Organica de Fessenden

QUIMICA ORGANICA -

Ralph J. Fessenden Joan S. Fessenden University of Montana

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Traductores: Eliseo Seoane Bardanca, Manuel Amo, Rafael Castillo B., U.N.A.M., México.

José

Rambn Pedro, Universidad de Valencia, Espaila.

Revisores: Gerard0 Burton, Universidad de Buenos Aires, Argentina. Deanna de Marcano. Universidad Central, Venezuela. losé Luis Mateos. Nilda Navarro. Carlos RiusA., U.N.A.M.. Mexico María del Pilar C . de Joseph-Nathan, Pedro Joseph-Nathan, CIEA-I.P.N., México. Portada: Sadtler Standard Spectra R. Derechos Reservados, Sadtler Research Laboratories, Division Laboratories.

of Bio-Rad

GRUPO EDITORIAL IBEROAMERICA RIO GANGES # 6 4 , MEXICO 06500, D.F. MEXICO Versibn en espafiolde la obra Organic Chemistry, 2nd. edition, por Ralph J. Fessenden y Joan S. Fessenden. L a edjcibn original en inglés ha sido publicada por PWS Publishers, Boston, EE.UU. @ i982. 94002. Grupo Editorial IberoD.R.O.1983, Wadsworth Internacional Iberoamérica, Belmont, California américa. Ninguna parte de este libro puede ser reproducida, archivada o transmitida en forma alguna o

mediante algimesistema electrbnico, mechico, de fotorreproduccibn, memoria o cualquier otro, sin el previo y expreso permiso escrito por la editorial Wadsworth Internacional Iberoamérica, una divisibn de Wadsworth Inc. ISBN 0-534-03144-9

IMPRESO EN MEXICO Esta edicibn en espafiol es la ÚniLa autorizada. Tipografía: World Composition Services, Inc.

Prefacio

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uestro objetivo al escribir este libro es producir un texto para un curso introductorio anual de química orgánica, destinado a guiar a los estudiantes en sus estudios y no simplemente a proveerles una recopilaci6n de conocimientos de química orgánica. Hemos tratado de pensar siempre en el estudiante y creemos haber tenido Cxito. La respuesta favorable de los usuarios, tanto profesores como estudiantes, ha sido gratificante. Esta edición tiene una organizaci6n global, que incluye tablas de preparación, las cuales contienen las reacciones utilizadas en'la preparaci6n de las diversas clases de compuestos; secciones cortas sobre el uso en sinfesis de cada clase de compuestos; y tablas con resúmenes de reacciones, incorporadas a las secciones de síntesis. Los resúmenes de capítuloenfatizan los puntos importantes tratados. Estas tablas y secciones se incluyen para conveniencia de los estudiantes. TambiCn, se hace Cnfasis en los desplazamientosde electrones en los mecanismos yun uso más extenso de las fómulas tridimensionales. El texto está organizadoen tres partes: conceptos de estructuray enlace; reacciones orgánicas y mecanismos; y t6picos de interés masxespecializado.

Material introductorio. L o s capítulos 1 y 2 son principalmente revisiones de estructura atómica y molecular, junto con electronegatividad, enlace de hidr6gen0, reacciones ácido-base y orbitales moleculares; presentados en la mayoría de los casos en forma gráfica. Como introducci6n al concepto de grupos funcionales, se incluyen los enlaces en algunos compuestos simples de oxigeno y nitrógeno. TambiCn se da aquí una breve introducción a la teoría de resonancia con algunos ejemplos. En el capítulo 3, se encuentra la introducción a lp isomería estructural y a la nomenclatura. Además de describir la nomenclatura de los alcanos, pqesentamos bre-

,

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vemente la nomenclatura de algunas otras clases de compuestos que se encuentran en la primera parte del libro. El capítulo 4, estereoquímica, contiene discusiones sobre estructura: isomeria geométrica, conformación y quiralidad. Las proyecciones de Fischer se encuentran en esta parte para mayor conveniencia de los instructores que las imparten al comienzo del curso. También se incluye aquí el tema de resolución, en parte para demostrar la importante diferencia entre enantiómeros y diastereómeros, y en parte como una extensión de las reacciones ácido base. Reacciones orgánicas. Los mecanismos se introducen en el capítulo 5 con las reacciones de sustitución y eliminación de los halogenuros dealquilo. Tenemos varias razones para hacer esto. Primero, la reacción SN2 típica es una reacción concertada 'con un estado de transición Único y es, por lo tanto, ideal para introducir diagramas con estado de transición y cinética de reacciones. Segundo, el mecanismo SN1sigue en forma lógica al SN2,permitiéndonos introducir impedimentoestérico y carbocationes al comienzo del curso. Finalmente, las reacciones iónicas nos permiten aplicar los principios estereoquímicos vistos en el capítulo 4. Dado que el mecanismo E l es más importante en la química de los alcoholes que en lade los halogenuros de alquilo, la discusión principal de la reacción E l aparece en el capítulo 7. El tema de la resolución de problemas de síntesis está en el capítulo 6 sobre halogenación porradicales libres y compuestos orgnnometálicos, ya que a esta altura los estudianteshabrán aprendido suficiente química como para presentar el análisis retrosintético. El capítulo 7 presenta primero toda a l química de los alcoholes, seguida de la de éteres y epóxidos. Los ésteres inorgánicos y fenoles son tratados con más detalle en el capitulo sobre benceno y bencenos sustituidos. La espectroscopía infrarroja y de RMN que se presenta en el capítulo 8 , rompe el esquema de organización de reacciones orgánicas y se discute: más adelante en este prefacio. En el capítulo 9 (alquenosy alquinos), se explica eltema de hidroboracióndebido al inter& creciente en esta área. Aunque la reacción de Diels Alder se presenta en el capítulo 9, el tema general de reaccionespericíclicas está en el capítulo 17. El capítulo 10 (benceno y bencenos sustituidos) incluye las sales de arildiazonio y los fenoles. La química de los compuestos carbonílicos está enlos capítulos 11-14. Elcapítulo 15 contiene las aminas y una pequeña discusión sobre catálisis de transferencia de fase. Tópicos de interés especializado. Los capítulos 16-21 cubren los comppestos policíclicos y heterocíclicos; reacciones pericíclicas; carbohidratos; proteínas; lípidos; y espectroscopías UV y color, y espectrometria de masas. Excepto por modificaciones menores y actualización, estos capítulos incluyen la síntesis sencilla de un alcaloide y el tratamiento de las reacciones pericíclicas usando la aproximación delorbital molecular frontera. Otros temas de interés especial como carbenos, polímeros y el metabolismo del etanol, se encuentran dentro de los capítulos a los que lógicamente corresponden, por la química que se está discutiendo. Donde es posible, estos temas se tratan ensecciones separadas de modo que se puedan abordar como mejor lo crea el instructor.

Nuestra filosofía básica respecto de la presentación de nomenclatura, espectroscopia, síntesis, material bio-orgánico y problemas, es como sigue:

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Nomenclatura. De acuerdo con las tendencias actuales en nomenclatura, enfatizamos los nombres IUPAC;sin embargo, tambiknincluimos algunos nombres triviales (como acetona y cloruro de r-butilo)que forman parte del vocabulario de todo químico orgánico. Nuestra presentación comienza con un breve resumen de la nomenclatura sistemática en el capítulo 3. L o s nombres presentados son aquellos que el estudiante encontrará nuevamente en los capítulos que siguen. En capítulos posteriores, se discute con mas detalle la nomenclatura de cada clase de compuestos. Se incluye también un aphdice, para aquellosque deseen materialadicional o una fuente de referencia rápida. Espectroscopia. La espectroscopía se discute tan pronto como lo consideramos factible (en el capítulo 8). A esta altura, el estudiantetiene conocimientos sobre estructura, algunos grupos funcionales y algunas reacciones. Sin embargo, aquellos que lo deseen pueden tratar el capítulo de espectroscopía inmediatamente después del capítulo 4, tan pronto como los estudiantes estén familiarizados con las estructuras orgánicas. Hemos incluido la espectroscopía infrarroja y de resonancia magnética nuclear en elcapítulo 8, debido a su importancia enla determinación deestructuras. Se presenta una base suficiente de los principios de la espectroscopía infrarroja y de RMN, de modo que los estudiantes puedan apreciar la relación entre espectros y estructuras, pero con énfasis sobre estas últimas. Luego delcapítulo 8 y donde corresponde, hemos incluido secciones sobre las características infrarrojas y de RMN de las clases de compuestos que se discuten. AI final de muchos de estos capítulos, se incluyen problemas de determinación de estructuras utilizando espectros de infrarrojo y de RMN. Dentro del capítulo 8, se encuentra el uso de espectros de infrarrojo con escala principal en cm- ', ya que éste es el tipo de espectro que los estudiantes encontrarán máscomúnmente en ellaboratorio; y el agregadode una pequeña sección sobre espectroscopía de RMN del carbono 13. Los espectros de ultravioleta y de masas se tratan en el capítulo 2 l . Estos temas están diseñados para ser discutidos independientemente; por lo tanto, cualquiera de ellos o ambos, pueden presentarse junto con los espectros de infrarrojo y de RMN si el instructor lo desea. Síntesis. Hemos colocado lasdiscusionesformales de síntesis en sycciones separaúas, al finalde los capítulos adecuados, de modo que puedan o no ser enfatizadas al presentar el tema. El propósito de estas secciones es proveer una revisión adicional delmaterialtratadopreviamente y dar a los estudiantes unaoportunidadpara que apliquen sus conocimientos. Material bio-orgánico. Muchos estudiantes de un curso introductorio de química orgánica pertenecen al campo de labiología o la medicina. Por esta razón hemos incluido numerosas seccionesy problemas de naturaleza biológica. Hemos seleccionado material adecuado a la química que se discute y que requiere la aplicación de lógica orgánica. Nuestraintención es mostrarlarelación entre la química orgánica y las ciencias biológicas. Problemas. Estamos convencidos de que laresolución de problemas es una parte importante del aprendizaje de la química orgánica; y hemos incluido en el texto más de 1150 problemas sin resolver. Dentro de cada capítulo se incluye cierto número

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de problemas resueltos, para ilustrar los métodos de resoluci6n de problemas y para proveer información adicional. A menudo, inmediatamentedespués de estos problemas modelo, hay problemas de estudio con respuestas al final del libro. Algunos de estos problemas de estudio relacionan material previo con el tema que se discute, mientras que otros ponen a pruebael conocimientodel material nuevo por parte de los estudiantes. L o s problemas al final de cada capítulo son de dos tipos: problemas de entrenamiento y problemasde profundidad. Aunque su orden de presentacibn tiende a seguir la organizaci6n del capítulo, e s t h ordenados según sudificultad. Los últimos problemas de cada capítulo deben desafiar aun a los mejores estudiantes. Como se mencionó, hemos presentado los problemas de modode incluir mayornúmerode problemas intermedios y que presenten mayor desafío, en general de tipo sintético, aunque no exclusivamente.

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Agradecimientos Apreciamos las sugerencias y correcciones enviadas por los usuarios, especialmente Lee Clapp (UniversidadBrown), Frank Guziec(UniversidadEstatal de Nuevo Mexico), Edward Hoganson (Colegio Estatal de Edinboro), David Todd (Instituto Politknico de,Worcester), Roy Upham (Colegio San Anselmo) y muchos otros, que no mencionamos por ser tantos. Agradecemos a nuestros colegas que han revisado el manuscrito de esta edicidn y han contribuidocon muchas sugerenciasexcelentes: RobertR. Beishline (Universidad Estatal de Weber); Robert Damrauer (Univ. de Colorado, Denver); Slayton A. Evans Jr. (Univ. de Carolina del Norte, Chapel Hill); A. Denise George (Univ. Wesleyan de Nebraska); John Jacobus (Univ. de Tulane); Allen Schoffstall (Univ. de Colorado, Colorado Springs); Malcolm P. Stevens (Univ. de Hartford); y Leroy G. Wade Jr. (Univ. Estatal de Colorado, Fort Collins). Sobre todo, estamos en deuda con Ronald Kluger (Univ. de Toronto) por su ayuda, sugerencias y revisionesdel manuscrito I completo. Tambikn agradecemosa Sadtler ResearchLaboratories Inc., por proveer los dos espectros reales utilizados en el capítulo 8 y a nuestra mecan6grafaLaurie Palmer por su trabajo rhpido y cuidadoso. El personal de Willard Grant Press nos ha prestado un excepcional apoyo. Las notas y comentarios de 10s representantes de ventas,han sido de gran valor para formular nuestros planes. Agradecemosespecialmentea nuestro entusiasta editorBruce Thrasher y a David Chelton por su cuidadoso trabajo de producci6n, coordinacih de arte y diseño, copiado y por las muchas sugerencias de mejoras. Ralph J. Fessenden Joan S. Fessenden UniversiW de Montana Missoula,Montana

Contenido CAPITULO 1

Átomos Revisi6n y moléculas:

3

Estructura electrbicade los átomos 4 Radio atómico 7 Electronegatividad 8 Introducción al enlace químico 10 1.5. Fórmulas químicas en quínica orgánica 1.6. Distancias de enlace y ángulos de enlace Energíadedisociación de enlace 19 1.7. 22 1.8. Enlaces covalentes polares 25 1.9. Atracciones entre moldculas l .10. Ácidos y bases 29 Resumen 36 Problemas de estudio 38 1.1. 1.2. 1.3. 1.4.

14 19

Los orbitales y su papel en el enlace covalente 2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5. 2.6. 2.7. 2.8. 2.9.

45

Propiedades de las ondas 46 Enlace en la molécula de hidrógeno 48 Algunas caractensticas generales de :os orbitales de enlace y anti-enlace 51 Orbitales híbridos del carbono 51 Grupos funcionales 63 Orbitales híbridos del nitrógeno y el oxígeno 65 Dobles enlaces conjugados 69 Benceno 71 Resonancia 72 Resumen 78 Problemas de estudio 80

CAPíTULO 3

Isomería estructural, nomenclatura 3. I . 3.2. 3.3. 3.4. 3.5.

y alcanss

lsómel-osestmctrurales 87 C6mo se desarrolló la nomenclatura orgánica Revisión de la nomenclatura orgánica 91 Alcanos 103 Fuentes naturales hidrocarburos de 107 Resumen 1 11 Problemas de estudio 111

90

86

Contenido

¡x

CAPíTULO 4

Estereoquímica 4.1. 4.2. 4.3. 4.4. 4.5. 4.6. 4.7. 4.8. 4.9. 4.10.

116

Isomeríageométricaen los alquenos 116 Isomeríageométricaencompuestos cíclicos 123 Conformaciones de compuestosdecadena abierta 125 Conformacionesdeloscompuestos cíclicos 129 Los confórmeros del ciclohexano 132 Quiralidad 138 Rotación del planodela luz polarizada 144 Configuración relativa y absoluta 147 Mas de un átomo de carbono quiral 151 Resolución de unamezclaracémica156 Resumen 158 Problemas de estudio 159

CAPíTULO 5 I

Halogenuros de alquilo: reacciones de sustitución y eliminación 5.1. 5.2. 5.3. 5.4. 5.5. 5.6. 5.7. 5.8. 5.9. 5.10. 5.11

168

El enlaceen los compuestosorgánicoshalogenados169 Propiedades físicas de los alcanoshalogenados170 Nomenclatura y clasificación de los halogenuros de alquilo 171 Visión previa de las reacciones de sustitución y eliminación172 La reacción S,2 176 La reacción S , 1 184 Reaccionesde sustitución dehalogenuros alílicos y bencílicos 193 El 198 La reacción La reacción E2 199 Factoresquegobiernan las reaccionesde sustitución y eliminación209 Síntesis de otros compuestos a partir dehalogenurosde alquilo 212 Resumen 2 14 Problemas de estudio 215

CAPíTULO 6

Reaccionesderadicaleslibres;compuestosorganometálicos 6.1. 6.2. 6.3. 6.4. 6.5.

Unareacción típica de radicales librea; cloración delmetano224( Reactividades relativas de los halógenos 227 Estereoquímicadelahalogenaciónpor radicales libres 229 Sustracción dehidrógeno:pasodeterminantede la velocidad230 Halogenaciones selectivas por radicales libres 234

223

Contenido

X

6.6. Otras reacciones de radicaleg libres 238 6.7. Iniciadores e inhibidores de radicales libres 243 6.8. , Compuestos organometálicos 244 6.9. Halogenuros organomagnésicos: reactivos de Grignard 245 6.10. Otros organomethlicos 250 6.1 l . Reacción de organometálicos con hidrógenos ácidos 6.12. Problemas de síntesis 253 Resumen 257 Problemas de estudio 258

25 1

CAPíTULO 7

Alcoholes, éteres

y compuestos relacionados

263

Enlaces en alcoholes y éteres263 Propiedades físicas de alcoholes y éteres264 Nomenclaturade alcoholes y éteres 266 Preparación de alcoholes 270 Reactividad de los alcoholes 274 Reacciones de sustitución de los alcoholes 275 Otros reactivos usados para convertir los alcoholes en halogenuros de alquilo 278 Reacciones de eliminación de los alcoholes 281 7.8. Los alcoholes como ácidos 286 7.9. 286 7.10. Alcóxidos y fenóxidos 7.11. Reacciones de esterificación 289 7.12.' Esteres inorgtínicos de alcoholes 289 7.13. Oxidación de los alcoholes 294 300 7.14. Preparación de éteres 7.15. Reacciones de sustitucióndeloséteres 301 303 7.16. Reaccionesdesustitución de los epóxidos 307 7.17. Tioles y sulfuros 7.18. Uso de alcoholes y tteres ensíntesis309 Resumen 3 12 Problemas de estudio 3 13 7.1. 7 ..2. 7.3. 7.4. 7.5. 7.6. 7.7.

CAPíTULO 8

Espectroscopía I: infrarrojo y resonanciamagnéticanuclear 8. l . 8.2. 8.3. 8.4. 8.5.

Radiación electromagnética 320 Características de un espectro 323 Absorción de la radiación infrarroja 323 El espectro de infrarrojo 324 Interpretación de los espectros de infrarrojo 326

320

Contenido

8.6. 8.7. 8.8. 8.9. 8.10. 8.11. 8.12. 8.13.

Espectroscopía de resonanciamagnéticanuclear 336 Clases decamposmagnkticosmolecularesinducidos 340 Recuento de protones 345 Acpplamiento spin-spin 348 Patrones acoplamiento de 350 Diagramas de acoplamieno spin-spin 360 Espectroscopía del RMN del carbono-13 363 Uso de los espectros de IR y RMN para la identificaci6n de estructuras orghicas 367 Resumen 371 Problemas de estudio 372

CAPíTULO 9

383

Alquenos y alquinos 9.1. 9.2. 9.3. 9.4. 9.5. 9.6. 9.7. 9.8. 9.9. 9.10. 9.11. 9.12. 9.13. 9.14. 9.15. 9.16. 9.17. 9.18.

El enlace enalquenos y alquinos;acidez de losalquinos 384 Nomenclatura de alquenos y alquinos 385 Propiedades físicas dealquenos y alquinos 387 Espectros de alquenos y alquinos 388 Fkparaci6n de alquenos y alquinos 394 FYesentaci6npreliminardelasreaccionesdeadici6n 397 Adici6ndehalogenurosdehidr6geno a alquenos y alquinos 398 Adici6ndeH,SO, y H,O a alquenos y alquinos 402 Hidrataci6n con acetato mercúrico 404 Adici6nde borano a losalquenos 406 Adici6n de hal6genos a losalquenos y alquinos 409 Adici6ndecarbenos a losalquenos 414 Hidrogenaci6n catalítica 417 Oxidaci6n de alquenos 422 Adici6n 1,2-y adici6n 1,4-a dienosconjugados 428 La reacci6n de Diels-Alder 431 Polímeros 435 Uso de losalquenos y alquinos en síntesis 442 Resumen 446 Problemas de estudio 448

CAPíTULO 1 O

Aromaticidad, benceno

y bencenos sustituidos 458

10.l . Nomenclatura de los bencenos sustituidos 459 hidrocarburos aromAticos 10.2. Propiedades físicas de los 10.3. Espectros de los bencenos sustituidos 462 10.4. Estabilidad del anillo bencénico 466

461

xi

xi¡

Contenido

10.5. 10.6. 10.7. 10.8. 10.9. 10.10. 1O . 1l . 1O. 12. 10.13. 10.14. 10.15. 10.16.

El enlace en el benceno 468 iQué es un compuesto aromGtico? 470 Requisitos para la aromaticidad 470 Sustitución electrofílica aromática 473 La primera sustitución 474 La segunda sustitución 482 La tercera sustitución 489 Alquil-bencenos 490 Fenoles 491 Sales de bencen-diazonio 495 Halobencenos y sustitución nucleofílica aromática499 Uso de compuestosbencénicosen síntesis 502 S05 Resumen Problemas de estudio 507

CAPíTULO 11

Aldehídos y cetonas 1 l. l . 11.2. 11.3. 11.4. 1 l .5. 11.6. 1 1.7. 11.8. 11.9. 1í .lo. 11.1 l . 11.12. 1 l. 13. 11.14. 11.15. 11.16. 1l . I 7. 11.18. 11.19. 11.20.

517

Nomenclatura de aldehídos y cetonas517 Preparaciondealdehídos y cetonas 5 19 El grupo carbonilo 52 1 Propiedades físicas dealdehídos y cetonas522 523 Propiedades espectroscópicas de aldehídos y cetonas Adiciónde reactivos al grupo carbonilo 527 Rcacción con agua 529 Reacción con alcoholes 530 Reacción con ácido cianhídrico S33 Reacciónconamoníaco y aminas536 539 Reacción con hidrazina y compuestos relacionados La reacción de Wittig 540 Keaccióncon reactivos deGrignard542 Reducción Q aldehídos y cetonas544 Oxidación de aldehídos y cetonas549 Reactividadde los hidrógenos alfa 550 Tautomerismo 55 1 Halogenación alfa 555 Adición 1,4 a compuestos carbonílicos (Y, j3-insaturados558 Uso de aldehídos y cetonasen síntesis 561 Resumen 564 Problemas de estudio 566

CAPíTULO 12

Ácidos carboxílicos

577

Contenido

xiii

12.1.Nomenclatua de los ácidos carboxílicos 578 12.2. Propiedadesfísicasde los ácidoscarboxílicos580 12.3. Propiedadesespectroscópicasdelosácidoscarboxílicos581 12.4. Preparación de ácidos carboxílicos 583 12.5. Acidez de los ácidos carboxílicos 586 12.6. Sales de ácidos carboxílicos 588 12.7. Cómo afectalaestructuraalafuerzadelácido 589 12.8. Fuerzaácidadeácidosbenzoicossustituidos 593 12.9. Esterificación de los ácidos carboxílicos 596 12.10. Reduccióndelosacidoscarboxílicos598 12.1l . Acidoscarboxílicospolifuncionales599 12.12. Uso de los ácidoscarboxílicosensíntesis603 Resumen 604 Problemas de estudio 605

CAPiTULO 13

arboxílicos 613 ácidos los

Derivados de 13.1. Reactividaddelosderivadosdeácidoscarboxílicos 614 13.2. Propiedadesespectroscópicasdelosderivados de ácidos carboxílicos 616 13.3. Halogenuros de ácido 621 13.4. Anhídridos de ácidos carboxílicos 630 13.5. Ésteres de ácidos carboxílicos 633 13.6. Lactonas 643 13.7. Poliésteres 645 13.8. Tidsteres 646 13.9. Amidas 647 13.1O. Poliamidas 650 13.1l. Compuestosrelacionadosconlasamidas 65 1 13.12. Nitrilos 655 13.13. USOde los derivados de los ácidoscarboxílicos en síntesis Resumen 662 Problemas de estudio 663

657

CAPITULO 14

Enolatos y carbaniones: piezas de construcción para la síntesis orgánica 14.í. 14.2. 14.3. 14.4.

Acidez de los hidrógenos alfa 672 Alquilación del éster malónico 675 Alquilación del éster acetoacético 678 Síntesis empleando reacciones de alquilación

679

671

xiv

Contenido

14.5. 14.6. 14.7. 14.8. 14.9. 14.10.

Alquilación y acilaci6n de enaminas 682 Condensaciones aldólicas 686 Reacciones relacionadas con la condensaciones aldólicas 691 Reacción de Cannizzaro 693 Condensaciones de &teres 693 Adición nucleofílica a compuestos carbonílicos a , P-insaturados Resumen 704 Problemas de estudio 706

700

CAPíTULO 15

714

Las aminas 15.1. 15.2. 15.3. 15,4. 15.5. 15.6. 15.7. 15.8. 15.9. 15.10. 15.11.

Clasificación y nomenclatura de las aminas 715 El enlace en las aminas717 Propiedades físicas de las aminas 719 Propiedades espectrosc6picas de las aminas 720 Preparación de las aminas 722 Basicidad de las aminas 730 Sales de las aminas 733 Reacciones de sustitución con lasaminas 736 Reacciones de las aminas con &ido nitroso 736 Eliminación de Hofmann 737 Uso de lasaminas en síntesis 740 Resumen 742 Problemas de estudio 743

CAPíTULO 16

Compuestos aromiiticos policíclicos 16. l . 16.2. 16.3. 16.4. 16.5. 16.6. 16.7. 16.8. 16.9. 16.10. 16.11.

y heterocíclicos 750

Nomenclatura de los compuestos aromáticospoliciclicos 75 1 I$ :dace cn los compuestos aromfiticospolicíclicos 752 Oxidación de los compuestos aromfiticos policíclicos 754 Reducción de los compuestos aromáticos policíclicos 755 Reacciones de sustitución electrofílica en el naftaleno 756 Nomenclatura de los compuestos aromáticosheterocíclicos 760 Piridina, un heterociclo arom6tíco de seis miembros 761 Quinolina e isoquinolna 765 Pirrol, un heterociclo aromático de cinco miembros 766 Alcaloides 771 Acidos nucleicos 774 Resumen 178 Probledps de estudio 784

Contenido

xv

CAPíTULO 17

789

Reacciones 17.1. 17.2. 17.3. 17.4. 17.5.

Orbitales moleculares de polienos conjugados 790 Reacciones de cicloadición 793 Reacciones electrocíclicas 797 Trasposiciones sigmatr6picas 803 Reaccionespericíclicas que conducen a la vitaminaD Resumen 809 Problemasde estudio 8 10

806

CAPíTULO 18

Carbohidratos 18.1. 18.2. 18.3. 18.4. 18.5. 18.6. 18.7. 18.8. 18.9. 18.10. 18.11.

Algunosmonosacáridos comunes 816 clasificación de los monosacátidos 816 Configuraciones de los monosacátidos 817 Ciclación de los monosacáridos 822 Glicósidos 828 Oxidación de los monosacáridos 829 Reducción de los monosacáridos 832 Reacciones de los grupos oxhidrilo 833 Determinación de la estructura de la glucosa Disacáridos 843 Polisacáridos 847 Resumen 85 1 Problemas de estudio 854

814

835

CAPíTULO 19

Aminohcidos y proteihas 19.1. 19 2. 19.3. 19.4. 19.5. 19.6. 19.7. 19.8. 19.9. 19.10. 19.1 l . 19.12. 19.13. 19.14.

Las estructuras de los aminoácidos 858 Aminohcidos como iones dipolares 863 Anfoterismo de los aminohcidos 864 Síntesis de los aminoácidos 867 Péptidos 869 El enlace de los péptidos 870 Determinación de la estructura deunpéptido Síntesis de los péptidos 872 Bioslntesis de los Nptidos 876 Algunos péptidos interesantes 878 Clasificación de las proteínas 879 Estructuras superiores de las proteínas 880 Desnaturalización de las proteínas 884 Enzimas 885 Resumen 889 Problemas de estudio 890

858 1

871

xvi

Contenido

CAPITULO 20

Lípidos y compuestos naturales relacionados 20. l . 20.2. 20.3. 20.4. 20.5. 20.6. 20.7.

895

Grasas y aceites 896 Jabones y detergentes 899 Fosfolípidos 901 Prostaglandinas 903 Terpenos 905 Feromonas 912 Esteroides 139 Resumen 9 18 Problemas de estudio 919

CAPITULO 21

Espectroscopía 11: Espectros de ultravioleta, color y visión; espectros

de

s

21.1. 21.2. 21.3. 21.4. 21.5. 21.6. 21.7. 21.8. 21.9. 21.10. 21.11.

924

Espectrosde ultravioleta y visible 924 Expresiones usadasen espectroscopía de ultrabioleta 926 Tipos de transiciones electrónicas 927 Color y visión 931 Compuestos coloreados y colorantes 935 Indicadores ácido-base 938 Fluorescencia y quimioluminiscencia 94 1 Espectromem’a de masas 942 El espectrómetro de masas 944 Los isótopos en los espectros de masas 945 Laionización y fragmentación en los espectrosdemasas947 1 Resumen 95 Problemas de estudio 952

APÉNDICE

Nomenclatura de

a

Respuestas Índice temático

los compuestos orgánicos

959

980 1032

CAPíTULO 1

Átomos y moléculas: Revisión

H

acia 1850 se definía la química orgfiica como la química de los compuestos que proceden de los seres vivos: de aquí el término orgbnica. Tal definici6n ya estaba superada hacia 1900. Por aquella época, los químicos sintetizaban nuevos compuestos orgánicos en el laboratorio, la mayoria de los cuales no tenían relacidn o vínculo con ningún ser viviente. En la actualidad, se define la química orgánica como la química de los compuestos del carbono. Esta definición tampoco es enteramente correcta, pues a algunos compuestos carbonados, tales como el bibxido de carbono, el carbonato de sodio o el cianuro de potasio, se les considera inorg6nicos. No obstante, y dado que todos los compuestos orgánicos contienen carbono, aceptaremos la anterior definici6n. El carbono no es sino un elemento más en la tabla peri6dica. ¿Qué tiene de especial, para que sus compuestos deban ser clasificados en un grupo aparte dentro del estudio de la química? La razón reside en el hecho de que los fitomos de ciubono pueden unirse covalentemente con otros átomos, de lamisma o distinta naturaleza, en una gran variedad de maneras, que conducen a la existencia de una ilimitada variedad de compuestos. La complejidad de éstos se extiende en rango desde la sencilla molécula del metano (CH,), componente principal del gas natural y del gas de los pantanos, hasta las grandes moléculas de los ficidos nucleicos, portadores del c6digo genético en los seres vivientes. El conocimiento de la química orgánica es indispensablepara muchos científicos. Por ejemplo, dado que los seres vivos están compuestos fundamentalmente por agua y compuestos orgánicos, casi cualquier área de estudio que se refiera a plantas, animales o microorganismos se basa en los principios de la química orgánica. Estas áreas de estcdio incluyen la medicina y disciplinas relacionadas, bioquímica, microbiología,

4

Capítulo I

Átomos y mol6colas: Revisi6n

agricultura y otras muchas. Sin embargo, no sonCstos los únicos campos que dependen de la química orghica: los plhticos y fibras sint6ticas son tambiCn compuestos orghnicos; el petr6leo y el gas natural consisten principalmenteen compuestos de carbono e hidr6geno formados por descomposici6n de las plantas; la hulla es una mezcla de carbono elemental y otros compuestos hidrocarbonados. LD6nde hemos de comenzar? La piedra angular de la química orghica es el enlacc covalente. Antes de discutir en detalle la estructura, nomenclatura y reacciones de los compuestos orghicos, revisaremos primero algunos aspectos de la estructura at6mica y el enlace (Capítulo 1) y, a continuaci6n, los orbitales moleculares (Capítulo 2), dado que estos temas son aplicables a los compuestos orghicos. SECClbN 1.l.

Estructura electr6nica de los gitomos Para el químico orghico los elementos mAs importantes son el carbono, el hiddgeno, el oxígeno y el nitr6geno. Estos cuatro elementos se hallan situadosen los dos primeros periodosde la tabla peri6dica y sus electrones se encuentran enlas dos capas electr6nicas m& pr6xirnas al núcleo. En consecuencia, nuestra exposici6n sobre las estructuras electr6nicas de los Atomos se centrar6 preferentementeen los elementos cuyos electrones se encuentran en estas dos capas. Cada nivel electr6nico esta asociado con ciertacantidad de energía. Los electrones pr6ximos al ndcleo sonatraidoscon m& fuerza por los protones de Bste que los electrones situados a mayor distancia. Porlo tanto,mientras m h cerca del núcleo est6 un electr6n, menor es su energía. La capa electr6nica mtis cercana al núcleo es la de energfa m’nima; y un electr6n en esta capa se dice que esta en el primer nivel energdtico. Los electrones de la segunda capa e s t h en el segundo nivel energbtico, y son de mayor energía que los que e s t h en la primera capa. Los electrones de la tercera capa, en el tercer nivel energbtico, son de energía aún mayor.

A. Orbitales at6micos No es posible determinar con toda precisi6n la posicidn de un electr6n con respecto al núcleo del Atomo. En vez de esto, podemos describir la localizaci6n d s probable de dicho electr6n, bashdonos en la teoría cuhtica. Cada nivel electr6nicode un Atomo se subdivide en orbitales atbmicos, siendo un orbital at6mico la regi6n del espacio donde la probabilidad de encontrar un electr6n de un contenido de energía específico es muy elevada (90-95%). Otro tkrmino usado para describir la probabilidad de encontrar al electr6n en una ZOM determinada del espacio es densidad electr6nica. Densidad electr6nica alta implica mayor probabilidad, mientras que densidad electrónica baja implica probabilidad escasa. El primer nivel electr6nico contiene solamente el orbital esfCrico 1s. La probabilidad de encontrar un electr6n Is en esta esfera es mbima. El segundo nivel, algo m& alejado del núcleo que el primero contiene un orbital 2s y tres orbitales 2p. El orbital 2s es esfbrico, al igual que el Is. La Figura 1.1 muestra una representaci6n grAfica de la densidad electr6nica en los otbitales Is y 2s como funci6n de la distancia al núcleo. Como puede deducirse de la *ca, los orbitales 1s y 2s no poseen superficies nítidamente delimitadas, sino que la densidad electr6nica aumenta y disminuye en un rango de distancias desde el núcleo. Como resultado de ello, los orbitales 1s y 2s se superponen mutuamente.

Estructura elecu6nica de los Btomos

SeccMn 1. l.

5

Densidad electr6nica

I

-Dishcia

dtsde el nkleo”,

FIGURA 1.l. Relacibn grhfica entre l o s orbitales at6micos 1S y 2s.

orbital 1s

orbital 2s

FIGURA 1.2. Representaciones pict6ricas de los orbitales at6micos 1s y 2s.

La curvadensidad electr6nicadistancia para el orbital 2,revela dos h a s de alta densidad electr6nica separadaspor un punto cero. Este punto cero, llamado nodo, representa una regi6n del espacio donde la probabilidad de encontrar un electr6n (el 2s en este caso) es muypequeiia. Todos los orbitales exhiben nodos, con la 6nica excepci6n del 1s. La figura 1.2 muestra representaciones pict6ricas de los orbitales Is y 2s. El segundo nivel energbtico contiene ademais tres orbitales at6micos situados a una distancia del núcleo algo mayor que el orbital 2s y con un contenido de energía ligeramente superior a &e. La forma de los orbitales p recuerda unaspesas de gimnasia: cada orbital p tiene dos 16bulos separados por un nodo (un plano nodal en este caso) en el núcleo (vCase la Figura 1.3). Una esfera (un orbital S) es adireccional, es decir, ofrece iddntico aspecto al verla desde cualquier direcci6n. No es Cste el caso de un orbital p. que puede adoptar

2p.

FIGURA 1.3. Formas y orientaciones de los orbitales 2p.

Capitulo 1

6

Átomos y molCculas:Revisi6n

TABLA 1.l. Orbitales at6micos en los tres primeros niveles energ6tticos. Nivel energktico

Orbitales at6micos

1

1s

2 3

2s 2Pz2Px 2Py 3s 3p, 3p, 2p, y además cinco 3d

distintas orientaciones alrededor del núcleo. Los tres orbitales 2p se disponen entre si en Lfngulo recto, orientación que da lugar a la máxima distancia entre los electrones de los distintos orbitales p , y, por lo tanto, a la mínima repulsión electrostática. Los orbitales p mutuamente perpendiculares se designan como orbitales px, pj, y pz. Los subindices x, y y z indicanlos ejes cartesianos, quepuedentrazarse atravésde las representaciones gráficas de estos orbitales p , tal como se ve en la figura 1.3. Puesto que los tres orbitales 2p son equivalentes en forma y distancia al núcleo, poseenigualcontenido energético. Los orbitales que, como éstos, tienen la misma energía, se denominan degenerados. El tercer nivel electrónico contieneun orbital 3s, tres orbitales 3p y además cinco orbitales 3d. El número y clase de orbitales atómicos en cada uno de los tres primeros niveles e.nergéticos se resume en la tabla l. l . o

B. Llenado de l o s orbitales Los electrones poseen spin (del inglts “giro”), quepuedeadoptar el sentidodelas manecillas del reloj o bien el contrario. El spindeunapartículacargadadalugar a un pequeño campo magnético o momento magnético; y dos electrones que giran con valores opuestos de spin tienen momentos magnéticos opuestos. La repulsión entre las cargas negativas de dos electrones con spin opuestose ve disminuida por los momentos magntticos opuestos, permitiendo que tales electrones queden apareados enelseno de unorbital. Por esta razón, cualquier orbital puede alojar un m5utimo de doselectrones, pero éstos han de poseer spin opuesto. Teniendo en cuenta el número de orbitales en cadanivel energttico (unoen el primer nivel, cuatroen el segundo y nueveen el tercero), estos tres primeros niveles pueden alojar 2 , 8 y 18 electrones, respectivamente. El principio de aufbau (del alemán ‘construcción’) establece que,a medida que vamos desde el hidrógeno (número atómico 1) hacia atómos de número atómico cada vez mayor, se van llenando los orbitales con electrones,de modo que se Zlenenprimero los orbitales de menor energía. Un atómo de hidrógeno tiene SU Único electrón en un orbital 1s. El siguiente elemento,el helio (número atómico 2) sitúa su segundo electrón tambitn en el orbital Is, quedando ambos electrones apareados. A la descripción de la estructura electrónicade un elemento dado se le llama su configuracibn electrbnica. Así, por ejemplo, la configuración electrónica del atómo dehidrógeno es Is’, que significa la existencia de un electrón(superindice 1) en el orbital Is. Para el helio, la configuración electrónica es Is’, lo que implicados electrones (superindice 2) en el orbital Is. Por su parte, el litio (número atómico 3), posee dos electrones en el orbital 1s y un electrón en el orbital 2s; su configuración electrónica es, pues, 13 2s’.

Radio at6mico

Sección I .2.

7

TABLA 1.2. Configuraciones electr6nicas de los elementos de los periodos 1 y 2. Elemento Número

H He

at6mico Confguraci6n

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Li

Be B C N

O F Ne

electrdnica

1s’ 1s2 ls2 2s‘ ls22sz Is22s2 2p’ Is2 22 2p2 ls2 29 2p3 ~ s 2s2 z 2p4 ls2 22 2pJ ls22s22p6

Las configuraciones electrónicas de los elementos de los periodos primero y segundo se muestran en la tabla 1.2. En el carbono y elementos sucesivos, cada orbital 2p recibe un electrón antes de que cualquier orbital 2p reciba el segundo. Esto es un ejemplo de la reglade Hund “al llenar los orbitales atómicos, no se produce el apareamiento de dos electrones en orbitales degenerados, hasta que cada uno de éstos contenga ya un electrón”. En consecuencia, el carbono posee la configuraci6n electrónica Is2 2 2 2p:2p:.

SECCI~N1.2

Radio atómico El radio de un Atorno es la distancia desde el centro del núcleo hasta los electrones miis alejados. El radio atómico se determina midiendo la longitud del enlace(distancia entre los núcleos) unen compuesto covalente tal como C 1 4 1 o H-H, y dividiendo entre dos. Por ello, los radios atómicos se denominan a menudo radios covalentes y sus valores se dan normalmente en hgstroms (A),siendo 1A = cm. para H2:

a -

longitud de enlace = 0.74A

radio at6mico = 0.37A

Los radios at6micos vm’an según la fuerza atractiva entre-el núcleo y sus electrones; cuanto mayor es la atracción, menor es elradio atómico. ¿Qué factores influyen sobre esta atracción? Los m8s importantes son: el número de protones en el núcleo y el número de niveles electrónicos ocupados. Cuanto mayor seael número de protones en el núcleo, mayor ser6 la atracción que ejerza éste sobre sus electrones, incluidos

8

Capitulo I

Átomos y mol6culas: Revisi6n

los m& alejados. Considkrense, por ejemplo, los elementos de la segunda fila de la tabla peri6dica, desde el litio hasta el flúor. Un átomo decualquiera de estos elementos tiene sus electrones solamente en los dos primeros niveles electr6nicos. A medida que progresamos desde el litio hacia el flúor, se añade cada vez un protón al núcleo. En cada paso, el núcleo va aumentando su akacción por los electrones, con lo cual el radio at6mico disminuye (vkase la Figura 1.4): L i R e B C N O F

1

Li

Be

B

C

N

1.225

0.889

0.80

0.771

0.74

Si

P

Na / M g / Al 1.572

1.364

1.248

1

1.173 1.10

O

F

1 1

0.72

S

C1

1.04

0.994

0.74

Ir

1.334

FIGURA 1.4. Radios at6micos (en A) de algunos elementos, donde 1A = 1 O-8 cm.

Por otra parte, a medida que vamos de arriba hacia abajo, dentro de un grupo en la tabla peri&lica, el número de niveles electr6nicos aumenta y, por lo tanto,tambikn lo hace el radio at6mico.

n

radio a t h i c o creciente

H (1 nivel)

Li (2 niveles) N a (3 niveles) K (4 niveles)

En los compuestos org&nicos, los at6mos se enlazan unos a otros en estrecha proximidad mediante enlaces covalentes. El concepto de radio at6mico nos ser6 muy útil a la hora de estimar las atracciones y repulsiones entre los Atomos y al discutir la fuerza de los enlaces covalentes.

SECCION1.3. Electronegatividad La electronegatividad es una medida de la capacidad de un átomo para atraer sus electrones externos o de Valencia. Dado que son estos electrones los que se usan para

Electronegatividad

Secci6n I .3.

9

el enlace, la electronegatividad es de utilidad para predecir y explicar la reactividad química. Aligualque el radio atómico,laelectronegatividadseveinfluidaporel númerodeprotonesen el núcleo y el númerodeniveles electronicos ocupados.Un número elevado de protones implica una carga nuclear positiva elevada y, en consecuencia, mayor atracción por los electrones de enlace. A causa de ello, la electronegatividad aumenta al ir de izquierda a derecha, dentro de un período concreto, en la tabla periódica:

La atracción electrostática entre partículas con carga de signo opuesto aumenta al disminuir la distancia entre las mismas. Por lo tanto, la electronegatividad aumenta al avanzar de abajo hacia arriba dentro de un grupo dado de la tabla periódica, puesto que los electrones de enlace están cada vez más cerca del núcleo:

eledronegatividad creciente

Una importante escala numérica de electronegatividades es la debida a Pauling (Figura 1.5). Esta escala se ha derivado de cálculos de energia de enlace para distintos elementos unidos por enlaces covalentes. En la escala de Pauling, el flúor tiene un valor de electronegatividad de 4, siendo el elemento más electronegativo. El litio tiene un valor muy bajo de electronegatividad: l . A elementos con electronegatividad muy baja (tales comoel litio), se les llama a menudoelementos electropositivos.El carbono posee un valor intermedio de electronegatividad: 2.5.

H 2.1

Li

Be

B

C

N

O

F

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

Na

Mg

0.9

1.2

Al

Si

P

" P

C1

1.5

1.8

2.1

2.5

3.0

Br

FIGURA 1.5. Electronegatividades de algunos elementos (escala de Pauling).

Capitulo 1

10

Átomos y moléculas: Revisi6n

SECCIÓN1.4.

Introducción al enlace químico A causa de sus diferentes estructuras electrónicas, los átomos pueden enlazarse unos con otros para formar moléculas, de diversas maneras. En 1916. G.N. Lewis y W. Kossel propusieron las siguientes teorías:

1.

Un enlace iónico resulta de la transferencia de electrones de un átomo a otro.

2.

Un enlace covalente es el resultado de compartir un par de electrones entre dos átomos.

3.

Losátomostransfieren o comparten electrones con el objeto de alcanzar una configuración electrónica de gas noble. Tal configuración implica normalmente la presencia de 8 electrones en el nivel exterior y corresponde p la configuración electrónica del neón y el argón. Se denomina a esta teoría regla del octeto.

El enlace iónico se forma por transferencia de electrones:un átomo dona a otro átorno o átornos uno o más de sus electrones exteriores de enlace. El átomo que pierde los electrones se convierte enuniónpositivo o catión. El átomo que los gana se convierte en un ión negativo o anión. El enlace iónico resulta de la atracción electrostática entre iones de carga opuesta. Podemos ilustrar la transferencia electrónica representando los electrones de enlace mediante puntos:

Un enlace covalente es el resultado de compartir un par de electrones de enlace entre dos átomos. Los electrones compartidos resultan, a su vez, de la fusión de orbitales atómicos paradar orbitales compartidos, denominados orbitalesmoleculares, tema que discutiremos en el Capítulo 2. Por ahora usaremos puntos para representar electrones de enlace. En las fórmulas resultantes, llamadas fórmulas de Lewis, podemos contar fácilmente los electrones y comprobar que los átomosalcanzanuna configuración de tipo gasnoble:dos electrones (configuración tipo helio) para el hidrógeno y 8 electrones para la mayoría de los otros átomos:

.c.

H +4

H.

----.+

H : .. c:H

+---

cuatroenlacescovalentes

ti

Se denomina enlace simple a la unión resultantede compartir un par de electrones entre dos átomos. Dos átomos pueden compartir también dos o incluso tres pares de electrones; tales uniones múltiples se denominan enlaces dobles o triples, respectivamente.

lntroducci6n al enlace quimico

enlaces dobles

Secci6n 1.4.

11

enlaces triples //

:N::N:

\

H:C;:C:H

PROBLEMAS MODELOS Señale con un círculo los ocho electrones de enlace asociados con el fitomo de carbono en cada una de las siguientes estructuras:

Soluci6n:

Sobre las mismas estructuras del problema precedente, señale con un círculo los dos electrones asociados con cada átomo de hidrógeno y los ocho asociados con cada-fitomo de oxígeno o de nitrógeno.

¿Cuándo forman los átomos enlaces iónicos y cuándo covalentes? Los enlaces iónicosseformancuando ladiferencia deelectronegatividadentredosátomoses elevada(mayorque 1.7). Por ejemplo, un átomodesodio(electronegatividad 0.9) ejerce escasa atracción sobre su electrón de enlace, transfiriéndolo con gran facilidad a un átomo de cloro (electronegatividad 3.0). Por otra parte, la diferencia de electronegatividadentredosBtomosdecarbono es cero, entre un átomodecarbono y uno de hidrógeno, solamente 0.4; y entre uno de carbono y uno de cloro, 0.5. Al tener el carbonounaelectronegatividadde 2.5, intermediaentrelosvaloresmínimos y m& ximos, no forma casi nunca enlaces iónicos con otros elementos. En lugar de ello, el carbono formaenlaces covalentes con otros átomosde carbono y de otros elementos.

A. Valencia La Valencia de un átomoes el número dl: electronesque el átomo pierde, gana o comparte. En unamolCcula covalente,la Valenciadecadaátomo es el númerode enlaces covalentes que dicho átomo forma.El carbono tiene cuatro electrones de enlace y forma cuatro enlaces covalentes para alcanzar la configuración de octeto. Decimos, por lo tanto, que el carbono tiene Valencia4. La Tabla 1.3 muestra las valencias típicas de los elementos mBs usuales en los compuestos orgfinicos.

Capitulo 1

12

Átomos y mol4culas: Revisidn

.c.

+

Valencia 4

.\‘. + Valencia 4

4H.

H

--

-“t

Valencia 1

4 :<;I-

H:C:H H

. .:C] . .:. .

-~ +

:cI:C:c-: ......

:c1: ..

Valencia 1

TABLA 1.3. Valencias comunes de algunos elementos presentes corrientemente en compuestos orgdnicos. ~

Elemento

Valencia

H

1 4 2 3

C

O

N

c1

~~

1

I

1

Br

1

En estructuras simples, podemos deducir a menudo la f6rmula de Lewis de un compuesto de. composición conocida, solamente a partir de las reglas de Valencia.

PROBLEMAS MODELO Escriba las f6rmulas de Lewis para H,O y C,H,. Soluci6n: 1. Se determina el número de electrones de Valencia de cada itomo: H = 1; O = 6;

c =4.

2.

Se dibuja el esqueleto de lamolCcula según las reglas de Valencia: el hidr6geno puede formar un enlace covalente, el 6xigeno 2 y el carbono 4. H H H C O C HH H H

3.

Se distribuyen los electrones de Valenciade tal manera que cada hidr6geno posea dos electrones y cada itomo de otra clase, un octeto.

H:O:H

H H H:C:C:H H H

Escriba la f6rmula de Lewis para C,H, y dos f6rmulas de Lewis para C,H,O Soluci6n:

HH HH H H:E:F:C:H H H H

...... H:C:C:O:H H H

H

H

H:F:O:C:H .... H H

lntroduccidn al enlace químico

Secci6n 1.4.

13

PROBLEMADEESTUDIO 1.1.

Cadaunadelas Lewis. (a) C12C0

siguientesestructurascontieneun (c) C2H,Br

(b) C2C1,

enlace doble o triple. D6 las f6rmulas de (d) C,HF

B. Carga formal En algunas estructuras p a r m y no seguirse las reglas de Valencia.Un caso así se presenta cuando un átomo de la molkula proporciona los dos electrones de un enlace covalente:

Cuando un átomo proporciona los dos electrones necesarios para un enlace covalente, éste se denomina enlace covalente coordinado. En estos casos, algunos de los átomos de la estructura covalente llevan una carga positiva o negativa, denominada carga formal. En el enlace covalente coordinado, el átomo donador tiene una carga formal de + 1 y el átomo aceptor, una carga formal de - 1. Dado que ambas cargas opuestas se encuentran en el seno de la misma molécula, se cancelan entre sí y la molécula no posee en conjunto carga iónica neta. Si las cargas no se cancelan, la estructura representa un i6n con carga iónica neta: :O c

H ;6 .. :

tiene carga formal -I

+r+ tiene carga formal

I

La carga formal de un átomo puede calcularse mediante la siguiente ecuación: Carga formal = (número de e - de Valencia en el &tomo neutro) - !h (número de e- compartidos) - (número de e - de Valencia no compartidos).

Ejemplo: Usando esta fórmula, podemos calcular las cargas formales de los átomos de N y O en el HNO, (H nunca lleva carga formal en moléculas covalentes):

númerode e- deValenciadel N = 5 %(númerode e - compartidosen el N) = 4 númerode e - no compartidosenel N = O cargaformalpara el N = S - 4 - O = +1

Capitulo 1

14

Átomos y moléculas: Revisidn

Para cada átomo de O, se usa la misma técnica: carga forml: 6-2-4= O

*. fl-~ :0:

~~~j\$$~: ~

..

L .1

\ L

carga formal: -1 carga formal: 6-2-4= O

Algunos otros ejemplos de cálculo de cargas formales: parael S: paracadaO:

+2 -1

6-4-O=

6-1-6=

(Dado que las cargas formales no se cancelan, la f6rmula representa un ion: SO;?

!! ..

H:c':N::c~:

H

para el C: paraelN: paraelO:

4-4-0

= 0

5-3-2 6-2-4

= O

=

O

PROBLEMAS DE ESTUDIO 1.2.

Calculelascargasformalesde C y N enlassiguientesf6rmulas tstas representa una moltcula neutra o un i6n. (a)

1.3.

H H H : C..: N : H H

y determinesicadaunade

H H (b) H : < : N : H H H

Calculelacargaformaldecadaátomoenlassiguientesestructuras:

SECCI~NI .5.

Fórmulas químicas en química orgánica Las fórmulas de Lewis son útiles para captar la situación de los electrones de enlace, pero los químicos orgánicos raramente las usan. Consideremos a continuación los tipos de fórmulas químicas más comúnmente utilizados. Una fórmula empíricanos dice el tipo de átomos de una molkula y su relación numérica mutua. Por ejemplo, la molécula de etano contiene átomos de carbono e hidrógeno en relación 1 a 3; la fórmula empírica es CH,. Una fórmula molecular nos dice el número real de átomosen una molécula, no solamente su relación. La fórmula molecular del etano es C,H,. Una fórmula estructural muestra la estructura de una molécula, es decir, el modo de unión de sus átomos. Para poder explicar o predecir la reactividad química, necesitamos conocer la estructura de las moléculas, por lo que las fórmulas estructurales son las más útiles de entre todos los tipos de fórmulas:

1 .S.

Mrmulas quimicas en química orgánica Secci6n

H

H

I

CH3

C,H,

1

H-C-C-H

I

H

I

H

f6rmula estructural del etano

f6rmula molecular del etuno

f6rmula empírica del etano

15

A. F6rmulasestructurales Las fórmulas de Lewis son un tipo de fórmula estructural. Sin embargo, los químicos representan normalmente las uniones covalentes mediante guiones, uno por cada par de electrones compartidos, y casi nunca indican expresamente ios pares de electrones de valencianocompartidos. Estas f6rmulas se denominan fbrmulas de enlace-Valencia. En el texto las aludiremos como f6rmulas estructurales completas. H :H seconvierteen :¿?\:¿?I: ,. seconvierteen

..

H-H CI-CI

H

H

se convierte en

H:C:H ..

I

H-C-H

I H

H ..

H.

H

.H

:p::$1

H

H

H se convierte en

H

\ /

C=C

/ \

H

Aunque los pares de electrones no compartidos no se representan normalmente en las fórmulas de enlace-Valencia,los haremos constar expresamentecuando deseemos resaltar su papel en una reacción química. Todas representan la misma mol6cula:

.. ~

H:N:H H

O

H-N-H

O

I

par de e - no compartidos

H-N-H

I

H

H

PROBLEMA MODELO Dibuje las f15rmulasde enlace-Valencia correspondientes a cada una de las siguientes fórmulas de Lewis: H .. 5 H:?:o:c.:H .... .. H H

H

:c.'!!:c.'I!:!I.. :t I

.

li ti

ti

H:~::H

Capitulo I

16

B.


Fórmulasestructuralescondensadas

Las fórmulas estructurales completas se transforman frecuentemente en otras condensadas, más convenientes. En las fórmulas estructurales condensadas,los enlacesno siempre se muestran y los átomos del mismo tipo unidos a otro se dibujan agrupados conjuntamente. Laestructura completa dela molécula sigue siendo evidentesi se toman en cuenta las reglas de Valencia. H

I

CH,CH, es la f6rmula estructuralcondensadapara

H-C-C

I

H

/

I

"H

H

H

H

H

I I H-C-C-O-H

CH,CH,OH esla f6rmula estructuralcondensadapara

I

H

I

H

PROBLEMA MODELO Escriba (a) la f6rmula estructural completa (representando los enlaces mediante guiones) y (b) la fórmula estructural condensada, para cadauna de las siguientes f6rmulas de Lewis:

Soluci6n:

H

H

H

(a)

H

I

H-C-C

I

H

H

I

I

-CI

H

I I

H

(b) CH,CH2C'I

l

l

l

l

H-C-C-C-H

CI H

C'H,CHCICH,

Las fórmulas estructurales condensadas pueden serlo aún más si una moltcula tiene dos o más grupos idénticos de átomos. En estos casos se usan paréntesis para englobar grupos repetitivos de átomos. El subíndice que sigue al paréntesis indica el número de veces que se repite el grupo encuestión en aquella posición de la molCcula. CH 3 (CH,),CH'OH

I

es lo mismo que CH3-C-OH

I

H I

(CH,),CCI

es lo mismo que CH,-C-CI

I

CH 3 CH,(CHZ),CH, es lo mismo que CH3CH,CH2CH2C'H3

F6rmulas qufmicas en química org6nica

Secci6n 1.5.

17

Por razones de claridad, los enlaces dobles y triples usualmente se muestran en las f6rmulas estructurales condensadas: H CH3CH=CH2

\ /

H

C

es lo mismo que

H

/ \

/C=C

/

H

\

H H

H

C H , C ~ C H es lo mismo que H - C - C ~ C - H

I

cx

:/I D

O

II

CH,CCH,CH,

es lo mismo que

e

H "0.H

H

/H

H

I I I I I H-C-C-C-C-H I 1 1 H

6'

~

~

~~~~~~


Para cada una de las siguientes f6rmulas, escribaotra m8s condensada:

(a)

I

I

(b) CH,%CHCI

CH,CHC'H,CI

cH \, / /c=c

CH (d)

C H ,<

CI

CI

CH,

\

(c)

I

CH,CH,CH,CH2CHCH,CI

q.

(e) N r C " C H , " C - N

CH,

C. Compuestoscíclicos y fhrmulaspoligonales Un compuesto como el n-butano CH,CH2CH2CH,,se dice que tiene sus átomos de carbono unidos en cadena. Los átomos decarbono pueden unirse tanto en anillos como en cadenas; un compuesto que contenga uno o más anillos se denomina compuesto cíclico. Las estructuras cíclicas se representan usualmente mediante f6rmulas poligonales, que son otro tipo de fórmulas estructurales condensadas. Por ejemplo, un triángulo representa un anillo de tres miembros y un hexagono representa un ciclo de seis átomos:

En las fórmulas poligonales, cada vértice representa un átomo de carbono y sus correspondientes átomos de hidrógeno. Los lados del polígonorepresentan los enlaces que unen a los carbonos. Si algún átomo o grupo de átomos distinto qql hidrógeno,

18

Capitulo 1


esti unido a algún carbono del anillo, el número de hidrógenos en ese carbono queda disminuido proporcionalmente. Enlace C-C

C con dos H

\

o

Los ciclos puedencontenerátomosdistintosdelcarbono; estos átomos y los hidrógenos unidos a ellos deben ser indicados expresamente en la fórmula poligonal. También deben indicarse los enlaces dobles:

H2C"CH, / \

H 2c \

/c=o

o r e n l a c e desde doble

un carbono anillo del

C'H2


Dibuje f6rmulas estructuralescompletas para las siguientes estructuras, indicando cadaC, cada H y cada enlace:

1.6.

Dibuje fórmulas poligonales para las siguientes estructuras:

Longitudes de enlace y dngulos de enlace

Secci6n 1.6.

19

SECC16N 1.6.

Longitudes de enlace y ángulos de enlace Hemos discutido cómo los químicos representan los compuestos covalentes. Consideraremos ahora algunas de las propiedadesde los enlaces covalentes. Se llama longitud de enlace a la distancia que separa los núcleos de dos átomos covalentementeenlazados. Estas distancias pueden ser medidas experimentalmente y van desde 0.7481 hasta 2A. Si hay másde dos átomos en una molkcula,los enlaces forman un ángulo llamado hngulo de enlace. Los ángulos de enlace vm'an entre 60" y 180": +- longitudes de

longitud de enlace, 0.96h

N/ \SH

H~

H

dngulo de enlace, 104.5"

enlace, 1.008h

Cfngulos de enlace, 107.3'

La mayoría de las estructuras orgánicas contienen más de tres átomos y son tridimensionales, en vez de bidimensionales. LalMrmula estructural anterior para el amoníaco (NH,) ilustra una técnica para representar estructuras tridimensionales. Una línea continua ( - ) representa un enlace situado en el plano del papel. Una cuña sólida (-) indicaun enlace que se aleja del papel en dirección al observador; situándose el átomo al final de dicho enlace (H en este caso) frente al papel. Una cuña fragmentada representa un enlace que se proyecta haciaatrás del papel; quedando el H que se encuentra en la punta de la cuña, por detrás del papel. (,,1111111)

en el plano del papel y

H/

N

~,,,#r hacia atrCfs, alej6ndose del observador

pH

\

hacia adelante, aproxim6ndose al observador

SECCI~N 1.7.

Energía de disociación de enlace Cuando los átomos se unen para formar moléculas, se libera energía (generalmente en forma de luz o calor). Por ello, si una molécula hade disociarse en los átomos que la componen, es preciso suministrar energía. La disociaciónde un enlace puede ocurrir de dos modos. En la ruptura heterolítica (del griego hetero, "diferente"), se implica la retención de amboselectrones de enlace por parte de uno'delos átomos. El resultado es la formación de un par de iones: Ruptura heterolitica

H--H

Hi

+ H:.

Utilizamos una flechacurva ( 0 ) en estas ecuaciones, para mostrar la dirección en la que se mueve el par electrónico durante la ruptura del enlace. En la ruptura heterolítica del HC1 o del H,O), los electrones de enlace son transferidos C1 al o al O, más electronegativos.

20

Capitulo 1


El otro modo de ruptura de enlaces se conoce con el .nombre de ruptura homolítica (del griego homo, “mismo”). En este caso, cada uno de los átomos implicados en el enlace covalente retiene un electrón del par compartidooriginalmente. El resultado son átomos o grupos de átomos eléctricamente neutros: Ruptura homolitica:

qp

H-H

+

H.+ H .

Nótese que las flechas curvas en estas ecuaciones tienen sólo media cabeza. Tal tipo de flecha ( ?I ), llamada anzuelo, se usa para indicar el desplazamiento de un solo electrón, mientras que la flecha curva con la cabeza completa ( n ) indica la dirección del desplazamiento de un par de electrones. Otro simbolismo nuevo es el uso de un punto aislado, tal como en C1.. Este punto indica la presencia de un electrón solitario, no apareado y no compartido. Los demás electrones exteriores de un átomo son ignoradosen este simbolismo. El símbolo C1. realmente significa Un átomo tal como H. o un grupo de átomos tales como H,C-, que contienen un electrón no apareado, reciben la denominación de radicales libres. Los radicales libres son, por lo general, eléctricamenteneutros; en consecuencia, no hay atracciónelectrostática entre ellos, como la hay entre iones. Además, la mayoría de los radicales libres son de altaenergía y, por lo tanto, son inestables y muy reactivos. La ruptura homolítica es más útil que la heterolítica para determinar las energías de disociación de enlaces, ya que los cálculos no se complican por la atracción iónica entre los productos resultantes. A partir de mediciones sobre procesos de disociación de gases a elevadas temperaturas, se han calculado los cambiosdeentalpía AH (cambios en contenido calorífico o energético) para un gran número de disociaciones de enlaces. Así por ejemplo, AH para el proceso CH, CH,. + H. es de 104 kcal/ mol;o lo que es lo mismo, disoclar un átomo de hidrbgeno de una molécula de CH, requiere 104 kcal por mol de CH,. Este valor es la energía de disociación de enlace para el enlace H,C-H. L,a Tabla 1.4 muestra las energías de disociación para varios tipos de enlaces. Romper un enlace más estable requiere un suministro mayor de energía. Por ejemplo, la ruptura del HF en H. y F. (135 kcal/mol) es comparativamente difícil frente a la del enlace O”0 del peróxido de hidrógeno, HOOH (35 kcal/mol):

:a-.

-+

H.

+ F.

A se requiere mas energía

tl F

2 HO.

se requiere menos energía

H

u

HOO

12

1.7.

Energia disociaci6n de enlace de Seccidn

21

TABLA 1.4. Algunas energías de disociaci6n de enlace (en kcal/mol). ~~~

~

Enlaces Enlaces diversos

Enlaces C--x"

C-H

~~

H-H

104

N=N

226 37

F-F CI-CI Br-Br 1-1 H-F H"C1 H-Br H-I H0"-HO

CH3-H CH,CH,-H (CH,),CH-H (CH,),C-H CH, = CH-H

58 46 36 135

104

98 94.5

91 108

103 87

71 35

CH,--CI CH3CH2-CI (CH,),CH"CI (CH,),C"Cl CH, = C H 4 1

83.5 81.5 81 78.5

CH,-Br CH,CH,-Br (CH,),CH-Br (CH,),C-Br

70 68 68 67

CH,-CH3 CH,=CH, CH=CH

~~

88 163 230

84

"X se refiere a un hal6geno

Como se ve en la Tabla 1.4, los Btomos unidos por enlaces múltiples requieren para su disociación mucha más energía que los mismos htomos unidos por ligaduras simples (CH=CH, 230 kcal/mol contra88 kcal/mol delCH,-CH,). Nótese asimismo, que la estructura del resto de la molCcula puede tambiknafectar la energía de disociaciónI de un enlace. 'lr\

+ 104 kcal/mol

H,C-H

mis difícil

H,C.

+ H.

Las energías de disociación de enlace le permiten al químico calcular las estabilidades relativas de los compuestosy predecir,hasta cierto punto, el curso de muchas reacciones químicas. Por ejemplo, una reacción que discutiremos más adelante es la cloración del metano: CH4

+ CI,

CH,CI

+ HCI

¿Será esta reacción exotdrmica (libera energía) o endotbrmica (requiere energía)? Podemos descomponer el proceso en sus partes componentes y calcular, a partir delasenergíasindividualesde disociacih, si seliberar6 o se consumir6 energía. Cuanto mayor cantidad de energía se libere, tanto d s favorable sed la reXci6n. (En estasecuaciones, +AH significaenergíasuministrada al proceso y -AH, energía liberada por el proceso.) AH CI-CI H,C-H

H,C-

H.

-

+ S8 kcaljmol + 104kcal/mol

+ CI.

+ CI-

reaccidn neru : C1, CCHHI z C l

+

H,C"FI

H-CI

+ 58 kcal/mol + 104 kcal/mol

+ CIH , C * + H.

C1.

+ 83.5 kcal/mol

- 83.5 kcal/mol

+ 103 kcal/mol

+ H C I + 24.5 kcal/mol

-

neto AH

=

103 kcal/mol

-24.5 kcal/mol

22

Capitulo 1

Átornos y rno/écu/as:Revisi6n

Hemos deducido de nuestros cálculos que esta reacción debe ser exotérmica. Al realizarla en el laboratorio, se comprueba que efectivamente es exotérmica.

PROBLEMA DE ESTUDIO 1.7.

Usando las energíasdedisociaci6n reacciones libera más energía:

de enlace de la tabla 1.4, prediga cuál de las siguientes

SECC16N 1.8.

Enlaces covalentes polares Cuandoátomosdeigual o parecidaelectronegatividadformanenlaces covalentes, ejercen una atracción igual o muy semejante sobre los electrones de enlace. A tal tipo de unión covalente se le denomina enlace no polar. En las moléculas orgánicas, los enlaces carbono-carbono y carbono-hidrógeno son los tipos más comunes de enlaces no polares: Algunos compuestos COR enlaces covalentes relativamente no polares:

H H-H

NEN

I

H-C-H

I

H

H H H

H

H

H /c=C\ H

I 1 H-C-C-H I 1

H

\

/

En compuestos covalentes como H,O, HC1, CH,OH o H,C = O, un átomo posee unaelectronegatividadsustancialmentemayor a la delos otros. El átomomás electronegativo tiene una atracción más fuerte por los electrones delenlace, no tanto como para separarse en forma iónica pero sí suficiente para llevar hacia 61 gran parte de la densidad electrónica dedicho enlace. El resultado es un enlace covalente polar, o sea un enlace conunadistribucióndesigualde la densidad electrónica. El gradode polaridadde un enlace dependeenpartede la diferencia de electronegatividades de los dos átomos quelo constituyen, pero también deotros factores, tales comoel tamaño de los átomosen cuestión. Podemosimaginarlos enlaces químicos como una serie gueseextiendedesdeloscovalentescompletamentenopolareshastalos iónicos. H-H

CH,-b-CH,

H-O-H

'H--C?I'-;

Na' C I

La distribucióndelos electrones en una moléculapolar DUede simboliz,arse mediantecargas parciales:6 + (carga parcial positiva)y6 -(carga parcial negativa).Otrc método de representacih delasdiferentesdensidades electrhicas, utilizaflechas

Seccidn 1.8.

Enlaces covalentes polares

23

cruzadas (H) que , señalan desdeel extremo parcialmentepositivo de lamolécula hacia el parcialmente negativo.

PROBLEMA DE E S T U D I O 1.8.

Usandocargasparciales,indique la polaridadde los siguientescompuestos: O (a) CH,Br

I1

(b) CH,COH

A. Momentosdeenlace Cuando un enlace polar, tal como el enlace 0-H, se somete a un campo eléctrico, experimenta un cierto grado de “fuerza rotatoria”, que es simplemente el empuje del campo eléctrico sobre el dipolo, tendiendo a alinearlo con él. Un enlace más polar experimenta una fuerza de alineación mayor que otro menos polar. El momento de enlace, que es una medida de la polaridad del mismo, puede calcularse a partir del valor de la fuerza experimentada por dicho enlace. El momento de enlace se define como e X d, donde e es la carga (en unidades electrostáticas) y d la distancia entre las cargas(en A), y se expresaenunidades llamadas Debyes (D). L o s momentos de enlace vm’an desde 0.4Dpara el enlace no polar C-H hasta 3.5Dpara el altamente polar C=N (véase la Tabla 1.5). El momento de un enlace determinadose mantiene relativamente constante de un compuesto otro. a

TABLA 1.5. Algunos momentos de enlace seleccionados.

enlace, D

Enlace‘ Momento de

H-c H-N H-0 C-N C-0 C-F

Enlace‘ Momento

enlace, de

0.4 1.31 1.51

C-cl C-Br

1.46 1.38 1.19

0.22 O. 74

C=O C=N

2.3

c-I

D

3.5

1.41

‘En cada caso, el itorno mfls positivo esta a la izquierda.

~

P R O B L E M A S DE E S T U D I O 1.9.

~ C u de a los enlaces indibdos en cada pardecompuestos es m& polar? CH,-NH, o CH,-OH (c) CH,--CI O CH,-OH (a)

(b) CH,-OH

o

CH,O-H,

~~

Capitulo I

24

1 . 1 O.


Use una flecha cruzada para indicar la direccidn aproximada del momento de enlace (si lo hay) en los enlaces múltiples de los siguientes compuestos:

O (a)

I1

CH,C=N

(b) CH,CCH,

(c) CH-CH

(d)

00

B. Momentos dipolares El momento dipolar p es la suma vectorial de los momentos de enlace de unamolécula. Dado que la adición vectorial engloba no sólo las magnitudes sino también las direcciones de los momentos de enlace, el momento dipolar es una medida de la polaridad de la moltcula en conjunto. Los momentos dipolares de algunos compuestos orgánicos se enumeran en la Tabla 1.6. Nótese que el momento dipolar del CCl, es cero,a pesar deque cada enlace C - C I posee un momento de 1.46D. La razón de esta aparente anomalía es que la moltcula de CC1, es simétrica alrededor del carbono. Así, en la adición vectorial se cancelan los momentos deenlace y la resultante es cero. Otra molécula cuyos momentos de enlace se cancelan, dando unmomento dipolar nulo, es el bióxido de carbono (CO~,yaquetambitnsetratadeunamol~ulasimttrica.Porelcontrario,iosmomentos de enlace en la molkcula de agua (H,O) no se cancelan, y, como consecuencia, S t a molécula exhibe momento dipolar. De esta observaciónpodemos inferirque la molécula de agua noes simétrica alrededor del oxígeno. La mediciónde los momentos dipolares puede resultar de ayuda para determinar geometrías moleculares.

Los momentos de enlace se cancelan /

O

\

~~

TABLA 1.6. Momentos dipolares de algunas moi6culas seleccionadas.

dipolar, D

Compuesto

Momento dipolar, D

Compuesto Momento

H2O

1.84 1.46 1.86 O O

CH,0CH3 O

l .3

CH3CH O

2.1

CH,CCH3

2.8

m 3

CH,Cl CCl,

eo*

ll

1I

AtraccionesentremoléculasSecci6n

I .9.

25

SECCIÓN1.9.

Atracciones entre moléculas

A. Interacciones dipolo-dipolo Excepto en un gas muy dispersado, las moléculas ejercen atracciones y repulsiones entre sí. Éstas proceden fundamentalmente de interacciones moleculares dipolo-dipolo. Por ejemplo, las moléculasde CHJ en estado líquido pueden atraerse o repelerse mutuamente, según su orientacih relativa. Dos moléculas de CH,I se atraen a causa de la interacción entre el átomo de yodo parcialmente negativo de una molécula y el átomo de carbono parcialmente positivo de otra molécula:

CHJ se aproximan en elespacio, Cuando los átomos deyodo de dos moléculas de aquellas se repelen entre sí:

repulsidn

Las moléculas nopolares se atraen entre sí mediante interacciones débiles dipolodipolo llamadas fuerzas de London, que surgen como consecuencia de dipolds inducidos en una molécula por otra. En este caso, los electrones de una moltcula son débilmente atraídos hacia el núcleo de otra, pero entonces los electrones de éSta son repelidos por los electrones de la primera. El resultado es una distribución desigual de la densidad electr6nica y, en consecuencia, un dipolo inducido. La Figura 1.6 muestra cómo sucede esto. Las diferentes interacciones dipolo-dipolo (atractivas y repulsivas) se denominan conjuntamente fverzrs de van der Wwlf. LA distancia entre las moléculas juega un importante papel en la intensidad de dichas fuerzas. Se llama radio de van der Waals a la distancia a la que la fuerza atractiva es mhxima. Cuando dos htomos se aproximan a distancias más cortas que el radio de van der Waals, se desarrollan fuerzas repulsivas

los electrones son atraídos

hacia el otro núcleo FIGURA 1.6. Las mol6culas no polares pueden inducir dipolos entre sí.

dipolos inducidos

26

Capitulo I


entre los núcleos y entre las capas electrónicas. Cuando la distancia entre dos moléculas es superior al radio de van der Waals, las fuerzas atractivas entre las moltculas disminuyen. Moléculas de cadena lineal, como CH,CH,CH,CH,CH,, pueden alinearse paralelamente en zigzag, dando ocasión a los átomos de diferentes moléculas de adoptar posiciones coherentes con los radios devan der Waals, de forma que las fuerzas atractivas de van der Waals entre las cadenas alcancen su valor máximo. Las moléculas con cadenas ramificadas no pueden aproximarse tan estrechamente y las fuerzas de van der Waals son consiguientemente menores. Dado que para liberar las moléculas en estado líquido es preciso proporcionar mucha energía para vencer las atracciones de van der Waals, los compuestos con moléculas lineales poseen puntos de ebullición superiores a los compuestos con moléculas ramificadasde estructura y peso molecular similares.

P.eb. 9.5"C

P.eb.36°C

B. Enlacedehidrógeno Un tipo de interración dipolo-dipolo, especialmentefuerte, se produce en las moléculas que contienen &tomos de hidrógeno enlazados a nitrógeno, oxígeno o flúor. Estos elementos son muy electronegativos y poseenpares de electrones no compartidos. Algunos compuestos típicos que contienen enlaces NH, OH 6 FH son:

H-6: I

H

CH,-¿~:

I

H

H-N-H

I

CH,-N-H

H

I

H-F:

H

Las moléculas de cualquiera de estos compuestos experimentan fuertes atracciones mutuas en estado líquido. El átomo de hidrógeno parcialmente positivo de una molécula, es atraído por el par de electrones no compartidos del átomo electronegativo de otra, dando lugar a una interacción llamada enlace de hidr6geno:

enlaces de hidr6geno

1

Los compuestos o grupos que sólo contienen carbono e hidrógeno no forman enlaces de hidrógeno. Tómese como ejemplo el metano, CH,, que no puede formar enlaces de hidrógeno por dos importantes razones:

Atracciones entre moléculas

1,

Alno serpolarelenlace parcialmente positivos.

2.

El átomodecarbononoposeeparesdeelectrones hidrógeno.

Sección 1.9.

27

C-H, lamoléculanoposeeátomosdehidrógeno libres paraatraeralátomode

La energía de disociación de un enlace de hidrógeno es del orden de 5-10 kcal/ mol, muy inferior a la energía de disociación de un enlace covalente típico (80-100 kcaYmol) pero sustancialmentemás fuerte que para la mayor parte de las interacciones dipolo-dipolo. La razón deesta diferencia reside en el tamaño delos átomos implicados. Un átomo de hidrógeno es pequeño en comparaciónlos a demás átomosy puede ocupar una posición muy próxima a los electrones no compartidos del átomo electronegativo, resultando de ello una fuerte interacción electrostática. Átomos de tamaño superior al hidrógenonopuedenocupar posiciones tanpróximasen el espacio y, consecuentemente, las interacciones dipolo-dipolo entre átomos distintos del hidrógeno son más débiles: H

/

o\

/

-

H ---O

I'

H

\

H

H

,,>\l
"'

H

n-

H\

4

I

\n

a

,,/;c-

H

1

H

m d s pr6ximos

mds

alejados

PROBLEMAS MODELO Muestre el enlace de hidr6geno entre dos moléculas de CH,CH,NH,. Solución:

1.

Localice uno o máshidr6genosparcialmentepositivos.

2.

Localice un átomoelectronegativo (N,O,F) conpareselectrónicosnocompartidos.

3.

Dibujedosmoléculascon un enlace dehidrógenoentre el N de la otra molécula. ti

I

un H parcialmentepositivo y

H

I

cti,\cti2-N: ---kl-~-('ll:(

I

11,

H

No todos los enlaces de hidrógeno poseen la misma fuerza. Un enlace O - - H'O, por ejemplo, es más fuerte que un enlace N - - - H-N. ¿Cuál es la causaf , El oxígeno es más electronegativo que el nitrógeno, por lo que el enlace O - H es más polar que el N-H y su H, consiguientemente, más positivo. La atracción entre este

H y el átomo electronegativo será, por lo tanto, mayor.

....

28

H más positivo: enlace de hidrógeno más fuerte

H menos positivo: enlace de hidrógeno más débil

Los enlaces de hidrógeno pueden formarseentre moléculas diferentes, tales como CH,OH y H,O, ó CH,NH, y H,O. En tales casos, pueden formarse diferentes clases de enlaces de hidrógeno. Las siguientes estructuras muestran dos tipos de enlace de hidrógeno entre moléculas de CH,NH, y H,O. (En una mezcla de ambos compuestos, pueden también formarse enlaces de hidrógeno entre moléculas de la misma clase.)

H más positivo: enlace de hidr6geno más fuerte

H menos positivo: enlace de hidrógeno más débil

La tabla 1.7 ilustra la cantidad de energía que se necesita para romper algunos tipos de enlaces de hidrógeno. Obsérvese queel enlace 0”-H - - - N es el mhs fuerte de todos. Dadoque el nitrógeno es menos electronegativo que el oxígeno,supar electrónico libre está retenido con menor intensidad y es m& fácilmente atraído por otro átomo. Como por otra parte, el enlace 0 ” H posee un H más positivo que el N-H, ambos factores se combinan para dar un enlace de hidrógeno bastante fuerte. TABLA 1.7. Energias de disociaci6n aproximadas de algunos enlaces de hidr6geno

Tipo de enlace de hidrógeno

C.

Energía de disociaci6n aproximada (en kcallmol)

Efectosdelenlacedehidrógeno

Los enlaces de hidrógenoactúan, en cierto modo, comoaglutinante entre las moléculas. Si bien un enlace de hidrógeno aislado es débil, al tomar en consideraciónun elevado número de moléculas, resulta asimismo un elevado número de enlaces de hidrógeno. En todas las sustancias, los puntos de ebullición aumentan conel peso molecular, debido al aumento de las atracciones de van der Waals. Sin embargo, un compuesto

Ácidos y bases Seccidn

l . 7 O.

29

en el que existen enlaces de hidrógeno exhibe un punto de ebullición superior al que cabría predecir considerando solamente su peso molecular. Para volatilizar un líquido con enlaces de hidrógeno, es precisio suministrar una energía adicional para romper dichos enlaces de hidrógeno intermoleculares. El etanol (CH,CH,OH) y el éter dimetílico (CH,OCH,) tienen el mismo peso molecular. Sin embargo, el etanol tiene un punto de ebullición muy superior al éter dimetílico; el primero es un líquido a temperatura ambiente, mientras que el segundo es un gas. La diferencia de puntos de ebullición entre ambos, puede atribuirse directamente aque las moléculas de etanol se unen medianteenlaces de hidrógeno, mientras que las moléculas de éter dimetílico no pueden formarlos. Nótese que el enlace de hidrógeno afecta al punto de ebullición en mayor grado que la ramificación. enlace de

CH,CH,O:-

no hay H disponible para formar enlace de hidrdgeno

hidrdgeno

'x

I H

- - H-O:

CH.?

I

I :O--CH,

CH2CH,

etanol dimetílico, p.eb. 78.5"

6ter p.eb. - 23.6"

La solubilidad de los compuestos covalentes en agua es otra propiedad directamente afectada porel enlace de hidrógeno. Un compuesto que pueda formar enlaces de hidrógeno con el agua tiende a ser más soluble en ella que uno que no los forma. Los azúcares, tales como la glucosa, contienen various grupos " O H y son bastante solubles en agua. El ciclohexano, sin embargo, no puede formar enlaces de hidrógeno y no puede tampoco romperlos existentes en elagua siendo, en consecuencia, insoluble en ésta. CH,OH

ciclohexano

H i)H glucosa

soluble en

insoluble en agua

agua


Muestre todos los tipos de enlaces de hidrógeno (si los hay) que podrían encontrarse en: (a)

CH,CH,CH,NH, líquida

(c) CH,CH,OCH,CH, líquido

(b) una solución de CH,OH en H,O (d)

una solución

de CH,OCH, en H,O

SECCIÓN 1.I o.

Ácidos y bases Según la teoría de ácidos y bases de Brmsted-Lowry, un ácido es una sustancia que pucdedonar un ion hidrógeno cargado positivamente o protón (H +).Dos ejemplos de ácidos de Brensted-Lowry son el HCI y el HNO,. Una base se define como una sustancia que puede aceptar un íon H' . El ion SH-y el NH, son bases típicas. (Una

30

Capitulo 7

Átornos y

moléculas: Revisión

fuente muy común de iones oxhidrilo es el Na+OH- .) Aunque hablamosde "donadores de protones", y de "aceptoresde protones", en química orgánicase usan flechas curvas para indicar la acción de los electrones y node los protones. Por lo tanto, en la siguiente ecuación se dibuja una flecha curva desde los electrones no compartidos de la base hasta el protón que dicha base está aceptando. ' " ~ 0 :n : -+ H i cl:

"-+

HO-H

+ :CI:-

una base un ácido (aceptor de HA) (donador de H+)

Recuérdese de los cursos de química general, que un ácido fuerte es un ácido que esencialmentesufre ionización total en agua. Acidos fuertes típicos son HCl, HNO, y H,SO,. La ionización de estos ácidos fuertes es una reacción ácido-base típica. El ácido (HC1, por ejemplo) donaun protón a la base (H,O). El equilibrio está totalmente desplazado hacia la derecha (ionización completa del HCI) ya que H,O es una base más fuerte queC1-y HCl es un ácidom& fuerte queH,O+. H

base mcis fuerte que Cl-

ácido mcis

fuerte que H,O'

En contraste, un ácido débil, sólo está ionizado parcialmente en agua. El ácido carbónico es un ácido débil inorgánico típico. El equilibrio se desplaza haciala izquierda porque H,O+ es el ácido más fuerte y HC0,- es la base más fuerte.

./--A

H-<)-H

+

carbónico

o

I1 HL~()C'OH

o

t1 +z--"-t-1-Q'H

I

+

I1

-:UCOH ion bicarbonato

ácido

ácido m á s fuerte que H2CU3

basemás fuerte que H,O

Recuérdese también, que las bases se clasifican como fuertes (tal como OH-) o débiles (NH,), dependiendo de la afinidad que éstas tengan por los protones.

amoníaco

ion amonio

una base débil

ácido más fuerte que H,U

hidróxido ion

base másfuerte que NH,

Consideremosahoraalgunoscompuestosorgánicosquepueden actuar como ácidos o como bases. Las aminas sonuna clase decompuestos estructuralmente relacionados con el amoníaco; una amina contiene un átomo de nitrógeno covalentemente enlazado con uno o más átomos de carbono y que tiene un par de electrones no compartidos. Algunas arninas CornunCs:

c'H.~-N-II

I

II

cii3-G--ti

I

('H.!

c't4.3--N-c'H.3

I

C'ki,,

Ácidos y bases

Secci6n l . 10.

31

Las aminas, al igual que el amoníaco, son bases d6bilesy experimentanreacciones reversibles con el agua u otros ácidos débiles. (El uso de ácidos fuertes hace que la reacción se complete.)

Un compuesto orgánico que contenga un grupo carboxilo (“C0,H) se comporta como un ácido dbbil. Tales compuestos reciben la denominación de Qcidos carboxllicos. Un ejemplo es el ácido acético, CH,CO,H. Una de las razones de la acidez de los ácidos carboxílicos, es la polaridad del enlace O - H . (Otra razón para esta acidez se discutirá en la Sección 2.9.) El grupo carboxilo:

o

:d.

It

,,,

A -

“C-O-H

generalmente se representa como

II

6 “CO,H

“COH,“COOH,

En presencia de una base, se sustrae H’ del grupo carboxilo, formándose el anión carboxilato. Dado que los ácidos carboxílicos son ácidos dbbiles, estas reacciones no se completan a menos que se use una base más fuerte que el agua, como lo indican las flechas de reacción de las siguientes ecuaciones.

II

CH,C-Q.-H

n .. + H-O-H +

+I

”----*

.o CH,C- 0:-

un &ido carboxílico

11

CH,C-.O.-H

I

+

H--OLH

ionacetato

ácido acttico

:o-.

H

II

un

ion carboxilato

.Ij.

fi

:o-. I1 q

CH,CyO.-H

+ :NH3 .. :Gtl

II

-c +. C‘H,C-O:-

:o-. I1

T.,.

-t

”-*

C‘H,C.-o:-

+ NH,+

HOH ..


¿Cuales de los siguientescompuestos o ionespuedenactuarcomoácidos en solución acuosa?

y cuálzs como bases

Capítulo I

32

1.13.


Reescriba y complete las siguientes ecuaciones ácido-base. Incluya en la respuesta (1)los pares de electrones no compartidos y (2) las flechas de reaccidn que muestran la direccidn del equilibrio. (Si la reacción procede hasta completarse, use una sola flecha)

A.

Constantesdeacidez

Una reacción química tiene una constante de equilibrio K,que reflejaq$é tan completo es el proceso. En el caso de la ionización de un ácido débil en agua, tal constante de equilibrio se denomina constantedeacidez K,. La constante de equilibrio de un proceso está determinadaporla siguiente ecuación general, donde los valores de concentración se expresan en molaridad, M: K=

Concentraciones de los productos ( M ) Concentraciones de los reactivos ( M )

donde [H ' ] = concentraciónmolarde

tl

[CHICOZ ] = concentraciónmolarde

C H \COZ

[ctj.3C'02kl]concentraciónmolarde

('li3C'02kl

:-

*Más correctamente, debería usarse la actividad o concentración efecriva, en vez de la molaridad. Sin embargo, dado quelas actividades iónicas se aproximan a las molaridades ensolucióndiluida,puedenusarseéstasúltimaspormayorsimplicidad.Además,la expresión del equilibrio debería contener al aceptor de iones hidrógeno el agua: c.ti.4('021i Ii,O 1

K,,

z===*c'H,<'02[( II

~

<<'O2 .. . . .~

- ][ti

{ O '

..

t

tI{O'

I

.

[c'll,('o~tl~[tl~o~

Para efectos prácticos, la concentracih molar del agua se puede considerar constante e Igual a 55.5. Este valorconstante se apnlpageneralmentedentro de la constante de equilibrio KH y el término [W,O+] se amplifica a [H + 1. Aunque 10s protones 110 existen en soiuc16n corn
Seccidn I . 10.

Ácidos y bases

33

TABLA 1.8. Constantes de acidez y valores de pK, para algunos dcidos Fdrmula

PK,

K.

fuerte: HCI H2SO4

- 107

"7

-105

moderadamente fuerte: H3P04

"5

7.5'2x 10-3

2.12

17.5 x 10-5 1.75 X 10" 1.34 X

3.75 4.75 4.87'

dbbil: HCO,H CH,CO,H CH3CH,C0,H muy dbbil: HCN HZ0

4.93 x 2.00 x'

9.31 15.7

1O"O lO"6

Cuantomás ionizado está un ácido, mayor es el valor de K,, puesto que el numerador es mayor. A un ácido mris fuerte le corresponde un valor mayor de K,. Cualquier ácid0 con un K, 7 10 se covidera como un hcido fuerte. (Para el HC ,, K a z lo'.) En contraste, los ácidos carboxílicos típicos, tales como el acldo acktico, tienen valores de K, mucho menores que 1. (Para el CH,CO,H, K, = 1.75 X [H+][anión] Ka=

aumentar al

el numerador

aumenta K,

[Acido no ionizado]

Al igual que el pH es el logaritmo negativo de la concentraciónde iones hidrógeno, se define el pK, como el logaritmo negativo de K,. A lo largo del texto usaremos los valores de pKa como elementos de comparación de la fuerza ácida. (En la tabla 1.8 se presentan valores de K, y pKa para algunos ácidos comunes.)

Al aumentar K, (ácido más fuerte), pK, se hace más pequeiio. Cuanto menor sea pK,, más fuerte el será ácido: \ Kc,: 10 pK,,:

Io

"'

10~'

5

10 I

fuerza ácida creciente

PROBLEMA MODELO Calcule el

pK, de un Bcido cuyo K, es 136x10-?

'

102 -3

34

Capitulo 1

Soluci6n:

Átomos y mol6culas: Revisi6n

pK, = -log K, -1og(136 X 10-9 -1og(j.36 x 10-3) = -(log 1.36 - 3) = 3 - log 1.36 - - o, 33 "--.de la tabla de logarinnos o calculadora

= =

= 287

B. Constantes debasicidad La reacci6n reversible de una base d6bil con el agua conduce, al igual que la de un Acid0dBbil, a unapequeñaperoconstanteconcentraci6nidnicaen equilibrio: La constante de equilibrio de esta reacci6n es la constante de basicidad Kb.Como en el caso de K,,,se incluye el t6rmino constante [H,O]dentro del valor de Kc NH,

+ H,O r

NH,'

+

OH

K, = [NH,+ICOH-I CNHJ pKh = --log Kh TABLA 1.9. Constantes de basicidad y valores de pK, para el amoníaco y algunas aminas.

F6rmula

NH, CH,NH, (CH,),NH (CH,),N

Kb

pKb

1.79 X IO-^ 45 x IO-^ x 10 - 5 54 4.5 x

4.75 3.34 3.27 4.19

Al incrementme la fuerza de la base, aumenta el valor de Kby disminuye el de mds fuerte es la base:

pK,;a menor pK,,

K,: pK,:

I

10-10

10

10-7 I

10-5 5

aumento de la fuerza Msica


Ordene los siguientes compuestos seg6n su basicidad creciente (los miis dkbiles primero). Consulte la tabla 1.9 para los valores de pK,: (a)

1.1 5.

NH,

(b) CH,NH,

(c) ( C H A N H

Ordene los siguientesanionessegún (a) (c)

C H 3 0 - , pK, = - 1.5 = 2%

c1- .pK,

su basicidad creciente:

(b) C H 3 C 0 2 - ,pKb = 9.25

35

Secci6n l . 10.

Ácidos y bases

C. Ácidos y bases conjugadas El concepto de ácidos y bases conjugados es útil en las comparaciones de acidez y basicidad. La base conjugada de un ácido es el ion o moláecula que se produce cuando el ácido pierde H+. El ion cloruro, por ejemplo, es la base conjugada del HCl. El Bcido conjugado de una base es la forma protonada de labase. Así, el ácido conjugado de NH, es NH,' . Si un ácido es fuerte, su base conjugada es una base dkbil. Por ejemplo: HCI

+

H,O

&ido fuerte @ierde H +f&cilmente)

-

+

H,O'

CI

base muy dkbil (tiene poca atraccidn por H

+

Por otro lado, si un ácido es ddbil o muy ddbil, su base conjugada es moderadamente fuerte o fuerte, dependiendo de la afinidad de la base conjugada por H+. O

O

I1

CH,COH

+ H,O

&cid0 debil

2H20

t

I1

&

-

+

CH,CO-

H,Ot

base moderada

H,O+

dcido muy debil

+

OHbase fuerte

Así, a medidaque la fuerza ácida aumenta en una sene decompuestos, la fuerza básica de sus bases conjugadas disminuye. HCN H,O

CH,C02H H,P04

HCI

aumento de acidez; disminuci6n de basicidadde l a s bases conjugadas

D. Ácidos y bases de Lewis Aunque muchas reacciones ácido-base implican la transferencia de un prot6n de un ácido a una base, algunas de estas reacciones no involucranla transferencia de prot6n. Por esta raz6n, se desarro116 el concepto de Lewis de ácidos y bases, que es más general. Un Bcido de Lewis es una sustancia que puede aceptar un parde electrones. Cualquier especia con un átomo deficiente en electrones, puede actuar como un ácido de Lewis; por ejemplo, H+ es un ácido de Lewis. La mayoría de los ácidos de Lewis que encontraremos en este libro aparte del H + , son sales anhidras de metales (por ejemplo: ZnC12, FeCl, y AlBr,).

un &ido de Lewis (aceptor de electrones)

Una base de Lewises una sustancia que puede donar un par de electrones. Ejemplos de bases de Lewis son NH, y- OH las cuales tienen un par de electrones no compartidos

Capitulo I

36

Átomos y mo~écu~as: Revision

cada uno. (La mayoría de Rrgjnsted-Lowry.)

una

las bases de Lewis son tambitn bases según la teoría de

base de Lewis

(donadora de electrones)

PROBLEMA MODELO L a metilamina (CH,NH,) sufre una reacción ácido-base de Lewis frente al trifluomro de boro (BF,) produciendo CH,NH,-BF,. (a) Escriba la ecuación de esta reaccidn mostrando la f6rmula estructural completa para el productoy las cargas formales en elN y el B. (b) Identifique a cada reactivo como ácidoo base de Lewis. Solucibn:

base de Lewis

I l l H H t .

dcido de Lewis


Identifique como ácidos o bases de Lewis, a los reactivos de las siguientes ecuaciones:

:o*. (a)

:OH

I/

+ H'

CH,CCH,

(b) (CH,),C-

/I

,xCH3CCH,

+ :
+

I1

( c ) CH,COCH,

(CH,)3CCI:

O

O

+

:OCH,

/I + e :CH,COCH,

+ HOCH,

La localización más probable, relativa al núcleo, de un electrón conunaenergía particular, se denomina orbital atómico. El primer nivel electrónico (el más próximo al núcleo y de energía mínima), contiene sólo el orbital esférico 1s. El segundo nivel (de energía superior), contiene un orbital esférico 2s y tres orbitales bilobulares 2p, mutuamente perpendiculares. Todo orbital puede alojar un máximo de dos electrones apareados (de spin opuesto). El radio atómico es igual a la mitad de la distancia entre dos núcleos iguales, unidos por un enlace covalente, tal como en H-H. El radio atómico aumenta al ir de arriba hacia abajo en un grupo del sistema periódico y disminuye al progresar de

Resumen

37

izquierda a derecha dentro de un período. La electronegatividades una medida de la atracci6n del núcleo por los electrones externos del átomo; disminuye al irhacia abajo dentro de un grupo y hacia la izquierda dentro de un período de la tabla peri6dica. Un enlace es el resultado de la transferencia de electrones (enlace iónico) o de compartirlos entre dos átomos (enlace covalente).El número de enlaces que un átomo puede formar (su Valencia), lo determina el número de electrones de enlace. El carbono tiene cuatro electrones de enlace y forma cuatro enlaces covalentes. Una f6rmula empírica nos dice el número relativo de átomos distintos presentes en una molécula, mientras que la f6rmula molecular nos dice el número real de dichos átomos. CzHs

C4H 1"

fbrmuln empfrica

fdrmula molecular

En las fórmulas estructurales, las cuales describen las estructuras de las moltculas, pueden representarse los pares de electrones mediante puntos o lineas. No se indican, por lo general, los electrones de Valencia no compartidos:

f6rmula de Lewis f6rmula estructural f6rmu.h estructural condensada completa

Un átomo puede compartir dos, cuatro o seis electrones con otro átomo, es decir, ambos átomos pueden estar unidos por un enlace simple, doble o triple: H

enlace simple enlace triple

I

/"-

Una carga formal surge a causa deun enlace covalentecoordinado, en el cual un solo átomo proporciona ambos electrones de enlace:

CH,-N'

ambos e- del N

La longitud de enlace es la distancia entre los núcleos de dos átomos covalentemente enlazados. El Bngulo de enlace es el ángulo entre dos enlaces covalentes de una molécula. La energía de disociación de enlace (AH) es la cantidad de energía que se necesita para efectuar la ruptura homolítica de un enlace covalente:

nP

H,C-H

" +

H,C*

+ H.

AH =

+ 104 kcal'mol

Un enlace covalente polar es un enlace covalente entre dos átomos con electronegatividad sustancialmente diferente. El momento de enlace es una medida de la polaridad de dicho enlace. El momento dipolar es una medida de la polaridad de la molécula en conjunto. Las atracciones dipolo-dipolo entre moléculas (atracciones de van der Waals)

Átomos y moléculas: Revisi6n

Capitulo I

38

implican una energía generalnlente inferior a 5 kcal/mol, con excepción de los enlaces de hidr6geno (atracciones entre un dtomo de H parcialmente positivo y un par de electrones no compartido de N, O 6 F), que requieren de 5-10 kcaVmol para su disociaci6n. L o s enlaces de hidrógeno producen elevaciones en el punto de ebullición y aumento de la solubilidad de un compuesto en agua. Un Acidode Brensted-Lowry es una sustancia que puede donar un H ' ; una base de Brensted-Lowry es una sustancia que puede aceptar un H ' . La fuerza de un 6cido o de una base se expresa como Ka (o pK,), o como K, (o pK,), respectivamentc. Una mayor fuerza kida, corresponde a un mayor valor de KO(y menor de pK,); una mayor fuerza basica se refleja en un mayor valor deK, (y menor de pK,). (Ver tablas 1.8 y 1.9.) ani6n

J

dcidos fuertes: (pK, < - 1):

HCI, HNO,, H2S04

Pcidosdebiles: (pK, > 3 ) : CH,CO,H, HCN, H,O bases fuerte: bases debiles:

-OH, -OCH3 N H , , CH3NH,

La base conjugada de un &ido fuerte es una base dkbil, mientras que la base conjugada de un dcidomuy dCbiles una base fuerte. En la ecuación siguiente, a medida que la fuerza dcida de HA disminuye, la fuerza basica de A-aumenta.

P

H-A

H+

& i d o conjugado de A -

+

:A

base conjugada de HA

Un Acido de Lewis es una sustancia que puede aceptar un par de electrones, mientras que una base de Lewis es una sustancia que puede donar un par de electrones.

C H , N n H + base de h i s

-

H

I

CH3NH2+

&ido de Lewis

PROBLEMAS DE ESTUDIO 1.1 7. Sin consultar el texto, d6 las configuraciones electr6nicas (por ejemplo, Is2, 2')Para un &m0 libre de: carbono (n.at6mico 6) (c) f6sforo (15)

(a)

(b) silicio (14) (d) azufre (16)

Problemas de estudio

1.18.

LA quC elemento corresponden cada (a)

1.1 9.

Is2 2s2

2p6 3s'

de las siguientes configuraciones electhnicas?

UM

Is2 2s2

(b)

39

(c)

2p6 3s2 3p5

Is2

2s2 2p6

Conbase en lasconfiguracioneselectr6nicas,¿quepares deelementoscabriaesperarque exhibiesen un comportamiento químico similar? ¿Por q d ? (a) (b) (c)

Is2 2s'

1s2 2s2 Is2 2s2 2p6 3s'

y y y

Is2 2s'

ls2 2s'

Is2

2s2

3p6 4s'

2p6 3s'

1.20.

Si un &om0 utilizara dos orbitales at6micos p para formar enlaces covalentes simples con dos Atomos de hidr6geno, ¿que hgulos de enlace cabría esperar?

1.21.

En cada uno de los p p o s mecionados a continuaci6n, Lqu6elemento tiene el radio at6mico mayor? (Sin consultar el texto, hagalapredicci6nenbase a la posici6n relativa en la tabla peri6dica que aparece en la pAgina 1078.

(b) B, C, F

(a) Si, C, O

1.22.

¿Que elemento es, en cada (a) C, H, O

1.23.

(c) H, C, O grupo,

(b) C, H, N

el m& electronegativo? (Consulte la figura 1.5.)

(c) C, H. Mg

(d)

C, CI, O

¿En c d e s de los siguientes compuestos cabe esperar: (a)sblo enlaces idnicos;(b) sblo enlaces covalentes; (c) ambos tipos de enlaces?

(a) CH,C02Na (e) CH,OH

(c) LiOH (8) H2S

(b) CH31 (f) Mg(OH)Br

(d) CH,ONa (h) CHCl,

1.24.

Sin consultar el texto, indique las valencias de los elementos del segundo perlodo.

1.25.

~Cuiiles el m6ximo número de enlaces covalentes que cabe esperar que forme un elemento del segundo período? ¿Por que?

1.26.

D6 l a s finnulas de Lewis para cada una de las siguientes estructuras: H (a)

H

I

l

H-C-C-C-C-H

I

I

H

1.27.

H

H

l

I

H

H

1

HH

(b)

I

H

I H-C-CI

H

H

I

I

H-C-H

I

I I

C-H H

Calcule las cargas formales en cada uno de los Atomos (excepto H)de los siguientes compuestos:

:o: I

(a) CH,"S"CI

I

(b) CH,-CEN:

:o: .. :O:

(c)

I1

CH,C-O:-

:o:

(d)

I

CH,-S-CH,

Capitulo I

40

1.28.


Dt?las fórmulasestructuralescontpletas (dibujando cada &tomoy representando los enlaces mediante líneas) para las siguientes f6mulas condensadas:

O

I1

(a) (CH,),CHCHBrCH, (b) (CH,),CHCNHCH(CH,)CH=CH, (c) (CH,),C=C(CH,)CZCCH, 1.29.

Escriba las fdrmulas estructurales condensadas para las siguientes estructuras:

H

I

(a) H-C-O-H

I

1.30.

H

I

H

( b ) H-C-C-N

l

H

!!!!e

l

(c) H:C:N:C:H

Escriba las fbrmular molecu1are.s para las siguientes f6rmulas estructurales condensadas: OH CH,CH,CH,CH20H (d) (CH,),CHCH,OH

(a)

1.31.

I

(b) CH,CH,CHCH,

(c) (CH,),COH

W fórmulas estructurales completas para cada uno de los siguientes compuestos: (a)

H,C=CHCH=CHCN

(c) CH,CO,H

(b) CH,COCH, (d) OHCCH,CHO

(Observacibn:cada estructura contiene al menos un doble o triple enlace no especificado. Use las reglas de Valencia para encontrarlos.) 1.32. ; Indique todoslospares de electrones de Valenciano compartidos (si los hay) enlas siguientes

f6rmulas:

1.33.

Dibuje f6rmulas poligonales para las siguientes estructuras ciclicas:


41

1.34.

Convierta cada una de las siguientes fórmulas poligonales en fórmulas estructurales completas, y cada par deelectronesde Valenciano mostrandoexpresamentecadaátomo,cadaenlace compartidos:

1.35.

Dibuje fórmulas estructurales y poligonales para sistemas carbocíclicos que contengan: (a) Anillo deseis fitornosde carbonoy un doble enlace (b) Anillo de cincoAtornos de carbono, uno de los cualesparte es de un grupo carbonilo (C = O).

1.36.

La energía de disociación de enlace para el enlace carbono-halógeno, es de 108 kcdmol en el CH,F; de 83.5 kcaUmol en el CH,CI; de 70 kcaUmol en el CH,Br y de 56 kcal/mol en el CHJ. Calcule el AH neto para cada una de las siguientes reacciones: -"---t C H J F + HF CH,+ F, (b) CHA CI, __ + C'H,C'I + HC'I CH,Br + HBr ( c ) Cl14 + Br, + HI (d) CH4 + 1,

(a)

1.37.

+

-

Escriba ecuaciones químicas para (1) la ruptura homolítica y (2) la ruptura heterolítica de cada uno de los siguientes compuestos en el enlace indicado. (Aplique los criterios de electronegatividad en las rupturas heterolíticas.) (a) CH,CH,-C'I (d) ('H,--OH

(b) H-OH

(c)

H-NH,

(e) CH30-H

1.38.

¿Cuál es el extremo positivoy cu6l el negativo del dipolo en cada uno de los siguientes enlaces?

1.39.

Señale con un círculo el elemento más electronegativo de cada una de las siguientes estructuras e indique la dirección de polarización de su(s) enlace(s):

1.40.

Disponga cada una de las siguientes series de compuestos por orden de polaridad creciente (el menos polar primero): CH,CH,CH,NH,, CH3CH2CH3, CH,CH,CH,OH (b) CH3CH2CH2Br, CH,CH,CH,I, CH,CH,CH,CI

(a)

Capitulo I

42

1.41.

Áromos y moléculas: Revisi6n

Dibuje estructuras en las que se muestren10s enlaces de hidr6geno (si los hay) que cabría esperar en los siguientes compuestos puros en estado líquido:

(a) (CH,),NH

(b) CH,CH,OCH,

(c) CH,CH,F

( 4 (CH,),N

(e) (CH,),C=O

(0 CH30CH2CH,0H

1.42.

LCuaes de los siguientes compuestos podrh formar enlaces de hidr6geno (1) consigo mismos, (2) con agua?

1.43.

Muestre todos los tipos de enlaces de hidrcigeno existentes en una soluci6n acuosa de (CH,),NH. LCuiil de ellos es más fuerte?

1.44.

Completelassiguientesecuacioneshcido-base:

(a) CH,O-

+ H,O = ,

(b) CH,NH,

(c) HO,CCO,H +excesode O H - ~ = = 2 (d) (e) CH,C02(8)

CH,CO,H

+ H' Ir + CH,O- ;"-,

c

+ HCI

NH+H'

+ CH,CO,H CH,&H3 + CH,O- m

(f) CH,NH,

(h)

O

(i) 1.45.

II

HOCOH

+ 2CH,O- , r

Calcule los valores de pK, para cada uno de los siguientes compuestos y disp6ngalos por orden creciente de acidez (el miis dkbil primero):

Estructura (a) CH,C02H

1.75 x 10-5

(b) 0-0

1.0 x 10-10

,

(dl C H , C H , O H ( e ) CH3CH3

K O

38

1.46.


43

Calcule los valores de pK, para cada una de los siguientes bases y dispóngalas pororden creciente de basicidad

Estructura

k'b

O (a)

II

4.3 x

CH,CNH2

10-14

4.3 x 10-

'O

(a) el hcido conjugadode (CH,),NH, y (b)labaseconjugadade

1.47.

Escriba lasfórmulasde CH,CH,CH,CO,H.

1.48.

Con base en los valores de pK, para los hcidos conjugados dela Tabla 1.8 (phgina 33), disponga los siguientes aniones en orden de fuerza bbica: (a)

1.49.

CH,CO,-~

(b) HCO2-

(c) Cl-

(d)

H2PO4-

Al mezclar volúmenes igualesdesolucionesequimolecularesde NaBr y LiC1,se obtiene la misma solución que sí se hubiera partido de soluciones de NaCl y LiBr. ¿Por quC? ¿Cabría esperarse l o mismo a partir de soluciones de CH,CI y NaBr y CH,Br NaCI? ¿Por quC?

+

1.SO.

El cloruro de plomo(IV),PbCl,,-es líquido a temperatura ambiente(pf - 1 5 O ) , mientras que el cloruro deplomo (a),PbCl,, es un sólido de altopunto de fusión (501"). ¿Que sugieren estas propiedades acerca del tipo de enlaces en ambos compuestos?

1.51.

Asigne la carga apropiada a cada uno de los siguientes iones: (a) : C Z N :

(b) : C E C H

(c) C H 2 0 H

(d) CH,O:

.'o (e) CH2=CHCH2

(f)

(CH,),C

(8)

:NH2

II

(h) CH,CO:

1.52.

Ninguno de los siguientescompuestoscontieneenlacesdobles. ¿Que fórmulasestructurales condensadas pueden proponerse para cada uno de ellos? Puede haber mis de una respuesta. (Recuerde las valencias.)

1.53.

Suponiendo que cada uno de los compuestos siguientes contiene un enlace doble, escriba una fórmula estructural condebsada para cada uno. (Puede haber m& de una respuesta acertada.)

Capitulo I

44

1.54.

moléculas: Revisidn

Átomos y

Usando la Tabla 1.4 (p. 21), calcule los calores de reacción para: CH,CH, (b) C'H,CH, (a)

-

+ CI,

+ Br2

CH,CH,CI CH,CH,Br

+ HCI -t

HBr

¿Cuál reacción libera más energía? 1.55.

Escriba una ecuación que muestre la ruptura heterolítica (en la poslci6n más probable) de cada una de los siguientes molkculas. (Tome en cuenta las electronegatividades.) (a)

(CH,)2CHBr

(b) CH,CH,Li /O\ ( d ) CHI"CH2

(c) (CH,),C'HOCH(CH,)z 1.56.

El BF, tiene momento dipolar cero. Sugiera una geometría para la molécula de BF,.

1 .57

Disponga los siguientes compuestos por ordende solubilidad creciente en agua(el menos soluble primero): (a)

CH,CO,H

(b) CH,CH, CH,CH,OCH,CH, (c)

1.58.

El kter dietilico, CH,CH,OCH,CH,, y el butanol, CH,CH,CH,CH,OH, son igualmente solubles en agua, pero el punto de ebullición del butanol es 83" más elevado que el del éter dietilico. iQu6 explicación cabe dar para este fenómeno?

1.59.

En las siguientes reacciones, ¿cuál delos reactivos es elácido de Lewis y cuál la base de Lewis?

(b)

+ AICI, -5(CH,),c" + AlC14 (CH3I3C.++ CHL=CH2 c"--* (CH,),C'CHIi'H,

(c.)

(CH,LC'

(a)

(C'H,)3C'CxI

~

+

+ ti20

(CH,),COH

I

H +

Br

(d)

1.60.

CH2=CH,

/-7 NH

HN

U

1.62.

-"-,

' \ + Br-

CH2-CtI2

Indique la posición más probablede ataque de un ácido de Lewis sobre cada una de las siguientes estructuras: (a)

1.61.

+ Hr2

(b)

0 0 -

( c ) CH,OH

(d) CH,CH2C'I

Igual que el agua, un alcohol puede actuar como ácido o como base débil. Escriba ecuaciones para la reacción de metano1 (CH,OH)con (a) ácido sulfúrico concentradoy (b) sodamida (NaNH,), que es una base extremadamente fuerte. En el Capítulo 6 trataremos la siguiente reaccibn: CH31 + Mg

-

CH,MgI

(a) El producto de esta reacción (yoduro de metilmagnesio), es una base mucho más fuerte aún que el ion hidróxido. Sugiera una razón para este hecho. SUS productos. (b) si se agrega aguaal CH,Mgl, sucede unareacciónviolenta. Prediga cuáles serán

CAPíTULO 2

Los orbitales y su papel en el enlace covalente

E

n el Capítulo 1 hicimos un breve repaso de los orbitales atómicos y del enlace covalente. En este capítulo se tratará acerca de cómo se producen los enlaces covalentes porformaciónde los orbitales moleculares. Se han desarrollado varios métodospara describir los orbitales moleculares.La teoríadelorbitalmolecular (MO)* ,da descripcionesmatemáticas delos orbitales, sus energías y sus interacciones. La teoría de la repulsión deun par electrónicoen la capa deValencia (VSEPR)**, se basa en que los electrones de Valencia o los pares de electrones de un átomo se repelen mutuamente. Estas repulsiones se pueden usar para explicar los ángulos de enlace y la geometría molecular. Por último, en la teoría de enlace-Valencia o de unión-Valencia,seemplsanfórmulasdeenlace-Valenciapara describir las uniones covalentes y sus interacciones. Dentro de PUS limitaciones, todas estas teorías son aplicables y frecuentemente están de acuerdo, dado que noes práctico usar cualquiera de estas teorías en todas las situaciones, presentaremos algunas de las características particulares de cada una (sin intentar necesariamente diferenciarlas en las discusiones). Encontrarán que el conocimiento delos orbitales y geometrías moleculares es indispensablepara poder entender el comportamiento de los diferentes compuestos orgánicos, ya sea que éstos estkn en un matraz en el laboratorio o en el interior de las células de un animal. *(MO)iniciales en inglés de ‘molecular orbital’.

**(VSEPR.) iniciales en inglés de ‘valance-shell electron-pair repulsion’

46

Capitulo 2


SECCldN 2.1.

Propiedades de l a s ondas Hasta 1923, los químicos suponían que los electrones no eran otra cosa que cargas negativas que giraban alrededor del núcleo atómico. En 1923, Louis de Broglie, un estudiante de posgrado francés, propuso la revolucionaria teoría de que los electrones tenían tanto propiedades de ondas, como propiedades de partículas. La proposición de de Broglie chocó al principio con el escepticismo, pero suidea constituyó el germen de la actual concepción mecánico-cuántica del movimiento electrónico y de la teona del orbital molecular. Lamecánica cuántica esuna teona matemática. Paracorhprender el enlace covalente, necesitamos solo los resultados de los estudios mecánico-cuánticos, y no tanto las ecuaciones matemáticas en sí. Con esta ideapresente, vamos arepasar algunos de los conceptos básicos del movimiento ondulatorio, ya que está relacionado con las teorías comunes del enlace covalente. Comenzaremosconalgunas ondasestacionarias sencillas (Figura 2. l), por ejemplo, el tipo de onda que se produce cuando se tira de una cuerda tensa (tal como una cuerda de guitarra), fija en sus dos extremos. Este tipo de onda origina movimiento en una sola dimensión. En contraste, las ondas que se producen al golpear un tambor, son bidimensionales. La onda asociada al movimientode un electrónes tridimensional. La altura de una onda estacionaria es su amplitud, y puede ser positiva (hacia arriba) o negativa (hacia abajo), en relación a la posición de reposo de la cuerda (los signos -k y - tienen aquí significado matemhtico, noexistiendo ninguna relación con cargas eléctricas). Los lugares de la onda donde la amplitud es nula, se llaman nodos y corresponden, en el modelo de la cuerda de guitarra, a puntos de éSta que no vibran, aun cuando lo haga la cuerda en conjunto.

en fase

fuera de fase

FIGURA 2.2. Dos ondas estacionarias pueden estar en fase o fuera de fase.

Propiedades de las ondas

completo

parcial

completa

parcial

Seccidn 2.1.

47

FIGURA 2.3. Refuerzo e interferencia de ondas.

Dos ondas estacionarias pueden estar mutuamente en fase o fuera defase. Tambitn son posiblesestados intermedios en los que las ondas e s t b s610 parcialmente en fase. Podemos ilustrar estos tkrminos mediante dos sistemas ondulatorios, correspondientes a dos cuerdas idknticas al hacerlas vibrar. Las dos ondas estarh en fuse, cuando se correspondan las zonas de amplitud positiva y negativa de ambas. Si, por el contrario, los signos de las zonas que se corresponden son opuestos, ambas ondas e s t h fuera de fase (Figura 2.2). Cuando se superponen dos ondas en fase del mismo sistema vibratorio, tienden a reforzarse la una ala otra. Esto puede expresarse mediante la adici6n de las funciones matemhticas de ambas ondas, que poseen idtntico signo. Por el contrario, dos ondas fuera de fase tienden a interferirse mutuamente, proceso representado por la adición de dos funciones de signo opuesto. La interferencia total lleva a la cancelación mutua de ambas ondas. La superposici6n parcial de dos ondas fuera de fase da origen a un nodo. La Figura 2.3 ilustra lo anterior. Si bien el sistema ondulatorio tridimensional de un electr6n es más complicado que una cuerda vibratoria monodimensional, los principios fundamentales son los mismos. Cada orbital at6mico de un átomo se comporta como una funci6n de onda y puede tener amplitud positiva o negativa. Si un orbital posee amplitudes de ambos signos, posee tambitn un nodo. La Figura 2.4 representa los orbitales Is, 2s y 2p, e incluye sus signos de amplitud y los nodos, cuando &tos existen.

+y nodo

I

.Y

2:

son signos matedticos, no cargas elkctricas

-

2 [I

FIGURA 2.4. Los orbitales Is, 2s y 2p con sus signos de amplitud.

Capitu/o 2

48

Los orbitales y su papel

en el enlace covalente

Un orbital atómico puede superponerse con un orbital atómico de otro átomo. (Matemáticamente, se suman las funciones de onda que describen cada orbital. Estos cálculos se conocen como la teoría de combinación lineal de orbitales atómicos, o LCAO*). Si ambosorbitales están en fase, el resultado es su refuerzo mutuo y la formación de lo que se conoce con el nombre de orbital molecular de enlace. La interacción entre dos orbitales atómicos fuera de fase conduce, por el contrario, a su interferencia, creándose un nodo entre ambos núcleos: se ha formado un orbital molecular de a ienlace. En la Sección 2.2B veremos con más detalle estosconceptosde orbitales moleculares de enlace y de anti-enlace. SECC16N 2.2.

Enlace en la molécula de hidrógeno El hidrógeno (H,) es la molécula más simple conocida. Vamos a considerar con cierto detalle la estructura del enlace covalente existente en la misma, dado que muchas de las características de dicho enlace son similares a las de otros enlaces covalentes más complejos. Consideremos dos átomos dehidrógeno aislados, cadauno de ellos con un electrón en un orbital atómico Is. Al comenzar la formación delenlace entre estos dos átomos, el electrón de cada uno de ellos es atraído por el núcleo del otro y además, su propio núcleo continúa ejerciendo atracción sobre él. Cuando los núcleos se sitúan a cierta distancia uno de otro, (la longitud de enlace para el H, es de 0.74 A), los orbitales atómicos se funden o superponen reforzándose mutuamente, para originar un orbital molecular de enlace. Este orbital molecular engloba a ambos núcleos de hidrógeno y contiene dos electrones apareados, unode cada H. Ambos electrones son atraídos ahora en igual medida por ambosnúcleos. Dado que un gran porcentaje dela densidad electrónica (cargada negativamente)del nuevo orbital, se encuentra entre los dos núcleos de hidrógeno (cargados positivamente), las repulsionesentre éstos se ven minimizadas. Este orbital molecular origina, pues, un enlace covalenteentre los dos átomos de hidrógeno, dando la molécula de H, (Figura 2.5).

A. El enlace sigma El orbital molecular que enlaza dos átomos de hidrógeno, posee simetría cilíndrica alrededor de una línea o eje, que conecta los níkleos. En otros términos, si se gira el orbitales atómicos Is, cada uno de ellos con un e -

superposición

orbital molecular con dos e- de spin opuesto

~

*LCAO, iniciales en inglés de ‘linear combination of atomic orbitals’

Enlace en la mol6cula de hidr6geno

Secci6n 2.2.

49

FIGURA 2.6. El enlace sigma del hidr6geno es simbtrico con respecto al eje que une ambos núcleos. eje

orbital molecular alrededor de dicho eje, la apariencia del mismo no varia (vtase la Figura 2.6). Cualquier orbital molecular sim6trico alrededor del eje que une los núcleos recibe el nombrede orbital molecular sigma (u); el enlace correspondiente se denomina enlacesigma. El enlace presenteen la molkuia de H, es s610unode los muchos enlaces sigma que hemos de encontrar, aunque tambitn encontraremos orbitales moleculares queno serh sigma, es decir, no Serb simttricos con respecto al eje internuclear.

B. Orbitales de enlace y de anti,enlace Cuando se superponendosondas,puedenreforzarse o interferirsemutuamente. La adici6n de dos orbitales at6micos 1s en fase, que provienen de dos &tomos de hidr6gen0, da lugar a su mutuo reforzamientoy ala formaci6n de un orbital molecularo de enlace, con una alta densidad electr6nica en medio de los núcleos enlazados. Si ambas ondas esth fuera de fase, se interfieren mutuamente. La interferencia dedosorbitalesatdmicos 1s fuerade fase, dalugar a un orbital molecular con un nodoentre los nlicleos. En esteorbitalmolecular,es muy baja la probabilidad de encontrar un electr6n en la zonainternuclear. La consecuenciaes que esteorbital molecular da origen a un sistema en eL que los núcleos no es& separados por el par electr6nico y, por lo tanto, se repelen mutuamente. A causa de esta repulsi6n nuclear, el sistema posee un contenido de energía superior al formado por dos &tomos independientes de hidr6geno. Este orbital de energía superior es un orbital molecular de antienlace, en este caso, un orbital “sigma asterisco”u orbital u* (el asterisco significa “antienlazante”). En la Figura 2.7 se comparan las geometrías de los orbitales u y u* en el H,. El contenido de energía dela molécula deH,,con sus dos electrones en el orbital de enlace u, es inferior en 104 kcal/mol a la energíacombinadadedos6tomosde hidr6geno separados. En cambio, la energía de una moltcula de hidr6geno cuyos dos electrones estuviesen en el orbital de anti-enlace u*, sería superior a la delosdos &tomos de hidr6geno separados. Las energías relativas pueden representarse mediante el siguiente diagrama:

-orbital o*

de anti-enlace del H2

?I

Energía

potencial, E

’-

Is ‘.,

I‘

Is

orbitales atdmicos de ambos H

I

0

”----- orbital

de enlace del Hz

50


Capitulo 2

baja densidadde e-

orbital u* (antienlazante)

Energla potencial, E

fuera de fase

alta densidad de e-

/ en fase

orbital u (enlazante) FIGURA 2.7. Refuerzo e interferencia de dos orbitales Ir (los signos funciones de onda y no cargas electricas).

+y

- indican fasesde las

Un orbital molecular, al igual que un orbital a t h i c o , puede estar vacío, alojar un electrdn, o alojar un mkimo de dos electrones (apareados). Los dos electrones de ' la molCculadehidr6genoocupan el orbital de mínima energía disponible, o sea, el orbital de enlace u. En el siguiente diagrama se usa un par de flechas, una apuntando hacia aqiba y la otra hacia abajo, para representar dos electrones de spin opuesto:

dos e - en el orbital de energía minima

U Dijimos en elCapítulo 1 quelos electrones dediferentes orbitalesatómicos difierenenenergía acausade lasdiferentesdistanciasentredichoselectrones y el núcleo. La mayor energía de una molkcula con electrones enun orbital de anti-enlace, comparada con la de otra molCcula con sus electrones en un orbital de enlace, no se debe a que los electrones estkn en el primer caso m& alejados de los núcleos, sino a la presencia de un nodo entre los mismos. En el caso de la mol&ula de hidrógeno, los orbitales (+ y u* ocupan la misma regi6n general del espacio. Aunque dos partículas no pueden ocupar simultáneamente el mismo espacio, dos orbitales sí pueden. No debe olvidarse que los orbitales no son entes materiales, sino regiones del espacio en las que es elevada la probabilidad de encontrar un electr6n de una determinada energía. Todos los orbitales moleculares de enlace tienen orbitales moleculares de antienlace asociados con ellos. En cada caso, la molécula con sus electrones enun orbital de enlace tiene una energiu inferior a los titomos aislados, mientras que la molkcula

Algunas caracteristicas generales

de los orbitales

de enlace

Seccibn 2.3.

y de anti-enlace

51

con sus electrones en un orbital de anti-enlace, tiene unaenergiu superior a los átomos aislados. A causa de esta mayor energía de los orbitales de anti-enlace, los electrones tienden generalmente a noocuparlos. Casi toda la química que trataremos en este texto se referirá a mol6culasen su estado basal, en el cual los electrones ocupan los orbitales de energía m'nima. Con todo, encontraremosciertas situacionesen las que una molécula absorbe energía que usapara llevar un electr6n de un orbital de baja energía a otro de alta energía. Se dice entonces que la molécula está en un estado excitado, caracterizado en general porque uno o más electrones no ocupan los orbitales disponibles de m'nima energia. S E C C I ~ N2.3.

Algunas características generales de los orbitales de enlace y de anti-enlace Vamos a resumir algunas reglas generales que pueden aplicarse a todos los tipos de orbitales moleculares y no s6l0 a los de la molécula de H,:

1.

Cualquier orbital, molecular o at6mic0, puedealojarunm6ximo trones, que deben ser de spin opuesto.

2.

Elnúmerototal de orbitales moleculares es igual al de orbitales at6micos que participaron en su formaci6n. Para el hidr6gen0, por ejemplo, dos orbitales at6micos 1s dan lugar a dos orbitales moleculares (a y a*).

3.

En el proceso de llenado de los orbitales moleculares con electrones, se van ocupando primero los de energía más baja. Si dos orbitales son degenerados (tienen energías identicas), los dos son ocupados por unelectrh, antes que uno de ellos reciba el segundo y quede lleno.

de dos elec-

S E C C I ~ N2.4.

Orbitales híbridos del carbono Cuando un átomo de hidr6geno forma parte de una molécula, utilizasu orbital at6mico 1s para formar el enlace. La situaci6n es algo diferente con el átomo de carbono: el carbono tiene dos electrones en el orbital 1s que, al estar lleno, no puede ser usado para formar enlaces. Son los cuatro electrones del segundo nivel energético los que se usan para tal finalidad. Hay cuatro orbitales at6micos en el segundo nivel: un orbital 2s y tres orbitales 2p. Sin embargo, el carbono no los usa para formar enlaces en su estado original, sino que los combina o hibridiza en cualquiera de las tres siguientes maneras: 1.

Hibridación sf', utilizada cuando el carbono forma cuatro enlaces simples. carbonos \'ps

HF I

H-C-H

I

H

H-C-C-H

I

I

H H

'

Capitulo 2

52

2.

Los orbitales y su papel enel enlaceovalente

Hibridaci6n S$, utilizada cuando el carbono forma un doble enlace. corbonos d

A,.

H\ ,c=c

\

H 3.

H

Hibridaci6n sp, utilizada cuando el carbono forma un triple enlace o enlaces dobles acumulados (dos enlaces dobles en un mismo aitomo de carbono).

,c=c=c

H-CrC-H

H

\

H

¿Por qué forma el aitomo de carbono compuestos con orbitales híbridos, en vez de utilizar los orbitales atbmicos normales? La respuesta es que la hibridación da lugar a enlaces mais fuertes, debido al mayor grado de superposición orbital, resultando de ello moléculas m& estables y con menor contenido energktico. Cuando discutamos cada tipo de hibridacibn, comprobaremos que la forma del orbital híbrido es, en cada caso, la mais favorable para la máxima superposición con el orbital de otro aitomo. Por otra parte, la geornetria o disposición espacial en los tres tipos de orbitales híbridos, permite a los grupos unidos al carbono situarse a la máxima distancia entre sí, minimizando así las repulsiones mutuas.

A. Hibridacih sp3 En el metano(CH,), el aitomo de carbono forma conel hidrógeno cuatro enlaces equivalentes.Cada enlace C-H tieneunalongitud de 1.09 8, y una energía de disociacibn de 104 kcallmol. El hgulo de enlace entre los enlaces C-H es de 109.5'. Solamente a partir de esta evidencia experimental, ya queda claro que el carbono no utiliza, para formar dichos enlaces, a los orbitales 2s y 2p, pues de ser así, los cuatro enlaces C-H no serían equivalentes (habriai uno de un tipo y tres de otro). Según las teorías actuales, estos cuatro enlaces equivalentes surgen de la hibridación completa de los cuatro orbitales atómicosimplicados(un orbital2s y tres orbitales 2p), para formar cuatro orbitales sp3 equivalentes. Para que esto se lleve a cabo, uno de los electrones 2s debe ser promovido al orbital vacío 2p. Esta promocibn requiere energía (cerca de 96kc&mol), pero esta energía es recuperada de sobra en la formación de los enlaces químicos. Los cuatro orbitales sp3 son de energía idéntica, algo superior a la de los orbitales 2,pero ligeramente inferior a la de los orbitales 2p. Cada uno de dichos orbitales híbridos sp3 contiene un electrón de enlace. Orbitales athicos del C (nose indica el orbital lleno Is):

e - promovido

2p

m 2S

2p

?p

I I

I

2s

Orbitales usados para formar enlaces:

, cuatro sp3

Orbitales hibridos del carbono

Seccibn 2.4.

53

l6bulo usado para el enlace

un orbital sp3

cuatro orbitales sp3

tetraedro regular

carbono con cuatro enlaces sp'

FIGURA 2.8. Los cuatro orbitales hibridos sp3 del carbono apuntan hacia los v6rtices de un tetraedro regular.

El diagrama precedente se denomina diagrama orbital; cada recuadro en el diagramarepresenta un orbital. Las energías relativas de los diversos orbitales se refléjansegún la posiciónvertical del recuadro en el diagrama. L o s electrones se representan mediante flechas y la dirección de su spin por la direccih de la flecha. El orbital sp3, resultante de la hibridación del orbita! 2s y de los tres orhitales 2p,tiene una forma que recuerda a la. de un pino de boliche: posee dos lbbulos desiguales, uno grande yotro pequeiio, de amplitud opuesta, con un nodo en elnúcleo. La figura 2.8 muestra un orbital sp3 aislado. El 16bulo pequeño del orbital no se usa para el enlace, pues la superposición producida por el lóbulo mayor es mhs completa y da lugar a un enlace mhs fuerte. Los cuatro orbitales híbridos sp3, rodean por completo al núcleo de carbono. A causa de las repulsiones electrónicas interorbitales, dichos orbitales tienden a situarse lo mhs lejos posible entre sí, partiendo desde el mismo núcleo de carbono, lo que da lugar a una geometría espacial en la que los orbitales apuntan hacia los cuatro vkrtices de untetraedro. Los hngulosde enlace resultan ser así de109.5". Por esta circunstancia, el htomo de carbono con hibridación sp' recibe usualmente el nombre de carbono tetraédrico (Figura 2.8). Cuando un htomode carbono forma cuatro enlaces simples, lo hace superponiendo cada uno de sus cuatro orbitales híbridos sp3 (cada uno con un electrh), con orbitales de otros cuatro htomos, ocupados a su vez por un electrón cada uno. En el metano (figuras 2.9 y 2. lo), cada orbital sp3del carbono se superpone con el orbital 1s de un hidr6geno. Cada uno de los orbitales moleculares sp3 -S resultantes, posee simetría cilíndrica con respecto al eje que conecta los núcleos de carbono ehidrógeno. El enlace covalente C-H en el metano es pues, al igual que el H-H, un enlace u.

un e - en cada orbital atómico o híbrido

dos e - en cada orbital

molecular

54

Capitulo 2

f6rmula estructural

condensada


f6rmula estructural completa

f6rmula dimensional

modelo. molecular

FIGURA 2.10. Varias maneras de representar el metano.

El etano (CH,CH,) contiene dosátomos de carbono sp3.Ambos carbonos forman un enlace sigma C - C por superposición de un orbital híbrido sp3 de cada uno de ellos (enlace sigma sp3 -sp’).A cada carbono le quedan todavíatres orbitales sp3,que utiliza para formar otros tantos enlaces u C-Hcon komos dehidrógeno,deltipo sp3 -S antes mencionado. Cada carbono del etano es tetraédrico (figuras 2.11 y 2.12), al igual que el del metano. /-enlace

sigma sp3-sp3

H H

etano

FIGURA 2.1 l. Formacidn del enlace sigma sp3-sp3en el etano, CH,CH,.

f6rmula estructural f4mula f6mula condensada estructural completa

dimensional

FIGURA 2.12. Varias maneras de representar el etano

modelo molecular

Orbitales hibridos de/ carbono

'

Secci6n 2.4.

55

En cualquier molkula, todo homo de carbono unido a otros cuatro titomos esta en el estado de hibridaci6n sp3 y los cuatro enlaces que forma son de tipo sigma. Ello s e debe a que esta hibridaci6n es la que proporciona el miiximo grado de superposici6n entre los orbitales de enlace y el &imo alejamientoentre losgrupos unidos al carbono. Los hgulos entre los enlaces son, cuando es posible, de 109.5", pero otros factores, tales como repulsiones dipolo-dipolo o la geometría en un ciclo, pueden ocasionar desviaciones de este hgulo ideal. Ejemplos de estructuras con carbonos sp' (cada C tiene cuatro enlaces sigma):

H H

H

I I

I I

H-C-C-H H-C-H H-C-O-H H

H

H

I I

I

">c' H 1

I

H

H

H.&-@

H

\ / H ?\H

H-Y-~~H

H

H

H

-

PROBLEMA MODELO

D6 la f6rmula estructural completa (mostrando todos los 6tomos y enlaces) para el propano (CH,CH,CH,). ¿Que tipo de orbitales se superponen para formar cada enlace? Soluci6n:

H

H

H

caah enlace C-H es sp3-s


Escriba la f6rmula estructural completa para cada uno de los siguientes compuestos. ~ Q U C t i p s de orbitales se superponen para foxmar cada enlace?

B. Hibridación sp" Cuando un carbono se une a otro por un doble enlace, adopta el estadode hibridaci6n sp? Ejemplos de compuestos con carbonos sp':

H

\

/C=c H

/

\

etileno

H

H

\

,C=O H

H formaldehído

Capitulo 2

56

Los orbitales y su papel en eyenlace covalente

Para formar orbitales de enlace sp2, el carbono hibridiza suorbital 2s con dos de los orbitales 2p, quedando un orbitalp sin hibridizar. Como se utilizan tresorbitales atómicos en la hibridación, se obtienen tres orbitales híbridos sp2, cada uno con un electrón de enlace, y con una forma semejante a la de los híbridos sp3.

m

P

tres sp2

2s

Los tres orbitales sp2 tienden a situarse alrededor del átomo decarbono, alejados entre ellos lo más posible, lo quecorresponde a unadisposiciónplanaconángulos entre ellos (idealmente)de 120". Un carbonocontaldisposiciónorbitalrecibeel nombre de carbono trigonal (triangular). La Figura 2.13 muestra un átomo de carbono con los tres orbitales sp2 en un plano y el orbital no híbrido p perpendicular a dicho plano. En el etileno (CH, = CH,), los dos átomos de carbono se unen por un enlace sigma resultante de la superposición de un orbital sp2 de cada tomo. Este enlace u es unode los dos que constituyen la doble ligadura. A cada carbono le quedan todavía dos orbitales híbridos sp2, que utiliza para enlazarse, mediante enlaces u (sp'-s), a dos átornos de hidrógeno. El esqueleto de enlaces sigma queda constituido como sigue (no se muestran los orbitales p de cada carbono): Estructura plana de los enlaces sigma del etileno (no se muestran los orbitales pi:

H'

H

¿Qué ocurre con los orbitales p restantes de cada carbono? Cada uno de ellos tienedoslóbulosdeamplitudopuesta,uno por encima y otro por debajo del plano nodal, y contiene un electrón. Como ya sabemos, si estos electrones p se aparean en un orbital molecular de enlace, la energía del sistema disminuye. Ahora bien, dada la disposición espacial relativa de ambos, con sus lóbulos paralelos, es evidente que no pueden superponer sus extremos de igual modo que en la formación del enlace sigma.

carbono trigonal; tres orbitales spz en un plano con dngulos de 120" entre ellos FIGURA 2.13. Carbono en el estado de hihridaci6n 'p'

crbital p perpendicular al plano

Orbitales hibridos del carbonno

Secci6n 2.4.

57

Un enlace pi es un orbital molecular bilobularquecontieneunparde electrones y poseeunnodoenel plano que contieneal enlace sigma. \\

-

"""

"""""""" ~

FIGURA 2.14. Formaci6n del enlace u (spz-sp2)y del enlace n (p-p) en el etileno, CH, = CH,. (Los signos y - indican lasfases de las funciones de onda, no cargas eletricas.)

+

En realidad, los orbitales p se superponen lateralmente (Figura 2.14), dando lugar a un orbital molecular de enlace llamado enlace pi(n), que une a los dos carbonos y cuya densidad electrónica se sitúa por encima y por debajo del plano de los enlaces sigma. Este enlace TT es el segundo componente de la doble ligadura. Cualquierátomodecarbonounido a otros tresátomos, está en el estadode hibridación sp'. En compuestosestables, el orbital p no híbrido del átomo de carbono, se debe superponer lateralmente con un orbital p del átomo con el que se une, ya sea éste un carbono u otro átomo cualquiera. H

\

H/

/

c=c

H

H\

O

4.

C=O

J'OH

H')

'carbonos sp2

C. Algunascaracterísticasdelenlace

7~

Cada orbital p de un enlace IT tiene dos lóbulos y además un nodo en el núcleo. No es, pues, sorprendente, que el orbital IT sea también bilobular y tenga una zona nodal en el plano que contiene a ambos núcleos. A diferencia del enlace u, el enlace TT no tiene simetría cilíndrica; pero al igual que cualquier otro orbital molecular, no puede alojar más de dos electrones apareados. El orbital 2p de un átomo de carbono, tiene una energía ligeramente superior a la de un orbital sp'. Por este motivo, un enlace IT, formado a partir de dos orbitales 2p, tiene una energía un poco mayor y es algo menos estable que un enlace u (sp' sp'). La energía de disociación del componente u del doble enlace C = C del etileno, se estima en 95 kcal/mol, mientras que la del componente IT se calcula en solamente 68 kcal/mol. Los electrones TT están más expuestos y son más vulnerables a las condiciones del medio que los electrones u. Además, son más móviles, se polarizan con mayor facilidad y pueden ser promovidos fácilmente a un orbital de anti-enlace (de mayor energía). También son atacados con másfacilidad por otro átomo o molécula. ¿Cómo se manifiesta esta yulnerabilidad en la química de los compuestos con enlaces IT? En general, el enlace IT es un punto de reactividad química alta en una molécula. Otrapropiedaddel enlace IT es que dota a la moléculaque lo posee de una geometria rígida. Para que los carbonos puedan girar alrededor de la doble ligadura,

Capitulo 2

58


no hay superposici6n

H

H +______, h X kc.ll/mol

H ."' FIGURA 2.15. La zona de una molecula alrededor de un enlace n se mantiene en una estructura plana, salvo que se suministre energla suficiente para romper dicho enlace n.

es preciso que se rompa primero el enlace IT (Figura 2.15). En las reacciones químicas, las moléculas puedenllegar a adquirir la energía suficiente (alrededor de 68 kcaVmol) para romper este enlace, pero no es este el caso en moléculas situadas en un-matraz a temperatura ambiente, ya que la máxima energía disponible a esta temperatura es aproximadamente de 20 kcal/mol. El significado de la rigidez de los enlaces IT se discutirá en el Capítulo 4. En una f6rmula estructural, el doble enlace se indica con dos líneas idénticas; pero no debe olvidarse que ello no implica la presencia de dos enlaces equivalentes, pues en realidad existen dos enlaces distintos, uno sigma fuerte y otro pi débil.

PROBLEMA MODELO iQuB tipo de superposici6n orbital (p.ej. @-S) presenta cada unode 10s enlaces de CH,CH = CH,? LCuaes son los bngulos de enlace aproximados? Soluci6n: cuatro cíngulos de 109"

. .

seis cíngulos de 120"

PROBLEMASDEESTUDIO 2.2.

DB las f6rmulas estructurales completas para los siguientes compuestos. indiqueque tipos de orbitales se usan en la formxi611 de cada enlace: (a)

CH,=C(CH,),

(b) C'H2=CHCH=CH2

(c)

0

- Orbitales hibridos

2.3.

del carbono

SeccMn 2.4.

59

Dibuje la estructura del compuesto (b), del problema 2.2, mostrando los enlaces 71 y su geometría correcta con respecto a los enlaces u. (Use líneas para representar los enlaces u.)

D. Los orbitales de enlace y de anti-enlace deletileno El enlace sigma C - C del etileno resulta, como sabemos, de la superposici6n de dos orbitales sp'. Como son dos los orbitales at6micos participantes, deben resultar dos orbitales moleculares. El otro orbital molecular que resulta de la interferencia de los dos orbitales sp2, es el orbital de anti-enlace u* de energía mAs elevada, con un nodo mtre los núcleos de carbono, muy similar al orbital u* del enlace H-H. L o s dos :lettrones del enlace molecular o- (C-C) del etilenoocupann~rmalmenteelorbital enlazante de mas baja energía. Al enlace n, que une a los dos carbonos del etileno, contribuye cada carbono con un orbital p. Deben obtenerse, por lo tanto, dos orbitales moleculares T.Uno de ellos es el orbital de enlace n, de energía inferior, que resulta de la superposición en fase de los orbitales p. El otro es el qrbital de anti-enlace n*,de energía m& elevada, que resulta de la interferencia entre dos orbitales p de fase opuesta. A menudo se designan estos orbitales como nl (el enlazante) y n2*(el antienlazante). Algunas molkculas contienen varios orbitales T ,que pueden numerarse, para diferenciarlos, mediante subindices, en orden de energía creciente. Los orbitales u no suelen numerarse, debido a la poca importancia de los orbitales u* para el químico orgánico. La Figura 2.16 muestra las representaciones delos orbitales n1y 7c2* del etileno. nodo entre los núcleos

orbital de anti-enlace v2* fiera

de

fase

,,, superposici6n

en

fase

orbital de enlace m, FIGURA 2.16. El orbital de enlace n, y el antienlazante nz*del etileno.


