3 Estructura de Los Halogenuros de Alquilo

3 Estructura de los halogenuros de alquilo. El grupo funcional

En esta introducción a la sustitución nucleofílica, trataremos  principalmente una familia de compuestos que ya nos resulta familiar   , los halogenuros de alquilo. Los halogenuros de alquilo tienen la fórmula general RX, donde R representa un grupo alquilo o alquilo sustituido.

R-X Un halogenuro de alquilo

La característica principal de la estructura del halogenuro de alquilo es el átomo de halogenuro, X, y las reacciones características de un halogenuro de alquilo son las que tienen lugar  en el halógeno. El átomo o grupo que define la estructura de una  familia particular de compuestos orgánicos y, al mismo tiempo, determina sus propiedades se llama  grupo funcional. En los halogenuros de alquilo, el grupo funcional es el halógeno.  No debemos olvidar que un halogenuro de alquilo tiene un grupo alquilo unido a este grupo funcional; en condiciones apropiadas, estas partes alquílicas sufrirán las reacciones típicas de los alcanos.  No obstante, las reacciones que son características de la familia son las que ocurren en el átomo de halógeno. Por tanto, los diversos grupos funcionales son parte importante de la química orgánica. Aprenderemos a asociar un conjunto particular  de propiedades con un grupo determinado dondequiera que lo hallemos. Cuando nos encontramos con una molécula complicada que contiene varios grupos funcionales diferentes, podemos esperar  que las propiedades de esta molécula sean aproximadamente una mezcla de las propiedades de los distintos grupos presentes. Un compuesto que contiene X y OH es a un tiempo un halogenuro de alquilo y un alcohol; dependiendo de las condiciones

experimentales, puede sufrir reacciones características de ambos tipos de compuestos. Las propiedades de un grupo pueden verse modificadas, por supuesto, por la presencia de otro grupo, y para nosotros es importante entender estas modificaciones; sin embargo, nuestro punto de partida es la química de grupos funcionales individuales. En este capítulo estudiaremos los halogenuros de alquilo de una forma sistemática. Delinearemos su química, para concentración luego en su reacción más importante: la sustitución nucleofílica.

4 Clasificación y nomenclatura de los halogenuros de alquilo Clasificamos un átomo de carbono como primario, secundario o terciario , según el número de otros átomos de carbonos unidos a él. Se clasifica un halogenuro de alquilo de acuerdo con el tipo de carbono que sea portador del halógeno:

Como miembros de la misma familia, con el mismo funcional, los halogenuros de alquilo de las diversas clases tienden a dar el mismo tipo de reacciones. Sin embargo, difieren en la velocidad de reacción, y estas divergencias pueden originar otras diferencias, más profundas. Vimos que pueden darse dos tipos de nombres a los halogenuros de alquilo: nombres comunes (para los más sencillos), y nombres IUPAC, con los que el compuesto sencillamente se denomina como un alcano con un halógeno unido en forma de cadena lateral. Ejemplos:

Ha de tenerse en cuenta que nombres similares no siempre significan igual clasificación: cloruro de isopropilo, por ejemplo, es un cloruro secundario, mientras que cloruro de isobutilo es  primario.

alcoholes 1 Introducción Si a un químico orgánico se le permitiera elegir 10 compuestos alifáticos para quedarse abandonado en una isla desierta escogería casi con toda certeza alcoholes. Con ellos podría hacer  prácticamente todos los demás tipos de compuestos alifáticos: halogenuros de alquilo, alquenos, éteres, aldehídos, cetonas, ácidos, ésteres y muchísimos otros. Con halogenuros de alquilo obtendría reactivos de Grignard y, mediante la reacción de éstos con aldehídos y cetonas, conseguiría alcoholes más complejos, y así sucesivamente. En su isla desierta utilizaría sus alcoholes no sólo como materias primas, sino también como disolventes para llevar a cabo reacciones no sólo como materias primas, sino

