Guia Seminarios (Todo)

Universidad de Chile Facultad de Ciencias Químicas y Farmacéuticas Departamento de Química Orgánica y Fisicoquímica

GUÍA DE SEMINARIOS Conceptos Generales. Problemas Resueltos y Adicionales

QUÍMICA ORGÁNICA I

Prof. Gianni Cordano C. Prof. Carolina Jullian M. Prof. Sergio Muñoz N. Prof. Jacqueline Pezoa O.

Santiago, Chile.

1

REACCIONES ORGÁNICAS 1.

CONCEPTOS GENERALES

Química orgánica: es la química de los compuestos del carbono. Reacción química: una reacción química se produce a nivel de los electrones de valencia, de modo que los átomos involucrados no se destruyen o desintegran, como ocurre en las reacciones nucleares, sino que se reorganizan para formar nuevas estructuras por la formación de otro tipo de enlaces.

Reacción de sustitución: es una reacción en la cual una especie atacante de cualquier tipo reemplaza a otra especie del mismo tipo. Por ejemplo:

CH3 - CH2 Br

+

OH

CH3 - CH2OH

+

Br

Reacción de eliminación: es una reacción en la cual un sustrato pierde dos átomos o grupos. Como consecuencia de esto, aumenta el grado de insaturación del sustrato.

CH3 - CH2 Br

+

OH

CH2 = CH2

+

H2O

+

Br

Reacción de adición: en la mayoría de los casos involucra la ganancia de dos grupos o átomos en cada extremo de un enlace .

CH2 = CH2

+

HBr

CH3 - CH2Br

Reacción de reordenamiento: es una reacción que involucra un cambio en la secuencia de los enlaces entre los átomos de una molécula.

CH3 H3C

CH3

CH3

AlCl3 HCl CH3

CH3

Perfil de energía potencial: gráfico que relaciona los cambios de energía potencial en función de los cambios de longitud de enlace entre los átomos de reactantes hasta su transformación en productos; a través de la formación de estados de transición y, generalmente de intermediarios.

2

Estado de transición: en un perfil de energía potencial que relaciona los cambios de energía potencial a lo largo del trayecto de una reacción, un estado de transición se caracteriza por tener una energía potencial mayor que los estados inmediatamente adyacentes en ese trayecto; es decir, corresponde a un máximo en dicho perfil. No posee una estructura definida, por ejemplo:

OH + CH3Br

[ HO

CH3OH + Br

Br ]

CH3

estado de transición

Intermediario: en un perfil de energía potencial que relaciona los cambios de energía potencial a lo largo del trayecto de una reacción, es la especie transitoria que existe en un estado de menor energía que la de los estados inmediatamente adyacentes; es decir, corresponde a un mínimo de energía. A continuación se presenta el posible mecanismo de una reacción que transcurre con formación de dos intermediarios. KOH lenta

CH3NO2 (1)

CH2NO2 (2)

O

O CH3CH2CHCH2NO2

CH3CH2CHO (3)

OH

H2O

+

CH3CH2CHCH2NO2

CH3CH2CHCH2NO2 (4)

OH

(5)

(Las especies 2 y 4 son intermediarios de la reacción).

Carbocatión: átomo de carbono con seis electrones de valencia con carga positiva, la que puede estar localizada en uno o más átomos de carbono.

CH3

CH2

CH2

CH

CH2

CH2

CH

CH2

Estabilidad de carbocationes: un sistema cargado se estabiliza cuando la carga puede dispersarse en el resto de la molécula. Sustituyentes dadores de electrones, como los radicales alquílicos, estabilizan a los carbocationes al deslocalizar la carga, luego un carbocatión es más estable mientras más sustituido esté. Si es más estable su formación será más rápida. Por el contrario, sustituyentes atractores de electrones tienen el efecto contrario, es decir, disminuyen su estabilidad. R1 C R2 Carbocatión

R1

R1 R3

>

C

>

C H

R2 3º

H

2º Estabilidad

1º

H

3

Carbanión: es un anión con un número par de electrones no compartidos en el que la carga negativa puede localizarse en uno o más átomos de carbono. CH3

CH2

CH2

CH

CH2

CH2

CH

CH2

Radical libre: es una especie no cargada que posee un electrón sin compartir. CH3 - CH2

.. .

.

CH3O ..

Energía de activación: corresponde a la diferencia de energía entre la del estado de transición de más alta energía y la de los reactantes que lo originan.

E N E R G I

Eact

A

AVANCE DE LA REACCIÓN

Entalpía de reacción: es la medición del cambio del contenido energético de los átomos al pasar de reactantes a productos (H).

Reacción exotérmica: transformación química acompañada por evolución y transferencia de calor desde el sistema hacia los alrededores; es decir, el cambio de entalpía es negativo.

CH4 (g)

+

2 O2 (g) CO2 (g) H = - 192 kcal/mol

+

2 H20 (g)

Reacción endotérmica: transformación química acompañada por absorción de calor por el sistema desde los alrededores; es decir, el cambio de entalpía es positivo.

I2

+

Br2 H = + 20 kcal/mol

2 BrI

4

Entropía de reacción: la entropía de un sistema es la medida de la probabilidad de libertad molecular relativa de los productos de una reacción en relación a la de los reactantes. Un aumento en el grado de libertad o desorden, resulta en un aumento de la entropía y S es positivo, favoreciendo la reacción.

Velocidad de reacción: es la medida cuantitativa de la rapidez con que ocurre una reacción.

Equilibrio: en una reacción idealmente reversible, es el estado en el cual la velocidad de la reacción en un sentido es igual a la velocidad de la reacción en el sentido inverso. No indica la velocidad con que se produce el equilibrio, sino su posición; es decir, cuánto producto se forma.

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2.

PROBLEMAS RESUELTOS

1.

Explique brevemente si las siguientes aseveraciones son verdaderas o falsas: a) una reacción que transcurre a través de un (1) intermediario tiene un (1) estado de transición. b) cuanto menor sea la energía de activación, más rápida será la reacción. c) el ion nitronio es un intermediario, no un estado de transición. d) un carbocatión primario es más estable que uno terciario. e) en una reacción de adición, el cambio de entropía es favorable para la reacción.

RESOLUCIÓN: a)

b)

c)

d)

e)

Falso. Una reacción que transcurre a través de la formación de un intermediario, debe tener dos estados de transición. El primero para la formación del intermediario y el segundo para transformarlo en producto. Verdadero. La energía de activación es la mínima cantidad de energía necesaria para la formación del estado de transición. Mientras no se supere este estado la reacción no se lleva a cabo, por lo tanto, una reacción que tenga un estado de transición con una energía potencial más baja que otra, transcurrirá con mayor rapidez. Verdadero. Si el ion nitronio fuera un estado de transición no tendría una estructura definida. En las reacciones de nitración, generalmente en una mezcla de HNO3 y H2SO4, la protonación del HNO3 forma una especie inestable H2NO3+ que se estabiliza por ruptura de un enlace N – O formándose H2O y NO2+. El ion nitronio formado, pese a ser una especie de alta energía, tiene una estructura definida, llegándose incluso a aislarlo, como una sal (NO2 +ClO4-). Falso. Los carbocationes terciarios son mucho más estables que los secundarios y primarios. La estabilidad de estas especies depende de la dispersión de la carga positiva del carbono, la que es más eficiente a medida que existe una mayor cantidad de radicales alquílicos unidos a él. La dispersión de la carga del carbocatión y la estabilización que se produce puede explicarse por: 1.-el efecto dador de electrones de los grupos alquilos unidos al carbocatión. 2.-el efecto de hiperconjugación Falso. Por definición, la entropía es positiva (favorable para la reacción) si aumenta la probabilidad de libertad molecular relativa de los productos de una reacción en relación a la de los reactantes (S). En una reacción de adición, dos moléculas de reactantes se unen formando una sola molécula de producto, por lo que disminuye la libertad molecular, luego la reacción no está favorecida.

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2.

Enumere en orden decreciente de estabilidad, los carbocationes y los carbaniones que se señalan, justificando brevemente su elección mediante estructuras resonantes. a) Carbocationes:

CH2 CH3 B

A b)

C

Carbaniones: CH2

CH3 A

B

C

RESOLUCIÓN: Ambos tipos de especies tienen una carga localizada en un átomo de carbono y ello las hace inestables. La estabilización de la especie depende del efecto eléctrico de los grupos directamente unidos al carbono cargado. En los carbocationes, la deslocalización de la carga en el resto de la molécula, ya sea a través de efectos inductivos y/o mesoméricos (resonancia), estabilizará la especie. Los grupos dadores de electrones tienen esta capacidad ya que, al ceder electrones al carbocatión, disminuyen su carga, aumentando su estabilidad. Lo contrario sucede si los grupos unidos al carbocatión son atractores de electrones, porque aumentan la carga positiva del carbocatión La especie más estable es la B, porque la carga puede deslocalizarse a través de un sistema conjugado. CH2

CH2

CH2

CH2

Entre los carbocationes A y C, es más estable el carbocatión secundario A ya que la carga se estabiliza por el efecto inductivo dador de electrones de ambos lados del ciclo. El carbocatión C es el menos estable ya que la carga está localizada en un carbono sin posibilidad de estabilizarse. Luego el orden de estabilidad es: B >> A > C

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Para el caso de los carbaniones, la explicación es similar, pero inverso. Los grupos aceptores de electrones, disminuyen su carga, deslocalizando la carga en el resto de la molécula, aumentando su estabilidad. El carbanión B es el más estable por la deslocalización de la carga en el sistema conjugado. CH2

CH2

CH2

CH2

Entre los carbaniones A y C, el carbanión A es el menos estable porque la densidad electrónica (carga) está aumentada por el efecto dador de electrones del ciclo, en cambio el carbanión C no tiene radicales que la desestabilicen. Luego, el orden de estabilidad es: B>C>A

3.

¿Cuál reacción es más exotérmica, una con Keq mayor que 1 u otra con Keq menor que 1, a T y S cte.?

RESOLUCIÓN: En una reacción exotérmica se produce transferencia de calor desde el sistema hacia los alrededores, es decir, el H de la reacción tiene un valor negativo. Este valor se calcula aplicando las ecuaciones:

Gº = Hº - TSº

y

Gº = - RT ln Keq

A las temperaturas normales de reacción, el valor de Hº, suele ser mayor que el de Sº, de modo que, generalmente se considera que Hº = Gº, por lo que la segunda expresión se puede escribir Hº = - RT ln Keq Supongamos que la reacción se efectúa a 20ºC y el valor de Keq sea 2. Hº = -RT ln 2 = -(1,986 cal/K •mol) (293 K) (0,693) = - 403,3 cal/mol = - 0,4 kcal/mol Para un valor de K menor de 1, supongamos 0,05 Hº = -RT ln 0,05 =-(1,986 cal/K •mol) (293 K) (-3) =+1743,2 cal/mol =+1,74kcal/mol De los ejemplos anteriores, se concluye que para valores de Keq mayores de 1, se obtiene un valor negativo para Hº, lo que significa que la reacción está favorecida y es exotérmica, es decir se libera energía hacia los alrededores. Si el valor de Keq es menor que 1, el valor de Hº obtenido es positivo lo que significa que la reacción es endotérmica, es decir se absorbe energía desde los alrededores y no está favorecida.

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4.

Si se irradia con luz UV una mezcla gaseosa de un hidrocarburo (por ejemplo, etano) y un halógeno (por ejemplo Cl2) se produce una reacción rápida entre ambos. ¿Qué productos se formarían si la irradiación se suspende al cabo de un breve período de tiempo?

RESOLUCIÓN: Esta es una reacción que transcurre a través de la formación de radicales libres por la acción de la luz ultravioleta Si consideramos las etapas de iniciación y propagación: luz UV Cl2 CH3 - CH3

+

.

CH3 - CH2

Cl

+

2 Cl

. .

.

CH3 - CH2

CH3 - CH2Cl

Cl2

+

HCl +

.

Cl

En la etapa de iniciación se forma el radical libre cloro que reacciona con el hidrocarburo para formar el radical libre del hidrocarburo, él que reacciona con el cloro molecular (en gran exceso) para formar el halogenuro de alquilo y un radical libre cloro que repite el proceso. Si se suspende la irradiación, continúa la misma secuencia de reacciones, pero además se van recombinando los radicales libres formados hasta su término. De este modo, además del halogenuro de alquilo se forman los siguientes productos:

.

CH3 - CH2

Cl

.

+

+

Cl

. .

CH3 - CH2

Cl2 CH3 - CH2 - CH2 - CH3

Si la irradiación con luz ultravioleta no se reinicia, la reacción de formación del halogenuro de alquilo va disminuyendo paulatinamente hasta cesar por completo.

5.

Dibuje un diagrama de E potencial vs. Coordenadas de reacción donde se represente una reacción que transcurre en dos etapas, donde la primera es la determinante de la velocidad; además, la reacción es lenta y fuertemente exotérmica.

RESOLUCIÓN: En esta reacción, en la primera etapa se forma el estado de transición de mayor energía y si es una reacción lenta, el valor de la Eact. es alto. ET1 ET2

E Potencial

Int.

H

Coordenadas de reacción

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6.

¿Qué efecto tiene un aumento de la temperatura del sistema sobre la constante de equilibrio (Keq) de una reacción?

RESOLUCIÓN: En un equilibrio químico, si la reacción directa es exotérmica, la reacción inversa es endotérmica y viceversa. Cuando se aumenta la temperatura, el equilibrio se desplaza a favor de la reacción endotérmica, es decir, favoreciendo la reacción donde hay absorción de energía. Por el contrario, si se disminuye la temperatura, el equilibrio se desplaza para favorecer la reacción exotérmica, es decir, hacia la reacción donde se libera energía. Como ejemplo, en el equilibrio químico: 3 H2 (g)

+

N2 (g)

2 NH3 (g)

+ 22 kcal

la reacción de formación de NH3 (directa) es exotérmica ya que se liberan 22 Kcal hacia los alrededores, pero para la reacción de descomposición de NH3 en H2 y N2, (inversa) se absorben 22 Kcal; es decir, es endotérmica. Un aumento de la temperatura de este sistema desplazará el equilibrio hacia la formación de N2 y H2, es decir se favorece la reacción endotérmica. 7.

Dibuje un diagrama de E potencial vs. Coordenadas de reacción donde se represente una reacción que transcurre en dos etapas, donde la segunda es la determinante de la velocidad; además, la reacción es rápida, exotérmica y el intermediario es aislable.

RESOLUCIÓN: En esta reacción, en la segunda etapa se forma el estado de transición de mayor energía y si es una reacción rápida, el valor de la Eact. es bajo.

ET2

E Potencial

ET1

INT

Coordenadas de reacción

H

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8.

Utilice la información de la tabla anexa para calcular el Hº de las siguientes reacciones en fase gaseosa a 25 ºC: a)

CH3CH2 OH + HCl

b)

CH3CH2 H

+

CH3CH2

Br2

CH3CH2

Cl Br

+

H2O

+

HBr

RESOLUCIÓN: Para los cálculos correspondientes hay que considerar que, en cada caso, para la disociación de los enlaces hay que suministrar energía a las moléculas de reactantes, pero los productos se forman por la unión de los radicales libres formados, liberándose energía. El Hº de una reacción determinada resulta del balance energético correspondiente. Para la reacción a) + 91 + 103 - 81 - 119 = - 6 kcal/mol Para la reacción b)

9.

+ 98

+ 46

- 68

- 88

= - 12 kcal/mol

Para la formación del compuesto 5 a partir de 1 y 3, se ha propuesto el siguiente mecanismo:

a) Dibuje el perfil de energía aproximado para la reacción, considerando que la energía de (1) es mayor que la de (5). Indique en este gráfico, energías de activación, estados de intermediarios y H de la reacción. b) Compare las energías de estabilización de (2) y (4). RESOLUCIÓN: a)

ET1 ET2 ET3 (4)

E. Potencial

(2)

H

Coordenadas de reacción

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c) El intermediario (2) es más estable que el intermediario (4) porque la carga negativa está estabilizada por el grupo nitro: O

O CH2

N

CH2 O

10.

N O

En una reacción de equilibrio catalizada, indique ¿cuál es el efecto del catalizador sobre: a) la velocidad de la reacción b) el equilibrio de las reacción

RESOLUCIÓN: Los catalizadores tienen por función disminuir la energía de activación de una reacción, aumentando de este modo la velocidad de la reacción. El catalizador no se consume, recuperándose sin cambios al final de la reacción. En una reacción de equilibrio, éste se alcanza en un tiempo menor. Como se alteran igualmente las velocidades de reacción directa e inversa, no se afecta la posición del equilibrio, por lo tanto la constante de equilibrio Keq se mantiene constante.

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3.

PROBLEMAS ADICIONALES

1.

Para el siguiente diagrama de reacción, indique:

E N E R G I A

AVANCE DE LA REACCIÓN

a) b) c) d)

Gº para la reacción. ¿Negativo o positivo? ¿Cuántas etapas tiene la reacción? ¿Cuál es la etapa determinante de la velocidad? ¿Cuántos estados de transición hay? Señálelos.

2.

¿Cuál reacción estaría favorecida, una con un valor de Gº negativo o una con un valor de Gº positivo?

3.

Calcule el valor de la Keq para reacciones con Gº = -5 kcal / mol y con Gº = 0 kcal / mol (ambas reacciones a 25 ºC)

4.

Trace un diagrama de energía de reacción para una reacción endotérmica que ocurre en un paso. Indique las partes del diagrama que corresponden a reactivos, productos, estado de transición, Gº y G‡. ¿Gº, es positivo o negativo? ¿Se forma algún intermediario?

5.

Calcule Hº para las siguientes reacciones: a)

CH3CH2OCH3

b)

CH3Cl

+

+

NH3

HI

CH3 CH2 OH CH3 NH2

+

+

CH3I

HCl

6.

Utilice la información de la tabla anexa para calcular Hº en las reacciones del carbono 2 del propano con Cl2 y Br2.

7.

Dibuje un diagrama de E potencial vs. coordenadas de reacción donde se represente una reacción que transcurre en dos etapas, donde la primera es la determinante de la velocidad; además, la reacción es lenta y endotérmica.

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8.

La solvolisis del cloruro de ter-butilo (A) para formar t-butanol (B) es una reacción exotérmica que transcurre a través del siguiente esquema:

Dibuje un perfil de energía para la reacción señalando en él, las diferentes etapas, los estados de transición y los intermediarios.

9.

Un compuesto A reacciona en dos etapas, lenta y endotérmicamente con B, para formar C + D. Dibuje un diagrama de energía para ésta reacción sabiendo que la etapa limitante de la velocidad es la segunda. Señale reactante(s), estado(s) de transición, intermediario(s), Hº, etc.

10.

Para la preparación de cloroformo (CHCI3) por reacción de diclorometano (CH 2Cl2) y Cl2 en presencia de luz: a) Escriba los pasos de Inicio y Propagación que llevan a la formación del producto. b) Dibuje el perfil de Energía v/s Coordenada de Reacción sólo para el paso de Propagación, indicando claramente en él; reactantes, productos, intermediarios y energía de activación. c) Calcule el Hº de este paso (Propagación), indicando si la reacción es endo o exotérmica. Energías de enlace (Kcal / mol): C-H =104; Cl-CI =58; C-Cl = 84; Cl-H =103

11.

Para la reacción exotérmica:

a) Escriba los pasos de propagación para la formación del producto. b) Dibuje el perfil de energía vs. coordenadas de reacción indicando en él la posición de reactantes, productos, estados de transición, energía de activación y entalpía de reacción.

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Energía de disociación de enlace (Kcal / mol)

A Enlace H-H H–F H - Br H - Cl H-I Cl - Cl Br - Br I-I CH3 - H CH3 - Cl CH3 - Br

H 104 136 88 103 71 58 46 36 104 84 70

.

B

A

H

Enlace

H

112

Cl

97

82

Br

CH3 - I C2H5 - H C2H5 - Cl C2H5 - Br C2H5 - I CH3 – NH2 (CH3)2CH - H (CH3)2CH - Cl (CH3)2CH - Br (CH3)3C - H (CH3)3C - Cl (CH3)3C -- Br (CH3)3C -- I

112

95 80 68 91 79 65 50

C

CH2

H

85

CH2

Cl

70

CH2

102 CH3

72

H 88 85 84 81 108 88 87 69 97 74 125 86

H

HO - H HO - OH CH3O - H CH3S - H C2H5O - H

119 51 102 88 103

O CH 3 C

CH3

H

O CH 3 C

56 98 81 68 53 80

Enlace CH3 – CH3 C2H5 – CH3 (CH3)2CH – CH3 (CH3)3C – CH3 CH2=CH - H CH2=CH - Cl CH2=CH CH2 - H CH2=CH CH2 - Cl CH2=CH – CH3 CH2=CH CH2 – CH3 HC

OH

.B

+

77

CH3

CH3CH2O – CH3 NH2 - H H - CN CH3 – NH2 CH3 - OH C2H5 - OH

81 103 130 80 91 91

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EFECTOS ELÉCTRICOS 1.

CONCEPTOS GENERALES

Efecto de sustituyentes: si en una reacción dada, se reemplaza un átomo (hidrógeno como referencia) por otro átomo o por un grupo de átomos, se produce un cambio en la velocidad de la reacción. Esto resulta fundamentalmente por el efecto electrónico del sustituyente sobre el centro de reacción del sistema. El sustituyente puede ceder electrones, aumentando la densidad electrónica o puede captar electrones, disminuyendo la densidad electrónica en el centro de reacción.

Efecto inductivo: es el efecto eléctrico que se produce a través de enlaces  y depende de la capacidad intrínseca de cualquier sustituyente para ceder o captar electrones a través de esos enlaces; es decir, resulta como consecuencia de la diferencia de electronegatividad entre el sustituyente y el resto de la molécula. A mayor diferencia de electronegatividad entre dos átomos o grupos de átomos, mayor es su efecto inductivo con relación al centro de reacción del sistema. Se distinguen dos tipos de sustituyentes: Sustituyentes dadores de electrones por efecto inductivo: Se representan como + I y ceden electrones al sistema a través de enlaces . Sustituyentes aceptores de electrones por efecto inductivo: Se representan como – I y atraen electrones del sistema a través de enlaces . Ejemplos: Grupos + I

Grupos - I O

R (CH3, CH3-CH2, etc)

OR(H)

O

NO2

,

COO

NR(H)2 X

,

C

R

CN

X = halógenos

Efecto mesomérico o de resonancia: efecto eléctrico que se produce exclusivamente a través de enlaces  en sistemas conjugados y lo ejercen sustituyentes que pueden ceder o captar electrones a través del sistema citado. Sustituyentes dadores de electrones por efecto mesomérico: se representan como +M, ceden electrones al centro de reacción a través de un sistema  conjugado con él y tienen como característica principal poseer uno o más pares de electrones no compartidos en el átomo directamente unido al sistema conjugado.

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Sustituyentes aceptores de electrones por efecto mesomérico: se representa como –M, captan electrones del centro de reacción a través de un sistema  conjugado con él y su característica principal es la de estar formados por átomos unidos entre sí por enlaces múltiples (dobles o triples), por ejemplo (N=O), en los que el átomo más alejado del sistema conjugado (O) es más electronegativo que el que está unido directamente a él (N), lo que determina una disminución de la densidad electrónica alrededor de este último y consecuentemente, un desplazamiento electrónico del sistema conjugado hacia el sustituyente. Ejemplos Grupos + M

Grupos - M

Los sustituyentes más comunes pertenecen a la categoría + I (metilo, etilo, etc.); - I, - M (nitro, ciano, grupo carbonílo, etc.) y – I + M (OR, NR2, halógenos). Si el sustituyente es - I y - M (Ej. -NO2, -CN), la densidad electrónica en el centro de reacción disminuye de acuerdo a la fuerza del sustituyente y lo contrario ocurre si el efecto es + I, en cuyo caso la densidad electrónica en el centro de reacción aumenta. Una situación especial se produce cuando un sustituyente presenta efectos contrarios, vale decir, - I + M (Ej. -Br, -NH2, -OCH3). En estos casos, el efecto eléctrico total dependerá del efecto predominante del sustituyente específico, lo que sólo puede determinarse experimentalmente. En el caso de los halógenos, el efecto - I es mayor que el + M [- I > + M] y el efecto total del halógeno será de atraer electrones, y por lo tanto, de disminuir la densidad electrónica en el centro de reacción. En el caso de los sustituyentes -NR2 y -OR, el efecto + M es mayor que el - I, [+ M > - I]; por lo tanto, el efecto total del sustituyente es de aumentar la densidad electrónica en el centro de reacción. En rigor, no existen sustituyentes neutros + I, + M o + I, - M Algunos iones como O y COO-, presentan estas características, respectivamente. Se excluye a los radicales derivados de hidrocarburos como metilo, etilo, etc. los que son + I y tienen un efecto similar al + M llamado de hiperconjugación, pero no es un efecto + M propiamente tal, por no tener pares de electrones sin compartir, como en los grupos OH y NH2. Equilibrio ácido - base: en soluciones diluidas, un ácido reacciona con una base para formar una base conjugada y un ácido conjugado respectivamente, produciéndose, entre estas especies, un equilibrio que está desplazado hacia la formación del ácido y la base más débil (estable). En el ejemplo general indicado a continuación, el equilibrio químico está desplazado hacia la derecha. ÁCIDO 1 + BASE 2 fuerte

fuerte

Ka

BASE CONJUGADA 1 + ÁCIDO CONJUGADO 2 débil

débil

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Constante de equilibrio en una reacción ácido - base: Para la reacción general entre un ácido HA y una base B (que puede ser el solvente de la reacción), se obtiene la siguiente expresión donde Ka representa la constante de equilibrio: HA + B

Ka

BH

+ A

[ BH ] [ A ] Ka =

[ HA ] [ B:] Cuando la base es el solvente no se incluye en el denominador por considerarse de concentración constante.

Ecuación de Henderson - Hasselbach: se deriva de la ecuación general anterior entre un ácido HA y una base B, obteniéndose la expresión:

pKa = pH - log

A HA

pKa: es el logaritmo negativo de la constante de acidez (Ka) y expresa el grado de acidez (o basicidad) de un compuesto en un solvente específico y a una temperatura dada y se utiliza para evitar el uso de potencias.

Escala de pKa: es un ordenamiento de una gran variedad de compuestos tanto orgánicos como inorgánicos en función de los valores decrecientes de pKa para los posibles ácidos y sus correspondientes bases conjugadas. De este modo se tiene una medida relativa de la acidez o basicidad de ellos. Mientras mayor sea el valor de pKa del ácido, menor es su poder como ácido; mientras mayor sea el valor de pKa de la base conjugada, mayor es su poder como base.

Ácidos orgánicos: la acidez y la basicidad no son términos absolutos, sino relativos. Según Brönsted un ácido es una especie química capaz de ceder protones, por lo tanto cualquier compuesto con enlaces: C - H; N - H; O - H, etc. es potencialmente un ácido de acuerdo a:

Ka R X H + B

R X

+ BH

(X = C,N,O)

En la reacción general indicada, por acción de la base (B:), se produce la ruptura del enlace X-H, desplazándose siempre el equilibrio hacia la formación del ácido y la base más débiles (estables). La ruptura del enlace se verá afectada por la naturaleza del radical o sustituyente R. Si éste es un dador de electrones en su efecto global, al producirse un desplazamiento de electrones desde él hacia el centro de reacción (enlace X-H), aumentará la densidad electrónica en ese enlace, fortaleciéndolo y dificultándose de este modo su ruptura. En este caso, la acidez del compuesto se verá

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disminuida por la acción del sustituyente. Si R es un aceptor de electrones se producirá un desplazamiento electrónico hacia él, disminuyendo la densidad electrónica en el enlace, debilitándolo y favoreciendo su ruptura. En este caso, la acidez del compuesto se verá aumentada por la acción del sustituyente. Los ácidos orgánicos más importantes son: Ácidos carboxílicos:

R - COOH + H2O

Fenoles:

R - COO O

H2O

OH +

+ H3O

Alcoholes: O

+ H2O

OH

+ H3O

+ H3O

Los ácidos carboxílicos tienen valores de pKa cercanos a 5, los fenoles a 10 y los alcoholes a 16. Esta diferencia de acidez se debe a la diferencia de estabilidad de los aniones correspondientes. En los aniones carboxilatos, la carga negativa está dispersa en dos átomos electronegativos (oxígeno) que tienen una gran capacidad para soportar una carga negativa; en cambio, en fenoles la estabilización es menor por tener sólo un átomo de oxígeno. La estabilización por el sistema conjugado de los fenoles radica en sus átomos de carbono de menor electronegatividad, pero por otra parte, por la conjugación se rompe la estructura aromática lo que aumenta la energía del sistema. La estabilización en los alcoholes sólo radica en el átomo de oxígeno, sin tener la posibilidad de estabilización por resonancia.

O

O

O

Otros ácidos orgánicos: se debe considerar la posibilidad de otras rupturas de enlaces como N - H y C - H. Son menos frecuentes ya que para ello es necesaria la acción de bases extremadamente fuertes. Los pKa de estas especies son altos; vale decir, los ácidos son muy débiles; pero las bases correspondientes son muy fuertes, ya que las bases conjugadas son muy inestables, por localizarse la carga negativa en un elemento de electronegatividad cada vez menor en relación a oxígeno. Ejemplo: Ácido Base pKa R - NH2 35 R - NH R - CH3

-

R - CH2

49

19

Bases Orgánicas: según Brönsted, una base es una especie capaz de captar protones y según Lewis, de ceder electrones. De acuerdo a esta última definición, una especie tendrá carácter básico si dispone de pares de electrones que pueda compartir con especies deficientes en ellos y por lo tanto, abarca a una gran variedad de especies químicas principalmente nitrogenadas y oxigenadas, ya sea cargadas negativamente o neutras, como aminas, alcoholes y en menor grado tioles. Ejemplo:

.. ..

En la reacción general de una base en una solución acuosa ácida:

B: + H3O

BH

+ H2O

la base (B:), capta un protón del ácido (H3O+) compartiendo su par de electrones. A mayor densidad electrónica alrededor de un átomo, mayor será su capacidad para actuar como una base. Base NH3 CH3 - NH2  - NH2 p-NO2- - NH2

Ácido conjugado NH4+ CH3 - NH3+  - NH3+ p-NO2 -  - NH3+

pKa 10 10,6 4,6 1,9

Si tomamos como referencia al NH3, vemos que, al sustituir un H por un CH3 (CH3-NH2), el pKa aumenta. El CH3, (por su efecto +I), está cediendo electrones hacia el N, aumentando la densidad electrónica en él, permitiendo que el H + del ácido con el que reacciona (H3O+), se coordine mas fácilmente con el N; por ello la basicidad de la metilamina es mayor que la del amoníaco. En cambio, cuando se sustituye el H por un fenilo (-NH2) o cualquier grupo atractor de electrones, la densidad electrónica alrededor del N disminuye, por la deslocalización del par de electrones no compartidos hacia el anillo (o hacia un grupo atractor) como se aprecia en el siguiente esquema, por lo tanto la basicidad es menor: .. NH2

NH2

NH2

NH2

20

La conjugación del par de electrones del centro de reacción con un anillo aromático (u otro sistema conjugado) puede ser mayor por ejemplo, por la presencia de sustituyentes aceptores de electrones. En este caso, el efecto eléctrico de éstos determina una disminución de la basicidad cuando la combinación de los efectos mesoméricos e inductivos de los sustituyentes resulta en un efecto atractor de electrones sobre el centro de reacción, por ejemplo cuando el sustituyente es un halógeno (-I > +M). Si el sustituyente está directamente conjugado con el centro de reacción, además del efecto inductivo se ejerce el efecto mesomérico. En el caso del cloro es +M, por lo que contrarresta en parte el efecto inductivo –l. Si el sustituyente es -I, -M (por Ej. NO2, CN, etc.) y está conjugado con el centro de reacción, se ejercen ambos efectos sobre él (NH2 en el ejemplo anterior).

O

.. NH2

.. NH2

.. NH2

N

N

N

O

O

O

-

O

NH2

N O

-

O

O-

Si el sustituyente es -I, -M y no está conjugado con el centro de reacción, su efecto mesomérico no se ejerce directamente sobre el centro de reacción por lo que generalmente no es significativo. Solo se ejerce el efecto inductivo propio del grupo (mayor que en el caso anterior por estar más cerca del centro de reacción).

Si el sustituyente es un grupo dador de electrones, por ejemplo, un sustituyente +I como un grupo metilo, la basicidad aumenta porque la densidad electrónica en el centro de reacción (NH2) también aumenta. Como era de esperarse, por ejemplo, en cualquier metilanilina, la basicidad es mayor que en la anilina (pKa = 4,6), observándose que la basicidad es mayor en la p-metilanilina que en la m-metilanilina. Este hecho experimental no puede atribuirse sólo al efecto inductivo del grupo metilo ya que debiera ser mayor en la posición meta (más cercana) que en la posición para. En general, se estima que se produce una superposición parcial de un orbital de un enlace  C-H con un orbital  del anillo. De este modo, aumenta la densidad electrónica del centro de reacción cuando el radical y el centro de reacción están conjugados (en

21

posición para entre sí). A este efecto, similar al efecto mesomérico, se le ha denominado efecto de hiperconjugación.

Si los sustituyentes presentes pertenecen a grupos OR o NR2, predomina la cesión de electrones hacia el sistema conjugado, ya que el efecto mesomérico (+M), prima sobre el inductivo (-I). Sin embargo, la preponderancia del efecto +M se observa sólo cuando el sustituyente está conjugado con el centro de reacción. En la p–metoxianilina, la basicidad es mayor que en la anilina por el efecto predominante +M del sustituyente conjugado con el centro de reacción; pero en la m-metoxianilina la basicidad es menor debido principalmente al efecto -I ya que el efecto +M no afecta significativamente al centro de reacción por no estar directamente conjugado con el.

