CAPÍTULO 5 HALOGENUROS DE ALQUILO Cl
CH3 CH3
Br
4-bromo-2-clorohexano
220
CAPÍTULO 5 HALOGENUROS DE ALQUILO OBJETIVO TERMINAL
Representar mediante ecuaciones químicas, el mecanismo de Sustitución Nucleofílica, tomando como base las reacciones características de los Halogenuros de Alquilo y su química.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
• • • •
Identificar la familia de los halogenuros de alquilo de acuerdo con su grupo funcional y propiedades físicas. Indicar la utilización de los halogenuros de alquilo a nivel industrial. Representar mediante ecuaciones, los reacciones de los halogenuros de alquilo.
métodos
de
preparación
Reconocer los elementos de las reacciones de sustitución nucleofílica alifática: sustrato, nucleófilo, producto, grupo saliente.
•
Establecer la reactividad de una reacción según el Mecanismo S N2.
•
Establecer la reactividad de una reacción según el Mecanismo S N1.
• •
y
Aplicar la comparación de las reacciones de los mecanismos SN1 y SN2 en la solución de problemas de reactividad. Caracterizar la reactividad reac tividad de los comportamiento ante ciertos c iertos reactivos.
halogenuros
de
alquilo a lquilo según
su
220
CAPÍTULO 5 HALOGENUROS DE ALQUILO OBJETIVO TERMINAL
Representar mediante ecuaciones químicas, el mecanismo de Sustitución Nucleofílica, tomando como base las reacciones características de los Halogenuros de Alquilo y su química.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
• • • •
Identificar la familia de los halogenuros de alquilo de acuerdo con su grupo funcional y propiedades físicas. Indicar la utilización de los halogenuros de alquilo a nivel industrial. Representar mediante ecuaciones, los reacciones de los halogenuros de alquilo.
métodos
de
preparación
Reconocer los elementos de las reacciones de sustitución nucleofílica alifática: sustrato, nucleófilo, producto, grupo saliente.
•
Establecer la reactividad de una reacción según el Mecanismo S N2.
•
Establecer la reactividad de una reacción según el Mecanismo S N1.
• •
y
Aplicar la comparación de las reacciones de los mecanismos SN1 y SN2 en la solución de problemas de reactividad. Caracterizar la reactividad reac tividad de los comportamiento ante ciertos c iertos reactivos.
halogenuros
de
alquilo a lquilo según
su
HALOGENUROS DE ALQUILO
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1. DEFINICIÓN Los halogenuros de alquilo o compuestos halogenados son aquellos que contienen halógeno en su estructura. Tienen la fórmula general RX, donde R es el grupo alquilo y X el e l átomo de d e halógeno (flúor, cloro, bromo o yodo), siendo éste su grupo funcional. Los halogenuros de alquilo pueden ser mono o polihalogenados.
2. PROPIEDADES FÍSICAS
• Polaridad:
Los átomos de halógeno son más electronegativos que los átomos de carbono, por lo tanto el enlace carbono - halógeno en el halogenuro de alquilo es polar; aún así los halogenuros de alquilo son débilmente polares.
• Fuerzas Intermoleculares:
Por ser compuestos de baja polaridad las fuerzas que mantienen unidas sus moléculas son las Fuerzas de Van der Waals, o atracciones dipolares débiles. Las moléculas con mayor área superficial presentan mayor atracción a tracción Van der Waals, lo cual c ual influye influ ye en un aumento en sus propiedades físicas.
• Puntos de ebullición y fusión:
Estas propiedades tienen variación similar a la familia de los alcanos. Sin embargo, los haloalcanos tienen puntos de ebullición mayores que los alcanos de igual número de átomos de carbono, debido a la presencia del halógeno, el cual incrementa la masa molar del compuesto y por ende el punto de ebullición.
• Solubilidad:
Son solubles en disolventes de baja polaridad como benceno, éter y cloroformo; por no formar puentes de hidrógeno son insolubles en agua. Debido a su baja polaridad no solvatan iones simples, por lo que no pueden disolver sales inorgánicas.
• Densidad:
Los fluoruros y cloruros de alquilo que contienen un sólo átomo de cloro son menos densos que el agua , mientras que los cloruros de alquilo con más de dos átomos de cloro (policlorocompuestos), así como los bromuros y yoduros de alquilo son más más densos que el agua, tal como se muestra a continuación, en la Tabla 5.1.
222
Tabla 5.1 Fórmulas y propiedades físicas de los halogenuros de alquilo
Cloruro Nombre
P.e., ºC
Metilo Etilo n -Propilo n -Butilo n -Pentilo n -Hexilo n -Heptilo n -Octilo
- 24 12.5 47 78.5 108 134 160 185
0.890 0.884 0.883 0.882 0.880 0.879
5 38 71 102 130 156 180 202
Iso propilo Iso butilo Sec butilo ter butilo
36.5 69 68 51
0.859 0.875 0.871 0.840
60 91 91 73
Ciclohexilo
142.5
1.000
165
Vinilo (haloeteno) Alilo (3-halopropeno)
Dens. rel. a 20ºC
Bromuro
-14 45
Dihalometano 40 Trihalometano 61 Tetrahalometano 77 1,1-Dihaloetano 57 1,2-Dihaloetano 84 Trihaloetileno 87 Tetrahaloetileno 121
P.e., ºC
Dens. rel. a 20ºC
1.440 1.335 1.276 1.223 1.173
1.310 1.261 1.258 1.222
16 0.938
1.336 1.489 1.595 1.174 1.257
71
99 151 189.5 110 132 164
Yoduro P.e., ºC
Dens. rel. a 20ºC
43 72 102 130 157 180 204 225.5
2.279 1.933 1.747 1.617 1.517 1.441 1.401
89.5 120 119
1.705 1.605 1.595
56 1.398
2.49 2.89 3.42 2.056 2.180 2.708
103
subl. subl. 179
subl.
