repaso de química orgánica (iii)

1

1María Font. Dpto. Química Orgánica y Farmacéutica. Sección de Modelización Molecular. Universidad de Navarra

Herramientas de la Química Orgánica

Conceptos basicos (III)



Compuestos carbonílicos

C

OZ C

O

H

Z C

O

Z

• plano• 120 ºC• C=O polar• sp2

δ+

δ−Z = R ó Ar

Z = R ó Ar

aldehídos

cetonas



Otros compuestos carbonílicos

Z C

O

OH ácidos carboxílicos

ésteres

cloruros de ácido

amidas

Z C

O

OR

Z C

O

Cl

Z C

O

NHR



La polaridad (II): influencia del entorno molecular

C

O

δ+

δ−



La polaridad (III): carbonilos aislados y conjugados

C

O

δ+

δ−

E+

Nu C

O

C C

C

O

C C

E+

Nu



Tautomería y resonancia en compuestos carbonílicos (I)

C

O

CH2

C

OH

CH

C

O

C C

C

O-

C C+

2



La reacción de CannizzaroLos aldehídos que carecen de H en posición α al sertratados en medio básico, pueden sufrir una reacciónsimultánea de oxidación y reducción, obteniéndose elalcohol y el ácido correspondientes (transferencia de un hidruro a otro C=O)



Los ácidos carboxílicosácidos orgánicos, caracterizados por la presencia del grupo carboxilo

C

O

OHC

O

OHcarbocarbonilo

hidroxiloxilo carboxilocarboxilo

RCOOHArCOOH

C

O

OH

δδδδδδδδ−−−−−−−−

δ+δ+δ+δ+δ+δ+δ+δ+

ácido

polarpolar



Propiedades químicas de los ácidos carboxílicos (I)

11. La acidez

22. Efecto de la estructura sobre la acidez

R C

O

OH

+ HOH R C

O

O-

+ HO+H

Hcarboxilato oxonio

Los grupos que retiran electrones aumentan la acidez

Los grupos que ceden electrones disminuyen la acidez



Propiedades químicas de los ácidos carboxílicos (IV): la acidez y estabilización por resonancia

escasaestabilización

buenaestabilización

modificado de http://www.cem.msu.edu/~reusch/OrgPage/VirtualText/



Los ácidos carboxílicos, resumen de reacciones

•con hidruros•con BH3

•como ácidos

• H en α

• acilación



Los derivados de ácido carboxílico (I)

R C

O

OH

ésteres

halogenuros de acilo

amidas

resultan de sustituir el OH por otras agrupaciones atómicas.

anhídridos

•El nuevo grupo funcional mantiene algunas de las características reactivas del COOH

•Mantienen el grupo C=O y modifican el OH

R C

O

NR1R2

R C

O

O C

O

R’

R C

O

OR

R C

O

X

3



Los derivados de ácido carboxílico (II): el grupo acilo

11. presente en todos los derivados de ácido

22. en cada uno de ellos cambia el carácter electrofílico del carbono

R C

O

Z

R C

O

OH

R C

O

OR’

R C

O

X

R C

O

NR1R2

R C

O

O C

O

R’



Los derivados de ácido carboxílico (III): el grupo acilo, consideraciones sobre la reactividad, 1

Z= Cl, Br mayor eficacia acilante. mayor eficacia acilante. Al ser más electronegativo, tiene mayor eficacia para sustentar los e-

Z= NH2 menor eficacia acilante. menor eficacia acilante. Tiene menor eficacia para sustentar los e-

R C

O

Z



Los derivados de ácido carboxílico (III): el grupo acilo, consideraciones sobre la reactividad, 2

El carbono de los ésteres es menos positivo que el de los aldehídos (funciona como puente de paso de los e- en su desplazamiento entre oxígenos); sin embargo el H aldehídico no es grupo saliente.