también como disolventes para llevar a cabo reacciones y para recristalizar productos. Finalmente, cansado después de un largo día de trabajo en el laboratorio, podría refrescarse mediante fricciones con un alcohol (isopropílico) y relajarse con una refrescante bebida alcohólica (etanol). Ya nos hemos encontrado con alcoholes cumpliendo una serie de funciones: como sustratos en la sustitución nucleofílica y en la eliminación : como nucleófilos y como bases , y, casi en todas partes, como disolventes. Sabemos que son básicos y que pueden protonarse . Sabemos que son ácidos y que pueden convertirse en alcóxidos, y que éstos pueden utilizarse como reactivos nucleófilos y básicos. En este capítulo y en el siguiente, estudiaremos los alcoholes de un modo sistemático: revisaremos y consolidaremos lo que ya hemos estudiado acerca de ellos, y veremos aspectos nuevos de su química rica y variada.

2 Estructura Los alcoholes son compuestos de fórmula general ROH, donde R es cualquier grupo alquilo, incluso sustituido. El grupo puede ser  primario, secundario o terciario; puede ser de cadena abierta o cíclico; puede contener un doble enlace; un átomo de halógeno, un anillo aromático o grupos hidroxilo adicionales. Por ejemplo:

Todos los alcoholes contienen el grupo hidroxilo (-OH), el cual, al ser su grupo funcional determina las propiedades características de esta familia. Las variaciones en la estructura del grupo R pueden

afectar a la velocidad de ciertas reacciones del alcohol, e incluso afectar, en algunos casos, al tipo de reacción. Los compuestos con un grupo hidroxilo directamente unido a un anillo aromático no son alcoholes, sino fenoles, que difieren tan marcadamente de los primeros que los consideraremos en un capítulo aparte.

Clasificación Clasificamos un átomo de carbono como primario, secundario o terciario según el número de otros carbonos unidos a él. Un alcohol se clasifica de acuerdo con el tipo de carbono que sea portador del grupo –OH:

La reacción de oxidación, que afecta directamente a los átomos de hidrogeno unidos al carbono portador del grupo –OH, sigue un curso enteramente diferente para cada clase de alcohol. Sin embargo, los alcoholes de distintas clases suelen diferir sólo en la velocidad o en el mecanismo de la reacción, pero de una forma congruente con su estructura. Ciertos sustituyentes afectan a la reactividad de tal manera que hacen aparecer a un alcohol de una clase como si fuera un miembro de otra. Vimos que la presencia de  –CI en el 1-cloro-2-propanol hace que este alcohol secundario actúa como un alcohol primario. Este efecto del cloro se atribuye a su poderosa tendencia a traer electrones. Existen otras variaciones en las propiedades de los alcoholes que son congruentes con las estructuras implicadas.

4 Nomenclatura

Los alcoholes se denominan utilizando dos sistemas principales. Como ya vimos, para los alcoholes simples suelen emplearse los nombres comunes. Un nombre común consiste sencillamente en el nombre del grupo alquilo con la terminación ico y precedido por la palabra alcohol . Por ejemplo:

El sistema más versátil es, evidentemente, el IUPAC; cuyas reglas son: 1. Como estructura de referencia, elíjase la cadena carbonada continua más larga que contenga el grupo –OH; considérese a continuación que el compuesto se deriva de esta estructura por  reemplazo de hidrógeno por diversos grupos. La estructura de referencia se conoce como etanol, propanol, butanol , etc., dependiendo del número de átomos de carbono; cada nombre se deriva agregando al nombre del alcano correspondiente una letra (1) final. 2. Mediante un número se indica la posición del grupo –OH en la cadena de referencia, utilizando generalmente el número más bajo posible para este propósito.

3. Las posiciones de los demás grupos se indican por números en la cadena principal.

Un alcohol con un doble enlace se denomina como un alqueno, utilizando números para indicar las posiciones del doble enlace y del grupo hidroxilo.