3.325 4.008 4.32 2.84 2.13
223
3. FUENTE Y USO DE LOS HALOGENUROS DE ALQUILO Los compuestos halogenados de origen natural son escasos, de manera que la mayoría de ellos se preparan para su posterior empleo. Estos compuestos (los clorados y/o fluorados) se usan como solventes o principalmente como materia prima de síntesis orgánica de productos de importancia comercial e industria, tal como se indica a continuación.
El tetracloruro de carbono (CCl 4 ) tiene varios usos:
•
Se utiliza para preparar clorofluorocarbonos o freones : HF
HF
CCl4
CCl3F
CCl2F2
SbF5
SbF5
Freón 11
Freón 12 (p.e. – 28ºC)
Los freones se utilizan como líquidos refrigerantes, pero su uso se está limitando porque contribuyen a destruir la capa de ozono (O3) situada en la estratosfera, la cual defiende a la atmósfera de la luz ultravioleta (UV) que proviene del sol. La reacción sería: uv
CCl2F2
ClF2C •
Cl • + O3
+
Cl •
ClO + O2
En la estratosfera, el freón 12 quedaría expuesto a la radiación UV, la cual produce la ruptura homolítica del enlace C – Cl, como resultado el átomo de cloro (Cl •) liberado destruiría el ozono por medio de reacciones de radicales libres.
•
Su desintegración térmica proporciona percloroetileno, el cual es solvente para lavanderías.
un
900 ºC
2 CCl4
Cl2C = CCl2 + 2Cl2 percloroetileno
•
Como disolvente.
•
En extintores de incendio.
•
Un uso irracional sería como agente de limpieza. Este compuesto es altamente tóxico, por lo cual debe evitarse su contacto.
El cloruro de etilo (C 2 H 5Cl) se emplea en la preparación del tetraetilo de
224
plomo, el cual es un aditivo (agente antidetonante) en la mezcla de gasolinas. Los cloruros de alquilo superiores y los policlorados se usan en la industria como solventes.
El 1,2-dicloroetano es la materia prima para la obtención de cloruros de vinilo que a su vez se utiliza en la preparación del policloruro de vinilo (PVC), la cual es una resina plástica cuyo principal uso es para la elaboración de tuberías, envases de productos alimenticios y material médico-quirúrgico.
El cloroformo (CHCl 3 ) , además de su empleo como solvente, es materia prima en la síntesis del tetrafluoroetileno (F2C = CF2), monómero del teflón. El uso de algunos de estos compuestos en la industria química está siendo cuestionado por sus efectos tóxicos directos en el hombre, como son: el insecticida DDT (diclorodifeniltricloroetano) o el germicida Hexaclorofeno que son compuestos policlorados y el solvente 1,2-dicloroetano; o por sus efectos dañinos indirectos como los provocados por los freones tal como se indicó anteriormente.
4. PREPARACIÓN DE LOS HALOGENUROS DE ALQUILO Los halagenuros de alquilo se pueden preparar en el laboratorio por diversos métodos como se explica a continuación.
4.1. A partir de los alcoholes :
La reacción se lleva a cabo empleando halogenuros de hidrógeno (HX) o halogenuros de fósforo como los trihalogenuros (PX3) o pentahalogenuros (PX5) de fósforo. La reacción con trihalogenuros de fósforo se realiza en presencia de piridina, la cual minimiza las transposiciones (rearreglos).
Reacción: HX ó PX3
R – OH
RX
Alcohol
halogenuro de alquilo
Ejemplo: HBr conc.
CH3CH2OH
CH3CH2Br
Alcohol etílico
Bromoetano
225
4.2. Intercambio de halogenuros:
Se utiliza para preparar yoduros de alquilo partiendo del bromuro de alquilo correspondiente. Se trata con solución de yoduro de sodio (NaI) en acetona, precipita el halogenuro de sodio, el cual se elimina por filtración.
Reacción: acetona
R–X
+ NaI
R–I
Bromuro de alquilo
+
NaX
yoduro de alquilo
Ejemplo: acetona
CH3CH2Br
+
NaI
CH3CH2I + NaBr
Bromuro de etilo
Yoduro de etilo
4.3. Halogenación de hidrocarburos saturados: la halogenación de alcanos y cicloalcanos en presencia de luz ultravioleta o altas temperaturas, produce halogenuros de alquilo o de ciclolalquilo, por un mecanismo de radicales libres. Este método no ofrece altos rendimientos, debido a que se obtienen mezclas de isómeros o poli sustituidos y no el compuesto puro.
Reacción: X2
R–H
R–X
+
HX
calor o luz alcano/cicloalcano
halogenuro de alquilo
halogenuro de hidrógeno
Ejemplo: luz, 25ºC
CH3CH2CH3 + Cl2
CH3CH2CH2 – Cl
+
CH3CHCH2 + HCl |
Propano
Cl 1 – Cloropropano
2 - Cloropropano
226
4.4. Adición de halogenuros de hidrógeno a alquenos |
|
HX
– C = C –
|
|
– C–C– |
|
H
X
Los halogenuros de hidrógeno HF, HBr y HI se adicionan con facilidad al doble enlace de un alqueno a temperatura ambiente, el HCl requiere calor.
4.5. Adición de halogenos a alquenos y alquinos Alquenos : |
|
X2
– C = C –
|
|
– C–C– |
|
X X La adición de halógenos a los alquenos produce dihalogenados vecinales.
Alquinos : |
– C
| ≡
2X2
C–
X
X
|
|
– C–C– |
|
X
X
La adición de halógenos a los alquinos produce tetrahalogenados saturados.
Las secciones 4.4 y 4.5 se estudiarán con detalle en los Capítulos 6 y 7.
RESÚMEN DE LAS REACCIONES PARA LA PREPARACIÓN DE HALOGENUROS DE ALQUILO (éstas son las reacciones más utilizadas en el curso).
4.1 A partir de alcoholes : Reacción: HX ó PX3
R – OH
RX
Alcohol
halogenuro de alquilo
4.2. Intercambio de halogenuros: Reacción: acetona
R–X Bromuro de alquilo
+ NaI
R–I yoduro de alquilo
+
NaX
5. REACCIONES DE LOS HALOGENUROS DE ALQUILO
227
Los halogenuros de alquilo sufren los dos tipos de reacciones más importantes de la química orgánica, como son la sustitución nucleofílica y la eliminación . En este capítulo se limitará al estudio de la sustitución nucleofílica, la reacción de eliminación se estudiará en el capítulo seis (6).