Efecto de solventes: para el equilibrio Ka HA

+

B:

A

+

BH

La fuerza del ácido HA no depende sólo de su estructura, sino que también de la + estabilización de los productos de la reacción (A y BH ). El solvente usado en la reacción (que corresponde a la base, en cuyo caso se habla de solvolisis), juega un papel muy importante en la estabilización de las especies formadas. Así, mientras mas polar sea el solvente, mayor será la solvatación de las especies iónicas formadas, estabilizándolas y por consiguiente, desplazando el equilibrio hacia la formación de productos y por ende, aumentando la fuerza del ácido.

22

2.

EJERCICIOS RESUELTOS

1.

Escriba los contribuyentes de resonancia para los iones p-nitrofenolato y p-metoxifenolato. ¿Cómo influyen los sustituyentes en la acidez de los fenoles?

RESOLUCIÓN: O

-

N

-O

O

O-

O

N

N O

-O O

-O * O-

-

-

O

O

O

N

N

-O * O-

O

-

O

-O O-

:.OCH . 3

OCH3

OCH3

OCH3

* En cada caso el contribuyente de mayor relevancia es el que está marcado con un asterisco y explica el efecto de los grupos aceptores de electrones (Ej. NO2) y dadores de electrones (Ej. OCH3) sobre la acidez de los fenoles. En el primer caso, el grupo nitro estabiliza la carga negativa del anión fenolato y en el segundo ejemplo el grupo metoxi lo desestabiliza. Por lo tanto, los grupos aceptores de electrones aumentan la acidez de los fenoles y los grupos dadores de electrones la disminuyen.

2.

13,9 gramos de p-nitrofenol (pKa = 7,15 y Peso Molecular = 139) se disuelven en un litro de agua y se ajusta el pH a 8. ¿Cuál es la concentración de la base conjugada del p-nitrofenol?

23

RESOLUCIÓN: 13,9 g de p-nitrofenol corresponden a 0,1 moles del compuesto. Si en el equilibrio se forman x gramos de anión p-nitrofenolato, quedan 0,1 - x moles de fenol. O-

OH H2O

+

+

NO2

NO2

O,1 - X

X

H3O

+

Reemplazando en la ecuación de Henderson – Hasselbach: pH = pK + log A- / HA se obtiene 8 = 7,15 + log (x / 0,1 – x) luego x = 0,088 lo que representa aproximadamente un 88 % de disociación.

3.

Asigne a los compuestos A, B, C, D y E los siguientes valores aproximados de pKa: 8,27; 9,35; 10; 10,21 y 16. Ordene los compuestos según su acidez creciente y explique sus diferencias de fuerza ácida. OH

OH

OH

OH

OH

NO2 Br

A

B

OCH3

C

D

E

RESOLUCIÓN: Los 4 primeros compuestos son fenoles (pKa aprox. 10) y el último es un alcohol (pKa aprox. 16). El valor de pKa aproximado para el fenol es 10. Para asignar el valor de pKa a los tres fenoles sustituidos, es preciso analizar los efectos eléctricos de los sustituyentes correspondientes. Br y NO2 son atractores de electrones, luego ambos compuestos tienen valores de pKa menores a 10 y como el grupo nitro es mucho más atractor que el bromo, el compuesto de menor pKa (más ácido) es el m-nitrofenol (8,27), y como el grupo metoxi es un dador de electrones en la posición para (+M > -I) el pKa del p-metoxifenol (menos ácido) es el mayor (10,21). El orden creciente de acidez (pKa) es: E(16) < D(10,21) < A(10) < B(9,35) < C(8,27)

24

4.

Para los compuestos que se indican, asigne a cada uno de ellos los siguientes valores de pKa: 4,73; 9,58; 10,50.

a)

.. CH3 CH2 N CH2 CH2OH

b)

.. CH3CH2NCH2CH3

.. NH2

c)

CH3

CH3

RESOLUCIÓN: a)

9,58

b)

10,50

c)

4,73

Los tres compuestos son aminas y su basicidad está determinada por la posibilidad de captar un protón a través del par de electrones ubicados en el átomo de N (centro de reacción). La amina c es aromática; por lo tanto, es la menos básica de las tres, debido a la deslocalización (resonancia) de los electrones del N en el anillo, disminuyendo fuertemente la densidad electrónica sobre el centro de reacción y por consiguiente bajando considerablemente su basicidad. La diferencia entre las aminas a y b es un átomo de oxígeno (en a) que, por ser más electronegativo que el C, atrae electrones (efecto inductivo) por lo que disminuye levemente la densidad electrónica sobre el centro de reacción.

5.

lndique si los pKa de los compuestos que se señalan a continuación, son mayores o menores que el de la anilina (pKa = 4,58). De una breve explicación. NH2

NH2

NH2

OCH3 Br (a)

(b)

(c)

RESOLUCIÓN: Los dos primeros compuestos (a y b) son aminas alifáticas; por lo tanto, su basicidad debe ser mayor que la de la anilina (amina aromática), siendo b la menos básica de las dos por el efecto inductivo atractor de electrones del grupo OCH 3 (-I). El compuesto c es una amina aromática, menos básico que la anilina porque el efecto inductivo predominante del bromo en posición para es el -I. Por lo tanto, los pKa de a y b deben ser mayores que el de la anilina y el de c debe ser menor.

25

6.

Si el fenol (A) tiene un pKa =10. ¿Qué valores relativos de pKa espera Ud. para el 3-nitrofenol (B) y el 4-nitrofenol (C)? OH

OH

(A)

OH

(B)

(C)

NO2 NO2

RESOLUCIÓN: Los valores de pKa de B y C son menores que 10 por el efecto fuertemente atractor del grupo nitro. El grupo nitro en posición meta (pKa = 9,3) sólo ejerce su efecto inductivo (-I) sobre el centro de reacción, en cambio en posición para hay conjugación directa del grupo nitro ejerciendo ambos efectos (-I, -M) y su valor de pKa es menor (7,2).

7.

Se dispone de las siguientes bases:

pKa

CH3COO

CH3CH2O

4,8

16

(C2H5)2N 35

CH3CH2 45

¿Cuál(es) de estas bases podrá(n) reaccionar significativamente con los hidrógenos marcados de los siguientes compuestos orgánicos en una reacción ácido-base?

CH2

pKa = 34

CH3

CN

pKa = 25

C

CH2

COOCH3

pKa = 10,6

NO2

CH2

NO2

pKa = 3,6

O CH3

26

RESOLUCIÓN: Supongamos dos reacciones de equilibrio ácido – base. En el equilibrio 1, el ácido tiene un valor de pKa menor que 10 y en el equilibrio 2, un valor de pKa mayor. En ambas reacciones, la base tiene un valor de pKa = 10 Equilibrio 1: HA pKa

+

5 ácido fuerte

+

-

B

BH

10

10

5

acido débil

base débil

base fuerte

+

A

Equilibrio 2: HA pKa

25 ácido débil

+

+

B

BH

10 base débil

10 acido fuerte

+

-

A

25 base fuerte

En el equilibrio 1 el ácido y la base fuertes son HA y B respectivamente; es decir, la reacción está desplazada hacia la derecha porque B es una base lo suficientemente fuerte como para captar el protón de HA. + En el equilibrio 2 el ácido y la base fuerte son BH y A respectivamente; es decir, la reacción está desplazada hacia la izquierda, lo que significa que B es una base débil. Estos equilibrios indican que una reacción ácido-base se producirá efectivamente cuando el pKa de la base sea mayor que el pKa del ácido. Por ejemplo, con relación a los compuestos potencialmente ácidos de pKa = 10,6 y 3,6 sólo las bases de pKa 16, 35 y 45 podrán captar el protón del CH 2 de ambos compuestos. En cambio, el ion acetato sólo podrá reaccionar efectivamente con el ácido de pKa = 3,6.

8.

En cada uno de los siguientes pares de compuestos, indique: a) ¿cuál es más básico?:

CH3CH2NH2 H3C

o NH2

CH3OCH2NH2 o

CH2NH2

CH3NHCH3

o

CH3OCH3

27

RESOLUCIÓN:

CH3CH2NH2

o

CH3OCH2NH2

La primera molécula es más básica, porque en la segunda molécula el O atrae electrones del N; por lo tanto, tiene menor basicidad.

CH3NHCH3

o

CH3OCH3

La amina es más básica. El átomo de O es más electronegativo que el de N; por lo tanto, sus electrones no compartidos están más cerca del núcleo y son más difíciles de coordinar con un protón.

H3C

NH2

o

CH2NH2

La segunda molécula es más básica. La primera molécula corresponde a una amina aromática (NH2 unido a Csp2) en la que el par de electrones se puede deslocalizar en el anillo y la segunda a una amina alifática (NH2 unido a Csp3) donde los electrones al estar separados del sistema aromático están localizados en el centro de reacción.

b)

¿cuál es más ácido?: Ácido benzoico o ácido m-metilbenzoico m-nitrofenol o p-metoxifenol acetona o 2,4-pentanodiona

RESOLUCIÓN: El ácido benzoico es más ácido que el ácido m-metilbenzoico. El grupo metilo cede electrones dificultando la ruptura del enlace O - H. El m-nitrofenol es más ácido que el p-metoxifenol. El grupo nitro es aceptor de electrones (> acidez) y el grupo p-metoxi es un dador de electrones (< acidez). La 2,4-pentanodiona es más ácida que la acetona. Los hidrógenos del CH2 son potencialmente ácidos por estar entre 2 grupos carbonilos (aceptores de electrones; > acidez).

28

9.

Dos ácidos benzoicos monosustituidos e isómeros A y B, presentan los siguientes valores de pKa: 4,09 y 4,47 respectivamente. El análisis elemental de ambos presenta los siguientes datos: C 63,16% - H 5,26%. Si el peso molecular de los isómeros es 152, calcule la fórmula global molecular, escriba la estructura más probable de los isómeros y, sin considerar la isomería orto, asígneles, a cada uno, el valor de pKa que corresponda, dando una breve explicación para esto último.

RESOLUCIÓN: El análisis elemental indica que hay un 31,58% de oxígeno. Dividiendo cada % por su peso atómico se obtiene la proporción de estos tres elementos en A (o B). De aquí se deriva la formula global que es C8H8O3. Como son ácidos benzoicos monosustituidos, el sustituyente más probable debe ser metoxi, luego las estructuras de A y B deben ser: COOH

COOH

OCH3 OCH3

Si el isómero A tiene un pKa de 4,09 y el isómero B, un pKa de 4,47, A corresponde al ácido m-metoxibenzoico porque el sustituyente metoxi, en la posición meta, es un atractor de electrones (predomina su efecto -I) y B corresponde al ácido pmetoxibenzoico porque el sustituyente metoxi, en la posición para, es un dador de electrones (predomina el efecto +M)

10.

El pKa de la anilina (A) es de 4,58 y el de la bencilamina (B) es de 9,33. NH2 (A)

CH2NH2 (B)

NH2 (C)

NO2

CH2NH2 (D)

NO2

a) ¿en qué caso esperaría mayor diferencia en el valor de pKa con relación al compuesto no sustituido? ¿En el caso de C con relación a A o en el de D con respecto a B? b) las basicidades y los valores de pKa de C y D ¿serán mayores o menores que A y B respectivamente? Explique brevemente.

29

RESOLUCIÓN: a)

b)

11.

En todos los casos el centro de reacción es un grupo NH 2. Al comparar C con A: vemos que en C el grupo nitro está directamente conjugado con el centro de reacción, lo que determina que la densidad electrónica sobre el N del NH2 disminuye notablemente, por lo que la diferencia de pKa debe ser grande. En cambio al comparar B con D: vemos que en éste último el grupo nitro y el centro de reacción no están conjugados, porque están separados por un grupo CH2; luego el efecto del grupo nitro es menor ya que no hay interacción directa con el centro de reacción por lo que la diferencia de pKa debe ser menor. Por el efecto atractor de electrones del grupo nitro, tanto C como D deben ser menos básicos que A y B respectivamente, por lo tanto sus valores de pKa deben ser menores.

Dados los siguientes valores de pKa para los ácidos (A) y las bases (B), explique brevemente, ¿cuál es el efecto eléctrico de los grupos OCH3 y SCH3, en cada caso, sobre cada centro de reacción? R

OH (A)

R OCH3 SCH3 H

pKa A 10,21 9,53 9,95

R

NH2 (B)

pKa B 5,29 4,40 4,58

RESOLUCIÓN: Un sustituyente siempre tendrá el mismo efecto eléctrico. Sabemos que el grupo p-metoxi (+M > -I) siempre ejerce un efecto dador de electrones sobre el centro de reacción ubicado en la posición para, cualquiera que sea el centro de reacción. El fenol tiene un pKa (=) 10 por lo que el p-metoxifenol debe ser menos ácido y así se refleja en su valor de pKa (10,21). La anilina tiene un pKa = 4,58 por lo que la p-metoxianilina debe ser más básica que la anilina y así se refleja en su valor de pKa (5,29). El tiometilfenol tiene un pKa = 9,53. Esto significa que el sustituyente tiometil es un atractor de electrones en esa posición (-I > +M), luego es más ácido que el fenol. Por el mismo razonamiento, la basicidad de la tiometilanilina debe ser menor que la de la anilina (4,40).

30

12.

Complete los siguientes equilibrios, indicando ácidos y bases fuertes y débiles y hacia donde está desplazado el equilibrio, en cada caso.

pKa

9,53

4,40

RESOLUCIÓN:

OH

NH2

+

+

SCH3 pKa

9,53 ácido débil

NH3+

O

SCH3 4,40 base débil

SCH3 9,53 base fuerte

SCH3 4,40 ácido fuerte

El equilibrio está desplazado hacia la formación del ácido y la base más débil, luego está desplazado hacia los reactantes.

31

3.

PROBLEMAS ADICIONALES

1.

Los pKa de algunos ácidos carboxílicos (a) y fenoles (b) se indican a continuación. a) COOH

COOH CH3 COOH

4,17

Cl CH2 COOH Cl 4,03

4,76

2,86

Nota: La variación de pKa es pequeña entre los ácidos carboxílicos aromáticos y mayor entre los ácidos carboxílicos alifáticos. b) OH

OH

CN

N O

7,95

OH

CH3

CN

OH

CH3

CH3

CH3

O

N O

O

7,16

8,21

8,25

Nota: La variación de pKa es pequeña entre los cianoderivados y mayor entre los nitroderivados. Observe que el grupo nitro ocupa un gran espacio por la distribución de sus átomos. Explique brevemente estos comportamientos para ambos casos.

2.

El pKa del ácido n-octanoico (en agua a 25º C) es 4,89 y el del ácido bromoacético es 2,89. ¿Cuál es el ácido más fuerte? ¿En cuánto se diferencian sus constantes de disociación ácida Ka?

3.

a)

Ordene en forma creciente de acidez: OH OH

A

B

OH C Br

b)

Ordene en forma creciente de basicidad: NH2 A

NH2 B

NH2 C

32

4.

Disponga los siguientes grupos de ácidos en orden creciente de acidez, sin consultar los valores correspondientes de pKa en tablas. a) CH3CH2COOH , BrCH2COOH , CH3COOH b) benzoico , p-nitrobenzoico y p-metoxibenzoico c) CH3CH2OH , CH3CH2NH2 , CH3CH2COOH

5.

Los valores de pKa para los compuestos (A) y (B) son 45 y 16, respectivamente. H H H H

B

A

En una reacción idealmente de equilibrio entre ambos compuestos y la etilamina, explique, hacia qué lado está desplazado el equilibrio en cada caso, sabiendo que el pKa de etilamina es 35.

6.

Indique, en cada par de compuestos, ¿cuál de ellos tiene el valor de pKa menor?

a) fenol o ciclohexanol c) amoníaco o anilina e) propano o acetileno

7.

b) alcohol bencílico o ácido benzoico d) ácido 2-bromopropiónico o ácido 3-bromopropiónico f) etanol o cloroetanol

a) Asigne los valores de pKa : 3,60; 4,03; 4,17; y 4,37, a los siguientes ácidos benzoicos: COOH

COOH

COOH

COOH

Br

CN

CH3

b) Indique para las especies en equilibrio, los ácidos y las bases correspondientes, y determine, hacia que lado está desplazado el equilibrio. Justifique brevemente su respuesta. O

NH3

OH

NH2 +

+ NO2

pKa

4,6

NO2

8,3

33

8.

Ordene los siguientes compuestos en orden ascendente de basicidad y asígneles a cada uno de ellos los siguientes valores de pKa: (-2,4), (0), (5,3), (20), y (27). NH -

NH2

OH O CH3 C

CH2-

O CH3 C

NH2

OCH3

9.

Escriba la estructura de: a) una anilina más básica que la p-metilanilina b) el ácido conjugado del amoníaco c) la base conjugada del metano d) un ácido benzoico sustituido más ácido que el ácido p-clorobenzoico.

10.

El pH del jugo gástrico estomacal fluctúa entre 1 y 2, mientras que el del intestino delgado superior es de alrededor de 8. El pKa de la aspirina (ácido acetilsalicílico) es 3,5 y el del ibuprofeno (ácido-2-(-4-isobutilfenil) propiónico), es 5,2. ¿Se encontrarán ionizados estos compuestos en ambas regiones? ¿Qué porcentaje de ionización tendrán ambos ácidos a pH 4?

CO2H

CO2H

O C

CH3

CO2H COOH

O Aspirina

11.

Ac o-ftálico

Ibuprofeno

Los ácidos dicarboxílicos tienen dos constantes de disociación. Para el ácido ftálico, el primer grupo ácido ioniza con un pKa = 2,98 y el segundo con un pKa = 5,28. Explique esta diferencia de pKa de ionización. ¿Por qué el segundo grupo carboxilo es mucho menos ácido que el primero?

CO2H CO2H

COO

CO2H Ka1

-

COO

Ka2

-

COO

34

12.

¿Compare el valor del pKa para el ácido acético en tolueno, en agua y en una mezcla agua-etanol = 1:1? Explique brevemente.

13.

Indique si las siguientes aseveraciones son verdaderas o falsas a) Un ácido carboxílico tiene un pKa mayor que el de su base conjugada. b) El ácido propiónico sustituido en el CH2, tendrá un pKa mayor que el del ácido propiónico, si el sustituyente tiene un efecto inductivo –I. c) Un fenol de pKa=8 es dos veces más ácido que un fenol de pKa=10. d) La anilina es una base más débil que el amoníaco.

14.

Encierre con un círculo los hidrógenos más ácidos de cada uno de los siguientes compuestos: H

H

CH2

CH2

CH3

CH3 H

(I)

15.

O

H

H

O

C

CH2

H

(II)

(III)

Cuál de los grupos OH (I ó II) presenta el valor más alto de pKa? O HO (I)

O

C

CH

CH

OH (II)

CH3

35

ALCANOS 1.

CONCEPTOS GENERALES

Su fórmula general es CnH2n+2 para moléculas lineales y CnH2n para moléculas cíclicas. Se describen como hidrocarburos saturados.

ISÓMEROS: son compuestos que tienen la misma cantidad de átomos y de la misma especie pero difieren en la forma en que están dispuestos. Ejemplo:

C4H10

n- butano

CH3CH2CH2CH3

isobutano (2-metilpropano) CH3CHCH3 CH3

GRUPOS ALQUILO: La estructura parcial que queda al extraer un átomo de hidrógeno de un alcano se denomina GRUPO ALQUILO. Éstos se nombran sustituyendo la terminación –ano por –ilo (o –il dentro de nombres químicos específicos).

ESTRUCTURA ESPACIAL: en los alcanos, cada carbono tiene hibridización sp3. Los ángulos de enlace H – C – H son de 109,5º para el metano y levemente superiores para los demás alcanos. En el etano, longitud del enlace C-C es de 1,54 Å y la del enlace C-H es de 1,10 Å. Cada enlace C – H es un enlace  resultante de la superposición de un orbital híbrido sp3 del carbono con un orbital s del hidrógeno. Los enlaces C – C resultan de la superposición de dos orbitales sp3. enlace sigma 1s -sp3 H

H

H

H

H H

H

109,5º

H

H

H enlace sigma sp3 - sp3

H º 1,54 A

º 1,10 A

H

36

NOMENCLATURA DE ALCANOS DE CADENA ABIERTA: Para ello se debe: 1.- Determinar cuál es el hidrocarburo principal: a) Hallar la cadena continua más larga de átomos de carbonos presente en la molécula y usar el nombre de esa cadena como nombre de la “parte principal”. b) Si hay dos cadenas diferentes con igual longitud, se toma como “parte principal” la que tenga la mayor cantidad de ramificaciones. 2.- Numerar los átomos de la cadena principal: a) Se numera cada carbono en la cadena principal a partir del extremo más cercano a la primera ramificación. b) Si hay sustituyentes a distancias iguales de ambos extremos de la cadena principal, el sustituyente de menor numeración es el citado primero por orden alfabético. 3.- Identificar y numerar los sustituyentes: a) Se le asigna un número a cada átomo, de acuerdo a su ubicación dentro de la cadena principal. b) Si hay dos sustituyentes en el mismo C, se le asigna el mismo número. 4.- Escribir el nombre en una sola palabra Se usan guiones para separar los diferentes prefijos y comas para separar los números. Si hay dos o más sustituyentes diferentes, se citan en orden alfabético.

NOMENCLATURA DE ALCANOS CÍCLICOS: se nombran como el alcano lineal de igual número de átomos de carbono, anteponiendo el prefijo ciclo.

NOMENCLATURA DE ALCANOS BICÍCLICOS: Se caracterizan por tener dos ciclos con un lado común. Los átomos de C que son comunes a ambos ciclos se llaman CABEZAS DE PUENTE.

C1

: cabezas de puente Los biciclos se numeran partiendo desde una cabeza de puente (C 1) continuando la numeración por la cadena de mayor longitud hasta la otra cabeza de puente. Luego, se sigue con el otro puente hasta volver al C1. Por último, si los hay, se numeran los átomos ubicados entre los cabezas de puente. El nombre principal de la molécula (después de los sustituyentes) tiene el prefijo BICICLO seguido por los números, separados por puntos encerrados entre paréntesis cuadrado, que corresponde a las longitudes de los puentes de mayor a menor y, por último, el nombre del alcano correspondiente.

37

NOMENCLATURA DE ALCANOS ESPIROS: Se caracterizan por tener dos ciclos unidos por un átomo de carbono común. Este átomo de carbono se llama ESPIRO. El C1 es el carbono vecino al carbono espiro y pertenece al anillo menor. El sentido de la numeración está dado por la necesidad de dar a los sustituyentes la menor numeración.

C1

: C espiro Un compuesto espiro se nombra anteponiendo los sustituyentes con sus números de posición, seguido por la palabra ESPIRO y en paréntesis cuadrado, en orden creciente, el número de átomos de carbonos de ambos puentes.

REACCIONES DE ALCANOS DE CADENA ABIERTA: 1) Pirólisis (cracking):

400 - 600º, con o sin catalizadores

ALCANO

H2 + ALCANOS MENORES + ALQUENOS

2) Combustión: CnH2n+2 + EXCESO O2

llama

nCO2 + (n+1) H2O

3) Halogenación: C

H + X2

 ó

C

X + HX

Generalmente una mezcla

Reactividad: X2 : Cl2 > Br2 H: 3º > 2º > 1º > CH3-H 4) Isomerización:

AlCl3,HCl

CH3CH2CH2CH3

CH3 CH3CHCH3

SÍNTESIS DE ALCANOS DE CADENA ABIERTA: a) a.1.

Conservando la longitud de la cadena: Hidrogenación catalítica de alquenos:

C

C

+

H

H

C

C

CATALIZADOR

H

H

CATALIZADORES MÁS UTILIZADOS: Pt, Pd, Ni

38

a.2.

Reducción de halogenuros de alquilo: Zn, HCl

R a.3.

CH2X

R

H

Usando el reactivo de Grignard: éter anhidro

RCH2X + Mgº H

RCH2MgX +

b) b.1.

CH2

RCH2MgX (rvo. de Grignard) R

A

CH2 H +

Mg(A)X

Reducción de compuestos carbonílicos (C=O) Método de Clemmensen (medio ácido): HCl

C b.2.

O

CH2 +

Zn (Hg)

+

ZnCl2

Método de Wolff-Kishner (medio alcalino): NaOH

C b.3.

NH2 NH2

O +

CH2 + N2 +H2O

Método de los Tioacetales (medio neutro): SH C

O

S

F3B

+

Alargando la cadena: Método de Wurtz:

2 RCH2X + 2 Naº c.2.

CH2 + C2H6 + NiS S

SH

c) c.1.

Ni (Raney)

C

RCH2 CH2R + (simétrico)

Método electrolítico de Kolbe: e RCH2COO

RCH2COO

RCH2COO

RCH2 +

2 RCH2

RCH2CH2R (simétrico)

CO2

2 NaX

39

c.3.

Método de Corey- House: éter

R

X +

RLi R2CuLi

+

Li (exceso)

RLi + R2CuLi

CuI

LiX

+

LiI

R R' + RCu + LiX (asimétrico o simétrico)

+ R´X

ESTEREOQUÍMICA: rama de la química que se ocupa de los aspectos tridimensionales de las moléculas.

CONFORMACIONES: diferentes representaciones de una molécula generada por rotación alrededor de enlaces simples. Cada una de ellas es un confórmero (rotámero).

CONFORMACIÓN ALTERNADA: conformación en donde los enlaces sobre carbonos adyacentes está lo más lejos posibles entre sí.

CONFORMACIÓN ECLIPSADA: conformación en la que todos los enlaces adyacentes están lo más cercano posible. Por ejemplo, los enlaces C-H indicados en la siguiente estructura. H H

CONFORMACIÓN BOTE: conformación inestable del ciclohexano. Es una conformación eclipsada.

40

CONFORMACIÓN BOTE TORCIDO (o BOTE GIRADO): conformación inestable del ciclohexano. Es ligeramente más estable que la conformación bote.

CONFORMACIÓN SILLA: la conformación más estable del ciclohexano. Es una conformación alternada.

GAUCHE (SESGADO): término que describe la posición relativa entre sí de dos sustituyentes (X, Y) sobre átomos de carbono adyacentes cuando el ángulo entre sus enlaces es del orden de 60º.

X H

Y H

H H

ENLACE AXIAL: enlaces paralelos entre sí en la conformación silla del ciclohexano orientado como los seis enlaces “arriba y abajo” representados en la figura. Cada posición axial es gauche a las posiciones ecuatoriales vecinas y anti a las posiciones axiales vecinas.

enlace axial

enlace axial

41

ENLACE ECUATORIAL: posición de los enlaces orientados aproximadamente hacia el ecuador de la molécula. Cada posición ecuatorial es gauche tanto a las posiciones ecuatoriales como a las axiales vecinas. enlace ecuatorial

enlace ecuatorial

INTERCONVERSIÓN DEL ANILLO: proceso por el cual una configuración silla del ciclohexano se transforma en una conformación silla, que es su imagen especular. Todos los sustituyentes ecuatoriales quedan axiales y viceversa. También se llama inversión del anillo.

INTERACCIÓN 1,3 – DIAXIAL: fuerzas repulsivas entre los sustituyentes axiales de un mismo lado del anillo del ciclohexano.

PROYECCIÓN DE NEWMAN: método para describir las conformaciones en el que la molécula se observa a través de un enlace C-C. El carbono de adelante se representa por un punto y el de atrás por un círculo, por ejemplo:

42

TENSIÓN ANGULAR: la tensión que una molécula posee debido a que sus ángulos de enlace varían con relación a sus valores normales.

TENSIÓN DE TORSIÓN: disminución de la estabilidad de una molécula como resultado de enlaces vecinales eclipsados.

TENSIÓN ESTÉRICA (o VAN DER WAALS): desestabilización resultante de la repulsión resultante del acercamiento excesivo entre dos átomos.

43

2.

EJERCICIOS RESUELTOS

1.

Nombrar los siguientes compuestos, según IUPAC: a)

b)

c)

d)

RESOLUCIÓN: a) El hidrocarburo principal contiene seis átomos de carbonos: HEXANO. Se numera a partir del extremo más cercano al primer sustituyente. 3 En los carbonos 2 y 4 hay sustituyentes (en 1 4 5 2 6 este caso, son iguales): metilo –CH3. El nombre completo será: 2,4-dimetilhexano. b) El hidrocarburo principal contiene siete átomos de carbonos: HEPTANO. Se numera a partir del extremo más cercano al primer sustituyente. 3 En los carbonos 2 y 5 hay sustituyentes (en 1 7 2 5 este caso, son iguales): metilo –CH3. 4 6 El nombre completo será: 2,2,5,5-tetrametilheptano. c) El hidrocarburo principal contiene nueve átomos de carbonos NONANO. Se numera a partir del extremo más cercano al primer sustituyente (en este caso prima el grupo etilo (orden alfabético). En los carbonos 3 y 5 poseen etilo (-CH2CH3) y en el carbono 7 un metilo 9 1 5 3 7 (-CH3). 6 8 4 2 El nombre completo será: 3,5-dietil-7-metilnonano. d) El hidrocarburo principal es un cicloalcano: CICLOHEXANO. Posee un solo sustituyente (propilo); por lo tanto no posee numeración. El nombre completo será: propilciclohexano.

44

2.

Escriba las estructuras de los siguientes compuestos: a) neopentano b) 2,3,4,5-tetrametilheptano c) 4,5-diisopropilnonano

d) 3-etil-2,4-dimetilheptano e) 1,1-dimetilciclopentano f) 1,4-dimetilciclohexano

RESOLUCIÓN: a) El nombre IUPAC es: 2,2-dimetilpropano

d)

CH3 1

H3C C CH3

2

4

5

3

6

7

CH3 b)

e) 1

2

3

4

6

7

1

5

c)

f) 1

2

3

7 6

4 5

3.

8

9

1

6 5 4 2 3

a) Nombre el siguiente alcano bicíclico:

RESOLUCIÓN: 1.- Los biciclos se numeran partiendo desde una cabeza de puente (C1) cubriendo, en primer lugar, la cadena de mayor longitud hasta la otra cabeza de puente. Luego, se sigue con el otro puente hasta volver al C1. Por último los puentes entre los cabezas de puente:

45

1

3 2

5

4

6

9 8

7

2.- Dar nombre a los sustituyentes, respetando la jerarquía creada por la longitud de los puentes aún cuando no hayan sustituyentes en el puente mayor: 1-(1-etilpropil) 3-(3,5-dimetilciclohexil) 7-(1-metilpropil) 3.- El nombre principal de la molécula sería: 3-(3,5-dimetilciclohexil)-1-(1-etilpropil)-- 7-(1-metilpropil) biciclo [4.3.0] nonano

b) Dibuje el siguiente biciclo: 7-ciclohexil-1,8-dimetil-3,5-bis(metiletil)-9-(1-metilpropil)biciclo[4.2.1]nonano RESOLUCIÓN:

9

4

5

6 7

3 2

4.

a)

1

Nombre el siguiente alcano espiro:

8

46

RESOLUCIÓN: 1.- El C1 es el carbono vecino al C espiro y pertenece al anillo menor. El sentido de la numeración está dado por la necesidad de dar a los sustituyentes la menor numeración.

3 2

4

11 10

5

9 8

1

6

7

2.- Dar nombre a los sustituyentes, respetando la jerarquía creada por la longitud de los puentes aún cuando no hayan sustituyentes en el puente mayor: 2-(3,3-dimetilbutil) 6-ciclohexil 7,9-bis(metiletil) 10,10-dimetil 3.- El nombre principal de la molécula sería: 6-ciclohexil-2-(3,3-dimetilbutil)-10,10-dimetil-7,9-bis(metiletil)espiro[4.6]undecano b)

Dibuje el siguiente espiro: 1-etil-6-propilespiro[3.6]decano

RESOLUCIÓN: 9

Sustituyentes en C1 que es un etilo y en C6 que es un propilo.;la palabra espiro ,[3.6], decano ( nº total de carbonos)

10

8

1 2 4

7

6 5

5.

3

En la reacción general de monocloración por radicales 2-metilpropano, se producen solo dos compuestos: (A) y (B). CH3

CH3 2 CH3

C CH3

H

+

2 Cl2

CH3

C CH3 A

libres

del

CH2Cl Cl

+

CH3

C

H

+ 2 HCl

CH3 B

a) Explique brevemente ¿cuál de los dos intermediarios en la formación de (A) y (B) es el más estable? b) Considerando solo los pasos de inicio y propagación, proponga un mecanismo para la formación de (A) y, considerando solo la propagación, exprese la constante de equilibrio para el mecanismo propuesto.

47

RESOLUCIÓN: a)

El intermediario responsable de la formación de A es más estable ya que es un radical terciario, muy estable, en cambio el intermediario que forma B es un radical secundario, más inestable.

b) h

Cl2

Inicio:

2 Cl

Propagación: CH3

CH3

H3C C

H3C C H + Cl

CH3 + HCl

H3C C Cl

CH3

CH3

HCl

CH3 k = CH3

CH3 H3C C

CH3 +

Cl2

CH3

6.