Capitulo 2

60

Obsérvese que el orbital IT**tiene un nodo adicional entre los núcleos de ambos carbonos, además del situado en el plano del enlaces u. Esta segunda zona nodal, con densidad electrónica mínima entre ambos carbonos,' es la causa de que el orbital IT^* tenga una energía superior al IT^. Por esta razón, en el estado basal de la molécula de etileno, los electrones IT ocupan el orbital IT, de menor energía. El siguiente diagrama, compara las energías de los orbitales U,U*,IT, y r 2 * y, deja ver que la energía del orbital u* es superior a la del orbital r2*; por lo que la energía necesaria para promover un electrón desde un orbital u hasta uno u* será forzosamente superior a la requerida para promoverlo de un orbital IT a uno IT*. Estado basal del enlace C = C en el etileno:

¿Por qué se requiere más energía para promover un electrón (r que un electrón se encuentran, por lo general, en regiones más próximasal núcleo y muy a menudo precisamente en zonas intemucleares. La promoción de uno de estos electrones, conlleva la aparici6n de una importante repulsión nuclear. En cambio, los electrones IT están situados en zonas más alejadas del núcleo ypor ello, la promoci6n de uno de estos electrones no da lugar a tales repulsiones nucleares y, en cualquier caso, los núcleos siguen estando separados y protegidos por los electrones u. A causa de la importante cantidad de energía requerida para promover un electrón u, las transiciones electrónicas del tipo u u* son raras y de escasa importancia para el químico orgánico. Por el contrario, sí son importantes las transiciones del tipo IT IT*que requieren menosenergía, ya que constituyen el fundamento, por ejemplo, del proceso de la visión (tema que será mencionado en el Capítulo 21); siendo responsables también, de obtener la energía necesaria para la fotosíntesis. r?Los electrones u

+

-+

Dos posible5 estados excitados del enlace C = C en el etileno:

CI -+

E.

o*,mayor

AE

Hibridación sp

Cuando un átomo de carbono está enlazado a s'4c dos átomos, como en el caso del acetileno (HCECH), su estado de hibridaci6n e : vp. Un orbital 2s se combina con un orbital 2p para dar origen a dos orbitales h i k t h ~sp. En este caso, a cada carirono ir. quedan dos orbitales 2p sin hibridizar, cada uno con u n electrh

2.4.

Orbitales híbridos carbono del Secci6n

m

-

I

2S

2s

61

dos sp

Los dos orbitales sp se sitúan lo mhs alejados que >esposible, esto es, a lo largo de una línea recta con 6ngulos entre ellos de 180". Los orbitales p son, a su vez, perpendiculares entre s í y a la línea de los hibridos sp (Figura 2.17). En el acetileno (HC=CH) los do htomos de carbono es& unidos por un enlace sigma sp-sp.Cada carbono est& por su parte, unido a un hidr6geno por un enlace u sp-s. Los dos orbitales p de un carbono, se superponen con los del otro, para formar dos enlaces T ;uno de ellos se sitúa por encima y por debajo de la línea de los enlaces sigma, tal como se muestra en la Figura 2.18. El otro se localiza por delante y por detrhs de dicha línea. segundo

un orbital sp

orbitales p

el orbital sp

perpendiculares entre s i y a los hííridos sp lieales

I los dos orbitales sp son lineales

dos orbitales p

FIGURA 2.17. Carbono en el estado de hibridaci6n sp.

orbitales sigma

enlaces

dos enlaces

p

71

FIGURA 2.18. Enlacesdelacetileno, HC=CH

Como cabe suponer, las reacciones de un compuesto que contiene un triple enlace, no son demasiado diferentes de las reacciones de los compuestos que contienen un dob!e enlace solamente que, en vez de un enlace T , ahora hay dos. un enlace

u, dos enlaces pi

b

-\-

H-CrC-H

CH3-CGC-H

H-CrN


iQuC tipo de superposici6n orbital presenta cada uno de los enlaces carbono-carbono del CH,-

C=CH?LCuAles son los hgulos aproximados de enlace alrededor de cada carbono?

los orbitales y

Capitulo 2

62

su papel

en el enlace

covalente

F. Efectos de la hibridación sobre las longitudes de enlace Un orbital 2s posee una energía algo inferior a la de un orbital 2p. Estadísticamente, los electrones 2s se encuentran en regiones más próximasal núcleo, que los electrones 2p. Por esta razón, un orbital hibrido con una mayor proporción de carácter S es de energía inferior y se sitúa más próximo al núcleo, que otro con menor carácter s. Un orbital híbrido sp tiene un 50% de carácter S y un 50% de carácter p . En el otro extremo, el orbital sp3 tiene 25% de carácter S y 75% de carácter p: hibridacibn del

CH-CH CH,=CH, CH,CH,

% de caricter S

carbono

.sp

50

sp 2

33f

sp3

25

Al contener el orbital sp más carácter S, está más próximo al núcleo y forma enlaces más cortos y más fuertes que el orbital sp3. El orbital sp2 es, en longitud y fuerza de los enlaces que forma, de carácter intermedio entre ambos. La Tabla 2.1 muestra las diferencias en longitud de enlace, existentes entre los tres tipos de unions C--C y C-H. Obstrvese que la distancia C-H más corta es la de tipo sp-S existente en el acetileno, mientras que la sp3-sdel metano es lamás larga. Una variación más notable aún, se produce en los enlaces carbono-carbono, dado que la longitud de éstos es afectada no solamente por el tipo de hibridación, sino tambitn por el número de enlaces existentes entre ambos carbonos.


su longitud

paracada unadelasestructurassiguientes,ordenelosenlacesnumeradossegún oreciente (el enlace m6s corto, primero):

TABLA 2.1. Efecto de la hibridacidn sobre la longitud de enlace. ~~

enlaces de C &S cortos

C mdr [argos

enlaces de

H H-C-C-H

I

H % de carrfcter S:

1

H

25

longitud de enlace C-C:

1.54 A

longirud de enlace C-H:

1 .09 A

H

\

C=C

/

/

\

H-CGC-H H

33i

50

A I .O8 A

1.20 A I .O6 A

I .34

Grupos funcionales Secci6n

2.5.

63

G. Resumen de los orbitales hibridos del carbono 1,

Cuando un 6tomo de carbono esta unido a otros cuatro átomos, los enlaces que forma se construyen a partir de cuatro orbitales híbridos equivalentes sp3. Tal átomo de carbono se denomina tetra&rico.

2.

Cuando un &tomode carbono se une a otros tres átomos, utiliza para los enlaces orbitales híbridos sp2 (tres equivalentes), quedándole un orbital p sin hibridizar. L o s tres híbridos sp2 se usan para formar tres enlaces u y el orbital p forma un enlace n. El &tomo de carbono es, en este caso, trigonal. ayn

3.

Cuando un6tomo de carbono est6 unidoa otros dos átomos, utilizapara los enlaces dos orbitales híbridos .equivalentessp, quedándole otros dos orbitales p sin hibridizar. Con los orbitales sp forma dos enlaces u linealmente dispuestos y con los dos orbitales p forma dos enlaces IT. un enhce

u, dos 7~

1

H-CrC-H lineal

Ejemplos: C H 3 C V C N

carbonos sp

SECCI~N2.5.

Grupos funcionales A pesar de que los enlaces C-C sp3-sp3y C-H sp3-sson los m6s comunes y abundantes en los compuestos orgánicos, no son, notablemente, los que desempeñan el papel principal en las reacciones orgánicas. En la gran mayoría de los casos, son los enlaces IT o los 6tomos distintos del carbono y del hidr6gen0, los que le confieren a la molécula su reactividad. Una zona de reactividad química en una molkcula, recibe la denominaci6n de grupo funcional. Dado que un enlace IT o un átomo muy distinto en electronegatividadal C 6 al H, pueden dar lugar a reaccionesquímicas, son considerados como grupos funcionales o como parte de un grupo funcional. Algunos grupos funcionales (sombreados):

CH, CH=C H ,

CH,CH, NH2

C7H3C'H?

OH

Capitulo 2

64



Señalecon un círculo los grupos funcionalesdelasestructurassiguientes: O

I

OH

Las series de compuestos con el mismo grupo funcional, tienden a experimentar las mismas reacciones químicas. Por ejemplo, los compuestos mencionados a continuación contienen todos un grupo oxhidrilo ("OH). Estos compuestos pertenecen a la clase de sustancias llamadas alcoholes, y todos experimentan reacciones semejantes. Algunos alcohofes:

CH,CH,OH

(CHJKOH 0 - O H

A causa de las semejanzas en reactividad entre compuestos con el mismo grupo funcional, es conveniente a menudo usar una fórmula general para una sene de ellos. Normalmente se usa el simbolismo R- para representar un grupo alquilo (resto estructural que sólo contiene Atomos de carbono e hidr6geno unidos por enlaces simples). En este sistema podemos representar un alcohol como ROH. La Tabla 2.2 muestra algunos grupos funcionales y unas cuantas clases de compuestos con sus fórmulas generalizadas.

TABLA 2.2. Algunos grupos funcionales y clases de compuestos.

Ckase de compuesto

Estructura

c=c c-c "NH, "OH "OR

Nombre

Fdrmula general

enlace doble enlace triple grupo amino grupo oxhidrilo grupo alcoxilo

R,C=CR, RCECR'"

RNH, ROH R'OR"

"R' indica un grupo alquilo que puede ser igual o diferente a R.

Nombre de clase

alqueno alquino amina alcohol tter

Orbitales hibridos del nitr6geno

y el oxigeno Seccibn

2.6.

65

PROBLEMA MODELO L o s siguientes

compuestos son aminas., Escriba una f6rmula general.


Los siguientescompuestos son Bcidos carbox0icos. Escribir la f6nnula generalde un gicido carboxílico. CH,CO,H CH,CH2CH2C02H

SECCIdN 2.6.

Orbitales híbridos del nitrógeno y el oxígeno

A. Aminas Muchos grupos funcionales importantes en química orghica, contienen nitr6geno u oxígeno. Desde el punto de vista electrónico, el nitrógeno es similar al carbono y sus orbitales atómicos se hibridizan de un modo anhlogo a los de este último:

cuatro orbitales sp’ del N

2s

Como muestra este diagrama orbital, el nitrógeno puede hibridizar los cuatro orbitales at6micos desu segundo nivel electr6nic0, originando cuatro orbitales de enlace híbridos y equivalentes, sp’. Con todo, debe observarseuna importante diferencia entre el carbono y el nitrógeno: mientras el primero ha de distribuir cuatro electrones en sus cuatro orbitales sp3, el nitrógeno ha de distribuir cinco electrones tambiCn en cuatro orbitales; por lo cual uno de los orbitales híbridos estará doblemente ocupado. A causa de &o, el nitrógeno solamente podrá formar tres enlaces covalentes con otros &tomos. Una moltcula de amoníaco contiene un átomo de nitrógeno sp’ enlazado a tres tiene una estructurasimilar: un átomo &tomosde hidrbgeno. La molécula de una amina de nitrógeno sp3 se une con uno o m6s átomos de carbono. En uno y otro caso, el &tomode nitrógeno tiene un orbital ocupado por dos electrones de Valencia no compartidos. La figura 2.19 muestra la geomem’a y los orbitales ocupados del &tomo de nitrógeno enel amoníaco y dos aminas típicas. Las semejanzas estructurales son

66

Capítulo 2

Los

orbitales y su papel en elenlacecovalente

amoníaco

aminas

FIGURA 2.19. Los enlaces en el amoníaco y en dos aminas

evidentes. El par de electrones no compartidos presente en estos compuestos, les hace comportarsecomobases.Cuandounaamina se tratacon un ácido, estos electrones no compartidosseusanparaformar un enlacesigmacon el átomo deficiente en electrones del ácido; y el producto es una s a l de amina.

CH.?

CH,

una sal de amina

una amina

Por analogía con el carbono, cabría esperar que el ángulo de enlace H-N-H en el amoníacofuesede 109.5". Los experimentos han mostradoquenoes éste el caso, puesdicho hgulo tiene un valorde 107.3". Algunosautoresopinanque los hgulbs de enlace se ven comprimidos por el mayor volumen del orbital que contiene el pardeelectronesnocompartidos.Puestoque loselectrones de esteorbital son atraídos solamente por un núcleo y no pordos, están menos retenidosy en consecuencia, dicho orbital completo ocupa un espacio algo mayor que un orbital u N-H. Cuando los átomos unidos al nitr6geno sp3 son distintos del hidr6gen0, los Zíngulosde enlace observados esth más pr6ximosal valor tetrakdrico de 109.5", a causa de las repulsiones existentes entre estos grupos m& voluminosos.

107.3-

108

amoníaco

trimetil amina

El nitr6geno puede también encontrarse, al igual que el carbono, en los estados de hibridaci6n sp' y sp. De nuevo, la diferencia esencial con el carbono, consiste en que uno de los orbitales estií ocupado por un par de electrones no compartidos.

FSP

SP2\

CH,CH=N'*

CH,CH,C-N :

\

CH3

y oxigeno el Seccibn

Orbitales hibridos del nitr6geno

2.6.

67


W la f6rmula estructural completa para cada uno de los siguientes compuestos y diga qut tipo de orbitales se superponen para formar cada enlace: NH (a)

(CH3),NCH2NH2

I1

(b) H,NCNHCH,CN

(c) C N H

B. Agua, alcoholes y &eres De igual modo que el carbono y el nitr6gen0, el oxígeno forma tambiBn orbitales hibridos sp3.Dado queel oxígeno tiene seis electrones de Valencia, tendr6 dos orbitales doblemente ocupadosy podrá formar dos enlaces covalentes.

m

cuatro orbitales sp‘ del O

2s

El agua es un ejemplo de compuesto que contiene un oxígeno sp3.El Angulo de enlace medido, 104.5”,no coincide con el valor te6rico del tetraedro, hecho que cabe atribuir nuevamente al volumen de los orbitales que contienen a los electrones no tal como ocurre compartidos, factor que actúa comprimiendo el Angulo H-0-H, con el hgulo H-N-H del amoníaco. Hay muchas clases de compuestos orgánicos que contienen átomos de oxígeno sp3. Consideremos por el momento dos de ellas: los alcoholes y losBteres (ROH y ROR’). Los enlaces del oxígeno en alcoholes y Bteres son análogos a los enlaces en la molkcula de agua. En cada caso, el oxígeno tiene hibridaci6n sp3 y dos pares de electrones de Valencia no compartidos, como se indica en la Figura 2.20. orbitales ocupados

FIGURA 2.20. Los enlaces en el agua, en el alcohol CH,OH y en el eter CH,OCH,.

C. Compuestos carbonílicos El grupo carbonilo (C = O) contiene un átomo de carbono sp’ unido por un doble enlace a un átomo de oxígeno. Aunque cabe pensar tentativamente que el Atom0 de

Capítulo 2

68

Los orbitales y su papel en el enlacecovalente

scp0; .._

e-

no compartidos

0

esqueleto plano de enlaces u (todos los hgulos de enlace aprox. 1200)

enlace P

FIGURA 2.21. Los enlaces en el grupo carbonilo.

oxígeno carbonílico se halla también en el estado de hibradaci6n sp2, lo cierto es que no existe aúnseguridadcompletasobreestepunto,yaquenohay h g d o de enlace que medir. La geometría del grupo carbonilo la determina el titomo de carbono trigonalsp2. La funci6ncarbonílicaes plana alrededordedichocarbono y contiene un par de dospares de electronesno compartidos, electrones T.El oxígeno tiene, como es usual, todo lo cual se muestra en la Figura 2.21. E/ grupo carbonilo:

o*-

:o-

II

C ; J U Y P

I1

C

C

/

/ \

/ \

pares de e- no comprtiabs

p h o y trigonal

C

*+

\

polar

El grupo carbonilo es m& polar queel enlaceC-0 de los alcoholesy los &eres. La raz6n m k probable de esta polaridad exaltada, es que los electronesn, m6s móviles, son atddos con mayor facilidad hacia el Atom0 de oxígeno electronegativo que los electrones u del enlace C"0. El grupo carbonilo no se considera en sí mismo como un grupo funcional, sino m& bien parte constituyente de otros grupos funcionales. La naturaleza de éstos y la clase de compuesto, la determina el tipo de 6tomos unidos al carbono carbonílico. Si uno de &tos htomos es hidr6gen0, el compuesto esun aldehido; si los dos son carbonos, se trata deuna cetona. Anteriormente se mencionaron los ácidos carboxílicos en los cuales un grupo OH esthunido al grupo carbonilo.Posteriormentemencionaremos otras clases de compuestos carbonííicos.

O

O

I1

RCH o

RCHO

un aldehldo

II

RCR unn CetoM

O

It

RCOH

O

RCOZH

un cicido corboxflico

PROBLEMA MODELO Clasifique cada uno de las siguientes compuestos como aldebído, cetona, o &cid0carboxílico:

Dobles enlaces conjugados Secci6n

2.7.

69

O

I1

(a) C ) C 0 2 H

(b) CH3CH2CH

(c)

(d) HCHO

(-y CCH,

Soluci6n: (a) ticido carboxííico; (b) aldehído; (c) cetona; (d) aldehído


Escribaf6nnulasestructuralescondensadas para compuestos de cuatrocarbonosque ejempli fiquen (a) un aldehído; (b) una cetona; (c) un ticido catboxflico y (d) un ticido carboxílico que adem& sea cetona. (Puede haber mas de una respuesta correcta para cada caso.)

S E C C I ~2.7. N

Dobles enlaces conjugados Una molCcula orghnica puede contener m& de un grupo funcional. En la mayoria de los compuestos polifuncionales, estos grupos son independientes entre sí, aunque no siempre. Vamos ahora a considerar algunos compuestos conm& de un doble enlace carbono-carbono. modos En una molkcula orghnica, dos dobles enlaces pueden estar situados de dos principales. Cuando los dos dobles enlaces se originan en carbonos adyacentes, se dice que e s t h conjugados: Dobles enlaces conjugados:

w

CH,=CH"CH=CH, &O~UM

de

carbono

adyacentes

Cuando por el contrario, los dc ,les enlaces se originan en carbonos no adyacentes,

se dice que e s t h aislados o no coqjugados: Dobles enlaces aislados:

CH,=CH"CH2"CH=CH,

\ I '

átomos deC no adyacentes


La vitamina A, tiene la estructura indicada a continuaci6n. ¿Cuhtos dobles enlaces conjugados y cuantos aislados contiene?

70

2.11.


Capitulo 2

Dibujelaestructuradeuncompuesto de ocho carbonosquetenga: (a) tresdobles enlaces conjugados; (b) dos dobles enlaces conjugados y uno aislado y (c) tres dobles enlaces aislados. (Puede haber m& de una respuesta conecta.)

Los doblesenlacesaisladossecomportandemodoindependiente:cadauno experimenta reacciones como silos demás no estuvieran presentes. Los dobles enlaces conjugados, por el contrario, no reaccionandemodoindependiente; existe una interacci6n electr6nica entre ellos. Para entender este fedmeno, vamos a escoger el más simple de todos los sistemas conjugados, el 1,3-butadieno, CH, = CH--CH = CH,. La Figura 2.22 ilustra la superposici6n de los orbitales p en este compuesto. (La Fig. 2.22 muestra un arreglo de los orbitales de enlace del 1,3-butadieno. En la Secci6n 17.1, sedetallanmás los orbitales moleculares T de este compuesto. En la Fig. 17.1, se ilustra una representaci6n de los cuatro orbitales moleculares T.) Hemosnumerado los 6tomosdecarbonodel 1,3-butadieno, para referimosa ellos por número. Existen dos pares de orbitales p que se superponen para formar dos enlaces n: uno entre los carbonos 1 y 2 y otro entre los carbonos 3 y 4. Sin embargo, los orbitalesp de los carbonos 2 y 3son tambitn adyacentes y existeuna superposicibn parcial entre los mismos:aunque la mayorpartede la densidad electr6nica T está situadaentre loscarbonos1-2y 3-4, algo de ella seencuentra tambitnentrelos carbonos 2-3. Para decribirestainteracci6n de enlaces T ensistemas conjugados,se usan diferentes ttnninos. Podemos decir, por ejemplo, que existe una superposicón parcial de orbitales p entre los átomos de carbono centrales. Podemos decir tambitn que el enlace entre los carbonos 2 y 3 del 1,3-butadieno, tiene carhcter parcial de doble enlace. Otro modode describir el estado del sistema, es decir que los electrones T superposicidn parcial

cada C es sp'

H , O C @ ,

H I C

I H

O

H

I

C

I H

O

H

'dos enlaces vista superior d e l sistema plano de enlaces u (no se muestran los orbitales p)

71 )

vista lateral mostrando los orbitales p (no se muestran

los hidr6genos)

FIGURA 2.22. El sistema de orbitales p del 1,3-butadieno, CH, = CH-CH

= CH,.

Benceno

Secci6n 2.8.

71

est& delocalizados, lo que significa que la densidad electr6nica P está distribuida en una regi6n algo más amplia de la moltcula. En contraste, los electrones localizados est& restringidos a sólo dos núcleos. Los dobles enlaces no conjugados contienen electrones T localizados.

PROBLEMAS DE ESTUDIO 2.1 2. Dibuje los orbitales p de cada uno de los siguientes compuestos, utilizando líneas continuas para indicar la superposici6n T normal y líneas interrumpidas para indicar la superposici6n T parcial, tal como se hizo en la Figura 2.22:

l/i

/%..

(a) CH,=CHCH2CH=CHCH=CH, 2.13.

(b)

Escriba la f6rmulade una cetonadecuatrocarbonosdecadenaabierta,quetengael carbonilo conjugado con un doble enlace carbono-carbono.

grupo

Benceno El benceno (C6H6)es un compuesto cíclico con seis átomos de carbono dispuestos en un anillo plano. Cada átomo de carbono está en el estado de hibridaci6n sp2y tiene un hidrógeno unido a t l quedándole, consiguientemente, un orbital p no hibridizado perpendicular al plano de los enlaces u (que es el plano del anillo). Cada uno de estos orbitales p contribuye con un electr6n al sistema de enlaces T (fig. 2.23). Con seis electrones p. el benceno debería contener tres enlaces T , que podrían dibujarse como en la f6rmula A (ver a continuaci6n) o como en la f6rmula B. Ahora bien, ¿no podria producirseen este tipo de sistemaorbitalp, una delocalizaci6ncompleta de los seis electrones p (fórmula C)en lugar de una delocalizaci6n parcial? Se sabe que todas las longitudes de enlace carbono-carbono en el benceno son idtnticas, aproximadamente 1.40 A. Esta distancia es mavor que Ia del doble enlace C = C, pero apreciablementemás corta que ladel enlace sencillo C-C. Si el benceno contuviera tres enlacesdobles localizados, separadosportres enlaces simples, las longitudes de enlace no serían todas iguales; como no hay diferencias, debemos des cartar una imagenorbital del anillo benchico, con enkr,ec jsimples ydobles alternados. H

H

H'

H

estructura de enlaces u (cada C es sp' y tiene un electr6n p)

(el círculo representa deloca!izaci6n completa)

72

Capitulo 2

Los orbitales y su papel en el enlace covalente superposici6n total

\

vista lateral, mostrando los orbitales p (en fase)

nube

aromitica

FIGURA 2.23. La estructura de los orbitales p del benceno, C,h,

Con base en las longitudes de enlace observadas y en una extensa evidencia que presentaremos enlos próximo capítulos, se ha llegadoa la conclusión de quela molécula de benceno es unaentidadplana y simétrica, enlaquetodos losenlacescarbonocarbono son idénticos. En lugar de una estructura con enlaces simples y dobles alternados, los seis electrones IT están completamente delocalizados y forman una nube de carga electrónica continua cuyo aspecto recuerda al de un par de rosquillas. Esta nube electrónica del benceno se conoce como nube aromhtica. La Figura 2.23 ilustra el orbital de enlace en el benceno(demenorenergía), quegeneralmente se usapara representar la nubeIT aromática. La Figura 10.6 muestra los seis orbitales rnoleculares P del benceno. En este texto, por lo generalusaremos un hexágono con un círculo dentro para representar al benceno; el círculo representa la nube aromática. El benceno es precisamente un miembro de una clase de compuestos llamados compuestosaromAticos, caracterizadosporcontenernubes TT aromáticas.Históricamente,el término“aromático”derivadelhechodequemuchosde los que se caracterizaron en los primeros tiempos poseían aromas penetrantes. Discutiremos con detalle los compuestos aromdticos en los capítulos 10 y 16.

SECCl6N 2.9.

Resonancia El metano (CH,) y el etileno (CH,= CH,) son ejemplos de moléculas orghicas, cuyas estructuraspuedendescribirserazonablementeusandofórmulassimplesde ehlaceValencia, es decir,usando líneas para indicar los pares electrónicos de los enlaces. En cada caso, una línea que une dos símbolos atómicos, representa un enlace covalente entre los dtomos correspondientes. En contraposicióna esto, elbencenoes un tipodemoléculaorgánicacuya estructura no puede describirse adecuadamente mediante fórmulas de enlace-Valencia. L a delocalización de los electrones IT,da lugar a un sistema en el que los electrones IT abarcan más de dos átomos.Así, la clásica representación de enlace-Valencia, resulta insuficiente para circunstancias como ésta.(Representar la nube aromática mediante un círculo dentro de un hexágono, es un simbolismo relativamente reciente). Con el fin de describir la distribución de electrones IT en el benceno, mediante representaciones clhicas de enlace-Valencia, es preciso utilizar dos fórmulas:

Resonancia

en

73

/ In estructura real es

Q "Q estructuras

Seccidn 2.9.

una supelposici6n de

estaF dos estructuras en resonancia

resonancia

del benceno (fdrmulas de Kekulk)

Estas dos f6rmulas de enlace-Valencia del benceno se llaman f6rmulas de Kekuld en honor de Friedrich August Kekulé, quien las propuso por vezprimera en 1872. La proposici6n original de Kekult era brillante pero, por desgracia, incorrecta. Su idea era que las dos estructuras del benceno coexistían en un rhpido equilibrio, de foma tal que ninguna de las dos podía ser aislada independientemente de la otra. Se decía que estas dos estructuras estaban en resonancia la una con la otra, por lo cual fueron designadas con el nombre de símbolos o estructuras en resonanciapara el benceno. Sabemos actualmente que el benceno no está en equilibrio entre estas dos estructuras, sino que su estructura real es una fusión de ellas o, dicho con otras palabras, que el benceno es un hll>rido de resonancia de las dos estructuras resonantes. En cualquier situación en la que podamos describir una estructura molecular mediante dos a mhs f6mulas de enlace-Valencia que súlo difieran en la posiciún de los electrones (los IT generalmente), ninguna de esas f6nnulas estar6 en completo acuerdo con las propiedades físicas y químicas del compuesto. Cuando pueden escribirse distintas estructuras en resonancia para un producto dado, puede admitirse tambitn una delocalizacidnde la densidad electrhica, lo cual es cierto para todas las estructuras aromhicas y tambitn para algunas otras que mencionaremos posteriormente. La estructura real del naftaleno es una fusi6n de las estructuras resonantes:

la estructura real de la piridina es una fusi6n de las estructuras resonantes:

0-0 N

N

El hecho importante que hay que conservar en lamemoria, es que las estructuras resonantes no son estructuras reales; la estructura real es una composición o fusi6n de dichas estructuras resonantes. Algunos químicos han propuesto la analogía de que un rinoceronte (animal real) puede describirse como un híbrido de resonancia entre un unicornio y un drag6n (animalesimaginarios); un rinoceronte noestá en equilibrio con un unicornio y un drag6n, sino que simplemente presentaalgunas de las características atribuibles a estos últimos animales. Para indicar expresamente que dos o más f6rmulas representan estructuras resonantes (imaginarias) y no estructuras reales en equilibrio, utilizaremos una flecha con dos cabezas (-1. La presencia de unequilibrio químico se indicará mediante dos flechas (e). Resonancia:

rinoceronte: (real)

tenceno: (re4

unicornio

0

-

(imaginarios)

(imaginario)

drag611

0

74

Capitulo 2

Los orbitales y su papel enlace en el covalente

Los compuestos aromáticos no son los únicos para los que resultan inadecuadas las fórmulas simples de enlace-Valencia. El grupo nitro por ejemplo (“NO,), es un grupo de átomos que sólo puede ser bien descrito mediante estructuras en resonancia. Una estructura de enlace-Valencia del grupo nitro, muestra dos clases de enlace NO, a pesar de que se sabe que ambos enlaces nitrógeno-oxígeno sonde igual longitud. Se necesitan entonces, para la adecuada descripción del grupo nitro, dos estructuras en resonancia, estando la real de algún modo entre ambas. Se muestran a continuación las estructuras en resonancia del grupo ”NO, en el nitrometano (CH,NO,). Para poner de manifiesto la identidad de los dos enlaces N - 0 , algunos autores representan este grupo funcional mediante líneas punteadas que indican el carácter parcial de doble enlace.

El ion carbonato (CO,2-) es otra entidad que tampoco puede ser representada por una estructura simple de enlace-Valencia, pues los tres enlaces carbono-oxígeno tienen idtntica longitud. Son, pues, necesarias, tres estructuras en resonancia para describir la situación real. .eo.

II

:o: I

:o:

I

A. Desplazamientoselectrónicos Dentro de una serie de estructuras en resonancia, es usual indicar los desplazamientos de electrones 7~ mediante flechascurvas. El verdaderopropósito de Cstas es permitimos avanzar sistemáticamente de una estructura en resonancia hacia la siguiente. Estos desplazamientos electrónicos son puramente artificiales: los electrones 7~ no se desplazan en realidad, sino que están delocalizados. Nótese que las flechas de “desplazamiento’’ electrónico solamente pueden trazarse desde un átomo o enlace dado hacia el átomo o enlace adyacente:

2.9.

Resonancia Secci6n

75

Al usar flechas de desplazamientoelectrónico, es preciso prestar especial atención a las reglas de Valencia: un átomo del segundo período puede acomodarcomo máximo ocho electrones en su capa de Valencia. A fin de no perder de vista este hecho, es conveniente dibujar expresamentelos electrones no compartidosen todas las estructuras en resonancia:

Esto no es posible. El N no puede acomodar I O e -

PROBLEMA MODELO Escriba estructuras en resonancia con flechas de desplazamiento electr6nic0, para la pirimidina y el ion acetato, CH,CO,- :

.. pirimidina Soluci6n:

@"-

cy.

:o:CH,C=O: I

N

..


El ion nitrato NO,- contiene tres enlaces nancia.

N 4 equivalentes. Escriba

sus estructuras en reso-

B. Contribuyentesmayoritariosyminoritarios En cada uno de los ejemplos que hemos mostrado, el sistema de enlaces era el mismo en'todas las estructuras en resonancia. En talcaso, las estructuras en resonancia poseen igual energía y son equivalentes entre sí. Las estructuras en resonancia equivalentes, contribuyen de modo andlogo a la estructura real. En otros casos, las estructurasen resonancia pueden noser necesariamente iguales ni contribuir, por lo tanto, en igual medida a la estructura real. Consideremos el siguiente ejemplo:

..

y3

energía menor, contribucidn mayor

c

H

/ \

:G: cI

H formaldehído

energía mayor, contribuci6n menor

+

/

H

~

\

H

Capitulo 2

76

Los orbitales y su papel en el

enlace covalente

En la estructura de la izquierda, todos los átomos del formaldehído tienen completo el octeto de electrones de Valencia y no hay separación de cargas opuestas. Esta estructura en resonancia, es de menor energía que la estructura de la derecha, en la cual un átomo (el de carbono), esd rodeado solamente por un sexteto de electrones, existiendo además una separación de cargas en la unión carbono-oxígeno. La estructura de menor energía es más parecida a la estructura real que la de energía superior. Podemos decir que la primera estructura, es una estructura en resonancia m's importante o bien, que contribuye mayoritariamente a la estructura real. La otra, por el contrario, es una estructura en resonancia menos importante o de contribución minoritaria. (Esto es similar a decir que un rinoceronte es como un dragón con un poco de unicornio incorporado.)

El formaldehído es como

~~~

~~

.o I1

:e:

H-C- H

conunapequeñacantidadde

H-C-

I+

H

incorporada.

~~


¿Cuál delassiguientesestructurasenresonanciacontribuyemayoritariamentea real?

:o.

:o:

'--m-

~

1 9 CH,C--CH=CH,

(a) CH,C=CH-CH,

( b ) CH,C-OCH,

la estructura

-

:e:

-

:o

I1

CH,C-CH=CH,

CH3CdCH3

C. Reglas para escribir las estructuras en resonancia En los próximos capítlllos encontraremos con frecuencia estructuras en resonancia. Será conveniente, por lo tanto, resumir las reglas que es preciso observar para escribirlas correctamente: 1.

Solamente 105 glectrones pueden ser desplazados (no los átomos), y exclusivament
2.

Han de descartarse aquellas estructuras en resonancia, en las que un átomo lleva en su capa de Valencia más electrones de los que le permite su capacidad (ocho electronesen el caso de los elementosdel segundo período), ya que no contribuyen a la estructura real.

Secci6n 2.9.

Resonancia

3.

77

Las estructuras en resonancia más importantes contienen únicamente átomos con un octeto completo en la capa de Valencia y, además, la menor separaci6n de cargas posible.

-

cs'.

+/

CHJN

*

.o; -

\

'0;

-

\

.o;.-

menos importante porque el N tiene sdlo 6 e -

A s importante porque cada

2+/

CH,N

&tomotiene un ocieto de e -

D. Estabilizacih por resonancia Cuando una estructura es un híbrido de dos o más estructuras en resonancia, la energia de la estructura real es menorquela de cualquiera de las formas en resonancia propuestas. Se dice que la estructura real está estabilizada por resonancia. En la mayoría de los casos, la diferencia de energía es pequeiia, pero para los sistemas aromáticos, tales como el benceno o el naftaleno, llega a ser bastante grande. Las razones de la estabilizaci6n aromática serán discutidas en el Capítulo 10. O

O d-

I1

C

La estructura hipotktica 0-

/ \

I:

que energía mayor tiene

"o

-0

0

La estructura hipotktica

i/

C.

y. 0 6 -

tiene mucha mayor energía que

La estabilizaci6n por resonancia es muy importante en un compuesto, si dos o más de sus estructuras en resonancia son equivalenteso casi equivalentes en energía. Por otro lado, las estructuras en resonancia de alta energía, son contribuyentes menores que dan poca estabilizacih. :pj. :o:

II

H-C-H

ganamuypocaestabilizaci6ndebidaa

I+

H-C-H

No se han comprendido del todo las razones para las diferencias de contenido energktico entre estructuras en resonancia y estructura real. Ello puede deberse en parte, a que el electr6n delocalizado se ve atraído por más de un núcleo. AdemBs, es de validez general el principio de que un sistema con delocalizaci6n de electrones o de carga electrónica, tiene menor contenido de energía y mayor estabilidad que otro en el que dichos electrones o cargas están localizados. Aunque los átomosde carbono generalmente noforman enlaces i6nicos, la estabilizaci6n por resonancia permite que éstos puedan existir (aunque seaporun instante). Por ejemplo: CH,CH,CH, C I -

CH,=CHCH,

no se puede formar

en las condiciones de

1aboratw;o

estructuras en resonancia de/ CH, = CH -Cd2

CH,=CH--CH, n

e---*

CI

altamente aunque es reactivo y de corta vida, puede esistir en las condiciones ordinarias de laboratorio

CH,-CH=CH,

contribuyentes iguales

Capitulo 2

78

Los orbitales y

su papel enel enlace covalente

La raz6n principal de la acidez de los ácidos carboxílicos, es la estabilización del ion carboxilato por delocalización de la carga negativa.

En el ion carboxilato, la carga - secomparte por los dos oxígenos

PROBLEMA M O D E L O

¿Cuáles de los siguientes compuestos e s t h estabilizados por resonancia? (Nota: Dado que los electrones de Valencia del azufre están en la tercera capa electrónica, este elemento puede acomodar más de ocho electrones en su capa externa.)

H CH,CH2CH3

(a)

(b)

O \

F

/C=C

H

\

H

II II

3

(c) CH,O"S-O

H

O

Solucibn: (a) no está establizado por resonancia por no contener electrones

7~

(b) no está estabilizado por resonancia por no haber posiciones en la molécula en las que puedan delocalizarse los electrones 7~ (c) está estabilizado por resonancia:

.o.!

* o *

:O:-

PROBLEMA DE ESTUDIO 2.1 6.

(1) Escriba, estructuras en resonancia para los siquientes iones. (2) Indicar cual de las estructuras en resonancia es el contribuyernte principal; o (3) si las estructuras son de energía similar. (a)

CH,CH=CHCHCH,

(b) O

C

H

,

.'ij (d)

:CH,CrN:

(f)

C)--!O:.ad'

(¡Cuidado!)

Resumen Un enlace covalente es el resultado de la superposición de dos orbitales atómicos, que forman un orbital molecular de enlace de baja energía, en el cual se alojan dos

electrones apareados.

Resumen

79

Los cuatro orbitales at6micos del carbono, experimentan hibridación al formar enlaces: Hibridación S$: cuatro enlaces simples equivalente (disposición tetraédrica) Hibridación sp': tres enlaces simples equivalentes (disposicibntrigonal) y un orbital p sin hibridizar Hibridación sp: dos enlaces simples equivalentes (disposici6n lineal y dos orbitales p sin hibridizar La supepsiciónfrontal de un orbital híbrido con un orbital de otro átomo, da lugar a un enlace sigma (u). La superposición lateral de un orbital p con otro orbital p paralelo, da lugar a un enlace pi (IT).

H

I

H

1

H-C-C-H

sp3, todos a

I

\. C= I

SP2

I

SP

Cada orbital molecularde enlace tiene un orbital molecular de anti-enlace asociado con él. L o s orbitales antienlazantes son de energía superior a los enlazantes y a los orbitales atómicos que contribuyeron a su formación. En el estado basal, las moléculas tienen sus electrones en los orbitales de energía mínima, que generalmente son los enlazantes. Un grupo funcional es una zona de reactividad quimica en una molécula, que surge a consecuencia de un enlace IT O de diferencias de electronegatividad entre átomos enlazados. Un enlace doble o uno triple, son ejemplos de grupos funcionales. Otros ejemplos se muestran en las siguientes fórmulas generales: ROH alcohol

RNH,

ROR

aminu

.o II

*b'.

It

RCH

RCR'

aldehfdo

cetona

-.d I1 ..

RCOH ácido carboxílico

Los enlaces IT que se originan en carbonos adyacentes, se denominan dobles enlaces conjugados. En el caso del benceno y otros compuestos aromáticos, la delocalizaci6n completa de los electrones v da lugar a la nube IT aromhtica.

CH,=CH"CH=CH,

1

algo de densidad electr6nica 7~ en esta posicidn

electrones m completamente delocalizados

los orbitales y su papel en el enlace covalente

Capitulo 2

80

Pueden usarse las estructuras en resonancia para mostrar la delocalizaci6n de los electrones T. :ii :-

6: C7H:Fqj:-

--+

t~

I

CH,C'=G

Cuando no todas las estructuras en resonancia son equivalentes, la de menor energía es el contribuyente principal a l a estruchm real:

CH,"C-CH,

CH,"C--CH,

+ -"

+

contribuyente principal

La delocalizaci6n de los electrones T en una molécula o de la carga electr6nica en un ion, origina un ligero aumento en la estabilidad del sistema. Sin embargo, en el caso de los compuestos aromfiticos, este aumento de estabilidad es muy grande.

PROBLEMAS DE ESTUDIO 2.1 7.

Explique si las siguientes estructuras representan el mismo o diferentes compuestos. HI-

I H-C-Br I H

2.1 8.

H

I H-C-H I

I I

Rr-C-Br

Br

H

LCuhIes de las siguientes f6rmulas moleculares pueden representar compuestos reales? ( a ) CZH-

2.19.

Br

(h)

C'.3He

(c) CjH,

(d)

C',Hq

Dibujeunesquema orbital p para cada uno de los siguientes compuestos. Use líneas para representar los orbitales u. (a)

(C'H,),C'=C'(('H,),

( h ) C'H,CECc'H,

2.20.

Indique el tipo de hibridaci6n de cada átomo de carbono en los siguientes compuestos:

2.21.

En cada una de las siguientes estructuras, ¿están o no en el mismo plano los htomos de carbono indicados? i

t

L

I 1 ,C.' t

tt


2.23.

81

Dibuje un esquema orbital para cada una de las siguientes f6rmula.s. Indicar los tipos de orbides que utiliza cada Atom0 y mostrar cualquier orbital que tenga electrones de Valencia no compartidos. (Usar lineas para representar los enlaces u.)

-

(a)

2.24.

H,O+

(b) HCN

OH- (c)

(d) QCH=CH,

El diagramadeorbitalesmolecularesquesiguecorresponde d e l ciclohexeno:

ciclohexeno

al doble enlacecarbono-carbony

o -

(a) Indique, mediante flechas, qu6 orbitales contiene los electrones del doble enlace del ciclohexeno en su estado basal. (b) La absorci6n de radiaci6n ultravioletapor parte del dobleenlace, da lugar a la promoci6n de un electr6n aun orbital de mayor energfa. Cuandoel ciclohexeno pasa al estado excitado, p a es la transici6n electr6nica que requiere menor energfa?

o pares de estructuras ~ c u a de los enlaces indicados

2.25.

En cada una de las siguientes estructuras, (1 6 2) es el 6 s corto?

2.26.

La piperazim es el medicamento de elecci6n para tratar pacientes con parhitos intestinales. La piridina es un compuesto aromktico de olor acre, que se usa como disolvente y coho reactivo , en quimica orgiinica

piperazina

piridha

(1) Dibujelasf6rmulasestructuralescompletas, mostrandocada homo y representando los enlaces covalentes mediante líneas. (2) Indique los pares de electrones no compartidos por medio de puntos. (3) ~ C u aes el tipo de hibridacibn en cada Atom0 del anillo?

82

Los orbitales y su papel en el

Capitulo 2

enlace covalente

2.27.

Setide mediantepuntos los electrones nocompartidos existentes en las siguientes estructuras:

2.28.

¿Que compuesto de cada par es el m6s polar? (a) (c)

2.29.

CH,CH,OH, CH,0CH3 CH3NH2, (CH,),N

(b) CH30CH3, (CH3),C=0 (d) CH,CH,. CH,CH,CI

Encierre en un círculo y nombre los grupos funcionales de las siguientes estructuras:

O

O

II

O

I1

(a) CH,CH

I1

(c)

(b) CH,CCH,CH,

CH,CH=CHCOF1 O

fl (e) O

(d) 0 C H 2 0 H

(P)

C

H

(f) CH,CCH20H /I

O

O

(h)

@:H20€i

o

HO

/

cortisona

estradiol

{corticoide usado para el tratamiento de la arzritis)

{hormonafemenina)

2.30.

Escriba unaf6rmula general, usando lossímbolos R y R', paracadaunode compuestos (p.ej.: CH,OH = ROH).

(a)

OOH

los sigdentes

O

It

(c) CH,CH2NHCH,

(b) CH,CH,CH,COCH,

2.31.

Dibuje una estructura de tres Atomos de carbono y de cadena abierta, que ilustre cada uno de los siguientes tipos de compuestos: (a) alqueno; (b) alquino; (c) Bter; (dl alcohol; (e) d n a ; (f) tetona; (g) aldehído; (h) Lido carboxílico. (En cada caso, puedehaber m6s de una respuesta correcta.)

2.32.

Dibuje de nuevo cada una de

(a) CH,CH,CH,CO2H

2.33.

las siguientes estructuras, haciendo resaltar el grupo carbonilo: (b) O

C

H

O

(c)

O C O , C H ,

Escriba una f6rmula estructural condensada para cada uno de los siguientes compuestos (puede haber mhs de una respuesta): (a) una cetona C,H,O (c) un alqueno C,H,,

(b) un alcohol cíclico C,H,,O (d) un aldehido C,H,O


83

2.34.

Indique si cada uno de los siguientes compuestos contiene enlaces P delocalizados o localizados:

2.35

J X la estructura de un compuesto de cinco carbonos y cadena abierta que tenga: (a) dos dobles enlaces conjugados; (b) dos dobles enlaces aislados (puede haber m& de una respuesta).

2.36.

Sobre la siguiente estructura de la ciclohexanona, (a) situ6 un doble enlace carbono-carbono conjugado con el grupo carbonilo y (b) indique el tipo de hibridaci6n de cada &om0 de carbono en la estructura que contiene el doble enlace (2°C.

eo ciclohexanona

2.37.

Diga si cada uno delos siguientes pares de estructuras, sonsímbolos en resonancia 0 compuestos (o iones) en equilibrio: (a)

CH3C02H

y

CH3C0,-

(b) CH3CH,N=0

y

(c) CH,CCH,-

CH,CH=N-OH

0-

O

I1

+ H'

y

I

CH3C=CH,

2.38.

¿Cualesde los siguientes pares de estructuras pueden clasificarse comoestructuras en resonancia?

2.39.

Dibuje en cadacaso las estructuras en resonancia que contribuyen en mayor grado a la estructura real. O o

2.40.

Los orbitales y su papel en

Capitulo 2

a4

el enlace covalente

LCufiles de las siguientes estructuras en resonancia son l a s que contribuyen mayormente a la estructura real? I rii :

(a)

n i CH,CH,C-NH,

e------)

(b) CH,:-OCH,

-

I p.

CH,CH,~-NH,

-

t."+

:O: I

t

CH,CH~C=NH,

:o:;

CH,&=OCH,

2.41.

Escriba las estructuras de Kekult5 m& impomtes, para cada uno de los siguientes compuestos m d t i c o s . (Nota: determine primero el número de electrones P. A continuaci6n, determinar el número de dobles enlaces que estos electrones IT pueden formar. Por último, distribuya los dobles enlaces en todas las maneras posibles, teniendo en cuenta las reglas de Valencia.)

2.42.

LC& ion en cada uno de los siguientes pares sena mas estable? Explíquelo mediante el uso de estructuras en resonancia.

(b) CH,CH,?HCH, (c) :CH,CH,

y

y

CH,=CH6HCH3

:CH,NO,

2.43.

El deno posee la estructura CH, =C = CH,. (a) ¿Cud es el estado de hibridaci6n de cada &tomo de carbono? @)¿Quehgulo de enlace cabe esperar entre ambos enlaces IT? (c) ¿Puede o no puede decirse que estos enlaces IT e s t h conjugados? (d) ¿Puede delocalizarse la carga electr6nica a lo largo de dichos enlaces IT?

2.44.

El hgulo de enlace o-"-o en el CO, es de 180". Escriba la estructura de Lewis y dibuje el esquema de orbitalesp. ¿Cud es el estado de hibridaci6n delAtom0 de carbono?

2.45.

Las guanidinus y lasamidinus son compuestos que reaccionan como bases. Dibuje las estructuras en resonancia de los correspondientes Lidos conjugados (o sea, los cationes): :NH (a)

II

+

CH~NH-C-NH,

+ H+

I1

-+

CH~NH-C-NH,

una guanidina

:NH

I1

(b) CH,-C-NH, una midina

+

+ H+

-+

NH,

NH,

I1

CH,-C-NH,


85

2.47.

El mefileno triplete esuna especie muyinestabledef6rmula :CH,.El hgulo de enlace HC-H es de 180". Dibuje un esquema orbital, usandolíneaspara los enlaces o; e indique el estado de hibridaci6n del dtomo de carbono.

2.48.

Los dtomos de hidr6geno encerrados en un circulo en l a s f6rmulas siguientes son bastante maS dcidos que otros hidr6genos unidos a carbono. Sugiera UM explicaci6n para esta acidez. (Nota: considere las posibles estructuras en resonanciade los aniones resultantespor pbrdida del prot6n en el círculo.) O 0 (a)

II

I1

CH,CFHCCH,

(b) NC-FH-CN

6 2.49.

Unodelos pocos compuestos i6nicos conocidos d q l carbono es el perclorato de trifenilmetilo, en el cual el ion orghico s610 tiene C y H,ipor qu6 puede aislarse este compuesto mientras que ei cati6n fenilmetilo (cati6n bencilo) tan es inestable que no producesales aislables? (Emplee estructuras en la respuesta)

perclorato de hifenilmetilo

cati6n bencilo

CAPÍTULO 3

Isomería estructural, nomenclatura y alcanos n el Capítulo 2 tratamos ya la naturaleza de los enlaces en diversos compuestos que contienen solamente carbono e hidrógeno. Un compuesto de estas características se denomina hidrocarburo: el metano (CH,), el etileno (CH, = CH,) y el benceno (C,H,) son ejemplos de hidrocarburos. Los hidrocarburosquesólotienencarbonos sp3 (yporlotantosólo enlaces simples), se llaman alcanos, o cicloalcanos si los átomos de carbono constituyentes e s t b dispuestos en un anillo. Algunos alcanos típicos son el ya mencionado metano, el etano (CH,CH,), el propano (CH,CH,CH,) y el butano (CH,CH,CH,CH,). Todos estosalcanosson gases, seencuentranen los depósitosdepetróleo y se usancomo combustibles. La gasolina es fundamentalmente una mezcla compleja de alcanos. Al final de este capítulo discutiremos algunos aspectos de la químicade estos compuestos. Tanto los alcanos como los cicloalcanos se consideran hidrocarburos saturados, queriendo indicar con ello “saturadosencuanto a su contenido de hidrbgeno” y por esto no reaccionan con hidrógeno. En cambio, los compuestos que contienen enlaces 7~ se denominan insaturados: bajo condiciones apropiadas, reaccionan con hidrógeno para dar hidrocarburos saturados.

E

Hidrocarburos saturados:

CH

+- H, --

0+ H2

hay no

reacci6n

metano

ciclohexano

alcano

cicloalcano

no hay reaccidn

Is6meros estructurales

Secci6n 3.1.

87

Hidrocarburos insaturados.:

CH2=CH2

+ H,

catalizador de Ni -f

CH,CH,

etileno

CH,CrCH

+ 2 H2

catalizador de Ni

* CH,CH2CH3

propino

0 + 3 H ,

ciclohexano

catalizador de Ni

-

calor, presi6n

benceno

O

En este capitulo discutiremos fundamentalmente sobre los alcanos cicloalcanos, y es decir, los hidrocarburos saturados. Dado que carecen un deauténtico grupo funcional, su química no es la típica de la mayoría de los compuestos orgánicos; sin embargo, proporcionan el esqueleto carbonado de todos los demás compuestos que sí contienen grupos funcionales. Por esta razón, los hidrocarburos saturados son un vehículo excelente para estudiar las variaciones en estructuray la nomenclatura de los compuestos orgánicos. SECC16N 3.1.

Isómeros estructurales Las variaciones de estructura enlos compuestos orgánicos pueden surgir de variaciones en el número y clase de los átomosde la molécula, o también de alteraciones en el orden enque dichos átomos se unen entre sí. Podemos escribir, por ejemplo, dos fórmulas estructurales diferentes para la fórmula molecular C,€&O). Dichas f6rmulas estructurales representan dos compuestos diferentes:el éter dimetílico(p.eb. - 23.6'), gas que ha sido usado como refrigerante y como propelente de aerosoles, y el etanol (p.eb. 78.5"), líquidoqsadocomodisolvente y comocomponentedebebidas alcohólicas. CH,OCH,

CH,CH,OH

tter dimetílico

etanol

gaseoso a te*.

ambiente liquido

a temp. ambiente

Dos o mhs compuestos diferentes con idéntica f6rm11lamolecl!.larse llaman iscimeros. Cuando dos compuestos con ldéntlca fóm~llamolecular tienen sus átomos dispuestos en orden distinto, poseen estructuras diferentes:o-se dice que son isbmeros estructurales: Cter dimetílico-y etanol son ejemplos de isómeros estructurales. k h s adelante encontraremos otros tipos de isomería. Los alcanos que contienen tres o menos carbonos no presentan ningún tipo ,de isomeria. En cada uno de los tres casos, no existe mhs que un solo modo de disponer los átomos de carbono e hidrógeno: No hay is6rneros:

propano

etano

CH, metano

CH.,CH,

CH,CH2CH,

Capitulo 3

88

Isomeriaestructural,nomenclatura

y alcanos

El alcano con cuatro carbonos (C4Hlo),tiene dos posibilidades de disponer sus (C3H,J, tres. A medida que aumenta el número Atomos y el alcano con cinco carbonos de Atomos de carbono, lo hace en mucha mayor proporcih el número de is6meros estructurales: C6HI4presenta cinco y C,,,HH,* i75! Idmeros estructurales de/C,Hlo:

CH,CH,CH,CH,

CH,CHCH, metil-propano, p.eb. - 12" alcana ramificado

butano, p.eb. -0.5" alcana de cadena lineal

PROBLEMA MODELO Escriba a ls f6mulas de los tres idmeros estructurales de C,H,,. Soluci6n:

CH,

(a) CH,CH,CH,CH,CH,

(b) CH3CH2CHCH3

I

I I

(c) CH,CCH,

CH3

CH,

Obs5rves.e que la posible soluci6n CH,CHCH2CH,. es la misma que (b)

I

CH3 ~~~

~

~

Las diferencias enl a s posiciones de colocaci6nde un grupo funcional dentro de una mol&ula tambikn conducen a isomeria estructural.Ad, por ejemplo, el propanol y el 2-propanol son is6meros estructurales que exhiben propiedades ligeramente distintas. Los alquenos butenoy 2-buteno constituyenotro caso de isomería estructural: OH

I

CH,CHCH, CH3CH,CH20H

2-prOpanol p.eb. 82"

propanol p.eb. 97"

CH,=CHCH2CH, CH,CH=CHCH3 2-b~ten0 p.eb. 3.7"

buteno p.eb. -6.3" ~~


Dibuje un is6mero estructural para cada uno de los compuestossiguientes: (Hay m& de una respuesta posible en cada caso.) O (a)

II

CH,CH,CHCH

I

CH3

(b)

0;)

3

(c) CH,=CHCH,OH

3.I .

Is6meros estructurales Secci6n

3.2.

Paracadaunode lossiguientescompuestos, escriba laf6rmulaestructuralde un grupo funcional diferente (puede haber mbs de una respuesta correcta):

89

un is6mero con

Ejemplo: Un idmero deCH,CH,CH,OHcon un grupo funcionaldiferente puede ser el CH,OCH,CH,, pero no el (CH,),CHOH, pues dste tiene el mismo grupo funcional que aqudl.

A. jIs6meros o no? Las moltculas pueden moverse, girar o retorcerse en el espacio, en un movimiento "serpenteante", para usar la expresibn deKekult quien, como sabemos, propuso una estructura para el benceno. Podemos escribir la misma estructura de muy diversas maneras. El orden de u n i h de los Atomos es el factor que determina si dos f6rmulas estructurales representan is6meroso son el mismo compuesto. Por ejemplo, todas las y representan, por lo f6mulas siguientes contienen identica ordenaci6n de sus htomos tanto, al mismo compuesto y no a idmeros. Todas representan el mismo compuesto:

OH

CH3CH2

I

CH3CH2

I

CH3CH2CHCH,

CH,CHOH

\ /

OH

CHOH

ck,

I

CH3CHCH,CH,

PROBLEMA MODELO LCuAles de los siguientes pares de f6rmulas representan idmeros y cuaes el mismo compuesto?

c1 (a)

CI

I

CH,CHCHCI,

I

C12CHCHCH3

y

(b)

0 0 y

\

c1

C l OH

I

(d) (CH,),CCHCH,

y

(CH,),CCH;CH,OH

Soluci6n: (c) y (d) representan pares de idmeros estructurales. En cambio, (a) y (b) representan al mismo compuesto dibujado de dos maneras distintas, pues el orden de uni6n de los btomos es el mismo en ambas estructuras.

Capítulo 3

90

B.

lsomeríaestructural, nomenclatura y alcanos

¿Anillo o insaturación?

Dada la fórmula molecular de un hidrocarburo, podemos a menudo deducir de ella razonable cantidaddeinformaciónacercade su estructura. Por ejemplo, todos los alcanos acíclicos (de cadena abierta, no cíclicos) tienen la fórmula general~C,,H,,+,, donde n es el número de átomos de carbono de la molécula. El propano (CH,CH,CH, o C,HJ tiene tres átomos de carbono ( n = 3). Su número de hidrógenos, ocho, se deduce de la expresión 2n 2. Como ejercicio, determine la f6rmula molecular de los siguientes alcanos y compruebe si coincide el número de hidrógenos:

+

La presencia de un ciclo o de un doble enlace reduce el número de átomos de hidrógeno de la fórmula molecular en dos unidades. Un compuesto de fórmula C,,H,, tendrá pues un doble enlace o anillo.

,

C,H,, - puede contener dos anillos, dos dobles Un compuesto de fórmula general enlaces, un ciclo y un doble enlace o bien un triple enlace: Tres de los muchos isdmeros estructuraales posibles para C,H,,:

un triple enlace

dos ciclos

un

doble enlace y un ciclo


¿Qué puede deducirse de las posibles estructuras representadas por las siguientes f6rmulas rnoleculaes?

S E C C I ~ N3.2.

Cómo se desarrolló la nomenclatura orgánica Las estructuras de la gran mayoría de los compuestos orgánicos eran desconocidas hacia la mitad del siglo XIX. Según la costumbre de aquella tpoca, se daba a los nuevos compuestos nombresilustrativos de su origen o de sus propiedades o, incluso, en ocasiones, en recuerdo de amistades o parientes del químico que primero los descubría. Por ejemplo, el nombre &ido barbitúrico, del que deriva la amplia gama de fármacos denominadosbarbiturates, tiene su origen en un nombre de mujer: Bárbara.

Revisidn de la nomenclatura orgsnica Secci6n

3.3.

91

El ácido carboxílico de fórmula HC0,H recibió el nombre de úcidof6rmico por haber sido obtenido de la destilación de las hormigas rojas (del latín formica, hormiga). Estas denominaciones se designan como nombres triviales o comunes y, aunque equivalen casi a un apodo ya que estos compuestos tienen nombres másformales (que pocas veces se usan), los nombres comunes son los más conocidos. Al verse enfrentados con el problema de un número ilimitado de combinaciones orgánicas, con denominaciones a cual más extraiía, los químicos de finales del siglo XIX, decidieron sistematizar lanomenclatura orgánica, de tal forma que existiera siempre una correlación entre los nombres y las estructuras de los compuestos. El sistema que desarrollaron para este fin recibió el nombre de sistema de Ginebra o sistema IUPAC. El nombre Ginebra se debe a que fue en esta ciudad suiza donde tuvo lugar el primer congreso de nomenclatura orgánica. IUPAC son las iniciales de International Union of Pure and Applied Chemistry (en español: Unión Internacional de Química Puray Aplicada), que es el organismo responsable del desarrollo constante de la nomenclatura orgánica. En la siguiente sección, presentaremos un breve resumen de las reglas de nomenclatura del sistema IUPAC, junto con algunos nombrescomunes de uso frecuente. En capítulos sucesivos, iremos extendiendo nuestra exposición sobre la nomenclatura, a medida que sea necesario. En el apéndice se desarrolla un esquema más completo de la nomenclatura orgánica.

S E C C I ~ N3.3.

Revisión de la nomenclatura orgánica A. Alcanosdecadenalineal El sistemadenomenclaturaIUPAC se basaen la idea de que la estructura de un compuesto orgánico puede utilizarse para derivar de ella el nombre y, al contrario, de que para un nombre dado puede escribirse una estructura única. Los fundamentos del sistema IUPAC son los nombres de los alcanos de cadens lineal; en la Tabla 3. l . se muestran los nombres y estructuras de los diez primeros alcanos lineales. TABLA 3.1. Los diez primeros alcanos de cadena lineal ~~

Esnuctura

Número de carbonos I

2 3 4

5 6 I

8 9 IO

Nombre

metano etano propano butano pentano hexano heptano Octano nonano decano

92

lsomeria estructural, nomenclatura y alcanos

Capitulo 3

Los compuestos de la Tabla 3.1 e s t h dispuestos de tal manera que cada uno difiera del siguiente (y del anterior) enun grupo metileno (CH,). Los compuestos relacionados de tal modo se denominan compuestos homólogosy el conjunto de ellos, serie homóloga. En la misma Tabla 3.1 podemos ver que todos los nombres terminan en -ano, que es el sufijo que se usaen el sistema IUPAC paraindicar un hidrocarburo saturado. Las primeras partes de los nombres derivan, en los cuatro primeros alcanos, de los nombres comunes tradicionales y en los alcanos superiores, de los prefijos numerales griegos (pentano viene del griego “penta”, cinco). Consideremos brevemente el origen de los nombres de los cuatro primeros alcanos. El metano (CH,) viene del alcohol metílico (CH30H), cuyo nombre deriva a su vez de las palabras griegas methy (vino) y hyle (madera). El alcohol metilico puede ser obtenido mediante calentamiento de la madera en ausencia del aire. Aún hoy en día, sedesigna en ocasiones al alcohol metílico como alcohol de madera. Por su parte, el nombre etano (CH,CH3) deriva de la raíz griega aithein (arder, inflamarse): el etano es muy inflamable. El nombre propano (CH3CH,CH3) deriva del nombre común del ácido carboxílico de tres carbonos, dcidopropiónico, que es, a su vez, una combinación de las raíces griegas proto (primero) y pion (grasa). El ácido propi6nico es el primer ácido carboxílico (el de peso molecular m8s bajo) que exhibe propiedades de ácido graso, es decir,que puede ser obtenido a partir de una grasa. El butano (CH3CH,CH,CH3) est6 relacionado con el 6cido butírico, el componente oloroso de lamantequilla rancia (del latín butyrum, “mantequilla’’).

B. Cicloalcanos Los cicloalcanos se nombran según el número de carbonos del anillo, con adici6n del prefijo ciclo-: n

ciclopentano

ciclohexano

ciclooctano

C. Cadenaslaterales Cuando a una cadena de alcano se le unen restos alquilo o grupos funcionales, se dice que dicha cadena constituye la rah, la base o el compuesto padre. Los grupos en cuesti6n se designan en el nombre completo del compuesto, como prefijos o sufijos agregados a la raíz:

Una cadena lateral o ramificación es un grupo alquilo que se bifurca de la cadena principal. Un grupo alquilo lineal se nombra según el alcano del que proviene, cambiando la terminacih -ano por -il: del metano, (CH,),por ejemplo, deriva el nombre de metil para el grupo CH3-. De igual modo, etano (CH3CH,) da lugar al

Revisidn de la nomenclatura orgAnica

Secci6n 3.3.

93

nombre de etil para el grupo CH,CH,-. Los nombres de los cinco primeros grupos alquilo lineales se relacionan en la Tabla 3.2. ~~~~

~

~~~~~

TABLA 3.2. Los cinco primeros grupos alquilo de cadena lineal

Estrucrura

Nombre

CH3CH3CH2CH3CH2CH2CH,(CH2),CH2CH,(CH2)3CH2-

metil etil propil butil pdntil

¿Cómo se incorporael nombre de una cadena lateralal nombre de un compuesto? Para ilustrar el procedimiento, usaremos el hexano como alcano padre. Si hay un grupo metilo en el segundo carbono de la cadena principal, el compuesto se denominar6 2metil-hexano, 2- por la posición del resto sustituyente, metil por la naturaleza de Cste y hexano por el hidrocarburo base.

CH3 I

metilo en posici6n 2

1

CH,CHCH,CH,CH,CH,

@ I @ @ @ @ @ 2-metil-hexano

PROBLEMA MODELO LPor qui5 el siguiente compuesto no debe llamarse 1-metil-hexano? ¿Cu&les el nombre conecto? CH,CH,CH,CH,CH,CH,

I

CH, Soluci6n: en la estructura esa presente una cadena lineal de siete llamarse heptuno.

carbonos, por lo quedebe,

El procedimiento general a seguir, se basa en aplicar los siguientes criterios:

1.

2. 3.

Numere los fttomosdecarbonode la cadenam6slarga existente, comenzando por el extremo mfts próximo a la ramificación, de modo que el prefijo numeral sea lo mfts pequeño posible (la cadena más larga es siempre la principal en un alcano, aunque no est6 dibujada en una línea recta y horizontal). Identifiquelaramificación y su posición. Una el número y nombrede laramificación al nombredelhidrocarburo base.

lsomeriaestructural, nomenclatura y alcanos

Capitulo 3

94

PROBLEMAS MODELO Nombre el compuesto siguiente:

CHACH2CHCH2CH,CH,CH3

Soluci6n: La cadena lineal más larga tiene ocho carbonos. El hidrocarburo base es el

octano. '@

numeracidn:

a

3, ,E

@

c"-C-~"-C--C-~--c'

comience por el extremo m&s

grupo alquilo: etilo en el carbono 4

nombre: 4-etil-octano

Escriba la estructura del 3-metil-pentano. Solucidn: la cadena

base:

C-C-("-C'-C

(pentano)

C-(.-(.-(.-C

numeracidn:

@ @ 8) @' @ CH 3

I

grupo alquilo: C--c"-c"C-C

(3-metilo)

airada los hidrdgenos de modo que cada carbono tenga cuatro enlaces

simples:

Nombre la siguiente estructura. En el nombre no se necesita el prefijo numeral. ¿Por qut?

Soluci6n: Metil-butano. No se necesita el prefijo numeral pues s610 hay un metil-butano:

El otro lugar posible para colocar el grupo metilo sería el carbono terminal, pero el compuesto resultante se llama pentano y no metil-butano: <'H2C'H2CH2C7H,

1 ('H I

Revisidn de

la nomenclatura orgdnica

Seccidn 3.3.

95

D. Cadenaslateralesramificadas Un grupo alquilo sustituyente puede ser ramificado en vez de lineal. L o s ejemplos siguientes muestran casos de cadenas laterales ramificadas, sobre un anillo de ciclohexano y una cadena de heptano respectivamente: CH,CHCH,

I

CHCH,CH, CH,CH,CH,CHCH,CH,CH,

Los grupos ramificados comunes tienen nombres específicos. Los dos grupos propilo, por ejemplo, reciben los nombres de grupo propilo y grupo isopropilo:

y

3

CH3CH2CH2-

CH,CH-

propil (o n-propil)

isopropil

Para resaltar que una cadena lateralno está ramificada, se usa a menudo el prefijo n- (de normal), si bien ello es redundante, pues la ausencia de prefijos implica cadena lineal. El prefijo iso- (de isomérico) se usa para indicarun resto metilo en el penúltimo carbono de la cadena alquílica. Una cadena lateral de cuatro carbonos tiene cuatro posibilidades estructurales. El grupo butiloo n-butiloes un grupo de cadena continua. El grupo isobutilo tiene una ramificación metiloal final de lacadena. Estos dos grupos butilos se nombran de modo análogo a los grupos propilo. rarn$cacidn metilo en el final

\

CH,

I

CH3CH2CH2CH2-

CH3CHCH2-

butil (o n-butil)

isobutil

El grupo butilo secundario (sec-butilo) tiene dos átomos de carbono unidos al carbono que se une a la otra parte de la molécula. El grupo butilo terciariu (terbutilo o t-butilo) tiene tres carbonos unidos a dicho carbono de unión. dos C en el

carbono de uni6n

tres C en el carbono de uni6n

C‘H, sec-butil


t-butil

~-~~

Nombre los siguientes compuestos:

Solucibn: (a) sec-buti1,iclohexano; (b) 4-isopropi :heptano

96

Capitulo 3

y alcanos

lsomeria estructural; nomenclatura


D6 estructuras p a a (a) n-propil-ciclohexano; (b) isobutil-ciclohexano y (c) 4-t-butil-octano.

E. Varias ramificaciones Cuando a la cadena base están unidas varias ramificaciones, es preciso añadir varios prefijos a la raíz fundamental; prefijos que se disponen por orden alfabdtico y cada uno con el número que indica su posici6n en la cadena: CH3

I

CH 3

CH,CHCHCH,CH, CH3CH2CCH2CH,CH3

I

CH2CH3 4 4 1 - 3 metil-heptano

I

I

CH,CH, 3etil-3-metil-hexano

Cuando dos o mss de estos sustituyentes son idknticos, sus nombres se agrupan en uno sólo precedido de los prefijos multiplicativosdi-, rri-, etc. Por ejemplo, dimeti1 significa dos gruposmetilo, trietzl, tres grupos etilo, etc. E n la Tabla 3.3. se relacionan los principales prefijos multiplicativos.

T A B U 3.3. Prefijos multiplicativos para designar sustituyentes repetidos.

Número

2 3 4 S 6

Prejjo

ditritetrapentahexa-

Los prefijos di-, tri-, etc. deben ir precedidos de los indicadores numerales de posición, indicadores que deben existir tantas veces como señale el prefijo multiplicativo; esto es, dos números en el caso de di-,tres en el case de tri-, etc. Obsérvese además el uso de comas y guiones en los siguientes ejemplos:

I

('H3 2,2-dimetil-pentano

C'fI,C'f12 U C . H ? C , i . , 1,3,5-trietil-ciclohexano

Revisidn de la nomenclatura orgdnica Secci6n

3.3.

97

PROBLEMA MODELO Nombrelossiguientescompuestos:

Soluci6n: (a) I , 1-diisopropil-ciclohexano; (b) 4-metil-l,2-dipropil-ciclopentano; (c) 4 3 diisopropilnonano. (Se debe numerar el anillo de modo quelosprefijosnumeralesseanlo mAs bajos posible. Para efectosdeordenaci6n alfawtica, el prefijo multiplicativo no cuenta,

es decir, dipropil se considera como propil.)

TABLA 3.4. Algunos grupos funcionalesnombrados como prefijos Sustituyente

Prejijo

"NO,

nitro-

-F 4 1 -Br -1

F.

fluoroclorobromoyodo-

Otrosprefijossustituyentes

Al igualquelasramificaciones alquílicas, algunos grupos funcionales se nombran tambiéncomoprefijos,destacando los indicadosenlaTabla 3.4. Lasreglas que gobiernan el uso de estos prefijos son idénticas a las que se usan con los grupos alquilo, con la importante diferencia de que ahora la cadena base es la cadena mhs larga que contenga al grupo funcional. La posición de éste se indica por un número (el mhs bajo posible), indicando la presencia de grupos idénticas mediante los prefijos multiplicativos di, tri, etc. NO2

I

Br

I

CH,CH,CHCH,CH,

CI

I

c1 I

CH,"C"C"CH,

I

1

CI C l

1-bromo-3-nitro-pentano

2,2,3,3-tetracloro-butano

98

Capítulo 3

nomendatura y alcanos

lsomería estructural,


Dé estructuras para (a) 1,1,2-tricloro-etano y (b) 1,2-dicloro-4-nitro-ciclohexano

G. Alquenos y alquinos En el sistema IUPAC se indica la presencia de insaturaciones carbono-carbono, mediante cambios en la terminación del nombre base. Como hemosindicado, la ausencia de dobles o triples enlaces en la estructura carbonada se pone de manifiesto mediante el sufijo -ano. De modo análogo, la presencia de dobles o triples enlaces se indica cambiando esta terminación por -en0 o -ino, respectivamente. Por esto el nombre general de un hidrocarburo con un doble enlace es alqueno y el de un hidrocarburo con un triple enlace, alquino. CH3CH, etano

alcano

HC-CH etino

CH,=CH, eteno

(nombre común: acetileno)

(nombre común: erileno) alqueno

alquino

Cuando la cadena base contiene cuatro o más carbonos, hay que añadir un prefijo numeral para indicar la posición del enlace múltiple. La cadena ha de numerarse de forma que dicho enlace múltiple recibe el número mbs bajo posible, aunque el prefijo de un grupo reciba un número más elevado. Para indicar la posición de un enlace múltiplebastaun solo número, sobreentendiéndose que el enlace comienza enel carbono designado con dicho número y se dirige hacia el carbono con el número siguiente. Es decir, un prefijo numeral 2 indica que el enlace mfiltiple en cuestión se extiende entre los carbonos 2 y 3; no entre los carbonos 2 y 1. C = C comienza enel carbono 1

C = C comienza en el carbono 2

CH,=CHCH,CH, CH,C'H=CHCH, I-buteno

2-buteno

La ramijicaci6n precede al nombre

LCH,I CH,CHCH,CH2C-CH 5-metil-1-hexino

Cuando una estructura contiene más de un enlace múltiple, el nombre se hace algo más complejo. En el siguiente ejemplo de cn dieno, un compuesto con dos dobles enlaces, se muestra la colocación de los números y del prefijo di-, insertándose además la letra a antes de di para facilitar la pronunciación: CH, = CHCH =CH,

"-

1,3-butadieno

,,f CulWO

dos enlaces dobles

c

Revisidn de la nomenclatura orgdnica

Secci6n 3.3.

99

PROBLEMA MODELO Nombre los siguientes compuestos: (a) (CH,),CHCH,CH,CH=CH, (c) C H G C C S C H

(b) CH,=CHCH=CHCH=CH,

Solución: (a) 5-metil-1-hexeno; (b)l,3,5-hexatrieno; (c)l,3-butadiino


Nombre los siguientescompuestos:

3.7.

Dé estructuraspara: (a) ciciopenteno(b)1,3-pentadiino (c) I-metil- ciclobuteno

H. Alcoholes En el sistema IUPAC, el nombre de un alcohol(ROH) se deriva del nombre del hidrocarburo correspondiente cambiando la terminación -o por la terminación -01. La cadena se numera como de costumbre, procurando que el grupo oxhidrilo reciba el número más pequeño posible; los prefijos de grupo se utilizan como se ha hecho hasta ahora. OH

CH,CH,CH, propanol

I

CH,CH,CH,OH

CH,CHCH3

propano

CH3 CH,CHCH,CH, metil-butano

CH3

CH3

I

I

I

CH,CHCH,CH,OH

HOCH,CHCH,CH, 2-metil-butanol

3-metil-butanol

ciclopentanol ciclopentano

I.

Aminas

Lasaminas sencillas (kNH,,R,NH ó R,N)se nombrancon el nombre del grupo alquilo, seguido del sufijo amina. Los sustituyentesen el nitrógeno se anteceden algunas veces con el prefijo N- (no n-, que es la abreviatura de normal-) CH,NH,

(CH,)2NH

(CH,),NCH,CH,

metilamina

dimetilamina

etil-dimetil-amina o N,N-dimetil-etflamina

NH,

I

CH3CHCH2CH2CH3 2-pentilamina

Capftulo 3

1O0

lsomerfa estructural,

nomenclatura y alcanos


(a) Nombre los siguientescompuestos: OH

I

CH,CH2CH,CHCH, (b) IX la estructura del 3-metil-ciclohexanol y de la n-butil-isopropil-amimina.

J. Aldehídos y cetonas Al tener un aldehído (RCHO) un grupo carbonilounido a un Atomodehidr6gen0,

dicho grupo funcionaldebeconstituirnecesariamente el principiodelacadena carbonada. Se considera el carbono carbonííico como el número 1 y noes preciso, por lo tanto, indicarsu posici6n mediante un número. El sufijo característicode la.funci6n aldehldo es -al. O

O

II

It

"CH

CH,CHCH,CH CH,CH,CH

CH,

I

O

I1

O 0 0 propanal

grupo akiehído

3-metilbutanal

Un grupo cet6nic0, pordefinici6nnopuedeestaralprincipiodeunacadena carbonada, raz6n por la cual, salvo en el caso de algunas cetonas simples, es necesario un prefijo numeral. La cadena debe numerarse de forma que el grupo carbonilo reciba el número m k bajo posible. La terminaci6n característica de la funci6n cetdnica es

-ona.

O

II

-C-

O

I1

CH,CCHCH,CH,CH, CH,CCH,

grupo cero

O

I1

3-metil-2-hexanona propanona (nombre común: acetona)

K. Ácidos carboxílicos Un grupo carboxilo,aligualque un grupo aldehído,debeestarnecesariamenteal principio de una cadena carbonada y recibe tambikn en la numeraci6n el número 1, no siendo tampoco necesario especificar su posici6n. La terminacidn característica de los Acidos catboxílicos es -oico, empleando la palabra Lido al principio del nombre.

grupo carboxilo

kid0 etanoico

nombre común: acid0 adtico

kid0 5,5-dimetil-hexanoico

Revisibn de la nomenclatura orgdnica

Secci6n 3.3.

101

PROBLEMA DE ESTUDIO Escribaestructuras y nombres para un aldehido,unacetona y un Acido carboxílico, todos ellos de cadena lineal y con cinco Atomos de carbono.

3.9.

L. Ésteres Un ésteressimilara un ácid0 carboxílico, salvo que elhidr6geno Acidohasido sustituido por un grupo alquilo: O

O

II

I1

CH3CO-CH3 CH3CO-H

R en lugar de H

kid0ester carboxílico

El nombre deun 6ster constade dos palabras:(1) el nombre del Acidocarboxílico, sin la palabra Acido y la terminaci6n -oico cambiada por -oato, y (2) el nombre del radical alquílico, unidoalnombredelhcido por mediode la preposici6n de En Ins Bsteres, la parte alquílica o alcoh6lica es la parte unida al oxigeno, mientras que la parte Acida es la porci6n que contiene el grupo carbonilo: del &ido etanoico

\ 5 7 /" CH,CO--C&

etanoato de metilo (nombre común: acetato de metilo)

PROBLEMA MODELO siguiente tster: Nombre el

O

II

CH3CH,CH,COCH,CH, Soluci6n:

Paso 1 : radical alquílico = etilo Paso 2: dcido = 6cido butanoic0 Pas0 3: nombre = butanoatode etilo


1

3scriba l a s estructuras de (a) hexanoato de ciclohexilo y (b) butanoato de t-butilo,

M. Derivadosdelbenceno Al igual que las cadenas lineales alifhticas, el anillo bencCnico es considerado como baseen la nomenclatura. Los restosalquilo,hal6genos y grupos nitro se nombran como prefijos de la palabra benceno:

I

lsorneríaestructural, nomenclatura y alcanos

Capítulo 3

102

Cuando un anillo bencénico está unido a una cadena carbonada de siete o más carbonos, o en la que haya un grupo funcional, el benceno pasa a ser considerado como sustituyente y es nombrado comofenilo: (o fenil)

2-fenil-etanol

grupo fenilo

(C,H 5 - )

CH

2-fenil-octano

N.

Conflictosen la numeración

Una estructura que tenga dos o más sustituyentes diferentes, puede a veces numerarse de más de un modo. Un ejemplo típico sería el ClCH,CH = CH, que puede llamarse I-cloro-2-propeno o 3-cloro-propeno, dependiendo del extremo en que se empiece la numeracidn. Para resolver tales situaciones, se ha desarrollado un sistema de prioridudes para los prefijos numerales: el grupo que tiene prioridad recibe el número más bajo (Tabla3.5). Una lista más completa de prioridades en nomenclatura seencontrará en la Tabla A8 del apéndice. TABLA 3.5. Prioridades en nomenclatura para algunos grupos funcionales comunes

I

prioridad

Estructura parcial ~~

Nombre

~

“C0,H

ácido -oico

O

I1

“CH

-al

O

I1

-C-

-ona

“OH

-01

“NR2

-mina

\

/

/c=c \ R-, C,H,, C1-,

-en0

Br-,

“ N O , , etc.

prefijossustituyentes

Según se ve en la Tabla 3.5, un doble enlace tiene prioridad sobre un átomo de C1. Al numerar una cadena carbonada, debemos dar al doble enlace el número m& bajo, por lo que el nombre correcto para el compuesto ClCH,CH = CH, es 3-cloropropeno y no el otro mencionado antes. Así mismo, los compuestos siguientes están numerados de forma que los grupos con prioridad reciban los números menores.

Secci6n 3 . 4 .

Alcanos

empiece por el extremo d

empiece por elextremo ma> pr6ximoal OH

103

s pr6ximo al

C =O

/

CH,CCHCH,

CI,CHCH,OH

o

O0

QOO Br

3-bromo- butanona

2,2-dicloro-etanol

PROBLEMA DE ESTUDIO 3.1 1

Nombre cada uno de los siguientescompuestos:

OH

O

II

(b) o - b H C H , C H , B r

(a) CH,CH2CCH,CH,CH2N0,

SECCIÓN3.4.

Alcanos La mayoria de los compuestos orgánicos tiene parte de su estructura constituida exclusivamente porcarbonoe hidr6geno. Unagrasa es un ejemplo de combinacicin orgánica, con grupos éster y largas cadenas hidrocakbonadas de tipo alquílico o alquenílico (con dobles enlaces): O ]

H

2

II 7

c

H

2

)

1

4

c

H

3

7

cadenas

hidrocarbonadas

bastante largas

CHOC(CH2),,CH3

I R

CH,OC(CH,),CH=CH(CH,),CH, grasa animal tipica

Antiguamente, los químicos desconocían la estructura molecular de una grasa, pero sí sabían que muchas sustancias con cadenas hidrocarbonadas bastante largas, exhibían propiedades similares a las de las grasas, tales como ser insolubles en agua y menosdensas que ésta. Por este motivo, los compuestos con cadenas hidrocarbonadas recibieron el hombre de compuestos alifhticos (del greigo aleiphatos, “grasa”), tkrmino que tiende a usarse en contraposici6n al de compuestos aromáticos, tales como el benceno y sus derivados.

104

Capitulo 3

isorneria estructural, nomenclatura

y alcanos

Varias de las propiedades físicas y químicas de los compuestos alifáticos, provienen de laparte alquílica de sus moléculas. Por ello, mucho de lo que vamos a decir acerca de los alcanos y los cicloalcanos, es también válido para otros tipos de compuestos orghnicos. Naturalmente, las propiedades de una sustancia dada son determinadas en gran medida por los grupos funcionales que contiene. El grupo oxhidrilo, por ejemplo, proporciona ala molécula la posibilidad de formar puentes dehidrógeno, lo que ejerce una amplia influencia en las propiedades físicas, tales como el punto de ebullición. El etano (CH,CH,) es un gas a temperatura ambiente, mientras que el etanol (CH,CH,OH) es un líquido.

A. Propiedades fisicas de los alcanos L o s alcanos son compuestos no polares. Comoresultado de ello, las fuerzas atractivas intermolecularesson débiles. Los cuatro primeros alcanos lineales (C,--C.,), son gases a temperatura ambiente, mientras que de C, a C,, son líquidos (Tabla 3.6) y de 18 carbonos en adelante son sólidos.

TABLA 3.6. Puntos de ebullici6n de algunos alcanos

Esrructura

P.eb. "C

Estructura

P.eb. "C

El punto de ebullición de un compuesto depende, en parte, de la cantidad de energía que necesitan sus moléculas para escapar de la fase líquida a la fase vapor. L o s puntos de ebullición de los miembros de una serie homóloga, tal como la de los alcanos en la tabla 3.6, aumentan unos 30" por cada grupo metileno (CH,) adicional. Este incremento en el punto de ebullición, se debe principalmente al aumento en las fuerzas atractivas de van der Waals entre moléculas cada vez más largas. Otras series hom6logas muestran efectos similares: CH,I

CH,CH,I

CH,CH2CH21

yodometano

yodoetano p.eb. 72"

yodopropano p.eb. 102"

p.eb. 43'

Como mencionamos en la seccicin 1.9A, las ramificaciones en la parte hidrocarbonada de una molécula producen descensos en el valor esperado del punto de ebullición, a causa de la disminución de las atracciones de van der Waals entre las moléculas en estado líquido. Al no ser polares, los alcanos son solubles en líquidos no polares o escasamente polares, tales como otros alcanos, éter dietílico (CH,CH,OCH,CH,), o benceno, ya que hay atracciones intermoleculares de van der Waals entre el disolvente y el soluto. L o s alcanos son, por el contrario, insolubles en agua.

Seccidn 3 . 4 .

Alcanos

105

Todos los alcanos poseen densidades inferiores a la del agua, hecho fhcilmente reconocible en líquidos como la gasolina o el aceite de motor (que son principalmente mezclas de alcanos), que como sabemos, flotan sobre ella.

B. Propiedadesquímicasde los alcanos L o s alcanos y cicloalcanos son prácticamente inertesdesde el punto de vista químico,

si se les compara con otras sustancias que posean grupos funcionales. Por ejemplo, muchos compuestos orgánicos reaccionan químicamente frente a los Bcidos fuertes, las bases y los agentes oxidantes o reductores, todos los cuales no ejercen ningún efecto sobre alcanos y cicloalcanos. A causa de su escasa reactividad, a los alcanos se les denomina a menudo parafinas (del latín parum aflnis, “poca afinidad”). Se conocen dos tipos principales de reacciones de los alcanos, que trataremos en este texto. Una es la reaccibn con los halbgenos, tales como el cloro gaseoso, que comentaremos con detalle en el Capítulo 6. La otra reacción importante es la combustibn. el resto deeste capítulo va a estar dedicado fundamentalmente ala combustión de los alcanos como fuente de energía.

+ CI,

-

+ Br,

~-

Halogenaci6n:

lUZ

CH, clorometano

ultravioleta

metano

CH,CH,CH, propano

2-bromopropano

CH,CI

+ HCI

Br

luz ultravioleta

I

+ HBr

CH,CHCH,

Combusti6n:

CH,

+20

chispa 2

-+

(‘O,

+ 2 H,O

di6xido de carbono

CH,CH,CH,

+5

chispa 0 2

A

3 COZ

+ 4 HZ0

Combustión C. La combustión es el proceso de quemar un material, es decir, producir su rBpida reacción con oxígeno. La combustión se ve acompañada de abundante emisión de luz y calor, dos formas de energía buscadas siempre por el hombre, desde que por primera vez encendió fuego y comprobó que le proporcionaba calor. Si bien presentamos el tema de la combustión en el capítulo de los alcanos, no debemos olvidar que la gran mayoría de los compuestos orgánicos también pueden arder. La combustión de materia orgánica como la madera, no es siempre una simple conversión a CO, y H,O, sino más bien el resultado de una compleja serie de reacciones. Una de ellas es la pirólisis, es decir, la fragmentación térmica (en ausencia de oxígeno) de las moléculas grandes en otras mBs pequeñas. La pirólisis de las grandes moléculas existentes en la madera, da lugar a moltculas gaseosas pequeñas, que reaccionan posteriormente con el oxígeno en la superficie de la madera. Es ésta la reacción que da lugar a la llama de la combustión. En la propia superficiede la madera, se produce

Isomeria estructural, nomenclatura y alcanos

Capitulo 3

106

una lenta oxidación, a temperatura muy elevada, del material carbonoso residual. Este proceso, y no la llama, es el responsable de la mayor parte de la energía calorífica liberada en la combustión de la madera o del carbón. La combustión totalde un compuesto es su conversión completa en COZy H,O. Si el suministro de oxígeno es insuficiente para que se produzca dicha,combustión total, tendrá lugar una combustiónincompleta, que conducir& a la formación de monóxido de carbono, o de carbono elemental, en forma de negro humo u hollín. Combustidn incompleta:

2 CH,CH,CHj

CH,CH,CH,

+7

+ 8 Hz0

6CO

0 2

-

+ 2 O,

mon6xido de carbono

+

3C 4H20 carbono

D. Calor de combustión La energía liberada cuando un compuesto se oxida completamente a CO, y H,O, se llama calor de combustión (AH). Este parámetro se puede medir experimentalmente, en condiciones controladas de laboratorio. Como indicamos en la Sección 1.7, elvalor de AH es negativo cuando se libera energía, dado que ésta ha sido perdida por las moléculas.

+202

CH, metano

2 CH,CH2CH2CH, butano

+ 13 OL

.~

C 0 2 + 2 H,O

"t

-

X COZ

+ 213 kcallmole

+ 1 0 H,O + 688 kca1,rnole

Los valores de los calores de combustión (Tabla 3.7), dependen fundamentalmente del número de átomos de carbono e hidrógeno de la molécula. En una serie homóloga, la energía liberada en la combustión va aumentando 157 kcal/mol por cada grupo metileno adicional. El calor de combustión de un compuesto también puede reflejar algunas características especiales en los enlaces. TABLA 3.7. Calores de cornbusti6n de algunos hidrocarburos

Nombre

- Nombre A H , kcallmol

metano etano propano butano

213 373 531 688

-AH,

ciclopropano ciclobutano ciclopentano ciclohexano

kcallmol

500

656 794 944

El ciclohexano, por ejemplo, tiene un AH de -944 kcallmol, o lo que es lo mismo, - 157 kcal por grupo metileno, idéntico al observado en los alcanos de cadena abierta. Sin embargo, el ciclopropano tiene un AH de -167 kcal por grupo metileno, un valor notablemente más elevado que el de los alcanos acíclicos. (Se expondrá la razón de esto en la sección 4.4A.)

Fuentes naturales

O+ -

6 COZ

A

6 COZ + 6 H,O

(3

O2

ciclohexano

Z

de hidrocarburos

+ 9 O,

ciclopropano

-

Seccidn 3.5.

107

+ 6 H 2 0 + 157 kca1,mole por grupo CH, + 167 kcal mole por grupo CH,

S E C C I ~ N3.5.

Fuentes naturales de hidrocarburos A.

Gasnatural y petróleo

El gas natural, con un contenido de un 60 a un 90% en metano, según su origen, se ha formado por la descomposición anaeróbica (en ausencia de aire) de las plantas. Los otros componentes del gas natural son el etano y el propano, junto con nitrógeno y dióxido de carbono. El gas natural encontrado en Texas y Oklahoma es además una fuente de helio, los depósitos de gas natural se hallan normalmente asociados a los yacimientos petrolíferos. El petróleo se haido formando pordescomposición de plantas y animales, probablemente de origen marino. El petróleo bruto, llamado crudo, es una mezcla compleja de compuestos alifáticos y aromáticos, incluyendo derivados de azufre y de nitr6geno (1-6%). De hecho, han llegado a detectarse más de 500 compuestos en una sola muestra de petróleo. La composición real vm'a de un yacimiento a otro. El petróleo bruto no es de gran utilidad en sí, a causa de su complejidad. La separación del crudo en componentes útiles se denomina refinación; siendo el primer paso para ello una destilación fraccionada*. Las fracciones obtenidas se presentan en la Tabla 3.8.

TABLA 3.8. Fracciones de la destilaci6n del petr6leo

Rango de ebullicidn, "C.

Número de carbonos

Nombre

<30 30- 180 180-230

1-4 5-10 11-12

Gas. Gasolina. Queroseno.

230-305 305-405 Residuo: vaselina.

uso

Combustible doméstico, etc. Combustible automotriz. Combustible de motores a reacción (aviones). 13-17 Aceite para gas de Combustible de motores diesel y en calefacción. alumbrado. 18-25 Aceite pesado. Combustible de calderas (1) Aceites volátiles: aceites lubricantes, cera de parafina y (2) Material no volátil: asfalto y coque de petr6leo.

La segunda fracción que se obtiene al destilar el petróleo, o sea la gasolina, es demasiado escasa para las necesidades del consumo automovilístico y su calidad no *En inglés: straight-run distillation.

108

Capitulo 3

lsomeria estructural,


es siempre buena. Para aumentar tanto la calidad como la cantidad de esta fracción, las fracciones de punto de ebullición superior se someten a los procesos de cracking (destilación destructiva) y regeneración. El cracking o craqueo** catalítico, es un proceso en el que se calienta el material de alto punto de ebullición, bajo presión elevada y en presencia de un catalizador finamente dividido (usualmente silicato de aluminio lavado con ácidos). Bajo estas condiciones, las moléculas grandes se fragmentan o rompen en otras más pequefias. El cracking a vapor, es una técnica para convertir alcanos en alquenos; y la regeneracióncatalítica convierte compuestos alifáticos en compuestos aromáticos. Los productos olefínicos y aromáticos formados en estos procesos sirven como materiales de partida para la fabricación de plásticos y otros compuestos orgánicos sintéticos. Las siguientes reacciones son sólo un ejemplo de los muchos procesos que pueden ocurrir durante el craqueo y la regeneración.

/ ,

CH,CH,CH,CH,CH,CH,CH, heptano

CH,CH,CH,CH,CH, pentano

+ CH,=CH, eteno (etileno)

\

O

C

H

,

+ 4 H,

metilbenceno (tolueno)

L o s motores de alta compresión de los automóviles son bastante eficientes para su peso; pero los hidrocarburosde cadena lineal arden en ellos de manera nohomogénea, causando el clásico golpeteo de las bielas(elmotor “detona”) cuando el vehículo acelera bruscamente. Ello va en detrimento no sólo de la potencia del motor sino también de su duración. Por esta razón, los combustibles de autos de alta calidad, contienen mezclas de hidrocarburos ramificadosy aromáticos, que arden de modo más homogéneo que los lineales. Afortunadamente, los procesos de cracking proporcionan precisamente este tipo de hidrocarburos. Durante algún tiempo, el isooctano (nombre común del 2,2,4-trimetil-pentano), fue el hidrocarburo con las mejores características antidetonantesparamotores de automóvil, mientras que el heptano era, en tal sentido, el peor. Debido a ello, estos dos hidrocarburos constituyeron los extremos de una escala, propuesta para definirlas características antidetonentesdeuncombustible: el llamado número de octano u octanaje. Para este fin, la detonabilidad del combustible se compara con la de una mezcla de heptano e isooctano de composiciónconocida. Un octanaje de 100, significa que el combustible en cuestión tiene idéntica detonabilidad que el isooctano puro. El octanaje de O implica que la detonabilidad del combustible es igual a la del heptano puro. Una gasolina de 75 octanos tiene igual detonabilidad que una mezcla de 75% de isooctano y 25% de heptano. CH,CH,

I I

I

CH,CCH,CHCH, CH,(CH,)sCH, CH, 2,2,4-trimetil-pentano (“isooctano”)

**Delinglts to crack: romper.

heptano

.

Fuentesnaturales

de hidrocarburos

Secci6n 3.5.

1o9

L o s aditivos que se le agregan en ocasiones a la gasolina, tienen por misión

disminuir el golpeteo en el motor, aumentando el octanaje del combustible. Uno de los mejores aditivos es el llamado fluido etílico (ethyl $fluid), que contiene aproximadamente 65% de tetraetil-plomo, 25% de 1,2-dibromo-etano y10% de 1,Zdicloroetano. L o s derivados halogenados son necesarios para la conversión del plomo en halogenuros volátiles, que luego son eliminados por el tubo de escape. (CH,CHz),Pb

BrCH,CH,Br

CICH,CH,CI

1,2-dicloro-etano 1,2-dibromo-etano tetraetil-plomo (dibromuro de etileno) (dicloruro de

etileno)

Un motor de gasolina envía al medio ambiente una amplia variedad de contaminantes, tales como hidrocarburossin quemar, monóxido de carbono, óxidos de nitr6gen0, etc. A esto hay que añadir los halogenuros de plomoderivados del tetraetilplomo. En muchos automóviles se han instalado convertidores catalíticos, que transforman compuestas sin oxidar o parcialmente oxidados en otros totalmente oxidados, menos contaminantes. Por ejemplo, estos convertidores catalíticos, transforman los hidrocarburos que no se quemaron y el mon6xido de carbono en dióxido de carbono y agua. El catalizador de platino usado en estos convertidores es desactivado (“envenenado”) por compuestos de plomo; raz6n por la cual, los autos con convertidores catalíticos no deben usar gasolina que contenga tetraetil-plomo. Hay otras maneras de aumentar el octanaje de una gasolina: se pueden agregar benceno (número de octano 106); etanol; alcohol terbutílico, (CH,),COH;y éter tbutil-metílico, (CH,),COCH,. (Una mezcla de aproximadamente 90% de gasolina y 10% de alcohol, se conoce como “gasohol.”)

B. Carbón El carb6n se forma en la descomposición bacteriana de las plantas bajo diferentes condiciones de presión, y se clasifica según su contenido en carbono: antracita, con el contenido más elevado, seguida de hulla, Zigniro y finalmente, turba. Dado que algunas clases de carb6ntambikn contienen del 2-6% de azufre, la combusti6n de estos materiales trae como consecuencia grave contaminaci6n atmosférica y “lluviaácida”. Cuando el carbón se somete a pirólisis en ausenciade aire, proceso denominado destilaci6n destructiva, se originan tres tipos de productos: gas (compuesto de CH, y H, principalmente), alquitrún de hulla (destilado condensable) y coque (residuo). El gas y el coque son útiles como combustibles;el coque se usa ademásen la fabricación del acero. El alquitrán de hulla es rico en compuestos aromáticos, los cuales se forman en la destilación destructiva. Algunos de los compuestos aromdticos encontrados en el alquitrdn de hulla:

110

Capitulo 3

komeria

estructural, nomenclatura y alcanos

El carbón fue la fuente principal de compuestos orgánicos sintéticos, hasta que el petróleo se hizo abundante y más económico alrededor de 1940. Sin embargo, actualmente más del 90% de los compuestos orgánicos que se producen en los Estados Unidos de Norteamérica se sintetizan a partir del petróleo. El cambio al uso de los productos petroquímicos se debe a que los procesos de refinación del petróleo son más económicos y menos contaminantes que la mayoría de los procesos de refinado del carbón. Desafortunadamente, las reservas mundiales de petróleo se están terminando con rapidez y haciéndose muy caras, mientras que las reservas de carbón son aún muy extensas. En la actualidad, se tienen proyectos de investigación encaminados a encontrar técnicas económicas para convertir el carbón en combustibles y productos químicos (con un mínimo de contaminación atmosférica). Al proceso de conversión del carbón en combustibles gaseosos o líquidos (combustibles sintéticos) se le conoce con el nombre de gasificación o licuefacción de carbón, respectivamente. Muchas plantas gasificadorasusan el procesoLurgi, de origen alemán, o modificaciones de esta técnica, la cual consiste en tratar al carbón con vapor de agua a altas temperaturas, produciéndose así el gas de sintesis (CO + Hz).Esta mezcla es pobre como combustible, además de que el monóxido de carbono es muy tóxico. Por esta razón el gas de síntesis se trata con hidrógeno adicional, para producir metano. Casificaciónde/ carbón:

+

(’

ti,o

calor (’O

+

2H2 Ni(catalizador)

1-1,

4

~

CH,

+

H,O

P

carbón

vapor

“gas de síntesis”

metano

La licuefaccih del carbón es su conversión a alcanos líquidos. El proceso clásico para llevar a cabo esta conversión es la síntesis de Fischer-Tropsch, la cual fue desarrollada en Alemania durante la segunda guerra mundial. La República de Sudáfrica obtiene la mayor parte de su gasolina y productos químicos orgánicos por este proceso. Licuefacción del carbón (sintesis de Fischer-Tropschl:

H2 C’ carbon

t

H20

calor

-+(‘O

+- HL

Fe (catalizador) -

+

calor, presidn

alcanos

+ H,O

vapor

Ya que las reservas de carbón también son limitadas, se están investigando y desarrollando otras fuentes de hidrocarburos, que incluyen aceite de esquistos en los Estados Unidos de Norteamérica; arenas alquitranosas en la cuenca de Atabasca en Alberta, el Canadá; y fuentes biológicas, tales como desperdicios de la agricultura y plantas del género Euphorbia (con alto contenido de hidrocarburos en la savia).

Resumen

111

Resumen Los compuestos con idéntica fórmula molecular pero diferente estructura (orden de unión de los átomos) se denominan isómeros estructurales. El sistema IUPAC de nomenclatura se basa en los nombres de los alcanos de cadena lineal, tomados comoraíz. Si un fragmento carbonado formaun anillo, debe añadirse el prefijo ciclo- al nombre del alcano. Las ramificaciones y los grupos funcionales se indican en el nombre como prefijos o sufijos. La cadena base, es la cadena lineal más larga que contenga el grupo funcional, si lo hay. La numeración comienza desde el extremo más próximo a las ramificaciones o grupos funcionales. Se procura que el grupo funcional que tenga prioridad reciba el número menor (véase la Tabla 3.5). Las posiciones de los sustituyentes en la cadena se indican, mediante prefijos numerales. 'i

I

CI 4

I

)3

'2

"I

1,4-dicloro-4-metil-2-penteno: CH,CCH=CHCH,CI

I

CH,

Las principales reacciones de los alcanos son la halogenación y la combustión. El calor de combustión de un aleano (o cualquier otro compuesto), resulta de la disminución de la energía de enlace, al pasar del compuesto en cuestión a los productos de la combustión (CO, H,O). En la actualidad, el petróleo es la principal fuente mundial de gasolina y de productos químicos orgánicos. Alcanos, alquenos y compuestos aromáticos se obtienen por los procesos de refinación: destilación fraccionada, cracking y regeneración. En el futuro, los procesos de gasificación o licuefaccióndelcarbón podrían ser las principales fuentes de metano y otros alcanos.

+


¿Cuáles de los siguientes compuestos son insaturados? (a)

3.1 3.

CH.,CN

Escriba la fórmula de un isómero estructural de cada uno de los siguientes compuestos. (Indique en qut casos no hay isómeros estructurales.) OH (a)

(b) BrCH2C'H2Br

(c)

(W30H

Capitulo 3

112

3.1 4.

lsorneria estructural,


¿Cuáles de los siguientes pares de estructuras representan isómeros estructurales? CH,

(a)

I CH,CH,CH,CH,CH,OH, CH,CCH,CH,OH I ,

CH,

CH,

(c) (CH,),CCI, CH,CH

I I

CH,CI OH

(d) CH,CH,CHCH,. CH,CH,CHCH,CH,

I I

I

I

CHZ

CH,

CH,OH OH

OH

I

I

(e) CH,CHCH,CH,. CH,CH,CHCH, OH

HO 3.1 5.

Escriba fórmulas estructurales: (a) (b) (c) (d) (e)

3.1 6.

En la siguiente lista de estructuras, ¿cuáles son isómeros estructurales entre si Y cuáles representan el mismo compuesto? (a)

3.1 7.

cinco isómeros de fórmula C,H,, todos los alcoholes isoméricos de fórmula C,H,,O todas las m i n a s isoméricas de fórmula C,H,,N todos los isómeros de fórmula C,H,BrCl todos los isómeros de fórmula C,H,.

CH,CCI,CH,CH,

(b) CH,CH(C'H,CI)CH,CH,

( c ) CH,C(CH,),CH,CH,OH

(d)

CH,CHCICH,CH,

( e ) CH,CICH(CH,)CH,CH,

(f)

CH,CHCICHCICH,

¿Cuál es la fórmula molecular y la fórmula general (p.ej. C,H,,) de cada uno de los siguientes compuestos?


(c)

3.1 8.

CH,=CHCH=CHCH,CH(CH,),

113

(d)

Escriba la f6rmula de un idmero estructural para cada uno de los siguientes compuestos:

o

3.19.

Para cada uno de los siguientes compuestos, escriba la f6rmula estructural de un idmero con un grupo funcional diferente (vkase problema 3.2, phgina 89). O (b)

3.20.

I1

HOCH,CH

O

II

(c) HCCH,CH,

Disponga las siguientes estructuras en una serie hom6loga: (a)

CH,CH,CH,CH,CH,OW

(d) CH,CH20H

(b) CH,OH

(c) CH,CH,CH,OH

(e) CH,CH,CH,CH,OH

3.21.

Escriba las f6rmulas estructurales de una serie hom6loga de bromuros de alquilo (monobmmo alcanos)desde C, hasta Clo.

3.22.

De la f6rmula estructural o poligonal estructural para cada uno de los siguientes compuestos: (a) 2,2,-dimetil-octano; (b) 3,4-dietil-heptano; (c) 4-etil-2,4-dimetil-nonano; (d) 1,3-diisopropilciclohexano;(e) sec-butil-ciclopentano;(f) t-butil-benceno; (g) isobutil-cicloheptano; (h) l-metil3-pentil-ciclohexano; (i) 4-isopropil-heptano.

3.23.

3.24.

Cada uno se los siguientes nombres es incorrecto. Dt5 el nombre correcto en cada caso: (a) 3-propil-pentano; (b) 6-metil-octano; (c) t-butil-metano; (d) 3-metil-3-etil-4-metil-decano.

3.25.

Escriba una estructura que contenga seis fitomos de carbono, para cada uno de compuestos. (Puede haber m& de una respuesta correcta.) (a) (b) (c) (d)

una cetona con una ramificaci6n metilica. una cetona lineal una cetona cíclica con un grupo metilo una cetona cíclica sin ramificaciones.

los siguientes

Capitulo 3

114

lsomeria estructural, nomenclatura y alcanos

3.26.

Dibuje estructurasparaanillos de cincocarbonosconlassiguientesramificaciones: (a) propilo; (b) isopropilo; (c) butilo; (d) isobutilo; (e) sec-butilo; (f) 't-butilo; (g) ciclobutilo; (h) pentilo.

3.27.

Señale con un círculo y nombrelosgrupos funcionales delassiguientesestructuras: O

OH (a)

II

I

CH,=CHCHCrCCH(CH,), BrCH,C"COH (bj

0

I1

O

I1

(d) O ' a C H CrCH 3.28.

Dé estructurasparatodos los isómerosmonocloradosde los siguientesalcanos:(a)n-pentano; (b) ciclopentano; (c) 2,2-dimetil-butano; (d) 2,2-dimetil-propano.

3.29.

Escriba el nombre IUPAC paracadaunadelassiguientesestructuras:

VC,

(a) C1

(h) CH,ClCHCI,

CI

CI

(c) (CH,),CBrCCI(CH,),

(d) CH,NO,

3.30.

Escriba lafórmulacorrespondienteacadaunodelossiguientesnombres:(a) 1-bromo-1,2difenil-propano; (b) hexacloro-etano; (c) 2-yodo-octanol; (d) 1,1-dicloro-3-metil-ciclohexano.

3.31.

D6 los nombres IUPAC paracadaunode (a)

los siguientescompuestos:

CH,CH,CH=CHCH, (CH,),C=CHCH, (bj CH3

I

(d) CH,=CHC=CHCH=C'H2 (e) C H , C r C C H 3

(f)

CI,C=CHCI

3.32.

D6 el nombre IUPAC y la estructura para: (a) un aldehído lineal de siete carbonos; (b) un ácido carboxílico de dos carbonos con dos &tomos de cloro; (c) una cetona lineal sim6trica (el grupo carbonilo en el centro de la cadena), de nueve carbonos.

3.33.

Escriba el nombre IUPAC para cada unadelassiguientesestructuras: CH, (a)

I

CH,CH=CHCHCCI,

(b) CH,=CHCH2NO2

115


(c) e C H 2 C H I N H ,

II

(d) CH,CHCOCH,CH,

I

CI

3.34.

Escriba la estructura de cada uno de los siguientes compuestos: (a) propanoato de isopropilo; (b) 4,4-dietil-3-metil-otanal; (c) 1-ciclohexil-etanol.

3.35.

(a) Consultando los datos de la Tabla 3.7 (p. 106) prediga,el calor de combusti6n del octano. (b) Explique si con estos datos podría encontrar, por extrapolaci6n, el calor de combusti6n del 2-metil-heptano.

3.36.

De cada uno de los siguientes pares de is6meros estructurales, ¿cud idmero cabe esperar que tenga el punto de ebullici6n m8s elevado?: (a) hexano o 2,2,-dimetiLbutano; (b) 2-buteno o metil-propeno; (c) pentanol o 2,2-dimetil-propanol. ¿Por qut?

3.37.

El metanol a menudo se añade en invierno a los dep6sitos de gasolina de los autom6viles, para impedir quetsta se congeleen los conductos. El punto de congelaci6n de la gasolina se encuentra aproximadamentea -5O"C,muy por debajodelatemperaturaquerazonablementepodría esperarse en cualquier ola de fríb. Sugiera una explicaci6n para estos dos fen6menos: (a) ¿Por qut podría congelarse la gasolina en los conductos? y (b) ~ C 6 m opuede el metanol contribuir a impedirlo?

3.38.

Un químico encuentra que un compuestodef6rmulamolecular posibles estructuras podría tener?

3.39.

Un alcoholdef6rmula C,H,Ono estructuras podría tener?

3.40.

¿QuC estructuras son posibles para un kcido carboxílico de f6rmula molecular

3.41.

Un compuesto de cuatro carbonos contiene un grupo aldehído y un grupo carboxilo. LCuaes son las dos estructuras posibles?

3.42.

Un compuesto de f6rmula C,H,O, contiene como m'nimo un grupo carbonilo; pero no contiene grupos oxhidrilo, alcoxilo (-ORenunBter o tster), ni dobles enlaces carbono-carbono. Si el compuesto no posee propiedades kcidas, p d e s son las estructuras posibles paratl?

3.43.

(a) Escriba todos los productos monoclorados posibles de la siguiente ecuaci6n; no es necesario balancearla.

C,H,O es unacetona. ~ Q u t

contienedoblesenlacescarbono-carbono.

CH,CH,CH,

+ C1,

¿Que posibles

C,H,O,?

luz ultravioleta M

(b) Muestre todos los productos diclorados posibles de la ecuaci6n anterior. (c) Si la sustituci6n de los ktomos de H por C1 en (a) fuera totalmente al azar, ¿cud sería la relaci6n de productos isomtricos. 3.44.

En la pitgina 108, mostramos el craqueo del heptano para dar pentano y etileno. ¿Cu&lesotro productos podrían haberse obtenido'! (Emplee ecuaciones en su respuesta.)

3.45.

Una mezcla de n-hexano, n-heptano y n-octano se somete a deshidrogenaci6n (phdida de H,) por tratamiento con calor y el catalizador apropiado. ¿Cuales son los compuest0.s aromkticos que podrían formarse? (Escriba ecuaciones balanceadas en su respuesta.)

CAPíTULO 4

Estereoquímica a estereoquimica es el estudio de las molkulas en tres dimensiones; esto es, la disposici6n relativa de los htomos de una molkula en el espacio.Los tres aspectos de la estereoquímica que trataremos en este capítulo son:

L 1.

Mmeros geomdtricos: dequ6modo la rigidez en una mol6cula puede conducir a isomería.

2.

Conformaciones de las mol&ulas: lasformasdelasmolkculas pueden cambiar.

3.

La quiralidadde las molhlas: de qu6 modola dispsici6n a derechao izquierda

y dequ6 modo

de los htomos alrededor de un htomo de carbono puede conducir a isomeria.

A menudo, es difícil visualizar en una ilustraci6n bidimensional una mol6cula en tres dimensiones. Por tanto, en nuestras discusiones de estereoquímica aquí y en capitulos subsiguientes, insistimos en el uso de modelos moleculares.

S E C C I ~4.1. N

Isomerfa geom6tríca en

los alquenos

I

En el Capítulo 3 hemos definido los idmeros estructura& como compuestos con la misma f6rmula molecular pero con diferentes ordenaciones enla uni6n de sus htomos. La isomeria estructural es solamente un tipo de isomería. La isomería geomdtrica es un segundo tipo de isomería, que resulta de la rigidez de las mol&ulas y se presenta en s6l0 dos clases de compuestos: alquenos y compuestos cíclicos. Las mol6culas no esth inm6viles, no son partículas estAticas, sino que se mueven, giran y flexionan. Los htomos y gruposunidossolamentepor enlaces sigma pueden

/somería geometrica en

los alquenos Secci6n

4. I .

117

girar y por tanto la forma global de una moltcula estA en un estado de continuo cambio. Sin embargo, los grupos unidos por un doble enlace no pueden girar alrededor del doble enlace sin romper el enlace L a s pi. molkulas a temperatura ambiente no disponen de la cantidad de energía necesaria para romper el enlace pi carbono-carbono (alrededor de 68 kcaYmo1). Como consecuencia de la rigidez de un enlace pi, los grupos sobre los átomos de carbono unidos por enlaces pi es& fijos en el espacio unos respecto a otros. Generalmente escribimos la estructura de un alqueno de manera quelos átomos decarbono sp’ y losátomosunidosaellos esttn en elplanodelpapel.Enesta representaci6n podemos visualizar un 16bulo del enlace pi en la parte anterior del papel y otro 16bulo del enlace pi en la parte posterior del papel, detrás del 16bulo anterior (vtase la Figura 4.1). enlace pi

\ /

vista superior

del mismo Indo FIGURA 4.1. Los grupos unidos a los carbonos sp’ est6n fijos unos con relacidn a los otros.

En la Figura 4.1, mostramos una estructura con dos átomos de C1 (uno sobre cada carbono sp’) a un lado del enlace pi y dos átomos de H al otro lado. Debido a que el doble enlace es rígido, esta moltcula no se interconvierte fácilmente con la que tiene los fitornos de cloro de lados opuestos del enlace pi. Se dice que dos grupos delmismo lado, en el enlace pi e s t h en cis (del latín, “en este lado”). Grupos de lados opuestos se dice que es& en trans (del latin “al otro lado”). Advitrtase como se incorpora al nombre la designaci6n cis o rruns.

H’

H

cis-1 ,Zdicloro-eteno

p.eb. 60“

Cl rruns-l,2-dicloro-eteno p.eb. 48”

Los cis y rrans-1,Zdicloroetenos tienen propiedades físicas diferentes (tales como puntos de ebullici6n): son compuestos diferentes. Sin embargo, estos dos compuestos noson idmeros estructurales, debido a que el orden de uni6n de los dtomos y la localizaci6n del doble enlace son los mismos en los dos compuestos. Este par de is6meros cae dentro de la categoría generalestereois6meros: de compuestos diferentes que tienen la misma estructura, pero que difieren s6l0 en disposici6n la de los &oms en el espacio. Este par de idmeros se incluye dentro deuna categoría m6s específica de idmeros geomktricos (tambikn llamadosis6meros cis-trans): estereois6meros que difieren porque los grupos e s t h del mismo lado o de lados opuestos en un lugar de rigidez de la moltcula. El requisito para que se d t isomeria geomktrica en los alquenos es que cada átomo de carbono unido por enlace pi tenga dos grupos diferentes unidos a 61, tales

Capitulo 4

118

Estereoqufmica

como H y C1, o CH, y C1.Siunodelos carbonos del doble enlace tiene dos grupos idknticos, tales como dosátomosde H o dos grupos CH,, entoncesnoesposiblela isomeríageom6trica.(Insistimos enlaconstrucci6ndemodelosmolecularespara comprobar este requisito, necesario para que se d t isomería geomttrica.) Is6meros geometricos:

/C=c

H

H

H

trans-2-penteno

CH,CH,

/

/

3

/c=C

Y

\

H

\

cis-2-penteno

c1\ H

c1

/CH,

/c=c H

Y

\

H

/c=C\

Y

\

H

/

cis- 1 -cloro-propeno trans-1-cloro-propeno

No son is6meros geométricos:

H H

\

/

/c=C\

C HCH, KH,

H es el mismo que

CH, CH,CH,

H

\

/

/c=c \

PROBLEMAS MODELO Seííale cada uno de los siguientes pares de estructuras como isómeros estructurales, isómeros geométricos o como el mismo compuesto: CI

\

(a)

/

H

H

H CH2CI

CH CH2CH, CH,CH H

/CH,CI

CI

H /

\3

/

\2

/c=c \

(b)

H\

/c=c \

/c=c \

/c=c\

H

H\

/c=c,

(c) CH3

CH2=CH H

/

H

CH2 =CH \

/c=c

/ \

H

CH,

Solucibn: (a) el mismo compuesto (los dos H estin en trans, en las dos fórmulas). (b) isdmeros estructurales (la posición deldobleenlace es diferente; cada isómero estructural tiene un isómero geom6trico). (c) isheros geodtricos (el primero es cis; el segundo es trans).

Isorneria geometrica en los alquenos

Secci6n 4.7.

119

¿Por qué el tricloro-eteno (C1,C = CHCI), utilizado como disolvente para limpieza en seco, no tiene is6meros geométricos? Soluci6n: Intercambiando dos grupos cualesquiera en la estructura no se obtienen is6meros diferentes. Para que existan isbmeros geométricos, debe haber dos grupos diferentes unidos a cada carbono del doble enlace.

¿Es posible la isomeria geométrica alrededor del triple enlace? Soluci6n: No. Los grupos unidos a un carbono sp e s t h en una línea. No se puede hablar de “al mismo lado” o “de lados opuestos”.

A.

El sistemade nomenclatura (E)y (2)

Cuando hay tres o cuatro grupos diferentes unidos a los átomos de carbono del doble enlace, existe un pardeisómeros geométricos, pero aveces es difícil asignarla nomenclatura cis o trans a los isómeros.

Br

\

,c=c I

/ \

F

c1

¿cis o trans?

En nuestro ejemplo, podemos decir que el Br y el C1 están en trans uno respecto al otro, o que el I y el C1 están en cis uno respecto al otro. Sin embargo, no podemos nombrar la estructura en su conjunto como isómero cis o isómero trans. Debido a la ambigüedad en casos de este tipo, se ha ideado un sistema más general para nombrar los isómeros, llamado el sistema (E)y (2).En la práctica, los isómeros geométricos frecuentemente se nombran, si es posible, con los prefijos cis y trans; el sistema (E) y (2) generalmentesóloseusaparaloscompuestosquenosepuedendesignarcon los prefijos cis y trans. El sistema (E)y (2) se basa en la asignación de prioridades (no debe confundirse con las prioridades de nomenclatura) a los átomos O grupos unidos a cada carbono del doble enlace. Si los átomos o grupos de mayor prioridad están de lados opuestos en el enlace pi, el isómero es (E).Si los grupos de mayor prioridad están del mismo lado, el isómero es (Z). (La letra E procededelalemán entgegen, “opuestos” y la letra Z del alemán zusammen, “juntos”.) Si los dos átomos sobre cada carbono del doble enlace son diferentes, laprioridad sebasaenlosnúmerosatómicosde los átomosunidosdirectamente aloscarbonos

Capitulo 4

120

Estereoquimica

del doble enlace. El número atómico mayor, tiene prioridad sobre los menores. En nuestro ejemplo, el I tiene un número atómico mayor que el Br; por lo tanto, el I tiene prioridad. Sobre el otro carbono del doble enlace, el C1 tiene prioridad sobre el F. F 9

número at6mico:

Br 35

C1 17

1

53

Drioridad creciente

V

Q-I-bromo-2-cloro2-flúor-1-yodo-eteno

PROBLEMAS MODELO ¿La siguiente estructura es (E) o

(E)-l-bromo-2-cloro 2-flúor-1-yodo-eteno

(a? cl\ /c=c H

/

\

C1

I

Soluci6n: En un carbono de doble enlace, el C1 tiene prioridad sobre el H. En el otro carbono, el I tiene prioridad sobre el C1. Los átomos de mayor prioridad están de lados opuestos; por lo que el is6mero es (E). Su nombre es (E)-l,2-dicloro-l-yodo-eteno.

Nombre el siguiente compuesto mediante el sistema (E)y

H H,C

\

/

/c=c \

(a:

CH,CH2CH, C1

Solvcibn: El carbono de la izquierda del doble enlace tiene unidos a 61 un H y un C; el C tiene prioridad. El carbono de la derecha tiene unidos a é1 un C1 y un C; el C1 tiene prioridad. (Véanse únicamente los útomos unidos directamente al carbono del doble enlace: C, y no el grupo --CH,CH,CH, entero.) Los átomos de mayor prioridad están del miimo lado; por lo tanto, el compuesto se nombra (2)-3-cloro-2-hexeno.


Nombre los siguientescompuestosmediante el sistema

F (a)

\

,c=c H

/ \

CH,CH,

w\

C=c‘ CI

(b)

/ CI

/ \

(m y (a:

CH, C1

Isomerfa geometrica en los alquenos

Secci6n 4.1.

121

B. Reglas secuenciales Mediante el número at6mico no siempre se puede hacer la determinacih del orden de prioridades. Por ejemplo, jc6mo nombrm’amos el siguiente compuesto mediante el sistema (E)y (a? H3C\

CH,

/C=C

H

/

CH,CH,

\

Para determinar el orden de prioridad en este caso y en otros semejantes, se ha desarrollado un conjunto dereglas secuenciales. Estas reglas de prioridad constituyen la base del sistema de nomenclatura de Cahn-Ingold-Prelog,así llamado en honor de los químicos que lo desarrollaron.

Reglas secuenciales para determinar el orden de prioridad:

*

Si los átomos en cuesti6n son diferentes, el orden de secuencia es por el número at6mic0, recibiendo la prioridad el htomo de mayor número at6mico.

1.

prioridad creciente

2.

Siestánpresentesdosis6toposdelmismoelemento,tieneprioridadel de masa superior. \ fH, 6 ’ H

3.

6

:H,

D

Si dos títomos son identicos, se usan para asignar prioridad los números at6micos de losútomos siguientes. Si estos htomos tambiCntienen unidos títomos idknticos , se determina la prioridad en el primer punto de diferencia a lo largo de la cadena, Tiene prioridad el títomo que tiene unido un títomo de mayor número at6mico. (No use las sumas de los números atbmicos, sino fíjese únicamente en los títomos de prioridad superior.)

tres H: menor prioridad

H 1

H,

\

I

/

I

CH,

/ c = ‘ \ H H.% / C,H /

H

‘H

F,” el Cl da prioridad a este grupo

H-C-CI

/H

‘C’

/

idtopo

dos H y un C: el cda prioridad a este grupo

H3C\

/CH,CH,

/c=c \

H

CH,CH,

I I C H,CH,

H-C-H

Capitulo 4

122

4.

Estereoquirnica

A lasestructuras con homos unidos por dobles o triples enlaces se les asigna una equivalencia con otras estructuras con enlaces simples. Cada &tomo-unido por un doble enlace se duplica (o triplica para los triples enlaces), como puede verse en los ejemplos siguientes: Estructura

Equivalencia para la deteminacidn de prioridades

O

O

R-C-R

R-C-R

I

11

I

0°C O

O

R-C-OH

R-C-OH

II

I

I

0°C

N

I

R-C-N

/

R-C-N,

C

I

C

N

c c I

R,C=CR,

I

R,C-CR,

C

c

c

Mediante esta regla, obtenemos la siguiente secuencia de prioridad:

-CH=CR2

-CN

o I1

“CH,OH

O

“CH

It

-C-

cetona aldehído

”H

“CH,

2 “c1

Soluci6n: El número admico creciente delAtornounido creciente: H,CH, , NH z . C1.

(N,H , C. CI)

da elordendeprioridad

Dé el orden de prioridad de los siguientes “CO2H

-CO,CH,

I1

“COH

h

prioridad creciente

”NH,

O

g r u p o s (de menor

-CH,OH

a mayor):

“OH

“H

lsomeria geometrica compuestos en

ciclicos

Soluci6n: Siguiendo las reglas secuenciales: -H,

“H

Seccidn 4 . 2 .

“&OH,

--CO,H, -CO,CH,, “OH.

“C02CH3

“CH,OH “CO,H

123

“OH

LQUCgrupo tiene prioridad el grupo n-butilo o el grupo igobutilo? Soluci6n: El primer carbono es del mismo tipo en cada grupo (lleva unidos dos H y un C).

i

-CH,CH,CH,CH3

(

J

“CH,CH(CH3),

Por lo tanto, pasamos al segundo carbono y encontramos que el grupo isobutilo tiene prioridad. H

I “CH,CCH,CH3 I

H

I

“CH,C C H,

I

H

El grupo n-butilo tiene un C y dos H en el primer punto de diferencia.

CHI El grupo isobutilo tiene dos C y un H en el primer punto de diferencia.


Diga si es (E)o (2)cada uno de los siguientes compuestos:

SECCI~N 4.2.

Isomería geomktrica en compuestos cíclicos Hemos visto cómo la rotación restringida alrededor deun doble enlace puede conducir a isomeria geomktrica.Vamos ahora a considerar la rotación restringida en compuestos cíclicos. Los átomos unidos a un anillo no pueden girar libremente alrededor de los enlaces sigma del anillo. La rotación alrededor de los enlaces sigma del anillo requeriría que los átomos o gruposunidospasasen por el centro del anillo. Las repulsiones devan der Waals impiden este hecho, a menos que el anillo contenga diez o más átomos de carbono. Los anillos más comunes en compuestos orgánicos son los anillos de cinco

124

Capitulo 4

Estereoquimica

y seis miembros; por lo tanto, centraremos nuestra discusión en menos de seis átomos de carbono.

o:>

estos grupos no pueden girar completamente alrededor de los enlaces del anillo

7

1

los anillos de seis y

un grupo puede girar completamente alrededor de este enlace

Porelmomento,supondremosquelosátomosdecarbonodeunaestructura cíclica, tal como el ciclohexano, forman un plano. (Aunque esto no es estrictamente correcto, como veremos más adelante en este capítulo, a menudo es conveniente suponer que los átomos esth en un plano.) Para la presente discusión, consideraremosel plano delanillocomocasihorizontal. E1 bordedelanilloproyectadohacianosotrosestá señalado más fuertemente. lejos d e l observador

cerca de[ observador

Cada átomo de carbono en el anillo de ciclohexano está unidoa losdos carbonos vecinos del anillo y también a otros dos átomos o grupos. Los enlaces de estos otros dosgruposserepresentanporunalínea vertical. Ungrupounido a la parte superior de la línea vertical se dice que está por encima del plano del anillo y el grupo unido a la parte inferior de la línea vertical se dice que está por debajo del plano del anillo.

I

1

-

--- por debajo del plano

En este simbolismo, muchas veces no se indican los fitomos de hidrógeno unidos

al anillo y sus enlaces.

)I

es

lo mismo que

H

Conformaciones compuestos de cadena de abierta Seccibn

4.3.

125

El decir que un sustituyenteestA “por encima del plano” o “por debajo del plano” s610 tiene sentido para una representaci6n particular de la estructura. Una moltcula puede girar en el espacio y el sustituyente que antes estaba “por encima del plano” pasa a estar “por debajo del plano” y viceversa.

OH

Lo r e sdmente importante es que, en todas las f6rmulas precedentes, e Wpo metilo y el grupo oxhidrilo e s t h en lados opuesfos del plano del anillo. Cuando los dos grupos e s t h en lados opuestos del anillo, es& en tram; cuando e s t h del mismo lado, estAn en cis. Estas designaciones e s t h relacionadas directamente con las de cis y @amen los alquenos. Los compuestos cis y frum son idmeros geom6tricos uno con respecto al otro, de la misma manera que los cis- y tram- alquenos.

OH rrum-2-metil-ciclohexanol

OH cis-2-metil-ciclohexanol

PROBLEMA MODELO k i r si es cis, trans, o N cis ni trans, cada uno de los siguientes compuestos:

c

Soluci6n: (a) truns; (b) ni cis ni trans (debido a que el anillo d e l benceno y sus

sustituyentes e s t h en el mismo plano, los sustituyentes no pueden estar por encima ni por debajo); (c) cis.

PROBLEMADE ESTUDIO 4.3.

Dibujef6rmulaspara los idmeros geom6tricosdel 2-isopropil-5-metil-ciclohexanol(llamado comunmente mentol) que se usa en cigarrillos y pastillas para la garganta.

SECCI~N4.3.

Conformaciones de compuestos de cadena abierta En los compuestos de cadena abierta, los grupos unidos por enlaces sigma pueden girar alrededor de estos enlaces. Por lo tanto, los átomos en una molécula de cadena abierta pueden adoptar una variedadcasi infinita de posiciones relativas en el espacio. El etano es una molécula pequeñapero aún así, puede adoptar diferentes disposiciones en el espacio, llamadas conformaciones.

126

Estereoquímica

Capítulo 4

fórmula dimensional f6rmula

de bolas y varillas proyección

de Newman

FIGURA 4.2. Fórmula dimensional, f6rmula de bolas y varillas y una proyecci6n de Newman del etano.

Para representar las conformaciones, usaremos tres tipos de fórmulas: las dimensionales, las de bolas y varillas y las proyecciones de Newman. (Sugerimos el uso de modelos.) Una fórmula de bolas y varillas y una fórmula dimensional son representaciones tridimensionales del modelo molecular de un compuesto (véase la Figura 4.2). La proyección de Newman es una vista de sólo dos átomos de carbono de la molécula, desde un extremo del enlace que los une. Dicho enlace está oculto. Los tres enlaces unidos al carbono frontal van hasta elcentro de la proyección, y los tres enlaces unidos al carbono posterior se muestran sólo parcialmente. H

H

H enlaces enlaces del proyeccidn del Newman de carbono frontal carbono posterior para

H

CH,CH,

Las proyecciones de Newman pueden dibujarse para moléculas con más de dos átomos de carbono. Debido a que en una proyección de Newman sólo se .pueden mostrar dos átomos a la vez, se puede dibujar más de una proyección para una molécula. Por ejemplo, podemos dar dos proyecciones de Newman para el 3-cloro-propanol. Mirando los carbonos J y 2:

OH

.,

I

OH

3-cloro-propanol

dimensional

bolas yNewman varillas

Mirando los carbonos 2 y 3:

OH

dimensional

bolasNewman y varillas

Debido a la rotación alrededor de sus enlaces sigma, una molécula puede adoptar cualquier número de conformaciones. Sin embargo, ciertas conformaciones son más

Conformaciones de compuestos de cadena abierta

Secci6n 4.3

127

estables que otras. Estas conformaciones preferidas se llaman conf6rmeros. Los confórmeros no son isómeros debido a que se interconvierten "son sólo orientaciones espaciales diferentes de una misma molécula. En nuestras fórmulas del etano y del 3-cloro-propanol,hemos dado confórmeros alternados, en los cuales los átomos de hidrógeno o los grupos unidos están lo más alejados posible unos de otros. Debido a que el enlace C - C experimenta rotación, los átomos de hidrógeno pueden también estar eclipsados, o tan próximos como sea posible, unodetrásde otro en unaproyeccióndeNewman.Los dibujaremos no totalmente eclipsados para poder verlos. i -

I?

eclipsada

w

repulsidn \

alternada

Se dice a menudo que la rotación alrededor de un enlace sigma es una rotación libre, sin embargo, no es totalmente libre. La conformación eclipsada del etano es aproximadamente 3 kcal/mol menos estable (de energía más alta) que el confórmero alternado, debido a pequeñas repulsiones entre los electrones de enlace de los átomos de hidrógeno. Para que un mol de moléculas de etano experimente rotación desde una conformación alternada a una eclipsada, requerirá 3 kcal. Puesto que las moléculas a temperatura ambiente disponen de esta cantidad de energía, la rotación puede ocumr fácilmente; ésta es la razón por la cual los diferentes confórmeros no son isómeros. Sin embargo, a pesarde que lasconformacionesdel etano son interconvertibles a temperatura ambiente, en un momento dado esperm'amos que un mayor porcentaje de moléculas de etano estuvieran en la conformación alternada debido a su menor energía. En la Figura 4.3 se da un diagrama en el que se muestra la variación de energía potencial con la rotación alrededor del enlace C - X en el etano. El butano (CH,CH,CH,CH,), de la misma manera que el etano, puede existir en conformaciones eclipsadas alternadas. Ahora bien, en el butano hay dos grupos metilo relativamente grandes, unidos a los dos carbonos centrales. Mirando el butano desde estos dos carbonos, los grupos metilo dan lugar a dos tipos de conformaciones

I

I

O __.

I

I

I

1

I

I

60

120

180

240

300

360

Grados de rotación alrededor del enlace C

Z del etano -+

FIGURA 4.3. Cambios energéticos implicados en la rotación alrededor del enlace sigma carbonocarbono del etano.

Capitulo 4

128

Estereoquimica

alternadas que difieren en las posicionesrelativas de dichos grupos. A la conformación alternada en la cual los grupos metilo están separados por la miixima distancia, se le llama confórmero anti (del griego anti, “contra”). Las conformaciones alternadas en las que los grupos metilo e s t h más próximos se llaman confórmeros gauche (del francés gauche, “torcido”). A continuación, se dan las proyecciones de Newman para una rotación de 180“. Rotacidn parcial alrededor del enlace carbono 2-carbono 3 del butano (se gira el carbono de

atr6s).

gauche

metilos eclipsados (de energía nuíxima )

Cuanto más grandes son los grupos unidos a los dos átomos de carbono, mayor es la diferencia de energía entre las conformaciones de la molCcula. Para aproximar dos grupos voluminosos, hace falta más energía que si los grupos son pequeños. Para girar la molécula del etano desde una conformación alternada a una eclipsada, hacen falta 3 kcal/mol , mientras que para girarla molécula del butano desde la conformación anti a la conformación en la que los metilos están eclipsados, hacen falta 4-6 kc& mol. En la figura 4.4 se muestran las relaciones energéticas de la rotación completa alrededor del enlace carbono 2-carbono 3 del butano. metilos eclipsados

gauche

anti

gauche

anti I

O

360

-Grados de rotaci6n alrededor del enlace”-----, carbono 2-carbono 3 del butano

FIGURA 4.4. Relaciones energbticas (en kcalhol) de las diferentes conformaciones del butano.

Conformaciones decompuestos los

ciclicos

Seccibn 4.4.

129


Dibuje proyecciones de Newman para l a s conformaciones anti y gauche de (a) 1-bromo-2-cloroetano, y (b) k i d o 3-hidroxi-propanoico.

SECCI~N 4.4. ~~

Conformaciones de los compuestos cíclicos A.

Tensiónanular

En 1885, Adolf von Baeyer, químico alemán, propuso que los compuestos cíclicos formaban anillos planos. Posteriormente Baeyer‘pensó que todos los compuestos cíclicos, excepto el ciclopentano, presentan’an “tensión” debido a que sus ángulos de enlace no se aproximan al bgulo tetraédrico de 109.5’ y propuso que el ciclopropano y el ciclobutano deberían ser más reactivos que los alcanos de cadena abierta, debido a los ángulos de enlace del anillo, anormalmente pequeños. Según Baeyer, el ciclopentano debería ser el anillo más estable (debido a que sus ángulos de enlace son muy pr6ximos al tetraédrico) y desputs, la reactividad aumentm’a de nuevo a partir del ciclohexano. Angulos de enlace según Baeyer:

La teoría de Baeyer no era enteramente correcta. El ciclohexano y los anillos de mayor tamaño no son más reactivos que el ciclopentano. Sabemos ahora que el ciclohexano no es un anillo plano conángulos de enlace de 120’, sino un anillo plegado con ángulos de enlace próximos a 109’, el ángulo de enlace sp3 normal.

mc hgulos de enlace

H

k

- 109”

ti

TABLA 4.1. Energías de tensi6n a partir de datos de calores de combusti6n.