5.1. REACCIONES DE ELIMINACIÓN Ocurren cuando el ión halogenuro sale con otro átomo o ión (con frecuencia H ). En muchas eliminaciones se pierde una molécula de HX del halogenuro de alquilo para obtener un alqueno , a esta reacción se le llama deshidrohalogenación. +
5.2. REACCIONES DE SUSTITUCIÓN NUCLEOFÍLICA 5.2.1. CONCEPTOS PRELIMINARES
• Heterólisis de enlaces covalentes:
ruptura del enlace covalente, que conduce a la formación de iones. A : – + A : B enlace covalente
B+
(iones)
o A+
+
B : – (iones)
• Nucleófilo:
Es un reactivo que busca un centro positivo en una molécula orgánica, con quien compartir su par de electrones. En el halogenuro de alquilo, el centro positivo es el átomo de carbono. Una molécula o ión con un par de electrones no compartidos es un nucleófilo.
• Grupo saliente:
En los halogenuros de alquilo, el grupo saliente es el sustituyente de halógeno, desprendiéndose como ión halógeno. Para ser un buen grupo saliente, el sustituyente debe poder desprenderse con facilidad en forma de molécula o ión débilmente básico y con relativa estabilidad.
5.2.2. DEFINICIÓN DE REACCIÓN DE SUSTITUCIÓN NUCLEOFÍLICA Cuando un átomo o ión se introduce en una molécula de un halogenuro de alquilo para reemplazar al ión halogenuro, la reacción se denomina sustitución, como la reacción está iniciada por un nucleófilo, se llama reacción de sustitución nucleofílica .
228
Reacción: Nu
+
R - X
Nucleófilo
R - Nu +
Sustrato (halogenuro de alquilo)
Producto
X Grupo saliente (Ión halogenuro)
En este tipo de reacción, un nucleófilo , una especie con un par de electrones no compartidos, reacciona con un halogenuro de alquilo (sustrato ), desplazando al sustituyente halogenado, llevándose a cabo la sustitución. El sustituyente halogenado, llamado grupo saliente , se separa como un ión halogenuro . En esta reacción, el enlace carbono – halógeno del sustrato sufre heterólisis y el par de electrones no compartido del nucleófilo se utiliza para formar un nuevo enlace con el átomo de carbono. El átomo de carbono pierde un par de electrones por la ruptura del enlace carbono-halógeno en forma heterolítica, y gana otro par de electrones que es aportado por el nucleófilo.
Ejemplo: OH
+
nucleófilo: ión hidróxido
CH3 - Cl Sustrato: clorometano
CH3 - OH + producto: metanol
Cl grupo saliente: ión cloruro
Los halogenuros de alquilo reaccionan con reactivos nucleofílicos para generar una gran variedad de compuestos, algunos ejemplos son:
R:X OH :
–
Nu : –
R : Nu
R – OH
+
X : –
alcohol +
H2O:
R – OH2 + H2O:
: – OR´
R – O – R´
éter
: C ≡ CR´
R – C ≡ CR´
alquino
R´ – Mg + H2O
R – R´
alcano
R–I
yoduro de alquilo
R – CN
nitrilo
R´COO – R
éster
R – NH2
amina primaria
R – NH – R´
amina secundaria
R – N – R´ – R”
amina terciaria
R – SH
tiol (mercaptano)
R – S R´
tioéter (sulfuro)
–
I:
RX +
+
–
CN: – R´COO:
–
:NH3 :NH2R´ :NHR´R” – SH: – SR´:
R – OH
alcohol protonado, alcohol
229
6. CINÉTICA. VELOCIDAD DE REACCIÓN
La cinética es el campo de la química que se ocupa del estudio de las velocidades de reacción, y especialmente las que dependen de las concentraciones. La velocidad de reacción depende de las concentraciones de los reactivos, al aumentar ésta, aumentará el número de choques entre las moléculas y la reacción se lleva a cabo. La relación entre las concentraciones de los reactivos y la velocidad de reacción observada se denomina ecuación de velocidad , la cual es característica para cada reacción. Por ejemplo, para la siguiente reacción, la velocidad de reacción se define como el producto de las concentraciones de los reactivos A y B, elevadas a determinadas potencias a y b :
A+ B
C + D,
ecuación general de velocidad = k r [A]a [B]b
Donde k r es la constante de velocidad y los valores de a y b se determinan experimentalmente. En la ecuación general de velocidad a se denomina orden de la reacción con respecto al reactivo A , y b es el orden de la reacción con respecto a B. La suma de ambas potencias (a + b ) es el orden general de la reacción. No se puede predecir la ecuación de velocidad partiendo de la estequiometría de la reacción, esta se determina experimentalmente.
6.1. ORDEN GENERAL DE LA REACCIÓN Se obtiene de la ecuación de velocidad; es la suma de las potencias: a + b .
Ejemplo: CH3 – Br Bromuro de metilo
+ HO : – Ión hidróxido
CH3 – OH Metanol
+
Br –
Ión bromuro
Se ha demostrado experimentalmente que si se incrementa el doble la concentración del bromuro de metilo o la del ión hidróxido, la velocidad de la reacción se duplica; de igual manera, si se reducen a la mitad, también debería reducirse la velocidad a la mitad. Así, la velocidad es proporcional a ambas concentraciones (sustrato y nucleófilo), por lo tanto, la ecuación de velocidad viene expresada como:
Velocidad = k r [CH3Br ][ –OH ] La ecuación de velocidad es de segundo orden general , porque la velocidad depende de ambas concentraciones y suma de las potencias de las concentraciones es dos (2).
