de ácido 2,4-dinitrobencensulfónico. (Jun-ichi Matsuo, YuHattori, Mio Hashizune and Hiroyuki Ishibashi) (2010).

O

AnP-Diol/DNBSA

CH3(CH2)7SH/C6H6/reflujo

OHH

57 - 93%

AnP-Diol/DNBSA

CH3(CH2)7SH/C6H6/reflujoPh SiMe3

O

Ph SiMe3

OHH

HOH OH

HAnP

-Diol

O2N

NO2

SO3H

DNBSA

Reducción quimioselectiva, de aldehídos y cetonas aromáticas nitradas con TUDO. Los aldehídos y cetonas

aromáticas nitradas, pueden ser reducidos al respectivo alcohol quimioselectivamente, sin afectar al grupo –NO2,

con buenos rendimientos, utilizando para ello dióxido de tioúrea (TUDO), en NaOH-EtOH y un calentamiento

moderado.

R

O

O2NTUDO

NAOH - EtOH, 90ºC, 2h

R

OH

O2N

R = H, -CH3

NH2S

OH

NH

O

TUDO:

Reducción de aldehídos y cetonas con SmI2..

R

R1

OSmI2

R

R1

OSmI2

H+ R

R1

OH

III

SmI2R

R1

O

III

H+

R

R1

OH

R

R1 Sm

Sm

O

R

R1

R

R1 OH

R1

OH

R

R

R1

OSmI2H

+R

R1

O


319

El mecanismo de reducción de aldehídos y cetonas por el yoduro de samario se basa principalmente en

mecanismos similares de agentes reductores que transfieren un solo electrón, que ocasiona la formación de un dímero (IV). En ausencia de un disolvente prótico, este dímero se acopla para formar 1,2-dioles.

Sin embargo, en presencia de una fuente de protones, el dímero se desproporciona formando un alcóxido de samario y un compuesto de carbonilo, que por protonación forma un carbinol (II) radical, seguido de una segunda

reducción y posterior protonación, produciendo finalmente un alcohol.

Ph

Me

Me

O

SmI2

THF, HMPA. CH3OH

Ph

Me

Me

OH

Ph

Me

Me

OH

+

69% 23%

Los compuestos α-funcionalizados carbonílicos, se reducen a los correspondientes compuestos carbonílo en

presencia de yoduro de samario.

o Acoplamientos reductivos de aldehidos.

Estos acoplamiento conocidos como de Nozaki-Hiyama o de Nozaki-Hiyama-Kishi, se produce entre haluros y aldehídos

es una reacción redox inducida por el cromo. Una ventaja clave es la alta quimioselectividad hacia los aldehídos.

Una desventaja es el uso de exceso de sales de cromo tóxico. Los nuevos métodos permiten el uso de catalizadores de

cromo (II), que se regenera por reducción con manganeso o por reducción electroquímica.

HR

O

+ R1

X+ 2 CrX2- CrX3 R

1R

OCrX2

H2O

- Cr(OH)X2R

1R

OH

o Adición de acetiluros a epóxidos, aldehídos y cetonas

Adición de acetiluros provenientes de compuesto organometalicos como el Li y Na, sobre epóxidos y compuestos

carbonílicos, aldehídos y cetonas

CLi +

O 2) H3O+

OH

CMgBrO

+

OMgBr

H3O+

OH

o Reducción de cetoésteres

Varios α hidroxi-ésteres enantioméricamente puros, fueron sintetizados por una hidrogenación asimétrica catalizada

por (Ru-Cn-Tunephos) de compuestos α-ceto ésteres. Se ha obtenido un alto rendimiento del enantiómero tanto para

ésteres α-α-arilo y alquilo sustituidos en α con un grupo ceto. (C.-J. Wang, X. Sun, X. Zhang, Synlett, 2006, 1169-1172.)

O

R

O

OR' 1 mol % catalizador

H2 (5 atm), R'OH, r.t. 20 h

O

R

OH

OR'

R' : Me, Et.

O

O

PPh2

PPh2

Catalizador:

Preparación del catalizador: 0.5 mol % [Ru(cymene)Cl2]2, 1 mol % (S)-C3-Tunephos, DMF, 100ºC, 3.5 h.


320

Reducción con NaBH4. Los grupos carbonilo de aldehídos y cetonas de compuestos insaturados, se reducen

preferentemente a alcoholes si el reductor se halla disuelto en alcohol, los grupos éster y carboxílico en estas

condiciones no son afectados por el NaBH4, sin embargo si se agrega como solvente el THF, los grupos ester serán

reducidos a alcohol primario.

OMe

O

OMe

COOH

MeO

NaBH4, THF, MeOH

4 h reflujo r.t.

OH

OMe

COOH

MeO

ONaNH4/EtOH

OH

+

OH

NaNH4/EtOH

CeCl3

OH

O

NaBH4, CeCl3

MeOH

OH

OEt

O

n NaBH4, THF, MeOH

4 - 5 h reflujo r.t.

OH

n

o Reducción de ácidos carboxílicos

Reducción con LiAlH4. El hidruro de litio y aluminio disuelto en un solvente aprótico como el Tetra Hidro Furano

(THF), seguido de un tratamiento con agua acidulada, reduce a los ácidos carboxílicos alifáticos y/o aromáticos a

alcoholes primarios, con bastante facilidad y altos rendimientos.

COOH 1) LiAlH4, éter

2) H3O+

OH

1) LiAlH4, éter

2) H3O+

COOH

COOH

OH

OH

Reducción con Diborano (B2H6). El diborano, también reduce selectivamente los carbonilos de los ácidos

carboxílicos alifáticos y/o aromáticos, antes que cualquier otro carbonilo (cetonas, aldehidos, etc) al

correspondiente alcohol primario.

COOH

O2 (BH3)

Diglima

O

OH

Reducción de ácidos carboxílicos con NaBH4/BF3. Et2O. El NaBH4 sólo no puede reducir al grupo carboxílico,

pero si se halla en presencia de un ácido de Lewis, como por ejemplo el BF3, es capaz de reducir cuantitativamente

el –COOH al alcohol respectivo. Este sistema reductor no ataca a los grupos alquilo, -OH, -NO2, halógenos y –OR.


321

Reducción con AlH3. El ácido carboxílico es reducido rápida y completamente por el hidruro de aluminio (AlH3) para

formar un alcohol primario, en cambio grupos funcionales poco reactivos como los haluros no son atacados.

Por lo tanto, esta diferencia puede aprovecharse,

para reducir el grupo carboxilo en presencia de haluros en una molécula, como se señala a

continuación: Cl OH

OAlH3

89% Cl OH

o Reducción Catalítica de ésteres. La catálisis se efectúa con cromito de cobre. La hidrogenólisis de un éster,

requie de condiciones más severas que la hidrogenación simple (adición de hidrógeno) de un doble enlace carbono–carbono. Se necesitan presiones y temperaturas elevadas.

El catalizador de mayor uso es una mezcla de óxidos denominada cromito de cobre, de composición aproximada: CuO-CuCr2O4.