- AH por CH,’

Energía de tensidn totap

Energía de tensidn por

CH,b ~

ciclopropano kcaUmol 167 ciclobutano 164 ciclopentano 159 ciclohexano 157

~~~

10 kcallmol

30 kcallmol 28 10 O

7 2 O ~

a

- &/mol dividido entre el númen, de

grupos CH2

La diferencia entre (1) el valor de -&KHz para cada compuesto y (2) el valor para el ciclohexano, suponiendoqueel ciclohexano no presenta tensih. FEnergía de tensi6n CH2 x número de grupos CHI

130

Capitulo 4

Estereoquimica

Sin embargo, los anillos maS pequeños sí presentan, en efecto, lo que llamamos tensi6n anular. El ciclopropano es el m& reactivo de los cicloalcanos. Su calor de a€ delosotrosalcanos (Tabla 4.1; vBase la combusti6nessuperiorporgrupoCH, Secci6n 3.4D). Cuando el ciclopentano se trata conhidr6geno gaseoso no reacciona, pero el ciclopropano experimenta apertura de anillo.

ciclopentano

H2C-CH2 ciclopropano

+ Hz-

CH3CH2CH, propano

Hoy podemos decir que los orbitales sp3 de los itomos de carbono en el ciclopropano no pueden experimentar superposici6n completa con los orbitales,sp3 de los otros carbonos, debido a que los 6ngulos entre lositomos de carbono del ciclopropano geom6tricarnente deben ser de 60" (ver Figura 4.5). Los enlaces sigma del anillo de sp3 que tienen los Angulos ciclopropano son de mayor energía que los enlaces sigma ktra6dricos normales. Los enlaces del ciclopropano se rompen con m6s facilidad que la mayoría de los otros enlaces sigma C - C y, en reacciones comparables, se libera m& energía. hgulo de enlace pr6ximo a 109" como en el ciclohexano o en un alcano de cadena abierta

hgulo internuclear de 60" como en el ciclopropano

\ escasa superposicidn debido

a que e l hgulo de un orbital normal difiere mucho de los 60" impuestos por razones geom6tricas sp'

FIGURA 4.5. No puede alcanzarse la superposicidn maxima entre los dtomos de carbono del anillo en el ciclopropano.

El ciclobutano es menos reactivo que el ciclopropano pero 6 s reactivo que el ciclopentano. De acuerdo con la teoría de Baeyer, el anillo de ciclopentano es estable y mucho menos reactivo que los anillos de tres y cuatro miembros. Con el ciclohexano y con los anillos mis grandes, las predicciones de Baeyer fallan. El ciclohexanojy los anillos miis grandes que el ciclohexano se encuentran en

Conformacionesde los compuestos ciclicos

131

Secci6n 4.4.

conformaciones plegadasm k bien que como anillos planos, y no son particularmente reactivos. Los anillos miis grandes no se encuentran en los compuestos naturalestan comúnmente como los anillos de cincoy seis miembros. Baeyer pens6 quela rareza era debida a la tensi6n anular. Ahora sabemos que la rareza de los anillos m k grandes de ello, la escasez no se debe fundamentalmente alas altas energías de enlace. En vez de estos compuestos surge del hecho de que a medida que aumenta la longitud de la cadena, disminuye la probabilidad de que sus extremos se encuentren para experimentar reacci6n y formar un anillo. (El problema esde eruropfu o falta de probabilidad y no de entulpía o cambio de energía). PROBLEMA MODELO iC6mo se esperada que fuese el anillo de benceno: planoo plegado? Soluci6n: El anillo de benceno es plano debido a que los dtomos de carbono presentan hibridaci6n spz (no sp'). La posici6n normal de los enlaces spz es plana y con hgulos de 120" entre ellos, correspbndiendo aun hexdgono regular plano.

~~

~~


Considerandoel tamaño de los anillos, jcuPes de lossiguientescompuestos se esperarfaque presentaran cantidades sustanciales de tensi6n anular?

alcanfor

apannentosano

B. Plegadodel anillo y repulsioneshidr6geno-hidr6geno Si el anillo de ciclohexano fuese plano, todos los 6tomos de hidr6geno sobre los carbonos del anillo esm'an eclipsados. Sin embargo, en el conf6rmero plegado que hemos visto, todos los hidr6genos estan alternados, La energía de este conf6rmero plegado del ciclohexano, es m6s baja que la energía del ciclohexano plano, debido tanto a los hgulos de enlace sp3 m h favorables, como a las menores repulsiones hidr6geno-hidr6geno. eclipsados

HGi H

alterMdos

H

H H

H plano

H

H plegado

132

Capítulo 4

Estereoquímica

~ Q u kpodemos decir de los otros compuestos cíclicos? El ciclopentano, si fuese plano, tendría hgulos de enlace (108") pr6ximos al valor 6ptimo; pero el ciclopentano también esta ligeramenteplegado, así que los &tomosde hidr6geno unidos alos carbonos del anillo estan alternados. El ciclobutano (ángulos de enlace de !N",si fuese plano) también esta plegado, a pesar de que el plegamiento produce hgulos de enlace con m6s tensibn. El ciclopropano debe ser plano; geomktricamente, tres puntos (o tres 6tomos de carbono) definen un plano. L o s &tomosde hidrdgeno en el ciclopropano necesariamente estan eclipsados. U U

H

I

I

H

forma de sobre del ciclopentano

H forma de mariposa del cicloburano

SECCION 4.5.

Los conf6rmeros del ciclohexano El anillo de ciclohexano, ya sea solo o en sistemas de anillos fusionados (sistemas anulares que comparten átomos decarbono), es el más importmte de todos los sistemas anulares. En esta sección, estudiaremos las conformaciones del ciclohexano y de los ciclohexanos sustituidos. En el Capítulo 20, discutiremos los sistemas de anillos fusionados. Un anillo de ciclohexano puede adoptar muchas formas, y cualquier molécula de ciclohexano está en un estado de continua flexi6n entre las diferentes formas. ( L o s modelos moleculares son de gran valor para mostrar las relaciones entre las varias conformaciones.) Hemos dado anteriormente la forma de silla del ciclohexano. A continuaci6n se dan otras formas que puede adoptar la molécula del ciclohexano.

silla

semi-silla

bore torcido

bore

Ninguna de estas otras conformaciones tiene la favorable estructura con hidrógenos alternados, de la forma de silla. El eclipsamientode los hidrógenos, como sucede en la forma de bote, aumenta la energía de la moltcula. La Figura 4.6 muestra los modelos y las proyecciones de Newman de la forma de silla y la forma de bote. En estas representaciones se ven los hidrógenos altemados y eclipsados. En la Figura 4.7 se dan los requisitos energéticos para la interconversi6n de las diferentes conformaciones del ciclohexano. Podemos ver que la forma de silla tiene la energía más baja, mientras que la de semi-silla (que tiene una estructura casi plana) tiene la energía más alta. En un momento dado, esperm'amos que la mayoría de las moléculas de ciclohexano estuvieran en la forma de silla. En efecto, se ha calculado que en cudquier momento, aproximadamente el 99.9% de las moléculas deciclohexano están en la forma de silla.

Los conf6rmerosdelciclohexano

Seccih 4.5.

Hidn5genos alternados

>._”””./ >-,a,?$

&%”

<.*’~”

modelo de

proyeccibn de Newman de la forma de silla (No se han dibujado los H sobre los carbonos 1 y 4)

la forma de silla S

eclipsados

pyecci6n de Newman de la forma de bote (No se han dibujado los H sobre los carbonos 1 y 4) modelo de la forma de bote FIGURA 4.6. Modelos moleculares y proyecciones de Newman de las formas de silla y bote del ciclohexano.

semi-silla m

silla

semi-silla

silla

133

Capitu/o4

134

A.

Estereoquímica

Sustituyentesecuatoriales y axiales

Los aitomos de carbono de la forma de silla del ciclohexano forman aproximadamente un plano. Con el prop6sito de facilitar la discusi6n posterior, se puede dibujar un eje perpendicular a este plano. En la Figura 4.8 se muestran estas operaciones.

eje

H ematorides (en el plano)

H axiales @aralelos al eje)

FIGURA 4.8. Hidr6genos ecuatoriales y axiales del ciclohexano.

Cada carbono del anillo de ciclohexano est4 enlazado a dos &tomos de hidr6geno. El enlacedeuno de estos hidr6genos esd aproximadamenteen el planodel anillo; este aitomo de hidr6geno se llama hidr6geno ecuatorial. El enlace del otro &tomo de hidr6geno es paralelo al eje; 6ste es un hidr6geno axial. Cada uno de los seis &tomos de carbono del ciclohexano tiene un aitomo de hidr6geno ecuatorial y uno axial. (De nuevo, nos referimos a la Figura 4.8.) En la interconversi6n entre los conf6rmeros, los hidr6genos axiales se convierten en ecuatoriales, niientras que los ecuatoriales se convierten en axiales. axial "X

este extremo se mueve hacia arriba

H

ecuatorial

H

este extremo se mueve hacia abajo

I

Un grupo metiloes m h voluminosoque un aitomodehidr6geno.Cuando el grupo metiloen el metil-ciclohexano esd enposici6n axial, el grupo metilo y los hidr6genos axiales en el mismo lado del anillo, se repelen mutuamente. Las interacciones entregrupos axiales sellaman interaccionei uxial-axial. Cuando el grupo metilo esth en posici6n ecuatorial, las repulsiones son mínimas. Por consiguiente, la energía del conf6rmero con un metilo ecuatorial es m h baja. A temperatura ambieñte, aproximadamente el 95% de las molkulas de metil-ciclohexano esth en la conformaci6n en la cual el grupo metilo es ecuatorial.

L.

repulsiones menores

Los conf6rmeros del ciclohexano Secci6n

4.5.

135

La diferencia de energía entre un conf6rmero axial y otro ecuatorial es mayor cuanto mhs voluminoso es el grupo sustituyente. En otras palabras, cuanto m& voluminoso es un sustituyente en un anillo de ciclohexano, es m& probable que Bste el del grupo sustituyente alcanza tenga esegrupo en posici6n ecuatorial. Cuandotamaño el del r-butilo, la diferencia en energías entre los conf6meros se hace bastantegrande. Se dice, a menudo, que el r-butilciclohexanoesta “congelado” en la conformaci6n en la que el grupo r-butilo es ecuatorial. El anillo no esta verdaderamente congelado, pero la diferenciade energía (5.6 kcaUmo1) entre las posiciones ecuatorialy axial del grupo r-butilo significa que S610 1 en 10,OOO mol&ulastieneel grupo t-butilo en posici6n axial en un momento dado.

fmorecida

B. Ciclohexanos disustituidos Dos grupos sustituyentes en un anillo de ciclohexano pueden ser cis o trans. Los anillos cis- y rruns-disustituidos son is6meros geomktricosy no son interconvertibles a temperatura ambiente; sin embargo, ambos is6meros pueden adoptar una variedad de conformaciones. Por ejemplo, consideremos algunas formas de silla del cis-1,Z dimetilciclohexano. Diferentes representaciones del cis- 1,2dimeti/-ciclohexano

QCH3 CH3

WCH3 L

CH3

ambos “hacia abajo’’

q

CH3

z

H

L ! q 2

CH,

ambos “hacia abajo”

&S

H “hacia

Debido a que se trata del idmero cis, ambos grups metilo deben estar d e l mismo lado del anillo, independientemente de la conformaci6n. En cada conformaci6n de silla que podamos dibujar, un metilo es axial y el otro es ecuatorial. Parq cualquier ciclohexano cis- 1,2-disustituido, un sustituyente debe ser axial y otro sustituyerlte debe 4.8 o utilice modelos moleculares para comprobarlo. ) ser ecuatorial.(Vuelva a la Figura , Cuando el cis-l,2-dimetil-ciclohexanocambia de un conf6rmero de silla a otro, los dos grupos metilos invierten su posici6n ecuatorial-axial.Las energías de los dos conf6rmeros son iguales debido a que sus estructurasy enlaces son idknticos. Por lo tanto, este compuesto existe principalmente como unamezcla 5050 de estos dos conf6rmeros de forma de silla.

136

Capitulo

Estereoquimica

4

Conf6rmeros de/ cis- 1,Z-dimetil-ciclohexano:

H

-H 43 axia1,ecuatorial (o a,e)

ecuatoria1,axlal (o e, a)

En el trans-1,2-dimetil-ciclohexano,los grupos metilos están de lados opuestos del anillo. En la forma de silla del isómero trans, un grupo debe estar unido a un enlace “alto”, mientras que el otro está unido a un enlace “bajo”. Diferentes representaciones de/ trans-1,2-dimeti/-cic/ohexano.

wH

QCH3:

/I(

hacia arriba

CH3

R

rCH3 hacza abajo

CH 3

hacia arriba

C H 3-

H

hacia abajo

CH3+ hacia arriba H

L E i a j o

No importa de qué modo se dibujen los dos grupos trans adyacentes; o son ambos miales (a,a),o ambos ecuatoriales (e,e). No hay manera de que dos grupos sean trans y 1,2 en una forma de silla de ciclohexano, sin adoptar la conformación a,a o e,e. Conf6rrneros de/ trans- 1,2-dimeti/-cic/ohexano

tl.ti

C’L’

favorecido

Un Único grupo metilo en un anillo de ciclohexano, adopta la posición ecüatorial preferentemente. Dos grupos metilo en un anillo de ciclohexano también adoptan, si es posible, las posiciones ecuatoriales. En el trans-l,2-dimetil-ciclohexano,el conf6rmero e,e es el conf6rmero preferido y es de menor energía que la conformación a,a. El conf6rmero trans e,e es tambitn de menor energía (en 1.87 kcal/mol) que los dos conf6rmeros del compuesto cis, los cuales deben ser a,e o e,a. En el caso de un ciclohexano 1,2-disustituido, el idmero trans es más estable que el is6mero cis debido a que ambos sustituyentes pueden ser ecuatoriales. Sin embargo, cuando ambos sustituyentes son 1,3 en un anillo de ciclohexano, el isómero cis es m6s estable que el is6mero trans. La raz6n es que ambos sustituyentes en el is6mero cis-1,3 pueden ser ecuatoriales. En el isómero trans-l,3 un grupo debe ser axial.

Los conf6rmerosdelciclohexanoSecci6n

4.5.

137

cis-7, 3-dimetil-ciclohexano:

CH 3

11.11

<,.<'

favorecido trans- 1,3-dimetil-ciclohexano:

PROBLEMA MODELO iCu6les son las posibles relaciones ecuatorial-axial paralos cis- y trans- 1,Cdimetilciclohexanos? En cada caso ¿cud es el conf6rmero de menor energía? Soluci6n: cis-l,4: a,e; e,a trans-1,4: a,a; e , e

Los conf6rmeros cis son de igual energía. El conf6rmero trans e,e es de menor energía que el conf6rmero trans a,a (y de menor energía que ambos conf6rmeros cis).


Señale cada uno de los siguientes anillos disustituidos comocis o trans y como a , a ; e,e; 0 a,e. (Si la estructura no tiene idmeros cis o trans, indíquelo.)

138

Capítulo 4

Estereoquímica

Quiralidad A. Quiralidaddeobjetos y mol&ulas Si examinamos nuestra mano izquierda, vemos que ésta no puede suporponerse con su imagen en el espejo o imagen especular. Si colocamos la mano izquierda frente a un espejo, la imagen se ve igual a la mano derecha. Si no disponemos de un espejo, coloquemos ambas manos juntas, con las palmas enfrentadas, y podremos ver que son imhgenes especulares. Ahora, tratemos de suporponerlas (ambas palmas hacia abajo), y veremos que no es posible (véase la Fig. 4.9). Esta propiedad de la mano derecha e izquierda tambi6n la poseen los zapatos y los guantes. (¡Intentemos ponemos en la mano derecha un guante de la mano izquierda!)

FIGURA 4.9. Se llama quiral el objeto que no puede ser superpuesto a su imagen especular.

Cualquier objeto quenopueda ser superpuesto con su imagen especular es llamado quiral (del griego cheir, “mano”). Las manos,guantes y zapatos son quirales. contrariamente, unataza o un cuboson aquirales (na quirales), yaquepueden suporponerse con sus imhgenes especulares. En la fig. 4.10 se muestra una taza que se suporpone con su imagen especular. Estos mismos principios de sentido de derecha o izquierda también se aplican a las moléculas. Una molécula que pueda superponerse a su imagen especular es aquiral; en cambio, una molécula que no pueda suporponerse a su imagen especular es quiral. Las figs. 4.11 y 4.12 muestranunamoléculaaquiral y otra quiral, respectivamente, junto con sus imhgenes especulares. Una molécula aquiral y su imagen especular que pueda ser superpuesta, son el mismo compuesto; no son isómeros. Pero una molécula quiral no se puede superponer con su imagen especular; esta moléculasuyimagen especular son diferentes compuestos y representan un par de estereois6meros llamados enanti6meros. Un par de enanti6meros es simplemente un par de isómeros que sonimágenes especulares que IU) pueden ser superpuestas.

Quiralidad

Secci6n 4.6.

139

espejo

FIGURA 4.10. Un objeto aquiral es superponible con su imagen especular.

espejo

es el mismo compuesto FIGURA 4.11. Una molecula con un solo dtomo de carbono, que tiene dos sustituyentes identicos (H, en este caso) es aquiral y puede superponerse con su imagen especular. Comprobarlo con modelos).

140

Capítulo 4

Estereoquimica

espejo carbono quiral

A

\

i d g e n e s especulares no superponibles, o enanti6meros.

FIGURA 4.12. Una molkula que tenga cuatro grupos diferentes unidos a un solo dtomo de carbono es quiral y no puede superponerse con su imagen especular. (Comprobarlo con modelos.)

B. Átomos de carbono quirales La característica estructural más común (pero no la única) que da lugar a quiralidad en las moléculas, es la presencia en la molécula de un átomode carbono sp3con cuatro grupos diferentes unidos a él (Figura 4.12). Tal molécula es quiral y existe como un par de enantiómeros. Por esta razón, un átomo de carbono unido a cuatro grupos diferentes se llama generalmente Btomo de carbono quiral (a pesar de que, técnicamente, es la moltcula y no el átomo de carbono, la que es quiral). Aprendiendo a reconocer los átomos de carbono quirales en una fórmula, se simplifica grandemente el problema de identificarestructuras que puedan existir como enantiómeros. Para poder identificar un átomo de carbono quiral, debemos asegurarnos de que los cuatro grupos unidos al carbono sp3 sean diferentes. En muchos casos, el problema es fácil; por ejemplo, si el carbono está unido a dos o más &tomosde H (“CH, ó “CH,), no puede ser quiral. Sin embargo, en algunos casos el problema puede ser más complicado. En estos casos se tiene que analizar en su totalidad cada grupo unido al carbono en cuestión y no sólo los átomos unidos directamente a ese carbono. H

I

dtomo de carbono quiral

y

H

CH,CH,-~-CH~CH,CH,

CH,CH,CH,+-CH,CH,

C‘H,

CH, enanti6meros f6rmulas dimensionales

SeccirSn 4.6.

Quiralidad

141

H

CH,C?,,.CH,CH2CH,

Y

enantiheros f6rmulas de bolas y varillas

PROBLEMAS M O D E L O Para dar Bnfasis, a menudo los &tomosde carbono quirales se señalan con un asterisco. En las siguientes estructuras, señale con un asterisco los carbonos quirales: O

C1

I

CH,CCH,CH=CHCH,

I

Br

CH,CH,

c1

O

I CH:CCH,CH=CHCH, I

Soluci6n:

11

CH,CYCOCH,

II

CH,?HCOCH,

I

Br

CH,CH3

ecH'

Una de las siguientes mol6culas es quiral y la otra es aquird. ¿Cual es la mol6cula quiral?

Y J /

(a)

(b)

Soluci6n: El carbono del anillo con el grupo metilo en (a) es un carbono quiral debido a que esta unido a cuatro grupos diferentes: CH,, H, O y CH,; por lo tanto, la estructura (a) es quiral. El ktomo correspondiente en (b) tiene dos grupos idknticos; por lo tanto, (b) es aquiral.

los dos grupos señalados con flechas son idinnticos; esta molécula es aquiral

cuatro grupos diferentes; esta moldcula es quiral

~

~

~~~


Señale con un asterisco los átomos de carbono quirales (si CH3

I

(a) CH3CHBr

CH 3 (b) CH,CH,CHBr I

los hay) en las siguientes fómulas: F-

(c) e C H 2 ( ! H a

Capítulo 4

142

4.8.

Estereoquímica

Señalecon un asterisco los fitomos de carbonoquiralesenlassiguientes

f6nnulas:

El dibujar estructuras de un par de enantiómeros para una mol6cula con un carbono quiral, es relativamente fkil. El intercambiode dos grupos cualesquiera alrededor del carbono quiral da como resultado el enanti6mero. Los siguientes ejemplos muestran dos maneras para convertir la fórmula de un compuesto (A)en la f6rmula de su enanti6mero (B).(Use modelos para verificar que las dos f6rmulas señaladas como B, realmente representan la misma moltcula.)

fi

intercambio

CH, CI-C-H

H-C-Cl

CH2CH,

( 7 3

CH3 N-C-CH,CH,

H-c-c'7 CH2CH3

CH2CH3 B

A

intercambio

c1 B

A

enanti6meros


Trace lasf6nnulas (ya sea dimensionales o debolas y varillas)para los dosenanti6merosde cada uno de los siguientes compuestos:

OH

Rr

3HCH(a) !&=f (

I

(b) CH,CH2CHCH,

C. Proyecciones de Fischer A fines del siglo XIX, el químico alemb Emil Fischer propuso las f6rmulas de proyecci6n para mostrarl a disposici6n en el espacio de los grupos unidos a los Btomo: de carbono quirales. Estas fórmulasde proyeccidn se llaman proyeccionesde Fischer. Dado que Fischer ide6 estas f6rmulas para molkulas deazúcares, ilustraremos el tipo de proyecci6n de Fischer, de uso común actualmente, con los azúcares de estructuras mas sencilla: 2,3-dihidroxi-propanal (gliceraldehido) y 2,3,4-trihidroxi-butanal(eritrosa). El gliceraldehído tiene un &tomode carbono quiral (el carbono 2), mientras que la eritrosa tiene dos átomos de carbono quirales (los carbonos 2 y 3). Una proyecci6n de Fischer no es más que una manerataquigtifica para representar una f6rmula de bolas y varillas o dimensional. Esto puede verse en la siguiente representaci6n del gliceraldehído y de la eritrosa.

Quiralidad

Secci6n 4.6.

143

Para el gliceraldehfdo:

O

O

CH

11

I1

@ CH

O

II

H ~ A ~ o H 6 H-C-OH

@Y 0 CH20H

serepresenta

H

CH,OH

TCO H 2H 0H proyeccidn de Fischer

Para la eritrosa:

O

O

CH

CH

I1

I1

6

I

H-C-OH

I I

H-C-OH CH20H

CH20H

proyeccidn de Fischer

Al trazar una proyecci6n de Fischer, se supone que la molCcula e s a completamente extendida en el plano del papel con todos los sustituyentes eclipsados, sin importar cualsea la conformacibn preferida. Las f6rmulas anteriores de la eritrosa muestran la conformaci6n utilizada en la proyecci6n de Fischer. Por convención, el grupo carbonilo (o grupos con prioridad en la nomenclatura), se coloca en o cerca de la parte superior; así, el carbono superior es el carbono l. Cada intersección de las líneas horizontales y verticales representa un &tomode carbono quiral. Cada línea horizontal representa un enlace dirigido hacia el observador, mientras que la línea vertical representa enlaces dirigidos hacia atrh, lejos del observador.

<

lejos del observador IQHO ,

hacia

observador el

CH2OH

Un par de enanti6meros se reconoce fhcilmente cuando se emplean proyecciones de Fischer.

q:: 1

CHO

CHO

HO CH,OH

E$:

OH

CH,OH Los carbonos 2.3 y 4 son qurroles.

El enuntidmeromuestro todos los grupos unidos a los carbonos quirales. girados de izquierda a derecha.

Una proyección de Fischer se puede rotar 180" en el plano del papel, pero no puede dhsele vuelta o rotarla en ningún otro ángulo. Cualquiera de estas dos últimas operaciones pondria a la fórmula fuera de la proyección de Fischer y llevm'a a una estructura incorrecta.

Capitulo 4

144

Estereoquhica

correcto:

CHO H+OH , CHzOH

-

CH,OH HO+H CHO

rotar 180"

es la misma estructura de la izquierda

incorrecto:

CHO H+OH CHIOH

%-> \ /

H HOCH,+CHO OH ¡NO ES LA MISMA! (Para verificar la diferencia, dibuje esta proyección como fórmula dimensional con los enlaces horizontales dirigidos hacia el observador.)

Las proyecciones de Fischer son un método taquigráfico conveniente para representar las moléculas quirales. Debido a que tienen ciertas limitaciones inherentes, como la anterior, las proyeccionesde Fischer deben emplearse cuidadosamente. Sugerimos convertir las proyecciones de Fischera fórmulas de bolasy varillas o dimensionales (usar modelos) antes de llevar a cabo cualquier manipulación espacial. En los siguientes capítulos insisteremos en el uso de fórmulas dimensionales en lugar de proyecciones de Fischer, las cuales usaremos al discutir los carbohidratos (Capítulo 18). PROBLEMA DE ESTUDIO 4.10

(a) Convierta la siguiente proyección de Fischer a una fórmula dimensional: CO,H HO+H CHIOH

(b) Convierta la siguiente fórmula dimensional de la alanina (la cual es un aminoácido que se encuentra en las proteínas), a una proyección de Fischer.

CH 3,.,>5ic, I C02H

H

ácid0 2-amino-propanoico

(alanina)

S E C C I ~4.7. N

Rotación del plano de la luz polarizada Con excepci6n de la quiralidad, las estructuras de un par de enantiómeros son las mismas. Por consiguiente, casi todas sus propiedades físicas y químicasson las mismas. Por ejemplo, si consideramos un par de enantiómeros, cada enantiómero puro tiene el mismo punto de fusión y el mismo punto de ebullición que el otro. Para un par de enantiómeros, sólo son diferentes dos conjuntos de propiedades: 1.

interaccionescon otras moléculas quirales

Rotaci6n del

2.

plano de la luz polarizada Seccibn

4.7.

145

direcci6n de rotaci6n del plano de polarizaci6n de la luz polarizada

La luz ordinaria se desplaza en ondas, y las ondas forman un hgulo recto con la direcci6n del desplazamiento. La l u z polarizada en un planoes una luz en la que se han eliminado todas las vibraciones de las ondas, excepto las que tienen lugar en ese plano. Esto se efectúa haciendo pasar la luz ordinaria a través de dos cristales de calcita (Caco,) o de una lente polarizante. (En las gafas de sol Polaroid se usa el mismo principio.) La Figura 4.13 muestra un diagrama simplificadode la polarizaci6n de la luz en un plano. Si se hace pasar luz polarizada en un plano a través de disoluci6n una que contiene un enanti6mero puro, el plano de polarización de la luz es rotado hacia la derecha o hacia la izquierda. (Vease la Fig. 4.14). A la rotaci6n del plano de la luz polarizada se le llama rotaci6n 6ptica. Un compuesto que desvía el plano de polarizaci6n de la luz polarizada se dice que es 6pticamente activo. Por esta raz6n, los enanti6meros se llaman a veces is6meros 6pticos. Un polarímetro es un instrumento diseiiado para polarizar la luz y mostrar después, el Angulo de rotaci6n del plano de polarizaci6n de la luz; causado por un compuesto 6pticamente activo. El valor de la rotaci6n depende de (1) la estructura de las moléculas; (2) la temperatura; ( 3 ) la longitud de onda; y (4) el número demoléculas que atraviesa la luz. La rotaci6n específica es la rotaci6n producida por 1.O0 gramo de muestra en 1.O0 ml. de disoluci6n, colocada en un tubo de una longitud de 1.O0 decímetro (dm.) a determinada temperatura y a una longitud de onda específica. La longitud de onda

luz ordinaria

lente polarizante

luz polarizada en un plano

FIGURA 4.13. La polarizacibn de la luz en un plano.

T

luz polarizada en un plano

solución de un enantiómero

rotación

FIGURA 4.14. La rotaci6n del plano de polarizaci6n de la luz polarizada, es producida por un enanti6mero puro.

Capítulo 4

146

Estereoquimica

que se usam&comúnmente es 589.3 nm (la línea D del sodio), donde 1 .O nm = m. La rotaci6nespecífica para un compuesto (a 20°, por ejemplo)se puede calcular a partir de la rotaci6n observada mediante la siguiente f6rmula: [a[*, =

-aIC

donde [a]*,= rotaci6n especifica a l a línea D del sodio a 20” a = rotaci6n observada a 20” 1 = longituddelaceldaen dm. (1.0 dm = 10 cm.) c = wncentraci6n de la disolucih de la muestra en gr./ml.

El hecho de que algunos compuestos desvían el plano de polarización de la luz polarizada, fue descubierto en 1815 por el físico francts Jean-Baptiste Biot. Pero fue Louis Pasteur quien en 1848 hizo el importante descubrimiento de que hay dos tipos de cristales de tartrato de sodioy amonio y que estos dos tipos son imhgenes especulares entre sí. (Discutiremos la estructura del kid0 tart&icoen la Secci6n 4.9C.) Pasteur separ6 laboriosamente los cristales “de mano izquierda” de los cristales “demanoderecha”con un par de pinzas. Imaginemos su asombro cuando encontró que (1) una soluci6n de la mezcla original de cristales, no desviaba el plano de la luz polarizada; (2) una soluci6n de cristales “de mano izquierda” desviaba el plano de la luz polarizada; y (3) una soluci6n de cristales “de mano derecha” tambitn desviaba el plano dela luz polarizada exactamente en la misma magnitud, pero en direccidn opuesta. El experimento de Pasteur y los experimentos posteriores de otros innumerables cientificos conducen a las siguientes conclusiones: 1.

Cadaenantidmeropuro,desvía el planodepolarizaci6nde la luzpolarizada el mismo número de grados, pero en direcciones opuestas (uno hacia la izquierda; el otro hacia la derecha).

1.

Una mezcla departesigualesde la luz polarizada.

A.

Algunos tCrminos usados en la discusi6n de la rotación 6ptica

un pardeenanti6merosnodesvía

el planode

El enanti6mero de cualquier par enantiomtrico, que rota el plano de la luz polarizada hacia la derecha, se dice que es dextrorrotatorio (dellatín dexter, “derecha”).Su imagen especular, que desvía el plano de polarizaci6n de la luz hacia la izquierda, se dice que es el enantiómero levorrotatorio (del latín laevus, “izquierdo”). La direcci6n de la rotaci6n se especifica en el nombre por ( ) para dextrorrotatorio y ( - ) para levorrotatorio. (En la literatura antigua se encuentra algunas veces d para dextrorrotatorio y 1 para levorrotatorio.)

+

O

O

O

CH

CH

CH

II

II

HO-C-H CH,OH

CH,OH CH,OH (

11

O

CH H O t H

CH,OH

+ )-gliceraldehído [x];” = f8.7”

O

II

(-)-gliceraldehído [z];’ = -8.7“

Configuraci6n relativa

y absoluta SeccMn

147

4.8.

Una mezcla de partes iguales de cualquier par de enanti6meros se llama una mezcla racbmica o modificaci6n racbmica. Una mezcla rackmica se puede indicar en el nombre por el prefijo ( & ). (En la literatura antigua, se emplea dl para indicar una mezcla rackmica.) El gliceraldehído rackmico se llama porlo tanto ( & ) gliceraldehído. (El tkrmino rucémico procede del latin rucemis, “racimo de uvas”. La raz6n de esta extraña derivaci6n es que el t6rmino rucémico fue usado en primer lugar para describirel zícidot-co rackmico,aisladocomo un productosecundarioenla fabricaci6n del vino.) 50

(+ )- gliceraldehído [a];’ =

+ 50% (- )- gliceraldehido

f8.7”

[a];’ =

-8.7”

= (+)- gliceraldehído [a]&’ = O

una mezcla

racemica

Una mezcla radmica no desvía el plano de l a luz polarizada, debido a que la rotaci6n producida por cada enanti6mero se cancela por la rotaci6n igual y opuesta del otro. Una soluci6n de una mezcla rackmicao de un compuesto quiral se dice que es 6pticament.e inactiva, pero las causas de inactividad 6ptica son diferentes.

SECCI~N 4.8.

Configuraci6n relativa y absoluta El orden en que es& colocados cuatro grupos alrededor de un 6tomode carbono quiral se llamaconfiguraci6n absolutaalrededor de ese carbono. (No confundir configuraci6n con conformucibn, la cual es una forma que surge de la rotaci6n alrededor de enlaces.) Un par de enanti6meros tienen configuraciones opuestas. Por ejemplo, ( ) y ( -) gliceraldehído tienen configuraciones opuestas. Pero ¿que f6rmula representa al enanti6mero dextrorrotatorio, y cu6l al levorrotatorio? ¡Hasta 1951, los químicos no lo sabían! Anteriormente, se conocía que el ( + ) gliceraldehído y el zícido ( - ) glickrico (Acid0 2,3 -dihidroxi-propanoico) tienen la misma configuraci6n alrededor del carbono 2, a pesar de que desvían el plano de la luz polarizada en direcciones opuestas. Pero no se sabía si el “OH sobre el carbono 2 estaba a la derecha o a la izquierda en las f6rmulas que se pueden dibujar como hemos enseñado:

+

la misma confguracfon pero, ¿el -OH est6 a la derecha (como se

CH,OH &ido ( - ) glicCrico

CH,OH (

indica) o a la izquierda?

+ ) gliceraldehfdo

A pesar de que los químicos no conocían las configuraciones absolutas del zícido

( - ) glic6rico y de otros compuestos 6pticamente activos, podían hablar de las con-

figuraciones relativas de estos compuestos. Generalmente, las configuraciones de los compuestos 6pticamente activos fueron relacionadas con la( + del ) gliceraldehído. Se decía que las configuraciones relativas eran iguales u opuestas a la configuraci6n del ( + ) gliceraldehído. XIX Para facilitar el trabajo con las f6rmulas, se decidi6 a finales del siglo suponer que el ( + ) gliceraldehído tenía la configuraci6n absoluta con el OH en el carbono 2 a la derecha.

Capitulo 4

148

Estereoquimica

En 195 1, estudios de difracción de rayos X, llevados a cabo por J.M. Bijvoet en la Universidad de Utrecht en Holanda, mostraron que la suposición original era correcta. El ( ) gliceraldehído tiene en efecto, la configuración absoluta que los químicos habían estado usando durante 60 años. Si los químicos hubiesen hecho una suposición equivocada, la literatura química habría llegado a un estado de confusión - todos los articulas anteriores a 1951 mostrarian configuraciones opuestas a las de los artículos mhs modernos. ¡Lasuposición original fue realmenteuna suposición acertada! La dirección de la rotación del plano de la luz polarizada, causada por un enantiómero, es una propiedad física. La configuración absoluta de un enantiómero en particular es una característica de su estructura molecular. No hay una relación simple entre la configuración absoluta de un enantiómero en particular y su dirección de rotación del plano de la luz polarizada. Como hemos dicho, el enantiómero del Acid0 glic6rico con la misma configuración absoluta que el ( ) gliceraldehído es levorrotatorio, no dextrorrotatorio.

+

+

A.

Asignaci6n de la configuraci6n: El sistema R y S

Hemos visto cómo se puede indicar por ( + ) o ( - ) la dirección de rotación del plano de la luz polarizada. Sin embargo, tambiCn se necesita un sistema para indicar la configuración absoluta - esto es, la disposición real de los grupos alrededor de un carbono quiral. Este sistema es el sistema (R)y (S), o sistema Cahn-Ingold-Prelog. La letra (x) procede del latin rectus, “derecha”, mientras que (S) procede del latín sinister, “izquierda”. Cualquier átomo de carbono quiral tiene una configuracl6n (H)o una configuración(S);por lo tanto, un enantiómero es (R)y el otro es (S). Una mezcla ractmica se puede designar como (R)(S), que significa una mezcla de los dos. En el sistema (R)y (S), a los grupos se les asignan prioridades usandolas mismas reglas que se usan en el sistema (E‘) y (2); sin embargo, el orden de prioridades se usa de forma algo diferente. Para asignar una configuración (R)o (S) a un carbono quiral:

l.

.=;.dene los cuatro grupos (o-~ átomos) unidos al carbono quiral, en orden de ;?rioridad-ieghlas reglas-de secuencia de Cahn-Ingold-Prelog (pggina121-122). ”

2.

Proyecte la molécula conel grupo de menor prioridad hacia atrás. ~

3. Seleccione el grupo que tiene mayorprioridadydibujar unaflecha curvahacineigru PO que le sigueen orden de prioridad descendente. 4.

Si esta flecha tiene el sentidodelasmanecillasdel reloj, la configuración es (R).Si la flecha tienesentido contrarioa las manecillas delreloj, la configuración es (S). Ilustremos el uso de este procedimiento asignaldo la configuración (R)y (S) a

los d m enantidmeros del I-bromol-I-cloroetuno

i‘H

3

CH,

C‘H,

enanti6meros del 1-bromo-1doro-erano

CH,

Configuraci6n relativa y absoluta

Secci6n 4.8.

149

1.

Ordene los cuatro grupos. En este caso, el ordendeprioridadde átomos por número atómico es Br (mayor), C1, C, H (menor).

2.

Dibuje proyeccionescon el átomo menor (H)hacia atrzis. (Este átomo estA oculto detrás del átomo de carbono en las proyecciones siguientes).

3.

Dibuje una flecha desde el átomomayor (Br) hacia el segundoenordende prioridad (Cl).

4.

Asigne la configuraci6n (R)y (S).

En el sentido de las manecillas d e l reloj = (R) (R)-1-bromo-lcloro-etaao

loscuatro

En senrid0 connario al de las manecillas d e l reloj= (9 (S)-l-bmmo-l-clo~tano

El colocar una estructura en la posición correcta para asignar la configuraci6n un modelomolecular. Se construye el modelo, se toma el grupo menor con una mano, yse gira el modelo de manera que los tres grupos restantes queden frente al observador. Se determina si la estructura es (R)o (S)de la manera usual (vCase la Fig. 4.15)

(R)o (S)sehacefácilmentecon

girado (H ocplto detrsls del C)

FIGURA 4.15. Uso de un modelo molecular para determinar la configuracidn (R) 6 (S).

PROBLEMAS MODELO Nombre el siguiente compuesto, incluyendo la designaci6n (R)6 (S).

H HOL_I/CH,

YCH,CH,

H 6

HO-C-CH, CH,CH,

150

Capitulo 4

Estereoquimica

Solucibn:

1. prioridad OH (mayor), CH,CH,,CH,,H (menor) 2. proyecci6n con H hacia ahas: OH 1

?H

3. ensentidocontrario al delasmanecillasdel 4. nombre: (3-2-butanol

reloj = (S) ~~

~~~~~

~~~

Dibuje la estructura del (R)-(-)-2-butanol. Soluci6n

1. Escriba la f6rmula del compuesto sin tener en cuenta la configuraci6n del carbono quiral. OH CH$HCH2CH3 2. Asigne prioridades alrededor del carbono quiral: OH (mayor), CWCH,, CH,, H (menor). 3. Dibuje la proyecci6n con el grupo menor (H) hacia atras. Coloque los grupos restantes de tal manera que para pasar de OH a CH,CH, se gire en el sentido de las manecillas del reloj, configuraci6n (R). OH

sentido de las manecillas de reloj OH 1

4. Redibuje la estructura usando UM f6nnula de bolas y varillas o tridimensional (los modelos facilitan esta tarea). OH H3C&CH2CH3

v

OH 6

CH,-C-CH2CH3 H

H

Advikrtase que en la soluci6n de este problema, no se ha usado el signo de la rotaci6n que aparece en el nombre. El ( - ) indica la direcci6n de rotaci6ndel plano de la luz polarizada, una propiedadfísica del (I?)-Zbutanol, y no se usa para determinar su configuraci6n.

PROBLEMAS DE ESTUDIO 4.1 l.

Asigne a cada una de. las molfkulas siguientes la configuraci6n (A) o (S):

MAS de un Atorno de carbono

y (c)

CH3CH,-C-CH,

CH20H 4.12.

Secci6n 4.9.

quiral

151

C02H (d)

H2N+

NH,

Trace f6rmula.s para(a)(R)-3-bromo-heptano y (b) (9-2-pentano1, que muestren las configuraciones absolutas alrededor de los carbonos quirales.

S E C C I ~ N4.9.

M&

de un &tomode carbono quiral

Hasta ahora nuestra discusi6n se ha limitado primordialmente acompuestos que tienen s610 un carbono quiral, pero puede haber compuestos con m&sde un &tomoquiral. Consideremos un compuesto con dos carbonos quirales diferentes. Cada uno de estos dos centros quirales puede ser (R)o (S); consecuentemente,puede haber cuatro maneras diferentes de disponer estas configuraciones en la molkula. Una molkula con dos centros quirales diferentes puede, por lo tanto, tener cuatro estereoidmeros diferentes.

PROBLEMA MODELO ¿Cu&ntos estereois6meros podrían existir para un compuesto que tiene tres carbonos quirales diferentes? Solucibn: ocho: (lR,2R,3R); (lR,2R,3S); (1R,2S,3R); (1R,2S,3S); (1S,2R,3R); (lS,2R,3S); (1S.2S,3R); (1S,2S,3S).

El número h i m 0 de isdmeros dpticos para un compuesto es 2”, donde n es el número de &tomosquirales. Si hay dos carbones quirales, entonces puede haber hasta cuatro estereois6meros (2*=4); cuando hay t r e k centros, puede haber hasta ocho estereois6meros (23= 8). PROBLEMA DE ESTUDIO 4.13.

¿Gun es el n h e r o mftximo de estereois6meros para cada uno de los siguientes compuestos? (a) 1,2-dibrorno-l-fenil-ppano; (b) 1,2-dibromo-2-metil-l-fenil-propano; (c) 2,3,4,5-tetra-hi-

droxi-pentanal.

A. El sistema (R)y (S) para un compuesto con dos Btomos de carbono quirales Para asignar las configuraciones (R)o (S) a dos Atomos de carbono quirales en una mol6cula, consideraremos separadamente cada Atom0 de carbono quiral. Usaremos e]

152

Estereoquimica

Capitulo 4

azúcar eritrosa para ilustrar la t6cnica. (Por conveniencia, no siempre usamos líneas o cuñas punteadas en una f6rmula que muestra más de un carbono quiral.) O

I1

CH I

I

los carbonos 2 y 3 son quirales

CH,OH

Para el carbono 2:

CHO

I

CH,OH

CH,OH para ir de OH (mayor) a CHO (segundo) hay que seguir el sentido de a ls m a n e c i l l a s del reloj: el carbono 2 es ( 2 R )

Para el carbono 3 :

CHO I CHOH

CHO

I

CHOH

giro

I

n

H-C-OH CH,OH

L

HO‘

’CH,OH

t

para ir de “OH a --CH(OH)CHO hay que seguir el sentido de a ls manecillas del reloj: el carbono 3 es

El nombre IUPAC para este estereois6mero es, por lo tanto, (m, 3R)-2,3,4trihidroxi-butanal. Advitrtase que los núíneros y letras dentro del phntesis se refieren a la configuraci6n alrededor de dos carbonos quirales diferentes en una molkcula. Compárese esta notaci6n con @)(S), que significa una mezcla racémica.

B. Diasteredimeros Cuando una moltcula tiene más de un carbono quiral, no todos los isdmeros 6pticos son enanti6meros. Por definicih, los enanti6meros (imágenes especulares) existen en pares.

MASde un Atomo de carbono quiral

Seccidn 4.9.

153

Los cuatro estereoisbmeros del 2,3,4-trihidroxi-butaanal:

CHO

CHO

I H-C-OH HO-C-H H-C-OH HO-C-H I

H-C-OH HO-C-H

I

CH20H (2R.3R)

I I HO-C-H I

CHO

CHO

CH,OH

CH20H

I I I

H-C-OH

CH,OH

I I I

(2R,3S)

(2S.X)

(ZS.3R)

enanti6meros

enanti6meros

Advitrtase que los estereoisómeros (2R,3R)y (2S,3S) son enantiómeros. Los estereoisómeros (m, 3s) y (2S,3R)son tambiíenenantiómeros.Sinembargo, los estereoisómeros (2S,3S) y (2R,3S) no son enanti6meros. (¿Que otros pares no enantiomkricos existen?) Dos estereoisómeros que no sean enantiómeros se llaman diaster&meros, o diastereois6meros. Así, losestereoisómeros (2S, 3s) y (2R,3S) son diastere6meros. (Los isbmeros geométricos también son diastereómeros por esta definici6n.) CHO

CHO

I

HO-C-H

I

HO-C-H

I

I I HO-C-H I

H-C-OH

CH,OH CH,OH

un par de diasteredmeros: estereois6meros que no son enantidmeros

Dos enantidmerostienen idtnticas propiedades físicas y químicas, excepto las interacciones con otras molkculas quirales y la dirección en que rotan el plano de la luz polarizada. Los diastereoidmeros, sin embargo, son diferentes química y física" mente.Tienendiferentespuntosdefusión,diferentessolubilidades y, a menudo, experimentan reacciones químicas de manera diferente. PROBLEMA MODELO Identifique cada par de moltculas como isómeros estructurales, enantiómeros 0 diastereómeros. Cy3

COZH COZH (a) H2N-C-H

CH,OH CHO

H-c-NH, CH,OH

,CH3

,C=C

(b)

\

H

H

CHO

CHO

I

CH20H

Soluci6n: (a) y (d)sonenanti6meros.

CH,OH

,c=c CHO

I I

I

I

H-C-OH HO-C-H H-C-OH HO-C-H

CH,OH

H

I I I

H-C-OH HO-C-H (d)

CF3

CH,OH

(b) y (c) son diastere6meros.

,H \

CH,

154

Capitulo 4

Estereoquimica

C. Compuestos meso Un compuesto con n carbonos quirales tiene un mhimo de 2” estereois6meros, pero puede no tener esa cantidad. Consideremos un par de estructuras (A y B) con dos &tomos de carbonoquirales. A primera vista, podemos suponer que A y B son enanti6meros. CO,H

C02H

I I I

I

H-C-OH HO-C-H

I

HO-C-H H-C-OH

I

C02H

CO, H B

A

Tomemos B y girémosla 180” en el plano del papel iB es idtntica a A ! A y B, en efecto, son imhgenes especulares, pero las imhgenes especulares se pueden superponer; por lo tanto, A y B son el mismo compuesto.

H-C-OH

cI

q

H0-C-H

+

I I

HO-C-H CO,H R

C02H

I

180” P

H-C-OH

I I

CO,H

B se puede superponer

con

A

iC6mo es posibleque las imAgenes especulares de una moltcula con dos carbonos quirales se puedan superponer? La respuestaesquealmenosenuna conformaci6n, ésta molécula tiene un plano interno de simetría. La mitad “superior” de la molécula

kid0 rneso-tarkhico [a]= o

FIGURA 4.16. Un plano interno de simetría es un plano hipotetico que divide un objeto en dos mitades especulares identicas. Un objeto con un plano interno de simetría es aquiral (puede superponerse con su imagen especular).

Mds de un dtomo de carbono quiral

Secci6n 4.9.

155

es la imagen especular de la mitad "inferior". Podemos decir que una mitad de la moltcula cancela la quiralidad de la otra mitad y viceversa. Por lo tanto, la moltcula en conjunto es aquiral y no produce rotación del plano de la luz polarizada. La figura 4.16 ilustra un plano interno de simetría. Un estereoisómero que contiene carbonos quirales pero que puede superponerse a su imagen especular, se llama una forma meso. El compuesto que hemos estado discutiendo es el ácido meso-tartárico. Un compuesto con dos carbonos quirales puede tener hasta cuatro estereoisómeros. Para el ácido tartárico, hemos visto dos posibilidades, y estas dos posibilidades constituyen un Único isómero, el ácido meso-tartárico. ~ Q u se t puede decir acerca de los otros dos estereoisómerosdel ácido tartárico? ¿Tienen unplano interno de simetría? No, no lo tienen. Las mitades superiores no son imágenes especulares de las mitades inferiores. El giro de 180" de cada estructura no da como resultado la otra estructura o el isómero meso. Los otros dos estereoisómerosdel ácido tartárico son enantiómeros. Ambos son ópticamente activos ydesvían el plano de polarización de laluz polarizada en igual magnitud, pero en direcciones opuestas.

LCuAles son nuestras conclusiones acerca del ácido tarthico? Debido a la existencia de un plano interno de simetría en el ácido meso-tartárico, hay un total de sólo tres estereoisómeros para el hcido tartárico, a pesar de que la regla 2" predice cuatro estereois6meros. Estos tres estereoisómeros son un par de enantiómeros, y la forma meso diastereomtrica. Veamos a continuaci6n las formas meso de algunos otros compuestos:


Dibujetodoslosposibles estereois6merosdel 2,3-dicloro-butano. Indiquetodos los pares enantiom6ricos.

156

Capitulo 4

Estereoquimica

SECC16N 4.1 O.

Resolución de una mezcla racémica En la mayoría de las reacciones de laboratorio, un químico utiliza materias primas aquirales o ractmicas y obtiene productos aquirales o racCmicos. Por lo tanto, en los capítulos siguientes a menudo ignoraremos la quiralidad (o la ausencia de ella) en los reactivos o en los productos. Por otra parte, tambitn discutiremos muchas reacciones en las cuales la estereoquímica es bastante importante. Contrariamente a las reacciones de laboratorio, la mayoría de las reacciones biológicas parten de reactivos quirales o aquirales y conducen a productos quirales. Estas reacciones biológicas son posibles debido a los catalizadoresbiol6gicos, llamados enzimas, los cuales són quirales. Recordemos que en un par de enanti6meros, los dos tienen las mismas propiedadesquímicas, excepto las interacciones con otras sustancias quirales (Sección 4.7). Dado que las enzimas son quirales, pueden actuar muy selectivamente en su acción catalítica. Por ejemplo, cuando un organismo ingiere una mezcla ractmica de alanina, sólo incorpora (S)-alanina a las estructuras de sus proteínas. La (R)-alanina no se utiliza en las proteínas sino que se oxida a un cetoácido por acci6n de otras enzimas y entra a otros ciclos metabólicos. CO, H

H,N-C-H CH, (S)-alanina

CO,H H-C-NH,

CH, (R)-alanina

La separaci6n física en el laboratorio de una mezclaractmica enlos enantiheros puros, se llama resoluci6nde, o resolver la mezcla ractmica. La separaci6n de Pasteur del tartrato de sodio y amonio racCmico fue una resoluci6n de esa mezcla. Es muy raro que los enanti6meros cristalicen separadamente; por lo tanto, el m6todo usado por Pasteur no se puede considerar como un mttodo general de resoluci6n. Dado que en un par de enantiómeros exhiben ambos las mismas propiedadesquímicas y fisicas, no pueden separarse por mttodos químicos o fisicos ordinarios. Para lograrlo, los químicos tienen que emplear reactivos quirales o catalizadores quirales (los cuales, de una u otra manera, casi siempre se originan en organismos vivos). La ttcnica más general para resolver un par de enanti6meros consiste en tratar tstos con un reactivo quiral para obtener un par de productos diastereom4ricos. Recordemos que los diastere6meros son compuestos diferentes. Por tal raz6n, pueden separarse por medios físicos ordinarios, tales como la cristalizaci6n. A continuacidn se ilustra un procedimiento general para la resoluci6n en el laboratorio de (R)(S)-RCO,H, una mezcla ra&mica de un h i d o carboxilico, donde (R)-RC0,H y (S)-RC0,H representan a los dos enanti6meros. El Acid0 carboxílico se hace reaccionar con una amina para dar una sal (Secci6n l. 10).

-

n v

I I ..-

o

I1 .. e .. RCO-H + R’NH, RcO:- R+H, un cicido carboxilico

una amina

una sal

Resoluci6n de una mezcla racemica

Seccidn 4.1 O.

157

La reaccidn del ácido @)(S) con una amina que sea un enantiómeropuro, produce un par de sales diastereoméricas: la sal de amina del ácido (R)y la sal de amina del iicido (S). (R)-RCO,-(S)-R’NH,+

(R)-RCOZH

+

Y

(S)-R’NH,

(S)-RCOZH

(S)-RCO,-(S)-R’NH,+

mezclo racémica

una amina

La sal (R.9y la sal (S,nno son enantiómeros; son diastere6meros y pueden ser separados.

enantiomérica

En esta reacción, los únicos productos posibles son la sal @,S) y la sal @,S), las cuales no son enantiómeros entre sí. Los enantiómeros de estas sales son la sal (Sp) y la sal (R,R),respectivamente. Ningunode estos dos enantiómeros puede formarse en tal reacción, porque sólo se ha usado la amina (S) como reactivo. Después de la separación, cada sal diastereomérica se trata con una base fuerte para regenerar la amina, la cual puede separarse del ion carboxilato por extracción con un disolvente como el tter etílico (en el cual se disuelve la amina pero no la sal del ion carboxilato). Por adición de ácido a la fase acuosa, se obtiene el ácido carboxílico enantiomérico libre.

una de las

h(R)-RCO,H

sales diastereoméricas puras

enantidmero puro

Esta resolución de un ácido racémico depende de la formación de la sal con un solo enantiómero de una amina quiral. Entre las aminas comunmente empleadas se encuentran la anfetamina, que existe comercialmente como enantiómero puro, y la estricnina de origen natural.

anfetamina


(a)Escriba lasproyeccionesdeFischerpara los enantiómerosde la anfetamina y asignelas configuraciones (R) y (S). (b)Escriba una ecuación que muestra los productos de la reacción de (Rj-anfetamina con ácido (R) (,!+láctico.

OH

I

CH,CHCO,H dcido 2-hidroxipropanoico (kido l6ctico)

Capitulo 4

158

Estereoquimica

Resumen La estereoisomería es la isomería que resulta de las diferentes disposiciones espaciales de los átomos en las moléculas. La isomería geométrica,que es una forma de estereoisomería, resulta de la disposición de los grupos en cis (del mismo lado) o en trans (en lados opuestos), alrededor de un enlace pi o sobre un anillo. L o s isómeros geométricos de los alquenos también pueden diferenciarse mediante las letras (E),de lados opuestos, o (2) del mismo lado. La rotación de los grupos alrededor de los enlaces sigma da como resultado conformaciones diferentes, tales como las conformaciones eclipsada, gauche, alternada y anti. Predominan los confórmeros de menor energía. Los confórmeros son interconvertibles a temperatura ambiente y por lo tanto no son isómeros que se puedan aislar. Un compuesto cíclico adopta conformáciones plegadas para aliviar la tensión de los ángulos de enlace desfavorablesy minimizarlas repulsiones de los sustituyentes. Para el anillo de ciclohexano, está favorecido el confórmero de forma silla con los sustituyentes ecuatoriales en lugar de axiales. Una moldcula quirales una moléculaque no se puede superponer con su imagen especular. El par de imágenes especulares que no se superponen se llaman enantibmeros y representa otro tipo de estereoisomería. Cada miembro de un par de enantiómeros desvía el plano de polarización de la luz polarizada en igual magnitud, pero en direcciones opuestas. Una mezcla equimolecular de enantiómeros, llamada mezcla racémica, es ópticamente inactiva. La quiralidad generalmente surge de la presencia de un átomo de carbono con cuatro átomos o grupos diferentes unidos aél. La disposición deestos grupos alrededor del carbono quiral se llama configuraci6n absoluta y puede describirse como (R)o (S).Las proyecciones de Fischer se usan con frecuencia para representar las moléculas quirales. Una molécula con más de un carbono quiral tiene más estereoisómeros.que un par enantiomérico Único. Los estereoisómeros que no son enantiómeros son diasterebmeros. Si una molécula tiene más de un carbono quiral y puede superponerse con SU imagen especular, es 6pticamente inactiva y se llama forma meso. Podemos resumir los diferentes tipos de isomería:

A.

Isómeros estructurales: diferen en el orden de unión de los átomos: (CH,),CHCH, y CH,CH,CH,CH,

B.

Estereois6meros: difieren en la disposición de los átomos en el espacio. 1. Enantibmeros: imágenes especulares que no se pueden superponer CO,H

I

H-C-OH HO-C-H H-C-OH

I

HO-C-H

I

CO,H (ZH.3H)

CO,H

I

I I

COzH (33s)


159

2. Diastere6meros: estereois6meros no enantiom6ricos. Con carbonos quirales:

CO, H

CO,H

I

H-C-OH

I I

I

H-C-OH

I

H-C-OHHO-C-H

I

CH,OH

CH20H

(2R.3R)

mew

Aquirales:

H3C\

H

Lch

/c=c /CH3 \

H c1.5. 6

(Z)

/c=c

\

tarnbih llamados isdmeros geomktricos

CH3 rrot1.s. 6 (E)

Dos enanti6meros tienen las mismas propiedades físicas y químicas, excepto la direcci6n de rotaci6n del plano de la luzpolarizada y sus interacciones con otras sustancias quirales. L o s enanti6meros pueden resolverse por (1) tratamiento con un reactivo quiral para dar un par de diastere6meros;(2) separaci6n de los diastere6meros, los cuales no tienen las mismas propiedades; y (3) regeneraci6n de los enanti6meros separados. PROBLEMAS DE ESTUDIO 4.1 6.

Dk l a s f6rmulas estructurales de cada uno de los siguientes compuestos

(ambos isbmeros geomktricos, si los hay) y sefialar cada uno como cis, trans o sin isomería geométrica: (a)l-hexeno; (b) 2-hexeno;(c) 2-metil-1-buteno; (d) 1-cloro-2-buteno; (e) 1,3-dietil-ciclohexano.

C,H,, que exhiban isomeria para los alquenos de f6rmula molecular 4.1 7. Escriba f6rmulas estructurales geom6trica. Indique las estruchuas cis y trans. 4.1 8.

LCuaes de los siguientes compuestos exhiben isomeria geomCtrica? (a)1,2-difenil-eteno (b) 1-buten-3-in0 CH, = CHC=CH (c) 2-penten-4-in0 CH,CH = CHCzCH (d)2,3-dimetil-2-penteno (e) 2-butenato-de etilo, CH,CH = CHCO,CH,CH,

4.1 9.

Asigne (E)o ( Z ) a cada uno de los siguientes alquenos. (Nota: C6HS-- = fenilo.)

Capitulo 4

160

Estereoquimica

4.20.

Dibuje la estructura de cada uno de los siguientes compuestos, mostrando su estereoquímica: (a) (E)-2-cloro-2-buteno (b) (Z,M)-nonadieno (c) (a-2-penteno (d) (E)-2-bromo-l-nitro-2-buteno.

4.21.

Nombre y dé las fórmulas de los isómeros geometricos del 2,4-hexadieno, usando el sistema E y Z.

4.22.

Dibuje las fórmulas y señale los isómeros geométricos (si los hay), para los siguientes compuestos: CHzOH (a)

C H 3 0 C H 3

(b) C H 3 0 C H ,

(c) B

O

H

HÓ 4.23.

Dibuje proyecciones de Newman para la conformación anti y las dos conformaciones eclipsadas del 1,2-diyodo-etano. De las dos conformaciones eclipsadas, ¿cuál es la de mayor energía?

4.24.

Dibuje las proyecciones de Newman para un conf6rmero anti (si lo hay) para cada uno de los siguientes compuestos. Use los carbonos señalados con un círculo como el centro de la proyección de Newman. CO,H

(h) HOlC

CH3

CH,

gJ

(c) HO,C C

4.25

CH,CH2C02H

¿Cuales de los siguientes compuestos contienen uno o miis anillos tensionados?

HZ(',,,('H>

dxido de propileno

a-pineno en la trementina

anhídrido ftálico

escopolamina (rnestesico preoperatorio


axial o ecuatorial:

4.26.

Señale cada una de las siguientes posiciones como

4.27.

¿Cud de las siguientes conformacioneses más estable? (Se da más de un compuesto.)

4.28.

161

de las siguientes conformaciones es más estable?

4.30.

Dibuje el siguiente compuesto enla forma de silla con todos los 6tomos de hidr6geno delanillo en posiciones axiales.

4.31.

D6 la estructurade la conformaci6npreferidade: (a) 1-metil-I-propil-ciclohexano; (b) cis-lmetil 2-propil-ciclohexano; (c) trans-I-metil-3-propil-ciclohexano.

4.32.

de 10s siguientescompuestoscontiene 1,2-dibromo-l ,2-difenil-propano.

molCculas quides? (a) 2-fenil-2-metil-but; (b)

OH

Capítulo 4

162

4.33.

Estereoquímica

Señale con un asterisco los carbonosquirales(si los hay):

CH, (a)

(CH&CHCHBrCH,

I

(b) CH,CH,CH,CHOH

(c) H,NCH,CO,H

(d) CH,CHBrCHBrCH,CH,

(e)

(f)

H,NCHCO,H

I

HOCH,CHCH,OH

I

CH, 4.34.

OH

¿Wde lassiguientes f6rmulas representa una molkula quiral? OH I

HO 4.35.

CH3 Muestre la configuraci6n del enanti6mem de cada uno de los siguientes compuestos:

(a) H-C-OH

I H-C-OH I

(b) H,N-C-H

c H 2 0 0 H

CH,OH

4.36.

m ]m estructurasyconfiguraciones para todos los estereois6merosdelosalcoholesdecinco

h.tomos de carbono (con un OH) que tengan estereois6meros, e indicar todos 10s pares enantiom6ricos.

4.37.

Un kid0 carboxilico def6rmula C,H,O$r es dpticamente activo. iCu6l essuestructura?

4.38.

W la estructura del alcoholde menor peso molecular (conteniendo soloC,H y O ) que sea quiral.

4.39.

Convierta las siguientesf6rmulasdimensionales a proyeccionesdeFisher. leculares ayudar.)

w a n

(Los modelos mo-


163

O 4.40.

Convierta las siguientes proyecciones de Fischer a f6rmulas dimensionales (no necesariamente los conf6rmeros de menor energía):

4.41.

Para cada una de las proyecciones de del enanti6mero correspondiente.

4.42.

Unaconuna línea los compuestosde la izquierdaconsus estereois6meros, si 10s hay, al 140 derecho.

Fisher del problema 4.40,dibuje la proyecci6n de Fisher

HOCH,

CO,H

v

0

HOCH, OH

H

(3) CH3-C-CH2CH, OH OCH, I

4.43.

iCu&lesde los siguientesparesdef6rmulasrepresentanparesenantiom6ricos? CH,OH

CH,OH

164

Capítulo 4

Estereoquirnica

OH

HO

Hb

:,,, H

HZN

Y

CH2CH(CH3)2

OH

(CH3),CHCH2

+ 13.5'. ¿Cud es la rotaci6n específica del

4.44.

Una muestra pura de (9-2-butanol tiene un [ax5de (R)-Zbutanol?

4.45.

iCu6les de las siguientes f6rmulasrepresentancompuestos meso? CHO

I

H-C-OH

H-C-OH CHO

4.46.

LCuhtos carbonosquiralescontienecadaunode

los siguientes compuestos?

O

It

O D

l

(e) CH,CH,CHCl


Dibujef6rmulasdimensionales modelos)

4.47.

o debolas y varillasparalossiguientescompuestos.

165

(Use

(R)-2-bromo-propanoico ácido (a) y y 2 0 I1 (b) ( 2 R , 3S)-3-amino-3-fenil-2-yodo-propanato de etilo.~C,H,CHCHICOCH,CH, 4.48.

¿Cuál es el máximo número posible de estereois6meros para (a) Acid0 3-hidroxi-2-metil-butanoico, y (b) 2,4-dimetil-pentanol?

4.49.

(a) ¿Cuáles de las siguientes proyecciones de Fisher representan enanti6meros? (b)¿Cuáles son diastere6meros? (c)¿Cuál es una forma meso? C0,H H HOO H+::I - H

co,H I

CO,H

CO,H

$':,: ',+E" C 0 2H II

OH

CO, H 111

4.50. , EscribalasproyeccionesdeFischerparatodaslasconfiguracionesposibles

del

, 2,3,4-pentanotriol. Indique los pares enantioméricos. LHay alguna forma meso? 4.51.

4.52.

4.53.

4.54.

Dibuje f6rmulas dimensionales o de bolas y varillas para (a) cualquier par enantiomkrico, (b) Br CO,H

:m a forma meso, y (c) cualquier par diastereomérico de HO,CCHBrCH,CH '

Dibuje una f6rmuia dimensional o de bolas y varillas para el ácido (2 S,35')-2,3-dicloro-butanoJioico HO,CCHClCHClCO,H. Asigne la configuraci6n (R)o (S) a cada una de las siguientes estructuras:

(a) Dibuje f6rmulas para todos los is6meros geométricos del ácido 1,2,3,4-~iclobutanotetracarboxílico. (b) ¿Cuál de estos is6meros no contiene carbonos quirales? (c) ¿Cuales son las formas meso? (d) LCuLilespueden existir como enanti6meros?

166

Capítulo 4

Estereoquimica

4.55.

A mediados del siglo X M , se propuso que un átomo de carbono con cuatro grupos unidos es tetra6drico y no plano o piramidal. Colocarse en la posici6n de un químico de esa época y responderalassiguientespreguntas. (1) ¿Encadaunodelossistemassiguientes, cuhtos estereois6meros existiríanpara un compuesto en el cual el carbono estA unido a cuatro grupos diferentes? (2) En cada sistema, jcuiintos pares de enantidmeros son posibles? (a) El carbono forma cuatro enlacesen un plano con iingulos de enlace de 90". (b) El carbono forma cuatro enlaces tetra6dricos con hgulos de enlace de 109.5". (c) El carbono forma cuatro enlaces piramidales regulares( p i r a d e cuadrangular y el carbono en la cúspide).

4.56.

Dibuje l a s conformaciones en forma silla más estables para las siguientes estructuras. (Tenga en cuenta que las relaciones cis yt r m s pueden deducirse por las líneas punteadaso la ausencia de ellas.) OH

4.57.

CI

(a) Trace la estructura para el conf6rmero más estable del cloruro de mentilo siguiente: CH, I

CH(CH,), (b) Trace la estructura del conf6rmeroen forma de silla, en el cual el C1 es anti respecto a un

H unido a uno de los átomos de carbono adyacentes. jEsperm'a que un porcentaje importante de las mol6culas del cloruro de mentilo estuviera en esta última conformaci6n? 4.58.

Los inositoles son 1,2,3,4,5,6-hexahidroxi-ciclohexanosque se encuentranen todas las células. El escilo-inositol es el más estable de todos los inositoles. Dibuje su estructura en la forma de silla.

4.59.

Dibuje proyecciones de Newman de los carbonos 2 y 3 en las estructuras siguientes, mostrando todas las posibles conformaciones alternadas.

4.60.

Dibujeproyecciones de Newmanpara lasconformaciones m h estable y menosestabledel (1S,2R)-1 ,2-dibromo-1 ,2-difenil-etano.

4.61.

DibujeproyeccionesdeNewmanparatodoslosestereoisdmerosdel pano, en las cuales el H sobre el carbono 2 y el Br son anti.

4.62.

Asigne configuraciones (R)y (S) a los estereoidmeros del l-bromo-l,2-difenil-propano.

l-bromo-l,2-difenil-pro-


167

+

4.63.

El (S)"&yodo-butano tiene un [a]," de 15.9'(a). iCuAl es la rotaci6n observada a 24" de una mezcla equimolar de (R)-y (S)-2-yodo-butano? (b) ~ C desl la rotaci6n observada (a a', tubo de muestra de 1 dm) de una soluci6n (1.O gr/ml) de una mezcla que tiene 25% de (R)y 75% de (S)-2-yodo-butano?

4.64.

¿CuAl es la rotaci6n específica de cada una de las siguientes soluciones a 20", en la linea D del sodio? (a) 1.00 gr. de muestra se diluye a 5.00 ml. Una alicuota de 3.00 ml se coloca en un tubo que tiene una longitud de 1.0 cm. La rotaci6n observada es + 0.45". (b)Una muestra de 0.20 gr se diluye a 2.0 ml y se coloca en un tubo de 10 cm. La rotaci6n observada es - 3.2".

4.65.

Cada uno de los siguientes compuestos se disuelve en un disolvente 6ptimcamente inactivo. causar rotaci6n del plano de polarizaci6nde la luz polarizada? ~ C dpodrd l NH, NH,

I

1

(a) (2S),3R)-butano-diamina CH,CH-CHCH, (b) (2~,3S)-butano-diamina (c) una mezcla equimolecular de (a) y (b); ( 4 una mezcla equimolecular de (b) y (2R,3R)-butano-diamint (e) el constituyente principal del aceite de basamo. 4.66.

Calcule la rotaci6n especffica de (a) una mezcla equimolecular de kido ( - ) - W c o y dcido mso-tarthico, y (b) una mezcla equimolar de kid0 (-)- y ( + ) - W c o . (El [a]," para el kid0 (+)-tartauico es 12.0').

+

4.67.

El ácido I + )-tartárico (pagina 155) se produce comercialmente como un subproducto en 14 fabricaci6n del vino. Escriba las ecuaciones de flujo que muestren c6mo resolver la ( 2 ) anfetamina (1-fenil-2-propil-amina).

4.68.

El compuesto CH,CH = C = CHCH, pertenece a una clasede compuestos llamados alenos. A pesar de que este compuesto no tiene ningún carbono existequiral, como un par de enanti6meros. Explique. (Sugerencia: considere los enlaces y la geometría resultantes. Use modelos.)

4.69.

~ C dde l los siguientes compuestos tiene un enanti6mero? [Use modelos para

(b) y (c).]

CH,

OH

4.70.

(a) Si consideramosal anillo de ciclohexano aplanado, podríamos predecir elque cis-l,2-dimetilciclohexano sería aquiral, ya que tendría un plano interno de simetría. Sin embargo, si consideramos la forma m& realista de este compuesto, laf o r m de silla, veríamos que no contienetal plano de simetría; no obstante, el cis-l,2-dimetil-ciclohexanono se puede resolver en un par de enanti6meros. Explique. (Sugerencia: considereel equilibrio conformacional. Use modelos.) (b) ¿Podría resolverse el truns-l,2-dimetil-ciclohexano?Explique.

CAPíTULO 5

Halogenuros de alquilo: reacciones de sustitucibn y eliminación

L

os compuestos orgánicos halogenados se usan extensamente en la sociedad moderna. Algunos se usan como disolventes, otros como insecticidas y otros como intermediarios en la síntesis de diversos compuestos orgánicos. La mayoría de los compuestos orgánicos halogenados son sintéticos. Los compuestos orgánicos halogenados naturales son bastante raros. La tiroxina, un componente de la hormona tiroidea llamada tiroglobulina, es un compuesto de yodo natural. Otro compuesto orgánico halogenado que se encuentra en la naturaleza es la púrpura, un compuesto obtenido en pequeñas cantidades de una rara especie de caracol. La púrpura fue usada como colorante por la realeza fenicia y más tarde por los romanos. (Actualmente, aún se escuchan las frases “púrpura real” o “nacido para la púrpura.”). Los compuestos orgánicos halogenados son tóxicos y deben usarse con precaución. Por ejemplo, los disolventestetracloruro decarbono (CC1,) y cloroformo (CHCl,), cuando se inhalan en exceso perjudican al hígado. Los insecticidas que contienen halógenos (tales como el DDT)se han usado ampliamenteen agricultura; sin embargo, su uso ha disminuido en los últimos años debido a sus efectos perjudiciales sobre el medio ambiente.

DDl

un insecticidn

L.os compuestos que contienen solamente carbono, hidrógeno y untitomode halógeno se pueden clasificaren tres categorías:halogenuros* de alquilo, halogenuros de aril0 (en los cuales un halógeno esth unido a un carbono de un anillo aromático) *Los halogenuros se conocen también como haluros.

El enlace en

los compuestos orghnicos halogenados Seccibn

5.1.

169

y halogenuros de vinilo (enloscuales un halógenoestáunido a un carbonoque contiene un doble enlace). A continuación se dan algunos ejemplos. Halogenuros de alquilo (M):

CH , I

CH,CH,CI

yodo metano cloroetano

Halogenuros de afilo (ArX):

bromobenceno bifenilo policlorado

(PCB)*

compuesto tdxico que se ha usado como refrieerante en nanrfonnadores Halogenuros de vinilo:

Br CH,=C'HCI

I

C'H,3CH=CCH,

cloroeteno (cloruro de vinilo) 2-bromo-2-buteno

materia prima para la fabricacidn de cloruro de polivinilo (PVC)**, plhtico empleado en tuberias, recubrimiento de paredes, discos y bolsas de basura

Anteriormente hemos definidoR como el símbolo general paraun grupo alquilo. De una manera similar, Ar es el símbolo general para un grupo aromático o arilo. Un htomo de halógeno (F, C1, Br, o I) puede representarse por X . Usando estos símbolos generales, un halogenurodealquilo es R X , y un halogenurodearilo tal como el bromobenceno (C,H,Br) es ArX. Unátomodehaldgenoen un compuesto orgánico, es un grupo funcional y el enlace C-X es un lugar de reactividad química. En este capítulo discutiremos solamente las reacciones de los halogenuros de alquilo. Los halogenuros de arilo y los halogenuros de vinilo no experimentan las reacciones que veremos en este capítulo, en parte debido a que un enlace de un carbono sp2 es más fuerte que un enlace de un carbono sp3 (Sección 2.4F). DebidoaqueCstees el primer capítulo dedicado a los compuestos que contienen grupos funcionales, lo utilizaremos como una introducción a las reacciones químicas orgitnicas.

El enlace en los compuestos orgiínicos halogenados El enlacesigmacarbono-halógenoseformaporlasuperposici6nde átomodehalógeno y un orbitalhíbridodelátomodecarbono. *iniciales de Polychlorinated Biphenyl **Iniciales de Polyvinyl chloride

un orbitaldel No podemos estar

170

Capitulo 5

Halogenuros de alquilo: reacciones de sustitucidn y eliminacidn

segurosdeltipodehibridacióndelátomodehalógenoenunhalogenuro orgánico, debido a que el átomo de halógeno forma solamenteun enlace covalente y por lo tanto no hay ángulo de enlace a su alrededor. Sin embargo, el carbono utiliza el mismo tipo de orbital híbrido para enlazarse a un átomo de hal6gen0, que para unirse a un átomo de hidrógeno o a otro átomo de carbono.

(=y/ "pz

H-C-C-CI

I

H

\

,c=c

I

H

H

F f 2 \

H

Un átomo de hal6geno es ekctronegativo con respecto a un carbono; por consiguiente,los halogenurosdealquiloson polares,como lo indican lossiguientes momentos dipolares. (Los momentos dipolares se discutieron en la Sección 1.8B.) Momentos dipo/ares de los halogenuros de metilo:

=

CH,F

CH,CI

CH,Br

1.81 D

l.86D

1.78 D

CH31 1.64D

a un átomodehalógenotieneuna carga parcial decarbonoseasusceptiblede ser atacado por un ani6n. Como veremos, et ataque a este carbono positivo forma parte del esquema general de reacciones de los halogenuros de alquilo. Un átomo de carbono unido

positiva. La cargapositivahacequeesteátomo

este carbono este no tiene carga parcial positiva y no es atacado por aniones

a+

CH,CH,CH,CH,-Br

6-

carbono tiene una carga parcial

"./

SECC16N 5.2.

Propiedades físicas de los alcanos halogenados En la Tabla 5. l . sedanlosnombres,puntosdeebullición y densidadesdevarios alcanos halogenados. Exceptoel flúor, los átomos delos halógenos son pesados cuando se comparan con los átomos de carbono o hidrógeno. El aumento en el peso molecular a medida que se van introduciendo átomos de halbgeno en las molkulas, provoca un incremento en el puntode ebullición del compuesto. Compárense, por ejemplo, los puntos de ebullición de CH,Cl,CH,Cl,,CHCl, y CCl,. Las densidades de los halogenuros de alquilo líquidos, son generalmente mayores que las de otros compuestos orgflnicos comparables, debido a la masa del átomo de halógeno. Mientras que la mayoría de los compuestos orgánicos son más ligeros que elagua,muchosdisolventeshalogenadoscomunes,talescomocloroformo o diclorometano, son más pesados (con densidades mayores a 1.Og/cc). Estos compuestos se van al fondo de un recipiente con agua en lugar de flotar como lo hacen la mayoría de los compuestos orgánicos. Los hidrocarburos halogenados son insolubles en agua porque no forman enlaces de hidrógeno.

tilo

Nomenclatura y clasificaci6n de los halogenuros de

alquilo

Secci6n 5.3.

171

TABLA 5.1. Propiedades flsicas de algunos alcanos halogenados.

Nombre común

Nombre IUPAC

clorometano cloruro de CH,Cl metilo diclorometano cloruro de CH,Cl, metileno cloroformo triclorometano de carbono CCl, tetraclorometano tetraclonuo bromometano metilo de bromuro de yoduro yodometano

Fdnnulo

P.eb. "C Densidad, grlcc a 20" - 24 40 61

CH,Br

gas

1.34 1.49 1 .m

77 5 43

2.28

SECCIÓN5.3.

Nomenclatura y clasificación de los halogenuros de alquilo En el sistema IUPAC, un halogenuro de alquilo se nombra con el prefijo halo-. Muchos halogenuros de alquilo comunes tambiCn tienen nombres comunes. En ellos, se da el nombre "halogenuro de" seguido del nombre del grupo "alquilo."

c1 I

CH,CHCH,CH,

OB'

IUPAC: 2-cloro-butano bromo-ciclohexano

cornfin: clorurodesec-butilobromurodeciclohexilo

En las reacciones químicas, es importante la estructura de la porción alquílica del halogenuro de alquilo. Por lo tanto, necesitamos diferenciar los cuatro tipos de halogenuros de alquilo: de metilo, primario, secundario y terciario. Un halogenuro de metilo es una estructura en la que un hidrógeno del metano ha sido remplazado por un halógeno. Los halogenuros de metilo: CH,F fluorometano

CH,CI

clorometano

CH,Br bromometano

CH,I yodometano

El carbono principal de un halogenuro de alquilo, es el dtomo de carbono unido al átomo de halógeno. Un halogenuro de alquilo primario(1"'") (RCH,X), tiene un grupo alquilo unido al carbono principal. En los siguientes ejemplos, el carbono principal y sus hidrógenos están sefialados con un círculo. Halogenuros de alquilo primario (un grupo alquilo unido al carbono principal);

bromoetano 1-cloro-2, 2-dimetilpropano (yodometil) ciclohexano (bromuro de etilo) (cloruro neopentilo) de

Un halogenuro de alquilo secundario(2'"'") (R,CHX), tiene dos grupos alquilo unidos al carbono principal y un halogenuro de alquilo terciario(Yho)(R,CX), tiene tres grupos alquilo unidos al carbono principal. (Adviértase que un halógeno unido a un anillo de cicloalcano, debe formar un halogenuro secundario o terciario, pero no primario.)

Capitulo 5

172

Halogenuros de alquilo: reacciones de sustitucidn y eliminacibn

Halogenuros de alquilo secundarios (dos gruposalquilo unidos al carbono principal):

2-bromo-butano (bromuro de sec-butilo)

cloro-ciclopentano (clorurode ciclopentilo)

Halogenuros de alquilo terciarios (tres gruposalquilo unidos al carbono principal):

PROBLEMA MODELO Clasifique cada uno de los siguientes halogenuros de alquilo como l ” ” ~2-, , 3”’”:

Solucidn: (a) 1,’;

(b) 3”; (c)2”

PROBLEMASDEESTUDIO ( a )(CH,),CI;

(c) (CH,),CHCH,I

5.1.

Escribadosnombrespara

5.2.

Escriba f6mulas estructuraspara (a) 1,l-dibromo-butano, (b)3-cloro-1-buteno, y etanol .

(b) (CH,),CHCI;

(C)

2-fluoro-

SECC16N 5.4.

Visión previa de las reacciones de sustitución y eliminación A.

Reaccionesdesustitución

El átomo de carbono principal de un halogenuro de alquilo, tiene una carga parcial positiva. Este carbono puede ser atacado por un anión u otra especie que tenga un par de electrones no compartidos en su capa externa. El resultado es una reacción de sustitución, reacción en la cual un átomo, ion o grupo se sustituye por otro

-

los electrones del enlace parten con el hol6geno

n ..

HO:-

etanol bromoetano hidr6xido

61

CH,CH,~B;:

CH,CH,-OH

+ :B:<:

ion

CH,O:cloropropano met6xido

+

u

+

CH,CH,CH,“rCl:

ion

CH,CH2CH2-OCH,

+

:el:

tter n-propilmetííico

En las reacciones de sustitución de los halogenuros de alquilo, el ion halogenuro se llama grupo saliente, término que se emplea para indicarcualquier grupo que pueda ser desplazado de un átomo de carbono. L o s iones halogenuros son buenos grupos salientesporque son bases muy débiles. Lasbases fuertes, como OH, son grupos salientes muy escasos. En este capítulo, discutiremos solamente los halogenuros como grupos salientes. Introduciremos otros grupos salientes, a medida que vayan apareciendo en capítulos subsiguientes. En las reacciones de sustitución de halogenuros de alquilo, el ion yoduro es el halogenuro más fácilmente desplazable, seguido por el ion bromuro, y después por el ion cloruro. Debido a que el ion fluoruro es una base más fuerte que los otros halogenuros, no es buen grupo saliente. Desde un punto de vista práctico, sólo C1, Br y I, son grupos salientes suficientemente buenos para ser útiles en reacciones de sustitución. Por esta razón, cuando nos refiramos aR X , generalmente se tratar6 de cloruros, bromuros y yoduros de alquilo. RF;

RCI

RBr

RI

h

aumento de reactividad

El anión o molécula que ataca a un halogenuro de alquilo en una reacción de sustitución, se llama nucleófilo (literalmente, “amante de núcleos”) y a menudo lo abreviaremos Nu-, En las ecuaciones anteriores, los nucleófilos son OH- y CH,O- . Un nucleófilo es, por lo general, cualquier especie que es atraída hacia un centro positivo (una base de Lewis). La mayona de los nucleófilos son aniones; sin embargo, algunas moléculasneutras, tales como H,O, CH,OH y CH,NH,, tambidn puedenactuar como nucleófilos. Estas moléculas neutras contienen electrones no compartidos que pueden usar para formar enlaces sigma. Las reacciones de sustitución provocadas por nucldfilos se llaman sustituciones nucleofílicas o desplazamientos nucleofnicos. Lo contrario de nucleófilo es electrófilo (“amante de electrones”) 6 E + . Un electrófilo es una especie que es atraída hacia un centro negativo, es decir, un ácid0 de Lewis, tal como H+ ó ZnC1,. Las reacciones electrofílicas son comunes en química orghica; en los capítulos siguientes encontraremos muchas de estas reacciones.

B. Reaccionesdeeliminación Cuando un halogenuro de alquilo es tratado con una base fuerte, puede ocurrir una reacción de eliminación. En este tipo de reacciones, una molécula pierde &tomoso iones de su estructura. El producto orgánico de una reacción de eliminación en un halogenuro de alquilo es un alqueno. En una reacción de eliminación de un halogenuro de alquilo, se eliminan los elementos H y X; por consiguiente, estas reacciones también se llaman reacciones de deshidrohalogenacih. (El prefijo- des .. significa . - -“menos” o ‘‘perdida de”.) ”

174

Capítulo 5

Halogenuros de alquilo: reacciones de sustituci6n y eliminaci6n

-

2-bromo-propano (bromuro de isopropilo)

+ H 2 G + Br

CH,CH=CH, Propeno (propileno)

-

CHz

I/

CH,--C'

I

+ H Z O +C ' I

C'H 3 2-cloro-2-metil-propano (cloruro de t-butilo)

metil-propeno (isobutileno)

C. Reaccionescompetitivas Un ion hidróxido o un ion alcóxido (RO-)puede actuar como un nucíeó$ío en una reacción de sustitución; o como bases en una reacción de eliminación. El tipo de reacción que se lleva a cabo, depende de varios factores, tales como la estructura del halogenuro de alquilo (I", 2" ó 3"), la fuerza de la base, el disolvente y la temperatura. Los halogenuros de metilo y de alquilo primarios tienden a dar productos de sustituci6n y no productos de eliminación. En condicionessemejantes, los halogenuros de alquilo terciarios dan principalmente productos de eliminación y no productos de sustitución. Los halogenuros de alquilo secundarios son de reactividad intermedia. La proporciónrelativa entre producto de sustitución y producto deeliminaci6n, depende en gran medida de las condiciones experimentales.

1": CH,CH,Br

+ CH,CH,O-

CH,CH,OH

+ CH,CH,O-

CH,CH,OH 25 +

+

CH,CH,OCH,CH, casi 100%

2": (CH,),CHBr

(CH,)2CHOCH,CH,

+ CH,=CHCH, 80 '' ,,

20",,

3": (CH,),CBr

+ CH,CH,O-

CH,CH,OH 25

(CH,),COCH,CH, 5 ('1,

+ CH,=C(CH,), 95

Dado que puede ocurrir más de una reacción entre un halogenuro de alquilo y un nucleófilo o base, las reacciones de sustitución y las reacciones de eliminación se dice que son reacciones competitivas. Las reacciones competitivas son comunes en química orgánica. Envistade que en estas reacciones por lo general se obtienen mezclas de productos, no balancearemos la mayoría de las reacciones orgánicas que se encuentran en este libro. En las secciones 5.5-5.10, discutiremos dos tipos de reacciones de sustitución (llamadas reacciones S,1 y S,2) y dos tipos de reacciones de eliminación (El y E2). Se tratará cada tipo de reacción por separado y luego se resumirán los factores que sirven para predecir cuál de estas reacciones predominará en un caso dado.

D. Nucleofilicidadcontrabasicidad Antes de proceder a tratar los detalles de las reacciones de sustitución y eliminación, consideraremos brevemente las similitudes y las diferencias entre bases y nuclebfilos.

Bajo circunstancias apropiadas, todas las bases pueden actuar como nucle6filos; inversamente, todos los nucle6filospueden actuar como bases. En ambos casos, el reactivo cede un par de electrones al reaccionar, para formar un nuevo enlace sigma. La basicidad es una medida de la habilidad del reactivo para aceptar un protón en una reacci6n dcido-base. Por consiguiente, la fuerza bdsica relativa de una serie de reactivos se determina al comparar sus reactividades en una reacci6n dcido-base. Se mide, por ejemplo, su grado de ionizacidn en agua.

ii:-

:Bi:- :el:.. ROH

I

~~a-:CEN:

f l-:OR

-:OH

basicidad creciente

La nucleofilicidad, en contraste con la basicidad, es una medida dela habilidad del reactivo para causar una reacci6n de sustituci6n. La nucleofilicidadrelativa de una serie de reactivos se determina comparando sus velocidades de reacci6n en una reacci6n de sustituci6n. Por ejemplo, se hace reaccionar bromoetanocon diferentes nucle6filos. ROH :cl:-

:B;:- -:OH

-:OR

:I:-

--:cN:

h

nucleofilicidad creciente

Una lista de nucleofilicidades relativas no es exactamente paralela a una lista de fuerzas bhsicas; sin embargo, una base fuerte usualmente es mejor nucle6filo que una base dkbil. Por ejemplo, -OH(base fuerte) es mejor nucle6filo que CI- 6 H,O (bases dtbiles). Discutiremos con mayor detalle los factores que modifican la nucleofilicidad en la Secci6n 5.10. PROBLEMA MODELO

D6a l s estructuras de los productos de sustituci6n (si los hay) de las siguientes reacciones: (a)

CH,CH2CH2CH21+ -CN

Soluci6n: (a)

CH,CH,CH,CH,CN:

(b) nohayreacci6ncon

un halogenurode

aril0


Escribaecuaciones (no necesariamentebalanceadas)paralasreaccionesdeloscompuestos siguientes con CH,O-. Muestre los productos de sustituci6n y de eliminaci6n (si los hay).

5.4.

Muestre, usando ecuaciones, c6mo preparm’a los siguientes compuestos a partir de halogenuros de alquilo y nucle6filos adecuados. Muestre dos caminos para (a) (a)

CH,CH,CH,0CH,CH2CH(CH,),

(b) @N

SECCldN 5.5.

La reacción sN2 La reacción del bromoetano con ion hidr6xido para producir etanol e ion bromuro es una reacción S,2 típica. (SN2significa “sustituci6n, nucleofílica, bimolecular”. El término bimolecular se definir6 en la Sección 5.5B.)Virtualmente, cualquier halogenuro de metilo o de alquilo primario experimenta una reacción SN2con cualquier nucleófilo relativament fuerte: -OH,-OR,-CN y otros que todavía no hemos mencionado. Los halogenuros de metilo o de alquilo primarios también reaccionan con nucleófilos dkbiles, tales como el agua, pero estas reacciones son tanlentas que carecen de interés pr6ctico. Los halogenuros de alquilo secundarios tambiCn pueden dar reacciones S,2; en cambio, los halogenuros de alquilo terciarios no dan esta reacci6n.

A.

Mecanismo de reacción

Un mecanismo de reacción es una descripcióndetallada de c6mo ocurre una reacción. Un mecanismo de reacción debe tener en cuenta todos los hechos conocidos. Para algunas reacciones, el número de hechos conocidos es considerable y el mecanismo de la reacciónes aceptado por la mayoríade los químicos. L o s mecanismos de algunas otras reacciones son aún bastante especulativos. La reacción SN2ha sido. estudiada extensamente;hay una gran cantidadde datos experimentales, que apoyan elmecanismo que vamos a presentar. Para que los moléculas reaccionen, primero deben chocar unas con otras. La mayoría de las colisiones entre las moléculas no conducen a una reacción;moléculas las simplemente rebotan. Para que tenga lugar la reacción, al hacer contacto, las moléculas deben contener suficiente energía potenkid para producir la ruptura del enlace. La orientucicjn de las moléculas, unacon respecto a otra, frecuentemente es también un factor importante para determinar si una reacción ocurrir6 o no. Esto es cierto sobre todo en una reacción sN2. En esta sección, discutiremos primero la estereoquímica de este tipo de reacci6n y posteriormente los requisitos energéticos.

B. Estereoquímica de una reacción sN2 En la reacción SN2entre el bromoetano yel ion hidróxido, el oxígeno del ion hidróxido choca con la parte posterior del carbono principal y desplaza al ion bromuro.

H’ ataque posterior

H

La reaccibn S,2

Seccibn 5.5.

177

Cuando un nucleófilo choca con la parte trasera de un carbono tetraédrico unido a un halógeno, Ocurren dos cosas simultáneamente: (1) empieza a formarse un nuevo enlace y (2) empieza a romperse el enlace C-X. El proceso transcurre en una etapa, es decir, es un proceso concertado. Si la energía potencial de las dos especies en contacto es suficientemente alta, se alcanza un punto en el que es energéticamente favorable la formación de un nuevo enlace y la ruptura del enlace C-X. A medida que los reactivos se convierten en productos, va formándose unestado intermedio que tiene una energía potencial mayor que la de los reactivos y que la de los productos. Este estado se llama estado detransición o complejo activado. Debido a que el estado de transición involucra dos partículas (Nu- y RX),la reacción SN2 se llama bimolecular. (El “2” en SN2 significa bimolecular.)

enlaces parciales

\:

”

HO

~

+

C-Br

/

-

-

H

HO-C

\

+ Br H

estado de transición: energía potencial m h i m a , igualmente capaz de dar los reactivos o los productos

Un estado de transición en cualquier reacción es una disposición fugaz, de alta energía, que adoptan los reactivos paradar los productos. No podemos aislar un estado de transición y ponerlo en un matraz. El estado de transición es simplemente una descripción de las “moléculas en un estado de transición”. En las ecuaciones, frecuentemente utilizaremosparéntesis cuadrados o corchetes para mostrar cualquier especie temporal no aislable. Aquí usamos paréntesiscuadrado para señalar la estructura de un estado de transición. Más adelante, algunas veces usaremos parbntesiscuadrado para indicar productos inestables que experimentan reacciones posteriores. Para las reacciones S,2, el estado de transición supone una rehibridación temporal del carbono principal desp3 a spz volviendo finalmente sp’. a En el estado de transición, el átomo de carbono tiene tres enlaces sp2 en un plano y dos semi-enlaces usando el orbital p. orbital p

Como el nucleófilo ataca por la parte posterior con respecto al halógeno, los otros tres grupos unidos al carbono pasan a un mismo planoen el estado de transición, y después al otro lado del átomo de carbono, de la misma manera que cuando un paraguas se vuelve al revés con el viento. (El uso de modelos facilitaria la visualización

178

Capitulo 5

Halogenuros de alquilo: reacciones de sustitucidn y elirninacidn

de este proceso.) Este movimiento se llama inversih de configuración o inversión de Walden, en honor a su descubridor. La existencia de inversión de configuración, como parte del mecanismo de una reacción S,2, ha sido demostrada claramente llevando a cabo reacciones con enantiómeros puros de halogenuros de alquilo secundarios quirales. Por ejemplo, la reacción de (R)-Zbromo-octano con -OH da casi exclusivamente (S)-2-0ctanol.

La mayoría de las reacciones en lasque intervienen moléculas quirales se llevan a cabo con mezclasracémicas "esto es, con mezclasen cantidades igualesde reactivos (R)y (S). En estos casos, los productos también son mezclas racémicas. A pesar de que también ocurre inversión, no podemos observar el efecto, debido a que la mitad de las molCculas siguen un camino y la otra mitad el camino inverso.


Escriba una ecuaci6n (mostrando la estereoquímica con f6rmulas dirnensionales) para la reacci6n S,2 del (S)-2-brorno-butano con -CN.

C. Energía en una reacción SN2 Hemos mencionadoque las moléculas que chocan necesitanenergía para experimentar la reacción. Veamos ahora, con más detalle estos requisitos energéticos. Las móleculasque se mueven en una solución contienen cierta cantidad de energía potencial en sus enlaces y cierta cantidad de energíacinética debida a su movimiento. No todas las moléculas tienen exactamente la misma cantidad de energía potencial o cindtica; sin embargo, podemos hablar de una energiu promedio de las moléculas. La energía total de la mezcla de reacción puede incrementarse, generalmente, por calentamiento de la solución. De este modo, las moléculas ganan energía cinética, chocan más frecuentemente y con más energía, e intercambian parte de energía cinética por energía potencial. Antes que pueda empezar una reacción, algunas de las moléculas e iones que chocandeben contener suficiente energía para alcanzar el estado de transición. El alcanzar el nivel de energía potencial del estado de transición es bastante semejante a conducir un auto viejo a la cima de una montaña. ¿Tiene el auto suficiente energía para alcanzar la cumbre? ¿O no la tiene y resbalará, volviendo hacia abajo? Una vez alcanzada la cumbre, ¿qué camino seguirai? ¿regresará por el mismo, o se irá por el otro lado? Una vez que esté descendiendo por el otro lado, podemos descansar y dejar que el auto ruede hacia la parte inferior. . .

la reacci6n S,2

Secci6n 5.5.

179

energía del estado de transici6n

reaccih

de los reactivos

energfupromedio de los productos

L

- Progreso de la reacci6n 3 FIGURA 5.1. Diagrama energetic0 de una reacci6n S,2.

La Figura 5.1 muestra un diagrama energético de una reacci6n S,2. La energía potencial que se requiere para alcanzar el estado de transici6n constituye una barrera de energía (en la grhfica es el punto de mkima energía). Para que un halogenuro de alquilo y un nucleófilo alcancenel estado de transicibn, necesitan cierta cantidad m’nima de energía, llamada energíadeactivaci6n E,. Desde el estado de transici6n, las moléculas pueden volver a los reactivos o continuar hacia los productos. Pero, una vez en la cumbre, el camino de menor resistencia es el que conduce a los productos. La diferencia entre la energía potencial promedio de los reactivos y de la de los productos es el cambio en entalpía H para la reacci6n (véase la Secci6n 1.7).

D. Velocidaddeunareacción

S,2

Cada molécula que experimenta la reacci6n para dar el producto debe pasar a través del estado de transición, tanto estructural como energkticamente. Puesto que la energía de todas las moléculas no es la misma, se necesita cierta cantidad de tiempo para que reaccionen todas las moléculas presentes. Este tiempo que se requiere da lugar a la velocidad de reacci6n. La velocidad de una reacción química, es una medida de la rapidez con que transcurre la reacci6n; esto es, de la rapidez con que se consumen los reactivos y se forman los productos. Para describir el estudio ymedición de las velocidades de reacci6n se usa el término cinbtica de reacci6n. La velocidadde una reaccióndepende de muchas variables, algunas de las cuales pueden mantenerse constantes para un experimento dado (temperatura y disolvente, por ejemplo). En este capítulo trataremosfundamentalmente dos variables: (1) la concentración de los reactivos y (2) la estructura de los reactivos. En una reacci6n S,2, al aumentar la concentraci6n de los reactivos aumenta la velocidad con que se forman los productos, como consecuencia del aumento de la frecuencia de las colisiones moleculares. Típicamente, la velocidad de una reacción S,2 es proporcional a la concentración de ambos reactivos. Si se duplica la concentración ya sea del halogenuro de alquilo o del nucleófilo, manteniendo constantes todas las demits variables, la velocidad de reacción se duplica. Si la concentraci6n de uno de ellos se triplica, la velocidad se triplica.

,

180

Capitulo 5


Nu- + RX

-

RNu

+X

velocidad S,2 = k [RX][Nu-]

En esta ecuación, [RX]y [Nu-] representan la concentración en moles/litro del halogenuro de alquilo y del nucleófilo respectivamente. El tkrmino k es la constante de proporcionalidad, llamada constante de velocidad, entre estas concentraciones y la velocidad de formación de productos. Bajo condiciones idknticas (disolvente, temperatura, etc), el valor de k es constante para la misma reacción.

PROBLEMA MODELO ~Cuklsería el efecto sobre la velocidad de reacción S,2 del CHJ con CH,O- si la concentración de umbos reactivos se duplicara, manteniendo constantes todas las demis variables? Solucidn: Si la concentraci6n de CHJ y de CH,O- se duplicara, la velocidad se cuadruplicm’a; la reacción procederia cuatro veces más ripido.

Debido a que la velocidad de una reacción S,2 depende de la concentración de dos particulas (RX y Nu-), se dice que la velocidad es de segundo orden. Por ello también se dice, que la reacción S,2 sigue una cinetiea de segundo orden. (Aunque la reacción S,2 también es bimolecular, no todas las reacciones bimoleculares son de segundo orden y no todas las reacciones de segundo orden son bimoleculares. Por ejemplo, v6ase el problema 5.64).

E. Efecto de , E sobre la velocidad y sobre los productos El efecto de las energías de activación sobre las velocidades de reacción puede establecerse de una manera muy simple: Bajo las mismas condiciones, la reacción con la E,, menor tiene una velocidad mayor. La razón de esta relaciónes lasiguiente: si para que tenga lugar una reacciónse requiere menos energía, quiere decir que mayor número de molCculas tiene suficiente energía para reaccionar. Consideremos uncaso en el cual un material de partida puedesufrir dos reacciones irreversibles diferentes, para dar dos productos diferentes. (Una reacción en la que las E,, de las reacciones hacia la izquierda son sustancialmente mayores que las E,, de !as reacciones hacia la derecha es exotérmica y esencialmenteirrerversible.) Cuando el material de partida sufre tales reacciones, predomina el producto de la reacción m&s rápida E,, menor. La Fig. 5.2 muestra lascurvas de energía de dos reacciones distintas de un mismo material de partida. La E,, es la energía del estado de transición con respecto a la de los reactivos. Por lo tanto, las velocidades de reacción están relacionadas con las energías de los estados de transición. En reacciones competitivas de un mismo material de partida, la reacción con el estado de transición de menor energía, es la reacción d s rápida. En la Fig. 5.2 se ve claramente que la reacción con el estado de transicih de menor energía tiene la E, mhs baja. Una especie de energía potencial baja es mhs estable que otra de energía alta; por lo tanto, podemos decir que la reacción con un estado de transición más estabilizado, es la reacción mcis rápida. Este concepto es útil al analizar las reacciones competitivas, para determinar cual reacción predomina.

La reacci6n S,2

Secci6n 5.5.

181

Reacci6n 1: E, mls alta, velocidad mls lenta, menor cantidad de productos

t l

Reacci6n 2: estado de transici6n mis estabilizado. E, mls baja, velocidad mhs rlpída, predominan sus productos

E

I

Progreso de la reacci6n +

"

FIGURA 5.2. En reacciones competitivas de un material de partida Único, la reacci6n con la E, menor es la mds rdpida. Si las reacciones son esencialmente irreversibles, predominan los productos de la reacci6n mas rdpida.

F. Efecto de la estructura sobrelavelocidad La cinktica de reacción es una herramienta valiosa para explorar los efectos de la estructura sobre la reactividad. Consideremos las dos reacciones siguientes: CH,Br metano1

-

bromometano un halogenuro de metilo

+ Br

CH,CH,Br C'H,CH,OH etanol

CH,OH f Br

bromoetano un halogenuro de alquilo

Ambas son reacciones S,2 y producen alcoholes. Las dos reaccion,es difieren solamente en la porción alquílica del halogenuro de alquilo. Podemos hacemos la siguiente pregunta: ¿Afecta esta diferencia en el grupo alquilo, a la velocidad de una reacción SN2? Para responder a tal pregunta, se miden las velocidades de las dos reacciones bajo las mismas condiciones (el mismo disolvente, las mismas concentraciones y la misma temperatura). Después, se determihan las dos constantes de velocidad (k, y k2) o, mhs comúnmente, las velocidades relutivus. CH,Br C'H,CH,Br

___ OH +

C'H,<>H

2CH,C'H,OH

velocidad, = k,[CH3Br][OH-] velocidad, = k,[CH,CH,Br][OH

velocidades relativas de reacción de CH,Br comparada con CH,CH,Br =

.]

velocidad, velocidad,

Bajo ciertas condiciones experimentales utilizadas en este estudio, el bromometano experimenta la reacción 30 veces más rápido que el bromoetano. Si se necesita una hora para que la reacción del bromoetano progrese un 50%, la reacción del bromometano necesitm'a aproximadamente 1/30 de hora; o sea, sólo dos minutos, para progresar un 50%). De lo anterior podemos concluir que, eviden-

Capitulo 5

182

sustituci6n y eliminacidn

Halogenuros de alquilo: reacciones de

temente, hay unagran diferencia en cómo los grupos metilo y etilo afectan la velocidad de la reacción. De una manera similar, se han determinado las velocidades relativas de varias reacciones SN2 de halogenuros de alquilo. La Tabla 5.2 muestra algunas de las velocidades relativas promedio, de reacciones s&? de halogenuros de alquilo (comparadas con los halogenuros de etilo). TABLA 5.2. Velocidades relativas promedio de algunos halogenuros de alquilo en reacciones S,2 típicas. Halogenuro de alquilo

Velocidad relativa

CH,X CH,CH,X CH,CH,CH,X CH,CH,CH,CH,X

30 1

0.4 0.4

0.03 -0

(CH3)2CHX

(CH,),CX

G. Impedimentoestbricoen l a s reacciones S,2 En las reaccionesS,2 de los halogenuros de alquilo enumerados en la5.2, Tabla los halogenuros de metilo presentan la mayor velocidad, seguidos por los halogenuros de alquilo primarios y a continuación por los halogenuros de alquilo secundarios. Los halogenuros de alquilo terciarios no experimentan reacciones S,2. 3"RX

1

2"RX

aumento develocidaden

I"RX

CH,X

reacciones S,2

A medida que aumenta el número de grupos alquilo unidos al carbono principal (CHJ -ario - 2"'" - 3""") en el estado de transici6n se amontonan cadavez már &ornos. Consideremos los siguientes ejemplos de reacciones de bromuros de alquilo con el ion metóxido (CH,O-) como nucleófilo (CH,O- + RBr+CH,OR Br-):

+

-

:ekko-

H

1

H.. "t,C-Br

/

,,+h3?-

-"*

H\ /c'H

H rcipida

H H.,,

bromometano muy

H bromoetano velocidad moderada

H H H

H H

\I/

C

/L\H

2-bromo-propano muy lenta

H

aromuro de t-butilo no hay reacci6n SJ

La reacci6n S,2

Secci6n 5.5.

183

El amontonamiento deitomos en las estructuras se llamaimpedimentoestdrico. Cuandohay grupos grandes en un espacio pequeño, las repulsiones entre los grupos son fuertes y, por lo tanto,laenergíadelsistemaesalta. En una reacci6n S,2, la energía de un estado de transición con muchos fitomos, es m h alta que la energía de un estado de transición con menos impedimento estkrico. Por esta raz6n, la velocidades de reacción disminuyenprogresivamente,en la sene metilo,primario,secundario y terciario (Figura 5.3). La energía del estado de transición S,2 de un halogenurode alquilo terciario es tan alta comparada con la de otros caminos de reacci6n posibles, que la reacción S,2 no tiene lugar. PROBLEMA MODELO La velocidad de la reacci6n S,2 del bromuro de neopentilo, (CH,),CCH,Br, con et6xido de sodio, Na' -OCH,CH,, es aproximadamente O.oooO1 veces la del bromoetano. Explique. Solucibn: A pesar de que el bromuro de neopentilo es un halogenuro de alquilo primario, el grupo alquilo unido al carbono principal es muy voluminoso. El impedimento est6rico en el estado de transici6n es considerable. Por lo tanto, la E, es alta y la velocidad es baja.

-

b p s 0

de la reacci6n

+

FIGURA 5.3. Diagrama energbttico para reacciones S,2 de diferentes tipos de halogenuro de alquilo.


~ C u miembro a decadauno

de los siguientes pares, sufre la reacci6n S,2 m& rhpidamente? C H 3 0 C l

c1 I

(b) (CH3),CHCHCHzCH3

c1 y

I

(CH,),CHCH,CHCH,

I

Capitulo 5

184

Halogenuros de alquilo:

reacciones de sustituci6n y eliminaci6n

SECCIÓN5.6.

La reacción SNl Debido al impedimento estérico, el bromuro de t-butilo y otros halogenuros de alquilo terciarios, no experimentan reacciones SN2.Sin embargo, si el bromuro de t-butilo se trata con un nucleófilo que sea una base muy débil (tal como H,O ó CH,CH,OH), se forman productos de sustitución junto con productos de eliminación. Dado que H,O y CH,CH,OH también se usan como disolventes, a este tipo de reacción de sustitución se le llama a veces solvólisis (de disolvente y h i s , “ruptura”).

I

CH,CH,OH

+

(CH,),COCHzCH, éter t-butil-etílico 80%

(CH,),CBr

h

(CH,),COH

25’

+

alcohol t-butílico

70%

+ CH,=C(CH,)z metil-propeno 20%

CH,=C(CH& metil-propeno 30%

Si los halogenuros de alquilo terciarios no pueden sufrir reacciones SN2,¿cómo se forman sus productos de sustitución? La respuesta es que estos compuestos experimentan sustitución poruna vía diferente, llamada reacción SJ (sustitución, nucleofílica, unimolecular). Los resultados experimentales obtenidos en las reacciones SN2son muydiferentes a los obtenidos en las reacciones SNl. Típicamente, si el carbono C-X de un halogenuro de alquilo que dareacción SN1,es quiral y está puro ópticamente, se obtienen productos de sustitución racémicos (y no los productos de inversión que se obtienen en una reacción SN2).También se ha determinado que la concentración del nucleófilo generalmente tiene poco efecto sobre la velocidad de una reacción S,1. (En contraste, la velocidad de una reacción S,2 es directamente proporcional a la concentración del nucleófilo.) Para poder explicar estos resultados experimentales, explicaremos el mecanismo de la reacción SN1 utilizando bromuro de r-butilo y agua. Ignoraremos la reacción de eliminación por el momento. (CH,),CBr

+

H,O

.__

-

alcohol t-butilo delbromuro

(CH,),COH

+

H+

+ Br

t-butílico

A. El mecanismo SJ La reacción S,1 de un halogenuro de alquilo terciario es una reacción en etupus. El Paso 1 es la ruptura del halogenuro de alquilo en un par de iones: el ion halogenuro y un carbocatión, ion en el que el átomo de carbono tiene una carga positiva. Debido a que en la reacción SN1 hay ionización, estas reacciones se facilitan en disolventes polares, tales como el agua, que puede solvatar y, de ese modo, estabilizar iones. Paso 1:

estado de

transición I

curbocutucidn intermedio inestable

En el paso 2 se combina el carbocatión con el nuclkofilo (H,O), para dar el producto inicial, que es un alcohol protonado.

La reaccibn S,1

Paso 2:

-

n ..[(CH,),*i+ H,O:

[(CH,),C+]

esrado

.+I

Seccibn 5.6.

H

H

I

- --OH

185

--"+

de transición 2

(CH,),C-'QH

I

alcoholt-butílicoprotonado

El paso final en la secuencia es la cesión de H + , del alcohol protonado al disolvente. Ésta es una reacción ácido-base reversible y rápida. Paso 3 :

(CH,),COH

+ H,O: "+ (CH,),COH

I

f

H30:

t-butílico alcohol

exceso

e.t.1

- Progresodelareaccibn FIGURA 5.4. Diagrama energetic0 para una reacci6n S1,

+ típica.

La reacción total del bromuro de t-butilo con agua consta en realidad de dos reacciones separadas: la reacción S,1 (ionización seguida de la combinación con el nucleófilo) y una reacción ácido-base. Estos pasos se pueden resumir: lr signijica pkrdida de Br-

Reacción S,]

reacción &ido-base

Consideremos ahora el diagrama energético para una reacción S,1 (Figura 5.4). Típicamente, el paso 1 (ionización) tiene una E,, alta; es el puso lento en el proceso total. Debe suministrarse suficiente energía al halogenuro de alquilo terciario para romper el enlace sigma C-X y producir el carbocatión y el ion halogenuro. El carbocatión es un intermediario en ésta reacción; unaestructura que se forma durante la reacción y que por medio de una reacción posterior, da los productos. Un intermediario no es un estado de transición. Un intermediario tiene un tiempo de vida finito; unestado de transición no. En el estado de transición, las moléculas experimentan ruptura y formación de enlaces. La energía potencial de un estado de transición, es

Capitulo 5

186

reacciones de sustitución y eliminación

Halogenuros de alquilo:

un máximo en una curva de energía potencial. En contraste, un intermediario es un producto reaccionante temporal. En un intermediario no hay ni ruptura ni formación de enlaces. Un intermediario es de menor energía que los estados de transición que lo rodean, pero es de mayor energía que los productos finales. El diagrama energktico de laFigura 5.4, muestra una depresión para la formación del carbocatión; esta depresión no es grande, debido a que el carbocatión es una especie reaccionante de alta energía. El paso 2 en una reacción S,1, es la combinación del carbocatión con un nucleófilo. Las dos especies se combinan en una reacción que tiene una energía de activación baja (una reacción rápida). PROBLEMA MODELO Escriba los pasos de la reacción S,1 del 2-cloro-2-metil-butano con metanol. (Incluya el paso de desprotonación en su respuesta.) Solución: Paso I (ionizaci6n):

:i:i:

fl

(CH,),CCH,CH,

-

+ :Cl:

[(CH,),CCH,CH,] carbocatión

Paso 2 (combinacibn con Nu-):

.-

[(CH,),¿kH,CH,]

+ CH,OH

-

+

HOCH,

I

(CH,),CCH,CH, Cter protonado

Faso 3 (pérdida de H+):

/ H-OCH, CH,OH

-1

+ (CH,),CCH2CH,

-

:OCH,

I

(CH,),CCH,CH,

+ CH,OH,

éter


Completelas siguientes ecuaciones para reacciones de solv6lisis: (a) (CH,CH,),CI

B.

+ H,O

Estereoquímicadeunareacción

+ CH,OH

-

SJ

Un carbocatión (o ion carbonio, como también se llama) es una especie en la que un átomo de carbono está unido a sólo tres grupos, en lugar de los cuatro usuales. Debido a que sólo hay tres grupos, los enlaces de estos grupos están en un plano y los hngulos

La reacci6n S,I

Secci6n 5.6.

187

entre los enlaces del carbono positivo son aproximadamente120". Para conseguir esta geometría, el carbono positivo presenta hibridación sp2 y tiene un orbital p vacío. orbital p vado los cingulos de enlace sigma alrededor de C+ son aproximadamente de 120"

~/b-

Consideremos la reacción S,1 de un halogenuro de alquilo quiral. Cuando el (S)-3-bromo-3-metil-hexano se trata con agua, se racemiza produciendo el alcohol (R) (S). Se puede usar el mecanismo SN1 para explicar esta racemización. El primer paso en esta reacción S, 1 es la ionización del halogenuro dealquilo para dar un carbocatión y el ion halogenuro: Paso 1:

Br

I

[

CH ..\%$c 3 4

CH,.,~-CH~CH, CH,CH2CH2

\

CH3CH2CH2 CH,CH,

3

carbocati6n plano

(S)-3-bromo-3-metil-hexano

En el segundo paso, el H,O ataca al carbocatión para formar dos alcoholes protonados(en las siguientes ecuaciones se muestran los alcoholes después de la desprotonación). Si el H,O ataca al orbitalp vacío desde el lado superior, el carbocatión produce el enantiómero (S) del alcohol. Sin embargo, si el H,O ataca desde el lado inferior, se obtiene el enantiómero (R).Puesto que existe la misma probabilidad de ataque desde ambos lados, se producen cantidades iguales de los dos enantiómeros. Así, en una reacción SN1 típica, no se observa inversión de la configuración, como en una reacción SN2 típica.

Pasos 2 y 3:

ataque desde arriba

(S)-3-metil-3-hexanoI

1

CH3CH2CH2CH,

CHL,",+

\i

CH3CH2CH~c-CH2CH3

-H'

___)

H2O

CH2CH,

I

OH

ataque desde abajo

C.

C'

(R)-3-metil-3-hexanol

Velocidad de una reacción S,1

Hemosmencionado anteriormente que la velocidad de unareacción S,1 típica no depende de la concentración del nucleófilo, sino que depende únicarnente de la concentración del halogenuro de alquilo. Velocidad S,1= k [ R X ]

188

Capitulo 5

Halogenuros d e alquilo: reacciones de sustitucidn y eliminaci6n

La razón para este comportamiento es que la reacción entre R+ y Nu- es muy rápida, mientras que la concentración de R' es muy baja. La rápida combinación de R+ y Nu- ocurre solamente cuando se forma un carbocatión. Por lo tanto, la velocidad de la reacción global está deteirninada completamente p o r la rapidez con que RX puede ionizarse. Este paso de ionización (paso 1 de la reacción global), se llama paso determinante de la velocidado paso limitante de la velocidad. En cualquier reacción por etapas, el paso más lento es el paso determinante de la velocidad. Una reacción SN1tiene una cinética de primer orden,debido a que la velocidad es proporcional solamente a la concentración de un reactivo (RX). Es una reacción unimolecular, debido a que solamente una partícula (RX) interviene en el estado de transición del paso determinante de la velocidad. ( El "1" en SN1 significa unimolecular.) Paso determinante de la velocidad: d

O t

(CH,),C"Br

[(C'H,),C-

-----

--

-Br] ~

-

+ Br

[(CH,),C+]

esrado de rransici6n 1 (de una partícula)

D. Reactividadesrelativasenlasreacciones

S,1

En la Tabla 5.3 se muestran las velocidades relativas de reacción de algunos bromuros de alquilo en condiciones SN1típicas (solvólisis en agua). Adviértase que un halogenuro de alquilo secundario, experimenta reacción SN1 11.6 veces más rápido que un halogenuro de alquilo primario; mientras que un halogenuro de alquilo terciario experimenta esta reacción ¡un millón de veces más rápido que un halogenuro primario! Metilo:

C'H ,Br

+

,o

velocidad despreciable S, 1

('H,CIi2Br

+ H1O

velocidad despreciable

(CH.d2C'HBr

+

(C'H,),CBr

+

H

"---f

S, I

muy lenta

H 2 0

+

S, I

CH,OH

+ Br- + H i

C'H,CH,OH

-f

(C'H,),CHOH

+ Br + H'

+ H'

Br

~

rápida "$

La velocidad a la cual experimentan reacciones SNl los diferentes halogenuros de alquilo depende de las energías relativas de activación que conducen a los diferentes carbocationes. En esta reacción, la energía del estado de transición que conduce al carbocatión está determinada en gran medida por la estabilidad del carbocatión, el cual ya está casi formado en el estado de transición. Decimos que el estado de transición tiene carhcter carbocatiónico. Por lo tanto, la reacción que conduce al carbocatión, más estable y de menor energía, es la de mayor velocidad. Un halogenuro de alquilo terciario produce un carbocatión más estable que el carbocatión que se obtiene de un

l a reaccibn S,1

Secci6n 5.6.

189

halogenuro de metilo o de un halogenuro de alquilo primario, y consecuentemente, esta reacci6n tiene mayor velocidad.

TABLA 5.3. Velocidades relativas de las reacciones S,1 de algunos bromuros de alquilo

CH,Br CH,CH,Br (CH,),CHBr (CH?),CBr

1.OO" 1 .OO" 11.6 1.2 x lo6

'Para los bromuros de metiloy primario, la reacci6n observada ocurre probablemente por un mecanismo S,2 y no por S,1 .

E. Estabilidad de los carbocationes Un carbocatión es inestable yexperimenta rápidamente alguna reacción. Sin embargo, aún podemos hablar de estabilidades relativas de los carbocationes. L o s diferentes tipos de carbocationes que nos interesan aquí son: el catión metilo(el carbocatidn que resulta de la ionizaci6n de un halogenuro de metilo), carbocationes primarios (a partir dehalogenuros de alquilolanos),carbocationes secundarios(a partirde halogenuros de alauilo 2arios) y carbocationes terciarios(a partir de halogenuros de alquilo A continuaci6n se dan algunos ejemplos: +CH,

CH,eH,

(CH3),eH

lh

p i 0

metilo

(CH3),Ct 3"O

¿Cuáles son los factores que aumentan la estabilidad de un átomo de carbono cargado positivamente? La respuesta es: cualquier cosa que pueda dispersar la carga positiva. En los cationes alquílicos, el fenómeno principal que dispersa la carga positiva es el efecto inductivo, término usado para describir la polarización de un enlace, causada por un Btomo electropositivo o electronegativo cercano. En un carbocati6n, el centro positivo es el átomo de carbono cargadopositivamente. La densidad electr6nica de los enlaces sigma está desplazada hacia el carbono positivo. Utilizaremos flechas en lugar de enlaces lineales, para mostrar la direccih de esta attracci6n. H3Ch w

'

C +

~

T

CH,

Los ~ e - ~de los enlaces sigma son atraídos hacia la carga positiva

El desplazamiento de la densidad electrónica crea cargas parciales positivas en los átomos adyacentes que, a su vez, polarizan los siguientes enlaces sigma. De esta manera, la carga positiva del carbocatión se dispersa y el carbocati6n se estabiliza en alguna medida.

H

A

d+l

H+C+H

T

H

H

Todos &tomos ayudan los a dispersar la carga positiva.

Capitulo 5

190

-


Los grupos alquila contienen más átomos y electrones que un átomo de hidrógeno. A medida que aumenta el número de grupos alquilo unidos al átomo de carbono cargado -p&&amente, aumenta el número de átomos que pueden ayudar a compartir la carga positiva y a estabilizar al carbocatión. Por falta de estabilización, los halogenuros de metilo y primarios normalmente no forman carbocationes. +CH, metilo

CH,?H~ 1

(cH,),?H 2""

(cH,),c3-

aumenta la estabilidad de los carbocationes: aumenta la velocidad S,1 de RX

3


Ordene los siguientes carbocationesenordendeestabilidad creciente (el menos estable primero):

Otro factor que puede aumentar la estabilidad de los carbocationes terciarios es la asistencia estérica. Las repulsiones entre los grupos de un halogenuro de alquilo, aumentan la energía de la molécula neutra. Por consiguiente, la energía del estado basal de un halogenuro de alquilo terciario es mayor que la de un halogenuro de alquilo primarioo secundario comparable.Los grupos unidosal carbonoprincipalestan más separados el encarbocati6n plano queen el halogenuro de alquilo y las repulsiones son menores. El resultadodel aumento de la energíade RX enel estado basal por el impedimento estérico,es que se necesita menos energía adicional para queRX forme un carbocati6n. repulsiones \

, , +menos repulsiones

catidn t-butilo halogenuro de t-butilo

Otra teoría propuesta para explicar las estabilidades relativas de los carbocationes, es la hiperconjugación,es decir, la superposición parcial de un orbital $-S (un enlace C-H) con el orbital p vacío del átomo de carbono cargado positivamente.

Un catión etilo tiene solamente tres enlaces C-H que pueden superponerse con el orbital p vacío; pero el catión t-butilo, tiene nueve enlaces C-H que pueden ayudar a dispersar la carga de esta manera. Por lo tanto, un carbocatión terciario se estabilizt debido a mayor dispersión de la carga positiva.

La reaccibn S,I

P.

Sección 5.6.

191

Trasposiciones de carbocationes

El siguiente cloruro de alquilo secundario puede experimentar una reacción S,l con el ionbromuro como nucleófilo. Sin embargo, además del producto esperado, se observa otro producto de sustitución. Br

I

(CH,),CCHCH, ('I

1

(CH,3),3C'C'HC'IH, 2-cloro-3,3-dimetil-butano

+ Br-

7

2-bromo-3,3-dimetil-butano producto esperado

%

Br

I

(CH,)~CCH(CHA), 2-bromo-2,3-dimetil-butano producto no esperado

. Examinemos con más cuidado el carbocatión intermedio en esta reacción. El Carbocatión esperado es un carbocatión secundario. CH, CI

I I CH,-C-CHCH, I

+

CH,

1

CH, I

t

CH,"C-CHCH, l.H,

1

carbocatión esperado; 2"'"

Un carbocatión secundario tiene mucha mayor energía que un carbocatión terciario. La energía de este carbocatión se puededisminuir, desplazando un grupo metilo con sus electrones de enlace desde el átomo de carbono adyacente. El resultado es la trasposición del carbocatión secundario a un carbocatión terciario más estable. Desplazamiento 1,2 de un grupo metilo:

CHS carbocatidn 2"'O

a , carbocatión 3"w m&s estable

El desplazamiento de un átomo o grupo desde un carbono adyacente se llama desplazamiento 1,2. (Los números 1,2, utilizados en este contexto, no tienen nada que ver con los números utilizados en la nomenclatura, sino que se refieren al átomo de carbono positivo y al átomo adyacente.) El desplazamiento 1,2 de un grupo metilo se llama desplazamiento de metilo o desplazamiento de metiluro(El sufijo -uro se usa, algunas veces, debido a que -:CH3 es un anión; sin embargo, el desplazamiento 1,2 es un proceso concertado y realmente no se forma un anión.) La presencia en la solución de ambos carbocationes, el secundario y el terciario, conduce a los dos productosobservados, el llamado producto "normal" y el producto de trasposición, en el que el esqueleto, o la posición del grupo funcional, es diferente al del material de partida.


Capitulo 5

192

Br

I

(CH,),CCHCH,[(CH,),C?HCH,] carbocari6n 2-

[(CH,),?CH(CH,),]

2-bromo-3,3-dimetil-butano

-

Br

I

Br

carbocati6n 3"'O

(CHJ2CCH(CHJ, 2-bromo-2,3-dimet!'I-butano

Las trasposiciones ocurren cuando sobre un átomo de carbono adyacente hay un grupo alquilo, un grupo arilo, o un átomo de hidrógeno (cada uno de ellos con sus electrones de enlace) que puede desplazarse, generando con ello, un carbocatión más estable. Las trasposiciones pueden ocurrir cuando un par de carbocationes son igualmente estables. La magnitud de la trasposición que se observará en una reacción es bastante difícil de predecir y depende de varios factores, entre ellos la estabilidad relativa de los carbocationes involucrados y las condiciones de reacción (disolvente, etc.). Las siguientes trasposiciones ejemplifican desplazamientos 1,2 y la formación de carbocationes más estables. Desplazamiento de metiluro:

CH,

+

1-x

CH,"C"CHCH,CH,

___+

I

CH 3

I

CH3"C"CHCH,CH,

I

CH 3

C'H, carbocati6n 2""

carbocari6n 3"'" mis estable

Desplazamiento de hidruro W ) :

~~


A pesar dequemuchoscarbocationespueden formar carbocationes m6s estables por desplazamientos 1,2, no todos los carbocationes tienen estructuras que puedan producir, por trasposici6n, carbocationes m6s estables. Indique cuíiles de los cationes siguientes es probable que

:xperimenten trasposicibn. Muestreconuna flechael desplazamientode ungrüpoalquilo ode ".

un hidr6gen0, y dB la estructura del carbocati6n traspuesto. (a)

5.10.

CH,CH,~HCH,

(b) (CH3),CH6HCH,CH,

¿Qui5 productos S,1 se formm'an con los siguientes reactivos?

(CH,),CHCHCH,CH,

+ Br-

-

Reacciones de sustitucih de halogenuros alílicos y halogenuros bencílicos Haydostiposdehalogenurosque,enlasreacciones SN1 y SN2,secomportande distinta manera que los halogenuros de alquilo que hemos estado discutiendo. Son los halogenuros alílicos y los halogenuros bencílicos. CH2=CH-CH2CH2=CHCH2CI 3-c~oro-ppeno ( c l m de alilo)

grupo alilo

bromuro de. bencilo

grupo bencilo

Un¿ítomo o grupo unido al htomodecarbono udyucente a uno de los dtonws de carbono spz, se dice que estA en posici6n alflica o en posici6n bencilica respectivamente. En nuestros ejemplos anteriores y pnbikn en los ejemplos siguientes, los hal6genos estan en posiciones alílicas o bencílicas. & (H f

CH, CH=CHCH CH,

I

CH2CH2CWCHJ,

Br

Cl

1-bromo- 1-fenil-4-metil-pentano un bromuro bencflico

4-cloro-2-penteno un cloruro alílico

PROBLEMA MODELO ~~

Señale los sgrupamientos de tipo halogenuro alnico o bencnico, en cada UM de las siguientes estructuras. Clasifiquelas tambi6n como halogenuro I-, 2& 6 3-.

Soluci6n:

2"

3"

2"

PROBLEMAS DE ESTUDIO

5.12.

Clasifiquecadaunode los compuestossiguientescomo halogenuro vinílico, alilico, bencílico o de d o . Br

A. Reacciones SJ La mayoría de los halogenuros de alquilo primario experimentan sustituciones del tipo SN2exclusivamente y no experimentan reacciones SJ. Sin embargo, los halogenuros alilicos o bencílicos primarios son muy reactivos en ambas reacciones SN1 y SN2.En la Tabla 5.4 se muestran las reactividades relativas de algunos halogenuros bajo condiciones SN1tipicas. Se puede ver que un halogenuro de alilo es más de 30 veces más reactivo que un halogenuro de etilo, y que un halogenuro de bencilo es casi 400 veces m& reactivo. Si e s a presentes dos grupos fenilo, ¡el halogenuro es 100,OOO veces mhs reactivo!

n

Velocidad creciente de reacci6n & I

e

+ H,O

CH,=CHCH,CI 2-propenol cloruro de alilo alflico)

CH,CI

+

H,O

CH,=CHCH,OH

--A

-

+ Cl" + H t

(alcohol

(OtCH,OH

+ CI- + H S

alcohol bencflico

clonu~de bencilo lacridgeno: compuesio que causa Jujo de Mgrimas

La raz6n para la elevada reactividad de estos dos tipos de halogenuros en condiciones SN1,estA en la estabilización por resonancia del carbocatión y del estado de transicibn que conduceal carbocatión. Los carbocationes se estabilizan por dispersi6n de la carga positiva. La estabilización por inducción supone la dispersi6n de la carga positiva a traves de enlaces sigma. Hemos utilizado el efecto inductivo para explicar las estabilidades relativas de los carbocationes I"", 2"" y 3"". La estabilizacibn por resonancia supone la dispersi6n de la carga positiva a travCs de enlaces pi. Consideremos la reacci6n S,1 del cloruro de alilo con H,O: CH,=CHCH,CI

-CI

[cH,=cHCH,~ cati6n dilo

-++ H O

CH,=CHCH,OH

Reacciones de sustituci6n

de halogenuros alílicos y halogenuros bencilicos

Secci6n 5.7.

195

TABLA 5.4. Velocidades relativas de algunos halogenuros orgdnicos bajo condiciones S,1 tlpicas.

relotiva Velocidad Halogenuro

CH,CH,X CH,=CHCH,X C,H5CH2X (C,HS)2CHX

1 .O"

-

33 380 105

' L are.acci6n observada probablemente procede por mecanismo S&?.

RecordemosqueenlaSecci6n 2.9 dijimosquelasestructurasquedifieren solamente en la posici6n de electrones pi son estructuras en resonancia. Si para una molécula o ion se pueden dibujar estructuras en resonancia, el híbrido de resonancia (la estructura real) tiene menos energía que si no tuviera lugar la delocalizaci6n de en resonancia parael cati6n dilo electrones o de cargas elkctricas. Las dos estructuras y enlaces; por lo tanto, tienen el mismo contenido energbtico son idknticas en estructura y contribuyen igualmente a la estructura del cati6n alilo real. Debido a que el cati6n dilo esta estabilizado por resonancia, la energía del estado de transici6n que conduce a su formaci6n es relativamente baja y, consecuentemente, la velocidad de reacci6n SN1es rhpida. En la Figura 5.5 se representan los orbitalesp (en los orbitalesIT)del cati6n alilo.

n+

[CH,=CH"CH2

t."-+

bH2-CH=CH2]

estructuras en resonancia para el cati6n alilo (contribuyentes iguales)

Los dos carbonos terminales del cati6n alilo tienenla misma cantidad de carga positiva. LA qu6 &om0 ataca el nucle6filo? La respuesta es ia cualquiera de los dos! La reacci6n sN1 del 1-cloroConsideremos otro sistema alnico para ilustrar este hecho. 2-buteno con H,O,conduce a dos productos. Estos dos productos surgen del ataque del OH- a uno u otro de los dos Atomos de carbono parcialmente positivos.

dos electrones pi en

tres orbitales p r-

I

L

FIGURA 5.5. Formaci6n del cati6n alilo a partir de cloruro de alilo.

Capitulo 5

196

CH,CH=CHCH,CI

Halogenuros de alquilo: reacciones de sustitucidn y eliminaci6n

-‘I-s,,

+

-

o+

CCH,CH=CH-CH,

CH,~H--CH=CH~]

A

1-cloro-2-buteno

CH,CH=CHCH,

I

OH 2-butenol

CH,CHCH=CH2

I

OH 3-buten-2-01

Los halogenurosdebencilotambitnmuestran un aumentodelavelocidadde reacci6n S, 1, debido a la estabilizaci6n por resonancia del estado de transici6n que conduce al carbocati6n. En este caso, los electrones pi de la nube ammaitica del anillo de benceno ayudan a dispersar la carga.

cloruro de bencilo

cati6n bencilo

alcohol bencnico

Generalmente, simbolizamos lanube pi aromática del benceno por medio de una circunferencia dentro del anillo. §in embargo, las f6rmuIas de Kekule son mais convementes para dlscutir la delocallzacibn de electrones pi. Con las f6rmulas Le Kekulé, podemos contarlos electrones pi en el anillo y ver inmediatamentelos aitomos deficientes en electrones. Advitrtase la semejanza entre las estructuras de resonancia del cati6n bencilo y las del catidn alilo. El cati6n bencilo tiene cuatro estructuras en resonancia, similares a las estructuras en resonancia alílicas.

similar al cati&n alilo \


Laprimeraestructuraenresonancia, es la quecontribuyeenmayormedida debido a que tiene estabilizaci6n aromhtica. Por lo tanto, el carbono mais positivo en el intermediario es el carbono bencílico, que es el carbono atacado por el nucldfilo. carbono &S positivo,

~~

~


Prediga los productos de la solv6lisis en agua de: (a) O C H = C H C H , C I

(b) C H , O B r

Reacciones de sustituci6n de halogenuros alilicos y halogenuros bencilicos

TABLA 5.5. Velocidades relativas promedio

Secci6n 5.7.

197

S,2 para algunos halogenuros orgAnicos

Halogenuros relativa Velocidad

CH,X CH,CH,X (CHdZCHX CH,=CHCH,X C,H,CH,X

30 1 0.03 40 120

B. Reacciones SN2 Los halogenuros alílicos ybencílicostambitn experimentan reacciones SN2 a velocidadesmayoresqueloshalogenurosdealquiloprimarios,einclusoquelos halogenurosdemetilo. La Tabla 5.5 muestralasvelocidades relativas promedio de algunos hologenuros de alquilo en reacciones S,2 típicas. La raz6n para la mayor reactividad sN2 de los halogenuros alílicos y bencílicos, es la reducci6n, por parte del enlace pi alílico o de la nube pi aromAtica, de la energía del estado de transici6n de una reacci6n S$. En el estado de transici6n, el carbono que experimenta la reacci6n cambia, de un estado hírido sp3, a un estado híbrido sp’, apareciendo un orbital p. Este orbital p forma enlaces parciales tanto con el nucle6filo que ataca, como con el grupo saliente y este conjunto de8tomos soporta una carga negativa. Los orbitales p adyacentes de los sistemas alílicos o bencílico experimentan superposici6n parcial con el orbital p delestadode transici6n. De esta manera, los orbitales p adyacentesayudan a delocalizar la carganegativa,disminuyendo así la energía del estado de transici6n. La Figura 5.6 muestra los orbitales p delsistema alílico; el sistema bencílico es similar.

HO-

OH

4

CH CH

-c1-

+

I

c1

estado de tramicidn SN2,mostrando los orbitales p FIGURA 5.6. Estabilizaci6n del estado de transici6n en una reacci6n 5,2 del cloruro de alilo

Paraque se d t el aumentode estabilizaci6n en lasreacciones SN1 y S,2 de compuestos con sistemas pi, este sistema debe seradyacente al carbono que reacciona. Si e s 6 m8s alejado, no puede superponerse y no puede ayudar a estabilizar el estado de transici6n.

Capítulo 5

198

Halogenuros de

alquilo: reacciones de sustituci6n

y eliminaci6n

\

enlace pilejos demasiado demasiado lejos para superponerse en el estado de Ransicidn

PROBLEMA MODELO LCuaJes de los siguientes compuestos exhiben reactividades elevadas en reacciones S,1 y S,2, debido a la estabilizaci6n por resonancia o a superposici6n parcial de orbitalesp? CHJCH=CHCHBrCH=CH2 (c) C,H,CH=CHCH21

(b) CH,CH=CHCH2CHBrCH,CH, (d) CH,=CHCH,CHBrCH=CH,

(a)

Soluci6n: (a), (c), (d).

~~

~

La reacci6n El Un carbocati6n es un intermediario inestable, de alta energia, que experimenta r6pidamente una nueva reacci6n. Un carbocatidn puede llegar a un producto estable combidmiose con un nucle6filo; esto, por supuesto, constituye lareawidn S ,l . Sin embargo, hay una alternativa:el carbocati6n puede ceder un protón a una base en una reacción de eliminacibn (una reacci6n El)y producir un alqueno. Sustitucidn &I): Hz0 H'

- Br

(CH,),CBr C(CH,),C'l brornuro de 1-butilo

__t

cati6n t-butilo

(CH,),COH alcohol r-butííico

Eliminaci6n (El):

HOH

catidn r-butilo

metil-propeno

El primer paso en una reacci6n E l es idkntico al primer paso en una reacci6n S,1: la ionizacibn del halogenuro de alquilo. Éste es el paso lento y por lo tanto, el paso determinante de la velocidad de la reacci6n global. De la misma manera que la reacci6n S,1, la reaccibn El típica muestrauna cinética de primer orden y la velocidad de la reaccidn depende solamente de laconcentracibn del halogenuro de alquilo. Puesto que solamente interviene un reactivo en el estado de transicidn del paso determinante de la velocidad, la reaccidn E l , de la misma manera que la S,1, es unimolecular. Paso 1 (lento):

carbocaridn intermediario

La reacci6n E2

Seccidn 5.9.

199

En el segundo paso de una reacción de eliminación, la base elimina un protón de un carbono adyacente al carbonopositivo. Los electrones del enlace sigma carbonohidrógeno se desplazan haciala carga positiva; el carbono adyacente se rehibridiza de un estado sp3 a un estado sp2 y se forma un alqueno. Paso 2 frdpido):

n

estado de

transici6n

H3C\ I

/

C=CH2

+ H36:

H3C

Puesto que una reacción El,de la misma maneraque una reaccidn SN1,procede a través de un carbocatión intermedidrio, no es sorprendente que los halogenuros de alquilo terciarios experimenten esta reacci6n mucho mhs rhpidamente que otros halogenuros de alquilo. Las reaccionesEl de loshalogenuros de alquilo se llevan a cabo bajo las mismas condicionesque las reacciones S,1 (disolvente polar, base muy dkbil, etc.); por consiguiente, las reacciones s N 1 y El son competitivas. Bajo las condiciones tan suaves que se requierenpara que los carbocationes de halogenuros de alquilo experimenten estas reacciones, el producto SN1 generalmente predomina sobre el producto de El. Es por esta razón por la que las reacciones El de los halogenuros de alquilo son relativamentepoco importantes. Sin embargo, en el Capftulo 7 se ver6 que las reacciones El de los alcoholes son muy importantes. Estas reacciones s e r h examinadas con mfis detalle en ese capítulo. PROBLEMA DE ESTUDIO 5.1 4.

Algunos halogenuros de alquilo terciarios producen tanto mezclas de alquenos como el producto desustituci6ncuandosesometenacondicionesdereacci6n SN1.Fkdiga todos los productos posibles de las reacciones del 2-bromo-2-metil-butano con etanol, en condiciones SN1.

S E C C I ~5.9. N ~~

La reacción E2 La reacción de eliminación mhs útil de un halogenuro de alquilo es la reacci6n E2 (eliminación bimolecular). A diferencia de la reacci6n El, las reacciones E2 son favorecidas con bases fuertes, tales como -OH 6 -OR,y altas temperaturas. Típicamente, una reacción E2 se lleva a cabo calentando el halogenuro del alquilo con K + -OH 6 Na' -OCH, CH,

2-bromo-propano @romuro de isopropilo)

Halogenuros de alquilo: reacciones de sustituci6n y eliminacidn

Capitulo 5

200

La reacción E2 no procede a travts de una carbocatión intermediario, sino que es una reacción concertada; o sea, que ocurre en un paso, igual que la reacción S,2.

-

Br

I

RO- + CH3CHCH3

_.___+

R0:-

+ H-CH,-CHCH,

+

R ~ H CH,=CHCH,

+ :Br:-

(1) La base está formando un enlace con el hidrdgeno. (2) Los electrones del enlace C-H están formando un enlace pi. (3) El bromo esti saliendo con el par de electrones del enlace sigma carbono-bromo.

La ecuación anterior muestra el mecanismo con flechas que representan el “movimiento de electrones”. La estructura del estado de transición del Único paso de la reacción es la siguiente: -

Rij:h

‘i CH,=CHCH,

:Be estado de

transición E2

En una reacción E2, así como en una reacción El, los halogenuros de alquilo terciarios experimentan las reacciones más rápidamente, y los halogenuros de alquilo primarios lo hacen más lentamente. (Cuando se tratan con una base, los halogenuros de alquilo primarios generalmente experimentan sustitución, de manera que se forma poca cantidad de alqueno.)

RX 1”””

I A.

RX 2”

aumentovelocidad de

RX 3” E2

Efectoisotópicocinético

Una evidencia experimental que apoya el mecanismo E2 es la diferencia en-las velocidades de eliminación de halogenuros de alquilo deuterados y no deuterados. Se llama efecto isotópico cinético a la diferencia en las velocidades de reacción entre compuestos que contienen isótopos diferentes. El deuterio (;H,ó D), es un isótopo del hidrógeno que contiene un protón y neutrón en su núcleo. El enlace C-D es m8s fuerte que el enlace C-H por 1.2 Kc& mol. Hemos postulado que la ruptura del enlace C-H, es parte integral del paso determinante de la velocidad (el Único paso) de una reacción E2. ¿Que sucede cuando el H que se elimina se remplaza por D? Para romper el enlace C-D, que es más fuerte, se requiere más energía. Poresta razón, la E,, aumenta (Figura 5.7) y la velocidad de la reacción de eliminación es menor. Cuando los 2-bromo-propanossiguientes se someten a unareacción E2 con CH,CH,O- como base, se ha observado que el compuesto deuterado experimenta la

l a reaccidn E2

I

RX

+ base alqueno

Seccidn 5.9.

201

+ X-

-Progreso de la reacci6n-+ FIGURA 5.7. Diagramas energ6ticos para las reacciones bromo-propano deuterado.

E2 de 2-bromo-propano y de un 2-

reacción a una velocidad siete veces menor que el 2-bromo-propano ordinario; hecho que apoya el mecanismo de reacción E 2 que hemos descrito.

Br CH,CH,O-

I

+ CH,CHCH,

ripida

CH,CH,OH

+ CH,=CHCH, + Br

Br CH,CH,O-

I

+ CD,CHCD, CH,CH,OD

+ CD,=CHCD, + Br

PROBLEMA MODELO ¿Por qué no se observa efecto isot6pico cinéticoen las reaccionesEl de (CH,), CBr y

(CD,),CBr'! Solucidn: La ruptura de un enlace C-H no se efectúa en el estado de transición del paso determinante de la velocidad de una reacci6n El.

B. Mezclas de alquenos Las reacciones E2, así comolas reacciones E l , se conocen también como eliminaciones beta (p). Este término deja ver cuál átomo de hidrógeno se pierde en la reacción. Los diferentes tipos de átomos de carbono e hidrógeno en una molécula, se pueden señalar como a, p y así sucesivamente, según el alfabeto griego. El titomo de carbono unido al grupo funcionalprincipal de una molécula, se llama el carbono alfa(a)y el carbono adyacente a éste, es el carbono beta (p). Los hidrógenosunidosal carbono a , se llaman hidrógenos a, mientras que los unidas al carbono p, son hidrógenos p. En una eliminación p, se elimina un hidrógeno p al formarse el alqueno. (Por supuesto, un halogenuro de alquilo sin hidrógenos p no puede dar eliminación p.) Los carbonos

p y los hidr6genos p estAn señalados con

un circulo;

202

Capitulo 5

Halogenuros de alquilo: reacciones de sustiruci6n y elirninaci6n

Si el 2-bromopropano6 el bromuro de t-butilo experimentaneliminaci6n s610 existe un posible producto alqueno. Sin embargo, si los grupos alquilo unidos al carbono (Y son diferentes y hay m6s de un tipo de hidrógenos p, puede formarse más de un alqueno. La reacción E2 del 2-bromo-butano produce dos alquenos debido a que hay dos tipos de átomos de hidrógeno que pueden eliminarse: un hidrógeno de un grupo CH, o un hidrógeno de un grupo CH,.

-

CH,--C-Br

I

H,

CH,=C'

\

+ H,O + Br-

CH, bromurode t-butilo S610 un tipo de hidrdgeno

p

metil-propeno s610 un alqueno posible

HO-

W CH,CH,CH=CH,

CH,CHCHCH,

buteno

1

i

dos alquenos posibles

Br

CH,CH=CHCH,

2-bromo-butano dos tipos de hidr6genos p

2-buteno

PROBLEMAS MODELO Señale con un círculo los carbonos e hidr6genos

p en las siguientes estructuras:

(a) CH,CH,CHCH,CH,CH,

I

Br

Soluci6n: (a) CH,

Br En el problema anterior, indique cufintos tipos diferentes de hidr6genos cada estructura.

p se encuentran

en

Soluci6n: (a) dos tipos; (b) dos tipos (los grupos CH, del anillo son equivalentes entre sí y el grupo CH, es diferente).

~~

~


Escriba lasestructurasde losalquenos que podrían resultarde lasreacciones E2 decadauno de los bromuros de alquilo anteriores.

La reaccidn E2

Secci6n 5.9.

203

C. ~Cuhles el alqueno que se forma? En 1875, elquímico ruso Alexander Saytseff formuló lasiguiente regla, conocida ahoracomo regladeSaytseff: Enuna reacción de eliminación, en la mezcla de productos, predomina el alqueno con el mayor número de grupos alquilo unidos a los átomos de carbono del doble enlace. Nos referiremosaestealquenocomoel alqueno d s sustituido. La reglade Saytseff predice que, en la reacción E2 del 2bromo-butano, predominará el 2-buteno sobre el buteno. Y, en efecto, esto es lo que ocurre. En la siguiente reacción, la mezcla dealquenosproducidos consiste en 80% de 2-buteno y sólo 20% del buteno.

80%

20%

Se hadeterminadoquelosalquenosm8ssustituidossonmás estables que los alquenosmenossustituidos (estolotrataremosen elCapítulo 9). Por lo tanto, una reacción E2 conduce al alqueno m h estable. CH,=CH,

CH,CH=CH*

CHlCHZCHCH,

(CH,),C=C(CH,),

aumento de estabilidad:

Paraver la razónpor la cualtienepreferencialaformacióndelalquenomás estable (2-buteno) sobre el alqueno menos estable (buteno), consideremos los estados detransiciónqueconducen alosdosbutenos.Encualquieradelosdosestadosde transición, la base está removiendo un protón, a la vez que estA fomhdose un doble enlace. Podemos decir queesteestadodetransicióntiene cierto carhcter de doble enlace, lo cual lo representamos en la fórmula con una línea punteada.

Br

I

CH3CH2CHCH,

OR-

L

estado de transicidon

1

~

-

CH,CH=CHCH, 2-buteno

estado de transicidn

Dado que los dos estados de transición tienen algo de carhcter de doble enlace, el estado de transición que conduce al alqueno más estable es en sí más estable y de menor energía. La reacción con el estado de transición de menor energía procede a

204

Capitulo 5

Halogenuros de alquilo: reacciones de sustituci6n y elirninaci6n

mayor velocidad; por lo tanto, el alquenomiís estable es el productopredominante (Figura 5.8)

I

-Progreso

producto predominante de la reacci6n>-.