230
Por otra parte, examinando la reacción correspondiente entre el bromuro de ter butilo y el ión hidróxido: (CH3)3C – Br
+ HO : –
(CH3)3C – OH
Bromuro de t -butilo Ión hidróxido
+
Br –
Alcohol t -butílico Ión bromuro
Si como anteriormente, se incrementa el doble o se reduce en la misma proporción la concentración del bromuro de ter butilo, la velocidad de la reacción se duplica o disminuye a la mitad; en cambio, si se duplica o reduce a la mitad la concentración del ión hidróxido no hay cambio de velocidad. Esto significa que la velocidad de la reacción es independiente de la concentración del ión hidróxido (nucleófilo), dependiendo solamente de la concentración del bromuro de ter butilo (sustrato). La ecuación de velocidad viene expresada como:
Velocidad = k r [ (CH3)3C – Br ] La ecuación de velocidad es de primer orden general , porque la velocidad depende únicamente de la concentración del sustrato y la suma de las potencias de las concentraciones es uno (1). Estudios cinéticos de la sustitución nucleofílica revelaron (1930) que los sustratos primarios reaccionan con una cinética de segundo orden, mientras que los sustratos terciarios lo hacen con una cinética de primer orden. Los sustratos secundarios exhiben un comportamiento intermedio y a menudo una mezcla de ambos. Por las diferencias en el orden cinético, se propuso que la sustitución nucleofílica puede llevarse a cabo mediante dos mecanismos distintos, a los que se denominaron SN2 y SN1.
7. REACCIÓN S N2: SUSTITUCIÓN NUCLEOFÍLICA BIMOLECULAR O DE SEGUNDO ORDEN 7.1. MECANISMO Y CINÉTICA DE LA REACCIÓN S N2 A continuación se describe un mecanismo para la reacción SN2, basado en la propuesta de Christopher Ingold (1930, Londres). De la sección 6.1. se tiene que la reacción entre el bromuro de metilo y el ión hidróxido para dar metanol, sigue una cinética de segundo orden, es decir su velocidad depende de la concentración de ambos reactivos. CH3Br + HO : –
CH3OH + Br –
,
Velocidad = k r [CH3Br ][ –OH ]
231
-
Según este mecanismo, el nucleófilo (OH ) se aproxima por la parte posterior al carbono que contiene el grupo saliente (Br - ). A medida que progresa la reacción, se va generando el enlace nucleófilo – átomo de carbono , su formación es la que aporta la energía necesaria para romper el enlace átomo de carbono – grupo saliente . Luego el grupo saliente es empujado hacia afuera. El mecanismo y la estereoquímica se puede representar en la siguiente forma: H
H δ
C
OH
Br
-
δ
HO
C
H
-
Br
HO
C
+
H H
Br
H
H H
H
Estado de transición
Mecanismo y Estereoquímica para la Reacción SN2 El mecanismo para la reacción SN2 sólo implica una etapa , los enlaces se rompen y forman al mismo tiempo, no hay intermediarios. La estructura del estado de transición es un punto de máxima energía, representa una distribución inestable de los átomos reaccionantes. Su existencia es muy breve, –12 aproximadamente 10 segundos. En el estado de transición tanto el nucleófilo como el grupo saliente están parcialmente enlazados al átomo de carbono que sufre el ataque. En el mecanismo intervienen estas dos sustancias, por tanto, se explica la cinética de segundo orden que se observa. Este tipo de reacción se llama S N2 , que significa Sustitución Nucleofílica Bimolecular , porque la etapa que determina la velocidad (única etapa), requiere la colisión de dos moléculas: sustrato y nucleófilo.
7.2. ESTEREOQUÍMICA DE LA REACCIÓN S N2 Como se vio en la sección anterior, en una reacción SN2, el nucleófilo debe atacar desde la parte posterior, es decir opuesto al grupo saliente. Esta forma de ataque provoca una inversión en la configuración del átomo de carbono objeto del ataque nucleofílico. En la figura anterior se indica esta inversión.
Ejemplo: El 2 - bromooctano contiene un centro quiral, posee un par de enantiómeros, los cuales se han obtenido por separado. Sus configuraciones y rotaciones específicas se muestran a continuación:
232
C6H13 H
C6H13 Br
Br
H
C
C
CH3
CH3
(R ) – (–) – 2 – Bromooctano [α] = – 34.25º
(S ) – (+) – 2 – Bromooctano [α] = + 34.25º
Enantiómeros del 2 – Bromooctano
El 2 - Octanol también es quiral, sus configuraciones y rotaciones específicas se han determinado: C6H13
C6H13 H
HO
OH
H C
C
CH3
CH3 (R ) – (–) – 2 – Octanol [α] = – 9.90º
(S ) – (+) – 2 – Octanol [α] = + 9.90º
Enantiómeros del 2 – Octanol
Cuando el (R ) – (–) – 2 – Bromooctano reacciona con hidróxido de sodio, el único producto de sustitución que se obtiene de la reacción es el (S ) – (+) – 2 – Octanol. La siguiente reacción es del tipo SN2 y se lleva a cabo con una inversión completa de la configuración, da un producto con estereoquímica opuesta a la del reactivo: C6H13 H
Br C
C6H13
NaOH
HO
H C
SN2
CH3
CH3 (R ) – (–) – 2 – Bromooctano [α] = – 34.25º
(S ) – (+) – 2 – Octanol [α] = + 9.90º
en la reacción SN2 ocurre inversión completa de la configuración
233
7.3. REACTIVIDAD E IMPEDIMENTO ESTÉRICO
La velocidad de reacción en el mecanismo SN2 depende de varios factores. Un factor importante es la estructura del halogenuro de alquilo que va a reaccionar. Según este mecanismo, los halogenuros de metilo reaccionan muy rápido y los halogenuros de alquilo terciarios proceden tan lentos, que se puede decir que por este mecanismo no reaccionan. De lo anterior, para halogenuros de alquilo sencillos, el orden de reactividad en el mecanismo es:
Reactividad en SN2: CH3X > 1º > 2º > 3º El orden de reactividad se explica por el efecto estérico (electrónico), esto es, el efecto sobre las velocidades relativas, causado por la configuración de las partes de la molécula unidas al centro reactivo. El retardo de la reacción por la distribución en el es pacio de los átomos o grupos voluminosos de átomos que obstaculizan el sitio reactivo es lo que se llama impedimento estérico . La lentitud para reaccionar o la imposibilidad de llevarse a cabo ciertas reacciones, se debe a la presencia de grupos voluminosos en el lado posterior del átomo de carbono electrofílico.