H3C C H

H3C C Cl + Cl

Cl2

CH3

CH3

A partir de 1-bromo-2-metilbutano y cualquier otro compuesto de 1 ó 2 átomos de carbono necesario, sintetice con buen rendimiento, los siguientes compuestos: a) 2-metilbutano

b) 3,6-dimetiloctano

c) 3-metilhexano

RESOLUCIÓN: a) CH3 BrCH2CHCH2CH3

Mgº / éter

CH3

CH3 BrMgCH2CHCH2CH3

H2O

CH3CHCH2CH3

Otra alternativa: CH3 BrCH2CHCH2CH3

OH- / EtOH

CH3 H2C C CH2CH3

H2 / Pt

CH3 CH3CHCH2CH3

b) CH 3 2 BrCH 2CHCH 2CH3

Naº (Método de Wurtz)

CH 3

CH 3

CH 3CH2CHCH 2 CH 2CHCH 2CH3

48

Otra alternativa: CH3

CH3

Li / éter

BrCH2CHCH2CH3

CuLi

LiCH2CHCH2CH3

CuLi(CH2CHCH2CH3)2 CH3

(Método de Corey - House)

BrCH2CHCH2CH3

CH3

CH3

CH3CH2CHCH2 CH2CHCH2CH3

c) CH3 BrCH2CHCH2CH3

CH3

Li / éter

LiCH2CHCH2CH3

CuLi

CH3 CuLi(CH2CHCH2CH3)2

(Método de Corey - House) CH3CH2Br

CH3 CH3CH2CH2CHCH2CH3

7.

La reacción de RCl con Li en solución etérea forma RLi, el que reacciona con H2O para formar isopentano. Usando el método de Corey - House, RCl puede formar 2,7-dimetiloctano. ¿Cuál es la estructura de RCl?

RESOLUCIÓN: Li éter

RLi

H2O

RCl Corey House

Cl

Li

Li

H2O

éter

Cl CuLi 2

Cl RCl :

49

8.

Dibuje las estructuras del butano con representaciones de caballete y de Newman en las siguientes conformaciones. a) (forma eclipsada)

b) (forma alternada)

c) (gauche)

RESOLUCIÓN: CH3 CH3

CH3 CH3

H H

H

HH

HH

H

CH3 H

H

H

CH3

H

CH3 H

H

H

H

CH3

CH3 H

CH3

CH3

CH3

H

H H

9.

H

H

H

H

Dibuje un gráfico de energía potencial versus ángulo de rotación (60º) de las conformaciones del 2,3-dibromobutano (entre los carbonos 2 y 3). Señale además todos los factores responsables de las diferencias de energías correspondientes.

RESOLUCIÓN: CH3 H

H Br

H3C

H3C

Br

I H H

BrH3C

H3C

II H

H3C

V

Br Br

Br H

Br CH3

CH3

III H

Br

Br CH3 IV

Br Br

HCH3

H

H H

H3C

CH3

Br

VI

H

50

Epotencial

IV

VI

II

III

V

I 0º

60º

120º

180º

240º

300º

360º

ángulo de rotación

Las estructuras I, III y V son las conformaciones más estables, con energía mínima. La conformación III tiene los grupos metilo en posición anti y los átomos de bromo en posición gauche, lo que provoca una tensión estérica. La conformación V tiene los átomos de bromo en posición anti y los grupos metilo en gauche (tensión estérica). Estas conformaciones (III y V) poseen aproximadamente la misma energía potencial. La conformación I tiene los grupos metilos y los átomos de bromo en posición anti; por lo tanto, tiene la energía más baja de las conformaciones. Las conformaciones II y VI poseen una energía más alta ya que sus grupos (metilo y bromo) se encuentran eclipsados. La estructura IV presenta la mayor energía ya que posee ambos grupos metilo eclipsados con los dos átomos de bromo provocando una tensión torsional y estérica; por lo tanto, presenta la energía más elevada de todas las conformaciones.

10.

Dibuje correctamente la estructura de la configuración más estable de cada uno de los siguientes hidrocarburos: a) cis-1-isopropil-3-metilciclohexano c) cis-1-terbutil-4-etilciclohexano

b) trans-1-isopropil-3-metilciclohexano d) trans-1-terbutil-4-etilciclohexano

RESOLUCIÓN: CH3

a) cis-1-isopropil-3-metilciclohexano

H3C

CH(CH3)2

CH(CH3)2

(A)

(B)

La conformación (A) es más estable que la (B) ya que el grupo isopropilo (voluminoso) y el grupo metilo se encuentran en posición ecuatorial. La figura (A) es una conformación muy estable comparada con la figura (B) que presenta ambos grupos en posiciones axiales, presentando interacciones 1,3-diaxiales (tensión estérica).

51

CH3 CH(CH3)2

b) trans-1-isopropil-3-metilciclohexano

H3C

(B)

(A)

CH(CH3)2

La conformación (A) es más estable que la (B) ya que el grupo isopropilo (voluminoso) se encuentra en posición ecuatorial. La figura (A) es una conformación un poco más estable que la figura (B) donde el grupo voluminoso (isopropilo) está en posición axial provocando interacción 1,3-diaxial (tensión estérica). Si se compara el cis-1-isopropil-3-metilciclohexano con el trans-1-isopropil-3metilciclohexano vemos que el isómero cis es más estable que el trans ya que ambos grupos se encuentra en posición ecuatorial. C(CH3)3

C2H5 H5C2 c) cis-1-terbutil-4-etilciclohexano C(CH3)3

(B)

(A)

La conformación (A) es más estable que la (B) ya que el grupo terbutilo (voluminoso) se encuentra en posición ecuatorial. La figura (A) es una conformación un poco más estable que la figura (B) donde el grupo voluminoso (terbutilo) está en posición axial provocando interacción 1,3-diaxial (tensión estérica). C(CH3)3 d) trans-1-terbutil-4-etilciclohexano

H5C2 C(CH3)3 C2H5

(A)

(B)

La conformación (A) es más estable que la (B) ya que tanto grupo terbutilo (voluminoso) como el etilo se encuentran en posición ecuatorial. La figura (A) es una conformación muy estable comparada con la figura (B) que presenta ambos grupos en posiciones axiales, presentando interacciones 1,3-diaxiales (tensión estérica). Si se compara el cis-1-terbutil-4-etilciclohexano con el trans-1-terbutil-4etilciclohexano vemos que el isómero trans es más estable que el cis ya que ambos grupos se encuentra en posición ecuatorial.

52

3.

EJERCICIOS ADICIONALES:

1. a)

2.

Nombrar, según IUPAC, los siguientes compuestos: d)

b)

e)

c)

f)

Escriba el nombre IUPAC de los siguientes compuestos. a) c)

b)

3.

d)

La bromación y la cloración del metano son reacciones exotérmicas, pero, a igualdad de condiciones, la bromación transcurre a menor velocidad. Explique este hecho experimental en función de los factores que afectan a la velocidad, suponiendo que la etapa que controla la velocidad es: X.

+

CH4

HX

+

CH3 .

53

4.

Indique las diferentes combinaciones de RX y R’X (Método de Corey-House), que pueden utilizarse para sintetizar 3-etilhexano.

5.

Formule las ecuaciones correspondientes a las siguientes reacciones, indicando los productos obtenidos: a) 2-bromo-2-metilpropano + Mg / éter anhidro b) el producto obtenido en (a) + H2O c) el producto obtenido en (a) + D2O .

6.

Utilizando métodos diferentes en la síntesis de cada uno de los compuestos, “A” y “B”, haga los esquemas de síntesis correspondientes a partir de reactivos orgánicos de menor número de átomos de carbono, y cualquier otro reactivo inorgánico necesario. (Excluya el método de Wurtz para la síntesis de estos compuestos.) CH3 CH2 CH2 "A"

7.

CH2 CH

CH3

"B"

A partir de halogenuros de alquilo o ácidos carboxílicos de no más de seis átomos de carbono, sugiera un método de síntesis para la preparación de los siguientes alcanos: a) 3-metilbutilciclopentano b) 2,5-dimetilhexano Emplee métodos de síntesis distintos para (a) y (b)

8.

Utilizando halogenuros de alquilo de no más de 5 átomos de carbono y los reactivos necesarios, sintetice: a) 3-metilpentano

9.

b) 2,4-dimetilheptano

c) butilciclobutano

Usando reactivos orgánicos e inorgánicos adecuados, haga un esquema para obtener: a) 2-metilpentano a partir de cloruro de isobutilo

10.

b) 1,2-bis-(4-metilciclohexil)-etano

Construya un diagrama cualitativo de energía potencial para la rotación en 60º alrededor del enlace entre los carbonos C2 y C3 del 1,2-diclorobutano. ¿Cuál conformación se esperaría que fuera más estable? Indique las conformaciones gauche y anti del 1,2-diclorobutano.

54

11.

Dibuje un gráfico de E potencial vs. ángulo de rotación de las conformaciones del 2,3-dimetilbutano (considerando el enlace entre los carbonos 2 y 3) y señale todos los factores responsables de dichas diferencias de energía.

12.

Usando la proyección de Newman o caballete, dibuje adecuadamente un anillo de ciclohexano en la conformación silla e identifique todas las posiciones como axiales o ecuatoriales.

13.

a) Explique brevemente la tensión del anillo (tensión angular) en el ciclopropano, en términos de la geometría y la superposición de orbitales. b) ¿Qué factor, además del ángulo de tensión, contribuye a la tensión total del anillo del ciclopropano?

14.

Dibuje correctamente la estructura de los siguientes compuestos:

a) cis- 1,2-dibromociclopentano c) trans- 1,2-dimetilciclopropano

15.

b) ácido trans-1,3-ciclopentanodicarboxílico d) ácido cis-1,3-ciclobutanodicarboxílico

Justificando brevemente su elección, responda si es verdadera o falsa cada una de las siguientes aseveraciones: a) En la halogenación del isobutano, el bromo es muy selectivo y en condiciones adecuadas, se obtiene mayoritariamente el 2-bromo-2metilpropano. b) La función de un catalizador es reducir la energía de activación de una reacción; por lo tanto, afecta el cambio neto de la energía total del proceso. c) Para obtener el 2,2,5-trimetilheptano con buenos rendimientos por el método de Corey - House, se sintetiza de la siguiente manera: Br Br

Li

Li

CuLi

CuLi 2

d)

e)

f)

2,2,5-trimetilheptano

En la conformación gauche, la diferencia de energía se debe a que los grupos voluminosos están muy cercanos entre sí provocando una tensión denominada tensión estérica. El ciclobutano tiene mayor tensión angular que el ciclopropano, pero menor tensión torsional por su mayor cantidad de hidrógenos en el anillo. Para alivianar esas tensiones, este anillo se flexiona ligeramente provocando una disminución de las tensiones angulares y un aumento de la tensión torsional. Si se compara el cis-1-isopropil-3-metilciclohexano con el trans-1isopropil-3-metilciclohexano, se observa que el isómero trans es más estable que el cis ya que ambos grupos se encuentran en posición ecuatorial.

55

16.

Para la obtención de cloroformo (CHCl3) por reacción de diclorometano (CH2Cl2) y cloro (Cl2) en presencia de luz. a) Escriba los pasos de propagación que llevan a la formación del producto. b) Dibuje el perfil de energía vs coordenada de reacción para esta etapa, indicando claramente: reactantes, productos, intermediario, estado de transición, energía de activación y calor de reacción. c) Calcule el ∆H de la etapa de propagación indicando si la reacción es endo o exotérmica. E enlace (kcal/mol): C-H = 104; Cl-Cl = 58; C-Cl = 84; Cl-H = 103.

56

ALQUENOS 1.

CONCEPTOS GENERALES

Alqueno: es un hidrocarburo con al menos un par de átomos de carbono adyacentes con hibridación sp2 constituyéndose en una unidad estructural y funcional.

Enlace : es un tipo de enlace que se produce cuando los electrones ocupan un orbital  formado por la superposición de dos orbitales p paralelos en átomos de carbono vecinos.

ESTRUCTURA ESPACIAL: en los alquenos, cada carbono del doble enlace tiene

hibridización sp2. Aproximadamente, los ángulos de enlace H – C – H son de 120º. Cada enlace C – H es un enlace  resultante de la superposición de un orbital híbrido sp2 del carbono con un orbital s del hidrógeno. El doble enlace está formado por un enlace  que resulta de la superposición de dos orbitales sp 2 y un enlace  formado pòr la superposición de dos orbitales p sin hibridizar, paralelos entre si y perpendiculares a los 5 enlaces  involucrados en el doble enlace. El enlace  adicional hace que un doble enlace sea más corto y de mayor energía enlace pi orbital 2py

H

H

H

121º

H

enlace sigma 1s - sp2 118º

H

H

º 1,34 A

º 1,09 A

H

enlace sigma sp2 - sp2

Funcionalidad: es una característica estructural de una especie molecular que la asocia a una reactividad que le es característica.

Nomenclatura: hay dos tipos, una asociada a la posición y número de dobles enlaces (IUPAC), y la otra asociada a la distribución espacial de los átomos directamente unidos a los carbonos sp2 del alqueno (CIP).

Estereoisómero cis o Z (de zusammen, juntos): es aquel alqueno en el que los sustituyentes de mayor prioridad están al mismo lado del doble enlace. Figura(A).

H

57

Estereoisómero trans o E (de entgegen, opuesto): es aquel alqueno en el que los sustituyentes de mayor prioridad están en lados opuestos del doble enlace. Figura (B).

Sustitución en alquenos: si un alqueno presenta sólo un sustituyente unido a uno de los carbonos sp2 del doble enlace, se denomina alqueno monosustituido; si tiene dos sustituyentes, se llama alqueno disustituido, etc.

Estabilidad de alquenos: un isómero cis (Z) es menos estable que su isómero trans (E). Por otra parte, un alqueno es más estable mientras más sustituido esté. Por ejemplo, en la hidrogenación catalítica de los tres alquenos que se presentan a continuación, para originar 2-metilbutano, se observa que a mayor sustitución, mayor estabilidad del alqueno. CH3 H 3C

H

CH

H

H CH3 C H2

H

H3C H3C H3C

H

H CH3

H2

CH3

CH

CH2

CH3

CH3

Regla de Saytzeff: en una reacción de eliminación donde se pueden producir varios alquenos, generalmente se produce en mayor cantidad el alqueno más sustituido (más estable), llamado también producto Saytzeff.

Orientación Hofmann En una reacción de eliminación, la formación del producto menos sustituido se dice que transcurre con orientación Hofmann.

58 EtO

CH CH3

CH3 CH2 CH

EtOH

70 %

CH3 CH2 CH2 CHBr CH3

+ CH3 CH2 CH2 CH 30 %

Producto Saitzeff t-BuO t-BuOH

Producto Hofmann

CH2

+ CH3 CH2 CH2 CH

CH CH3

CH3 CH2 CH

CH2

27 %

73 %

Reordenamiento de carbocationes: en una síntesis de alquenos por deshidratación de alcoholes en medio ácido, se forman carbocationes intermediarios que pueden reordenarse a otros más estables. CH3 H3C

C

CH3

CH3 H3C

C H

CH3

C

C

H3C

C

H

CH3

carbocatión 2º

CH3

CH3

C

CH3

CH3 H

reordenamiento

carbocatión 3º

Reacciones de alquenos: ► Ozonolisis reductiva: reacción de ruptura de un doble enlace por adición de ozono y tratamiento posterior con cinc y agua. R1

R3 C

C

R2

R1

O3

R2

H

R1

R3 C

C

O

O

H

R2

O

R3

C

C

O

O

H

O

R1

O C

R2

R3 C

R1

Zn / H2O

C

H O

R3 + O

O

C H

R2

O

+ Zn(OH)2

CETONA

ALDEHÍDO

► Ozonolisis oxidativa: reacción de ruptura de un doble enlace por adición de ozono en presencia de un oxidante como KMnO4. La reacción es similar a la ozonolisis reductiva, pero, si se forman aldehídos, se oxidan rápidamente a ácidos carboxílicos por la acción del oxidante presente. R O

C H

Aldehido

KMnO4

R O

C OH Ácido carboxílico

59

REACCIONES DE ADICIÓN: ■ Regla de Markovnikov: esta regla estipula que, cuando se adiciona una -

molécula polar A+ – B a un enlace múltiple, A+ se adiciona al carbono menos sustituido, vale decir al que contiene más hidrógenos. (El reactivo y el dipolo deben ser asimétricos).

■ Reacción de adición Anti: reacción en la que los dos componentes de un reactivo X – Y se adicionan sobre lados opuestos de un alqueno. Y H

H

C

R

C

H

+ X

R

Y

H

C

R

C

R

X

■ Reacción de adición Syn: en esta reacción, las dos partes del reactivo X – Y se adicionan por el mismo lado del plano del doble enlace. H

H

C

R

C

H

+ X

R

Y

R

H

C

C

X

Y

R

■ Reacción de adición de HBr, HCl o HI: según la regla de Markovnikov, un

reactivo asimétrico debe adicionarse al doble enlace de modo que el H + se adiciona al carbono menos sustituido y el Br (Cl, I) al más sustituido, por ejemplo:

CH3

CH

CH2

+

HBr

CH3

CHBr

CH3

■ Reacción de adición de HBr en presencia de peróxidos: esta reacción de adición transcurre a través de la formación de radicales libres, obteniéndose un producto en el que se observa una adición anti Markovnikov. CH3

CH

CH2

+

peróxidos

HBr

CH3

CH2

CH2Br

■ Reacción de hidrogenación catalítica: los alquenos reaccionan con hidrógeno (H2) en presencia de un catalizador (Pt, Pd) para originar alcanos, a través de una reacción syn. CH3

CH3

H2 , Pt H CH3

25 ºC

CH3 H

60

■ Reacción de adición de halógenos (Br2, Cl2): esta reacción es un ejemplo de adición anti.

H

Br

Br2

H

CCl4

H

Br

H

■ Reacción de formación de halohidrinas: en esta reacción, el halógeno (X2) actúa en presencia de agua. Es una adición anti y en el producto de la reacción se observa una adición neta de HO – X.

HO + X2 + H2O X

■ Hidroboración-oxidación: es un conjunto de reacciones consistentes en la adición syn de los enlaces B – H de diborano (1/2 B2H6) a un doble enlace, seguido de la oxidación del organoborano formado, obteniéndose un alcohol como producto final. El producto neto es la adición anti Markovnikov de agua al doble enlace.

3R

CH = CH2

BH3

H2O2

H3BO3

NaOH

3R

CH2

CH2OH

■ Oximercuración-demercuración: en esta reacción un alqueno es tratado con acetato mercúrico en tetrahidrofurano acuoso y posteriormente, el producto formado se reduce con borohidruro de sodio convirtiéndose en un alcohol. La adición de los elementos del agua al doble enlace ocurre según la regla de Markovnikov. Es una reacción regioselectiva y no se observan reordenamientos de la cadena hidrocarbonada. 1) Hg(OAc)2 / H2 O RCH

CH2

2) NaBH4 THF

RCHOHCH3

61

■ Epoxidación: es la transformación de un alqueno en un epóxido (llamado también oxirano) cuando es tratado con un peroxiácido. R1 H

R2

R1 H

C

H

O

C

O

C

O O

+ C

C

O

H

H

C CH3

R2

O

H

CH3

EPÓXIDO

■ Hidroxilación syn: reacción en la cual un alqueno es transformado en un diol vecinal por la acción de KMnO4 ó OsO4. Ambos grupos hidroxilos se adicionan por el mismo lado del plano del alqueno, formándose un diol cis.

KMnO4

H

H

O

O

H2O

H

H

OH

OH

OH Mn O

O

■ Hidroxilación anti: reacción en la cual un alqueno es transformado en un diol vecinal por la hidrólisis de epóxidos. Ambos grupos hidroxilos se adicionan por lados contrarios en relación al plano del alqueno, formándose un diol trans. H

OH

H3O O H

H2O

H H OH

62

REACCIONES DE SÍNTESIS: ● Deshidrohalogenación: esta reacción se realiza usando un halogenuro de alquilo como sustrato y una base fuerte (alcóxidos) a temperaturas generalmente elevadas. CH3O R

CHBr

CH2

R'

R

CH

CH

R'

+ CH3OH

+

Br

● Deshidratación de alcoholes: cuando es catalizada por ácidos, se observa que los alcoholes terciarios reaccionan más rápido que los secundarios y éstos más rápido que los primarios, por la formación de carbocationes como intermediarios. OH R

C R'

CH

H+

R'''

- H2O R''

R

R''

R

R'''

R'

R''

+ R'

R'''

● Reacción concertada: es una reacción en la que todas las rupturas y formaciones de enlaces ocurren simultáneamente; por tanto, es una reacción sin intermediarios ya que ocurre en una sola etapa.

Dienos conjugados: se refiere a un sistema donde se alternan enlaces simples y dobles. En la estructura conjugada más simple (1,3-butadieno) hay orbitales p en cuatro átomos consecutivos, de modo que hay deslocalización de los electrones en todo el sistema conjugado, disminuyendo su energía. Por esta razón los dienos conjugados son más estables que los dienos aislados, en los que al menos un carbono con hibridización sp3 aísla los dobles enlaces, impidiendo la deslocalización de electrones.

Dienófilo: especie que reacciona con un dieno. ● Reacción de Diels y Alder: es una reacción concertada donde se produce la síntesis de anillos de 6 átomos por la adición de un sistema conjugado de 4 electrones  (dieno) a un sistema 2  (dienófilo). En la reacción estándar, el 1,3-butadieno (dieno) reacciona con eteno (dienófilo) para formar un ciclohexeno. (aducto cíclico).

+

dieno

dienófilo

reordenamiento electrónico

aducto

63

Esta reacción es estereoespecífica, ya que se conserva la estereoquímica del dieno y del dienófilo. La adición del dienófilo al dieno es syn Cuando un dieno conjugado como el ciclopentadieno reacciona con un dienófilo sustituido se pueden producir dos isómeros configuracionales.

● Isómeros configuracionales exo y endo: si en el producto de la reacción de Diels y Alder, el dienófilo queda ubicado al mismo lado del puente más corto, se dice que el compuesto tiene la configuración exo; en cambio , si queda ubicado en el lado opuesto al puente más corto, se dice que el producto tiene la configuración endo. O

O

H

O H

O

+

+

O

H

O H

O

O

O Isómero endo

Isómero exo

● Reacciones de alquenos con NBS o Br2 / UV: el uso de estos reactivos permite la bromación de carbonos conjugados con dobles enlaces en sistemas alílicos o bencílicos. El producto de la reacción puede provenir del reordenamiento del intermediario formado inicialmente. Ejemplos: a) bromación bencílica: (PhCOO)2 CH3 +

O

O

N

CH2Br

CCl4

+

O

N

O

H

Br NBS

b) bromación alílica: Br (PhCOO)2 CH3

CH2

CH

CH2

+

O

N Br NBS

O

CH3

CH

CH3

CH

CH

CH2

CCl4 CH

(E y Z)

CH2Br

+

64

Los alquenos (E) y (Z) resultan del reordenamiento del radical libre inicial: CH3

CH2

CH

Br

CH2

CH3

CH

CH

CH3

CH2

CH

Br2 CH3

CHBr

CH

CH2

Br2

CH

CH2

CH3

CH

CH

+ Br

CH2Br

+ Br

● Reacción de Wittig: método versátil que permite obtener alquenos asimétricos a través de la reacción de un compuesto carbonílico con un iluro de fósforo.

H

(Ph)3P

CH

R

O

C

R1

(Ph)3P

O

R C

+ C R1

R2

R2

Iluro: molécula neutra que puede representarse por una estructura resonante en la que un átomo de carbono cargado negativamente está unido directamente a un heteroátomo, habitualmente fósforo, cargado positivamente, por ejemplo:

R (Ph)3 P

R

C

(Ph)3 P R' iluro

C R'

Betaína: en la reacción de Wittig, es un intermediario dipolar con carga positiva en un átomo de fósforo y negativa en un átomo de oxígeno, que pierde una molécula de óxido de trifenilfosfina para originar un alqueno. Se puede formar una mezcla de isómeros E-Z lo que depende de la estructura de los reactantes. R1 (Ph)3P - C H - R R1 O=C R2

(Ph)3P - C H - R

(Ph)3P - C H - R

R1 O

C

R1 O C

R2

betaína

H R

R2 R1

+ (Ph)3 P=O

+ R

R2

R2

H

65

2.

PROBLEMAS RESUELTOS

1.

Asigne nombres I.U.P.A.C. a los siguientes compuestos: i) CH3

a) H2C

CH

CH3

CH

CH

C

CH3

b) H3C

CH2

CH

C

CH3

CH3

CH3 c)H3C

CH3

CH

CH

CH

CH

CH

CH

CH3

RESOLUCIÓN: a) b) c)

3,5,5-trimetil-1-hexeno 2-metil-2-penteno 4,7-dimetil-2,5-octadieno

ii)

RESOLUCIÓN: a) b)

2.

4,7-dimetil-3-propil-1,4,7-decatrieno 3-(1-ciclopentenil)-2-metil-2,4,6-octatrieno

Disponga los componentes de cada grupo de sustituyentes en orden de prioridad según las reglas de Cahn, Ingold y Prelog: CH3

,

b)

CH3

, CH3 CH2

c)

COOH

,

d)

CH2 CH3

,

RESOLUCIÓN: Mayor Prioridad a Cl b CH2OH c COOH d CH2-O-CH3

OH

OH CH=CH2 CH2OH C N

H

,

a)

,

CH2 OH C

Cl

CH

CH2

,

CH2OH

N

,

CH2NH2

C

,

CH

,

,

CH3 CH3-CH2 C N C CH

C

N

,

CH2OCH3

Menor prioridad H CH3 CH2-NH2 CH2-CH3

CH3

66

3.

Escriba el nombre correcto, según IUPAC, para los siguientes compuestos: Br

a)

b)

Cl

RESOLUCIÓN: a) 5-(2,3-dimetil-3-butenil)-10-metil-4-(3-metil-2-butenilidén)-8-(1-metilpropil)10-(1-propenil)biciclo[4.3.1]-2,7-decadieno b) 1-bromo-8-cloro-9-(1-metiletilidén)-2-(2-metil-2-propenil)-7-(1,3pentadienil)espiro[4.5]-2,6-decadieno.

4.

a) b)

Dibuje todos los alquenos disustituidos de fórmula global C7H14 Asígneles nombres solamente a los que posean isomería E y Z.

RESOLUCIÓN: a1)

a)

b)

c)

d)

b1) Sólo a posee isomería E, Z .En el ejemplo: (E)-4,4-dimetil-2-penteno. a2)

e)

b2)

f)

g)

h)

Sólo e posee isomería E, Z. En el ejemplo: (E)-3,4-dimetil-2-penteno.

i)

67

5.

Los terpenos son constituyentes principales de los aceites esenciales aislados de plantas y se usan en las industrias de alimentos y cosmética por su sabor y aroma. Por ejemplo:

ß-pineno

limoneno

mirceno

(pino) (limón) (laurel) ¿Qué productos se forman, en cada caso, por ozonólisis reductiva? RESOLUCIÓN:

O

O

O3

+

H

C

Zn, H3O

H H

O

O

O

O3

+

Zn, H3O

CH3

CH3

O3 Zn, H3O

H

CH3

H

O H

O CH3

C

+

O

O + 2 H

O O

CH3

C H

H

6.

Un mol de un hidrocarburo (A) C8H14, reacciona con: a) 1 mol de hidrógeno en presencia de Pt (Reducción de Adams) para producir C8H16. b) Por ozonólisis tanto reductiva como oxidativa da como producto solo 2,7-octanodiona. Dibuje la estructura de (A).

RESOLUCIÓN: a) La fórmula global corresponde a un alquino, un dieno o a un alqueno cíclico. Como reacciona sólo con 1 mol de hidrógeno, A sólo tiene un doble enlace y debe ser alqueno cíclico.

68

b)

O

Si

A

O3

O

A

es

Zn, H3O

(único producto)

7.

Prediga los productos de las siguientes reacciones, indicando tanto la regioquímica como la estereoquímica cuando sea apropiado. CH3

1.

a) 2.

H

CH3

KMnO4

c)

?

?

H

Zn, H3O

1.

b)

O3

BH3

?

CH3 1. Hg(OAc)2,H2O 2. NaBH 4

d)

2. H2O2, OH

?

RESOLUCIÓN: a) CH3 CH3 1. O3

H

O O

2. Zn, H2O

H Ozonolisis reductiva de dobles enlaces no terminales, con formación de aldehidos y/o cetonas

b) CH3 CH3

3

H

BH3 (B2H6)

CH3 H2O2

B H

CH3

OH

H

CH3

3

H OH

La hidroboración es una adición syn con regioquímica anti Markovnikov.

H

69

c) COOH

KMnO4 +

H

COOH

Ruptura oxidativa de dobles enlaces, Formación de de cetonas si el carbono oxidado no presenta hidrógeno, ácidos carboxílicos si tiene uno y CO2 si es un CH2.

Por ejemplo: CH3 CH2 = CH - CH2 - CH = C

CH3

COOH KMnO4 +

H3O

CO2 +

CH3

CH2

+ O=C CH3

COOH

COOH CO2

CH3 CH2 COOH

O=C CH3

d) CH3

Hg(OAc)2

CH3

CH3 H2O

Hg OAc

NaBH4

OH

CH3 OH

HgOAc

Este es un método importante para la síntesis de alcoholes a nivel de laboratorio. La reacción sigue regioquímica tipo Markovnikov. 8.

¿Cómo podrían realizarse las siguientes transformaciones? Indique los reactivos apropiados. OH H OH

A H

H OH

H H H

B

OH

70

RESOLUCIÓN: En ambos casos se trata de reacciones de hidroxilación. En la reacción del ciclopenteno con el reactivo A se forma un diol cis, por lo tanto A puede ser una solución alcalina acuosa de KMnO4 o una solución de OsO4 en piridina. Si el ciclopenteno forma un diol trans al reaccionar con B, la reacción debe haber transcurrido por la hidrólisis de un epóxido formado previamente por reacción del ciclopenteno con un peroxiácido. OH H OH

A KMnO4, NaOH ( OsO4, Py)

H

H OH

H B

H H

1.- R CO3H 2.- H2O OH

9.

Indique la estructura de los alquenos que generan los productos que se indican por ruptura oxidativa por calentamiento con KMnO4 en solución ácida. a) CH3 CH2 COOH

+

CO2

b)

+

CH3 CH2 CH2 COOH

+

CO2

(CH3)2 C = O

c)

O

RESOLUCIÓN: En la ruptura oxidativa de un doble enlace, si un carbono del doble enlace está unido a dos hidrógenos se forma CO2; si está unido a un solo hidrógeno se forma un ácido carboxílico y si sólo está unido a carbonos, se forma una cetona. Por lo tanto, los alquenos correspondientes son: a)

CH3 CH2 CH

CH2

CH3 b)

C

CH CH2 CH2 CH3

CH3 c)

CH2

71

10.

Considerando en cada caso los mecanismos correspondientes, desarrolle las reacciones de HBr gaseoso y seco y HBr en presencia de peróxidos con: a) propeno y b) 1-fenilpropeno

RESOLUCIÓN: Reacción con HBr gaseoso y seco: HBr gas, seco

2-bromopropano

HBr gas, seco

1-bromo-1-fenilpropano

El HBr gaseoso y seco reacciona con los alquenos a través de un mecanismo iónico. En cada caso el intermediario de la reacción es el carbocatión más estable que puede formarse por la protonación del doble enlace. El carbocatión formado reacciona con el nucleófilo (Br-) para dar los productos indicados. HBr

secundario

gas, seco

secundario y bencílico

Reacción con HBr en presencia de peróxidos: HBr peróxidos HBr peróxidos

1-bromopropano

2-bromo-1-fenilpropano

El HBr reacciona con los peróxidos para formar un radical libre bromo que reacciona con el alqueno correspondiente generando, en cada caso, el radical libre más estable. Este reacciona con HBr para dar los productos correspondientes y formando nuevamente un radical libre bromo que reacciona con otra molécula de alqueno en una fase de propagación de acuerdo al esquema:

72

.

peróxidos

Br

HBr

Br

.

secundario

Br

Br

secundario y bencílico

Br

Br HBr

+ Br Br

Br

11.

.

Escriba las estructuras y los nombres de los diferentes alquenos que se pueden formar cuando el 2,4-dimetil-3-hexanol se trata con H2SO4 concentrado. Explique el mecanismo de formación de ellos (No olvide la isomería E – Z).

RESOLUCIÓN: CH3

CH3 (A)

H2SO4

H

(B)

H

H CH3

CH3

OH

H

(C) H

H

H

CH3 +

(B) H

(i)

H

(i): 2,4-dimetil-1-hexeno (ii): 2,4-dimetil-2-hexeno (iii): 2,4-dimetil-3-hexeno (iv): 2-etil-4-metil-1penteno (v): 3,5-dimetil-2-hexeno.

(ii)

CH3 +

(C) H

12.

(iii)

+ (iv)

(v)

¿Cuáles compuestos carbonílicos e iluros de fósforo podrían usarse para sintetizar 1-fenil-1-propeno?

73

RESOLUCIÓN: La estructura del compuesto a sintetizar es:

Luego, el doble enlace a formar proviene de la reacción de Wittig entre: a) benzaldehído y el iluro de fósforo proveniente del bromuro de etilo ó b) acetaldehído y el iluro de fósforo proveniente del bromuro de bencilo. Se resolverá sólo el caso a). a) Formación del iluro:

BuLi (Ph)3P:

+

(Ph)3P - CH - CH3

+

(Ph)3P - CH - CH3

CH3 CH2 Br O C H

13.

(Ph)3P

O

CH3 CH

CH

(Ph)3P

O

(Ph)3P

O

CH3 CH

CH

+ CH3

CH

CH

Escriba las estructuras de los aductos endo y exo resultantes de la reacción entre ciclopentadieno y acrilato de metilo (CH2 = CH – CO2CH3).