FIGURA 5.8. Diagrama energktico para una reacci6n E2 típica, que muestra por que predomina el alqueno m6s sustituido.

PROBLEMASMODELO ¿Cuál es el alqueno más estable (a) (CH,),CCH = CHCH,, 6 (b) CH,CH = C(CH,),? Solucibn: (b) con tres grupos

R es más estable que (a) con sólo dos grupos.

Prediga el producto mayoritario de la deshidrohalogenación E2 de CH,CH,C(CH,),CI. Soluci6n: Los dos alquenos posibles son CH,CH = C(CH,), y CH,CH,C=CH,,

I

CH,

Predomina el primero (tres grupos R, contra dos grupos R del segundo).

PROBLEMADEESTUDIO 5.16

Predjgaelproductomayoritariodeladeshidrohalogenaci6nE2,de 1-clorometil-ciclohexano.

Hemos visto ya cuál es el alqueno que se formaria preferentemente en la deshidrohalogenación: en la mezcla de productos, predomina el alqueno más sustituido. Este alqueno, a menudopuede existircomodiastereómeros(isómerosgeométricos) cis y trans. ¿Es selectiva la reacción, en cuanto a la formación de un diastereómero? trans generalmente son más Experimentalmente se ha determinado que los alquenos estables que sus correspondientes isómeros cis, probablemente por el menor impedimento estérico en los isómeros trans. No es sorprendente, porlo tanto, que los alquenos trans predominen en los productos de las reacciones E2. De nuevo, la razón está en

Secci6n 5.9.

La reacci6n E2

205

un estado de transición mas estable. La ecuación siguiente muestra los resultados de la reacción E2 del 2-bromo-pentano. CH,CH,CH,CH=CH, 1 -penten0 3 I 7;

CH,CH, Br

I

CH3CH2CH2CHCH3

‘&C

H’

Na+ -OCH,CH, CH3CH20H

calor

,CH, \

H

cis-Zpenteno

>

18%

2-bromo-pentano

‘ /c=c

CHJH,

I

H

H / \

/

alqueno nuis estable producto principa2

CH,

trans-2penteno 51%

D. Estereoquímicadeunareacción E2 En el estado de transicidn de una eliminación E2, la base atacante y el grupo saliente, generalmente estan lo mAs alejados posible, es decir,en posición anti. Por esta razón, la eliminación E2 se conoce a menudo como eliminaci6n anti. Elirninaci6n anti:

bolas y varillas

tridimensional

Newman

Una caracteristica interesante de la eliminaci6n anti, es que la posici6n anti de los grupos que se eliminan, H y Br,determina la estereoquímica del alqueno resultante. Para ver cómo sucede esto, fijdmonosen la reacci6n E2 dealgunoshalogenurosde alquilo estereoisómericos.El compuesto 1-bromo-1,2-difenil-propano tiene dos Atomos de carbono quirales (carbonos 1 y 2) y cuatro estereois6meros: Los cuatro estereois6meros de

0 0

o

CH,CH-CHBr:

I

I

Capitulo 5

206


Debido a que sólo hay un hidrógeno l.3 en el halogenuro de partida, cualauiera de estos estereoisbmeros produce C,H,(CH,) C = CHC,H,., Sin embargo, en este producto es posible la lsomeria geométrica. sdlo un hidrdgeno $

1

CH,CH-CHBr+

I

OR

I

t?

C't,H, C,H,

CH>C==ICH

+ ROH + Br-

I

I

C,H,

C,Hs

Cuando el (lR,2 R ) - 1-bromo-1, 2-difenil-propano, o su enantiómero ( U , 2s) experimentan reacciónE2, se forma exclusivamenteel alqueno (2);no se forma alqueno

Q.

(2)- 1,2-difenil-propeno

(1 R , W

La razónpor la que todo el producto formado es (2) y no Q , es que hay solamente una conformación de estos enantiómeros en la cual el Br y el hidrógeno en p son anti. En los enantiómeros (IR),2R)ó (lS,2 S ) , la alineación anti de H y Br se consigue cuando los dos grupos fenilo están del mismo lado dela mol&ula, resultando el alqueno (Z). Si la eliminación Numera sin tener en cuenta la conformación de los enantiómeros, entonces también se obtendría algo de alqueno (E). H y Br anti signijca fenilos en cis

C6H5

H

-E2 HBr '

'bH5a C6H5

C6H

PROBLEMA DEESTUDIO 5.1 7.

Escriba ecuaciones para la eIiminaci6n anti del enanti61nero (lS,S), de la misma manera que hemos visto para el enantidmero (lR,2 R ) .

La situación opuesta prevalece con los enantiómeros (lR,2 s ) ó (lS,X ) . Cualquiera de éstos isómeros, produce el alqueno (@ y no el alqueno (a.La razón, otra vez, es que hay una única conformación para cada uno de estos enantiómeros, en la cual el Br y el Único hidrógeno en beta están en relación anti. En estas conformaciones, los grupos fenilo están en lados opuestos de la molécula.

La reacci6n E2

Secci6n 5.9.

207

Una reacción en la cualdiferentesestereoisómerosde un reactivo producen productos estereisoméricamente diferentes es conocida como una reacción estereoespecffica. La reacción E2 es un ejemplo de una reacción estereoespecífica. Los halocicloalcanos, tales como el cloro-ciclo-hexano, tambiénpueden experimentar reacciones E2. En estos casos, las conformaciones del anillo juegan un papel importante en el curso de la reacción. Para queen un anillo de ciclohexano se dé la relación anti entre el grupo saliente (tal como el cloro) y un hidrógeno p, éstos deben ser 1,Ztrans y dimiales. Ninguna otra conformación sitúa el H y el C1en posición anti. (Compruébeloconmodelos).Aunqueésta no es la información favorecida, en un momento dado existe cierto porcentaje en esta conformación y así puede sufrir la eliminación.

el C1 es ecuatorial y no es anti a los hidr6genos p

el Cl es axial y es anti a dos hidrdgenos p

OH-podría atacar a cualquiera de los H que se muestran


Dibuje f6rmulas tridimensionales para los conf6rmeros del(IR,2S)-l-bromo-1,2-difenil-propano y (IS, m)-]-bromo-l , 2-difenil-propanoque experimentan la reacci6n E2.

5.19.

El 1,2-dibromo-l,2-difenil-etano, contienedosátomosdecarbono quuales y tiene un parde enanti6meros y un diasteroidmero meso. Cualquiera de los estereoisbmeros de este compuesto experimentareaccidn E2 paraproducirbromo- 1,2-difenil-eteno. La forma meso produce un is6mero geomktrico del alqueno, mientrasque la mezcla racémica de los enanti6meros produce el otro is6mero geomktrico. Prediga la estereoquímicade los productos de estas dos reacciones.

5.20.

Escriba una ecuaci6n usandof6rmulas conformacionales, queilustrela reacci6n E2 del trans2-cloro-metil-ciclohexanocon hidr6xido desodio acuoso. (Asegúresede mostrarla conformaci6n del anillo, que se requiere para la eliminaci6n anti.)

E. Productos Hofmann La mayoríadelasdeshidrohalogenacionessiguen la regla de Saytseff, y predomina el alqueno más sustituido. Sin embargo, bajo algunas circunstancias el productomayoritariodeunadeshidrohalogenación E2 es el alqueno menos sustituido, o seael menos estable. Cuando el alqueno predominante es el menos sustituido, decimos que en la reacción se obtiene el producto Hofmann.

208

Capítulo 5

Halogenuros de alquilo: reacciones de sustituci6n y elirninacidn

iCuándo es posible que el alqueno menos sustituido sea el producto predominante? Un fenómenocomún,queconducealalquenomenossustituido,es el impedimento estérico en el estado de transición que conduce al alqueno menos sustituido. El impedimento estdrico puede aumentar tanto la energía del estado de transición, que fuerce a la reacción air hacia el alqueno menos sustituido.El impedimento estérico puedesercausadopor uno de lostresfactoressiguientes:elprimeropuedeser el tamaño de la base atacante. En la reacción de eliminación del 2-bromo-butano con el pequeño íon et6xid0, predomina el alqueno más sustituido. Con el voluminoso ion t-but6xid0, se forman los 1- y 2-butenos en cantidades iguales. CH~CH~o-

buteno Br

CH,CH=CHCH,

+ CH,CH,CH=CH,

2-buteno

I

20%

80%

CH,CH,CHCH, 2-bromo-butano

CH,CH=CHCH, voluminoso buteno

+ CH,CH,CH=CH,

2-buteno 50%

ataque al carbono I : menos impedimento estkrict

50%

-

Br

CH,CH,CH=CH, buteno

~l segundofactorpuede ser el tamaño de los grupos que rodean al grupo saliente en el halogenurode alquilo. El 2-bromo-2,4,4-trimetil-pentano produce el alqueno menos sustituido en una reacción E2, aún con una base pequeña como el ion eMxido. Hidrdgenos p amontonados

m6s

C.4 I

yr

Hidr6genos $ menos amontonados

/

CH3CCH,C-CH3

l

CH,

l

CH, 2-bromo-2,4,4-trimetil-pentano

CH,CH20'

(CH,),CCH,C=CH,

I

2,4,4,-trimetil-penteno

Factores que gobiernan las reacciones de sustituci6n y de eliminaci6n

Seccidn 5.10.

209

Tercero, si el grupo saliente es grande y voluminoso, puede predominar el producto Hofmann. Este tipo de reacción ser6 tratado en la Sección 15.10. PROBLEMAS DE ESTUDIO 5.21.

Escriba f6rmulas para los productos Hofmann y Saytseff de las reacciones E2 de (a) 3-bromo2-metil-pentano y (b) 1-cloro-metil-ciclohexano.

5.22.

Prediga los alquenos mayoritarios producidosenlassiguientesreaccionesE2:

+

-

(a) CH,CH,CH,CHBrCH, -OC(CH,), (b) CH,CH,CHBrCH, OH-

+

A

S E C C I ~ N5.1 o.

Factores que gobiernan las reacciones de sustitución y de eliminación Al principio de este capítulo, hemos mencionado que las reacciones S,1, S,2, El y E2 son reacciones competitivas. Un halogenuro de alquilo puede experimentar sustitución, eliminación y trasposicionesen un mismo matrazde reacción. Si esto sucede, pueden obtenerse mezclas de un gran número de productos. Sin embargo, un químico puede, en cierta medida, controlar los productos de reacción, seleccionando adecuadamente los reactivos y las condiciones de reacción. Entonces, ¿cuáles son los factores que afectan el curso de las reacciones de sustitución y de eliminación de los halogenuros de alquilo? Estos factores son: 1.

la estructura del halogenuro de alquilo;

2.

lanaturaleza del nucleófilo o la base;

3.

la naturaleza del disolvente;

4.

laconcentración del nucleófilo o la base;

5.

la temperatura.

A. El halogenuro de alquilo Hemos mencionado que el tipo de halogenuro de alquilo afecta el mecanismo de la reacción. Ahora que hemos visto los cuatro mecanismos principales por los cuales puede reaccionar un halogenuro de alquilo con un nucleófilo o una base, podemos resumir cómo actúan los diferentes halogenuros de alquilo.

Los halogenuros de metilo y los primarios tienden a experimentar reacciones S,2. No forman carbocationesy, por lo tanto, no pueden experimentar reacciones S,1 o E l . Los halogenuros primarios, si sufren reacciones E2, lo hacen lentamente. Los halogenuros de alquilo secundarios pueden sufnr reacción por cualquier camino, pero las reaccionesS,2 y E2 son más comunes que las El ó S, l. Las reacciones de los halogenuros dealquilo secundarios están más sujetas control a por las condiciones

21o

Capítulo 5

Halogenuros de alquilo: reacciones de sustituci6n y elirninaci6n

en el matraz de reacci6n (concentraci6n del nucle6fil0, disolvente, etc.) que las reacciones de otros halogenuros de alquilo. Los halogenuros de alquilo terciarios sufren principalmente reacciones E2 con bases fuertes-(OH,-OR, etc.); pero con bases muy dtbiles (como H,O 6 ROH), sufren reacción SN1y algo de reacci6n E l . En la Tabla 5.6 semuestran ecuaciones generales para resumir las reacciones de los diferentes tipos de halogenuros de alquilo.

B. El nucleófilo o la base La diferencia entre nucleofilicidad y basicidad fue tratada en la Sección 5.4D.Como se mencion6 en esa sección, una base fuerte generalmente tambitn es un buen nucleófilo. Otros dosfactores pueden afectar las nucleofilicidades relativas de reactivos, los algunas veces en forma muy notable.El disolvente usado en la reacciónes uno de estos factores y sus efectos serán tratados en la sección 5.10C. La polarizabilidud deunion o moltcula es otro factor que afecta su nucleofilicidad. Los electrones externos de los átomos grandes están más alejados de los núcleos y son atraídos menos fuertemente que los de los átomos m6s pequeños. Por consiguiente, los electrones externos de los dtomos más grandes son distorsionados más fácilmente por atracci6n hacia un centro positivo y pueden atacar mfis rápidamente un fitomo de carbonoparcialmentepositivo.Porejemplo,elionyodurogeneralmenteesmejor nucle6filo que el ion cloruro. El grado de nucleofilicidad contra basicidad puede afectar el curso de una reacci6n. La reacci6n de un hulogenuro de alquilo primario con un nucledfilo fuerte (p6gina 175) sigue un mecanismo S,2, aúnsi el nucle6filo es tambitn fuerte. Sin embargo, para un halogenuro de alquilo terciario, cualquier base moderadamente fuertefavorece la reacci6n E2; y s6l0 las bases más débiles (H,O, ROH) conducen a una sustitución (por un mecanismo SNl). Para los halogenuros de alquilo secundario, los nucledfilos fuertes (como CN-) favorecenlasreacciones S,2, mientrasque losnucle6filos dCbiles(como H,O), favorecen las reacciones vía carbocationes, principalmente SN1 y algo de El. Las bases fuertes (como -OH y -OR)favorecen las reacciones E2.

nucie6filo fuerte: S,2 nucle6lilo dbbil: S, 1 base fuerte: E2 TABLA 5.6. Las principales reacciones de los diferentes tipos de halogenuros de alquilo’

Productos

Halogenuros ~~

~

S J , RCKNu + NuR,CHX + NU+ R,CHNU + alqueno S 1 El R3CX + H,O & R,COH + alquenos S 1 El R,CX + R’OH L R,COR + alquenos E2 R,CX + Base alquenos

Metilo y primario: RCH,X Secundario: Terciario:

+

___+

‘Pata que tenga lugar una reacci6n El 6 E2,es necesario que el halogenun, de alquilo posea al menos un hidr6geno. /$

Factores que gobiernan las reacciones de sustituci6n

y de eliminaci6n

Secci6n 5.10.

211


Prediga cufl es, generalmente,mejornucle6filo: CH,S- 6 CH,O-. Expliquesurespuesta.

C. El disolvente El disolvente ejerce su influencia en las reacciones de sustituci6n y eliminación, por la habilidad o incapacidad que tenga para solvatar iones: carbocationes, nucledfilos o basesy grupos salientes. La capacidadde un disolventeparasolvatar iones, esd determinada por su polaridad, la cual est6 dada, generalmente, por la constante dieZéctrica. Mientras el momento dipolar es una medida de la polaridad de una molkula única, la constante dieltctrica es una medida de la polaridad de un líquido (muchas moltculasconinteraccionesentreellas). Un disolventealtamentepolartieneuna constante dieléctrica elevada. En la Tabla 5.7 se dan algunosdisolventes orghicos comunes, sus constantes dielectricas y las velocidadesrelativasdeuna reacci6n S,1 típica en ese disolvente. Aunquelasconstantesdielkctricaspuedendarunaguíapara la seleccdn del disolvente, nohayreglasestablecidasparapredecir elmejordisolventepara una reacción dada(iTambiCndebenconsiderarselassolubilidadesdelos reactivos!). En general, un disolvente muy polar (como el agua) favorece las reaccionesS,1 al ayudar a estabilizar el carbocatión por solvatacih. Contrariamente, un disolvente menos polar (como la acetona) favorece las reacciones S,2 y E2, porque no facilita la ionización. Ademits de la solvataci6n del carbocati6n, la solvataci6n del nucle6filo es muy importante. La elección del disolvente puede cambiar realmente el orden de nucleofilidad en un grupo de nucleófilos. I Un disolvente que puede solvatar (y por lo tanto estabilizar) un ani6n, reducesunucleofilicidad.En contraste, un disolventeque no puedesolvatar un ani6naumenta su nucleofilicidad. El ioncloruro es mucho mejor nucleófilo en dimetilformamida(DMF), donde no está solvatado, que enetanol, donde está solvatado.

0

la DMF no contiene H capaz de soivatar ion un negativo

;/"

d+

etanol el puede solvatar ion negativo

CI- HCN(CH3), CH,CH2OH---CI-

- - - HOCH,CH,

DMF ~~

~

TABLA 5.7. Velocidades relativas de reacciones S,1 tipicas en varios disolventes ~~

Disolvente

Fdrmula

Acid0 f6nnico

HC0,H H,O CH,CHZOH H z 0 CH,CH,OH

agua

etanol acuoso 80% etanol

Constante aproximada dielkctrica

58 78.5 67

24

Velocidad relativa

15,000

4000 I85 95

O

acetona

21

o .5

~

Capitulo 5

212

D.

Halogenurosdealquilo:reaccionesde

sustitucidn y eliminacidn

Concentración del nucleófilo o de la base

Controlando la concentración del nucleófilo o de la base, un químico puede controlar las velocidadesde las reacciones SN2y E2, Aumentando la concentración del nucleófilo, generalmente no se afecta la velocidad de las reacciones S,1 ó E l , pero aumentan proporcionalmente de las reacciones S, 2 6 E2. Por lo tanto. una - - las velocidades concentracii6n elevadade nucleófilo o de base, favorece las reacciones SN2ó E2 y una concentración baja, favorece las reacciones S,1 ó El. "

concentración alta de Nu- o de base: concentraci6n baja de Nu-:

S,2 6 E2 SN16 El

E. Latemperatura Un aumento en la temperatura lleva consigo un aumento en las velocidades de todas las reacciones de sustitución y eliminación. Sin embargo, un aumento en latemperatura conduce generalmente a un aumento en los productos de eliminación. (La razón de esto es que las reacciones de eliminación tienen generalmente las E,, mayores que las reacciones de sustitución y las temperaturas más altas hacen posible que más moléculas alcancen. el estado de transici6n dela reacci6n deeliminacih).

S E C C I ~ N5.1 I.

Sintesis de otros compuestos a partir de halogenuros de alquilo Desde un punto de vistapráctico, sólo las reacciones S,2 y E2 son útiles parala síntesis de otros compuestos a partir de halogenuros de alquilo, ya que las reacciones SN1 y El generalmente dan mezclas de productos. Puede obtenerse un gran número de grupos funcionales por reaccionesSN2.Hasta aquí, sólo hemos presentado algunos nucleófilos, pero se pueden usar mucho más. Por ejemplo, un &ter es el producto cuando se emplea una sal de un ion curboxifato como nucleófilo. (Un ion carboxilato es una base débil y un nucleófilo bastante débil; por consiguiente, la reacción procede mejor con halogenuros másreactivos, como los halogenuros bencílicos o alílicos.)

O ion acetato

un carboxilato

O bromuro bencilo bencilo acetato de de

un &fer

Puede prepararse una sal de aminas cuando se emplea amoníaco o una amina (bases dkbiles, nucleófilos moderados) como nucle6filo. (Esta reacción se discutirá en la Sección 15.5A.)

a partir de

sintesis de otros compuestos

halogenuros de alquilo

(CH,),N:-CHzcBr: trimetil-amina

213

Seccibn 5.1 l.

CH,CH,CH,N(CH,), :Br:bromuro de trimetil-n-propil-amonio

" +

una sal

una amina

Puede prepararse un alqueno al calentar un halogenuro de alquilo secundario o terciario con una base fuerte, como hidrbxido de potasioo la sal de metal alcalino de un alcohol, en dicho alcohol como disolvente. Generalmente, el producto que se obtiene es el alquenorruns más sustituido. Algunas veces puede prepararse el alquenos menos sustituido empleando una base voluminosa, como K' -0C (CH,),. En la Tabla 5.8 se resumen los tipos de productos que pueden obtenerse por reacciones S,2 y E2 de los halogenuros de alquilo. ~

~

~~-


Escriba ecuacionesparamostrar como sintetizarla los siguientescompuestosapartirde halogenuros orgiincos y otros reactivos adecuados. Si hay dos vias equivalentes, demukstrelas. (a) CH,CH,CH,O

-0

(b) 0 C H 2 S C H 3 O

(c) CH3CH20CH2CHzCH3

(d) ~ ! O C H , C H = C I - I ,

TABLA 5.8. Algunos tipos de compuestos que pueden ser sintetizados de halogenuros alquilos.

Producto principal

Reactivos'

Rx 1RX 1-

RX 1-15 2Rx 1-62-

+ -OR' + -OH + -CN + -SR' O

RX 1- 6 2-+0 RX 1- 6 2"'"

RX 1-6 2"

I1

+ -0CR'

+ 1t

R,CHCXR, 2an06 3 & O

NR;

+ -OR'

ROR' un 6ter

Na'

ROH un alcohol

N a + -OH,

RCN un nitrilo RSR' un sulfur0 o tidter

K' -OH Na' -CN Na+ -SCH,CH,

-OCH,CH,,

Na+ -OC,H,

O

II

ROCR' unester.

Na'-O,CCH,

FU un yoduro de alquilo

Na'

&',Xuna sal de amonlo R,C = CR, un alqueno

"Donde se especifique RX 1- pueden usarse halogenuros de metilo, alnicos y bencflicos. usarse un halogenuro reactivo.

bDehe

Reactivos tipicos

-1

(CH313N K' -OH, Na'-OCH,CH,, K' -OC(CH,),

Capitulo 5

214


Resumen Un halogenurodealquilocontiene un buen grupo saliente (X-) y esatacado o m k decuatro fiicilmentepor nucle6filos (Nu-). La reaccidntranscurreporuno caminos posibles: SN1,SN2,El, E2. Una reacci6n SN16 E l procede a través de un carbocati6n intermediario: RNu

CR'1

RX

L+

alqueno

Un carbocati6n intermediario conduce generalmente a una mezcla de productos: un producto de sustitucibn, un alqueno y mbikn productos de trasposicibn. Se obtienen productos de trasposici6n si el carbocati6n inicial puede formar un carbocati6n miis estable Dor un desplazamiento 1,2 de H, Ar 6 R. En una reacci6n SN1,se puede producir racemizacibnsi RX es 6pticamente activo.La velocidad de unareaction S,1 6 E l tipica depende solamente de la concentraci6n de R X ; por esto se dice que estas reacciones son de primer orden. El paso determinante de la velocidad (paso lento) es la formaci6nde R + . La estabilidadde R+ determina la energiadelestadode el estadodetransici6ntiene cdcter transici6n (Em.) de estepaso,debidoaque carbocati6nico. El orden de estabilidad de los c h a t i o n e s es 3- >2"'" >>leo >>CH,+. Por esta m6n, la probabilidad de que RX experimente una reacci6n SNl 6 E 1 es 3& >2"" >>lsz'" >> CH,X. Los halogenuros alflicos y bencílicos experimentan reacciones SN1riipidamente, debido a la estabilizaci6npor resonancia del carbocati6n intkrmediario. Una reacci6n SN2 es una reacci6n concertada queconduce a inversibn de conJiguracibn.La inversi6n puede observarse si RX es 6pticamente activo. Una reacci6n E2 es tambikn una reacci6n concertada, que resulta de la eliminaci6n anti de H+ y X-.

n + R-Xp

NU-

1 7

R,C"CR,

I

Sh2 __f

E2 " +

NuR

+X

ROH

+ R2C=CR2 + X

cx Tanto la reacci6n SN2 como la E2, siguenuna cindtica de segundo orden: la RX y Nu-, debido a que ambos intervienen velocidad depende delas concentraciones de en el estadode transici6n. Debido al im@mento est6rico, el orden de reactividad > 2&O >> 3"'" de RX en las reacciones SN2 es CH,X > El orden de reactividad deRX en reaccionesE2 es el mismo que enlas reacciones El: 3- > 2M0>>l & O ; debido a que el estado de transici6n tiene cardcter de doble enlace. En las reaccionesE2, generalmente predomina elalqueno mbs sustituido (regla de Saytseff). El alqueno trans generalmentepredomina sobre el alqueno cis. Si el impedimento esdrico ínhibe la fonnaci6n del alqueno rmfs susriruido, entonces predomina el alqueno menos sustituido (producto Hofmann). 1O "'


215


Nombre cada uno de los siguientes compuestos por el sistema IUPAC: Br

I

5.26.

(c)

(b) CH3CHCH2CH2Br

CCI3CH=CH2 (a)

01;

3

Dt?la estructura de cadauno de los siguientes compuestos: (a) Yoduro de isobutilo; (b) 2-metil1-yodo-propano; (c) cis-l,3-dicloro-ciclohexano;(d) 2-bromo-3-metil-butanoanol; (e) (2R,3R)-2bromo-3-cloro-butano.

5.27.

Clasifique los siguientes compuestos organohalogenados, como halogenuro de metilo, I* 2* 6 3- y, si es aplicable, alílico, bencílico o vinííico.

5.28.

iQuC compuesto,encadaunode reacci6n SN2? (a) (CH,),CI (c) O

5.29.

C

(CH3CH2),CHI

6

I

los siguientespares,experimentaria m h rhpidamenteuna

6

C>-CH,CI

(b) (CH,),CHI

6

(d) 0

6

Complete las siguientes ecuaciones para reacciones (a) O (b) Ó>Br

C

l

+ NaSCH,

(c) ICH2CHzCHzI

+ 2 NaOH

___*

O

II

(e) (CH,CH,OC),~H-

+ CHJ

__+

1

SN2.

" +

+ CH3CH2CH20Na __

.

"t

(CH,),CHCI

Halogenuros de alquilo: reacciones de sustitucidn

Capitulo 5

216

y eliminaci6n

5.30.

Prediga los productos de sustituci6n y eliminaci6nmásprobablesqueresultancuandolos siguientes compuestos son tratados con NacN:

5.31.

Sugiera reactivos para preparar cada unodelos siguientes compuestos, por una reacci6n SN2 de un compuesto organohalogenado con un nuclkofilo: O (a)

(CH,),CHOC,H,

(b)

C,

(c) CHKO

O

5.32.

Escriba ecuaciones que muestren las estructuras del estado de transici6n y del producto de la reacci6n SN2del -OCH, con cada uno de los siguientes halogenuros de alquilo: (a) (R)-2-bromo-butano; (b) trans-1-cloro-metil-4-metil-ciclohexano; (c) (R)-2-bromo-3-metil-butano; (d) (.S)-2-bromo-3-metil-butano.

5.33.

Prediga el producto de una reacci6n SN2de cada uno de los siguientes nuclebfilos con yodohexano: 0(a) -SCH,CH,

5.35.

I

(c) (R)-CH,CH,CHCH,CH,CH,

Dk las siguientes síntesis del éter t-butil enlico, ¿cuál sería la preferida y por que? (d)

5.36.

(b) C H , C r C : -

(CH,),CO-

+ CH,CH,Br

(b) (CH,),CBr

+ CH,CH,O-

La reacci6n 1 y la reaccidn 2 son dos reacciones irreversibles y diferentes de un Único material de partida. Si la reacci6n 1 tiene un estado de transici6n de mayor energía queel de la reaccidn

(a) jcuiil reacci6n tiene la mayor E,,? (b) p á l reacci6n tiene la mayor velocidad? (c) pálees productos predominarán en la mezcla final? 5.37.

(9-2-

¿Cuál es el efecto sobre la velocidad de reacci6n

SN2de CH,I y OH- cuando:

(a) la concentraci6n de CHJ se triplica y la de OH- se duplica? (b) la concentraci6n de OH- se disminuye a la mitad? (c) se aumenta la temperatura? (d) la relaci6n de disolvente a reactivos se duplica?


5.38.

~Cuiilde los siguientes carbocationes es el miis estable? ¿Cuál es el menos estable? (a)

C)-CH,’

(b)

(CH3CH2),CH+

( c ) (CH,CH,),C’

5.39. (1) Muestre los productos de la solvólisis de los siguientes compuestos en (2) ~ Q u halogenuro t reaccionaria miis riipido? (a)

5.40.

21 7

(CH,),CHBr

(b) (CH,),CBr

efunol ucuoso.

(c) (CH,),CI

Prediga los productos de la solvólisis acuosa de

los siguientes halogenuros:

(a) cis-3-yodo-metil-ciclohexano(b) (R)-Zyodo-octano

(c) (2R,4S)-4-metil-2yodo-hexano

5.41.

5.42.

(d)

Cadauno de los siguientescarbocationesescapaz de experimentarunatrasposicióna carbocatión miis estable. Sugiera una estructura para el carbocatión producido. (a) (CH,),C?HCH,CH,

(b) CH,=CHCH,CHCH,

(c) (CH,),CH?HCH2CH(CH,)2

(d) O C H C H 3

un

siguientes reacciones se efectúan con trasposici6n. Muestre el carbocatión inicial, el carbocatión traspuesto, y el producto principal de trasposici6n en cada caso.

LAS

(CH,),CCHICH, + H,O (b) (CH,),CHCHICH2CH, + CH,CH,OH

(a)

5.43.

Se sabe que la reacción (a) transcurre fiicilmente. ~Cuiiles el producto orghico de la reacción (b)?

CH,Ó

Capitulo 5

218


Sugiera una síntesis paracadaunode orghico:

5.45.

Dé las estructuras en resonancia m& importantes para cada uno de los siguientes carbocationes: (a) CH,=CHCH=CAtH,

5.46,

Completelassiguientes titución probables:

lossiguientescompuestosapartir

de un halogenuro

5.44.

(b) ( ( = t e H G

ecuaciones, mostrando lasestructurasdetodos

los productosdesus-

Br

(b)

+ SH-

5.47.

(a) Escriba las ecuaciones para los pasos de la reacción E l del 2-yodohexano con H,O.Muestre solamente el producto principal. (b) ~Cuhlpaso determina la velocidad de la reaccib? (c) iQuC otros alquenos podrían formarse? (d) i C d 1 paso determina la relación de productos?

5.48.

¿Cuál es el alquenomás estable?: (a) 1-buteno 6 2-buteno? (b) 2,3-dimetil-l-buteno ó 2,3dimetil-Zbuteno? (c) 2-metil-2-penteno ó 4-metil-2-penteno? (d) 1-metil-ciclohexenoó 3-metilciclohexeno?

5.49.

¿Cuál sería el producto predominante de la reacción E l de cada uno de los siguientes compuestos?


219

5.50.

~ C u sería a el producto predominante de una reacci6n E2 (NaOH como base) de cada uno de los compuestos del problema 5.49?

5.51.

Cadaunodelossiguienteshalogenurosdealquilopuedeexperimentartrasposici6nenuna reacci6n E l . Para cada uno de ellos, muestre el carbocati6n inicial, el carbocati6n traspuesto y el principal producto de trasposici6n esperado. (a) (CH,),CHCHCICH(CH3)2

5.52.

(b) (CH,),CCHBrCH2CH,CH,

¿Qué compuesto, en cada uno de los siguientes pares, experimenta m h rhpidamente una reacci6n E2? (a)

(CH,),CHCHBrCH,CH,

or

(CH,),CBrCH2CH2CH,

(b) (CH,),CHCHICH, or (CH,)ICHCH,CH,I or CH,CHBrCH,

(c) CH,CHICH, 5.53.

¿Qué hidr6geno(s) debe(n) sustituirse por deuterio, si se quiere observar un efecto isot6pico cinético en una reacci6n E2 de cada uno de los siguientes compuestos?

(a) (CH,),CCICH,

(c)

(b) Br

HAC

5.54.

Para cada unade las siguientes reacciones, indique si el producto principal es el producto Saytseff o el producto Hofmann: (a)

-

CH,CHCICH2CH,CH, CH2=CHCH,CH2CH,

(b) CH,CHCICH2CH,CH,

(c) o C H , c H I C H ( C H , ) ,

o-

CH,C’H=CHCH2CH, CH,CH=C(CH,),

--

5.55.

Prediga el producto principal de la reacci6n E2 de cada uno de los siguientes compuestos con Na’ -OCH,: (a) (S)-2-bromo-pentano; (b) 2,6-dicloro-heptano; (c) (lS,2S)-l-bromo-l,2-difenilbutano; (d) (S)-1-ciclohexil- 1-cloro-etano.

5.56.

Completelassiguientesecuaciones,mostrandosolamente el productoorganic0principal, prediga cua mecanismo de reacci6n (S,l , S,2, E l , E2) es el mls probable: (a) (CH,),CHBr

+ KI

(b) (CH,),CHBr

CH ,CH,OH + KOH 7

(c) (CH,),CHBr

+ CH,CH,OH

(d) (CH,),CI

+ CH,OH

acetona

-

‘ O r

3

y

Capitulo 5

220

(f)


CH OH

(CH3),CCICH,CH3 + N a ' -OCH3 3

( g ) CH3CHBrCH,CH,CH3

( h ) (CH,),CBrCH,CH,

+ KOH

+ K'

C t l C H OH

-OC(CHJ,

-

5.57.

¿Cuálreaccidn es másprobablequed6productosdetrasposición: (a) 2-bromo-3-metil-butano con KOH acuoso al lo%, 6 (b) 2-bromo-3-metil-butano con KOH acuoso al 0.1%?

5.58.

Escriba ecuaciones quemuestren cómo preparm'a lossiguientescompuestosapartir genuros orgánicos:

(a) CH,=CHCH,OH

de halo-

(b) (CH3),CHCH2SH

O

I1

(f) C,H5CH20CC,H,

CH,CN

CN (g)

(CH,),NCH,CH,CH,N(CH,),

2Br-

I

(h) (2S,3R)-C,H,CHCHCH3

I

CN

5.59.

Expliquelassiguientesobservaciones: (a) El siguiente halogenuro no reacciona con nucleófilos bajo condiciones SN1ó SN2.

(b) La quinuclidina reacciona con el yodometano alrededor de 50 veces m6s que la trietilamina, a pesar de que ambas aminas tienen casi igual basicidad.

quinuclidina (c) El (S)-4-bromo-truns-2-penteno se racemiza cuando se calienta en un disolvente. (d) El dter clorometil-metílico (ClCH,0CH3) sufre reacci6n S,1 rápidamente. (e) Cuando el (R)-2-yodo-octano se trata con ion yoduro radiactivo, se ve que la velocidad de racemización es exactamente dos veces la velocidad de incorporación del yodo radioactivo.

Problemas estudio de

221

5.60,

dn compuesto con la f6rmulaC4H,C1,por tratamiento con una base fuerte, da tres alquenos isómeros. ~Cutíles la estructura de este halogenuro de alquilo?

5.61.

¿Cómo distinguiría (quimicamente) entre cada uno de los siguientes pares de computestos?

(b) O

(c)

B

r

y

(u, 3~)-2-~10ro-3-meti~pentano y su diastereois6mero (zIi),3S).

5.62.

El (2,3S)-2-bromo-3-deutero-butanoexperimentaunareacción E2 cuando se trata con NaOCH,CH, en etanol. cuál sería el (los) producto(s) principal(es)?

5.63.

El (Zci, 3S)-3-bromo-2-metoxi-butano sufreuna reacción S,2 con CH,O-, obtenitndose un producto ópticamente inactivo. Explíquelo. (Emplee una ecuación para la respuesta.)

5.64.

Considerelasiguientereacciónhipotkticade A

+B

+

dpido

'

dos pasos:

[AB]

lento

productos

(a) LMostran'a esta reacción una cinttica de primero o segundo orden? Explique. (b) ¿Es esta reacción unimolecular o bimolecular? Explique.

5.65.

Sugieraunasíntesispara reactivo orghico.

el 1,4-dioxano a partirde 1,2-dibromo-etano,sinutilizarningún otro

(Sugerencia: ROH

Na

-

RO- Na'

+ $HZ.) n o

L í o

1,4-dioxano

5.66.

Sugiera un mecanismoparacadaunadelassiguientes (a)

(CH,),CHCI

(c) F C H , C I

+ AgNO, + H,O

+ H,O

-

reacciones: (CH,),CHOH

+ AgCl

+

+ C'H,=C'HCH,CH,OH

I>"C'H,OH

0-0.

Br

I

(d) CH,=CHCHCH,

LlBr H,O

+

CH,CH=CHCH,Br

222

Capitulo 5

Halogenuros de alquilo: reacciones de sustitucidn y eliminaci6n

5.67. Las f6rmulas para dos de los estereois6meros del cloruro de mentiío aparecen a continuación. Uno de ellos da reacci6n E2 rápidamente cuando se trata con base, produciendo dos alquenos: 75%A y 25QB. El otro cloruro de mentilo da reacciónE2 lentamente y produce un solo alqueno.

(a) ¿Cud cloruro de mentilo sufre la reacci6n más rápida? ¿Por quB? (b) LCuAIes son los dos alquenos que se forman en esta reacci6n y cud predomina? Explique. (c) ¿Cud cloruro de mentilo sufre la reacci6n lenta y cuál es la estructura del alqueno que se forma? Explique por quC es lenta la reacci6n y s6Io produce un alqueno.

CAPíTULO 6

Reacciones de radicales libres; compuestos organometálicos

M

uchos compuestos organohalogenados se preparan indusmaimente porreaccion dehidrocarburos conhal6genos, dosmaterialesdepartida econ6micos.Las reacciones de halogenaci6n directa transcurren con frecuencia explosivamente y, por regla general, danmezclasdeproductos.Porestas razones, la halogenaci6n directa se usa raras veces en el laboratorio.

CH,CH, etano

CH,

+ CI2 + CI,

luz ultravioleta

+ CH,CH,CI

luz ultravioleta +

+ CICH,CH,CI + HCI +

C C H 2 C I

otros productos

+ HCI

tolueno

Las reacciones dehalogenaci6ndirectatranscurrenpor un mecanismo de radicales libres, que esdiferentede los mecanismosdelassustituciones y las eliminaciones nucleofilicas discutidas en el Capítulo 5. Las reacciones por radicales libres tienen importancia biol6gicay prhctica. Por ejemplo, los organismos utilizan el oxígeno de laatmósferaa travts deuna secuencia de reacciones, quecomienzaconuna oxidaci6n-reducciónporradicaleslibres. La mantequilla y otrasgrasassevuelven rancias, en parte por reacciones de radicales libres con oxígeno. Los compuestos organomet6licos son el segundo tema que introduciremos en este capítulo. Las reacciones de estos compuestos aparecerh periddicamente a travts

Reacciones de radicales libres: compuestos orgdnicos

Capitulo 6

224

del libro. Es conveniente mencionarlosaquí, porque la mayor parte de los compuestos organometálicos se preparan a partir de halogenuros de alquilo. 4CH,CHzCl tetraetil-plomo

+

-

3 Na:Pb aleaci6n sodio-plomo

(Ct4,C'H2),Pb

+ 3 Pb + 4 NaCl

organomefdlico

bromuro de fenil-magnesio organometcilico

S E C C I ~ N6.1.

Una reacción típica de radicales libres: la cloración del metano El término radical libre designa cualquier átomo, o grupo de átomos, que tiene un número impar de electrones. Ya que el número de electrones es impar, los electrones en un radical libre no pueden estar todos apareados. Aunque unradical libre de ordinario no tiene carga positiva o negativa, constituye una especie altamente reactiva a causa del electrón no apareado. Un radical libre se encuentra, por lo general, como un intermediario de reacción de alta energía, no aislable. Por lo general, simbolizamos un radical libre con un Único punto, que representa el electrón no apareado. Fdrmulas Lewis de radicales libres:

:et,

H H:¿'. H

:gr.

F6rmulas usuales para radicales libres: CI.

Br.

H,C.

o

CH,.

or

.CH3


Dt5'lasf6rmulasLewis para los siguientesradicaleslibres: (a)

(b) CH,O.

HO.

(c)

CH3CHz.

La cloración del metano en presencia de la luz ultravioleta (simbolizada por hv; pág. 322), es un ejemploclásico de reacci6n por radi_caleslibres. El-resultado de a l reacción &el C1, con CH, es la sustitucidn~deuno o más iitomos de hidrógeno por átomos de cloro. CH, clorometano

metano

+

/I I.

CY2

CH ,CI

+

(cloruro de metilo) (cloruro

+

C'HC'I,3

tetracloro-metano tricloro-metano (clorofomo)

CH2Cl2 de metileno)

+

CCI, (tetracloruro de carbono)

+ HCI

Secci6n 6. I .

Una reaccidn tipica de radicales libres: la cloraci6n del metano

225

Aunque el metano es el alcano m& sencillo, pueden formarse cuatro productos orghicos ensu cloraci6n. Se pueden formar tambiCn pequeñas cantidades de alcanos superiorescomo el etano y susproductosde cloraci6n.Discutiremosprimerolas reacciones que llevan al CH,Cl y luego extenderemos la discusi6n a la formaci6n de otros productos. El mecanismo de una reaccidn por radicales libres se considera como una sene gradual de reacciones, perteneciendo cada pasoa una de las siguientes categorías: (1) reacci6nde iniciacih de losradicaleslibres; (2) reacci6nde propagaci6n delos radicales libres; y (3) terminaci6n de la reacci6n de radicales libres.

A. Iniciación Como el t6nnino lo indica, el paso de iniciaci6n es la formaci6n inicial de radicales libres. En la cloraci6n del metano, el paso de iniciaci6n es la ruptura homolítica del C1,endosradicaleslibresde cloro. La energía para esta reacci6n es proporcionada por la luz ultravioletao por el calentamientode la mezcla de reacci6n a una temperatura

Paso I (iniciacibn):

f7P

C1-C1

+ 58 kcal/mol

hv

o

calor

2 Cl.

radicales libres

B. Propagación Desputsdesu formacih, el radical libre cloro inicia una serie de reacciones en las que se forman nuevos radicales. Estas reacciones se llaman, colectivamente, pasos de propagaci6n de lareacci6nporradicaleslibres.En efecto, la formaci6ninicialde unos cuantos radicales libres lleva a la propagaci6n de nuevos radicales libres en una reacci6n que se perpehía a si misma, llamada reacci6n en cadena. Como primer paso de la propagacih, el radical libre reactivo cloro sustrae un aitomo de hidr6geno del metano, para dar el radical libre metilo y HC1. C I - W H ,

+ I kcal/rnol

" +

H:CI

+ *CH3

El radical libre metilo es tambiCn reactivo. En el segundo paso de la propagaci6n, el radical libre metilo sustrae un Atomo decloro del Cl,. *

a

1

"

CH3CI

+ CI* + 25.5 kcal/rnol

clorometano

Este paso da uno de los productos dela reacci6n total, el clorometano. Este paso regenera tambitnun nuevo radical libre cloro, que puede sustraerun aitomo de hidr6geno de otra molkula de metano y comenzar de nuevo la secuencia de la propagacih. La secuencia total hasta aquí es: Iniciaci6n:

CI,

hv o calor

2CI.

Propagaci6n:

CH, +CI* A *CH, + CI,

A

*CH, + HCI CH,CI

+ CI"

puede reaccionar con CH.

226

Capitulo 6

Reacciones de radicales libres: compuestos org5nicos

El proceso, en teoría, podría continuar indefinidamente,ya que un radical sencillo C1. origina una reacci6n y produce un radical Cl.. Sin embargo, como esde imaginar, la reacci6n no continúa indefinidamente. El número de ciclos (es decir, el número de veces quesepasa atravesdelasetapasdepropagacibn), se llama longituddela cadena. La longitud de la cadena de una reacci6n por radicales libres depende parcialmente de las energías de los radicales que intervienen en la propagaci6n (discutiremos esto en breve). Para la cloracidn de un hidrocarburo por radicales libres, la longitud de la cadena es aproximadamente 1OOO.

C. Terminacih El ciclo depropagacidnserompepor las reaccionesde terminach. Cualquier reacci6n, que lleve a la destrucci6n de radicales libres o a la formaci6n de radicales libres estables, no reactivos, puede terminarel ciclo de propagacidn de radicaleslibres. La cloraci6n delmetanoseterminaprincipalmentecombinando los radicales libres con otros radicales libres.este es un proceso de destrucci6n deradicales. En la Secci6n 6.7 mencionaremos la terminaci6npor laformaciónderadicales libres estables, no reactivos.

-

Pasos de terminacibn:

C'I.

+ .C7H3

* C H , -t *<'I{.,

~

CH3CI <'I-I,3CH3

d

El segundo paso de terminaci6n es un ejemplo de unareaccih de acoplamiento: la uN6n de dos grupos alquilo.


Escribaa l secuacionesparaa s l reacciones de iniciaci611,propagaci6n y terminacibn,quelleven a la formaci6n de cloro-ciclohexano a partir de ciclohexano y cloro.

D. Por quC a ls reacciones de radicales libres dan mezclas de productos

Las reacciones de radícales libres Erecuentemente se caracterizan por una multitud de

productos. La cloraci6n del metano, por ejemplo, puede dar cuatro productos orghicos. La raz6npara laformaci6ndeestasmezclas es que elradicallibre cloro, de alta energía, no es particularmente selectivo en cuanto a cud hidr6geno sustrae durante la etapa de propagaci6n. Cuando el cloro reacciona con el metano, seforma clorometano. Con el tiempo, es m& probable que los radicales libres de cloro choquen con las molCculas de clorometano, antes que con las de metano, y comienza un nuevo ciclo de propagaci6n. En este nuevo ciclo, se forman radicales libres clorometilo(kH,CI). Estos reaccionan con las mol6culas de cloro para dar dicloro-metano (CH,CI,) . Como enel clclo anterior, que llevaba al CH,Cl, se regenera otro radical libre de cloro en el proceso. Pasos de propagaci6n que llevan al dicloro-metano: < I *

+ CH,C'I

-Ct-l,Ci

+ CI,

+

-_*

HC'I

+ .CH2C'1

CH2Cl2 dicloro-metano

CI.

Reactividades relativas de

los hal6genos

Secci6n 6.2.

227

PROBLEMA MODELO Escriba los pasos de ppagaci6n que llevan a la formaci6nde tricloro-metano (cloroformo), partiendo del dicloro-metano. Solucibn:

*C1+ CH,CI,

" +

HC1

+ *CHCI,


Escriba los pasos de propagaci6n que llevan a la formaci6n de tetracloro-metano (tetracloruro de carbono) a partir del tricloro-metano.

La cloraci6n del metano por radicales libres, puede dar cuatro productos orghicos

(o m& si se consideran los productos de acoplamiento). Los alcanos superiorespueden

dar mayor número de productos, porque hay m b hidrdgenos disponibles que pueden entrar en las reacciones de propagaci6n. ~

~~

~


iCuhtos cloroalcanos

w a n producirseen la cloraci6ndeletano?

PROBLEMA MODELO Un químico desea producir cloroetano, a partir de cloro y etano. Si quiere evitar otros productos de cloraci6n, ¿debería usar: a) una mezcla equimolecu~arde CH,CH, y Cl,; b) un exceso de C1,; o c) un exceso de CH,CH,? Soluci6n: c) Empleando un exceso de CH,CH,, el quimico incrementala probabilidad de

colisiones entre CI. y CH,CH, y disminuye la probabilidad de colisiones entre C1- y CH,CH,CI.

SECCI~N 6.2.

Reactividades relativas de los halógenos Los hal6genos vaxían dramhticamente en sus reactividades en reacciones de radicales libres con alcanos. El flúor reacciona explosivamente con los hidrocarburos. El cloro es el siguienteen t6rminos de reactividad, seguido porel bromo. El yodo noes reactivo frente a los alcanos. I,

I

Br,

reactividad creciente c

C1,

F,

m radicales libres

La reactividad relativa de los hal6genos con los alcanosnu se debe a la facilidad con la que la moltcula X, se rompe en radicales libres. De las energias de disociaci6n

Capítulo 6

2211

Reaccionesderadicales libres: compuestosorg6nicos

de enlace para los hal6genos, vemos que la facilidad relativa de ruptura homolítica es casi la inversa de su reactividad en las reacciones de halogenaci6n. energfa de dlsodaci6n de enlace (kcaVmd):

F, 37

CI, 58

I, 36

Br, 46

El orden de reactividad es principalmente el resultado de la entalpía, AH,de los

pasos de propagaci6n enla halogenaci6n por radicales libres.Los pasos de propagaci6n de la reaccidn con flúor son altamente exot6rmicos. Se producemhsenergíaque la necesaria pararomper los enlaces F-F y se origina una reacci6n extremadamente

rhpida y explosiva. F . + CH, CH,. F,

+

+ F,

CH,

-

HF + C H , . + 3 1 kcallmol CH,F + F. + 71 kcal;mol

CH,F

+ HF + 102 kcal/mol

AH AH

kcal;mol

=

-31

=

- 71 kcdl/mol

neto AH =

-

102 kcaljmol

La situaci6n inversa se tiene con el yodo: los pasos de propagaci6n son

endo-

tbmicus, es decir, los productossondemayor energía que losreactivos. Lo mhs importantees que la energía requerida por I. para sustraer hidr6geno de un enlace CH,es sustancialmente endotdrmica. El resultado es que el radical libre yodo no origina una reacci6n en cadena. I- es un ejemplo de radical libre estable, un radical libre que no sustrae hidr6genos. 1.

- -

+ CH, + 33 kcdlimol

CH,.

CH,

+ 1,

CH,I

+ I, + 13 kcal/'mol

HI + CH,. + 1- + 20kcal,imol

AH AH

+ HI

neto A f f

-

El cloro y el bromoocupanuna

CH,I

=

+ 3 3 kcal/mol -20 kcal/mol

=

+ 13 kcal,,mol

=

posici6n intermediaentre el flu6r y el yodo

respecto de la entalpia, AH, de los pasosde propagacih y, por consiguiente, son tambikn de reactividad intermedia. La figura 6.1 muestra los diagramas energkticos

-

para las reacciones de C1, y Br, con metano.

+ CH, + 1 kca1,imol HCI + C H , . CH,. + CI, CH,CI + CI. + 25.5 kcaljmol CI.

" +

CH, + C1,

CH,CI + HCI

+ 24.5 kcal,#mol

+I

kcaljmol

AH AH

= =

-25.5 kcaljmol

net AH

=

-24.5 kcal/mol

paso lento

? I E

\

FIGURA 6.1. Diagramas energeticos para la cloracibn y la bromaci6n del metano p o r radicales libres.

Estereoquimica de la halogenaci6n p o r radicales libres

Br. + CH,

+ Br,

CH,.

- -

+ 17 kcal/mol

+ CH,.

+ HBr + 7 kcal/mol

229

+ 17 kcal/mol

AH AH

= =

-24 kcal/mol

neto AH

=

- 7 kcal/inol

+ Bra + 24 kcalimol

CH,Br

+ Br2 CH,Br

CH,

HBr

Seccidn 6.3.

En resumen,vemosques6l0elcloro y elbromosonútilescomoagentes halogenantes por radicales libres. El flúor es demasiado reactivo frente a los alcanos y el yodo no es bastante reactivo.

S E C C I ~ N6.3.

E,;tereoquímicade la halogenacih por radicales libres Un radical libre alquilo esuna especie en la que elAtomo de carbono tienetres grupos unidos a 61 y un electr6n no apareado. Veremos la estructura del radical libre metilo; los demás radicales libres alquilo tienen enlaces anaogos alrededor del carbono radical libre. Ya que s6l0 hay tres enlaces en el carbono radical libre, este carbono se halla en un estado híbrido sp'. Los tres orbitales sp' son planos y el electr6n no apareado se encuentra en un orbital p. La estructura es muy semejante a la de un carbocati6n, con la excepci6n de que el orbitalp del carbocati6n esta vacío.

u radical libre metilo, C H 3 .

Cuando un enanti6mero puro de un halogenuro de alquilo sufrequiral una reacci6n S,1 en el carbono quiral, se observa racemizaci6n. Como hemos discutido en el Capítulo 5, la racemizaci6n surge porque el nucle6filo puede atacar cualquiera de los dos 16bulos vacíos del orbital p del carbocati6n. Si en una reacci6n por radicales libresse sustrae

un hidr6geno del carbono quiral de un enanti6mero puro, tambi6n ocurre la racemizaci6n. CI

H

CH,CH,-{-CH~CI

+ CI,

CH, (5')-1-cloro-2-metil-butano

ha " +

I I

CH,CH2CCH2CI

+ HCI

CH,

(R)(.S')-1,2-dicloro-2-metil-butano (rac6mico)

La reacci6n anterior puede llevar a numerosos productos; hay cincoAtomos de carbonoenlamolkcula,quepuedenperderhidr6geno y ganar cloro. Deberíamos encontrar como productos alcanos triclorados, alcanos tetraclorados, etdtera. Pzrc s6l0 estamos interesados en el producto que se ha clorado en el 6tomo de carbono quiral. Cuando aislamos este producto específico, encontramos que es unamezcla rackmica de los enanti6meros (R)y (S). Justamente como en el caso de la reacci6n

Capitulo 6

230

Reaccionesderadicaleslibres:compuestosorgdnicos

SN1,esta evidencia nos lleva a creer que el radical libre es plano (hibridaci6n sp2)y que el htomo de cloro puede unirse a cualquiera de los dos 16bulos del orbital p. CI

c1,

radical libre plano

(S)

CI

(S)


Otro dicloro-alcanoformado en lacloraci6ndel (S)-l-cloro-2-metil-butanoes el CH,CHClCH(CH,)CH,Cl. ¿Es este diclora-alcano racdmico o no?

SECCI6N 6.4.

Sustracci6n de hidrbgeno: paso determinante de la velocidad La cinttica de una reaccidn por radicales libres es muy compleja, a diferencia de la cinktica de las reacciones de sustituci6n y eliminaci6n. No se encuentran en la química de radicales libres expresiones sencillas de velocidad, tales como las de primer orden y segundo orden. La raz6n de esta complejidad, es que los pasos en una reacci6n de radicales librese s t h involucrados enun proceso cíclico de longitud de cadena variable. Sin embargo, la evidencia señala queel paso de la sustracci6n de hidr6geno es el que gobierna la velocidad total con que se forman los productos. Por ejemplo, el metano (CH,) sufre lacloraci6nporradicaleslibres 12 vecesm&rhpidoqueel perdeutero-metano (CD,),lo que indica que el enlace C-H serompeenelpaso determinante de la velocidadde la reacci6n. La sostracci6n de H (6 D) es el paso determinante de la velocidad:

CH,

CD,

A.

+ CI. + CI.

*ido

lento

CH,.

+ HC1

CD,.

+ DCl

iQu&hidr6geno es sustraído?

Los htomos de hid!bgeno en los cornpmstos orghicos que aquí nos interesan pueden clasitlcarse como metilicos (CH,), primarios (uniaos a uncamono lano),secundanos (unidos a un carbono 2*n0),terciarios (unidos a un carbono 3ario), alílicos (sobre un carbono adyacente a un Coble enlace) o bencficos (sobre un carbono adyacente aun anillo aromhtico).

la velocidad

Sustracci&n de hidr6geno: paso determinante de

231

Secci6n 6.4.

hidr6genos 2d

c

CH3CH,CH3

f

t

hidr6genos I-

CH,=CHCH3

t

hidr6genos bencflicos

hidr6genos alllicos

PROBLEMA MODELO Clasifique cada H,señalando con un círculo, como I-,

(a)

(CH,hCC

M

3

2w, 3&, alílico o bencílico:

(c) &H

(b) ( C H M H

Soluci6n: (a) 1-;

(e) bencílico y 2-

@) 3-; (c) 2-; (d) alilico y 3-;

Estos tipos diferentes de ¿%tomosde hidhgeno, noson sustddos a idknticas velocidades por radicales libres. En vez de esto, hay cierto grado de selectividad en la sustracci6n del hidr6geno. La reacci6n del propano con una paqueiia cantidad de cloro, en condiciones de radicales libres, conduce a dos productos monoclorados, el 1-cloro-propanoy el 2-cloro-propano, predominandoel 2-cloro-propano.

CH,CH,CH, iC1,

hv

CI I

+

CH,CHCH, 2clomppmo (cloruro de isopmpilo, 55%)

CH,CH,CH,CI l-cloro-propano

(cloruro de n-ppilo. 45%)

En el propano hay un total de seis hidr6genos primarios y dos hidr6genos secundarios; la relaci6nde hidr6genos primarios a secundarios en el propano es de 6/2 6 3/1. Si todos los hidr6genos sufriesen la sustracci6n a igual velocidad, observaríamos de productos. Esto tres veces m& 1-cloro-propano que 2-cloro-propano en la mezcla no es lo que se ha observado cuandola reacci6n seha llevado a cabo; en vez de ello, se formaun poco m h del 2-cloro-propano.Concluimos que no ocurre una sustracci6n estadística de los H y que los hidr6genos secundariosse sustraen m h r6pido que los primarios. A continuaci6n se muestra otro ejemplo queilustra c6mo las velocidades relativas de sustracci6n de hidr6genos afectan la relaci6n de productos. (En la Secci6n 6.5 se tratar6 acerca de la mayor selectividad del Br2.) CH

I

,

CH,CHCH, metil-propano (isobutano)

y

(CH3),CHCH,CI

(CH,),CCl

+

otros productos

1-ClOlW2-metil-propano

(cloruro de isobutiIo)

Y

+

50%

I

(CH,),CBr bmmum de r-butilo casi 100%

CIOIUro

de r-butilo

30%

20%

232

Capitulo 6

Reacciones radicales de libres: compuestos orgdnicos

-~ ~


En la cloraci6n del metil-propano, LquB relaci6n deproductosde cloruro deisobutilo a cloruro de t-butilo esperm'a si todos los hidr6genos se sustrajeran a igual velocidad?

A través de &tos y otros experimentos similares, se ha determinado el orden de reactividad de los hidr6genos frente a la halogenaci6n por radicales libres. En la Tabla 6.1 se dan las velocidades relativas para reacciones de halogenación de algunos compuestos.

metnico

lk

i

3-

2."

velocidad de

reaccih creciente frente

h I a X,

TABLA 6.1. Velocidades relativas promedio de sustraccidn de hidr6genos. -~

Reactivo' Cl2

Br*

Hidrocarburo

0.004 0.0007 1

CH,"H CH,CH,-H (CH,),CH-H (CH,),C"H C,H,CH2-H (C,H5),CH-H (C,Hd,C"H

1

220

4.3

1Y6.0 ,400 64,000 6.2 X 10' 1.14 x 10,

1.3 2.6 9.5

' L a sdos columnas contienen datos de dos series separadas de estudios de. velocidades relativas. La cloraci6n d e l etano procede mucho msS rapidamente que la bromaci6n. bajo las mismas condiciones.

B. Estabilidadesrelativas de los radicaleslibres alquilo Para entender por quC algunos hidrógenos se sustraen más fácilmente que otros, debemos fijamos en los estados de transici6n de los pasos de sustracción de hidrógeno. Las siguientes ecuaciones muestran los pasos de sustraccidn de hidr6geno la cloración en de metano y metil-propano. (El símbolo 6. se emplea para indicar quetanto los átomos de cloro como los de carbono tienen carhcter parcial de radical libre en los estados de transición). H H CI-

+ H--C

i l \

H metano

mado de

transición

plano radical libre merilo

Sustraccidn de

hiddgeno: paso determinante de la

velocidad

233

Secci6n 6.4.

<

metil-propano

plano


radical

libre t-burdo

En el estado de transición, se está rompiendo el enlace CH. La razón para la secuencia de reactividad3"' > 2"" > 1"" > CH, puede, en parte, atribuirse al aumento de la fuerza del enlace CH, conforme va desde el carbono 3"" hasta el metilo. Es más sencillo romper un enlace CH 3"' que uno 2"'". CH,-CH3CH,"H H (CH,),CH"H (CH3)3C-H Energla de disociaci6n del enlace (kdmol):

98

104

*

94.5

91

fuerza de enlace decreciente

Sin embargo, la fuerza del enlace CH, probablemente no es la única razón de las diferencias de reactividad. La estructura del estado de transiciónpara la sustracción de hidrógeno tiene algún carácter de radical libre; por consiguiente, la energía del estado de transición está determinada en gran parte por el radical libre alquílico que se forma. El orden deestabilidad de los radicales libres análogamente al de laestabilidad de los carbocationes, crece conforme van desde metílicos hastaterciarios. Se cree que los radicales libres intermediarios están estabilizadospor la interacción con los enlaces sigma vecinos, posiblemente por hiperconjugación (vtase Sección 5.6E)

I

estabilidad creciente

Como en el caso de las reacciones de los carbocationes, la reactividad de los radicales libres se acentúa en las posiciones alílica y bencílica debido a la estabilización del intermediario por resonancia. alllica \ f

CH,=CHCH, 3-cloro-propeno

5(xI 'I2

* CH,=CHCH,CI

propeno

(cloruro de dilo) 90%

ci

bencilica

(2-cloro-eti1)benceno (1-cloro-eti1)benceno etilbenceno 56%

44%

Capitulo 6

234


PROBLEMAS DEESTUDIO 6.7.

Escriba estructuras en resonancia para los siguientes radicales libres: (a)

CH,=CHeH,

(b)

(DP?Hl ,~."

6.8.

I

Coloque los siguientes radicales libresen orden deestabilidad creciente (primero elmenos estable):

C. Trasposicionesderadicales libres Los radicales libres alquilo son, en muchos aspectos, semejantes a los carbocationes; ambos son híbridos sp2;ambos sufrerbracemización si la reacción ocurre enun carbono

quird resuelto y ambosmuestran el mismoordendeestabilidadentérminosde estructura. Los carbocationestiendenasufrirtrasposiciónaotroscarbocationesmhs estables. ¿Es ciertoesto tambiénpara los radicaleslibres? No, ésta es unadelas diferenciasentreradicaleslibres y carbocationes. No sondesconocidaslastrasposiciones en los radicales libres; pero tampoco son comunes. Jrasposición:

C'H ., carbocati6n 2'""

C'H , carbocati6n 3""

CH 3 alcohol 3""

No hay trasposición:

SECCI~N 6.5.

Halogenaciones selectivas por radicales libres A.

Bromo frente a cloro

Aunquelashalogenacionesporradicaleslibresllevanfrecuentemente amezclasde productos,pueden obtenerse, enalgunos casos, buenosrendimientosdeproductos

Halogenaciones selectivas

6.5.

por radicales libres Secci6n

únicos. Comparemos la relacióndeproductosde propano:

c1 I

235

lacloraci6n y la bromacióndel

+ CH3CH2CH2CI

CH,CHCH, 2-cloro-propano 55%

1-cloro-propano 45%

CH,CH,CH,

Br h I,

2-bromo-propano 98%

1-bromo-propano

2%

Podemos ver que el bromo, que da 98% de 2-bromo-propano, es mfis selectivo que el cloro en la sustracci6n de un hidrógeno secundario. LA selectividad del bromo provienedeque es menos reactivo que el cloro en las halogenaciones por radicales libres. Para comprender por quC, examinaremos un par de diagramas hipotéticos de energía (Figura 6.2). La reacción 1 en la Figura 6.2 es exotérmica con una baja E,. ObsCrvese que la estructuradelestadodetransici6nen la reacción 1 es muy parecida a la de los reactivos. Anaogamente a la reacci6n 1, el paso de la sustitución de hidrógeno en la cloración del propano es exodmico y tiene E,, baja. Se puede calcular E,,,con los datos de la Tabla 1.4, pfig. 21. Por consiguiente, el estado de transici6n en esta etapa de la reacci6n se parece mfis a los reactivos que a los productos de reacci6n:

estado de transicidn se parece a los reactivos

isopropilo radical libre

estructura del estado de transicidn estructuradel estado de transicidn parecih a los p r ~ u c t o s parecida a los reactivos /

T

í

sc

Reaccibn 1 (exot6rmica)

-progreso de la reaccih FIGURA6.2. Diagramas energeticos que muestran la relaci6n de la estructura del estado de transici6n con la naturaleza exotermica o endotermica de una reacci6n.

236

Capitulo 6


Examinaremos ahora la reacción 2 en la Figura 6.2. Ésta es una reacci6n endotérmica con una alta E,. La estructura del estado de transición en la reacción 2 se parece a la de los productos. El paso de la sustracción del hidrógeno en la bromación por radicales libres es más endotkrmico y tiene mayor E,, que en la cloración. La estructura del estado de transición en la bromación tiene mayor semejanza con el radical libre alquilo producido. CH \ 5

1

E

estado de transicidn se parece a los productos

Ya que este estado de transicidn en la bromaci6n se parece alradical libre alquilo, está más influenciado por la estabilidad de éste. La reacci6n transcurre a travCs del estado de transiciónde menor energía, para dar el radi5al libre estable de menor energía: CH,CHCH, está muy favorecido frente a CH,CH,CH,. En contraste, el estado de transición en lacloración está menos influido porla estabilidad del radical libre alquilo: CH,CHCH,, estástdoligeramente favorecido sobre CH3CH,CH,. Por consiguiente el cloro es más probable que dC mezclas de productos.

B. Halogenacionesbencílicas y alílicas El tolueno puede halogenarse selectivamente en la posición bencílica, ya sea con cloro o con bromo. Si hay más de una posición alquílica expuesta al ataque en la cadena lateral del benceno, como es el caso del etilbenceno, el bromo, más selectivo, es el reactivo a elegir para la halogenación en la posición bencílica.

tolueno

halogenuro de bencilo 100% CI

CI

I

(1 -cloro-eti1)benceno 56%

C'HIC'H, etilbenceno

(1-bromo-eti1)benceno 100%

(2-cloro-eti1)benceno 44%

Halogenaciones selectivas por radicales libres Seccibn

237

6.5.

Un reactivo de laboratorio muy conveniente para una halogenaci6n selectiva es la N-bromo-succinimida (NBS), que introduce el bromo en las posiciones alílica y bencílica, pero no en otras posiciones. La reacci6n con NBS se cataliza por la luz o por alguna fuente de radicales libres.

c O

NBr

O

+ CH,=CHCH,

O

"" 2

1

+ CH,=CHCH,Br

QH

propeno

bromacidn alílica

bromun, de dilo

O succinimida

NBS

bromaci6n bencilica

La acci6n selectiva de la NBS depende, en parte, de su capacidad para proporcionar una concentraci6n baja pero constante de Br,, que es el agente halogenante. El Br, segeneraporreacci6n de HBr (un productode lahalogenacibn) y NBS. Por consiguiente, a medida que se va consumiendo, se forma mhs bromo. Br, consumido:

CH,=CHCH,

+ Br,

" +

CH2=CHCH,Br

+ HBr

Br, generado:

Si los dos ¿%tomos de carbono en un sistema alílico no son equivalentes, resultan mezclas de productos; sin embargo, los productos pueden no formarse en cantidades iguales. Si los grupos se adicionanalsistema alílico, las energías de las estructuras en resonancia pueden no ser equivalentes; una estructura en resonancia puede contribuir d s que la otra.

CH,CH,CH=CH, 1-buteno

NBS

[CH,C'HCH=CH,

c"---,

CH,CH=CHcH,]

estructuras en resonancia

Br CH,CHCH=CH, I

A

1-bromo-2-buteno 3-bromo-1-buteno

CH,CH=CHCH,Br

238

Capitulo 6

Reacciones radicales de libres: compuestos org6nicos

PROBLEMA MODELO En la bromaci6n del I-buteno con NBS,p i i l de los dos productos esperm'a que predominase? Soluci6n: El radical libre intermediario tiene dos estructuras en resonancia. Ambas son radicales libres alílicos, pero una es radical libre 1"" y otra El 2- es mas estable que el lMo por , consiguiente, la estructura en resonancia del 2" contribuye mits que la del 1". El producto mayoritario es el 3-bromo-I-buteno. 2-O.


Predigalosproductosprincipalesdelahalogenaci6n con NBS de los siguientescompuestos: (a) n-butil-benceno; (b) ciclohexeno; (c) I-fenil-propeno.

SECC16N 6.6.

Otras reacciones de radicales libres Como hemos mencionado, las reacciones de radicales libres no se limitan a la halogenación de hidrocarburos; se encuentran en muchas áreas de la química argánica. Por ejemplo, los radicales libres se adicionan fácilmente a dobles enlaces (otra complicación en la halogenación alílica). Sin embargo, limitaremos la presente discusión a las reacciones de radicales libres con enlace sigma y sólo examinaremos unos pocos de los muchos procesos que se sabe transcurren a través de un mecanismo de radicales libres.

A. Pirólisis En la Sección 3.4C,definimos la pirólisis como la descomposicidn térmica de compuestos orgánicos en ausencia deoxígeno. Cuando las moléculas organicas se calientan a altas temperaturas, se rompen los enlaces sigma carbono-carbono y las moléculas dan fragmentos que son radicales libres. (La temperatura requerida para ello depende de las energías de disociación de los enlaces.) Este paso de fragmentación, llamado homólisis inducida tkrmicamente (ruptura homolítica producida por el calor), es la etapa de iniciación para una sene de reacciones de radicales libres. Las siguientes ecuaciones ilustran algunas de las reacciones pirolíticas posibles del pentano. (Hay otras posiciones posibles de ruptura y subsiguiente reacción.)

O P CH,CH,C'H2-C'H2CH,,

calor

CH,CH2CCi2. + ('H,CH2*

-A

Una vez formados, los radicales libres iniciales pueden originar reacciones típicas de propagación, dando nuevos radicales libres. Por ejemplo, un radical libre puede sustraer un átomo de hidrógeno de otra moltcula de pentano.

6.6.

Otras reacciones radicales de libres Secci6n

Los radicales libres tambiCn pueden sufrir una ruptura nuestro ejemplo origina un alqueno y un radical libre metilo.

239

-p, reacci6n que en

\

al radical libre

Los pasos de terminaci6n en las reacciones de pir6lisis pueden ser la uni6n (acoplamiento) de dos radicales libres, o la desproporci611de dos radicales. Desproporci6n es un tkrmino general, usado para describir una reacci6nen la cual dos especies equivalentes reaccionan unacon otra de tal forma que una se oxiday la otra se reduce. La desproporci6n entre dos radicales libres alquilo, incluye la transferencia de un Btomo de hidrdgeno de un radical libre al otro. Se forman dos productos estables, un alcano (producto reducido) y un alqueno (producto oxidado).

.c“

CH,CH,-

+ CHZ“CH2

dos radicales etilo

-

CH,CH,

+ CH,=CH,

etano

etileno

reducido

oxidado

La pir6lisis controlada se ha empleado industrialmente para la transformaci6n de compuestosde alto peso molecular en compuestosde bajo peso molecular, que son mBs útiles. Hasta 1925, la pir6lisis de la madera era la fuente principal de metanol (alcohol de madera). La transformacih ttrmica de las fracciones del petr6100 de alto punto de ebullicidn en fracciones de gasolina de bajo punto de ebullicibn, fue en otro tiempo el Único mttodo útil para obtener más gasolina del petr6leo. Ambas técnicas han sido hoy día remplazadas por otras mfis refinadas. El craqueo del petr6leo ahora se realiza con ayuda de catalizadores (Seccibn 3.5) y el metanol se produce en gran escala por hidrogenaci6n catalítica del mon6xido de carbono (CO + 2H,+CH,OH). La pirólisis se estudia hoy principalmente para adquirir conocimientos sobre el mecanismo de la combusti6n; por ejemplo, los procesos que intervienen en la combusti6n de la madera y el carb6n. Las molkulas gaseosas que sufren la combusti6n, surgen de pir6lisis por radícales libres de las moltculas que se encuentran en la superficie de la madera o del carb6n. Los retardantes del fuego funcionan, no reduciendo directamente las llamas, sino inhibiendo las reacciones de radicales libres en la superficie y en la fase de vapor.

B. Radicales libres en sistemas biol6gicos Las reacciones de radicales libres son parte integral de la química de los sistemas vivientes. Veamos un ejemplo. Los animales utilizan los alimentos en parte para producir energía. Los carbohidratos o hidratos de carbono, por ejemplo, se convierten en glucosa, que a su vez es convertida en di6xido de carbono, agua y energía. C,H 206 glucosa

+ 6 O,

muchos pasos

6 CO,

+ 6 H,O + 686 kca1,;mol

azúcares y almidones

La oxidaci6n de la glucosa no es una oxidación directa como la combustión. En la célula animal, se requiere una serie larga de reacciones de oxidación-reducci6n para la conversi6n de glucosa en COZy H,O. En los pasos finales de la oxidaci6n, los

Capitulo 6

240


electrones que se precisan para la reduccidn de O, a H,O son proporcionados por el ion hierro-11. $0,+ 2

~

++2 F e 2 '

c6lda -A

H,O

+ 2Fe3+

La sustancia clave en este proceso es una hidroquinona(un dihidroxi-benceno), tipo de compuestos que fácilmente se oxidan a unaquinona (compuestodicarbonílico). A la inversa, una quinona se reduce fticilmente a una hidroquinona. La siguiente ecuación muestra la reacción, reversible para los miembros más sencillos de esta clase de compuestos: la hidroquinona y la quinona. agente oxidante

6 6 OH

\

hidrcquinona

O

quinona

agente reducior

El ion hierro-I1es regenerado en las células a partir del ion hierro-LU por reacción con unahidroquinona. El producto quinónico que se halla en todas las células se llama coenzima Q o ubiquinona (por "quinona ubicua", en todas partes). El anillo de la ubiquinona esd sustituido con dos grupos metoxilo (CH,O-), un grupo metilo, y una larga cadena hidrocarbonada (R), que vatía con la fuente de procedencia (levadura, mamíferos, etc .).

-

+ 2 Fe3'

CHAO$H~ C HSO

CH3Ofir3

CH.4

R OH

+ 2 H' + 2 Fe2'

o

ubiquinona (coenzima Q)

dihidro-ubiquinona

La conversión del ion Fe3 a Fe2 es el cambio de un electr6n. La acci6n de la dihidro-ubiquinona depende de la capacidad de una hidroquinona de perder un solo electr6n cada vez, siendo el intermediario la semiquinona, un radical libre relativamente estable. +

OH

+

OH semiquinona (radical libre)

PROBLEMA DE ESTUDIO 6.1 O.

El radical libre semiquinona esth estabilizado por resonancia. Dibuje las estructuras enresonancia.

6.6.

Otras reacciones radicales de libres Secci6n

241

Examinemos ahora un ejemplo de reacciones indeseables por radicales libres en sistemas vivos. Ciertos tipos de radiaci6n (radiaciones a , f3 y y; y rayos X) se llaman radiaciones ionizantes; y se sabe que dañan las cClulas vivas, al producir la ruptura y radicales libres. Estasrupturaspuedencausar un daño delasmol&ulaseniones celular por una de estas dosrutas: (1) destrucci6n directa delos componentes celulares, o (2) formaci6nderadicales o iones, quesufrenreaccionesanormalescon otros componentes celulares. Los iicidos nucleicos son compuestos que se discutih en el Capítulo 16. Estos compuestosllevan elc6digogenCtico y, enestacapacidad, son responsablesde la multiplicaci6ncelular, de la reproducci6nde un organismo y de labiosíntesisde proteínas. Cuando se exponen a la radiacih, losAcidosnucleicosquedansometidos a la despolimerizaci6n, que es la fragmentaci6n de molbculas grandes en otras mAs pequeñas. Las c6lulas mit6ticas, cuando esth reppduci6ndose, son mAs vulnerables que otras a los daños causados por la radiaci6n. En este hecho se basa el tratamiento del chcer por radiaci6n; las dlulas cancerosas, quesereproducen a unavelocidad anormdmente alta, son mhs susceptibles a la radiaci6n que las &lulas normales.

C. El oxígeno como reactivo radieallibre El oxígeno molecular es diferente de los compuestos que hemos estado estudiando, porquelamolCculaestabledel oxígeno, en el estado basal,tienedoselectronesno apareados;sedicequees un birradid. Laestructuradel O, no puedeexplicarse un pardeelectrones 2s se adecuadamenteporf6rmulasdeenlace-Valencia,porque 6.3, se muestraun diagrama de orbitales. halla en un orbital de antienlace. En la Figura Para nuestro objetivo, representaremos el oxígeno molecular como -0-O- 6 simplemente O,.

o*

-

n*- t 2p

N6tese el llenado de orbitales acuerdo a la regla de Hund.

/" de -n*

-"

--7 1 -

tl

tl

2P

7 1

TL

u* -

2s-

-2s

oorbitales at6micos del O

tl

orbitales mdeeulpres del O2

orbitales at6micm del 'Q

FIGURA 6.3. Diagrama de orbitales del O,. Los orbitales U y U* de menor energía provienen de los orbitales at6micos 2s del O. Dos orbitales at6micos 2p se superponen para formar un orbital o de mayor energía. Cada dtomo de oxígeno del O, contiene tambien un par de electrones no compartidos en un orbital K (que se forma de un orbital 2p y un electr6n no compartido en un orbital n*).

242

Capítulo 6


El oxígeno esun binadical establey, por consiguiente, un radical libre selectivo, Los compuestosquecontienendobles enlaces, hidr6genos alílicos, bencílicos o terciarios, sonsusceptibles de oxidad611al aire, llamadatambikn autwxidaci6n o autoxidaci611.Los compuestos que s610 contienen hidr6genosprimarios o secundarios no son tan susceptibles deesa oxidaci6n.(Las reactividades relativas de estos hidr6genos no debedan sorprendernos,si recordamos nuestradiscusi6nsobrelas reacciones de halogenaci6n por radicales libres.) Las grasas y aceites vegetales con frecuencia contienen dobles enlaces. La autoxidaci6n de una grasa da una mezcla de productos, que incluye kidos cmxílicos de bajo peso molecular (y dolientes). Por ejemplo, la mantequilla rancia contiene el oloroso &ido butanoico. El aceite de linaza yotros aceites vegetales que contienen muchos dobles enlaces se emplean como aceites secantes enpinturas y barnices. Estos compuestos se dejan oxidar al aire a prop6sit0, porque las moI6culasse unen o polimerizan en una pelicula dura sobre la superficie pintada. La autoxidaci6n produce inicialmente hidroper6xidos, compuestos que contienen el grupo -OOH, y que faicilmente se convierten en mezclas de alcoholes, cetonas y otros productos. Puesto que las mezclas son el resultado usual, la autoxidaci6n se emplea raras veces como tkcnica de shtesis organica. Auto-oxidaci6n: R,CH .O-O*

+

-

R,COOH un hidroperdxido

_ _ _ f

mezclade productos

En el laboratorio es muyprobableque el quimico encuentre productos de autoxidaci6n, como impurezas indeseables, en los &res y aldehidos.En los kteres el carbono adyacenteal oxígeno esel lugar de ataque.Los per6xidos de loskteres explotan cuando se calientan. El kter dietilico, que es un disolvente común en el laboratorio, se purifica por destilaci6n; y a no ser que los per6xidos se hayan eliminado por medio de un reductor antes de la destilacih, se concentmiin en el matraz de destilaci6n y el resultado puede ser una explosi6n. CH3CH,0CH2CH, eter dierflico

+ O,

-

I _

OOH

I

CH3CH20CHCH, un hidroper6xido

El producto de la autoxidaci6n de un aldehído es un aicido carboxílico, que se forma por reacci6n del peroxiiicido intermedio con el aldehído. O

I1

CH,CH

O

+ 0,

etad (ac+taldehido)

O

O

I1

CH3COOH

I/

+ CH,CH

II

CHjCOOH kid0 peroxiacktico O

I1

2 CHACOH kid0 &tic0

PROBLEMA DE ESTUDIO 6.1 l.

Cuando se expone al aire, el 6ter diisopropilico forma per6xidos a mayor velocidad que el dter dietilico. Sugiera una d n para este comportamiento.

Iniciadores inhibidores e

6.7.

de radicales libres Seccibn

243

SECC16N 6.7.

Iniciadores e inhibidores de radicales libres Un iniciador de radicales libres es todo lo que puede iniciar una reacci6n por radicales libres. La acci6n de la luz ultravioleta sobre la halogenaci6n por radicales libres es la acci6n de un iniciador. Hay diversos tipos de compuestos que pueden adicionarse a una mezcla de reacci6n, para iniciar reacciones por radicales libres. Estos compuestos se llaman err6neamente catalizadores de radicales libres. No son verdaderos catalizadores, ya que con frecuencia se consumen en la reacci6n. Cualquier compuesto que pueda descomponerse f6cilmente en radicales libres puede actuar como iniciador.Los per6xidos(ROOR)son un ejemplo. Forman radicales libresfAcilmente,porque laenergíadedisociaci6ndelenlace R O - O R es S610 de alrededor de 35 kcallmol, mAs baja que la de la mayoría de los enlaces. El per6xido de benzoílo y elAcid0 peroxi-benzoic0 son dos per6xidos que se emplean comúnmente en las bromaciones con NBS, al mismo tiempo que Csta. O

~

L

O

O

O @xido

-

O

-

!

~

de benzoflo O

kid0 pemxi-benzoic0

Como el nombre lo indica, un inhibidor de radicales libres inhibe una reacci6n por radicales libres. A veces se designa al inhibidor como una trampa de radicales libres. La acci6n usual del inhibidor de radicales libres es la de reaccionar con los radicales reactivos para formar otros radicales libres relativamente estables y no reactivos. Un inhibidor usado para controlar la autoxidaci6n se llama antioxidante o , en laindustriaalimentaria, conservador o preservador. Los fenoles, compuestoscon un grupo “ O H unido a un carbono deun anillo arornAtico, son antioxidantes eficientes. Recukrdese que la hidroquinona es un alma& natural de electrones no compartidos es completamenteanallogo. Los (Secci6n 6.6B). El poderinhibidordelosfenoles radicaleslibresobtenidosdeestoscompuestos esth estabilizadosporresonanciay son, por lo tanto, no reactivos comparados con la mayoría de los radicales libres.

fenol

“Orropado”

el m6s sencillo de los fenoles Estructuras en resonancia del radical libre fenol:

244

Capitulo 6

Reaccionesderadicaleslibres:compuestosorgAnicos

El conservador de alimentos BHT es un fenol sint6tico. (El BHA es otro conservador, estrechamente relacionado con el BHT; envezdemetilo sobre el anillo, el BHA tiene un grupo "OCH,). El a-tocoferol o vitamina E, es un conservador natural, que se halla en los aceites vegetales y especialmente en el aceite de germen de trigo. grupos fedlicos

~

~~~~


El uzo-bis-isobutiro-nitrifo (AIBN) se emplea con fiecuencia como iniciador de radicales libres, ya que produce radicales libres (y N2) cuando se calienta. (a) Escriba una ecuaci6n y emplee flechas de anzuelo ( /-4 ) para representar esta descomposici6n t6rmica. (b) D6 una explicaci6n al hecho de que el AIBN produce ficilmente radicales libres. CN

I

CN

I

(CH3)2C"N=N"C(CH,)Z

6.13.

Las aril a m n ias, aligualquelosfenoles,puedenactuarcomoantioxidantes. Por ejemplo,se agrega N-fenil-2-naftil-a a los artlculos de hule o caucho para impedir su degradaci6n por radicaleslibres.Escribaunaecuaci6nquemuestrec6mopuedeestaaminafuncionarcomo antioxidante.

N-fenil-2-naftil-amina

SECCldN 6.8.

Compuestos organomethlicos Un compuesto organomet8lico se define como aqukl que tiene un carbono directumente unido u un úromo metúlico (tal como mercurio, zinc, plomo, magnesio o litio) o a ciertos metuloides (tales como silicio, arsknico o selenio)

n-butil-litio organomtdlico

temme$il-silano (Th4S) organometdlico

met6xido de sodio no se considera organometcilico (no hay enlace carbono-carbotwj

6.9.

Halogenuros organomagnbicos: reactivos Grignard de Secci6n

245

Los compuestos organometzllicos se nombran en una de estas formas: 1.

Se llaman comoalquil-metales: CH3CH2CHzLi

(CH3CH2),Pb

n-propil-litio

retraetil-plomo

Si el metalest&unidoa unanibninorgcfnico y a un 6tomo de carbono, el compuesto se nombra como derivado de la sal inorgrfnica.

bromuro de metil-magnesw

2.

cloruro de fenil-mercurio

Los compuestosde silicio y dealgunos derivados de los hidruros. SiH4

(CH&SiHz dimetil-silaao

Silano

otros metaloidessenombran

(C6H5)ZSi(CH3)2 difenildimtil-silano

SECC16N 6.9.

Halogenuros organomagn4sicos: reactivos de Grignard Unos de los reactivos m& útiles en sintesis orghica son los halogenuros organomagnksicos (Rh4gX). Estos compuestos se llaman reactivos de Grignard, en honor del químico francts VictorGrignard, que en 1912 recibi6 elpremio Nobel por sus trabajos en esta h a de la quimica organomedica. El reactivo de Grignard es el producto de la reacci6n por radicales libres entre el magnesio methlicoy un halogenun, orghico, empleando tter como disolvente.

F +

R.X

Mg

" +

[R*+.MgX]

R-MgX

un reactivo de Grignard

La reacci6n es general y, en gran parte, no depende delgrupo R.Los halogenuros primarios,secundarios y terciarios, asi como los halogenuros alílicos y bencílicos, todos forman reactivos de Grignard. CHJ

+ Mg

yodum yodometano

(CHACBr

+ Mg

CH,MgI

-"-+

-

de metil-magnesio (CH,)$MgBr

bmmum de r-butilo

bmmuro de r-butil-magnesio

cloruro de cloruro bencilo

de bencil-magnesio

Los halogenuros arilicos y vinílicos (X sobre un carbono que soporta un doble enlace), generalmente son inertes frente ala sustituci6n nucleofílicay a la eliminaci6n.

246

Capitulo 6

Reaccionesderadicaleslibres:compuestos

org5nicos

Estos compuestosnoson tan reactivos frente al magnesiocomoloshalogenurosde alquilo; pero todavía sus reactivos de Grignard se pueden preparar sin dificultad.

bromuro de fed-magnesio un reactivo arilico de Grignard

bromobenceno

CH,=CHI

+ Mg

CH,=CHMgl yoduro de etenil-magnesio (yoduro de vinil-magnesio) un reactivo vinilico de Grignard

Los halogenuros organomagn6sicosson inestables, a noserque est& solvatados. El disolvente usual paraun reactivo deGrignardes el 6ter dietilico(CH,CH,OCH,CH,), queno esreactivofrenteaestoscompuestos, pero quepuededonarelectrones no compartidos a los orbitalesd vacíos del Mg.Los grupos etilo proporcionanun ambiente de hidrocarburo, queactúacomodisolventede la porcih alquilicadelreactivode

Grignard.

CH2CH, CH,CH

\*o/

..

CH,-Mg-I


icufil de los siguientes compuestos serla un disolvente adecuado para un reactivo de Grignard? CH,CH2CH,CH,CH,

(b) CH,OCH,CH,CH,

Q

( 4

f-7

o

o

U

A. Reactividad de l o s reactivos de Grignard iQu6 es lo m k caracteristico de los reactivos de Grignard? En la mayor parte de los compuestos orghnicos, el carbono no lleva carga parcialo lleva carga parcial positiva. , E n un reactivo de Grignard, el carbono esta unido a un elemento electropositivo y , por consiguiente, lleva una carga negativa parcial. S+

o-

CH,CH,-Br

+ Mg

&a dictilico

n

~

S-

S+

CH,CH,-Mg-Br

el carbono es 6 -

Es cierto, por lo general, que el aitomo de carbono unido a un Atorno medico es el m& electronegativo de losdosfitornos, y llevaunacargaparcialnegativa.Un

Halogenuros organomagn6sicos: reactivos

de Grignard Secci6n

6.9.

247

i6n con un Atom0 de carbono cargado negativamente, se llama carba&n. Un carbano unido a un &om0 metdico tiene, por consiguiente, car&ter de W w n .

Los carbanionessonunodelostiposdebases m& fuertes encontradosenel laboratorio. Ya que el reactivo de Grignard tiene un carbono parcialmente negativo, (1) es una base extremadamentefuerte y (2) la parte alquilica o atnica del Teactivo de Grignard, puede actuar como nuclebfio. Discutiremos aqui la acci6n d e l reactivo de Grignard como nucle6filo y examinaremos su basicidad en la Secci6n 6.11. Las reacciones mAs importantes de los reactivos de Grignard son aquellas con compuestos carbonflicos. En un grupo carbonilo (C=O), los electrones de los enlaces carbono-oxígeno (sigma y pi) estan polarizados hacia el oxigeno electronegativo. El carbono del grupo carbonilo, que tiene una carga positiva parcial, es atacado por el carbono nucle6filo del reactivo de Grignard.Las ecuaciones siguientes muestran c6mo dstas no son losreactivos deGrignardreaccionanconlascetonas.(Observeque reacciones de radicales libres. Cuandoel reactivo de Grignardataca el grupo carbonilo, los electrones se mueven en pares, no uno por uno.) Reacciones de RMgX con cetonas:

General: R-C-R

O

+ W"gX

+ CH,CH,-MgBr

-

;o;-

I

+MgX

R"C"R

I

R'

-

ciclohexanona

El producto de la reacci6n de RMgX con una cetona es la sal de magnesio de un alcohol. Cuando setrata con aguao &ido acuoso, esta salde magnesio da el alcohol y una sal mixta inorghica demagnesio. El producto hidrolizado de la reacci6n de una cetona con el reactivo de Grignard es un alcohol terciario.

'

:O" *\

R-C-R

I

R'

'MgX

+ HC

:OH

I I

R-C-R R' un &Ohol3*

+ Mg2+ + X -

248

Capitulo 6

Reaccionesderadicaleslibres:compuestosorgAnicos

Los dos pasos de. la reacci6n de Grignard suelen combinarse en una ecuacibn: O

OH

acetona

CH.? alcohol r-butílico

No S610 las cetonas, sino casi todos loscompuestoscon grupo carbonilo (aldehídos, tsteres, didxido de carbono, etc.) reaccionan con los reactivos de Grignard. Por estam 6 n , las reaccionesde Grignard son inapreciables en síntesis orgaslica, pues permiten la constiucci6n de esqueletos complicados a partir de otros mils sencillos. Los siguientes son algunos ejemplos de reacciones de reactivos de Grignard con aldehídos, para dar alcoholes secundarios; Reacciones de RMgX con aldehfdos:

O

OH

II

RCH

General:

l

( I 1 R'MgX

(2) H,O, H'

RCHR'

b

un alcohol 2"

un aldchído

O

OH

I1

CH ,CH etanal

2-propanol (alcohol isopropflico)

(acetaldehído)

O

OH

I1

CH,CH,CH proPd (propiddehido)

1-fed-propanol)

Una excepci6n a la regla general de que un reactivo de Grignard reacciona con un aldehído para darunalcoholsecundarioesla reacci6n con formaldehido. Este aldehído produce un alcohol primario en la reacci6n de Grignard.

-

O

I1

General:

( I ) RMpX

HCH

( 2 ) H20.H i

metanal

RCH,OH

un alcohol l*

(formaldehído)

La reacci6n de un reactivo de Grignard con di6xido de carbono (casi siempre hielo seco) no produce alcohol,sinounasal carboxilato de magnesio. La salde magnesio es insoluble en el disolvente et6m empleadoen la reacci6n de Grignard; CO,. El cfcido curboxflico por consiguiente,~610reaccionauno delos dos enlaces pi del se libera por tratamiento de la sal de magnesio insoluble con soluci6n ticida acuosa. paso 1 : @

=

C

e

g

X

..

+

fO=C-O:-

I

R

'MgX un carboxilato (insoluble en &eres)

Halogenuros organomagnbicos: reactivosdeCrignardSecci6n

Paso 2:

0

II

RCO- *MgX

+ H+

-

6.9.

249

O

II

+ Mg2+ + X -

RCOH

En laTabla 6.2 se da un resumendelas mencionado.

reaccionesdeGrignard que hemos

TABLA 6.2. Algunos productos de las sintesis de Grignard‘

O

II

HCH

O

I1

R’CH O

I1

R’CR”

“Se discutih otras reacciones de Gripad en las secciones 7.16B,11.13, 13.3C y

13.5C.

PROBLEMA MODELO Unquímico (a) trata yodobenceno con magnesio meWico y 6ter dietílico; (b) adiciona acetona y, finalmente, (c) adiciona soluci6n de HC1 diluido. Escriba una ecuacibn para cada ls reacciones. una de a

(a) C,H51

+ Mg

Ctcr diettlico

OMgI

O

I1

(b) CH,CCH,

C6H,MgI

+ C6H5MgI

I

”-+

CH,CCH,

I

C6H5


Sugiera una sintesis de Grignard para la preparaci6n del I-ciclohexil-etanol, partiendo de bromociclohexano y un aldehfdo.

250

Capítulo 6

Reacciones radicales de libres: compuestos

orghicos

SECCIdN 6.1 O.

Otros organometailicos Los reactivos de Grignard son ~610un tipo entre los numerosos y útiles compuestos organometiílicos. Los reactivos de litio, otro tipo de compuestos organometzilicos, se preparan por reaccidn del litio metzilico con un halogenuro de alquilo, usando dter o un hidrocarburo como disolvente.

RX

General:

+ 2 Li

CH,CH,CH,Br

+ 2 Li

-

+

R-Li

LiX

un alquil-litio

CH,CH,CH,Li

+ LiBr

n-propil-litio

1-bromo-propano (bromuro de n-propilo)

Un reactivo de litio es semejante en muchos aspectos aun reactivo de Grignard, y experimenta reacciones similares. Sin embargo, el enlace C-Li tiene m& cdcter i6nico que el enlace C-Mg, porque el litio es m& electropositivo que el magnesio. Los reactivos de litio, como nucle&ilos, son d s reactivos que los de Grignard, porque el carbono implicado en el enlace C-Li es m& electronegativo.

General:

o II

OH (I)

R-C-R

I

R'LI

( 2 ) H,O. H-

R-C-R

kI

una cetona

O

II

d-

CH3CH,CH2CCH,CH3 + CH,CH,CH,-Li

d+

J

" +

3-hexanona

o-

Li+

I CH,CH,CH,CCH,CH, I

OH H,O.

H'

I

CH,CH2CHzCCH,CH3

I

CH,CH,CH,

CH2CH2CH3 441-4-heptanol

Los reactivos dialquil-cobrede litio, llamados tambidn cupratos, se sintetizan

-

a partir de un alquil-litio y un halogenuro de cobre (I), como CUI. 2 CH3Li + CUI

(CH,),CuLi

+ Lil

un cuprato

Estos reactivos son especialmente dtiles en la síntesis de alcanos no simétricos del tipo R-R' , donde R proviene del cuprato y R' de un halogenuro de alquilo. Se obtienen los mejores rendimientos cuando R'-X es un halogenuro de alquilo primario; pero el grupo R en R,CuLi puede ser casi cualquier grupo alquilo o arilo. General:

R,CuLi un cuprato

+

R'X un halogenuro

de alquilo F'

0~2 5 A

R- R' un alcano no sim6trico

6. I I .

Reacci6n de organometdlicos con hidr6genos dcidos Secci6n

(CH,I2CHBr 2-bromo-ppan0

LI

(CH,),CHLi

CUI

251

[(CH3),CHI2CuLi un cuprato

CH,CH,CH2Br +

(CH3),CH"CH,CH,CH, 2-metil-pentano

un cuprato

bromociclohexano

O

C

H

,

metilciclohexano


Sugiera síntesis para n

-

~~

~~~-

Reacci6n de organomehilicos con hidrógenos &idos Hemos mostrado c6mo algunos compuestos OrganometAlicos pueden actuar como nutales como los reactivos de Grignard cle6filos. Muchos compuestos organometfilicos, y los de litio, tambiCn son bases extremadamente fuertes. Se dice que el hidr6geno que puede ser sustraido deun compuesto por el reactivo de Grignard,es dcido frente al reactivo de Grignard. Los reactivos de Grignard y los de litio reaccionan rapidamente con compuestos que tienen hidr6genos Acidos, dando hidrocarburosy sales metfilicas. S-

R-MgX

+ HCOH

7 + H*OH

b-

R-Li

-

RH

+ XMgOH

RH

+ LiOH

Los reactivos de Grignard y de litio son bases masfuertes queHO- ,RO-, -NH, 6 RCsC-. Por consiguiente, el tipo de hidr6geno que esAcido respecto de RMgX o RLi, es cualquierhidr6genoqueestdunidoa oxígeno, nitrdgeno o carbono con hibridaci6n sp. (Las Tazones por las que RC=CH puede perder un prot6n se discutirh en el Capitulo 9.) Algunas estructuras que contienen hidr6genos Acidos respecto de RMgX o RLi:

HO E) RO H RCrCW

H2NH R,N M

ArOH RCO2 €3

Capitulo 6

252


PROBLEMA MODELO ¿Cu¿iles son los productos de la reacci6n del yoduro de metil-magnesio con cada una de l a s siete esbnrcturas que contienen hidr6genos ticidos mostradas antes? Soluci6n:

CH,Mgl

+ H,O

C‘H,Mgl

+ ROH

CH,MgI CH,Mgl

+ RC=CH + NH,

CH,Mgl

+ R,NH

CH,MgI

+ ArOH + KC‘02H

CH,MgI ~~~

__+

”--+

”-+

CH,

+ HOMgI

CH,

+ ROMgl

+ RC-CMgl C’H4 + N H 2 M g l CH, + R2NM.gl CH, + ArOMgl CH, + R C 0 , M g l CH,

~

Las principales consecuencias de la reactividad de RMgX y RLi hacia hidr6genos Acidos son: (1) que el agua, alcohol y otros compuestos con hidr6genos kidos deben excluirse de las reacciones con reactivos de Grignard o de Iitio (a no ser que se desee la obtenci6n del alcano); y (2) que la presenciade ciertos grupos funcionalesen el Grignard o de litio estables. halogenuro de alquilo, impide la formaci6n de reactivos de

PROBLEMAMODELO Un estudiante sostiene que un reactivo de Grignard reacciona con el agua para dar un alcohol. iQu6 hay de equivocado en esta afinnacih?

Solucibn: El carbono del reactivo de Grignard es parcialmente negativo y reacciona con un grupo pusitivo, (como H+)y no con un grupo negativo (como HO-).

m ocurre

PROBLEMASDEESTUDIO 6.1 7. ~Cuiilde los siguientescompuestosnopodriaemplearse Grignard? Explique. NH2

(a) CH,CHCH2CH2Br I

(b) ( t B r

(c)

O

II

(d) B r C H J O H 6.1 8.

(e) CH,C-CCH2CH21

Sugiera reactivos para la siguiente conversi6n:

para la preparacih de un reactivo

mBr

Problemas de sintesis

Seccibn 6.12.

253

SECC16N 6.1 2.

Problemas de síntesis Los químicos orghicos a menudo sintetizan compuestos enel laboratorio. Las síntesis pueden ser simples y fhciles (por ejemplo, si se necesita un alcohol sencillo para un estudio cinbtico) o muy complicadas (como en el caso de la síntesis en el laboratorio de una molbcula biol6gica compleja). El disefio de esquemas de síntesis sobre el papel es una manera valiosa de aprender a pensar en el lenguaje de la química orghica, aunque no se llegue a ser un químico de laboratorio. En este texto se encon- muchos problemas de síntesis: problemas en los cuales se debe mostrar con ecuaciones c6mo prepararun compuesto en particular. En algunos casos, se especificarh los materiales de partida y habd mhs de una respuesta correcta a un problema de síntesis. Sin embargo, en este texto o en su guia de estudio, s610 se da una respuesta correcta para cada problema de síntesis. Si su respuesta es significativamente diferente de aquella dada, entonces hay que verificar con el profesor para saber si estA correcta o no. No se pretende que todos los problemas de síntesis que aquí se plantean sean realizables en el laboratorio. La soluci6n aun problema real desíntesis en el laboratorio deber6 incluir una investigacibn exhaustiva de la literatura química, para saber si un compuestoenparticular o unasecuenciadereaccionesyahansidoestudiadospor otros químicos. S610 así p o d rh escribirse varias posiblesvíasparalasíntesisdel compuesto buscado. Cada vía posible tendría que evaluarse desde un punto de vista pr6ctico en el laboratorio (posibilidades de bxito, costo por reactivos, y tiempo, disponibilidad de materiales de partida, riesgos, etc.). De los varios caminos propuestos, se seleccionaría uno y finalmente, se probm’a la secuencia sint6tica en el laboratorio. Al resolver los problemas de síntesis de este texto, deben considerarse s6l0 las reacciones o secuencias de reacci6n que sean razonables y que estkn basadas en la informaci6n previamente presentada en el texto.

síntesis

A. Resoluci6ndeproblemasde

Las siguientes sugerencias pueden ayudarle de síntesis.

1.

En un problemadeestudio o el producto:

a contestar correctamente los problemas

típicose danlos reactivos y se piden los productos A+B

-

?

En problemas de síntesis, se pregunta lo inverso. Dado el producto, j c u & + sson los reactivos? ?+?

__+

c

Esto es, a medidaque se estudianlas reacciones orgbicas se debenaprender ambas vías. Se debe ser capaz de responder preguntas como: “jQu6 reacciones producen alcoholes?”; o “iQuC produce la reacci6n de un reactivo de Grignard con formaldehído?” 2.

Use s6l0reacciones quedenproductosconrendimientosrazonables. Si una reacci6n da el 100% delproductodeseado,useesa reacci6n. Sin embargo, si no se dispone de tal reaccih, use una reacci6n que dB 50 6 60% de rendimiento. No use reacciones que den rendimientos muy bajos (menos del 25%).

Capitulo 6

254

3.

Reacciones de radicales fibres:compuestos orgdnicos

Se aceptausarecuaciones de flujo endonde los reactivos y las condiciones de reacci6n se colocanpor encima o por debajo de las' flechas. Esta tknica, si bien no es necesaria en las Síntesis de un solo paso, ahorra mucho tiempo al escribir las soluciones a las síntesis de múltiples pasos. B

A

4.

yz 100"

No esnecesariobalancearlasecuacionesni noritarios, a menos que así se indique.

5.

' c tampoco indicarlosproductosmi-

Si el texto muestraunareaccidnde un compuesto sencillo, generalmente Csta puede extrapolarse a estructuras mhs complejas, pero similares. Ejemplo:

O

Esta reaccidn se puede extrapolar a otras cetonas y reactivos de Grignard.

OH

O

II

CHJCH2CCH2CH3

6.

I

(1)

(2)

H+

+

CH,CH,CCH2CH,

6

En un problema de síntesis, no se intimide por la complejidad de una estructura, pongasuatenci6nen los grupos funcionales.Inspedcionelascaracterísticas importantes de la estructura y preocúpese s610 de la pequeña porci6n que sufre reacci6n. Cuando tenga un vocabulario amplio de reacciones orgfinicas, querrh inspeccionar una estructuracompleja, para ver siotros grupos funcionales tambikn podrían sufrir reaccidn bajo las mismas condiciones.

B. Problemasdesíntesisde múltiples pasos La mayoría de las síntesis en el laboratorio (y muchos de los problemas de síntesis en este libro), requieren m8s de un paso para que, a partir de materias primas accesibles comercialmente, se llegue a los productos deseados. Cuando se tiene un problema de síntesis que requiera dos o m8s pasos y no se haga evidente al momento una secuencia de reaccih, no seleccione unaprobablemateriaprima ytratedeconvertirlaen el producto. En vez de esto, empiece con el producto y trabaje de manera inversa, hacia at&, un paso a la vez, hasta llegar a la materia prima. Este procedimiento, llamado mdlisis retrosintktico, se explica mejor con un ejemplo.

Ejemplo. Muestre con ecuaciones de flujo d m 0 preparm'a 3-deutero-propeno, a partir de un hidrocarburo no deuterado, reactivos inorgfinicos comunes y disolventes adecuados. 1.

Escriba la estructuradelproducto

CH, = CHCH,D

Secci6n 6.12.

Problemas de síntesis

2.

Considere, no un hidrocarburo inicial, sino una reacci6n que lleve directamente al producto dado. Un reactivo de Grignard, tratado conD,O,es una manera de introducir deuterio enuna estructura. Escriba la ecuaci6n para esta reacci6n. D O

CH,=CHCH,D CH,=CHCH,MgBr

3.

La pregunta ahoraes iqud reactivos se necesitan para preparar el reactivo alílico de Grignard? (de nuevo, estA trabajando de manera “inversa”). CH,=CHCH,MgBr

CH,=CHCH,Br

4.

Finalmente, iquC reacci6n podría usarse para preparar el bromuro de dilo?

N BS

CH,=CHCH,

5.

255

CH,=CHCH,Br

Hemos resuelto el problema hasta llegar a un hidrocarburo no deuterado, trabajando de manera inversa. La respuesta se escribe ahora hacia adelante, en vez de hacia atrhs. CH,=CHCH,

NBS ___*

CH,=CHCH,Br

Mg Cter dietilico

CH,=CHCH,MgBr

,

D,O

CH,=CHCH,D

Ejemplo: Muestre c6mo podría convertir difenil-metano en difenil-metanol. 1.

Escriba las estructuras. OH

2.

Considere la materia prima y el producto. Tienen el mismo esqueleto de carbono y s610 difieren en un grupo OH en la posici6n bencílica. Su primera pregunta debería ser: ¿Hay alguna reacci6n un de solo paso, que convierta un H bencílico en un OH bencflico? La respuesta es “no”; por consiguiente, se necesitar6mhs de un paso y la resoluci6n del problema debed abordarse usando el andisis retrosintbtico.

3.

Considere el producto y pregunte: “iCuAes reacciones producen alcoholes?” Hasta ahora, s610 se han presentado dos: reacciones de sustituci6n de los halogenuros de alquilo y reacciones de Grignard de los compuestos carbonilicos. Se puede descartar la reacci6n de Grignard, ya que en este caso la materia prima y el producto tienen el mismo esqueleto de carbono. Por lo tanto, debe usarse una reacci6n de sustituci6n.

4.

La siguiente pregunta sena:“~Qubhalogenurc;y quC nucle6filo se necesitan para obtener el producto deseado?” La respuesta es:

x I

C,H,CHC,H,

OH OH

~

-”+

I

C,H,CHC,H,

donde

X = CI, Br, 6 I

Capitulo 6

256

5.


La síntesisse hasimplificadoahoraalaconversi6ndeC6H,CH2C6H,a C,H,CHC,H,.

I

, x El proceso 16gico se repite ahora. ‘‘¿Hay alguna reacci6n de un solo paso

para convertir un H bencílico en Br, C16I?’. Para Br y C1, la respuesta es “si“.

Hayvarias reacciones quefuncionm’ancomo la cloraci6n o la bromaci6n por radicales libres, o la bromaci6ncon NBS. Seleccionandolabromaci6n, por ejemplo, podríamos escribir la ecuaci6n

Br

I

C6H5CH2C6H5

6.

Brz h,,

C,H,CHC,H,

Combinelasecuacionesencontradasyseten&lasecuenciasint6ticafinal. OH

Br

I

C6H,CH*C6H,

Brz h,, +

C,H,CHC,H,

OH _

I

~

_

f

C,H,CHC,H,


Muestrec6moharíalassiguientesconversiones.Usecualquierreactivo partida que se requieran.

y otros materialesde

(a) difenil-metano a 1,l-difenil-2-propanoI. (b) tolueno(metil-benceno) a C,H,CH,OCH, (c) R r e C H , 6.20.

to

D O C H , C N

Sugierasíntesispara los siguientescompuestos, a partir de compoestosorg6nicosde menos itornos de carbono y otros reactivos que se requieran. (a) 3,5-dimeti1-3-hexanol (b) ciclohexil-metano1

seis o

Resumen

257

Resumen Un radical libre es un Atom0 o grupo de 6tomos con un electr6n no apareado. Las reacciones de radicales libres son reacciones en cadena, que incluyen iniciaci6n (formaci6n de radicales libres); propagaci6n (reacciones en las que se forman nuevos radicales libres);y terminaci6n (acoplamiento, desproporci6no formaci6n de radicales libres estables). Durante una reacci6n por radicales libres en un carbono quiral resuelto, ocurre la racemizaci6n. El orden de reactividad de los H en la sustracci6n por radicales libres, es CH,< l&O < 2 ~
+

CH,CHCICH,

hi

-

CH,CHBrCH,

CH2=CHCH,

N BS

+ CH,CH,CH,CI + HCI + HBr CH,=CHCH,Br

Otras reacciones por radicales libres, ademh dela halogenacih, comprenden la pir&is, descomposici6n ermita por radicales libres, de compuestos orgMcos; la reducci6n biol6gica de O, y la autoxidaci6n, oxidaci6n con O, por radicales libres, que lleva a la descomposici6n de grasas, aceites, caucho, &res y aldehidos. Los iniciadores de radicales libres son sustancias que causan la formaci6n de radicaleslibres.Sonejemploslaluzultravioleta y los per6xidos(quecontienenel enlace -0"f6cil de romper). Los inhibidores de radicales libres (tales como I, o fenoles) son sustancias que forman radicales libres no reactivos. Los compuestosorganometiilicos soncompuestosquecontienen un enlace carbono-metal. Un reactivo de Grignard (RMgX) reacciona por el carbono nucleofflico unido al magnesio. (EnlaTabla 6.2, p6gina 249, se, da un resumendealgunasreaccionesde Grignard.)

R

R

Un reactivo de alquil-litio (RLi) da reacciones similares a las de los reactivos deGrignard. Los cupratos (R,CuLi) se emplean para preparar hidrocarburos. Tanto los reactivos de Grignard como los litio, dereaccionan con los compuestos que contienen hidr6genos &idos dando alcanos.

n + H-OH

RMgX

/"-3

R L i +H - O H

" +

RH

+ HOMgX

RH

+ LiOH

258

Capitulo 6

orgdnicos

Reacciones radicales de libres: compuestos

PROBLEMAS DE ESTUDIO 6.21. \

6.22.

Escriba f6rmulas de Lewis para (a) CH,CH,O-.y (b) CH, = C H k H , Identifiquelassiguientesreaccionescomopasosde s e & corresponda: (a)

(CH,),C.

-

+ CH,=CH,

O

II

(b) C6H5COOH

(d) 2CH3CHz.

+

C6H5CO* *OH

(c) 2 CH3CHZCHZ.

6.23.

(CH3),C-CH2CH2-

O

II

(e) Br-

iniciaci6n. propagaci6n o terminacidn,

CH3CHzCH3

A

+ CH,=CH2

+ CH,CH=CHz

CH,CH,CH*CH, .CH,CH,Br

Escriba las ecuaciones para los pasos de la dicloraci6n por radicales libres del ciclopentano para dar

1,2-dicloro-ciclopentano.

6.24.

Si todos los hidr6genos fuesen sustraídos a velocidades equivalentes, j c u a seria la relaci6n de productos monoclorados en una mezcla equimolar de CH,CH,CH, y ciclohexano?

6.25.

(no se Indique los productos que obtendría en la monocloraci6n de los siguientes compuestos olvide de indicar los estemis6meros). (a) (R)-l,2-diclom-propano; (R)-Zcloro-butano.

6.26.

S610 se obtiene unproductomonocloradode la estructura del alcano?

un alcanoconf6rmulamolecular

C,H,,.

es

6.27.

6.28.

Ordene los siguientes hidrocarburos por orden de facilidadcreciente de bromaci6n por radicales libres: (a) ChJCH2CH(CH3)2

6.29.

(c) C6H5CH2CH3

Dibuje todas l a s estructuras en resonancia queson importantes de los siguientes radicales libres: (a) O

6.30.

(b) CH3CH,CH,

C

H

,

(b) O C H C H ,

(c) 0

8

0

-

En cada una de las siguientes estructuras, señale con un circulo la posici6n (o posiciones), qut esperaría fuesen atacadas por un radical libre de baja energia. Explique sus respuestas.


259

C

H,C' 'CH, 6.31.

Complete las siguientes ecuaciones, mostrando s610 los productos orghicos mayoritarios: (a) O

C

H

3

+ Br,

111,

O

6.32.

Sugiera unmecanismo queexpliquelasiguienteobservaci6n. marcaci6n isot6pica: 'T.)

6.33.

iCu6les serían los productos de desproporci6n de (a) CH,CH,CH,CH,. y (b) CH,CHCH,?

6.34.

~Cuiilsería el producto de acoplamiento para cada uno de

6.35.

Prediga la ruptura p y los productos de desproporci6n de los siguientes radicales libres:

(El asteriscorepresentauna

los ejemplos del problema 6.33?

Capitulo 6

260


6.36.

~Cufilde los siguientes compuestos f o m ' a un hidroper6xido (ROOH) con m& facilidad al exponerse al aire?

6.38.

NombrelossiguientescompuestosOrganometAlicos: (a)

6.39.

CtiHSMgI

(b) CH,CH,CH,MgCI

Complete l a s siguientesecuaciones:

+ Mg

(a)

6.40.

(c) CH,(CH,),CH,Li

Prediga los productos organices:

O

A

6.41.

~ C 6 m opodria preparar cada uno de los siguientes compuestos, partiendo de 2-bromo-propano, magaesio y otros reactivos apropiados? (a) 2,3-dimetil-2-butanol; (b) 3-metil-2-butanol

6.42.

(1) L W e s de los siguientes compuestos tienen hiagenos Acidos, que sedan eliminados por CH3MgI?(2) Escriba las ecuacionessuponiendo que se emplea un excem de CH,MgI

..

(a) C,H,C-CCH,

(b)

HOCH,CH,OH CO,H

(e> (CH,CH,),NH

(d)

I

HO,C-CH"C0,H

..


6.43.

6.44.

261

Complete l a s siguientes ecuaciones, mostrando los productos principales:

B

+ Li

r

-

(a)

O

(b)

L i e C H 2 C H 2 C 0 2 -

+ H30+

" +

Partiendo de un halogenuro orghico de cuatro o menos htomos de carbono, sugieraan mttodo de preparaci6n de los siguientes compuestos: (a)

CH,CH2CH2CH2CH3

(b)

(c)

(CH3)2CHCH2CH,CH,CH,

(d) CHz=CHCH,D

(e)

CH,CHDCH,

(f) (CH3)2CHCH2CH=CH,

CH3(CH2)6CH3

6.45.

La bromaci6n de C&CH,D por radicales libresy con Br,, muestra un efecto isot6pico cinttico. Sugieraunaraz6npara el siguientehecho:si se elimina el HBr delamezcla de reacci6n a medida que se va formando, el efecto isot6pico es a b mayor.

6.46.

Explique por qut el compuesto (a) se descompone en radicales libres aproximadamente75 veces m& rhpido que el (b). CN

CN

I

I I

( a ) (CH3),C-C-N=N-C-C(CH3)3

I

CH3 CN

I

CH3 CN

I 1

(b) CH3CH2CH-C-N=N-C-CHCHzCH3

I

CH3 CH3

t

CH3 CH3

1

6.47.

Un químico trat6 con magnesio en tter anhidro el CH,CH = CHCH,Cl y luego aiiadi6 acetona (propanona).Desputs delahidr6lisis,elqulmicoobtuvo'dosalcoholes,envezdelalqueno1 único que esperaba. LCufiles son las estructuras de los dos alcoholes?

6.48.

La electr6lisis en medio acuoso de l a s sales de los hcidos carboxílicos (llamada electr6lisis de Kolbe) producedi6xidodecarbonoehidrocarburos por un mecanismoderadicaleslibres. LCuAlesserían los productos de la electr6lisis del acetato de sodio (CH,CO,Na)?

6.49.

La reacci6n del etilsodio con (R)-2-cl0r0-octan0da (R)-3-metil-nonano.

(a) ¿Se ha invertido el carbono quiral? (b) Dibuje la estructura del estado de transicibn, queexplicm'a 6.50.

la esterecquhica observada.

La bromaci6n por radicales libres del n-pentano da casi exclusivamente dos compuestos monobromados: A y B. Por tratamiento con NaOCH,, bajo condiciones b,A y B danpredominantementeelmismoproducto:C.LCufilessonlasestructuras de A , B y C?

Capitulo 6

262

6.51.


Sugiera una (o m& si es posible) vía de síntesis para cada uno de los siguientes alcoholes, empezando con un halogenuro orghico y otms reactivos orghicos que se necesiten:

CH, 6.52.

Muestre c6mo sintetizada los siguientes compuestos a partir de las materias primas sugeridas. Use otros reactivos y materias primas que sean necesarios, a menos se especifique que lo contrario. CN

CN

(c) CH,CH=CHCH,

-

O

O

I1

It

CH,COCH,CH=CHCH,OCCH, OH

I

(d) C6H5CH2CHZCH3

" +

C6H,CH=CHCH,CHCH3

(TambiCn, muestre la estructura del subproducto principal, si 10 hay.)

(e) C,H,CH,(comoiínicoreactivo

(f)

___*

orgwco)

QQ

___*

C6H,CH2CH,C,H,

CH,CH2CH,

(Sugerencia: Considere l a s f6rmulas de KekulC del producto.)

CAPíTULO 7

Alcoholes, éteres y compuestos relacionados

L

os alcoholes (ROH) y los &res (ROR) son tan gran parte de nuestra vida diaria que incluso los legos e s t h familiari,zados con estos t6rminos. El 6ter dietílico (6ter) se usa como anestesico. El etanol (alcohol etílico, alcohol de granos o “alcohol” o alcohol para a secas)se emplea en las bebidas. El 2-propanol (alcohol isopropflico, fricciones) se usa como agente bactericida. El metano1 (alcohol metílicoo alcohol de madera) se emplea como anticongelante en autom6viles.Todos estos compuestos, en el laboratorio y en la industria se usan como reactivosy disolventes. Discutiremos en este capítulo alcoholes, &eres y ep6xidos (que son un tipo especial de Cteres). Mencionaremos tambikn brevemente, los fenolesy algunos compuestos de azufre, andogos de alcoholes y &eres.

fenol etanol un alcohol

un fenol

Cter dietnico

h i d o de propileno

un &er

un epdxido

SECCIC~N 7.1.

Enlaces en alcoholes y éteres Los enlaces en alcoholes y Cteres se mencionaron en el Capítulo 2. Ambos tipos de compuestos tienen enlaces similares a los del
264

Alcoholes, &eres y compuestosrelacionados

Capítulo 7

agua

un alcohol

un &ter

L o s alcoholes y los éteresson moléculas polares. En ambos tipos de compuestos, el oxígeno lleva una carga negativa parcial. Sin embargo, la mol6cula de un alcohol es m& polar que la de un Cter. La raz6n es que el hidr6geno es m b electropositivo que el carbono,y por consiguiente el enlaceO-H es más polar que el enlaceO-R. L o s momentos dipolares de los siguientes compuestos muestran una polaridad decreciente en la serie H,O, ROH y ROR. a-

O S+/

H p:

6

\a+

H

1.x D

(a+)/

b-

O

\a+

H

H,C

O \(d+l

(d+l/

H,C

1.7 D

CH,

1.3

D

L o s éteres pueden ser de cadena abiertao cíclicos. Cuando el tamaño del anillo, incluyendo el oxígeno, es de cincoo más átomos, la químicade tal éter puede extrapolarse de la del correspondienteo análogo de cadena abierta. (Hay ciertas diferencias en las velocidades de reaccibn, porque el oxígeno un éter en cíclico está menos impedido estCricamente "sus sustituyentes alquílicos e s t h inmovilizados en un anillo.) L o s ep6xidos tienen la funci6n Cter formando un anillo detres miembros. Son más reactivos que otros éteres, a causa de la tensi6n del anillo. Algunos &teres ciclicos:

6xido de etileno un epdxido

tetrabidro-furan0

1,4-diOxano

THF

Propiedades fisicas de alcoholes y éteres A. Puntosdeebullición Debido a que los alcoholes pueden formar enlaces de hidr6geno con otras moléculas de alcohol, tienen puntos de ebullici6n mayores que los halogenurosde alquilo o los &eres de peso molecular comparable. La tabla 7.1 compara los puntos de ebullici6n de algunos alcoholes y halogenuros orgánicos del mismo número de htomos de carbono.

B. Solubilidaden agua L o s alcoholes de bajo peso molecular son miscibles con el agua, mientras que los correspondientes halogenuros de alquilo son insolubles en agua. Esta solubilidad en agua es directamente atribuible a los enlaces de hidr6geno entre los alcoholes y el agua.

Propiedades fisicas de alcoholes y &teres

Seccidn 7.2.

265

TABLA 7.1. Comparacidn de los puntos de ebullici6n de algunos alcoholes y cloroalcanos Cloroalcano

P.eb. "C

64.5

CH3CI

- 24

78.3 97.2 197

CH,CH,CI CH3CH,CH,C1 C1CH2CH2CI

290

CICH2CHCICH2C1

P.eb. "C

Alcohol

CH,OH CH,CH,OH CH,CH,CH20H HOCH,CH,OH OH

I

HOCH2CHCH20H

13

46 83.5

157

La porcidn hidrocarbonada de un alcohol es hidrof6bica, es decir, repele las molCculas de agua. Al crecer la longitud de la porci6n hidrocarbonada demolCcula la de un alcohol, la solubilidad del alcohol en agua decrece. Si la cadena hidrocarbonada grupo es bastante larga, supera las propiedades hidrof'ílicas (de amor al agua) del oxhidrilo. Los alcoholes de tres carbonos, propanoly 2-propanol, son miscibles con el agua; mientras ques610 8.3 gramos de butanol se disuelven en 100 gramos de agua. (Estas solubilidades estAn resumidas en la Tabla 7.2). Laramificaci6naumenta lasolubilidadenagua.Aunqueelbutanol es s6l0 ligeramente soluble, el alcohol t-butilico, (CH,),COH, es miscible con el agua. La m 6 n es que el grupo r-butilo es mhs compacto y menos hidrof6bico que el grupo nbutilo. Un incremento en el número de grupos -OH incrementa tambiCn las propiedades hidmfílicas y la solubilidad. La sacarosa (azúcar de mesa, phgina 846) tiene doce carbonos, pero tambiCn tiene ocho grupos oxhidrilo, por lo que es fhcilmente soluble en agua. Los &eres no pueden formar enlacesde hidr6geno consigo mismos, porque no tienen hidr6genos unidos al oxígeno. Sin embargo, los Cteres pueden formar enlaces de hidr6geno con agua, alcoholes o fenoles. A causa del enlace de hidr6geno con agua, las solubilidades de los compuestos de cuatro htomos de carbono, Cter dietilico y butanol, son aproximadamente las mismas (tablas 7.2 y 7.3).

C. Propiedadesdedisolvente El agua es un excelente disolvente de compuestos ionicos. El enlace OH es polar y proporcionael dipolo necesario para solvatar cationes y aniones. Los alcoholes tambiCn pueden disolver compuestos i6nicos, pero en menor proporci6n. (Los &res no pueden TABLA 7.2. Propiedades flsicas de algunos alcoholes

Nombre común Nombre IUPAC

metano1 etanol propanol 2-propanol butanol

Fdnnula

alcohol metilico alcohol etnico alcohol propflico alcoholisopropflico alcohol butflico

P.eb. "C Densidad glcc en a 20°C

0.79 64.5 78.3 97.2 CH,CH2CH20H 82.3 (CH,),CHOH 117 CH,(CH,),OH CH30H CH,CH20H

Solubilidad H,O

x 0.79 0.80 0.79 0.81

m

x IC

8.3 g/100 cc

Capítulo 7

266

Alcoholes, &eres y compuestos relacionados

TABLA 7.3. Propiedades fFsicas de algunos &eres y ep6xidos

Densidad glcc 20°C a en

Solubilidad

Nombre

F6rmula

P.eb. C

&ter dimetilico 6ter dietílico

CH30CH3 CH,CH,OCH,CH,

-24 34.6

0.71

8 gjl00 cc

66

0.89

X

13.5

0.88(a 10')

X'

34.3

0.86

m

tetrahidro-furano

oxirano (6xido de etileno)

/O\

CH,CH,

/O\ metiloxirano CH,CHCH, (6xido de propileno)

gas

H20

m

TABLA 7.4. Solubilidad del cloruro de sodio en agua y en algunos alcoholes

Disolvente

HZ0 CH,OH CH,CH,OH CH,CH,CH,OH

Constante Solubilidad del NaCl dielkctrica gl1OOcc a 25°C

78

32

24

20

36.2 1.4 0.06 0.01

disolver compuestos iónicos). La Tabla7.4 muestra la solubilidad del cloruro de sodio en agua y en algunos alcoholes. Nótese que la solubilidad del NaCl decrece cuando aumenta la longitud de la cadena hidrocarbonada del alcohol.

S E C C I ~ N7.3.

Nomenclatura de alcoholes y éteres

A. Nombres IUPAC de alcoholes Los nombres IUPAC de los alcoholes se toman de los nombres de los alcanos padres, con la terminación -01. Si es necesario, se usa un número como prefijo, escogido lo más bajo posible. OH CH,OH 2-propanol IUPAC: propanol metano1

CH,CH2CH,0W

I

CH,CHCH,

Nomenclatura alcoholes de

Seccidn 7.3.

y &eres

267

Si hay mfis de un grupo oxhidrilo, se designa como di-, rri-, etc., antes de la terminaci6n -01. OH

I

CHJC'HC'H2CHZOH 1, 3-butanodiol un diol


Nombre los siguientescompuestos:

CH , 7.2.

Escriba las estructurasde (a) 3-etil-3-metil-2-pentanol y (b) 2,2-dimetil-l,Chexanodiol.

Un grupo oxhidrilo se encuentra con frecuencia en moléculas que contienen otros grupos funcionales. En el sistema IUPAC, la numeración y los sufijos en el nombre del compuesto multifuncional se determinan por la prioridad en la nomenclatura (Secci6n 3.3N).

o I1

O -R,-X,

etc.

\

/

,c=c,

"OH

II

-C-

"CH

Prioridad creciente en la nomenclatura

--CO,Hh J

Acidos carboxílicos, aldehídos ycetonastienen prioridadsobre el grupo oxhidrilo; uno de estos grupos recibe el número menor y se le da la posici6n de sufijo en el nombre. Entonces, el grupo OH se le nombra con el prefijo hidroxi, como puede verse en los siguientes ejemplos: HO O

I II

CH3CHCOH Acid0 2-hidroxi-propar,oico (hcido Iktico)

o

O

I1

I1

HOCHLCHZCH 3-hidroxipropanal

HOCHLCH2CCH, I

4-hidroxi-butanona

En un compuesto que contiene un grupo "OH y tambitn un doble enlace o un grupo generalmente nombrado como prefijo, el grupo oxhidrilo tiene la prioridad de nomenclatura. En estos casos, el OH recibe el prefijo numeral mls bajo posible y se le da la terminación -01. Observese en los ejemplos siguientes, cómo se inserta el sufijo del doble enlace en el nombre de un alcohol insaturado.

Alcoholes,&eres y compuestas relacionados

Capítulo 7

CH,=CHCH,CH,OH 3, 3-dicloro-ciclohexanol 3-buten-

CH3+.0"

i

4-metil-2-ciclohexenol

1-01


Nombre los siguientescompuestos por elsistema IUPAC O

(a)

O

H

(b) H

O

O

O

(c) BrCH,CH,OH

B. Nombrescomunesde los alcoholes Así como CHJ puede llamarse yoduro de metilo, CH,OH puede llamarse alcohol metílico. Este tipo de nombre es elmodo popularde nombrar los alcoholes con grupos

alquílicos comunes. (CH,),COH

(CH,)),CHOH

alcohol r-butílico

alcohol isopropílico

A un diol (especialmente un 1,Zdiol) se le designa con frecuencia como glicol. El nombre común de un l,Zdiol, es el del alqueno correspondiente, seguido de la palabra glicol. Los epóxidos y los 1,2-dihalogenuros se nombran de forma andoga. El nombrar un compuesto saturado como derivado de un alqueno no es muy apropiado; sin embargo, la práctica surgi6 inocentemente en los primeros años de la química orghica, porque todos estos compuestos pueden prepararsepartir a de alquenos. OH OH CH,=CH, IUPAC:

corntin:

C.

eteno etileno

I

Br

1

CHZ"CH2 1,2-etanodiol etilenglicol

Br

I

/

/

O

\

CH2"CH2 CH,"CH, 1,Zdibmrnoetano dibmmuro de etileno

oxirano dxido de etileno

Clasifkaci6n de losalcoholes

Los alcoholes, como los halogenuros de alquilo, pueden clasificarse como metílicos, primarios, secundarios, terciarios, así como alllicos o bencílicos. CH,OH metílico

CH,CH,OH I .no

(CH,),CHOH

(CH,),COH

2-

3"""

OH

un alcohol alílico o, 1-1

bencílico o, 2-1

Nomenclatura de alcoholes y &eres

Secci6n 7.3.

269

D. Éteres Los &eres sencillos de cadenaabierta, se nombran casi exclusivamente por sus nombres comunes, como &eres dqunicos. CH,CH20CH,CH, (CH3),CHOCH(CH3), CH30CH,CH, tter dietilico (o tter etflico o sencillamente "eter")

tter diisopropílico

éter metil-etílice

Los nombres de los &eres mh complejos siguen las reglas de la nomenclatura sistem6tica. Se empleaelprefijo dcoxi cuandohay m h de un grupo alcoxilo (RO-) o cuando un grupo funcional tiene prioridad. Advikrtase que un grupo oxhidrilo tiene prioridad sobre un grupo alcoxilo.

1,2-dimetoN-ciclohexano

1-isopropxi-2metoxi-ciclohexano

5-etoxi-2-pentanol

En el sistema IUPAC, los ep6xidos se llaman oxiranos. En la numeraci6nde estos anillos, el oxigeno ocupa siempre la posici6n 1.

0 @ / \@ CH,"CHCH,CH, etil-oxirano

PROBLEMA MODELO Nombre los siguientes compuestos:

Soluci6n: (a) 6ter t-butil metílico; (b) nans-4-metil-ciclohexanol;(c) cis-ciclohexenglicolo cis-l,2-ciclohexanodiol;(d) 2-hidroxiciclohexanona.

~~~~

~

~~~~

~


Escribalasestructurasde(a)&terfenil-etílico;(b)2-butanol; dimetil-oxirano.

(c) alcohol sec-butííico y (d) 2,2-

Capitulo 7

270


S E C C I ~ N7.4.

Preparacih de irlcoholes

+

Hemos discutido ya dos reacciones que dan alcoholes como productos: (1) RX -OR (Capítulo 5) y (2) reacciones de Grignard(Sección 6.9A). En esta secci6n, presentaremos una revisión de estas reacciones y algunas otras que se emplean comunmente para sintetizar alcoholes.

A. Reaccionesdesustituciónnucleofílica La reacci6n de unhalogenuro de alquilo con iones hidr6xido es una reacción de sustitución nucleofflica. Cuando los halogenuros de alquilo primarios se cdlientan con hidr6xido de sodio acuoso, la reaccidn transcurrepor un mecanismo S,2. L o s alcoholes primarios pueden prepararse con buen rendimiento por esta tknica. Los halogenuros secundarios y terciarios generalmente no son útiles en la preparación de alcoholes, porque es probable que den reacciones de eliminaci6n con esta tkcnica. CH3CH,CH,Br

+ &-

heat

CH,CII,CH

1-bromo-propano un halogenuro de alquilo lub

propanol un alcohol

P

o

B. ReaccionesdeGrignard Las reacciones de Grignardproporcionanunaruta excelente para la obtenci6n de alcoholes con esqueleto carbonado complejo. Una reacción de Grignard:

1.

con formaldehído da un alcohol primario

2.

concualquier otro aldehído da un alcoholsecundario; y

3.

conunacetona

da un alcohol terciario.

Un resumen de estas reacciones se da en las Tablas 6.2 y 7.5. Otras reacciones de Grignard tambitn conducen a alcoholes. La reacción de un reactivo de Grignard con óxido de etileno da un alcohol primario. Esta reacci6n se discutid después en este capítulo (Sección 7.16). La reacción de un reactivo de Grignard con un éster produce un alcohol terciario. (Si se usa un éster fórmico, el producto es un alcohol secundario.) Las reacciones de los reactivos de Grignard con los ésteres Serb tratadas en la Sección 13.5C.

6xido 2-fenil-etanol de etileno

Preparaci6n de alcoholes Seccidn

7.4.

271

alcoholes 2”’” a partir de esteres f6rmicos:

O ii HCOCH, formiato de metilo

del RMgX ( I ) ZCH,CH,MgBr

b

(2) H j O , H +

3-pentanol alcoholes 3”“ a partir de otros esteres:

,from R MqX

O

II

( I ) ? (‘H,C‘H2MgBr

( 2 ) k ~ ~Ho .,

CH3C0CH2CH3

acetato de etilo

3-metil-3-pentanol


Escriba lasecuacionesquemuestren

(b)

CH,CH,CH,CH,CI

(c) CH,CH2Br

c6mo podrian realizarse las siguientesconversiones:

___*

-

CH,CH,CH,CHZOH

0 7 H c H 2 C H 3

OH

C. Reducci6n de compuestos carbonílicos Los alcoholes pueden prepararse a partir de compuestos carbonílicos, porreacciones de reduccitin, en las que se adicionan al grupo carbonílico átomos de hidrógeno. Por ejemplo, la reduccibn de una cetona por hidrogenación catalítica o con un hidruro mekllico, daun alcohol secundario.Los rendimientos son frecuentemente 90-100%. de Estas reacciones se discutirfin con m& detalle en la Secci6n 11.14.

. H,,Nicatalizador calor, presi6n

ciclohexanol

ciclohexanona

D. Eiidratación de alquenos Cuando un alqueno se trata con agua y un ácido fuerte que actúa como catalizador, se adicionan al doble enlace los elementos del agua (H+ y OH-)en una reacción de hidratación. El productoes un alcohol. Muchos alcoholes, como el etanol del la-

,

Capitulo 7

272

Alcoholes, Cteres y compuestosrelacionados

boratorio, se fabrican comercialmente por hidratacih de los alquenos. M h tarde, en el Capítulo 9 , se discutih las limitaciones y variaciones de las reacciones de hidrataci6n, así como su mecanismo.

4 CH,CH,OH

CH2=CH, +.H,O etanol

etileno

ciclohexanol

ciclohexeno

En la Tabla 7.5 se da un resumen de varias formas de preparar alcoholes PROBLEMA DE ESTUDIO 7.6.

Escribaecuacionesquemuestren c6mo podrian prepararse los siguientesalcoholes a partir de (1) un alqueno y (2) una cetona: (a) 2-butanol (b)2,4-dimetil-ciclopentanol

TABLA 7.5. Resumen de las síntesis de alcoholes en el laboratorio.

Secci6n

Alcoholes primarios: S 2

RCH,X + RCH,OH -OH

5.5

O

/I

HCH

6.9

/O\ CH,CH,

7.16 (1)

R,C=CH,

BH,

+

(2) H,O,.OH-

RZCHCH20H

9.10

O

I1

RCH

RCH,OH

+

11.14

Alcoholes secundarios: OH

O

II

RCH

I

( I )R ' M g X 4

( 2 ) H,O.

RCHR'

H'

O

II

HCOR

OH

RCR'

I

( 1 ) 3 R'MpX

12) H,O. H i

R'CHR'

+

13.X

OH

O

I1

6.9

W'

I

RCHR'

+

11.14

OH RCH=CHR"

H,O, H ' +

I

RCHCH,R

9.8

Preparaci6n de alcoholes Secci6n

7.4.

2 73

Tabla 7.5. (continúa)

Reacci6n

Secci6n

Alcoholes terciarios: O

I1

RCR

6.9

R

Qtras preparaciones de alcoholes 2."" a partir de alquenos incluyen oximercuriac16n9. IO). desmercuriaci6n (Secci6n 9.9) e hidroboraci6n-oxidaci6n (Secci611

E. Etanol por fermentación El etanol empleado en bebidas se obtiene por fermentación de carbohidratos (o hidratos de carbono) "azúcares y almidones- catalizada por enzimas. Un tipo de enzimas, convierte los carbohidratos en glucosa y luego en etanol: otro tipo produce vinagre (ácido acético) y etanol como intermediario. C,,H,,O,, glucosa

enzimas -"---t

C'H,C'H20H etanol

un azúcar

La fuente de carbohidratos empleada para la fermentación depende de su disponibilidad y de los fines del alcohol. En los Estados Unidos, los carbohidratos se obtienen principalmentedel maíz y de las melazas (residuo de larefinación delazúcar). Sin embargo, pueden emplearse también papas, arroz, centeno o frutas (uvas, zarzamoras, etc.). La fermentación de cualquiera de estas frutas, vegetales o granos cesa cuando el contenido alcohdico alcanza 14-16%. Si se desea mayor concentración de a!cohol, la mezcla se destila. El destilado, que es un azeótropo de 95% etanol y 5% agua, puede usarse para fortalecer la mezcla de la fermentación o puede diluirse con agua al grado deseado. (Un azeótropo es una mezcla que hierve a un punto de ebullicirjn constante, como si fuera un compuesto puro.) Ya que las bebidas alcohólicas tienen impuestos en casi todos los paises del mundo, la mayor parte del etanol vendido para fines industriales y de laboratorio (y

Alcoholes, éteres y compuestosrelacionados

Capitulo 7

274

no gravado como licor), se desnaturaliza,es decir, se leadicionanpequeñas cantidades de impurezas t6xicas, de forma que no pueda usarse fuera del. laboratorio o la fábrica para preparar bebidas en forma ilegal. S E C C I ~ N7.5.

Reactividad de los alcoholes Un alcohol puede perder el prot6n de su oxhidrilo cedikndolo a una base suficientemente fuerte ea una reacci6nácido-base. El producto es un alcbxido. Esta reacci6n se discutirá en la Sección 7.10. Ruptura del enlace &H: CH,O"H

-

/" 7.

+ Na' pH2-

metano1

sodamida

CH,O- Na'

+ NH,

met6xido de sodio

una base fuerte

L o s alcoholes también pueden sufrir reacciones de sustituci6n y eliminación en las que se rompe el enlace C - 4 . Ruptura del enlace C-O:

+ HBr

CH,CH2+OH etanol

-

CH,CH,-Br

+ H,O

homo-etano

HISO,

calor

CH,=CH,

+ H,O

etileno

Estas reacciones de sustitución y eliminaci6n son análogas a las de sustitución y eliminaci6n de los halogenuros de alquilo. Sin embargo, los alcoholes se diferencian de los halogenuros de alquilo en que no dan reacciones de sustitución o eliminaci6n en medio neutro o alcalino; por consiguiente, el tratamiento de un alcohol con un nucle6filotalcomo CN- en disoluci6n neutra o alcalina, no lleva a productos de sustituci6n o a alquenos ¿Por qué no? La respuestaes que,en general, el grupo saliente debe ser una base muy dkbil. En el Capítulo 5, vimos que C1-, Br- e I- son buenos grupos salientes y son desplazados con facilidad de los halogenuros de alquilo. Estos iones son bases muy dkbiles. Pero el -OH,que sena el grupo saliente en un alcohol, en solución neutra o alcalina es una base fuerte y, por consiguiente, un grupo saliente muy pobre. buen grupo saliente

+ CH7CH2L#gf'+ -OH

-

CH,CH20H

mal grupo saliente

1 CH,CH,w-@#$,

+ Br-

"--+

no reaction

+ Br-

los alcoholes Seccidn

Reacciones sustituci6n de de

7.6.

275

Las reacciones de sustituci6n y eliminaci6n de los alcoholes transcurren en disoluci6n ácida. Consideraremos qué les ocurre inicialmente a los alcoholes en medio ácido para luego ver las reacciones subsiguientes de estos compuestos. SECCIÓN 7.6.