Ejemplo 1: Entre el bromuro de etilo y el bromuro de t - butilo, determina, ¿cuál es el mejor sustrato para el mecanismo SN2 ?.
Solución: Sus estructuras son: H | CH3 – C – Br: sustrato | H Bromuro de etilo
Analizando sus por ser un sustrato 3º, esto es porque reactividad es CH3X
1º;
CH3 | CH3 – C – Br : sustrato | CH3 Bromuro de t - butilo
3º
estructuras, el mejor sustrato SN2 es el bromuro de etilo 1º, mientras que el bromuro de t - butilo es un sustrato para el mecanismo SN2 en este sentido, el orden de > 1º > 2º > 3º.
Por otra parte, si además se observa su estructura en el espacio para evaluar el impedimento estérico, y suponiendo el ataque de un nucleófilo :OH –, se tiene:
234
CH 3
CH 3 O
O H
C
Br
HH Bromuro de etilo (1º)
H
C
Br
CH 3 CH 3 Bromuro de t - butilo (3º)
En una reacción SN2, el nucleófilo debe atacar desde la parte posterior al carbono (sitio reactivo) que contiene el grupo saliente. En el lado posterior del átomo de carbono electrofílico, se observa que el bromuro de etilo (1º) los átomos de hidrógeno y el metilo interfieren muy poco, por lo tanto reacciona con mayor rapidez. En el bromuro de t - butilo (3º), los grupos CH3 impiden u obstaculizan el ataque del nucleófilo al sitio reactivo, presenta impedimento estérico, por lo tanto, mediante el mecanismo SN2 no reacciona.
7.4. NUCLEÓFILOS PARA S N2. VARIACIÓN DE LA NUCLEOFILIDAD. Los nucleófilos se clasifican como fuertes y débiles. Un nucleófilo fuerte es el que reacciona rápidamente con un sustrato determinado y por lo general es una especie con carga negativa. Un nucleófilo débil es uno que reacciona lentamente con el mismo sustrato bajo las mismas condiciones de reacción y por lo general no posee carga negativa. Por ejemplo el ión metóxido (CH3O-) reacciona mucho más rápido que el metanol (CH3OH), ya que tiene electrones no enlazantes disponibles. De manera general, una base siempre es un nucleófilo más fuerte que su ácido conjugado. Para el mecanismo SN2 se requieren nucleófilos fuertes, debido a que ellos forman parte del único paso de la reacción y la promueven. Su naturaleza afecta la velocidad de la reacción.
• VARIACIÓN DE LA NUCLEOFILIDAD a) Una especie con carga negativa es un nucleófilo más fuerte que uno sin carga. b) La nucleofilidad disminuye de izquierda a derecha en la tabla periódica, en la misma forma que aumenta la electronegatividad. Los elementos más electronegativos sujetan los pares de electrones sin compartir con más intensidad. c) La nucleofilidad aumenta al aumentar el número atómico en un grupo de la tabla periódica, proporcional a su tamaño y la polarizabilidad (poseer electrones que se desplazan fácilmente hacia una carga positiva).
235
7.5. CARACTERÍSTICAS DE LOS GRUPOS SALIENTES Las características que deben poseer los grupos salientes son:
•
•
•
Deben ser suficientemente electronegativos y ser capaces de atraer suficiente densidad electrónica para crear el átomo de carbono electrofílico, ejemplos de buenos grupos salientes son los halógenos, el oxígeno, nitrógeno, azufre. Deben ser bases débiles, y por lo tanto, son las bases conjugadas de los ácidos fuertes, un ejemplo de esto son los iones halogenuro. Para los hidrácidos HF, HCl, HBr y HI son relativamente fuertes y sus bases conjugadas son débiles. Entonces el orden de reactividad de los sustratos según la basicidad es: I – > Br – > Cl – > F – Los iones básicos fuertes, como por ejemplo el ión hidróxido (:OH –) rara vez actúan como grupo saliente. Nu: –
•
+
R – OH
R – Nu +
OH –
Las bases fuertes como los iones hidruros (:H –) y alcanuros (:R –) nunca actúan como grupos salientes y sus reacciones no se llevan a cabo. Nu: –
+
R–H
R – Nu +
:H –
Nu: –
+
R–R
R – Nu +
:R –
8. REACCIÓN S N1: SUSTITUCIÓN NUCLEOFÍLICA UNIMOLECULAR O DE PRIMER ORDEN 8.1. INTERMEDIARIOS REACTIVOS: CARBOCATIÓN Y CARBANIÓN Las reacciones orgánicas que se llevan a cabo en más de una etapa implican la formación de un producto intermedio, aquél que resulta de la homólisis o heterólisis de un enlace. La homólisis de un enlace al carbono produce un intermediario que se conoce como radical carbono o radical libre. |
– C |
: Z
homólisis
|
–C•
+
Z•
|
radical carbono
El radical carbono es una especie deficiente en electrones, contiene siete electrones en su capa de valencia.
236
La heterólisis de un enlace al carbono puede formar un catión trivalente del carbono o un anión del carbono. |
| – C
: Z
heterólisis
|
– C + + | Carbocatión |
– C : –
+
Z :–
Z+
|
Carbanión
Los carbocationes son los cationes de carbono trivalente (iones carbenio), son especies deficientes en electrones, tienen sólo seis electrones, poseen una carga positiva y su geometría es trigonal plana. En sus reacciones buscan los electrones adicionales que les proporcione la estabilidad. Los carbaniones por su parte son nucleófilos fuertes, son bases Lewis donantes de pares de electrones; por lo tanto, buscan otro centro de carga positiva para neutralizar su carga negativa.
Los radicales carbono, los carbocationes y carbaniones son, por lo general, especies muy reactivas. En la mayoría de las reacciones químicas sólo existen como intermediarios de corta vida.