R

C

H

O

R

C+

H

O-

R

C

'RO

O

R

C+

'RO

O-

R

C

'RO+

O-



La reacción de acilación (I)

R C

O

Z+ H-Nu

Es una reacción de sustitución

R C

O

Nu+ H-Z

Z= X; OCOR’, OR’, NHR’

Nu= OH; OCOR’, OR’, NH2, NHR’

la > ó < reversibilidad depende de los reactivos y de las condiciones de reacción



La reacción de acilación (II): relación de reactividad entre los distintos acilos

R C

O

X

R C

O

OH

R C

O

NH2

H2O

H2O

H2O/H+/Q

H2O/H+/Q

reac

tivid

adre

activ

idadR C

O

O C

O

R’

R C

O

OR’



La reacción de acilación (III): el mecanismo


4



La reacción de acilación (IV): la catálisis ácida

catalizador

catalizador




Los nitrilos• Muy relacionados con los ácidos carboxílicos • Caracterizados por la presencia de un

nitrógeno unido por un triple enlace a un carbono, presencia de dos nubes pi que rodean a una nube sigma.

• Carbono electrofílico

RC≡Nδδδδ−−−−δ+δ+δ+δ+

Nu-



Los nitrilos: nomenclatura En los derivados de alcano, se nombran añadiendo el sufijonitrilo al nombre del alcano correspondiente, reservando ellocalizador 1 para el carbono del nitrilo

En los nitrilos complejos, se nombran como derivados deácidos carboxílicos, sustituyendo la terminación ico u oico del ácido por la terminación onitrilo



Los nitrilos: resumen de reacciones



hidrólisis de nitrilos, mecanismo



hidrólisis de amidas, mecanismo

5



Derivados de ácidos carboxílicos

1. Los ésteres



Los ésteres

R C

O

OH

R C

O

NH2

H2O/H+/QR C

O

OR’

carbonilooxilocarboxilo



Esteres: obtención por reacción de esterificación

AA partir de los ácidos carboxílicos: esterificación de Fischer

R C

O

OH

R C

O

OH

R C

OH

OH

OR'

R C

O

OR'

R C

O

OR'

+H2OHO R'+

El resultado final es la sustitución del OH de ácido por el OR’del alcohol

sp2 sp2sp328María Font. Dpto. Química Orgánica y Farmacéutica. Sección de Modelización Molecular. Universidad de Navarra


Esteres: obtención por reacción deesterificación, mecanismo




Los ésteres cíclicos: esterificación intramolecular, obtención de lactonas

CH2

C

O

OH

CH2

CH2

HO

Reacción intramolecular entre un grupo hidroxi y un grupo carboxílico. Condicionada por distancia entre ambos grupos (lactonas con ciclos de 5 ó 6 miembros)



Los ésteres cíclicos: esterificación intramolecular, obtención de lactonas

H2C C

O

OHH2C

H2C OH

H+

Q

CH2C

H2CCH2

O

O

Reacción intramolecular entre un grupo hidroxi y un grupo carboxílico. Condicionada por distancia entre ambos grupos (lactonas con ciclos de 5 ó 6 miembros)

γ-butirolactona

6



Reacciones de los ésteres (I): la saponificación

Hidrólisis del enlace éster en medio básico con recuperación del anión derivado del ácido carboxílico original y del alcohol de partida

R C

O

OR'

+ NaOHQ

H2OR C

O

O-Na+

+ HOR’

H+

R C

O

OH



ácido fuerte

basefuerte

ácidodébil

basedébil

Reacciones de los ésteres (I): la saponificación, mecanismo

R C

O

OR'

OH-

+ -OR’

R C

O

O -

H+R C

O

OH

R C

O-

OR'

OH

R C

O

O-H

+ HOR’



Reacciones de los ésteres (II): con reactivos deGrignard

Se produce un ataque sobre el carbono electrofílico del éster (se mantiene la fracción carbonilo del carboxilo)

R C

O

OR'

R” MgBr

R C OR'

R"

O-MgBr

+ 2 R” MgBr R C R"

R"

OMgBr

R” MgBr

R C R"

R"

OHH2O

H+

R C

O

R"R’OMgBr



Reacciones de los ésteres (III): reducción con hidruros

R C

O

OR'

LiAlH4

éterR CH2OH + R’OH


+

+ sales de aluminio

mecanismo



R C

O-

OR'

NH3+

Reacciones de los ésteres (IV): la amonolisis

R C

O

OR'

NH3

Se produce un ataque sobre el carbono electrofílico del éster por parte del par de e- del nitrógeno del amoníaco, que actúa como nucleófilo

HOR’

R C

O

NH2

obtención de amidas



La acidez de los hidrLa acidez de los hidróógenos en genos en αα a a carboxiloscarboxilos

7



Los hidrógenos en α a carboxilos: carácter ácido (I)

Los hidrógenos en posición αα a un grupo carboxilotienen un cierto carácter ácido (casi como los protones OH de un alcohol), debido a la proximidad del carboxilo.