Reacciones de sustitución de los alcoholes En disoluci6n ácida, los alcoholes están protonados. Ésta es una reacci6n de equilibrio ácido-base, actuando el alcohol como base. Es el mismo tipo de reacci6n que ocurre entre el agua y un prot6n. H

I

H-O:

H

n

+ HCI e

1-

H-0"H

+CI

i6n hidronio H

R-9:

I/,-

H

+ HCI

C

I*

R-O-H

+CI

un ion oxonio

un alcohol

En cada caso, un orbital 1s vacío del H' se superpone con uno de los orbitales de Valencia llenos del oxígeno y se forma un enlace sigma O-H (Figura 7.1). El producto de la reaccidn con agua es la molécula de agua protonada o ion hidronio. Una molécula de alcohol protonado se llama ion oxonio. Las reacciones de protonaci6n son rápidas y reversibles. Ya que cualquier hidr6geno unido al oxígeno puede perderse en la reacci6n inversa, los protones del OH de los alcoholes sufren rápido intercambio con otros protones ácidos. Por ejemplo, si el metano1 se trata con DC 1, la disoluci6n pronto contiene CH,OD y HC 1, así como también CH,OH y DC l. I>

CH,OH S

It

=C H , ~ ) H c-" CH,OD

I

D

Aunque el grupo - O H es un mal grupo saliente, el "OH,+ es un buen grupo saliente, porque se pierde como agua, que es una base muy dCbil. buen grupo saliente

R-OH

I1 + L

\ R k &

I N

--L R-N~ +

H2e:

FIGURA 7.1. Enlaces en el ion hidronio (H,O+) y en un ion oxonio (ROH,')

Capítulo 7

276


Los reactivos más útiles en las reacciones de sustitución de los alcoholes son los halogenuros de hidrógeno. El producto de la reacción deun alcohol con HX es un halogenuro de alquilo. CH,CH,CH,OH 1-bromo-propano

+ HBr

+H20

C’H,C’H,(’H2Br

__- -+

1-propanol

(CH.<),CHOH t HI 2-yodo-propano

~__-

t H?O

(CH,),(’HI

-+

2-propanol (Ctlj).3CC‘l

(CH,),COH t HC1 cloruro r-butílico alcohol

+ HZ0

de r-butilo

A. Reactividadde los halogenurosdehidrógeno En las reacciones de sustitución de los alcoholes, la reactividad de los halogenuros de hidrógeno es como sigue:

i

ROH

fuerza L i d a creciente;reactividadcrecientefrentea

Aunque HI, HBr y HCI se consideran ácidos fuertes (casi completamente ionizadosen agua), HI es el más fuerte del g r u p o . HF es un ácid0 débil. (Algunas razones que justifican este orden de acidezse presentarán en el Capítulo 12). El orden de reactividad de estos Bcidos frente a los alcoholes es sencillamente paralelo a la fuerza relativa de los ácidos.

fi velocidad creciente de reacci6n

u

ROH

+ HI

ROH

+ HBr

ROH

+ HCI

+

_

_

_

_

f

R1

+- H z 0

RBr

+ H,O

RC‘I

+ HLO

B. Reactividad de los alcoholes hacia los halogenuros de hidrógeno El orden dereactividad de los alcoholes frente a los halogenuros dehidrógeno es como sigue: metílico

1”

2”

3””

bencílico alílico

reactividad creciente de ROH frente a HX

J

Todos los alcoholes reaccionan fácilmente con HBr y H I , para dar bromuros y yoduros. Los alcoholes terciarios, los alcoholes bencílicos y los alcoholes alílicos también reaccionan fácilmente con HC1. Sin embargo, los alcoholes primarios y secundarios son menos reactivos y requieren la ayuda de ZnC1, anhidro o de un catalizador

Reacciones de sustituci6n de alcoholes los Secci6n

277

7.6.

similar para que puedan reaccionar con el HCl menosreactivo, en un período de tiempo razonable.

0 creciente reactividad

3&:

(CH,),COH

+ HC1

2*:

(CH,),CHOH

+ HC1

25

(CH,),CCI

ZnCl,

(CH,),CHCI

___*

+ HZ0 + HZ0

La función del cloruro de zinc es semejante a la del H' . El cloruro de zinc anhidro es un poderoso ácido de Lewis con orbitales vacíos, que pueden aceptar electrones del oxígeno. La formacióndel complejo de ZnC1, con el oxígeno del alcohol debilita el enlace C-0 y con ello acentúa la capacidad salientedel grupo de oxígeno.

.. n + ZnCI,

CH,CH,O:

I

___t

+ CH3CH,0-ZnCl2

I

H

H complejo

r*

:el:+ C H z ~ O - Z n C 1 , ~

I

S 2

I

:Cl-CH2

I

CH.? H

CH 3

desplazamiento por Cl-

c.

+ HOZnCI + CI-

producto

iSN1 6 sN2?

Se ha observado que los alcoholes secundarios y terciarios a veces dan trasposiciones cuando se tratan con HX. La mayor parte de los alcoholes primarios no las dan. La conclusión es que los alcoholes secundarios y terciarios reaccionan con los halogenuros de hidr6geno por un mecanismo SN1 (a travks de un carbocati6n), mientras que los alcoholes primarios lo hacen por un mecanismo SN2(desplazamiento por atrgs). Alcoholes metilico y primarios, S,2: ti

CH,CH,OH G==-

CH,CH,-OH~

+

Y

protonado

otros alcohoks, S, 1 :

(CH,),CHGH

H'

a (CH3),CH~0H, protonado

- H .d:

[(CH,)2eH] carbocati6n intermediario

(CH,):CHX

Capitulo 7

278


PROBLEMAMODELO El Único halogenuro de alquilo que se forma en la reaccibn del 3-metil-2-butanol con HBr es un producto de trasposici6n. Dé la estructura del producto y muestre c6mo se forma.

carbocatión 2wi0 r

~c.H,~--cH,c.H,]

111

CH, CH,C-CH,CH, I

-+

I

carbocatión Pw

Br 2-bromo-2-metil-butano

S E C C I ~7.7. N

Otros reactivos usados para convertir los alcoholes en halogenuros de alquilo Para convertir los alcoholes en halogenuros de alquilo sin trasposición, pueden emplearse otros reactivos halogenantes, tales como PX,,SOCl, y PX,. Discutiremos sólo dos de estos reactivos, el tricloruro de fósforo y el cloruro de tionilo. Ambos reactivos reaccionan con los alcoholes para formarésferes inorgdnicos, tema que se discutirtí en la Sección7.12. Pero lo que está relacionado con la presente discusión, es que losgrupos de &ter inorgánico que se forman son, como--OH,+, el buenos grupos salientes. Las siguientes reacciones son excelentes para la preparaci6n de cloruros de alquilo, a partir de alcoholes primarios y secundarios. (Los alcoholes terciarios generalmente dan reacciones de eliminación bajoestas condiciones.) ROH

+ PC13

- R

hicloruro de f6sforo

i

+ HCI

ROH

I1

+ ClSCl cloruro de

+ HOPCI,

*\ buenos grupos salientes /

O

RCI

-

+ HCI

-

RCI

+ SO2 + HCI

tiONl0

El tricloruro de fkforo reacciona con el alcohol, para dar primero un éster Cfosforoso y HCl. Este paso inicial de la reacción no implica la ruptura del enlace O. No se observa racemización de un alcohol enanti6mero puro, como ocurriría si la reacción transcurriese a través de un carbocatión. Naturalmente que el producto ser6 aquiral o racémico, si el alcohol de partida lo es.

Otros reactivos usados para convertir los alcoholes en halogenuros de

aquilo

Seccibn 7.7.

279

Paso 1 :

un &er (S)-cloro-fo$iico

proiodo

El segundo paso en la reacci6n es el ataque SN2 efectuado por C1- . Como en toda reacci6n SN2,se observa inversi6n de la configuraci6n, cuando el material de partida es un solo enanti6mero. Paso 2:

(R)-2-cloro-butano (invertida)

Cada uno de los tres enlaces P-Cl puede reaccionar; así que el producto final del trihalogenuro de f6sforo es elkid0 fosforoso (H,FQ,). 3 ROH

+ PCI,

-

3 RCI

+ H,PO,


¿Esperaría que el deuterio y el cloro fuesen

cis

o trans enelproducto de la siguiente reacci6n'!

Las reacciones de los alcoholes con el cloruro de tionilo son interesantes. Si se usa una amina como disolvente en esta reacci6n un alcohol quiral resuelto produce un cloruro de alquilo con la configuraci6n invertida. En contraste, si se usa un kter como disolvente, el cloruro de alquilo que se produce tiene le misma configuraci6n que el alcohol de partida. En este último caso, decimos que la reaccidn procede con retenci6n de configuraci6n.

p&+ SOC'I

(R)-2-cloro-butano

(5')-2-butan01

h (5')-2-cloro-butano R,O

Ya sea que se emplee una amina o un tter como disolvente, el primer paso en la secuencia de reacci6n es an6logo al de la reacci6n con tricloruro de f6sforo (la formaci6n de un &ter inorghico). De nuevo, el enlace C-0 no se rompe en este

Capitulo 7

280


paso. Si el alcohol de partida es un enantiómero puro, el éster clorosulfítico tiene la misma configuración que el alcohol. Paso I :

un(S)-clorosu&to

(S)-2-butanol

Si se usa una amina como disolvente, dicha amina reacciona con el HC1 que se forma en esta reacción para dar una sal de amina: R3N:

+ HCI

--

-

R 3 b ! H * C1

El ion cloruro de esta reacción ácido-base ataca al éster clorosulfítico en una reacción S,2 típica, lo cual produce cloruro de alquilo con la configuración invertida. Paso 2 en una amina como disolvente, reacci6n S,2: invertido

Un éter como disolvente no puede solvatar y estabilizar iones, por lo que el HCl formado en el Paso 1 (la formacibn del éster clorosulfítico) escapa a la atmr5sfera. Debido a lo anterior, en solución etérea, el ion cloruro para el cloruro de alquilo debe venir del grupo éster clorosulfítico. Hay evidencias que muestran que el clorosulfito se disocia en iones, los cuales no puedendisociarse completamente en solución etérea, sino que permanecen muy cerca uno de otro formando un par iónnico. El C1- ataca entonces al carbono positivo, del mismo lado que el enlace C - 0 , y el resultado es retención de la configuración. Este tipo de reacción se llama reacción S$, en donde 'Y' significa retorno interno. Las reacciones S,i son muy raras en química orghica. Paso 2 en un éter como disolvente, reacci6n S,;:

par i6nico

(S)-2-cloro-butano

~~


Haga una lista de tres reactivos que podrían emplearse para preparar 2-cloro-octano a partir de (R)-2-0ctanol. Diga de cada uno si lleva a racernizacibn, inversibn o retencidn de la confguraci6n.

Reacciones eliminación de

de los alcoholes

Sección 7.8.

281

SECC16N 7.8.

Reacciones de eliminación de los alcoholes Los alcoholes, como los halogenuros de alquilo, sufren reacciones de eliminación para dar alquenos. Esta reacción se llama deshidratación, porque en ella se elimina agua. H2SQ conc.

(C'H.q)>COH

+

~~~

hl I


alcohol t-butílico un alcohol 3"" (C'H 3)2C.HOH

propeno

H2S0, conc. -~ 1011

+

C'tiqC'li==('€12

2-propanol un alcohol 2"" CH ,C'H20H etanol un alcohol 1""

+

H20

(propileno) H2S04conc. ~

IS11

+

C'tl2=<'Il2+ l I 2 O

(etileno)

Aunque el ácido sulfúrico es el catalizador que suele elegirse parauna deshidratación, cualquierácidofuertepuedeproducir la deshidrataciónde un alcohol. Obsérvese la facilidad relativa conla que los alcoholes terciarios sufren la eliminación: el simple calentamiento con H2S04concentrado lleva al alqueno. La eliminación es la reacción colateral preponderante en las reacciones de sustitución de alcoholes terciarios con H X .

En los alcoholes secundarios y terciarios, la deshidratación sigue un mecanismo El. El grupo oxhidrilo se protona, se forma un carbocatión al perderse una molécula deagua y luego se elimina un proth, para dar el alqueno. (Los alcoholes primarios probablemente sufren deshidratación por un mecanismo E2.) Los alcoholes secundarios y los terciarios, en ácido sulfúrico caliente, dan, si acaso, unapequeñacantidadde productodesustitución;sin embargo, los alcoholes primariospuedendar éteres o sulfatos. Estas reacciones competitivas serán tratadas en la Sección 7.12B. Consideremos la deshidratación del 2-pentanol, un alcohol secundario que sufre una reacción El típica. Paso I (protonaci6n y pérdida de agua):

" I!+

:OH *

I

CH,CH,CH,CHCH,

'ijH

'I

2

~- I I : O

lento e C'H,CH2CH2C'HC'HI, [CH,CH2CH,CHCH,] rftptdo

protonado

carbocati6n

Paso 2 (pérdida de H+):

estado de tramici6n

2-penteno

282

Capitulo 7


En esta reacción, el paso lento es la formación del carbocatión y, por lo tanto, el paso determinante de la velocidad;de la mismamanera que la formación del carbocatión intermediario es el paso determinante de la velocidad en las reacciones S,1 ó E l de un halogenuro de alquilo. En el segundo paso, que es el paso rápido, el carbocatión pierde H+ (que se une a H,O,HSO,-,u otra molCcula de alcohol). En este segundo paso, el doble enlace está formado parcialmente en el estado de transición. Por esta razón, cuando se puede formar más de un alqueno, una reacción E l típica produce predominantementeel alqueno mcis sustiruido, mcis estable (regla de Saytseff). Recordemos que en el capítulo 5 se dijo que las reacciones E2 generalmente también dan el alqueno más estable.


¿Esperaría encontrar cis- o trans-2-penteno como productopredominantede de 2-pentanol? Explique.

la deshidratacidn

En una reacciónE l típica, a partir de unalcohol, el Paso 1 determina la velocidad de Estos enunciados total de la reacción, pero el Paso 2 determina la relación productos. se ilustran en el.diagrama energético de la Figura 7.2. E.T. I determina la velocidad total f ~

E.T.2 determina la relaci6n de productos

m I 1. I ~

alqueno menos sustituido alqueno mis sustituido .

~~~

~~

I

--

~~

~

-Progreso de la reacción -.----">

FIGURA 7.2. Diagrama energ6tico para una reacción E l típica, a partir de un alcohol secundario o terciario.

En cualquier reacción de eliminación en la que el doble enlace puede quedar conjugado con un anillo bencénico, el producto conjugado se forma con predominio sobre el producto no conjugado. El alqueno conjugado es de menor energía, así como el estado de transición que lleva a su formación. En efecto, frecuentemente es difícil aislar alcoholes en los que el grupo oxhidrilo se halla separado del anillo benctnico por uno o dos carbonos, pues la deshidratación generalmente es espontánea en condiciones ácidas.

Reacciones de elirninacibn de los alcoholes

Seccibn 7.8.

283

OH

I-feNl-2-butanol

en conjugacidn con el anillo bencknico

1-fenil-2-buteno

I-fenil-1-buteno

Recordemos que en la sección 5.6F se tratará el hecho de que los carbocationes pueden sufrir trasposiciones. ¿Se observan trasposiciones en las reacciones E l de los alcoholes? Sí; ya que cuando un carbocatión puede sufrir una migración 1,2-, para dar un carbocatión más estable, se observan productos de trasposición. Trasposiciones:

I

CH.?

'C'H,

2,3-dimetil-2-buteno 2,3-dimetil-butanol

Puesto que en la deshidratación de los alcoholes pueden ocurrir trasposiciones, y dado que las deshidrataciones de alcoholes primarios son lentas, la deshidratación de un alcohol no es, por lo general, el mejor método de preparación de un alqueno. En muchos casos, es preferible convertir el alcohola un halogenuro de alquilo y someter Cste a una reacción E2. PROBLEMA MODELO

v

traspuesto

2-metil-2-buteno alqueno más estable

Capitulo 7

284

A.


Trasposición pinacólica

Tratados con ácidos fuertes, los 1,2-dioles no dan alquenos ni dienos, como podría esperarse. En su lugar, se verifica una trasposición, llamada pinacólica. Pinacol es el nombre común del 2,3-dimetil-2,3-butandiol. (El nombre viene del griego pinox, “lámina”, que es descriptivo de la apariencia cristalina del pinacol.) Cuando el pinacol se trata con un ácido, resulta una cetona llamada pinacolona.

Esta reacción es otro ejemplo de trasposición de un carbocatión.

C‘H,

(‘HI

pinacol

C HC 3 H3 protonated

CH, ‘6H

.‘o*

; %

I

/I

(CH,),CCCH,

CH, carbocatión trasponiéndose (menos estable)

cetona protonada (&S estable)

pinacolona

En esta reacción, primero se protona un grupo “ O H , para dar -OH,+, que sale como agua. El carbocatión resultante sufre desplazamiento 1,2 de un grupo metilo, para dar un catión estabilizado por resonancia (la cetona protonada) que pierde un protón para dar una cetona.

cetona protonada (estabilizada por resonancia)

cetona

El término “trasposición pinacólica” se emplea para describir trasposiciones análogas de 1,2-dioles, aunque nosetrata del mismo pinacol. Se han estudiado trasposiciones de compuestos que contienen diversos grupos, para ver cuáles son más aptos para migrar o desplazarse en una trasposición. Veamos un ejemplo. El primer

Reacciones de eliminación de los alcoholes

Sección 7.8.

285

paso en la trasposiciónpinacólica del l-fenil-1,2-propan(odiol,es la formacióndel carbocatión:

I

CH-CHCH, estabilizado por resonancia

no

¿Qué migra, el H

estabilizado por resonancia

o el CH,? Podemos decirlo identificando el producto:

Si migra el H:

OH

O

producto observado

Si migra CH,:

OH

CH.3 2-fenil-propanal no observado

La trasposicihpinac6lica de 1-fenil- 1,2-propanodiol da fenilpropanonay no da 2-fenil-propanal. En este ejemplo ha migrado un hidrógeno en vez de un grupo metilo. Con estudios análogos de un gran número de trasposiciones pinacólicas, se ha deducido que (1) en la etapa inicial, se forma el carbocatión más estable (carbocatión bencílico en el caso precedente) y (2) la aptitud migratoria es Ar>R, lo cual significa que cuando un grupo alquílico o un grupo arííico puedan sufrir desplazamiento 1,2, lo hace el grupo arííico con preferencia al alquílico. Pero la aptitud migratoria de los átomosdehidrógeno es impredecible. Conalgunos 1,2-dioles, migra el átomo de hidrógeno con preferencia a los grupos Ar ó R; con otros dioles Ar y R migran con preferencia al H. -

Capitulo 7

286


SECCIÓN7.9.

Los alcoholes como ácidos Un alcohol es similar al agua, ya que puede actuar como base y aceptar un protón (para dar el alcohol protonado, ROH,+);y también puede actuar como ácid0 y perder un protón (para dar un ion alcóxido, RO-).Igual que el agua, un alcohol es un ácido a una base muy débil; el equilibrio de la reacci6n de ionizacih de un alcohol puro o en solución acuosa está desplazado hacia el lado no ionizado de la ecuación.

Metano/:

Metano/ en agua: ['ti,O-ti

t t1,o

c+ ( T 1,O t

t1,O'

En disolución acuosa diluida, los alcoholes tienen aproximadamente los mismos valoresde pK, que el agua (Tabla 7 . 6 ) . Sin embargo, en estado líquido puro(sin agua), los alcoholes son ácidos mucho más débiles que el agua. El pK, del metano1 puro es alrededor de 17 y los otros alcoholes son ácidos aún más débiles. Para comparación, el valor de pK, del agua pura es 15.7 (no 14, que es el pK,).

TABLA 7.6. Valores de pK, para el agua y algunos alcoholes, en disoluci6n acuosa diluida.

Compuesto

Pk,

H*O CH,OH CH,CH,OH (CH,),COH

15.7

15.5 15.9 -18

Lamenoracidez de los alcoholesno acuosos no se debe a una incapacidad estructural de RO- para llevar carga iónica, sino que es más bien el resultado de las bajas constantes dieléctricas de los alcoholes, comparadas con la del agua (Tabla 7.4 pagina 266).Ya que los alcoholes son menos polares que el agua, tambitn son menos capaces de soportar iones en disolución.

SECCIóN 7.10.

Alcóxidos y fenóxidos Un alcóxido es la sal de un alcohol (el nombre es análogo a hidrbxxido) ('tl , O

Na

'

metóxido de sodio

('ii.,('tt:O

-

K

etóxido de potash

(<.ti , ) 2 ( Y 1 0 .

Na

'

isoprop6xido de sodio

Alcóxidos y fenóxidos Secci6n

7.10.

287

Los alc6xidos son bases fuertes, generalmente más fuertes que los hidróxidos. Para preparar un alcóxido a partir de un alcohol, se requiere una base más fuerte que el alcóxido mismo.La sodamida (NaNH,) y los reactivosde Grignard son bases bastante fuertes para sustraer un ion hidr6geno de un alcohol. ROH t NaNHz ROH

+ R'MgX

-

+ NH, 'MpX + R'H

R O - Na' KO-

El mttodo másconvenientepara la preparaciónde alcóxidosconsiste en el tratamiento del alcohol con un metal alcalino, como sodio o potasio. La reacción no es una reacci6n ácido-base. sinouna reacci6n de oxidación-reducci6n.El metal alcalino se oxida acati6n y los hidr6genos delos grupos "OH se reducena hidrbgeno gaseoso.

El metano1 y el etanol dan reacciones bastante vigorosas con el sodio metálico. A medida que crece el tamaÍio del grupo R, el vigor de la reacción decrece. El sodio y el agua reaccionan explosivamente; el sodio y el etanol dan la reacción a velocidad muycontrolable y el sodio y el 1-butanol reaccionan muy lentamente. Para preparar los alc6xidosde alcoholes de cuatro a más átomos de carbono, generalmente se emplea el potasio metálico, que es más reactivo. CH,OH CH,CH,OH HZ0 CH,tC'H2C'HzOH

I

reactividad decreciente frente a Na o K

Un fen6xido es la sal de un fenol, compuesto en el cual el grupo OH está unido directamente a un anillo aromático.

fenol

4-metil-fen01 4-metil-fen6xido

(p-cresol)

fen6xido de sodio un fendxido

de potasio un f e d x i d o

Los fenoles son ácidos mucho más fuertes que los alcoholes. El pK, del fenol es 10; o sea, quesufuerzaácidaestá casi enmediode la deletanolyladelácido adtico (pK,= 4.75). Un ion fen6xido esuna base másdtbil que OH-;por consiguiente,

288

Capítulo 7


un fenóxido puede prepararse tratando un fenol con NaOH acuoso. Esta reactividad contrasta directamente con la de los alcoholes. C'H,C'I1,OH

+ NaOH

+ : A

C'H,C'H,O

etanol, pK, = 15.9

Na'

+ ti20

etóxido de sodio

favorecido

fenol, pK, = 10

fenóxido de sodio

favorecido

El grado de ionización de un ácido débil se determina por las estabilidades relativas del compuesto no ionizado y del anión: I{,\ +"L i 1 * +

i-

A

A

Si A - esrd d s estabilizado que HA, la acidez aumenta

La razón para la acidez de los fenoles es que el anión producido está estabilizado por resonancia, con la carga negativa delocalizada a través del anillo aromático. Estructuras en resonancia para

el ion fedxido:

U

La carga negativa de un ion alcóxido (RO-)no puede delocalizarse. Por consiguiente, el ion alcóxido es de mayor energía que el alcohol y los alcoholes no son ácidos tan fuertes como los fenoles. A causa de su acidez, el fenol se llamó originalmente úcid0 carbólico. Hacia 1800, el cirujano británico Joseph Lister recomendó su empleo como antiséptico en los hospitales. Antes de esa época, no se empleaban antisépticos, porque se pensaba que eran los olores y no los microorganismos la causa de las infecciones. Como antiséptico, el fenol ha sido remplazado por otros compuestos menos imtantes. Es interesante el :~c,-ho de que muchos antisépticos modernos contienen todavía grupos fenólicos.

c 'I

hexaclorofeno

( 'I

n-hexil-resorcinol

en la mayoría desus usos, prohibidoporquepuede absorberse a través de la piel

Los alcóxidos y los fenóxidos son buenos nucleófilos. El empleo de estos reactivos, en la reacción con halogenuros de alquilo para producir éteres, fue mencionada en el Capítulo 5 y también se tratará más adelante en este Capítulo (Sección 7.14)

Reacciones de esterificacidn

Secci6n

7.1l .

289

PROBLEMASDEESTUDIO 7.1 l.

LCuAlesson los principales iones en disoluci6n cuando se mezclan

los reactivos siguientes?

(a) et6xido de sodio y fenol (b) fen6xido de sodio y etanol

7.12

El pK,del p-nitro-fenol es 7 . Expliqueconestructurasenresonanciaporqu6estecompuesto esmasAcid0que el fenol I

p-nitro-fenol

SECC16N 7.1 l.

Reacciones de esterificación Los alcoholesreaccionancon los ácidoscarboxílicos y conlosderivadosdehcidos carboxílicos, para dar ésteres de dcidos carboxilicos. Estas reacciones, llamadas reaccionesdeesterificaci6n y los Bsteresproducidos,se estudiarh condetalleenlos capítulos 12 y 13.

dcido adtico

acetato de etilo

etanol

un &ido carboxfliro

un ester

+ I+ OCH,CH,CH, L;;a benzoic0 un 6cido carboxílico

COCH,CH2CH,

+ H,O

-

benzoato de n propilo

propanol

un ester

~

PROBLEMA DE ESTUDIO 7.13. Rediga el productode esterificaci6n decadaunadelassiguientes H . calor (a)

CH,CHZCHZCO,H

+ CHjOH

reacciones:

'

-

4

S E C C I ~7.1 N 2.

Ésteres inorgdnicos de alcoholes Los esteres inorgánicos de alcoholes, se preparan por reacción de los alcoholes, ya

seaconácidosminerales(talescomo HNO, o H2S04) o conhalogenurosde minerales (tales como SOCl,, Secci6n 7.7).

kidos

290

Capítulo 7

Alcoholes, &teres y compuestosrelacionados

O

CH,ONO,

CH,OSOCH,

CHONO,

O Sulfato de dimetilo un dster inorghico

CH,ONO,

I

I1

I

I1

nitroglicerina un &ter inorgcinico

A. Nitratos Para ver c6mo se formaun tster inorghicode un alcohol, consideremos la formaci6n de un nitrato de alquilo (RONO,). (No confunda los nitratos de alquilo con los nitroalcanog, RNO,, en los que el titomo de carbono esth unido al nitr6geno.) La reaccidn de esterificaci6n para formar nitratos transcurre por: (1) una reacci6n de ionizaci6n del HNO, para dar un ion nitronio (NO,+), seguido por (2) el ataque del oxigeno del alcohol sobre el NO,’. Esta segunda reacci6n es una reacci6n típica ticido-base de Lewis. La p6rdida de un prot6n del aducto intermediario da el nitrato. l. Formaci6n de NO,*:

+

2 H@-NO,

+ H,O-NO, I NO3

H,O~N(:)L

-

H,G:

+ ho,

2. Formaci6n del ester:

..

CH,O:

I

+

+ NO,

G====!

H

-HA

CH,O-NO,

13

CH,ONO, nitrato de metilo

H

nitrato

metano1

protonado


Describa los pasos para la formaci6n de nitrito de etilo (CH,CH,ONO) partiendode 6cido nitroso (HONO) y etanol.

El ticido nítrico es un agente oxidante fuerte, y la oxidacidn del alcohol (a veces Los propios nitratos (por explosivamente) puede acompañar a la formaci6n de nitratos. ejemplo, la nitroglicerina y el PETN)* son explosivos. Cuando detonan, estos compuestos dan una reacci6n de oxidaci6n-reducci6n Apida, intramolecular, produciendo grandes volúmenes de gases (N,, COZ,H,O, O,). Los nitratos orghicos (tales como la nitroglicerina)y los nitritos, seusan tambitn como vasodihtudores (sustancias que dilatan los vasos sanguíneos) en el tratamiento de ciertos tipos de enfermedades del coraz6n. CH,ONO,

I

O,NOCH,CCH,ONO, I I

CH,ONO, Nitrato de pentaeritritol un explosivo *Iniciales de Pentaeryrhritol nitrate

(PETN)

Reacciones esterificaci6n de

Sección 7.1 2 .

291

B. Sulfatos La reacci6ndel Acido sulfúricoconcentradoconlos alcoholes, puedeproducirlos Csteres sulfato de monoalquilo o sulfato de dialquilo. Los mondsteres se llaman sulfato Bcido de alquilo, Bcido alquiisulfiírico o bisulfato de alquilo; los tres t6nninos son sin6nimos. El nombrede los ditsteres es sencillo; se añade a la palabra sulfato el nombrede los grupos alquílicos. Los sulfatos AcidosdealquilosonAcidos'fuertes; pero los sulfatos de dialquilo no son Acidos.

iccicido

II de

CH,OSOH

O

O

II

II

CH,OSOCH, CH,0SOCH2CH,

II

I1

O

O

sulfato sulfato sulfato kid0 de metilo

O etilo y metilo

de dimetilo

Hemos mencionado ya en este capítulo que la acci6n del Acido sulfúrico sobre los alcoholes lleva a los alquenos. En la Secci6n 7.14 discutiremos el hecho de que el Cter dieblico se prepara por reacci6n de etanol y Acido sulfúrico. ¿Que es lo que en realidad sucede cuando un alcohol se trata con Acido sulfúrico concentrado? Cuando un alcohol se mezcla con H,SO,,, ocurre una serie de reacciones reversibles. (El esquema que sigue esd simplificado; los alquenos pueden tambiCn pasar a sulfatos, y Cstos a Cteres, etc.) El producto de reacci6n predominante depende de la estructura del alcohol, de las concentraciones relativas de los reactivos y de la temperatura de la mezcla de reacci6n. En general, los alcoholes primarios dan sulfatos a bajas temperaturas, Cteres a temperaturas moderadas y alquenos a altas temperaturas. (En todos los casos hay que esperar mezclas.) Los alcoholes terciarios y en gran parte tambiCn los secundarios dan productos olefínicos (alquenos).

9

ROSOzOH

I40

+ ROS0,OR + H,O

1":

ROH

+ H,SO,+

2& y3"*:

ROH

+ H,SO, a alquenos + H,O

ROR

+ Hz0

El sulfato de dimetilo y el sulfato de dietilo sonvolAtiles y, por consiguiente, pueden separarse fiicilmente dela mezcla de reaccibn por destilaci6n. Los otros sulfatos de alquilo no son tan voliitiles; las altas temperaturas que se precisan para la destilacidn son suficientes para que los sulfatos se descompongan y den alquenos. UnmCtodomiisgeneralparaprepararsulfatos es emplear uno de los cloruros delAcido sulfiuico. Por ejemplo: O

2 CH,OH

II + CI-S-CI II O

cloruro sulfurilo desulfato dimetilo de

O ___*

II I1

CH,O-S-OCH, O

+ 2 HCI

292

Capitulo 7

Alcoholes, Cteres y compuestosrelacionados

El grupo alquilo de un sulfato es un buen grupo saliente. El sulfato de dimetilo, comercialmente disponible, es un agente alquilante. El siguieote ejemplo nos muestra su empleo en la preparaci6n de un Cster metílico. O

11 ..

CH,CO:ACH,*OSO~OCH,

-

O

II

CH,COCH,

+ -:OSO,OCH,

acetato dimetilo metilo sulfato i6n acetato dede un ester

C. Sulfonatos Un sulfonato es un éster inorghnico de f6rmula general RS0,OR. (No confunda la :structura del sulfonato con la del sulfato. El sulfonato tiene un grupo alquílico o arílico unido direcfamente a un útomo de azufre.)

O Bcido bencen-sulf6nico un &cid0sulfhico (&cid0fuerte)

O bencen-sulfonato de metilo un sulfonato

Los sulfonatos son, entre todos los derivados de los alcoholes que contienen azufre, los mhs ampliamente usados.Son frecuentementesdlidos, hecho que simplifica su purificacidn en el laboratorio. Ademhs, el grupo sulfonato (RS0,O-) es un excelente grupa saliente y pueden desplazarlo gran variedad de nucleófilos. La conversión de un alcohol en sulfonato, seguida por un desplazamiento nucleofílico, proporciona una excelente ruta sintética para gran variedad de productos. Concentraremos nuestra atencidn en una sola clase de sulfonatos, los p-toluensulfonatos (4-metil-bencen-sulfonatos),llamados generalmente tosilatos y cuya abreviatura es ROTs. Los tosilatos se preparan por la reacci6n de un alcohol conel cloruro de p-toluen-sulfonilo (cloruro de tosilo). Una amina, tal como la piridina se adiciona con frecuencia a la mezcla de reaccih, para “atrapar” el HCl que se va formando (R,N: HCl+R,NH+Cl-).

+

cloruro de tosilo (TsCl)

un rosilato de alquilo (ROTs)

En la formaci6n del tosilato, no se rompe el enlace C“0 del alcohol. Si el tosilato se prepar6 empleando un solo enanti6mero de un alcohol quiral, el tosilato retiene la configuraci6n del alcohol de partida.

Sección 7.12.

Reacciones esterificaci6n de

293

tosilato de Q-2-butilo


~C6moprepamia (a) tosilato de n-propilo y (b) tosilato de (R)-Zhexilo? El anión tosilato (como los demh anionessulfonato)esthestabilizadopor sonancia y es una base muy dbbil.

re-

Por esta razón, el grupo tosilato es mucho mejor grupo saliente que el grupo OH. El grupo tosilato puede ser desplazado en reaccionesS,2 por nucleófilostan d6biles como los iones halogenuros o los alcoholes. (No se necesita catalizador ficido.)

un &terprotonado

I

-H',

CH~OCH,CH,


Escribalasestructurasenresonanciapara

el ion metil-sulfonato.

7.1 7.

Prediga el producto de reacción S,2, del agua con

el tosilato de (R)-2-octiIo

Capitulo 7

294


SECCldN 7.1 3.

Oxidaci6n de los alcoholes En química inorgiinka, la oxidaci6n se define como la pérdida de electrones de un htomo, mientras que la reducci6n es la ganancia de electrones por un fitorno. Oxidacibn:

Reduccibn:

Enlasreacciones orghicas, nosiempreesfslcildeterminarsi un sltomode carbono"gana" o "pierde"electrones.Sinembargolaoxidaci6n y lareducci6nde compuestos orghicos son reacciones comunes. Se dan a continuaci6n reglas aproximadas para determinar si un compuesto orghico se ha oxidado o reducido. Si una rnolbcula gana oxigeno o pierde hidr6gen0, se ha oxidado:

Si una rnolecula pierde oxigeno o gana hidr6gen0, se ha reducido:

CH,C02H

t HI

"-4

CH,CH,OH

O

OH

II

I

'"I

CH,CCH,

CH,CHCH,

Podemos ordenar una serie de compuestos del sltomo de carbono.

CH,CH,

1

CH,=CH,

C'H-CH

CH,CH,OH CH,CH2CI

CH3CH0 CH3CHC12

por el estado de oxidaci6n creciente O

I1

CH,COH y SUS derivados

COZ h I

estado de oxidaci6n creciente del C

Advi&tase que CH, = CH, y CH,CH,OH est6n en el mismo nivel de oxidaci6n. Estonoessorprendente,porqueladiferenciaentrelasdosmol6culases ~610una mol&ula de agua. No hay reacci6n de oxidaci6n-reducci6n en la interconversi6n de etileno y etanol. H 2 0

CH,=CH,

L CH,CH,OH -H,O

hexano

Oxidaci6n de los alcoholes Seccibn

7.13.

295


Haga una lista de l o s siguientes compuestos, en orden de estado de oxidaci6n creciente.

7.1 9.

Haga una lista de los siguientes kidos carboxíícos, por orden de estadode oxidaci6n creciente. O

O

II

(a)

0

II

(c) HOC-COH

(b) C H J O H

HOCH,COH

kido hidroxi-acetic0

O

II

I1

ficido oxdico

kid0 adtico

Los alcoholes pueden oxidarse a cetonas, aldehidos o ticidos carboxilicos.Estas oxidaciones se emplean ampliamente en el laboratorio y en la industria, y tambi6n ocurren en sistemas biol6gicos.

O

OH

I

RCHR un alcohol 2-

a

II

RCR ma

cetona

Te6ricamente, los alcoholes tambiCn pueden reducirse a hidrocarburos; sin embargo, tales reacciones no son comunes. En su lugar, se usan mdtodos indirectos de reducci6n;porejemplo,la deshidratacih de un alcoholllevaaunalqueno,que fAcilmente se reduce con H, al alcano (Secci6n 9.13). H2

~

R CataliZaQr ciclohexeno

ciclohexanol

O

A. Combusti611del etanol Los alcoholes, como otros compuestos orghicos, pueden sufrir la combusti6n. CH,CH20H

+ 3 O,

2 CO,

+ 3 H,O + !

energia

etanol

La combusti6n del etanol tiene una ankcdota hist6rica interesante. En los tiempos de los piratasy de los barcos de vela, el contenido alcoh6lico de un ron o de un whisky se determinaba vertikndolo sobre un montoncito de p6lvora y llevando el vapor a ignici6n. Si las llamas se apagaban y la p6lvora no ardía, la conclusi6n era que el ron había sido adulterado con agua. Si la p6lvora ardia, eso probaba que el ron no había

Capitulo 7

296

Alcoholes, éteres

y compuestos relacionados

sido diluido. El término “proof’ (del inglés “prueba”) deriva de esta costumbre de probarlasbebidasalcoh6licasyseexpresacomoeldobledelporcentajedealcohol.Unlicor 100-mooftiene 50% de etanol.

B. Oxidaciónbiol6gicadeletanol En el sistema de los mamíferos, el etanol ingerido se oxida principalmenteen elhígado, con ayuda de una enzima llamada deshidrogenasa alcohdlica. El producto de esta deshidrogenacidn es el acetaldehído, CH,CHO. (La oxidaci6n biológica del metano1 lleva al formaldehído, HCHO, que es t6xico.) El acetaldehído del etanol es oxidado ulteriormente por medio de enzimas, a ion acetato, CH,CO,-, que se esterifica con la ti01 coenzima A (abreviada frecuentemente como HSCoA). El producto dela esterificaci6n es la acetil-coenzima A. (La estructura completa de la acetil-coenzima A se muestra en la página 646.) El grupo acetilo (CH,CO-) de la acetilcoenzima A puedeconvertirse en COZ,H,O y energía o en otros compuestos, tales como grasas.

C. Oxidaci6n delosalcoholesen

el laboratorio

En general, los agentes oxidantes de laboratoriooxidan los alcoholes primarios a hcidos carboxílicos y los alcoholes secundarios a cetonas.

RCHzOH un alcohol 1””

[O1

RCHR un alcohol 2””

I1

RCOH


OH

I

O

O

a

II

RCR una cefona

Algunos agentes oxidantes típicos, usados en estas oxidaciones son:

+ HO- ;

1.

permanganato de potasio alcalino: KMnO,

2.

ácid0 nítrico concentrado y caliente: HNO,;

3.

hcido cr6mico:H,Cr04 (preparado in situ a partir de CrO, o de Na,Cr,O, con HzSO4).

Los alcoholesprimarios se oxidan primero a aldehídos. L o s aldehídos se oxidan más fhcilmente que los alcoholes; por lo que la oxidaci6n continúa generalmente hasta el hcido carboxílico (o, en disolución alcalina, su ani6n).

Oxidaci6n en los alcoholes Secci6n

CHJCH2CH,0H + H2Cr04

H' " +

$1

[

7.13.

297

CH3CH2C0,H + Cr3'

CH3CH,CH

kid0 propanoic0

propanol

[ o ! H ]

()-CO,

ciclohexil-metano1

~

+ MnO,

C)-CO,H U

kido ciclo-hexan-carboxílico

Si el aldehído intermediario tiene bajo punto de ebullición, puede destilarse de la mezcla de reacción, antes de que se oxide a ácido carboxílico. Por lo general, los rendimientos de aldehídos por este mktodo son bajos; por consiguiente, esta tkcnica es de limitado valor sintktico. Un reactivo mejor para oxidar alcoholes primarios a aldehídos es un complejo 6xido crómico-piridina, que no oxida el aldehído a ácido carboxílico.

propanol

propanal

"

piridina

Los alcoholes secundariosse oxidan acetonas con excelente rendimiento, usando agentes oxidantes comunes. (Generalmente se emplean condiciones ácidas, ya que las cetonas pueden oxidarse en solución alcalina.)

(to. ciclohexanona

H,C'rO,

H'

'

ciclohexanol 95%

.

Los alcoholes terciarios no se oxidan en condiciones alcalinas. Si la oxidación se intenta en disoluci6n ácida, el alcohol terciario se deshidrata y entonces el alqueno se oxida. La oxidación de los alquenos será tratada en el Capítulo 9. nohay reacci6n

R,,COH un

a'uoho' 3""

\tt

alquenos

[O1 >

productos de oxidaci6n de alquenos

Los mecanismos demuchas reacciones de oxidación noestán completamenteaclarados.

A causa de las posibles variaciones de las formas reducidas de Mn(VI1) (pro-

298


Capitulo 7

cedentes de MnO.,-), o de Cr(V1) (procedentes de CIO:"), los mecanismos pueden ser muy complicados. En algunas reacciones, el agente oxidante forma, probablemente, un &ter inorghico con el alcohol, del que resultan los productos oxidados por desplazamientos apropiados de electrones y protones.

- [ fli ] ,.-O:

H

R,CHOH

-H,O

+ HCrO,

HO:

*-

RZC-O-R C ,rC OA=-rGo +-

II

('r(V1)

O un hter

Cr(lV)

inorgcfnico


Prediga los productos org6nicos de la oxidaci6n con H,CrO, de: (a) ciclopentanol y (b) alcohol bencílico (Sugerencia: el anillo benchico no se afecta por el H2Cr0,.)

D. Oxidacidndelos1,2-dioles La oxidaci6n con hcido pery6dico es una prueba de la presencia de 1,2-dioles y de 1,2- 6 a-hidroxi-aldehídos y -cetonas. Un compuesto que contenga tal agrupamiento se oxida y se rompe al ser tratado con &ido pery6dico (HIO,). En el caso de un 1,2diol simple, los productos son dos aldehídos o cetonas.

< OH

OH!

I

: I

RCW+-CHR

O

I1

&

O

II RC'H + HC'R + HIO,

OH

I

1110,

RCC-H ?C'H R C'H,O

O

I I HIO,

+

no reacciona

OH

I 1 RCH--('HR

IIIO,

no reacciona

La reacción de oxidaci6n del k i d 0 pery6dico transcurre a travbs de un intermediario cíclico, hecho que explica por quC no se oxidan los grupos oxhidrilo aislados.


Prediga los productos de la oxidaci6n con kido pery6dico del siguiente compuesto: OOHOHC H ,

I

l

l

CH,CH"CH"CH,

Seccidn 7.13.

Oxidaci6n en los alcoholes

299

En el caso de a-hidroxi-aldehídos o -cetonas, elgrupo carbonilo se oxida agrupo cwboxilo y los grupos oxhidrilo se oxidan a aldehído o cetona.

O OH

II

I

HC-CHR

HIO,

O

O

O

O

II

II + HCR + H10,

11

HCOH

La oxidación con un ácido peryódico se emplea enla química de carbohidratos para el analisis de azúcares. La mayoría de los azúcares tienen un grupo aldehído y grupos oxhidrilo en los otros átomos de carbono. En estos casos, la oxidación progresa más allá de la que se lleva a cabo en un simple 1,2-diol. Por ejemplo, los productos de la oxidaci6n con Acid0 pery6dico del azúcar eritrosa (2,3,4-trihidroxibutanal)son formaldehído y &ido fórmico en la relación molar 1:3. OH

OH

OH

I

O

I I II CH,"CH"CH"CH v_

i

-

O

+

HCH

3HCOH

formaldehído Acid0

\

se oxida a HCHO

O

II

HIO,

f6rmico

se oxidan a

HCOOH

La oxidación de los grupos CHOH de la eritrosa a hcido fórmico puede entenderse considerando la reaccih por pasos.

kido f6rmico Paso 2:

se oxidan

OH

I

"

OH

I

O

11

CH2"CH--CH

OH Hi0 -f

O

I

11

CH,-CH

O

+

I1

HCOH Lido f6rmico

Paso 3: 1

OH

O

O

I 11 CH,-CH

HI0

II

HCH formaldehído

O

+

I1

HCOH kido f6rmico

300

Capitulo 7



Prediga los productos de la oxidacidn de la glucosa con

kid0 pery6dico

SECC16N 7.14.

Preparación de éteres A.

Éterdietílico

En condiciones apropiadas, la reacci6n del ácido sulfúrico con etanol produce Cter dietílico, a travts del intermediario sulfato ácido de etilo. (Esta reaccidn se mencion6 por primera vez ¡hacia 1500! Hasta 1800 se pensaba que el éter dietílico contenía azufre en su estructura cuando, de hecho, el azufre era una impureza resultante del Acid0 sulfúrico.)

El Cter dietílico es, indudablemente, el disolvente orgánico más popular en el laboratorio. De inter& hist6rico es su introduccibn, en el siglo pasado, como anestCsico general, junto con el clorofomo y el óxido nitroso (N,O,gas hilarante). El Cter dietílico y el 6xido nitroso se usantodavía como anestksicos. (Elcloroformo tiene, sin embargo, un corto margen de seguridad y daña el hígado, como lo hacen muchos hidrocarburos clorados.) El Cter dietílico es volátil, sus vapores son explosivos y tiene tendencia a producir náuseas. A pesar de estos inconvenientes, fisiol6gicamente es un anestCsico relativamente seguro. Otros éteres que se emplean como anestCsicos son: el Cter metilpropílico (CH,OCH,CH,CH,) y el éter etil vinílico (CH,CH,OCH = CH,).

B. SíntesisdeéteresdeWilliamson La síntesis de &eres de Williamson es, en el laboratorio, el procedimiento más

versátil para sintetizar Cteres.La síntesis de Williamson es la reacci6n S,2 de un halogenuro de alquilo con un alcóxido o fen6xid0, reacci6n que discutimos con detalle en el Capítulo 5. /"'

KO

= CH3 O l""

+ R'X 3

ROR' + X

1\

'R'

=

CH, lMo 2", , 3", 6 Ar

Los mejores rendimientosse obtienen cuando el halogenurode alquilo es metílico o primario; (los halogenuros de alquilo secundarios y terciarios producen alquenos, mientras que los halogenuros arííicos y vinílicos no dan reacciones S,2). El alc6xido que puede emplearse en una síntesis de Williamson, tiene pocas limitaciones. Puede ser metílico, primario, secundario, terciario o alnico. Generalmente, se emplean alcóxidos o fen6xidos de sodio o de potasio.

Reacciones de sustituci6n de los éteres

Seccidn 7.15.

301

Sintesis de &eres dialquilicos:

CH,O-

f" --l CH,OCH2CH>CH, 0 S,> +CH3CH2CHl"CI

1-cloro-propano met6xido i6n

+ CICter metil-propilico

+

CHJCHZCH~O-

CHJI

S,? A

CH,0CH,CH2CH,3 + I -

metil-propilico i6nyodometano 6ter prop6xido

(CH,)JCO

+ CH,I

$ 2

i6n t-buthido

(CH,T)JCOCH3+ I Cter t-butil-metííico

Sintesis de un @teralquil-arilico:

i6n bromoetano I'en6xido

~~

tter etil-fenílico

~


Muestre con ecuaciones el mejormktodo para preparar cada uno de los siguientes Qteres, usando una síntesis de Williamson:

SECC16N 7.15.

Reacciones de sustitución de los éteres L o s éteres son muy poco reactivos y se comportan más bien como alcanos que como compuestos orgánicos con grupos funcionales. Los éteres sufren auto-oxidaci6n (Secci6n 6.6C) y combusti611 (que ocurre facilmente); pero no se oxidan con los reactivos de laboratorio, ni dan reacciones de reducci6n y eliminaci6n o reacciones con bases. Cuando se calientan con acidos fuertes, los éteres dan reacciones de sustituci6n. Por ejemplo, cuando se caliente con HI o con HBr, un 6ter sufre una reacciónde sustituci6n para darun alcohol yun halogenuro de alquilo. (En estas condiciones, el alcohol puede reaccionar ulteriormente con HI o con HBr, para darmás yoduro o bromuro de alquilo.) CH.3CHZOCH,CH,,+ HI 6ter dietílico

calor

CH,3CH,I

+ HOCH,CH,3

yodoetano

etanol

CH,,CHZI

302

Capitulo 7


Larupturade un tter con HI 6 HBr transcurre casi por el mismo mecanismo que la reacción de un alcohol con HX:protonaci6n del oxígeno, seguida por reacci6n sN1ó sN2. (La protonacibn es necesaria, porque RO-es un mal grupo saliente, mientras que ROH, igual que H,O, es desplazado fácilmente.) H H'

CH,CH,-O--CH,CH,

[:; .. :I-

11

CH.3

-

I1-

CH3CH2-O"CHzCH,

I

-CH,-

'

protonudo

H - -O--CH,CH, o+

estado de transicidn SJ

CH,CH2:<:

+- H¿jCHzCH,

Un tter alquil-fenílico, tal como el anisol, produce un yodurodealquilo y un fenol (no yodobenceno), porque el enlace al carbono sp' es más fuerte que el enlace al carbono sp3 (Sección 2.4F). no se

rompe

/ @O-CHr

+ HI

C

rO''

dter metil-fenílico

O fenol

H

+

CH,I yodometano

PROBLEMA MODELO

Dé los pasos de la ruptura del tter diisopropíhco con HI (reacci6n SNl).


El procedimiento Z e i i l paradeterminar el ndmerodegrupos metoxilo (CH,O-) o etoxilos (cH,CH,O-) en un dter alquil arííico, consiste en la ruptura del tter con exceso de HI, seguida por la destilaci6n del yoduro de metilo o de etilo volhtil, de la mezcla de reacci6n. La cantidad de yoduo vol&tilse determina por reaccidn con nitrato de plata acuoso. Escriba las ecuaciones para lasreacciones que o c d a n en la determinaci6n delos WPOS metoxilo del1,2,3-trimetoxibenceno. OCH.3

I

SECC16N 7.1 6.

Reacciones de sustitucih de los epóxidos Los ep6xidos se sintetizan por reacci6n de alquenos con &ido perbenzoico (C,H,CO,H). Esta reacci6n ser6 tratada en la Seccibn9.14B. Antes de discutirlas reacciones de los ep6xidos, consideremos algunos aspectos de la estructura de un ep6xido. Un anillo de ep6xid0, semejante al anillo de ciclosp3, de109";en este caso, los propano, no puede tener 6ngulos de enlace normal hgulos internucleares son de 60".requisito geométrico del anillo de tres miembros. Los orbitales que forman los enlaces del anillo son incapaces de una superposici6n completa; por consiguiente,los anillos de ep6xidoe s t h tensionados. La polaridad de a la alta reactividad de los los enlacesC - 0 sumada a la tensi6n del anillo contribuye ep6xidos comparada con lade otros &eres.

Un ep6xido Sustituido puede ser capaz de isomería geométrica, debido a que es cíclico.

cis

trans

Los anillos de ep6xido pueden formar parte de sistemas de anillos fusionados; en este caso, el ep6xido es cis respecto delotro anillo. (Los hgulos de enlace requeridos para un anillo de tres miembros, hacen imposible la configuracibntrans.)

6xido de ciclopenteno anillosfusionados

un sistema de


~Cua de los siguientes ep6xidos puede existir como par de idmeros geom6tricos.

La apertura del anillo tensionadot r ede s miembros lleva a productos mhs estables, de menor energía.La reacci6n característica de los ep6xidos es la apertura del anillo, que puedeocurrir bajo condiciones alcalinas o Acidas. Estas reaccionesde los ep6xidos se conocen como reacciones de ruptura, catalizadas por bases o por Acidos.

304

Alcoholes, &eres y compuestosrelacionados

Capitulo 7

oxirano (6xido de etileno)

1 ,2-etanodiol (etilen glicol)

2-cloro-etanol (etilen-clorh1drina)

A. Ruptura catalizada por bases Los epóxidos sufren ataque S,2 por nucleófilos, tales como iones hidróxido o alcóxido. Los pasos en las reacciones del óxido de etileno con ion hidróxido (NaOH o KOH en agua) y con ion metóxido (NaOCH, en metanol) son los siguientes: (7.. /+

:( j:--

:¿i3 / \

:¿it{

I

S, 2

C'tI,-Ct12 +-:¿jl{

H-QH

u*

'

CHz--C'H2OH extrayendo un

t-

I

('H,CH,OH

J-

:OH

1,2-etanodiol

proton del agua

9 \

/

0-

('H,"<.H,

t

-O('ll.,

I

\,2 -"--4

C'tlI-('li20('H,

L/

en exceso ( + Y -

11,Otl

o ti

I

C'lt2C'kt20C'ti.3

+ C'H.30

2-metoxi-etanol

En la ruptura catalizada por bases, el nucleófilo ataca al carbono menos impedido, justamente como se esperm'a de un ataque S,2 (1," > 2"" > 3,").

o

/ \

CYt,,-C'-(.H

J'H, \ N ü

en medio bcisico, se ataca al carbono menos impedido

Un reactivo de Grignard contiene un carbono parcialmente negativo y ataca al anillo del epóxido, de la misma manera que otros nucleófilos. El producto es la sal de magnesio de un alcohol; el alcohol puede obtenerse por hidrólisis. La reacción de un reactivo de Grignard con el óxido de etileno es un mktodo por el cual la cadena hidrocarbonada del reactivo de Grignard puede alargarse en dos átomos de carbono.

Reacciones de sustitucidn de

Seccidn 7. I

los &eres

305

:s.

Del yoduro de rnetil-rnagnesioa propanol:

0- 'Mgl d

~

CH3"MgI

I

+ CH,"CH,

H,O. H

CH,CH?CH2

u

~

___*

CH3CH2CH,0H

Del bromuro de ciclohexil-magnesioa 2-ciclohexil-etanol

0-

CH,CH,OH

PROBLEMA MODELO Sugiera una síntesis para el 2-fed-etanol, partiendo del bromobenceno. Solucidn: 1.

Conviertaelbromobencenoenreactivode

+ Mg

C,H,Br 2.

Grignard.

TrateelreactivodeGrignardcon

&I

C,H,MgBr

6xido de etileno.

O

/ \

C',,H,MgBr + ( ' H Z " C H , 3.

C,,H,CH2C'H20MgBr

Hidroliceelalcdxidodemagnesio.

C',H,CH2CH20MgBr + H '

H J L

-

C,H,CH2CH20H

+ M$' + Br

B. Rupturacatalizada por Bcidos En disolucih ácida, se protona el oxígeno de un ep6xido. El ep6xido protonado puede ser atacado por nucleófilos débiles, tales como agua, alcoholes o iones halogenuro. General:

H

/ \

CH?-C.H2

:¿i H I

,, joq C C'H,-C'HL

A

C'HI-CH,

I

Nu

protonado

OH

OH

I

CH-CH, 'O-H I?

/O\

<'H2-CH2

tl.

e

/O\ CH2-CH2

N ('H,Oti

\

1

t.CH,CH,OH 1,2,-etandiol

I

lI,O

H

-H'

oH

OH

1

-H.

CH2"CH, CH2CH,0C.H,,

I

HOC'H,,

(/)H

.

C'H2CH2CI 2-cloro-etanol

1

1.2,-etanodiol

306

Capitulo 7


En contraste con la ruptura catalizada por bases, el ataque en medio ácido ocurre en el carbono más impedido.

2,2-dimetil-oxirano

I

I

C'H,¿jH

Debemos concluir que el epóxido protonado tiene bastante carácter de carbocatión. Si éste es el caso, hay una carga positiva parcial en el carbono con mayor número de grupos alquilo (estabilidad del carbocatión: 3"' > 2"' > 1 ~ O ) . El ataque nucleofílico subsiguiente está favorecido en el carbono más positivo, aunque este carbono sea el más impedido.

C'H,"C"('H, CH3

En medio cicido, el ataque ocurre en el carbono &S impedido, porque tiene mayor carga positiva.

¿Cómo sabemos que no se forma un verdadero carbocatión? Cuando el producto de la ruptura del epóxido es capaz de presentar isomería geométrica, sólo se observa el producto trans. Si la reacciónprocedieseatravés de un verdadero carbocatión intermediario, se observm'an ambos productos: cis y rrans. OH

H

-tl , / I '

I OH rrans-l,2-~iclohexandiol producto observado

el ataque por ambrs lados daría ambos isdmeros: cis y trans, lo que m ocurre

Tioles y sulfuros

Seccidn 7.17.

307

PROBLEMA MODELO Prediga los productos:

o

/ \

/O\

(b) C'H,CH-CH2

+ CH,OH

H

SolucWn: OH

(a) En medio bhsico, el ataque ocurre en el carbono menos impedido: (b) Enmedioácidoelataqueocurreen

el carbono m8simpedido:

I

CH,CHCH,OCH, CH,CHCH

I

OCH,


Predigalosproductosdelasreacciones metano1 y (b) HCI acuoso:

del siguienteep6xidocon(a)met6xidodesodioen

S E C C I ~ N7.17.

Tioles y sulfuros El azufre está justamente debajo del oxígeno en la tabla periódica. Muchos compuestos orghicos con oxígeno tienen análogos que contienen azufre. El analog0 con azufre de un alcohol se llama alcanotiol, sencillamente tiol, o su nombre más antiguo, mercaptano. El grupo -SH se llama grupo tiol o grupo sulfhidrilo. SH C'H ,SH rnetanotiol

I

,C'H,<'H<'lI, ('H 2- butanotiol

La prapiedad más característica de un ti01 es ¡su olor! La nariz humana es muy sensible a estos compuestos y puede detectar su presencia a niveles de 0.02 partes del tiol en mil millones de partes de aire. El olor de los zomllos* se debe, principalmente, a algunos tioles sencillos. Podemos deducir algunas propiedades de los tioles, en relación con las de los alcoholes, comparando el sulfuro de hidrógeno y el agua. Por *rnofetas

308

Alcoholes,&eres y compuestosrelacionados

Capitulo 7

ejemplo, H,S(pKu=7.04 es un &ido m& fuerte que el agua (pKu= 15.7). Los tides @Ka-8), tambiCn son&dios sustancialmente ntls fuertes que los alcoholes @Ka= 16).

-

CH,CH,SH

+

OH

~

t-

+

CH3CH2S- + H,O

nuís fuerte que RS-

&i& nuísfuerte que H,O

base

El azufre es menos electronegativo que el oxígeno y sus electrones externos esth mis esparcidos; por consiguiente, los &tomos de azufre forman enlaces de hidr6geno mis dCbiles que los &tomos de oxígeno. Por esta razón, H,S (p.eb. - 61") es más volátil que el agua (p. eb. 100") y los tioles son mfis volitiles que sus alcoholes anhlogos. El tratamiento de un halogenuro de alquilo con el ion sulfuro ácido (HS-), da lugar a un tiol. Se obtienen buenos rendimientos sólo si se emplea un exceso de sulfuro &cid0 inorgainico, porque el tiol resultante (que es ácido) puede ionizarse para formar el ion RS- que tambiCn es un buen nucleófilo y la reacci6n deRS- con el halogenuro de alquilo da un sulfuro, R,S. CH,I

-

+ SH-

+1

CH,SH metanotiol

Cuando un tiol se trata con oxidantes suaves (tales comoI*), sufre una reacci6n de acoplamiento para formar un disulfuro, compuesto que contiene el enlace .S' Esta reacción puede invertirse, tratando el disulfuro con un reductor (tal como litio metAlico en NH, líquido). 2 CH,CH,SH etanotiol

lo1

L CH,CM2S-SCH2CH3 IH1 disulfuro de dietilo L

.

Este enlace disulfuro, es una característica estructural importante de algunas proteínas(Sección19.1B). Launión disulfuro,ayudaamantenerlascadenasde proteínas unidas en forma apropiada. La posición del disulfuro determina, por ejemplo, si el cabello (una proteína) es rizado o lacio. Un sulfuro puede oxidarsesulf6xido a o sulfona, dependiendo de las condiciones de reacción. Por ejemplo, el peróxido de hidrógeno 30% al en presencia de un ácido, oxida un sulfuro a sulfóxido a 25" o a sulfona a 100". O

II

CH,SCHA dimetil-sulf6xido

CH3SCHA

+ HZ02 o dimetil-sulfona

ducto

Secci6n 7.18.

Uso de alcoholes y éteres sintesis en

309

El dimetil-sulf6xido (DMSO) se prepara industrialmente por oxidaci6n al aire del sulfur0 de dimetilo; tambiCn es un subproducto dela industria del papel. El DMSO es un disolvente Único y versiitil. Tiene una constante dielktrica alta (49D), pero no forma enlaces de hidr6geno en estado puro. (¿Por qut no?) Es un disolvente poderoso para iones inorghicos y compuestos orghicos. Los reactivos con frecuencia realzan su reactividad enDMSO, al compararla conla que presentan en disolventes alcoh6licos. El DMSO penetra fhcilmentela piel y se ha usado para promover la absorcibn epidCrmica de f b a c o s ; sin embargo, el DMSO puede tambitn causar la absorci6n de suciedad y venenos. Una queja común delos que trabajan con DMSO es que cuando les salpica en las manos, pueden percibir su sabor.


Explique (a) por qut el dimetil sulf6xido es miscible con el agua y (b) por qut este compuesto actha como Acid0 dkbil.

SECCldN 7.1 8.

Uso de alcoholes y éteres en síntesis A excepcibn de losep6xidos,los Cteresnosonmuyútilesen la síntesis de otros compuestos orghicos. Sin embargo, los alcoholesson materias primas versatiles, para la preparaci6n de halogenuros de alquilo, alquenos, compuestos carbonílicos y Cteres.. Los tiposdecompuestosquepuedenobtenerse apartirde alcoholes y ep6xidosse muestranenlastablas 7.7 y 7.8. Con lasreacciones presentadasen estecapítulo, combinadas con las vistas previamente, puede prepararse un gran número de tipos de compuestos, a partir de una gran variedad de materias primas.

TABLA 7.7. Tipos de compuestos que pueden obtenerse

a partir de alcoholes.

Reaccidn

-

Sustituci6n: ROH

+ HX

ROH

+ PX,

6

SOCI2

__*

RX

halogenlvo de alquilo

7.6

RX

halogenun, de alquilo

7.7

Eliminacih:

+ H,SO,

-

+ H,SO,

-

OH

I

R,CCHR,

Calm

R,C=CR, alqueno

7.8

Trasposici6n:

OH OH

I

I

R2C"CR;

O

II

R,C-CR'

I

R'

cetona

7.8 , ,

.-..

(conrinlia)


Capitulo 7

31O

TABLA 7.7. ~

Producto

~~~

Reacci6n

Seccidn

_"

-~~

~~

~~~

.~

~

~

~

~

~.

~~

Formación de alcóxido:. ROH

+ Na

R O ~N a -

alcóxido

7.10

R'C02R

éster

ROTS

éster inorgPnicob

7.11. 12.9. I3.5B 7.12

RCHO

aldehido

7.13

-

RCO,H R,C=O

ácid0 carboxííico cetona

7.13 7.1.;

+

RCHO

aldehido'

7.13

~-

+

Esteri6cación: ROH

+ R'C02H

ROH

+ TsCI

ti -t

-

"~

Oxidaci6n: RCH20H

+ CrO,

.

2piridina

+

KCH,OH + LO] R,CHOH [O] OH OH

+

+

I

I

RCH-CHR'

~"

+ HIO,

.~

+ R'CHO

'Los fen6xidos pueden preparame a partir defenoles y NaOH acuoso (Secci6n 7.10). Se utilizan RO- y Aro- (junto con RX metílico y I-) enlasintesis de &eres. bPara la síntesis de otros Meres inorgzhicos, v h e la Secci6n 7.12. cTambi6n pueden obtenerse otros compuestos (Secci6n 7.13D).

TAB*

Producto

7.8. Tipos de compuestos que pueden obtenerse a partir de los ep6xidos.

Reaccidn

Seccidn

o

1 \,

RZC-CR,

OH

+ R'OH

H. 6 K O ---+

I

R2C-CR,

1

OR'

1,2-alcoxialcohol

7.16

1,2-halohidrina

7.16

OH /O\, R,C"CR,

S

HX

I

--t

R2C"CR,

I

X 7.16

Uso de alcoholes

y &eres

en sintesis

31 1

Secci6n 7.18.

PROBLEMA MODELO Sugiera una síntesis para 3-metil-3-hexano1,partiendo de alcoholes de cuatro carbonos O menos. Soluci6n: 1. Escriba la estructuradel 3-metil-3hexanol:

OH

I I

CH,CH,CH,CCH2CH, CH, 2.

Decidasobre los reactivosaemplear.(Recuerdeenfocarelproblemasint6ticoen troceso.) Es un alcohol 3-, así que puede prepararse por una reaccibn de Grignard.

3.

Los reactivos delpasoanteriorpuedenobtenersede

CH,CHCH2CH, CH,CH,CH,OH CH,CW2CH?Br

II

H,CrO,+

_- CH,CCH2CH,

--12&ter

4.

alcoholes.

O

OH

I

re-

CH,CH,CH,MgBr

dietílico

Escribalasecuenciasint6ticacompleta.


Sugiera un m6todoparaprepararacetato Único reactivo org&nico.

7.29.

Sugiera unm6todoparaconvertirciclopentanolen1-ciclopentil-etano1(puedenusarse reactivos org6nicos).

7.30.

Muestre c6mo preparm’a el ftcido 4-metil-pentanoico a partir de alcoholes o ep6xidos de cuatro carbonos o menos.

de etilo (CH,C02CH2CH,)apartirdeetanolcomo

otros

31 2

Capitulo 7


Resumen Los alcoholes y los éteres contienen un oxígeno sp3 con dos orbitales llenos. Estos compuestos son polares. Los alcoholes pueden formar enlaces de hidrógeno consigo mismos y ambos tipos de compuestos pueden formar enlaces de hidrógeno con el agua o con cualquier otro compuesto que tenga grupos NH u OH. L o s alcoholes pueden prepararse en el laboratorio, por reacción S,2 de un halogenuro de alquilo primario con OH-; por reacción de un reactivo de Grignard con un compuesto carbonílico o un ep6xido; o p o r hidratación de alquenos. En la Tabla 7.5, página 272, puede verse un resumen de estas reacciones. Los alcoholes dan reacciones de susritucibn con HX (alcoholes larios, S,2; alcoholes 2""' y 3"OS, S,l). Los alcoholes dan reacciones de eliminación con ácido sulfúrico y otros ácidos fuertes; en estos casos, el orden de reactividad de los alcoholes es 3"", 2ari0,1"". L o s halogenuros de alquilo pueden prepararse a partir de alcoholes y SOCl, ó Pcl,, sin que haya trasposición. ROH

Sustitucibn:

+ HX

RX

__+

+ H,O

OH Eliminaci6n:

'

R,CH-CR2

+ H,O

R,C=CR,

calor

Un alc6xido (RO-) puede prepararse a partir de un alcohol y una base fuerte o un metal alcalino (Rh4gX) NH,-,Na, K). Un fen6xido (Aro-)puede formarse por reacción de un fenol con un hidróxido de un metal alcalino (NaOH, KOH). ROH

ArOH

+ Na

R O N ~ a' + : H z

+ NaOH

e

+

Aro

Na'

+ H,O

Un alcohol puede reaccionar con un ácido o con un derivado de un ácido, para dar un &ter de Lido carboxllico (RC0,R) o un ester inorghnico, tal como RONO, ó ROS0,H. (Estas reacciones se muestran en la Tabla 7 . 7 , pBg. 309.) La mayoría de los grupos tster inorgánicos son buenos grupos salientes. La oxidaci6nde un alcohol primario produce un ácido carboxílico (oun aldehído), mientras que la oxidación de un alcohol secundario produce una cetona (Tabla 7 . 7 ) . Los &res pueden prepararse por reaccibnde un alcóxido a un fenóxido (buenos nucleófilos) con un halogenuro de metilo o de alquilo primario. RO-

+ R'X

-

ROR'+

x

&eres no sufren reacciones de eliminacih pero pueden dar reacciones de sustitución cuando se calientan con HBr 6 HI.

ROR

+ HI

_ calor+ _

RI

+ ROH

HI

RI

Los ep6xidos son más reactivos que otros &eres y sufren apertur? de anillo S,2 cuando se tratan con nucleófilos (ya sea en soluci6n ácida o en solución alcalina) o con reactivos de Grignard. Estas reacciones se resumen en la Tabla 7.8, pág. 310. L o s tioles pueden emplearse para preparar sulfuros o disulfuros. Los sulfuros pueden oxidarse a sulf6xidos y sulfonas.


~

RS

H /

KY

RSR

/

RSH un ti01

O

ll

LO1

RSR un sulfur0

un sulj6xido

-

31 3

O

[O1

O U M

RSSR

II II

RSR sulfona

un disulfuro


Nombre todos los grupos funcionales que contienen oxígeno en los siguientes compuestos: (a) el antihistaminico Benadril; (CH,),NCH,CH,OCH(C,H,), (b) el f h a c o morfina (c) tetrahidro-canabinol (el principal ingrediente activo de la marihuana):

7.32.

7.33.

7.34.

¿QuB compuesto, en cada grupo, sera el mas soluble en agua? Explique. (a) alcohol n-butílico, alcohol isobutilico, alcohol t-butílico (b)Bter dietílico, tetrahidro-furano (c)1-bromo-octano,1-octeno, octano1 (d) pentano, pentanol, 3-pentanol, 1,S-pentanodiol

Escriba un nombre aceptable para cada uno de los siguientes alcoholes; clasifíquelos como lb",

2M06 3*.

D6 nombresapropiadosalassiguientesestructuras. (a) CH,OCH,CH,OCH,

(b) (CH,),CHOCH,CH,CH, H3C (d)

H

tl

H

I ,o.,I

C-C

I

1

H

CH,

314

Capitulo 7


7.35.

Complete las siguientes ecuaciones, dando los productos orgánicos principales:

7.36.

Escriba las ecuaciones que muestren c6mo podría prepararse cada uno de los siguientes alcoholes: (1) por reducción de un compuesto carbonflico y (2) por una reacción de Grignard.

OH

I

( b ) (CH,)2CHCH2CHCH,

H

7.37.

Escriba la ecuación para la reacción que ocurre cuando cada uno de los siguientes alcoholes se trata con HI (muestre los mecanismos). (a) 2-propanol (b)ciclohexanol (c) butanol

7.38.

Complete las siguiente ecuaciona:


315

7.39.

Complete l a s siguientes ecuacionespara reacciones de sustituci6n. ¿Cuáltiene velocidad de reacci6n mayor? ¿Cuál es más lenta? Explique.

7.40.

Trace los diagramas energéticos para las reacciones de los problemas 7.39 (b) y (c). (Emplee el alcohol protonado como reactivo orgánico.)

7.41.

Dt5 la estructura del halogenuro de transposici6n esperado en cada una de las siguientes reacciones:

-

(a) 3,3-dimetil-2-butanol + HCI-, ZnC1, (b) 2,2-difenil-etanol HI

+

7.42.

En el problema 7.41, ¿qué alquenos esperm'a como sub-productos en cada caso?

7.43.

¿Cuál sería el producto de la reacci6n cuando el (S)-2-hexanol se trata con: (a) PCI,; (b) SOCI, en éter; (c) HCI + ZnC1,; (d) SOCI, en piridina?

7.44.

Prediga los productos orgánicos principales de las reacciones de deshidrataci6n de los siguientes alcoholes. Incluva la estereoquímica del Droducto si es aplicable. (a) 2-hexanol: (b) l-fenil-2propanol; (c) butanol; (d) 2-butanol; (e) 4metil-l,4-pent&odiol (eliminacibn de s610 1 mol de agua).

7.45.

Por deshidratacih, el 2,2-dimetil-ciclohexanoldados alquenos, ambos resultados de trasposiciones. Uno contiene un anillo de cinco miembros. ¿Cuáles son estos alquenos?

7.46.

Prediga los productos principales de la reacción de los siguientes dioles con H,SO,:

7.47.

Complete las ecuaciones siguientes para reacciones ácido-base: (a)

C'H,C'tíLOH + t i

(b) O

O

( d ) (CH,),CO

7.48.

H

+ OH- e + HzO

G"t

¿Cuáles serán los productos de la reacci6n (si la hay) de los compuestos siguientes con et6xido de sodio? (a) 2-bromo-propano; (b) agua; (c) ácido acético; (d) fenol.

31 6

Capitulo 7


7.49.

Si seañadiese butanol a cada uno delos siguientes reactivos, ¿qué productos principales esperaria? (a) yoduro de metil-magnesio; (b) fenil-litio; (c) fenóxido de sodio; (d) acetato de sodio; (e) HBr; (f) potasio metálico.

7.50.

¿Cuáles de los siguientes compuestos están estabilizados por resonancia? Escriba las estructuras en resonancia más importantes.

7.51.

Dé el producto orgánico principal (si lo hay), de la reacción de (R)-2-heptanol con cada uno de los siguientes reactivos: (a) H,CrQ,; (b) HI; (c) Li metiílico; (d) H,SO, concentrado y caliente; (e) CH,MgI; (f) NaCl acuoso; (8) NaOH acuoso; (h) SOC1, en éter.

7.52.

Escriba las ecuaciones para las siguientes reacciones: (a) (S)-2-pentanol y cloruto de tosilo; (b) (R)-2-butanol y H,SO, a 180"; (c) (R)-2-butanol y ClS0,H; (d) C,H,CO,-Na' y sulfato de dietilo; (e) tosilato de (R)-2-butilo y etanol bajo condiciones de S,1.

7.53.

Sugiera un método para la preparación de cada uno de los siguientes compuestos, a partir de un alcohol. un diol o un fenol: H

OTs I

6

(a) C H , C H , C r C H (b) CH,CH,CHO

7.55.

ó

CH,CH,CO,H CH,CH,CH,OH

Sugiera un alcohol y un oxidante para preparar: (a) 3-mefl-ciclvhexanona;(b) butanona; (c) butand (CH,CH,C&CHO); (d) k i d 0 butanoico.


7.56.

Trescompuestos (A, B yC)sesometenaoxidaci6nconHIO,,obtenikndose productos, icuiiles son las estructuras de A , B y C? O (a)

II

+ HCCH,CH,

CH3COH O

II

(c) HCH

O

O

II

II

317

los siguientes

O

II

(b) CH,CCH,CH,CH,CH

O

II

+ CH,CCH,

7.57.

(a) Existen dos modos de preparar C.J3T,CH,0CH,CH, por síntesis de Williamson. Escriba las ecuaciones b) Escriba una ecuaci6n para la preparaci6n deC,H,OCH,CH,CH,.

7.58.

Prediga los productosorgánicosprincipales:

c

C'H 3

(¿I)

(b)

O

+ un equivalenteHI de

ciH3+ excesodeHI

7.59.

Prediga los productosorgánicosprincipales,cuandoel6xidodepropileno(metiloxirano)se trata con los siguientes reactivos; (a)NH,; (b) pentanol y HC1; (c) CH, = CHCH,MgBr y luego HCI diluido; (d) fenil-litio y luego HCl diluido; (e) disoluci611de fenol y NaOH.

7.60.

¿Cuál sena el producto de la siguiente reaccih? (No olvide la estereoquímica.)

7.61.

Complete las siguientes ecuaciones, dando solamente (a) CH,CH,SCH,CH,

(b)

cs

(c) (SH

7.62.

+

+ H,O,

los productos orgánicos principales:

II

tl

"'O2

temperatura ambieite

+ NaOH

-

Un químico tenía a su disposición una mezcla de HCI + ZnCl,, llamada reactivo de Lucas y una disoluci6n de yoduro de metil-magnesio. Encontró que un compuesto de estructura des-

Capitulo 7

31 8

Alcoholes, éteres y

compuestos relacionados

conocida, reaccionaba rápidamente con el reactivo de Grignard y daba reacción lenta al calentarlo con el reactivo de Lucas. ¿Qué compuesto era Cste?

7.63.

Cadauno de los siguientes hidroxi-compuestos puede originar un enlace de higr6geno idtramolecular (es decir, puente de hidrógeno entre dos grupos de la misma molécula. Escriba cada estructura, mostrando el enlace de hidrógeno intramolecular.

7.64.

¿Cómo haría las siguientes conversiones? (a) bromobenceno a ácido benzoic0 (C,H,CO,H) (b) bromuro de bencilo a estilbeno (trans-1, 2-difenil-eteno) (c) R)-2-butanol a (S)-2-butanol.

7.65,

El alcohol vinílico (CH, = CHOH) es inestable y esponthneamente forma acetaldehído (CH,CH = O). Sugiera un mecanismo para esta reacción.

7.66.

Cuando el trans-2-cloro-ciclohexanolse trata con una base, se forma óxido de ciclohexeno; sin embargo, cuando el cis-2-cloro-ciclohexanolse trata con una base, se forma ciclohexanona. (a) ¿Por qué el isómero-cis no da el óxido? (b) Escriba un mecanismo para cada reacción.

7.67.

¿Qué productos podrían obtenerse cuando elcis- 1,2-ciclohexanodiol se trata con ácido sulfúrico?

7.68.

Proponga una secuencia de reacciones para cada una de las conversiones siguientes. Utilice cualquier reactivo orgánico o inorgánico que desee. (a)

C,HsCH,

a

I

C,H,I'H2CHCH,


31 9

7.69. Tratado con SOCl,, el compuesto A da el compuesto B. La reacción de B con magnesio, seguida de reacción con acetaldehído (CH,-CHO) y luego ácidoacuoso, nol.¿Cuaes son las estructuras de los compuestos A y B?

lleva a 5-metil-2-hepta-

7.70. El disulfuro de dilo (CH, = CHCH,SSCH,CH = CH,) es uno de los compuestos que causan el olor del ajo.¿Cómo preparada esta compuesto a partir del alcohol alílico?

7.71. Sugiera una síntesis para cada uno de los compuestos siguientes, partiendo de un alcohol de cuatro átomos de carbono o menos y cualesquiera otros reactivos necesarios. O

CH3

I

(a) CH,CH,CHCH,OCH,

II

(b) (CH,),COCH,CH,

/CQ

(c) (CH,),CHCCH,

(d) CH,"CHCH,CHCICH,CH,

(e) (CH,),C=CHCH,

(f)

(8)

(CH,),CHCH,CH,CH,OH

(CH,),CHCH,CHCH,

I

CN (h) (CH,),CHOCH,CH,CI

(i)

CH,CH,CH,CHCH(CH,),

I

ONO,

7.72. Sugiera una síntesis para cada unode los siguientes compuestos, empezando con cualquier compuesto orgánico de tres o menos átomos de carbono. (a) 1-bromo-2-buteno

(b) 3-etil-3-pentanol O

II

(c) acetato de 2-butilo, CH,CH,CHOCCH,

I

CH, SCH,

7.73. Cuandoelcompuesto A (C,H,,O,) se trata con ácido peryódico, se forma formaldehído y el compuesto B (C,H,,O,). La oxidación de B con solución de KMnO, da ácido adípico: HO,C(CH,),CO,H. ¿Cuáles sona ls estructuras de A y B?

CAPíTULO 8

Espectroscopía I: Infrarrojo y Resonancia Magnética Nuclear a espectroscopía es el estudio de las interacciones entre la energía radiante y la materia. Los colores que vemos y el hecho de que podamos verlos son consecuencia de la absorción de energía por compuestosorgánicos e inorgánicos. La captura de la energía solar por las plantas, en el proceso de fotosíntesis, es otro aspecto de la interacción de compuestosorgánicos con la energía radiante. Para el químico orgánico, es de particular interés el hecho de que las longitudes de onda a las cuales un compuesto orgánico absorbe energía radiante dependen de la estructura del compuesto. Es por esto que las técnicas espectroscópicaspueden emplearse para determinar las estructuras de compuestos desconocidos y para estudiar las características de los enlaces en compuestos conocidos. En este capítulo, haremos énfasis en la espectroscopía infrarroja (1R)y en la espectroscopíaderesonanciamagnéticanuclear (RMN),las cuales se usan ampliamente en química orgánica. En el Capítulo 21, ampliaremos nuestra discusión para incluir otros tipos de espectroscopia.

L

SECCIÓN 8.1. -

~

~~

~

Radiación electromagnética La radiacidn electromagnCtica es energía trasmitida a través del espacio en forma de ondas. Cada tipo de radiación electromagnética (ondas de radio, ultravioleta, infrarroja, visible, etc.) se caracteriza por su longitud de onda (A), que es la distancia entre la cresta de una onda y la cresta de la onda más próxima (Figura 8.1). En la Figura 8.2. se representa el espectro completo de la radiación electromagnktica. Las longitudes de onda que producen efectos visuales se extienden entre 400 y 750 nm (1 nm = m6 cm); sin embargo, la regiónvisible constituye

8. l .

Radiaci6n electrornagnetica Seccibn

321

Longitud de onda A

Longitud onda demayor Longitud onda demenor FIGURA 8.1. Longitud de onda de la radiacibn electromagnetica

longitud de onda, cm:

1 O-'

10-4

IO-'

10-2

10"

longitud de onda creciente, energfa decreciente FIGURA 8.2. El espectro electromagnetico

una pequeña fracción del espectro total de radiación electromagnética. Las longitudes de onda algo mas cortas que las de la zona visible dan lugar a la llamada región ultravioleta, mientras que las longitudes de onda algo mas largas constituyen la regi6n infrarroja. Ademas de caracterizarse por su longitud de onda, las radiaciones pueden caracterizarse también por su frecuencia (v), que se define como el número de ciclos completos por segundo (cps), también llamados Hertz (Hz). (Figura 8.3). La radiación de mayor frecuencia tiene un número más elevado de ondas por segundo, por lo cual su longitud de onda ser6 menor. Por sus definiciones, longitud de onda y frecuencia son inversamente proporcionales. Esta relación puede expresarse matemhticamente:

donde

Y=

c= A=

frecuencia en Hz 3 x 10" c d s e g (velocidad de la luz) y longitud de onda en cm

En espectroscopía infrarroja, la frecuencia se expresa mediante el número de onda, es decir, el número de ciclos completos por centímetro. El número de onda se mide en inversa de centimetros ( k m ó cm"). La unidad infrarroja es el micrometro,

un ciclo completo

1 cicloheg = 1 Hz

FIGURA 8.3. Frecuencia de la radiaci6n electromagnetica

1 ciclokm = 1 cm-'

322

Capitulo 8

Espectroscopia I: Infrarrojo y Resonancia Magnetita Nuclear

~~

TABLA 8.1. Signos usados comúnmente en espectroscopía Símbolo

Defnicidn

frecuencia en Hz (ciclos por segundo) onda longitud de km micrometro o micra (p), lo-% nm nanometro o milimicra (mp), 10-9m A bgstrom, m 6 10" nm cm"númerodeonda: frecuencia eninversade

Y

A

cm 6 1IX

pm (o micra p),donde 1.0 pm= 10-6m 6 10-4cm. El número de onda y la longitud de onda pueden interconvertirse mediante la siguiente ecuaci6n: número de

ondaen cm-'

=

1 A en cm

--

x104 A en km

La Tabla 8.1 relaciona algunos símbolos comunes y algunas unidades usadas en espectroscopía. La radiaci6n electromagnttica se trasmite mediante paquetes corpusculares de energía denominados fotones o cuantos. La energíade un fot6nes inversamente proporcional a la longitud deonda, lo que se expresa matemáticamente por la ecuaci6n E = hcA, siendo h = constante de Planck. La radiaci6n de menor longitud de onda tiene mayor energía, por lo cual un fot6n de luz ultravioleta tiene mayor energía que un fot6n de ondas de radio. A la inversa, la energíade un fot6n esdirectamente proporcionala lafrecuencia (mis ondas por unidad de tiempo significa mayor energía). La relaci6n entre ambas magnitudes se expresa en la ecuaci6n E = hv. (hv seutilizamuy a menudoen las ecuaciones químicas para representar la radiaci6n electromagnttica.) ultravioleta visible

1

infrarroja

radio

A creciente (6 Y decreciente) significa energla decreciente

Las moltculas absorben solamente longitudes de ondaespecíficas de la radiacidn electromagnttica. La absorciiin de luz ultravioleta (radiaci6n de alta energía), produce la promoci6n de un electr6n a un orbital de mayor energía. La radiaci6n infrarroja no contiene suficiente energía para promover electronesa niveles superiores; su absorci6n provoca únicamente un aumentoen las amplitudes de las vibraciones de los átomos enlazados. Cuando una muestra absorbe radiaci611, disminuye el número de fotones que se trasmiten a travts de la misma, hecho que se manifiesta en un descenso de la intensidad de dicha radiaci6n. Esta disminuci6n de intensidad es precisamente lo que se mide en las determinaciones espectrosc6picas. PROBLEMAS DE ESTUDIO 8.1.

En cada caso, jcuail tiene mayor energia? (a) Radiaci6n infrarroja de 1500 cm-' o de 1600 cm". (b) Radiaci6n ultravioleta de 200 nm o de 300 nm (c) Ondas de radio de. 6 0 , O O O Hz o de 6 0 , 0 0 4 Hz.

8.2.

Efectúe las siguientes conversiones: (a) 6.000 pm a cm" (b) 800 cm-' a pm (c) 1,5 p a km

Caracteristicas de un espectro

323

Seccidn 8.2.

S E C C I ~8.2. N

Características de un espectro Un espectro visible ultravioletao de infrarrojo de un compuesto es una representaci6n gr6fica de longitud de onda o defrecuencia, cambiando continuamente en una pequeña porci6n del espectro electromagndtico contra por ciento de Pasmitancia (%T) o absorbancia (A).

%T=

intensidad X 100 intensidad original

A = log

intensidad original intensidad

En la mayoría de los espectros de infrarrojo, se registra la longitud de onda o la frecuencia contra %T. Cuando una muestra no absorbe radiaci6n a una longitud de onda en particular, se registra como un 100% T (idealmente). La absorci6n de radiaci6n a una longitud de onda dada originaun descenso en el %T, lo que se pone de manifiesto en el espectro en forma de un pico o banda de absorci6n. La porci6n del espectro donde %T es 1 0 0 o cerca de 1 0 0 se llama lhea base, la cual se registra en la parte superior de un espectro de infrarrojo. Los espectros de ultravioleta visibles (Capítulo 21), son generalmente representaciones &cas de A contralongituddeonda. En estos casos, la línea base (cero absorbancia) se registra en la parte inferior del espectro y la absorci6n aparece como un aumento dela señal. En la Figura 8.4, se muestra un aspecto general dela apariencia de los espectros, cuando se usa %T y A.

O'

"_ longitud de onda (o frecuencia)

~

____

longitud de on& (o frecuencia)

FIGURA 8.4. Los espectros son representaciones gr6ficas del porcentaje de trasmitancia (%T) o absorbancia (A) que presenta una muestra contra longitudes de onda o frecuencia de radiaci6n.

Aunque un espectroderesonanciamagnéticanuclear es deapariencia física similar a unodeultravioleta visible (línea base en la parte inferior), los principios físicos de la espectroscopía de resonancia magnética nuclear son diferentes a los de cualquier otro tipo de espectroscopía. Por lo tanto, la discusi6n de estos espectros la presentaremos en la Secci6n 8.6. SECCION 8.3.

Absorción de la radiación infrarroja Los núcleos de los 6tomos enlazados por unionescovalentes, experimentan vibraciones u oscilaciones de modo similara dos pelotas unidas por un resorte. Cuando lasmokculas absorben radiaci6n infrarroja, la energía adquirida causa un' aumento en la amplitud de las vibraciones de los homos enlazados: la molécula se sitúa en un estado vibra-

Capitulo 8

324

Espectroscopía 1. lnfrarrojo y Resonancia Magnética Nuclear

cional excitado. (Esta energía absorbida se disipa posteriormente en forma de calor, al regresar la molécula al estado basal). La exacta longitud. de onda a la que cierto tipo de enlace presenta absorción depende del tipo de vibración de ese enlace. Por lo tanto, diferentes tipos de enlaces (C-H, C-C, O - H , etc.) absorben radiación infrarroja a diferentes longitudes de onda. Un enlace dentro de una molécula puede experimentar tipos diferentes de oscilaci6n y, por consiguiente, ese enlace puede absorber energía a más de una longitud de onda. Un enlace O-H, por ejemplo, absorbe energía a unos 3330 cm" (3.0 Fa); una radiaci6n con esta longitud de onda, produce un aumento en las vibraciones de alargamiento del enlace O - H . Este mismc enlace absorbe también unos 1250 cm" (8.0 pm), fen6meno relacionado con un aumento enlas vibraciones deflexión. Estos distintos tipos de vibración se denominan modos fundamentales de vibración.

alargamiento

jexi6n

L a s cantidades relativas de energía absorbida v d a n también de enlace a enlace. Ello se debe, en parte, a cambios en el momento de enlace cuando se absorbe la radiación. Los enlaces no polares (tales como C-H 6 C-C), dan lugar a absorciones débiles, mientras que los enlaces polares (C = O, por ejemplo) originan absorciones mucho más intensas.

SECCI~N 8.4.

El espectro de infrarrojo El instrumento utilizado para medir la .absorciónde radiaci6n infrarroja se conoce con el nombre de espectrofot6metro de infrarrojo. La Figura 8.5. muestra el diagrama de un espectrofotómetro típico. En un extremo se observa la fuente luminosa, que emite todo el rango de longitudes de onda de la radiación infrarroja. La luz de dicha fuente se subdivide mediante espejos (no representados) en dos haces iguales: el haz de la muestra y el haz de la referencia. Tras atravesar la celda de referencia (que contiene el disolvente, si la muestra está disuelta, o bien nada, si la muestra se pone sin disolvente) y la celda de la muestra, ambos haces se combinan en otro sistema de espejos, para dar un haz con las características de los dos haces anteriores. Este haz alternante atraviesa una red de difracción que lo separa en las diferentes longitudes de onda que lo componen. Finalmente, el detector mide la diferencia de intensidad de los dos segmentos del haz a cada longitud de onda y pasa esta información al sistema registrador, que traza el espectro. celda de referencia

luminosa

I l-

-u

celda de la muestra

espejos

FIGURA 8.5. El espectrofot6metrode infrarrojo.

-0-

redde difracci6n

-

detector y registrador

E l espectro de infrarrojo Secci6n

8.4.

325

En la Figura 8.6 se muestran dos espectros de infrarrojo del hexanol. El de la parte superior es un ejemplo tipico del tipo de espectro que se obtiene directamente de un espectrofotómetro. El de la parte inferior es una reproducción del e$pectro real hecha por un artista; en ella se han eliminado muchos de los pequeños picos que surgen de las impurezas ydel "ruido" electrónico. Para mayor claridad, en este texto usaremos este segundo tipo de espectro. Las escalas que aparecen en la parte inferior de estos espectros e s t h dadas en números de onda en orden decreciente, desde 4000 cm" hasta 670 cm" o menos. En la parte superior se muestran las correspondientes longitudes de onda en pm (6 k). Cada bandase identifica porla longitud de onda ala frecuencia del punto mínimo. Este punto es mls reproducible que la banda completa, que puede variar con la concentración o con la sensibilidad del instrumento.

3

25

4

5

2500

2000

MICRAS 6

100

.-4

3 2 8

eo

'T 4o

E 20

O 4000 3500 o wn11 .IP.T" /..ca..O.,f. lllUDlUl,.

1.

1.101

"SA

3000 I*

1100

1600

1400

cm ',

1200

1000

800

600

400

200

CUIDDII..I".tII".,

Longitud de onda (pm)

Número de on+ (cm") FIGURA 8.6. Espectros de infrarrojo del hexanol. El espectro superior es una reprcduccidn de un espectro real, mientras que el inferior es una copia artistica. Espectro superior 0 Sadtler Research Laboratories, Division of Bio-Rad Laboratories, Inc. 1982.

Las bandas de absorci6n de un espectro de infrarrojo, pueden clasificarse, de medias (m) y débiles (4.Una banda dCbil acuerdo con su intensidad, en fuertes 0, superpuesta parcialmentecon otra m& intensa se designa como un hombro (h) de esta última. Estos tkrminos sonrelativos y la clasificación de una banda de absorción como fuerte, media, dCbil u hombro, es puramente cualitativa. Las bandas de absorción en

Capitulo 8

326

Espectroscopia I: Infrarrojo y Resonancia Magnbtica Nuclear

el espectro inferior de la Figura8.6, han sido marcadas de acuerdo a este mktodo de clasificaci6n. El nfimero de grupos idknticos en una molt?cula altera las intensidades relativas OH aislado en una de las bandas de absorci6n en un espectro. por ejemplo, un grupo molkcula produce una absorci6n relativamente fuerte; mientras que CH un origina enlace Sin embargo, siel compuestoposee muchos enlaces una absorci6n relativamente dkbil. CH, la absorcidn debida al conjunto de todos ellos origina una banda de absorci6n media o aún fuerte. SECCI6N 8.5.

Interpretación de los espectros de infrarrojo

.

A travCs del examen de miles de espectros de infrarrojo, los químicos han llegado a determinar las longitudes de onda de absorci6n para cadagrupo funcional. Tal informaci6n se resume en lascartas de correlacibn. Una carta de correlaci6n típica para las frecuencias de alargamiento y flexi6n de varios grupos aparece en las paginas al-finalde este libro. En esta carta podemos ver que las bandas de alargamieato para los-enlaces OH y NH se encuentran entre 30005r 3700 cm" (2.7-3.3 km). (En el espectro de infrarrojo del hexanol, Figura 8.6, se observa absorci6n en esta posici6n.) Cuando el espectro de infrarrojo de un compuesto desconocido muestra absorci6n en esta zona, podemos sospechar que contiene en su estructura ungrupo OH 6 NH. Si, por el contrario, no se observa ninguna banda de absorci6n en dicha parte del espectro, podemos concluir que el compuesto probablemente no contiene agrupaciones OH 6 N H . La regi6n situada entre 1400 y 4ooo cm" (2.5-7.1 pm), en la parte izquierda del espectro, es de especial utilidad para la identificacidnde los grupos funcionales. Las absorciones que aparecen en esta zona,pmeden fundamentalmente de las vibraciones de alargamiento. Lazona situada a la derecha de 1400 cm" es, por lo general, notablemente compleja, debido a que en ella aparecen bandasde vibraciones tanto de alargamiento como de flexibn. A causa de ello, no pueden efectuarse correlaciones seguras entre bandas de absorci6n y grupos funcionales determinados. Sin embargo, cada compuesto orgfinico tiene una absorci6n característica en esta regibn. Por lo tanto, esta parte del espectro se denomina comoregi6n la de l a s huellas dactilares. Aunque la parte izquierda del espectro pueda parecer igual en compuestos similares, solamente la coincidencia exacta de la parte dactilosc6pica en dos espectros distintos permite concluir que ambos representan al mismo compuesto. La Figura 8.7 muestra el espectro de infrarrojo de dos de alcanos f6rmula C,H,,:noctano y 2-metil-heptano. ObsCrvese que ambos espectros son prhcticamente identicos en la regi6n de 1400-4000 cm", pero que difieren apreciablemente en la regi6n de las huellas digitales. En las secciones subsiguientes, explicaremos las absorciones infrarrojas características de compuestos que contienen enlaces alifhticos C--C y C-H y unos cuantos grupos funcionales. Nuestro objetivo es familiarizar al estudiante con las caracteristicas m& llamativas de los espectros de infrarrojo típicos. A medida que en capítulos futuros vayamos estudiando los diferentes grupos funcionales, incluiremos consideraciones sobre sus características espectroscópicas en el infrarrojo. A. Enlaces carbono-sarbono y carbono-hidrógeno -

""

enlaces entre átomos sp3 (enlaces simplesC-C), dan lugar a absor- Los . . ~ . - de carbono cienes débiles en el infrarrojo. las cuales no son de gran utilidad en la identificación "

"

"

lnterpretacidn de

los espectros de

infrarrojo

Secci6n 8.5.

327

v

Regi6n de huellas digitales

FIGURA 8.7. Espectros de infrarrojo de n-octano y 2-rnetil-heptano que muestran ligeras diferende la absorci6n de cias en las regiones de las huellas digitales. N6tense tarnbien los picos los enlaces CH.

de estructuras. LOS enlaces entre Btomos de carbono s p ~ (C = C ) dan lugar a . ". absorcionescaracteristicas deintensidad variable, entre 1600 y 1700 cm-' ( 5 . 8 4 . 2 km). Los enlaces carbono-carbono enanillosaromAticospresentan absorci6n a frecuenciasalgomenores(aladerechaenelespectro).Porúltimo,losenlacesentre Atomosdecarbono sp (CsC) originanabsorcionesd6biles pero muy características entre 2100 y 2250 cm" (4.4-4.8 km), regi6nen la cual la mayorfade los grupos funcionales no muestran absorci6n. C=C sd: 1600- 1700 cm-' (5.8-6.2pm) C-C (atdico) sp': 1450-1600 cm-' (6.25-6.9pm)

C=C sp: 2100-2250 cm-' (4.4-4.8pm)

Casi todos los compuestos orghicos contienen enlaces C-H. La vibraci6n de alargamiento de dichos enlaces origina una absorcih entre 2800 y 3300 cm-' (3.13.75 km). Estos picos son a menudo útiles para determinar la hibridaci6n del Atom0

328

Capitulo 8

Espectroscopia I: lnfrarrojo y Resonancia Magnética Nuclear

de carbono en cuestión. En la Figura 8.7, la absorción debida a los enlaces C-H

est6 indicada específicamente. En los capítulos 9 y 10, examinaremos espectros en los que se observan absorciones C-C y C-H de alquenos, alquinos y anillos bencénicos. Csp'"H (alcanos o grupos alquilo): 2800-3000 cm" (3.3-3.6 Cs+" ( = CH 4 : 3000-3300 cm" (3.0-3.3p,m) Csp-H (=CH):-3300 cm" (3.0 pm)

pm)

El grupo geminal o gem-dimetilo (dos grupos metilo en el mismo carbono) exhibe generalmente unpico doble debido alalargamiento del enlace C-H entre 1360 y 1385 cm" (7.22-7.35 pm) (Figura 8.7). Desafortunadamente, los dos picos no pueden verse siempre en todos los espectros, algunas veces sólo puede verse un pico:

\ /

C(CH,),: 1360-1385 cm-'

(7.22-7.35pm) (dos picos)

B. Haloalcanos La absorci6n debida a vibraci6n de alargamiento del enlace C-X en los haloalcanos cae en la regi6n dactilosc6pica del espectro, de 500 a 1430 cm-' (7-20 pm) (Figura 8.8) Sin otra información adicional, no es posible inferir la presencia de halógenos en un compuesto orgánico, solamente en base al aspecto de esta parte del espectro. Longitud de onda (Wm)

FIGURA 8.8. Espectro de infrarrojo del cloroformo, un trihaloalcano.

C. Alcoholes y aminas Los alcoholes y las aminas exhiben una zona de absorción muy característica (debido a la vibración dealargamientoOH o NH) en elrango de 3000-3700 cm" (2.7-3.3pm), a la izquierda de las absorciones CH. Si la amina tienedos hidrógenos en el nitrógeno (-NH,),la absorción del NH aparece como un pico doble. Si sólo hay un H sobre el N, únicamente se observa un pico. Por supuesto, si no hay NH (como en el caso de las aminas terciarias, RJ). entonces no se observa absorción en esta región. La Figura 8.9 muestra el espectro de un alcohol, mientras que la Figura 8.10 muestra los esoectros delos tres tipos de aminas. Los alcoholes y las aminas talnbitn presentan absorciónen 12región de las huellas

lnterpretacidn de

los espectros infrarrojo de Secci6n

8.5.

329

FIGURA 8.9. Espectro de infrarrojo del ciclopentanol, un alcohol.

digitales, debido a los enlaces C-0 y C-N, respectivamente. Sin embargo, estas bandas no siempre son fáciles de identificar, ya que esta región del espectro a menudo contiene un gran número de picos. OH 6 NH: 300&3700 cm-' (2.7-3.3 prn) C-0 6 C-N: 900-1300 cm"(8-11 prn)

EL enlace de hidr6geno cambia la posición y el aspecto de una bandade absorción infrarroja. L o s espectros de las figuras 8.9 y 8.10 corresponden a líquidos puros, en los cuales el enlace de hidrógeno existe en gran cantidad. Nótese que la absorción debida al OH en la Figura 8.9 aparece como una banda ancha a3330 cm- ' (3.O Fm). Cuando el enlace de hidrógeno existe en pequeña cantidad (o no tiene importancia), se observa un pico de OH más angosto y menos intenso. La Figura 8.11 muestra dos espectros parciales de un alcohol. Uno de ellos corresponde al líquido puro (enlaces de hidrógeno abundantes); el otro, es el del mismo alcohol en fase vapor (no hay enlaces de hidrógeno). Las diferencias entre uno y otro espectro son evidentes. La absorción de los enlaces NH es menos intensa que la de los OH, debido en parte a que los enlaces de hidrógeno son más débiles en las aminas y, por otro lado, a que los enlaces NH son menos polares.

D. Éteres Los éteres exhiben una banda de alargamiento debida al enlace C-0, que cae en la región dactiloscópica entre 1050 y 1260 cm" (7.9-9.5 pm). Esta absorcidn es, por 10 general, bastante fuerte, pues la electronegatividaddel oxígeno produce, durante la

330

Capítulo 8

Espectroscopia I: infrarrojo y ResonanciaMagnCticaNuclear


FIGURA8.10 Espectros de infrarrojo de una amina primaria n-propil-amina (arriba); una arnina secundaria dipropil-arnina (al centro), y una amina terciaria, tripropil-amina (abajo).

3

4

3

No hay enlaces de hidr6geno

4

Enlaces de hidr6geno abundantes

(fase vapor) FIGURA 8.11. Espectros de infrarrojo parciales de un alcohol, en fases vapor y líquido, mostrando absorciones O-H con y sin puentes de hidr6geno.

Longitud de onda (urn)

Nfirnero de onda (cm-') FIGURA 8.12. Espectros de infrarrojo para el problema 8.3.

332

Capitulo 8

Espectroscopia I: Infrarrojo y Re>onanciaMagnética Nuclear

vibración, un cambio grande en el momento de enlace (Figura 8.13). Los alcoholes, los éteres y otros compuestos que contienen el enlace sencillo C-0, también muestran absorción en esta zona.

E. Compuestos carbonílicos Una de las bandas más características en un espectro de infrarrojo es la procedente de la vibración de alargamiento del carbonilo, que da lugar a un pico intenso entre 1640 y 1820 cm" (5.5-6.1 pm).

Interpretaci6n de los espectros de infrarrojo

SeccMn 8.5.

333

El grupo carbonilo forma parte de varios grupos funcionales. Para identificar de cu61 de ellos se trata, se necesita conocer tanto la posición de la banda carbonílica como la de otras bandas del espectro de infrarrojo e incluso otras técnicas espectroscópicas, tales como la RMN. En la Tabla 8.2, se muestran las posiciones de las bandas carboxllicas en el idrarrojo, para aldehídos, cetonas, ácidos carboxílicos y ésteres.

TABLA 8.2. Vibraciones de alargamiento de algunos compuestos carbonílicos”

Posición de la absorción Tipo de compuesto

cm“

tJ.m

O

11

Aldehído, RCH

5.75-5.80 1740 1720-

O

II

Cetona, RC R

1705-1750

5.70-5.87

O

I1

Acido carboxflico, RCOH

1700-1725 5.80-5.88

O

It

Ester, RCOR

1735-1750

5.71-5.76

“En cada caso, R es un gmpo saturado y alifatico

Las cetonus originan los espectros más simples entre los compuestos carbonílicos. Cuando un compuesto es una cetona alifática, todas las bandas de alargamiento importantes en el infrarrojo provienende los enlacesC = O ó C-H. Otros grupos funcionales pueden ciertamente aumentar la complejidad del espectro. En la Figura 8.15 se muestra el espectro de infrarrojo de una cetona. ,

FIGURA 8.15. Espectro de infrarrojo de la butanona, una cetona.

334

Capitulo 8


Los dcfdus carbuxilicos exhiben típicas bandas de absorción C = O, ademhs de una muy pronunciada banda O-H, que comienza cercade 3330 cm" (3.0 pm) y se extiende por encima de toda la región delos enlaces C-H alifáticos (Figura 8.17) La razón por la que un OH carboxílico da un espectro de diferente aspecto que el de un

Interpretaci6n de los espectros de infrarrojo

335

Secci6n 8.5.

OH alcohólico, reside en que los hcidos carboxílicos forman dímeros 'enlazados por puentes de hidr6geno:

..

..

o:--.H-O:

R-C

4 'O:"H"-:O

..

\

J.-R

..

Los kteres muestran tanto las bandas carbonílicastípicas, como también la banda de alargamiento C-0 que, al igual que en los éteres, cae en la zona dactilosc6pica, 1110-1300 cm" (7.7-9.0 km), por lo que en ocasiones es difícil de asignar. Sin embargo, esta banda C-0 suele ser bastante intensa, por lo que puede usarse para distinguir entre cetonas y Csteres. Un espectro de infrarrojo de un éster típico puede verse en la Figura 8.18. Longitud de onda (pm)

Número de onda (cm")

FIGURA 8.18. Espectro de infrarrojo del pentanoato de etilo, un ester.

PROBLEMA DE ESTUDIO

~ ~~

"


Número de onda (cm") FIGURA 8.19. Espectros de infrarrojode los compuestosdesconocidos del Problema 8.5.

(continúa)

336

Capitulo 8

Espectroscopia I : Infrarrojo y Resonancia Magnética Nuclear

Longitud de onda (pm) 3

4

7

0

5

x

IO

12

IS

.

x0 m

3 fl .4

b"

4

I1

40

S? 30

v

O 4000

jSoo

3000

2500

3000

1x00

1000

1400

1200

1000

800

Número de onda (cm-')

FIGURA 8.19. (continúa) Espectros de infrarrojo de los compuestos desconocidos del Problema 8.5.

SECCIóN 8.6.

Espectroscopía de resonancia magnética nuclear El espectro de infrarrojo de un compuesto da una imagen de los diversos grupos funcionales que contiene una molécula orgánica pero muy escasa información acerca de la parte hidrocarbonada de la misma. La espectroscopía de resonancia magnética nuclear (RMN)llena precisamente este vacío, al proporcionar información sobre la situación relativa de los átomos de hidrógeno en la molécula. La espectroscopía de RMN se basa en la absorción de ondas de radio por parte de ciertos núcleos de las moléculas orgánicas, cuando están dentro de un campo magnético intenso. Antes de entrar en una discusión sobre esta técnica espectroscópica y sus aplicaciones en química orgánica, estudiaremos primero los principios físicos en los que se basa el fenómeno de la RMN.

A.

Origen del fenómeno de la R M N

Los núcleos de los átomos de todos los elementos pueden ser clasificados en núcleos con spin (o giro) y núcleos sin spin. Un núcleo con spin, da lugar a un pequeño campo magnético, que se representa por un vector denominado momento magnético nuclear.

4/

Pecha vectorial que representa el momento magnético nuclear

I Para el químico orgánico, los isótopos de interés, que tienen spin nuclear, son

fH, IiC y 'p.También es de interés el hecho de que los isótopos más abundantes del

carbono ('iC) y del oxígeno (':O) no tienen spin nuclear. Si bien todos los isótopos con spin nuclear pueden usarse en la espectroscopía de RMN,no todos ellos absorben energía a la misma radiofrecuencia. La mayoría de los estudios de RMN se hancentrado sobre el protón, :H, razón por l a cual dedicaremos

Espectroscopia de resonancia rnagnetica nuclear

Secci6n 8.6.

337

nuestra atención a este isótopo particular. Luego, en la Sección 8.12, mencionaremos la espectroscopía de ‘T. En la espectroscopíade RMN,se genera un campo magnético externomediante un imán permanente en forma de herradura o bien mediante un electroimh. La intensidad de este campo magnético se representa mediante el símbolo H, y su dirección mediante una flecha.

t

Simbolo representante del campo magnetice externo: H,

Un prot6n que gira con su momento magnético nuclear es similar, en varios aspectos, a una diminuta b m a imantada. Cuando las moléculas que contienen Btomos de hidrógeno se colocan en un campo magnético externo, los momentos magnéticos de los núcleos de hidrógeno, o protones, tienden aalinearse de dos modos con respecto al campo extemo. Estas dos posibles orientaciones se denominan paralela y antiparalela. (No debe olvidarse que no son las moléculas sino los momentos magnéticos de los nlicleos de hidr6geno los que se alinean con relaciónal campo). En la orientación paralela, el momento magnético del protón apunta en el mismo sentido que el campo magnético externo. En la orientación antiparalela, el momento magnético del protón apunta en sentido opuesto al campo externo. En un momento dado, aproximadamente la mitad de los protones de una muestra están en el estado paralelo y la mitad en el antiparalelo.

I paralelo (baja energía)

antiparalelo (alta energía

Lr?orientación paralela de un protón es ligeramente m& estable (menor energía) que la orientación antiparalela. Al ser irradiado con ondas de radio de frecuencia apropiada, un protón con momento magnético paralelo al campo absorbe energía y experimenta una inversión de spin, pasando al estado antiparalelo de mayor energía. La cantidad de energía necesaria para invertir el spin del protón del estado paralelo al antiparalelo depende, en parte, de lafuerza del campo H,. Si H, aumenta, la diferencia de energía entre los estados paralelo y antiparalelo aumenta y m6s resistencia ofrece el núcleo a experimentar inversión de spin, requiiiéndose entonces una radiación de mayor energía y frecuencia. Cuando una combinación particular de fuerza del campo magnético externo y radiofrecuencia, provoca la inversión del spin de un protón, se dice que Cste ests en resonancia (no confundir con el concepto de “resonancia” presente en el benceno). El términoresonancia magnetita nuclear, significa“núcleos en resonancia en el seno de un campo magnético”. Podría parecer aquí que todos los protones deben entrar en resonancia con la misma combinación de valores de H, y rádiofrecuencia; sin embargo, éste no es el caso. El campo magnético externo que en realidad interacciona con un protón es una combinación de dos campos: (1) el campo magnético externo (H,)aplicado y (2) un campo magnético molecular inducido, que es un campo magnético pequeño que H, induce en la molécula. El campo magnético que actúa sobre el protbn también se modifica por el spin de los protones vecinos, tópico que discutiremos más adelante en este capítulo. L o s protones de una molécula invierten su spin, a diferentes combina-

.. .

-

338

Capitulo 8

Espectroscopia I: Infrarrojo y Resmancia MagnbticaNuclear

ciones de Hoy radiofrecuencias, yaque se encuentranendiferentesambientesmoledares (y magdticos). Debido a lasdiferencias que existen en la absorci6n de energía porlosprotones, es posibleobtener un espectrodelosdiferentestiposde protones.

B. El espectro de R M N En la figura 8.20 se muestra un diagrama de un espectr6metro de m. La muestra se coloca entre los polos deun i m h y se irradia con ondas de radio. Cuando los protones invierten su spin pasando del estado paralelo al antiparalelo, la absorci6n de energía se mide mediante un sistema de detección. muestra

indicador de potencia

/

FIGURA 8.20. Diagrama esquemdtico de un espectrbmetro de RMN.

En un tipo de espectr6metro deRMN, la radio-frecuenciase mantiene constante a 60 MHz (60 megaHertz 6 60 X 106 Hz), haciendose variar el valor de Hoen un pequeño intervalo y registrando la absorci6n de energía en funci6n de H,. O sea, que un espectro de RMN es una representaci6n gráfica de la cantidad de energía que se absorbe (I, o intensidad, en el espectro), contra la fuerza del campo magnktico. En la Figura 8.21 se representan dos espectros de RMN del metanol: uno es una reproducci6n del espectro real y el otro es una copia artística. En el espectro inferior se indica la direcci6n del barrido de campo, yendo de los valores bajos de H, hacia los valores altos. En estos espectros se pueden apreciar dos picos principales: el que se encuentra a la izquierda se debe al prot6n del OH, el de la derecha es debido a los protones del CH,. Los protonescuyospin seinvierteconmásfacilidad,absorbenenergíaa H, menor. Se dice que dan absorci6n acampo bajo (hacia la parte izquierda del espectro). Los protones cuyo spin se invierte con más dificultad, absorben energía a H, mayor, originando señales a campo alto (en la parte derecha del espectro). ' Los protonessituadosendiferentesambientesmolecularesexperimentaninversióndespin a distintos valores de intensidad del campo magnktico aplicado, debido a que el campomagnetic0molecularinducidopuedeayudar u oponerse al campo externo. (Enrigor, todos los campos moleculares inducidos se oponen al campo externo, por lo que aquí estamos hablando en tkrminos relativos de unos campos con respecto a otros.) Cuando ambos campos, el aplicado y el inducido, se oponen mutuamente,

30

H, creciente

339

8.6.

EspectroscopiaderesonanciarnagneticanuclearSecci6n

2.0

I .o

FIGURA 8.21. Espectros de RMN del metano1 (CCI, como disolvente). El espectro superior es reproducci6n de un espectro real, mientras que el inferior es una copia artistica. El espectro inferior muestra el barrido del campo y los desplazamientos quirnicos. (Las fluctuaciones a la derecha de cada señal llamadas "ringing" se deben a la distorsi6n que se causa en el campo magnetico cuando el espectro se grafica rhpidamente. El "ringing" indica que el instrumento este ajustado adecuadamente.) Espectro superior O Sadtler Research Laboratories, Division of Bio-Rad Laboratories, Inc. 1982.

se hace necesario aplicar mayor H, para poner al protón en resonancia. En este caso decimos que el protón esta protegido, observiindose su señal en la zona de campos altos del espectro. Cuando los dos campos se suman, se necesita aplicar menor H, para producir la resonancia del protón; diciéndose entonces que este protón está desprotegido. En consecuencia, la señal correspondiente aparecer&a campo bajo (Figura 8.22).

Capítulo 8

340

el campo molecular ayuda a Ho

Espectroscopia I: Infrarrojo y Resonancia Magnetita Nuclear el campo molecular

se opone a H,

m6s o menos el campo molecular inducido.

Como hemos indicado antes, protección y desprotección son términos relativos. Para obtener mediciones cuantitativas, necesitamos un punto de referencia. Se ha escogido como compuesto de referencia el tetrametil-silano (TMS), (CH,), Si, cuyos protones absorben muy a la derecha del espectro, a campo más alto que la mayoría de los protones de las moléculas orgánicas. En la práctica, se añade unapequeña cantidad de TMS a la muestra por analizar, obteniéndose entonces un espectro en el que se observan las señales del compuesto problema y la del TMS de referencia. La diferencia entre la posición de la señal de un protón particular y la señal del TMS, se denomina desplazamiento quimico. En la Figura 8.21, se puede ver laseñal del TMS y los desplazamientos químicos. L o s desplazamientos químicos se expresan en valores 6 , que significan partes por millón (pprn)de la radiofrecuencia aplicada. A 60 MHz, 1.O ppm corresponde a 60Hz;por lo tanto, un valor 6 de 1.0 ppm, significa que la señal correspondiente se encuentra 60 Hz a campo más bajo que la señal del TMS, situada por convención a O ppm. Como puede verse en la Figura 8.21, los dos tipos de protones del CH,OH exhiben valores 6 de 3.4 y 4.15 ppm, respectivamente. (Nótese que la escala inferior en un espectro de RMN muestra los valores 6 en ppm. El uso de la escala en Hz en la parte superior del espectro será tratado en la Sección 8.10.) SECC16N 8.7.

Clases de campos magnéticos moleculares inducidos A.

Campos inducidos porelectrones sigma

Todo átomo de hidrógeno de un compuesto orgánico estará unido a carbono, oxígeno u otro átomo, mediante un enlace sigma. El campo magnético externo hace que circulen estos electrones del enlace sigma, resultando un pequeño campo magnético molecular que se opone a H, (Figura 8.23). Dado que el campo inducido se opone al campo externo, el protón unido con enlace sigma se encuentra protegido. Para compensar el efecto del campo inducido y llevar el protón a la resonancia, será necesaria entonces una intensidad algo mayor del campo externo; por esta r a z h , el protón absorbe a campo alto en comparación con un protónhipoteticamentedesprovisto de electrones. La intensidad delcampo inducido depende de la densidad electrónica sigma alrededor del átomo de hidrógeno en cuestión. Cuanto más alta sea esta densidad, tanto mayor será el campo inducido y la señal observada aparecerá a campo más alto.

Clases de camposmagnCticosrnolecularesinducidosSeccidn

8.7.

341

electrones de enlace sigma

-

campo inducido que se opone a H,

FIGURA8.23. El campo inducido por los electrones circulantes del enlace sigma se opone a H, en la vecindad del prot6n. Para simplificar, la Figura S 6 1 0 muestra un enlace C-H de una mol#cula organics.)

La densidad electr6nica de un enlace covalente carbono-hidr6gen0,veseafectada por la electronegatividad de los otros Btomosunidosal carbono.Consideremosun ejemplo concreto: el enlace C-F en el CH,F es polar; el Atomo de flúor lleva una carga parcial negativay el del carbono,una carga parcial positiva.Esta carga positiva produce una polarizaci6n de los electrones sigma de los enlaces C-H, que se venasí aproximados al 6tomo de carbono y alejados del hidr6geno. Recordemos que en nuestra discusi6n sobre la estabilidad de los carbocationes, vimos que la polarizaci6n de enlaces por centros positivoso negativos se designa con el nombre de efecto inductivo. Este desplazamiento de la densidad electr6nica hacia un elemento electronegativo (F) es otro ejemplo de efecto inductivo. En este caso, el resultado de la acci6n inductiva atractora de electrones del Atomo de flúor, es un aumento de la densidad electr6nica alrededor de é1 mismo y una disminuci6n de la densidad electr6nica alrededor de los htomos de hidr6geno. En resumen, los protones del CH,F estan desprotegidos y absorben a campo bajo en relaci6n a los protones delCH,. H

1 t

El F produce una disminuci6n

H4C-F

en la densidad electrhica alrededor de cada H

H

La serie siguiente, constituida por el metano y los halogenurosde metilo, muestra los núcleos de hidr6geno al aumentar progresivamente una desprotecci6n progresiva de la electronegatividad delBtomo unido al “CH,.

PROBLEMA MODELO LCua de los protones señalados con un circulo est6 m6s protegido? ~Cu6lm6s desprotegido? LCu6les son las posiciones relativas de sus señalesen RMN? (a)

CH3@?CI

(b) C H 3 m 3

(c)

CH,-I

Soluci6n: El cloro es m6s electronegativo que el yodo, que a EU vez lo es m& queel hidr6geno. Por lo tanto, (a) es el mas desprotegido p el que absr,,ix a campo m6s bajo; (b) es el m6s protegido y el que absorbe a campo m6s alto cerca del T M S y (c) ocupauna posici6n intermedia.

342

Capitdo 8


Enunamolkculaindividual,unprotónunido al mismo carbono que un átomo electronegativo estar6 m6s desprotegido quelos protones unidos a otros carbonos. La Figura 8.3 1 (pagina 348) muestra el espectrodelcloroetano. Los picos a 8 = 1.5 ppmprocedende los protones del CH,, mientras que los protones del grupo C H Q , desprotegidos,absorben a campomás bajo, a 6 = 3.55 ppm. (La complejidadde estos picos se discutir6 más adelante en este capítulo). El efectoinductivode un átomoelectronegativodecrecerápidamentecon la distancia al pasar a traves de los enlaces sigma, siendo pr6cticamente inapreciables a tres carbonos de distancia del 6tomo electronegativo, hecho que se manifiesta claramente en los espectros de RMN. el efecto de X es de escasa importancia para disminuir la densidad de e en este protdn

f"

\

el efecto de X es importante para disminuir la densidad de e en este prot6n

La mayor parte de los elementos que constituyen los compuestos orgánicos son m6selectronegativosque el carbono.Su efecto inductivo es, porconsiguiente,del tipo atractor de electrones y como consecuencia de ello, los protones quedan desprotegidos. Sin embargo, el silicio es menos electronegativo que el carbono, por lo que el enlace carbono-silicio está polarizado hacia el átomode carbono, que lleva así una carga parcial negativa. Los electrones de los enlaces C-H en un grupo SiCH, se ven, pues, repelidos del 6tomo de carbono en dirección a los &tomos de hidrógeno. El efecto inductivo del silicio es, por lo tanto, del tipo donador de electrones. Es a causa de este efecto, quelosprotonesdel grupo SiCH,estánmuyprotegidos,puesaumenta considerablemente la densidad electr6nica alrededor de ellos. Ésta es la raz6n de que los protones del TMS absorban a campo tan alto y den un buen pico de referencia en los espectros de R M N . elevaab densidad de e- en los H : gran protecci6n

Y" FH3

H,C+Si-+CH,

1

CH,

B. Campos inducidos por electrones pi L o s campos magnkticos inducidos por electrones pi son direccionales, es decir, asimktricos.Unamedidaquevaríedependiendode la direcci6n en la cual se haga, se dice que es anisotr6pica. Puesto que los efectos de los campos moleculares inducidos 3or electronespi dependen dela direcci6n. cabe designarlos como efectosanisotr6picos. (Estos efectosson contrariosa los efectos mductivos,los cuales son sim6tricos alrededor del prot6n.) Estos efectos anisotr6picos se presentan además de los efectos de campo siempre presentes, inducidos por los electrones sigma. En el benceno, los electrones pi esth delocalizados alrededor del anillo. Bajo la influenciadeuncampomagndtico externo,estoselectrones pi soninducidos a circular alrededor del anillo, originando la denominadacorriente de anillo, causante, a su vez, de un campo magnktico molecular cuya geometría se representa en la Figura 8.24(NOtodas las moléculas adoptan la oriesaci6n indicada en la figura, con respecto

Clases campos de magn6ticos moleculares inducidos

Secci6n 8.7.

343

FIGURA 8.24. Los electrones pi circulantes en benceno o aldehldo inducen un campo magnetic0 que desprotege los protones adyacentes. (Los seis protones de benceno estAn desprotegidos.)

al campo externo; en la figura 8.24 se indica solamente el efecto neto de las fuerzas vectoriales). El resultado de este campo inducido es que aumentaH, (en t6rminos relativos) en la vecindad de los protones bencCnicos. Por esto, para llevq a resonancia dichos protones, se requiere aplicarun campo menor que el necesario para alif6ticos. Porlo tanto, los arí%cos e s t h desprotegidos y sus señales aparecen a campo mhs bajo que los de los protones alquílicos. Una situaci6n anhloga se observaelencaso de un hidr6geno vinflicoo aldehidico: en ambos casos, los electronespi, al ser puestos en movimiento, originan un campo secundario que se suma al campo aplicado, en la cercanía del prot6n = CH (v6ase Figura 8.24). Un prot6n unido a un carbono sp2(C=O 6 C = C, absorbe a campo bajo con respecto a un prot6n alquílico. La Figura 8.25 muestra el espectro deRMN de un compuesto con protones arílicos y vinílicos y un grupo CH,. En este espectro es evidente que los protones vinílicos absorben a campo &S bajo que los protones del CH, y que los protones arííicos absorben a campo aún m& bajo.

Capitulo 8

344

Espectroscopia I : Infrarrojo y Resonancia Magnetita Nuclear

FIGURA 8.26. Espectro de RMN del etanal (acetaldehído), indicando el corrimiento de escala (offset) para registrar el prot6n aldehldico.

La Figura 8.26 muestra el espectrode un aldehído. El protónaldehídico está desplazado a campos muy bajos, debido a una combinación de efecto anisotrópico de la nube pi y de efecto inductivo atractor de electrones del &tomo de oxígeno, que hacen que su sefial aparezca en el rango de S10 ppm, fuera incluso del barrido del campo normalpara un espectrómetrode RMN. En este caso y enotrosmuchosenque un protón determinado se encuentra situado a campos muy bajos (8-20 ppm), se registra el barridodeesta región, porencimadel trazo normaldel espectro, indicando el corrimiento de escala necesario para ello (en ingles, “offset scan”).

C. Resumende los efectos del campo inducido: La presencia de un átomo electronegativo produce un descenso de la densidad electr6nica alrededor de un protón, a causa del efecto inductivo. Dicho protón esth desprotegido y absorbe a campo bajo. En compuestos aromáticos, olefínicos y aldehídicos, un protónunidoalcarbono spz estádesprotegidoporlos efectosanisotr6picos y absorbe a campos aún más bajos. Las posiciones de las absorciones se resumen en la Figura 8.27. Una grAfíca que aparece en l a s últimas phginas tiene una lista de valores

s.

I

I

H carboxílicos

6 FIGURA 8.27. Posiciones relativas de las absorciones de los protones en el espectro de RMN.

Recuento de protones Secci6n

8.8.

345

SECC16N 8.8.

Recuento de protones A.

Protonesequivalentes y no equivalentes

Protones situados en idéntico ambiente magnético dentro de una molécula, exhiben el mismo desplazamiento químico en un espectro deRMN.Se dice que se trata de protones equivalentes magnéticamente.Protones situados en ambientes magnéticos distintos, tienen desplazamientos químicos distintos y son, por lo tanto, no equivalentes. Los protones magnéticamente equivalentes en espectroscopía de R M N generalmenteson tambitn químicamente equivalentes. En elcloroetano,los tresprotones metílicos son equivalentes,magnéticayquímicamente.Paravisualizar esto, imaginemos una reacci6n química en la que uno de estos tres protones se remplaza por otro Btomo;por ejemplo, bromo. Si sólo se obtiene un producto,independientementede cuál protón se sustituye, los protones son químicamente equivalentes. En el siguiente ejemplo, la sustitución de cualquiera de los tres protones del metilo por un átomo de bromo, daorigenalmismocompuesto: 1-bromo-2-cloro-etano.

obtiene

se

si se sustituye cualquiera de los H por Br, sdlo un derivado bromado

equivalentes

y-i-CH2Cl

H

Los dosprotonesdel grupo CH,Clsontambiénmagnética yquímicamente equivalentes entresí. Sin embargo, los tres protones delgrupo CH, no son equivalentes a los dos protones del CH,Cl. tres protones equivalentes (no equivalentes a los CHJ

dos protones equivalentes

f l (no equivalentes a los CH,) \C'H,CH,CI

Los tres protones del grupo CH,,exhiben el mismo desplazamiento químico y absorben a idéntica frecuencia en el espectro de RMN. Los dos protones CH, est& desprotegidos con relación a los de metilo y tienen un desplazamiento químico mayor. Un espectro de baja resolución del cloroetano tendría el aspecto que se muestra en la Figura 8.28.

FIGURA 8.28. Espectro de RMN de baja resoluci6n del CH,CH,CI

Capitulo 8

346

Espectroscopia I: infrarrojo y Resonancia Magnética Nuclear

En el cloroeteno, el protón cis al átomo de cloro, se encuentra en un ambiente distinto que el protón trans. Ambos, a su vez, se encuentran en ambientes magnkticos diferentes al del protón unido al carbono C"c1. Por lo tanto, los tres protones del cloroeteno son no equivalentes. cis

Hfl

al Cl

/

cloroeteno ( c l o m de vinilo) tres protones

IW

equivalentes


¿En el p-cloro-tolueno ( 1 -cloro-4-metil-benceno)qu6 protones son químicamente equivalentes? y p.des son no equivalentes? Soluci6n:

H,

H, los tres protones metílicos son equivalentes; los dos H. son equivalentes; los dos Hbson equivalentes; los protones metílicos, H. y Hb, son no equivalentes

B. Áreas bajo los picos Cuando se miden las Areas bajo los picos en un espectro de RMN, se encuentra que dichas áreas están en relación al número de protones que dan lugar a cada señal. En el caso del cloroetano (Figura 8.29), dicha relación es 2:3. (Obskrvese que no es la altura la característica esencial del pico, sino el área bajo el mismo.) I

x

relacidn de breas bajo los picos: 2:3

-

i h

4

i

l

l

FIGURA 8.29. Espectro de RMN de baja resoluci6n del CH,CH,CI,

O

resaltando las Areas bajo los

picos.

PROBLEMA MODELO LCuSlntos tipos de protones equivalentes se encuentran en cada uno de las siguientes estructuras? LCuCllesdeben ser las h e a s relativas, bajo las respectivas señales de RMN? (a)

(CH&CHCl

(b) CH,CH,OCH,CH,

(c) C I e O C H ,

Recuento de protones Secci6n

8.8.

347

Soluci6n: (a) dos, 6:l; (b) dos, 32; (c) tres, 3:2:2 (3 para el CH,,2 para los protones arílicos adyacentes al oxígeno, 2 para los protones mlicos adyacentes al cloro).

La mayoría de los espectrómetros de FMN estim equipados con integradores, que proporcionan una señal indicativa de las áreas relativas los picos. bajo La integración aparece en formade un trazo escalonado superpuestoal espectro normal. La altura de cada escal6nes proporcional al área del pico situada inmediatamente debajo.A partir de las alturas relativas de los escalones de la curva de integración, pueden deducirse las keas relativas bajo los picos. En la Figura 8.30, se midieron con una regla las alturas de los escalones de la curva de integración, observhdose valores de 33, 100 y 50 mm. Para determinar los números relativos de protones equivalentes, se convierten estos valores en relaciones den h e r o s enteros pequeños, en este caso2:6:3. Si comparamos estosvalorescon los númerosdeprotonesequivalentes,existentesenla observaremos la evidente concordancia estructura dell-bromo-2,4,6-trimetil-benceno, de unos y otros.

FIGURA 8.30. Espectro de RMN del l-brorno-2,4,6-trirnetiI-benceno, indicando la curva de inte-

graci6n.

En este texto, no mostraremos las curvas de integración de los espectros, sino que indicaremos directamente las h a s relativas como números sobre los picos de absorcitin, como muestra la Figura8.3l .

Capitulo 8

348

Espectroscopia I: lnfrarrojo y Resonancia Magnética Nuclear

FIGURA 8.31. Espectro de RMN del cloroetano CH,CH,CI

PROBLEMA MODELO Se encontró que las alturas de cuatro

escalones de una curva de integración fueron

90, 36, 37

y 54 m. Calcule la relaci6n de los diferentes tipos de protones en el compuesto analizado. Solución:

1.

Se dividecadaalturaentrelamenor 90 m n -~ ~~

~

36 mm

2.

=

2.5

36 mm 36 mm ~

(36 mm en este caso):

1 ,o

37 mm 36 mm

~

1.0

54 mm -

~~

36 mm

= 1.5

Se multiplican los cocientes resultantes por el númeroque los conviertaen el menor número entero posible (redondeando si es necesario). En este caso, al multiplicar por 2 se obtiene la relación 5:2:2:3. Por lo tanto, la relación de protones no equivalentes es 5:2:2:3.

SECCldN 8.9.

Acoplamiento spin-spin El espectro del clorxtano en las figuras 8.28 y 8.29 es la representacibn estilizada de un espectro de baja resolución. Si aumentamos el gradoderesolución (o sea, la sensibilidad) los picos se resuelven; esto es, cada uno de los picos se subdivide en un conjunto de picos m& estrechos (Figura 8 . 3 1). Este tipo de subdivisi6n se conoce con el nombre de acoplamiento spin-spin y es ocasionado por la presencia de protones vecinos (protones en carbonos adyacentes, no equivalentes al protón en cuestidn. Cuandodosgruposdeprotonesno equivalentes producen desdoblamiento mutuo de sus señales, se dice que sufren acoplamiento spin-spin. estos protones desdoblan la serial del CH,

Estos protones desdoblan la del serial CH,

Y f CH,CH2CI

Acoplamiento spin-spin

Secci6n 8.9.

349

¿Por que experimentan los protonesacomplamientos spin-spin? El desdoblamiento de las señales tiene su origen en los dos posible estados de spin (paralelo y antiparalelo) de los protones adyacentes. El desdoblamiento de la señal de H. se debe a los dos estados de spin de Hp.

paralelo

antiparalelo

El spin deun protón genera un momento magnético. Cuando el spin del protón vecino (H, en la fórmula anterior) es paralelo, su momento magnético se suma al campo magnético aplicado; consecuentemente, el primerprotón Haen la fórmula anterior experimenta un campo magnético ligeramente mayor que el aplicado y entra en resonancia a una intensidad algo menor que la que es necesario aplicar. Cuando el protón vecino esta en el estado antiparalelo de spin, su momento magnético hace disminuir el campo magnético alrededor del primer protón. En este caso, se necesita aplicar un campo ligeramente mayor para hacer entrar en resonancia a este protón. Ya que hay una relación aproximada de 1:1 para los dos estados de spin de H,, podríamos decir que hay dos tipos de Ha en la muestra: los que tienen como vecino a H, en un estado de spin paralelo y los que tienen como vecino a H, en un estado de spin antiparalelo. Consecuentemente, observamos dos picos para H, en lugar de uno. En muchos compuestos, podemos predecir el número de seades resultantes del acop!amiento spin-spin en el espectro de RMN de un protón determinado (o grupo de protones equivalentes), sumando I al número total (n) de protones vecinos y no equivalentes) al protón en cuestidn. ÉSta es la llamada regla n 1.

+

I

I

1

I

Estos tresprotonesequivalentes son vecinos de dos protones no equivalentes, equivalentes. protones no su señalenelespectrodeRMN \ se desdobla en 2 + 1 o sea, 3 picos.

1

I

Estos dos protonesequivalentesson vecinos detres Su señalenelespectrodeRMN se desdobla en 3 + 1 o sea,

I/

I

I

I

1

1

Los protones conidéntico desplazamiento químico no producen desdoblamiento mutuo de sus señales. Solamente los protones vecinos con diferente desplazamiento químico dan origen a desdoblamiento de señales, como reflejanlos siguientes ejemplos: no hay H vecinos: no hay desdoblamiento

\

CI

<'I

C~k()*N()?

Un H vecino no equivalente: 6 , la señal de H. se desdobla en dos. -L"-

C'H 3 doce protones equivalentes: no hay desdoblamiento

Un H vecino no equivalente: H h

/

6,

la señal de Hbse desdobla en dos.

\

I1

seis protones equivalentes: no hay desdoblamiento

Espectroscopia 1: hfrarrojo y Resonancia Magnetita Nuclear

Capitulo 8

350

En algunos casos, los ambientes magnéticos deprotones químicamente no equivalentes son tan similares que estos protones exhiben desplazamientos químicos casi idénticos; en estos casos no se observa desdoblamiento. Por ejemplo, el tolueno tiene cuatro grupos de protones químicamente no equivalentes; sin embargo, el espectro de la RMN sólo muestra 2 picos de absorción (uno para los protones del CH, y otro para los protones del anillo).

unpico@H3

H

un pico

En resumen, el desplazamiento químico de un prot6n en particular, est5 determinado por el campo magnético molecular en sus inmediaciones. El k e a bajo un pico de absorción es determinada por el número de protones equivalentes que dan lugar a dicha señal. E1 acoplamiento spin-spin de una señal depende del número de protones vecinos no equivalentes al protón responsable de esa señal. PROBLEMA MODELO Prediga los patrones de acoplamiento spin-spin, para los protones del 2-cloro-propano. Soluci6n:

- esta señal se desdobla l en 6+1= 7picos CH-”I

en 1 -+ 1= 2 picos


+

Utilizando la regla n 1 , predigaelnúmerodepicosque protones indicados:

mostrarh las señales de RMN de los

SECCI~N8.1 o.

Patrones de acoplamiento A.

El singulete o señal simple

Un prot6n que carezca deprotonesno equivalentes en su vecindad origina, en el espectro de RMN, un pico sencillo, llamado singulete. El espectro de RMN del pmetoxi-benzaldehído (Figura 8.32) muestra dos singuletes: uno para los protones del grupo CH@” y uno para el protón del grupo “CHO.

Patrones de acoplamiento

Seccidn 8.10.

351

o

200

H7

Y

4

TMS

O

FIGURA 8.32. Espectro de RMN del p-metoxi-benzaldehldo.


LCuAlesdelossiguientescompuestos deberh mostrar como m'nimo un singuleteensuespectro de RMN? (4

CHFH,

(d) CI,CCHCI,

8.8.

!b) (CH,),CHCH(CH,), (e) CISi(CH,),

(c) (CH,),CCI

R M N de (a) ciclohexano y (b) benceno?

¿CuAntospicosesperarfaobservarenelespectrode

B. El doblete o señal doble Un protón vecino a otro no equivalente a éI, da origen a una seiial desdoblada en dos picos, esto es, un doblete. En el ejemplo siguiente se observaun par de dobletes, uno procedente de cada protón: Haorigina un doblete 3

un

doblete

H a Hb

I

I

I

t

-c-c-

En el espectro de K M N de la esfructura hipotética anterior, el valor 8 para cada protón,debemedirse en el centro decadadoblete (véaseFigura 8.33). Las heas relativas bajo los dobletes completos en este caso están en relación 1:1 , reflejando el hecho de que cada doblete debe su origen a un protón. (Los dos picos de cualquier dobleteguardanunarelación que, en el caso ideal, es también 1:1, peroquepuede ser ligeramente distinta, tal como se veen la Figura 8.32 para los protones adicos.)

352

Capitulo 8

S para H,

Especfroscopia I: Infrarrojo y Resonancia Magnética Nuclear

S para Hb

,relaci6n de &ea total: 1:l

FIGURA 8.33. Patr6n de acoplamiento spin-spin para

t?a ‘ y b

-t-cI

1

La separación entre los dos picos de un doblete se llama constante de acoplamiento J, y vm’a de acuerdo con el ambiente de los protones y con su disposición geométrica mutua. (Debido a que los protones de acoplamiento son causados por fuerzas internas, las constantes de acoplamiento son independientes de la fuerza de h.) El simbolismo J,, designa la constante de acoplamiento del desdoblamiento de Ha producido por H, y del de H, producido por Ha.Para cualquier par de protones acoplados, el valor de J es idéntico al medirlo en uno u otro doblete. Por convención, los valores de J se expresan en Hz;por lo tanto, la escala en Hz en la parte superior de un espectro de RMN se usa para determinar constantes de acoplamiento. Para un par de protones vecinos no equivalentes unidos a átomos de carbono con libre rotación, el valor de J suele ser del orden de 7 Hz. La Figura 8.32 (el espectro de RMN del p-metoxi-benzaldehído), muestra un par de dobletes en la región aromática. Los dos protones designados como H, son equivalentes entre sí, como también lo son los dos protones H,. H, y H, son vecinos y no equivalentes entre sí, por lo que sus señales respectivas se desdoblan para dar dos dobletes. Obsérvese que los dos picos de cada doblete no son sim6tricos;sino que los picos situados hacia la parte interior son algo mayores.* PROBLEMA DE ESTUDIO 8.9.

Cada uno de los protones o grupos de protones indicados a continuaci611, da origen a un doblete en el espectro de RMN. Diga cuántos picos contiene la señal del otroprotdn aislado, no subrayado. (Utilice la regla n + 1.) (a)

--(.g-C‘f{I I

(b) -CE2-C.‘f4-

I

(c) CB3-CH-

I

x___

PROBLEMAS M O D E L O ¿cuáles de 10s siguientes compuestos deberán mostrar un doblete (además de otras señales) en su espectro de RMN?. (a)

,CH(’12

(b) C‘iI,CH,CH2(“I

(c)

C‘HICH(-~IC~~~

Solución: Los protones subrayados deberán aparecer como dobletes: (a) CH3CHC12;

(b) no hay dobletes (c) CH,CHCICH, como un doblete y no como dos dobletes (¿Por qué?) *En inglés, se designa este hecho con la palabra “leaning” (to lean, inclinarse).