8.2. REACCIONES EN ETAPAS MÚLTIPLES Y ETAPA DETERMINANTE DE VELOCIDAD. Si una reacción se realiza en varias etapas y la primera de ellas es más lenta que las otras, se tiene que la velocidad de la reacción total será fundamentalmente la misma velocidad de esa etapa lenta. En consecuencia esta etapa lenta se llama etapa limitante de la velocidad o etapa determinante de la velocidad .
8.3.
MECANISMO Y CINÉTICA DE LA REACCIÓN S N1
En la sección 6.1 ter butilo y el ión hidróxido primer orden, es decir concentración del sustrato, ión hidróxido.
se mencionó que la reacción entre el bromuro para producir alcohol ter butílico, sigue una cinética la velocidad de la reacción depende sólo de el bromuro de ter butilo, y no involucra el nucleófilo,
de de la el
237
Como la velocidad de la reacción no depende de la concentración del nucleófilo, se deduce que el mismo no está presente en el paso lento, que es el determinante de la velocidad. Esto sugiere que la reacción procederá en dos etapas; el nucleófilo debe reaccionar en la segunda etapa, después de este paso lento. El mecanismo de la reacción SN1 para hidróxido de sodio en dos etapas, es el siguiente:
el
bromuro
ter butilo
de
con
Etapa 1: CH3
CH3 lenta
H3C
C
Br
H3C
C
+
+
etapa determinante
CH3
CH3
de la velocidad
Etapa 2: CH3 H3C
C
+
CH3
+
CH3
rápida
OH
H3C
C
OH
CH3
Primera etapa : E s el paso lento , determinante de la velocidad. En ella una molécula de bromuro de ter butilo se ioniza y se transforma en un catión derivado del grupo ter butilo que es un carbocatión y un ión bromuro. Su formación es lenta por ser un proceso endotérmico, ya que involucra el rompimiento heterolítico del enlace C – Br, debe tener una elevada energía de activación. No se forman enlaces. Segunda etapa: el carbocatión se combina velozmente con un ión hidróxido para generar el alcohol ter butílico. Esta etapa es rápida puesto que implica la formación de un enlace, el cual es un proceso liberador de energía. Cuando el nucleófilo es una molécula neutra, como el agua o un alcohol, la pérdida de un protón forma el producto final sin carga. reacción se le llama S N1 que significa Sustitución , Nucleofílica Unimolecular , debido a que la etapa determinante de la velocidad sólo depende de una molécula, el sustrato. La velocidad de la reacción completa queda determinada por la velocidad de ionización del halogenuro de alquilo, de manera que sólo depende de su concentración. A
este
tipo
de
Br
238
8.4. ESTEREOQUÍMICA DE LA REACCIÓN S N1
En el carbocatión el átomo de carbono tiene hibridación sp 2 , por lo que su geometría es trigonal plana y contiene un orbital p vacío. El nucleófilo puede atacar el carbocatión en alguno de los lóbulos del orbital p vacío, es decir, puede atacar cualquiera de sus caras. Si el ataque es por el lado delantero , sitio donde estaba enlazado el grupo saliente, se obtiene un producto con retención de la configuración ; si es por la parte opuesta o posterior , resulta una inversión de la configuración . SN1 generalmente son una mezcla de inversión y retención de la configuración , aunque en algunos casos se presenta un ligero exceso de productos con inversión de la configuración, esto se debe a que el lado delantero permanece bloqueado por el grupo saliente mientras se separa. Los
productos
de
una
reacción
En las reacciones de este tipo, a partir de un enantiómero ópticamente activo se obtiene una mezcla de ambos enantiómeros, es decir ocurre una racemización, esta puede ser parcial o completa. Es parcial si solo pierde parte de su actividad óptica, es decir, se convierte parcialmente en su forma racémica y es completa si se pierde completamente su actividad óptica. La racemización puede llevarse a cabo cuando la reacción ocasione que los sustratos, que sean moléculas quirales, se conviertan en un intermediario no quiral.
Ejemplo 2: El (S ) – 3 – bromo – 3 metilhexano ópticamente activo, al calentarlo con acetona acuosa, da como resultado la formación de 3 – metil – 3 – hexanol como forma racémica.
Etapa 1:
C 3H 7
H7C3
lenta C
H3C H 5C 2
C+
Br
+
Br
H3C H 5C 2
El carbocatión tiene una geometría trigonal plana y es aquiral, procede de un centro quiral.
239
Etapa 2: ataque
H 7 C3 C
frontal
OH
H3C H5C2
C3H7
( S ) - 3 metil - 3 - hexanol
rápida C+
+
H
2
O Enantiómeros
H3C H5C2
C3 H 7
ataque
HO
C CH3
posterior
C2 H5
( R ) - 3 metil - 3 - hexanol
El ataque frontal y posterior se realizan con velocidades similares, el producto se obtiene como una forma racémica.
8.5. REACTIVIDAD EN LA REACCIÓN S N1 Los halogenuros de alquilo más sustituidos son más reactivos reacción SN1 que los menos sustituidos. El orden de reactividad es:
hacia
la
Reactividad en S N1: 3º > 2º > 1º > CH3X Este orden obedece a la facilidad de ionización de los sustratos terciarios más sustituídos.
8.6. GRUPO SALIENTE EN LA REACCIÓN S N1 Es necesario un buen grupo saliente, por las mismas razones que la reacción SN2. El efecto del grupo saliente es el mismo en las reacciones S N 1 y S N2 ; los yoduros alquílicos reaccionan en forma muy rápida, mientras que los fluoruros lo hacen con tanta lentitud que no es común su uso en las reacciones de sustitución nucleofílica. El orden de reactividad del grupo saliente para ambas reacciones es:
R – I > R – Br > R – Cl
240
9. COMPARACIÓN DE LAS REACCIONES S N1 y SN2
La Tabla 5.2. contiene un resumen de las reacciones de sustitución nucleofílicas, la cual es una guía rápida para resolver problemas de reactividad.
Tabla 5.2. Comparación de las reacciones SN1 y SN2 SN2 SN1 Reacción de 2do. Orden reacción Cinética - Velocidad La proporcional a de Reacción
Estereoquímica
es la concentración de ambos reactivos: nucleófilo y sustrato, por tanto:
La reacción es proporcional a la concentración del sustrato solamente, por tanto:
V = kr [R-X] [Nu: – ]
V = kr [R-X]
Inversión completa
Mezcla de inversión y retención
Ataque por la parte opuesta al sitio reactivo, invirtiendo la estereoquímica del átomo de carbono.