COOMe

8

Laureato de metilo

(Dodecanoato de metilo)

H2, CuO.CuCr2O4

150ºC , 330 atmOH8 + CH3OH

alcohol láurico

(1 - Dodecanol)

Reducción química de ésteres. La reducción química de ésteres se efectúa con sodio metálico en alcohol, o más

comúnmente, con hidruro de aluminio o hidruro de litio y aluminio.

i. Reducción con AlH3. El hidruro de aluminio puede lograr la reducción de un éster, transformándolo en un

alcohol primario con buenos rendimietnos, por otro lado se conoce que los grupos poco reactivos, como los

halógenos y nitros, no son atacados por este hidruro, razón por la cual se pueden lograr las siguientes

transformaciones:

Br

COOEt

OH

Br

OH

OH

AlH3

COOMe

NO2AlH3

80%

NO2

OH

ii. Reducción con LiAlH4. Esta es una de las reducciones más importantes y corrientes de los ésteres, para

transformarlos en alcoholes primarios, sus limitaciones relacionadas con el costo y la acción del reactivo sobre

casi todos los grupos funcionales, excepto las insaturaciones, ha motivado la búsqueda de nuevas alternativas.

COOEt12

LiAlH4

H+

OH

12

Palmitato de etilo 1 - Hexadecanol(Hexadecanoato de etilo)

COOMe

1) LiAlH4, éter

2) H3O+

CH2OH

iii. La reducción de Bouveault-Blanc. Este método es un sustituto de bajo costo para la reducción de los ésteres

con el Hidruro de Litio y Aluminio (LAH), hasta hace poco el más utilizado en la industria.

Este agente reductor de metal en disolución también se relaciona con la reducción de Birch.

R OR1

ONaº

EtOHR

OH

+ R1OH

http://translate.googleusercontent.com/translate_c?hl=es&sl=en&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Ester&prev=/search%3Fq%3Dreduction%2Bof%2BAlH3%26hl%3Des%26client%3Dfirefox-a%26hs%3DkQL%26sa%3DG%26rls%3Dorg.mozilla:es-ES:official%26channel%3Ds%26biw%3D1016%26bih%3D573%26prmd%3Divnsb&rurl=translate.google.com&twu=1&usg=ALkJrhhlbG7z4ZA3ypnIfmghJqA559BCpQ


322

Tabla No 34. Reducción de Bouveault-Blanc de ésteres con Na-SG

Sustrato Producto Rend.

%

Sustrato Producto Rend.

%

OH

COOMe

OH

OH

93

MeO

COOEt

MeO

OH

98

NH2

COOEt

NH2

OH

78

O

O

OH

OH

96

O2N

COOEt

O2N

OH

36

C8H17

COOEt

6

C8H17

OH6

99

F3C

COOMe

OH

64

MeO

COOEt

MeO

OH

98

Ph COOMe PhOH

81

O

O

OH

OH

96

PhCOOEt

Ph OH 99 C8H17

COOEt

6

C8H17

OH6

99

Una variante de esta reacción utiliza el sodio metálico en un gel de sílice (Na-SG) para la reducción de ésteres

alifáticos distintos, conocida como la reducción de Bouveault-Blanc. Los alcoholes primarios se preparan con un

rendimiento excelente en condiciones suaves de reacción. B. S. Bodnar, P. F. Vogt, J. Org. Chem., 2009, 74, 2598-

2600.

R OR1

O

R

OHNa - SG (l) (15 eq. Na)

26 eq, MeOH (adicionado cada 5 min)

THF, aprox 10ºC, 35 min R : alquil, bencil

Na - SG(l)

Sodio en

silicagel

27.1 wt %

Reducción con Borohidruro de cinc (Zn(BH4)2). Este reactivo se prepara a partir de la reacción entre el cloruro

de cinc y el NaBH4, según se observa en el siguiente esquema:

ZnCl2 + NaBH4

THF

H

H

B-

Zn

H

H

B-H

H

H

H

Los ésteres alifáticos, así como los aromáticos son reducidos al correspondiente alcohol, con rendimientos

bastante altos.

R y R’: alquil, aril RCOOR'

Zn(BH4)2/THFRCH2OH + R'OH

Reducción de ésteres con PMHS

RCOOR' + PMHS

1) TBAF

2) H+ ó MeOH

RCH2OH


323

RCOOR' + PMHSTi(OiPr)4

THF

RCH2OSiR3 TBAF

ó NaOH

RCH2OH

Reducción de β–cetoésteres. Una hidrosililación leve, enatioselectiva de los ácidos 3-oxo-3-arilpropiónico u sus

ésteres de etilo, utilizando difenilfosfina silano el reactivo quiral BINAM, de conformidad al siguiente esquema:

Ar-

O

O O 2 eq, Ph 2SiH2

2 mol%, catalizador

THF, 15ºC, 72 h Ar-

O

OH O

R = Me, Et

Rh5-

N

N+

N

N

O

O

catalizador

o Por adición de Reactivos de Grignard a Grupos Carbonilo.

Los reactivos de Grignard, RMgX, reaccionan con los compuestos carbonílicos para producir alcoholes de manera semejante

a como lo hacen con los hidruros. El resultado es un método muy útil y general de síntesis de alcoholes.

R2

R1

O1) RMgX, éter

2) H3O+

R2

R1

OH

R

La reacción consiste en un ataque nucleofílico del R al

carbono electrofílico del grupo carbonilo.

Debido al carácter nucleofílico del grupo alquilo en los reactivos organometálicos de litio y magnesio, puede utilizarse para la

síntesis de alcoholes por adición a compuestos carbonílicos y apertura nucleófila de anillos de oxaciclopropano (epóxidos). El

ataque ocurre sobre el carbono menos sustituído del epóxido.

1) RMgX, éter

2) H3O+

O

OH

R

O

1) PhMgBr, THF

2) H3O+

OH

Ph

Mecanismo de la reacción de Grignard:

R2

R1

O

R

MgX

R

XMgO

R1

R2

H3O+

R

OH

R1

R2

Por reacciones de Grignard es posible obtener un gran número de alcoholes, dependiendo de la naturaleza del compuesto

carbonílico utilizado como sustrato, (exceptuando a las amidas), obsérvese los siguientes ejemplos:

MgBr

+HH

O

1) éter

2) H3O+

HH

OH

Bromuro de ciclohexil

magnesio

Ciclohexilmetanol

(65%)

O

+1) éter

2) H3O+

MgBr OH


324

1) éter

2) H3O+

OCH2CH3

O

+ 2 CH3MgCl

OH

CH3

CH3

CH3COOEt

MgBr

2 1) éter seco

2) H3O+

OH

13.2.5. Alcoholes insaturados y/o aromáticos

El alcohol vinílico no se puede obtener porque tautomeriza

rápidamente a etanal. En cambio se obtienen sus derivados, materias primas importantes para la industria de los plásticos.

CH2=CH2OH CH3 C

O

H

El alcohol insaturado más importante es el alcohol vinílico que se obtiene del propileno, aprovechando que éste se clora por

sustitución, sin adición, por encima de 500°C.

CH2=CHCH3+ Cl2

500°C

CH2=CHCH2Cl

+HCl

cloruro de alilo

OHCH2=CHCH2OH + Cl

Este comportamiento, se debe a que el cloro del cloruro de alilo es muy lábil y se sustituye fácilmente con bases diluídas.

El alcohol alílico también se obtiene del propeno a

través de su epóxido: MClPBA

Ocat.