Obsérvese que –ol tiene prioridad sobre –eno; -ol aparece al final del nombre y cuando es posible, tiene el número más pequeño

5 Propiedades físicas Las propiedades físicas de un alcohol se comprenden mejor si reconocemos este hecho simple: estructuralmente, el alcohol es un compuesto de un alcano y agua. Contiene un grupo lipófilo, del tipo de un alcano, y un grupo hidroxilo que es hidrófilo, similar al agua. De estas dos unidades estructurales, el grupo –OH da a los alcoholes sus propiedades físicas características, y el alquilo es el que las modifica, dependiendo de su tamaño y forma.

El grupo –OH es muy polar y, lo que es más importante, es capaz de establecer puentes de hidrógeno: con sus moléculas compañeras, con otras moléculas neutras y con aniones. Las propiedades físicas (Tabla 1) muestran algunos de los efectos de estos puentes de hidrógeno.

Veamos primero los  puntos de ebullición. Entre los hidrocarburos, los factores que determinan puntos de ebullición suelen ser  principalmente el peso molecular y la forma, lo que es de esperar de moléculas que se mantienen unidas esencialmente por fuerzas de Van der Waals. Los alcoholes también muestran un aumento del punto de ebullición al aumentar el número de átomos de carbono y una disminución del mismo con la ramificación. Sin embargo, lo notable es el punto de ebullición tan elevado de los alcoholes, que como se muestran en la tabla 2 son mucho más altos que los de hidrocarburos del mismo peso molecular e, incluso, más altos que los de muchos otros compuestos de polaridad considerable. ¿Cómo se justifica esto? La respuesta está en que los alcoholes, como el agua, son líquidos asociados: sus puntos de ebullición anormalmente elevados se deben a la mayor energía necesaria para romper los puentes de hidrógeno que mantienen unidas las moléculas. A pesar de que los éteres y aldehídos contienen oxígeno, sólo tienen hidrógeno enlazado con carbono, por lo que no son suficientemente positivos como para enlazarse apreciablemente con el oxígeno.

La espectroscopia infrarroja ha desempeñado un papel fundamental en el estudio de la asociación por puentes de hidrógeno. En solución diluida en un disolvente no polar, como el tetracloruro de carbono (o en fase gaseosa), en la que la asociación

molecular es mínima, el etanol, por ejemplo, presenta una banda de alargamiento O-H a 3640 cm  –1. A medida que aumenta la concentración de etanol, esta banda es reemplazada gradualmente por otra más ancha a 3350 cm  –1. La unión del hidrógeno al segundo oxígeno debilita el enlace O-H, por  lo que disminuye la energía y, en consecuencia, la frecuencia de vibración.

El comportamiento de los alcoholes como solutos también refleja la tendencia a formar puentes de hidrógeno. En marcado contraste con los hidrocarburos, los alcoholes inferiores son miscibles con agua. Puesto que las moléculas de los alcoholes se mantienen unidas por el mismo tipo de fuerzas intermoleculares que las de agua, puede haber mezclas de las dos clases de moléculas. La energía necesaria para romper un puente de hidrógeno entre dos moléculas de agua o dos de alcohol, es proporcionada por la formación de un puente de hidrógeno entre una molécula de agua y otra de alcohol. Sin embargo, esto es cierto sólo para los alcoholes inferiores, en los que el grupo hidrófilo-OH constituye una parte considerable de la molécula. A medida que el grupo lipófilo aumenta el tamaño, disminuye la solubilidad en agua. Para fines prácticos, consideramos que el límite entre solubilidad e insolubilidad en agua se encuentra entre los cuatro y cinco átomos de carbono para alcoholes primarios normales. Los alcoholes polihidroxilados proporcionan más de un lugar por  molécula para formar puentes de hidrógeno, lo que se refelja en sus propiedades. El diol más sencillo, el 1,2-etanodiol (etilenglicol), hierve a 197ºC. Los glicoles inferiores son miscibles con agua, y los que tienen hasta siete átomos de carbono presentan una solubilidad apreciable en ella. (El etilenglicol debe su uso como anticongelante