PatronesdeacoplamientoSecci6n

~~~

8.70.

353

~~

Dt5 las zíreas totales relativas bajo todas las señales de absorci6n de los compuestos del problema anterior. Soluci6n: (a) 3:l (b) 3:2:2 (c)

6:l

Diga cuhtos singuletes y cuhtos dobletes deberían aparecer en el espectro de RMN de cada uno de los siguientes bencenos sustituidos:

Soluci6n: (a) dos singuletes (Cli, y OCK) y dos dobletes para los protones aríiicos: (b) un singulete (NHH)y dos dobletes. (Un par de dobletes en la regi6n arííca es típico de bencenos

1,4-disustituidos.)

PROBLEMA DE ESTUDIO O

8.10.

II

El espectro de Rh4N deuna aril-cetona(ArCR), C,H,ClO,se representaenlaFigura

'Cutil es la estructura del compuesto?

FIGURA 8.34. Espectro de RMN de la aril-cetona desconocida del problema 8.10

8.34.

Capítulo 8

354

Espectroscopia I: Infrarrojo y Resonancia Magnetica Nuclear

C. El triplete o señal triple Cuando un protón (H,)se encuentra enla vecindad inmediata de otrosdos, equivalentes entre sí perodistintosde 61 mismo, su seiialen el espectrode RMN es un triplete (2 1 = 3). Los dos protones equivalentes Hb,por su parte, dan origen a una señal desdoblada en dos picos (doblete) por acción de H,.

+

H. vecino a dos H equivalentes, señal su

es un tr+lete

Hbvecinos a un H , su señal ~"

r~ q

e

s un doblete

El patrón de absorción en RMN para los tres protones de la estructura parcial anterior consiste en un doblete y un triplete. Los picos componentes del triplete estan separados entre sí por el mismo valor de J que los del doblete. La anchura total del triplete (separación entre los picos exteriores) es, por lo tanto, de W (Figura 8.35). Las h a s totales bajo el triplete y el doblete se encuentran en relación de 1 .(Ha) a2 (Hb). (Sin embargo, las heas relativas de los picosdel triplete, esth en relación 1:2: 1 , fenómeno cuyas razones se examinarb en la Sección 8.1 l .

FIGURA 8.35. Patr6ndeacoplamientospin-spinpara

--"C-Hb.

I

I

El espectrode RMN del 1,1,2-tricloro-etano representadoen responde plenamente a esta imagen.

la Figura 8.36

mAs protegidos: a campo alto

H menos protegido: a campo bajo contiguo a dos protones: triplete &rea total relativa: I


Sugiera una raz6n por la que el prot6n del grupo C1,CHen el 1,1,2-tricl01.0-etan0, esta menos protegido que los protones del grupo CH,Cl.

8.10.

Patrones deacoplamientoSeccibn

8.0

5.0

6.0

7.0

3.0

4.0

2.0

355

I .o

FIGURA 8.36. Espectro de RMN del 1,1,2-tricloro-etano

PROBLEMA MODELO LCdles de los siguientes compuestosmostrariin por lo menos un triplete (entre otras señales) en su espectro de RMN? ¿Cuhtos tripletes mostrarl cada uno de ellos? CI OCH, (a)

I

I

CH2CH2

"

(c) CI,CHCH2CHCI2

(b) C H , C H , G

Soluci6n: (a) dos tripletes, uno para cada CH,; (b) un triplete del CH, (c) dos tripletes: uno, de los H, acoplados a los H, y otro, de los H, acoplados a los dos H,. Hu

I

Hh

l

Ho l

cI,c-c-cc12 I


La Figura 8.37 muestra el espectro de RMNdel acetato de 2-fenil-etilo. Asigne cada señal a los protones correspondientes.

D.

El cuadruplete o señal cuádruple

Consideremos un compuestocon un grupometilo y un prot6nnoequivalenteenel carbono vecino.

~7 7 3

cuadruplete para H.

',

doblete para el CH,(HJ

356

Capitulo 8

Espectroscopia 1: Infrarrojo y Resonancia Magnetita Nuclear

FIGURA 8.37. Espectro de RMN d e l acetato de 2-fenil-etilo.

Los tres protones metílicos equivalentes (Hb),tienen un protdn vecinoy aparecen en el espectro en forma de un doblete de Area relativa 3 (de los tres protones). La señal de Ha se observa en el espectro en forma de un cuadruplete (3 l), pues Hatiene tres protones vecinos equivalentes. Los valores de J que separan cualquier par de picos consecutivos del cuadruplete, son identicos al valor de J entre los dos picos del doblete. En nuestro ejemplo, elArea total relativa bajo el cuadruplete deHa es 1. (La relaci6n de Areas de los picos del cuadruplete es 1:3:3:1; Figura 8.38).

+

H a Hb

FIGURA 8.38. Patr6n de acoplamientospin-spinpara

I

I

"C"C"Hb

I

/

Hb

El grupo etilo (CH,CH,-), muy común en compuestos orghicos, muestra un desdoblamiento muy característico de sus señales en el espectro de RMN:un triplete y un cuadruplete*

CH,vecino a dos H: su señal se J-dobla

en un

triplete

C?wH*-

t

CH, vecino a tres H;su señal se desdobla en un cuadruplete

Patrones de acoplamiento

357

Seccidn 8.10.

L o s desplazamientos químicos de un grupo etilo son tambidnmuy característicos. por el oxígeno, Con frecuencia, elCH, está unido a un átomo electronegativo, ejemplq se observa, entonces que desprotege alos dos protones. El cuadruplete correspondiente a campo bajo, mientras que el triplete del CH,, más protegido, se obserya a campo alto. Una absorción típica delgrupo etilo, es la que se observa en el espectroRMN de delcloro-etano(Figura 8.31). Otro ejemplodeespectrode RMN queexhibelas caractensticas señales del etilo,,un triplete a campo alto y un cuadruplete a campo bajo, se encuentra en la Figura 8.39.

8.0

7.0

6.0

5.0

40

2.0

30

FIGURA 8.39. Espectro de RMN que muestra las seriales tipicas

I

.o

del grupo etilo.


Asocie cada uno de los espectros de RMN dela Figura 8.40 con alguno de los compuestos de la siguiente lista: (a)

CH,CO,CH,CH,

(b) C H 3 C H 2 e I

(c) CH,C0,CH(CH,)2

E. Intercambio químico y enlacedehidrogeno Bashdonos en las discusiones anteriores, esperaríamos que el espectro de RMN del metanol (Figura 8.21, phg. 339) mostrase un doblete (para los protones del CH,) y un cuadruplete (para el protón del OH). Esto es exactamente lo que se observa cuando el espectro del metanol se grafica muy a baja temperatura ( - 40"). Sin embargo, si el espectro se grafica a temperatura ambiente, sólo se observan dos)singuletes. Larazónpara este comportamiento del metanol es que las mol6culas de los alcoholes reaccionan rápidamente entre sí, a temperatura ambiente, en presencia de trázas de Acido, intercambiando protones delOH en un proceso llamadointercambio químico. Es tan rápido el proceso de intercambio que los protones vecinos no pueden distinguir cualquier diferencia en los estados de spin y sólo ven un valor promediode

358

500

Capítulo 8

Espectroscopía I: Infrarrojo y Resonancia Magnetita Nuclear

400

o

ti7

3

I

FIGURA 8.40. Espectros de RMN para el problema 8.13

.o (continúa)

+

cero [( +f> (-f)= O]. Las aminas (RNH, y R,NH) también sufren intercambio químico. 0 .

CH,O:

I

+ H'+ a

6

CH,OH, I3

CH,OH, ..

+ H+

H Para los químicos orgánicos, es de gran importancia práctica el hecho de que los desplazamientos químicos de los protones de los grupos OH y NH dependen del disolvente y de la concentracidn, debido a los enlaces de hidrógeno. En un disolvente que no forme enlaces de hidrógeno (como CCl,) y a bajas concentraciones de CH,OH (1% ó menos), la absorción del protón del grupo OH se observa alrededor de O.5ppm. Sin embargo, a concentracionesmayores deCH,OH, que son más comunes, la absorción H

Patrones de acoplamiento Secci6n

8.10.

359

FIGURA 8.40. (continúa) Espectrosde RMN para el problema 8.13.

se observa en la regi6n de 4-5 Spp, debido al enlace de hidr6geno. Cuandose corre el espectro en disolventes que forman puentes de hidr6gen0, la señal del prot6n del grupo OH puede desplazarse a campos aún m6s bajos.

F. Otros factores que influyen sobre los patrones de acoplamiento L o s patrones de acoplamiento spin-spin que hemos discutido a

lo largo del capítulo son casos ideales. La mayoría de los espectros de RMN son bastante mais complejos que los que hemos utilizado como ejemplos. Esta complejidad surge de un variado número de factores, de los que s610 vamos a mencionar dos. Uno de ellos es la no equivalencia de protones vecinos: O

II

C‘I C H2 C H C H

I

la sedd se desdobla a causa de tres

tipos

udisrimosdeprotonescontiguos

CHCI,

Otro factor causante de complejidad adicional la magnitud es del desplazamiento n + 1 solamente funciona bien cuando las señales quimico. La regla de desdoblamiento de los protones acoplados están separadas por un intervalo bastante amplio de desplazamiento químico. Cuando los desplazamientos químicos son cercanos, los picos interiores de una señal múltiple tienden a aumentar de intensidad, a la vez que disminuye la de los picos exteriores. (Éste es elya comentado fen6meno de inclinaci6no “leaning’’). Cuando los desplazamientos químicos son muy cercanos, la señal múltiple puede convertirse en un singulete. La Figura 8.41 representa el espectro de RMN del n-octano, un alcano típico. L o s desplazamientos químicos deIGS distintos grupos CH, difieren muy poco, con lo cual la señal de los metilenos aparece como un singulete ancho a 1.27 ppm. L o s dos grupos metilo, equivalentes entre sí, estim algo m& protegidos que los grupos metileno, absorbiendo, consecuentemente, a campo m6s alto S=O.83 ppm). Según las reglas de acoplamiento spin-spin,14 seiial de los metilos debería ser un triplete. Con un poco

Capitulo 8

360

Espectroscopia I: Infrarrojo y Resonancia Magnética Nuclear

FIGURA 8.41. Espectro de RMN del n-octano

de imaginacidn, puede verse dicho triplete inclinado hacia el pico debido a la absorcidn del metileno.

SECC16N8.1 l.

Diagramas de acoplamiento spin-spin Un diagrama de acoplamiento spin-spin, llamado tambiCn diagrama de Arbol, es un m6todo muy conveniente para el andisis de los patrones de acomplamiento. Consideremos, por ejemplo, el prot6nH, de la estructura parcial> CH,-CH, <. El desdoblamiento en un doblete de laseñal, para H, por accidn de Hb,, puede simbolizarse mediante el siguiente diagrama de &bol, el cual se “lee” empezando en la parte superior y continuando hacia abajo.

(3@

llnea representa el pico de absorcidn. Su altura es proporcional &rea al bajo el pico

/

(1) señal de H,

sin acoplamiento (2)señal desdoblada por los dos estados de spin de Hb

(4)La distancia entre las lineas es J;

relacidn de dreas (1:I )

Diagramas de acoplamiento spin-spin

Secci6n 8.1 l.

361

El desdoblamiento de la señal para H, por los estados de spin de H,, puede representarse por un diagrama similar. Pueden superponerse ambos diagramas sobre el espectro de RMN,del modo que se refleja en la figura 8.42. I

L-

I

I

" "

~~

~.

~

-

~

6 Para H.

1

-1

6 para H,

FIGURA 8.42. Diagrama de acoplamiento spin-spin de dos protones vecinos no equivalentes.

El diagrama de árbol paraun triplete, es una extensión directa del de un doblete. Consideremos el modelo de absorción de H, en el siguiente sistema: H" Hb

I I

1 I

"C-C-H,

En este caso, H, observa dos protones vecinales y su señal se desdobla en un triplete; la constante de acoplamiento es Jab. El-triplete surge a causa de que el pico de H, se desdobla dos veces, una para cada H,. Podemos ver el resultado de estos dos desdoblamientos utilizando el diagrama de árbol. H, se divide primero en un doblete y los dos picos resultantes se subdividen de nuevo. Observamos un triplete, porque los dos picos centrales absorben ahora en la misma posición; y, consecuentemente, el área del pico central es doble de la de cualquiera de los dos picos exteriores.

, // "Job

cada pico desdoblado adicionalmente por acoplamiento con el orro H, , ,

\\

+L

Job&!

\

'I

PROBLEMASMODELO Dibuje un diagrama de acoplamiento spin-spin para el prot6n H, del siguiente sistema, en el que Jm= 10 Hz y J,=5 Hz.

Solucibn:

I

I

1

1

ObsCrvese que el patr6n de absorcidn no es un triplete, como podría predecirse con la regla n + l . En vez de ello, se observan cuatro líneas separadas de igual intensidad, debido a que las constantes de acoplamiento ,J y ,J no son iguales. Dibuje un diagrama de acoplamiento para el prot6n H,,de la estructura parcial

I

“CCH,

I

H a

Soluci6n:

todos los valores de J =J,

I

I

I

I

I

I

I

3

I

I

La señal inicial se subdivide tres veces. La relacidn de intensidades 1:3:3:1 surge del hecho de que todos los protones tienen la misma constante de acoplamiento, superponikndose como consecuencia las posiciones de absorción.

-

Espectroscopia de

RMN carbono-13 del Seccidn

8.12.

363

SECC16N 8.1 2.

Espectroscopía de RMN del carbono-13 La espectroscopía de RMN de protones o de 'H, proporciona una descripción de los átomosdehidrógeno en unamolécula orgánica. Los espectrómetros de RMN de carbonc+l3 o de I3C, proporcionan una descripción de los átomos de carbono. L o s espectros de I3C aún no se emplean tanto como los de protones, en parte porque la RMN de 'Hse desarrolló primero. Sin embargo, es de esperarse mayor uso de esta nueva técnica en un futuro cercano. En la espectroscopía de RMN de 'H, se estudia al isótopo natural más común del hidrógeno, :H, cuya abundancia en la naturaleza es de 99.985% del hidrógeno total. Sin embargo, el 98.9% del total de átomos decarbono existentes en la naturaleza son l:C (isótopo con núcleos carentes de spin) y sólo el resto, l. 1%, son carbono-13. Por otro lado, la transición de un núcleo de I3Cdel estado de spinparalelo al antiparalelo es debaja energía. Un espectrómetrode RMN de I3Cdebe ser extremadamente sensible (alrededor de 6OOO veces más sensible que un instrumento standard de RMN de IH), para poderdetectar las inversiones de spin, que son pocasen número yde baja absorción de energía. Sin embargo, los avances recientes en la instrumentaci6n permiten diferenciar sin problema las señales de I3C, normalmente débiles, del ruido "basal". Aunque la baja abundancia de los núcleos de I3Ccomplica el diseiio instrumental, los espectros de I3C son mucho menos complejos que los de 'H. Esto se debe a que, a pesar de que dos núcleos vecinos de "C pueden desdoblar sus seiiales entre sí, las probabilidades de encontrar núcleos de I3C son muy escasas. Por ello, no se observan, en los espectros de I3C, desdoblamientos del tipo I3C-l3C. Una desventaja es que la baja abundancia de los núcleos de I3C obliga a usar técnicasespeciales, que hacen que en el espectro, las áreas de los picos no sean necesariamente proporcionales al número real de carbono en la muestra. Por esta razón, el análisis de área no se practica en la RMN de I3C, como se hace en la FWN de 'H. Existen dos tipos principales de espectros de I3C:en unos se observan los acoplamientos spin-spin I3C--lH y en los otros no. Con frecuencia se usanambos en combinación. En estos espectros, también se emplea el TMS como referencia interna y también los desplazamientos químicos se miden hacia campos menores del pico del TMS.Los desplazamientos químicos en la RMN de I3C son mucho mayores que los observados en la RMN de 'H.La mayona de los protones que se detectan en la RMN de 'Hmuestran absorción entre 0-10 ppm hacia campo menor que la señal del TMS y sólo algunos protones, como los aldehídicos a los carboxílicos, mmstran picos fuera de este rango. Con carbono-13, la zona de absorción se extiende en el rango de 0200 ppm hacia campo menor que la señal del TMS.Esto permite que 10s espectros de I3C sean más sencillos que los de 'H, ya que en un espectro de 13Ces poco probable que se observen seííales superpuestas. Los desplazamientos relativos en la espectroscopía de RMN de I3C son más 0 menos paralelos a los de la espectroscopía de RMN de 'H.El TMS absorbe a campo alto, mientras que los carbones aldehídicos y carboxílicos lo hacen a los campos más bajos. En la Figura 8.43, se muestran las posiciones generales de absorción de 10s diferentes tipos de átomos de carbono.

A.

Espectro de desacoplado de

los protones

Es, como su nombre lo indica, aquél en el cual el núcleo de I3C no está acoplado con los de 'Hy, por lo tanto, no muestra acoplamiento spin-spin. El desacoplamiento se hace electrónicamente irradiando la muestra con una segunda radiofrecuencia. Esta

364

Capitulo 8

Espectroscopia I: Infrarrojo y Resonancia MagnéticaNuclear

C aldehídicos y cetónicos C de Csteres, amidas y iicidos carboxílicos

C alquenos y aromiiticos C alquinííicos C alquílicos

200

150

50

1O0

FIGURA 8.43. Posiciones relativas de absorci6n en el espectro de RMN de

'X.

energía adicional produce rápidas interconversiones entre los estados de spin paralelo y antiparalelo de los protones. Como resultado, el núcleo de I3Cve sólo un promedio de los dos estados de spin de los protones y su señal no se desdobla. Ya que no haydesdoblamientode picos en un espectro desacoI)lado deprotones, la señal para cada grupo de átomos de carbono magnéticamente equivalentes aparece como un singulete. Esto permite determinar, de manera sencilla, el número de los diferentes tipos de átomos de carbono en una moléculade muestra, al contar el número de picos que aparecen en el espectro. En la Figura 8.44 se muestra el espectro de RMN de 13Cdesacopladode protones, del n-octano, compuesto que tiene cuatro tipos de carbonos no equivalentes (carbonos 1 y 8; 2 y 7 ; 3 y 6; y 4 y 5). El espectro muestra cuatro smguletes. Al comparar este espectro con el espectro de RMN de 'Hdel n-octano de la Figura 8.41 (página 360), se obscva que en este último, las señales de los protones se encuentran amontonadas en la región de 0-1.5 ppm, lo que hace imposible el análisis de los picos. En cambio, en el espectro de RMN de I3C, las señales están mucho más separadas, en la región de; 0-35 ppm y , por lo tanto, se distinguen con facilidad.

B. Espectroscon l o s protonesacoplados El segundo tipo de espectro de RMN, de I3C, es aquel en el que no se suprime el acoplamiento I3C-lH. En este caso, la señal de cada carbono se desdobla debido a los protones directamente unidos a él. Al igual que en la espectroscopía de R M N de 'H,se aplica la regla n 1, pero en la RMN de I3C, nes elnúmero de átomos de hidrógeno unidos al átomo de carbono que se analiza.

+

1

/ un H : doblete

-C'H

I

\

/-

, X H

2

dos H : triplete

/tres H : cuadruplete

-CH.,

Puede deducirse grancantidaddeinformación acerca de la estructura deun compuesto cuando se comparanambos espectros: el que tiene losnúcleos de I3C acoplados a los protones y el que los tiene desacoplados de los núcleos de 'H. Por ejemplo, si analizamos los dos espectrosdel acetato de vinilo de la Figura 8.45, encontramos que el carbono del carbonilo a 6 = 169 ppm; es un singulete en ambos espectros; por lo tanto, este carbono no está unido a ningún hidrógeno. La señal del carbono subrayado CH,COCH = CH,, se desdobla en un doblete en el espectro aco-

Espectroscopía de

8.12.

RMN carbono-13 del Secci6n

365

r

30

10

o

IO

pp111

FIGURA 8.44. Espectro de RMN de I3Cdesacoplado de protones, del n-octano.

plado, indicando que a éI está unido un H. Similarmente, la seiial CH, en6 = 98 ppm es un triplete, Y la seiial CH, a 6 = 20 ppm, esun cuadruplete.

O

II

c=o

CH,COCH=CH, =CH,

CH 3" -0CI

.

>

80

FIGURA 8.45. Espectros de RMN de "C del acetato de vinilo. Acoplado (arriba) y desacoplado (abajo).

366

Capitulo 8

Espectroscopia /: infrarrojo y Resonancia Magnética Nuclear

PROBLEMA DE ESTUDIO 8.14. 500

La figura 8.46 muestra los espectros de Rh4N de 'H y de"C de un compuesto con f6rmula molecular C,H,,O,Br. ¿Cuál es la estructura de este compuesto? 400

300

2 O0

1 O0

3

1

II

t

L

!O0 190 180 170 160 150 140 130 120 110 100 90

80

70

60

50

FIGURA 8.46. Espectros de RMN de 'H y de "C para el problema 8.1 4.

40

30

I .o

"

20

10

Oppm

Uso de los espectros de infrarrojo y de RMN

Secci6n 8.13.

367

SECClbN 8.1 3.

Uso de los espectros de infrarrojoy de RMN para la identificacihn de estructuras orgainicas. Dado que los espectrómetros de RMN de I3C aúnno se emplean con regularidad (especialmente por los estudiantes) limitaremos nuestra discusi6n en esta sección a la espectroscopíade RMN de 'H. De igualmanera, en los capítulos subsiguientes, cuando hablemos de espectroscopía de R M N nos estaremos refiriendo s610 a la RMN de 'H. A partir del espectro de infrarrojo, podemos deducir la naturaleza de los grupos funcionales de una sustancia desconocida. A partir del espectro de Rh4N de protones, a menudo podemos deducir la estructura de la parte hidrocarbonada de la molkcula. Con Cstos dos aspectos, algunas veceses posible llegar a deducir la estructura completa de un compuesto desconocido; pero lo más frecuente es que se requiere para tal fin algún tipo de información adicional(tal como reactividad química, análisis elemental, espectros de otra clase, etc.). Esta información adicional, en este texto, la proporcionaremos como una fórmulamolecular, de la cual podrá deducirse el número de anillos y/o dobles enlaces. (Ejemplo: C,H,, correspondiente a C,,H,, implica un doble enlace o un anillo.) A partir de los espectros, podemos determinarla presenciade determinados fragmentos estructurales que luego intentaremos hacer coincidir con la f6rmula molecular.

PROBLEMA MODELO Un compuesto tiene la f6rmula molecular C,H,O. Sus espectros de infrarrojo y de RMN se representan en la Figura 8.47. ~ C u es a la estructura del compuesto?

Soluci6n: La f6rmula pone de manifiesto que el compuesto tiene un &tomo de oxígeno; puede tratarse entonces de un alcohol, un éter, un aldehído o una cetona. Dado que la f6rmula molecular es del tipoC,H,,O, el compuesto debe contener un doble enlace (C= C o C =O) o un anillo. Para distinguir entre los grupos funcionales posibles, examinamosel espectro infrarrojo. En 61 destaca la fuerte absorci6n en la regi6n carbonííica a 1750 cm-' (5.8 Fm). Concluimos, pues, que el oxígeno pertenece a una funci6n carbonííicay no a una agrupacibn alcohol o Bter, no habiendo por lo tanto, ningún anillo. Longitud de onda (Km)

Número de onda (cm") FIGURA 8.47. Espectros para el problema modelo de f6rmula C,H,O

(continúa)

368

Capitulo 8

500


-

300

400

200

100

FIGURA 8.47. (continúa) Espectros para el prohlema modelo de f6rmula C,H,O.

En el espectro RMN, no se observa ninguna señal característica a campos bajos, indicativa de un aldehído, con lo cual se puede concluir que se trata de una cetona. Lo Único que destaca es un singulete estrecho, que nos indica que todos los hidr6genos son equivalentes y no tienen H vecinos no equivalentes. La única estructura compatible con todos estos hechos, es la propanona (acetona): (CH,),C = O.

PROBLEMASDEESTUDIO 8.1 5.

Un compuesto tiene la f6rmula C,H,O. Sus espectros de infrarrojo y de RMN, se muestran en la figura 8.48. ¿Cud es la estructura de este compuesto?

8.16.

La figura 8.49 muestra los espectros de infrarrojo

y de RMN deun compuesto cuya f6rmula

molecular es C,H,O. ¿Cud es la estructura? Longitud de onda (pm) 3.5

.

_3 ,

,

4

5

6

FIGURA 8.48. Espectrospara el compuestode f6rmula C,H,O,

7

8

o

del problema 8.15.

10

12

(continúa)

15

FIGURA 8.48. (contintú) Espectros para el compuesto de f6rmula C,H,O, del problema 8.15.

FIGURA 8.49. Espectros para el cGmpuesto de f6rmula C,H,O, del problema 8.16.

370

8.17.

Capitulo 8

Espectroscopfa I: Infrarrojo y Resonancia Magnetita Nuclear

La figura 8.50 muestra los espectros de infrarrojo y de RMN de un compuestocuyaf6rmula molecular es C,H,CIO,. ~ C u es a la estructura d e l compuesto?

FIGURA 8.50.

Espectros para el compuestode fórmula C,H,ClO,del

problema8.17.

Resumen

371

Resumen L o s compuestos orgánicos pueden absorber radiaci6n electromagnbtica de diversas longitudes de onda. La absorción en la regi6n hrfrarroja, da origen a excitaciones vibracionales (de los enlaces, si bien los diferentes tipos de enlaces requieren distintas cantidades de energía para ello. En un espectro de infrarrojo, la región de 1400-4000 cm“ (2.5-7.1 pm) es útil para determinar grupos funcionales, mientras que la región situada a continuación es la regi6n dactilosc6pica. La resonancia magndtica nuclear, es el resultado de la absorción de radiación electromagnktica en la región de radiofrecuencia por parte de protones situados en un campo magnético (H,,), que se ven así transferidos del estado despin paralelo al antiparalelo. Un campo magn6tico molecular inducido, puede proteger (oponerse a H,)o desproteger (“sumarse” aH,)a los protones y causar un desplazamiento quimico (S) de la señal de absnrcirin. El c a m w indllcido resulta de efectos anisotr6picos y efectos inductivos. Un prot6n protegido absorbe a campo alto cerca del TMS usado como referencia. mientras f l ~ l c .un ~ r o t 6 ndesprotegido absorbe p rumoo bajo.

o

1

creciente

CI

protecci6n

El desdoblamiento spin-spinde una señal de absorciónproviene de los estados de spin de los protones vecinos no equivalentes. La señal de un protón particular (o grupo de protones equivalentes) se desdobla en n + 1 picos, siendo n el número de protones contiguos equivalentes entre sí, pero no al protón en cuestión. La distancia (en Hz) entre dos picos consecutivos de una señal desdoblada es la constante de acoplamientoJ. Este desdoblamiento es el mismo en todas las señales de protones acoplados entre sí. El úrea bajo una señal completa de absorción es proporcional al número relativo de protones que dan origen a dicha señal. Los espectros de R M N de carbono-13 muestran las frecuencias de absorción de átomos de I3C en lugar de protones. Los espectros pueden mostrar acoplamientos I3C-lH, o pueden estar desacoplados de los protones, en cuyo caso no se observan desdoblamientos. En los espectros de R M N de I3C, las áreas bajo los picos no son necesariamente proporcionales al número de átomos de carbono que originan las señales.

Capitulo 8

372

Espectroscopía I: Infrarrojo y Resonancia Magnetita Nuclear


Efect6e las siguientes conversiones: (a) 3000 cm-' a pm; @) 1760 cm-' a pm"; (c) 5.60 p,m a cm-'; (d) 8.20 pm a cm-'; (e)30 Hz a MHz.

8.19.

En compuestos de estructura similar, ¿cud de cada uno de los siguientes pares de fragmentos estructurales originaría una absorci6ninfkarroja m& intensa? ¿Por qut? (a) (c)

8.20.

C=O O-H

6 6

C=C N-H

(b) C=C-CI

;6 C=C-H

Diga c6mo podrían distinguirse cada uno de los siguientes pares de compuestos en base a sus espectros de infrarrojo CH,CH,CH,N(CH,), (b) CH,CH,CH,COzH O

y

(c) CH,CH,CCH,

CH,CHZCOZCH,

y

(a)

II

y

CH,CHzCHzNHz CH3CHZCOzCH3

8.21.

Un químico est6 oxidando ciclohexanol a ciclohexanona. iC6rno puede indicarle la espectroscopía infrarroja que la reacci6n se ha completado?

8.22.

Un compuesto de f6rmula molecular C,H,,O, no contiene dobles enlacesy da, por calentamiento con HI, un derivado de f6rmula C,H,J,. El espectro de infrarrojo del compuesto de partida, muestra absorci6n a 2850 cm" (3.5 pm) y a 1110 cm" (9 km), pero no en las regiones de 3330 cm-' (3 pm) y 1720 cm-' (5.8 pm). LCufiles son las posibles estructuras del compuesto y del diyoduro?

8.23.

Cuando el campo magnttico molecular inducido se opone a H,,un prot6n afectado por este campo: (a) jestfiprotegido desprotegido? (b) ¿absorbe ac q o alto o bajo? (c) jse encuentra a la derecha o a la izquier en un espectro típico de RMN?

E

8.24.

A 60 MHz, ¿a cuhtos Hz hacia campo bajo del TMS se encuentra una señal de 7.5 ppm de desplazamiento quimico?

8.25.

En cada uno de los siguientes p p o s de compuestos, indique cud de los protones subrayados ..absorbed a campo m h alto: (a)

CH3CHzCHzCl, CH,CHCICH,, CH2CICH2CH,

8.26.

¿Por qu6 no podria el tetraetil-silano (CH,CH,), Si, ser una referencia interna tan buena como el TMS para los espectros de RMN?

8.27.

¿Cuantos grupos diferentes de protones equivalentes químicamente se encuentran en cada una de l a s siguientes estructuras?De haber m& de un grupo, indique cada uno.


(a)

(b) CH3CH20CH2CH3

CH,CH2CH2CH,

(d)

(c) CH,CH=CH,

C~U~S-CHCI=CHCI

(f) CH3CH2COzCH2CH, (h) ( S ) - ~ - C ~ O ~ ~ ~ U ~ Z U I O

(e) cis-CHCl=CHCl (g) (R)-2-~10ro-b~tan0

(i)

373

(CHJ2CHN(CH3)CH(CH3),

(j)

BrCH2CH2CH(CHJ2

8.28.

En el Problema 8.27, indique cuantas señales principales deberían observarse en el espectro de RhdN de protones de cada compuesto y prediga las h a s relativas bajo los picos.

8.29.

Un espectro de RMN muestra dos señales principales con una relaci6n de h a de 3:l. B&dose en esto solamente pfrles de las siguientes estructuras pueden corresponder al espectro? (a) CH2=CHCH3 (c) CH,CH2CH2CH,CH,CH, (e) CH2=C(CH3)2

(b) CH2=CHCO,CH, (d) CH3CHzCH3 (f) ' CH3C02CH, una muestracuyos

8.30.

Calculelasrelaciones de losdiferentes tipos de&tomosdehidr6gen0,en escalones en una curva de integraci6n miden 81 .S, 28, 55 y 80 mm.

8.31.

Para cada uno de los siguientes compuestos, prediga la multiplicidad (nhem de picos que se originan del acoplamiento spin-spin) y el de drea relativa total bajo la señal de cada conjunto de protones equivalentes:

O (a)

CH,CH2COzCH3

(dl CH@-f&Cl 8.32.

(b) CH,0CH2CH20CH3

II

(c) CH3CCHzCH3

(e) CI2CHCH,Br

Un quimico tiene dos cloropropanos isom6ricos: A y B. El espectro de RMN de A muestra un doblete y un septet0 (siete picos), mientras que el de B e w b e dos tripletes y un sextet0 (sei! picos). Identifique las estructuras de A y B.

(a)

CH,CH2CHzCHZCH=CH2

y

O (b)

CH,CH,ChO

y

O

I1

(c) CH,CCH,

It

CH,CCH, O

y

II

CH,CdCH,

(CH3)2C=C(CH3)2

Capitulo 8

374

8.34.

¿Qui5 datos aportados por las espectroscopías de infrarrojo o de RMN podrían utilizarse para distinguir entre: (a) propanol

(c)

y 6xido de propileno?

etanol y 1,2-etanodiol?

(e)etanol

8.35.

Espectroscopia I: Infrarrojo y ResonanciaMagnéticaNuclear

(b)

tter di-isopropílico y Bter di-n-propílico?

(dl

C N C H 3 y

(f)

*ido acttico y acetona?

y cloro-etano?

O

H

?

Dibuje un diagrama de kbol para cada uno de los protones indicados: (a)

CICH,CH2CH,CI

(b) CI,CHCH,

(c) CH,CH,OCH,

(J-

= 5Hz y

8.36.

Dibuje un diagrama de &bol para Hm en la estructura parcial siguiente, donde Jm = 11H,.

8.37.

Sobre la estructura del anesttsico local xilocuina, prediga: (a) el número de señales principales en espectro de RMN; (b) los patrones de acoplamiento de estas señales; y (c) las bandas de absorci6n caractensticas en el espectro de infrarrojo.

xilocaína

8.38.

Dibuje el espectro de RMN que cabe esperar para el 1,l-dicloro-etano. Asegúrese de incluir (cualitativamente):desplazamientos químicos esperados, patrones de acoplamientoy aireas apropiadas bajo las señales.

8.39.

Dibuje el espectro de R M N esperado para cada uno de los compuestos siguientes: O

(a) CH,CHCICHCICH,

8.40.

(b) C H , C H , O a C H , O C CI / H ,

Bajo la influencia de H,,el [18] anuleno exhibe una corriente inducida en el anillo semejante a la del benceno. Prediga la proteccidn y la desprotecci6nde los protones deeste sistema anular.


H

H

H

H

375

1181 anuleno

8.41.

Los protonesmetílicosdel15,16-dimetil-pirenonotienen el mismodesplazamientoquimico que los de C,H,CH,; sino que, por el contrario, su señal se encuentra a campomcfs alto que la del TMS (6 = -4.2 ppm). ¿Por quk?

15,lddimetil-pireno

8.42.

Prediga la multiplicidad de cada una de las bandas de absorci6n en los espectros de RMN de I3C acoplados a protones de los siguientes compuestos: OH (a)

I

(CH,),CCrCH

O (b) e ! O C H 2 C H 3

8.43.

Elespectrode RMN de 'H de un alcohol (C,H,,O) muestra las siguientesabsorciones:un singulete (&ea relativa 1); dos dobletes (heas 3 y 6 ) y dos señales mtíltiples (ambas de &ea 1). Cuando dicho alcohol se trata con HBr, produce un bromuro de alquilo (C,H,,Br), cuyo espectro de RMN muestra s610 un singulete (&ea 6); un triplete ( h a 3) y UD cuadruplete ( h a 2). iCu6Ies son las estructuras del alcohol y del bromuro de alquilo?

8.44.

En cada una delas figuras desdela 8.51 hasta la 8.57, se dan: una f6mula molecular, un espectro de infrarrojo y un espectro de RMN de 'H, para un compuesto desconocido.iCu6I es la estructura de cada compuesto?

FtCURA 8.51. Espectros para el problema 8.44(a): C,H,,O,.

377



O Hz

3'

8.0

7.0

'

6.0

5.0

4.0

'

3.0

FIGURA 8.52. Espectrospara el problema 8.44(b): C,,H,,O,.

2.0

I .o

I

378

500

Capitulo 8

400

Espectroscopfa I: Infrarrojo y Resonancia Magnetica Nuclear

5 .o

1O0

200

300

4.0

3.0

FlCURA 8.53. Espectros para el problema 8.44k):C,H,,O,CI.

2.0

O

I

.o

Hz


3 O0

'

i

200

FIGURA 8.54. Espectrospara el problema 8.44(d): C,H,,O,.

I 00

379

O H7

380

Capitulo 8



FIGURA 8.55. Espectros para el problema 8.44(e): C,H,O,.


381

NSunero de onda (cm")

2100

1 O0

o H~

l3

TM S

FIGURA 8.56. Espectros para el problema 8.44(f): C,,H,,Br,O.

382

Capítulo 8

400

Espectroscopia I: Infrarrojo y Resonancia Magnética Nuclear

300

FIGURA 8.57. Espectrospara el problema 8.44(g): C,H,,N

O Hz

CAPíTULO 9

Alquenos y alquinos

U

n alqueno es un hidrocarburo con un doble enlace. Algunas veces a los alquenos

tambiCn seles llamaolehas, nombre que procede de gas olejunte (“gas formador de aceite”), c m el que se conocía antiguamente al etileno (CH,= CH,).Un alquino es un hidrocarburo conun triple enlace; el alquinomás simplees el acetileno (CHsCH). El doble enlace carbono-carbono es un grupo funcional común en los productos naturales. Frecuentemente, el doble enlace se encuentra junto con otros grupos funcionales.Sinembargo, no sonraroslosalquenosquenotienenningún otro grupo funcional y se encuentran a menudo en las plantas y en el petr6leo. A continuaci6n se dan dos interesantes ejemplos de compuestos que se encuentran en la naturaleza y que contienen dobles enlaces carbono-carbono.

o limoneno de los aceites de cítricos

CH.,

I

CH 2

I1

(CH,)2C=CHCH,CH,C=CHCH~CH2C~H=~H~ 3-metilen-7,11-dimetil-l,6,10-dodecatrieno compuesto secretado por los &dos (pulgones) para señalar “peligro” a otros &@os

Capitulo 9

384

Alquenos y alquinos

S E C C I ~ 9.1. N

El enlace en alquenos y alquinos; acidez de los alquinos El enlace en el etileno y en elacetilenosediscuti6condetalle en el Capítulo 2. Recordemos quelos dos átomos de carbono del etileno es& en un estado de hibridaci6n sp'. Los tres enlacessp2 de cada htomo de carbono est6n en elmismo plano, formando ángulos de enlace de aproximadamente 120". El enlace piqueune los dos carbonos sp2 está por encima y por debajo del plano de los enlaces sigma (Figura 2.14).

etileno, estánen el mismo plano; sin Todos los átomosde lamoléculadel embargo, en una molécula que también tenga átomos de carbono sp3,solamente aquellos átomos unidos a los carbonos del doble enlace están en el mismo plano.

La estructura electr6nica del triple enlace de un alquino es muy similar a la del doble enlace de un alqueno. El acetileno tiene dos átomos de carbono sp con enlaces sigma lineales y dos enlaces piqueunen a los carbonos sp (Figura 2.18). 180"

n H-C-C-H acetileno

Cada átomo de carbono del triple enlace presenta un estado de hibridaci6n sp. El orbital sp tiene una mitad de carácter S , mientras que un orbital sp' tiene una tercera partede carácter S y un orbital sp3 tienesolamenteunacuartapartede carácter s. Debido a que un orbital sp tiene más carhcter S , los electrones en este orbital están más próximos al núcleo del átomo de carbono que los electrones en un orbital spz 6 sp3. (Secci6n 2.4F). Por lo tanto, el átomodecarbono sp de un alquino,es mris electronegativo que la mayoríadelos otros átomosdecarbono. Así, un enlace CH alquinflico es m h polar que un enlace CH alquílico o que uno alquenílico. o+

o

d"

R-CGC-H

bf

'\tomos

de carbono sp atractores de electrones

Una de los consecuencias más importantes de la polaridad del enlace alquinílico carbono-hidr6gen0, es que RC=CH puede perder un ion hidr6geno para dar una base fuerte. El aniónresultante (RCzC-) se llama ion acetiluro. Con un pK,de 26, los alquinosnosonácidosfuertes.Sonácidosmásdebbilesque el agua (pKO--15), pero más fuertes que el amoníaco (pK,-35). Los alquinos reaccionan con una base fuerte

y alquinos Seccibn

Nomenclatura alquenos de

9.2.

385

como la sodamida (NaNH,), con un reactivo de Grignard o con sodio metfilico. Los alcanos y los alquenos no reaccionan bajo estas condiciones.

+ :NH,

CH,C=C:-

un ion acetiluro

P P b O

CH,C=CH

+ CH,Mgl

CH,CECH

+ CH,

CH,C-CMgl

+ Na

SECC16N 9.2.

Nomenclatura de alquenos y alquinos En el sistema IUPAC, los alquenos de cadena continua se nombran dela misma manera que los alcanos de los que proceden, pero se cambia la terminacih -ano por -eno. Por ejemplo, CH,CH, es etano y CH, = CH, es eteno (su nombre común o trivial es etileno).

IUPAC:

0

CH,=CH, CH,CH=CH, eteno

I

ciclohexeno

Un hidrocarburo con dos dobles enlaces es un dieno, mientras que uno con tres dobles enlaces esun trieno. Los ejemplos siguientes ilustranla nomenclatura de dienos y trienos. CH,=CHCH=CH, CH,=CCH=CH, CHZ=CHCH=CHCH=CH2 1,3-butadieno 2-metil-l,3-butadieno un diem

1,3,5-hexatrieno

un dieno

un h i e m

En los nombres de la mayoría de los alquenos, necesitamos un prefijo numeral para indicar la posici6n del doble enlace. A menos que exista otro grupo funcional con prioridad en cuanto a nomenclatura,la cadena se numera empezandopor el extremo que d6 el número mas bajo al doble enlace. El prefijo numeral especifica el Atom0 de carbono de la cadena, donde empieza ‘el doble enlace. O

CH3

II

I

CH,C=CHCH,CH, CH,=CHCHZCH,OH 2-metil-2-penteno 3-buten-

1-61

CH,CH=CHCOH 2-butenoico Acid0

PROBLEMA MODELO Escriba el nombreIUPACpara

CH,CH,CH,CCH,CH,CH,, II CHz

Solucibn: A pesar de que la molkcula tiene una cadena de siete Btomos de carbono, la cadena continua mcis larga que contiene el doble enlace, tiene solamente cinco citomosde carbono. Consecuentemente, la estructura se nombra como un penteno. El nombre IUPAC es 2-propil-1-penteno.

386

Capftulo 9

Alquenos y alquinos

Algunos alquenos y grupos alquenilo tienen nombres triviales ue uso comtín. En la Tabla 9.1 se resumen algunos de ellos. Un enlace pi impide la libre rotaci6n degrupos los alrededor de un doble enlace; consecuentemente, los alquenos pueden exhibir isomeria geom6trica. Este tema,y la nomenclatura de los is6meros geomktricos, se trat6 en la Wci6n 4. l . (Debido a que los alquinos son molkulas lineales, no exhiben isomeria geom6trica.)

cis-2-buteno o (Z)-2-buteno

trans-2-buteno (0-2-buteno

o

La nomenclatura IUPAC de los alquinos es andoga a la de los alquenos. El sufijo para un alquino es -¡no, usfindose un prefijo numeral para señalar la posici6n menos que exista enmolkula la del triple enlace, en la cadena del hidrocarburoA base. otro grupo funcional con prioridad en cuanto a nomenclatura, la cadena se numera de forma que el triple enlace tenga el númerom4s bajo. Antiguamente, se usaban nombres comunes para la nomenclatura de los alquinos sencillos, en la que el acetileno (CHzCH) se consideraba como base. Los grupos unidos a los 4tomos de carbono sp se nombraban como sustituyentes sobre el acetileno. TABLA 9.1. Nombres comunes de algunos alquenos y grupos alquenilos

Estructura

Nombre

Ejemplo

alquenos: CH,=CH, CH,CH=CH, CH,

etileno

CH,C=CH, CH,

isobutileno

CH,=CCH=CH, CH2=C=CH2

iSOPn0 aleno

I

I

propileno

grupos alquenilo:

CH2=

metileno 6 metileno

CH,=CH-

vid 6 vinilo

CH2=CHCH2-

di1 6 dilo

metilen ciclohexano

CH,=CHCI cloruro de vinilo CH,=CHCH,Br bromuro de dilo

"El t6nnino meti&n(o) tambien se usa para nombrar un carbono s p 'disustuido (4,) por ; ejemplo, CH2CI2se llama cloruro de metileno.

Propiedades fisicas

de alquenos y alquiunos Secci6n

9.3.

387

En este texto, usaremos el sistema de nomenclatura W A C para los alquinos, excepto para el acetileno en sí.

WAC: cornfin

fed-etino fed-acetileno

2-pentino etil-metil-acetileno


I35 lasestructurasde (a) (E)-l-cloro-3,4-dimetil-3-hexeno; (b) cis-l,3-pentadieno;(c) ciclohexiletino; y (d) difenil-etino.

9.2.

Nombre los siguientes compuestos:

CH3 (a)

I

CH,=CCH,CH=CH,

(b)

CH=CCH,OH

SECCI~N 9.3.

Propiedades físicas de alquenos y alquinos Las propiedades físicas de los alquenos(pero no las propiedades químicas) son priicticamente idknticas a las de los correspondientes alcanos. En la Tabla 9.2 se dan los y alquinos. Los puntos de ebullici6n de una puntos de ebullicidn de algunos alquenos

TABLA 9.2. Propiedades flsicas de algunos alquenos y alquinos

Nombre

Estructura

P.eb. "C

alquenos: eteno (etileno) propeno (propileno) metil-propeno (isobutileno) 1-buteno 1-penteno

CH,=CH, CH,CH=CH, (CH3),C=CH2 CH,CH,CH=CH, CH,CH,CH2CH=CH,

- 102 - 48

-7 -6

30

alquinos:

(acetileno) etino propino 1-butino 2-butino

CH-CH CH3CrCH CH,CH,C=CH CH3C"CCH3

- 75 -

23 8.1 27

388

Capitulo 9

Alquenos y alquinos

serie hom6loga de alquenos aumentan aproximadamente 30" por grupo CH,. Éste es para una serie hom6logade alcanos. Como en los alcanos, el mismo aumento observado las ramificaciones enun alqueno disminuyen ligeramente el punto de ebullici6n. A pesar de que los alquenos son considerados como no polares, son ligeramente m& solubles en agua que los correspondientes alcanos, debido a los electrones pi, algo expuestos, que son atraidos hacia el hidr6geno del agua parcialmente positivo.

~~

~~~

~~

Espectros de alquenos y alquinos

A. Espectros de infrarrojo Alquenos. El alargamiento del doble enlace = CC, da lugar a absorci6n a 16001700 cm" (5.8-6.2 pm) en el espectro de infrarrojo. Debido a que el doble enlace es no polar, el alargamiento produce solamente un pequeño cambio en el momento de enlace;y, consecuentemente, la absorci6n es dkbil 10 (dea 100veces menos intensa carbonilo). La absorci6n debida al alargamiento de los enlaces que la de un carbono-hidr6geno alquenííicoso vinílicos ( = C-H) a 3000-3 100 cm-' (3.2-3.6 pm) aproximadamente, es tambitn dtbil. Los enlaces carbono-hidr6geno alquenílicos exhiben absorci6n por flexi6n en la regi6n dactilosc6pica del espectro de infrarrojo (Tabla 9.3). La figura 9.1 muestra los espectros de heptanoy 1-hepteno. En estos espectros, son evidentes las diferencias entreun alcano y un alqueno.

wpo

Alquinos. La frecuencia de alargamiento C=C de los alquinos se encuentra a 2100-2250 cm" (4.4-4.8 pm). Esta absorcidn es bastante dkbil y puede perderse fhcilmente en el ruido basal del espectro. Sin embargo, con excepci6n de C=N y SiH, ningún otrogrupo muestra absorci6n en esta regi6n. La frecuencia de alargamiento =C-H se encuentra aproximadamente a 3300 cm" (3.O pm), como un pico agudo (Figura 9.2).

TABLA 9.3. Absorciones en el infrarrojo caracterkticas de alquenos y alquinos

Tipo de vibraci6n

Posici6n de la absorci6n cm"

alquenos: = C-H alargamiento 3000-3100

= C-H flexi6n = CH, flexi6n

c = c alargamiento alquinos: IC-H alargamiento

c=c alargamiento

800-1000 855-885 1600-1 700

-

3300 2100-2250

Cwn

3.2-3.3 10.0-12.5 11.2-11.3 5.8-6.2

3.0 4.4-4.8 A

Espectrosdealquenos

y alquinosSecci6n


N~ímerode onda (cm")

Longitud de onda (F)

9.4.

389

390

Capitulo 9

Alquenos y alquinos


EnlaFigura 9.3 se dan los espectrosdedosalcoholes.Unodeellostiene un dobleenlace carbono-carbono y el otro tiene un triple enlace carbono-carbono. Identifique cada uno.

N6mero de onda (cm")

CH,CH,CH=CH,

5.3 ppm

4.7 ppm


Secci6n 9.4.

391

Los patrones de acoplamiento para los protones vinííicosm6s soncomplejos que los de los protones alquílicos. La complejidad surgede la falta de rotaci6n alrededor del doble enlace. Consideremos un ejemplo general: Hq

,Ha

,c=c R

\

H*

En este ejemplo, los tres protones vinílicos (Ha, H, y H,) no son equivalentes y, por lo tanto, tienen diferentes desplazamientos químicos, dando lugar tresa señales separadas. AdemBs, las constantes de acoplamiento entre dos protones cualesquiera

(Ja,Jbxy J,) son diferentes. Cada una de estas tres esta, señales por lotanto,desdoblada en cuatro picos. (Por ejemplo, la señal para H, esta desdoblada en dos porH, y cada una de Bstas, de nuevo en dos por Ha.) En el espectro de RMN, se observa un total de doce picos para estos tres protones. RMNde del p-cloro-estireno Este patr6n de doce picos puede verse en el espectro en la Figura 9.4. La Figura 9.5 muestra los diagramas de M101 para los patrones de acoplamiento de los protones del doble enlace en el p-cloro-estireno. Con la ayuda del diagramade &bol, podemos ver que ninguno de los picos de absorci6n se superpone, debido a las diferencias en los valoresde J. En el espectro delp-cloro-estireno (Figura 9.4), advidrtase que el desplazamiento químico para Ha es de 5.3 ppm; mientras que el desplazamiento químico para H,, el cual es cis (y mBs pr6ximo) al anillo benctnico; es de5.7 ppm. La señal para H, esta a campo miis bajo, debido a queH, esta algo desprotegido por el campo inducido del anillo bencknico. La señal para H, esta aún a campo m& bajo, debido a que H, esta m k desprotegido por el campo inducido del anillo. A pesar deque cualquier grupo vinílico terminal del tipo RCH = CH, debería dar un espectro con doce picos para sus protones, los doce picos no siempre son evidentes. Por ejemplo, en el espectro del p-cloro-estireno, los cuatro picos para Ha

8

7

6

5

cada señal es un doblete

FIGURA 9.4. Espectro parcial de RMN del p-cloro-estireno.

392

Capitulo 9

Alquenos y alquinos

FIGURA 9.5. Diagramas de Arbol para los patrones de acoplamiento de los tres protones alquenílicos del doble enlace en el p-cloro-estireno.

casi parecen dospicos, debido a queJd es pequeña. La Figura 9.6 muestra el espectro de RMN del estireno, en el cual pueden apreciarse las señales delos protones vinílicos casi superpuestos.

FIGURA 9.6. Espectro de RMN del estireno, CH,CH = CH,. (La llnea superpuesta es un espectro ampliado, de mayor resolucibn, de los ocho picos que aparecen entre 5.0 y 6.0 ppm.)


L a Figura 9.7 es el espectro de FWN de la metil-vinil-sulfona,CH, = CHSO,CH,. El espectro

contiene ocho picos (no doce)en la regidn correspondiente alos alquenos. Constzqz un diagrama de iirbol que explique la “falta” de picos.


500

400

300

'

200

FIGURA 9.7. Espectro de RMN de CH, = CHSO,CH,,

9.5.

Seccidn 9.4.

I O0

393

O Hz

para el Problema 9.4.

Enelespectrode RMN delp-cloro-estireno,laabsorcibndelosprotonesarííicosseobserva como un singulete. Enelestireno (C,H,CH = CH,), laabsorci6ndelosprotonesarílicosse observa como un multiplete. Sugiera una raz6n para estas observaciones.

Alquinos. Un alquino del tipo RC=CR no tiene protones acetilknicos; por lo tanto, un alquino disustituidono tiene absorci6n caractenstica enRMN.(No obstante, el resto de la molCculapuede dar lugar a absorcibn.) Un alquino monosustituido, RC=CH, muestra absorci6n para el prot6n alquinílico a aproximadamente 3 ppm. Esta absorci6n no se encuentra a campos tan bajos como la de los protones vinílicos o arílicos, debido a que el prot6nalquinííco est4 protegido por el campo inducido del triple enlace.La Figura 9.8, muestra c6mo la circulaci6n de los electrones pi da como

FIGURA 9.8. Un prot6n alquinílico est6 protegido por el campo magnetice inducido del triple enlace.

394

Capítulo 9

Alquenos y alquinos

resultado este campo. Advitrtase la diferencia entre este efecto anisotr6pico y el efecto para un prot6n vindico: = CHR (Seccibn 8.7B). En el caso de un alquino, el campo inducido se opone a H,,en vez de aumentarlo. SECC16N 9.5.

Preparación de alquenos y alquinos Los alquenos pueden prepararse mediante reacciones de eliminaci6n de alcoholes (en 6cido fuerte) o de halogenuros de alquilo (en base). La Tabla 9.4 señala las secciones donde estas reacciones se explican en detalle. Los alcoholes primarios dan reacciones de eliminacidn lentamente. Con H,SO, concentrado y caliente, el alqueno obtenido también puedeexperimentar isomerizaci6n y otras reacciones; por lo tanto, los alcoholes primarios generalmente no son útiles en la preparaci6n de alquenos. Los halogenuros de alquilo primarios también dan reacciones de eliminacidn lentamente, por un mecanismo E2. Sin embargo, si se usa una base voluminosa (tal como el ion r-butbxido), puede obtenerse un alqueno con buen rendimiento (junto con algo de producto S,2). I

RX I"" (E2 y S,,2):

CH,CH,CH,CH=CH, I-penteno 85%

CH,CH,CH,CH,CH,Br I-bromo-pentano

I(' OC(CH,),

+

ligero calor

CH,CH,CH,CH,CH,OC(CH,)I 6ter r-butil-pentnico 12%

Los alcoholes secundarios,al ser calentados con un 6cido fuerte, experimentan eliminaci6n por un mecanismo E l , pudiendo ocurrir trasposiciones en el carbocati6n intermediario. Por lo tanto, excepto en casos simples, los alcoholes secundarios no son intermediarios útiles para la preparaci6n de alquenos. Los halogenuros de alquilos secundarios pueden experimentar reacciones E2. Aunque pueden esperarse mezclas de productos, generalmente el producto predominante es el alqueno trans m6s sustituido. Rx 2"'"

'

(€2):

CH,CH

\, ,c=c

H

/ \

H CH,

tmns-2-penteno 51%

+

B '

CH,CH,CH?CHCH, 2-bromo-pentano

Na'

OCH,CH,

ligerocalor

'

CH,CY, '

/CH.!

/C=C \

H cis-2-penteno 18%

H

+ CH,CH,CH2CH=CH, 1 -penteno 31%

y alquinos Seccibn

Preparaci6n alquenos de

9.5.

395

Los alcoholes terciarios, al ser tratados con un ácid0 fuerte, experimentan fhcilmente eliminaci6n a través de carbocationes (El); mientras que los halogenuros de alquilo terciarios, al ser tratados con base daneliminaci6n principalmente por reacci6n E2. Pueden obtenerse excelentes rendimientos en ambos casos si los tres grupos R de R3CX 6 R,COH son los mismos; de otra forma, pueden obtenerse mezclas. PROBLEMADEESTUDIO 9.6.

un alqueno con un rendimientos superior al 80%.

Cada una de las siguientes reacciones produce IX la estructura de cada alqueno.

OH

Los alquinos tambih pueden prepararse mediante reacciones de eliminaci6n. En los ejemplos siguientes, advikrtasequeseempleaunabasem8sfuerteque el OHpara la deshidrohalogenaci6n de un halogenuro vinílico. La raz6n de esto es que los enlaces sp2 de un halogenuro vinílico sonmásfuertesque losenlaces sp3 de un halogenuro de alquilo (¿Por qué?).

1,2-dibmmo-propano

1-bmmopropeno

-H'

propino un acetiluro

En la Secci6n 9.1, mencionamos que el tratamiento de un alquino con una base fuerte produce un acetiluro. Un ion acetiluro puede usarse como nucle6fil0, en reacciones S,2 con halogenuros de alquilo primarios. (Los halogenuros de alquilo secundarios y terciarios, es m8s probable que den productos de eliminaci6n). Esta reacci6n proporcionauna ruta sintética, paraobteneralquinossustituidos o más complejos a partir de otros más simples. Preparacidn del acetiluro:

CH,C-CH

+ N a N H , NH,líquido

CH,CrC- Nn'

+ NH,

Reacci6n con un halogenuro de alquilo:

2-hexino

I-cloro-propano

Talcomohemosmencionadoenla Secci6n 9.1, losreactivosalquinflicosde Grignard pueden prepararse por reacción de un reactivo de Grignard con un 1-alquino.

Capitulo 9

396

Alqcrenos y alquinos

En esta reaccih, el reactivo de Grignard actúa como base, mientras que el alquino actúa como hcido. Preparacih de R C d M g X :

Al igual que con otros reactivos de Grignard, el carbono nucleofílico de un reactivo alquinílico de Grignard, ataca centros parcialmente positivos (tales como el carbono de un grupo carbonilo). La ventaja de este tipo de síntesis de Grignard, es que de esta manera pueden obtenerse alquinos mAs complejos, mhs fkilmente que mediante reacciones S,2. ReaccMn con una cetona:

6

6t

CH,C-CMgI

-

+ CH,CCH,

:OMgI

I

CH,CCH,

I

:OH

I

H’

CH3CCH3

“--+

I

H*O

CECCH,

C-CCH, 2-metil-3-pentin-2-01

En la Tabla 9.4 aparece un resumen de los mdtodos de síntesis de alquenos y alquinos.

TABLA 9.4. Resumen de las síntesis de laboratorio de alquenos y alquinos. Seccidn

Reacci6n

alquenos:

X

I

R,CCHR,

+ OH-

OH

I

R,CCHR, R,C=O RC-CR

+ H,SO,

calor

R2C=CR2

calor

+ (C,HS),P=CR’, + H, catalizador

-

R,C=CR2

___*

RCH=CHR

R,C=CR‘,

5.9-5.10

7.8

11.12 9.13

9.5

Preparaci6n preliminar de las reacciones de adicidn

Secci6n 9.6.

397


Partiendo del propino, sugierarutas sintkticas para obtener:(a) 2-pentinoy (b) 4-fenil-2-pentino.

9.8.

Muestre c6mo sintetizaría 1-pentín-3-01a partir de acetileno, propanal (CH,CH,CHO) y bromuro de etil-magnesio.

SECCI~N 9.6.

Presentación preliminar de las reacciones de adición Tres reacciones típicas de los alquenos son las reacciones con hidr6gen0, con cloro y con un halogenuro de hidr6geno:

CH2=CH2 etileno

/

CI2

\

I

HCI

1

CH,"CH2 1,2-dicloro-etano

*

,

CH,CH,CI cloroetano

Cada una de estas reacciones, es una reacción de aditión. En catla caso, se adiciona un reactivo al alqueno sin p6rdida de ningún &tomo.Veremos que la característica principal de los compuestos insaturados es la adición de reactivos sobre los enlaces pi.

En una reacci6n de adici6n de un alqueno, el enlace pi se rompe y su par de electrones se usa para la formaci6n de dos nuevos enlaces sigma. En cada caso, los &tomosde carbono sp2 se rehibridizan a sp3. Los compuestos que contienen enlaces pi, generalmenteson de mayor energía que los compuestos comparables que ~610tienen enlaces sigma; consecuentemente,una reacci6n de adici6n generalmentees exotkrmica.

En general, los nucle6filos no atacana los dobles enlaces carbono-carbono, porque no hay un &tomode carbono parcialmente positivo que atraiga al nucle6filo. Sin embargo, los electrones pi expuestos del doble enlace carbono-carbono atraen electrójilos (E+), tales como el H+. Es por esto que muchas de las reacciones de alquenos y alquinos se inician por un ataque electroflico, un paso de reacci6n que lleva a la formaci6n de un carbocatibn, el cual posteriormente puede sufrir un ataque

Alquenos y alquinos

Capitulo 9

398

nucleofílico para dar el producto. Primero trataremos este tipo de reacción de adición y luego continuaremos con otros tipos de reacciones de alquenos.

H+ H 4

un

un alqueno

carbocatidn

Nu

H

un producto de adicidn

S E C C I ~ N9.7.

Adicih de halogenuros de hidrbgeno a alquenos y alquinos Los halogenuros de hidr6geno se adicionana los enlaces pi de los alquenos para producir halogenuros de alquilo. Los alquinos reaccionan de manera anQoga y producen halogenuros de vinilo o 1,l -dihalo-alcanos, dependiendo de la cantidad de HX que se use. Sin embargo, no trataremos los alquinos en nuestra discusión debido a que los

-

alquenos son mhs importantes, tanto en el laboratorio como en la naturaleza. CHL=CH2

+ HX

etileno

-

CH,CH,X

un hulogenuro etilo de

CHECH acetileno

HX

CH,=CHX

un hulogenuro de vinilo

A

CH,CHX, un IJ-dihlo-etano

La adición de halogenuros de hidr6geno a los alquenos se usa a menudo como ruta sintdtica para preparar halogenuros de alquilo. Generalmente, se burbujea HX gaseoso a travts de una solución del alqueno. (Soluciones acuosas concentradas de halogenuros de hidrógeno dan mezclas de productos debido a que el agua tambitn puede adicionarse al doble enlace). La reactividad relativa de HX en esta reacción es HI > HBr > HCl > HF. El hcido m b fuerte (HI) es el mhs reactivo frente a los alquenos, mientras que el hcido mtís ddbil (HF) es el menos reactivo. Un halogenuro de hidrógeno contiene un enlace H-X altamente polar y puede fkilmente ceder H+ al enlace pi de un alqueno. El resultado del ataque de H+es un carbocatión intermediario, que rhpidamente reacciona con el anión halogenuro, para producir un halogenuro de alquilo. Debido aque el ataque inicial es por un electrófilo, la adici6n de HX a un alqueno se llama reacción de adición electrofílica. Paso 1 (lento):

H f"

CHICH=CHCH, 2-buteno

: ___

-cloro-butano

a alquenos y alquinos Secci6n

Adici6n de halogenuros de hidr6geno

Paso 2 (rdpido):

n . + :c\:--

[CH36HCH,CH,]

9.7.

399

:?I:

I

CH,CHCH*CH, 2-cloro-b~tan0

A. Regla de Markovnikov Si un alqueno es asimétrico (es decir, los grupos unidos a los dos 6tomos de carbono sp2 son diferentes), existe la posibilidaddeque se formendosproductosdiferentes con la adici6n de HX: CH 3

0..

CH,CH+CHCH~

CH,CH+CH,

alquenos simktricos alquenos

asidtricos

HCI

CH,CH=CHCH,

C]. I

A

2-buteno

H

('1

I

1

CH,CH"CHCH,

<

sdlo un producto posible

sidtrico

CH,CH,-CH2CI

HCI

CH,CH=CH,

dos productos posibles

"clom-propanO

CI

I

Propeno

1

CH,CH--CH,

asidtrico

2-cloro-propano

En unaadici6n electrofílica quepuedaconduciradosproductos,usualmente predomina un producto sobre el otro. En 1869, el químico ruso Vladimir Markovnikov formul6 la siguiente regla empírica: En las adiciones de HX a alquenos asimétricos, H del HX se une al carbono del doble enlace que ya tenga el mayor número de el ' hidrbgenos. Mediante la regla de Markovnikov, podríamos predecir que la reacci6n de HCl con propeno, produce 2-cloro-propano (y nosu is6mero 1-cloro-propano). A continuaci6n se dan ejemplos de reacciones que obedecen a la regla de Markovnikov: el HH;, une aquí

CI

I

CH,CH=CH,

CH,CH"CH,

propeno

2-cloro-propano el H;;une aquí

Br

I

(CH,),C"CH,CH, (CH,),C=CHCH, 2-bromo-2-metil-butano 2-metil-2-buteno

- 07'

el H se une aquí

d

C

H

3

1-metii-ciclohexeno

HI

1-metil-1-yodo-ciclohexano

400

Capitulo 9

Alquenos y alquinos

B. La razón de la reglade Markovnikov (

Markovnikov formuló su regla basándose en observaciones experimentales. ¿Por qut se cumple esta regla empírica? Para responder a esta pregunta, volvamos al mecanismo de la adición de HX. El paso 1 es la formación de un carbocatión. Para el propeno serían posibles dos carbocationes:

[ H*+ ] -

HI CH,CH=CHl

n+

CH,CH'CH2

H' f' C'H,CH=CH,

-

estado de transici6n

CH,CH,~H,

I"" menos estable


-

CH,CHCH,\ 2"" m h estable

El orden de estabilidad de los carbocationeses 3"'" > 2"" > 1"". Para el propeno, las dos posiciones de adición de H+ conducen a (1) un carbocatión primario, de alta energía,inestable o (2) un carbocatiónsecundario,demenorenergía, mas estable. Los estadosdetransicidnqueconducen aestosintermediarios,tienencarhcter carbocatiónico. Por lo tanto, el carbocatión secundario tiene un estado de transición de menor energía y una velocidad de formación mayor (Figura 9.9). La adiciónde un reactivo aun alqueno asimétrico procede travts a del carbocatión m6s estable. Ésta es la razón de que se cumpla la regla de Markovnikov.

-

CI

[CH,CHCH,] /"--Hi

(CH3),C=CHCH,

-

CI-

[(CH3),CCH,CH,]

I

CHJHCH,

Br-

Br

I

(CH,),CCH,CH,

[CH, CH2CH2+1 la reaccidn este curso

b =CH, + H+ -Progreso de la formaci6n del carbocati6n + CH,CH

Figura 9.9. Diagrama energético para la protonacibn

del propeno.

toma

Adicidn de halogenuros de hidrdgeno alquenos a

y alquinos Secci6n

9.7.

401

PROBLEMA MODELO Prediga las velocidades relativasde reacci6n de los siguientes alquenosf’rente al HBr (primero el de menor velocidad): (a)

CH,CH,CH=CH,

(b) CH,=CH,

(c) (CH,)2C=CHCH,

Soluci6n: El alqueno que pueda formar el carbocati6n m& estable tendnila , E menor y la

velocidad mayor. Por lo tanto,

c

CH2=CH2 CH3CH2CH=CH2 (CH312C=CHCH, velocidad de reacci6n creciente


Para los alquenos de los incisos (a) y (c) del problema modelo anterior, d6 l a s estructuras del carbocati6n intermediarioy del producto principal de la reacci6n con HBr.

9.1 O.

Cuando el propeno se trata con HCl en etanol, uno de los productos es el éter etil isopropílico. Sugiera un mecanismo para su formaci6n.

C. Trasposiciones En la Secci6n 5.6F,explicamos las trasposiciones de carbocationes en las reacciones SN1.Ocurren trasposiciones cuando un carbocati6n puede formar otro carbocati6n miis estable por un desplazamiento 1,2 de H, R, 6 Ar. ¿Se observan trasposiciones en las reacciones de adicidn de HX?Sí, en efecto. Los carbocationes intermediarios en estas SN1 6 El. adiciones de HX no son diferentes de los carbocationes de las reacciones

(CH,),CCH=CH,

H’

traspsici6n

3,3-dimetil-l-buteno carbocatidn 2-

PROBLEMA DE ESTUDIO 9.1 l. Pronostique el producto de trasposici6n de cada una de las siguientes reacciones: (a) 3-metil-1-buteno .f HCl > -. (b) 4,4-dimetil-2-penteno + HBr-

Capítulo 9

402

Alquenos y alquinos

D. Adicih anti-Markovnikovde HBr

La adici6n de HBr a los alquenos cumple a veces la regla de Markovnikov, pero a veces no la cumple. (Este efecto no se observa con HC1 o con HI.)

CH,CH=CH, Propeno

-

Br

I

H Br

CH,CHCH,

CH,CH,CH,Br

pero a veces

2-bromo-propano

1-bromo-propano producto anti-Markovnikov

Se ha observado que los bromuros de alquilo primarios se obtienen solamente cuandoen la mezcla dereaccidnhayper6xidos u O,. El oxígenoes un bi-radical estable (Secci6n 6.W) y los per6xidos (ROOR)se rompen fficilmente dando radicales libres. Cuando esth presentes O, o per6xidos, la adici6n de HBr procede a travCs de un mecanismo por radicales libres, en lugar de un mecanismo i6nico. ROOR

formacidn de Br.

RO.

+ HBr

-

2 RO.

ROH

+ Br-

Adicidn de 6r. al alqueno:

o

CH3CH=CH2

n + Br-

" +

CH,CHCH, I

CH,CHkH,

yno

I

Br

Br 2- nuis estable

1-

menos estable

formaci6n del producto:

CH,eHCH,Br -0

+ H-Br

-

CH,CH,CH,Br

+ Br.

Cuando Br. ataca al alqueno, se formael radical libre m6s estable.(La estabilidad de los radicales libres, de la misma manera que en los carbocationes, varia en el orden 3 & O > 2e0 > leo.) En nuestro ejemplo, el resultado de la adici6n por radicales libres es 1-bromo-propano. -~


Prediga los productos: (a)

(CH,),C=CH,

(b) (CH,),C"CH,

+ HBr + HBr

ausencia de per6xidos. " +

S E C C I ~9.8. N

Adici6n de H2S04y H,O a alquenos y alquinos El kid0 sulfúrico se adiciona a un alquenode la misma manera que un halogenuro de hidr6geno.El producto es un sulfato 6cido de alquilo, que puede usarse para sintetizar alcoholes y Cteres (Secci6n 7.12B.)

Adici6n de

H,SO, y H,O a alquenos y alquinos

-

+ H"OS03H

CH,CH=CH, Propen0

403

Secci6n 9.8.

OS03H

I

CH,CH"CH, sulfato &ido de 2 - p p i l o

Ensoluci6n fuertementeiicida (tal como kid0 sulfúricoacuoso), el agua se adiciona aun doble enlace para producir un alcohol. Esta reacci6n se llama hidrataci6n de un alqueno.

H'

+ HZ0

CH,CH=CH, Propeno

OH

I

CH,CH"CH, 2-ppanol

60%

Ambas reacciones ocurren en dos pasos, de la misma forma que la adici6n de un halogenuro de hidr6geno.El primer pasoes laprotonacibn del alqueno para producir un carbocati6n. El segundo paso es la adici6n de un nuclebfilo al carbocati6n. Debido aqueinicialmenteseforma un carbocati6n, ambas reacciones siguen la regla de Markovnikov. Si el carbocati6n puede experimentarun desplazamiento 1,2 de un grupo alquilo o de un H para dar un carbocati6n m k estable, tenddn lugar trasposiciones:

:OH

+

R2C=CHR

Paso 1:

Paso 2 :

.+-

[R,C-CH2R]

-

H'

[R2C-CH2R]

&OH

I

+ H20.:

RZC-CHZR un protonado alcohol

I

" t +

RlC"CH2R

+ H'

un alcohol


Muestre el mecanismo delaadici6nde butilo.

9.14.

Rediga los productosprincipales: CH,CH,CH=CH,

+ H,O

(b) (CH,),CCH=CH,

+ H,O

(a)

(c) (CH,),CHCH=CH,

H,SO, a 1-buteno para producirun sulfato &idode

H' ___*

H " +

+ H,SO,

" +

Los alquinos tambiCn experimentan hidratacibn, pero el producto inicial es un alcohol vinílico o enol. Unenolesthenequilibriocon un aldehído o una cetona (Seccibn 11.17). El equilibriofavorece al compuesto carbonílico; por lo tanto,la hidrataci6n de un alquino realmente da como resultado un aldehido o una cetona. (La hidrataci6n delos alquinos procedem& suavemente, cuandose añade una sal mercúrica

propino

propanona (acetona)

404

Capitulo 9

Alquenos y alquinos

En el laboratorio, rara vez se hace la hidratacih de un alqueno o un alquino por catdisis Acida, debido a los rendimientos relativamente bajosy a las posibilidades de trasposiciones y polimerizaci6n (Secci6n 9.17). Sin embargo, muchos alcoholes de estructura sencilla, tales como el etanoly el 2-propanol, se sintetizan industrialmente por medio de esta tknica. SECCI~N9.9.

Hidratacih con acetato mercúrico Acetato mepcúrico, Hg(O,CCH,), y agua, se adiciona a los alquenos en una reacci6n llamada oximercuraci6n. A diferencia de las reacciones de adicidn discutidas anteriormente, la oximercuraci6n procedesin trmposicibn. Generalmente, el productode oximercuraci6n se reduce con borohidruro de sodio (NaBH,), en una reaccidn subsiguiente llamada desmercuraci6n, para producir un alcohol, el mismo que se obtendría L a s reacciones de oximercuracidnsi se hubiese adicionado agua al doble enlace. desmercuraci6nn, por lo general dan mejores rendimientos de alcoholes que la adici6n de agua con H,SO,. Oximercucaci6n:

CH,CH,CH,CH=CH,

'

OH

I

Hg OCCH,

penteno

CH,CH,CH,CHCH, I

H,O

HgO,CCH,

Desmercuracibn:

OH

I

I

NaBH

CH3CH2CHzCHCH2-Hg0,CCH,

2 CH,CH,CH,CHCH,

OH

+ Hg

2-pentauol rendimiento global: 90%

De la misma forma que la adici6nde otros reactivos a los alquenos, la oximercuraci6n es un proceso de dos pasos. La adicidn procede por un ataque electrofílico de +HgO,CCH,, seguido por un ataque nucleofílico de H,O. Puesto que no Ocurren trasposiciones, el intermediario formado por el ataque electrofílico no puede ser un carbocatidn verdadero. Por otra parte, puesto que se sigue la regla de Markovnikov, el intermediario debe tener algún carhcter carbocati6nico. Los hechos anteriores pueden explicarse por medio deun ion puenteado o ion cklico, como intermediario. Disociaci6n del acetato mercúrico:

+ -O,CCH,

Hg(0zCCH,)2 +HgOzCCH3 Ataque electroff/ico:

intermediario puenteado

9.9.

Hidrataci6n con acetato mercúrico Seccibn

405

Ataque de H,O y perdida de prot6n:

La formaci6n de un intermediario puenteadono es muy diferente de la fomci6n de un carbocati6n. La reacci6n de este intermediario tambi6n es muy similar a la de un carbocatih. La diferencia entre tste intermediario puenteadoy un verdaden, carbcati6n, es que el Hg esta parcialmente unido a cada &tomode carbono del doble enlace y no pueden ocurrir trasposiciones. El &tomo de carbono m6s positivo en el intermediario puenteado (el fitomo de carbono que ataca el H,O) puede predecirse mediante el conocimiento de las estabilidades de los carbocationes(3”’”> 2”’O > l&O 1. Podemoscompararlareacci6ndeestetipo de ionpuenteadocon la reacci6n de sustituci6n de un ep6xido, catalizada por &cidos (Secci6n7.16B). carbono m&s positivo: el H,O ataca aquí i

similar a

\’

R,C“CHR I I

HgO,CCH,

HgO2CCH.3 6+

verdadero carbocati6n

intermediario puenteado

El agente reductor en la reacci6n de desmercuraci6n, el borohidruro de sodio, es un agente reductor importante en químicaorghica. Forma soluciones estables en y desprende H, en soluci6n ficida.Nos encontraremos base acuosa, pero se descompone de nuevo con este reactivo, como agente reductor para aldehidos y cetonas (Secci6n 11.14). H I

N ~ H-B-H +

I

H borobidruro de sodio

PROBLEMASDEESTUDIO 9.1 5.

(a) Escriba los pasos de la reacci6nde oximercuraci6n-desmercuraci6ndel 3,3-dimetil-buteno. (b) Compare el producto de esta secuencia de reacciones con el producto de la reacción del 3.3-dimetil-1-buteno con HCl acuoso diluido.

9.16.

La oximercuraci6n-desmercurizaci6n en medio acuoso produce alcoholes. Pero si la reacci6n se lleva a caboen un alcohol envez de agua (proceso quese c o m x como sdvomercuraci6ndesmercuraci611,)el producto que se obtiene es un &ter.Muestre c6mo preparada 2-metoxi-2metil-butano a partir de 2-metil-;buteno por medio de esta t&nica.

406

Capitulo 9

Alquenos y alquinos

SECC16N 9.1 O.

Adición de borano a los alquenos El diborano(B,H,) es un gas t6xico preparado por la reacción de borohidnur, de sodio y trifluoruro de boro (3NaBH, + 4bF, 2B2H, + 3NaBF, ). Disuelto en éter dietílico, eldiboranosedisociaenborano (BH,) solvatadopor unamolécula de éter. (CH,CH,),O:BH,. El borano reacciona rtipida y cuantitativamente con los alquenos para formar organoboranos (R,B). La reacción total es el resultado de tres pasos independientes de reaccibn. En cada paso se adiciona un grupo alquilo al borano, hasta que los tres fitomosdehidr6genohansidosustituidospor grupos alquilo. A esta secuencia de reacciones se la conoce comohidroboraci6n.

-

H

Paso 2: Paso 3:

+ CH,CH,BH,

CH2=CH2

+ (CH3CH,),BH

CH,=CH,

BH2

-

(CH,CH,),BH (CH,CH,),B trietil-brano un organoborano

Los organoboranos fueron descubiertos en la dkcada de 1950 por Herbert C. Brown, de la Universidad de Purdue, a quien enaño el 1979 le fue otorgado el premio N6bel por sus trabajos con compuestos organob6ricos. El valor de estos compuestos radica en la variedad de otros compuestos que pueden sintetizarse a partir de ellos. Primero, consideraremos la adici6n de BH, a los alquenos y luego a algunos de los productos que pueden obtenerse de los organoboranos resultantes. El borano es diferente de los otros reactivos de adici6n que hemos mencionado debido a que H es la porci6n electronegativa de la molkula, en lugar de la porci6n electropositiva como sucede en HCl o en H,O. Cuando el borano se adiciona a un doble enlace, el hidrbgeno (como ionhidruro, H-) se une al dtomo de carbono d s sustituido. El resultado es una adicidn anti-Markovnikov. CH,CH=CH

t

_ _+

i2

H-~IH, 6-

,A+

CH,CH"CH,

rHI

1

BH2

\

H sobre el carbono mcis sustituido

El impedimento estérico también juegaun papel importante enel curso de esta reacci6n. Los mejores rendimientos del organoborano anti-Markovnikov, se obtienen cuando un carbono del doble enlace esd mucho mtis impedido estéricamente que el Otro.

menos impedido

CH,CH,CH=CH, CH,CH

1

93% de rendimiento del producto anti-Markovnikov

mcis impedido

\CH3

C-CH,

'7

99% de rendimiento del producto anti-Markovnikov

Los organoboranos se oxidan fficilmente a alcoholes, con per6xido de hidr6geno alcalino. El resultado final de la adici6n de borano, seguido de la oxidaci6n conHzOz, es una aparente adici6n anti-Markovnikov de agua al doble enlace. Los rendimientos globales son generalmente de 95-10096. 3 CH,CH=CH2

BH3

(CH3CH,CH2),B

propeno

H,O,, OH

~

+

trippil-borano

3 CH,CH,CH,OH

ion

+ Bo3,-

Propanol

borato

OH

1 -mea-ciclohexeno

2-metil-ciclohexanol

Hasta ahora, hemos discutido tres rutasparaprepararalcoholes a partir de alquenos. Un resumen de Cstas se encuentra en el siguiente diagrama de flujo: OH

I

H20, H’

R2CCH2R

7 ’ OH

( 1 ) Hg(O,CCH,),. H , O

RzC=CHR

I

(2) NaBH,

’

I

R2CCH2R OH

( 2 ) H 2 0 L . OH

R2CHCHR

rendimientos bajos, posible trasposicidn rendimientos excelentes, producto Murkovnikov, sin trasposicidn rendimientos excelentes, producto anti-Markovnibv, masposicidn sin

Los organoboranos, ademh de ser oxidados a alcoholes, pueden convertirse en alcanos, halogenurosdealquilo u otrosproductos.Encada caso, el nuevo6tomo o grupo que se introduce,lo hace unikndose al carbono menos sustituido del doble enlace. 3CH,CO,D

3 CH,CH2CH,D 1-modeuterc-peano un alcano deuterado

3 CH,CH2CH2Br 1-bromo-propano un hulogenuro de alquilo

A.

Estereoquimica delahidroboraci6n

Cuando el borano se adiciona a un doble enlace, el 6tomo de boro y el ion hidruro se unen simultheamente a los dos 6tomos de carbono del doble enlace. Debido a esto, tanto el B como el H deben adicionarse del mismo lado del doble enlace. Una reacci6n de adici6n en la que dos especies se unen del mismo lado se denomina adid611cis o adici6n sin. (Sin, al igual que cis, significa “en el mismo lado o cara”.)

Capítulo 9

408

Alquenos y alquinos

adici6n sin:


Si el producto de adici6n es capaz de presentar isomería geomktrica, como en el caso del producto de adici6n del 1-metil-ciclohexeno, elB y el H estarh cis entre sí. G C H 3 + B H ,

BH,y H

son cis

I-metil-ciclohexeno

Cuando unorganohranwe oxida posteriormente un a alcohol, elgrupo oxhidrilo queda en la mismaposicidn del átomo de boro al cual sustituye,o sea, con retenci6r de configuraci6n en ese Atom0 de carbono.

q y 3

H,O,.OH

,

q>

el conOH retencih sustiiuyedeal BR2 conjguracidn

BR,

OH trans-2-metil-ciclohexanol

La raz6n por la que se retiene la configuraci6nes que la oxidaci6n procedepor un desplazamiento 1,2 (similar en algunos aspectos a la trasposici6n un decarbocati6n), seguido por hidr6lisis del enlace BO para dar el alcohol. (El enlace RO no se afecta en esta hidr6lisis.) R

del H,O,

+ OH-

R

desplazamiento I ,2 de R

R R


Muestre, usandolaestructuradelestadodetransici6n, borano, no puede dar cis -2-metil-ciclohexano1.

9.1 8.

Prediga los productos organices principales (incluyendo esterquimica), de la hidroboraci6n y oxidaci6n de (a) 1-etil-ciclopenteno y (b) (2)-3-metil-2-penteno.

por qu6 un muns -2-metil-ciclohexil-

Adicidn de hal6genos

los alquenos y alquinos Secqi6n

a

9.1 l .

409

SECC16N 9.1 l.

Adición de halógenos a los alquenos y alquinos De la misma forma que los ficidos, el cloro y el bromo se adicionan a los dobles y triples enlaces carbono-carbono. Una prueba común de laboratorio, para detectar la presencia de un doble o un triple enlace en un compuesto de estructura desconocida, es el tratamiento de dicho compuesto con una soluci6n diluida de bromo, CCl,. en El reactivo tiene el color cafe rojizo del Br,; la desaparici6nde este color es una prueba positiva. La decoloraci6n de una soluci6n de Br,/CCl, porun compuesto desconocido es una prueba sugestiva, pero no definitiva, de la presencia de un doble o un triple enlace. Algunos otros tipos de compuestos, tales como aldehídos, cetonas y fenoles, tarnbikn decoloran las soluciones de Br,/CCl,. CH,CH=CHCH,

+ Br?

2-butin0

I

+ 2 Br2 rojo

1

CH,CH"CHCH,

rojo

2-buteno

CH,C=CCH,

-

Br

Br

2,3-dibmmo-butano incoloro

-

Br Br

I 1

CH,C"CCH,

I

I

Br Br 2,2,3,3-tetrabromo-butano incoloro

Ni el F, ni el I, son reactivos útiles en las reacciones de adici6nlos dealquenos. El flúor da reacci6n violenta con los compuestos orgánicos; y el yodo se adiciona al doble enlace pero el producto 1,Zdiyodado es inestable y pierde I, en la reacci6n inversa, para regenerar el alqueno. R2CI"CIRI

+"

'

+ 1,

R,C=CR,

Por lo tanto, podemos decir que esta reacciónde adici6n es general s6l0 para cloro y bromo. Un alqueno m& sustituido es m h reactivo frente a X, que un alqueno menos sustituido (Tabla 9-5). El orden de reactividad es el mismo que frente a m. CH2=CH2

I

RCH=CH2

R2C=CH2

R2C=CHR

reactividad creciente frente a la adici6n de X, o HX

TABLA 9.5. Reactividades relativas de algunos alquenos, frente al

Compuesto

CH,=CH, CH,CH,CH=CH, c i s - ~ ~ (CH3)2C=C(CH3)2

R2C=CR2

Br, en metano1

Velocidad relativa

,

~

1 103 ~ 105 2 ~ 1 o7

~

=

~

~

~

~

,

41O

Alquenos y alquinos

Capitulo 9

A.Ataqueelectrofílico

de

X,

La reacci6n de X, con los alquenos, es similar a la de HX. Pero ¿cud es la fuente del electr6filo enX,? Cuando X, se aproxima a los electrones del enlace pi, se induce una polarizacih en lamoltcula deX,, por repulsi6n de los electrones pi y los electrones de la moltcula deX,. 6+ s-

x-x

se polariza por los

H-m<;

H

electronespi

'"wl,,,,,,,

A medida que el enlace X-X va polarizhdose, progresivamente se hace mcis dtbil, hasta que finalmente se rompe. El resultado es un ion halogenuro y union organohalogenado cargado positivamente, llamado ion halonio. Hay evidencias de que el ion halonio no es un carbocati6n simple, sino que est6 puenteado, similar al intermediario de la oximercuraci6n. En el caso de adici6n de X, al etileno o a otros alquenos simttricos ,el ion haloniosimttrico, es con X igualmente unido a cada carbono.

un ion bromonio puenteado

Si el alqueno es asimttrico, la mayor parte de la carga positiva est6 sobre el citomo de carbono miis sustituido. Se sigue el mismo orden que en la estabilidad de los carbocationes.

Propeno

B. Ataque anti de XEl ion puenteado intermediario eski cargado positivamente y tiene alta energía; de la mismamaneraqueuncarbocatidnexiste s610 momentheamente ensoluci6n. La reacci6n se completa por el ataque de un nuclebfilo (en este caso, Br-). Un Brnegativo no puede atacar los 6tomos de carbono del intermediario cíclico por la parte superior (tal como est6 dibujada la estructura); ese camino eski bloqueado por el Br delioncíclico.Porlotanto, Br- ataca por el ladoopuestodelintermediario.El resultado es laadici6n anti de Br, al doble enlace. (Este modo de adici6n es opuesto a la adici6n sin- de BH,, seccih 9.1OA. Comp6rense ambos.) 7

Mecanismo general:

Paso I (lento):

R2C=CHR i X,

_

_

f

Paso 2 (rApido):

X


Prediga los productos de l a adici6n de Br, a: (a)

CH,CH=CHCH,

(b) (CH,),C=CH,

(c) (CH,),C=CHCH,

C. Evidencia para la adición anti El ion cíclico como intermediario y el mecanismo de adici6n anti en las halogenaciones de alquenos se apoyan en dos evidencias. Ambas se basan en el hecho de que solamente se observa un producto estereoisomérico, cuando podrían esperarse dos o m8s productos, si un carbocati6n simple fuera el intermediario. La primera evidencia es que, cuando el producto de adici6n de hal6genos es capaz de isomería geométrica, se forma el dihalogenuro trans (y no el dihalogenuro cis). Si el intermediario fuera un caibocati6n simple, se formm’a tanto el idmero cis, como el trans. puente por la parte superior

+ BrL

-

___*

ciclohexeno

(-J

Br trans-l,2,-dibromo-ciclohexano

Br

Una evidencia adicional para la adici6n anti se encuentra en las reacciones de los is6meros geom6tricos de alquenos de cadena abierta. Cuando el cis- o el trans-2buteno se tratan con Br,, se generan dos carbones quirales. Br

CH,CH=CHCHJ 2-buteno (cis o na,xc)

___*

H

I 1 CHTC-*CCH, I t

H Br 2,3,-dibromo-butano

412

Capitulo 9

Alquenos y alquinos

El producto de esta adicih, 2,3-dibromo-butano, puede existir en tres formas estereoisomkricas: un par de enanti6meros y una forma meso. La adición de bromo al cis-2-buteno, produce solamenteel par enantiomérico. Ninguna forma meso se produce en esta reaccih.

(1S,29

Por otra parte, el isómero trans produce solamente la forma meso enantiomkrico.

Br

y no el par ,H

La conclusi6n es que el intermediario no es un carbocatih abierto. Si lo fuera, la rotaci6n alrededor del enlace sigma carbono 2-carbono 3, permitiría la formaci6n de los tres estereoisbmeros,independientemente dela geometría del alqueno de partida.

CH 3 rot~idn

Br

Adicibn de hal6genos a los alquenos y alquinos

Secci6n 9.1 l .

413

~~


~ C u sería a laestereoquímicadelareacci6ndelbromocon(a)(E)-1,2-dideutero-eteno (23-1 .Zdideutero-eteno?.

y (b)

D. AdicMn mixta Las reacciones de bromaci6n de alquenos proceden a travCs de un ion bromonio como intermediario, seguido por ataque un deion bromuro para producir el dibromuro. ¿Est6 el segundo paso limitado solamente al ataque del ion bromuro? ¿Pueden otros nucle6filos competir con el íon bromuro en el segundo paso, para dar otros productos? Consideremos el caso de la reacci6n de bromacih, llevada a cabo conBr, en una soluci6n que contiene C1- (de NaCl, por ejemplo). En esta reaccih, existen dos nucle6filos (Br- y C1-). En tal caso, se observan productos dihulogenuros mixtos (junto con el dibromoalcano, encontramos algo del bromo-cloro-alcano). Br

I

CHI--CH,Br

1,2-dibromo-etano CH,=CH,

+ Br,

&".+

Br

I

CH,-CH,CI 1-bromo-2-cloro-etano


LEsperm'a encontrar1,2-dicloro-etanocomoproductoenelejemploanterior?Explique: ~

~~~~~

PROBLEMA MODELO

+

Cuandoelpropenosetratacon Br, C1- , solamentese aisla comoproductoun bromocloro-propano. ¿Cud es su estructura? Muestre, mediante ecuaciones, su formacibn. Soluci6n:

Paso 2:

r

-

Ct CI

1-bromo-2-cloro-propano

414

Capitulo 9

Alquenos y alquinos

E. Adición de hal6genos y agua Cuando un alqueno se trata con una mezcla de C1,ó Br, en agua, se forma una 1,2halohidrina (un compuesto con X y OH sobre &tomosde carbono adyacentes). Ecuaci6n general:

x R,C=CH, un alqueno

X?.H 2 0 ”--+

I

R,C“CH,

I

OH una I ,2-hdohidrim

El mecanismo es similar al de la adición mixta de halógenos:

Paso 2:

CI -H

I

’

t

(’H,CHCH, I

:OH

1-cloro-2-propanol (propilen-clorhidrina)

PROBLEMA

DE ESTUDIO

9.22. ‘Cdd sería el producto de la reacci6n del ciclopenteno con C1, acuoso? Escriba las ecuaciones para los pasos de esta reacci6n (incluyala estereoquímica).

S E C C I ~ N9.1 2.

Adición de carbenos a los alquenos Si a un estudiante se la preguntase si existe un compuesto con estructura CH,, la contestación podría ser: “No, porque el carbono sólo tiene dos enlaces”. Sin embargo, tal especie tiene una existencia fugaz. Se llama metileno y pertenece a una clase de intermediarios altamente reactivos, llamados carbenos (R2C:) La existencia de :CH, se estableció espectroscópicamente en 1959. Se ha visto que hay dos metilenos diferentes, cada uno con seis electrones de enlace en el atomo

Adici6n de carbenos a

9.12.

los alquenos Secci6n

415

de carbono y no con los ocho usuales. El metileno singulete (:CH,), tiene un &om0 de carbono con hibridaci6n sp’ y un par de electrones no compartidos. El metileno triplete (HCH), contiene un ¿ítomo de carbono con hibridaci6n sp y dos electrones desapareados.* En la Figura9.10 se presentan los dibujos de los orbitales de estas dos estructuras. un e - en cada orbital p

orbital p vacío I

H

H

metileno triplete HCH (C es SP)

metileno singulete :CH, (Ces S$,

FIGURA 9.10. Dibujos de los orbitales de los dos metilenos.

El metileno singulete se forma por fot6liiis la (ruptura por la luz) del diazometano (CHIN,) o del ceteno (CH, = C = O), compuestos reactivosy no usuales.

estructuras en resonancia para el diazometano

h (.

CH,=C=O

LC

hI

:CHI

:CH,

+

:N-N:

+ CO

cetena

El metileno triplete no puede prepararse directamente. Sin embargo, si el metileno singulete se disuelve enun gas inerte, experienta una lenta transformaci6n a metileno triplete, que es el mSls estable de los dos metilenos. Ambos metilenos son deficientes en electrones y electrofílicos. Su reacci6n m¿ís importante es la adici6n a los alquenos, para producir ciclopropanos sustituidos. El metileno singulete da una adicidn sin estereospecífica. Este tipo de adici6n sugiere una reacci6n concertada o en un paso.

*Los tknninos singulete y triplere. derivan de la multiplicidad de los estados electr6nicos de los dos metilenos. El número de spin de un electr6n puede expresarse como + % 6 - %, dependiendo de ladire.cci6n del spin. La suma vectorial de l a s números de spin se denomina S. Si todos los electrones estan apareados (tienen spines opuestos) S = O, [( + %)+ (- %) = O]. Si los dos electrones e s t h desapareados, S = + 1 6 - l,[( + %) + (+ %) = + 1 6 ( - %) + (- %) = 11. La multiplicidad se define como 2s + l . Para :CH, (electronesapareados), S = O; su multiplicidad es, por lo tanto, 2(0)+ 1 = + l . “Singulete” quiere decir + l . Para HCH (dos electrones desapareados), S = 1; su multiplicidad es 2(1) + 1 = + 3. “Triplete” quiere decir + 3.

416

Capitulo 9

R

\ /C

=

/

Alquenos y alquinos

R

R

W

H

H

2

-

cis

metileno singulete

truns

singulete

\

”*

H

C-c

/

R

/ \ / \

CH, H

un cis-dialquil-ciclopropano (meso)

un trans-dialquil-ciclopropano (rackmico)

Por otra parte, el metileno triplete da adiciones no estereoespecíficas. Su adición sigue un mecanismo de radicales libres, en el que puede haber rotación en eldirradical intermediario. El resultado es una mezcla de productos estereoisomtricos. H

H

CH, / \

fase gaseosa --“+

cis

RCH-CHR

mezcla de cis y tram

o trans triplete

roracidn

La reacción secundaria más importante en la formación de anillos de ciclopropano con metileno singulete, es una reacción de inserción, en la que :CH, se inserta en un enlace C-H. Debido a la alta reactividad de :CH,, las reacciones de inserción no son selectivas y producen mezclas.

Otro carbeno, el dicloro-carbeno (C12C:), se forma por la reacción de bases fuertes con cloroformo. ~ s t reacción a está relacionada con las reacciones de eliminación de los halogenuros de alquilo, en las que la base elimina los elementos de HCl de la molécula. La reacción de eliminación del CHCl,, es una eliminación (Y en lugar de una eliminación p. (Una moltcula que tenga un hidrógeno p, perderá con preferencia el hidrógeno p; sin embargo, CHCl, no tiene hidrógenos p.) Paso 1:

C1

r‘ (cH,),c¿~+ H-C-CI r - 3

ion r”but6xido

I

c‘l

-

(cH,),c¿~H + CI

cloroformo Paso 2 :

El dicloro-carbeno se adiciona a los dobles enlaces, para producir gem-dihalociclopropanos. (Gem significa “sobre el mismo carbono”.)

Hidrogenacih catalitica

PROBLEMAS 9.23.

Secci6n 9.13.

417

DE ESTUDIO

Prediga las estructurasy estereoquímicas delos productos de l a s siguientes reaccionesde adici6n:

+ metilenosingulete(b) cis-3-hexeno + metilenotriplete(c) trans-3-hexeno + metileno singulete”3 (d) rram-3-hexeno + metilenotriplete-

(a) cis-3-hexeno

9.24.

D6 las ecuaciones para las reacciones con carbenos,que M a nlugar a los siguientes productos:

SECC16N 9.1 3.

Hidrogenacihn catalítica La adici6n catalitica de hidr6geno gaseoso a un alqueno o a un alquino es una reducci6n del compuesto insaturado. La reacci6n es general para alquenos, alquinos y otros compuestos con enlaces pi. Alquenos y alquinos:

+ HI

CH,CH=CHz propeno

PC

CHJCHZCH, Propano

+ 2 H,

CH,C-CH

PI -”+

CH,CH,CH, Propano

propino Otros sistemas pi:

O

It

CH,CCH,

OH

+ Hz

acetona

CH,C-N

Pl calor, presi6n

I

CHjCHCH, 2-propanol

+ 2H2

PI ”----+

CH,CH,NH,

etanonitrilo (acetonitrilo)

0 . 1 . . benceno

”-PI-+

calor, presi6n

O

ciclohexano

418

Capitulo 9

Alquenos y alquinos

A. Acci6n del catalizador Las reacciones de hidrogenacih son exotkmicas, pero no proceden espontheamente, debido a que las energías de activaci6n son extremadamente altas. El calentamiento no puede suministrar la energía necesaria para que las moltculas alcancen el estado de transici6n; sin embargo, la reacci6n pmede suavemente cuando se añade un catalizador. Un metal finamente diqidido o un metal adsorbido sobre un soporte inerte e insoluble (como carbono elemental o carbonato de bario) se usan a menudo como catalizadores en una hidrogenacibn. El metal que se escoge depende del compuesto a reducir y de las condiciones de la hidrogenacibn. Por ejemplo, platino, paladio, níquel, renio y cobre, son apropiados para la reducci6n de alquenos. Para los ésteres, que son d s difíciles de reducir, se emplea generalmente un catalizador de cobre-cromo (ademhs, calor y presibn). Para hidrogenar un alquino a alqueno sin llegar hasta el alcano se emplea un catalizador envenenado (es decir,un catalizador que es^ parcialmente desactivado). Paladio tratadocon quinolina (phgina 765) es uncatalizador envenenado típico. CH,CrCH propino

+ H,

Pd desactivado " +

CH,CH=CH2 propeno

iC6mo facilita un catalizador el curso de una reacci6n de hidrogmaci6n? Evidencia experimental apoya la teoría de que l a s molkulas de hidr6geno primero se ahorben sobre la superficiemetdica, luego se rompen los enlaces sigma H,,y desputs se forman enlacesmetal -H. Elalquenotambién se adsorbesobrelasuperficie memica, con sus enlaces pi interaccionando con los orbitales vacíos del metal. La moltcula de alqueno se mueve alrededor de la superficie, basta que choca con un fitornode hidrbgeno enlazado al metal, experimenta la reacci6n y desputs se desprende del me'd como producto hidrogenado (véase la Figura 9.11). El efecto global del catalizador es suministrar una superficie sobre la cual la reacci6n puedaocurrir y debilitar los enlaces delH, y del alqueno. El resultado es un descenso de la energía de activación para la reacción. La Figura 9.12 muestra los diagramas energtticos para una reacci6n de hidrogenaci6n. Advitrtase que el catalizador no afecta las energías de reactivos o productos: AH para la reacci6n no se EEt. modifica por la acci6n catalítica; solamente cambia la

R

R

R+

c-c

$>R

FIGURA 9.1 l. Hidrogenaci6n de un alqueno.

R

R

R

R

Hidrogenacidn catalitica

I

I

Seccidn 9.13.

419

no remontable

con Catalizador

-Progreso

de la reaccidn

>-,

FIGURA 9.12. Diagramas energ6ticos para una reacci6n de hidrogenaci6n

En años recientes, sehan desarrollado catalizadores solubles, que permiten hacer la hidrogenaci6n en una soluci6n homogénea, en lugar de en una superficie. Estos catalizadores son complejos metAlicos orghicos, tales como [(C,H,),P],Rh C1. Si la porci6n orghica del catalizador es quiral, a veces es posible reducir un compuesto aquiral a un solo enanti6mer0, en lugar de la mezcla racémica. Este tipo de síntesis es antilogo a la acción de las enzimas en los sistemas vivos. Desafortunadamente, estoscatalizadoressolubles son difícilesde usar y noson prkticos entodas las situaciones.

B. Estereoquímicadelahidrogenación Hay evidencias que muestran que los Atomos dos de hidr6geno se adicionan del mismo lado del doble enlace (adici6nsin) cuando seusa un catalizador s6lido. La adici6n sin surge de que la reacci6n ocurre sobre una superficie; el acceso del H, a s610 un lado del enlace pi, es mAs favorable que el acceso a ambos lados. Si los productos de hidrogenacidn son capaces de isomeria geométrica, generalmente se observa como prodominante el productocis. (Sin embargo, en algunos casos ocurrela isomerizacidn al producto trans mhs estable). CH,"CEC"CH, 2-b~tin0

+ H,

Pd desactivado ____*

adici6n sin,

H 3c

\

,c=c H

,CH3 \

H

cis-2-buteno

1,2-dimetiI-ciclohexeno

cis-l,2-dimetii-ciclohexao

Capítulo 9

420

Alquenos y alquinos

C. Cómo muestran los calores de hidrogenación la estabilidad de los alquenos El calor de hidrogenacibn de un alqueno es la diferenciade energía entreel alqueno de partida y el alcano obtenido. Se calculapartir a de la cantidad de calor desprendido en una reaccibn de hidrogenacibn. La Tabla 9.6 da los calores de hiarogenaci6n de algunos alquenos. TABLA 9.6. Calores de hidrogenacih de algunos alquenos y dienos

Estructura

- AH kcallmol

Nombre

eteno (etileno) propeno (propileno) 1-buteno cis-2-buteno trans-2-buteno

32.8 30.1 30.3 28.6 21.6

CH2=CH2 CH,CH=CH, CH,CHzCH=CH2 c~.Y-CH~CH=CHCH, CJZ~.T-CH~CH=CHCH~ CH3

2-metil-2-buteno

I

26.9

CH,C=CHCH3 CH3

3-mea- 1-buteno 1,3-butadieno 1,Cpentadieno

I

30.3 57.1 60.8

CH,CHCH=CH2 CH2=CHCH=CH2 CH,=CHCH2CH=CH,

Consideremos los tres alquenos que pueden reducirse a butano: CH,CH,CH=CH, ciS-CH,CH=CHCH, trans-CH,CH=CHCH,

4

t

CH3CH2CH2CH, butano

El butano obtenido tiene la misma energía independiente del alqueno de partida. Cualquier diferencia en AH de las tres reacciones refleja diferencias en las energías de los alquenos de partida. Cuanto mayor es el valor de AH de la hidrogenaci~ín, mayor es la energía del alqueno de partida (Figura 9.13). CH,CH,CH c~s-CH, =CH,

CH =CHCH,

trans-CH3CH=CHCH,

-27.6 kcal/mole

-progreso delareacción +

-Progreso de lareacci6n

j

-hogreso de lareacción a

FIGURA9.13. Comparacibn de los calores de hidrogenaci6n de los tres butenos que Producen butano por reduccibn.

9.13.

Hidrogenaci6n catalítica Secci6n

421

A partir de las diferencias en A H , podemos ver que el 1-buteno contiene mls energía (1.7 kcal/mol) que el cis-Zbuteno y Cste, a su vez, contiene mls energía (1 .O kcal/mol) que el truns-Zbuteno. Los calores de hidrogenaci6n relativos de estos compuestos muestran que el trans-Zbuteno es el mls estable de los tres butenos y que el 1-buteno es el menos estable. A partirde tales comparaciones de A H , se handeterminado lasestabilidades relativas de un gran nbmero de alquenos. Los siguientes enunciados resumen lo que hemos aprendido acerca de la estabilidad de los alquenos:

1.

Los alquenoscon mls grupos alquilosobreloscarbonosque soportan al enlace pi, son mls estables(probablementedebido al efecto inductivo de los grupos alquilo, los cuales ceden densidad electr6nica hacia losltomos de carbono S$).

CH,=CH,

RCH=CH,

RCH=CHR

R,C=CH,

R,C=CHR

R,C=CR,

estabilidad creciente

I

I

Y

2.

Los dienos conjugadosson m6s estables que los dienos con dobles enlaces aislados (debido a la deslocalizaci6n de la densidad electr6nica pi).

3.

Los alquenos truns sonm8s estables que los alquenos cis (debidoaqueen is6meros truns hay menos repulsiones estt5ricas).

los

repulsion

menos estable

nuís estal$e


~ C u compuesto, a en cada uno de los siguientes pares de alquenos, esperarla que mostrase mayor diferencia de energía entre los is6meros cis y trans? ¿Por qut? (a)

(CH3),CCH=CHCH2CH, y CH3CH=CHCH, and CH,CH=CHCI

(b) CICH=CHCI

D.

Hidrogenacihnde grasas y aceites

Cas molkulas de grasas animales y aceites vegetales contienen largas cadenas hidrocarbonadas. En los aceites vegetales, estas cadenas sonpoliiituradas (tienen varios dobles enlaces). Por otra parte,las grasas s6lidas generalmente contienen pocos dobles enlaces o a veces ninguno. Un aceite vegetal puede convertirse en una sustancia de consistencia mls dlida por hidrogenaci6n parcial de, los dobles enlaces. El proceso de conversi6n de aceites líquidos en grasas s6lidas mediante esta dcnica se llama’endurecimiento. A pesar de que los productos poliinsaturados pueden ser mls saludables, los productos hidrogenadossongeneralmentem& sabrosos. El aceite demaní o cacahuateparcialmente hidrogenado se usa para hacer mantequilla, y los aceites de maíz o de c h m o par-

Capitulo 9

422

Alquenos y alquinos

cialmente hidrogenados, se usan en la margarina. Adviértase que los grupos carbonilo de los aceites vegetales nosehidrogenanbajo estas condiciones, ya que son más difíciles de hidrogenar. TambiCn, ndtese que cualquiera de dobles enlaces carbonocarbono pueden hidrogenarse, por lo que podría resultar una mezcla de productos parcialmente hidrogenados.

o

0

II

CH20C(CHL),lC'H,

lli I :?

C:HOC(CH,)-CH=CH(CH,),CH.,

CH,OC(CH,)-CH=CHCH,CH=CH(CH,)~CH,~ un aceite

1 ;

CH,OC(CH,),,,CH, una grasa

vegetal típico

típica

PROBLEMA MODELO La deshidrogenaci6n (la reacci6n inversa de la hidrogenación), se lleva a cabo calentando un compuesto en presencia del mismotipo de catalizador que seusa para la hidrogenaci6n.

Rediga los productos de deshidrogenaci6n de las siguientes reacciones:

Solucibn: (a)

m+ 2 Hz

(b) ( C t C H = C H ,

+ H,

SECC16N 9.14.

Oxidacih de alquenos L o s alquenos pueden oxidarse a varios productos, dependiendo del reactivo que se

use. Las reacciones de oxidaci6n de un doble enlace carbono-carbono pueden clasifiarse en dos grupos generales: (1) oxidaci6n del enlace pi sin ruptura del enlace sigma y (2) oxidaci6n del enlace pi con ruptura del enlace sigma. L o s productos de oxidacih sin r~pturason 1,2-dioles o ep6xidos. Sin ruptura:

un ep6xido

un

1.2-diol o glicol

Cuando en una oxidaci6n se rompen tanto el enlace sigma como el enlace pi, los productos son cetonas, aldehídos o hcidos carboxílicos. *

Secci6n 9.14.

Oxidaci6n de alquenos

423

Con ruptura:

O /

-C-

\

O

O

II

II

“CH

6

II

“COH

6

aldehtdos

cetonas

&idos carboxllicos

Para oxidar alquenos se usauna gran variedad de reactivos. En la Tabla 9.7 se dan algunos de los mds comunes. TABLA 9.7. Reactivos comunes para la oxidaci6n de alquenos

Reactivo

Productos

Oxidaci6n sin ruptura: KMnO, con OH- (Mo) OSO, seguido de NgSO, C6bC03H

1,Zdioles 1,Zdioles

ep6xidos

Oxidaci6n con ruptura: KMnO, (caliente) O, seguido de H,O, con H+ O, seguido de Zn con H+

Acidos carboxílicos y cetonas kidos carboxilicos y cetonas aldehídos y cetonas

A. Formaci6n de dioles El reactivo m& popular que se usa para convertir un alqueno en un 1,2-diol, es una y alcalina, de permanganato de potasio (aun cuando este reactivo disoluci6n acuosa, fría generalmente da bajos rendimientos).El tetra6xido de osmio(OSO,)da mejores rendimientos de dioles, pero el uso de este reactivo es limitado, debido a que es caroy t6xico. Tanto las oxidaciones con OSO,como con permanganato, proceden a travCs de un Cster inorghico cíclico, el cual produce el diol cis si el producto es capaz de isomería geomktrica. CH,=CH,

Mn0,2s

~

etileno

’ CH,-CH, I I O\

P

OH

~

Yt:0-

o

CH,-CH,

I

1

OH OH 1,2-etanodiol (etilenglicol)

qZH + os

Na,SO,

H*O

ciclohexeno

OSO4+

4

, o, -Os=C I1

cis-

O

OH 1,2-ciclohexanodiol

General:

OH RZC=CR, un alquerw

MnO- M06 adici6n sin

OSO,

+ MnO,

1

OH

* R,C-CR,

1

un 1.2-diol

Capitulo 9

424

Alquenos y alquinos

La reaccibn condisoluci6n ffía de permanganato, constituye la prueba de Baeyer para insaturaciones en compuestos de estructura desconocida. La disolucidn del reactivo (KMnO, ) es púrpÜra;a medida que progresa la racci6n. el colorpúrpura aesaparecey se observa un precipitado color caf6 de MnO,.LapruebadeBaeyerparadobles enlaces, a pesar de que es ampliamente usada, tiene una limitacidn seria: cualquier grupo flicilmente oxidable (aldehído, alqueno, alquino) da un resultado positivo. PROBLEMA DE ESTUDIO 9.26.

Los siguientescompuestossetratan con OSO,, seguidode NqSO,. iQu6 productosesperarla? (Indique si hay estereois6meros.) (4

CH,CH=C(CH3)2

(b)

Q C H ,

B. Formaci6n de ep6xidos El tratamiento de un alqueno con licido perbenzoico en un disolvente inerte como CHCl, o CCl,, prpduce un epcinido u oxirano. CH,CH =CHCH, 2-buteno

+O

! O O H

-

O

/ \

CH,CH-CHCH, 2,3dimetil-oxirano

kid0 perbenzoico

+

Ob Lido benzoic0

La reaccidn transcurre a trav6s de la transferencia directa un Atom0 de de oxígeno del penicido al alqueno.

R

R

R

I I R-C' I

R-C,

R

a+ ,o:I. H

En el capítulo 7 , trahnos la ruptura S,2 de los ep6xidos. Recordemos que esta OSO, reacci6n conduce anunr-l,2-dioles. En contraste, la oxidaci6n de alquenos con 6 KMnO, frío, produce cis-1 ,Zdioles. O sea, que puede prepararse cualquier tipo de diol a partir de un alqueno, dependiendo de la elecci6n de los reactivos.

cis- 1,2-ciclopentanodiol

ciclopenteno

\

OH trans- 1,2ciclopentanodiol

Oxidaci6n de alquenos Secci6n

9.14.

425

C. Oxidaci6nconruptura L o s productosdelaoxidaci6nconrupturadependentantodelascondicionesde oxidaci6n como de la estructura del alqueno. Consideremos primero la estructura del alqueno. La característica estructural del alqueno, que determina los productos de ruptura oxidativa, es la presencia o ausencia de átomos de hidrógeno sobre los átomos de carbono del doble enlace. SilosAtomos de carbono del doble enlace no tienen hidrógenos (es decir los átomos de carbono están disustituidos), la ruptura oxidativa da como resultado dos cetonas.

Si, por otra parte, los Atomos de carbono del doble enlace tienenun hidr6geno unido a cada uno de ellos, los productos de la ruptura oxidativa son aldehfdos o ácidos carboxílicos, dependiendo de las condiciones de reacci6n. /CH,

H3c\

c=c

/

CH,

H,C;

y

(un hidrdgeno)

/

c=o + o=c \

H

H un aldehldo

\

H O'

OH

un &cid0carboxflico

Si por un lado el doble enlace est6 disustituido, mientras que por el otro esth monosustituido, la ruptura oxidativa da como resultado una cetona por el lado disustituido, y un aldehido o un Acid0 carboxílico por el lado monosustituido.

un deido carboxflico

una cetona

D. Rupturacon KMnO, Una soluci6n caliente de KMnO, es un agente de oxidaci6n vigoroso, que conduce solamente a cetonas y Acidos carboxílicos (con soluciones KMnO, de no pueden aislarse aldehídos, puesto que se oxidan rhpidamentea Acidos carboxílicos).

Capitulo 9

426

Alquenos y alquinos

KC\

,CH,

c=c\ / H'

O

/I * CHJOH MnO

calor

CH.?

O

I/ + CH,CCH,

Acid0 acttico

acetona

2-metil-2-buteno

Bajo estas condiciones vigorosas de terminal se oxida a COZ.

ciclopentanona

oxidaciól, el carbono de un doble enlace

metilenciclopentano

La raz6n por la que se forma CO,, es que el grupo metileno se oxida primero a 6cido fórmico, el cualseoxidadespuésahcidocarb6nico. Este últimoexperimentauna descomposición esponthea a CO, y HzO.

Í/j

H,O

HOCOH

R'

dcido f6rmico

+ CO,

kido carb6nico

E. Ozonólisis La ozon6Iisis (ruptura por el ozono) se ha usado en la determinación de estructuras de compuestos insaturados ,debido a que da como resultado la degradaci6n de molkulas grandes en fragmentos más pequefios facilmenteidentificables. L,aozon6lisis consta de dosreacciones separadas: (1) oxidación del alqueno por el ozono para dar un ozhnido, y (2) oxidaci6n o reducción del ozónido para dar los productos finales. La oxidación inicial generalmente se lleva a cabo haciendo burbujear ozono a mvCs de una disolución del alqueno en un disolvente inerte tal como CCl,. El ozono ataca al enlace pi para producir un intermediario inestable llamado 1,2,3-trioxolano. Este intermediario evoluciona a través de una serie de transformaciones en las cuales serompe el enlacesigmacarbono-carbono. El producto es un oz6nido (un 1,2,4trioxolano), el cual raramente se aisla, sino qlue se somete al segundo paso.

KC\

/CH3

,c=c \

H

CH,

++o"O"oozono

-

2-mea-2-buteno

H,C, H

/

,O-O, C

\o/

/CH, C \

CH.3

un ozdnido

(un 1,2,4-trioxoIano)

Oxidacibn de alquenos

~

Seccibn 9.14.

427

La segunda reaccion en laozonólis,s es la oxiJaciÓn o la reducci6n del oz6nido Si el ozónido se sometea un tratami:nto redxtor, uncarbonomonosustituidodel alqueno original produce un aldehído. Si se usa un tratamiento oxidativo, un carbono monosustituido producem Acid0 carboxílico. Fm los dos casos, un carbono disustituido del alqueno produce una :etona. 1

Tratamiento reductor p x í u c e aldehidos y cetonas:

H,C,

/O"o

\ /

a aldehído

CH,

Zn H - .H,O

o

I1

CH,CH

O

II

+ CH,CCH,

acetaldehido acetona

a cetona

Tratamiento oxidativo produce &cidos carboxflicos y cetonas:

PROBLEMA M O D E L O Prediga los productos de ozon6lisis reductiva del y-terpineno, un compuesto encontrado en el aceite de cilantro:

Solucibn:

~~


LCufiles serían los productos de las ozonólisis reductiva y oxidativa de cadauno de 10s siguientes alquenos o dienos?

Capitulo 9

428

Alquenos y alquinos

SECCI~N 9.15.

Adición 1,2 y adición 1,4 a dienos conjugados Muchas de las reacciones de los dienos conjugados son idtnticas a las de compuestos Los reactivos Acidos y los halógenos pueden adicionarse a uno o a ambos enlaces pi. En los dienos conjugados, estas reacciones deadición simple se llaman adiciones 1,2, tkrmino que indica que la adicidn ha tenido lugar en los Atomosdecarbonoprimero y segundodelsistema diénico conjugado de cuatro carbonos, que no necesariamente coinciden con los ndmeros de la nomenclatura.

- con dobles enlaces aislados.

Reacciones de adicidn 1,2:

Br

H CH;= C H C H z C H ,

HBr

I

CH,-CHCH=CH, 3-bromo-1 -buteno

1.3-butadieno

CI

CH,CH=CHCH=CHCH, 4,5-dicloro-2-hexeno

c1

I 1 ___' L CH,CH"CHCH=CHCH, C'I

2,4-hexadieno


Prediga el productodeadicidn anteriores.

1,2 al segundodoble enlace en cada unode los dos ejemplos

Junto con la adición 1,2, los dienos conjugados pueden también experimentar adición 1,4. En estas reacciones, un equivalente del reactivo se adiciona a los dos carbonos terminales (carbonos 1 y 4) del sistema ditnico; el otro doble enlace queda en el centro del sistema ditnico original. Reacciones de adicidn 1,4:

Br

H CH,"CH=CH"CH, CH,=CHCH=CH, 1-bromo-2-buteno

,5-dicloro-3-hexeno

HBr

I

I

1,3-butadieno

c1

CI

CH,CH=CHCH=CHCH,

C1

I

I

2 CH,CH-CH=CH-CHCH,

2,4-hexadieno

Examinemos el mecanismo de cada tipo de adici6n. El mecanismo parala adici6n 1,2 es el mismo que para la adici6n a un doble enlace aislado. (La reacción del 1,3butadiene va a través del carbocati6n secundario mAs estable y no a travts del menos estable+ CH,CH,CH = CH,). Adicidn 1,2:

CH,=CHCH=CH,

H' __*

un carbocari6n 2-

1

H MrA

Br

I 1 CH,"CHCH=CH, 3-bromo-1-buteno

Adici6n 1,2 y adici6n 1,4 a dienos conjugados Seccibn

429

9.15.

El mecanismo para la adici6n 1,4 es una extensión directa del mecanismo para la adici6n 1,2. El carbocati6n del ejemplo anterior esun cutibn ulílico(Sección 5.74 y estA estabilizado por resonancia. Debido a la estabilizacih por resonancia del cati6n alílico, hay una carga parcial positiva sobreel carbono 4 del sistema ditnico así como sobre el carbono 2. El ataque al carbono 4 conduce al producto de adici6n 1.4. Adici6n 1,4

CH,=CHCH=CH,

-

-

H4

H

I

CH,-CH=CH-~H;

Br

H Br

I

CH,"CH=CH-CH,

I

1-bromo-2-buteno

Si s6l0 se adiciona un equivalente de reactivo al 1,3-butadieno, se obtiene una mezcla de dos productos: 3-bromo-1-butenode la adici6n 1,2 y 1-bromo-2-buteno de la adici6n 1.4.

PROBLEMA MODELO (a) Escriba las estructuras de todos los posibles carbocationes intermediarios en la adici6n de un equivalente de HI al 2,4-hexadieno. (b) ~Qut? carbocati6n esperm'aque. se formase a mayor velocidad? Soluci6n: (a)

CH,CH=CH-CH=CHCH, + [CH,CH,-CH-CH=CHCH,]

(b)

-"I_, +

6 [CH,CH-CH,-CH=CHCH,]

(La adici6n de H+al otro doble enlace da idknticos intermediarios.) El primer carbocati6n indicado debería formarse a mayor velocidad, debido a que es un carbocati6n alnico estabilizado por resonancia.


(a) Escriba las estructuras en resonancia para el intermediario principal en el problema modelo anterior y dt? las estructuras de los productos principales.

9.30.

Prediga los productos de la adici6n de un equivalente de bromo a los siguientes dienos:

En la reacción del 1,3-butadieno conun equivalente de HBr, la proporci6n entre los productos de adici6n 1,2 y 1,4 varia con la temperatura a la cual se lleva a cabo

430

Capitulo 9

Alquenos y alquinos

la reacción. A - 80" predomina el producto de adición1,2. A 40" predomina el producto de adición 1.4. Br I

CH,CHCH=CH,

+ CH,CH=CHCH,BI producto I,4 20%

producto I ,2 80%

+ HBr

CH,=CHCH=CH, 1,3-butadieno

\

yr

CH,CHCH=CH,

+ CH,CH=CHCH2BI

20""

8OYb

También se ha observado que el calentamientode 3-bromo-l-buteno (el producto de adición 1,2) a 40" con trazas de Acido, da como resultado una mezcla en equilibrio en la que predomina el 1-bromo-2-buteno (el producto de adición 1,4), Br

I

H. , 4

)

CH,CHCH=CH,

CH,CH=CHCH,Br 8O"o

2O':,,

¿Cómo podemos explicar estas observaciones? A baja temperatura, la reacción produce predominantemente el producto de adición 1,2 debido a que la adición 1,2 tiene menor E,, (porque el carbono 2~O)tiene m6s carga positiva que el carbono 1~O) y, por lo tanto, mayor velocidad. Las velocidadesrelativas de las reacciones controlan la proporción de productos. Decimos que la reacción está bajo control cinético a temperaturas bajas. La Figura 9.14 muestra el diagrama energético para las reacciones competitivas. A temperaturas elevadas, un mayor porcentaje de moléculas puede alcanzar el estado de transición de mayor energía, y los dos productos est&en equilibrio Predomina el producto m6s estable, el de adición 1,4 (el alqueno m6s sustituido). A temperaturas mayores, las estabilidades relativas de los productos controlan la proporción de éstos y la reacción est6 bajo control del equilibrio o control termodinhico. La Figura 9.15 muestra el diagrama energético para el equilibrio.

estado de transicidn m&s estable:

'I

\ 4 ,favorecido u -80"

1

\-

CH,CH=CHCH,Br

-Progreso de la reaccidn>FIGURA 9.14. Diagrama energetic0 parcial para la reaccidn de 1,3-butadieno con HBr. A predomina el producto de adicidn 1,2.

- 80"

La reacci6n de Diels-Alder Secci6n

9.16.

431

t

í

Br

I

CHCHCH3 I

favorecido a 40" f-

Progreso de la reacción

3

FIGURA 9.15. Diagrama energetic0 para el equilibrio entre los productos de adici6n 1 ,i-y 1,4-. A 40" predomina el producto de adici6n 1,4.

PROBLEMAS DE ESTUDIO del 1-bromo-2-butenopredominar6a M"?.

9.31.

iQu6 isbmerogeom&ico

9.32.

El 1,3-butadieno se trata con un equivalentede Br, a - 15". Se obtienendos is6mems estructurales: 46% de A y 54% de B. Cuando la reacci6n se lleva a cabo a m",la mezcla de reacci6n contiene 90% de A. ¿Cu&les son las es@ucturas de A y B?

SECC16N 9.1 6.

La reacci6n de Diels-Alder Un tipo muy importante de adición 1,4 es la reacci6n de Diels-Alder, que es una ruta hacia compuestos cíclicos a partir de acíclicos. El nombre de la reacción es en honor de los químicos alemanes Otto Diels y Kurt Alder, quienes compartieron el premio Nóbel de 1950 por sus trabajos en este campo. En una reacción de Diels-Alder, se calienta un dieno con un segundo compuesto insaturado llamado dien6filo ("amante de dienos"), obtenitndose un producto que contiene un anillo de seis miembros.

1,3-butadieno el dieno

PW=l el diendjilo

1-carboxaldehído 3-ciclohexen100%

La reacción de Diels-Alder es sólo un ejemplo de una clase m8s amplia de reacciones llamadas reacciones periciclicas. En esta seccih, nos limitaremos a tratar la reacción de Diels-Alder y en el Capítulo 17 trataremos acerca de la teoría de las reacciones pericíclicas.

Capítulo 9

432

A.

Alquenos y alquinos

Fórmulas de líneas y conformaciones

Dado que en la reacción de Diels-AMer se convierten compuestos de cadena abierta en cíclicos, es conveniente emplear f6rmulas de líneas para representar a los compuestos de cadena abierta. Estas fórmulas de líneas son anhlogas alas poligonales que se emplean para representar a los anillos.

/I A

N

6

=

6 6

/”$,

significa

C H =C t4

significa

(‘HICH=CH2

significa

CH,=CHCH=CH2

A

CH(CH,)Z

Otra convención es el uso de los tknninos S-cis y s-trans para describir las conformaciones de los dienos conjugados. (Se usa la letra “S” debido a que es la geometría alrededor del enlace sencillo central, la que determina la conformación.) L o s siguientes compuestos ilustran el uso de estos términos. Paracompuestos de cadena abierta, estas fórmulas no representan isómeros .verdaderos, sino conf6rmeros, debido a que la conversión de uno en otro, sólo requiere la rotación alrededor de un enlace sigma (aproximadamente 5 kcaVmol para el 1,3-butadieno).

d q

;”-t

S-cis

s-cis

a pesar de que la estereoqufmica de cada doble enlace es (E). o trans

/ s-(runs

H,i‘

CH,

s-cis y {Z) o cis, en cado doble enlace

Cuando la función dieno forma parte de un sistema cíclico, las estructuras S-cis y s-trans representan compuestos diferentes; su interconversión no puede ocurrir sin que se rompan los enlaces.

s-cis

S-(runs


Clasifique cada uno delos siguientes dienoscomo s-cis 6 S-trans. Indique cud es interconvertible con su otra forma.

La reaccibn de Dieis-Alder

Secci6n 9.16.

433

En una reacci6n de Diels-Alder, el dieno debe tener la confomci6n S-cis y no la s-trans. En algunas estructuras (como el 1,3-butadieno), losconf6meros S-cis y struns son fhcilmente interconvertibles.En otros sistemas didnicos (como en sistemas cíclicos), el. idmero S-transno experimenta reacci6n. Algunos dienos S-cis que pueden usarse en una reaccibn de Diels-Alder:

B. EjemplosdereaccionesdeDiels-Alder Usando el simbolismo de las f6rmulas de líneas podemos representar la reacci6n de Diels-Alder que se present6 en la pbgina No43 1 de la manera siguiente:

o

el diem

el dien6flo

O

el producto

El diendfilo tiene generalmente otra insaturaci6n grupo (unaldehído en el ejemplo anterior) que no participa directamente en la reacci6n de adici6n. Este grupo, sin embargo, aumenta la reactividad del doble enlace carbono-carbono del dien6filo (el C =O sitio de reacci6n) por atracci6n de electrones. (Recudrdese que el carbono del tiene carga parcial positiva.) A continuación se dan algunos ejemplos de los tipos de dienos y dien6filos que se emplean en la reacción de Diels-Alder. Se puede ver con estos ejemplos la versatilidad de esta reacci6n en la síntesis de compuestos cíclicos.

Alguenos y alquinos

Capitulo 9

434

Industrialmente, se preparan varios insecticidas por reacciones de Diels-Alder.

CI

Diels-Alder

c1

c1

CI CI

c1

CI clordano

clwO

Diels-Alder

(‘I

-!%L

CI

CI

C1

c1

c1

aldrin

dieldrín

PROBLEMAS DE ESTUDIO 9.34. Rediga los productosde l a s reacciones de Diels-Alder:

o

O

9.35.

Sugiera una sfnntesis para el siguiente compuesto. (Sugerencia: Puede usarseunalquinocomo diedfilo) .

C. Estereoquimica de la reaccih deDiels-Alder Una reacci6n deDiels-Alderesunaadici6n estereoespecifica.

H un dien6filo cis

cis- O

sin-concertada y, por

10 tanto,

I

CHO un producto cis

Hay dos formas en las queun dieno puede aproximarse aun dien6filo. En algunos casos pueden formar dos posibles productos. Los dos modos de adici6n se denominan

Polimeros

Seccidn 9.17.

435

endo (interna) yex0 (ektema), comopuede verse en los siguientes ejemplos.La adici6n endo es la que generalmente se favorece, probablementedebido a las interacciones

favorables de los orbitales pi del doble enlace que se esta formando y los orbitales pi del grupo insaturado. En el producto endo de nuestro ejemplo, el grupo carbonilo del dien6filo est6 truns al puente; en cambio, en el producto e m , el C = O del dien6filo est6 cis al puente. , ,

puente

trans al puente

~

~

~~~


Pronostique el productode la siguiente reacci6n (incluya la estereoquimica):

O

9.37.

I1

H

COCH,CH,

CH,

H

&or,

La siguiente reacci6n de Diels-Alder puedeproducirdos ciclohexenos isom6ricos. LCuAIesson sus estructuras?.

CH,

I

CH,=CHC=CH,

+ CH,=CHCHO

calor

S E C C I ~ N9.17.

Polímeros Los polímwos son moléculas gigantes, o macromol&ulas. Los polimeros naturales incluyenproteínas (talescomo la seda,lasFbrasdelosmúsculosylasenzimas), polisac&ridos (almid6n y celulosa), hule o caucho y kidos nucleicos. Los polímeros hechospor el hombreson casi tanvariadoscomo los polimeros naturales. Usamos ropas depoliéster, nos sentamos ensillas de vinilo y escribimos sobre mesas de formica. Nuestras alfombras pueden hacerse depoliéster, fibra poliacníica o polipropileno. Los aviadores usan paracaídasdenylon.Pintamos las paredesconpinturasde latex y protegemoslospisosdemaderaconpoliuretano. Los autom6vilespuedentener los neumiiticosdehule sintéticoylastapicerías de vinilo.Lasvajillas puedenserde melamina. Otros productos poliméricos Fomunes incluyen envolturas para alimentos,

436

Alquenos y alquinos

Capítuio 9

revestimientos de tetl6n para sartenes, cepillos de pelo, cepillos de dientes, pegamentos, aislantes elktrims, jams de plhtico, vhlvulas para el m&n, parabrisas para a v i o n e s iy la lista podria continuar! La tecnología demacromolkulas se ha convertido en un gigante en el mundo de la industria. Los polímeros se pueden clasificartres engrupos generales: elas~bmeros,aquellos polímeros que tienen propiedades elbticas, como el hule;fibras, polímeros para tejer, como el algod6n,laseda o elnylon; y pl&sticos quepuedenserhojasdelgadas (envolturas para la cocina), s6lidos duros y moldeables (tubería, juguetes paraniños), o revestimientos (acabado de coches, barnices). La multiplicidad de propiedades depende de la variedad de estructuras posibles en los polímeros. Muchospolímerosútilessepreparanapartirdealquenos y en esta secci6n discutiremos algunos de ellos. Otros tipos de polímeros se tratarb en las secciones apropiadas en otras parte de este texto. Un polímero (del griego, “muchas partes”) esta hecho de miles de pequeñas unidades repetidas: los rnondrneros (del griego “una parte”). En una reacci6n de polimerizacibn,losprimerosproductossonlos dimeros (“dospartes”),despuéslos trimeros, los tetrheros, y finalmente, desputs de una serie de pasos de reaccih, los polimeros. L o s polímeros que trataremos aquí se llaman polimeros de adicih, debido a que se forman por la adici6n deun mon6mero a otro sin p6rdida de btomos 0 grupos. Un polímero sintético generalmente se nombra conel nombre de su mon6mero precedido de poli-. Por ejemplo, el etileno forma el polímero simple polietileno, el cual se usa para bolsas de limpieza y tuberías de plbstico.

--unidudes monodricas repetidas

CH,=CH,

O*,calor, p s i 6 1 1 o

catalizador

etileno el mon6mero

f i \ 1

-CH2CH,-CH,CH,-CH,CH2polietileno el polímero

Las ecuaciones de polimerizacidn se representan convenientemente de la forma siguiente, donde x se usa para indicar “un número @ande”. x

CH,=CH,

catalizador “-+

~CH,CH&

Frecuentemente, lob grupos terminales de las macromoléculasno son conocidos -pueden originarse de impurezas en la mezcla de reacci6n. En algunos casos, los grupos terminales pueden controlarse. No obstante, las propiedades de un polímero e s t h gobernadas casi totalmente por el tamafio de la moldcula polim6rica y no por los grupos terminales, Para indicar la estructura bbsica del polímero, es habitual no incluir losgrupos terminales en la f6rmula, a menos que se conozcan específicamente.

A. Polimeros por radicales libres Una forma usualde polimerizaci6n de alquenos es mediante un mecanismo de radicales libres. La polimerizaci6n comienza por acci6n de un catalizador o un iniciador tal como O, o un per6xido. El polimero resultante se forma un porproceso de propagaci6n en cadena. Consideremos la polimerizaci6n del propileno como ejemplo:

Polimeros

Secci6n 9.17.

437

Reacci6n global:

propileno

polipropileno

-

usodo para agombrasy tapicerías

ROOR

Iniciacibn:

2RO.

Propagacibn:

Te6ricamente, el crecimiento de la cadena podría continuar indefinidamente, lo cual por supuesto no sucede. Los pasos de terminaci6n de la polimerizaci6n son los Dos radicales pueden pasos típicos de termhacih la de reacciones por radicales libres. desproprci6n. (En las encontrarse y unirse, o dosradicalespuedenexperimentar se usan paraindicarqueen la reacci6n f6rmulassiguientes,laslíneasonduladas interviene una molkula mucho m& grande que la que se muestra.) Acoplamiento: CCH,~H

I

CH,

+ CHCH,I I

CH,

-

+CH,CH-CHCH,+

1

1

CH, CH, terminado

Desproporcibn:

Hay dos formas por las cuales el propileno @a unirse consigo mismo para formar polipropileno: (1) cabeza-cola, 6 (2) cabeza-cabeza y cola-cola.

cabeza-cola

cabeza-cabeza

coh-coh

\ h El polipropileno esun ejemplo de polímerocubezu-cola.Discutamos el por qu6 de esta orientaci6n de los mon6meros. Un radical libre intermediario m& estable significa un estadode transici6n de menor energía y una velocidad de reacci6n mayor.

Alquenos y alquinos

Capitulo Y

De las dos posibles formas de ataque en un radical libre, una conduce al radical libre primario menos estable, mientras que la otra conduce al radical libre secundario m9s estable. La formaci6nrepetitivaderadicaleslibressecundariosconducea la uni6n cabeza-cola de los mon6meros de propileno.

-

+ CH,=CH

R.

I

RCH,-eH

CH.3

RCH-CH,

y no

I

1

CH, 2",

CH 3 I-,

m h estable

menos estable

R C H ~ C H - C H ~ C ' H etc.

I

CH,

I

CH,

Puedensintetizarse gran númerodepolímerosapartirdealquenosmediante reacciones anfilogas a las de etileno y propileno.

cloruro de vinilo

c l opolivinilo m de

(PVC)

se usa en pisos, tuberfas, recubrirnientos exteriores para casas, discos y bolsas paro la basura

CH.3 x CH,=C

I I

CO,CH, metacrilato de metilo polimetacrilato metilo de Plexiglas y Lucita

estireno

poliestireno se uso poliestireno en cepillos de dientes y en la preparacibn de espumas

Un químico no se limita a usar un mon6meroÚnicoen la producci6nde un polímero. Para lograr las propiedades deseadas, puede usar una mezcla de dos, tres, o aún miis monbmeros. Una mezcla de dos mon6meros diferentes da como resultado un copolimero, tal como el Saran (usado en envolturas para cocina). .Y

CH,=CHCI

cloruro de vinilo

+

I

CH,=CC!2

1 ,laiclometeno (vinilideno) c l o m de

caralizador

e

f-C'H2CHCI-Ct12CC12-); Saran

un copolimero (no necesariamente o l t e m t e )

9.17.

Polimeros Secci6n

~~

439

~

PROBLEMAS DEESTUDIO 9.38.

El monhero d e l repbn es CF,= CF,. ~Cuhles la estructura del tefl6n?

9.39.

El orlón tiene la f6mula

j c d estructura l laes

de su monbmem?

Hasta 1955,la mayorfa de los polimeros de adici6n se preparaban a traves de radicales libres. Sin embargo, en ese aiio Karl Ziegler y Giulio Natta introdujeron una en el premio nueva tknica para la polimerizaci6n. Estos dos químicos recibieron,1962, Nobelporsudescubrimiento: un tipodecatalizadorquepermite elcontroldela estereoquimicade un polímerodurantesuformaci6n. (Un catalizadorZiegler-Natta usado frecuentementees (CH,CH,),Al acomplejado con TiCl,.)El catalizador ZieglerNatta reacciona con el alqueno monom6rico y despues se inserran nuevos mon6meros entre el catalizador y el polímero en crecimiento.

+ CH,=CH,

-

“CH,CH,“CH,CH,

etc.

B. Polimeros de adicih 1,4 Los dienos conjugados pueden polimerizarse mediante adici6n 1,4. El productoaún contiene insahuaciones; por lo tanto, el polímero podrfa contener todas ias unidades cis, todas las unidadesnuns o una mezcla de unidades cis y nuns. La siguiente ecuacibn muestra la polimerizaci6n 1,4por radicales libres del isopreno.

iniciador

2-metil-l,3-butadieno (isoprene)

poliisopreno todo -cis (hule natural)

El hule, caucho o goma natural espoliisoprenocondoblesenlaces cis. E l polhero nuns, llamado gutapercha, es un polimero duro usado como recubrimiento en las pelotas de golf y para rellenos temporales de dientes. La raz6n de la diferencia en las propiedades de estos dos polímeros se discutir6 en la Secci6n 9.17D. Ninguno de estos polímeros se sintetiza en la naturaleza a partir del mismo isopreno, como se creía antiguamente. Realmente, su precursor es el 6cido meval6nico (Secci6n 20.5).

440

Capitulo 9

Alquenos y alquinos

PROBLEMA DEESTUDIO 9.40.

El neopreno, desarrolladoen 1932, fueelprimercaucho o hulesint6tico.Seusaenarandelas, tuberias y cosas parecidas. El neopreno es el polímero cabeza-cola todo -trans del 2-clor0-1,3butadieno. ¿Cu&l es la estructura de este polimero?

C. Polímero de adici6ni6nica A d e d s de por adici6n de radicales libres, los polímeros pueden formarse por adici6n cati6nica~reacci6nque procede a travts de un intermediario carbocati6nico. Puede usme un kid0 como H,SO, 6 AlCl,, para formar el carbocati6n inicial. (Este procedimiento no se usa para la síntesis del polietileno, debido a la dificultad para formar un carbocati6n primario.)

-

CH,

H'

e=(!-CH.,

CH 3

I

C'H,-<--C'H,


primera unidad segunda unidad

poliisobutileno


Sugiera un pasode terminacibn en ~

polimerizacih la.. . . carbocatiónica - .. . del isobutileno

Sofuci6n: Los carbocationes terciarios experimentan a menudo eliminaci6n, en presencia de H,SO, u otro Bcido fuerte: CH3

I I

RCHzCi CH,

-

RCH=C(CH3),

+ H+

terminado

D. Estructura y estereoquímica de los polímeros Los polímeros, como cualquier otro compuesto orghico, pueden tener grupos funcionales y carbones quirales. Pueden formar puentes de hidr6geno y experimentar interacciones dipolo-dipolo. A la composici6n química de una cadena polimkrica, se le denominaestructura primaria.La disposici6n de la cadena en relaci6nsíamisma y a a otras cadenas, se denominaestructura secundaria. Esta estructura secundaria, puede ser tan importante para determinar las propiedades de un polímero como su composici6n química. Un polímero puede ser una masa de cadenas continuas o cadenas ramificadas enredadas. El resultado es un s61ido suave y amorfo tal como el hule blando. Por otra parte, un polímero puede estar compuesto por cadenas continuas mantenidas juntas

Polimeros

Seccidn 9.17.

441

por enlaces de hidr6geno o por otras atracciones dipolo-dipolo. Este tipo de estructura polim6rica se presta para formar fibras o plásticos duros moldeables. Se dice que un polímero más ordenado tieneun grado de cristaliiidad mayor queun polímero amorfo o no cristalino.

polimero IU) crisralino

polimero cristalino

Las diferencias en las propiedades entre polimeros cristalinos y no cristalinos, el hule natural. La gutapercha es un polímero altamentecristalino, mientras queel caucho natural tiene una forma molecular que no le permite una disposici6n cristalina ordenada. se ejemplifican claramente con la gutapercha y

caucho natural (todo cis)

Reconsideremos la polimerizaci6ndelpropileno.Hay trestipos deproductos que podrían resultar de la polimerizaci6n cabeza-cola del propileno: (1) En los átomos de carbonoquiralesqueseformanen la polimerizaci6n, los grupos metilo podrían salir de la cadena al azar: Cste es un polimero atsctico (un producto amorfo y blando). (2) Los grupos metilo podrían alternarde un ladode lacadenaalotro;estees un polímero sindiot8ctico. (3) Los grupos metilo podrían estar todosdelmismo lado; entonces se dice queel polímero esisotactico (Figura 9.16). Debido a sus disposiciones ordenadas, las cadenas de estos dos últimos polímeros pueden situarse m&cerca unas de otras y los polímeros son más cristalinos.

Atsdico: alternante

n f \

SindiotBCtico: del mismo lado

FIGURA 9.16. Los tres tipos de polímero de polipropileno.

Capitulo 9

442

Alquenos y alquinos

-

~

Uso de l o s alquenos y alquinos en sintesis Por los datosde la Tabla 9.8, puedeapreciarsequelosalquenossonmateriaprima valiosa para sintetizar otros compuestos orghicos. Los alquinos no se utilizan tanto en síntesis (ni son tan accesibles). Las reacciones de adición que emplean H’ como catalizador, proceden a travts de carbocationes y conducen a productos Markovnikov (y posibles productos de trasposici6n). Estas reacciones incluyen aquellas con HX y H,O (H+). Productos Markovnikov:

CI

Los alcoholes (o tteres) pueden prepararse sin fraspusici6n con excelentes rendimientos, por las reacciones de oximercuraci6n-desmercuraci6n,secuencia que tambikn lleva a productos Markovnikov. OH R,C=CHR

Hg(O,CCH,), H,O

OH

I

R,C-CHR

I

NaBW

R,CCH,R

I __

-CH,CO,H

I

HgOzCCH,

Los productos “anti-Markovnikov”, conel grupo funcional adicionado al carbono menos sustituido del alqueno, pueden prepararse con HBr (y O, o un per6xido como catalizador) o por hidroboraci6n. productos “anti-Markovnikof:

OH R

3 R,C=CHR

BH

I

2 (R,CH“CH)3B

I

H,O,. OH

3 R,CHCHR

AA

-

”--+

BrL. OH

Br

I

3 R,CHCHR

+

Los compuestos bifuncionales se originan por la adici6n de X, (6 X, H,O) a un doble enlace; por adicidn 1,2 6 1,4 a un dieno; o por oxidaci6n de un alqueno para dar un 1,2 diol. Por ejemplo. X

I

H,Oh H

7

I R2C“CHR

I OH

Uso de los alquenos y alquinos sintesis en

443

Secci6n 9.18.