RESOLUCIÓN: CO2 CH3

+

CH CH2

H H CO CH 2 3

H Isómero endo

+

H

CO2CH3

H H Isómero exo

74

14.

Escriba la estructura del dieno y del dienófilo que reaccionan para formar el siguiente compuesto:

O

RESOLUCIÓN: O

O

C +

CH3

C C CH3

75

3.

PROBLEMAS ADICIONALES

1.

Dibuje las estructuras que corresponden a los siguientes nombres I.U.P.A.C.:

a) 2-metil-1,5-hexadieno c) 2,3,3-trimetil-1,4,6-octatrieno

2.

b) 3-etil-2,2-dimetil-3-hepteno d) 3,4-diisopropil-2,5-dimetil-3-hexeno

Asigne la configuración E, Z a los siguientes alquenos: O CH3OCH2

CH2OH

Br

a)

b) ClCH2

3.

OCH2CH3

CH2NH2

C

Escriba el nombre correcto de las siguientes estructuras: a) -

-

b) CH

H3C

CH

CH2

CH3 CH2

CH3

c)

(A)

Escriba la estructura correspondiente a: i) 2-(4-metilpentil)biciclo[3.2.1]-6-octeno ii) 1-etenil-4-etilidenciclohexeno

(B)

CH2

CH

CH2

CH

76

4.

-Pineno y -pineno, isómeros y componentes principales de la esencia de trementina, tienen las siguientes estructuras:

CH3

CH2

H3C

H3C CH3

CH3

-pineno -pineno Nómbrelos según I.U.P.A.C. Escriba la estructura de los productos obtenidos por hidroboración de estos dos compuestos. ¿Qué productos se forman al oxidar  y -pineno respectivamente con KMnO4 en medio ácido? Escriba sus estructuras.

5.

Al tratar el 3,3-dimetil-2-butanol con H2SO4 se forman 2 productos: 2,3-dimetil-1-buteno y 2,3-dimetil-2-buteno (producto principal). Escriba un esquema de reacción que de cuenta de la formación de ambos productos.

6.

Dado el siguiente esquema de reacción: D

E

F

Desarrolle un esquema de síntesis de 1, 4, 4-trimetil-1,5-ciclohexadieno (E) a partir de 3, 3, q6-trimetilciclohexeno (D). (E) tratado con 1-nitropropeno forma F. Indique estructura y nombre de F.

7.

¿Qué alquenos se forman a partir de los siguientes pares de compuestos iluro carbonilo? a) butanona y CH3CH2CH2CH=P(C6H5)3 b) acetofenona y (C6H5)3P=CH2 c) benzaldehído y C6H5-CH=P(C6H5)3 d) ciclohexanona y (C6H5)3P=C(CH3)2 No considere la estereoquímica de los alquenos formados.

8.

Al hacer reaccionar el iluro (Ph)3 P = CH CH3 con 3-ciclohexenona, se obtiene (A). Escriba su estructura. Al tratar (A) con O3 / Zn, (CH3COOH, diluido) se obtiene mas de un producto, Dibuje sus estructuras. Nombre (A) según las reglas de I.U.P.A.C.

77

9.

A partir de 1-penteno, como único reactivo orgánico, y cualquier otro reactivo inorgánico necesario, haga un esquema de síntesis para transformarlo en 3-metil-5-propilciclohexeno mediante la reacción de Diels y Alder. ¿Qué otro producto se puede formar?

10.

Haga un esquema de síntesis para obtener (F), a partir de bromociclohexano, CH3CH2CHO y cualquier otro reactivo orgánico e inorgánico necesario, utilizando en alguna de las etapas, la reacción de Wittig y en otra, una bromación alílica.

(F)

CHCH2CH3

Escriba la estructura correcta de los productos obtenidos al tratar (F) con KMnO4 en medio ácido.

11.

Complete el siguiente esquema de síntesis: CH2 = C

CH3

(A)

CH3 O

+

(A)

CH

CH

CH3

CH3

Indique los reactivos usados y las condiciones de las reacciones.

12.

Proponga un esquema de síntesis para las siguientes transformaciones: OH

CH3

O C

C CH3

CHCH2CH3

(X)

Escriba las estructuras de los productos de la reacción de (X) con O3 / Zn (CH3COOH) y con KMnO4 / H3O+.

78

13.

¿Qué combinaciones de dieno y dienófilo conducirán a los siguientes productos, según la reacción de cicloadición de Diels-Alder? (En el dieno o en el dienófilo pueden haber heteroátomos) CH3

O

CH3

CO2C2H5

CO2CH3 c)

b)

a)

O

OCH3

CO2C2H5

O

CN CN

O

H

H3C e)

d)

O g)

f)

NH H3C H

O

O

14.

Prediga los productos de cada una de las siguientes reacciones de Diels-Alder. Indique la configuración cuando sea apropiado.

a) CH2

CHCH

CHCH3

+

(CN)2C

+

b)

C6H5CH

CHNO2

C(CN)2

CHO CH2

+

c)

CHCH

CH2

CH2 d)

+

HC

CCO2C2H5

CH2

15.

Complete el siguiente esquema de reacción escribiendo las estructuras (A), (B) y (C), dándole su nombre respectivo según las reglas de I.U.P.A.C. NBS C (CH3)3

(A)

KOH Etanol

(B)

CH3

C

C

NO2 (C)

79

16.

A y B son dos isómeros de Peso Molecular = 84 y cuyo análisis elemental indica: C = 85,71% e H = 14,29%. Al tratarlos, separadamente, con HCI, A reacciona formando un solo producto de adición, en cambio B no reacciona. Escriba estructuras para A y B que den cuenta de estas determinaciones experimentales.

17.

Para sintetizar 2,7-dimetil-4-octeno por el método de Wittig, solo se dispone de 3-metil-1-butino y cualquier otro reactivo necesario. Haga un esquema de esta reacción de síntesis.

18.

Proponga un esquema para la síntesis de 5,6-dietil-1-metilbiciclo2.2.1-2hepteno a partir de 4-metilciclopenteno, un aldehído de tres átomos de C, un derivado halogenado y cualquier otro reactivo necesario.

80

ALQUINOS 1.

CONCEPTOS GENERALES

Son hidrocarburos de cadena abierta que se caracterizan por tener uno o más enlaces triples carbono - carbono. Fórmula molecular: CnH2n-2.

ESTRUCTURA ESPACIAL. en los alquinos, cada carbono tiene hibridización sp. Los ángulos de enlace H – C – H son de 180º. Cada enlace C – H es un enlace  resultante de la superposición de un orbital híbrido sp del carbono con un orbital s del hidrógeno. El doble enlace está formado por un enlace  que resulta de la superposición de dos orbitales sp2 y dos enlaces , cada uno de ellos formado pòr la superposición de dos orbitales p sin hibridizar, paralelos entre si y perpendiculares a los enlaces  involucrados en el triple enlace. Los enlaces  adicionales hacen que un triple enlace sea aún más corto y de mayor energía que un doble enlace. orbital 2py

enlace sigma sp-sp 180º

H

H

H 1,06 Aº C 1,20 Aº C

orbital 2pz enlaces pi

enlace sigma1s - sp

NOMENCLATURA: En compuestos que contengan sólo enlaces triples se nombran reemplazando la terminación ano del hidrocarburo saturado correspondiente por la terminación ino, dando la menor numeración al triple enlace. En compuestos que contengan enlaces dobles y triples se nombran reemplazando la terminación ano del hidrocarburo saturado correspondiente por la terminación en-ino. La numeración de una cadena de un en-ino siempre parte del extremo más cercano al primer enlace múltiple, ya sea doble o triple.

H

81

PREPARACIÓN: 1.

Alquilación de acetileno y de alquinos terminales R

C

C

H

+ NH2

alquino

R

amiduro

RC C alquiluro

+ NH3

C

alquiluro

RC

R'CH2 X

+

C

amoníaco

CCH2 R'

halogenuro

alquino

halogenuro de alquilo primario

X

+

2. Deshidrohalogenación doble de dihalogenuros geminales

R

3.

H

X

C

C

H

X

R'

+ 2 NH2

R

C

C

R'

+

2X

Deshidrohalogenación doble de dihaluros vecinales

R

H

H

C

C

X

X

R'

+

2 NH2

R

C

C

R'

+ 2X

REACCIONES: 1. Adición de HX (X = Cl o Br) a) en ausencia de peróxidos La regioquímica de la adición sigue la regla de Markovnikov. Se encuentra en el producto la estereoquímica E (trans) de H y X. R

C

C

H

+ NH2

alquino

RC C alquiluro

R

amiduro

+

C

C

alquiluro

R' CH2 X halogenuro de alquilo primario

amoníaco

RC C CH2 R' alquino Br

CH3CH2CH2CH2C

CH

HBr CH3COOH

CH3CH2CH2CH2C

CH H

1-hexino

+ NH3

(E)-2-bromo-1-hexeno

HBr

+

X halogenuro Br

H

CH3CH2CH2CH2C

C

H

Br H 2,2-dibromohexano

82

b) en presencia de peróxidos En estas condiciones, el HBr se adiciona al alquino por un mecanismo por radicales libres. Se observa una regioselectividad opuesta a la regla de Markovnikov. CH3CH2CH2CH2C

HBr

CH

CH3CH2CH2CH2CH

peróxidos

1-bromo-1-hexeno

1-hexino

2.

CHBr

Adición de X2 (X = Cl, Br)

La adición de un equivalente de Cl2 o Br2 da un dihaloalqueno E (trans). La adición de un segundo equivalente del halógeno origina un derivado tetrahalogenado.

R

X2 RC

CR'

C CCl 4

X2

C

X

R

CCl 4

R'

X

X

C

C

X

X

R'

tetrahaloalcano

(E) - dihaloalqueno

alquino

3.

X

Hidratación de alquinos: O

OH H2O

CH3CH2CH2CH2C

CH

HgSO4 / H2SO4

CH3CH2CH2CH2C

1-hexino

CH3CH2CH2CH2C

CH2

CH3

2-hexanona (78%)

enol

Presenta una regioquímica tipo Markovnikov. El OH se une al C más sustituido y el H al C menos sustituido. Según la estructura del alquino, se obtendrá una cetona o una mezcla de cetonas. O

a) Alquino monosustituido: RC

R

CH

C

CH3

metilcetona

O R = R'

b) Alquino disustituido:

R RC

C

O

O

CR' R R= / R'

C

único producto

CH2R'

CH2R'

+ RCH2 C

R'

mezcla

83

4.

Hidroboración – oxidación:

Cuando un alquino terminal reacciona con disiamilborano, ocurre la adición de B-H al triple enlace C-C, con la regioquímica anti Markovnikov esperada. CH3(CH2)5C

CH

H

disiamilborano

BR2 C

THF

H

H2O2

C

CH3(CH2)5

OH C

H

NaOH

C

CH3(CH2)5

enol H

1-octino

O

H C CH3(CH2)5

C H

H

octanal (70%)

Si el triple enlace es interno, se puede producir una cetona o una mezcla de ellas. O

Si R ≠ R’:

RC

1 disiamilborano 2 H2O2 / NaOH

CR'

O

RC

CH2R'

+

RCH2C

R'

MEZCLA DE CETONAS

O

Si R = R’:

RC

CR'

1 disiamilborano 2 H2O2 / NaOH

RC

CH2R'

CETONA ÚNICA

Si el alquino es terminal se forma un aldehido

O RC

CH

1 disiamilborano 2 H2O2 / NaOH

RCH2C

H

ALDEHÍDO 5.

Reducción de alquinos:

En presencia de platino, níquel o rodio finamente dividido, se adicionan dos moles de H 2 al triple enlace para dar un alcano.

RC

CR'

+ 2 H2

Pt, Pd, Ni ó Rh

RCH2CH2R'

84

5.1.

Hidrogenación con el catalizador de Lindlar

Los alquenos son intermediarios en la hidrogenación de alquinos a alcanos. Los alquinos se transforman en alquenos Z (cis) mediante el reactivo de Lindlar, por reacción con un equivalente de H2, mediante una adición syn al triple enlace. H CH3(CH2)3C

H2

C(CH2)3CH3

H C

C

CH3(CH2)3

(CH2)3CH3

Lindlar

5-decino

(Z) - 5 - deceno (96%)

5.2. Hidrogenación con un metal (Li, Na, K) en amoníaco líquido La característica de la reducción metal / amoníaco es que convierte a los alquinos en alquenos E (trans).

Li / NH3 CH3(CH2)3C

C(CH2)3CH3

H C

C

H

5-decino

6.

CH3(CH2)3

(CH2)3CH3

(E) -5 - deceno (78%)

Ruptura oxidativa:

Alquino interno: O3 / H3O+ ó KMnO4 / 

RC CR'

O

O

R C OH + R' C OH

Alquino terminal:

O R

C

C

H

O3 / H3O+ ó KMnO4 / 

R C OH

+

CO2

85

2.

PROBLEMAS RESUELTOS:

1.

Asigne nombres I.U.P.A.C. a los siguientes compuestos:

a)

e)

b)

f)

c)

g)

d)

h)

RESOLUCIÓN: a) Se elige la cadena que posea el triple enlace (cadena principal). En este caso posee 6 átomos de carbono: HEXINO. Se tiene que indicar la ubicación del triple enlace. Se comienza a numerar por el extremo más próximo al triple enlace. Además, hay que tener en cuenta, que los sustituyentes deben tener la menor numeración. El nombre completo será: 2-metil-3-hexino. b) La cadena principal (que contiene los triples enlaces) tiene ocho átomos de carbono: OCTINO. Pero posee dos triples enlaces; por lo tanto, hay que indicar la ubicación de dichos enlaces e incluir el prefijo numérico que indique cuantas veces está repetido el triple enlace. El nombre completo será: 2,5-octadiino. c) Este compuesto presenta 1 enlace doble y 1 triple; luego se nombra como un en-ino. El doble enlace está más próximo a uno de los extremos de la cadena principal (C2) y por ello, se le da la menor numeración. En este caso, la cadena principal posee siete átomos de carbono: HEPT….; el triple se ubica en el C4 y además presenta dos sustituyentes metilo en los carbonos 3 y 6. El nombre completo será: 3,6-dimetil-2-hepten-4-ino.

6

4

5

1

3

2

1

2

3

4

4

3

5

2

6

5

1

7

6

8

7

86

d) Este compuesto también enlaces dobles y triples; luego es un -en-ino. El triple enlace está más cerca del extremo de la cadena que el doble enlace, por lo tanto, el triple enlace poseerá la menor numeración. La cadena principal deberá contener la mayor cantidad de dobles y triples enlaces. En este caso, la cadena principal posee once átomos de carbono: UNDEC….; el triple enlace está en el C1 y además, posee otro en el C5. Hay dobles enlaces en los carbonos 3 y 10. Además, hay tres sustituyentes: en el C3 un metilo; en el C4: un etinil y en el C10, otro metilo El nombre completo será: 4-etinil-3,10-dimetil-3,10undecadien-1,5-diino. e) Esta molécula posee dos triples enlaces (diino) y los sustituyentes están localizados en el C3. La cadena principal posee cinco átomos de carbono: PENT…. El nombre completo será: 3,3-dimetil-1,4-pentadiino. f) Este compuestos posee dobles y triple enlaces (dien ino); Los enlaces doble y triple están a la misma distancia de los extremos de la cadena principal; luego el doble enlace es el que tiene la menor numeración. La cadena principal posee seis átomos de carbono: HEX…. El nombre completo será: 1,3-hexadien-5-ino. g) Este compuestos posee solo un triple enlace, la cadena principal posee nueve átomos de carbono: NON….. Posee sustituyentes en los carbonos: 3 (etilo); 6 (etilo) y 7 (metilo). El nombre completo será: 3,6-dietil-7-metil-4-nonino. h) Este compuesto posee enlaces dobles y triples; la cadena principal debe contener la mayor cantidad de enlaces múltiples La cadena principal posee once átomos de carbono: UNDEC….. En el C4 posee un sustituyente que contiene un doble enlace (2-propenil). El nombre completo será: 4-(2-propenil)-3,5,8undecatrien-1,10-diino.

2.

1

2 11 3

4

10 5

6 7 8

1

1

3

2

1

2

5

3

2

3

4

5

4

5

4

2

6

7

6

9 8

1

3 10

4 5 6

9 8 7

Escriba las estructuras de los siguientes compuestos:

a) 3,3-dimetil-4-octino b) 3,5-heptadien-1-ino

9

c) 3-etil-5-metil-1,6,8-decatrieno d) 3-cloro-4,4-dimetil-1-nonen-6-ino

11

87

RESOLUCIÓN: a)

c) 1

3

2

5

4

7

6

8

1

b)

5

4

7

6

9

8

10

d) 1

2

3

4

5

6

Cl

7 1

3.

3

2

3

2

4

5 6

7

8

9

a) Escriba el nombre del siguiente compuesto, según las reglas I.U.P.A.C. (Considere la configuración de los enlaces dobles).

H

H

H

CH3 H

H b)

H H

Nombre el siguiente compuesto según I.U.P.A.C.:

H

HC

C=C

C CH3

C CH

CH2 CH3

CH = CH2 CH2 CH2 CH2 CH3 CH

CH3

CH2 CH3

RESOLUCIÓN: a) La cadena principal posee trece átomos de carbono: TRIDEC…. En los carbonos 1, 3 y 11 presenta dobles enlaces y en los carbonos 5, 7 y 9, triples enlaces. El C1 no presenta isomería E, Z y los carbonos 3 y 11 tienen la configuración E. El nombre completo será: (3E, 11E)-1, 3, 11-tridecatrien-5, 7, 9-triino.

88 13

CH3 12 11

H

8 9

10

H

H4

7 6

5

3

2

H 1

H

H H

b) La cadena que posee la mayor cantidad de múltiples enlaces posee siete átomos de carbono: HEPT… En los carbonos 1 y 3 posee dobles enlaces, con configuración E para el carbono 3, y un triple enlace en el carbono 6. En el carbono 5 posee dos sustituyentes complejos iguales (1-metilpropil) y en el carbono 3 hay un grupo butilo. El nombre completo será (3E)-3-butil-5,5-bis(1-metilpropil)-1,3-heptadien-6ino.

4.

Escriba la estructura de los siguientes compuestos:

a) 3-metil-6,6-bis(1-metilpropil)-1-decen-8-ino

b) 5-(2-metilpentil)-1-hepten-3,6-diino

RESOLUCIÓN: a)

b) 9 1

2

3

4

5

6 7

8

10 1

6.

2

3

4

5

6

7

Prediga los productos de las siguientes reacciones:

H

H

exceso H2, Pd / C

A

H H2 / Lindlar

B

RESOLUCIÓN: En una reducción catalítica de enlaces múltiples con H2, Pd / C, no hay distinción entre enlaces dobles y triples, y como hay un exceso de H 2, se reducen ambos enlaces múltiples. En cambio, en la reducción con el reactivo de Lindlar, el alquino se transforma en un alqueno Z y el alqueno presente no se ve afectado. Pero en este caso, se formará un alqueno terminal que no posee configuración E-Z. El anillo aromático no se ve afectado por estos reductores.

89 H

H

H H

A

H B

(1E)-1-fenil-1,3-butadieno.

butilbenceno.

6.

Haga un esquema de la reacción de síntesis del hexanal a partir de 1-hexino.

RESOLUCIÓN: H

H

disiamilborano THF

H2O2 R2B

NaOH

H H HO

7.

HO H

O H

H

A partir de acetileno y de compuestos orgánicos de hasta dos átomos de carbono, sintetice los siguientes compuestos:

a) 2,3- pentanodiol

b) cis-3-hexeno

c) 1,4-dibromo-3-cloro-2-butanol

RESOLUCIÓN: Para realizar un problema sintético, lo primero que debe hacerse es un estudio retrosintético. Es decir, a partir del producto que se debe sintetizar se irán estudiando los posibles precursores, hasta llegar al reactante. Después se elabora el verdadero esquema sintético, estableciendo los pasos de síntesis necesarios con los reactivos y condiciones adecuados. a) Retrosíntesis: OH HC CH OH

90

El precursor de un diol es un alqueno y, como la estereoquímica del diol no se especifica, el alqueno puede tratarse con: a) KMnO4 en frío ó b) OsO4 para obtener el diol syn. O bien, en primer lugar, el alqueno puede epoxidarse con un perácido y luego tratar el epóxido con agua en medio ácido, para dar el diol trans. El precursor de un alqueno puede ser un alquino. La reducción del alquino con el catalizador de Lindlar (adición syn) o con Li / NH3 (reducción trans) permite su transformación en un alqueno. Un alquino puede obtenerse a partir de otro alquino terminal por alquilación del ion acetiluro correspondiente. Síntesis: HC CH

1) NaNH2

1) NaNH2

2) EtBr

2) MeBr

Li / NH3

Cl

CO3H CH2Cl2

OH H2O / H+

O OH

b)

Retrosíntesis:

HC CH H

H

El precursor del alqueno es el alquino correspondiente. Como el alqueno es cis, la reducción del alquino debe proceder por medio de una adición syn de H2. El precursor del 3-hexino es el acetileno, por alquilación doble del acetileno. Síntesis: 1) NaNH2

H

HC CH 2) EtBr

1) NaNH2

H2 / Lindlar

2) EtBr

H

H

91

c) Retrosíntesis: Cl Br

Br

Br

Br

OH

Br HC CH Br

La introducción de los cuatro grupos funcionales en posición 1, 2, 3 y 4 requiere de un precursor donde los cuatro carbonos sean reactivos. Éste es el 1,3-butadieno, en el que se debe proceder a una adición 1,4 (conjugada) de Br2 para obtener el 1,4-dibromo-2buteno, que por adición de cloro en agua, dará el producto final. El 1,3-butadieno puede obtenerse por eliminación de dos moléculas de HBr a partir del 2,3-dibromobutano. Éste se puede obtener fácilmente por adición de Br 2 al 2-buteno, que se obtiene por reducción parcial del 2-butino. El 2-butino se puede obtener por doble metilación del acetileno. Síntesis: CH3 HC CH

1) NaNH2

1) NaNH2

H2 / Lindlar

2) MeBr

2) MeBr

(o Li/NH3, baja tº)

CH3 Br2

H

H

Br

CCl4

t- BuOK

Br

Cl Br

Br OH

8.

Cl2 / H2O

Br

Br2 Br

t-BuOH

CCl4

El alquiluro de sodio del 1-butino reacciona con un halogenuro de alquilo (A), para producir un nuevo acetileno simétrico (B) el cual al ser tratado con HgSO4 en medio ácido (H2SO4) produce una cetona (C) como único producto de reacción. Haga un esquema de síntesis de esta reacción dibujando las estructuras de (A), (B) y (C).

92

RESOLUCIÓN:

3

2

(B) alquino simétrico

(A)

NaNH2 / NH3 4

Na

1

H2O / H2SO4 , HgSO4

(C)

NaNH2 / NH3

CH3CH2Br Na H2O / H2SO4 , HgSO4

O

OH +

3-hexanona

9.

OH

Se somete un mol de un hidrocarburo de fórmula global molecular C 12H18, a ozonolisis con hidrólisis posterior, obteniéndose 2 moles de ácido acético y un mol de un ácido dicarboxílico de fórmula global molecular C 8H14O4. Proponga una posible estructura para el hidrocarburo y el ácido dicarboxílico obtenido que den cuenta de la reacción.

RESOLUCIÓN: HO

O

O O

O

H

H OH

C8H14O4 ácido dicarboxílico

ácido acético

ácido acético

C12H18 hidrocarburo

16.

a) A partir de 2-bromo propano como único compuesto orgánico y los reactivos necesarios, sintetice el compuesto (A): CH3

C

C

CH2

CH

CH2

(A)

93

RESOLUCIÓN: El compuesto a sintetizar tiene 6 átomos de carbono y el 2-bromo propano, 3, por lo que se debe usar un método de síntesis en el que se unan dos fragmentos de 3 átomos de carbono, por ejemplo: CH3

C

C

CH2

CH

CH2

CH3

C (I)

C

+ BrCH2

CH

CH2

(II)

Obtención de (I): CH3

C

NaNH2 CH3 NH3

C

CHBr

Br2

CH2Br

CH3

CCl4

CH

CH2

Obtención de (II): BrCH2

CH

CH2

NBS

CH

CH3

KOH

CH2

Etanol

CH3

CHBr

CH3

b) ¿Qué productos se obtienen por ozonolisis oxidativa de (A)?(1 punto). 6

5

4

CH3

C

C

3

1

2

CH2

CH

CH2

(A)

O3 , KMnO4 6

5

1

CH3 COOH

CO2 4

3

2

COOH CH2 COOH

El carbono 1 de (A) se oxida a CO2 y los carbonos 2, 4 y 5 a COOH. c) Escriba la estructura y el nombre IUPAC de sólo uno de los compuestos obtenidos cuando se hace reaccionar (A) con 1,3-pentadieno (2 puntos). Se trata de una reacción de Diels y Alder. La reacción puede ocurrir entre el dieno (1,3-pentadieno) y el doble enlace o el triple enlace del dienófilo (A). Como el dienófilo no posee grupos atractores de electrones conjugados con el enlace múltiple, se pueden dar varias posibilidades de reacción, entre ellas:

94

Posibilidad 1

1,3-dimetil-2-(2-propenil)-1,4-ciclohexadieno

Posibilidad 2

1,6-dimetil-2-(2-propenil)-1,4-ciclohexadieno

Posibilidad 3

5-(2-butinil)-3-metilciclohexeno

Posibilidad 4

1-(2-butinil)-6-metilciclohexeno

95

3.

PROBLEMAS ADICIONALES

1.

Los siguientes nombres son incorrectos. Dibuje las estructuras y nómbrelas correctamente:

a) 1-etil-5,5-dimetil-1-hexino c) 3-metilhept-5-en-1-ino e) 3-hexen-5-ino

2.

a) CH3CH

3.

b) 2,5,5-trimetil-6-heptino d) 2-isopropil-5-metil-7-octino f) 5-etinil-1-metilciclohexano

Los dos hidrocarburos siguientes se han aislado de diversos vegetales de la familia del girasol. Nómbrelos conforme a las reglas de la I.U.P.A.C. CHC

CC

CCH

CHCH

CHCH

CH2 (todo trans)

b) CH3C

CC

CC

CC

CC

CCH

Determine si los siguientes estereoisómeros son E ó Z O O

OH NH2

(A)

N

4.

a)

(B) H2N HN

H O

Dibuje la estructura que corresponde a:

i) 3-propil-4-metil-5-nonen-1,7-diino ii) 5-propiliden-7-etilbiciclo[2.2.1]-2-hepteno b) Escriba el nombre correcto para el compuesto:

5.

Proponga un nombre para el compuesto (A), incluyendo la configuración E o Z cuando sea necesario. (A)

CH2

96

6.

a)

Nombre el compuesto “G”: H3C

CH3 CH2C

"G"

b)

CH

H

Desarrolle un esquema de la síntesis de “G” a partir de:

i) Un derivado halogenado con menor número de átomos de carbono ii) Un derivado halogenado con igual número de átomos de carbono.

7.

Usando como materiales de partida acetileno y cualquier halogenuro de alquilo con cuatro átomos de carbono o menos, indique cómo podrían sintetizarse los siguientes compuestos.

a)

d) O

b)

e) O H

c)

8.

f)

Utilizando como material de partida acetileno, cualquier halogenuro de alquilo con cuatro átomos de carbono o menos; y cualquier reactivo inorgánico necesario, sintetice:

a) octano

9.

b) 3-hexanona

c) hexanal

A partir de acetileno y compuestos de hasta dos átomos de carbono, sintetice los siguientes compuestos:

a) 1,3-hexadieno

b) 1,4-hexadieno

c) 1-hexanol

97

10.

La hormona atrayente sexual (feromona) emitida por la mosca común es un alqueno simple llamado muscaluro. Proponga una vía de síntesis para esta sustancia a partir de acetileno y los halogenuros de alquilo necesarios.

(Z)

CH3(CH2)7CH

CH(CH2)12CH3

Muscaluro

17.

¿Qué productos se forman por ozonolisis, seguida por tratamiento con Zn y agua, del cicloaducto proveniente de la reacción equimolar de 2-metil-1,3-butadieno con 2-butinal? Desarrolle las reacciones involucradas. CH3C

CCHO

2 - butinal

12.

Utilizando como única fuente de carbono bromometilciclopentano y aldehído fórmico, proponga y desarrolle un esquema de síntesis para la obtención de:

a) 1 ,4-diciclopentil-1- butino

13.

b) 1,3-diciclopentil-1-propino

A partir de etilbenceno, 3,3-dimetil-1-butino y cualquier otro reactivo necesario, sintetice y nombre adecuadamente el compuesto A: CH3 CH

CH (A)

C

C

C

CH3

CH3

14.

Sintetice el 3-etinilciclohexeno a partir de de acetileno y un derivado halogenado (A) derivado del ciclohexeno.

15.

Usando como reactivo de partida al 3-metil-1-pentino, ¿cómo podría sintetizar los siguientes compuestos?

a) 2-bromo-2-cloro-3-metilpentano

b) ácido 2-metilbutanoico

c) 1-bromo-3-metilpentano

98

16.

A partir de acetileno y cualquier otro reactivo adecuado, sintetice:

a) 1-hexino

b) 2-hexino

c) 3-hexino

17.

A partir de benceno o fenilacetileno, acetileno y cualquier reactivo necesario, sintetice 1-fenil-4-hexen-1-ino.

18.

Indique, explicando muy brevemente en cada caso, si las siguientes aseveraciones son verdaderas o falsas: a. Al tratar el 2-hexino con el catalizador de Lindlar se forma exclusivamente (E)-2– hexeno. b.

Al tratar la sal sódica del 1-butino con bromuro de butilo se forma un alquino simétrico.

c.

La reacción del 1-hexino con disiamilborano da como único producto 1-hexanol.

d.

Al tratar el 1-hexino primero con NaNH2/NH3 y después con CH3Br, se obtiene 2-heptino como único producto.

e.

La ruptura oxidativa de un alquino X con KMnO4 da como único producto CH3COOH, luego el alquino X solo puede ser 2-butino.

f.

Dos moles de la sal sódica del acetileno pueden reaccionar entre sí para dar 1,3-butadiino.

99

AROMÁTICOS

1.

CONCEPTOS GENERALES

Aromaticidad: es un conjunto de características físicas y químicas asociadas a una estructura cíclica plana conjugada que le confiere una gran estabilidad.

Resonancia: ocurre cuando se puede escribir más de una estructura electrónica de Lewis para una molécula dada. Cada una de ellas es una estructura resonante y contribuye a la estructura real de la molécula. El conjunto de ellas constituye un híbrido en resonancia.

Benceno: compuesto aromático representativo de la familia química de los compuestos aromáticos. Es una molécula cíclica de 6 átomos de carbono, plana y simétrica. Cada átomo de carbono tiene hibridación sp 2 y un orbital p perpendicular al plano del anillo con un electrón cada uno. Estos orbitales interaccionan entre sí para formar un sistema . Como todos los enlaces C – C son de igual longitud, se representa como un híbrido en resonancia entre dos estructuras con dobles enlaces conjugados o con un circulo interior.

Regla de Hückel: es una regla empírica que establece que los sistemas cíclicos planos con dobles enlaces conjugados que poseen (4n+2) electrones  (n = 0, 1, 2, etc.), son aromáticos y por ello, de gran estabilidad.

Anuleno: Corresponde a cualquier hidrocarburo monocíclico que posee un sistema de dobles enlaces conjugados. Puede ser aromático si cumple con la regla de. Hückel.

Nivel energético basal: según Hückel, todas las moléculas aromáticas poseen este nivel de energía cuando n =0. El resto de los niveles (orbitales moleculares) enlazantes (n = 1, 2, etc.), que son degenerados, también están ocupados con un par de electrones de espín opuesto. En el benceno todos los orbitales enlazantes están llenos y todos los electrones tienen sus espines pareados. No hay electrones en los orbitales anti enlazantes. Esto determina la alta estabilidad del benceno y de los compuestos aromáticos en general.

100

E nivel base niveles de energía del sistema electrónico pi del benceno

Coplanaridad: condición necesaria para que una molécula cíclica sea aromática. La deslocalización electrónica es máxima si todos los orbitales p de la molécula son paralelos entre sí. enlace sigma 1s -sp2

orbital p

H

H

H

H 1,09 Aº

H

H

H

H 120º

H

H

H

H 1,40 Aº

enlace sigma sp2 - sp2

Ion aromático: Una molécula iónica cíclica es aromática siempre que cumpla con la regla de Hückel, tenga un orbital p en cada átomo del ciclo y sea plana. H

H

H

-H

ciclopentadieno (4n + 2) = 4 n = 1/2, no plano

anión ciclopentadienilo (4n + 2) = 6 n = 1, plano

101

No son aromáticos H

ciclobutadieno

H

cicloheptatrieno

catión ciclopentadienilo

ciclooctatetraeno

anión ciclopropenilo

anión cicloheptatrienilo

Compuestos aromáticos no bencenoides: son compuestos que tienen una alta energía de estabilización, pese a no tener anillos bencénicos, por ejemplo el azuleno. La estructura resonante señalada da cuenta de su aromaticidad por estar formada por dos ciclos iónicos que cumplen con la regla de Hückel.

Compuestos aromáticos heterocíclicos: algunos compuestos heterocíclicos tienen características de aromáticos. Sólo deben cumplir con las mismas condiciones descritas para los compuestos carbocíclicos, es decir, deben ser ciclos con dobles enlaces conjugados, con un orbital p en cada átomo, paralelos entre sí y con (4n+2) electrones . Los heteroátomos más comunes en los compuestos heterocíclicos son N, O y S. Ejemplos: piridina, pirrol, furano y tiofeno.