CH3X > 1º > 2º > 3º Reactividad del Sustrato
Nucleófilo
Reacción de 1er. Orden
Al poseer impedimento serán mejores SN2.
Ataque por ambas caras del carbocatión, produciendo una mezcla de inversión y retención de la configuración (pares de enantiómeros).
3º > 2º > 1º > CH 3X
menos Los halogenuros de alquilo estérico, 3º se ionizan fácilmente sustratos para formar los carbocationes, los halogenuros 2º pueden participar en sustituciones por cualquiera de los mecanismos dependiendo de la condiciones.
Nucleófilos fuertes
Nucleófilos débiles
El nucleófilo forma parte del único paso de la reacción, el cual la promueve la reacción.
El nucleófilo no forma parte del paso determinante de la velocidad y no promueve la reacción.
10. CARACTERIZACIÓN DE LOS HALOGENUROS DE ALQUILO
241
Los halogenuros de alquilo reaccionan ante los ensayos de caracterización de manera similar a los alcanos:
•
Insolubles en ácido sulfúrico concentrado y frío.
•
Inertes al bromo en tetracloruro de carbono.
• • •
Inertes al permanganato de potasio diluido y frío (Reactivo de Baeyer), el color púrpura no desaparece ni se forma el precipitado de dióxido de manganeso. Inertes al anhídrido crómico. En el ensayo de análisis cualitativo reaccionan con AgNO3 alcohólico para formar un precipitado de halogenuro de plata, el cual es insoluble en HNO3 o en NH4OH. R – X + AgNO3
AgX (s) Color del precipitado
blanco: cloro amarillo pálido: bromo amarillo intenso: yodo
11. EJEMPLOS VARIOS 1. Sintetice los siguientes compuestos: a) Bromuro de iso propilo; b) Yoduro de n – butilo Solución:
a) Bromuro de iso propilo: CH3CHBrCH3 A partir de un alcohol: CH3CHCH3 | OH
+
PBr 3
Alcohol iso propílico
CH3CHCH3 | Br Bromuro de iso propilo
b) Yoduro de n – butilo: CH3CH2CH2CH2I Por intercambio de halogenuro, es específico para síntesis de yoduros de alquilo: acetona
CH3CH2CH2CH2Br
+
Bromuro de n – butilo
NaI
CH3CH2CH2CH2I
Yoduro de n – butilo
242
2. ¿Cuáles de los siguientes productos se pueden sintetizar con buen rendimiento, mediante monocloración fotoquímica a partir de los hidrocarburos correspondientes? a) CH3CH2Cl b) (CH3)3CCH2Cl c) CH3(CH2)3Cl d) Cl Solución:
Para obtener mejores rendimientos es necesario que todos los hidrógenos ( H ) reactivos del hidrocarburo sean equivalentes, este requisito lo cumplen: a) CH3CH3
b) (CH3)3CCH3
d)
c) Tiene más de un tipo de hidrógeno, por lo que se produce una mezcla de isómeros.
3. Dar la fórmula estructural, nombre IUPAC y clasificar el compuesto como halogenuro de alquilo 1º, 2º ó 3º : a) (CH3)2CHCH2I b) (CH3)2CHCHClCH3 c) CH3CHBrC(CH3)2CH2CH3 d) 2 – cloro – 2,3 – dimetilpentano Solución:
Compuesto
a) (CH3)2CHCH2I
Fórmula Estructural semidesarrollada CH3 – CH –
Nombre IUPAC
Halogenuro de alquilo 1º
CH2 I 1-yodo-2-metilpropano
|
CH3
b) (CH3)2CHCHClCH3
CH3 – CH – |
CH3
c)
|
Cl
2-cloro-3-metilbutano
2º
2-bromo-3,3dimetilpentano
2º
CH3
CH3CHBrC(CH3)2CH2CH3
|
CH3 – CH – C – CH2 – CH3 |
Br d)
CH – CH3
2 – cloro – 2,3 – dimetilpentano
|
CH3
Cl |
CH3 – CH2 – CH – |
C – CH3 |
CH3 CH3
3º
243
4. Escriba las estructura de los bromuros de etilo, n – propilo, isobutilo y neopentilo, las que pueden considerarse como bromuro de metilo con uno de sus hidrógenos reemplazado por diversos grupos alquilo (G CH2Br). a) ¿Cuál es el grupo G en cada caso?. b) Clasifique el halogenuro de metileno en cada caso como 1º, 2º ó 3º. c) Aproximadamente, la rapidez relativa de la reacción (con el ión etóxido es: bromuro de metilo 100; de n – propilo 2; de iso butilo 0.2, de neo pentilo 0.00002. ¿Cuál es el efecto del tamaño del grupo “G” unido al carbono halogenado?. Solución:
b) Tipo de halogenuro Velocidad de alquilo (Sustrato)
Compuesto
Estructura
a) G
Bromuro de etilo
CH3 – CH2Br
CH3 – : Metilo
1º
100
CH3 – CH2 – : Etilo
1º
2
Bromuro de CH3 – CH2 – CH2Br n – propilo Bromuro de iso butilo
CH3 – CH – CH2Br |
CH3
CH3
| Bromuro de CH – C – CH2Br neo pentilo 3 |
CH3
CH3 – CH – : Iso propilo | CH3
0.2 2º
CH3 |
CH3 – C – : Ter butilo |
CH3
c) Al aumentar el tamaño de “G”, la velocidad disminuye.
0.00002 3º
5. Ordenar los compuestos de cada conjunto de acuerdo con reactividad en el mecanismo S N2 y luego en el mecanismo S N1. a) 2 – bromo – 2 – metilbutano;
1 – bromopentano;
su
244
2 – bromopentano.
b) 1 – bromo – 3 – metilbutano; 2 – bromo – 2 – metilbutano; 2 – bromo – 3 – metilbutano. c) 1 – bromobutano; 1 – bromo – 2, 2 – dimetilpropano; metilbutano; 1 – bromo – 3 – metilbutano.