Li3PO4

OH

La transposición de óxido de propileno a alcohol alílico se roduce en presencia de fosfato de litio como catalizador. El alcohol

alílico, se encuentra en la esencia de los ajos, es un producto intgermedio para obtener glicerina y para diversas síntesis

industriales que aprovechan su doble funcionalidad; sus ésteres se polimerizan dando resinas para barnices.

El alcohol propargílico, con las funciones alquino y alcohol (el alcohol con el OH sobre un carbono con hibridación sp, aún no

ha sido aislado) tiene dos hidrógenos lábiles y da ac etiluros y alcoholatos; por esta razón es un producto interesante para la

síntesis. Se obtiene por adición de acetileno al formol, catalizada por acetiluro de cobre.

C CH H + O C

H

HC2H2Cu2

C CH C

H

OH

H

alcohol propargílico El alcohol bencílico tiene un alor agradable, a rosas, y sus ésteres se usan en perfumería. Se obtiene del tolueno por

fotocloración seguido de hidrólisis.

+ Cl2

hv ClOH

- OH

Alcohol bencílico

Por otro lado, el alcohol cinámico (PhCH=CHCH2OH) forma parte de la esencia de algunas plantas.

13.2.6. Alcoholes Polihidroxílicos

Los compuestos que contienen dos grupos oxhidrilo se llaman “glicoles” o dioles. El diol más simple es el compuesto inestable metilén glicol o metanodiol, que resulta ser un gem-diol (un diol que tiene ambos grupos oxhidrilo unidos al mismo carbono).


325

Los gem-dioles que contienen grupos que atraen fuertemente a los electrones

pueden aislarse. Es el caso del hidrato de cloral, que se utiliza como somnífero. Cl3C

OH

OH

H

Hidrato de cloral

Los vic-dioles son mucho más estables

que los gem–dioles.

Los vic-dioles pueden prepararse por

hidroxilación de alquenos:

H

OH

H

OH

H

H

H

OH

H

H

OH

H

H

OH

H

OH

H

H

KMnO4

frío

1) RCOOOH

2) H2O1) OsO4

2) Na2SO3

Un importante triol es el glicerol (1,2,3-propanotriol), cuyos ésteres con compuestos muy importantes en bioquímica, son

utilizado como agente humectante por ser un líquido viscoso higroscópico e inocuo. Los compuestos que contienen dos o más

grupos –OH unidos a carbono adyacentes, sufren una oxidación con rupturas de enlaces carbono-carbono, al ser tratados con ácido peryódico. (HIO4)

o Síntesis de los Glicoles

Los métodos que mayormente se han estudiado en la preparación de glicoles toman en cuenta a los alquenos como moléculas

precursoras, de los cuales se pueden mencionar los siguientes:

H

X H

H

OH

H H

OH H

H

OH

H

X2 , H2O

Halohidrina

HO

H2O

O

H

OH

H

H

OH

H(Ar)RCOOOH

peroxiácido

H+

H2O

O2 , Ag

calor

Hidroxilación anti

H

X H

H

X

H H

OH H

H

OH

H

X2 HO

H2OCCl4

Dihaluro vecinal

OHOH

KMnO4

H2O/OH- o

1) OsO4 2) Na2SO3

Hidroxilación syn

Las reacciones de hidrólisis del haluro vecinal y de la halohidrina son típicas de las reacciones de sustitución nucleofílica.

Dada la posibilidad de eliminación, éstos haluros de alquilo suelen hidrolizarse mediante una solución de carbonato de sodio acuoso.

o Reacciones de los glicoles.

A las ya mencionadas, incluiremos la oxidación del ácido peryódico. Los glicoles, los α- oxialdehidos, las α-oxicetonas y los

compuestos α,β-dicarbonílicos son oxidados por ácido peryódico, HIO4. En todas ellas se rompe un enlace carbono-carbono,

además de formarse ácido yódico como subproducto (HIO3).


326

OH

R

R1OH

R1 R

HIO4O

R

R1

O

R1

R

Aldehídos o cetonas dependiendo de R y R1

Pero no ocurre lo mismo con la

siguiente molécula:

R

R1

OH

OH

R1

R

Compuestos

α-oxialdehidos o

cetonas: R2

OR

R1

OHHIO4

O

R

R1

OH

R2

O

R2 = H, α-oxialdehido Aldehido ácido carboxílico

R1 = grupo alquilo o arilo o cetona

Compuestos α, β-dicarbonílicos:

HIO4

R

R1

O

O R

OH

O

R1

OH

O

acidos carboxilicosR y R 1 pueden ser

H, alquilo o arilo 13.3. Fenoles

El fenol fue aislado del alquitrán de hulla en 1834 por Runge, quien le dio el nombre de "ácido carbólico", nombre que todavía

se usa alguna que otra vez. Laurent lo obtuvo en forma cristalina en 1841, determinó su composición y le llamó "ácido

fenólico". El nombre de "fenol" fue introducido por Gerhardt. Antes de 1888, casi todo el fenol se obtenía del alquitrán de

hulla, y su principal uso era como desinfectante. En la última década del siglo XIX, el derivado trinitro del fenol (ácido pícrico)

adquirió importancia como explosivo

Los fenoles son compuestos bastante ácidos mucho mas que los alcoholes. Hidróxidos acuosos convierten fenoles en sus

sales; los ácidos minerales acuosos los reconvierten nuevamente en fenoles libres. Los fenoles y sus sales tienen

propiedades de solubilidad opuestas: las sales son solubles en agua e insolubles en disolventes orgánicos. Los fenoles mas

sencillos son líquidos o sólidos de bajo punto de fusión; tienen puntos de ebullición elevados, debido a que forman puentes de

hidrogeno. El fenol tiene cierta solubilidad en agua debido a la formación de puentes de hidrogeno con ella. La mayoría de los

otros fenoles son esencialmente insolubles. Son incoloros y se oxidan con facilidad por lo que se encuentran coloreados.

El fenol es un compuesto cristalino blanco, que funde a 41ºC. y hierve a 182ºC; tiene un olor característico, ataca la piel humana y es un veneno muy potente. Encuentra su uso principal en la fabricación de resinas fenólicas por combinación con

formaldehído. Es importante su uso como intermedio en la preparación de fármacos, colorantes, hormonas vegetales, plaguicidas, curtientes sintéticos, sustancias aromáticas, aceites lubricantes y solventes

En el grupo de los fenoles, los cresoles y el compuesto base mismo son los compuestos más importantes, además del timol, los naftoles, la fenolftaleína, el triclorofenol y el pentaclorofenol. Los compuestos naturales (pirocatequina, guayacol y sus

derivados) no son tóxicos. Un derivado conocido de la pirocatequina es la adrenalina. El fenol se presenta en la Naturaleza en

la madera y en las agujas de pino, en la orina de los herbívoros (fenolsulfato) y en el alquitrán de hulla. De los fenoles

monohídricos se obtienen numerosas esencias (aromáticas) naturales, como por ejemplo: vainillina, timol, carvacrol,

"zingiverón" (en jenjibre), aldehído salicílico. Entre los fenoles multivalentes sintéticos, el hexaclorofeno es particularmente tóxico.