..N

N:

..O..

H Piridina

Pirrol

Furano

..S.. Tiofeno

102

Sustitución orto: Término que describe una disustitución en las posiciones 1,2 en un anillo bencénico. Se simboliza con la letra “o” como prefijo. G S

orto

Sustitución meta: Término que describe una disustitución en las posiciones 1,3 en un anillo bencénico. Se simboliza con la letra “m” como prefijo. G

S meta

Sustitución para: Término que describe una disustitución en las posiciones 1,4 en un anillo bencénico. Se simboliza con la letra “p” como prefijo.

G

para

S

Polisustitución: término que indica que, en un compuesto aromático, hay más de dos sustituyentes en el anillo. Al nombrarlo, se numeran los carbonos del ciclo en un sentido tal que los sustituyentes tengan la menor numeración posible, respetando la precedencia de los grupos funcionales. OH

NH2 NO2

H3C

Cl

NH2

4-amino-2-nitrofenol no 4-hidroxi-3-nitroanilina

3-cloro-5-metilanilina no 3-amino-5-clorotolueno

103

Sustitución electrofílica aromática:

es una reacción que transcurre en dos etapas en las que un reactivo electrofílico sustituye un hidrógeno de una molécula aromática. La primera etapa es endotérmica con formación de un complejo , con una considerable energía de activación, lo que la hace lenta. La formación de este complejo va precedida por el estado de transición de máxima energía en esta reacción en dos etapas. H

H

E

H

E

H

E

E

H

E

complejo 

El híbrido en resonancia reacciona con la base presente para regenerar el anillo aromático estable, en una reacción exotérmica rápida.

B:

H

E

E

+

BH

Orientación en una sustitución electrofílica aromática: en un anillo bencénico sustituido, una nueva sustitución electrofílica se produce en una posición específica, determinada por el efecto eléctrico del sustituyente presente. En general, los sustituyentes +M orientan la sustitución electrofílica, preferentemente a las posiciones orto (2) y para (4) y los –M, a la posición meta (3) con relación a su ubicación (1). Los sustituyentes alquilo orientan la sustitución electrofílica a las posiciones orto y para.

Grupo activador: sustituyente que posee un efecto eléctrico neto dador de electrones. Esta reacción se produce mejor en anillos aromáticos con alta densidad electrónica, luego los grupos activadores aceleran la velocidad de sustitución electrofílica aromática.

Grupo desactivador: sustituyente que posee un efecto eléctrico neto aceptor de electrones, por lo que disminuye la velocidad de reacción de sustitución electrofílica. Orienta preferentemente la sustitución a la posición meta (3) con relación a su propia ubicación, a excepción de los halógenos que, pese a ser desactivadores, orientan la sustitución electrofílica a las posiciones orto y para.

Reacciones de sustitución electrofílica aromática Nitración: reacción en la que un grupo nitro (-NO2) sustituye a un hidrógeno de un

anillo aromático. El electrófilo atacante es el ión nitronio (NO2+), que se forma in situ, generalmente en una mezcla de ácido nítrico con ácido sulfúrico.

104

Sulfonación: reacción en la que un grupo sulfónico (-SO3H) reemplaza un hidrógeno del anillo aromático. Se cree que la especie atacante es SO3 libre o combinado. Habitualmente se genera a partir de H2SO4 concentrado o fumante.

Halogenación: reacción en la cual un halógeno, con la ayuda de un catalizador generalmente Fe o FeX3, sustituye a un átomo de hidrógeno en un anillo aromático. (X=halógeno).

Reacción de alquilación de Friedel y Crafts: sustitución electrofílica en la que un halogenuro de alquilo (también puede ser un alcohol o un alqueno, en medio ácido), en presencia de un catalizador, generalmente AlCl3, reacciona con un anillo aromático, generalmente derivados del benceno, reemplazando un hidrógeno por un radical alquilo formándose un nuevo enlace carbono - carbono. AlCl3

X

R

R R

AlCl3X

R

H

AlCl3X

XAlCl3

lenta

rápida

R

+

HCl

+ AlCl3

Grupo acilo: grupo alquilo unido a un grupo carbonilo. R

C

O

Halogenuro de acilo o halogenuro de ácido: grupo acilo unido a un átomo de halógeno.

R

C

X

X = halógeno

O

Ion acilio: grupo acilo con carga positiva.

R

C

O

105

Reacción de acilación de Friedel y Crafts: es una reacción similar a la de alquilación, en la que se introduce un grupo acilo en una molécula aromática formando una alquil aril cetona. Esta reacción también necesita de un ácido de Lewis como catalizador, generalmente AlCl3. O O R

+

C

AlCl3

C

X

+

R

CH3

O +

XAlCl3

O

C

O

H

C

CH3

XAlCl3

C lenta

+ HX

rápida

+ AlCl3

R

Sales de diazonio: se obtienen por tratamiento de aminas aromáticas con una solución acuosa de nitrito de sodio en ácido clorhídrico a baja temperatura (5 ºC). Estas sales, generalmente son inestables a temperaturas mayores, por lo que deben usarse en solución acuosa. La mayoría de ellas son explosivas al estado sólido, a excepción de algunos fluoruros. Son intermediarios importantes en la síntesis de numerosos compuestos aromáticos. NH2

N2

Cl

NaNO2 / HCl 5 ºC sal de diazonio

Retrosíntesis: es el análisis de una síntesis, a partir del producto de la reacción, deduciendo cada una de las etapas anteriores hasta llegar a los reactantes.

106

2.

PROBLEMAS RESUELTOS

1.

Asigne nombre I.U.P.A.C. a los siguientes compuestos aromáticos: CO2H Br a)

b)

c)

d) CH3

Br

I

NH2

OH

NO2 e)

Cl

O2N f)

NO2

g)

CN h) OCH3

NO2

CH3

NO2

RESOLUCIÓN: a) b) c) d) e) f) g) h)

5-fenil-2-metilheptano. ácido 3-bromobenzoico ó ácido m-bromobenzoico. 2-bromotolueno u o-bromotolueno. 2-cloro-1,4-dietilbenceno. 2,4-dinitroyodobenceno. 4-metilanilina ó p-toluidina. 2,4,6-trinitrofenol (ácido pícrico). 2-metoxibenzonitrilo u o-metoxibenzonitrilo.

2.

Proponga estructuras para los bencenos sustituidos que satisfacen las siguientes descripciones: a) C8H10; forma un solo producto C8H9Br por monosustitución aromática con bromo. b C8H10; forma dos productos C8H9Br por monosustitución aromática con bromo. c) C8H10; forma tres productos C8H9Br por monosustitución aromática con bromo. d) C10H14; forma dos productos C10H13Cl por monosustitución aromática con cloro (2 posibilidades). RESOLUCIÓN:

a)

b)

c)

d1 )

d2 )

107

3.

a) De acuerdo a la regla de Hückel, todos los ciclos que posean (4n + 2) electrones  conjugados son aromáticos. Una excepción a esta regla es el llamado 10-anuleno.

10- anuleno b) El pireno tiene 16 electrones , sin embargo es un compuesto con carácter aromático.

Pireno

De una explicación para estas observaciones. RESOLUCIÓN: a) Para que un compuesto sea aromático no solo debe cumplir con la regla de Hückel, sino que además debe tener dobles enlaces conjugados, y necesariamente debe ser plano para la superposición de los orbitales p paralelos entre si, lográndose de esta manera la deslocalización de los electrones  en ellos. En el caso del 10-anuleno, los orbitales p no están paralelos por la repulsión de los H de los carbonos centrales, por lo tanto los 10 electrones  no están deslocalizados, haciendo que la molécula pierda la coplanaridad y con ello la estabilidad propia de los compuestos aromáticos.

H

H

H

H H

H

H

H H

H

108

b) La regla de Hückel indica que todo monociclo de (4n + 2) electrones  puede ser aromático. El pireno cumple con esta norma si se considera solamente el sistema conjugado de la periferia, sin considerar el doble enlace central. De esta manera el ciclo externo equivale al 14-anuleno que presenta características aromáticas.

4.

Ordene los siguientes iones en función de su estabilidad. Explique brevemente sobre la base del concepto de aromaticidad.

CH3

CH3

1

2

CH3

CH3

3

4

RESOLUCIÓN: La estabilidad de iones cíclicos se relaciona con su aromaticidad por la regla de Hückel, que señala que todo monociclo que contenga (4n + 2) electrones  conjugados es aromático y por lo tanto, es un sistema de alta estabilidad. El análisis de los cuatro iones indica que los iones 1 y 3 contienen 6 electrones  conjugados lo que concuerda con la ecuación de Hückel, por lo tanto son los iones mas estables; en cambio el ion 2 tiene 4 electrones  y el ion 4 tiene 8 electrones , lo que determina la mayor estabilidad de los iones 1 y 3. Por otra parte, para estas estructuras, los iones con carga positiva son más estables que aquellos con carga negativa por estar estabilizados por el grupo CH3. Lo inverso sucede con los iones de carga negativa, por lo que la estabilidad comparada de estos iones es:

3 >

5.

1

>> 2 > 4

a) Ordene los siguientes compuestos, según su mayor o menor facilidad para reaccionar con un electrófilo, por ejemplo, ion nitronio (NO2+). CH3

CH3 C a)

C

N

N

N c)

b) CH2 CH3

C

CH2 CH3 d)

e)

N CH3

CH2 CH3

109

RESOLUCIÓN: Considerando el benceno como referencia (d, no sustituido), podemos clasificar sustituyentes de los demás compuestos como dadores o aceptores de electrones relación al H. El grupo dimetilamino es un grupo fuertemente dador de electrones, grupos metilo y etilo, dadores débiles y el grupo ciano es un poderoso atractor electrones, por lo tanto, el orden descendente de reacción con un electrófilo es: c) > e) > d) > a) > b) b) Para los siguientes compuestos, indique principalmente una monosustitución electrofílica ( ). CH3

CO2CH3

NO2

a)

c)

b) CH3

donde

produciría

Cl

COOH

e)

d) CH3

COCH3

se

los en los de

CH2 CH3

RESOLUCIÓN: CH3

CO2CH3

NO2

a)

c)

b) CH3

e)

d) CH3

COCH3

6.

Cl

COOH

CH2 CH3

En una reacción de Friedel y Crafts, un halogenuro de alquilo reacciona, en presencia de AlCl3, con un compuesto aromático adecuado para formar el alquilderivado correspondiente a través de la formación de un carbocatión intermedio. Formule un mecanismo para la reacción de benceno con cloruro de n-butilo.

RESOLUCIÓN: CH3 CH2 CH2 CH2 Cl +

CH3 CH2 CH2 CH2 + CH3 CH2 CH2 CH2 +

+ CH3 CH2 CH CH3 +

AlCl3 reord.

+

-

CH3 CH2 CH2 CH2 AlCl4 +

CH3 CH2 CH CH3 CH2 CH2 CH2 CH3 (A)

CH3 CH CH2 CH3

(B)

110

El mecanismo de la reacción indica que se forma, en primer lugar, un carbocatión primario que, por su gran inestabilidad, se reordena a uno de mayor estabilidad. En este caso, puede reordenarse sólo a un carbocatión secundario. Como hay formación de dos carbocationes, se producen dos compuestos, predominando aquel que proviene del carbocatión más estable, es decir (B). Si el halogenuro de alquilo inicial hubiese sido 2-clorobutano, al reaccionar con AlCl3 se habría formado sólo el carbocatión secundario correspondiente, el que no se reordena a carbocatión primario; por lo tanto el único producto de esta reacción sería (B).

7.

Si en la reacción anterior se hubiese utilizado 1-buteno o 1-butanol, en medio ácido, en lugar del 1-clorobutano, ¿se habrían formado los mismos productos?

RESOLUCIÓN: CH3

+

CH3CH2CH CH2

H

CH3CH2CHCH3 H

CH3 CH2 CH2 CH2OH

+ CH3 CH2 CH2 CH2OH2 + CH3 CH2 CH2 CH2 +

+ CH3 CH2 CH2 CH2OH2 + CH3 CH2 CH2 CH2

CH CH2CH3

reord.

CH2CH2CH2CH3

H2O

+ CH3 CH2 CH CH3

CH CH2 CH3 CH3

El análisis de estas reacciones nos dice que los productos que se forman dependen de los carbocationes intermediarios que se originen en cada caso. En medio ácido, el alqueno formará el carbocatión más estable. Por ello, se formará exclusivamente el producto que derive de él; en cambio, en el caso de un alcohol, al reaccionar con el medio ácido, se forma inicialmente el carbocatión determinado por la ubicación del grupo OH; como el carbocatión formado es primario, se reordenará a su forma más estable (carbocatión secundario), dando una mezcla de productos.

111

8.

La velocidad de adición de HCl a los alquenos varía de acuerdo al carbocatión intermediario formado; de acuerdo con esto, ¿cuál de los siguientes alquenos reacciona más rápido con Cl?

A)

.. N

B) CH3

CH3 C O

CH3

RESOLUCIÓN:

H

A)

.. N

+

CH3

.. N

CH3

CH3 CH3 + H

B)

CH3

CH3

C

C

O

O +

Suponiendo que se produce sólo adición de H al doble enlace, el carbocatión generado en A) está estabilizado por el fuerte efecto mesomérico (+M > -I) del grupo dimetilamino. El par de electrones del sustituyente dimetilamino está directamente conjugado con el carbocatión formado, de modo que la carga positiva del carbocatión se dispersa en todo el sistema conjugado, disminuyendo así su energía. El carbocatión generado en B) está desestabilizado por los efectos inductivo y mesomérico (-I, -M) del grupo carbonilo del sustituyente, que impiden la deslocalización de la carga, aumentando la energía del sistema. En base a estas consideraciones, el alqueno A) es el que reacciona más rápido con HCl.

9.

El pka del m-acetilfenol es 9,19 y el el pKa del fenol, en las mismas condiciones experimentales, es 9,98. Indique si el acetilbenceno será más o menos reactivo que el benceno hacia una sustitución electrofílica aromática. Explique brevemente. O CH3

C

OH m - acetilfenol

112

RESOLUCIÓN: De los valores de pKa se deduce que el m-acetilfenol es más ácido que el fenol, luego el grupo acetilo es un grupo atractor de electrones, que disminuye la densidad electrónica en el anillo bencénico y por ello la sustitución electrofílica aromática será más fácil en el benceno que en el acetilbenceno.

10.

Dados los siguientes valores de pKa para los ácidos (A) y las bases (B), explique para cada caso, ¿cuál es el efecto eléctrico de los sustituyentes OCH3 y SCH3 sobre el respectivo centro de reacción?

R

R

OH

(B)

(A)

R OCH3 SCH3 H

NH2

pKa (A) 10,21 9,53 9,95

pKa (B) 5,29 4,40 4,58

RESOLUCIÓN: Si se compara el pKa del fenol (R = H) con el de sus derivados se observa que en el caso (A) el grupo OCH3 disminuye la acidez por el efecto + M que supera al – I, pero si el sustituyente es SCH3, la acidez aumenta, por lo que se puede inferir que su efecto inductivo (- I) supera al mesomérico (+ M). Esto se confirma al analizar los valores de pKa de las anilinas sustituidas. Siendo el pka de la anilina de 4,58 se observa que cuando el sustituyente es OCH3 su basicidad aumenta por el efecto dador de electrones del grupo, pero cuando el sustituyente es SCH3, la basicidad disminuye por el efecto atractor de electrones del grupo. 11.

¿Cuáles de los siguientes halogenuros de alquilo se esperaría que reaccionaran con benceno por la reacción de Friedel y Crafts sin reordenamiento? Explique adecuadamente en base al mecanismo de reordenamiento de carbocationes. Cl a) CH3CH2Cl

b) CH3CH2CH CH3

c) CH3CH2CH2Cl Cl

CH3 d) H3C C CH2Cl CH3

e)

113

RESOLUCIÓN: Las reacciones de Friedel y Crafts transcurren a través de la formación de un carbocatión. Los carbocationes que pueden formarse son: CH3 CH3 CH2

CH3 CH2 CH CH3

CH3 CH2 CH2 CH2

CH3 C CH2 CH3

a

c

b

d

e

se aprecia que se pueden reordenar sólo c y d de acuerdo a: CH3 CH2 CH CH2

CH3 CH2 CH CH3

H CH3 CH3

CH3 CH2

C

CH3

C

CH2 CH3

CH3

En el primer caso se reordena un carbocatión primario a uno secundario por migración de un H y en el segundo, un carbocatión primario a uno terciario por migración de un -

CH3 .

12.

Cuando se trata el alcohol alílico (CH2=CH-CH2OH) con HF en presencia de benceno se forman dos productos: 3-fenil-1-propeno y 1,2-difenilpropano. Explique adecuadamente la formación de ambos productos.

RESOLUCIÓN: CH2 CH2

HF

CH

CH2OH CH

CH2

CH2

CH2OH2

CH2 CH2

CH2 +

CH

CH2 + H2O

CH CH2

+ H

3-fenil-1-propeno HF

CH2

CH

3-fenil-1-propeno

CH2

CH2 CH

CH3

114

CH2 CH

CH3

CH2

+

CH

CH3 + H

13.

¿Cómo podrían sintetizarse los siguientes compuestos a partir de benceno o tolueno y cualquier otro reactivo? Suponga que es posible separar los isómeros orto y para.

a) b) c) d)

ácido p-nitrobenzoico m-cloroacetofenona fenilacetileno 1-(p-bromofenil)-1-buteno

e) f) g) h)

2-bromo-4-nitrotolueno 2-bromo-4-nitroanilina 4-bromo-2-nitroanilina 2-feniletanol

RESOLUCIÓN: Estas síntesis se analizarán de acuerdo al criterio de retrosíntesis, en el cual el primer compuesto a considerar es el producto y, se supone que la síntesis total involucra varias etapas. De este modo, siempre se debe empezar analizando la síntesis del producto a partir del compuesto que lo origina directamente (x), para lo que es indispensable conocer las reacciones que permitan su obtención. Después se analiza la síntesis de (x) y así sucesivamente, hasta que se llegue a un compuesto de fácil síntesis a partir del reactivo de partida. Por ejemplo, en la síntesis a), el análisis correspondiente revela que el ácido p-nitrobenzoico no puede obtenerse por nitración del ácido benzoico ya que el grupo COOH orienta la nitración a la posición meta y tampoco puede obtenerse a partir del nitrobenceno por la misma y otras consideraciones. En el producto ambos grupos presentes son orientadores a la posición meta, luego el compuesto que le da origen, inicialmente debió tener un sustituyente orientador de la nitración a la posición para y que, posteriormente, se transformó en un sustituyente orientador a la posición meta, por ejemplo un grupo CH3 el que después se oxidó a COOH. Luego, el compuesto involucrado en la etapa inmediatamente anterior a la obtención del ácido pnitrobenzoico, puede ser un p-nitroalquil derivado, por ejemplo, el p-nitrotolueno.

115

a) NO2

CH3

NO2 KMnO4

HNO3

H

H2SO4

COOH

CH3

b) O

O

CH3 C

CH3 C

Cl2

CH3 COCl

FeCl3

AlCl3

Cl

c) C

CHBr

CH

CH2Br

1.- 2 NaNH2/NH3 2.- H2O

CH

CH2

Br2

KOH

CCl4

Etanol

CHBr CH3

CH2 CH3

CHBr CH3

CH3 CH2 Cl

NBS

AlCl3

CCl4

(exceso)

d) CH

CH CH2 CH3

CHBrCH2CH2CH3

CH2CH2CH2CH3

KOH

NBS

Br2

Etanol

CCl4

FeBr3

Br

Br

Br CH2CH2CH2CH3 Zn(Hg) / HCl

O

CH2CH2CH3 C CH3CH2CH2COCl AlCl3

CH2CH2CH2CH3

116

e) CH3

CH3

CH3

Br Br2

HNO3

Fe

H2SO4

NO2

NO2

f) NH2

CO CH3

CO CH3

NH

NH Br

Br

H3O

Br2

HNO3

calor

FeBr3

H2SO4

NO2

NO2

CO CH3

O

NH

O

NO2

NH2

NO2

O

Fe

HNO3

HCl

H2SO4

g) NH2

CO CH3

CO CH3

NH

NH

NO2

NO2 H3O

HNO3

Br2

calor

H2SO4

FeBr3

Br

Br

CO CH3

O

NH

O O

Br

NH2

NO2 Fe

HNO3

HCl

H2SO4

Además se obtiene 4-bromo-3-nitroacetanilida en menor proporción porque el grupo acetilamino es un orientador orto-para con fuerte activación de esas posiciones; en cambio los halógenos orientan a las mismas posiciones pero con desactivación del anillo.

117

h) CH2CH2OH

CH2

CH

1. BH3 2. H2O2, OH

CH

CHBrCH3

CH2

CH2CH3 CH3CH2Cl

NBS

KOH

AlCl3

Etanol

(exceso)

CH

CH2

CH2Br

1. PO3

CH3 NBS

2. BuLi / THF 3.- HCHO

14.

Analice las siguientes reacciones e indique los errores en cada una de ellas. Fundamente brevemente sus respuestas. NO2

NO2

NO2 CH3 CH2 Br a)

Br2 UV

AlCl3 CH2 CH3

Br

CH2 CH3

CO CH3 1. CH3 COCl / AlCl3 b)

2. CH3 COCl / AlCl3 CO CH3

c)

Br

1. PO3

2. BuLi /THF

O

CH2 CH2 CH2 CH3 d)

1. CH3 CH2 CH2 CH2 Br / AlCl3 2. Br2 / FeBr3 Br

118

RESOLUCIÓN: a) i) La reacción de Friedel y Crafts no se produce en anillos fuertemente desactivados (por ejemplo, por el grupo NO2). ii) La reacción de Br2/UV es análoga a la del NBS; es decir, la halogenación se produce por sustitución de H ubicados en C  a dobles enlaces; en este caso en el CH2. b) La reacción de acilación de Friedel y Crafts sólo puede hacerse una sola vez, ya que el anillo queda desactivado para una segunda acilación. c) En el producto de la reacción de Wittig, el doble enlace queda entre el carbono unido al halógeno del halogenuro de alquilo y el carbono carbonílico de la cetona; luego, el producto de la reacción debe ser:

d)

En la primera reacción, se produce un reordenamiento del carbocatión primario inicial y en la segunda reacción se formaría el p-bromoderivado correspondiente. CH3

CH3

CH

CH2

CH3

CH

CH2

CH3

2.

1.

Br

15.

A partir de etilbenceno como única fuente de carbono y los reactivos necesarios, proponga y desarrolle esquemas de síntesis para la obtención de: a) 1,4-difenil-1-butino.

b) 1-fenil-2-buteno.

RESOLUCIÓN: a) C

C

C

C

CH2

C

CH2

NH2 / NH3

BrCH2 CH2

CH

CH2

KOH

CHBr

CH2Br

C

+

BrCH2

CH2

Br2

CH

CCl4

HBr

CH

CH2

CH2

peróxidos CHBr

Etanol

CH3

NBS

CH2 CH3

CCl4

b) CH2

CH

CH

CH3

Reacción de Wittig

CH2

CH2Br

+

CH3 CHO

119

3.

PROBLEMAS ADICIONALES

1.

Los siguientes compuestos presentan carácter aromático y gran momento dipolar. Escriba estructuras contribuyentes para cada caso que avalen estas características.

A

2.

B

Explique brevemente cómo la regla de Hückel predice que el pirrol y la piridina son aromáticos, en cambio el ciclobutadieno y el ciclooctatetraeno no lo son.

N ..

N ..

H Pirrol

3.

Piridina

Ciclobutadieno

Ciclooctatetraeno

a) Un compuesto aromático(A), de fórmula global C9H12, reacciona con un alqueno (B), en medio ácido, para formar 1,4–diisopropilbenceno. Identifique A y B. (A) C9H12 +

B

b) Compare la reactividad relativa de los siguientes compuestos: para la monobromación del anillo aromático. C (A)

CH3

N (B)

CH3

NO2 (C)

C(CH3)3

c) En los mismos compuestos, escriba la estructura del producto principal de la monobromación de cada uno de ellos.

120

4.

¿En que posición del anillo bencénico se esperaría que ocurriera una sustitución electrofílica en cada una de las siguientes sustancias? OCH3

NO2

NH2

Cl

Br a)

c)

b) Br

5.

Indique, y explique brevemente, ¿cuál(es) de los siguientes compuestos presentan carácter aromático? _ _ A)

6.

C)

B)

D)

Disponga los compuestos de cada grupo en orden de reactividad hacia la sustitución electrofílica aromática: a) nitrobenceno, fenol, tolueno, benceno. b) fenol, benceno, clorobenceno, ácido benzoico. c) benceno, bromobenceno, benzaldehído, anilina.

7.

Ordene los siguientes compuestos según su mayor o menor facilidad para reaccionar con un reactivo electrofílico. O

H3C

H C

a)

8.

CH3

CH3 N

b)

CH3

CH2

c)

Cl

d)

H3C

N

CH3

e)

El pKa del ácido p-ciclopropilbenzoico es 4,45. ¿Será el ciclopropilbenceno más o menos reactivo que el benceno hacia la bromación electrofílica? Explique. (pKa acido benzoico = 4,2)

121

9.

Explique los valores de pKa que se indican para la ionización de los siguientes fenoles en agua a 25º C. OH

R2 R1

pKa

R1

R2

a)

Cl

OCH3

9,2

b)

OCH3

Cl

9,7

10.

Sintetice 1-fenil-1,3-butadieno a partir de benceno y cualquier otro reactivo necesario.

11.

A partir de un compuesto aromático monosustituido y cualquier otro reactivo necesario, sintetice: CH2

Br

12.

NO2

Se desea sintetizar el 3-(2-bromoetil)bromobenceno (D) para lo que se propone la siguiente secuencia de reacciones: Br

CH3CCl

Br

Br

O

Br

Zn / HCl

AlCl3

C

NBS

CH3

CH2CH3

CH2CH2Br

(D)

O

a) Indique y explique brevemente los errores y / o las dificultades experimentales de cada etapa de esta secuencia. b) Sintetice el compuesto (D) a partir de un derivado bencénico monosustituido.

13.

A partir de tolueno y cualquier otro reactivo necesario, sintetice:

H2N

CH

CH

CH2Br

122

14.

Dado el compuesto (A): CH

CH

CH3

(A) Br

Sintetícelo a partir de benceno y cualquier otro reactivo necesario

15.

A partir de benceno o tolueno y cualquier otro reactivo necesario, sintetice 1, 1, 2-trifeniletileno.

16.

Se desea sintetizar el 1-fenil-2-propanol (A) para lo cual se propone la siguiente secuencia de síntesis: OH CH3

CH2Br Br2

CH = CH (Ph)3 P; CH3CH2Br

CH3

H2O

CH2

CH

CH3

(A)

Butil Li

FeBr3

a) Analice esta secuencia indicando brevemente, los errores de esta proposición de síntesis. b) Proponga un esquema apropiado para sintetizar (A) a partir de benceno o tolueno y cualquier otro reactivo necesario

17.

Complete el siguiente esquema de síntesis: AlCl3

(A)

(C)

(B) H

Br

(D) OH

O3 Zn H3O

(E)

Br

123

18.

19.

A partir de tolueno 3-fenil-1-propanol.

y

cualquier

otro

reactivo

necesario,

sintetice

A partir de benceno, propeno y cualquier otro reactivo necesario, sintetice 2-metil-4-fenil-2-penteno

20. A partir de benceno o tolueno y los reactivos necesarios sintetice: a) 1-(m-bromofenil)-2-propanol b) ácido 4-(2-feniletil) benzoico c) 3-fenil-2-metil-1-propanol

124

ESPECTROSCOPÍA 1.

CONCEPTOS GENERALES

Espectroscopía:

es un fenómeno de interacción de una molécula con una onda electromagnética que provoca una transición entre dos estados de diferente energía. Al volver a su estado basal, la molécula emite una radiación, la cual es detectada. Del tipo de radiación absorbida, dependerá el tipo de espectroscopía que se este estudiando.

E = h: la frecuencia de la energía absorbida, se relaciona con la energía de transición entre un estado inicial y uno final, que corresponde a la constante de Planck, h multiplicada por la frecuencia, .

Vibración de tensión: modo de vibración de dos átomos en el enlace, equivalente a un resorte.

Vibración de torsión: modo de vibración de dos átomos, en el plano o fuera de él. Sobretonos:

ocurren al doble de la frecuencia de la vibración fundamental (2) y son de

baja intensidad.

Bandas de combinación:

son de baja intensidad y ocurren cuando las bandas fundamentales 1, 2 se acoplan para dar bandas a (1 + 2) y (1 – 2).

Bandas de acoplamiento:

ocurre cuando grupos funcionales similares están muy cercanos y tienen absorciones fundamentales intensas.

Apantallar: a mayor cantidad de electrones circulantes, mayor será la protección del átomo de hidrógeno. Para que se produzca la condición de resonancia será necesario aplicar un campo magnético mayor.

Desapantallar:

cuando un átomo altamente electronegativo aleja los electrones de sus vecinos y el átomo de hidrógeno se ve entonces desprotegido.

Desplazamiento químico (): es la posición del espectro de RMN en la que ocurre la resonancia de cada núcleo situado en un entorno molecular específico.

Integración:

corresponde al área bajo la curva e indica la cantidad de hidrógenos

equivalentes.

Multiplicidad:

los átomos de hidrógeno se ven influenciados por los átomos de hidrógeno adyacentes, generando pequeños campos magnéticos los cuales se podrán sumar o restar al campo experimentado por los protones, provocando lo que se conoce como desdoblamiento. Este desdoblamiento de las señales se denomina acoplamiento y se produce sólo entre hidrógenos adyacentes el cual sigue la regla n+1, con n = al numero de hidrógenos adyacentes.

125

2.

PROBLEMAS RESUELTOS

1.

Proponga estructuras para compuestos que satisfagan descripciones: a) C5H8, con absorciones en el IR a 3300 y 2150 cm -1. b) C4H8O, con una intensa absorción en 1715 cm-1.

las

siguientes

RESOLUCIÓN: a) Como la fórmula molecular sólo tiene carbono e hidrógeno, no se puede pensar en un alcohol o una amina. La señal que corresponde a 3300cm -1 corresponde a la tensión C-H correspondiente a un carbono sp, lo cual es corroborado por la señal en 2150 cm-1 que corresponde a la tensión CC. Por otro lado, el triple enlace es terminal al observarse la banda de tension C-H. Entonces, las posibles estructuras son: H3C

C H3C

C

CH

CH CH3

b) La señal en 1715cm-1 indica claramente la presencia de un grupo carbonilo. Dada la formula molecular, la única estructura es: O

2.

Analice el siguiente espectro IR. Indique posición de la señal, intensidad y tipo de vibración. ¿Cuáles son las características estructurales que surgen del análisis?

126

RESOLUCIÓN:

Tensión C-H de Csp

amina



  

3.

3

Banda I y II de la amida

Torsión C-H

Se observa la presencia de la función amina, por la señal entre 3100-3400 cm-1 moderadamente intensa, que corresponde a una amina alifática primaria, ya que muestra dos picos bien definidos que corresponden a los stretching N-H simétrico y antisimétrico. Entre 1600 y 1700 cm-1 se observan dos señales intensas que corresponden a las bandas I y II de amida. Una corresponde al stretching del carbonilo y la otra corresponde al bending del N-H. Por otra parte se observan señales a menos de 3000cm-1, moderadamente intensas que corresponden a stretching C-H sp3. Alrededor de 1430 cm-1, hay una señal medianamente intensa que corresponde al bending C-H de cadenas alquílicas. Por lo tanto, el espectro corresponde a una amida alifática, ya que no se observa la presencia de compuestos aromáticos.

Analice el siguiente espectro IR. Indique posición de la señal, intensidad y tipo de vibración. ¿Cuáles son las características estructurales que surgen del análisis?

127

RESOLUCIÓN  

Alrededor de 1730 cm-1 está la señal característica de un grupo carbonilo. Las señales que se observan a menos de 3000cm -1 corresponde al stretching C-H sp3.  También se observan dos señales a 1375 y 1475 cm -1 que son características de un grupo isopropilo.  Se observa claramente la vibración stretching de C-C-O a 1050 cm-1, como también la señal un poco mas ancha de C-C(=O)-O a 1200 cm-1. Por lo tanto el espectro corresponde a un éster alifático, donde uno de los grupos R corresponde al grupo isopropilo.

4.

De las siguientes estructuras, A y B, asigne a cada una de ellas, sus frecuencias fundamentales más importantes (al menos 5 bandas) en el IR y diga tres diferencias que tiene cada una de ellas para su identificación. O

O

CH3 O

A

H

OH

B

RESOLUCIÓN: COMPUESTO A 3050cm-1 C-H tensión aromático 1500cm-1 C=C tensión aromático 1730cm-1 C=O tensión carbonilo de un ´ éster 1200cm-1 –C-O tensión 750cm-1 y 700cm-1 C-H fuera del plano del aromático (mono sustitución) 2900cm-1 tension C-H de CH3 1450 y 1374cm-1 torsión de CH3

COMPUESTO B 3050cm-1 C-H tensión aromático 1500cm-1 C=C tensión aromático 1740cm-1 C=O tensión carbonilo de aldehído 2850 y 2750cm-1 tensión C-H de aldehído 3400cm-1 banda ancha tension O-H 1200cm-1 –C-O tensión 750cm-1 C-H fuera del plano del aromático (sustitución orto)

DIFERENCIAS B tiene señal de tensión O-H B tiene sustitución orto, dos bandas B tiene tensión C-H del aldehído, característico (dos bandas) A tiene señal de aromático monosustituido ( 750 y 700cm-1) A tiene torsión de CH3, a 1450 y 1375cm-1 A tiene señales de tension C-H a 2850cm-1.