~~

~~

TABLA 9.8. Tipos de compuestos que pueden obtenerse a partir de alquenos y dienos.

Reaccidn

Adici6n Markovnikov: X R,C=CHR

+ HX

halogenun, de

I

alquilo

RZCCHZR

--

9.7A-C

alcohol

9.8

alcohol

9.9

kter

9.9

dihaloalcano

9.1 I A-C

1,ZhaloMdMa

9.1 1D

alcano

9.10

bromuro de alquilo

9.10

bromuro de alquilo

9.7D

dihaloalqueno

9.15

OH

I * R,CCH,R

Hg(O,CCH,i,, H,O (1)NaBH,

( 1)

OR ( 1 ) Hg(O,C'CH,), , R'OH ( 2 ) NaBH,

I

'

R,CCH,R

x x I

+ X2

I

R2C"CHR OH

Br

+ HBr

I

R,CHCHR perdxido

Adici6n 1 , 4 =

X R,C=CHCH=CR,

+ HX X

R,C=CHCH=CR,

+ X,

I

__*

RZCHCHzCHCR2 X

I

I

__ + R,CCH=CHCR,

(continúa)

Capítulo 9

444

Alquenos y alquinos

ReaccMn

R,C=CHR

+ H,

PI

Seccidn

un ciclopropano

9. I 2

un ciclohexeno

9.16

alCan0

9.13

1,2-diolb

9.14A

ep6xidd

9.14B

cetona, kid0 carboldlico

9.14D

O u otro grupo insaturado

donde Y es generalmente C Reducci6n:

Producto

R,CHCH,R

Oxidaci6n: R,C=CHR

-

+ MnO,

15

OH

I

R,CCHR

I

OH

+ C,H,CO,H

+

/O\\ R,C"CHR O

f

calor

MnO;

___

~

R,C=O

/I + HOCR O

(1) 0 ,

( 2 ) Zn.

H'. H20

R,C=O

I1 + HCR

cetona, 9.14E aldehfdoe

'Tambih puede ocurrir adici6n 1,2

13-diol cis puede prepararse a partir de un alqueno y un M n 0 , - Mo;el 1,2401 wum puede ser &o a partir de la hidr6lisis del ep6xido. ozon6lisis en un medio oxidante produce cetonas y 6cidos carboxílicos.

(La

La oxidación de alquenoses una forma de introducir otrafunción, comoun anillo deepóxido.Condicionesvigorosasdeoxidacióndancomoresultado la rupturadel doble enlace y la formacih de compuestos carbonflicos, como se muestra en la Tabla 9.8. Una gran variedad de compuestos ciclicos con anillos de seis miembros puede . sintetizarse por reacciones de Diels-Alder de dienos conjugados con dienófilos. Dado que muchos compuestos existentesen la naturaleza, fhnacos sintkticos, etc., contienen anillos, la reacci6n de Diels-Alder proporciona rutas hacia algunos de tstos. Los anillos de ciclopropano pueden prepararse por reacciones de carbenos con alquenos.

Uso de los alquenos y alquinos en sintesis

Secci6n 9.18.

445

PROBLEMA MODELO

Sugiera una síntesis de 3-metil -2-pentanona a partir de 3-bromo-3-metilpentano. Soluci6n: 1.

Escriba las estructuras:

o

BI-

It

I

CH3CCHCH,CH3

CH3CH,CCH,CH3

- - - +

I

I

CH 3

2.

CH:

No existe una reacci6n de un solo paso para sintetizar una cetona a partir de RX. Por consiguiente, hay que trabajar en reverso, pregunthdose quC reacciones llevan a cetonas (sin ruptura del esqueleto carbonado). La oxidaci6n de un alcohol 2& es una reacci6n típica para obtener una cetona.

o

OH

l

CH3CHCHCH,CH3

I

--

II

H,CrO,

CH3CCHCH,CH3

I

CH 3 3.

CH,

El grupo oxhidrilo en el alcohol no est6 en la misma posici6n que el Br en la materia prima. Por lo tanto, una reacci6n de sustituci6n simple (RXtOH-) no sería la ruta al alcohol; sin embargo, se puede obtener el alcohol a partir de un alqueno.

-

CH3CH=CCH,CH3

I

CH

,

OH

I

CH3CH-CHCHzCH3

I

CH 3

+

Puesto que el alcohol es elproducto anti-Markovnikov, una reacci6n con H,O H o oximercuraci6n-desmercurizaci6nno lo producirla; en cambio, la hidroboraci6noxidacih sí daria el alcohol apropiado. Los reactivos para la conversi611 anterior serían, por lo tanto, (1) BH, (o, mis correctamente, B,Hd; (2) H,O,, -OH. 4.

¿Podría prepararse el alqueno anterior a partir del bromuro de alquilo de una reaccibn de eliminaci6n que procedepor un mecanismo E,. Br

I

CH3CH,CCH,CH3

I

f i t 2

5.

inicial? Se trata

CH3CH=CCH2CH3

I

CH,

Ahora puedeescribirsetodalasecuencia: Br

I

Na

CH3CH2CCHzCH, --

I

OC ti.,

--

CH,CH=CCH2CH3

I

0

)

tjIi\

(2)t I 2 O 2 . 01-1

9

CH3

CH,

O

OH

I

CH3CHCHCH,CH3

I

CH3

t4,CrO, " +

I1

CH,CCHCH,CH,

I

CH 3

+

Capitulo 9

446

Alquenos y alquinos


los siguientescompuestos:

Sugierasíntesispara

CH,

I

(CH,)2C=C'<'H2CH,

(a)

(b) CH,CHZC=;CH

apartirdecompuestos orghicos de cuatro o menos Atomos de carbono

apartirde

unalqueno

O

(c)

3c

compuestos partir dea

orghicosseis de

),") menos &tomosdecarbono

o

H3 c

Resumen Las reactividades de los alquenos y los alquinos surgen de la debilidad y exposicidn del enlace pi, así como de la exposicibn del carbono trigonal o lineal. A diferencia de otros hidrocarburos, un alquino con un grupo --C=CH es ligeramente &ido. L o s alquenos son susceptibles de ataque electrofflico.Si el alqueno y el reactivo son asimttricos, la reacción procede a travts del carbocatidn m8s estable. (Regla de Markovnikov: H+ se adiciona al carbono que ya tienem L hidr6genos). Pueden usarse como reactivos halogenuros de hidr6gen0, H2S04,H,O H+ 6 BH,. Las reacciones con hal6genos, hal6genos agua, y Hg(O,CCH,),, proceden a travts de iones puenteados y, por consiguiente, son estereoespecSficas. (Estas reacciones se resumen en la Tabla 9.8 .)

+

+

R,C=CHR

Algunas reacciones de adici6n proceden a travts de adiciones sin, concertadas, en lugar de por carbocationeso iones puenteados. En esta categoria están las reacciones de hidrogenacibn, hidroboración, adici6n de carbenos y Diels-Alder. Las adiciones

Resumen

447

sin generalmente son estereoespecíficas y a menudo llevan a productos cis. (N6tese que la hiclroboraci6n tambikn conduce a productos “anti-Markovnikov”.)

Las reacciones de hidrogenaci6n pueden emplearse para determinar las estaLos alquenos mtis sustituidos son losmtis estables. bilidades relativas de los alquenos. Los alquenos acíclicostrans generalmente son mlis estables que los alquenoscis. Los dienos conjugados sonmtis estables que los no conjugados. La oxidaci6n de los alquenos puede producir1,Zdioles cis, epcixidos, cetonas, . En la Tabla9.8aparece un resumen de estas reacciones. aldehídoso ticidos carboxílicos Los dienosconjugadospuedensufrir adici6n 1,2 o adici6n 1,4, estahltimapor intermedio de carbocationes alílicos. X,

(“7

XCH2CHXCH=CH2

<’H2=CHCH=CH2 I .4

XCH,CH=CHCH2X

Los poiimeros de adici6n se forman por reacciones de adici6n de alquenos, por radicales libres o ionicas, o por adici6n 1,4 de dienos conjugados.

R Y

I

CH2=CCH=CH2

-

catalizador

I

R

\

Capitulo 9

448

Alquenos y alquinos


Escriba el nombre IUPAC paracadaunode

los siguientes compuestos:

(a)

BrCH,CH=CH,

(b) (CH,),CHC-CH

(c)

CH,CH=CHCHCH,OH

(d) CH,=CHCH=CH,

I

CH,

(f) CH,=CHCO,H

9.43.

9.44.

D6 laestructuraparacadaunodelossiguientescompuestos: (a) 2-metil-1-buteno

(b) 2-pentino

(c) 1,3-hexadieno

(d) cis-2-hexeno

(e) truns-l,2-difenil-eteno

( f ) cis-l,2-dibromo-eteno

(g) ( 22,4Z)-hexadieno

(h) kido (E)-3-fenil-2-butenoico

Diga sicadaunodelossiguientesalquenoses CICH2C'H ,L (a)

/

H.SC

9.45.

,,CH.<

c'=('\ ,

(E),(Z) 6 ni (E) ni (9: C=c'

(b) CH,

/ w

HC"=;(' \

H

/

\

H

Digacualseríalareacción de elecci6n parapreparar 1-metil-ciclo hexeno.(Cadareacci6nse lleva a cabo en etanol.) Explique su respuesta.

Br

9.46.

A partirde propino,¿cómo prepararía los siguientescompuestos?


9.47.

449

kQu6 producto se obtendría si el 1-pentino fuese tratado con cada uno de los siguientes reactivos? (Sugerencia: Los alquinos tambih siguen la regladeMarkovnikov)(a) 1 equivalentede C1,; (b)2equivalentesde C1,; (c) 2equivalentesde HCI; (d) bromm de fenil-magnesio; (e) NaNH, y yodometano

9.48.

Se añade un equivalente de HI a cada uno de los siguientes alquenos. D6 la estruchua de los productosprobablesencada caso.(a)1-penteno; (b) 1,3-pentadieno; (c) 2-metil-1,3-butadieno; (d) 2,2-dimetil-3-hepteno.

9.49.

¿Que compuestodecadapar

sería m& reactivo frente a la adici6n de HCI?

(a) CICH=CHCI or CH,=CHCI (b) CH,CH,CH=CHCH, 6 CH,CH=C(CH,), 9.50.

(1) Disponga los siguientescompuestosenordendereactividad crecientefrente al H$O, (el menos reactivo primero). (2) Escriba las f6rmulas para el intermediario y el producto principal en cada caso. (a) propeno (b)2-metil-propeno (c) 2-buteno

9.51.

Prediga los productosorgzinicosprincipalesde las siguientesreacciones: (a) 3-metil-2-penteno con H,S04 acuoso (b) 2-metil-propeno con H,S04 en etanol (c) 2,2-dimetil-3-hexenocon H2S04acuoso (d) 1-buteno con HI acuoso 0.1M (e) metilen-ciclohexano con acid0 trifluoracetco (kido fuerte, CF,CO,H).

9.52.

Predigalosproductosorganicosprincipales: (a) (CH,),CCH=CHCH, (b) (CH,),CHCH=CH,

(c) (CH,),CHCH=CH,

9.53.

Prediga los productos orghicos probables de las siguientesreacciones: (a) cis-2-penteno con C1,; (b) I-metil-ciclohexenocon Br,; (c) 1-metil-ciclohexenocon Br, acuoso; (d) w e n o

(que se encuentra en el

aceite de bayas de laurel) con un equivalente de Cl,.

mirceno

450

9.54.

Capitulo 9

(a)

t (b)

Alquenos y alquinos

~ Q u kproductos se observm’anprobablemente si el1-buteno se trata con agua de bromo quecontengacloruro de sodio? Escriba los mecanismos que expliquen la fonnaci6n de cada producto.

9.55.

Sugiera reactivos para la conversi6n de ciclopenteno a (a) ciclopentano y. (b) trans-2-bromociclopentanol.

9.56.

Cuando el 2-metil-l,3-butadieno se trataconunequivalente de Br,, podrían resultar cuatro posibles dibromo-alquenos.Sin embargo, realmente en esta reacci6n s610 se forman dos dibromoalquenos. (a) LCuAlesson los dos que se forman? (b) ¿Por que no se forman los otros?

9.57.

La siguiente reacci6n procede por un mecanismo tipo cárbemo. ~ C u ies l el producto?

3.59.

Muestre c6mo podría sintetizar los siguientes compuestos a partir de propino: O

II

(a) CH3CCH3

O

II

(b) CH,CCH,CH,

OCH (c)

I

CH,CHCECCH,

9.60.

Prediga los productos principales (incluyendo estemoquímica) de la hidroboraci6n-oxidaci6n de los siguientes cicloalquenos:

9.61.

Prediga los productos orghicos principales (mostrando estereoquímica).


9.62.

De cada uno de los siguientes pares de compuestos, diga

(a) & i H 2

9.63.

II

O

II

(Z)-CH,COCH=CHCOCH,

Prediga los productos:

(c)

9.64.

cua sería el mils estable:

C)=CHCH,

6

O

(c) (E)- 6

451

( 3 3 ' " ' + soluci6ndeKMnO,caliente-

Prediga los productos de ozodlisis, cuando cada uno de los siguientes alquenos se somete a: (1) reacci6n con O, seguida de (2) reacci6n con H,O, y H': Y

a-pineno se encuentra en la trementina 9.65.

Prediga los productos orgánicos de la reacción del trans-2-buteno con cada uno de los siguientes reactivos.(Indique la estereoquímicadondeseaapropiado.) (a) HI, (b) OSO,, seguidopor tratamientocon N%SO,; (c) C,H,CO,H, seguidopor H,O + HCI; (d) H,SO,; (e) :CH, singulete

Capitulo 9

452

9.66.

9.67.

Alquenos y alquinos

D6 la estructura del producto cuando el 1-metil-ciclopenteno se trata con cada unolos desiguientes reactivos: (a) H, (catalizador, Pt); (b) C1, enH,O; (c) C1, e&CCl,; (d) KMnO, frío y alcalino; (e) soluci6ncalientede KMnO, (0 soluci6ndiluidade Br, en CH,OH; (g) BH, seguido por soluci6n deHz02-NaOH;(h) HCl; (i) HBr con H,O,; (i) acetatomercúricoen agua, seguido por NaBH, Cadaunodeunaseriedealquenosdesconocidossetratacon (1) O,, y (2) Zn, H', H,O. Se obtienen los siguientes productos. D6 la estructura (o estructuras, si hay m& de una posibilidad) de cada alqueno desconocido. O (a)

O

II

I1

HCCH,CH,CH,CH solamente (b) CH,CH,CH O

(c) CH,CH solamente

tI

0

II

(d)

9.69.

II

(f)

II

CH,CH

0

o II

O

I1

0

II

+ HCH + HCCH,CH

Cuando se somete a hidrogenaci6n catalítica, un hidrocarburo absorbe 1.O equivalentes de Hz. Cuando se oxidaconunasoluci6ncalientede KMnO,, s610seobtieneuncompuesto: HO,CCHCH,CHCO,H. ~Cuhles la estructura del hidrocarburo?

I

9.71.

+0

Un químico ha obtenido la siguiente informaci6n sobre un alqueno de estructura desconocida. ¿Cull es la estructura del alqueno?

CH, 9.70.

H H !

o

O

(e) CH,C"CH -t 2 CH3CCH, 9.68.

/I

+ CH,CCH,

O

I1

O

O

O

I1

I

CH,

Cadauno de los siguientes dienos se indica en la forma S-trans.LCudes de estos compuestos son interconvertibles con sus formas S-cis? Indique las conformaciones S-& en estos casos.

Prediga10sproductosdelassiguientes donde sea apropiado:

reacciones deDiels-Aldermostrando la estereoquimica


453

9.72.

Sugiera una reacci6n de Diels-Alder que conduzca a cada uno de los siguientes compuestos. Muestre la estereoquimica del producto donde sea aplicable.

9.73.

El estireno puede copolimerizarse con anhídrido maleico. W una ecuaci6n para esta reacci6n:

anhidrido maleico

9.74.

Los dmeros, asícomolospolímeros,puedenprepararse por una ruta cati6nica. D6 los mecanismos para las dimerizaciones catalizadas por ácido de (a) propeno,y (b) 2-mtil-I-buteno.

9.75.

Sugieravíassinteticasparalassiguientesconversiones: (a) 1,2-dibromo-propano a partir de 1-bromo-propano (b) 2-bromo-propano a partir de propanol

.

Alquenos y alquinos

Capitulo 9

454

(c,

& o I1

apartirde

o I1

(d) H('CHLC'li?<'H,CH apartirde ciclopenteno (e) 1,2-dideutero-propano a partir de propano (0 kido acetic0 a partir de 1-bromo-propano (g) fruns- 1,2-ciclohexanodiol a partir de ciclohexano (h) trans~2-cloro-ciclopentano1 apartir de cloro-ciclopentano. 9.76.

Debido a su geometría, el trans-cicloocteno existe como un par de enantiómeros a continuacih (a) DI?la estructura del enanti6mero de la estructura que se indica (b) ¿Existiría tambiCn el cis-cicloocteno como un par de enanti6meros? Explique.

nans-cicloocteno un enantiómero

+

9.77.

La reacci6n del 3-hexeno con C1, H,O, produce 3,4-dicloro-hexano y la 3,4-clorhidrina. Sin embargo, la clorhidrina obtenida a partir del cis-3-hexeno es diferente de la clorhidrina obtenida a partir del trans-3-hexeno. Explique:

9.78.

Los componentes tóxicos de la hiedravenenosaydelroblevenenososon un grupo de 1,2hidroquinonas (dihidroxi-bencenos) llamadasurushioles. Uno de estos urushioles,(A) C,,H,O,, se trata con NaOH diluido seguido por yodometano y produce un compuesto dimetilado, (B) C,,H,,O,. Cuando B se trata con ozono seguido por tratamiento con Znenpolvo y agua, los productos son:

iCu6les son las estructuras de A y B? 9.79.

Partiendo solamente de acetileno, etileno o yodometano y cualquier reactivoinorghico adecuado, muestre cómo preparm'a los siguientescompuestos:(a) cis-4-octeno: (b) acetona: (c) 1buteno; (d) l-cloro-2-butanw; (e) 2-metil-2-butanol;~~~(fl_meso-2,3-butanodiol (g) 2,3-butanodio1 racCmico.

9.80.

Sugiera un mecanismo para cada una de las siguientes

(a)

(C'H.~),('=CH(<'H2),C'H=C'(C'H,)2

reacciones:


CH3

I

(b) (CH,)2C=CH(CH,)2C=CHCH,

455

H'

9.81.

Un químicotrat6 (R)-3-buten-l,2diol con OSO,, obteniendodostetraoles. (Especifique la estereoquímica.)

9.82.

iC6mo preparm'a los siguientes compuestos a partir de hidrocarbuos la esteroquímica de los productos donde sea aplicable.

LCdles fueron?

no deuterados? Muestre

BI

D

D

El atrayente sexualde la mosca domtstica es un hidrocarburo de f6nnula C,H,.

9.83.

La hidrogenaci6n catalítica de este compuesto produce C,,H, mientras que la oxidaci6n con una soluci6n caliente de KMnO, produce CH,(CH,),,CO,H y CH,(CH,),CO,H. La adici6n de bromo al hidrocarburo produce un par de dibromuros enantiodricos (CZ3H,Br2). ¿Cud es la estructura d e l atrayente sexual de la mosca domkstica?

9.84.

Un químicoquiereidear un experimentodehidrogenaci6ncatalítica,paradeterminar si los dobles enlaces endocíclicos son m i s o menos estables que los dobles enlaces exocíclicos. (Un doble enlaceendociclico es aqutl que une dos carbonos de anillo, mientras queun doble enlace exocíclico es aqutl que va de un carbono deanillo a otro carbono que no pertenece aun anillo). De los siguientes pares de compuestos,¿que par dm'a los mejores datos de hidrogenaci6n para prop5sitos comparativos? ¿Porqut? (a)

(i-(.H2 exociclico

9.85.

Y

&CH3 endocíclico

Sugiera síntesis para los siguientes compuestos, partiendo de alquenos o dienos que contengan seis o menos &tomos de carbono y otros reactivos adecuados: (a)1-ciclohexil-1-propanona(ciclo@) ciclohexil-metano1 hexil-etil-cetona) (c) wuns-2-metil-ciclohexanol rd) cis- 1,2-dibromo-ciclohexano O

456

Capitulo 9

Alquenos y alquinos

9.86.

Los dos espectros de RMN de la Figura 9.17 se obtuvieron de muestras de dos hidrocarburos, a m b o s de f6rmula C,,H,,. Ambas muestras produjeron solamente hcidobenzoico, por tratamiento con soluci6n caliente de KMnO,. LCuaes son las estructuras de estos dos hidrocarburos?

9.87.

Uncompuestode seis htomosde carbono por bidrogenaci6n A, puede convertirse 5n.B. El espectro de RMN de A y el espectro de i n f r m j o de B se muestran en la Figura 9.18. LCudes son las estructuras de A y B?

FIGURA9.17. Espectros de RMN para los hidrocarburos desconocidos(C,4H,2)del problema 9.86.


Longitud de onda (km)

Ntímero de onda (cm") FIGURA 9.18. Espectros para los compuestos desconocidos del problema 9.87.

457

CAPíTULO 1O

Aromaticidad, benceno y bencenos sustituidos

E

1 benceno, con el que ya nos hemos encontrado varias veces, es el mhs simple de los compuestos aromáticos. En este capítulo formalizaremos la definición de aromaticidad y explicaremos las propiedades y reacciones del benceno y bencenos sustituidos. En el Capítulo 16, trataremos acerca de la química de los compuestos aromáticos policíclicos y heterocíclicos. ( L o s compuestos aromáticos heteruciclicus tienen al menos un átomo del anillo distinto del carbono.) El benceno fue aislado primeramente en 1825 por Michael Faraday, de los residuos aceitosos que se habían acumulado en los gasoductos de Londres. Hoy, la principal fuente de benceno, bencenos sustituidos y otros compuestos aromáticoses elpetr6leo. Hasta la dCcada de 1940, el alquitrán de hulla fue la fuente principal. Los tipos de compuestos aromáticos que se obtienen de estas fuentes son hidrocarburos, fenoles y heterociclos aromáticos. Hidroca:buros aromdticos:

O ( . H s

C H 3 a - C ’ E i s

€olueno

p-xileno

m & . naflaleno

compuestos sustituidos bencenos

fenantreno

policíclicos

Heterociclos arorndticos con nitrbgeno:

piridina

quinolína

Nomenclatura de

los bencenos sustituidos Seccibn

10.1.

459

En los sistemas biol6gicos tambiCn abundan mucholos compuestos que contienen anillos de benceno y anillos heterocíclicos aromgticos.

nicotina en

estrona

el tabaco

kido úrico

un estrdgeno u hormona relacionado con femenina

la gota

Nomenclatura de los bencenos sustituidos La nomenclatura de los bencenos monosustituidosfue mencionada en la Secci6n 3.3M. Muchos compuestos de benceno comunes tienen sus propios nombres, y éstos no son necesariamente sistemhticos. Algunos de estos nombres de uso común aparecen en la Tabla 10.l . Los bencenos disustituidos se nombran con los prefijos orto, meta y para en lugar de con los números que señalan su posicibn. El prefijo orto significa que dos sustituyentes son 1,2 para cada uno en unanillo de benceno; meta significa una relaci6n

TABLA 10.1 Estructuras y nombres de algunos compuestos bencenicos comunes

Nombre

Estructura Estructura

Nombre

p-xileno

CH=CH2

hcidobenzoic0

estireno

anilina

C H ,OH

c H 3 0 s o 2 C 1

O

bencílico alcohol

cloruro de p-toluen-sulfonilo (cloruro de tosilo)

460

Capitulo 10

Aromaticidad,benceno y bencenossustituidos

1,3; y para significa una relación 1,4. El uso de orto, meta y para en lugar de los números de posición se reserva exclusivamente para los bencenos disustituidos. Este sistema no se usa nunca con los ciclohexanos ni con ningún otro sistema de anillos.

orro- u o-

mera-, o m-

para-, o p-

A continuación se ilustra el uso de estos prefijos para nombraralgunos bencenos disustituidos. (I'

NH2 p-cloro-fenol o-dibromo-benceno m-cloro-anilina

En las reacciones de los compuestos bencénicos, hablaremos de sustituci6n en orto (en meta, o en para). Observe que un bencenomonosustituidotiene dos posiciones orto y dos meta, pero sólo una posici6n para.

orto

para

meta

. Si en un anillo bencknico hay tres o m h sustituyentes, no se aplica el sistema o-, m- y p-. En este caso, se deben usar números. Al igual que en la numeración de

cualquier compuesto, numeramos el anillo bencénico de tal forma que los prefijos num6ricos sean lo m& bajos posibles, dando preferencia al grupo con prioridad. Si se usa como base un benceno sustituido, tal como la anilina o el tolueno, se sobreentiende que este sustituyente ocupa la posición 1 del anillo.

NOZ 1,2,4-mbromo-benceno

2-cloro-4-nitro-anil~a

2,4,6-mnitro-tolueno

(m

El benceno como sustituyente se llama grupo fenilo. El nombre del tolueno como sustituyente depende del punto de unibn.

bencil

fenil

p-tolil

o-tolil

Propiedades fisicas de los hidrocarburos aromdticos

Seccibn 10.2

461

PROBLEMA MODELO Nombre los siguientes bencenos sustituidos:

Solucibn: (a) 2,6-dimetil-anilina;(b) cloruro de p-bromo-bencilo; (c) m-tolil-ciclohexano (o

m-ciclohexil-tolueno)


Escribalasestructurasde:(a)etilbenceno; fenil-1-etanol y (e) bromuro de bencilo.

(b) 2,4,6-tribromo-anilina;(c) p-etil-fenol; (d) 2-

SECC16N 10.2.

Propiedades fisicas de los hidrocarburos aromiíticos Al igual que los hidrocarburos alifAticos y alicíclicos, el benceno y otros hidrocarburos aromáticos son no polares. Son insolubles en agua, pero son solubles en disolventes orgbicos, talescomoCter dietilico, tetraclorurodecarbono o hexano. .El benceno mismo es un disolvente que se ha usado ampliamente.Tiene laútil propiedad de formar un aze6tropo con el agua. (El aze6tropo, una mezcla que destila con una composici6n constante,se componede 91% debenceno y 9% de H,O y hierve a 69,4"C). Los compuestos disueltos en benceno se secan fácilmente por destilaci6n del aze6tropo. Aunquelospuntosde ebullici6n y lospuntosdefusi6nde los hidrocarburos aromáticos (Tabla 10.2) son tipicos de compuestos orghicos no polares, observe que el p-xileno tiene un punto de fusi6n superior al o- o al m-xileno. Un punto de fusi6n superior es típico de los bencenos p-sustituidos; un idmero p- es m& simCtrico y puede formar en el estado d i d o una red cristalina más ordenada y mAs fuerte que los is6meros o- o m- menos simétricos. Es interesante advertir que muchos de los compuestos que se encuentran en el alquitrb dehulla (y en el alquitrándelos cigarrillos) quecontienencuatro o m& anillos bencCnicos fusionados son carcin6genos (causantes de chcer). El benceno mismo es t6xico y algo carcin6geno; por consiguiente, s6l0 se debe usaren el laboratorio cuando sea necesario. (En muchos casos, se puede emplear el tolueno como sustituto.) Dos hidrocarburos altamente carcin6genos:

benzopireno

benzantraceno

Capitulo 10

462


TABLA 10.2. Puntos de fusi6n y puntos de ebullici6n de algunos hidrocarburos aromdticos. Nombre

Esiructura

benceno

P.f., "C

5.5

P.eb., "C

80

tolueno

o-xileno

m-xileno

SECC16N 10.3.

Espectros de los bencenos sustituidos Tanto el espectro de infrarrojo como el de RMN proporcionan datos que son litiles en la determinación estructural de bencenos sustituidos. El espectro de RMN proporciona la respuesta más clara de la ausencia o presencia de protones aromáticos (y por lo tanto de anillos aromáticos).

A. Espectros de infrarrojo Los picos de absorciónen el infrarrojo de bencenos sustituidos se resumen en la Tabla 10.3. A menudo puede determinarse la presencia de un anillo bencdnico en un compuesto de estructura desconocidainspeccionandodos regiones del espectro de infrarrojo. La absorción aromática para el alargamiento C-H, que generalmente es débil, cae cerca de 3030 cm- 1 (3.3 pm),justamente a la izquierda dela absorción C-H alifática. La absorción para las vibraciones C--C míicas da una serie de cuatro picos, generalmente entre 1450 y 1600 cm- 1 (6 y 7 km); sin embargo, no siempre están presentes los cuatro picos. En el espectro de clorobenceno (Figura 10.1), el primer pico es visible, pero el segundo pico es un reborde apenas visible. En este espectro,

TABLA 10.3. Absorciones infrarrojas características de los compuestos bencenicos Posicidn de absorcidn Tipo de vibracicin

cm-l

C-H arííicos

3000--3300

3.0~ 3.3

C--C arííicos (cuatro picos)

1450 1600

6.25-6.9

-

Pm

Espectros de los bencenos sustituidos

Seccih 10.3.

463

Longitud de onda (&m)

N~ímemdeonda (cm-!) FIGURA 10.1. Espectro de infrarrojo del clorobenceno.

el tercer y cuarto pico son bastante evidentes; sin embargo, en algunos espectros, el cuarto pico a 1450 cm-1 (6.90 km), esta oscurecido por la absorci6n de flexi6n del CH, alifhtico. Las posiciones de sustitución deun anillo bencknicopueden determinarse a veces examinando elespectrode infrarrojo. Anillos bencknicos diferentemente sustituidos por lo regular dan absorciones características a aproximadamente 680-900 cm" (1 115 pm). Los modelos observados se resumen en la Tabla 10.4. La Figura 10.2 (phgina 464) muestra los espectros de infrarrojos de los tres clorotoluenos isomkricos. Comparando estos espectroscon la Tabla10.4, podemos ver como se puede usar la absorcibn en la regi6n dactilosc6pica. Compare tambiCn estos espectros con el del clorobenceno de la Figura 10. l . Desafortunadamente, la absorci6n en esta regi6n no siempre es tan

clara. TABLA 10.4. Absorci6n de flexi6n C-H

de bencenos sustituidos

Posicidn de absorcidn

picos

cm-l

Cun

730-770 690-710

12.9-13.7 14.0-14.5

tres picos

860 YO0 750 x10 680-725

1 1 . I - I 1.6 12.3 13.3 13.7 14.7

un pico

800-800

11.6 12.5

Apariencia

Sustitucidn

monosustituido, dos

m-disustituido,

p-disustituido,

"Generalmente, se observa un pico adicional alrededor de 680 cm-l (14.7 pm)



Espectros de los bencenos sustituidos Seccibn

10.3.

465

B. Espectros de R M N Los espectros de RMN de compuestos aromfticos son distintivos.Los protones de un anillo aromftico absorben a campo bajo, entre6,5 y 8 ppm. Esta absorcidn a campo bajo surge de la comente anular, que provoca un campo magnktico molecular que desprotege los protones unidos al anillo. El desplazamiento químico de los protones del benceno mismo es 6 = 7.27 ppm. Los sustituyentes electronegativos del anillo desplazan la absorcidn de los protones adyacentes haciacampos m4s bajos, mientras que los grupos dadores de electrones desplazan la absorcidn haciacampos mcis altos encomparaci6ncon un bencenonosustituido. A vecesseobservanpatrones de acoplamiento sencillos de los protones mlicos (Figura 10.3); en muchos casos, sin embargo, los patronesde acoplamiento son muy complejos. Los protones bencílicos no se afectan tanto por la comente anular aromdtica como los protones del anillo; su absorci6n se observa a campo mfs alto, en la regidn de 2.3 ppm. (Vtase en la Figura 10.3 el espectro de RMN del tolueno). H

H


La Figura 10.4 muestradosespectrosde RMN (sin indicar las has relativasbajo los picos.) Un espectro es el de lap-cloroanilina, mientras queotro el es el delp-yodoanisol@-IC&I,OCH,).

Bashdose en los desplazamientos químicos (comparados con el desplazamiento quimico de los protones del benceno), asigne las estructuras a los dos espectros.

FIGURA 10.3. Espectro de RMN del tolueno, muestra las absorciones del CW arllico y bencllico.

466

Capftulo 10


y bencenos sustituidos

FIGURA 10.4. Espectros de RMN de la p-cloro-anilina y el p-yodo-anisol para el Problema 10.2.

SECCl6N 10.4.

Estabilidad del anillo benc6nico El calor de hidrogenaci6n del ciclohexeno es 28.6 kcaYmol. Si el benceno contuviese tres sencillos altemados sin ninguna deslocalizaci6n electr6nica pi, esperariamos que su calor de hidrogenaci6n fuese 3 x 28.6 = 85.8 KcaYmol. Sin embargo, el benccno cuando se hidrogena libera s6l0 49.8 kcaYmol.

tres enlaces dobles y

Estabilidad del anillo bencenicoSecci6n

ciclohexano

10.4.

467

ciclohexano Pl 35 a m

clohexano

benceno

O

+ 49.8 kcal/mol

La hidrogenacih del benceno libera 37 kcaVmolmenosque la hidrogenaci6n del hipotktico ciclohexatrieno. Por lotanto el benceno, con electrones pi delocalizados, tiene un contenido en energía de 36 kcaVmol inferior al que tendrfa si los electrones piestuviesenlocalizadosen tres dobles enlaces aislados. Esta diferencia en energía entre el benceno y el imaginario ciclohexatrieno se llama energia de resonancia del benceno. La energía de resonancia es la energía perdida (estabilidad ganada) por la deslocalizaci6n completa de los electrones en el sistema pi. Es una medida de la estabilidad adicional del sistema aromAtico comparada con la del sistema locdizado. En la Figura 10.5, se muestran los diagramas energdticos de las hidrogenaciones. ¿Que significa la energía de resonancia del benceno en t6nninos de reactividad química? Significa que para que tenga lugar una reacci6n la cual en se pierde el car¿cter aromhtico del anillo, se requiere mAs energía. La hidrogenaci6n es un ejemplo de una reacci6n de este tipo. Mientras un alqueno puede hidrogenarse a temperatura ambienta y presi6n elevadas. AdemAs, bajo presi6n atmosfkrica, el benceno requiere temperatura el benceno no experimenta la mayoría de las reacciones tipicas de los alquenos. Por ejemplo, el benceno no sufre adicibnde HX o de X,, ni oxidaci6n con soluci6n de KMnO,. no adici6n reacci6n hay de

,~

no hay reacci6n

t

í -

Progreso de la reacci6n

e

-Progreso

de la reacci6n

FIGURA 10.5. Diagramas energhticos para la hidrogenaci6n del ciclohexatrieno (hiwtetico) Y del benceno.

468

Capitulo 10



SECCldN 10.5.

El enlace en el benceno Aunque el benceno se descubri6 en1825 y su f6rmula (C&J se determin6poco tiempo despuks,pasaron 40 años antesdequeKekulkpropusieraunaestructurahexagonal para este compuesto. Esta primera estructura que se propuso no contenía dobles enlaces (ya que el benceno no experimenta las reacciones características de los alquenos). Para ser congruente conla tetravalencia del carbono, Kekulk propuso1872 en que el benceno contiene tres enlaces sencillos y dobles alternados. Para explicar la existencia de s610 tres (no cinco) bencenos disustituidos is6meros, Kekulk sugir6 queanillo el del benceno esth en equilibrio r6pido con la estructuraen la cual los dobles enlaces esth enlas posiciones alternas. Esta idea sobrevivib durante casi 50 años hasta que se sustituy6 por las teorías de resonancia y orbitales moleculares. H

H

H benceno en 1865

benceno en 1872

benceno en 1940

Las f6rmulasdeKekulkpara el benceno, con tres dobles enlaces en lugar del círculo en el anillo,no explican la estabilidad del anillo bencknico. Sin embargo, estas f6rmulas tienen una ventaja: nos permiten contarel número de electrones pi por simple observaci6n. Estas f6rmulas son sumamente útiles cuando se emplean con la teoría de resonancia;usaremos l a s f6rmulasdeKekul6cuandosediscutanlasreaccionesdel benceno. Examinaremos ahora sus orbitales moleculares IT.El benceno tiene seis carbonos sp2 en un anillo. El anilloesplano y cada6tomodecarbonotiene un orbital p perpendicular a este plano.La Figura 2.23 muestra una representaci6n de los orbitales p del benceno y c6mo se superponen o traslapan en el orbital molecular enlazante de menor energía. La superposici6n de seis orbitales at6micos p conduce a la fomaci6n de seis orbitales moleculares IT.Cuandoobservamos los seis posibles orbitales moleculares K del benceno (Figura 10.6) vemos que nuestra representacih de la nube pi aromática como una “rosquilla doble” representa sol-&enk uno de los seis orbitales moleculares, IT^. En el orbital m,, los seis orbitales p delbencenoestdnenfase y sesuperponen por igual; este orbital es el de menor energía debido a que no tiene nodos entre los núcleos de carbono. Los orbitales IT, y vstienen cada uno un nodo. Estos dos orbitales enlazantes sondegenerados(deigualenergía) y deenergíasuperior al orbital molecular IT,.El benceno, con seis electrones p, tiene cada uno de los orbitales v,, IT^ y IT^ lleno con un par de electrones. Estos son los orbitales de enlace del benceno. n(,*orbitales untienluzantes

El enlaceen el bencenoSecci6n

(3 nodos, l o s seis orbitales Pestanfueradefase)

"6*

"4

"2

469

70.5.

(2 nodos)

(2 nodos)

nodo)

"1

"3 -

(ning6n @O; los seis orbitales p estan en fase).

FIGURA 10.6. Los orbitales n del benceno. Los nodos se representan por llneas de guiones, la "falta de orbitales P" en n, y nr*se debe a la existencia de un nodo en la posici6n qtle OCUpan estos orbitales (Los signos y - son signos matemdticos de fase, no cargas elktricas.)

+

Junto a los tres orbitales deenlace, en el benceno hay tres orbitales de antienlace. Dos deestosorbitalesantienlazantes (T.,*y a5*)tienendosnodoscada uno, y el orbitaldeenergíasuperior (a6*) tiene tres nodos. Recbrdemos que un nodo es una regi6n de densidad electr6nica muy baja. Un orbital molecular con un nodo entre los núcleosesdeenergiasuperiora un orbitalmolecularsinnodosentre los núcleos. Observe que a medida que avanzamos desde a, a P 6 * , el número de nodos aumenta, siendo 6sta la raz6n de que la energía asociada con estos orbitales aumente.

470

Aromaticidad, benceno Y bencenos sustituidos

Capítulo 70

SECCl6N 10.6. ~~

JQUCes un compuesto aromfitico? El benceno es un miembro de una extensa clase de compuestos aromiiticos, que esth estabihzados en gran medida por deslocalizacibn de electrones pi. La energía dr resonancia de un compuesto ammdtico es una medida de su aumento en estabilidad (Las características estructurales que dan lugar a la aromaticidad discutirh se en breve). es 36 kcaVmol m& estable que el imaginario

es

61 kcavmOl m& estable que el imaginario

es 22 kcaVmol m8s estable que el imaginario

El m6todo m h convenienteparadeterminarsi un compuestoesammiiticoes por la posicí6n de absorci6n en el espectro deRMN de los protones unidosa los komos del anillo. Los protones unidosa laparte exterior deun anillo aromiiticoesth altamente desprotegidos y absorben a campos m& bajos que la mayoría de los protones, generalmente miis al151 de 7 ppm.

benceno 6 de CH amdtico, ppm:

73

piridina

naftaleno

7.1 8.5

7.3 7.8

CH,CH=CHCH, 6 de CH S$ aronxitico, no

ppm:

5.3


El espectro de RMN del ciclooctatetraeno muestra solamente un singulete a 5.7 ppm. Bashdose en este dato de desplazamitnto quhico, idiría que el ciclooctatetraeno es amm&ico 0 no?

ciclooctatetraeno

SECClbN 10.7.

Requisitos para la aromaticidad ~Qukcaracterísticas estructurales son necesarias para que una molkcula sea ammhtica? Los dosprimeroscriteriossonque la molkculasea ciclica y plana. Tercero, cada &om0 del anillo o anillos debe tener un orbital p perpendicular al plano del anillo.

Seccir5n 10.7.

Requisitos aromaticidad la para

471

Si un sistema no se ajusta a estos criterios, no puede haber delocalizaci6n completa de los electrofies pi. A menudo puede deducirse si estos tres criterios se cumplen o no, inspeccionando la f6nnula de un compuesto orghico. Generalmente la f6rmula de enlaces de Valencia de un compuesto aromAticomuestra un anillo con enlaces simples y dobles alternados.Hay casos, sin embargo, de compuestosorghicos cfclicos con enlaces simples y dobles alternados que rw son aromAticos. El ciclooctatetraeno es uno de estos compuestos. El ciclooctatetraeno experimenta reacciones de adici6n con los halogenuros de hidr6geno y con los hal6genos. Estas reacciones son tipicas de los alquenos, pero no del benceno y otros compuestos arodticos. El ciclooctatetraeno no es plano, sino que tiene forma de tina. H

H

ciclooctatetrseno un tetraem clclico: M aromítico

¿Por qud el ciclooctatetraeno no es arodtico? Para responder a esta pregunta un cuarto criterio para la aromaticidad, un criterio conocido debemos pasar a considerar generalmente con el nombre deregla de Hüdcel.

A. La regla de Hiickel En 1931, el químicoalemh Erich Hückel propuso que ser para m d t i c o , un compuesto 4n 2 electronespi, donde n es un número monocíclico (un anillo), plano debe tener entero. Según la regla de Hückel,un anillo con 2, 6, 10 6 14 electrones pi puedeser arodtico, pero un anillo con8 6 12 electrones pino puede serlo. El ciclooctatetraeno (con 8 electrones pi) no se ajusta a la regla de Hückelde aromaticidad.

+

seis m e-

(4n

+ 2)

n =

I

arodtico arodtico

diez m e-

(4n

ocho m e-

+ 2)

n = 2

411 tI

=2

m ar&co

¿Por qu6 un compuesto monocíclico con seis o diez electrones pi puede ser aromgtico, y sin embargo un compuesto con ocho electrones pi no puede serlo? La respuesta se encuentra en el número de electrones pi en funci6n del número de orbitales pi disponibles. Para ser m d t i c a , una mol6cula debe tener todos sus electrones pi apuredos. Estesistemaproporcionala mhima y completasuperposici6nque se requiere para la estabilizaci6n aromdtica. Si algún orbital pi no esta completo (es decir, hay electrones pidesapmados), la superposici6nno es mhima y el compuesto noes arodtico. El benceno tiene seis electrones pi y tres orbitales pi de enlace. Los tres orbitales pi de enlace e s t h completos, permitiendo que los seis electrones pi esen apareados, y consecuentemente el benceno esaromAtico.

472

Capítulo 10

Aromaticidad,benceno y bencenossustiruidos

Fijbmonos en los orbitales moleculares IT del ciclooctatetraeno. Este compuesto tiene ocho orbitales p sobre el anillo. La superposici6n de ocho orbitalesp dada ocho orbitales moleculares IT.

antienlazantes

-n,*

E

714-

1

A n 5

} no enlazames (nocompletos)

Si el ciclooctatetraeno fuese planoy tuviera un sistema pi similar al del benceno, losorbitales n,, IT^ y IT^ estariancompletosconseisde los electrones pi. Los dos electronesrestantes se encontrdan, unoencadaorbitaldegenerado IT^ y IT^. Los electrones pi del ciclooctatetraeno noestm'anapareados y la superposici6n no seria miixima. Por lo tanto, el ciclooctatetraeno no puede ser aromiitico.

B. Los ionesdelciclopentadieno El ciclopentadieno es un dieno conjugado y no es aromiitico. La raz6n principal de que el ciclopentadieno no sea aromhtico es queuno de los fitornos de carbono es sp3, no sp2. Estecarbono sp3 notiene un orbital p disponiblepara formar enlace, sin embargo la eliminaci6n deun ion hidr6geno del ciclopentadieno cambiala hibridacin de este carbono a sp', el cual tiene un orbital p con un par de electrones.

ani6n ciclopentadienilo

ciclopentadieno

El cati6nciclopentadienilotambibntiene todos sus iitomosdecarbonoen estado sp'. La descripcih de los orbitales de los iones del ciclopentadieno se indica en la Figura 10.7 10.7. H \p2

'&

H

H

el

--H

___f

H cati6n ciclopentadienilo

¿Seríanarom6ticosalgunosdeestosiones?Cadaiontendría cincoorbitales moleculares IT (a partir de los cinco orbitalesp, uno por iitomo de carbono). El ani6n ciclopentadienilo, con seis electrones pi (4 n + 2), tiene tres orbitalespicompletos y todos los electrones pi esth apareados. El unión es aromcitico. El catidn, sin embargo,

Sustituci6n electrofflica aromdtica

Secci6n 10.8.

473

ningún e-

dos e-

V

V

ani6n

cati6a

FIGURA 10.7. Descripci6n de los orbitales del anidn y del catidn del ciclopentadieno (cada carbono tiene hibridacidn sp' y est6 unido a un H).

tendría solamente cuatro electronesp (4n)en los tres orbitales. Todos los electrones pi IZO estarian apareadosy no habríamhima superposici6n.El catidn no es arodtico.

0

0

es aromatic0

no es aromfico

t

El ciclopentadieno es un kid0 dCbil debido a que su anidn es arom6tico y por lo tanto esd estabilizado por resonancia. A pesar de que el ciclopentadieno no es un kido tan fuerte como un hido carboxílico, es un donador de protones en presencia de una base fuerte. (El pK, del ciclopentadieno es 16, similar al de un alcohol. En contraste, el pK, del ciclopentano es aproximadamente50.)

estabilizadopor resonancia


LCdes de los siguientes compuestos o iones podrían ser arom&icos?

SECC16N 10.8.

Sustitucihn electroMica aromhtica La aromaticidad del benceno da una estabilidad muy particular al sistema pi, y el benceno no sufre la mayoría de las reacciones típicas de los alquenos. Sin embargo, elbencenodistadeserinerte. En condicionesadecuadas,experimentafhcilmente

474

Capítulo 10

Aromaticidad, benceno y bencenossustituidos

reacciones de sustitucibn electrofilica arom8tica; reacciones en las cuales un electr6filo sustituye a uno de Atomos los de hidr6geno del anillo aromAtico. A continuaci6n tipo de reacciones de sustituci6n. N6tese que se se muestran dos ejemplos de este conserva la aromaticidad del anillo en cada producto. Halogenacibn:

H

H

H

se pierde H

H

H

H

clombenceno

90% Nitraci6n:

(o> *

HN03

50 H2So'

O

benceno

N

O

.

+H20

nitrobeneeno 85%

L o s ejemplos anteriores muestran una monosustitucih del anillo bendnico. Es posible una sustituci6n posterior.

o-cloro-nitrobenceno clombenceno

p-cloro-nitrobenceno

Br

anilina

Br 2,4,6-tribmmo-anilina

Consideraremos primero el mecanismo de la monosustituci6n la (esprimera decir, sustituci6n),y despuks el mecanismode la sustituci6n posterior, que conduce a bencenos disustituidos.

SECCI6N 10.9.

La primera sustitucibn En cada una de las reacciones de monosustituci6n indicadas se usa un Acido de Lewis como catalizador. El Acid0 de Lewis reacciona con el reactivo(tal como X, o HNO,) para generar un electr6fil0, el cual es el reactivo real de la sustituci6n. Por ejemplo, el H2S04(un Bcido muy fuerte) puede eliminar un grupo oxhidrilo del Acido nítrico para producir el ion nitronio, 'NO,.

La primera sustituci6n

Sección 10.9.

475

Formacidn de un electr6filo mediante un dcido de Lewis:

HO-NO,

-

- HSO; L H ~ O ~ NO ~

+ H,SO,

H,O: +

+NO* un electr6jilo

Un electr6filo puede atacar los electrones pi de un anillo benctnico para dar un tipo de carbocati6n estabilizado por resonancia llamado ion bencenonio. Al igual que otros carbocationes, un ionbencenonio reaccionaposteriormente.Enestecasose elimina un ionhidr6genodelintermediario (con HS0,-,por ejemplo), dando el producto de sustituci6n. Para mostrarestas estructuras usaremos las f6rmulas Kekult, de lascualesnospermitenseguir el cursodelnúmerodeelectrones.En la siguiente ecuaci6n tambitn se muestran los htomos de hidr6geno unidosal anillo conel prop6sito que se pueda ver c6mo se afectan (o no) en la reacci6n. H

-

HW H

H

H

F

H

lenta

'

___t

[

H

H

H B-H ]

*+ dpida

H

D

E

H

bencenobencenonio

i6n intermediario

producto

A medida que expliquemos los diferentes tipos de sustituci6n electrofílica aromhtica, se ved quetodoslosmecanismossonsimplesvariacionesdelmecanismogeneral anterior.

A. Halogenacih Un ejemplo tipico de.halogenaci6n aromhtica es la bromacibn del benceno. El catalizador en la bromaci6n aromhtica es FeBr, (a menudo generado in situ a partir de Fe y Br2). La funci6n del catalizador es generar el electr6filoBr+. Esto puede ocurrir por reacci6n directa y rupturadel enclace Br-Br. M h probablemente, la molkula del Br, no se rompe completamente por la reacci6n con el catalizador, sino que se polariza. (Por razones de simplicidad, indicaremos el electr6filo como Br+). ~

.. ..

:B;-B;:

+ FeBr,

electrofílico

a. 1 + :Br--B I .r:- - - FeBr,

roto

1 .. +

;"--f

:B;+

FeBr,

polarizado

Cuando un electr6filotalcomo Br+ chocaconloselectronesde la nubepi aromhtica, un par de electrones pi forma un enlace sigma con el electr6filo. Esta etapa es la etapa lenta, y por lo tanto la etapa determinante de la velocidad de la reacci6n. Etapa I (lenta): H

H

r

e

H

H

H

L

H

H

476

Capitulo 10


El ion bencenonio pierde un prot6n por la accidn de una base de la mezcla de reacci6n. El producto es bromo-benceno, un producto en el cual se ha recuperado el carácter aromático del anillo. Etapa 2 (rdpida):

H

+

8

Br

H

+ H+

H

bromobenceno

La tercera etapa del mecanismo de la reaccidnocurre (que a lavez que la p6rdida del H+) es la regeneración del ácid0de Lewis empleado como catalizador.El protbn cedido en la etapa 2 reacciona con el ion FeBr,- para producir HBr y FeBr,. Etapa 3 (rdpida):

H+

+ FeSr,- e FeBr, + HBr

Sin tener en cuenta la funci6n del catalizador, podemos escribir una ecuaci6n para la reacci6n global de la bromaci6n aromhtica del benceno.

ion bemenonio

benceno

bromobenceno

intermediario

PROBLEMA MODELO Escriba las estructuras en resonancia del ion bencenonio intermediario de la reacci6n de bromaci6n aromktica del benceno.

a menudoelintermediario se representa como

0;] ._.,

Observe la similitud entre una sustituci6n electrofílica y una reaccidn El. En un prot6n para formar una reaccidnE l , un carbocatidn alquílico intermediario elimina un alqceno.

[

-c-c+

I

q

1

El

,c=c, /

\

La primera sustituci6n

Secci6n 10.9.

477

Un carbocati6n alquílico tambitn puede reaccionar con un nucle6filo en una reaccidn S,1. Sinembargo, el ionbencenoniointermediario no experimentaesta reacci6n con un nucle6filo. La adici6n del nucledfilo destruiría la estabilizaci6n aromAtica del anillo benctnico.

Br

\ I

B. Efectoisot6pico Recordemos de la Secci6n 5.9A que un enlace CD es m8s fuerte que un enlace CH. Si la ruptura del enlace CH forma parte de la etapa determinante de la velocidad de una reaccih, la velocidad de reacci6n para un compuesto con un enlace CD es m8s lenta que la velocidad de reacci6n para el correspondiente compuesto con un enlace CH. Si, como hemos dicho, la etapa determinante de la velocidad de la sustituci6n electrofílica aromhtica es la formaci6n del ion bencenonio, entonces la reacci6n del benceno deuterado procedería amisma la velocidad que la reacci6n de benceno normal. y el bistintos experimentos realizados han demostrado que esto es cierto; el benceno perdeutero-benceno experimentan la bromaci6n electrofílica a la misma velocidad,y no se observa efecto isot6picocinttico. H

H

igual

velocidad

La etapa 2 del mecanismo dereaccih, pkrdida deH o D , involucra la ruptura del enlaceCH o CD. Indudablemente, la velocidad de eliminaci6n de D+es mhs lenta que la de H+,pero en ambos casos la segunda etapa es tan rApida comparada con la etapa 1 que no se observa ningún cambio en la velocidad global de reacci6n. Este hecho se puede ilustrar conun diagrama energttico (vtase la Figura 10.8). +

+

C. Nitracih El benceno experimenta nitraci6n cuando se trata con HNO, concentrado. El hcido de Lewis catalizador en esta reacci6n es el H,SO, concentrado. Al igual que la halogenaci6n, la nitraci6n aromAtica se realiza en dos etapas. La primera etapa (lenta) es el

478

Capítulo 10


estado de transici6n 1

1'

í

-Progreso de la reacci6n -+ FIGURA 10.8. Diagrama energetic0 de la bromaci6n del benceno y del perdeutero-benceno.

ataque electrofílico del +NOz, cuya ecuaci6n de formaci6n se muestra en la pfigina 475. El resultado de este ataque es un ion bencenonio, el cual pierde un ion hidr6geno en la segunda etapa. Este H ' se combina con HS0,- para regenerar el catalizador

HzSO,.

benceno

nitrobenceno

bencenonio un ion

D. Alquilacihn La alquilacidn del benceno es la sustituci6n de un hidr6geno del anillo por un grupo alquilo. La alquilación con un halogenuro de alquilo y una traza de AICI, se llama a menudo alquilaci6n de Friedel-Crafts,en honor de Charles Friedel, químico franc&, y James Crafts, químico norteamericano, quienes desarrollaron esta reacci6n en 1877. La reacción del 2-cloro-propano con benceno en presencia de AlC1, es una típica reaccidn de alquilación de Friedel-Crafts.

isopropil-benceno2-cloro-propano (cumeno) isopropilo) de (cloruro

La primera etapa en la alquilaci6n es laformaci6n del electr6filo: uncarkatibn. ReCl:TAlC13

+GI==!

R + + AICI,

La segunda etapa es el ataque electrofílicoal benceno, y la tercera etapa es laeliminaci6n del ion hidr6geno. El producto es un alquil benceno.

-

un alquil-benceno

l a primera sustituci6n

Secci6n 10.9.

479

Un problema de las alquilaciones de Friedel-Crafts es que al introducir un grupo alquilo enel anillo benctnico, 6ste se activa detal forma que puedeocurrir una segunda sustituci6n. (Explicaremos la activaci6n del anillo y lassegundassustituciones posteriormente en este mismo capítulo.) Para suprimir esta segunda reacci6n, generalmente se emplea un exceso del compuesto aromhtico.

exceso

Otro problema de las alquilaciones de Friedel-Crafts es que el electr6filo atacante puede sufrir trasposiciones mediante deplazamiento 1,2 de H o R.

t-butil-benceno 100%

l-cloro-2-metil-propano ( c l m de ikbutilo)

isobutil-benceno

Las trasposiciones indicadas son de halogenuros de alquilo primarios, los cuales no forman carbocationes fhcilmente. En estos casos, la reacci6n transcurre probablemente a traves de un complejo RX-AlCl,. CH,CH2CHL"CI

+ AICI,

,)A

n-

CH,CH2CH2"CI---AICI, complejo

Este complejo puede (1) reaccionar con el benceno para producir un producto no traspuesto, o (2) trasponerse a un carbocati6n secundarioo terciario, el cual conduce al producto traspuesto. No hay trasposici6n:

n-propil-benceno Hay trasposici6n:

H

1-

n - -AIC13

CH,CHCH,-CI-

4 -AICI [CH,eHCH,] carbocati6n 2&

isopropil-benceno

480

Capitulo 10


L a s alquilaciones también se pueden llevar a cabo con alquenos en presencia de HC1 y AlC1,. El mecanismo es similar al de alquilaci6n con un halogenuro de alquilo y transcurre a trav6s del carbocatión mhs éstable. CH,CH=CH,

+ HCI + AICI,

-

[CH,?HCH,]

+ AICl4

carbocati6n 2MaS estable

PROBLEMA DE ESTUDIO '0.5.

Pronostique el producto orghico principal de la reacci6n del benceno en presencia de AlC1, (y HClen elcaso de un alqueno)con:(a)1-clorobutano; (b) metil-propeno; (c) clorurode neopentilo (1 -cloro-2,2-dimetil-propano); (d) dicloro metano (empleando exceso de benceno).

E. Acilaci6n O

O

II

II

El grupo RC- o el grupo Arc- se llama. g r u p o : acilo. A la sustituci6n que hace un grupo acilo en un anillo aromhtico por reacción de 6ste con un halogenuro de hcido se le llama reacci6n de acilacih aromatiea o acilaci6n de Friedel-Crafts. O

O

cloruro de acetofenona acetilo &ido

un halogenuro de

97%

A menudo, esta reacci6n es el método elegido para preparar una arilcetona. El ..

grupo carbonilo de la acetona puede reducirse a CH, (Sección 1l . 14C). Combinando

una acilaci6n de Friedel-Crafts y una reducción, se puede preparar un alquil-benceno sin trasposición del grupo alquilo.

o

o

polarizado

estructuras en resonancia para un ion acilio

La primera sustitucidn Seccicjn

10.9.

481


Escriba los mecanismos de las reacciones de un ion acilio y benceno para producir cetonas.

10.7.

Prediga los productos orgzínicos principales (estructuras y nombres) de la reacci6n del benceno con los siguientes compuestos y AICI, como catalizador: CH, O

CH,

I

(a) CH,CH2CHCH,CI

II

I

(b) CH,CH,CH-CCI,

seguido de

Zn/Hg, HCI

F. Sulfonaci6n La sulfonacióndel benceno con ácido sulfúrico fumante (H,SO, bencenosulfónico

+ SO,) produce ácido

Lido bencensulf6nico 50%

A diferencia de las otras reacciones de sustitución electrofílica del benceno, la sulfonación es unareacción fácilmente reversible, y presenta un moderado efecto isotópico cinético. El perdeuterobenceno experimenta la sulfonación a una velocidad aproximadamente la mitad que el benceno ordinario. A partir de estos datos, concluimos que el ion bencenonio intermediario en la sulfonación puede revertir al benceno o continuar hacia el ácido bencensulfónico casi con igualfacilidad (o la reacción nosería fácilmente reversible). Ademis, las velocidades de reacción de la etapa 1 y de la etapa 2 deben ser más aproximadamente iguales que en las otras reacciones de sustitución aromática electrofílica (o de lo contrario la reacción no mostrm’a efecto isot6pico cinético). La Figura 10.9 muestra undiagrama energéticode la sulfonaciijn del benceno. Obstrvese que las energías de los estados de transición de las etapas 1 y 2 son aproximadamente las mismas. El grupo del Bcido sulfónico es fácilmente desplazado por diversos grupos; por lo tanto, los ácidos arilosulfónicos son intermediarios sintéticos útiles. Presentaremos algunas de estas reacciones de los ácidos arilosulfónicos en la Sección 10.16. esrados de transicidn I y 2 de energía casi igual

I

A

reactivo el ,cuando

f-

Progreso delareacci6n

-j

FIGURA 10.11. Diagrama energetic0 de la sulfonaci6n del benceno.

es el

Capitulo 1O

482


SECCI~N 10.10.

La segunda sustitución Un benceno sustituido puede experimentar sustitucibn de un segundo grupo. Algunos bencenos sustituidos reaccionan m i s f&cilmenfeque el benceno mismo, mientras que otros bencenos sustituidos reaccionan con menos facilidad. Por ejemplo, la anilina experimenta sustitución electrofílica un millón de veces más rápidamente que el benceno. El nitrobenceno, por otra parte, reacciona a una velocidadaproximadamente un mill6n de veces inferior al benceno. (Para un compuesto poco reactivo un químico, antes que dejar que una reacción transcurra durante un período de tiempo demasiado largo, emplea reactivos más fuertes y temperaturas superiores). Br NH,

+ 3Br,

HLo

+ 3HBr

Br-(@-iVH, \

anilina

Br

\

2,4,6-tribromo-anilina 100%

a diferencia del benceno necesita catalizador

no

NO, \

nitrobenceno

m-dinitro-benceno 93%

requiere &cid0 nitric0 fumante, temperatura superior y mayor tiempo que el benceno

En estos ejemplos, diríamos que el "NH, es un grupo activante*: su presencia hace que el anillo sea mds susceptible a una sustitución posterior. Por otra parte, el grupo " N O , es un grupo desactivante*: su presencia hace que el anillo sea menos susceptible que el benceno a la sustitución. Además de las diferencias en las velocidades de reacción de los bencenos sustituidos, varia la posicibn del segundo ataque.

orto 30

clorobenceno

(I,,

paru 70",,

NO, \

~

*Tambi& se l e s conoce como grupo actiwdor y desactivador, respectivamente

l a segunda sustituci6n

Seccidn 10.10.

483

PROBLEMA DE ESTUDIO 10.8. Siel clorobenceno se nitraseaigual velocidad en cada unade sustitucicjn, ¿cuál sena la relacidn de productos o-, m- y p-?

las posibles posiciones de

El clorobenceno se nitra en las posiciones orto y para, pero no en la posición meta. Sin embargo, el nitrobenceno experimenta una segunda nitración en la posición meta; en las posiciones orto y para tiene lugar muy poca sustitucih. Estos ejemplos muestran que la naturaleza del grupo entrante no afecta a su posición de entrada en el anillo. L a posición de la segunda sustitución está determinada por el grupo que ya está unido al anillo. Para diferenciar entre estos dos tipos de sustituyentes, el C1 se llama un grupo otco, pura-director,mientras que el NO, se llama un grupo meta-director.Cualquier sustituyente en un anillo bencénico es, hasta cierto punto, un orto, para-director, o un meta-director (Tabla 10.5):

TABLA 10.5. Orientaci6n del grupo nitro en la nitracibn arombtica.

Porcentajes aproximados de productos Reactivo

O

P

m

La Tabla 10.6 contiene un resumen delos sustituyentesde bencenom8s comunes, clasificados como activantes o desactivantes y como orto, para o meta-directores. Obsérvese que todos los grupos orto, para-directores excepto los halógenos son también grupos activantes. Todos los grupos meta-directoresson desactivantes. Obsérvese también que todos los grupos orto, para-directores excepto los grupos aril0 y alquilo tienen un par de electrones no compartido sobre el átomo unido al anillo. Ninguno de los grupos metu-directores tiene un par de electrones no compartido sobre el átomo unido a l anillo.

orto, para-director activante

meta-director desactivante

Capitulo 10

484


TABLA 10.6. Efecto del primer sustituyente sobre la segunda sustituci6n. mera-drreclores orto, para-directores

t

(todos desactivantes)

O - N H ~ ,-NHR,

-NR~

II

-CR


¿Cuales serían los productos orghicos principales de la segunda sustitución en cada una de las siguientes reacciones? (a)

C,H5CI

H N O , . HLSO,

-+

(h) C,HsNO,

HrL. FcBr, ____ "t

A. Mecanismo de la segunda sustitución con un

orto, para-director

¿Por qué la mayoría de los grupos orto, para-directores son activantes? ¿Por qué dirigen a los grupos entrantes a las posiciones orto y para? Para responder a estas preguntas, consideremos la anilina, un compuesto con un grupo NH, unido al anillo, que dirige a orto y para. Las estructuras de resonancia para la anilina muestran que el grupo NH, es donador de electrones por resonancia aun a pesar de que el N es un Atorno electronegativo. este par de e- no compartido J se cede al anillo

~

/ \

GH2

r\ +-A

t+

-

- e k H 2 LU

El resultado de la estabilización por resonancia de la anilina es que el anillo tiene cierta carga parcial negativa y atrae fuertemente al electrófiloentrante. Todas las posiciones del anillo de la anilina (orto, meta ypara) están activadas parala sustitución electrofílica; sin embargo, las posiciones orto y para están más activadas que las posiciones meta. Las estructuras en resonancia anteriores muestran que las posiciones orto y para llevan carga negativa parcial, mientras que la posición meta no.

La segunda sustituci6n

Seccibn 1 O. 1 O.

485

El grupo amino en la anilina activa el anillo benctnico para la sustitución en tal grado que (1) no se necesita un dcido de Lewis como catalizador, y (2) es muy difícil obtener una monobromo-anilina. La anilina reacciona rápidamente para formar la 2,4,6tribromo-anilina (se broman tanto las posiciones orto como la para). Elmecanismode la bromación de la anilina es similar al mecanismo de la bromación del benceno.

anilina bencenonio

p-bromo-anilina

ion

La diferencia entre la bromacióndelaanilinay la del benceno está enla estabilización del ionbencenonio intermediario. Un ionbencenonio sustituido está estabilizado por resonancia de igual forma que el ion bencenonio no sustituido, pero en el caso de la anilina, el grupo amino puede incrementar la estabilización. Una estabilizaciónmayor del intermediariosignifica un estado de transici6nde menor energía en la etapa 1 (vtase la Figura 10.10) y por lo tanto una velocidad de reacción mayor. Estructuras de resonancia del intermediario para:

;@HI

\

Bra

NH,

H estabilizaci6n adicional'

En el intermediario resultante de la sustitución en meta, el nitrógeno del grupo amino no puede ayudar acompartir la carga positiva. (Dibuje las estructuras de Kekult del intermediario sustituido en meta y compruebe usted mismo esta afirmaci6n.) Por lo tanto, el intermediario resultante de la sustitución en mera es de energía superior que los intermediariosque conducen alos productos sustituidos en orto o para. Debido a que este intermediario es de energía superior, su estado de transici6n tambitn tiene una energía superior, y la velocidad de reacción en la posici6n meta es más baja.

para el benceno

para la anilina: un estado

de transicidn estabilizado significa una E menor y una velocidad mayor. Ef

1 "3 F'rogreso de la reacci6n

FIGURA. 10.10. Diagramas energeticos d e la bromacibn d e la anilina y del benceno.

Capitulo 10

486

Arornaticidad, benceno y bencenos sustituidos

El grupo amino, junto con los grupos “ O H , “OR, “NHCOR y fenilo, activa el anillo bencénico para la sustitución electrofílicapor donación de un par de electrones al anillo por resonancia. La sustitución tiene lugaren las posiciones orto y para debido a que estos grupos ayudan a compartir la carga positiva en estos intermediarios. Aunque el grupo amino es un opdirector y un activador del anillo, su caracter

cambiaenunamezcladereacci6nquecontengaun~cidodeLewistalcomoelH,SO,, HNO,, 6 AlC1,. Esto se debe a que el grupo amino reacciona con un ácido de Lewis para dar un grupo ion amonio desactivante y meta- director. o,p-director,

m-director.

,/ activanre

,/ desactivante

-~

PROBLEMAS D E ESTUDIO 10.10. Dé lasestructuras de resonancia para el intermediario de la nitraci6ndel fenol paradar onitrofenol. 10.1l. El anillo bencénico de l a acetanilida(Tabla 10.1) es menos reactivo frenteala sustitución electrofílica que el anillo de la anilina. Sugiera una explicacih para esta menor activación del grupo “ N H C C H , .

II

O

Los halógenos son diferentes de los otros orto, para-directores. Dirigen a un grupo entrante a orto o para, pero desactivan el anillo en la sustitución electrofílica. Un halbgeno unido al anillo bencénico dirige un grupo entrante a las posiciones orto o para por la misma razón que el grupo amino y oxhidrilo. El halógeno puede ceder electrones y ayudar a compartir la carga positiva en el intermediario. NO?

@x: \ /

ox: NO,

,

~

r/

,

,

*x: &..

x:

t”-----)

“tj

-

Pero ¿por qué un halógeno desactiva el anillo? Un htomo de halbgeno, oxígeno nitrógeno retira carga electrónica del anillo por efecto inductive. Esperm’amos que cualquier grupo electronegativodisminuyese la densidad electrónica del anillo e hiciera el anillo menos atractivo para un electrófilo. O

8-/.1“

la sustraccicin de e - desactivaría

el anillo ( y así sucede cuando X es C1, Br, I)

En el fenol o en la anilina, el efecto de desactivación del anillo por sustracción electr6nica es compensado por la donacibn de electronespor resonancia. ¿Por quC no se observa este mismo efecto en los halobencenos? En el fenol o en la anilina, las estructuras en resonancia delintermediarioque confieren la estabilidad adicional surgen de la superposición de los orbitales 2p del carbon y los orbitales 2p del N u O. Estos orbitales 2p son aproximadamente del mismo tamaño y la superposición es máxima.

La segunda sustituci6n

Secci6n 10.10.

487

En el clorobenceno, bromobenceno o yodobenceno, la superposici6n en el intermediario es 2p-3p, 2p-4p 6 2p-5p, respectivamente,Lasuperposici6nesentre orbitales de tamaño diferente y noes tan efectiva. El intermediario est4 menos estabilizado, la energía del esLado de transición es superior, y la velocidad de reacci6n es menor. (El fiurobenceno con una superposición 2p-2p en elintermediario,esm4s reactivo que los otros halobencenos frente a la sustituci6n electrofílica.) En resumen, los grupos OH,NH,, o hal6geno determinan la orientaci6n de un grupo entrante pordonacidn de electrones por resonancia y por estabilizaci6n adicional porresonanciaen losintermediarios orto y para. Para los grupos OH y NH,, la donaci6n de electrones por resonancia activa al anillo a la sustituci6n electrofílica. La donaci6n de electrones por resonancia es menos efectiva con Cl, Br, o I que con OH 6 hH,.Los anillos del clorobenceno, bromobencenoo yodobenceno estan desactivados debido a que la sustracci6n de electrones por estos sustituyentes es relativamente m& efectiva. Un grupo alquilo no tiene electrones no compartidos para ceder por resonancia. Sin embargo, un grupo alquilo es donador de electrones por efecto inductivo, tema que discutimos en la Secci6n 5.6F. Debido a que el grupo alquilo cede electrones al anillo bencénico, el anillo gana densiaad electr6nica y atrae m& fuertemente al electr6filo entrante. CH(CH3)2

Los grupos R activan debido a que son donaabres de electrones

Paraverporqu6los grupos alquilodirigen alos electr6filos entrantesalas posiciones orto y para, debemos fijamos de nuevo en las estructuras de resonancia de los intermediarios.

orto

para:

meta:

Los intermediariosresultantesde la sustituci6n orto o para tienen ambos estructuras de resonancia en las cuales la carga positiva es adyacente al grupo R. Estas estructurassoncontribuyentesespecialmenteimportantespara la estabilizaci6n por resonancia debido a que el grupo R puede ayudar a delocalizar la carga positiva por donación de electrones y disminuir la energía del estado de transici6n que conduce a estos intermediarios. La situaci6n est4 directamente relacionada con la estabilizxi6n de un carbocatih por un grupo R. Las estructuras en resonancia para el intermediario

488

Capitulo 10


resultante de la sustitución meta no tienen tal contribuyente. El intermediario meta es deenergía más alta. El ataque a un alquilbenceno tiene lugar en orto y para, a una velocidad que es mucho mayor que la del ataque en la posición meta.

PROBLEMA MODELO iQuC compuesto esperan’a que experimentase nitraci6n aromática más fhcilmente, C,H,CH, Cd-r,CCI,?

Solucibn: Mientras el grupo CH, es donador de electrones y activa el anillo, el grupo CCl, es fuertemente sustractor de electrones debido a la influencia de los átomos de cloro electronegativos. CA,CH, tiene un anillo activado; CJ-IH,CCI,tiene un anillo desactivado y experimenta sustituci6nmás lentamente.

PROBLEMA DE ESTUDIO 10.12. D6 los productos orgánicos principales de la reacci6n de cada uno de los siguientes compuestos con 2-cloro-propano y AlCl,. Indique el orden relativo de las velocidades de reacci6n.

(a)bromobenceno

(b) fenol, (c)tolueno,

(d) benceno

B. Mecanismo de la segunda sustitución con un meta-director En un bencenosustituidocon un mera-director(talcomo NO,, o C0,H) el átomo unido al anillo benctnico notieneparesde electrones sincompartir y soportauna cargapositiva o una cargaparcialpositiva. Es fácil verpor qut los grupos metadirectores son desactivantes. Son sustractores de electrones y nopueden ceder electrones por resonancia. Disminuyen la densidad electrónica del anillo y hacenque el anillo atraiga menos al electrbfiloentrante. La energía del estado de transicibn de la etapa 1, es m8s alta que la del estado de transición para un benceno no sustituido. Un mera-director no activa la posiciónmetaen la sustitución electrofílica. Un meta-director desactiva todas las posiciones delanillo, pero desactiva la posición meta menosquelasotras posiciones. Las estructurasenresonanciade losintermediarios resultantes del ataque a las distintas posiciones muestran que los intermediarios orto yparu están desestabilizados por la proximidad de dos cargas positivas. El intermediario meranotiene tal estructuraderesonanciadesestabilizante.Para la bromacióndel nitrobenceno se tienen las siguientes estructuras en resonancia: Br orto:

A

‘ O N O ,

para:

H +

meta:

(cargas

H&o>

-

favorecida: no tiene cargas -k adyacentes

+ adyacentes)

Secci6n 10.1 1

La tercerasustituci6n

489

C. Resumendelefectodelossustituyentes 1.

Un sustituyente que es donador de electrones activa un anillo bencénico y es un orto, para-director .

2.

Un halógeno es un orto, para-director, debido a que cede electrones por resonancia, pero desactiva el anillo por su efecto inductivo sustractor de electrones

3.

Un meta-director desactiva todas las posicionesdel anillo porsustracciónde electrones y desactiva especialmente las posiciones orto y para por desestabilización por resonancia. NO,

D

N

O

,

SECCION 10.1l.

La tercera sustitución ¿QuC sucede si un anillo bencénico ya tiene dos sustituyentes? ¿Dónde entra un tercer

sustituyente? Unas reglas generales cubrirhn la mayoría de los casos. 1.

Sidos sustituyentes dirigen al grupo entrante a la misma posición, esa ser6 la posición principal del tercer sustituyente.

orto a CH,y meta a NO, " .

ft

X

&H3

HNO, 3

NO,

para a CH3y meta a NO, 2,4-dinitro-tolueno 2,6-dinitro-tolueno o-nitro-tolueno

2.

Si los dos grupos se oponen en su influencia directiva, en este caso, predomina el efecto director del grupo activante más potente (Tabla 10.6). orto, para-director

msS potente \

p-metil-jenol (p-cresol)

3.

4-metil-2-nitro-fenol

Si en el anillo hay dos grupos desactivantes, independientementede su posición, puede ser difícil efectuar una tercera sustitución.

Capitulo I O

490

4.


Si dos grupos de un anillo son mera entre sí, el anillo no sufre generalmente sustitución en la posición entre ellos, incluso si el anillo es activado. La falta de reactividad en esta posición se debe probablemente al impedimento estérico.

m-hidroxi-benzaldehído

\I

Rr 6-bromo-3-hidroxi-benzaldehído

PROBLEMADEESTUDIO 10.1 3. Prediga los productos de la siguiente sustitucibn:

Alquil-bencenos El anillo bencénico generalmente tiene un gran efecto sobre las propiedades químicas de sus sustituyentes. Por ejemplo, los grupos alquilo unidos a un anillo bencénico no son diferentes de otros grupos alquilo, con una excepción importante: el carbono adyacente al anillo de benceno es un carbono bencílico. Carbonos bencilicos:

Fenoles

Seccidn 10.13.

491

A pesar de que un alqueno se oxida fácilmente con reactivos tales como una solución caliente de KMnO,, un anillo bencénico no se oxida bajo estas condiciones de laboratorio. Sin embargo, el grupo alquilo de un alquilbenceno se puede oxidar. Debido a la reactividad de la posición bencílica, todos los alquilbenc-nos dan el mismo producto, ácido benzoico, al ser oxidados.

etil-benceno

/

benzoico dcido

isopropil-benceno

PROBLEMA DE ESTUDIO 10.1 5. ¿Cual sería el producto de oxidaci6n de la tetralina con una soluci6n caliente

de KMnO,?

tetralina La halogenación por radicales libres es otra reacción que tiene lugar preferentemente enla posici6n bencilica (Secci6n 6.5B). (Observe que las condiciones dela halogenación por radicales libres son distintas de las de la halogenación electrofílica aromática, la cual es una reacción iónica, no una reacción por radicales libres.), Br

1-bromo-1-fenil-etano

etilbenceno

Fenoles Un fenol (ArOH) es un compuesto con un grupo OH unido a un anillo aromático; como mencionamos en la Sección 10.10, el grupo OH es un activador poderoso en las reacciones de sustitución electrofílica aromática. Dado que un enlace de un carbono sp2 es más fuerte que un enlace de un carbono sp3 (Sección 2.4F), el enlace C-0 de un fenol no se rompe tanfácilmente. Los fenoles


Capitulo 10

492

no sufren reacciones SN1ó sN2, o reacciones de eliminación como lo hacen los alcoholes. S,¡ o s,2 R-OH + HBr RBr -t H,O

-

un alcohol

+ HHr

Ar-OH

-

no hay reaccibn

un fenol

Aunque el enlace C - 4 de un fenol no se rompe tan fácilmente, el enlace OH se rompe rápidamente. El fenol, con unpKc, de 10, es un ácido más fuerte que un alcohol o el agua. (La acidez del fenol se examinó en la Secci6n 7 . IO.) Un ion fenóxido (Aro-)se prepara fácilmente tratando un fenol con NaOH acuoso. Recuérdese que los fenóxidos son útiles en la preparación de los éteres aril alquílicos. Aroun ion

fedxido

+

-

RX

un halogenuro

ArOR

+ X

un iter

de alquilo I"

A. Esterificaciónde los fenoles La esterificación del fenol no involucra la ruptura del fuerte enlace C-0 del fenol, sino que depende de la ruptura del enlace OH. (Explicaremos el mecanismo de las reacciones de esterificación en los capítulos 12 y 13.) Por consiguiente, los ésteres de los fenoles se pueden sintetizar por las mismas reacciones que conducen a los ésteres alquílicos. Aunque se puede emplear un ácido carboxílico para esterificar un fenol, los rendimientos son generalmente bajos. Se obtienen mejores resultados si en lugar de un ácido carboxílico, se emplea un derivado más reactivo de éste. El anhídrido acético es un derivado reactivo que conduce a ésteres acetato (Sección 13.4C). O

ii

0

,I

CH,C-OCCH, anhídrido acetic0

+

H

O

G

-

O C H 3 ! O a

+

O CH,COH II

acetato de fenilo

fenol

un éster

PROBLEMA DE ESTUDIO 10.16. Sugierasíntesispara los compuestossiguientes: O

B. La reacción de Kolbe Debido a que el grupo OH es un poderoso activador del anillo en las reacciones de sustitución electrofilica, las reaccioneses que sufren los fenoles y fenóxidos son muy interesantes. Una de éstas es la reacci6n de Kolbe, la reacción del fenóxido de sodio con CO, para producir salicilato de sodio, el cual produce ácido salicílico por acidificación.

Fenoles

Sección 1 O. 13.

493

El ácido salicílico se usa para sintetizar ácido acetil-salicílico, llamado comunmente aspirina O

/I

d C 0 2 H

O (CH,C),O II

+

_

_

_

+

H: & :

f

CH,COH O I1

anhídrido acttico Lido acetil-salicílico (aspirina)

A.

La reacción deReimer-Tiemann

Otra reacción interesante del fenol es su reacción con cloroformo en base acuosa, seguida de tratamientocon ácido acuoso. El producto es el salicilaldehido. Esta reacción se llama la reacci6n de Riemer-Tiemann. O

I1

C'H

f

salicilaldehído

El primer pasode esta reacción es la formación del dicloro-carbeno, intermediario muy reactivo, por acción de la base sobre el cloroformo. (Este tipo de reacción se explicó en la Sección 9.12.)

- H,O

HO:~H-GC'CI~

-:CCI,

- CI

-.

" +

:CCI,

diclorocarbeno

El Btomo de carbono en :CCl, contiene sólo seis electrones de Valencia; o sea que, :CCI, puede actuar como un electrófilo en la sustitución aromática.

ion o-(diclorornetil)-fen6xido

El ion (diclorometil) fenóxido contiene dos cloros en una posicibnbencílica. L o s halogenurosbencílicossufrenreacciónrápida SN1ó SN2con OH-. El compuesto diclorado sufre una sustitución que produce una 1,l-clorhidrina inestable que subsecuentemente pierde H ' (con la base) y C1- .

& ao

:o

:oTH CH cC1 :

CHCI,

-OH

HO ' o-

__*

- CI-

una

clorhidrinn I , 1

- H,O

- CI

II

CH

/

494

Capitulo 10


El salicilaldehído se obtiene al acidificar la solución alcalina.

salicilaldehído

D. Oxidaciónde fenoles El fenol por sí mismo resiste la oxidación, ya que al formarse un grupo carbonilo se pierde la estabilización aromática. Sin embargo, los 1,2- y 1,4-dihidroxi-bencenos, llamados hidroauinonas, se pueden oxidar a quinonas. La oxidación procede con agentes oxidantes muy suaves, tales como Ag+ 6Fe3+, yes fitcilmentereversible. (La reducción biológica de la quinona ubiquinona se mencionó en laSección 6.6B.) Aunque las hidroquinonas sencillas son incoloras, las quinonas son coloridas. El sistema de anillo de las quinonas se encuentra en muchos colorantes (Sección 21.5).

:¿i tj

X?H hidroquinona

catecol

.-()*.

*o. 1,4-benzoquinona (quinona)

I ,2-benzoquinona

Las bases químicas de la fotografía radican en la facilidad que tiene la hidroquinona para reducir los iones plata a plata metálica. Los iones plata en un cristal de halogenuro de plata que ha estado expuesto a la luz se reducen más fácilmente que los iones plata de un cristal no expuesto. La hidroquinona que contiene el líquido revelador reduce a estos iones plata activados por la luz a una velocidad mayor que los iones de plata no expuestos. En el proceso de fijado, el halogenuro de plata que no reaccionó se convierte en un complejo de plata soluble en agua por acción del tiosulfato de sodio Na,S,O, (llamado hipo), y se lava de la película. El resultado0 es el conocido negativo fotográfico. Los escarabajos bombarderos dependen de la fácil oxidación de las hidroquinonas como un mecanismo defensivo contra arañas, ratones y batracios. Estos escarabajos tienen glándulas que almacenan H,O, y otras glrindulas que almacenan hidroquinonas. Cuando el escarabajo se ve amenazado, se mezclan las secreciones de los dos tipos de glándulas, junto con las enzimas que catalizan la oxidación de las hidroquinonas. Los productos son quinonas imtantes y O, (que actúa como propulsor) que se arrojan a chorros sobre el depredador.

Sales de bencen-diazonio

SECCI6N 10.14.

Seccidn 10.14.