1 – bromo – 2 –
Solución:
Compuesto
Estructura
Tipo de sustrato
CH3 |
2 – bromo – 2 – metilbutano
CH3 – CH2 – C – CH3
3º
|
Br
1 – bromopentano
CH3 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2Br
1º
2 – bromopentano
CH3 – CH2 – CH2 – CH – CH 3
2º
|
Br Para un mecanismo SN2, el orden de reactividad del sustrato es: CH3X > 1º >2º > 3º, por lo tanto la secuencia es:
1 – bromopentano > 2 – bromopentano > 2 – bromo – 2 – metilbutano Para un mecanismo SN1, el orden de reactividad del sustrato es: 3º > 2º >1º > CH 3X , por lo tanto la secuencia es:
2 – bromo – 2 – metilbutano > 2 – bromopentano > 1 – bromopentano
245
b) Compuesto
Estructura
Tipo de sustrato
CH3 |
1 – bromo – 3 – metilbutano
CH3 – CH – CH2 – CH2
1º
|
Br CH3 |
2 – bromo – 2 – metilbutano
CH3 – CH2 – C – CH3 |
Br
3º
CH3 |
2 – bromo – 3 – metilbutano
CH3 – CH – CH – CH 3
2º
|
Br Para un mecanismo SN2, el orden de reactividad del sustrato es: CH3X > 1º >2º > 3º, por lo tanto la secuencia es:
1 – bromo – 3 – metilbutano > 2 – bromo – 3 – metilbutano > 2 – bromo – 2 – metilbutano Para un mecanismo SN1, el orden de reactividad del sustrato es: 3º > 2º >1º > CH 3X , por lo tanto la secuencia es:
2 – bromo – 2 – metilbutano > 2 – bromo – 3 – metilbutano > 1 – bromo – 3 – metilbutano
246
c) Compuesto
Estructura
Tipo de sustrato
Bromuro de metileno
Grupo G
1 – bromobutano
CH3 – CH2 – CH2 – CH2Br
1ºº
1º
n - Pr
1º
3º
t - Bu
CH2Br
1º
2º
sec - Bu
CH3 – CH – CH 2 – CH2Br
1º
1º
iso - Bu
CH3 |
1 – bromo – 2, 2 – dimetilpropano
CH3 – C – CH2 Br |
CH3
CH3 |
1 – bromo – 2 – metilbutano
CH3 – CH2 – CH –
CH3
1 – bromo – 3 – metilbutano
|
Para el mecanismo SN2 se analizan tres efectos: 1. Tipo de sustrato : para un mecanismo SN2, el orden de reactividad del sustrato es: CH3X > 1º >2º > 3º, por este factor no se puede decidir, en vista que todos los compuestos son sustratos primarios. 2. Grupo metileno : según éste, el n - Pr y el iso - Bu son sustratos primarios. 3. Impedimento estérico : el iso – Bu presenta mayor impedimento estérico que el n - Pr , por tanto se tiene el orden : n – Pr > iso – Bu > sec – Bu > t - Bu De acuerdo con el análisis anterior el orden de reactividad en el mecanismo SN2 es:
1 – bromobutano
>
1 – bromo – 3 – metilbutano > 1 – bromo – 2 – metilbutano > 1 – bromo – 2, 2 – dimetilpropano
Para el mecanismo SN1, el orden de reactividad es al contrario:
1 – bromo – 2, 2 – dimetilpropano > metilbutano > 1 – bromobutano
1 – bromo – 2 – metilbutano
>
1 – bromo – 3 –
247
12. AUTOEVALUACIÓN 1. Proponga la síntesis para el yoduro de n – pentilo, partiendo de: a) un alcohol; b) un halogenuro de alquilo.
2. Escriba las estructuras y los nombres de los productos principales que resultan de la reacción (si la hay) del bromuro de n - butilo con: a) NaOH (ac); b) H2SO4 conc., frío; c) NaI en acetona; Li, luego CuI, luego bromuro de etilo; d) NaCN; e) NaOC2H5; f) NH3.
3. Cuando se agita agua con hexano, los dos líquidos se separan en dos fases. Indicar qué compuesto está presente en la fase superior y cuál en la fase inferior. Cuando se agitan agua y cloroformo, resulta un sistema semejante de dos fases. De nuevo, indicar qué compuesto está presente en cada fase. Explicar la diferencia entre los dos experimentos.
4. El bromuro de isopropilo reacciona con hidróxido en etanol al 80% y 55ºC, de acuerdo con la siguiente reacción cinética, en la que la rapidez se expresa en moles por litro y por segundo: rapidez: 4.7 x 10 –5 [RX] [OH-] + 0.24 x 10 –5 [RX] ¿Qué porcentaje del bromuro de isopropilo reacciona según el mecanismo SN2 cuando la concentración molar de OH – es: a) 0.001; b) 0.1; c) 1.0; d) 5.0.
5. Considerando como ejemplo, la reacción entre un halogenuro de alquilo y NaOH en una mezcla de agua y etanol. Comparar los mecanismos SN2 y SN1 de forma tabulada con respecto a: a) Cinética; b) Estereoquímica; c) Velocidad relativa de CH3X, C2H5X, iso C3H7X, t -C4H9X; d) Velocidad relativa de RCl, RBr y R I; e) Efecto de un aumento de temperatura sobre la velocidad; f) Efecto de doblar [RX] sobre la velocidad; g) Efecto de doblar [OH--] sobre la velocidad.
6. ¿Cuál haluro de alquilo esperaría que reaccionara en forma más rápida por un mecanismo SN2. Explique su respuesta. a) CH3CH2CH2CH2Br ó CH3CH2CHCH3 | Br b) CH3CH2CH2Cl
ó
CH3CH2CH2Br
7. Escoger el miembro de cada par que reaccione más rápidamente en la reacción SN1. Explique su respuesta. a) 2-yodo-2-metilbutano ó yoduro de etilo b) 2-yodo-2-metilbutano ó cloruro de t -butilo