128

5.

¿Cómo podría distinguir, utilizando la espectroscopia IR, entre los siguientes pares de isómeros? a) (CH3)3·N y CH3CH2NHCH3 b) CH3COCH3 y CH2=CHCH2OH c) CH3COCH3 y CH3CH2CHO

RESOLUCIÓN: a) Al comparar una amina terciaria con una secundaria, la vibración de tensión N-H ayuda a diferenciar ambas estructuras. b) El grupo carbonilo de una cetona (alrededor de 1720cm -1) se diferencia de un doble enlace de un alqueno (1640cm -1), siendo la señal del OH la más característica, tensión del OH ,observándose una banda ancha alrededor de 3400cm-1. c) A pesar que el grupo carbonilo de una cetona se diferencia levemente del grupo carbonilo de un aldehído, 1720 y 1730cm -1 respectivamente, lo que realimente los diferencia es la tensión C-H del aldehído (bandas características a 2800 y 2700cm-1).

6.

Se presentan tres espectros IR, los cuales corresponden a alcohol bencílico, bencilamina y ácido fenilacético. Identifique cada uno de ellos indicando las vibraciones más importantes.

129

RESOLUCIÓN El espectro A, presenta, alrededor de 1720cm-1, la banda intensa característica de los carbonilos y además, se observa la banda stretching de O-H, banda ancha no muy intensa que se extiende desde los 2500 a los 3300 cm -1, característica de los ácidos carboxílicos. En 1200 cm-1 se observa la banda de torsión del C-O. Las bandas que se observan a 700 cm-1 y a 760 cm-1, corresponden a torsiones de aromático fuera del plano que indican una monosustitución del anillo aromático. El espectro B, presenta una señal ancha e intensa desde los 3200 cm -1 a los 3500 cm-1, característica de los alcoholes. Se observa una señal de baja intensidad a 2900cm-1 correspondiente a tensión C-H de alcanos y señales a 3050 cm -1 que corresponden a la tensión C-H de compuestos aromáticos. En 1500 cm-1 se observa la señal de tensión C=C de compuesto aromático y a 1020 cm -1, la señal correspondiente a la tensión C-O de alcohol primario. El espectro C, presenta una señal ancha y pequeña a 3300 cm -1, y 2 picos que corresponden a una amina primaria. Además se observan señales de tensión C-H a 3050 cm-1 que corresponden a aromático y señales a 2900 cm -1 que corresponden a la tensión C-H de alcanos. A 690 y 730 cm-1 se observan las torsiones fuera del plano de aromático que indican una monosustitución en anillo aromático.

130

7.

¿Cómo se podría distinguir entre los siguientes pares de isómeros, mediante la espectroscopia 1H-RMN? a) CH3CCl3 y ClCH2CHCl2 b)

CH3CH2CH2OH

y

O

c)

y

CH3 C O CH2 CH3

(CH3)2CHOH

O CH3 CH2 C H O

d)

CH2 CHO

C

CH3

RESOLUCIÓN: a) La diferencia entre ambos espectros es que claramente el CH3CCl3 tiene un sólo tipo de hidrógeno, que corresponde a un metilo. Como no tiene más hidrógenos, la multiplicidad corresponde a un singulete y el desplazamiento está aproximadamente en 2 ppm. Por otra parte, el ClCH2CHCl2 tiene dos tipos de hidrógenos. El metino (CH) tiene dos átomos de cloro, por lo tanto se encuentra más desapantallado que el metileno (CH2). Además, la multiplicidad del metino, como tiene al metileno adyacente, corresponde a un triplete con integración 1 y se encuentra en 5 ppm, aproximadamente. El metileno está unido a un cloro y al metino, entonces su multiplicidad será un doblete, integración 2H y está menos desapantallado, aproximadamente a 3,5 ppm. b) Ambos son alcoholes, donde el grupo R corresponde a isopropilo y propilo. Estos dos compuestos se diferencian en el patrón de sus multiplicidades. El isopropilo se caracteriza por tener una señal, alrededor de 1 ppm, que corresponde a un doblete e integra para 6H junto con un multiplete con integración 1 que corresponde al metino. El propilo tiene un triplete que integra para 3H y aparece a 1 ppm que corresponde al metilo. Luego, aparece un multiplete que integra para 2H y se encuentra, aproximadamente, a 2 ppm y finalmente el metileno que, como está unido al OH, se encuentra desapantallado por efecto del oxígeno y aparece a 3,5 ppm, siendo un triplete con integración 2H. c) Aquí podemos diferenciarlos perfectamente, uno es un éster, con un grupo etilo y un metilo. El grupo etilo tiene un patrón característico, un triplete con integración 3H y un cuarteto con integración 2H. El grupo etilo esta unido a el oxigeno, entonces el metileno se encuentra desapantallado. Por otra parte, el metilo unido al carbonilo, tiene un desplazamiento químico de 2.0 ppm con integración 3H y es un singulete, pues no tiene ningún hidrógeno adyacente. El otro compuesto es un aldehído, que se reconoce porque el protón del CHO se encuentra desapantallado a 9 ppm. Este compuesto también tiene un grupo etilo, pero como solo se encuentra adyacente a un grupo carbonilo, no se encuentra tan desplazado como el metileno anterior, que está unido a oxígeno. Tiene el

131

mismo patrón, es decir un triplete con integración 3H y un cuarteto con integración 2H. d) Este par de compuestos presentan las funciones aldehído y cetona, siendo ambos aromáticos. Por ello, ambos tendrán en la zona de 7 ppm, señales correspondientes a los cinco protones del anillo. El protón del aldehído es característico y aparece a 10 ppm, lo que identifica claramente el compuesto. Este también se identifica por el singulete con integración 2H, que corresponde al metileno que se encuentra entre el grupo carbonilo y el anillo aromático, el cual debe aparecer alrededor de 3 ppm. La cetona, además de las señales de aromático en la zona de 7 ppm, sólo presenta un singulete, que integra para 3H, que corresponde al metilo y que resuena alrededor de 3.1 ppm. Asigne a cada espectro 1H-RMN una de las estructuras de la siguiente lista de compuestos. Justifique brevemente su elección.

8.

Br

O CH2 CH3

CH3 CH2 O CH

O

CH3 CH2 O C CH3 CH3

II

I

O

CH3

III

O

CH2 CH2 O C CH3

CH3

CH3 CH2 CH2 NO2

C CH3

IV

VI

V

A

8.0

7.5

7.0

6.5

6.0

5.5

5.0

4.5

4.0

3.5

3.0

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

0.0

132

B

8.0

7.5

7.0

6.5

6.0

5.5

5.0

4.5

4.0

3.5

3.0

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

C

7.0

6.5

6.0

8.0

7.5

5.5

5.0

4.5

4.0

3.5

3.0

2.5

2.0

1.5

3.0

2.5

1.0

0.5

D

9.0

8.5

7.0

6.5

6.0

5.5

5.0

4.5

4.0

3.5

2.0

1.5

1.0

RESOLUCIÓN: En el espectro A, se distinguen un triplete, un singulete y un cuarteto, con integraciones 3:3:2. El triplete y cuarteto son característicos de un grupo etilo, el cual se encuentra muy desapantallado. El singulete corresponde a un CH 3 levemente desapantallado, tal vez por efecto de un grupo carbonilo. Entonces, este espectro correspondería a la estructura III.

133

En el espectro B, nuevamente se distingue el patrón triplete (3) y cuarteto (2) que corresponde a un grupo etilo, donde el metileno nuevamente se encuentra desapantallado por efecto de un oxigeno (4ppm). Además, en 7ppm, en la zona de los aromáticos, hay 2 dobletes con integración 2H que corresponden a 4 protones aromáticos. El anillo aromático está disustituido, en posición para. Por lo tanto la estructura es la estructura I. En el espectro C, hay un triplete con integración 3H, un multiplete con integración 2H y un triplete con integración 2H muy desapantallado. Este patrón triplete multiplete triplete es característico del grupo propilo, el cual se encuentra unido a un grupo electronegativo, por lo tanto corresponde a la estructura VI. Por ultimo, el espectro D, es un compuesto aromático, disustituido en posición para. Uno de los sustituyentes es un metilo unido directamente al aromático, mientras que el otro también es un metilo pero unido a un carbonilo (por el desplazamiento). Por lo tanto, corresponde a la estructura V.

9.

¿A cual de las siguientes estructuras corresponde el espectro de RMN dado? Justifique indicando cada señal con su respectivo desplazamiento químico y multiplicidad. CH3

Br

CH2 C CH2 CH2 C

CH2

O

CH2

Br

N CH3 CH2

CH2CH2O C CH3

A

B

C

3

10

2 2

5

2 2 0

8.0

7.5

7.0

6.5

6.0

5.5

5.0

4.5

4.0

3.5

3.0

2.5

2.0

1.5

RESOLUCIÓN: A  = 1.8 se observa un singulete, a   = 4.3 un triplete, a  = 7.3 un doblete y por último a  = 7.5 un doblete. Las señales en 7ppm indican que el compuesto es aromático y disustituido en posición para. Luego los dos tripletes corresponden a dos CH2 unidos entre si, donde uno de ellos tiene un grupo electronegativo adyacente. Por ultimo, el metilo se encuentra levemente desapantallado, por efecto del grupo carbonilo. Entonces, corresponde a la estructura B.

134

10.

Dado el siguiente compuesto A, CH3

O C

CH2

CH2

O

H

CH2

C

CH3

CH3 1

Dibuje el espectro de H-RMN tomando en cuenta su desplazamiento químico (), integración y multiplicidad. RESOLUCIÓN: Este compuesto tiene 7 tipos diferentes de hidrógenos. H1: 9 protones equivalentes debido al grupo terbutilo. Como los tres metilos están unidos a un carbono cuaternario sin hidrógenos, la señal corresponde a un singulete que integra para 9H y su señal aparecerá a 1ppm. H2: metileno unido al terbutilo y al oxígeno. Como no tiene hidrógenos adyacentes, entonces la señal corresponderá a un singulete, con integración 2H y el oxigeno desapantallará al metileno desplazando su señal a 3,3 ppm aproximadamente. H3: metileno unido al oxígeno y a otro metileno. Esta señal corresponde a un triplete, debido a que tiene 2 hidrógenos adyacentes. Su señal aparecerá cercana a la anterior aproximadamente a 3,5 ppm e integrará para 2H. H4: metileno unido al benceno y a otro metileno. Esta señal tiene una multiplicidad de triplete ya que tiene 2 hidrógenos adyacentes, los del metileno (H3). Por efecto del grupo aromático, su desplazamiento estará en 2,5 ppm y su integración será de 2H. Hb

Ha

O C

CH2

H Hb

Ha

El anillo aromático tiene 2 tipos de hidrógenos diferentes: Ha: que corresponden a los cercanos al grupo metileno, y ambos ven a los hidrógenos Hb: por lo tanto será un doblete, que integra para 2H, pues son dos hidrógenos equivalentes y se observarán a 7,2 ppm. Mientras que los hidrógenos Hb, estarán más desapantallados debido a la presencia del carbonilo, y también, verán al los hidrógenos Ha por lo que serán un doblete que integrará para 2H y aparecerá a 7,8 ppm. Por último el hidrógeno H5, que corresponde al del aldehído que aparece alrededor de 10 ppm y como no tiene ningún H adyacente su multiplicidad corresponde a un singulete con integración de 1H.

135

11. Se tienen dos ésteres isoméricos, A y B, que se quieren identificar uno del otro. Qué técnica espectroscópica utilizaría para su identificación y como sería el espectro de cada uno de ellos. CH3

CH3

O

CH

C

O O

CH2

CH3

CH3

CH2

CH3

C

A

O

CH

CH3

B

RESOLUCIÓN: Debido a que ambos compuestos tienen los mismos grupos funcionales, isopropilo y éster, no se pueden distinguir por IR. Por ello la técnica adecuada es 1H-RMN. Ambos isómeros tienen el grupo isopropilo y el grupo etilo y por 1H-RMN dan el mismo patrón de multiplicidad e integración. Pero la diferencia radica en que en el isómero A, tiene el oxígeno del éster unido al grupo etilo, mientras que en el isómero B el oxígeno del éster está unido al grupo isopropilo. Entonces, el espectro 1H-RMN de compuesto A, tendrá el metileno más desapantallado a 3,4ppm que el del compuesto B que se encuentra 2,4 ppm. Por otra parte, el metino (CH) del compuesto B se encuentra más desapantallado que el metino del compuesto A. Esto es suficiente para identificar cada uno de los compuestos.

12.

En una práctica de laboratorio se hizo una reacción de Wittig con metoxiacetona, según la siguiente reacción: (C6H5)3P+-CH3 Br‾

O O

O

Circunstancialmente se confundieron los productos con los de una reacción de reducción del mismo sustrato con borohidruro de sodio. O NaBH4

O

OH O

a) Que diferencias observaría en los espectros de IR para reconocer cada uno de los productos. b) Describa los espectros de protones tanto de la metoxiacetona como de ambos productos, en base a desplazamiento químico, integración y multiplicidad. RESOLUCIÓN: a) En la reacción de Wittig, el producto es un alqueno, el cual tiene sus vibraciones características. Se deben observar las bandas de tensión C-H que aparecen en la zona de los 3100 cm -1. Junto con esto debe aparecer la banda de tensión C=C alrededor de 1650 cm-1.

136

Con borohidruro de sodio, el producto que se obtiene es un alcohol. La banda característica de la función alcohol es ancha y se encuentra alrededor de 3400 cm-1. b)

metoxiacetona

singulete (3) singulete (2) singulete (3)

3.5ppm 2.5ppm 2.3ppm

producto I:

2 dobletes (2) singulete (3) singulete (2) singulete (3)

5.5ppm 3.5ppm 2.5ppm 2.1ppm

singulete (3) 3.5ppm doblete (2) 2.5ppm sexteto (1) 2.2 ppm doblete (3) 1.5 ppm El protón del OH no se acopla con los otros hidrógenos, pues al ser tan lábil, se intercambia con D del solvente (D2O) y por ende no se observa. producto II:

13.

Un compuesto de fórmula molecular C6H12O, presenta las siguientes señales en el espectro IR. Una señal ancha en la zona de 3200-3600 cm-1 y una señal de intensidad media a 1660 cm-1. El espectro de 1H-RMN de 300MHz se muestra a continuación. A partir del análisis de estos datos, proponga una estructura que sea consistente con los datos entregados. Indique claramente a que hidrógeno corresponde cada señal del espectro .

10

3s

2q 5

2t 2t

1s

2s 0

5.0

4.5

4.0

3.5

3.0

2.5

2.0

1.5

RESOLUCIÓN: El IR nos indica la presencia de un alcohol (OH) y de un doble enlace; es decir, un alqueno. Lo cual se observa claramente en el 1H-RMN a 4.7 ppm (>C=CH2). A 3.6 ppm hay un triplete con integración 2H que indica un CH2 desapantallado unido a otro CH2.

137

La señal en 2.5, relativamente ancha, corresponde al protón del alcohol. Hay otro triplete con integración 2H y a campo alto, un quinteto con integración 2H. Estos corresponden a –CH2-CH2-CH2-OH. Luego en 1.7 ppm se encuentra un metilo aislado, que debe estar unido al alqueno CH 3C=CH2. Entonces la molécula es: CH3 H2C

14.

C

CH2

CH2

CH2 OH

Un compuesto de fórmula molecular C9H18O2, presenta los siguientes espectros de IR e 1H-RMN. A partir del análisis de ellos, proponga una estructura que sea consistente con todos estos datos. (Justifique tanto por IR como por RMN la dilucidación de la estructura).

20

6d 15

3t 2c

10

2m 5

0

2t

4.0

3.5

3.0

2t

1m

2.5

2.0

1.5

1.0

s = singulete, d = doblete, t = triplete, c = cuarteto, m = multiplete 0.70

Ampliación

0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 0.00

1.80

1.70

1.60

1.50

138

RESOLUCIÓN: Del espectro de IR, se deduce que el compuesto tiene un grupo carbonilo a 1740cm -1 aproximadamente. La señal que se observa a 1180cm -1, corresponde de un éster. –OC=O. El compuesto no es aromático, ya que sólo se observan las vibraciones de torsión C-H a 2950cm-1 correspondientes a cadenas alifáticas. En el espectro 1H-RMN, a campo alto el doblete con integración 6H corresponde a dos metilos equivalentes unidos a un metino (CH). La única señal que integra para 1H es un multiplete que se encuentra a 1.8 ppm. En la ampliación se distingue que el multiplete tiene 9 señales, lo cual indica que tiene 8 hidrógenos, de los cuales 6 son los dos metilos. Por lo tanto, el metino tiene por un lado dos metilos y por el otro un metileno. A su vez, ningún metileno corresponde a un doblete; por lo tanto, ese metileno debe tener otro CH2 adyacente.

CH3 CH2 CH CH3 Entonces, la multiplicidad del metileno, unido a un CH y a un CH2, será un cuarteto, que corresponde a la señal en 1.58 ppm. A su vez este estaría unido a otro CH 2 que sería el que se encuentra muy desapantallado por efecto del oxigeno. Por otra parte el metilo a 0.9 ppm, por ser un triplete, está unido a un CH2 (quintuplete a 1.65 ppm), que a su vez esta unido a otro CH2 (triplete a 2.3 ppm) un poco desapantallado por efecto del carbonilo. O O C

CH2

CH2 CH3

Entonces, las estructuras del espectro dado podrían corresponder a: CH3

O CH CH2 CH2 O C CH2 CH2 CH3

CH3

CH3

O CH CH2 CH2 C O CH2 CH2 CH3

CH3

En este caso, es difícil poder determinar a cual de los dos lados se encuentra el oxigeno, por lo tanto ambas estructuras se pueden considerar correctas.

139

3.

PROBLEMAS ADICIONALES

1.

Prediga el espectro de 1H-RMN de la siguiente molécula indicando desplazamiento químico, integración y multiplicidad. Junto con esto prediga las bandas mas importantes en el espectro IR (al menos 6). O O

CN

2.

Explique porque la frecuencia de vibración del enlace CC aparece a mayor frecuencia que la del C=C (2250cm-1 y 1600cm-1 respectivamente). Indique que información obtiene en un espectro de 1H-RMN del desplazamiento químico, la integración y la multiplicidad.

3.

A continuación se dan las características espectroscópicas y la formula global de varios compuestos. Proponga estructuras consistentes en cada uno de los conjuntos de datos.

Fórmula C3H7Br C7H8O

C15H14O

C4H7BrO2

C4H8O3

C8H9Br

1

H RMN Doblete 1.71ppm Septeto 4,55 ppm Singulete 2.43 ppm Singulete 4.58 ppm Multiplete 7.28 ppm Singulete 2.2 ppm Singulete 5.08 ppm Multiplete 7.25 ppm Triplete 1.08 ppm Multiplete 2.07 ppm Triplete 4.23 ppm Singulete 10.97 ppm Triplete 1.27 ppm Singulete 4.13 ppm Cuarteto 3.66 ppm Singulete 10.95 ppm Doblete 2.0 ppm Cuarteto 5.15 ppm Multiplote 7.35 ppm

Integración 6 1 1 2 5 3 1 10 3 2 1 1 3 2 2 1 3 1 5

IR cm-1

Absorción ancha entre 3200 y 3600 Absorción intensa alrededor de 1720 Absorción ancha entre los 2500 y 3000. Absorción alrededor 1700 Absorción ancha entre los 2500 y 3000

140

4.

Dados los siguientes compuestos, A, B y C. CH3 O

CH3

C

C

CH3

CH3

CH2

O

CH3

C

CH

CH3 CH3

N

CH3

O CH2

O

C

CH3

CH3 A

B

C

Dibuje sus espectros de protones tomando en cuenta, desplazamiento químico, multiplicidad e integración.

5.

Un compuesto de peso molecular PM = 134, presenta los siguientes espectros de IR e 1H-RMN. A partir del análisis de ellos, proponga una estructura que sea consistente con todos estos datos. (Justifique brevemente como llegó a esta estructura).

10

3 3

5

2 2 0

8

7

6

5

4

3

2

1

141

Un compuesto “A” de fórmula molecular C10H12., tiene el siguiente espectro de 1 H-RMN de 300 MHz. Determine la estructura del compuesto justificando cada una de sus señales.

6.

s 3 10

3 1

5

m

m

3 0

8.0

7.5

s

2

7.0

s 6.5

6.0

5.5

5.0

4.5

4.0

3.5

3.0

2.5

2.0

1.5

NOTA: “s” corresponde a singulete y “m” a multiplete

7.

Un compuesto de fórmula general C6H10O, presenta en el IR una absorción intensa a los 1725 cm-1 y una menos intensa a los 1640 cm-1. El espectro de protones a 300 MHz es el siguiente:

11 10

s

9 8

3

7

d

6 5

3

d

4

t

3 2

1

1 0

2

m

1 10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0

NOTA: s = singulete; d = doblete; t = triplete; m = multiplete

a) Deduzca a partir de los datos espectroscópicos la estructura del compuesto, dibujando la estructura y relacionándola con cada señal del espectro de 1H-RMN. b) Proponga la estructura de un isómero del compuesto. Dibuje el espectro del isómero propuesto e incluya desplazamiento químico, multiplicidad e integración de cada uno de los protones del isómero.

8.

¿Cuál de las cuatro estructuras siguientes corresponde al espectro IR dado?

142

O

O

O

HO

O OH

O A

OH

B

C D Justifique su elección indicando posición de la señal e intensidad.

9.

Un compuesto de fórmula molecular C10H12O, presenta los siguientes espectros de IR y de 1H-RMN. A partir del análisis de ellos, proponga una estructura que sea consistente con todos estos datos. (Justifique por IR y RMN cómo llegó a la estructura).

143

10

6

1 d

5

2 s

2

d

1 0

10.

10

9

8

d

m

7

6

5

4

3

2

1

Un compuesto de fórmula molecular C9H16O, presenta en el espectro IR, un par de señales intensas a 1725 cm-1 y a 1640 cm-1 y otras señales medianamente intensas a 1450 , 1370 , 1385, 920 y 990 cm -1. El espectro de 1H-RMN de 500 MHz es el siguiente. A partir del análisis de estos datos, proponga una estructura para el compuesto, justificando su elección.

15

6 10

1

2

2 5

2

2 1 0

6.0

5.5

5.0

4.5

4.0

3.5

3.0

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

Los valores de las integrales y multiplicidad son las siguientes: 6(d); 2(c); 1(m); 2(t); 2(d); 2(m) y 1(m).

144

11.

¿Cuál de las cuatro estructuras siguientes corresponde al espectro IR dado? O O

NO2

NH2

O

NH2

O H

NH2

A

B

D

C

Justifique su elección indicando posición de la señal e intensidad.

12.

Un compuesto de fórmula molecular C10H12O2, tiene los siguientes espectros de IR e 1H-RMN. De una estructura consistente con los datos entregados, justificando su elección.

10

6d 1m 5

3m 2m 0

8.5

8.0

7.5

7.0

6.5

6.0

5.5

5.0

4.5

4.0

3.5

3.0

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

145

13.

Un compuesto de fórmula molecular C9H10O2, presenta los siguientes espectros de IR e 1H-RMN. A partir del análisis de ellos, proponga una estructura que sea consistente con todos estos datos. (Justifique tanto por IR y RMN la deducción de la estructura).

3

10

2

1

2

5

s 0

d

10

9

8

t

2

d 7

c 6

5

4

3

2

1

0

s = singulete, d = doblete, t = triplete y c cuarteto

14.

Un compuesto de fórmula molecular C9H7NO2, presenta en el espectro IR una banda ancha entre los 3600 y los 2900 cm-1, una señal medianamente intensa a 2250 cm-1 y una señal intensa a 1700 cm-1. El espectro de 1H-RMN es el siguiente. En base a los datos entregados, proponga una estructura que sea consistente con la información dada. JUSTIFIQUE. 8

7

2s 6

5

1d 1t

4

3

2

1d

1

0

1s

1s 10

9

8

s = singulete, d = doblete, t = triplete

7

6

5

4

3

146

15.

Para cada uno de los siguientes isómeros A-D, indique si es posible diferenciar cada uno de ellos por 1H-RMN. CH3 CH3 Cl CH2 C

CH3 CH3

CH CH3

Cl CH2 CH

Br

C

CH3 CH3

Cl CH2 C

Br

A

CH3 CH CH3

Cl CH2 CH C

CH3 Br

B

Br

C

CH3

CH3

D

Para justificar su respuesta dibuje sus espectros indicando desplazamiento químico (), multiplicidad e integración.

16.

¿A cuál de los siguientes compuestos A, B, ó C, corresponden los espectros de protones e infrarrojos dados? Justifique su elección indicando las señales más representativas. OH CH2 C CH2 CH2 OH

CH3 CH C CH2 CH3

CH3 CH CH CH2 CH2 OH

B

C

CH3

A

1s

11 10 9 8

3s

7 6

2t

5 4

2t

3

1s

2 1 0

1s 5.5

5.0

4.5

4.0

3.5

3.0

2.5

2.0

1.5

1.0

147

17.

¿A cuál de los siguientes compuestos A, B, ó C, corresponden los espectros de protones e infrarrojos dados? Justifique su elección indicando las señales más representativas. CH2 CH3

O

O CH2 CH3

C CH3

CH3 CH CH CH3

CH3

CH CH3

CH3

CH3

A

B

C

15

6d

10

3t

2c

2d

5

1se pt.

2d 0

8.0

7.5

7.0

6.5

6.0

5.5

5.0

4.5

4.0

3.5

3.0

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

148

18.

Un compuesto A de fórmula molecular C9H16O4 presenta los siguientes espectros IR y 1H-RMN respectivamente. Analice cuidadosamente ambos espectros y proponga una estructura para A. En el caso del espectro de 1H-RMN, indique la correspondencia entre los protones de la estructura y cada una de las señales del espectro. En el espectro IR, indique las señales mas representativas.

3

15

6 10

1

2

5

4 0

4.0

3.5

3.0

2.5

2.0

1.5

1.0

149

19.

Un compuesto de fórmula molecular C12H15N, tiene los siguientes espectros de IR y de 1H-RMN. Determine la estructura del compuesto en base a los datos espectroscópicos entregados. En el caso del espectro de 1H-RMN, indique la correspondencia entre los protones de la estructura y cada una de las señales del espectro.

15

6d

10

3s 1m 5

2s 1s 1d 1 d

0

7.5

7.0

6.5

6.0

5.5

5.0

4.5

4.0

3.5

3.0

2.5

2.0

1.5

1.0

150

20.

Un compuesto de fórmula molecular C6H12O, presenta en el espectro IR una señal ancha en la zona de 3200-3600 cm-1 y una señal de intensidad media a 1660 cm-1. El espectro de 1H-RMN de 300MHz se muestra a continuación. A partir del análisis de estos datos, proponga una estructura que sea consistente con los datos entregados. Indique claramente a que hidrógeno corresponde cada señal del espectro. 2q 10

3s 2t 1s

5

2t 2s 0

5.0

4.5

4.0

3.5

3.0

2.5

2.0

1.5

s = singulete, t = triplete, q = quinteto

21.

Un compuesto de fórmula molecular C10H12O2, presenta los siguientes espectros de IR y de 1H-RMN. A partir del análisis de ellos, proponga una estructura que sea consistente con todos estos datos. (Justifique tanto por IR y RMN la deducción de esta estructura)

3 10

s s

5

0

2

5

8.0

7.5

t

2

c 7.0

6.5

6.0

5.5

5.0

4.5

4.0

s = singulete, d = doblete, t = triplete y c = cuarteto

3.5

3.0

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

151

ESTEREOQUÍMICA 1.

CONCEPTOS GENERALES

Luz polarizada en un plano: un haz de luz ordinaria está compuesto por ondas electromagnéticas de diferentes longitudes de onda, que vibran en infinitos planos perpendiculares a la dirección de su propagación. Cuando la luz se hace pasar a través de un filtro adecuado, se obtiene una luz monocromática (de la misma longitud de onda), pero aún vibrando en todos los planos. Cuando la luz monocromática se hace pasar por una sustancia especial (polarizador), emerge vibrando en un solo plano. Se dice que esta luz está polarizada en un plano.

Sustancia ópticamente activa: se denominan así a todas las sustancias que desvían el plano de la luz polarizada.

Polarímetro: es un instrumento que permite medir la magnitud de la desviación de la luz polarizada en un plano.

Rotación observada: es la desviación de la luz polarizada en un plano producida por una determinada concentración de una sustancia quiral en un solvente específico y a una determinada temperatura.

Rotación específica: es una constante para cada compuesto quiral y corresponde a la rotación observada de un compuesto quiral, en un solvente determinado, definida por la expresión: t

  D =

 obs [c ] [ l]

En la que t es la temperatura, c es la concentración en gramos / mL, l es el largo de la cubeta en dm y obs es la rotación observada a una concentración dada c y en una cubeta de largo l. Ejemplo. La rotación específica del (S)-2-butanol, a 25º C y usando la línea D de una lámpara de Na que equivale a 589,6 nm es de + 13,25º. Este valor es específico para el (S)-2-butanol, pero la rotación observada de una solución del mismo compuesto depende de la concentración y del largo de la cubeta. Así, para una solución de (S)-2-butanol cuya concentración es de 0,06 g / mL, la rotación observada medida en una cubeta de 5 cm será aproximadamente de 0,4º.

Molécula ópticamente activa (dextrógira): es una sustancia ópticamente activa que desvía el plano de la luz polarizada en un polarímetro hacia la derecha con respecto al observador.

Molécula ópticamente activa (levógira): es una sustancia ópticamente activa que desvía el plano de la luz polarizada en un polarímetro hacia la izquierda con respecto al observador.

152

Quiralidad: el término quiralidad se usa para indicar la propiedad de aquellas moléculas que no son superponibles con sus imágenes especulares tal como la relación entre las manos derecha e izquierda.

Centro estereogénico: las moléculas quirales poseen por lo menos un átomo de carbono tetraédrico unido a cuatro sustituyentes diferentes llamado átomo de carbono asimétrico, centro asimétrico, átomo de carbono quiral, centro quiral o centro estereogénico

Configuración: implica el ordenamiento espacial específico de los átomos de una molécula.

Nomenclatura de Cahn, Ingold y Prelog: es una nomenclatura convencional adoptada para establecer la configuración de un centro estereogénico. Primero se asignan prioridades a los cuatro átomos unidos a él, de mayor a menor número atómico. Luego se observa a través del enlace entre el centro estereogénico y el átomo de menor prioridad. Se ordenan los tres átomos restantes en orden descendente de prioridad. Si el orden observado para ellos tiene el sentido del movimiento de los punteros de un reloj, se dice que el centro estereogénico tiene configuración R. Si es en sentido contrario, se dice que tiene configuración S.

Configuración absoluta: la configuración de un centro quiral es absoluta cuando se especifica el ordenamiento espacial de los sustituyentes de acuerdo a la nomenclatura de Cahn, Ingold y Prelog (R ó S). En los ejemplos siguientes, la primera molécula tiene la configuración absoluta (R) y la otra tiene la configuración absoluta (S). CH3

4

4

H

H Br

3

Br 1

CH3 3

1

NH2

NH2

2

2

configuración R

configuración S

Configuración

relativa: cuando dos moléculas pueden ínterconvertirse químicamente sin ruptura de enlaces en el centro quiral (estereogénico) se dice que tienen la misma configuración relativa, independiente de la rotación específica y de las configuraciones absolutas R y S. Ejemplo: H COOH

CH3 OH

Acido (S) - (+) - láctico

CH3OH H

H COOCH3

CH3 OH

(S) - (-) - lactato de metilo

153

En la esterificación del (S) -(+)-ácido láctico, no se altera la configuración del centro estereogénico, sin embargo, hay un cambio en la rotación específica. Por otra parte, esta reacción es demostrativa de que no existe relación entre la configuración absoluta (R ó S) y la rotación específica (+) ó (-).

Plano de simetría: corresponde al plano que bisecta una molécula de tal modo que cada átomo de un lado del plano, cuando se refleja en él, encuentra un átomo equivalente (indistinguible) en el otro lado del plano. Ejemplos, una molécula de agua tiene un plano de simetría que pasa por el átomo de oxígeno. El 1,4-dimetilbenceno tiene un plano de simetría que pasa entre los carbonos 1 y 4 incluyendo los grupos metilos.