327

OH

p-cresol

OH

OH

Catecol

OH

OH Resorcinol

OHOH

Hidroquinona

Muchos derivado fenólicos, son fungicidas y bactericidas:

OH

OH

(CH2)5CH3CH4

Hexilresorcinol

OH

Carvacrol

OH

Timol

OH

o-Fenilfenol

13.3.1. Reacciones de Fenoles y Alcoxibencenos

Los grupos –OH, -OR y –OAr, activan el núcleo aromático en las posiciones o- y p-. Por ello la halogenación, sulfonación y

nitración deben efectuarse en condiciones suaves. A pesar de ello la multisustitución se produce, razón por la cual es

necesario ejercer un control sobre la reactividad de los fenoles y aminas, funcionalizando el –OH a –OR y el NH2 a NHCOR,

para luego de la sustitución, refuncionalizar al respetivo –OH y –NH2.

OH

1) NaOH, H2O

2) BnCl

OBnOBn

SO3H

SO3

H2SO4

1) 2 NaOH, calor

2) HCl

3) H2/Ni-Raney

OH

OH

Síntesis de éteres de Williamson.

Debido a la propiedades ácidas del fenol, éste puede

transformars en fenóxido con una solución acusa de NaOH e

incluso con una solución acuosa de K2CO3.

No es necesario utilizar para el fenol Na metálico o NaH,

necesario para los alcoholes alifáticos.

OH 1) NaOH, H2O

2) RX

OR

1) K2CO3, H2O

2) R'X

OR'

OH

NO2

+ CH3CH2CH2CH2BrK2CO3

acetona

OCH2CH2CH2CH3

NO2


328

OH

Cl

+ CH3CH2CH2BrNaOH

H2O

OCH2CH2CH3

Cl

Alquilación y acilación de Friedel-Crafts. Una reacción ya estudiada en los fenoles, es la sustitución electrofílica de los mismos, donde se debe cuidar de realizar las reacciones de sustitución electrofílica del fenol seleccionando condiciones más

suaves, que para el benceno, para evitar la multisustitución.

En cambio, en la alquilación y acilación del

fenol, según Friedel-Crafts, se presentan algunos aspectos que necesariamente

deben ser clarificados a tiempo de efectuar

dichas transformaciones.

Las alquilaciones del fenol con haluros de

alquilo, catalizado por ácidos de Lewis,

afrontan la competencia de dos tipos de

reacción, como se indica a continuación:

OH

OR

OH

R

RCl

AlCl3

predomina en

solventes polares

+

OH

R

Alternativamente, para alquilar los fenoles, sin el riesgo de la formación de isómeros, se puede proceder de alguna de las

siguientes maneras: a) protegiendo inicialmente el –OH, como –OR, efectuar la alquilación y luego desproteger el fenol. b)

Alquilar directamente el fenol con alcohol o alqueno, utilizando H2SO4 diluido como catalizador.

Por otro lado, la acilación de los fenoles, igualmente presenta algunos problemas, debido a que el fenol es un nucleófilo

bidentado, lo que significa que puede reaccionar en dos posiciones: a) En el anillo aromático, con cloruro de acilo o anhídrido,

catalizado por AlCl3 lo que da una arilcetona, es la reacción típica de sustitución electrofílica aromática denominada acilación

de Friedel-Crafts. b) La reacción podría ocurrir en el oxígeno fenólico, dando lugar a un éster, reacción que es una

sustitución nucleofílica de acilo.

OH

OH O

OCOR

RCOCl

AlCl3 + OH

Ocontrol

termodinámico

control

cinético

catálisisácida o básica

El producto de C-acilación es más estable, y predomina en condiciones de control termodinámico (es decir, cuando está

presente AlCl3). El producto de O-acilación es el que se forma más rápido y predomina en condiciones de control cinético.

La O-acilación puede ser promovida por: catálisis ácida a través de la protonación del agente de acilación, aumento de su electrofilia o la catálisis básica a través de la desprotonación del fenol, aumento de su nucleofilia.

Transposición de Fries (1908). Los ésteres de fenoles calentados con cloruro de aluminio experimentan una transposición:

el grupo acilo migra a la posición orto o a la para o a ambas, con producción de las respectivas hidroxicetonas. Es lo que se conoce con el nombre de transposición o reacción de Fries. La reacción es una autoacilación. (¡Será una reacción

intramolecular?).


329

AlCl3

O

O

OH O

+

OH

O

La proporción relativa de derivados en orto y para depende de la temperatura a la que se realiza la reacción y de los otros

sustituyentes presentes en el núcleo. En general a temperaturas bajas (60°C o menos) se favorecen la formación del isómero para (p), y a temperaturas altas (más de 160°C), la del isómero orto (o).

NaOH

H2O

OH

+Cl

O

O

O 96%

AlCl3

OH

O

55°C

Los ésteres de ácidos de peso molecular elevado, aún a baja temperatura, migran de preferencia a la posición orto. Obviamente cuando la posición para se halla ocupada, el único producto que se forma es el orto carboxilado al -OH, sin

importar mucho la temperatura del proceso.

OH

+Cl

ONaOH

H2O

OCOCH2CH3OH

O

Reacción de Kolbe-Schmitt (1860-1885).

Es un caso particular en la obtención de ácidos carboxílicos, dado que conduce solamente a ácidos benzoico orto sustituidos

con hidroxilo. En la reacción de Kolbe-Schmitt, el fenóxido ataca al dióxido de carbono para dar la sal del ácido 2-

hidroxibencencarboxílico (ácido orto-hidroxibenzoico), que se transforma en ácido acetilsalicílico (aspirana) por simple

acetilación.

OH

+ CO2

NaHCO3, H2O

Presión

OH

COO-Na

+

H3O+

OH

COOH(CH3CO)2O

Piridina

OCOCH3

COOH

Aspirina

Si se cambia de metal alcalino a potasio25 (fenóxido de K), la carboxilación se realiza preferentemente en la posición para.

OH

CO2KHCO3, H2O

Presión

OH

COO-K

+

H3O+

O-K

+OH

COOH

25

GUEVARA J. de D. y OTROS. Química de la Reacciones Orgánicas. Editorial Alhambra S.A. Madrid –

Barcelona- Buenos Aires-México. Pág.220 ( 1969)


330

En realida aún con el fenóxido de potasio, si el proceso se lleva a cabo a 180-200°C se froma casi exclusivamente el derivado

o-carboxílico, es decir, el ácido salicílico, si la reacción ocurre a 220°C se forma exclusivamente el isómero para. Incluso, si el orto- salicilato de potasio se calienta a 250°C se transpone, dando p-oxibenzoato de potasio.

La carbonatación directa de los fenóxidos, ocurre con mayor facilidad en los polifenoles. Así el ácido β-resorcílico se obtiene rápidamente, haciendo

pasar una corriente de CO2 a través de una solución

acuosa hirviente de una sal sódica o potásica de resorcinol

OH

OH

CO2+1) NaOH, H2O, 100°C

2) H3O+

OH

OH

COOH

Resorcinol ácido Resorcílico (60%)

Transposición de Claisen. Los éteres alílicos de los fenoles, calentados a unos 200°C, se transponen a los correspondientes

o-alilafenoles. La reacción se conoce con el nombre de transposición de Claisen: Los éteres alílicos de fenoles se preparan por calentamiento de una mezcla de fenol y bromuro de alilo, en acetona y en presencia de carbonato de potasio, que fija el

ácido bromhídrico formado.