por ejemplo, Prestone a su elevado punto de ebullición, su bajo punto de congelación y su alta solubilidad en agua.) Ya analizamos el comportamiento de los alcoholes como disolventes. Por medio de sus grupos alquilo lipófilos, pueden disolver compuestos no ionicos, como sustratos orgánicos. A través de sus grupos -OH pueden disolver compuestos iónicos, comoo reactivos inorgánicos. Como disolventes próticos solvatan fuertemente a los aniones, especialmente por medio de puentes de hidrógeno; solvatan a los cationes a través de los pares electrónicos no compartidos del oxígeno. Vimos que, como disolventes, los alcoholes distan mucho de ser  inocentes espectadores. Su oxígeno es básicos y nucleofílico. En la eliminación del tipo E1, los alcoholes actúan como base y como disolvente. En la sustitución nucleofílica, los alcoholes pueden actuar como nucleófilo en las reacciones SN2 y prestar asistencia ncuelofílica para la formación de intermediarios catiónicos.

6 Fuente industrial Para que los alcoholes sean materias tan importantes en la química alifática, no sólo deben ser versátiles en sus reacciones, sino también accesibles en grandes cantidades y a bajo precio. Hay tres vías principales para obtener los alcoholes,simples que son columna vertebral de la síntesis orgánica alifática, vías que pueden utilizar todas nuestras fuentes de materias primas orgáncaspetróleo, gas natural, carbón y la biomasa. Estos métodos son: (a) por hidratación de alquenos, obtenidos del cracking del petróleo; (b) por el  proceso oxode alquenos, monóxido de carbono e hidrógeno, y (c) por fermentación de carbohidratos. Además de éstos métodos principales, existen otros de aplicación más restringida. El metanol, por ejemplo, se obtiene por hidrogenación catalítica del monóxido de carbono; la mezcla de hidrógeno y monóxido de carbono necesaria se obtiene de la reacción a temperatura elevada entre agua y metano, alcanos superiores a carbón.

(a) Hidratación de alquenos. Habíamos visto que los alquenos de hasta cuatro o cinco átomos de carbono pueden separarse de la mezcla obtenida del cracking del petróleo. También vimos que los alquenos pueden convertirse fácilmente en alcoholes por  adición directa sólo puede obtenerse aquellos alcoholes cuya formación es congruente con la regla de Markovnikov: por  ejemplo, el siopropílico, pero no el n-propílico; el sec-butílico, pero no el n-butílico; el t-butílico, pero no es isobutílico. Esto significa que el único alcohol primario que puede lograrse de esta froma es el etílico.

(b) Proceso oxo. No obstante, pueden obtenerse alcoholes primarios de alquenos, utilizando el proceso oxo. En presencia

del catalizador adecuado, los alquenos reaccionan con monóxido de carbono e hidrógeno para generar aldehídos; compuestos que contienen el grupo –CHO.

Los aldehídos pueden reducirse fácilemnet a alcoholes primarios mediante una hidrogenación catalítica; a menudo, el proceso oxo se realiza de manera tal que el proceso de la reducción se verifica según van formándose los aldehídos para dar directamente alcoholes.