Proyección de Fischer: es la representación convencional en un plano de la relación tridimensional de moléculas quirales. Por ejemplo, la reacción de esterificación del ácido (S) - (+) – láctico, indicada en un concepto anterior,

H COOH

CH3

CH3OH

H COOCH3

CH3

H

OH Acido (S) - (+) - láctico

OH (S) - (-) - lactato de metilo

se puede representar de la siguiente forma: H

H H3C

CH3OH

COOH

H3C

COOCH3

H

OH

OH

Enantiómeros: ocurren en pares de moléculas que tienen entre sí la relación de imágenes especulares no superponibles. Por ejemplo, (S)-2-bromobutano y (R)-2bromobutano son enantiómeros y cada uno de ellos es quiral. CH3

H

H Br

CH2 CH3 (R)- 2-bromobutano

Br

CH3

CH2 CH3 (S)-2-bromobutano

154

Diastereómeros: son aquellos estereoisómeros que, teniendo más de 1 centro estereogénico, presentan actividad óptica, pero no son enantiómeros ya que se diferencian, por lo menos, en la configuración de un centro estereogénico y por lo tanto no son imágenes especulares. Por ejemplo, los ácidos (2R, 3S)- y (2S, 3S) tartáricos. COOH

COOH H H

R

OH

HO

S OH

H

S

H S OH

COOH

COOH

Mezcla racémica: es una mezcla equimolar de enantiómeros, luego no presenta actividad óptica. Por ejemplo, una mezcla exacta de 50% (R) –2-bromobutano y 50% (S) -2-bromobutano. H

CH3

H Br

CH3

Br

CH2 CH3

CH2 CH3

Mezcla de 50 % (R)- 2-bromobutano

+

50 % (S)-2-bromobutano

Compuestos meso: se indica que un compuesto es un estereoisómero meso cuando, a pesar de contener centros estereogénicos, no posee actividad óptica por tener un plano de simetría interno. Como consecuencia de ello, la molécula es aquiral, por ejemplo:

COOH H

OH

H

OH

CH2OH

CH3 H

OH

R

R'

H

OH

COOH CH3

HO

H

H

OH

H

OH

HO

H CH2OH

En estos tres compuestos, se observa un plano de simetría que divide la molécula en dos partes que son imágenes especulares entre sí.

155

2.

PROBLEMAS RESUELTOS

1.

Escriba adecuadamente algunas estructuras de moléculas quirales que satisfagan las siguientes descripciones: a) un alquino, C7H12 c) un alqueno, C7H14

b) una amina, C6H15N d) un alcano, C7H16

RESOLUCIÓN:

a)

H NH2

NH2

b)

N

c)

d)

2.

Asigne configuración R ó S a los centros quirales de las siguientes moléculas. Indique la relación estereoquímica entre ellas, vale decir, si son enantiómeros, diastereómeros o representaciones de la misma molécula. Explique su respuesta. OH H

H

C

NH2 NH2

H

C

OCH3 CH3

A

H3C

HO OH

NH2

C C

H

OCH3

B

H

C C

H

H

OH

C CH3

OCH3

C

NH2

H3C

C H

D

OCH3

156

RESOLUCIÓN: OH H

H

CS

NH2

H

CR CH3

HO

NH2

H3C

OCH3

A

OH CR

CR

3.

H

H

CR CS

OH

CS CH3

OCH3

B

C B DIAST

DIAST ENANT DIAST

H

NH2

H

OCH3

A A B C D

NH2

DIAST ENANT

H3C

CS H

OCH3

D C ENANT DIAST

D DIAST ENANT DIAST

DIAST

¿Cuáles de las siguientes sustancias presentan una forma meso? a) 2,3-dibromobutano b) 2,3-dibromopentano Br

c) 3,4-dibromohexano

Br

a)

Br

b)

c) Br

Br

Br

RESOLUCIÓN: Br

Br

Br

Br a)

Br b)

c) Br

Los tres derivados dibromados tienen dos centros estereogénicos pero a) y c) pueden presentan un plano de simetría cuando un centro estereogénico es S y el otro es R. En este caso son compuestos meso.

157

4.

¿Cuáles de las siguientes proyecciones de Fischer para la alanina corresponden al mismo enantiómero? COOH H

COOH

NH2

H3C

H

CH3 HOOC

H H

CH3

NH2

NH2

A

B

C

H2N

CH3 COOH

D

RESOLUCIÓN: Las proyecciones de Fischer A y B corresponden al enantiómero (R) Las proyecciones de Fischer C y D corresponden al enantiómero (S)

5.

Se presentan a continuación las estructuras de la hidrocortisona (glucocorticoide) y del colesterol (el esteroide más abundante en el ser humano). ¿Cuántos centros estereogénicos tienen cada una de estas moléculas? ¿Cuántos estereoisómeros son posibles para cada una de ellas? CH2OH H HO CH3

CH3

CH3 CH3

O OH

H

CH3 H

H

H

H

O

HO H

HIDROCORTISONA

COLESTEROL

RESOLUCIÓN: CH2OH CH3

H HO

CH3

H O

CH3 CH3

O

OH H

CH3 H H

H

H H

HO H

HIDROCORTISONA COLESTEROL Los centros esteregénicos se indican con . El número de estereoisómeros posibles para la hidrocortisona son 27=128 y para el colesterol, 28 = 256

158

6.

Dibuje fórmulas de proyección para todos los estereoisómeros de los compuestos a), b) y c (especificando la configuración R o S en cada caso) e indicando si presentan actividad óptica. Señale los posibles compuestos meso. a) 1,2,3,4 - tetrahidroxibutano b) 1 - cloro - 2,3 - dibromobutano c) 2,3,4 -tricloropentano

RESOLUCIÓN: a) CH2OH

CH2OH H H

S

OH

R

OH

=

R

HO

S

HO

CH2OH

H H

H

S

HO

S

CH2OH

CH2OH

CH2OH

OH

R

H

H

CH2OH

1

R

HO

H OH

CH2OH

2

3

El compuesto 1 es meso (tiene plano de simetría entre los carbonos 2 y 3), por lo tanto no presenta actividad óptica; en cambio los compuestos 2 y 3 presentan actividad óptica por ser enantiómeros (imágenes especulares no superponibles). b) CH2Cl H H

S

CH2Cl

Br

R

Br

Br

R

Br

S

CH2Cl

H

S

Br

Br

R

H

S

H

H

R

Br

H

H

Br

CH2Cl

CH3

CH3

CH3

1

2

3

CH3 4

Los cuatro compuestos presentan actividad óptica. Las moléculas 1 y 2 son imágenes especulares no superponibles y por lo tanto son enantiómeros. La misma relación existe entre las moléculas 3 y 4. c) Para este compuesto, se pueden escribir 8 combinaciones CH3

CH3

CH3

CH3

H

Cl

H

Cl

H

Cl

H

Cl

H

Cl

H

Cl

Cl

H

Cl

H

H

Cl

Cl

H

H

Cl

Cl

H

CH3

CH3

1

2

CH3

CH3

CH3

CH3

3

4

CH3

CH3

Cl

H

Cl

H

Cl

H

Cl

H

H

Cl

H

Cl

Cl

H

Cl

H

H

Cl

Cl

H

H

Cl

Cl

H

CH3 5

CH3 6

CH3 7

CH3 8

159

El análisis de ellas indica que las estructuras 2 y 4 corresponden a la misma molécula y lo mismo sucede con las moléculas 5 y 7. Las estructuras 4 y 5 resultan ser imágenes especulares no superponibles, es decir son enantiómeros y, por lo tanto separadamente, tienen actividad óptica ya que son moléculas quirales. Del mismo modo, se observa que las estructuras 1 y 8 corresponden a la misma molécula y lo mismo sucede con las estructuras 3 y 6. Pero, ¿qué relación hay entre las estructuras 1 y 3 (o entre las estructuras 1 y 6)? CH3

CH3

CH3

H

Cl

H

Cl

H

H

Cl

Cl

H

H

Cl

Cl

CH3

CH3

4

5

CH3

1

1

H

2

Cl

H

2

Cl

H

3

Cl

Cl

3

H

H

4

H

4

Cl

Cl

5

5

CH3

CH3

1

3

Se observa que no son imágenes especulares y además las determinaciones experimentales correspondientes indican que ninguna de las dos presenta actividad óptica, lo que significa que no son moléculas quirales. Esto se debe a que, a pesar de tener centros estereogénicos, un plano de simetría bisecta la molécula en el carbono 3, de modo que la reflexión de la parte superior de la estructura (carbonos 2-1) en el plano de simetría resulta ser idéntica a la parte inferior (carbonos 4-5). Este átomo tetraédrico (carbono 3) se denomina un centro pseudosimétrico.

7.

La rotación específica del (R)-(-)-2-bromooctano es -36º. ¿Cuál es la composición porcentual de una mezcla de enantiómeros del 2-bromooctano cuya rotación observada es +18º?

RESOLUCIÓN: Si la rotación observada de una mezcla de enantiómeros del 2-bromooctano es dextrógira (+18º), se debe a la presencia de un exceso del enantiómero (S), ya que el (S)-2-bromooctano puro desvía el plano de la luz polarizada hacia la derecha (+36º). Este exceso corresponde a +18 / +36 = 50%. Luego el 50% restante esta formado por una mezcla racémica de ambos enantiómeros y por lo tanto la composición enantiomérica de la mezcla es de 25% de enantiómero (R) y 75% del enantiómero (S).

8.

Deduzca la posible fórmula estructural de un alqueno ópticamente activo de fórmula C8H16 que reacciona con H2 para formar un alcano ópticamente inactivo de fórmula C8H18.

160

RESOLUCIÓN: Si el alcano resultante carece de actividad óptica, debe tener un plano de simetría. Para la fórmula global indicada, se pueden dibujar las siguientes estructuras:

1

2

3

Como el producto de la reacción proviene de la hidrogenación de un alqueno ópticamente activo, se puede descartar el alcano 3, porque el alqueno precursor necesariamente es ópticamente inactivo. Sólo 2 alquenos ópticamente activos pueden originar el alcano 1, en cambio, por la hidrogenación de sólo 1 alqueno ópticamente activo se obtendría el alcano 2. Estos alquenos son, respectivamente. 1

ó

2

9.

Nombre el producto que resulta de la adición Br2 al ciclopenteno. ¿Es el producto ópticamente activo? Explique.

RESOLUCIÓN: Br R

H H

H H H

Br2 CCl4

R

Br Br

Br R

H H

H H

R

S

S

Br

Br

H

H

S

Br Br S

H

Br Br

R

R

H

S

Br Br

ó S

H

161

La adición de Br2 a un doble enlace es una adición anti, produciéndose una mezcla equimolar de (1R, 2R)-y (1S, 2S)-1,2-dibromociclopentano, por lo que el producto de la reacción no presenta actividad óptica, aunque cada compuesto es ópticamente activo (molécula quiral), ya que no es superponible con su imagen especular.

10.

Se sintetiza 1-fenil-2-propanol y luego se determina su rotación observada, obteniéndose un valor de 25 = +22,4º. Si se sabe que el (R)-1-fenil-2-propanol puro, en las mismas condiciones experimentales, tiene una rotación específica de - 32,2º, ¿cuál es la pureza óptica del producto de síntesis?, es decir ¿cuál es el porcentaje de cada uno de los enantiómeros en el producto?

RESOLUCIÓN: En esta síntesis se obtiene una mezcla de los enantiómeros (S) y (R) correspondientes. Como el (R)-2-fenil-2-propanol puro tiene una rotación específica de – 32,2º, la rotación específica del enantiómero (S) puro es de +32,2º. Si la rotación observada es de + 22,4º, se produjo un 69,6% de exceso del enantiómero (S). El 30,4% restante corresponde a una mezcla racémica de enantiómeros (15,2% R y 15,2% S). El producto de esta reacción tiene entonces, un 84,8% (69,6 + 15,2) del enantiómero (S) y un 15,2% del enantiómero (R).

11.

Indique la relación que existe entre las siguientes proyecciones de Fischer para el aminoácido esencial isoleucina: A CH3 H

Et

H

NH2

B

C

D

Et

H

Et

H

H3C H

CO2H

CO2H

CH3

Et

H

HO2C

NH2

H

CH3

HO2C

NH2

NH2

H

(Et = grupo etilo)

RESOLUCIÓN: Las configuraciones de los centros estereogénicos de estas estructuras son las siguientes: A CH3 H H

R

S

Et NH2

CO2H

H3C H

B

C

D

Et

H

Et

R

H

R

CO2H

NH2

Et

R

CH3

HO2C

S

H

NH2

H HO2C

S

R

H

CH3 NH2

162

por lo que: A A B C D

12.

B DIAST

DIAST IGUAL ENANT

DIAST DIAST

C IGUAL DIAST

D ENANT DIAST ENANT

ENANT

La rotación específica D de la ecdisona (hormona de la mariposa del gusano de seda) es de + 62º. . Cuando una solución de 5 mL de ecdisona se coloca en una celda de 2,0 cm de espesor, se observa una rotación de +0,025º. Calcule los gramos de ecdisona en la solución.

RESOLUCIÓN: + 0,025º + 62º = --------------------x / 5 * 0,2 x = 0,01 gramos / 5 mL aprox.

13.

Desarrolle, mediante fórmulas de proyección adecuadas, la síntesis del (1S, 2R)-1-fenil-2-bromo-2, 3, 3-trimetil-1-butanol (I) a partir de un alqueno “A” y cualquier reactivo o compuesto necesario. a) Indique el nombre y la estructura del alqueno “A”. b) Si se forma otro producto dibuje su estructura usando fórmula de proyección de caballete. Indique su nombre y la relación estereoquímica con el producto pedido.

RESOLUCIÓN: En esta reacción de un alqueno (A) con bromo en presencia de agua, se forma inicialmente un ion bromonio que experimenta el ataque nucleofílico de una molécula de agua, principalmente sobre el carbono bencílico. Ph H

t-Bu

Br2

CH3

Br H Ph

(A)

S

OH2

t-Bu CH3

H

Br (I)

R

HO

t-Bu

CH3 H

CH3 H

(A)

t-Bu

Br

Br2 Ph H

R

CH3 t-Bu OH2

HO

Ph Br

(II)

S

tBu

CH3

163

a) Nombre del alqueno (A) = (E)-1-fenil-2, 3, 3-trimetil-1-buteno b) Se formará también el compuesto (II) = (1R, 2S)-1-fenil-2-bromo-2,3,3trimetil-1-butanol, que corresponde al enantiómero del compuesto (I).

14.

Al hacer reaccionar el (4S)-4-bromo-2-penteno con KMnO4 en medio básico. a) Identifique y dibuje la configuración de cada centro estereogénico en los productos de la reacción. b) ¿Cuál es la relación estereoisomérica que hay entre ellos?

RESOLUCIÓN: a)

S

b)

15.

CH3 HO

OH

CH3

S

H

KMnO4

H CH3

Br

Br

Br H

R

S

H CH3

H OH

S

H

+

S

HO

R

CH3

H

H CH3

OH H

Diastereómeros, ya que se mantiene la configuración del carbono 4.

Responda las siguientes aseveraciones como verdadero o falso. En cada caso, de un ejemplo que justifique su respuesta. a) Una molécula con un solo centro estereogénico siempre es ópticamente activa. b) Una molécula con dos centros estereogénicos siempre es ópticamente activa. c) Una molécula con tres centros estereogénicos siempre es ópticamente activa. d) Un compuesto que posee tres o más centros estereogénicos puede ser meso. e) Dos estereoisómeros son enantiómeros si no son superponibles.

RESOLUCIÓN: a) V: Debe serlo ya que no tiene elementos de simetría. b) F: Puede tener un plano de simetría, por ejemplo el (2R, 3S).2, 3diclorobutano. c) F: Puede tener un plano de simetría, como el (2R, 4S)-2, 3, 4triclorobutano. d) V: Es el caso anterior. e) F: Pueden ser diastereómeros, por ejemplo los compuestos ya descritos en la pregunta 15b. Br

Br S

H CH3 HO

R

S

H OH

H CH3

S

H HO

S

CH3

R

H CH3

OH H

.

164

16.

Para cada uno de los siguientes pares de compuestos, indique si representan enantiómeros (E), diastereómeros (D), isómeros conformacionales (IC) o la misma especie molecular (MEM). H

Br

Br Br

H Br

1

H

H

2

Cl H

CH3 Cl

Br CH3

CH3 3

Br H

CH3

H H

H OH Br

H

H

CH3 H

CH3

H

Br

H

OH

Br 4

Br

H H Br 5

Br CH3

H CH3

6

Br H

H

Br H CH3

CH3 Br H CH3

NO2 CH3

H

Br

NO 2

RESOLUCIÓN:

1 2 3 4 5 6

Primer compuesto R , S R R 2S , 5S 2R , 3S (meso) S

Segundo compuesto S , S S S 2R , 5R 2R, 3R S

Relación Diasterómeros Enantiómeros Enantiómeros Enantiómeros Diastereómeros Iguales

165

17.

Los epóxidos son anillos altamente tensionados. Cuando se tratan con una solución acuosa de un ácido mineral, el anillo se abre. ¿Qué productos se forman cuando se trata: a) (E)-2-buteno y b) (Z)-2-buteno con un peroxiácido y posterior hidrólisis en medio ácido?

RESOLUCIÓN: a) H CH3

O

O

CH3

CH3COOOH

H

H H3C

H

H O H H3C

CH3

R

H S

HO

CH3

H

OH

H

HO

H2O

H CH3

R

OH

2 H

H2O

CH3

H

S

CH3 1

H3C H

+

CH3

CH3

H O H3C H

H H 2 CH3

1 H2O

CH3

R

H

OH

S

OH

CH3

HO

H2O

CH3

S

CH3

H

R

HO

Se obtiene un solo producto, el (2R, 3S)-2,3-dihidroxibutano (meso). b) H O H H3C

CH3 H 2 CH3

1

OH S

CH3 R

HO

H

CH3

OH

R

H

HO

H2O

H2O

CH3

H

S

H

H O H3C H

H

1

2

H2O

H2O

CH3 H

CH3

R

H

S

OH

OH

H

HO

CH3

R

H

Se forma una mezcla equimolar de enantiómeros.

CH3

HO

S

CH3

H

166

18.

Complete el siguiente diagrama indicando las configuraciones de los centros estereogénicos de cada compuesto (A, B, C y F) y coloque en los cuadrados la relación estereoisomérica entre ellos. Enantiómeros = E , Diastereómeros = D ; Iguales = I.

H

A C

CH3 H

Br

Br

A H

CH3

Br

Br

Cl

A F

Cl A B

B

H C F

B C

CH3

CH3

B F

Br

H

Cl

Br

C

H

Br

Cl

Br

F

H

H RESOLUCIÓN:

Asignación de configuraciones absolutas y relaciones estereoquímicas H A C CH 3

H

A H

S S

I

Br Br

Br A F

Cl

S

Br

CH3

S

Cl

C

H

D A B E

E CH3

B

Br Cl

C F D

B C

R R

H

H Br

B F D

CH3 H Cl

S R

H

Br Br

F

167

19.

Dibuje y nombre adecuadamente las estructuras de los estereoisómeros obtenidos por la hidratación del (4S)-1,4-dimetilciclohexeno a través de la reacción de hidroboración.

RESOLUCIÓN:

S

H CH3

H CH3

CH3 H

CH3 1. 3 BH3

R

2. 3 H2O2 , OH

S

R

H OH

S

OH S

S

(A) H CH3

H (B)

CH3

H

La adición de los átomos de cada enlace B – H de las moléculas de BH3 al doble enlace es syn, es decir, se realiza por el mismo lado del plano del doble enlace. Como el B se ubica en el átomo de C menos sustituido del doble enlace, el producto final de la reacción es el alcohol producido por una adición anti Markovnikov de una molécula de agua a un doble enlace. Los productos obtenidos son: (A) (1R, 2R, 5S) – 2,5-dimetilciclohexanol y (B) (1S, 2S, 5S) – 2,5-dimetilciclohexanol

168

3.

PROBLEMAS ADICIONALES

1.

Cuando reacciona el (Z, 5S)-5-bromo- 3,5-dimetil-3-hepteno con HBr gaseoso y seco se forman dos productos. Explique si ellos pueden presentar actividad óptica. ¿Qué relación estereoquímica hay entre ellos?

2.

¿Qué productos se forman cuando reacciona el (E, 5R)-5-bromo- 3,5-dimetil-3hepteno con HBr gaseoso y seco? Explique si los productos formados tienen o no actividad óptica. ¿Qué relación estereoquímica hay entre ellos y con los compuestos formados en el problema 1?

3.

¿Qué relación estereoquímica tienen los productos que se forman cuando se adiciona Br2 al (E)-2-penteno?

4.

Nombre adecuadamente el compuesto A e indique su relación estereoquímica (enantiómero, diastereómero, etc.) con las estructuras de Fischer B, C y D CH3 H

OH

OH

H

OH H

CH3

HO

CH3

H

H3C

( Et es el grupo CH2CH3 ) Br

5.

OH

Br

Et

Et

Et

HO

Et

OH

Br

(A)

(B)

(C)

Br OH (D)

lndique la configuración de los centros estereogénicos del compuesto: CH3 CH3 H

O H3C

6.

H

H

lndique si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas y dé una breve explicación en cada caso: a) Dos moléculas que son imágenes especulares siempre son enantiómeros. b) Dos moléculas que son imágenes especulares pueden ser diastereómeros. c) Un compuesto ópticamente activo y levógiro debe tener al menos un carbono asimétrico con configuración S. d) Todas las moléculas que poseen centros quirales carecen de planos de simetría.

169

e) Una mezcla que contiene un 60% de (R)-2-butanol y un 40% de (S)-2-butanol rotará el plano de la luz polarizada en el mismo sentido que el (R)-2-butanol. f) Si un compuesto ópticamente activo es dextrorrotatorio, su diastereómero necesariamente debe ser Ievorrotatorio.

7.

Indique si los carbonos del compuesto I señalados como 2, 3 y 4 y los carbonos del compuesto II como a, b y c presentan quiralidad. Especifique cuando corresponda, la configuración R o S. ¿Son ambos compuestos ópticamente activos? Explique brevemente. CO2H 2

H I)

CH2OH H

OH

HO

3

H

H

4

OH

II)

HO

a

CH3

c

H

CO2H

H

b

NH2

CHO

8.

Se sintetiza 1-fenil-2-propanol y luego se determina su rotación óptica, observándose un valor de 25 = +12,4º. Si se sabe que el (R)-1-fenil-2-propanol puro, en las mismas condiciones experimentales, tiene una rotación específica de - 32,2º, ¿cuál es la pureza óptica del producto de síntesis?, es decir ¿cuál es el porcentaje de cada uno de los enantiómeros en el producto de síntesis?

9.

Indique la relación estereoquímica entre los compuestos A, B, C y D. (E = enantiómeros , D = diastereómeros , I = iguales , N = ninguna relación ) CHO H

NO2

H

H

CH3

H3C

Cl

H COOH A

CHO

Cl

H

COOH

COOH

O2N

H

H

Cl

H

H3C

H

H3C

H

H

Cl

O2N

H

NO2 CHO

COOH

CHO

B

C

D

170

10.

Asigne configuración R o S a los centros quirales de A, B y C. Indique su relación estereoquímica, vale decir si son enantiómeros, diastereómeros o representaciones de la misma molécula. Explique brevemente su respuesta. C

Ph H

C

Br

CH

Cl

C CH3

H

Ph

H

Br

Cl

Br

H

H

Ph

H

Cl

C

A

B

C

Ph =

CH

11.

Bromo (cloro ó yodo) en solución acuosa reacciona con alquenos a través de una adición anti para dar halohidrinas vecinales. Escriba las estructuras y los nombres de los compuestos que se producen en la reacción del 1-metilciclohexeno con bromo acuoso.

12.

Dadas las siguientes estructuras de Fischer:

COOH

CH3

CH3

COOH

Br

H

H

Br

Br

H

H

Br

H

Br

H

Br

H

Br

H

Br

COOH

CH3

CH3

COOH

A

B

C

D

Complete las siguientes afirmaciones a) La estructura...... y la...... son iguales b) La estructura D y la...... son enantiómeros c) La estructura B y la...... son diastereómeros d) La estructura...... tiene la configuración 2R, 3S.

13.

Indique la relación estereoisomérica entre cada par de compuestos en base a la asignación de la configuración de los centros quirales correspondientes:

OH

A)

H OH

H

171 Br H H

CH3

B)

Br H

NO2

CH3

Br

Br H

H Br

CH3O

Br

H CH3O

C N

C)

NO2 H

Br H C N

Br

NH 2

COOH D)

CH 3

H

Cl

H

Cl

H

H

CH 3 COOH

NH 2 CH 3 CH 3

H

Br

CH 3

C H3 Br

H

E) H

Br

CH 3

CH 3

Br

H CH3

HO

CH 3 CH 3

H Br

CH3

H

(F) OH

H

14.

NO 2

H

NO 2

Br

¿Qué producto se formará al hacer reaccionar, separadamente, los isómeros (Z) y (E) del compuesto (A) con Br2 en CCl4? Explique la formación de los productos respectivos (no olvide la estereoquímica de la reacción de adición). Nombre adecuadamente los productos. CH

CH

CH3

(A)

172

SUSTITUCIÓN NUCLEOFÍLICA Y DE ELIMINACIÓN 1.

CONCEPTOS GENERALES

Reacciones de sustitución nucleofílica: en este tipo de reacciones se produce el reemplazo de un nucleófilo por otro; en un átomo de carbono deficiente en electrones, por la acción inductiva de un átomo o grupo de mayor electronegatividad, por ejemplo:

OH

+

CH3

CH3

CH2Cl -

CH2OH

+

Cl

-

donde el nucleófilo fuerte OH sustituye al nucleófilo débil Cl .. El ataque nucleofílico se produce por la deficiencia electrónica del carbono del CH2 provocada por el efecto inductivo (-I) del halógeno.

Cinética de las reacciones de sustitución: es una medida de la relación entre la velocidad de una reacción y la concentración de los reactivos participantes.

Reacciones de sustitución nucleofílica bimolecular (SN2): se denomina así porque la velocidad de la reacción depende de la concentración de ambos reactivos participantes, nucleófilo y sustrato (v = k [RX] [Nu]).

Mecanismo: por su cinética, en el estado de transición, deben participar ambas especies reactantes. Como estas reacciones transcurren siempre con inversión de la configuración, Hughes e Ingold (1937) propusieron un mecanismo en el que se produce, simultáneamente, el ataque del nucleófilo y el desplazamiento del grupo saliente (OH- y Cl-, respectivamente, en el ejemplo anterior). El ataque del nucleófilo se produce por el lado contrario y en un ángulo de 180º en relación al enlace entre el carbono que experimenta el ataque y el grupo saliente. En el sustrato quiral que se indica a continuación, que posee una configuración determinada, el carbono que experimenta el ataque nucleofílico tiene hibridación sp 3; en el estado de transición pasa a hibridación sp2, donde a, b y c se ubican en un plano, separados entre sí por ángulos de 120º. El nucleófilo (Nu) y el grupo saliente (GS) están en una posición perpendicular a los grupos a, b y c. En el producto se recupera la hibridación sp 3, pero con la configuración opuesta. Nu a

a

a GS

Nu

GS

+

Nu

GS

b b

c

b c

c

De este modo se explica que el producto resulte con inversión de la configuración quiral.

173

Efectos estéricos: dado que el ataque del nucleófilo sobre el sustrato se produce por el lado contrario a la ubicación del grupo saliente, el volumen de los tres grupos adyacentes determina la factibilidad de la reacción. Grupos muy voluminosos dificultan y a veces impiden el ataque del nucleófilo. Por ello, este tipo de reacción es muy sensible a cualquier grado de impedimento estérico para el ataque del nucleófilo. En la figura siguiente se representan los ataques de un nucleófilo sobre el carbono  de halogenuros de alquilo primarios, secundarios y terciarios: CH3O

CH3O

CH3O

CH3

CH3

Br

Br H

H

RX 1º

CH3

H

CH3

RX 2º

Br CH3 CH3

RX 3º

Por este motivo, la reacción SN2 se produce de preferencia en sustratos primarios. Esta reacción no solo es sensible al impedimento estérico al ataque del nucleófilo sobre el carbono que porta el grupo saliente, sino que también lo es si el aumento de volumen está en carbonos adyacentes al carbono  (carbonos ). Sustratos: en el esquema anterior se puede observar que el ataque de un nucleófilo dado (CH3O ) está favorecido en los sustratos primarios y que, a medida que aumenta la sustitución sobre el carbono que experimenta el ataque nucleofílico, se hace más difícil la reacción. Por ello la reacción está mucho menos favorecida en sustratos secundarios y especialmente en los sustratos terciarios. Nucleófilo atacante: un nucleófilo corresponde a un ion cargado negativamente o a una molécula polar con 1 o 2 pares de electrones no compartidos por lo que puede atacar a un carbono con deficiencia electrónica. De acuerdo al esquema mostrado anteriormente, a mayor tamaño del nucleófilo, más difícil es el ataque sobre el centro de reacción por el impedimento estérico involucrado. Grupo saliente: como el grupo saliente es desplazado generalmente con carga negativa, el mejor grupo saliente será aquel que sea estable como anión, es decir, el grupo que estabilice mejor la carga. Las bases débiles son los aniones más estables, porque derivan de ácidos fuertes. Efecto del solvente: un solvente polar prótico (H2O) tiene una gran capacidad para dispersar (estabilizar) una carga localizada en un átomo, por ejemplo, en el oxígeno de un ion hidróxido. Esto se produce por los enlaces de hidrógeno entre el solvente polar prótico y la carga del nucleófilo. Solventes de menor polaridad no son de elección por problemas de solubilidad del nucleófilo. Se ha determinado experimentalmente que solventes polares apróticos (Ej. DMF, DMSO, que no ceden protones al medio) sólo son eficaces en la estabilización del

174

catión del nucleófilo. Por esta característica, solubilizan muchos nucleófilos (sales) y aumentan el poder nucleofílico del anión al aumentar su energía en relación a la del estado de transición y con ello disminuyen la energía de activación de la reacción. Por estas razones, en una reacción SN2, la velocidad de reacción aumenta considerablemente si se realiza en un solvente polar aprótico en relación con la misma reacción realizada en un solvente polar prótico, por ejemplo agua.

Reacciones de sustitución nucleofilica unimolecular (SN1): se denomina así porque la velocidad de la reacción depende sólo de la concentración de un reactivo, específicamente del sustrato (v = k [RX]).

Mecanismo: los estudios cinéticos indican que la velocidad de la reacción depende sólo de la concentración del sustrato (RX). Como la velocidad de una reacción está determinada por la etapa lenta, esta reacción se desarrolla en dos etapas. En la etapa lenta (formación del estado de transición de la reacción), participa el halogenuro de alquilo y en una etapa rápida, el nucleófilo. A diferencia de las reacciones SN2, los sustratos terciarios tratados con nucleófilos no básicos en solventes polares como agua, reaccionan significativamente más rápido que los sustratos secundarios o primarios. Por otra parte, cuando halogenuros de alquilo quirales se hacen reaccionar con nucleófilos no básicos en solventes polares como agua, el producto de la reacción es una mezcla racémica o de escasa actividad óptica. La expresión cinética de este tipo de reacciones, la reactividad de los distintos tipos de halogenuros de alquilo y los resultados obtenidos con sustratos quirales han llevado a postular que la reacción transcurre a través de un carbocatión intermediario. RX 1º

RX 2º

CH3

CH3

CH3 Br H

RX 3º

Br

Br CH3

H CH3

H

H

CH3 H

H

CH3

CH3 CH3

CH3

CH3 CH3

La formación de un carbocatión terciario está favorecida notoriamente sobre la formación de carbocationes secundarios y primarios, lo que explica la mayor reactividad de los halogenuros terciarios. El esquema del mecanismo descrito es consecuente con las observaciones experimentales ya que la formación de un carbocatión, por la ruptura del enlace entre el carbono y el halógeno debe ser la etapa lenta de la reacción y determina la velocidad de la misma. Si el carbocatión proviene de un halogenuro de alquilo quiral, el producto de su reacción con un nucleófilo poco básico, debe ser un producto racémico.

175

H OH

CH3

(R) H CH3

Br

H

CH3

CH2 CH3

H2O

H CH3

HO

CH2 CH3

CH2 CH3

(S)

CH2 CH3

Sin embargo, muy pocas veces el resultado de este tipo de reacciones es una racemización completa. El producto de la reacción casi siempre presenta un pequeño exceso del producto de inversión de la configuración. Este resultado, se ha explicado, según el siguiente esquema, por la formación de una especie denominada “par iónico”. Ataque impedido H CH3

CH3 H

Br

V1

H

CH3

Br CH2 CH3

CH2 CH3

CH2 CH3 Nu

carbocatión libre

par iónico

Ataque posible

Nu

Nu V3

Nu V2 H CH3 CH2 CH3 Inversión

Nu

H CH3

H CH3

CH2 CH3

Nu

CH2 CH3

Racemización

Inicialmente, en el halogenuro de alquilo se empieza a disociar el enlace entre el carbono quiral y el halógeno, formándose una especie (par iónico) en la que el carbono queda levemente deficiente en electrones. Un nucleófilo presente puede atacar este carbono pero, por el impedimento estérico que provoca el halógeno que aún no se ha separado totalmente, sólo puede hacerlo por el lado opuesto. El resultado de este ataque resulta sólo en el producto de inversión. Mientras más rápido es la transformación en carbocatión libre (V1), mayor es la formación de producto racémico (V3). En caso contrario, predomina la transformación del par iónico en el producto de inversión (V2).

176

Efectos estéricos: la formación de un carbocatión es la etapa determinante en las reacciones SN1. En este tipo de reacciones, el efecto estérico no es de importancia porque, en la etapa determinante de la velocidad, el carbono que experimenta la sustitución, pasa de sp3 a sp2, es decir, de una estructura tetraédrica a otra plana, produciéndose, en todos los casos, una disminución apreciable en la resistencia estérica al ataque posterior del nucleófilo. Sustratos: debido a la diferente estabilidad de los carbocationes, la reacción S N1 se produce principalmente en halogenuros de alquilo terciarios. También puede ocurrir en halogenuros de alquilo secundarios e incluso primarios que generen carbocationes estables como los halogenuros alílicos y bencílicos. R

CH

CH

CH2X

R

CH

CH

R

CH2

CH

CH

CH2

En el caso anterior, al formarse el carbocatión primario, tiende a estabilizarse transformándose en otro carbocatión más estable. Como la carga positiva está conjugada con el doble enlace, se forma otro carbocatión en el que la carga positiva está estabilizada por deslocalización. Lo mismo sucede con los halogenuros de alquilo de tipo bencílicos:

CH2Br

CH2

CH2

CH2

etc.