OH

+ CH2=CHCH2BrK2CO3

O

calor

OH

H

calor

OH

acetona

Estos éteres alílicos, calentados a 200°C, se isomerizan por

transposición: el grupo alilo migra a orto.

Pero si ambas posiciones orto están ocupadas, lo hace a la

posición para:

OCH2CH=CH2

calor

OH

CH2CH=CH2

La misma reacción practicada con el éter alílico del β-naftol origina sólo el α-alil β-naftol, sin que

se produzca migración a la posición 3.

Si la posición 1 está ocupada, tampoco hay

migración a la posición 3. No se produce la

transposición.

calor

OCH2CH=CH2 OH

CH2CH=CH2

La transposición de Claisen está relacionada a la introducción de grupos alilos en fenoles, en medios polares o no. Como se

ha visto, en solución acetónica y en presencia de carbonato de potasio y bromuro de alilo se obtiene el éter fenoxialílico.

calor

O-Na

+

+ BrCH2CH=CHPhC6H6

OH

CH2CH=CHPh

0 - cinamilfenol

+ NaBr

Si se modifica el procedimiento, empleando un solvente no polar, como el fenóxido de sodio seco y bromuro de alilo, en benceno, la reacción transcurre de otro modo. Se obtiene directamente el derivado C-alílico, es decir, el o-alilfenol. La acetona, como disolvente polar, favorece la alilación en el oxígeno, mientras que el benceno no polar favorece la alilación

directa en el núcleo bencénico.


331

o Oxidación de fenoles.

Los fenoles son muy reactivos ante agentes oxidantes, los productos de reacción de los mismos es variable, según el

oxidante que se utilice. Sin embargo los productos más comunes en los procesos de oxidación de los fenoles, naftoles, con

agentes oxidantes fuertes y/o débiles son las quinonas (igual comportamiento presentan las anilinas).

Formación de quinonas.

Dicromato de sodio en medio ácido:

Na2Cr2O7/H2SO4.

OHO

O

m - cresol 2 - metil -1,4- benzoquinona

Na2Cr2O7

H2SO4

Los fenoles son fácilmente oxidados, a pesar de la ausencia de un átomo de hidrógeno en el carbono que lleva hidroxilo. Entre

los productos de oxidación del fenol con ácido crómico se obtiene el compuesto dicarbonílico para-benzoquinona (conocido como 1,4-benzoquinona o simplemente quinona). El isómero orto también se conoce, sin embargo la metaquinona no se

conoce que haya sido preparada, debido a que estructuralmente no son posibles por su falta de estabilidad.

OH

OH

Ag2O

Agente

secante

O

O

+ H2O + 2Ag

Los equilibrios redox entre la hidroquinona y el catecol dihidroxibenzeno y sus estados de oxidación a quinonas, se obtienen

con oxidantes más suaves que el cromato (reactivo de Jones). Cualquier grupo en la posición para respecto al hidroxilo en

los fenoles se elimina en la oxidación: OH

Na2Cr2O7

H2SO4

O

O

+ Otros productos

Toluquinona

OH

Br

BrNa2Cr2O7

H2SO4

O

Br

O

+ HBr

OH

NH2

Na2Cr2O7

H2SO4

Fe(III)

O

O

+ NH3

Si el grupo en para es un halógeno26, el rendimiento de la oxidación mejora considerablemente. En cambio si se tiene un

grupo -OH o –NH2, los rendimientos son excelentes en la formación de quinonas.

Formación selectiva de orto quinonas con IBX

Un método de oxidación eficiente y regioselectivo de transformación de fenoles a o-quinonas, se consigue cuando el derivado fenólico se combina con ácido o-Iodoxibenzoico (IBX) en dimetilformamida (DMF). Esta reacción se puede combinar con una reducción, lo que permite la construcción de una variedad amplia de ésteres. Esta reacción fue reportada por: Derek

Magdziak, Andy A. Rodriguez,† Ryan W. Van De Water, and Thomas R. R. Pettus),

26

CASON J. Química Orgánica Moderna. Urmo S.A. de Ediciones Bilbao. 2005


332

Y

Z

OH

I

O

O

O

OH

(IBX)

DMFY

Z

O

O

H2/Pd - C

K2CO3

Ac2O Y

Z

OAc2

OAc

Oxidación con persulfato de Elbs

La Oxidación con persulfato de Elbs es una reacción orgánica en

donde el fenol es hidroxilado en la posición para con rendimiento

aceptable, empleándose para ello persulfato de potasio alcalino.

OH

K2S2O8

KOH

OH

OH Mecanismo de reacción. El mecanismo de reacción, ha sido postulado considerando la sustitución para (p), observada con el

carbanión tautomérico del ion fenolato de partida: OH O

O

S OO

O

OH

O

O

S

O

O

O O S

O

O

OO

OH2

OH

OH

+ H2SO4

Lo que muestra una sustitución nucleofílica en el peróxido de oxígeno del ion peroxodisulfato. Para obtener el producto, los

intermediarios sulfato se hidrolizan al grupo hidroxilo.

Reacción de Vilsmeier - Haack.

Ésta es una reacción que permite introducir el grupo formilo en compuestos fenólicos o sus derivados como los fenóxidos, el

resultado final puede catalogarse como una forma de oxidación del sustrato. El reactivo de Vilsmeier necesario se prepara a

partir de una amida sustituída con tricloruro de fosforilo, el cual se hace reaccionar con el fenol y sus derivados.

MeO OMePOCl3, DMF

83%

MeO OMe

CHO

O

O

OMe

MFA, POCl3

63%

O

O

OMe

CHO

OMeMeO

P2O3Cl4, DMF

100%

MeO OMe

CHO

Reacción de Reimer–Thiemann

La reacción de Reimer–Thiemann, también permite introducir en el anillo bencénico de los fenoles y sus derivados (así como otros compuestos con grupos activos sobre el benceno), el grupo formilo (-CHO), resultando consiguientemente una oxidación del sustrato.

http://es.wikipedia.org/wiki/Reacci%C3%B3n_org%C3%A1nica

http://es.wikipedia.org/wiki/Mecanismo_de_reacci%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Tautomer%C3%ADa

http://es.wikipedia.org/wiki/Sustituci%C3%B3n_nucle%C3%B3fila

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Peroxodisulfato&action=edit&redlink=1

http://es.wikipedia.org/wiki/Sulfato

http://es.wikipedia.org/wiki/Grupo_hidroxilo


333

OH

CHCl3

3 KOH

OH

CHO

O

N

OH

CHCl3, NaOH

O

N

OH

CHO

Otras reacciones de formilación Al margen de la reacción de Gattermann–Koch, se pueden indicar las siguientes dos reacciones que también permiten

introducir en los fenoles y sus derivados al grupo formilo.

O OMe

OMe

1) BuLi

2) DMF

O OMe

OMe

CHO

OH

HMT, TFA, reflujo, 12 h

95%OH

CHO

Oxidación–reducción del resorcinol. Un proceo que permite obtener compuestos dicetónicos cíclicos en una relación 1

– 3 diCO, parte del resorcinol. El sistema que se usa es Rh/Al2O3 y H2, NaOH, la transformación que ocurre se muestra

en la siguiente reacción: OH

OH

Rh/Al2O3

H2, NaOH

O

O 13.3.2. Síntesis de Fenoles.