δ+δ+

δδ−− Los electrones del enlace H-C son atraídos por el carácter positivo del carbono carboxílico, por lo que estádebilitado y el protón es fácilmente extraíble por una base

C

H

C

O

OR



Los hidrógenos en α a carboxilos: carácter ácido (II)

Al extraer el protón mediante una base, se obtiene el anión enolato, que está estabilizado por resonancia



Reacciones de condensación en carboxilos (I)

• Los aniones obtenidos a partir de carboxilatos con H en α, actúan como nucleófilos y pueden atacar a carbono electrofílico de otros carboxilatos, o carbonilos de aldehídos y cetonas, dando lugar a reacciones de condensación

-

C- C

O

OR

C C

O

OR

anión40María Font. Dpto. Química Orgánica y Farmacéutica. Sección de Modelización Molecular. Universidad de Navarra


Reacciones de condensación en carboxilos (II)

RHC

R

C---OR

Ocentro negativocentro negativonuclenucleóófilofilo

centro positivocentro positivoelectrelectróófilofilo

• necesidad de existencia de H en posición α• necesidad de catálisis• posibilidad de condensaciones mixtas

•consideraciones sobre reactividad relativa como centro positivo y negativo

Consideraciones

grupo salientegrupo saliente



Reacciones de condensación (III) : la condensación de Claisen, obtención de β-cetoésteres

Obtención de β-cetoésteres

CH3COOC2H5

CH3COOC2H5

CH3COCH2COOC2H5

+ CH3CH2OH

1º NaOC2H5/HOC2H5

2º H3O+

CH3CO-CH2COOC2H5

acetoacetato de etilo

CH3CO CH2COOC2H5

negativopositivo42María Font. Dpto. Química Orgánica y Farmacéutica. Sección de Modelización Molecular. Universidad de Navarra


Reacciones de condensación (III) : la condensación de Claisen, mecanismo

H CH2

C

O

OC2H5-OC2H5

H3C C

O

OC2H5

H3C C

O-

CH2

OC2H5

C

O

OC2H5

-H2C C

O

OC2H5

HOC2H5

H3C C

O

CH2

C

O

OC2H5-OC2H5

8



Reacciones de condensación (III) : la condensación de Claisen cruzada, 1

Obtención de un β-cetoester (molécula en la que coexisten un carbonilo y un carboxilo) a partir de compuestos carboxílicos

R1HC

R2

C

O

OR’ R3HC

R4

C

O

OR’

orden

R3HC

R4

C

O

C

R1

R2

C

O

OR’

R1HC

R2

C

O

C

R3

R4

C

O

OR’



Reacciones de condensación (III) : la condensación deClaisen cruzada, 2

R3HC

R4

C

O

C

R1

R2

C

O

OR’

R1HC

R2

C

O

C

R3

R4

C

O

OR’

R1HC

R2

C

O

C

3

R4

C

O

OR’

R

4

R

CH

3

R

C

O

OR’

R1HC

R2

C

O

OR’

R3HC

R4

C

O

C

1

R2

C

O

OR’

R

2

R

CH

1

R

C

O

OR’

R3HC

R4

C

O

OR’



Reacciones de condensación: vías sintéticas a partir de Claisen, ejemplos

tomado de http://www.cem.msu.edu/~reusch/OrgPage/VirtualText/




2. Los halogenuros de acilo



Los halogenuros de acilo

R C

O

X

R C

O

NH2

R C

O

O C

O

R’

R C

O

OR’R C

O

OH

H2O

•Son los derivados de ácido más reactivos •Carbono electrofílico por efecto resonante e inductivo