Si el carbocatión alílico o bencílico es secundario, la estabilidad de los carbocationes formados aumenta notablemente. Nucleófilo atacante: este tipo de reacciones procede en dos etapas, de las cuales la etapa determinante de la velocidad involucra solamente al sustrato, vale decir, el nucleófilo atacante no altera la velocidad de reacción por intervenir en una etapa rápida. Un nucleófilo fuerte generalmente es una base fuerte, por ello es conveniente utilizar nucleófilos débiles y de baja basicidad para evitar principalmente las reacciones de eliminación que competirían con la sustitución. Los nucleófilos más utilizados en las reacciones SN1 son agua, etanol o mezclas de ellos. En este caso se habla de solvolisis. Otros nucleófilos débiles no básicos son los halogenuros (a excepción del yoduro) y el ion acetato. Grupo saliente: como se sabe, en la etapa determinante de la velocidad, para formar el carbocatión intermediario, se produce la ruptura del enlace entre un carbono y un grupo saliente, por lo tanto la velocidad de este paso aumentará de acuerdo a la estabilidad del grupo saliente. De este modo, al igual que en la reacción S N2, a mayor estabilidad del grupo saliente, mayor velocidad de reacción.

177

Efecto del solvente: un halogenuro de alquilo, es un compuesto que posee un enlace polar entre carbono y halógeno, debido a la diferencia de electronegatividad entre ellos. A medida que procede la reacción, el enlace se empieza a romper con la formación de un estado de alta energía llamado estado de transición, en el que hay mayor formación de cargas que en el sustrato. La reacción continúa hasta producirse la ruptura total del enlace, formándose un carbocatión que es una especie intermediaria con carga positiva. Si la reacción se realiza en un solvente polar, tanto el estado de transición como el carbocatión formado, son estabilizados por el solvente polar por la mayor carga de ambos en relación al halogenuro reactante, disminuyendo su energía. De acuerdo al postulado de Hammond, la estabilización de un estado de transición aumenta la velocidad de reacción correspondiente, porque se produce una disminución de la energía de activación del sistema. Solventes polares como el agua y, en menor medida, alcoholes como metanol, y etanol, tienen la capacidad de estabilizar iones por solvatación, es decir, rodean al carbocatión, y dispersan su carga a través de los pares de electrones no compartidos de los átomos de oxígeno. Una mayor polaridad del medio se obtiene usando agua pura como solvente. Sin embargo, para aumentar la solubilidad de los reactantes, es habitual el uso de mezclas de agua y alcohol, lo que disminuye significativamente la polaridad del sistema y, por consiguiente la velocidad de la reacción. A medida que la polaridad de un solvente disminuye, el efecto de estabilización del estado de transición disminuye, por lo que una reacción S N1 es muy lenta o no se produce si la polaridad del solvente es muy baja, por ejemplo con solventes como CCl 4, éteres, hidrocarburos, etc.

Reacciones de eliminación: es un tipo de reacciones en las que un sustrato (por ejemplo, un halogenuro de alquilo) sufre la pérdida de dos grupos o átomos, formándose un alqueno.

Reacciones de eliminación 1,2 ó : en este tipo de reacciones, la eliminación se produce en átomos de carbono adyacentes. En el producto de la reacción se forma un enlace  entre los átomos de carbono adyacentes en los que originalmente estaban los átomos o grupos que se eliminan.

Reacciones de eliminación bimolecular: llamada también reacción E2, es una reacción de eliminación que, a menudo, se produce en competencia con la reacción de sustitución nucleofílica bimolecular (SN2). En este tipo de reacciones, se produce la eliminación de una especie por acción de una base, por ejemplo:

OH

+

CH3

CH2Cl

CH2

CH2

+ H2O

+

Cl

-

donde el nucleófilo (OH ) actúa como una base.

Mecanismo: al igual que la reacción SN2, la reacción E2 es una reacción en una etapa; es decir, es una eliminación concertada (1 etapa) en la que, simultáneamente, se produce el ataque de una base sobre un hidrógeno y la ruptura del enlace que une el carbono adyacente con el grupo saliente (generalmente un halógeno).

178

La velocidad de la reacción depende de las concentraciones del sustrato y de la base atacante (v = k [RX] [Base]) lo que significa que en el estado de transición de la reacción participan ambas especies. Los carbonos involucrados, el hidrógeno atacado por la base y el grupo saliente se ubican en el mismo plano, pero en una posición opuesta, constituyendo una configuración geométrica anti periplanar. Esta ubicación de los átomos se puede lograr por rotación alrededor del enlace simple, que posteriormente se transformará en enlace doble. B

B H C R R'

H

R'' R'''

C

C

R R'

X

R'' R'''

R

R''

C

+ BH + R'

X

X

R'''

Estado de transición

Como resultado de la reacción se produce un alqueno cuya configuración queda definida por la del sustrato. En el ejemplo anterior, sólo se produce el alqueno indicado, debido a que, en el estado de transición, los radicales R y R’’ están ubicados al mismo lado del plano y, por lo tanto quedarán al mismo lado en el alqueno resultante.

Regioquímica: cuando se somete un halogenuro de alquilo asimétrico, sin ramificaciones, a la acción de una base fuerte (eliminación E2), generalmente el alqueno que predomina es el más sustituido (producto Saytzeff). Por ejemplo: CH3 CH2 CHBr CH3 1 3 2

EtO

CH3 CH

EtOH

CH CH3

+ CH3 CH2 CH

80 % 2 - buteno

CH2

20 % 1 - buteno

La base puede atacar a los hidrógenos ubicados en los carbonos 1 y 3, formando 1-buteno y 2-buteno, respectivamente. Como el alqueno más estable es el más sustituido, se forma principalmente 2-buteno. Sin embargo, como el ataque de la base es sensible al impedimento estérico, a medida que aumenta este factor, mayor es la formación del alqueno menos sustituido (producto Hofmann), por ejemplo: Br CH3

EtO CH3

CH2 3

C CH3 2 1 CH 3

EtOH

CH3

CH

C

+

CH3

CH2

CH3 70 %

C

CH2

CH3 30 %

En esta reacción de eliminación, se observa que aumenta la formación del alqueno menos sustituido. Esto se debe a que el ataque de la base sobre cualquiera de los hidrógenos del carbono 3 está un poco más impedido debido a la presencia de un grupo CH3 en el carbono 2.

179

A medida que aumenta el tamaño de los grupos vecinos a los carbonos que serán atacados por la base, mayor será el porcentaje del alqueno menos sustituido. B: Br CH3

CH2 3

Br

C CH3 2 1 CH3

CH3

CH2 3

C CH3 2 1 CH3

:B

B: B: Ataque menos impedido

Ataque más impedido

Cuando el ataque de la base está muy impedido, el alqueno menos sustituido es el que se forma en mayor proporción. Esto puede deberse a varios factores, entre ellos: 1. Tamaño del grupo saliente. A mayor tamaño del grupo saliente, mayor es la formación del alqueno menos sustituido. 2. Ramificaciones en el carbono . 3. Tamaño de la base. A mayor tamaño de la base, mayor dificultad para el ataque sobre el hidrógeno situado en el carbono más sustituido para dar el alqueno más sustituido. La estereoquímica de las reacciones E2 es importante ya que el alqueno producido en la reacción tiene una configuración definida y por ello, en muchos casos, es posible la obtención de un alqueno específico. Por ejemplo, al tratar el (2R, 3R) 2-bromo-2,3difenilbutano con una base fuerte en las condiciones experimentales adecuadas que permitan una eliminación E2, el producto principal formado es el (Z) – 2,3-difenil-2buteno. Br CH3

CH3

CH3

H

CH3

:B

(2R, 3R) - 2-bromo-2,3-difenilbutano

(Z) - 2,3 - difenil - 2 - buteno

En esta reacción, también podría producirse la eliminación de HBr entre el bromo y un hidrógeno del CH3 vecino. En este caso se formaría, en pequeña cantidad, el (R)-2,3-difenil-1-buteno. Para minimizar la formación de este producto es aconsejable el uso de una base fuerte y pequeña. Por el contrario, si se desea obtener el alqueno menos sustituido indicado, se debería usar una base fuerte y voluminosa, como se esquematiza a continuación:

180

Br CH3 CH2 H

CH2

C

+

H

BH + Br

CH3

H

:B (2R, 3R) - 2-bromo-2,3-difenilbutano

(R) - 2,3 - difenil - 1 - buteno

Reacciones de eliminación E2 en ciclohexanos: ya que esta reacción sólo puede ocurrir si el halógeno y el hidrógeno que van a eliminarse están ubicados en lados opuestos, y dado que en los ciclohexanos no hay libre rotación de sus enlaces carbono – carbono, esta eliminación sólo puede ocurrir si ambos átomos están ubicados en átomos de carbono vecinos y en la conformación diaxial. La eliminación no puede ocurrir si los átomos a eliminarse están en posiciones ecuatoriales. H CH3 B: +

BH

+

Br

Br

Si el halógeno esta en la conformación diaxial con dos hidrógenos, la eliminación puede ocurrir en ambas direcciones. En el ejemplo siguiente, se forman dos alquenos cíclicos con preponderancia del alqueno más sustituido. H H

CH3

B: + H3C

H3C Br

alqueno menos sustituido

alqueno más sustituido

Reacciones de eliminación unimolecular: llamadas también reacciones E1, son de menor importancia en síntesis. Se producen en pequeña cantidad, en competencia con la reacción SN1 y no son regioespecíficas. El alqueno resultante de estas reacciones, deriva de la pérdida de un protón del carbocatión formado por la disociación del halogenuro de alquilo en un solvente polar.

181 R' R

CHR''R'''

CHR''R'''

R

R'

R''

R'''

R'

R

X

Se forman en menor cantidad porque la base utilizada, que generalmente es el medio (agua, etanol, etc.), es una base débil y por lo tanto, no tiene la fuerza necesaria para romper un enlace C-H y formar un alqueno. Siempre se producen en competencia con la reacción SN1 y la velocidad de reacción sólo es dependiente de la concentración del halogenuro de alquilo (v = k [RX]). No son regioespecíficas porque, una vez formado el carbocatión, no hay ninguna condición geométrica para la formación del alqueno. El doble enlace puede formarse por la pérdida de cualquier protón vecino e incluso se observa a menudo una competencia entre alquenos (Z) y (E) en la eliminación. CH3

CH3

Br

CH3 CH2

CH2 CH3

CH

CH CH3

CH3 CH3

CH3 H

H2C

CH3

CH2 CH3 CH3

CH3

CH3 CH3

+

CH CH3

(Z) CH

CH3

CH3

+

(E)

+

CH CH3

CH2 CH3

H

CH3

C CH3

CH3

CH3

Generalmente, las reacciones E1, por la posible formación de mezclas de alquenos, no tienen la importancia de la reacción E2 en síntesis.

Competencia entre sustitución y eliminación: en halogenuros de alquilo primarios predomina la reacción de sustitución (SN2) cuando el nucleófilo es fuerte y no muy voluminoso. A medida que el nucleófilo fuerte va aumentando en tamaño, se empieza a favorecer la eliminación (E2). En halogenuros de alquilo secundarios, por los problemas estéricos involucrados, generalmente predomina la eliminación (E2) cuando reaccionan con nucleófilos fuertes que, a la vez, son bases fuertes. Si el nucleófilo es débil y, a la vez, es base débil, predomina la sustitución (SN1).

182

En halogenuros de alquilo terciarios que reaccionan con nucleófilos fuertes que, a la vez, son bases fuertes, predomina la eliminación (E2) por el gran impedimento estérico para la sustitución. Con nucleófilos débiles y no básicos, como agua o etanol (solvolisis) predomina la sustitución (SN1), ya que siempre se necesita una base fuerte para la eliminación correspondiente.

Condiciones experimentales para las reacciones de sustitución y eliminación: SN1 SN2 E1 E2 Sólo con RX 1º No ocurre Favorecido No ocurre bases fuertes y voluminosas Con buenos nucleófilos (no En solvolisis En solvolisis Favorecido básicos) y RX 2º con solventes con solventes con bases solventes polares polares fuertes polares apróticos Favorecido con nucleófilos Muy RX 3º poco básicos y No ocurre En solvólisis favorecido con solventes bases fuertes polares Débil (Agua o Fuerte (RO , Nucleófilo --------etanol) CN ) [Nucleófilo]

Base

[Base] Solvente Temperatura Grupo saliente

Baja solvolisis

o

Alta

-----

-----

Fuerza Fuerte (RO , variable, --------generalmente OH ) débil Inversamente --------proporcional a Alta su fuerza Poco polar o Poco polar Muy polar Poco polar polar aprótico (ROH) Moderada Moderada Alta Alta Todas las reacciones están favorecidas por un buen grupo saliente

183

2. 1.

PROBLEMAS RESUELTOS ¿Cuál reactivo de cada uno de los siguientes pares reaccionará más rápido en una reacción SN2 con ión hidróxido?

a) CH3Br o CH3I c) (CH3)3CCl o CH3Cl

b) CH3CH2I en etanol o dimetilsulfóxido d) CH3 CH2 CH2 Br o H2C=CHCH2Br

RESOLUCIÓN: a) CH3I, por ser el yoduro un mejor grupo saliente. b) En dimetilsulfóxido, porque los solventes polares apróticos aumentan el poder nucleofílico de la especie atacante (OH-). c) CH3Cl, porque tiene menor impedimento estérico para el ataque del OH-. d) H2C=CHCH2Br, porque el estado de transición de la reacción está estabilizado por el sistema  adyacente. H OH H

C C H

C

H H

H2C C

Br

H H

- Br

H

OH

C

C C

C H

2.

H

OH

Br

H H

H

¿Qué efecto se esperaría que tuvieran los siguientes cambios sobre la velocidad de reacción de soluciones de 1-bromobutano 1M y NaCN 1M?

a) Las concentraciones de NaCN y de 1-bromobutano se reducen a la mitad. b) Las concentraciones de NaCN y 1-bromobutano se duplican. RESOLUCIÓN: a) b)

3.

Como v = k[RX][CN], la velocidad de reacción es 4 veces más lenta. Por el mismo motivo, la velocidad de reacción aumenta 4 veces.

Ordene los siguientes compuestos en orden creciente de reactividad SN2 con etóxido de sodio en etanol.

a) 1-bromo-3-fenilpropano

b) 2-bromo-1-fenilpropano

c) 1-yodo-3-fenilpropano

184

RESOLUCIÓN: Las estructuras de estos tres halogenuros indican que a) y c) son halogenuros primarios y b) es un halogenuro secundario. a)

b)

CH2 CH2 CH2 Br

c)

CH2 CHBr CH3

CH2 CH2 CH2 I

y como las reacciones SN2 son sensibles al impedimento estérico, el halogenuro secundario b será el menos reactivo. Los halogenuros a y c presentan el mismo grado de impedimento estérico al ataque del nucleófilo, sin embargo, c es más reactivo que a porque el ion yoduro es mejor grupo saliente que el ion bromuro.

4.

Indique qué reactivo de cada par es más nucleófilo frente a CH3Br en EtOH. a)

b) OCH3

CN

NH2

NH

ó

ó

O

O

c)

Cl

ó

I

CN

d)

ó

CH3O

RESOLUCIÓN: a)

c)

NH

I

b) CH3O

d)

O

CN

a) Siempre es más nucleófilo un átomo cargado negativamente que el mismo átomo neutro. b) El grupo metoxi tiene un efecto +M > -I, por lo tanto aumenta la densidad electrónica en el oxígeno. c) Una explicación de la diferencia en el poder nucleofílico de una especie se basa en la diferente solvatación de los nucleófilos En solventes polares, especialmente en solventes próticos como el agua o etanol, un ion pequeño (cloruro, bromuro) está más solvatado que uno de mayor tamaño, es decir está rodeado de mayor cantidad de moléculas de solvente, las que actúan como una barrera que dificultan la interacción del nucleófilo con el sustrato. Por ello, en

185

solventes polares próticos (donde solvente y nucleófilo están unidos por enlaces de hidrógeno), el orden de nucleofilicidad observado es I > Br > Cl > F . Por la misma razón, los nucleófilos azufrados son mejores nucleófilos que sus análogos oxigenados, lo que también se observa al comparar nucleófilos fosforados y nitrogenados. Se ha sugerido también que a medida que se desciende en un grupo de la Tabla Periódica, los átomos correspondientes son más nucleófilos debido a su mayor polarizabilidad; es decir, los electrones de valencia al estar más alejados del núcleo están más disponibles para atacar un centro de baja densidad electrónica. d) El ion cianuro es un nucleófilo muy efectivo, ya que su carga negativa está distribuida sobre dos átomos polarizables. De hecho es un nucleófilo muy fuerte.

5.

Explique las diferentes velocidades relativas de reacción SN1 para los siguientes bromuros de bencilo. OCH3

NO2

>>

>>

CH2Br

CH2Br

CH2Br

RESOLUCIÓN: En halogenuros de bencilo, la reacción transcurre a través de la formación de un carbocatión, y está determinada por la velocidad de formación de este intermediario (lenta). La estructura de un carbocatión determina la velocidad de su formación y su estabilidad depende de la posibilidad de deslocalización de la carga positiva en el resto de la estructura. La presencia de sustituyentes dadores de electrones permite que la carga se disperse en mayor cantidad de átomos, disminuyendo la energía del carbocatión; por el contrario, sustituyentes aceptores de electrones aumentan la energía del carbocatión al ejercer un efecto contrario. En los ejemplos indicados, en relación a un compuesto no sustituido, la velocidad de reacción SN1 es mayor cuando el anillo presenta un sustituyente dador de electrones (OCH3) y menor cuando el sustituyente presente es atractor de electrones (NO 2).

CH2Br R

(lenta) CH2 R

186

6.

Disponga cada grupo de compuestos en orden de reactividad S N1. a) (CH3)3CCl, b) CH3CH2CH2OCH3,

CH3CH2CH2Cl, CH3CH2CH2OTos,

CH3CH2CHClCH3 CH3CH2CH2Br

RESOLUCIÓN: a) (CH3)3CCl es el más reactivo, ya que por ser un halogenuro de alquilo terciario forma carbocationes mucho más estables que los secundarios (CH3CH2CHClCH3) y estos más que los primarios (CH3CH2CH2Cl). b) En los tres casos el carbocatión que se puede formar es CH3CH2CH2+, luego su velocidad de formación dependerá de la estabilidad del grupo saliente. El mejor grupo saliente es el tosilato (OTos ), luego el Br y finalmente el grupo OCH3 . Los dos primeros son muy buenos grupos salientes, en cambio el grupo metoxi no es desplazado en una reacción de sustitución. La reactividad relativa de estos tres grupos como grupos salientes es aproximadamente 60.000: 10.000 : ~0

7.

Ordene los compuestos de las series a y b de acuerdo a su velocidad relativa SN1: Serie a) CH3

NO2 Br A

CH3 Br

Br

B

C

RESOLUCIÓN: Los carbocationes formados en cada caso son bencílicos, por lo tanto y de acuerdo a lo indicado anteriormente el orden de reactividad SN1 es: B > C > A. Serie b) H

Br CH3

Br CH3

1

Br

Br

2

3

H

CH3 H

4

RESOLUCIÓN: Los carbocationes formados en este caso son alifáticos, por lo que su estabilidad será: 3º > 2º > 1º Sin embargo, una característica de los carbocationes es que son planos, por lo tanto, el compuesto 2, por su estructura rígida, no puede formar un carbocatión, luego la reactividad SN1 es: 1 (carbocatión 3º) > 3 (carbocatión 2º) > 4 (carbocatión 1º) > 2

187

8.

Dada la siguiente reacción: H

H Br

H OH

HO H2O

+

HO

CH3

CH3 A

CH3

B

C

45%

55%

a) Nombre adecuadamente A, B y C. b) Explique el resultado obtenido. c) Si en A hubiese un grupo p-metoxifenil en lugar del grupo fenilo, se formaría alrededor de un 48% de B y 52% de C. ¿Por qué? RESOLUCIÓN: a) A: (S)-1-bromo-1-feniletano. B: (S)-1-feniletanol. C: (R)-1-feniletanol. b) Dado que el reactante es un halogenuro de tipo bencílico y el medio de la reacción es polar (H2O) está favorecido el mecanismo SN1. Sin embargo, la presencia de un nucleófilo fuerte como el OH permite suponer que parte de la reacción transcurre por el mecanismo SN2. Si el mecanismo de la reacción fuera sólo SN1, el producto obtenido correspondería a una mezcla de 50% B y 50% C, es decir, una mezcla racémica, pero la mayor proporción del producto de inversión de la configuración, indica que parte de la reacción se debe a un ataque nucleofílico tipo SN2. En la mayoría de las reacciones donde está favorecido el mecanismo SN1, se observan resultados similares, es decir, no se obtiene una mezcla equimolar de enantiómeros, sino una mezcla en la que predomina el producto de inversión de la configuración, lo que hace suponer que, parte de la reacción, transcurre por el mecanismo SN2. c) Se ha propuesto que la formación del carbocatión pasa por la formación de un par iónico intermedio. El ataque de cualquier nucleófilo sobre esta especie, sólo puede realizarse por el lado contrario a la posición del anión en formación, obteniéndose un producto que presenta una configuración absoluta invertida con relación al halogenuro inicial. Mientras mayor sea la velocidad con que se transforma este par iónico en el carbocatión correspondiente, mayor es la proporción de mezcla racémica en el producto. ba

a b

Br

Br

Nu c

a

b

v1

c

c

v3 v2 a b

Nu c

a b

Nu Nu

a b c

c

188

Como en la molécula hay un grupo p-metoxifenil, el carbocatión que se forma está más estabilizado, debido a la presencia del grupo metoxi (dador de electrones, (+M > -I)); luego, se favorece la racemización, aumentando de 90% cuando el grupo es fenilo, a 96% con el grupo p-metoxifenil. 9.

Para los siguientes halogenuros de alquilo, discuta brevemente su reacción con H2O y con OH , indicando para cada caso, condiciones experimentales, mecanismo más probable y productos que se forman (si los hay). a) 2-cloro-3-metilbutano c) 1 -clorobutano

b) 2-cloro-2-fenilpropano d) 1-cloro-2,3-dimetilbiciclo2.2.2octano

RESOLUCIÓN: a) Este compuesto, es un halogenuro de alquilo secundario. Como posee un grupo metilo en el carbono adyacente al carbono centro de reacción, hay un cierto grado de impedimento estérico para el ataque de un nucleófilo (OH , SN2), -

pero se puede producir una reacción de eliminación (E2) ya que el ion OH es una base fuerte. Una reacción SN1 con H2O es poco probable ya que los halogenuros de alquilo secundario no forman carbocationes con facilidad. b) Por ser un halogenuro de alquilo terciario, puede reaccionar con H 2O a través del mecanismo SN1 a través de un carbocatión terciario (bencílico) muy estable formando el alcohol terciario correspondiente. Si el nucleófilo es OH , la reacción más probable es de eliminación (E2), formando un alqueno (2fenilpropeno). c) Este halogenuro de alquilo primario no presenta grandes problemas estéricos, por lo que puede reaccionar con OH , para formar alcohol butílico en gran porcentaje; pero como, a la vez, el nucleófilo es una base fuerte, se produce un pequeño porcentaje de 1-buteno. Es poco probable la reacción con H2O por la casi nula probabilidad de formación de carbocationes. d) Este compuesto no es reactivo por ningún mecanismo de sustitución o eliminación debido a que el halógeno se encuentra en carbono muy impedido para el ataque de un nucleófilo. Aunque el halogenuro de alquilo es terciario, no se puede formar el carbocatión porque el biciclo es una estructura rígida que no permite que se forme un intermediario plano en esa posición y la eliminación de HCl no está favorecida porque tampoco es posible que se forme un doble enlace en esa posición (estructura plana) por la rigidez del sistema . (ver problema 7, Serie b, compuesto 2, página 186)

10. Ordene los siguientes halogenuros en orden creciente de reactividad E1; justificando su respuesta. a) 1-cloropentano c) 2-cloro-2-metilbutano

b) 2-cloropentano d) 3-cloro-3-metil-1-buteno

189

RESOLUCIÓN: La eliminación E1 acompaña a la sustitución SN1, por lo tanto se verá favorecida en sustratos que formen carbocationes estables, luego el orden creciente de reactividad E1 es: a) < b) < c) < d)

11.

Indique los productos que se forman al tratar los siguientes compuestos con KOH en etanol, a través del mecanismo E2. a) (1R,2R)-1-cloro-2-etilciclohexano

b) (1S,2S)-1-cloro-2-etilciclohexano

RESOLUCIÓN: a) Et

Et

H H

H

Base fuerte

H

H H H

Cl

3-(R)-etilciclohexeno

b) H Et

H

Et H

H Cl

H

Base fuerte

H H 3-(S)-etilciclohexeno -

En ambos casos la eliminación se produce, por la acción de una base fuerte (OH , CH3O ), según el estado de transición E2, donde el halógeno y el H vecino deben ubicarse en una conformación anti di axial. En ambos casos, el alqueno formado es el menos estable (menos sustituido).

190

12.

¿Qué productos se formarían por tratamiento de los compuestos de la pregunta anterior con una base adecuada, si la eliminación transcurre por el mecanismo E1? Et

Et

H

H

Base débil

H

(Ej. H2O) H

Cl H

(principal)

H

Et

Et H

H

Base débil (Ej. H2O)

H

Et

H H H

Cl

RESOLUCIÓN: En este caso, una eliminación E1 se produciría por la acción de una base débil, habitualmente el mismo solvente (H2O, etanol o mezclas de ellos). En este medio (polar) se favorece la formación de un carbocatión, el que posteriormente se estabiliza formando el alqueno más estable. En ambos casos, el producto mayoritario es el mismo alqueno (el más sustituido).

13.

¿Cómo puede explicarse el hecho de que el cis-1-bromo-4-t-butilciclohexano reacciona más rápido que el trans-1-bromo-4-t-butilciclohexano en condiciones de eliminación E2? Br

H

Br

H

H

H H

H H

trans

H

H cis

RESOLUCIÓN: En las conformaciones correspondientes se observa que en la forma trans hay interacciones 1,3 entre el grupo terbutilo y los H 2 y 6 que genera una tensión estérica (2,7 kcal por cada interacción 1,3 entre terbutilo e H) que no se produce en la forma cis (prácticamente 0 kcal para las interacciones 1,3 entre H e H).

191

14.

El 1-cloro-1,2-difeniletano puede experimentar una reacción de eliminación E2 para formar el (E)- o el (Z)-1,2-difeniletileno (estilbeno). Trace las proyecciones de Newman de las conformaciones del reactante que conducen a estos compuestos. Examine estas dos conformaciones y sugiera una razón por el cual el producto predominante es el alqueno (E).

RESOLUCIÓN: Cl

Cl H

Ph

Ph

H

(A) H

Ph

(B) H

Ph

H

H KOH Eta nol

KOH Eta nol H

Ph

Ph

H

(Z) H

Ph

(E) H

Ph

La conformación (A) está desfavorecida por la repulsión estérica de los grupos fenilos ubicados al mismo lado, por lo tanto, el producto principal será aquel producido a través de la conformación (B).

192

3.

PROBLEMAS ADICIONALES

1.

Dibuje, mediante fórmulas de proyección adecuadas los posibles estereoisómeros del 2-bromo-1-etil-3-metilciclohexano, manteniendo en todos la configuración del carbono 2. Analice para cada caso, la factibilidad de reacciones SN2 y E2 con etóxido de sodio en etanol. Nombre los posibles productos de cada reacción y dé una breve explicación que justifique su respuesta.

2.

La hidrólisis de cloruro de t-butilo produce alrededor de un 80% de t-butanol (2-metil-2-propanol) y un 20% de 2-metilpropeno. Si la hidrólisis se realiza sobre yoduro de t-butilo, se obtienen los mismos productos y en la misma proporción, pero varía la velocidad de reacción. Explique por qué.

3.

Explique el efecto, sobre las velocidades de reacción SN2 y SN1, de: a) polaridad del solvente b) grupo saliente c) nucleófilo atacante d) estructura del sustrato -

+

4.

Cuando se trata el (R)-3-bromo-1-buteno (A) con metóxido de sodio (CH3O Na ) en metanol, se produce (S)-3-metoxi-1-buteno (B). Al tratar (A) solo con metanol, se produce (E) y (Z)-1-metoxi-2-buteno y una mezcla racémica de 3-metoxi-1buteno Explique los resultados de ambas reacciones basándose en los mecanismos SN1 y SN2.

5.

Escriba la estructura y el nombre del halogenuro de alquilo que, por una eliminación bimolecular, origina como producto principal (Z)-2,3-difenilbuteno.

6.

Explique los siguientes resultados experimentales en términos de los mecanismos SN1, SN2, E1 o E2: a) Al hidrolizar el (S)-4-bromo-5-metil-2-hexeno se forma, entre otros productos, el 2-metil-4-hexen-2-ol. b) El ion yoduro reacciona con el 1-bromopropano mucho más rápido que con el 2-bromopropano.

7.

Si el 3-bromo-1-fenilbutano se hace reaccionar, separadamente, con metóxido de sodio en metanol y con terbutóxido de sodio en terbutanol, ¿qué tipo de reacción(es) se esperaría en cada caso?

193

8.

i) Si se hace reaccionar 2-clorobutano, en un solvente polar aprótico (dimetilformamida, dimetilsulfóxido, acetonitrilo, etc.) con un buen nucleófilo, que a la vez es base débil, la(s) reacción(es) más probable(s) es(son): a) SN1 y SN2 b) SN2 c) SN2+ E2 d) SN1 + E1 ii) Si el 2-clorobutano reacciona, en un solvente polar prótico (agua, etanol) con un nucleófilo débil, que a la vez es base débil, la(s) reacción(es) más probable(s) es(son): a) SN1 y SN2 b) SN2 c) SN2+ E2 d) SN1 + E1 iii) Si se hace reaccionar 2-cloro-2-metilpropano en un solvente polar prótico con un nucleófilo fuerte que a la vez es base fuerte, la(s) reacción(es) más probable(s) es(son): a) SN1 b) SN2 c) E1 d) E2

9.

a) Por eliminación E2 de un bromuro de alquilo (A), se obtuvo como producto principal el (E)-3,4-dimetil-3-hexeno, no el isómero (Z). Dibuje y nombre adecuadamente la posible estructura del compuesto (A). b) ¿Qué productos se obtendrían si el compuesto (A) se somete a hidrólisis? Dibuje sus estructuras. c) En la reacción de hidrólisis, ¿qué alquenos podrían formarse? Dibuje sus estructuras, nómbrelas y ordénelos en orden decreciente de estabilidad.

10.

Analice, en cada caso, la factibilidad de los mecanismos de sustitución y/o eliminación involucrados e indique los posibles productos de reacción: a) b) c) d)

11.

CH3CH2Br + NaCN en CH3CH2OH CH3CH2Br + NaCN en DMF 2-bromo-3-metilbutano en etanol 2-bromo-3-metilbutano en acetona

Nombre los productos que pueden formarse en la siguiente reacción E2: ¿Cuál de ellos es el predominante? CH3 H

Br CH3CH2O D

H CH3

CH3CH2OH

?

194

12.

Cuando un halogenuro de alquilo se trata con un nucleófilo, que actúa simultáneamente como base, se obtienen productos de sustitución (S) y de eliminación (E). Cuando se trata, separadamente, el 2-bromo propano (A) y el 2-bromo-2-metilpropano (B) a 55º C con etanol seco y con etóxido de sodio 2N, se obtienen los siguientes resultados expresados como un cuociente E / S. Explique brevemente.

195

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen al Sr. Decano, al Sr. Vicedecano, al Director del Departamento de Química Orgánica, a la Biblioteca y a la Comisión de Proyectos Docentes de la Escuela de Pregrado de la Facultad de Ciencias Químicas y Farmacéuticas, por el apoyo brindado durante el desarrollo y la aplicación de este proyecto.

196

Esta publicación docente se inscribió el 12 de Octubre de 2005, con el registro Nº 150.486, en la Dirección de Bibliotecas, Archivos y Museos para obtener la propiedad intelectual a favor de la Universidad de Chile, Facultad de Ciencias Químicas y Farmacéuticas.

197

INDICE REACCIONES ORGÁNICAS 1. 2. 3.

Conceptos Generales Problemas Resueltos Problemas Adicionales

1 5 12

EFECTOS ELÉCTRICOS 1. 2. 3.

Conceptos Generales Problemas Resueltos Problemas Adicionales

15 22 31

Conceptos Generales Problemas Resueltos Problemas Adicionales

35 43 52

ALCANOS 1. 2. 3.

ALQUENOS 1.

Conceptos Generales

2. 3.

Problemas Resueltos Problemas Adicionales

56 65 75

ALQUINOS 1. 2. 3.

Conceptos Generales Problemas Resueltos Problemas Adicionales

80 85 95

AROMÁTICOS 1. 2. 3.

Conceptos Generales Problemas Resueltos Problemas Adicionales

99 106 119

198

ESPECTROSCOPÍA 1. 2. 3.

Conceptos Generales Problemas Resueltos Problemas Adicionales

124 125 139

ESTEREOQUÍMICA 1. 2. 3.

Conceptos Generales Problemas Resueltos Problemas Adicionales

SUSTITUCIÓN SATURADO 1. 2. 3.

NUCLEOFÍLICA

Conceptos Generales Problemas Resueltos Problemas Adicionales

151 155 168

Y

ELIMINACIÓN

EN

CARBONO 172 183 192