El fenol se obtiene a partir de la destilación del alquitrán de hulla. Según RÖMPP (1983), con una tonelada de hulla se obtiene

aproximadamente 0,25 kg de fenol. Actualmente, sin embargo, predomina la producción sintética por disociación del

hidroperóxido de cumeno, obteniéndose acetona como producto secundario. En parte, aún se recurre a la síntesis a partir del

benceno, utilizando ácido bencensulfónico o clorobenceno.

o Preparación por sustitución aromática nucleófila

Fusión alcalina. Otro método industrial para obtener fenoles es la

fusión con NaOH de los aril-sulfonato sódicos. Este procedimiento ha sido investigado abundantemente en la

sulfonación y fusión de los naftalenos, que originan naftoles, utilizados

en la industria de los colorantes

SO3

-Na

+

1) NaOH,

2) H3O+

OH

H2SO4/SO3

SO3H

NaOH, calor

O-Na

+

H3O+

OH


334

Hidrólisis del Clorobenceno. El

clorobenceno puede prepararse por

cloración con Cl2/AlCl3, o con la mezcla 4HCl

+ O2 (oxicloración). La solución de fenolato obtenida se acidifica con HCl, separándose el

fenol en una capa aceitosa flotante.

El proceso Raschig hidroliza el

Clorobenceno con H2O, en condiciones drásticas de temperatura, con un catalizador

de fosfato cálcico.

Cl

2 NaOH

OH

+400°C

300 atm

HCl

O-Na

+

Cl

+ H OH

500°C

Ca3(PO4), SiO2

OH

+ HCl

Si además los halobencenos

contienen

grupos fuertemente

atractores de

Cl2

AlCl3

Cl

2 NaOH

360°C

alta presión

OH

350°C

H2O

O-Na

+

H+ OH

electrones en el anillo bencénico, como es el caso de los grupos –NO2, -CF3, la sustitución del halógeno por –OH

proveniente de una base, es sumamente fácil.

Disociación del hidroperóxido de cumeno27: Este proceso conocido como síntesis de Hock, consiste en la reacción del

benceno con propileno, para formar el cumeno que luego es oxidado y acidificado para formar el fenol mas acetona. El

proceso tiene interés económico, porque junto al fenol se obtiene la acetona, que es de buen precio.

H3PO4

O2 del aire

H2O/H+

OOH

H+

OH

+O

fenol acetonacumeno peroxicumeno

Una emulsión de cumeno en H2O, alcalinizada con Na2CO3, se calienta entre 100–120 °C y se pasa aire a 2–10 atm; el peróxido formado se disocia en fenol y acetona con H2SO4 a 50-70°C. La acetona se separa en la cabeza de una primera

columna y el fenol se purifica en vacio. Se producen 0.6 Kg de acetona por Kg de fenol.

Oxidación del tolueno. Algunas empresas que disponen de excedentes de tolueno utilizan el proceso DOW o del ácido

benzoico, que sigue el siguiente esquema.

O2

Cat. Cu - Mn

COOHO2

Cat. Cu

OH

+ CO2

o Hidrólisis de sales de arenodiazonio

Este es otro procedimiento al que se recurre principialmente a nivel de laboratorio y no así con carácter industrial. En

esta última son mucho más populares los procesos: Dow Bayer, de Raschig-Hooker, de Dow y California Research, el

Scientific Design y el de Hock.

27

YÚFERA E.P. Química Orgánica Básica y Aplicada. Editorial Reverte Sa. Pág. 342


335

1) HNO3/H2SO4

2) Fe/HCl

NH2

NaNO2

HCl, 0°C

N2

+Cl

-

H2O,

OH

+ N2

Cl

NH2

NaNO2

H2SO4

Cl

N2

+HSO4

-

H3O+

calor

Cl

OH

o Ruptura de éteres.

OR

HBr,

OH

+ RBr

Aplicable, sólo si R es pequeño

OR OH

Aplicable, sólo si R es pequeño

1) AlCl3, HCl

2) H2O+ RCl

Si R es un grupo grande, es necesario utilizar un reductor, como H2/Ni-Raney. Por ejemplo para transformar el fenilbencil éter (PhOBn) en fenol.

13.4. Tioles o mercaptanos. Tiofenoles28

Los tioles, R-SH, son análogos azufrados de los alcoholes. Los tioles se nombran por medio del sistema que se usa para los

alcoholes, con el sufijo -tiol en lugar de -ol. El grupo -SH mismo se conoce como grupo mercapto.

El grupo –SH tiene gran importancia bioquímica y algunos Tioles tienen interés industrial.

CH3CH2SH

Etanotiol Etilmercaptano

CH2=CHCH2SH

2-Propenotiol Alilmercaptano

SH

2-Propanotiol

Isopropilmercaptano

SHOH

Mercaptoetanol

SH

Tiofenol

Fenilmercaptano

La característica física más notable de los tioles es su olor en extremo desagradable. Por ejemplo, el olor del zorrillo o

mofeta se debe principalmente a los tioles simples 3-Metil-1-butanotiol y 2-Buteno-1-tiol. Al gas natural se le agregan

pequeñas cantidades de tioles con bajo peso molecular que sirven como advertencia fácil de detectar en caso de fugas.

Reacciones de los Tioles.

El grupo –SH es mucho más ácido que el –OH (como pasa con el ácido sulfhídrico H2S y el agua H2O), así los Tioles reaccionan

y se disuelven en soluciones diluidas de NaOH (pKa entre 9 y 12). Las sales resultantes se llaman mercaptidas. Los tiofenoles

son más ácidos. Recordar que los alcoholes reaccionan con Na y no con NaOH y que los fenoles reaccionan con NaOH e incluso con KHCO3.

R SH + NaOH R S-Na

+

+ H2O

28

PRIMO YúFERA E. Química Orgánica Básica y Aplicada Editorial Reverté S.A. pág. 394.


336

+ NaOH + H2OSH S

-Na

+

El anión RS- (tiolato o mercapto) es un nucleófilo más fuerte que el alcóxido RO-, pero es una base más débil.

R S ++ R I R S R I (rápido)

tioéter

Por este motivo los tioles no reaccionan con HBr.

R SH ++ R BrHBr H2S

R OH + H2O+ R BrHBr

Los Tioles, por la deblidad del enlace –SH, pueden ser oxidados por reactivos suaves, como bromo o yodo, para formar

disulfuros, R-SS-R. La reacción es fácilmente reversible; los disulfuros se pueden reducir a tioles por tratamiento con cinc y ácido.

R SH2

O2 + Cu 2+

o I2

NaHSO3 o H2S

R S S R + H2O

+ H2O

SH

2Br2, H2O

S S

Estos compuestos son estralogos a los peróxido pero químicamente no se parecen en nada; el enlace –S – S – es muy fuerte

y los ditioéteres son mnuy estables. El equilibrio rédox de lod tioles y ditioéteres tiene gran importancia en bioquímica, ya que

la unión –S-S- forma puentes inter e intramoleculares en las proteínas, y de ellos depende su estructura y función biológica.