Los halogenuros de acilo: : obtenciónAA partir de los ácidos carboxílicos correspondientes por tratamiento con reactivos como SOCl2 (cloruro de tionilo) ó PCl5(pentacloruro de fósforo)

El resultado final es la sustitución del OH de ácido por el halogeno

R C

O

Cl

+ HCl + SO2R C

O

OH

+ SOCl2

+ PCl5 R C

O

Cl

+ HCl + PCl3R C

O

OH

9



Reacciones de los halogenuros de aciloReacciones rápidas con la mayoría de los nucleófilos

R C

O

OH

R C

O

Cl

+ HCl+ HOH

+ + HClR’OH R C

O

OR’R C

O

Cl

+ + NH4+Cl-2 NH3 R C

O

NH2

R C

O

Cl

ácidos

ésteres

amidas




3. Los anhidridos de ácido



Los anhídridos de ácido

• Son más reactivos que los ésteres pero menos que los halogenuros de acilo

R C

O

O C

O

R’

R C

O

NH2

R C

O

OR’

R C

O

OH

H2O



Reacciones de los anhidridos de ácidoFundamentalmente dan reacciones de sustitución nucleofílica de acilo rápida.

R C

O

OC

O

R' + R’’OHR C

O

OR’’

R’ C

O

OH

+R C

O

OH

HOHR’ C

O

OH

+NH3 R C

O

NH2

R’ C

O

OH




4. Las amidas



Las amidas: clasificación

• Son los derivados de ácido menos reactivos

R C

O

NH-R’

R C

O

NH2

R C

O

NR’R’’

primaria

secundaria

terciaria

10



Las amidas: consideraciones sobre el carácter básico y ácido

R C

O

NH2

-

R C

O

N+H2

par de electrones deslocalizadomenos disponible para protonarse

R C

O

NH2 R C

O

NH- R C

O-

NH

anión amidato, estabilizado por resonancia

basesbases

áácidoscidos

pKa ≈ 15

base



Las amidas: características del enlace (I)

C

O

C

N

H

C

C

O

C

N

H

C�

�

los seis átomos situados en el mismo plano

C

O

C

N

H

C



Reacciones de las amidas (I)11. Reaccionan con nucleófilos, pero en general con mayor lentitud, frecuentemente necesitan calentamiento prolongado y catálisis ácida o básica

+ H2O R C

O

OH

R C

O

NH2

H+ ó OH-

+ NH3

22. Reducción: formación de aminas

R C

O

NH2

LiAlH4

éterR CH2 NH2



Reacciones de las amidas (II): mecanismo de reducción con LiAlH4




Las Las aminasaminas (I): clasificaci(I): clasificacióónn

NH3 NH

H

H

NH

R

H amina primaria

NH

R

R amina secundaria

NR

R

R amina terciaria

N+

R

RR

Rcompuesto de amonio cuaternario



Propiedades Químicas de las aminas: los puentes de hidrógeno

1. Puentes (enlaces) de hidrógeno

Dador

Aceptor

11



Propiedades Químicas de las aminas: el carácter básico (I)

N..

+ H OH N H+

+ -OH

Base: acepta H+ (Bronsted); dona e- Lewis)