El catalizador oxo clásico es el octacarbonildicobalto, Co2(CO)8, que se obtiene por reacción entre cobalto metálico y monóxido de carbono. El proceso oxo fue descubierto en Alemania durante la Segunda Guerra Mundial, y fue la primera aplicación industrial deuna catálisis mediante un complejo de metal de transición. Ya hemos visto tales catálisis en la hidrogenación homogénea. Después, veremos que en el proceso oxo el catalizador ejerce su efecto básicamente del mismo modo que en la hidrogenación y otros ejemplos de tales catálisis. El proceso oxo se reduce a la adición de –H y –CHO a un doble enlace carbono-carbono. El grupo –CHO se llama formilo, por lo que el proceso se denomina hidroformilación. Como en otras reacciones de adición, puede suceder con dos orientaciones, y si la estructura lo permite, puede generar dos productos. El propileno, por ejemplo, puede dar un aldehído

De cadena recta o uno de cadena ramificada:

Los productos preferidos suelen ser los de cadena recta. El proceso tiende a formarlos de preferencia, tendencia que puede acentuarse por modificaciones en las condiciones de la reacción. Hay varias características llamativas en el proceso oxo. En primer  lugar, puede dar alcoholes primarios no accesibles por la hidratación de alquenos. En segundo lugar, no se necesita reducir  los aldehídos a alcoholes, pues pueden convertirse en otros productos: se pueden oxidar a ácidos carboxílicos, por ejemplo, o someterlos a la condensación aldólica. Finalmente, aparte del carbono de los productos oxo procede del monóxido de carbono, que puede prepararse a partir del carbón, en lugar del escaso petróleo o aún más escaso del gas natural. (c) Fermentación de carbohidratos. La fermentación de azúcares con levadura, el proceso de síntesis química más antiguo empelado por el hombre, todavía es de enorme importancia para la preparación de alcohol etílico y otros alcoholes. Los azúcares proceden de varias fuentes, sobre todo de las melazas de la caña de azúcar o del almidón que se obtiene de diversos granos; por esto, al alcohol etílico se le ha dado el nombre de <>. Cuando la materia prima es el almidón, se obtiene, además de alcohol etílico, una cantidad menor de aceite de fusel (del alemán: Fusel, <>), que es una mezcla de alcoholes primarios: alcohol isopentílico con cantidades menores de alcohol npropílico, isobutílico y 2-metil-1-butanol, denominado alcohol  amílico activo (anilo = pentilo). Sin duda, en el futuro se producirá un desplazamiento hacia los carbohidratos como fuente de carbono: para compuestos orgánicos y en la forma de combustibles. Con este desplazamiento, los procesos de fermentación cobrarán una importancia cada vez mayor. Pero todo esto tiene su precio: se necesita una cantidad considerable de energía para la destilación que separa lso productos de la fermentación de las soluciones diluidas en las cuales se generaron. Además, todos los carbohidratos que se obtienen hoy por cultivo para la alimentación del ser humano, sólo

podrían proporcionar una pequeña fracción de la energía que actualmente proporciona el petróleo.

7 Alcohol etílico EL alcohol etílico no sólo es el producto químico orgánico sintético más antiguo empleado por el hombre, sino también uno de los más importantes. La industria emplea mucho el alcohol etílico como disolvente para lacas, barnices, perfumes y condimentos; como medio para reacciones químicas, y para recristalizaciones. Además, es una materia prima importante para síntesis; una vez que hayamos estudiado más las reacciones de los alcoholes, apreciaremos mejor el papel que desempeña el miembro más importante de la familia. Para estos fines industriales, se prepara alcohol etílico por hidratación del etileno y por fermentación de azúcar de melazas (o, a veces, de almidón); por tanto, sus fuentes primarias son el petróleo, la caña de azúcar y varios granos. El alcohol etílico es el alcohol de las bebidas <>. Para este propósito se prepara por fermentación de azúcar, contenida en una variedad sorprendente de fuentes vegetales. La bebida específica obtenida depende de lo que se fermente (centeno o maíz), uvas o saúco, pulpa de cacto o diente de león), cómo se fermente (dejando escapar el dióxido de carbono o embotellándolo, por ejemplo) y de lo que se haga después de la fermentación (se destile o no). El sabor especial de la bebida no se deben al alcohol etílico, sino a otras sustancias características de la fuente específica o añadidas deliberadamente. Medicinalmente, el alcohol etílico se clasifica como hipnótico (que produce sueño); es menos tóxico que otros alcoholes. (El metanol, por ejemplo, es muy venenoso: tomarlo, respirarlo periodos prolongados o dejarlo por mucho tiempo en contacto con la piel, puede conducir a la ceguera o muerte.) Debido a su posición exclusiva como bebida muy gravada y como reactivo industrial, el alcohol etílico plantea un problema especial. Debe estar al alcance de la industria en forma no bebible. Este problema se resuelve agregándole un desnaturalizante , una sustancia que le confiere muy mal sabor o, incluso, eleva toxicidad.