La oxidación más fuerte a ácidos sulfónicos: SH HNO3 S

O

OOH

Los Tioles y sus derivados se reducen con Ni e H2, dando H2S y el hidrocarburo.

SHNi

H2+ H2S

Esta reacción se llama desulfuración y en la industria petroquímica se usa para eliminar los compuestos sulfurados der la

fracciones de petróleo, utilizando H2 a presión y 300 a 400°C con un catalizador de Co-Mo.

Síntesis de los Tioles.

Los tioles suelen elaborarse a partir de los correspondientes halogenuros de alquilo por desplazamiento SN2 con un nucleófilo de azufre, como el anión sulfhidrilo, -SH, o la tioúrea.

BrNa

+SH

-

SH + NaBr

RCH2Br

1) (H2N)2C=S

2) H2O, NaOH

RCH2SH


337

13.5. Problemas Resueltos

1. Proponer las reacciones químicas que justifiquen plenamente, cada una de las transformaciones que se indican, para las

moléculas (MOb) 28 – 38. Deben señalarse los reactivos, condiciones de reacción y todo lo necesario para cada una de

las etapas de la síntesis.

OH

NC

MOB. 28

SCH3

MOb. 29

OH

OH

MOb 31

OHPh

Ph

Ph

Ph

NC

MOb 30

H H

CHO

MOb 32

OH

Br

MOb 33

OH

O

MOb 34

OH OHO

MOb 35

OH

MOb 36

CHO

MOb 37


338

OHCl

Ph

MOb 38

Estrategia (MOb 28): La molécula de partida ha sido deshidratada para la formación de la MOb 28 y en la posición alílica de

ésta última, es decir referida al doble enlace del producto se ha sustituido un hidrógeno por el grupo ciano o nitrilo.

Esta última reacción ocurre sólo si la

molécula precursora es un haluro alílico, razón por la cual se propone como

precursora de la MOb 28 una sustancia con esta estructura.

El Br se introduce en la posición deseada

con el NBS y el alqueno es producto de la deshidratación de la molécula de partida

OH

NCMOB. 28

Br

NaCN, DMF

NBS, hv

H2SO4 conc., calor

Estrategia: (MOb 29), Se trata de un tío éter, la molécula precursora necesaria será un haluro del 1,3-ciclopentadieno.

Este haluro se prepara por la acción

del NBS, sobre el cicloalqueno

dienico, el cual a su vez es preparado por la

deshidrobromación de la molécula

precursora, al que se llega por la

acción del NBS sobre el cicloalqueno

formado previamente por

deshidrohalogenación de la molécula de partida bromada por

radicales

SCH3

Br

NaSCH3

NBS, hv

Brt-BuOK, calor

BrNBS, hv

t-BuOK, calor

NBS, hv

MOb. 29

Estrategia: (MOb 30). Es similar

a la utilizada en la obtención de la MOb 28

OHPh

Ph

Ph

Ph

NC

Ph

Ph

NaCN, acetona

NBS, hv

H2SO4 conc

MOb 30

Ph

Ph

Br

calor

Estrategia: (MOb 31). Esta molécula presenta un incremento de dos grupos alquilo (metilo y etilo) en relación a la molécula


339

de partida, los cuales se

introdujeron en diferentes etapas, por lo cual se propone

como molécula precursora, a la cetona, portadora del grupo

etilo, que es introducido en el aldehído obtenido del alcohol de

partida

OH

OH

O

1) CH3MgBr

2) H3O+

OH

PCC

CHO

1) CH3CH2MgBr 2) H3O+

PCC

MOb 31

Estrategia (MOb 32). La molécula objetivo, muestra que un grupo etilo inicial fue transformado en aldehído, que obviamente

se formará a partir de un alcohol, y este ultimo por hidratación de un alqueno, al que se llega por deshidrobromación de una

molécula bromada por radicales, del material de partida

H H

CHO

H

CH2OH PCC

Br

Br2, hv

NaOH alc. 1) BH3/THF

2) H2O2/OH-

MOb 32

Estrategia (MOb 33), Se propone como molécula precursora un alqueno, que es bromado en condiciones antimarkovnikov.

El alqueno se preparó por

deshidratación del alcohol

formado, por la acción de un

Grignard sobre una cetona,

que es preparada por

oxidación del ciclohexanol.

OH

Br

O

OHPCC

1) CH3MgBr

2) H3O+ H2SO4 conc.

HBr/ROOR

MOb 33

Estrategia (MOb 34), tiene el doble de átomos de C, que el de partida. Entonces se propone un alcohol como precursor, el

mismo que será preparada entre un Grignard y un aldehído formados de la misma molécula de partida

OH

O

OH

CHO

Br MgBr

Mg

THF

PBr3

PCC

2) H3O+

PCC

MOb 34


340

Estrategia (MOb 35): La cetona metílica de la MOb 35, puede prepararse por oxidación de un grupo acetiluro con sales de

Hg (II) en medio ácido, el alcohol no es afectado por este reactivo. El alcohol se formó por la acción del acetiluro de sodio

sobre una cetona derivada del alcohol de partida por oxidación

OH OHO

OOH

HgSO4/H2SO4

1) CNa

2) H3O+

CrO3/H2SO4

MOb 35

Estrategia (MOB 36): El material de partida se oxida a aldehído con disiamilborano, que atacado por un Grignard adecuado

forma la MOb 36

OH

CHO

1) (Sia)2BH, THF

2) H2O2/OH-

1) EtMgBr

2) H3O+

MOb 36

Estrategia (MOb 37) : Como la molécula a sintetizar es un aldehído, se propone un alcohol como molécula precursora, que a

su vez, es preparado por apertura de un epóxido con un Grignard, formado a partir del bromuro de la molécula de partida.

Ésta es bromada por radicales con NBS, para tener el compuesto necesario.

Br

MgBrOH

CHO

NBS

Mg/THF

1)

O2) H3O

+

PCC

MOb 37

Estrategia (MOb 38). Los haluros se obtiene a partir de alquenos o alcoholes, este último es la mejor opción, debido a que la

acción del grupo de un Grignard que contenga el grupo fenilo, permite formar el alcohol requerido como molécula precursora

OH

O

Cl

Ph

OH

Ph SOCl2

PCC

1) PhMgBr 2) H3O+

MOb 38

2. Proponer un plan de síntesis, para cada una de las moléculas objetivo: 38–44 .Los diseños de síntesis deben partir de materiales simples y asequibles.


341

O

CH2CH2CH3

(MOb. 39)

O

(MOb. 40)

O

(MOb 41)

O

(MOb. 42)

OCH3

H

H

OCH3

(MOb 43)

O

(MOb 44)

Estrategia (MOb 39). La naturaleza de los sustituyentes en torno al átomo de oxigeno en el éter, señalan que la única

posibilidad es que se haya formado a partir de precursores, como un haluro de propilo y un fenóxido metálico, lo contrario

es imposible, pues un halobenceno no participa de la síntesis de Williamson.

O

CH2CH2CH3

(MOb. 39)

ONa

CH3CH2CH2Br

OH

NaH/reflujo.

1) H2SO4/SO3

2) KOH/fusión

HBr/calor

Estrategia: (MOb 40). El sustituyente alquilico en torno al oxigeno del éter, debería proporcionar el haluro de alquilo

correspondiente, pero al ser el mismo secundario, el rendimiento seria demasiado bajo, ya que es siempre preferible (S. W,)

un haluro primario. Por lo tanto se recurre a la alcoximercuración – desmercuración, en base al propeno, como se indica en

el esquema.