R NH2R NH3

+OHOH2+ +

R NH3

+

p

OH

p

R NH2r

OH2r

Keq =

R NH3

+

p

OH

p

R NH2r

Kbase =

2. Carácter básico



Propiedades Químicas de las aminas: el carácter ácido

R NH2 R NH-

+ H+

R OH R O- + H+

Ka=10-40

Ka=10-16

muy débil, protón extraible por bases muy fuertes

carácter ácido menor que los alcoholes similares



1. Por alquilación del amoníaco o de

otras aminas

2. Por reducción de otros derivados con

nitrógeno

3. Por aminación reductora

Las aminas: obtención



Las aminas: obtención de aminas primarias por alquilación de amoníaco

NH3

hal ogenur ode al qui l am oni o

3R N+H + X-+ R X

NaOH

R-NH2 + H2O+ NaX



Las aminas: obtención por alquilación de otras aminas

+ R X R N X-

RNH2

R

+H R N

R

H NaOH

H2 O + Na+X-+

R N

R

H + R X R N X-

R

+

R

R N

R

NaOHH2 O + Na+X-+

R

+ R X R N X-

R

+

R

R N

R

R

R

sal de amonio cuaternaria




+ R X R N X-

RNH2

R

+H R N

R

H NaOH

H2 O + Na+X-+

R N

R

H + R X R N X-

R

+

R

R N

R

NaOHH2 O + Na+X-+

R

+ R X R N X-

R

+

R

R N

R

R

R


12




+ R X R N X-

RNH2

R

+H R N

R

H NaOH

H2 O + Na+X-+

R N

R

H + R X R N X-

R

+

R

R N

R

NaOHH2 O + Na+X-+

R

+ R X R N X-

R

+

R

R N

R

R

R




¡¡¡Sólo para halogenuros de alquilo primarios!!!

R X = 11°° 22°° 33°°

Aumenta la eliminación

Aumenta la sustituciAumenta la sustitucióónn

CH3 CH3

CH3

BrNH3

+ CH3 CH3

CH3

NH2

NH4+Br-CH3

CH3

CH2

+

Inciso: consideraciones sobre empleo de halogenuros en la síntesis de aminas



Las aminas: obtención por reducción de otros grupos funcionales nitrogenados

NO2

R

***

R

NH2

+ 2 H2 O

*** = H2 /Ni ran e y

1 . SnCl 2 , HCl2 . NaOH, H2 O

ó

R C NR'

R''

OLiAlH4

R C NR'

R''

H

H

R CLiAlH4

R C N

H

H

H

H

N( ó H 2, Ni )

a) Reducción de derivados nitrados

b) Reducción de amidas

c) Reducción de nitrilos



Las aminas: obtención por aminación reductora decarbonilos

C O + RNH2

H2 O

C NR[H-]

CHNHR



Reacciones de las aminas (I)

2 3R NH + HCl RNH Cl -+

clo ru ro de a lqu ilam on io

(CH3 CH2 )3 N + CH2 Cl (CH3 CH2 )3 N+CH2

Cl -cloruro de benciltrietilamonio

1.- Formación de sales:

2.- Formación de compuestos de amonio 4°



Reacciones de las aminas (II)

R C

O

Cl + H2 N R' R C

O

NH R'+ HClam i na pr i m ar i a am i da secundar i a

R C

O

Cl + HN R' R C

O

N R' + HCl

R'' R''am i na secundar i a am i da ter c i ar i a

3.-Acilación

13



Derivados de las aminas: las sales de diazonio

Na+NO2- + H+Cl -

0 a 5 ºH O N O + Na+Cl -

H O N O

á cid o n it ro so

+ H+ H O N O

H

+H2 O + N O

+

ió n n it ro son io

Proceso fundamental en la química de las aminas aromáticas

NH2 N+

N

NaNO2

HCl Cl-



Derivados de las aminas: las sales de diazonio,mecanismo de obtención

Ar NH2 + N O+

Ar N+ N O

H

H

Ar N N O

H

n it ro sa m in a p rim a ria

Ar N N O

H

H+

H++ Ar N N

H

OH+

H2 O

Ar N N+

ió n a rild ia zo n io

Na+NO2- + H+Cl -

0 a 5 ºH O N O + Na+Cl -

H O N O

á cid o n it ro so

+ H+ H O N O

H

+H2 O + N O

+

ió n n it ro so n io



Derivados de las aminas: las sales de diazonio, reactividad en reacciones por sustitución (I)

N+

N

CN

H

OH

KCN

Cu2(CN)2

H3PO4

H2O



Derivados de las aminas: las sales de diazonio,reactividad en reacciones por sustitución (II)

I

F

N+

N

KI

HBF4

Calor



Derivados de las aminas: las sales de diazonio, reacción deSandmeyer

BrN+

N

Cl

HBr

Cu2Br2

HCl

Cu2Cl2

*Reacción de Sandmeyer: Conversión de sales de diazonio a halogenuros de arilo, con catálisis de sales cuprosas



Derivados de las aminas: las sales de diazonio, reacciones de acoplamiento

ion

bencenodiazonio

N N+

+ OHOH-

OHNN

p hidroxiazobenceno-

repaso de química orgánica (iii)

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