Por ejemplo, uno de dos de los ochenta y tantos desnaturalizantes legales son el metanol y la gasolina de alto octanaje. Cuando surge la necesidad, se dispone también de alcohol etílico puro, sin desnaturalizantes, para propósitos químicos, pero su empleo es controlado estrictamente por los gobiernos. Excepto para bebidas alcohólicas, prácticamente todo el alcohol etílico que se consume es una mezcla de 95% de alcohol y 5% de agua, conocida simplemente como alcohol de 95%. ¿Qué tiene de especial esta concentración del 95%? Cualquiera que sea su método de preparación, primero se obtiene alcohol etílico mezclado con agua, y luego se concentra esta mezcla por destilación fraccionada. Pero sucede que el componente de punto de ebullición más abajo no es alcohol etílico (p.e. 78.3ºC), sino un azeótropo binario que contiene 95% de alcohol y 5% de agua (p.e. 78.15ºC). Como azeótropo, da un vapor de igual composición, por supuesto, y no se puede concentrar más por destilación, cualqueira que sea la eficiencia de la columna de fraccionamiento que se utilice. El alcohol etílico puro se conoce como alcohol absoluto. Aunque es más caro que el alcohol de 95%, es accesible cuando se necesita específicamente. Se obtiene aprovechando la existencia de otro azeótropo, esta vez uno ternario de p.e. 64.9ºC:7.5% de agua, 18.5% de alcohol etílico y 74% de benceno. Para ciertos propósitos especiales, debe ser eliminado hasta el menor vestigio de agua se encuentra en el alcohol absoluto comercial, lo que puede lograrse por un tratamiento del alcohol con magnesio metálico: el agua se convierte en Mg(OH)2 insoluble, del cual se destila luego el alcohol.

18 Esteroides El colesterol , conocido como la sustancia que se deposita en las paredes de als arterias y como el constituyente principal de los cálculos biliares, es un alcohol del tipo conocido como esterol, los esteroles pertenecen a la clase de compuestos denominados esteroides: compuestos de fórmula general

Los anillos son (generalmente) alifáticos. Las líneas, como las verticales unidas a las posiciones 10 y 13, representan grupos metilo angulares. Comúnmente, como en el colesterol, por  ejemplo,

La estereoquímica se indica por medio de líneas continuas (enlace B, que salen fuera del plano del papel) y líneas de puntos (enlaces a, que penetran por  detrás del plano del papel).

Así es como en I el –H y el -OH de las posiciones 5 y 6 guardan una relación cis entre sí, pero trans con respecto al 3-OH y al metilo angular de la posición 10. La fusión de los anillos entre sí puede ser  cis o trans, lo que aumenta las complicaciones de la estereoquímica.

Finalmente, los efectos conformacionales son muy marcados en un sistema cíclico rígido como éste y controlan totalmente el curso de una reacción.

Los esteroides incluyen hormonas sexuales y adrenocorticales (la cortisona es una de ellas), glicósidos cardiacos y ácidos biliares. Debido a su importancia biológica y, sin lugar a dudas, por la complejidad fascinante de su química-, el estudio de los esteroides fue, y sigue siendo, una de las áreas más activas de la investigación en química orgánica.