O

(MOb. 40)OH

HO

CH3CHO

1) CH3MgBr/éter

2) H3O+

1) H2SO4/SO3

2) NaOH/fusión

1) Hg(CF3COO)2

2) NaBH4

H2SO4 conc.

Estrategia, (MOb 41). La molécula precursora de un epóxido trans, debe ser un alqueno también trans, el mismo que se

puede obtener por un hidrogenación parcial de un acetiluro correspondiente

O

(MOb 41)

H

H

MCPBA

Li/NH3

CH3Br

CNa

NaNH2

CH3Br

CNa


342

Estrategia: (MOb 42). La naturaleza de los sustituyentes en el éter no simétrico, nuevamente induce a pensar en la

alcoximercuración–desmercuración de un ciclopenteno, para formar el éter requerido.

O

(MOb. 42)

OH1) Hg(CF3COO)2

2) NaBH4

CH3COOMe

2 mol CH3MgBr

2) H3O+

1) Cl2/calor

2) NaOH/EtOH/calor

Estrategia (MOb 43). El dieter trans, requiere de un diol trans como molécula precursora, la misma se obtiene por apertura

acida de un epóxido, el cual es obtenido por la oxidación del cicloalqueno con MCPBA. El ciclohexeno se forma por

deshidrocloración del derivado clorado del ciclohexano.

OCH3

H

H

OCH3

(MOb 43)

OH

H

H

OH

2 CH3Br

O

H3O+

MCPBA

1) Cl2/hv/hv

2) KOH/EtOH/calor

CH3OH

PBr3

Estrategia (MOb 44). La estructura simple del éter, permite su preparación a partir del acetileno, con etanol en medio

básico, aplicación de calentamiento y presión moderada al sistema de reacción.

O

(MOb 44)

CH3CH2OH/KOHcalor

presión

3. Justifique con las reacciones necesarias las transformaciones requeridas para sintetizar las moléculas objetivo (MOb):

45 a 50.

Estrategia (MOb 45): La síntesis de éteres de Williamson es inaplicable para la MOb 45, por lo que se recurre al método de

alcoximercuración-desmercuración. Se podría pensar que el alqueno necesario sea el ciclohexeno, pero es incorrecto ya que

de todas maneras el alcohol secundario, debería ser preparado previamente. El diseño propuesto es mas consistente y

produce mayores rendimientos de la reacción

O

(MOb 45)

OH1) Hg(CF3COO)2

2) NaBH4

H2SO4 dil.

CH3CHO

Ph3P=CHCH3

Estrategia (MOb 46). Una reacción directa del éter de partida con HBr, no produce el haluro con la estequiometría indicada, entonces primero se hace reaccionar con HBr y el alcohol formado (mas el bromuro de metilo como subproducto), es

sometido a la acción del tribromuro de fósforo, para llegar a la MOb. 46


343

H

OCH3

H H

H

Br

(MOb 46)

H

OH

H

HBr

PBr3

Estrategia (MOb 47): La apertura del epóxido que se forma a partir del alqueno en medio acido, permite obtener el dios

trans e isomeriza el hidrógeno unido al grupo isobutilo

H

HOH

OH

H

(MOb 47)

O

MCPBAH3O

+

Estrategia (MOb 48): Es posible en utilizar en la MOb, la síntesis de Williamson, para lo cual se generan el haluro de alquilo

primario y el alcóxido metálico correspondiente.

El haluro se obtiene por adición

de HBr por radicales sobre la

molécula de partida previamente

hidrogenada parcialmente

OCH3

(MOb 48)

Br

CH3ONa

Pd/LindlarHBr/hv.peróxidos

Estrategia (49): El éter no simétrico se puede obtener por la alcoximercuración - desmercuración en metanol, sobre el

alqueno formado por una saturación parcial de la molécula de partida.

OCH3

(MOb 49)

H2/Lindlar1) Hg(CF3COO)2/CH3OH

2) NaBH4

Estrategia (MOb 50): El diol trans, se prepara por apertura ácido del epóxido correspondiente y este último se prepara por

acción del perácido MCPBA sobre un alqueno.

El alqueno es producto de la deshidratación

de un alcohol formado por la acción de un

reactivo de Grignard sobre la ciclohexanona

de partida

O

OH

OHH

(MOb 50)

O

OH

1) CH3MgBr

2) H3O+

POCl3 MCPBA

H3O+


344

4. El safrol, una sustancia aislada del aceite de sasafrás, se utiliza en perfumería. Proponga una síntesis del safrol (MOb 51)

a partir del catecol (1, 2-bencenodiol)

O

O

CH2CH=CH2

Safrol (MOb 51)

O

O

CH2CHO

Ph3P=CH2 O

O

CH2Cl

OH

OH

CH2Cl

HCHO/H+

OH

OH

OH

OH

CH3Cl/AlCl3

Cl2/hv

H2O/OH-

Prueba de Dominio

13.1. ¿Qué reactivo de Grignard y que compuesto carbonílico utilizaría como materia prima para preparar los siguientes

alcoholes?

OH

CH2Br

OH

CH2CH3

OH

CH2OH

CH2CH2CH2OH

OH

13.2. La testosterona29 es una de las hormonas esteroidales masculinas más importantes. Cuando se deshidrata tratándola

con acido, se efectúa una transposición para dar el producto que se muestra. Proponga un mecanismo para explicar dicha reacción.

O

H

H

H

OH

H

O

H

H

H

H3O+

Testosterona

13.3. A partir de la testosterona (problema 2), ¿Cómo prepararía las sustancias siguientes?

29

MCMURRY J. Química Orgânica. Sexta Edición México. 2004


345

O

O

O

O

OH

OH

OH

OH

13.4. Partiendo de materiales simples y asequibles, proponer una ruta de síntesis, para cada una de las siguientes moléculas:

OH

OH

OH

Ph

OH

OH

OH

OH

COH

3

Ph

OH COOEt OH

OH

O

OH

OH

HOOCCOOH

OH

O O

O

O

OH

C6H5

O C6H5

O

13.5. Proponer las reacciones químicas que respalden la transformación que se indica, pueden hacerse en varios pasos y con

los reactivos que crea más necesarios.

COOH

a) 3-metil-2-2-pentanol

b) 3-metil-3-pentanol

A partir del alcohol sec-butílico

O

C2H5 C2H5

O

HOH

H

HH

NC

OOH

SC2H5

On-Pr O

O

OH

O


346

OHOH

OH

OH OH

HH

OH

13.6. Partiendo de materiales simples y asequibles, proponer una ruta de síntesis factibles, para cada una de las siguientes moléculas:

O

Cl

O

O

O

OHH

HO

OH

C2H5

OH

C2H5

OH

O

NO2

Ph

H

13.7. Proponer las reacciones que ocurren en las transformaciones que se indican, puede ocurrir la misma en varias etapas.

OH

O

OH

OCH3

Ciclohexeno

OH

OCH3

OCH3

OH

Benceno

OCH3

Br

O OH

OC6H5


347

BIBLIOGRAFÍA

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quimica organica i w.r.m. 2013

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