495

"

~~~

Sales de bencen-diazonio A.

Preparación y reactividad del cloruro de bencen-diazonio

Las aril-aminas tales como la anilina pueden ser preparadas en ellaboratorio mediante la nitración de compuestos aromáticos seguida por la reducción del grupo nitro. Para esta reacción se emplea comunmente una mezcla de limaduras de hierro y HC1 concentrado como agente reductor. Debido a que la reacción ocurre en ácido, el producto es una aminaproromdu. El tratamiento subsiguientecon bases libera la amina misma.

Las anilinas y otras arilaminasreaccionan enfrío conhcido nitroso (HONO) en solución de HCl ,para producir cloruros de aril-diazonio (ArNiC1-). Por lo general, el ácido nitroso se genera in situ por el reacción de nitrito de sodio (Na+"ONO) con HCl. Las sales de diazonio son muy reactivas; por lo tanto, la mezcla de reacción debe enfriarse. (Las sales dealquil-diazonio, RNZX-,no son estables incluso en frío, véase la Sección 15.9.) -NH2

de

cloruro

+ NaNO, + HCI

11 -__*

N=N

CI

+ H20

anilina

La elevada reactividad de las sides de diazonio se debe a la excelente capacidad del grupo -N: para salir de la molécula y escapar como nitrógeno gaseoso, N,. Debido a esta capacidad de salida, el grupo diazonio puede ser desplazado por diversos nucleófilos, tales como el I-. Algunas de las reacciones de sustituci6n que presentaremos se cree que proceden mediante un mecanismo de radical libre. En otros casos, la reacción de sustitución procede mediante un catión arilo y un mecanismo similar al de la reacción S,1.

En estas reacciones de desplazamiento, la sal de diazonio se prepara generalmente (pero no se aisla), se ziiade el reactivo nucleófilo, y se deja que la mezcla se caliente o se calienta. Se obtienenproductos de sustitución en rendimientos de buenos a excelentes; del 70 al 95% a partir de la aril-amina.

B. Reaccionesdelassalesdebencen-diazonio

Despluzamiento causado por iones de halogenuro e iones cianuro. El grupo diazonio es desplazado fácilmente como N, por los iones halogenuro (F- , C1- , Bró I-) o el ion cianuro (-CN).Estas reacciones proporcionan rutas sintéticas para los fluoruros, yoduros ynitrilos de arilo (ArCN), ninguno delos cuales puede ser obtenido mediante sustitución electrofílica directa. Aunque los bromuros y cloruros de arilo pueden ser sintetizados mediante reacciones de sustitución electrofílica, los productos pueden contaminarse a menudo con productos secundarios disustituidos. El desplazamiento del diazonio produce compuestos puros monoclorados o monobromados, no ccntaminados por los productos disustituidos.

496

Capitulo 10


Se emplea una sal de cobre (I) para la sustitución del " c 1 , -Br o "CN como fuente del nucleófilo, y la mezcla de reacción es calentada a 50-100". (El ion Cu' actúa como catalizador en estas reacciones.) Esta reacción, empleando la sal de cobre (I), es llamada reaccion de Sandmeyer.

C K N t KCN

bromobenceno

benzonitrilo

Los yoduros y fluoruros de aril0 son preparados con KI (no se necesita catalizador) o con ácido fluorobórico (HBF,), respectivamente.

-N,'

CIHb

fluorobenceno seco

yodobenceno

O y

N

2

+ BF,

calor

aislado

Estas reacciones dediazonio se pueden emplear en la preparación de compuestos que no pueden ser fácilmente sintetizados mediante otras vías. Por ejemplo, si se tiene en cuenta la síntesis del ácido p-toluic0 (ácido p-metil-benzoico). La vía comente a un ácido carboxílico de aril0 es la oxidación de un alquil-areno (R-Ar). La oxidación no se puede emplear para la preparación de un ácido p-toluic0 del p-xileno (p-dimetilbenceno), debido a que ambos grupos metílicosserían oxidados a grupos carboxílicos. Sin embargo, el ácido p-toluic0 puede ser obtenido vía un intermediario diazónico, seguido por tratamiento con CuCN-KCN e hidrólisis subsiguiente del grupo " C N a -CO,H, una reacción que será explicada en la Sección 13.12.

p-metil-anilina @-toluidina)

ácido p-metil-benzoic0 (Acid0 p-toluico)

Sales de bencen-diazonio

Secci6n 10.14.

497

DesprcrZarniento por -0H.Los fenoles se pueden preparar a partir de lassales de diazonio mediante reacci6n con kid0 acuoso caliente. Esta reacci6n proporciona una de las pocas rutas de laboratorio para la obtenci6n de fenoles.

fenol

Despkamiento por -H. El grupo -N,+ se puede reducir a H con6cido hipofosforoso, H,PO,. Esta reacci6n proporcionauna vía para eliminar un grupo NH, de un anillo arodtico. 1

i

benceno

PROBLEMA MODELO Demuestre c6mo sintetizada el 1,3,5-tribromo-benceno de la anilina. (Recuerde que es un o,p-director en las reacciones de sustituci6n electrofflica.)

el bromo

Soluci6n: Recuerde que la anilina sufre fhcilmente tribromaci6n. Por lo tanto, la siguiente secuencia de reacci6n dani el producto deseado: Br

Br

Br

Br

Br

Reacciones de acoplamiento. Las reacciones de acoplamiento de las sales de aril-diazonio se emplean para preparar tintes a partir de la anilina y de anilinas susun elecrrdfilo. Las estructuras tituidas. En estas reacciones, el ion diazonio actúa como en resonancia del ion diazonio muestranambos que nitr6genos llevan una carga positiva parcial.

El nitr6geno terminal ataca la posici6npara- de un anillo de benceno activado grupo donador de electrones, como el NH, o el OH). El producto (uno sustituido con un

498

capítulo I O


d e l acoplamiento contiene un grupo m (-N = N-) y es conocido generalmente como un rrzo-compuesto. Muchos azo-compuestosse emplean como i,tintes '?(Secci6n 21.5B).

p-amino-azo-benceno

Las reacciones de sales de aril-diazonio esth en la Figura 10.11. PROBLEMA DE ESTUDIO 10.17. ¿Como M a l a s conversiones siguides? CN I

FIGURA 10.1 l. Reacciones de un cloruro de aril-diazonio.

10.15.

Halobencenos y sustitucibn nucleofilica arorndtica Secci6n

499

SECC16N 10.15.

Halobencenos y sustitucih nucleoMica aromatics En el Capítulo 5, mencionamos que los halogenuros de arilo no sufren las reacciones de sustituci6n y eliminaci6n caractedsticas de l o s halogenms de alquilo debido a la fuerza extra de un enlace con un &orno de carbono sp'.

(o>

X

-

+ Nu-

M)

hay rcacci6n SN1 6 SN2

un hologenuro de arilo

Sin embargo,bajociertascircunstancias, un halogenurode arilo puedesufrir una reacci6n de sustituci6n nucleoMica a r d t c ia .

Aunque esta reacci6n parece similar a una reacci6n S,1 6 SN2,es totalmente diferente. Tambitn difiere de la sustitucih electrofilica, ya que no se inicia como tsta por E+, sino por Nu-. La reactividad de los halogenuros de arilo frente a los nuclehfilos aumenta en la presencia de sustituyentes que sustraen electronesd e l anillo. Es decir, el efectode los sustituyentes es opuestoal que ejercen en las reacciones de sustituci6n electrofilica aromática. Aquí, un sustituyente que sustrae electrones hace que el anillo sea menos rico en electrones y m& atractivo frente a un nucle6filo atacante.

fenol

p-nitro-fenol

clombenceno

p-cloro-nitrobenceno

/

NO1

1-cloro-2,4,6trinitro-benceno

2,4,6-uinitro-fenol (bcido pihico)

un explosivo

Además delOH- y H,O,otros nucle6filos tambikn pueden reaccionar con cloruros de arilo activados.

500

Capitulo 10


Se cree que el mecanismo de la sustituci6n nucleofílica ammhtica procede por uno de los caminos siguientes.El primero es atravks de un intermediariocarbani6nico. Si el anillo est6 activado frente a la sustituci6n nucleofilica por un grupo atractor de electrones, la reacci6nprocedepor un mecanismoendosetapas: (1) adicidndel nucldfilo para formar un carbanitin (estabilizado por el grupo que atrae electrones), y (2) p6rdida subsiguiente del ion halogenuro.

:OH

carbanih intermediario

A pesar de que el intermediario carbani6aico es inestable y reactivo, esta estabilizado en alguna medida por resonancia y por dispersi6n de la carga negativa por el grupo atractor de electrones. Las estructuras en resonancia deeste intermediario muestranque un grupo atractorde electronesconducea unamayor estabilizaci6n del intermediario carbanibnico, cuando estbcomo sustituyente en orto o para que cuando esta como sustituyente en meta. Cuando el sustituyente es orro opara, la carga negativa est6 en posici6n adyacente al grupo atractor en electrones en una estructura en resonancia. En el caso del grupo nitro, hayuna estabilizaci6n adicional debido a que el grupo nitro ayuda a dispersar la carga negativa por resonancia.

3,

Estructuras en resonancia para el intermediario p-sustituido:

/

..:¿j

/

+

N

o-r

H

estabilizacidn adicional

\ Para el intermediario m-sustituido (no hay estabilizaci6n adicional):


1s estructurasenresonanciaparaelintermediariocarbani6nicoenlareacci6ndelhidr6xid0

de sodio y o-cloro-nitrobenceno.

Si en el anillo no hay grupos atractores de electrones, la sustituci6n nucleofílica aromhtica es m 6 s difícil y procede por una segunda secuencia mecanística. En estos casos, se cree que la reacci6n procede a travCs de un bencino intermediario.

rior

Halobencenos y sustituci6n nucleofilica aromftica

clorobenceno

bencino

Secci6n 1 O. 15.

501

anilina

La estructura del bencino es nocomo la de un alquino. Los dos Atomos de carbono del anillo que tienenun triple enlace entre ellosesth unidos por un enlace sigmaS$spz y por superposici6np-p (la nube pi ammAtica). Estos dos enlaces son los mismos se forma por superposici6n lateral de dos orbitales que en el benceno. El tercer enlace spz, los que originalmente se empleaban en la formaci6n de los enlaces con H y X. La Figura 10.12 muestra esta superposici6n. Debido a la geomehía rígida del anillo y a los 6ngulos desfavorables de los orbitalesspz, esta superposici6nno puede ser muy buena. El nuevo enlace es muy dkbil, y el bencino es un intermediario altamente reactivo. Se piensa que la formaci6n del bencino intermedio en la reacci6n del clorobenceno con NaNH, en amoníaco líquido ocurre por la siguiente ruta:

\-

3. :NH,

bencino

Elbencinoexperimentalaadici6nxfipidade un nucle6filo para producir un carbani6n que puede tomar un prot6n del NH, para dar el producto (anilina, en este caso) y otro ion NH,-.

un carbani6n

Una reacci6n interesante del bencino intermediario es su reacci6n de Diels-Alder sobre la flecha en la ecuaci6n siguiente) con el antraceno (cuya estructura se encuentra para producir un compuesto poco común llamado tripticeno. el “diem”

el diendfilo

H tripticeno

sp

visra

*

6ngulo normal de 120” no conduce a una buena superposici6n sp”sp’

-S

lateral

vista

FIGURA 10.12.

El enlace en el bencino intermediario.

Capítulo 1 O

502

Aromaticidad, benceno y bencenos sustrtuidos

PROBLEMA DE ESTUDIO 10.1 9. Con el fin de probar la existencia del bencino como intermediario en la sustituci6n nucleofílica m d t i c a , se diseii6 un experimento en el cual el clorobenceno se trata con sodamida (NaNH,) en amonfaco líquido. El clorobenceno semarc6 previamente con carbono-14 en la posici6n C-

c1. (a)

(b)

Si estareacci6nprocede de acuerdo al mecanismo queinvolucra al bencino,¿cual.sena la distribuci6n de carbono-14 en el producto anilina; esto es, en qu6 posiciones y en qut porcentajes se encontraria el ciubonc~l4? ~Cuslseríaladistribuci6nde carbono- 14: sila reacci6n procediese por un simpledesplazamiento nucleofilico?

SECC16N 10.1 6.

Uso de compuestos bencCnicos en síntesis Las posibilidades que tienen el benceno y sus derivados en síntesis se muestran en la Tabla 10..7. Dado que las reacciones de sustitucidn electrofílica arom6tica tienen menos limitacionesen la materiaprima,Cstassondemayorusoen el laboratoriocomo reaccionessintbticasquelasreaccionesdesustitucidnnucleofílicaarom6tica.(Para llevar a cabo una sustitucibn nucleofílica aromAtica, un químico debe emplearun anillo con grupos atractoresdeelectrones;de otra manera,debe“forzar”lascondiciones como se indica en las ecuaciones de la phgina 499.) Un químico puede necesitar hacer uso del ingenio cuando emplea las reacciones de sustitucidn electrofílici aromhtica para preparar compuestos bencenicos sustituidos. Por ejemplo si estamos preparando m-cloro-nitrobenceno, no debería elegirse la cloracidn como primera etapa porque esta reaccidn colocada en el anillo un grupo orco, para-director. La nitracibn subsiguiente dm’a o- y p-cloro-nitrobencenopero no el mcloro-nitrobencenodeseado.Seríamejorempezarconlanitracidnyaque el grupo nitro es un mera-director. En trabajos sínt6ticos con bencenos sustituidos, el orden de las reacciones de sustitucidn es muy importante.

p-clom-

o-cioronitro-benceno nitro-benceno

m-cloro-nitrobenceno

sllet&&helectr*. C6H6 +

FeX,

+ HNO, + RX + R,C=CHR

'

H2S04 +

AIX, AIX

'

"--% HX

O

I1

+ RCX + SO,

C6H5X

C,H,NO, C6H5R

C6HsCR,CH,R O

I1

*IX3

H SO "-%

C6H,CR C,H,SO,H

fenor

10.15 10.15

anilid

7.10 1O. 13A,

13.3C, 13.K

CHO I

C,H,OH

-

10.13C

10.13D

10.14B

donde Y es

C6HSN=NC6H4Y

pzo

compwsto

OH,NH,,etc.

"Se puede & i ra anilina (sbcci6n 10.14)

bse puede reducir a un alquil-bcnccno (Sccci6n 1I . 14C)

5e puede convertir a C& 6 C&OH (Semi61110.16)

' L apreparafih de sales de arildiazonio se explica en la Secci6n 10.14A. En la Figura 10.I 1 numen algunas reacciones especfficas de estas sales.

se

10.14B

504

Capítulo 10


Tambikn puede ser necesaria la conversibn de un grupo en otro. Por ejemplo, la reducci6nde un grupo nitro a un grupo amino, esta reacci6nes la vía para preparar anilinas m-sustituidas. En primer lugar, puede nitrarse el benceno, despues someterse a una sustituci6n enmeta y , finalmente, elgrupo nitro puede reducirse agrupo amino.

Br

Br

sal m-bromo-anilina de amina

Las arilaminas tambibn se pueden convertir en sales de aril-diazonio, lo cual hace posible una gran variedad de productos de sustituci&n,tal como se muestra en sinetico, al analizar los compuestos aromhticos la Figura10.1l . Desde un punto de vista cada grupo nitro debe ser considerado comoun grupo diazonio en potencia. meta-director

orto, para-director

a'esplozable fdcilmenre

NaNO, HCI

Para solucionar con Cxito problemas sintdticos, a menudo se requiere el conocimiento de las caracterfsticas químicas individuales de los compuestos aromfiticos. Por ejemplo, la anilina no experimenta reacciones de Friedel-Crafts-debido a que el grupo amino (un grupo bkico) reacciona con los Acidos de Lewis.

una base

El nitrobenceno tampoco experimenta reacciones de Friedel-Crafts; en este MSO, la falta de reactividad se debe a la desactivacih del anillo por el grupo nitro atractor de electrones. o

0

I/

R X o RCX

~0~ A no hay sustituci6n arodtica AIX,

nitrobenceno

El grupo kid0 sulf6nic0, al igual que el p p o diazonio, se elimina fticilmente de un anillo aromatic0y por lo tanto puede ser desplazado por diversos reactivos. Los fenoles, por ejemplo, pueden prepararse a partir de kidos aril-sulf6nicos al igual que de sales de diazonio.

Resumen

kid0

como vapor

505

benceno

bencen-sulf6nico

fenol

Br

kid0

p-hihxi-bencen-sulo

\

Br

2,4,6-mbmmo-fenol

PROBLEMA DE ESTUDIO 10.20. Muestre c6mo sintetizarih los compuestossiguientesa partir delbenceno: (a)m-cloro-anilina;

(b) n-pentil-benceno; (c) 1 ,Zdifenil-etano;(d)trifenil-nietano.

Un compuestu a r o d t i c o es una clase de compuesto que gana una estabilizaci6n importante por delocalizaci6n de electrones pi. Para ser aromatico,un compuesto debe ser cíclico y plano. Cada atorno del anillo debe tener un orbital p perpendicular al plano del anillo, y los orbitales p deben contener (4n 2) electrones pi (regla de Hiickel) . El benceno y otros compuestos aromaticos experimentan reacciones de sustitucih dectrofilica arodtica. En la Tabla 10.7 se muestra unresumende estas reacciones.

+

Una segunda sustituci6n da como resultado los is6meros orto y para o bien idmeros meta, dependiendo del primer sustituyente (vhease la Tabla Los 10.6). grupos orto, para-directores (excepto R) tienen electrones que pueden ceder al anillo por resonancia. Donacidn de electrones p o r resonancia: n

n

506

Capitulo 10


Donacidn de electrones por efecto inductivo:

Todos los grupos orro, para-directores, exceptoX, activan el anillo entero frente a la sustituci6n electrofílica. Las posiciones otro ypara son las posicionesde sustituci6n preferidas debido a la estabilizaci6n por resonancia adicional de sus intermediarios. Todos los grupos meta-directores y X desactivan el anillo frente una a sustituci6n ckctrofnica posterior por sustracci6n de electrones.

desactivados

frente a E

+

activa frente a

Los alquil-bencenos contienenunaposici6nbencíhcaquees

muchos reactivos.

X,, hr

X I

CHCH,

Los fenoles son m h hcídosquelosalcoholes y contienen un anillo altamente activado frente a la sustituci6n electrofílica aromhtica. Se pueden esterificar con un anhidrido. Las hidroquinonas (1,2,- y 1,4-dihidroxi-bencenos) sufren oxidacci6n reversible a quinonas. Las aril-amhas se pueden convertir a sales de aril-diazonio por reacci6n con HONO . Estas sales son estables aO" y altamente reactivas frentea diversos nuck6filos (Figura 10.11). ArNH,

NaNO 4 ArN,' C1HCI

o"

Nu-

ArNu i- N,

+ CI-

Los halobencenos no experimentan reacciones sN1 6 sN2, pero X puededesplazarseenreaccionesde sustitucidnnucleofílica Promptica, especialmente si el anillo es activado por grupos atractores de electrones, tales como el NO,.

507


PROBLEMAS DE ESTUDIO 10.21. Dibujelaestructuradecadauno de l o s siguientescompuestos: (a) o-dideutero-benceno; (b) 1,3,5-tricloro-benceno; (elm-bromo-tolueno; (d) p-bromo-nitrobenceno; (e) 4-bromo2,3-dinitro-tolueno; (f) dcido m-cloro-benzoico; (g) isopropil-benceno. 10.22. Asigne un nombre a cada uno de los siguientes compuestos:

i 10.23. D6 las estructuras y los nombres de todos los isheros de (a)monobromoanilina; (b)monoclomfenol; y (c) dinitrotolueno. 10.24. ~Cuillesde los siguientes compuestos POQian ser arodticos? (Sugerencia: En muchos casos, la regla de Hiickel se puede extrapolar a estructuras con m C de un anillo.)

H

azuleno

dianion d e l

ciclooctatetraeno

10.25. El calor de hidrogenaci6n del benceno es -49.8 kcaYmol y el del 1,4-ciclohexadienoes kcal/mol. Calcule AH para la conversi6n d e l benceno a 1,Cciclohexadieno.

- 59.3

10.26. Calcule la energia de estabilizaci6n adicional por conjugaci6n del doble enlace en el estirew (C,H,CH = CH,), a partir de los siguientescalores de hidrogenaci6n:estireno, -76.9 kc& mol; benceno, -49.8 kcaUmol; propeno, -28.6 kcaUmol. 10.27.

El naftaleno sufre sustituci6n arodtica electrofflica en la posici6n a: z

Pronostique los productos orghicos delas reacciones demonosustituci6ndelnaftalenocon cada uno de los siguientes g r u p o s de reactivos:

I1

(e) CH,CCI,

AICI,

508

Capitulo 10



10.28. Algunasvecesseusaelnitrobencenocomodisolventeenlas dquilaciones de Friedel-Crafts. ¿Por que la reacci6n del nitrobenceno no interfiere con la reacci6n deseada? 10.29. Las reacciones de acilaci6n de Friedel-Crafts se pueden llevar a cabo con aahidridos de Acido así como con halogenuros de hcido:

0+

II

II

CH,C-OCCH,

*IC1’

+

O

k

H

3

+ HOCCH, II

anhMrido de &ido

*pronostique el producto de las reacciones del benceno con AlC1, como catalizador

y:

10.30. iQuC compuesto de cada uno de los siguientespares es m& reactivo en la bromaci6n arodtica? O

(a) acetanilida(C6HSNHCCHd 0 bemeno (b) bromobenceno o tolueno (c) p-xileno p-dimetil-benceno)o Acido p-toluic0 (hido p-metil-benzoico) (d) m-dinitro-benceno o m-nitro-tolueno (e) clorobenceno o m-dicloro-benceno 10.31. Setíale cada unade los siguientes grupos como orto, para-director o como meta-director:

10.32. En soluci6n ttcida, el &ido nitroso (HONO)reacciona con algunos compuestos aromhticos de manera similar a lareacci6n del Acido nítrico. (a)Escriba una ecuaci6n que muestrela formacidn del electr6filo. (b) Escriba la ecuaci6n que muestre la sustituci6n electmfilica del fenol por esta especie. (Incluya la estructura del intermediario.) 10.33. Pronostique los principales productos organices:

(a)etilbenceno

+ C1,

(b) etilbenceno

+ Br,

(c) estireno

+ Mn0,-

hv


(e) tolueno

+ I-cloro-propano + H,SO,humeante

(f) estireno

+ excesode

(d)tolueno

(g)1-propil-benceno

H,

509

AICI,

NI

---"+ 200 . I 0 0 atm

+ ciclohexeno

HF

--"-+ (un kid0 de Lewis)

10.34. Pronostique los principales productos organices: O

11

AICI,

C,H,CH2CH,CH2CCI AICI, (b)tolueno + 1-cloro-2-metil-propano --"+ benceno (c) 1-cloro-2-buteno , (a)

" +

+

con un exceso de ácid0 nítrico 10.35. Explique l a s siguientes observaciones: (1) Tratamiento de benceno fumante y ácido sulfúrico produce m-dinitro-benceno, pero no el producto hinibado. (2) Bajo l a s mismas condiciones, el tolueno produce 2,4,6-trinitro-tolueno (m). 10.36.

La monobromaci6n del anillo de un dietil-benceno produce tres bromo-dietil-bencenos is6meros (dos formados en pequeña proporci6n). DB las estructuras del dietil-benceno y los productos bromados.

10.37. Prediga los productos principales de la monocloraci6n aromática de los siguientes compuestos

(a) clorobenceno; (b) o-dicloro-benceno; (c) m-bromo-clorobenceno; (d) m-xileno; (e) acetofenona (vCaselaTabla 10.1); y -(f) (triclorometil) benceno (C,H,CCI,). 10.38. Prediga los productos mayoritarios de la mononi2aci6n aromtíticade los siguientes compuestos:

10.39. iC6mo sintetizm'a cada uno de los siguientes compuestos a partir de benceno (suponiendo que

puede separar los is6meros orto, meta y para)? (a) anis01 (C,H,OCH,) m-dibromo-benceno (c) fenil-2-propanol 2 (e) (9) Bter bencil-metlico

(b) tícido tereftdico (D-HO,C-C,H,"CO,H) (d) m-nitro-fenol (f) 1,l -difenil-etano

10.40. Sugiera síntesis para los tres kidos nitrobenzoicos a partir de tolueno. 10.41. ¿Que iones se forman cuando el trifenil-metano1 se trata con H,SO, concentrado? Sugiera una

raz6n para la formaci6n de estos iones.

51O

Capitulo 1 O


10.42. Pronostique los productos org6nkos principales:

+ NaNO, + HCI o " (b) p-naftil-amina + NaNO, + HCl o " (c) [el producto de (a)] + CuCN KCN (d) [el producto de (b)] + fenol

(a) p-etil-anilina

100')

10.43. Complete las siguientes ecuaciones:

+ HzNNH2

(c) OzN"(@-Cl

calor

" +

10.44. Pronostique el producto orghico principal de la reacci6ndelbenceno limaduras de hierro como catalizador).

c m IC1 (añadienuo

10.45. (a) Sugiera una raz6n que explique por quk la anilina (con unPK, de 9.4) es aproximadamente un mill6n de veces menos bhsica quela ciclohexil-amina,CJi,,NH, (pK, = 3.3). (b) LEsperm'a que la p-nitro-anilina fuese m&o menos basica que la anilina? LPor quk? 10.46. (a) El ficido 2,4,5-(tricloro-fenoxi)-ac6tico (llamado 2,4,5-T) es un herbicida que forma parte del "agente naranja", el cual se us6 como desfoliante en la guerra de Viet Nam. El 2,4,5-T se sintetiza calentandoun benceno tetraclorado conNaOH metandlico, seguidode tratamiento con CICH,CO,Na y acidificaci6n. Escriba las ecuaciones paraestas reacciones. (b) Un subproducto de esta síntesis es la 2,3,7,8-tetracloro-dibenzoidioxina(llamada tambikn 2,3,7,8-TCDD, o simplemente dioxim), la cual es altamente t6xicay no es fhcilmente biodegradable. Sugiera un mecanismo para la formacidn de 2,3,7,8-TCDD.

61 2,4,5-T

2,3,7,8-TCDD


51 1

10.48. Sugiera sintesis para los siguientes compuestos empezando Con benceno, tolueno o fenol y otros reactivos adecuados. (Suponga que se pueden separar los is6meros orto, metu y para.) (a) acetato de 2,4,6-tricloro-fenol

(b) bromo-difenil-metano

(c) p-nitro-acetofenona

(d)

CH3-Q--CN

o (e) p-fluom-tolueao

CHO

10.50. Existen tres dibromobencenos,quesefundena 87", 6" y -7", respectivamente. El is6mero un mononitro-dibromobenceno.El idmero dibromo dibromo que se funde a 87' produce ~610~ que se funde a 6"produce dos mononitro-dibromobencenos. El idmero dibromo que se funde a -7" produce tres mononitro-dibromobencenos.Empleando estos datos, asigne las estructuras de los tres dibromobencenos.

10.51. La cetona de Michler se usa como un producto intermediario en la industria de colorantes. Se intetiza a partir de fosgeno (C1,C = O) y un exceso de N,N-dimetiladna con ZnCL, como catalizador. Sugiera una estructura para la cetona de Michler.

I

N.N-dimetil-anilina

10.52. Cuando se clora el bromobenceno, se puedenaislar dos compuestos is6meros (A y B , C&BrCl). La bromaci6n de A da varios productos idmeros de composici6n CJ-i,Br,Cl, mientras que la bmmci6n de B da dos idmeros (C y D)de composici6n C&Br,Cl. El compuesto C es id6ntico a uno de los compuestos obtenidosde la bromaci6n de A; sin embargo, D es diferente de todos los compuestos isom6ricos obtenidos de la bromaci6n de A. Dc l a s estructurasde A , B , C y

D.

OCH,CH=CH,

'*Or

& (OH

512


Capjtulo 10

10.54. Sugiera mecanismos para las reacciones siguientes:

O

(a) benceno

/I + FCH

(b) t-butil-benceno

2 benzaldehído

+ Br,

AlHr,

>

bromobenceno

+ propeno

10.55. I a reacci6n del o-cloro-tolueno con

KNH, en NH, líquido produce una mezcla de o- y mCH,C&NH,. No se observa el isómero para. Una reacci6n similar con p-cloro-tolueno da my p-CH,C,H,NH,, pero no el idmero orto. Finalmente, el m-clorotolueno dalos tres isómeros. Escriba ecuaciones para estas reacciones (con los intermediarios).

10.56. Un compuesto C6H,C1 se trat6 con HNO, y H,SO,. Los productos de esta reacci6n se trataron despuks con Fe y HCI. En la Figura 10.13 se da el espectro de RMN de uno de los productos de esta reacci6n. ¿ C M l es la estructura de este componente? iCu&lesserían las estructuras de

los otros componentes de la mezcla obtenida?

i

?

5 .o

I

4.0

FIGURA 10.13. Espectrode RMN para el Problema 10.56.

10.57. Un compuesto con la f6rmula C,,H,,O da el espectro de RMN que se muestra en la Figura 10.14. Su espectro de infrarrojo presenta una fuerte absorci6n a aproximadamente 1750 cm" (5.75 *m). ¿Cu&les la estructura del compuesto?


FIGURA 10.14. Espectro de RMN para el Problema 10.57.

FIGURA 10.15. Espectro de RMN para el Problema 10.58.

513

Capitulo 1 O

514

Aromaticidad,benceno y bencenos sustituidos

10.59. Por tratamiento con HNO,,un compuesto arodtico monosustituido di6 dos productos isomkricos, A y B. Tratamiento de A con NaOH seguido de CHJ, di6 C. De forma idkntica, el compuesto B, di6 el compuesto D. En la Figura 10.16 se dan los espectros de infranojos de A, B,C y D. La reacci6n deC con Fe y HCl seguido de tratamiento conbase, di6 E. Siguiendo este mismo procedimiento, el compuesto D di6 el compuesto F. En la Figura 10.17 se dan los espectros de RMN de E y F. LCufiles son las estructuras del compuesto original, A, B, C, D,

E y F?. Longitud de onda (m)

NIímero de onda (cm")

S

6

7 .

8

9

10

12

..... .... .... . ....... . ....

NIímero de onda (cm") FIGURA 10.16. Espearos de infrarrojos para el Problema 10.59.

(continúa)

15



515

516

Capitulo 10


1 O0

o

Hz

TMS

8.0

so0

4.0

5.0

7.0

o ppm

O Hz

400

A

j

i TMS

1

6.0

I

5 .o

.

4 .O

FIGURA 10.17. Espectros de RMN para el Problema 10.59

.

CAPíTULO 11

Aldehídos y cetonas

L

os aldehídos y cetonas son sólo dos de las muchas clases de compuestos orgAnicos que contienen grupos carbonilos. Una cetona contiene dos grupos alquilo (o arilo) unidos al carbono carbonííico, mientras que un aldehido tiene un grupo alquilo (o arilo) y un úromo de hidrógeno unidos al carbono carbonílico. O

II

O

It

RCHO un aldehido

R"C"H

R-C-R

0

o

RCOR

una cetona

Otros compuestos carbonílicos, tales como los hcidos carboxílicos y los tsteres, su tienen grupos electronegativosunidosalcarbonocarbonflico;enconsecuencia, química es ligeramente diferente a la de los aldehídos,y cetonas. El estudio de estos otros compuestos carbonílicos serh explicado en capítulos posteriores. SECCl6N 11.l.

Nomenclatura de aldehídos y cetonas En el sistema IUPAC, el nombre de un aldehído deriva del correspondiente alcano mediante el cambio de la letra -o final por -al. No es necesario numerarla cadena; al carbono del grupo aldehído " C H O se le asigna siempre el número 1, O

O

II

CH,CH

II

CH3CHCF1

I

CI

IUPAC: etanal

O

II

CH,CH=CHCH

.

2-cloropropanal

2-butenal

Capitulo I I

518

Aldehidos y cetonas

Las cetonas se nombran sustituyendo la -o final del nombredel alcano por -ma. Se usa un número si es necesario. O

O

0

2,4-pentanodiona

IUPAC: ciclohexanona 2-pentanona

Los nombres triviales de los aldehídos y cetonas comunes se utilizan ampliamente. Los aldehídos se nombran a 'partir de los ácidos carboxílicos correspondientes, cambiando la terminación -ico u - o h p o r el sufijo -aldehído y quitando la palabra ácido. La Tabla 11.1 proporciona algunos ejemplos. La propanona se llama normalmente acetona, pero las otras cetonas sencillas se nombran aveces utilizando el nombre del grupo funcional. Al nombrede los grupos alquilo o aril0 unidos al grupo carbonilo se le añade la palabra cetana. O

O IUPAC:

CH,CCH,CH, CHjCCH, (CH,)~CHC('(CHA), pmpanona butanona

trivial:

O

II

I/

acetona

metil-etil-cetona

II

2,2,4-trimetil-3-pentanona isopropil-t-butil-cetona

Para indicar las posiciones de los dtomos de carbono de una molécula, respecto al grupo carbonilo, se pueden utilizar letras del alfabeto griego. Se denomina átomo de carbono alfa (a)aquél que ocupa la posición adyacente al grupo C = O. Al átomo de carbono siguiente se le llama beta (p), luego gamma (y), delta (6) y así sucesivamente, de acuerdo con el alfabeto griego. En ocasiones, se utiliza la última letra del alfabeto griego, omega (o),para designar el carbono terminal de una larga cadena hidrocarbonada, independientementede la longitud de ésta. Las agrupaciones (o Atomos) unidos a un átomo de carbono a, se denominan grupos a;si éstas están unidas al carbono 0, se lesllama gruposP . TABLA 11.l. Nombres triviales de algunos Acidos carboxilicos y aldehídos

Acido carboxílico

Aldehido "

O

O

II

HCOH

II

HCH

ácido f6rmico

formaldehído

O

O

I1

CH,COH

II

ácido acetic0

CHJCH

acetaldehído

O

O

I1

CH,CH,COHpropi6nico ácido

II

CH,CH,CH

propionaldehído

O

O

I1

CH,CH,CH,COH butírico ácido

II

CH,CH,CH,CH

butiraldehído

O e

!

O

H

Bcido benzoic0

C

!

H

benzaldehído

Preparaci6n de aldehídos

O

/

O

0

519

Br

una $-dicetoma

carbono a

1 1.2.

y cetonas Secci6n

un a-bronw-aldehiab

carbono $

O

O

O

II

II

ll

BrCH2CH2CH,CH,CC,H, Br(CH,),,CCH, Br(CH2),,CCH,CH3 todas son

o bromo-cetonas

Cuando los aldehídosy cetonas se nombran por sus nombres triviales, se pueden utilizar letras griegas; no así si se utilizan las normas de la IUPAC. puesto que, de hacerlo así, se mezclm'an dos sistemas de nomenclatura.

o I1

O o C H , C H , C IIH

CH3CHCH

I

Br IUPAC: 3-fed-ppaaal

2-bromo-propanal

trivial: $-fed-propionaldehido a-bromo-pmpionaldehido

S E C C I ~ NI 1.2.

Preparacibn de aldehídos y cetonas La manera m¿%común de sintetizar un aldehídoo cetona de estructura sencilla, en el laboratorio, es por oxidacidn de un alcohol. Las aril-cetonas se pueden preparar por reacciones de acilacidn de Friedel-Crafts.En la Tabla 11.2 se muestran las ecuaciones generales para estas reacciones.

CH,(CH,),CH,OH

-

+

1-heptanol

c 9 3 3

II

CH3(CH,),CH heptanal

q 3 3

"%OH

HJCHCH,

O

+

H,CrO,

CH,CHCH,

- Qo 60"

mentd

O

85 %

(CH3),CH-~"CH3 p-isopropil-tolueno

+

O CH3CCI II cloruro

-AICI "S

de acetilo

I1

(CH3)*CH-

5-isopropil-2-metil-acetofenona 55 %

Elformuldehído es uno de los m8shportantes aldehídos, se utiliza como reactivo, como desensibilizantenasd en desodorantesde pabilo y como preservativo para mues-

Capítulo I 1

520

AIdehidos y cetonas

TABLA 11.2. Resumen de la sintesis de laboratorio de aldehidos y cetonas”

Reacción

Sección

aldehidos: CrO RCHzOH alcohol lano O

I1

7.13C

RCHO

( I ) LiAIH[OC(CH3)3J,

RCC1 (2) H , O cloruro de &ido

+

13.3C

RCHO

eetmas: H CrO R,CHOH uRzC=O alcohol 20n0 O

I1

RCCl

7.13c

O R ’Cd 11 2 RCR’

13.3C

cloruro de Acid0 aril-cetonas: O

O

10.9E aldehídos y cetOnaSpolifuncionales se pueden preparar por reacciones de condensaci6n y alquilaci6n. las cuales se e x p l i c d en elCapitulo 14. %S

tras biológicas, es un gas. Sin embargo, se transporta y almacena convenientemente en disolución acuosa (formalina = 37% de formaldehído y 7-15% de metano1 en H,O) O como polímero o trímero sólido. AI calentar cualquiera de estas preparaciones se libera el formaldehído gaseoso. formalina (HCHO

+ H20) 7

-CH20CH20CH20CH20- i para-fonnaldehido

0

I1

calor

HCH metanal (formaldehído)

7

trioxano

P.f. 62°C

El acetaldehído, conpuntode ebulliciónpróximoalatemperaturaambiente (207, también se transporta o se guardaconvenientemente comotrímero o como tetr6mero cíclico. El acetaldehído se utiliza como intermediario enla síntesis industrial del 6cido acético, anhídrido acético (Sección 13.4A)y otros compuestos.

El grupo carbonilo Secci6n

1 1.3.

521

CH,

I

CH 3 CH

cbo,

,CH-O, O

/

CH

I

I

O'CH

I CH,CH 'O-CH

/o

I

I

O

calor

CH,CH

/

I CH,

CH,

o I1

CHCH,

etanal (acetaldehído)

parddehído P.e. 125°C sedante e hipndtico

utilizado como cebo de caracoles P.f. 246°C

El grupo carbonilo El grupo carbonilo está formado por un átomo de carbono con hibridación sp2, unido a un átomo de oxígeno mediante un enlace sigma y otro pi. (Ver Figura 2.21 para la representación de los orbitales.) Los enlaces sigma del grupo carbonilo esdn situados enun plano, formando ángulos de enlace de aproximadamente 120" alrededor del carbono con hibridación sp2. El enlace pi que une los átomos de carbono y oxígeno se sitúa por encima y por debajo del plano deestos enlaces sigma. El grupo carbonilo es polar, debido a que los electrones que forman el enlace sigma, y especialmente los que constituyen el enlace pi, e s a desplazados hacia el átomo de oxígeno que es más electronegativo que el carbono. El átomo de oxígeno del grupo carbonilo tiene dos pares de electrones de valencia no compartida. Todos estos hechos estructurales coplanaridad, enlace pi, polaridady electrones nocompartidos-contribuyena la reactividad del grupo carbonilo. O*

/i =

m .'fi. electrones no compartidos

2.85 D

El doble enlace carbono-carbono aislado no es polar. Para que se produzca reacción generalmente se necesita que un agente electrofílico ataque a los electrones del enlace pi. Sin embargo, el doble enlace carbono oxígeno es polar, aunque no experimente ataque electrofílico. Un compuesto carbonílico puede ser atacado indistintamente por un agente electrofílico o uno nucleofílico.

Muchas reacciones del grupo carbonilo implican una protonación inicial del titomo de oxígeno. Esta protonación conduce a un aumento de la carga positiva sobre el

Estructuras en resonancia para un grupo carbonilo protonado

522

Capitulo I 1

Aldehidos y cetonas

carbono carbonilico, de tal forma que dicho átomo de carbono es atacado más fácilmente por agentes nucleofilicos dCbiles.

SECCl6N 11.4.

Propiedades físicas de aldehidos y cetonas Las características especiales del grupo carbonilo influyen en las propiedades fisicas de aldehídos y cetonas. Como consecuencia de lapolaridad de este grupo, se originan atracciones intermoleculares dipolo-dipolo, lo cual se traduce en que los aldehídos y cetonas tengan punto de ebullici6n más alto respecto aquellos compuestos no polares de peso molecular comparable. (Tabla 11.3) En una pequeñaproporción, algunos iones pueden ser solvatados por aldehídos y cetonas (por ejemplo, el NaI es soluble en acetona). CH 3

O

OH

CH3CHCH3

CH3CCH3

CH3CHCH3

P.e. 56"

P.e. 82.5"

II

I

P.e. - 12"

I

Debido a los electrones no compartidos del oxígeno, un compuesto carbonilico puede formar enlaces de hidr6geno (no lo puede hacercon otro compuesto carbonílico, a menos que Cste tenga un hidr6geno 6cido disponible para el enlace). :O:-- - -H-O

II

R-C-R

I

H

TABLA 11.3. Propiedades físicas de algunos aldehídos y cetonas

Nombre común o trivial

Estructura

P.e. "C

Aldehidos: formaldehido acetaldehído propionaldehído butiraldehfdo benzaldehldo

HCHO CH,CHO CH,CHzCHO CH3CH2CH2CH0 C,H,CHO

-21 20

Solubilidad en H,O

76 178

cu x! 16 gil00 mL 7 g/ 1O0 mL ligeramente

56

cc

metil-etil-cetona

80

26 g/lOO m L

acetofenona

202

insoluble

benzofenona

306

insoluble

49

cetonas: acetona

Propiedades espectrosc6picas de aldehidos

y cetonas Seccibn

1 1.5.

523

El resultadode estafacilidadparaformarpuentesdehidr6gen0,esyuelos aldehídos y cetonas de bajo peso molecular, al igual que los alcoholes, son solubles enagua (Tabla 11.3). Sinembargo, puestoqueentresus propias molCculasno se pueden formar puentes de hidr6gen0, los puntos de ebullici6n son marcadamente m&, bajos que los de los correspondientes alcoholes.

SECCI~N 1 1 .s.

Propiedades espectroscópicas de aldehídos y cetonas

A. Espectros de infrarrojo El espectro de infrarrojo es útil para la identificaci6n del grupo carbonilo de un aldehído o cetona. (En la Tabla 11.4 se muestran los picos de absorción característicos.) Sin embargo,otroscompuestostambikntienen grupos carbonilo(ácidos carboxílicos, ésteres, etc.). POIesta raz6n, el hechodeque un grupo carbonilo est6 presente no significa que un compuesto desconocido sea necesariamenteun aldehído o una cetona. ~~~~~~

~

~

~~

TABLA 11.4. Absorci6n infrarroja caracteristica de aldehldos y cetonas.

Posicibn de la absorcibn

.Tipo de vibracibn

cm"

w

aldehídos: alargamiento C-H del " C H O 2700-2900 alargamiento C = O 1700-1740

3.45-3.7 5.7-5.9

cetonas: alargamiento C = O

1660--1750

5.7-6.0

Para los aldehídos se puede hallar una evidencia, que mutuamente se corrobora, en los espectros de infrarrojo y de RMN,a causa de la absorci6n única del hidr6geno aldehídico. Desafortunadamente, lascetonas no se puedenidentificarpositivamentepor métodos espectrosc6picos. El procedimientousual consiste eneliminarotros compuestos carbonílicoscomoposibilidades. Así, si un determinadocompuestono es aldehído, ácido carboxilico, Cster, amida, etc., probablemente es una cetona. La absorci6n C = O dealdehídos y cetonas aparece hacia los 1700 cm-' (alrededor de 5.8 Fm). Si el grupo carbonilo está conjugado conun doble enlace o anillo bencénico, la posici6n del pico de absorci6n se desplaza afrecuenciasligeramente mfis bajas (alrededor de 1675 cm", o 6 pm, para las cetonas). La Figura 1 1.1 muestra los espectros de infrarrojo de la ciclohexanona (no conjugada) y la 2-ciclohexenona (conjugada). El alargamiento CH del grupo aldehído, cuya absorci6n aparece justamente a la derecha dela absorci6n delCH aliffitico, es característica de un aldehído. Generalmente, se encuentran dos picos en esta regi6n. En la Figura 11.2, se puede apreciar c6mo se evidencian claramente los dos picos del CH de un aldehído; sin embargo, el pico que estA más pr6ximo a la absorci6n del CH alifático generalmente esta oculto por Csta.

524

Capitulo 1 1

Aldehidos y cetonas

Propiedades espectrosc6picas

de aldehídos y cetonas

Seccibn 1 1.5.

525

PROBLEMA DE ESTUDIO 11 .l.

Asigne el espectro infrarrojodelaFigura

O

O

II

(a) C,H,CCH,CH,

11.3 a una de las siguientes estructuras:

II

(b) CH,(CH,),CH=CHCH Longitud de onda (pm)

B. Espectros de R M N Los electrones de un grupo carbonilo se ponen en movimiento por la acción de un campo magnético externo, al igual que los de un doble enlace o los de una nube pi aromática. El campo molecular inducido resultante tiene marcado efecto sobre la absorción de R M N del protón aldehídico. Como se vio en la Sección 8.7B,la absorción de R M N de un protón aldehídico se desplaza a campo bajo (6 = 9-10 ppm, fuera de la zona de absorción usual). Este grandesplazamientose origina en los efectos aditivos de la desprotección anisotrópica debida a los electrones pi y de la desprotección inductiva debida al carbono positivo del grupo carbonilo. E1 grupo carbonilo no afecta tan profundamente los hidrógenos OL de aldehídos y cetonas. La absorción de RMN de los protones CY (6 = 2.1-2.6 ppm), aparece a campos ligeramente más bajos que la absorción de otro CH (alrededor de 1.5 ppm) a causa del efecto atractor de electrones delátomode oxígeno electronegativo. Los efectos de esta desprotección debida al efecto inductivo se ponen de manifiesto en el espectro de RMN del butanal (Figura 11.4) y de la fenilpropanona (Figura 11.S). En un aldehído, el desdoblamiento del protón aldehídico puede ser utilizado a veces para determinar el número de hidrógenos CY. En el espectro del butanal, aparece el protón del grupo “CHO como un triplete, lo cual indica la existencia de dos hidrógenos CY. ~~~~

~

~


Uncompuestocon fórmula molecular C,H,O tieneelespectrode Figura 1 1.6. iCu6l es la estructura de este compuesto?

RMN que se muestraenla

526

Capitulo I I

Aldehidos y cetonas

FIGURA 11.4. Espectro de RMN del butanal, mostrando el desplazamiento qulrnico relativo de los protones a, p y y, y del protbn aldehldico.

FIGURA 11.5. Espectro de RMN de a fed-propanona.

FIGURA 11.6. Espectro de RMN para el problema 11.2.

SECCI~N11.6.

Adici6n de reactivos al grupo carbonilo

O

I1 R-C-R

General:

OH

+ H-NU

R-C-R I

-+

Nu I

1-

un hidrato

OH CH,"C"CH,

+ H"OCH3

I,

H+

C H , " CI" C H , OCH, I un hemicetal

OH CH,"C"CH,

+ H-CN

,I C H , " C -I C H ,

I

\/

CN U M

cianhidrina

528

Capitulo I I

Aldehidos y cetonas

Las reactividades relativas de aldehídos y cetonas en reacciones de adición se pueden atribuir, en parte, a la magnitud de la carga positiva sobre el carbono carbonílico. Una mayor carga parcial positiva significa una reacividad más alta. Si la carga parcial positiva se dispersa en la moltcula, entonces el compuesto carbonílico es más estable y menos reactivo. El grupo cabonilo se estabiliza por los grupos alquilo adyacentes, porque estos grupossondonadores de electrones. Una cetona con dos grupos R , es alrededor de 7 kcal/mol más estable que un aldehído con sólo un grupo R unido al carbono carbonílico. El formaldehído, que no tiene grupos alquilo, es el más reactivo de todos los aldehídos y cetonas. O

O

R-C-R una

O

II

I1

cetonu

II

R-C-H H-C-H un aldehído formaldehído

incremento de reactividad

PROBLEMA MODELO Ordene los siguientes aldehídos en orden creciente de reactividad CH,CHO, ClCH,CHO, Cl,CHCHO,C1,CCHO: Soluci6n: El cloro es un atractor de electrones. El carbono carbonílico se hace mucho m á s positivo y, por consiguiente, mucho mds reactivo a medida que tenga más átomos de cloro unidos al carbono a. Por lo tanto, el orden de reactividad'es el orden en que aparecen, siendo el menos reactivo el CH,CHO y el más reactivo el C1,CCHO. 0 .

C H , -?HO

C'I,C'+" C'HO

estabilizado desestabilizado

Losfactores estéricos influyen tambiénen las reactividades relativas de aldehídos y cetonas. Una reacción de adición al grupo carbonilo lleva a un aumento del impedimento estérico alrededor del carbono carbonílico. sp2 menos

R

impedido

sp' mds impedio

K

Los grupos voluminosos unidos al carbono carbonílico producen mayor impedimiento estérico en el producto final de la reacci6n (y en el estado de transición). El producto resultantetiene mayor contenido energético por las repulsiones estéricas. Una cetona muy impedida es, por consiguiente, menos reactiva que un aldehído o una cetona menos impedida. La carencia de impedimento estérico es otra razón de que el formaldehído sea más reactivo que otros aldehídos. O

O

II

CH,C'H2CH,CCH,CH,3 una etil-cetona

p-"

I1

CH,CH,CH,CCH, una metil-cetona

reactividad deaumento

o I1

CH,CH,CH,CH un aldehido

Secci6n I 1.7.

Reacci6n con agua

529


Un aldehido o cetona experimenta con etanol una reacci6n reversible, catalizada por hcidos, según la ecuacidn precedente. Una serie de compuestos carbomlicos se hacen reaccionar con etanol en presencia de trazas de H,SO,, hasta que se alcanza el equilibrio. En los siguientes pares de compuestos jcu6I de ellos dark lugar a un mayor porcentaje de producto de adicidn, en la mezcla en equilibrio? (a) 3-pentanona o ciclopentanona (b) 2-pentanona o 3-pentanona (c) 2-pentanona o pentanal (d) 2-clorociclopentanona 6 2-metilciclopentanona

S E C C I ~ NI 1.7.

Reacción con agua El agua se puede añadir al grupo carbonilo para dar un 1,l-diol, llamado gem-diol o hidrato. La reacción es reversible y el equilibrio generalmente tiende hacia el lado carbonílico. OH

O

II

+ H20

CH,"C"CH, acetona

I

E CH,"C"CH,

I

OH un hidrato

Se conocen hidratos estables, pero son la excepción mhs que la regla. El hidrato de cloral (un hipnótico y principal ingrediente del "Mickey Finn"*) es un ejemplo de un hidrato estable. La formalina tambitn contiene un hidrato estable del formaldehído. O

I1

C1,CCH cloral

de

hidrato

+ H J O e CI,CCH(OH),

cloral

O

I1

HCH

+ H20

formaldehído

HCH(OH), m formalina

Tanto el formaldehído como el cloral son m8s reactivos que muchos otros aldehídos o cetonas a causa de la gran cantidad de carga positiva sobre el carbono carbonílico. En el formaldehído no hay grupos alquilo, que ayuden a dispersar la carga positiva. En el caso del cloral, el grupo C&C- fuerte atractor de electrones, intensifica la carga positiva, eliminando la densidad electrhica. Comparemos las constantes de equilibrio de las reacciones de hidrataci6n del *En los EE.UU., se ledaelnombre"MickeyFinn"alasbebidasalcoh6licastratadas ocultamente con alguna sustancia medicamentosa.

530

Capitulo I 1

Aldehidos y cetonas

cloral (conun carbono carbonílicomis positivo) y de la acetona (con una carga positiva mis dispersa). ¡Las constantes de equilibrio se diferencian en'un factor de 106! O

I1

CI,CCH

OH

I

+ H,O e CI,CCH

3CCH(OH) z 1 = 3000 [Cl,CCHO][H,O]

K=

I

OH

O

II

CH,CCH3

OH

+ H,O

I

K = [CH,C(OH),CH,I

tz='_ CH3CCH3

I

[CH3COCH,J[HIOJ

=

0.002

OH


LCUsles de los siguientes compuestos pronosticaria que forman hidratos estables? Explique.

SECCldN 11.8.

Reacci6n con alcoholes De la misma forma que el agua, se puede añadirun alcohol al grupo carbonilo.En la mayoría de los casos como ocurre en la adici6n de agua, el equilibrio se desplaza hacia el aldehído o cetona libres. El producto resultante de la adici6nU MdemolCcula de alcohola una de aldehído, se denomina hemiacetal, mientras que el producto resultante de la adici6n de dos molkculas de alcohol a una de aldehído (con pkrdida de H,O) se llama acetal. (Para productos cet6nicos, se utilizan los drminos hemicetal y cetal. Todas estas reacciones se catalizan mediante trazas deicidos fuertes. General: O

RCH

I1

I

RCH

OR'

R OH.

I I OH

n

un aldehfdo

-

CH3CH acetaldehído

m H

OCHzCH3

I

CH3CH I OH un hemiacetal

RCH

c "

un hemiacetal

CH,CY,OH,

I I OR'

H

f

un acetal (dos OR sobre

OH y OR sobre C

oI1

OR'

KOH.

CH,CH,OH.

n

H,O

C)

,

. OCH ,CH CH,CH

I

OCH,CH, un acetal

+ H,O

1 1.6.

Reacci6n con alcoholes Secci6n

531

PROBLEMA MODELO J X las estructuras de los compuestos orghicos que e s t b presentes en una soluci6n metan6lica de ciclohexanona que contiene trazas de HCl. Soluci6n C'H,OH.

H'

hemicetal

cetal

PROBLEMAS DE ESTUDIO 11.S.

~Cu&lde las siguientes estructuras contieneun grupo hemiaceMicoo hemicetfílico y cull contiene un grupo acetAlico o ceMico? Seiiale con un círculo e identifique cada grupo.

11.6.

Escribalasestructurasdelalcohol y delaldehído o cetonanecesariospara de los compuestos indicados en el problema anterior.

preparar cada uno

El mecanismo de las reacciones reversiblesde aldehídos y cetonas con alcoholes es el típico de muchas reacciones de adici6n de compuestos carbonílicos catalizados por Acidos: una sucesi6n de protonacionesy desprotonaciones degrupos que contienen oxígeno. Protonacion:

un aldehfdo

estructuras en resonancia de un aldehído protonado

Ataque del R'OH:

OH

OH "H

+

I

R-C-H

I

:OR' un hemiacetal protonado

un hemiacetal

Las etapas más importantes del mecanismo de formaci6n de un acetal a partir delhemicetal son,nuevamente,protonaciones y desprotonaciones,acompañadasde p6rdida de agua. La formación de un acetal a partir del hernicetal es, por lo tanto, una reacción de sustitucidn, en dos etapas, de un grupo OH por un grupo OR.

532

Aldebidos y cetonas

Capitulo 1 7

Protonaci6n y perdida de agua:

un

hemiacetal

un carbocatión

Ataque de/ R’OH:

:iiU’

I

-ti’

G - R-7-H I

OR’ un acetal


Un carbocati6n es un intermediario en la formaci6nde un acetal. ¿Esperada queeste carbocati6n hemiacemico fuera mas o menos estable que un carbocati6n alquílico comparable? ¿Por quC? R-C-€I

I

contra

+

R-C-H

I

R’

:OK’

El equilibrio entre un aldehído, un hemiacetal y un acetal generalmente se desplaza hacia la forma aldehído. En una mezcla en equilibrio, por lo general encontramos una gran cantidad de aldehído juntamente con pequeñas cantidades de las formas hemiacetálicas y acetzilicas. Existe una excepción importante a esta regla general. Una molkcula que tiene un grupo OH en posción y ó S (1,4 6 1 3 ) respecto a un grupo carbonilo aldehídico o cetónico, puede experimentar una reacción intramolecular para formar un anillo hemiacetálico de cinco o seis miembros. Estos hemiacetales ciclicos se favorecen sobre las formas aldehídicas de cadena abierta.

(3 H,c-GH~~H /’ \:c\q Ecp2 H~-CH,

(3 (4

-0.

H, -“o

e ”‘ CH,

\-

H2C”-C.H,

Ef carbono hemiacercflico

,-.y-

tiene unidos un grupo

\;OH

OH y

/

un OR

favorecido

La razón por la cual los hemiacetales cíclicos son tan importantes es que la glucosa y otros azúcares contienen grupos oxhidrilo en posición y y 6 respecto a grupos carbonilos; por lo tanto, los azúcares forman hemiacetales cíclicos en disolucidn acuosa. Este tema ser6 explicado en la Sección 18.4. CHzOH I

I

1

OH

H

glucosa un

azúcar

CIH20H

I

I

0H

favorecido

SeccMn 1 1.9.

Reacci6n con dcido cianhidrico

~

~~

533

~


Prediga los productos hemiacethlicos o hemicetálicos cíclicos que pueden existir en disoluciones (Un estereoiacuosasde (a) 5-hidroxi-2-hexanona y (b) 1,3,4,5,6-pentahidroxi-2-hexanona. sómero de (b) es lafructosa, o azúcar de uvas). En la mayoría de los casos no se puede aislar un hemiacetal. En cambio, en ;oluciones no ácidas los acetales son estables y se pueden aislar. (Naturalmente que en solución ácida los acetales estánen equilibrio con sus aldehídos). Si se desea obtener un acetal mediante reacción de un aldehído y un alcohol, se debe emplear un exceso de alcohol con el fin de conducir las etapas de la reacción hacia el producto final. Un método, que también ayuda, para desplazar el equilibrio hacia la forma acekllica, es la eliminación de agua a medida que se va formando. En este tipo de reacción, los mejores resultados se obtienen cuando se trabaja con acetales ciclicos. O

I1

CH,CH

+ WOCH,CH,OH

acetaldehído

1,2-etanodioI (etilenglicol)

H‘

P‘CH

2

‘@H

2

e ’ C‘H,CH

1

+ H,O

cíclico un acetal

Un grupo de protecci6n es una agrupación molecular cuya m i s i h es la de proteger de una determinada reacciónuna grupo funcional, mientras que dicha reacción tiene lugar en otra parte de la molécula. El grupo de protección mencionado debe ser inerte a la mencionada reacción, pero debe ser fficilmente eliminado cuando dsta ha finalizado. Si una reacción deseada se puede realizar en condiciones alcalinas, los acetales y cetales son grupos efectivos de protección de aldehídos y cetonas. Por ejemplo, si se bloquea un grupo aldehído mediante formación de un acetal, se puede oxidar un doble enlace que pueda existir en la misma molécula, sin que el grupo aldehído se oxide a ácido carboxílico. Proteccibn:

CH,=CHCH propenal (acroleína)

+

HOCH,

I

HOCH,

/<“CH I CH2=CHCH I C ,)(‘H

2

+ H,O

>

un acetal

Oxidacibn del dobleenlace y regeneracibn del grupo aldehido:

(glicerddehído)

SECCI~N I 1.9.

Reacción con ácido cianhídrico El k i d 0 cianhídrico (P.e. 26”) se puede considerar como un gas o como un líquido de bajo punto de ebullición. En operaciones normales de laboratorio se utiliza como un gas, pero con el empleo de un aparato especial, se puede utilizar como un líquido (y en algunos casos como disolvente). Frecuentemente, el HCN se obtiene directamente en la mezcla de reacción apartir de KCNo NaCN y un ácido fuerte. El Bcido cianhídrico

.”””.

_”_”

534

Capitulo 1 7

Aldehídos v cetonas

es tóxico y particularmente insidioso, ya que el olfato humano puede detectar su olor sólo a niveles que pueden ser letales. De la misma forma que el agua y los alcoholes, el ácido cianhídrico se puede adicionar al grupo carbonilo de un aldehído o una cetona. El producto obtenido en ambos casos se denomina cianohidrina.

o I1

OH

I

+ HCN + e R--C"R

R-C-R

General:

I

Ch

un aldehído o cetona

una cianohidrina

:o,

+H a b

CH,CH

I

CH,CH-CN

L

cianohidnna del acetaldehido 75%

acetaldehído

El ácido cianhídrico es un acldo demasiado débil (pK, = 9.3) para aiiadirse directamente a un grupo carbonilo. Las adiciones que dan mejores resultadosrequieren unas condiciones de reacción ligeramente alcalinas. En estas condiciones aumenta la concentración de ion cianuro y la adición tiene lugar mediante ataque nucleofílico de CN- sobre el grupo carbonilo. Aunque los nucleófilos dtbiles (tales como H,O y ROH)requieren de catálisis ácida para unirse al grupo carbonilo, el CN- fuertemente nucleofílico no requiere un catalizador. HCN:

a

+ :OH I

e R-C-H

R-C-H f

:CN:

+ :CN:

,,O

HCN

I CN:

a

I

R-C-H

I

+CN-

CN:

Las cian6,hidrinasson intermediarios muy útiles en síntesis. Por ejemplo, el grupo CN se puede hidrolizar a grupo carboxilo o se puede reducir a grupo CH,NH,. (Las reacciones del grupo CN se discutirán en el Capítulo 13.) OH

OH

I

(CH,)?CCN

H ? O Y I

I

(CH,)ZCCO,H ~cido-2-hidroxi-2-metil-propanoico un a-hidroxi Bcidu

cianohidrina de la acetona

OH

I

(CH,),CCH,NH, l-amino-2-metil-2-propanol un $-amino-alcohol

El milpits o cochinilla de tierra (Apheloria corrigutu) lleva su propio generador de gas venenoso en forma de mundelonitrilo, una cianohidnna almacenada en sus glhdulas defensivas. Cuando el milpiés es atacado, la cianohidrina se mezcla con una enzima que la descompone en una mezcla de benzaldehído y HCN, la cual se lanza

Ueacci6n con dcido cianhidrico

Secci6n 1 1.9.

535

sobre el depredador repeliendo así el ataque.Un solo milpits puede emitir suficiente Es interesante hacer notar que a pesar de que el HCN como para matar un rat6n. mandelonitrilo benzaldehído y HCN tienen diferentes estructuras, todos ellos tienen el mismo olor de almendras amargas.

Prunus (en las que se incluyen ciruelos, cerezos y duraznos) En plantas del gknero a ls cianohidrinas se biosintetizan y almacenan como derivados de azúcares en l a s almendras de loshuesos. La amigdalina y el laetril son las m h conocidasdeesta cianohidrinas. (Estos dos compuestos e s t h estructuralmente relacionados;en realidad, laamigdalinasevendefrecuentementecomolaetril.) Ya quelascianohidrinasse no se deben comer en cantidad las almendras pueden hidrolizar enzim8ticamente a HCN, de las cerezas y de otras especies de Prunus. glucosa

&ido glucur6nico

CH,OH

OCH C,H, HO

OH

OH

HO

OH

OH lWtlil

amigdalina

(“ninilo glicosídico levorrotaorio’’)

PRO8LEMAS DE ESTUDIO 11.9.

Sugierauna síntesis p6ra el kido lhctico CH,CH(OH)CO,H, a partir deetanol y

11.1O. Los aldehídos y las cetonas no impedidas estCncamente (principalmente las productos bisulfíticos de adici6n solublesenaguacuandosetratancon acuoso concentrado. O

I1

RCH

HCN.

metilcetonas) dan bisulfito desodio

OH

+ Na’

-SO,H

I

” +

RCH-SO,-

Na+

producto bisulfftico de adici6n

Esta reacci6n se emplea algunasveces para separarun aldehído o cetona de compuestosorghicos insolubles en agua. (El aldehído o cetona se regenera por tratamiento de la soluci6n acuosa de bisulfito que lo contiene, con hcido o base.)

de adici6ndelacetal(a)Sugiera un mecanismoparalaformaci6ndelproducto,bisulfítico dehído. (b) Explique c6mo podrían separarse los siguientescompuestos(enunasoluci6n de Cter dietílico) unosdeotrosporuna sene de extracciones: Acid0 heptanoico, 4-heptanona y heptanal.

536

Capitulo I 7

Aldehidos y cetonas

SECCI~N 1 1 .IO.

Reacción con amoníaco y aminas

A. Iminas El amoníaco es un agente nucleofílico, y al igual que otros nucleófilos, puede atacar al carbono carbonílico de aldehídos y cetonas. La reacción se cataliza por trazas de ácidos. En principio, podemos imaginar la primera etapa de la reacción como una simple adición del amoníaco al grupo carbonilo. El producto de adición obtenido es inestable y puede eliminar agua para dar una imina, un compuesto que contiene la agrupación C = N. H’

+ H-NH,

RCH

u*

una imina

Las iminas nosustituidas formadas apartir de NH, son inestables y se polimerizan cuando se dejan en reposo. Sin embargo, si en lugar de amoníaco se utiliza una amina primaria (RNHJ se forma una imina sustituida más estable (llamada a veces base de Schiff). Los aldehídos aromáticos (tal como benzaldehído) o arilaminas (tal como anilina) dan las iminas más estables, aunque se pueden usar otros aldehídos, cetonas y aminas primarias. O

II

CH,CH

+

’

H,N

-H20

CH,CH=N

acetaldehido

una imina

O

+ H,NCH(CH,)2 -’

- HO :

ONCH(CH,,),

isopropil-amina ciclopentanona

una imina

El mecanismo de formaci6n de la imina es esencialmente un proceso en dos etapas. La primera etapa es la adición de la amina nucleofílica al carbono carbonílico parcialmente positivo, seguido de la ptrdida un de protón del nitrógeno y la protonación del oxígeno. Etapa I , adicibn:

co: -11

RCR

: o :-

+ R’NH,

rapids ’ -+

u*

I

:OH dpida

I

RCR c====== RCR R’YH, I R‘N IH

La Etapa 2 es la protonación del grupo OH, el cual se puede perder posteriormente como agua en una reacción de eliminación. Etapa 2, eliminaci6n:

:OH

I

R,CNHR’

rip¡&

~

~

H,O

lenta

R , C ~ N H R ’a R ~ c = P ~ H R *,-

-H’ rip¡&

R,C=NRJ la imina

Reaccibn con amoniaco y aminas

Seccidn 1 I . 1O.

537

Este tipo de reacción de dos etapas se conoce a menudo como reacción de adicióneliminación La reacción de formación de la imina depende del pH.¿Por qué? Consideremos las dos etapas del mecanismo. La primera etapa es la adición de la amina libre, no protonada, al grupo cabonilo. Si la solución es muy ácida, la concentración de la amina se vuelve ínfima Si sucede esto, la etapa que generalmente es rápida, se hace lenta, y de hecho se convierte en la etapa determinante de la velocidad en la secuencia. En medio dcido:

--+ RNH,+ /

RNH,

+ H+

t-

+

no es nucleofílico

La segundaetapa en la reacción es la eliminación del OH protonado como agua. Al contrario dela primera etapa adici6n (la dela amina), velocidad la dela segunda etapa aumenta al aumentar la concentración de ácido. (Recuérdese que el grupo OHes una base fuerte y un grupo saliente pobre, mientras que el - O H , + puede partir como agua, base débil, y, por consiguiente, un buen grupo saliente.) Por lo tanto, un aumento en la acidez hace que la Etapa 2 se apresure, pero la Etapa 1 será más lenta. Inversamente, si disminuye la acidez, la Etapa 1 se apresuraá pero la Etapa 2 será más lenta. Entre estos dos extremos esta el pH óptimo (alrededor de pH 3-4), al cual la velocidad de la reacción total es la mhima. A este pH, algo de amina está protonada y algo está libre para iniciar la adición nucleofílica. Tambiéna este pH, hay suficiente ácido para que eliminaci6n la proceda a una velocidad razonable. PROBLEMAS DE ESTUDIO 1 1.1 1.$or qué una aril-amina contiuce a una imina mis estable que la isopropil-amina? 1 1.12. ~ C u es n la geometxía de CH,CH = NCH,? LEsperm’a que este compuesto tuviera alguna forma

estereoidmera? 11.13. ~ C 6 m oprepamía cada una de las siguientes iminas a partir de compuestos carbonílicos?

NH

B. Transaminaciónbiológica La iminas sonintermedarias importantes en la biosintesis de a-aminoácidos, RCH(NH,)CO,H, que se emplean en el organismo para la síntesis de proteínas. Si la dieta no contiene las proporciones requeridas de los aminoácidos necesarios, en algunos casos el organismo convierte un aminoácido no necesario en otro necesario por una reacción de transaminaci6n. El proceso involucra la transferencia de un grupo amino del aminoácido no necesario a un cetoficido.

538

Capitulo 1 I

Aldehidos y cetonas

Transarninacih

R

R

aminoácido

cerodeido

inicial

inicial

cetdcido

aminocfcido

nuevo

W

O

Se cree que la reacción procede a traves de una serie de iminas intermediarias: CO,H

R

I

I CHO + H,NCH aldehído unido I

e CH=NCHI I

-

R

CO,H

I

I

CH N " C

"I

R

R

I

nIo

R

CO,H

+

I I

C=O

-H,O

a

I

-1

R'

R

CO,H

I

CH N " C

G===!

R

C02H

COZH

I

CHzNH2

G===!

aminokido inicial

R

I

I

R

a una enzima

CH,NH,

COzH

R

-H,O

R

I I

+

CEO R

cerodeido nuevo

CO,H

CH=NCH

H,O I I e CHO +H,NCH

R'

R'

I

R'

1 I

I

aminoácido nuevo

cetoácido inicial

C. Enaminas Los aldehídos y cetonas reaccionan con aminas primarias para dar iminas. Con aminus secundarias (R,NH), dichos compuestos carbonílicos conducen a iones iminio, que posteriormente reaccionan para dar enaminas (vinil-aminas). La enamina se forma por p6rdida de un protón del átomo de carbono p respecto al nitrógeno, con la consecuente formación de un doble enlace entre los átomos de carbono (Y y p. Las enaminas son intermediarias muy útiles en síntesis. Las encontraremos de nuevo en el Capítulo 14.

doble enlace entre los carbonos

dimetil-amina una amina 2-

un ion

una

iminio

PROBLEMA DE ESTUDIO 11.1 4. Prediga los productos de la reacción de ciclohexanona con: (a)

CH,NH,

(b) (CH,),NH

(c) C

N H

11.1 5. .Pronostique l a enamina que se forma en la siguiente reacción:

enarnina

Reacci6n con hidrazina y compuestos relacionados

539

Secci6n 1 I . 1 l .

S E C C I ~ NI 1.I I.

Reacción con hidrazina y compuestos relacionados Las íminas se hidrolizan fhcilmente (mediante agua). La etapa inicial de la hidrdisis, es la protonaci6ndelnitr6genoimínico. Si un grupo electronegativo est6 unidoal nitr6geno im'nico, la basicidad de este Btomo se reduce y no ocurre la hidrólisis.

H3C,

/c=N

n \

H3C

H*

H

e

muchos

H,C\

\

H

/

C=O

+ NH,

H 3C

una imina

H20

H3C\

,*

C=fi

/

,"- . 'H*

L

YNH2

atractor de electrones

H3C\

,C=N

" +

H3C no

H

+/

\

NHZ se favorece

Los productosdeltipo imínico formados apartirdealdehídos y cetonas y un compuesto nitrogenado del tipo H,N-NH, o H,N--OH (reactivos con un grupo electronegativo unido al nitrógeno) son bastante estables.

TABLA 11.5. Algunos compuestos nitrogenados que forman productos de sustituci6n estables con aldehídos y cetonas

Nombre con

RCHO

Producto Estructura

hidroxilamina

HONH,

RCH = NOH una oxima

hidrazina

H,NNH,

RCH = NNH, una hidrazona

RCH = NNHC,H,

fenil-hidrazina

una fenil-hidrazona

RCH=NNH

2,4-dinitro-fenilhidrazina

una

O

I1

semicarbazida RCH=NNHCNH, H,NNHCNH,

2,4-dinitro-fenil-hidrazona O

I1

una semicarbazona

Capítulo 1 1

540


En la tabla 11.5 se da una lista de una serie de compuestos nitrogenados que reaccionan con aldehídos y la mayor parte de las cetonas para dar productos tipo imina estables. H Kc\ /

H3C\

Ci .

C=O

+ H,NNHz

c "

H3C

hidrazina

H JC hidrazona acetona

/

C=NNH,

acetona

O

+

ciclopentanona

H,NNHC,H,

1i +

de la

O N N H C , H ,

fail-hidrazina

+ H20

+ H,O

fed-hidrazona de la ciclopentanona

Las hidrazonas y otros productos que se dan en la Tabla 11.5, en especial las 2,4-dinitro-fenil-hidrazonas,ó DNFH, de peso molecular alto, son generalmente sólidos. Estos derivados se utilizaron extensamente como medio de identificación, antes del masivo uso de los espectrbmetros. Una cetona líquida, de estructura desconocida, se podía transformar en su DNFH sólida, purificar posteriormente por cristalización y unavez pura, comparar su punto de fusión con el de otras DNFH de estructuras conocidas. _ _ _ ~ ~

PROBLEMADEESTUDIO 11.16. Predigaelproductode

l a reacci6n de: (a) butanona con semicarbazida; (b) ciclohexanona con 2,4-dinitro-fenil-hidrazína; y (c) acetofenona (C,H,COCH,) con hidrazina.

S E C C I ~11.1 N 2. ~-

~

La reacción de Wittig En 1954,George Wittig dió a conocer un método general de síntesis de alquenos, a partir de compuestos carbonílicos y de iluros de fosjionio. Esta sínteis se denomina reacción de Wittig. R R

\

/

C=O

+ (C,Hs),P=C

/

U'

\

U' un iluro

un aldeh ido o cetona

de fosjonio

-

a partir

u, R

/

C=C

R' ~p

: i

x:; R

un alqueno

del iluro

(C,H5).,P-@

trifenilóxido de fosfina

Un iluro es una molécula que tiene una carga positiva y otra negativaen átomos adyacentes (ver las siguientes estructuras en resonancia). Un iluro se forma por perdida de un protón de un carbono adyacente a un heteroátomo con una carga positiva (tal como P+, S , o N +). El iluro de fosfonio para una reacción de Wittig se prepara por +

(1) sustitución nucleofílica (S,2) de un halogenuro de alquilo con una fosfina erciaria como la trifenilfosfina (un buen nucleófilo, una base débil), y (2) tratamiento con una base, con lo cual, el ion fosfonio intermediario pierde un protón y forma el iluro.

la reaccidn de Wittig

(C,H,),P:

trifenil-fosfina

541

tl

R'

/"Y + CH-Xp

Seccidn 1 1 12

C' (C,H,),P"CR

-x-

I

-OCt12( H ,

+

S,-

?

una sal de fosfonl1

R'

estructuras en resonancia para el iluro

La reacciónde Wittig es versátil. El halogenuro dealquilo utilizado para preparar el iluro puede ser primario o secundario, pero no terciario (¿Por qué no?). El halogenuro de alquilo puede tener también otros grupos funcionales, tales como doble enlaces o grupos alcoxilos. El producto resultante de la reacción de Wittig es un alqueno que tiene el doble enlace en la posición deseada, aunque este alqueno no sea el más estable. Los rendimientos son generalmente buenos(alrededor del 70%). Desafortunadamente, algunas veces es difícil predecir si predominaráel producto cis o trans en una reacción particular.

ciclohexanona

isopropilidenciclohexano

o benzaldehído

estireno

O

I1

CH,CCH,

+ (C,H5),P=CHCH=CH,

acetona

-

(CyHI)I('=C'HCH=CH2

+ (C,H,),P-O

4-metil-l,3-pentadieno

El mecanismo de la reacción de Wittig se está investigando aún. Una teoría generalmente aceptada es que el grupo carbonilo experimenta un ataque nucleofflico por parte del Atomo de carbono negativo del iluro. c c a r b o n o nucleofllico

(C,H.) 5 3 P-CR',

e"---t

(C,H,),&"R',

estructuras en resonancia Adici6n al grupq carbonilo.

R

R

una betaína

Elproducto de adición del iluro y el adehído o cetona es una betaina (una molécula que tiene cargas opuestas no adyacentes. La betaína sufre una reacción de eliminación de óxido de trifenilfosfina para formar el alqueno.

-

Elirninaci6n para dar el alqueno:

R,C"C'R',

(1 t l .'O: P(C,H5)3 \~3

R,C=CR',

+ -:O-P(C6H,).j

Capitulo I I

542

Aldehidos y cetonas

PROBLEMAS DE ESTUDIO 11.17. (a)

(b)

Sugiera una reacci6n de Wittig para la síntesis de metilen-ciclohexano. iQu6 producto obtendría si pretende preparar estecompuesto por deshidrataci6n del 1metil- 1-ciclohexanol?

metilen-ciclohexano

11.18. iQu6 halogenuro orghico y qu6 compuesto carboníIico podría utilizar para preparar cada uno

de los siguientes compuestos por medio de una reacci6n de Wittig?

SECCI6N 11.13.

Reacción con reactivos de Grignard La reacción de un reactivo de Grignard con un compuesto carbonílico es otro ejemplo de adición nucleofílica a! carbono positivo de un grupo carbonilo.

cj: -C-+

: o : - MgI 4-

o+

CH,MgI

A

-C-

I I

CH,

La reacción de un reactivo de Grignard con un aldehído o cetona proporciona un método excelente para la síntesis de alcoholesy yase discutió anteriormente(Sección 6.9 y 7.4B). La secuencia de reacción est6 constituida por dos etapas separadas: (1) reacción del reactivo de Grignard con el compuesto carbonílico y (2) hidrólisis del alcóxidodemagnesio resultante para dar el alcohol. Recuerde que la reacción de Grignard del formaldehído da un alcohol primario; otros aldehídos dan alcoholes secundarios y las cetonas dan alcoholes terciarios. OMgX

HCH

1 H,O.

RMgX

\

H,O. t í '

RCH20H

alcohol I"

R

OH

OMgX R'CHO

R'C'K'

H'

R'CH

,

bI , , X R'CR"

I

R

,

H,O. H '

I

R'CHR

alcohol 2""

OH

I R'CR" I

R

alcohol 3"

1 l. 13.

Reaccibn con reactivos de Crignard Secci6n

543

PROBLEMA MODELO Sugiera dos caminos de sintesis para obtener 2-butanol apartir de una aldehido o cetona y un reactivo de Grignard. Soluci6n: Para sintetizar el 2-butanol se pueden seguir dos caminos: (1) CH,MgX y

CH,CH,CHO y (2) CH,CH,MgX y CH,CHO. En el laboratorio, la elecci6n dependera. de una sene de factores incluyendo la disponibilidad y el costo d e l halogenuro de alquilo y del aldehído apropiado. OH

de CH,Mg;l

de HCCH,CH,

OH

'Y

de CH,CH

I

de BrMgCH,CH,

Las dos secuencias para la síntesis del 2-butanol:

CH,CHCH,CH,

Sugiera tres reacciones de Grignard diferentes que conduzcan a 2-fenil-2-butanol. Soluci6n:

o It

o I1

( 2 ) CH,MgI

\

OH

544

Capitulo I 1

Aldehidos y cetonas

PROBLEMAS DE ESTUDIO 11.19. iQuC reactivos de Grignard utilizaría para llevar a cabo las siguientes conversiones? maldehido a alcohol bencílico: (b) ciclohexanona a I-propil-I-ciclohexanol.

(a) for-

11.20. ¿Cuales de los siguientes compuestos no se podrían utilizar como compuesto carbonííico de partida en una síntesis de Grignard? (Sugerencia: Vea la Secci6n 6.11.)

OH

I

O

0

I1

0

(a) CH,CHCH,CH

O

I1

II

I1

(c) C,H,CH,CH,CH

(b) CH,CCH,COH

o

O

O

II

II

(d) H , N O ! H

(f)

(e) HCCH,CH,CH,CH

0

0

SECCldN 11.14.

Reducción de aldehídos y cetonas Un aldehído o una cetona se puede reducir a un alcohol, a un hidrocarburo o a una amina. El producto de reducción depende del agente reductor y de la estructura del compuesto carbonílico. OH

I

Ii,. PI o

RCHR

/ " / hidruro metfilico

o RCR

( i ) N H ? N H 2 ~ ( 2K' ) o Zn/Hg

una cetona

un alcohol

OC(CH,),+

RCH,R

+ HCI

un alcano

una amina

A. Hidrogenacih El enlace pi de un grupo carbonilo se puede hidrogenar catalíticamente al igual que el de un alqueno. Los alquenos se pueden hidrogenar a baja presión y a temperatura ambiente; para hidrogenar un grupo carbonilo se requiere usualmente calor y presión. Una cetona se reduce a alcohol secundario mediante hidrogenación catalítica, mientras que un aldehído conduce a un alcohol primario. Los rendimientos son excelentes (90100%).

ciclohexanol

ciclohexanona un alcohol2""

una cetona 0 I

I1

CH,CH acetaldehído

un aldehído

+ Hz

Ni

calor, presi6n

CH,CH,OH etanol un alcohol 1"

Secci6n J J . 14.

Reducci6n de aldehidos y cetonas

545


El 2-heptanolsepuedeobtener mediante dosreaccionesdeGrignard,

así comomediante una reacci6n de hidrogenaci6n. Escriba las ecuaciones correspondientes a las tres series de reacciones que conducirían a este alcohol.

Si enunaestructuradeterminada e s h presentes un doble enlace y un grupo carbonilo, el doble enlace se puede hidrogenar, permaneciendo intacto el grupo carbonilo, o bien se pueden hidrogenar ambos. Sin embargo, no se puede hidrogenar el grupo carbonilo independientementedeldoble enlace. Si sedeseareducir el grupo carbonilo respetando el doble enlace, el mktodode elecci6n de reducci6n es utilizar un hidruro methlico. Se reduce C = C (pero no C = O):

O

O

I1

+ H,

CH,CH=CHCH,CH

I1

NI

CH,CH,CH,CH,CH

___t

25'

pentanal

3-pentenal Se reducen C=C y C= O

O

I1

CH,CH=CHCHzCH

+ 2 H,

3-pentenal

NI

calor y presi6n

+

CH,CH,CH,CH2CHLOH 1-pentan01

B. Hidruros metálicos El gas hidr6geno es un producto econ6mico; sin embargo, una reacci6n de hidrogenaci6n es más bien inconveniente. El aparato consiste usualmente en un tanque de gas y un recipiente de metal resistente a la presión.Un procedimiento alterno de reducci6n implica la utilizaci6n de un hidruro metdico. Dos agentesreductoresvaliososque reducen los aldehídos y cetonas a alcoholesson el hidruro delitio y aluminio (LiAlH,)* y el borohidruro de sodio (NaBH,). H

H Li

I

'

I

N L I ' H"B"H

ti-AI"H

I

I

H

H

hidnvo de litio y aluminio

borohidruro de sodio

OH I f

butanona

L (

I ) NaBH,

( 2 ) H,O. H *

OH

I

CH,CH2CHCH, 87 ')()

Estos dos hidruros metálicos son completamente diferentes en lo referente a sus reactividades. El hidrurode litio y aluminio cs un poderoso agente reductor que, no *A menudo se abrevia a LAH.

546


Capítulo I I

solamente reduce aldehídos y cetonas, sinotambitn ácidos carboxílicos, ésteres, amidas y nitrilos. El LiAIH, reacciona violentamente con el agua;las reducciones realizadas utilizando este agente reductor se hacen empleando un disolvente tal como el 6ter anhidro. El borohidruro de sodio es un agente reductor m6.s suave que el LiAlH,. Las reacciones de reducci6n que utilizan este reductor se pueden llevar a cabo empleando un aldehído o como disolvente agua o alcohol acuoso. Para hacer reducciones de cetona, es preferible utilizar elNaBH,, que es m& suave. Ciertamente, su uso es más conveniente a causade su falta de reactividad frente al agua. Si bien el NaBH, reduce dpidamente los aldehídosy cetonas, por otra parte reduce muy lentamente los tsteres. Por lo tanto, se puede reducir y grupo carbonííco de aldehídoo cetona sin la reduccidn simultanea de un grupo éster en la misma molécula. Esta selectividad no es posible con el LiAlH,. , ,&er no reducido O

O

OH

II

I

( I ) NaBH

I1

HCCH,CH2COCH2CH, 4 CH,CH2CH2COCH2CH3 (2) H,O, H +

Ni el NaBH, ni el LiAlH, reducen los dobles enlaces carbono-carbono aislados; sin embargo, algunas veces se ataca un C = C conjugado conun grupo carbonilo. Por consiguiente, una estructura que contenga un doble enlace y un grupo carbonilo se puede reducir selectivamente, en la mayor parte de los casos,en la posici6n del grupo carbonflico. A este respecto, los hidruros metálicos complementan al gas hidr6geno como agentes reductores. C = O se reduce (pero no C = C):

O

en-1-01

3-pentend

El hidruro de diisoburil-aluminio, [(CH,),CHCH,],AlH*, es un hidrun, reductor

m& nuevo pero popular y de similar potencia reductora que el LiAlH,. AdemSls de reducir aldehídosy cetonas a alcoholes, el hidruro de diisobutilaluminio reduce ácidos carboxflicosy tsteres a aldehídoso alcoholes (dependiendo las de condiciones), tambitn puede reducir dobles enlaces carbono-carbono aislados. También se pueden adquirir otros hidruros que tienen cierta actividad reductora especial. (Secci6n 13.3C). Los hidruros metálicos reaccionan transfiriendo un ion hidruro negativo al carbono la forma que un reactivo de Grignard transfiere positivo deun grupo carbonilo, de misma R al grupo carbonilo. H R--C"R

l

+ H-B-H

.O:~ ....

I

R-C-R

I

n

+ BH,

3H mds

H

Cada ion hidruro puede reducir un grupo carbonilo. Por consiguiente, un mol de LiAlH, o de NaBH, pueden reducir, te6ricamente, cuatro moles de un aldehído o cetona. Una vez finalizada la reacci611, el alcohol se libera de su sal mediante tratamiento metano1 o etanol como con aguao 6cido acuoso. (Por supuesto que si se emplea agua, *A menudo sc abrevia a D B M .

Reducci6n de aldehidos

y cetonas

Seccidn 1 l. 14.

547

disolventes en una reducción con borohidruro, este paso se lleva a cabo espontheamente.) En la hidrblisis, la parte boro del organoborato se convierte en kid0Mrico:

0Etapa 2:

I

RCHR

+ H+

-

OH

I

RCHR

El alcanfor es un compuesto ciclico con puente, que posea un grupo cetónico. La reducción del alcanfor con LiAlH, conduce a un 90% del is6metro que tiene el grupo OH en posición cis respecto al puente. ¿Por que ocurre esto? Analicemos la estructura del alcanfor. Notemos que el mencionado puente ocasiona un importaate impedimento estkrico sobre un lado del grupo carbonilo, en lo m& alto, como se muestra aquí.

w

H3C

m h impedimento (cis respecto al puente)

to

mems impedimento puente)

(trans respecto al

Cuando una cetona se reduce mediante LiAlH,, el ion atacante no es, ciertamente, un ion hidruro pequeño, sino el relativamente voluminoso A1H; o un ion hidruro de alcoxialuminio, ta: como -AlH,(OR),.Hay evidencias de que la porción medica electropositiva del hidruro mt;álico forma un complejo con el oxígeno carbonílico mientras que el ion hidruro se transfiere al carbono carbonílico. Si observamos la estructura probable del estado de transici6n, veremos cómo el AlH-,ataca por el lado menos impedido de laestructura del alcanfor, esto es, elAlH-, ataca al grupo carbonilo por la posición trans respecto al puente. El grupo OHresultante queda en cis respecto al puente.

estado de trunsici6n

(despuks de la hidrólisis)

PROBLEMAS DE ESTUDIO 11.22. Muestre c6mo podrían prepararse cada uno de los siguientes alcoholes por reducci6n con NaBH, de un aldehído o cetona. OH (a)

CH,CH,CH,OH

(b) O

O

H

(c) O k H C H ,

11.23. Cuandosetratalaglucosa(página 814) con NaBH,, seguidodeticido acuoso, seobtiene un edulcorante artificial llamado sorbitol. iCua es la estructura del sorbitol?

Capitulo I 1

548

Aldehidos y cetonas

PROBLEMA MODELO Cuando una cis-3-alquil-4-t-butil-ciclohexanona se somete a reacci6n con LiNH,, el producto predominante contiene el grupo OH en cis respecto al grupo t-butilo y al alquilo. Sugiera una razbn. Solucibn: El grupo t-butilo ecuatorial fuena al grupo R a la posici6n a x a il (Secci6n 4.5). El estado de transici6n que conduce a la formaci6n deun OH ecuatorial presenta mayor impedimento est6rico (interaccibn 1,3-diaxial) que el que lleva ala formaci6n de un grupo OH axial. Por consiguiente, el estado de transici6n que lleva ala formaci6n de un OH axial es de menor energía, estando mis favorecido, lo cual conduce al producto cis. AI ecuatorial:

impedido

,

H AI axial:

I

H se favorece

C,

ReduccionesdeWolff-Kishner y deClemmensen

La reduccióndeClemmensen y lade Wolff-Kishner se utilizan principalmente para reducirlasaril-cetonasobtenidasporreaccionesdeFnedel-Crafts (Sección 10.9E), aunque también se usan para reducir otros aldehídos y cetonas. Los dos métodos de reducciiin transforman un grupo C = O en CH,. En la reducción de Wolff-Kishner, el aldehído o cetona se transforma primero en una hidrazona por reaccih con hidrazina. La hidrazona resultante se trata entonces con una base fuerte, tal como t-butóxido de potasio en dimetil-sulfóxido como disolvente. La reacci6n esta;, por lo tanto, limitada a aquellos compuestos carbonílicos que son estables en medio básico. Reducci6n de Wolff-Kishner:

acetofenona

etil-benceno

Porotraparte, en la reduccióndeClemmensen,seutilizaamalgamadezinc (una aleación de zinc y mercurio) y HCl concentrado; estos reactivos serían los más indicados para compuestos inestables en medio básico y estables en medio ácido.

Oxidaci6n de aldehidos y cetonasSecci6n

1 l . 15.

549

Reduccidn de Clemmensen:

O

D. Aminacih reductiva Si se desea una amina como producto de reducci6n, se trata el compuesto carbonííico con amoníaco o con una amina primaria para formar la imina en presencia de hidr6geno y un catalizador. El grupo imino C = N se hidrogena catalíticamente como lo hace un grupo C = C 6 C = O .

benzaldehído

una imino

O

NHCH,

II

CH,CH,CCH3

I

CH I\iH

2

CH,CH2CHCH,

-H,O

butanona

UM

imina

N-metil-2-butil-amina

La aminación reductivaes un buen mttodo para preparar una amina con un grupo alquilo secundario: R,CHNH,. (Eltratamiento de un halogenuro de alquilo secundario con NH, en una reacción S,2 puede conducir a una eliminaci6n o a una dialquil-amina, reacci6n que se tratarfi en el Capítulo 15.)

oBr

ciclohexeno

+ NH,

-0 E?

en lugar de

bromo-ciclohexano

ciclohexil-amina ciclohexanona

Oxidación de aldehídos y cetonas Las cetonas no se oxidan con facilidad (vea las excepciones en las secciones 11.17 y 11.18); sin embargo, los aldehídos se oxidan muy f6cilmente a ficidos carboxílicos. Por regla general, casi cualquier reactivo que oxide un alcohol, oxida tambitn un aldehído (Secci6n 7.13C). Las sales de permanganato y dicromato son los agentes oxidantes más empleados, pero de ninguna manera son los únicos reactivos que se pueden utilizar.

550

Capítulo 1 1


O

CH,CH,CH ProPand

O KMnO,+

It

CH,CH,COH

propanoic0 ácido

un akiehido

un dcido

carboxílico

O

I1

CH,CCH3

KMnO,

no reacciona

acetona UM

cetona

Ademk dela oxidación por permanganatoo dicromato, los aldehídos se oxidan mediante agentes oxidantes suaves, tal como Ag+ o Cu2+.El reactivo de Tollens (solución~alcalina deun complejo plata-amoníaco) se utiliza como prueba para aldehídos. El aldehído se oxida a anión carboxilato; la Ag+ en el reactivo de Tollens se reduce a plata metálica. Si la prueba es positiva aparece un espejo de plata sobre las paredes del tubo de ensayo. Con el uso popular de la espectroscopía, el ensayo de Tollens no es el preferente para un aldehído, aunque aún algunos espejos se fabrican de esta forma. O

O

11

RCH

+

Ag(NH3)2t

OH " +

I1

RCO-

+

reactivo de Tollens

Ag espejo

SECCI6N 11.16.

Reactividad de los hidrhgenos alfa Un enlace carbono-hidrógenonormalmente es estable, no polar y ciertamente no ácido. Pero la presencia de un grupo carbonilo origina propiedades ácidas en los hidrógenos en posición alfa. Si un átomo de hidrógeno está en posición alfa respecto a dos grupos carbonilos. la acidez de aquél es lo bastante alta como para que pueda dar lugar a una sal por tratamiento con un alcóxido. El pKa del acetoacetato de etilo (CH,COCH,C0,CH2CH,) es 11; es más Bcido que el etanol (pK, = 16) o que el agua (pK, = 15). El tratamiento de este compuesto P-dicarbonílico con etcixido de sodio (o cualquier otra base fuerte, tal como NaH o NaNHJ conduce a la sal sódica. (El hidróxido de sodio no se utiliza ordinariamente con cetdsteres, ya que el grupo éster se hidroliza con NaOH acuoso. Esta reacción se presentará en la Sección 13.K.)

"r

a a un C = O

ll

CH,CCH,

acetoacetatoacetona pK, = 20

m"

a a dos grupos C = O

O ll CH,CCH,COCH2CH, de etilo pK, = 1 1

Secci6n 1 1.17.

Tautomerismo

O

0

O

II

II

CH,CCHCOCH2CH, I

+ Na'

-OCH2CH3

++

0

II

11

CH,CCHCOCH,CH, Na

H

551

+ CH,CH,OH

+

se favorece

¿Por quC es ácido un átomo de hidr6geno en posic6n a a un grupo carbonilo? La respuesta es doble. En primer lugar, el carbono alfa es adyacente a un (o dos) átomo de carbono parcialmente positivo. El carbono alfa tambitn participa un poco de esta carga positiva (efecto inductivo por atracci6n de electrones) y, en consecuencia, los enlaces C-H se debilitan. O

II

O b+

-C+-CH2+C-

I1

En segundo lugar, y más importante, estA la estabilizacih p r resonancia del ion enolato, es decir, el ani6n formado por p6rdida de un protbn. A partir de las estructuras en resonancia, podemos ver que la carga negativa la tienen los oxígenos carbonilicos al igual que el carbono alfa. Esta deslocalizaci6n de la carga estabiliza el ion enolato y favorece su formaci6n. Adyacente a un grupo carbonílico:

Adyacente a dos grupos carbonílicos:

PROBLEMA DE ESTUDIO 11.24. W l a s estructuras en resonancia de los iones enolatos que'seforman cuando l a s siguientes dionas

se tratan con et6xido de sodio.

(a) (Ot!CH,CCH,

II

II

I1

(b) CH3CCH,CCH,

SECCI~N1 1 .I 7.

Tautomerismo Aún en ausencia de una base fuerte se p u d e evidenciar la acidez de un Atom0 de hidr6geno alfa. Un compuesto carbonílico con un Atom0 de hidr6geno alfa Acido, puede existir en dos formas llamadas taut6meros: Una forma taut6mera ceto y otra

552

Aldehfdos y cetonas

Capítulo 1 1

enol. El taut6mero enol, (de -en0 + 00, que es un alcohol vinílico, se forma por transferencia de un hidr6geno hcido, situado sobre un carbono alfa, al oxígeno carbonílico. Como un htomo de hidr6geno esd en diferentes posiciones, las dos formas taut6merasno son estructuras en resonancia, son dos estructuras diferentes en equilibrio. (Recuerde que las estructuras en resonancia se diferencian solamente en la posici6n dp los electrones.) :O

H

I1 I -c-cI

:O-H

I

-,

-C=C"

forma ceto

O H

/I

I

CH3"C"CH, forma ceto de la acetona

I

forma enol

<

-

OH

I

CHJ"C=CH2

forma enol de la

acetona

PROBLEMA DE ESTUDIO 11.25. LCu6les de cada uno de los siguientes pares de compuestostaut6meros son y cdles son estructuras en resonancia?

(a) ("-NH2.

0

.

H

I

(b) CH,=CH,

II

-CH,--CH

Las cantidades relativas de las formas cetoy enol en un líquido puro se pueden determinar mediante espectroscopía infrarroja o de RMN. En la acetona la forma ceto predomina (99.99'37, determinado porun procedimiento especial de titulacibn).Tambikn predomina la forma ceto en otros aldehídosy cetonas sencillas; isin embargo, el 80% dela 2.4-pentanodionaesthen forma enol! ~ C b m se o puede explicar esta tremenda diferencia? Analicemos las estructuras taut6meras dela 2,4-pentanodiona.

forma ceto 20%

forma enol 80%

La forma en6lica no solamente tiene dobles enlaces conjugados que proporcionan cierta estabilidad a la molkula, sino que tambikn esd estructurada para la formacicin de enlace de hidr6geno interno, queayuda a estabilizar este taut6mero.

Tautomerismo

553

Sección I l . 17.

PROBLEMA MODELO Sugiera razones por las que1,Zciclohexanodiona la existe en100% en forma enol Solución: repulsiones repulsiones dipolo-dipolo

esrabiliza se

atenuadas; por puente de hidrdgeno

PROBLEMA DE ESTUDIO 11.26. Escriba las estructuras de los principales taut6meros de los siguientes compuestos:

O

II

O

0

It

(a) CH,CCH,CH

O

0

I1

I1

(b) CH,CCHCCH,

I

(c) C H 3 ! P

CH,

O

El tautomerismo puede afectar la reactividad de un compuesto. Una excepción a la regla general de quelas cetonas no se oxidan fácilmente es la oxidaci6n de cetonas que tienen, al menos, un átomo de hidrógeno alfa. Una cetona que pueda experimentar tautomerismo se puede oxidar con agentes oxidantes fuertes en eldoble enlace carbonocarbono de la forma enol. L o s rendimientos en esta reacción son bajos porque, en estas circunstancias se pueden romper otros enlaces C-C. Esta reacci6n no se utiliza en trabajos de síntesis, sino que se utiliza frecuentemente en trabajos de determinación de estructuras. O '

II

CH,CH2CH2"C"CH,CH, 3-hexanona ', I CH,CH,CH+CCH,CH,

+

HNO3conc. 7 2 CH,~H,C'O,H

kid0 propanoic0 ',

CH,CH,CH,CO,H

OH

I ;

HN03conc.

CH,CH,CH,CICHCH,

y

kid0 butanoico

+

CH,,CO,H hcido acetic0

A.

Tautomerismo en el metabolismo de

los carbohidratos

La primera etapa b e l metabolismo de los carbohidratos (almidones y azúcares) es la degradación de éstos a glucosa en las vías digestivas. Esta degradación corresponde a la hidrólisis de los enlaces acetálicos. En las células de un organismo, la glucosa se convierte al cabo en CO, y H,O. La primera etapa en esta secuencia de reacciones

Capitulo 1 1

554

Aldehidos y cetonas

celulares es la formación de glucosa-6-fosfato, seguidasudeisomerización a fructosa6-fosfato. La isomerización e5 semillamente un proceso tautomkrico, catalizado por una enzima, que procede por vía de un endiol intermediario, el cual puede conducir a dos productos carbonílicos. HCOH

HC=O

I

c=o

H-T-OH

I

I

un aldehído

un endiol

UM

celom

O

O

I1 I H-C-OH I HO--C-H I H-C-OH I

I1

CH I H-C-OH

CH

enzimafosfato

I

HO-C-H H-C-OH

I

-

f"

H-C-OH

H-C-OH

I

I

CH,OPO,H-

CH,OM

6-fosfato de glucosa

glucosa

CH,OH

I

c=o I

HO-C-H

HO-C-H

I I H-C-OW I

___) c "

H-C-OH

I I H-C-OH I H-C-OH

CH,OPO,H-

CH,OPO,H-

6-fosfato de fructuosa

un endiol

PROBLEMA DE ESTUDIO 1127. Una ve; formada la 6-fosfato de fructuosa se produce laconversi6nenzimAtica al. 1.6-difosfato,

que se rompe posteriormente en dos compuestos

con tres &tomos de carbono caaa uno:

CHOCH,OPO,H-

I

C=O CH,OPO,H-

I

H-e--OH

CH,OH

fosfato de dihidroxi-acetona 3-fosfato

gliceraldehído de

Antes de entrar en el siguiente paso, el fosfato de dihidroxi-acetona se convierte tambien en 3fosfato de gliceraldehído. Sugiera un intermediario en esta conversi6n.

Seccidn 1 1.18.

Hidrogenaci6n alfa

555

Halogenación alfa Las cetonas se halogenan rápidamenteen el carbono a. La reacci6n rcquiere condicione$ alcalinas o catálisis ácida. (Observe que la base es un reactivo, mientras que el ácicido es un catalizador.)

oacetona

acetona En medio bdsico:

+ Br2 + O H -

O

-

O

ciclohexanona

+ Br- + H,O

Rr 2-bromociclohexanona

O

I1

CH,C'CH,

+ Br2

H'

O

II

BrCH2CCH, + HBr

En medio dcido:

O+Br,

__* ''

HBr

QO+

Br

La primera etapa (laetapa lenta) de la reacciónen medio alcalino es laformación del ion enolato. El anión de unacetona con solo un grupo carbonilo es una base mucho más fuerte que el ion hidróxido. Por consiguiente, el equilibrio &ido-base está desplazado preferentemente hacia la formación de ion hidr6xido en lugar de estarlo hacia la formaci6n de ion enolato. Sin embargo, algunos iones enolatos existen en soluci6n alcalina. A medida que estos pocos aniones se utilizan, se generan más para seguir a la Etapa 2. En la Etapa 2, el ion enolato experimenta rfipidamente reacción con el halogeno para dar la cetona a-halogenada y un ion halogenuro. En medio bdsico: Etapa 1, (lenta):

estructuras en resonancia para el ion enolaro Etapa 2, (rdpida):

O

I I .-

CH,C'C'H2

+

.. p.. :g.r-g;:

O

I1

_ _ f

CH,CCH2Br:+:Br:-

PROBLEMAS DE ESTUDIO 11.28. $e qut especies dependelavelocidaddeuna a-halogenaci6n promovidapor una base? La reacci6n indicada, iseguiria una cinktica de primero o de segundo orden?

556

Capitulo 1 1

Aldehidos y cetonas

11.29. Uno de los inconvenientes de la reaccidn de a-halogenaci6n de una cetona, promovida por base, es que un segundo &tomo dehal6geno se introduce con mayor facilidad que el primero. O

II

CH3CCH,Br

+ Br, + O H -

-

O

/I

CH,CCHBr,

+ Br- + H,O

Escriba los pasos necesarios del mecanismo de la segunda halogenaci6n y sugiera una raz6n d e l por qué la velocidad de esta reacci6n es mayor que la de la primera halogenaci6n.

La a-halogenación en medio ácido da usualmente mayor rendimiento que en medio básico. La reacción catalizada por ácido procede vía enol, siendo la formaci6n de Cste la etapa determinante de la velocidad. El doble enlace carbono-carbono del enol experimentauna adición electrofílica, similar a la que sufre el doble enlace carbonocarbono, para formar el carbocatión más estable. En este caso, el carbocatión mhs estable es el que sitúa una carga positiva sobre el carbono del grupo carbonilo (porque este intermediario se estabiliza por resonancia). Este carbocati6n intermedio pierde rtipidamente un protón y forma la cetona, que está ahora halogenadaen posici6n alfa. En medio dcido:

Etapa 3 (rdpida);

Etapa 4 (rdpida);

PROBLEMA DE ESTUDIO 11.30. (a)

(b)

¿Qué especies e s t b implicadas enlaetapa determinante dela velocidad de lau-halogenación de la acetona, catalizada por Acido? ¿Cuales serían las velocidades relativas de la a-bromacibn y a-yodacih?

Hidrogenaci6n alfa

Seccidn I I. 18.

557

A. Reacci6ndelhaloformo La a-halogenación es la base del ensayo químico llamado prueba del yodoformo para se yoda totalmente hasta formación la metil cetonas. El grupo metilo de una metil cetona de un sólido amarillo denominado yodoformo (CHI,). Prueba del yodoformo:

O

O

ciclohexiimetil-cetona

ión ciclohexilyodoformo carboxilato sdlido amarillo

Pasos en la r e a c c i h :

(1)

II

11

OH-

cz===? RCCH2-

RCCH,

O

O

I1

11 -

OH^

(3) RCCHI, RCCI,

1,

12

II

RCCH,I

+I

O

I1

RCCI,

+ 1-

La prueba del yodoformo no es únicamente específica para metil cetonas. El yodo es un agente oxidante suave y, por consiguiente, cualquier compuesto que se pueda oxidar a producto metil-carbonílico dará prueba positiva. O I

CH,CH2OH -”+ formiato

ion

II

CH,CH

acetaldehído etanol I

II

CH3CHCH, 2 CH,CCH, 2-propanol

OH

u

OH

I

1,

acetona

O

II

HCO-

+CHI,

O

OH 12

I1

CH,CO-

+ CHI,

ion acetato

El bromo y el cloro también reaccionan con metil-cetonas para dar, respectivamente, bromoformo (CHBr,) y cloroformo (CHCI,). El término general utilizado para describir CHX, es “haloformo”; de aquí que esta rección frecuentemente se denomine reacción del haloformo. Puesto que el bromoformo y el cloroformo son líquidos que no se distinguen, la formación de ellos no se lleva a cabo como prueba de ensayo. Sin embargo, lareaccióndeunametil cetona con cualquiera de estos halógenos proporciona un procedimiento para convertir aquellos compuestos carbonílicos en ácidos carboxílicos.

Capitulo I J

558

Aldehidos y cetonas

PROBLEMAS DE ESTUDIO 11.31. ¿Cuales de los siguientes compuestos dan positivo a la prueba del yodoformo?

O

O

I1

(b)

(a) ICH,CH

OH

It

1

CH,CH,CH

(c) CH,CH,CHCH,

11.32. ~ Q u metil t cetona se puede utilizar para preparar, mediante la reacci6n del haloformo, cada

uno de los siguiente ácidos carbxílicos? (b) (CH,)2CHC'02H

(c) H 0 , C o C 0 2 H

C02H

S E C C I ~ NI 1.19. ~~~

~~

~

~

~

~

~~

~

~~

~

~~

~~

Adición 1, 4 a compuestos carbonfiicos a$-insaturados A. Adición electrofílica 1,4 Cuando un alquenosesomete areacción con HCl, lareacciónprocedeporataque electrofílico del H ' ,para dar el carbocatión más estable, que seguidamente es atacado por C1-. CH,CH=CH~ propeno

H'

[CH,CHCHJ

ci

~

C1

I

CH,C-HCH,~ 2-cloro-propano

Unaldehído o cetona a,p-insaturados tiene un doble enlace carbono-carbono conjugadocon un grupo carbonilo. El doble d a c e carbono-carbono en un.alqueno no es polar. sin embargo, el doble enlace carbono-carbono conjugado con un grupo carbonilo es polar, como indican las estructuras en resonancia siguientes: :o:-

d CH,=CH"CH

:o:-

I

: e"----,

I

CHL"CH-YH 'CH2"CH=CH

" U

Las estructuras en resonancia muestran que, tanto el átomo de carbono p como el carbonílico, llevan una carga positiva parcial, mientras que el oxígeno carbonílico lleva carga negativa parcial. 0 6 -

I1

c'H.=CH"CH el -arbow p es 6 +

2

1el carbono -arbonílico es

f

Puesto que el enlace C = C en un compuesto carbonílico a,p-no saturado, está polarizado, el mecanismode laadición electrofílica esalgodiferentedelquetiene lugaren un doble enlaceaislado, no polar, de un alqueno.Consideremosalgunos ejemplos de reacciones deadición electrofílica decompuestos carbonílicos a,p-no saturados; posteriormente discutiremos el mecanismo.

Secci6n 1 1.19.

Adici6n 1,4 a compuestos carbonilicos a#-insaturados

O

I1

CH,CH=CHCCH,

+ H20

-

OH

I

H'

559

O

II

CH,CHCH2CCH, 4-hidroxi-2-pentanona

3-penten-2-ona

Observe que en cada reaccih, la parte nucleofílica del reactivo (no H +) se enlaza con el carbono p, debido a que este &om0 tiene una carga positiva parcial. El ataque inicial del H ' no tienelugar sobre este htomo de carbono positivo, sino sobre el htomo de oxígeno parcialmente negativo del grupo carbonilo.

El intermediario protonado se estabiliza por resonancia. Puesto que este intermediario, el Atom0 de carbono p, todavía lleva una carga positiva parcial, puede ser atacado por un nuclebfilo. Protonacidn:

esrabilizaci6n por resonancia Ataque con Nu-.

Observe que esta reacci6n es una adición 1,4, del mismo tipo que la adición que tiene lugar en dienos conjugados. La diferencia es que el producto de adici6n inicial es un enol, que sufre tautomerism0 para dar la forma cet6nica final del aldehído. Se podría Ud. preguntar por qué el agente nucleofílico no ataca al carbono carbonflico (ya que también, en el intermediario protanado lleva una carga positiva parcial). Pues bien, este ataque puede tener lugar también, pero el producto resultante es inestable y regresa al material inicial. gsta es una reacción secundaria concurrente, no eficiente.

CH,=

o-H I J n

1

560

Capitulo 1 7

Aldehidos y cetonas

B. Adición nucleofílica 1,4 Un nucleófilo normalmente no ataca el enlace pi de un alqueno, a menos que, previamente, haya tenido lugar un ataque electrofilico. Sin embargo, puesto que el doble enlace conjugado con un grupo carbonilo es polar, la adición nucleofílica puede tener lugar, sobre el doble enlace C = C o sobre el doble enlace C = O (sobre cualquiera de los dos &tomosde carbono con carga positiva parcial).

o ll

w

CH2=('H(.Cfi,

o

OH

+ -('X

I

HC'h -t

('112=C11C('H3

II

(.HI"C tiJC'C'H.3

O

I cx

I

('h

Examinemos el mecanismo de cada reacción. Primeramente, consideraremos el ataque del ion cianuro (procedente de HCN y base diluida) sobre el grupo carbonilo. En este caso, el nucleófilo CN- ataca al carbono parcialmentepositivo del grupo carbonilo. La reacción es idéntica a la que tiene lugar entre una cetona ordinaria y ion cianuro para formar una cianhidnna.

[

:; I

Ataque del CN- sobre el carbono carbonílico:

( 3 :

CH,zCHCCH, +-:CN

L /

oI ti CH,=C'HCCH,

HC'Y

CH2=CHCCH3

+ CN-

CN I

Ahora, consideraremos el ataque del nucleófilo CN- sobre el carbono p. Esta reacción es una adición 1,4 de CN- y H+ al sistema conjugado. El producto de la adición I ,4 es un enol, a partir del cual se forma el produco cetónico. Ataque de/ CN-

sobre el

carbono

p:

I

I 'N

J o II

un enol

¿Cuál de las dos reacciones tiene lugar? A veces tienen lugar ambas, resultando así una mezcla de productos de reacción. En muchos casos, sin embargo, uno de los productos predomina sobre el otro. Un impedimento estérico en tomo al doble enlace o en tomo al grupo carbonilo puede dar como resultado un ataque preferente sobre la posición noimpedida. Los aldehídos, menos impedidosque las cetonas, experimentan, normalmente, ataque sobre el grupo carbonilo. (('tl.~(.ti~)~(.~(.t~~~}l

o II

o I1

('H2=~'u'liICtl C'f I ,

Nu- atucu aquí Nu

.

ataca aquí

Uso de aldehldos y cetonas en síntesis

Secci6n 1 1.20.

561

Un nucle6filo muy bhico (tal como RMgX 6 LiAlH.,) ataca preferentementeal grupo carbonilo, mientras que una base m& d6bil (tal como CN- 6 R,NH) normalmente ataca al doble enlace carbono-carbono. las bases rnb fuertes atacan 1,2 (al C = O):

G

-

+

CH,=CHCCH,

W

G CH,=CHCCH,

OH

I

Hzo

+

CH,=CHCHCH, OH

+ CH,MgI

W

I

-”-+

Hi H,O

CH2=CHCCH3

I

CH,

2

“las bases mds debiles atacan 1,4 (al C = C):

u-. O

O

0 11 CH,=CHCCH,

II

+ CH,NH,

CH,CH,CCH,

CH,NH I

O

0

11

CH2=CHCCH,

O

+ CN- 5

u

II

CH,CH,CCH, CN I

PROBLEMA DE ESTUDIO 11.33. Pronostique el principal producto orgbico en la reacci6n de cadauno de los siguientes reactivos con 2-ciclohexenona: (a) CH,MgI(seguido por H’ y H,O); (b) 1 equivalente de H2 con Ni como catalizador (250); (c) NaBH, (seguido por H+ y H,O); (d) NH,.

SECC16N 11.20.

Uso de aldehídos y cetonas en síntesis Los aldehídos y cetonas se obtienen fhcilmente por oxidaci6n de alcoholes y se pueden convertir a una diversidad de otros tipos de compuestos, como puede verse en la Tabla 11.6. Las reacciones en esta tabla, considetdndolas desdeel punto de vista sint&ico, se pueden agrupar en tres categorías principales:

1. reacciones en la cuales se retiene

el grupo carbonilo (halogenacih alfa y adici6n

194);

2.

reacciones en las cualesel grupo carbonilo se transforma enotro grupo funcional (por ejemplo, reducci6no conversi6n a un hemiacetal); y

3.

reaccionesenlascualesselograunaextensi6ndelacadenacarbonadaen sitio del grupo carbonilo (reacciones de Grignardy Wittig).

En eldiseñodesecuenciassintkticas,sedebentenerpresenteslas reacciones.

el tres clasesde

562

Capítulo I 1

Aldehidos y cetonas

TABLA 11.6. Tipos de compuestos que se pueden obtener a partir de aldehldos y cetonas' Reaccidn

Producto

Secci6n

acetal

11.8

cianhidrina

11.9

imina enamine llidrazona

ll.lOA ll.lOC, 14.5 11.11

alqueno

11.12

Adici6n':

RCHO

+ 2R'OH

H'

OR'

I

RCHOR' OH

RCHO

+ HCN

5

Adici6nelimina~i6n:~ RCHO + R N H , RCH,CHO R , N H RCHO + R'NHNH,

+

I

RCHCN

-

RCH=NR' RCH=CHNR, RCH=NNHR

" +

Reacci6n de Wittig: R,C=O + (C,H,),P=CR',

R,C=CR',

Reacd6n de Grignard: OH

O

alcohol 6.9, 7.48, 11.13

R'

alcohol

11.14A alcano o

0

B

11.14C

alquil-benceno R;NH H,, N,'

R,C=o

R,CHNR',

amina

11.14D, 15.5B

Halogemi6n alfa: O

O

I1

RCH,CR

+ X,

II

Hi " +

RCHCR

I

X O

I1

RCCH,

+ 3x2

( I ) OH-

RCOZH

Adici6n 1,4: O I1

RCH=CHCR

Nu

+ Nu-

o HNu

I

" +

O

II

RCHCH,CR

t=-bOdoP-

sustituido

de condensaci6n y alquilaci6n de aldehtdos y cetonas sc e x p l i c w en el Capflulo 14. TambiCn se. pueden emplear cetonas sin impedimento esttrico, tales como m ea cetonas.

'Iss -iones

11.19

Uso de aldehidos

1 1.20.

y cetonas en sintesis Seccibn

563

PROBLEMAS M O D E L O iC6mo haría la siguiente conversi6n?

-

O

I1

CH,CCH,

O

I1

CH,CCH,OH

Soluci6n: En esta conversi6n, se retiene el grupo carbonilo y se inserta un grupo funcional a

al grupo C = O. La halogenaci6n alfa es UM manera de insertar un grupo funcional en posici6n a. O

O

II

CH,CCHJ

a,. H * A

I1

CH,CCH,CI

Luego se puede obtener el alcohol por tratamiento de la a-cloro-cetona con NaOH acuoso (reacci6n S,2).

-

O

II

O

II

OH

CH,CCH,CI

CH3CCH,0H

iC6mo haría la siguiente conversión? O

Soluci6n: Esta conversi6n involucra una extensi6n de la cadena carbonada en el sitio del

grupo carbonilo. Para esta conversi6n se puede emplear la reaccidn de Wittig. O

El producto tambitn se puede obtener a partir del alcohol C&CH(OH)CH,CH,CH, por deshidrataci6n (esponthea en este caso, ya que el C = C del producto esta conjugado con u11 anillo benctnico). El alcohol, a su vez, se puede obtener por una reacci6n de Grignard, otra reacci6n que nos permite extender la cadena carbonada. O

ChHsCH

OH ( 1 ) CH,CH>CH,MgBr

(2) H20. H'

I

~

* C,H,CHCH,CH,CH,

HlO

* producto

Sugiera una síntesis para la N-etil-3-hexil-amina apartir de compuestos orghicos de tres átomos de carbono o menos. Soluci6n:

1. 2.

NHCH2CH3

I

Escriba estructura: la CH3CH2CHCH2CH2CH3 Resultaobvio quesenecesitarámásde un pasoparasintetizar estecompuesto. Debemos hacer dos cosas: construir una cadena carbonada e i n s e m el grupo etilamino. Consideremos el grupo amino primero. Podria colocarse en esta estructura por aminaci6n reductiva de una cetona. O

I1

CH3CH2CCH2CH2CH~

CH,CH,NH, Hz, Ni

+

producto

564

Capítulo 1 1


¿Existe una reacci6npara sintetizar 3-hexanona a partir de materialesde partida de tres o menos 6tomos de carbono? No, pero una reacci6n de Grignard nos puede dar el alcohol, que se oxida f6cilmente a cetona. Podemos así escribir la serie inicial de reacciones.

3.

O CH3CH2CH

OH

( I ) CH,CH,CH,MgBr

(2) H 2 0 , H'

, CH3CH,CHCH2CH2CH3 I

H CrO

O

II

CH,CH,CCH,CH,CH, El reactivo de Grignard se puede preparar por reacci6n de RX con Mg.

Se

termina la sintesis propuesta y se puede escribir la sene de reacciones de izquierda

a derecha.

PROBLEMA DE ESTUDIO 11.34. A partir de aldehídos y cetonas de seis 6tomos de carbono o menos y otros reactivos adecuados, sugiera rutas sint6ticas hacia los siguientes compuestos: O

(a) 2-fed-ppeno

'$7

(b) I ) " C 0 2 H

(c) 2-ciclopentil-1-hepteno

Resumen El grupo carbonilo es plano y polar, y el &tomode oxígeno tiene dos orbitales compleros. El grupo carbonilo puede sufrir ataque electrofilico o nucleofilico. \a+

/

\

6-

C=O:-

F+

\r(

C=O: " N u -

+

" +

/

'

C=OE

I

___*

..

-c-o:Nu l

Las cetonas son menos reactivas que los aldehidos debido (1) a la esfubilizuci6n por efecro iríductivo de lacargapositivaparcialenelcarbonocarbonííico, y (2) al impedimmto estgrico:

I1

O

II

O

I1

O

RCR<:RCH
Resumen

565

Muchas reacciones de aldehídos y cetonas son reacciones de adici6n sencillas alenlacepi C = O. Estas reacciones pueden llevar a hidratos, hemiacetales (o hemicetales) y cianhidrinas. OH

O

II

R"C"H

+ H-NU

-1

I I

R-C-H

Nu donde HNu = H20, ROH, o HCN

Otras reacciones de adici6n son las reacciones de

reducci6n y de G m . OH

O

II

+ H-H

RCR'

utalizador

I

RCHR'

O

OMgX

II

RCR

+ R'MgX

I I

RCR R'

Las reacciones de sustitucidn de aldehídos y cetonas resultan de las reacciones En de adici6n iniciales seguidas de eliminaci6n, reacciones de adid6n-e-n. estacategorfa esth laformaci6nde iminas, enaminas,hidrazonas y alquenos (por reacci6n de Wittig). En la Tabla 11.6 se da un resumen de estas reacciones.

Dado que el grupo carbonilo es polar y que sus electrones pi pueden participar en la estabilizaci6n por resonancia, un hidr6geno alfa es &ido,especialmente si es a a dos grupos carbonilo. Esta acidez puede originar tautomerismo. Es debido al tautomerismo que las cetonas sufren hdogenaci6n alfa, tal como se muestra en la Tabla 11.6, o ruptura oxidativa entre el carbono carbonílico y el carbono a.

O H

II

I

O

II

CH,C"CH"CCH, taut6mero ceto

OH

I

O

II

I CH,C=CH"CCH, taut6mero enol

Cuando un doble enlace carbono-carbono esta conjugado con un grupo C = O, pueden ocurrir reacciones de adici6n 1,2 6 1,4.

566

Aldebidos y cetonas

Capitulo 1 1 Electrofflica:

[

O

'I RZC"CH2"CR R,C"CH=CR R,C=CH"CR

HCI

,

O

II

c1 Nucleofilica:

O

OMgX

II

+

R,C=CHCH

C = O no impedido

1

R'MgX

R,C=CHCH

I

base fuerte

R O

O

II

II

CHJ=CHCR + NH, C = O impedido base dbbil

NH,

PROBLEMAS DE ESTUDIO 11.35. Escribalasestructurasde: (a) 2-metil-ciclopentanona; (b) sec-butilisopropilcetona; bromoacetona;(d)2-yodo-pentanal; y (e)2-metil-3-heptanona.

(C)

11.36. Escriba un nombre aceptable para cada una de las estructuras siguientes:

O

I1

1137.

(c) C,H,CH,CHO

(d) (CH,),CHCCH,CH,CH,

(e) BrCH,CH,CH,CHO

(f) (CH,),CHCHO

Dt?f6rmulas para

los compuestos siguientes: (a) un p-ceto-aldebído; (b) una cetona a,P-no saturada; (c) un a-bromo-aldehído;(d)unaP-hidroxi-cetona.

11.38. Diga si cada una de las siguientes ecuaciones representa un ataque electrofilico o nucleofílico sobre el grupo carbonilo:

O

II

(a) CH,CCH,

'OH

+ H+ a

II

CH3CCH, 0- 'MgI

O

II

(b) CH,CCH,

+ CH,CH,MgI

I

___*

CH,CCH, I


(c) CH3CH2CH0

+ Li'

-I

567

CH,CH,CH-== O

AIH,-

H-----AIH,

11.39. iCu6l de los siguientes aldehídos formaría el hidrato mais estable? ¿y el menos estable? ¿Por

quC? (a)

BrCHzCHO

(b)

Br,CHCHO

(c) Br3CCH0

1 1.40. Escriba la ecuaci6n para la formaci6n del hidrato de Br,CHCHO. 11.41. Escriba las ecuaciones correspondientes ala formaci6n del hemiacetal y del acetal de: (a) propanaly metanol; (b) acetona y 1,2-etanodiol; (c) 5-hidroxi-2-hexanona y metanol. 11.42. Cada uno de los siguientes compuestos se ha disuelto en agua a la que se. han añadido trazas de HC1. De las estructuras de otros compuestos ( ademBs de HC1, agua y el compuesto

en cuesti6n) que pudieran encontrarse en cada una de l a s disoluciones.

11.43. Escriba las ecuaciones Correspondientes a las reacciones de (a) acetona con

hidrazina;(b)ciclohexanonacon panal con (CH,),NH.

NaCN

+ H,SO,;

2,Cklinitro-fenil-

(c)benzaldehfdoconanilina; y (d) pro-

1 1.44. Indique c6mo podría preparar los siguientes compuestos a partir de compuestos que contienen

seis o menos Btomos de carbono: (a)

CH3CH,CH=CHN(CH2CH3),

(c)

CH,CH2CH=NC,H,

11.45. Prediga los principales productos orghicos:

(e) 0

0

+ H,NOH

H'

zx=2

568

Capítulo 1 1

Aldehídos y cetonac

11.46. W los productos de reacci6n de la ciclopentanona con:

11.47. Ordene los siguientes compuestos de menor a mayor reactividad frente a la 2,4-dinitro-fenilhidrazina: (a) 2-pentanona; (b) 3-pentanona; (c) pentanal. 11.48. iC6mo podríallevaracabolassiguientestransformacionesmediantereaccionesdeWittig? (partir de halogenuros de alquilo) (a)

0

0

O=CHCH=CH,

11.49. Pronostique los productos org6nicos principales:

-

,CO H


569

11.SO. Sugiera una síntesis para cada uno de los siguientes compuestos, partiendo del yodometanoy otrosreactivosadecuados:(a)3-metil-3-pentanol; (b) etanol;(c)2-pentanol 11.51. Pronostique los productos orghicos:

(b) 0

(c) O

0

C

H

+ Mn0,O

CH,CO,H ”--+

25

+ Mn0,- 7 OH

O

I1

(d) CH3CCH,

+ NH,

H

Pt

A

O

II

(e) CH,CCH,

+ HOCH,CH,NH,

Hz’

O

11.52. ~Cuiilde los siguientes compuestos daría positivo al ensayo de Tollens?

O

(a)

CH,CHO

(b) CH,CCH, I1

(c)

6

0

.

(d) O O C H ,

11.53. Sugiera un esquema sintetic0 para convertir 4-hidroxi-propanal a HO,CCI&CHO. 11.54. Muestre c6mo podrían prepararse los siguientes compuestos a partir de aldehidos o cetonas de

cuatrocarbonos: (a) Acid03-cloro-propanoico: (b) 4-0ctenO: tc) 3-metil-3-heptanol;(d) eter di-n-butílico (e) N-butilamina; (f) acido 3-butenoico; (g) 3-buten-1-01. 11.55. Sugiera síntesis paralos siguientes compuestos a partir de sustancias de seis Atomos de carbono

o menos y reactivos inorghicos adecuados. (Se puede emplear tambikn trifenil-fosfina.) (a)

(c)

(CH3CH2)3C0H

(b) e C H C H , C H a

o:]

( 4

.-

O C O z H

Capitulo I I

570

Aldehidos y cetonas

1156. Ordene los siguientes compuestos en orden de acidez creciente (el menos acid0 primero):

(a) 2,4pentanodiona; (b) butanal; (c) agua 11.57. Complete las siguientes ecuaciones correspondientesa reacciones hcido-base.

O

11

z==?

(a) CH,CH + O H -

O

II

+ Na'

(c) (C,H,),CHCOCH,CH,

-OCH,CH,

O

ll

(dl CH,CH,CCH,

+ exceso deD,O

-.OD

CH,

I

(e) (S)-CH,CH,CHCH,CHO

+ OH- < e

CH, (f)

I

(S)-CH,CH,CH,CHCHO

+ OH-

G

Z

~

11.58. Cada uno de los siguientes compuestos es casi tan kid0 como una P-dicetona. Muestre. las

estructuras en resonancia de cada uno de los aniones responsables de la acidez. O

II

(a) CH,NO,

(b) CH,CCH,CN

O

I1

(c) C,H,CH,CH

11.59. Escriba las ecuaciones que ilustren el tautomerism0 de los siguientes compuestos:

11.60. Pronostique los productos orghicos: O


571

11.61. ¿Que se observm'a si cada uno de los siguientes compuestos se colocara en un tubo de ensayo y se le adicionara I, en una disoluci6n diluida de NaOH acuosa?

O

O

11.62. ~ C 6 m odiferencim'a los siguientes pares de compuestos mediante pruebas químicas sencillas?

(a) ciclohexanona ciclohexanol y (b) 2-pentanona y 3-pentanona (c) pentanal 2-pentanona y (d) 2-penteno 2-pentanona y 11.63. Completelassiguientesecuaciones:

O

I1

(a) CH,=CHCCH,

+ HBr

-

O

I1

(b) CH,=CHCH,CH,CCH,

+ HCI

-

11.64. I Muestre c6mo podría sintetizar los siguientes compuestos a parrlr de marerias primas orghm:as que s610 contengan C, H y O:

(a)

CH3CH,NHCH,CH,~CH,CH,

(b) O ( f H , 3 O

11.65. Sugierauna tecnica mediante lacual los aldehídosycetonasmarcadoscon

utilizar para determinar las velocidades relativas de formaci6n de hidratos.

'*O se pudiesen

11.66. Unaaminasecundariaes

elsub-productocomúnen la aminaci6nreductiva de RCHOcon amoníaco. Sugieraun estructura general para esta amina secundaria,y explique c6mo se forma.

11.67. Cuando la quinona se trata con HCI, se forma una cloro-hidrcquinona, Escriba la ecuaci6n para esta reacci6n y muestre los intermediarios. 11.68. Cuando la 3,3,5-trimetil-ciclohexanonase trata con LiAIH,, seguidode hidr6lisis, se obtiene un 83% de rendimiento de un diastere6mero de un alcohol. Escriba la f6rmula de este diastere6mero y explique por que es el producto principal.

Capitulo 1 1

572

Aldehidos y cetonas

11.69. Explique por qut una a-alquil-ciclohexanona tiende a formar la enaminalnenossustituida.

(Sugerencia: Considere las estructuras en resonancia de la enamina.)

11.70. La reducci6n de una 3-fenil-2-pentanonaestereois6meracon LiAl H,da75% del alcohol(2R, 35) y 25% del alcohol (U, 3s).

(a) ~Culiles la estceoquimica de la cetona inicial? (b) ¿Por qut el alcohol ( 2 R , 3s) es el producto predominante? (Sugerencia: Use modelos.) 11.71. Escriba ecuaciones de flujo para las síntesis de los siguientes compuestos:

(a) 2-feNl-4-metoxi-2-buteno a partir de compuestosque tengan seisatornos de carbonoo menos (b) 4-metil-l,3-pentadieno a partir de acetona (c) 3,s-heptanodiol a partir de compuestos que contengan cuatro átomos de carbonoO menos (d) 1,3-ciclohexanodiona a partir de ciclohexanona.

(f) ácido 2,2-dimetil-propanoico a partir de 2,3-dimetil-2,3-butanodiol.

11.72. Sugiera síntesispara (a) diucetilo (2,3-butanodiona), que se usapara darle sabor de mantequilla a lamargarina, a partirdecompuestosquecontenganuno o dos carbonos (b) cloro-metil-

fenil-cetona (a-cloro-acetofenona), lacrimógeno, a partir del benceno. 11.73. (a) (b)

(c)

La 3-fenil-butanona puede formar dos enoles, pero uno es el preferido. ¿Cual es? Si la 3-fenil-butanona se disuelve en D,O con un catalizador ácido o básico y luego se recupera, se encuentraque su estructuracontienedeuteriofundamentalmenteenuna posición. ¿Qué posición? si la (R)-3-fenil-butanona se disuelve en un ácido o base acuosos, ¿qué esperaría que le sucediera?

11.74. Pronostique el producto orghico principal: O

II

CH,=CCCH3

I

O

I1

+ -CH (COCHlCH,)

CH,CH,OH 2

i

HCI diluido,

frf;

CH, 11.75. La formaci6n de un hemiacetal a partir de un aldehído y un alcohol se cataliza tanto por acid0 como por base. El mecanismo de la reacci6n catalizada por Acidose present6 en la Seccidn 11.8. Sugiera un mecanismo de la reacci6n entre el acetaldehído y el metanol, catalizada por

base. 11.76. Un acetal se puede formar en medio Acido, pero no en medio bhsico. ¿Por qut no?

Problemas de estud:o

5 73

11.78. El glutaraldehído forma un hidrato cíclico que contien: un equivalente de agua. i C d es su estructura y c6mo se forma?(Sugerencia:Si un grupo aldehído se hidrata,iqu6 reaxi6n podría

sufrir la mol&ula? O

O

It

I1

HC(CH2),CH glutaraldehído (usado como antiskptico)

11.79. El benceno reacciona con formaldehídoy HCI en presencia de cloruro de cinc para dar cloruro

de bencilo. Escriba el mecanismo para esta reacci6n. 11.80. Sugiera un mecanismo para la siguiente reacci6n:

CH,=CHCHO

+ NH,NH,

-

H

A forma dos enoles, mientras que el B solamente forma unb. (Incluya las estructuras en6licas ensu respuesta.)

11.81. Explique por qu6 el compuesto

B

A

11.82. La siguiente estructura corresponde aldcido puberúlico, un antibi6tico que se encuentra en el Penicillium puberulum.Cuando se trata con acid0 diluido, forma dpidamente un cati6n. D6 la estructura del cati6n (y sus estructuras de resonancia).

ÓH

OH

&ido puber6lico

11.83. La civetona es un componente activo delciveto*, una mezcla aisladade las glhdulas odoríferas

C,,H,O, de la civeta (gato africano) que se usa en perfumería.La civetona, que tiene la f6rmula muestra fuerte absorci6n en el espectro de infrarrojo a 1700 cm” (5.8 pm) y no da señal por encima de8 ppm en el espectro de RMN.El tratamiento dela civetona con Br,en CC14conduce a un solo dibromuroA, C,,H,,$r,O. La oxidaci6n de la civetona con soluci6n de KMnO, conduce a un iicido dicarboxílicoB, C,,H,O,. La oxidacibn dela civetona con HNO,concentrado caliente da principalmente H0,C(CH,)7C0,H y HO,C(CH,),CO,H. La hidrogenaci6n de la civetona (Pd como catalizador sin presi6ny sin calentar), seguida de oxidaci6n con HNO, caliente, conduce a un kido dicarboxílico HO,C(CH,),,CO,H. ~ C u i es l la estructura de la civetona A y B? 11.84. La mwcona (C,,H,O)

es el componente activo del almizcle, que se obtiene de las glhndulas odoríferas del ciervo almizclero machoy se usa tambikn en perfumeria. La muscona se oxida con HNO, caliente dando una mezcla de iicidos dicarboxílicos, dos de los cuales se indican a continuaci6n:

Capitulo I 7

574

Aldebidos y cetonas

LA reducción de la muscona con HCl y amalgama de mercurio y cinc conduce a metil-ciclopentadecano:

iCu6l es la estructura de la muscona? 11.SS.\ Las abejas reinasecretan un compuesto A, C,J-I,,O,,que atrae alas abejas obreras. El compuesto A es insolubleenagua y soluble en disoluci6nalcalina. Da prueba positivaal yodoformo. Cuando A se somete a la ozonólisis (tratamiento oxidativo), se obtiene el compuesto B, C,H,,O,, el cual tambiBn es soluble en base acuosa y tambiBn da positiva la prueba del yodoformo. La oxidacih de A con HNO, caliente da, entre otros productos, los &idos hexanodiojco y heptane dioico. ¿Cu¿iles son las estructuras de A y B?

11.86. Asigne a cada unode los espectros en la Figura 11.7 unade las estructuras siguientes: CH, (a)

(CH,),C'C'HO

(b) 'O %=(:/

I

H

H

\

CHO

I ( c ) NCCH2CH2C'CH0 I

CH.?

"


.

5 75

.

I

TMS

7.0

6.0

S .o

40

30

i

i

t 1.0

FIGURA 11.7. (continúa) Espectros de RMN para el Problema 11.86.

.

Capitulo 7 7

576

Aldehidos y cetonas

11.87. El compuesto A tiene un peso molecular de 132. El tratamiento del A con NaBH, enmetano1 acuoso da el compuesto B. El espectro de RMN de A y el espectro deinfrarrojo de B se muestran en la Figura 11.8. LCuhles son las estructuras de A y B? 400

S00

i

300

.

FIGURA 11.8. Espectros de RMN para el Problema 11.87.

CAP~TULO1 2

Acidos carboxílicos

U

n hcido carboxfJico es un compuesto orghico que contiene el grupo carboxilo, -CO,H. El grupo carboxilo contiene un grupo carbonilo y un grupo oxhidrilo; las interacciones de estos dos grupos llevan a una reactividad química que es única de los ácidos carboxílicos.

PkW

polar

electrones no compartidos

Ya que el grupo carboxilo es polar y no impedido, sus reacciones no son afectadas en gran medida por el resto de la mol6cula. Todós los ácidos carboxílicos siguientes experimentan reacciones análogas:

IUPAC: dcido etanoico ácido propanoico acid0 2-metil-propanoico trivial: Acid0 acetic0 kido propi6nico

kid0 benzoic0 Lido isobutíríco

La propiedad qulmica más notable de los ácidos carboxílicos es su acidez. Comparados con los ácidos minerales, como el HC1 o el HNO, (valores de pK, 1 o aún menores), los ácidos carboxílicos son ácidos dCbiles (valores de pK, típicos alrededor de 5). Sin embargo, los hcidos carboxílicos son más ácidos que los alcoholes

57%

Capítulo 12

Ácidos carboxilicos

y fenoles principalmente debido a la estabilizaci6n por resonancia del ani6n carboxilato, RC0,- . La Figura12.1 muestra una representaci6n de los orbitalespdel ion carboxilato .

I1

CH,COH

:o:

P O:

0 -

Lll p. CH,C-O:-

+ HzO

I

t--t

CH,C=O:

+ HjOi

estabilizado por resonancia

electrones pi

R vista desde arriba

vista lateral mostrando la superposici6n de orbitales p (no se muestran los electrones no compartidos FIGURA 12.1. Enlace en el ion carboxilato, RCO;

SECC16N 12.1.

Nomenclatura de los gicidos carboxflicos El nombre de la IUPAC de un Acido carboxílico alifAtico es el del alcano padre, cambiando la-o final pors ic0 y anteponiendo la palabraBcido. El carbono delgrupo carboxilo es el carbono 1, de la misma forma que el carbono del grupo aldehído.

HCOzH IUPAC: &ido metanoico

c1 I

CH,CH,CHCO,H kid0 2 t l m

H02CCH2C0,H ácido propanodibico

butanoic0

Para los cuatro primeros hcidos carboxílicos se usan con mBs frecuencia los nombres triviales que los de la IUPAC (Tabla 12.1). El nombre de Bcido f6rmico proviene de fdrmica (hormiga, en latin); en los tiempos medievales los alquimistas obtenían Acido f6rmico destilando hormigas rojas. Ácido acdtico proviene del latin acetum, “vinagre”. En estado puro se llama kido acktico glacial. El t6rmino “glacial” deriva del hecho de que el hcido acetic0 puro es un líquido viscoso, que solidifica dando un sdlido que parece hielo. El nombre de propi6nicosignifica literalmente Bcido “primera grasa”. Bcido El propi6nicoes el primer hcido carboxílico (elpeso de molecular mAs bajo) en exhibir algunas propiedades de los Bcidos gaso~que , son los Bcidos carboxílicos, obtenidos por hidr6lisisde las grasas (Secci6n 20.1). El Bcido butírico (del latín, buryrum) se encuentra en la mantequilla rancia. A continuaci6n se dan algunos otros hcidos carboxílicos que se encuentran comúnmente y sus nombres:

ácidop-tolúico

o-Mico kid0

dclohexanocarboxilicc~ ácido

kid0 acrííco

Nomenclatura de

los icidos carboxilicos Seccibn

12. l .

579

TABLA 12.1. Nombres triviales o comunes de los diez primeros &idos carboxllicos. de

Ndmero carbonos

I

2 3

y

Estructura Nombre trivial

derivaci6n nombre del

hormigas (latin, formica) vinagre (latín, acetum) leche, mantequilla y queso

f6rmico acttico propi6nico

HCO,H CH3C02H CH3CH2C02H

4 5

butírico valtrico

6 7

caproic0 enhtico

8 9

caprííico pelarg6nico

(griego) protos, primero; pion, grasa) mantequilla (latin, butyrum) rafz de valeriana (latin, valere, ser fuerte) cabra (latín, caper) (griego, ananthe, flores de enredadera) cabra su tster se encuentra en Pelargonium roseum, un geranio cabra

ci%prico

10

Como en los aldehídos y cetonas, se pueden usar letras griegas en los nombres triviales de los ácidos carboxílicospara precisar una posici6n en la moltcula respecto del grupo carboxilo. Br

CH3CH2COZH

)p carbono ( a

carbono

I

CH,CH,CHCO,H &ido a-bromo-butfrico o ácid0 2-bromo-buranoico

A veces es conveniente referirse al grupo RCO- como un grupo a d o y al RCO, como un grupo acfioxi. Por ejemplo, la uciluci6n del benceno es la sustitucidn de un H en el anillo aromático por un grupo RCOO

O

I1

I1

RCO-

RCun grupo

un grupo aciloxi

O

O

grupo acetilo (Ac -)

12.1.

acilo

O

grupo benzoilo

grupo acetoxi

(Bz-1

(AcO-)

PROBLEMAS DE ESTUDIO Escriba los nombresdela IUPAC para los siguientes Acidos carboxílicos: (a) CH,=CHCO,H

(b)

HO,CCH,CH,CH,CO,H

( c ) BrCHC02H

I

CH 3

Capítulo 12

580


Escriba nombres triviales o comunes para

12.2.

(a) CH,CHBrC02H

and

(b) HOCH2CH,C02H.

S E C C I ~12.2. N

Propiedades físicas de los ácidos carboxílicos El grupo carboxilo está idealmente estructurado para formar dos puentes de hidrógeno entre un par de moléculas. Un par demoléculasde ácido carboxílico, unidas por enlace de hidr6gen0, se llama con frecuencia dímero de ácido carboxílico. A causa de la fuerza de estos enlaces de hidr6geno (un total de aproximadamente 1O kcal/mol para los dos enlacedehidrbneno) los hcidos carboxílicos se encuentran como dímeros en proporcl6n limitada aun en fase vapor.


’

Muestre los enlaces de hidrbgenoprincipales entre las moléculasdelossiguientes compuestos.

Las propiedades físicas de los ácidos carboxílicos reflejan la fuerte asociación por hidr6geno entre las moltculas de ácidos carboxílicos. Los puntos de fusión y los de ebullición son relativamente altos. L o s espectros de infrarrojo de los Bcidos carboxílicos muestrantambib los efectos de la asociación por hidrógeno (Seccih 12.3A). Los ácidos de bajo peso molecular son solubles en agua y tambitn en disolventes xgáxicos. L o s puntos de fusión, los puntos de ebullición y las solubilidades en agua de algunos Bcidos carboxílicos se muestran en la Tabla 12.2. Una propiedad notable (no física sino fisiológica) de los ácidos carboxílicos de bajo peso molecular es su olor. L o s ácidos fórmico y acético tienen olores picantes. El ácido propi6nico tiene un olor picante, que recuerda el olor de las grasas rancias. El olor de rancio de la mantequilla se debe en parte al ácido butirico. El Bcido caproico huele a cabra (el sudor de cabra contiene ácido caproico). El ácido valérico (del latín, valere, “ser fuerte”) no es un ácido fuerte, pero tiene un olor fuerte, intermedio entre el de la mantequilla rancia y el sudor de cabra. (Muy interesante es el hecho de que el ácido valénco es el atrayente sexual del gusano de la remolacha de azúcar.) Los perros pueden diferenciarlos olores de los seres humanos porlas diferentesproporciones de ácidos carboxílicos que contiene el sudor humano. Los olores de los ácidos carboxílicos de diez y más átomos de carbono disminuyen, probablemente por su falta de volatilidad.

Propiedades espectrosc6picas dcidos los de carboxilicos Seccidn

12.3

581

TABLA 12.2. Propiedades fisicas de algunos dcidos carboxílicos

Esnurmra

Nombre

Pf

O C

P.e. "C

H20a 20°C

Solubilidad en

~~

f6rmico acCtico propi6nico butírico ValCriCO

caproic0 ciclohexanocarboxííico benzoico

HC02H CH,C02H CH3CH,C02H CH3(CH2)2C02H

CH3(CH2)3C02H CH,(CH*),COZH

8 16.6 - 22 -6 - 34

100.5

m

118 141 164 187

n

3.7 d l 0 0 mL

-3

205

1.0 g/100 mL

31 122

233 250

0.2 g/100 mL g/100 0.3 mL

cx' Go

~~

SECC16N 12.3.

Propiedades espectroscópicas de los ticidos carboxílicos

A. Espectros de infrarrojo Los iicidos carboxilicos, ya sea como líquidos puros o en disoluci6n a concentraciones superiores a 0.01 M , existen principalmente como dímeros, unidos por puentes de hidr6gen0, m& que como mon6meros discretos. El espectro de infrarrojo de un iicido carboxflico es, por consiguiente, el espectro de un dímero. A causa de la asociaci6n por hidr6gen0, la absorci6n de alargamiento OH de los iicidos carboxílicos es muy ancha y muy intensa. Esta absorci6n OH comienza alrededor de 3300 cm" (3.0 pm) e invade la regi6n de la absorci6n de enlaces carbono-hidr6geno alifiiticos (Figura 12.2). El ancho de la banda de OH de los iicidos carboxilicos puede encubrir con frecuencia no s6l0 la absorci6n alifiitica y aromiiticaCH, sino tambiCn cualquier otra absorci6n OH o NH en el espectro. La absorci6n del carbonilo se observa alrededor de 1700-1725 cm" (5.8-5.88 pm) y es de unaintensidadmoderadamente fuerte. La conjugaci6n desplaza esta absorci6n a frecuencias miis bajas: 1680-1700 cm" (5.9-5.95 Km). Longitud de onda (urn)

N h e r o deonda (cm") FIGURA 12.2. Espectro de infrarrojo del dcido 2-metil-butanoico.

Capitulo 72

582


La región dactiloscópica en el espectro de infrarrojo de un ácido carboxílico C “ 0 y laflexión OH (Tabla 12.3). Otra muestraconfrecuenciaelalargamiento vibraci6n de flexi6n OH del dímero lleva a una absorción ancha cerca de 925 cm+’ (10.8 pm)

TABLA 12.3. Absorciones infrarrojas características para dcidos carboxllicos. Posicidn de la absorcidn

Tipo de vibracidn ~

~~

cm”

CLm

~

2860-3300 alargamiento O - H 1700-1725 alargamiento C = O 1210-1330 alargamiento C-0 flexi6n O - H 1300-1440 925 flexi6n O - H (dimero) 5

3.0-3.5 5.8-5.88 7.5-8.26 6.94-7.71

-

10.8

B. Espectros de R M N En el espectro deFMN, la absorción del protón ácido de un ácido carboxílico aparece como un singulete a campo muy bajo (6 = 10-13ppm), fuera del barrido‘usual del espectro. Los protones alfa e s t h afectados s610 ligeramente por el grupo C = O; su 2.2 ppm) a causa del efecto absorci6n aparece a campo ligeramente menor (cerca de inductivo del carbono carbonííico parcialmente positivo.No existe un patrón de acoplamiento específico que pueda asociarse con el grupo “COOH, ya que el prot6n carboxflico no tiene protones adyacentes (Figura 12.3).

< .

Preparacidn de Acidos carboxllicos

583

Secci6n 12.4.

S E C C I ~ N12.4. ~~

~

Preparacih de gicidos carboxilicos Las numerosas vías sint6ticas, que llevan a los ticidos carboxíhcos se pueden agrupar en tres tipos de reacciones: (1) hidr6lisis de los derivados de los Cfcidoscarboxflicos; ( 2 ) reacciones de oxidacih; y (3) reacciones de Grignurd. La Tabla 12.4. muestra un resumen de estas reacciones.

La hidr6lisis de los &rivados de los &&S earboxílicos resulta del ataque de agua u OH- sobre el carbono del grupo carbonilo (o el carbono “CN de un nitrilo) de los derivados. La hidrdisis de un &ter para dar kid0 carboxílico y un alcohol es

TABLA 12.4. Resumen de las slntesis de laboratorio de los Acidos carboxllicos.

Secci6n

Reaccidn

Hidr6lisis:‘ O

I1

éster:

HC +RC02H HzO

RC-OR O

II

mida:

RC-NR’, O 0

+ H,O

anhídrido:

RC-OCR’

+ H20

II

I1

u OH-

+ HOR’

13.5c

RCO2H

+ HNR’,

13.9C

RC0,H

+ H02CR’

13.4c

H+ u OH-

H+u OH”---+

O

halogenuro de &ido: nitrilo:

Oxidaci6n: alcohol 1-

I1

+ Hz0

RC-X RCEN

+ Hz0

RCH20H

+ [0Ib

O

I1

aldehído: alqueno: alquil-areno:

RCH RCH=CR, Ar-R

+ [o] + [O]

+ [O]

O

I1

metil-cetona:”

+

RCCH,

H+ u OH-

H+u OH-

__+

___*

OH”--+

13.3C

R+C X0- 2 H RCO2H

+ NH3

7. I3

RC02H

\RCO2H RCOZH + R2C=O ArCOzH RCOzH

13.12D

+ CHX3

11.15 9.14 10.12

11.18A

Reacci6n de Grignard: (1)

a.&I

( 3 ) H,O.

RC02H

6.9A

H*

En disoluci6n alcalina, se. obtiene el carboxilato. El &ido se. puede regenerar por adici6n de bcido: R C a H+ “f RCGH. a

+

bAgentes oxidantes típicos son disoluciones

de K M n O , 6 HZCK),.

-

584

Capitulo 12


típica de esta clase de reacciones. Explicaremos en detalle cada una deestas reacciones en el Capítulo 13. O

O

II

CH,COCH,CH,

+ H,O

II

HA

CH3COH

i===2

acetato de etilo

adtico

un kster

+

kido

HOCHlCH, etanol

carboxílico un dcido

un alcohol

La oxidaei6n de alcoholes primarios y aldehídos para dar ácidos carboxílicos se explic6 respectivamente en las Secciones 7.13C y 11.15. La principal limitacih de la oxidaci6n de alcoholes es que la fuerza que se necesita del agente oxidante impide la presencia de otro grupo funcional oxidable en la molécula(a no ser que esté protegido por un brupo bloqueante, tal como el dibromuro de un alqueno o el acetal de un aldehído). Aun con esta limitación, la oxidaci6n de alcoholes primarios es el proceso más común para obtener ácidos carboxílicos, porque los alcoholes e s t h disponibles fhcilmente. HJrO,

f

+

RCOLH

RCH20H sin doble enlace, grupo aldehído, bencílico u otro grupo -OH

La oxidaci6n de los aldehídos transcurre con agentes oxidantes suaves (tales como Ag+), que no oxidan otros grupos; pero RO es tan fácil disponer de los aldehídos como de los alcoholes primarios. La oxidaei6n de los ufquenos se emplea principalmente como herramienta analítica, pero también se puede usar en la síntesis de ácidos carbxílicos. Como los alcoholes, los alquenos requieren agentes oxidantes vigorosos.

0

ciclohexano

MnO,calor +

H02CCH,CH,CH,CH,C02H ácido hexanodi6ico (Lido adípico)

La oxidaeidn de alquilbencenos sustituidos es una ruta excelente para los ácidos benzoicos sustituidos, Un grupo carboxilo es un meta-director pero un grupo alquílico es un orto, para-director. La.sustituci6n electrofílica de un alquilbenceno, seguida por oxidaci6n, da ácidos benzoicos o- y p-sustituidos.

2,4-dinitm-benzoico 2.4-dinitro-tolueno &cid0

Preparaci6n dcidos de carboxilicos Secci6n

12.4.

585

Una reacci6n de Grignard entre un reactivo de Grignard ( lariot 2 & O , 3ari0, vinílico o arilico) y dióxido de carbono (como gas o como hielo seco) es con frecuencia el método de elección para preparar un ácido carboxílico.

bromuro de fenil-magnesio

&cid0 benzoico 85%

Resumamos las rutas comunes para sintetizar los ácidos carboxílicos desde un punto de vista diferente; de lo que ocurre a la molécula como un todo. La síntesis a partir de un halogenuro de alquilo, por la ruta del nitrilo o del reactivo de Grignard, lleva a un Bcido carboxílico con un carbono más que el halogenuro de alquilo. Alargamiento de la cadena:

La oxidación de los alcoholes primarios (o aldehídos) no afecta la longitud de la cadena carbonada; tampoco lo hace la hidrólisis de un derivado del ácido carboxílico. E l mismo número de carbonos:

La oxidación de un alqueno (a denos que sea cíclico) produce la fragmentación de la cadena padre. Fragmentacibn:

RCH=CR,

Lln0,-

'

RC0,H

+ O=CR,


Considerandosolamentelas reacciones deformaci6nde nitrilos y l a s reaccionesdeGrignard, proponga una ruta factible para cada una de las siguientes conversiones; HOCH,CH,CI (b) (CH,),CCH,CI

(a)

__*

HOCH,CH,CO,H (CH,),CCH,CO,H

Capitulo I2

586


SECCIóN 12.5.

Acidez de los aicidos carboxílicos Los ácidos carboxílicos, los ácidos sulf6nicos, (RS0,H) y los sulfatos ácidos de alquilo (ROS0,H) son las únicas clases de compuestos orgánicos más ácidosque el ácid0 carbónico (H,CO,). De estas tres clases, los ácidos carboxílicos son los más comunes en general. RCH, RNH, RC"CH 45 35

aprox. pK,

25

ROH

H,O

18

15

ArOH 10

H,CO,

RCO,H

6.4

'5

fuerza L i d a creciente

Debido a que son más ácidos que el ácido carbónico, los Acidos carboxílicos experimentan una reacción ácido-base tanto con el bicarbonato de sodio como con bases más fuertes, tales como NaOH. O

/I

CH,COH acetato

+ OH-

ion Lido acktico

O

I1

CH,COH

+ HCO,-

-

O

/I

CH,CO-

+ H,O

O

II

CH,CO-

+ [H,C03]

-

H,O

+ CO,

Mientras los ácidos carboxílicos reaccionan con bicarbonato de sodio, los fenoles requieren la base NaOH más fuerte, y los alcoholes requieren una base todavía más fuerte, tal como NaNH,.

ArOH En NaOH:

HCO,-

RC0,H

En NaHCO,:

y

RC0,H ArOH ROH

_

_

_

f

RC0,-

+ CO, + H,O

HCO

ROH 2 sin reaccidn apreciable

OH

OH

OH

~

RC0,-

+ H,O

Aro- + H,O sin reacci6n apreciable

Esta diferencia entre fenoles y ácidos carboxílicos en la reactividad frente al NaOH y al NaHCO, es la base de un sencillo procedimiento de separacidn y clasificaci6n. Si un compuesto insoluble en agua se disuelve en disoluci6n de NaOH, pero no en disoluci6n deNaHCO,, es probable que sea un fenol. Por otra parte, si el compuesto se disuelve en ambas disoluciones, la de NaOH la y deNaHCO,, es probable que sea un Bcido carboxílico. Un 6cido carboxílico se puede extraer de una mezcla de compuestos orgánicos insolubles en agua con una disoluci6n de bicarbonato de sodio. El ácido forma la sal de sodio y se torna soluble en agua, mientras los otros compuestosorg6nicospermanecen insolubles. El ácido carboxílico libre se obtiene poracidificación de la disoluci6n acuosa. Ya se use como prueba, o como procedimiento de separación, la reacci6n con bicarbonzto de sodio tiene sus limitaciones. Si la porcidn hidrocarbonada del ácido carboxílico es muy larga, el compuesto no se disuelve en disolucih de NaHCO, y puede aun no disolverse en disolución de NaOH. Además,. algunosfenoles, tales como

Acidez de los &cidos carboxilicos Secci6n

12.5.

587

los nitro-fenoles, tienen fuerza ácida comparable a lade los ácidos carboxílicos; estos fenoles se disuelven tanto en disolución de NaHCO, como de NaOH. ~~~

PROBLEMAS DE ESTUDIO 12.5. Un aldehido,procedentedelalmacen,estáprobablementecontaminadocon carboxííico (por oxidaci6n aeróbica del aldehído). Describa verbalmente c6mo ilcido indeseable. 12.6.

algo deilcido eliminm’a el

Se encuentra con una disolución etérea, conteniendo una mezcla de ácido heptanoico, 1-naftol y 1-octanol. iC6mo separda estos tres componentes?

1 -naftol

A. Equivalentedeneutralización El peso equivalente de un ácido o su equivalente de neutralización es el número de gramos del ácido que reacciona con 1.O equivalente de OH-. El equivalente de neutralizaciónsedeterminatitulando un peso conocidadelácidoconunadisoluci6n valoradadehidróxidodesodio. El punto finalse determinafrecuentementeporel cambio decolor de un indicador tal como la fenolftaleína; pero el pH-metro da resultados más confiables. RC0,H

+ OH-

-

RC0,-

+ H,O

En el punto final, el número de equivalentes de base añadidas [normalidad de la base por su volumen en litros (o A V ) ] es igual al número de equivalentes del ácido. Del peso de la muestra del Acid0 y desunúmerode equivalentes, se puede calcular el equivalente de neutralizaci6n.

NV

= Número de equivalentes de OH- = Número de equivalentes de kid0

equivalentedeneutralizacióndelácido

=

Peso en g. de ilcido núm. de equivalentes de ilcido.

Ejemplo: Una muestra de 0.528 g de un ilcido carboxflico requiere 24.00 ml de NaOH 0.100N para neutralizarse. ¿Cuál es el equivalente de neutralizaci6n? equivalentes de ilcido = equivalentes de HO-

=m

=

(O. 100 equiv/litro) (0.0240 litro)

= 0.00240 equiv.

equivalente de neutralizaci6n =

-

peso en g núm. equivalentes

0.528 g 0.00240 equiv.

= 220

ciclohexan-

588

Capitulo 12


Si un ácido carboxílico tiene sólo un protón ácido por molécula, el equivalente de neutralización es igual al peso molecular. Si el 6cido tiene dos protones ácidos, el equivalente de neutralización es sólo la mirad del peso molecular.

equivalente de neutralizacidn molecular: peso

122.1 122 I

83.0 166. I


Unamuestrade 0.200 g de un ácido desconocido requiere 13.00 ml dedisolucidn 0.201 N de NaOH, para alcanzar la neutralidad. ¿Cuál es el equivalente de neutralizaci6n del ácido?

12.8.

¿Cuáles son los pesos equivalentes de:

CH,CO,H

I I

(a) ácido succínico, HO,CCH,CH,CO,H (b) ácido cítrico, HOCC0,H CH,CO,H

S E C C I ~ N12.6

Sales de Bcidos carboxílicos La reacción de un ácido carboxílico con una base produce una sal. Una sal orgánica tienemuchas de las propiedades físicas de las correspondientes sales inorgánicas. Como el NaCl o el KNO,, una sal orgánica tiene elevado punto de fusión, es soluble en agua e inodora. HC0,H

de

o-

+ Na'OH-

formiato f6rmicc ácido

COzH

+ Na'

-

HC0,-

ácido carboxnico

+ H,O

H C 0 , - Na'

o-

sodio

+

COZ Na'

H,O

+ CO,

de sodio

Elanión carboxilato se nombra suprimiendo la palabra ácido cambiando la terminación -ico del nombre del ácido carboxílico por -ato. En el nombre de la sal, el nombre del catión sigue al nombre del anión, como palabra única o bien separada por la preposición 'de'. CH,CO,H

CH,CO,- Na'

ácido acético acetato

sodio de

NH,

I

HO,CCH,CH2CHCO,H

(o)-cu..-

(OtCO,H ácido benzoic0 benzoato amonio de

NH 2

I

HO,CCH,CH,CHCO,

monosMicio glutamato glutámico ácido

un aminocicido presente en las proteínas realza

los sabores

Na'

NH,'

C6mo afecta la estructura a fuerza la

del dcido

Seccidn 12.7.

589

El ioncarboxilato es una base débil y puede actuarcomo nucle6filo. Los ésteres, por ejemplo, pueden prepararse por la reacción entre halogenuros de alquilo reactivos y carboxilatos (Capítulo 5). C,H, CH,CO,ion acetato

-1

+

r

CH,-Br

__*

bromuro de bencilo

C,H,CH202CCH3 acetato de bencilo

+ Br

un ester

S E C C I ~ N12.7.

Cómo afecta la estructura a la fuerza del ácido La fuerza de unBcido es la expresi6n que describe el grado de ionizaci6n deun ácido: a mayor grado de ionización, más iones hidrógenose forman y m8s fuerte es el ácido. La fuerza de un ácido se expresa por su K, o su pK, (Tabla 12.5). (Se recomienda revisar la explicacion de K, y pK, en la Sección l . 10 antes de seguir adelante). , En esta sección explicaremos las caractensticas estructurales generales, que afectan la fuerza ácida de un compuesto orgánico. Pondremos énfasis en los Acidos carboxilicos; pero no limitaremos la exposición a estos compuestos. La reacci6nde un ácido débil con el agua es reversible. El equilibrio se desplaza hacia el lado de la ecuaci6n de más baja energía. Cualquier característica estructural,

TABLA 12.5. Valores de pK, de algunos 6cidos carboxílicos

Nombre trivial

Estructura

PK,

f6rmico acktico propi6nico butírico trimetil-acktico

HC0,H CH3COzH CH,CH,CO,H CH,(CH,),CO,H (CH3)3CC02H

3.75 4.75 4.87 4.8 I 5.02

Auoroacético cloroacético bromoacético yodoacético dicloro-adtico tricloro-acético

FCH,CO,H CICH,CO,H BrCH,CO,H ICH,CO,H CI,CHCO,H CI,CCO,H

2.66 2.81 2.87 3.13 1 .?9 0.7

a-cloro-propi6nico P-cloro-propi6nico

CH,CHCICO,H CICH,CH,CO,H

2.8 4. I

OH lactic0 vinil-acktico

".

"""."_".._I"

I

CH,CHCO,H CH,=CHCH,CO,H

3.87 4.35


Capítulo 12

590

que estabilice el anión con respecto a su ácido conjugado, incrementa lafuerza &+da, desplazando el equilibrio hacia el lado de H,O'y del anión (A-). HA

+ H20

E H,O'

energía menor signtj'ica dcido m4s fuerte

+ A-

L o s principales factores que afectan la estabilidad de A- y por tanto la fuerza ácida de HA, son (1) la electronegatividad del A-; (2) el tamañodel A-; (3) la hibridación del A-; (4) el efecto inductivo de otros átomos o grupos unidos al átomo negativo en A-; (5) la estabilización por resonancia del A-; y (6) la solvatación del A - . Explicaremos cada una de estas características por separado, pero recuerde que no son independientes entre sí.

A.

Electronegatividad

Un átomo más electronegativo retiene sus electrones de enlace con m& fuerza que un átomo menos electronegativo. En comparaciones de aniones, el anión con un átomo más electronegativo que lleva la carga iónica negativa es generalmente el anión más estable. Por lo tanto, a medida que avanzamos de izquierda a derecha en la tabla periódica, encontramosque las elementosforman aniones progresivamentemás estables y que los ácidos conjugados son ácidos progresivamente más fuertes. C

I

N

F

O

electronegatividad creciente de

los elementos

V R,C-H

RO-H R2N"II

F-H

fuerza Acida creciente

Lo inverso resulta cierto cuando tomamos en conside n las fuerzas básicas de las bases conjugadas. El anión de un ácido muy dkbil es una base muy fuerte, mientras que el anión de un ácido más fuerte es una base más débil.

iL

fuerza bhsica creciente

Por ejemplo, considere las reacciones de ionización del etanol y el HF en el agua. Como elemento, el F es más electronegativo que el O; por lo tanto, el ion fluoruro es más capaz de llevar una carga negativa que el ion alcóxido. Aunque el HF es un ácido débil, es mucho más fuerte que el etanol. Inversamente, el ion fluoruro es una base más débil que el ion etóxido. CH,CH20H ácido

más

ph,,

+ H,O

5

+ H,O'

CH,CH,O base

débil

&S

fierce

16

HF

+ H,O

ácido m á s fuerte

E base

F más

+

ti30*

débil

pA,,~- 3.45

B.

Tamaño

Un átomo de mayor tamaño es más capaz de dispersar una carga negativa que un átomo de menor tamaño. La dispersión de una carga resulta en la estabilización. Por lo tanto, a medida que aumenta el tamaño de un átomo unido al H a través de una serie de compuestos en cualquier grupo de la tabla periódica, aumenta la estabilidad

C6mo afecta estructura la

a fuerza la

Secci6n 12.7.

del 4cido

591

del ani6n y tambiénaumenta la fuerzade la acidez. Debido al tamaño pequeño del Atomo de flúor, el HF es un Acid0 m& dtbil que los otros Acidos halogenados, incluso aunque el fluoruro es más electronegativo que los otros halogenos. F

CI

1

I

Br

radio i6nico creciente

pK,:

HF

HCI

H Br

3.45

-7

-9

HI - 9.5

fuerza 6cida creciente

V

C. Hibridacih En la Secci6n 9.1 explicamos por qué un alquino con un grupo =CH es dtbilmente ácido. El creciente carácter S de los orbitales híridos del carbono en la seriesp3 s p 2 - s ~ significa electronegatividad creciente del carbono y, por consiguiente, polaridad creciente del enlace CH y fuerza ácida creciente. Una mayor electronegatividad del átomo unido al H aumentatambién laestabilidaddelani6n y , por lo tanto,laácidezdel compuesto. Por esta raz6n, el protón de un alquino es más ácido que el de un alqueno, que a su vez es más ácido que el de un alcano.

-

CHJH, 43

pK, aprox.

CH,=CH, 36

CH-CH 26

fuerza dcida creciente

De nuevo, el ácido más fuerte de la serie contiene por ani6n la base más débil.

fuerza bhsica creciente

D. Efectoinductivo Hasta aquí, hemos explicado cómo afecta a la acidez el átomo unido directamente al hidr6geno.Sinembargo,lasotraspartes de lamoléculapuedentambiénafectar la fuerza ácida. Compare los valores de pK, del ácid0 acetic0 y del Acido cloroacético ". CH,CO,H

CICH2C'02H

Lido acttico

ácido cloroacktico pK,, = ? . X I

pK,, = 4.15

Como Acido, el Acido cloroacético es cien veces más fuerte que el ácido acktico. Esta mayoracidezsurgedel efecto inductivodel cloro electronegativo. En el ácid0 carboxílico no ionizado, el cloro, que sustrae electrones, disminuye la densidad electr6nica del carbono a. El resultado es una estructura de energía relativamente alta con cargas positivas adyacentes.

o

c

~

ni

I1

-

~

cargas + 6 adyacentes ~

desestabilizan &ido al

+

~

~

~

~

~

~

Capitulo 12

592


La presencia del cloro reduce, sin embargo, la energía del anión. En este caso, la carga negativa del grupo carboxilato está parcialmente dispersada por la carga próxima 8 .

+

O

II

&-Las cargas prcixirnas 6

Cl+-C'H2+-C-0 "

"+

8 estabilizanalanión

El efecto de un grupo electronegativo próximo al carboxilo es reforzar la fuerza del ácido por desestabilización del ácido y estabilización del anión en relación mutua. O

II

ClCH,COH

O

II

+ H 2 0 e CICH,CO + H,Oi

menos estable

m 6 s estable

A continuación se da una lista de grupos en orden creciente de su poder atractor de electrones: H-

CH,-

CH2=CHC6Hs-

HO-

CH30-

I-

Br-

Cl-

fuerza lcida creciente

1 Los valores de pK, de los siguientes ácidos carboxílicos reflejan las diferencias en el poder atractor de electrones de los grupos unidos al -CH,CO,H: CIj,CH,CO,H CH,CO,H CH,=CHCH,CO,H C,H,CH,C02H HOCH,CO,H CICH,CO,H ljK" :

4.87

4.75

43 5

3 .x7

4 31

2.x1

n

1

poder creciente como atractor de electrones

Mientras más grupos atractores de electrones, mayor será el efecto inductive. El ácido dicloroacéticoes más fuerte queel ácido cloroacético, y el hcido tricloroacético es el más fuerte de los tres. CK'H2CO2H

&cid0cloroac&ico

ClzCHCOzH

CI,CCO,H

ácido dicloro-acético

kido tricloro-acético

pK,,= 1.29

pK,,= 0.7

pK,, :.x1

La influencia del efecto inductivo sobre la fuerza del ácido disminuye a medida que aumenta el número de átomos entre el grupo carboxilo y el grupo electronegativo. El ácido 2-cloro-butanoic0 es un ácido sustancialmente más fuerte que el ácido butanoico; sin embargo, el pK, del ácido 4-cloro-butanoic0es muy próximo al del ácido no sustituido.

4.

pK" :

x

45

4.0

Fuerza dcida

de dcidos benzoicos sustituidos Seccidn

12.8.

593

PROBLEMADEESTUDIO 12.9. ¿Cudes el Bcido más fuerte: (a)Bcido fenilactticoo acid0 brohoacktico? (b) iicido dibromoacético o ácido bromoacktico? (c) ácido 2-yodopropanoico o ácido 3-yodopropanoico?

E. Estabilizacihn por resonancia alcoholes, fenoles y hcidos carboxílicos contienen grupos -OH. Sin embargo Las diferencias estas clases de compuestos varían dramhticamente en su fuerza hcida. (o a la falta de ella) pueden atribuirse directamente a la estabilizaci6n por resonancia del ani611 respecto de su Acid0 conjugado. LOS

pK, aprox.

ROH

ArOH

RCO,H

18

10

5

En el caso de los alcoholes el ani6n no se estabiliza por resonancia. La carga y no esd deslocalizada. negativa deun ion alc6xido reside enteramente en el oxígeno En el extremo opuesto de la escala e s t h los hcidos curboxilicos. La carga negativa Los fenoles son del ion carboxilato esth igualmente compartida por los dos oxígenos. y los alcoholes en cuanto a acidez. El oxígeno intermedios entre los ácidos carboxílicos de un ion fen6xidoesd adyacente al anillo aromAtico y su carga negativa se deslocaliza parcialmente por la nube aromAtica pi. Un alc6xido:

CH3CH,0-

sin estabilizaci6n por resonancia

Un fen6xido:

-c i 0 : -

@ o .. -

0-

i


un carhxi/aco:

G: CH,CC&

+-"

-00:0 -0 :

L-

u

:G:I CH,C=O:

contribuyentes iguales

F. Solvatacihn La solvatación del ani6n puede jugar un papei importante en la acidez de un compuesto. Por asociaci6n con el anión, las moléculas del disolvente estabilizan al anibn, ayude interacciones dipolo-dipolo. Cualquier dfindole a dispersar la carga negativa a travds factor que incremente el grado de solvataci6n del ani6n, incrementa la acidez del compuesto en disolucih. Por ejemplo, el agua tiene mayor capacidad que el etano1 para solvatar 10s iones. Una disoluci6n acuosa de unAcido carboxflico es m& &ida que otra disoluci6n en etanol por un factor de 105.

Fuerza Bcida de Bcidos benzoicos sustituidos Podría esperarse que la estabilizacih por resonancia de la nube aromhtica pi jugase un gran papel en la fuerzaAcida relativa del Acido benzoic0 y de los hcidos benzoicos sustituidos; sin embargo esto no es así. La carga negativa del ion carboxilato estA

594

Capitulo 12

Ácidos tarboxilicos

compartida por los dos oxígenos del ion carboxilato, pero no puede deslocalizarse efectivamente por el anillo aromAtico. (Los oxígenos del ani6n carboxilato no es& unidos directamente al anillo arom6tico; no pueden representarse estructuras en resonancia en las que la carga negativa esté deslocalizada por el anillo.)

Aunque la carga negativa del ion benzoato no se deslocalice en el anillo benctnico, el Acido benzoico es mAs 6cido que el fenol. En el ion benzoato, la carga negativa est6 igualmente compartida por los dos 6tomos de oxígeno electronegativo. Sin embargo, en el ion fen6xido la mayor parte de la carga negativa resideÚnico en el&om0 de oxígeno. Ya que el anillo bencénico no participa en la estabilizaci6n por resonancia del grupo carboxilato, los sustituyentes del anillo bencénico influyen en la acidez, principalmente por efecto inductivo. Independientemente de la posici6n de la sustituci6n, un grupo atractor de electrones aumenta por lo general la acidez de un Acido benzoico (Tabla 12.6). TABLA 12.6. Valores de pK, de algunos dcidos benzoicos.

Posicidn de sustituci6n versus pK, Aci&

e C 0 2 H

c H ' 3 0 n C 0 2 H

m>CO,H

orto

meta

para

4.2

4.2

4.2

4.1

4.1

4.5

2.9

3.8

4.0

"Un enlace al centro del anillo d e l benceno denota posici6n no especificada de la sustimci6n

Fuerza dcida de dcidos benzoicos sustituidos

Seccidn 12.8.

595

todos son &idos m&sfuertes que el k i d 0 benzoico

Las razones por las que un sustituyente electronegativo incrementa la fuerza Bcida son, de nuevo, la desestabilización del Bcido y la estabilización del anión.

desestabilizado por sustracci6n de electrones

estabilizado por sustracci6n de electrones

Unsustituyente alquilo donadorde electrones que esté en las posiciones m- o p- respecto al grupo carboxilo, disminuye la fuerzaácida de unBcido benzoico. Cediendo los electrones, el sustituyente estabiliza el ácido no ionizado y desestabiliza el anión.

Casi todos los sustituyentes en orro (sean donadores o atractores de electrones) aumentan la acidez deun ácido benzoico. Las razones de este efecto -orto, como se le llama, son probablemente una combinaci6n de factores estkricos y electrónicos. los o- sustituyentes aumentan la acidez

PROBLEMA MODELO En la Tabla 12.6 se observa que el ácido p-hidroxi-benzoic0 es un ilcido m& dkbil que el kido benzoico, a pesar de que el grupo oxhidrilo es atractor de electrones. Sugiera una raz6n para ello. (Sugerencia: escriba las estructuras en resonancia del ani6n, mostrando la deslocalizaci6n de los electronesno compartidos del oxígeno delOH en el anillo benchico.) Soluci6n: La disminuci6n de la acidez es un ejemplo de la desestabilizaci6n por resonancia

del ani611 benzoato. La clave estA en la estructura señalada con un círculo, en la que la carga negativa queda adyacente al grupo -COZ-. Esta estructura confiere energía al ani6n.

5%

Capítulo 12

carboxilicos Ácidos

PROBLEMAS DEESTUDIO el kido m-isopropil-benzoic0fuese un kid0 h i s fuerte o d s d6bilque el ficido benzoico? ~Cufilser6 m6s fuerte,el icido m-nitro-benzoic0 o el Lido 3,5-dinitro-benzoico?

12.1 O. (a)LEspem'aque (b)

12.1 l. El pK, del ficido o-metoxi-benzoic0 es 4. l. Es un kido d s fuerte que el kido benzoico, por el efecto orto. Sin embargo el hcido o-hidroxi-benzoic0(kido salicílico) es10 veces m b fuerte los dosaniones y que el kido metoxi-benzoic0 " s u pK,es 3.0. Escribalasestructurasde sugiera por qu6 el grupo oxhidrilo tiene mayor poder estabilizante. 12.1 2.Catalogue los siguientes hidrocarburos en orden de acidez creciente de los hidr6genos metílicos (b) trifenil-metano; (c) tolueno;(d)me(el kid0 m&d6bilprimero):(a)difenil-metano; tano.

Esterificación de iicidos carboxlicos Un &ter de un hcido earboxllico es un compuesto que contiene el grupo "CO,R, endonde R puedeseralquilo o arilo. Unestersepuedeformardirectamentepor reacci6n de un Acid0 carboxílico con un alcohol, reaccibn llamada de esterificacibn. La esterificacibn esth catalizada por ácidos y es reversible: General:

O

I1

RCOH

O

+

R'OH

un &ido carboxílico un alcohol

&ido adtico

k i d 0 benzoic0

etanol

ciclohexanol

H+ calor

I1

RCOR'

+ H,O

un &ter

acetam de etilo

benzoato ciclohexilo de

La velocidad a la que se esterifica un ácido carboxílico depende principalmente del impedimento esterico en el alcohol y en el ácido carboxílico. La fuerza ácida del 6cidocarboxílicosolamentedesempefia un papel secund~loen la velocidadcon la que se forma el Cster. Reactividad de los alcoholes en r'a esterificacibn:

CH,OH > 1" > 2" > 3" Reactividad de los 4cidos carboxilicos en la esterificacibn:

HC0,H > CH,CO,H > RCH,CO,H > R,CHCO,H > R,CCO,H

Esterificacidn dcidos carboxílicos de Secci6n

12.9.

597

Al igual que muchas reacciones de aldehídosy cetonas, la esterificaci6n de un iicido carboxílico transcurre a traves de una serie de pasos de protonaci6n y despmtonaci6n. Se protona el oxígeno carbonílico, el alcohol nucleoffico ataca el carbono positivo y la eliminaci6n de agua da el Cster.

[

-0

I1

H'

RC-OH

1 p"

+OH

11

4 5 RC-OH

RC-OH

a

R'O:

-

[ ?+ ] [ RC-OH~

R'O :

H+

:OH

a

RC+

- ;i"]

R'O :

-H20

e.o*.

-H'

m

11..

RCOR'

R " 0:

Podemos resumir el mecanismo en la siguiente forma: O

It

RCOH

OH

+

H+

R'OH < I

O

II


Advierta que en una reacci6n de esterificaci6n, se rompe el enlace C-4 del 6cido carboxílico y no el enlace O-H del iicido, ni el enlace C-0 del alcohol. La evidencia de este mecanismo esta en la reacci6nde un alcohol marcado, tal como el CH3180H,conuniicidocarboxílico.Eneste caso, el I8O permanece con el grupo metilo. el enlace C-0 no se rompe

& (O !H

+ CH3I80H 1 O

PROBLEMA DE ESTUDIO 12.1 3. Escriba el mecanismo completo para la esterificaci6n del hcido ac6tico con

CH,l*OH.

La esterificaci6n es una reacci6n reversible. Para obtener un alto rendimiento del tster, hay que desplazar el equilibrio hacia el lado del Cster.Una ecnica para lograrlo es emplear un exceso de uno de los reactivos (el m& econ6mico). Otra tkcnica consiste en eliminar uno de los productos de la mezcla de reacci6n (por ejemplo, por destilacih azeotr6pica del agua). A medida que aumenta el impedimento estCrico en el intermediario, disminuye la velocidad de formaci6n del Cster, así como su rendimiento. La raz6n es que la esterificaci6n es una reacci6n reversible, en la cual se favorecen las especies menos impedidas (los reactivos). Si hay que preparar tsteres voluminosos es preferible emplear

598

Ácidor carboxílicos

Capitulo 12

otra ruta, como la reacción de un alcohol con un anhídrido o un cloruro de ácido, que son más reactivos que el ácido carboxílico(Capítulo 13)y sufren reacciones irreversibles con los alcoholes. L o s ésteres fenílicos (RCO,C,H,) no se preparan, por lo general, directamente de los fenoles y ácidos carboxílicos, porque el equilibrio favorece el lado del ácido fenol más que el lado del éster. L o s ésteres fenílicos, como los Csteres voluminosos, se pueden obtener usando los derivados de los ácidos más reactivos. PROBLEMASDEESTUDIO 12.1 4. Prediga los productos de esterificacihde: (a) ácido p-toluic0 y 2-propanol; (b) ácido tereftálicc

,p-H0,C"C,H4"-C0,H)

y exceso de etanol; (c) ácido acético y (R)-Zbutanol.

12.15. El ácido 4-hidroxi-butanoico forma espontáneamente un éster cíclico o lactona. ¿Cuál es la

estructura de esta lactona?

Reducción de los ácidos carboxílicos El carbono carbonílico de un ácido carboxílico se encuentra en el estado de oxidación más alto que puede alcanzar, siendo todavíaparte de unamolécula orgánica. (El estado de oxidación superior que sigue está en CO,.) Fuera dela combustiónu oxidación con reactivos muy fuertes, tales como H,SO, - CrO, en caliente (disolución crómica de lavado), el grupo ácido carboxílico es inerte frente aunareacción ulterior de oxidación. Sorprendentemente, el grupo carboxilo es también inerte frente a la mayoría de los agentes reductores más comunes (tales como hidrógeno y catalizador). Esta inercia hizo necesario el desarrollo de métodos dereducción alternos, tales como la conversión deun ácido carboxílico en éster y luego la reducción del éster. Sin embargo, la introducción del hidruro de litio y aluminio (LiAlH,) en la década de 1940, simplificó la reducción, porque el LiAlH,reduce el grupo carboxilo directamente a grupo --CH,OH. (Por supuesto, también se reducen otras funciones carbonílicas de la molécula; véase la Sección 11.14.) I

('H3('02H

iicido acetic0

I j 1.14111,

TjX(7

-t

CH,CH20H etanol

bencílico kid0 alcohol benzoic0

PROBLEMADEESTUDIO 12.1 6. Dt las estructuras de los productos resultantes de reducción con LiAlH, de:

,&idos carboxilicos polifuncionalesSeccidn

12.1 l .

599

SECC16N 12.1 l.

Acidos carboxílicos polifuncionales Los ácidos dicarboxílicos y los ácidos carboxílicos que contienen otros grupos funcionales muestran con frecuencia propiedades químicas únicas. En esta secci6n consideraremos algunos de los ácidos carboxílicos polifuncionales m h importantes. Los hidroxiácidos se mencionarán en el Capítulo 13 y los aminoácidos se explicarh en el Capíhlo 19.

A.AcidezdeBcidos

dibhicos

Un Acido dibhico es el que reacciona condos equivalentes de bare. El t6rmino &ido dipr6tico (dos protones ácidos) tal vez fuese una expresi6n mejor para describir estos compuestos, En general los Acidos carboxflicos dibasicos tienen una química similar a la de los ácidos monocarboxflicos, pero examinaremos algunas de las diferencias. En cualquier 6cido dib6sico (inorgánico u orgánico), el primer ion hidr6geno se elimina más fácilmentequeelsegundo.Asique K, (laconstantedeacidezparala ionizaci6ndelprimer H+ es mayorque K, (la constante de ionizaci6n del segundo H+),y el valor de pK, es menor queel del pK,. La diferencia entre pK, y pK, disminuye al aumentarla distancia entre losgrupos carboxilo (¿por quk?).Los valores del primero Y segundo PK,de algunos diacidos aparecenen la tabla 12.7. H0,CCH2C02H

+ H20

e"---' HO,CCH,CO,-

+ H,O'

+ H,O

1 - 0 2 C C H 2 C 0 2 -+ H 3 0 f

Acid0 mal6nico pK, = 2.83

H0,CCH2C0,pK, = 5.69

TABLA 12.7. Valores de pK, de algunos dihcidos

Nombre trivial o común

Estructura

PKI

PK,

sxzllico mal6nico succínico glutfirico adipic0 pimelic0

HO,C-CO,H HO,CCH,CO,H HO,C(CH,),CO,H HO,C(CH,),CO,H H02C(CH2),C0,H HO,C(CH,),CO,H

1.2 2.8 4.2

4.2 5.7 5.6 S .4 5.4 5.4

4.3

4.4 4.5

600


Capitulo 12

B. Formacih de anhídridos por ácidos dibásicos Un anbídrido de hcido carboxílico tiene la estructura de dos moléculas de ficido carboxílico unidas con p6rdida de agua.

dos

cicidos carboxflicos

un anhídrido

Aunque parezca razonable a primera vista, el calentamiento de la mayor parte de los hcidos carboxílicos para eliminar el aguanu lleva al anhídrido. (Las reacciones que s i llevan a anhídridos se discutir& en la Secci6n 13.4.) Son una excepci6n los o seis miembros. hcidos dicarboxílicos que pueden formar anhídridos cíclicos de cinco Estos dihcidos producen anhídridos cuando se calientan a 200-300'. O

II

CH,COH

I

O I1

3ooJ

+ H20

___)

CH,COH II O

o

hido succínico anhídrido succínico

kid0 anhídrido glutArico

H

\ /

CO,H

C C

/ \

200'

II

H

gluthico

CO,H

C

O

+ H,O

O

Lidoanhídrido maleico maleico

Un anhídridocíclicodecinco o seismiembrostambiénsepuedesintetizar calentando el dificido apropiado con anhídrido acetico. Esta reacci6n es el resultado de un equilibrio entre un anhídrido cíclico mfis estable y otro anhídrido de cadena abierta, menos estable. La eliminaci6n del ácid0 acético por destilaci6n ayuda a completar la reacci6n.

Acidos carboxilicos polifuncionales Seccidn

12.1 1.

601

PROBLEMAS DE ESTUDIO 12.17. El &.Ado o-ftAlico (Tabla 12.7) formz un anhídrido cíclico cuando se calienta a 200". ¿cud es su estructura? 12.1 8. Cuando el acid0 adipic0 (kido hexanodioico) se calienta con un agente deshidratante fuerte, tal como P,O,, noseforma un anhídrido ciclico. Ensulugarseforma un deproducto polimerizaci6n. ¿Cud es la estructura de este polhero?

C. DescarboxilacióndeP-cetotícidos y P-ditícidos El simple calentamiento de lamayor parte de los ácidos carboxílicos no lleva a ninguna reacci6n química. Sin embargo, un ácido carboxílicocon un grupo carbonilo en posici6n f3 sufre descarboxilacibn (pérdida de CO,) cuando se calienta. (La temperatura precisa depende de cada compuesto individual.) O

0

II

I1

RCCH,COH un 8-cetdcido

O

0

I1

I1

O

0

Calor

CH,CCH,COH

calor

O

It

RCCH3 + C 0 2 una cetona

O

I1

CH3CCH3 + COZ

o

La descarboxilaci6n tiene lugar a travts de un estado de transici6n cíclico:

estodo de transici6n

1un enol

Note que el estado de transici6n cíclico requiere ~610un grupo carbonilo en beta respecto del grupo carboxilo. Este grupo carbonilo no precisa necesariamente ser un grupo cetónico. Un P-dihcido tambiCn se descarboxila cuando se calienta. L a descarboxilaci6n de los ácidos maldnicos sustituidos es especialmente importante en sfntesis orghica y encontraremos de nuevo esta reacci6n en el Capítulo 14. O

Ií

0

I1

H-OC-CHCOH I CH,CH3 kid0 etil-mal6nico

calor

O

II

CH,CH,CH,COH Lido butanoic0

+ CO,


Capitulo 12

602

PROBLEMADEESTUDIO 12.1 9. Escriba el mecanismo para la descarboxilaci6n delBcido etil-mal6nico.

Algunos ácidos a-carbonílicos, tales como el ácido oxálico, tambitn se pueden descarboxilar. La descarboxilación de a-cetoácidos escomúnen los sistemas biol6gicos, en los que las enzimas catalizan la reacción.

o 0 I1 ¡I

HOC-

CO H

-

I31-

'

oxaico Lido

acetaldehído pinívico

HCO2 H

+ COZ

f6rmico ácido

ácido

formado en el metabolismo

de la glucosa

PROBLEMADEESTUDIO uno de los siguientes Bcidos:

12.20. Prediga el producto (si lo hay) cuando se calienta cada O (a)

I1

(b) CH,CCHCO,II

CHz(C02H)z

I

CH, O

O (c)

I1

I1

CH,CH,CCHCO,H

(d) CH,CCH,CH,CHzCOIH

I

CH,CI-I, -.

D. Ácidos carboxílicosa#-insaturados Un doble enlace aislado en un ácido carboxílico insaturado se comporta independientemente del grupocarboxilo. Un doble enlace conjugado con un grupo carboxilo puede, sin embargo, experimentar reacciones típicas de adición 1,4. Estas reacciones tienen lugar en la misma forma que las de los aldehídoso las cetonas a#-insaturados (Sección 11.19). e.o-.

II

n

CJV + C H 2 " C H " C - 0 H k"-f

e NCCH,CH~CO:

-__

un enol

/

H0:C

\

H

á d o fumSrico

asp¿irtico

kcido un aminocicido que sr encuentra en las proteínas

en sintesis Secci6n

USOde los &idos carboxilicos

603

12.12.

PROBLEMA DE ESTUDIO 12.21. Un doble enlace conjugado con un aldehído o una cetona puede sufrir un ctaque nucleofílico en la posición P por un reactivo de Grignard (Sección 14.9). ¿Qué productos esperm'a de la reacción del ácido 2-pentenoico y el bromuro de fenil-magnesio? (Tenga cuidado; examine la Sección 6.11.) I

SECCIÓN12.1 2. ~~~~

~

~

~

~

~

Uso de los Acidos carboxílicos en síntesis En la Tabla 12.8 se presentan los tipos de productos que se pueden obtener a partir de los ácidos carboxflicos. En muchas de estas reacciones, como en la esterificacidn, se obtienen mejores rendimientos a partir del halogenuro de ácido o del anhídrido de hcido. Sin embargo, los ácidos son, por lo general, más fáciles de obtener. Por lo tanto, un químico debe balancear tiempo y gasto contra rendimiento.

TABLA 12.8. Compuestos que se pueden obtener a partir de dcidos carboxílicos

Reacción

Producto

Sección

Neutralización:"

+ Na'

RCO,H

Esterificación:

RC0,H

H'

+ R'OH

Reducción:

RCO,H

H,O

OH

( I ) LIAIH,

(2) HlO

Na'

carboxilato

12.5, 12.6

RC0,R'

éster

12.9

RCH,OH

alcohol 1"

12.10

RCO,

Formación de anhídrido: O

11

HO,C(CH2),,C0,H donde n = 2 ó 3

(CH,C),O ocalor

/O\

*

O=C

C=O /

\

anhidrido ciclico 12.1

1 B.

I3.4B

KHz)"

Descarboxilación: O

/I

RCCR',CO,H HO,CCR,CO,H Adici6n 1,4: R,C=CHCO,H

-O

calor

calor

+ HNu

11

RCCHR',

R,CHCO,H

R,CCH,CO,H

I

XU

cetona

12.1 IC

Bcido carboxílico

12.1 1C

hcido carboxílico P-sustituido

12.1 ID

(continúa)


Capítulo 12

604

TABLA 12.8. ~~

Reacci6n

Producto

Seccidn

Formaci6n de halogenuros de Bcido:b O RC02H

I1

+ SOC1, or PC1,

-“+

halogenuro de Bcido

RCCl

r-halogenaci6n: PCI,

+ CI,

RCH2C02H

9

cr-cloro heido

RCHCIC0,H

13.3B

13.3C

”Las sales de carboxilatos se pueden emplear para preparar &teres por nacciones &2 con halogenuros reactivos:

RC02-

+ R’X

RC02R’

(V&eSwci6n la

5.11)

bLos halogenums de dcido se pueden emplear para preparar diversos compuestos enbe los que se incluyen los anhídridos y 6steres. Estas reacciones se explican en el Capítulo 13.

PROBLEMAS DE ESTUDIO 12.22. Muestre dos rutas de síntesis para el butanoato de metilo a partir del hcido butanoico. 12.23. Muestre con ecuaciones de flujo c6mo haría las siguientes conversiones:

(a) hcido propanoico”-+hcido butanoico (b) hcido 3-cloro-propanoico”+ Bcido (c)

-

butanodioico

o C H 2 C 0 2 H

Resumen Los Bcidoscarboxílicos (RC0,H) sufren asociación por puente de hidr6geno formando dheros, característica estructural que tiene un efecto en sus propiedades fisicas y espectroscópicas. Los hcidos carboxílicos se pueden sintetizar por: (1) hidrólisis de sus derivados (Csteres, amidas, anhídridos, halogenuros de gcido, o nitrilos; (2) oxidaciónde alcoholes primarios, aldehídos, alquenos o alquilbencenos; y ( 3 ) reacciones de Grignard de RMgx y co,. Los ácidos carboxílicos son una de las pocas clases generales de compuestos orgbicos que son mls ácidos que el H,CO,, los hcidos carboxflicos reaccionan con HCO,-. Las sales de los Bcidos carboxílicos (carboxilatos) resultan de la reacción de un ácid0 carboxílico con una base. RCO,H un &ido

carboxílico

+ NaOH una base

RC0,- Na+ un carboxilato de

sodio

+ H,O


605

La fuerza de un lcido se determina por las estabilidades relativas del lcido y de suani6n. La fuerza lcida se afecta por la efecfronegutividaci (HF > ROE > R,NH > RH);el tamaño (HI > HBr > HC1 > HF); y la hibridacih (=CH > = CH, “CH,) . El efecto inductivo de los grupos atractores de electronesp :aduce un incremen:o de la fuerza de la acidez (ClCH,CO,H > CH,CO,H). La estubilkacibnpor resonurxiu delani6nhacetambikn mls fuerte a un lcido (RC0,H > ArOH > ROH). El ani6n de un lcido se puede estabilizar parcialmente por solvutuci6n; mayor solvataci6n del ani6n hace mls fuerte el ácido. La fuerza de un ácido benzoic0 es determinada principalmente por los efectos inductivos, porque el grupo “€0,- no entra en resonancia con el anillo aromltico. Los sustituyentes atractores de electrones fortalecen el dcido, mientras que los grupos donadoresdeelectronesdebilitan el lcido. La sustituci6nen la posici6n orto casi siempre incrementa la fuerza del lcido. u:

En la Tabla 12.8 se muestra el resumen de las reacciones de

~

~

los lcidos carboxílicos.

~

PROBLEMASDEESTUDIO 12.24. Nombrelossiguienteshcidos

y sales:

(a)

(CH313CCO2H

(c)

CH,CH,CHBrCHBrCO,H

(e)

coz

(d) (CH,CH,CO,),Mg

~

1

C 0 2-

Caz+

(f)

CH,CHBrCO,- Na’

12.25. D6 l a s estructuraspara (a) kido 4-yodo-butanoico;(b)formiatode dis6dico; (d)benzoatode sodio;y (e) iicidom-metil-benzoico. 12.26. D6 la estructuradecada uno de lossiguientes grupos: tirilo; (c) grupo rn-nitro-benzoilo.

potasio; (c) o-ftalato

(a) p p o propionilo; (b) p p o bu-

12.27. Muestre los principales tipos de puente de hidr6geno (puede haber m8s de un tipo) que estan presentesencadaunode lossiguientessistemas: (a) una disoluci6nacuosa deAcid0propanoico; (b) una disolucih acuosade kido lhctico, CH,CH(OH)CO,H. 12.28. Muestre c6mo podría sintetizar kido butanoic0 a partir de cada uno los de siguientes compuestos:

(a) 1-bromo-propano (c) butanal

(b) butanol (d) 4-octeno

(e) CH3CHzCH2C0,CH2CH3

(f) CH3CH,CHzC02

Capitulo 12

606


12.30. Predigalosproductosprincipalesorgánicos:

0

,

C O 2

(a)

H

+ NaOH (exceso)

c.0: H

o II

+ CH,CH,CW N a ' CH,CO,H + C H , O ~ -~ -+ CH3C02H+ CH,NH2 + CH,C'O,- + CICH,CO,H H0,CCH,C'02H + 1 equivalentedeNaHCO,

(b) C,H,CH,CI (c)

(d) (e) (f)

____+

(h) C,H,C02H + CH,I + CO,' (i) C,H,CO,H + LiOH (j) C,H,OH + LiOH -----

"f

-

~~~

12.31. Si una disolución 0.200 M de ácid0 pentanoicotieneuna concentración de iones hidrógeno 0.00184 M , jcufil es la constantede disociación del kido (K,,)?(Sugerencia: vea la Sección l. 10). 12.32. Una mezcla contienep-etil-fenol, kid0 benzoic0 y benzaldehído. La mezcla se disuelve en éter y se lava con disoluci6n acuosa de NaHCO,. La disolución de bicarbonato es la disolucih A. La mezcla se lava luego con disoluci6n acuosa de NaOH (disoluci6n B) y finalmente con agba (disoluci6n C). La disolución eerea que queda, es la disolución D.Identifique los componentes organices principales en las disoluciones A, B , C y D. 12.33. ¿Cómo separaría cada unode los siguientes pares de compuestos?

(a) Acido octanoic0 y octanoato de etilo (b) fenol y propanoatode fenilo (c) fenol y ciclohexanol

Problemas de estudio 12.34. iCu6l es el equivalente de neutralizaci6n de cada uno de

los siguientes kidos?

O

OH

II

I

(a) CH,CHCO,H lktico

607

CCO,H

(b)

I

kid0

CH,CO,H bid0 oxaloadtico

12.35. Una muestra de 0.250 g de un kido desconocido se titula conuna disoluci6n valoradade NaOH 0.307 M. El volumende la disoluci6n de NaOH requerido para neutralizar el kid0 es 11.O0 d.~Cufilde los siguientes kidos podría ser el Bcido de la muestra?

(a) CH,CH,CH,CO,H (c) HO,CCH,CO,H

(b) CH3CH2COzH (d) H02CCH,CH2CH2CH,C02H

12.36. Calcule el pK,decadaunodelossiguientes

cis-C,H,CH=CHCO,H, (b) trans-C,H,CH=CHCO,H,

(a)

kidos (Secci6n 1.10).

K, = 1.3 x K , = 3.65

X

IO-,

12.37. El pH de una disoluci6n 0.0100 M de 6cido se encontr6 que era 2.5. Calcule la constante Km de este Acido. 12.38. LComose explican las siguientes acideces?

FCHzC02H CICH,C02H pK,, = 2.66

pK,, = 2 81

BrCH,CO,H pK,,= 2.87

12.39. Hagauna lista deloscompuestossiguientesenordencreciente primero): (a) CH3CH,CHBrC02H (b) CH3CHBrCH2C02H (c) CH3CH,CH2C0,H (d) CH3CH,CH2CH,0H (e) C6H50H (f) H2CO3 (8) Br3CC02H (h) H,O

de acidez (el menos6cido

12.40. ¿Cud es el Acido mis fuerteencadaunode lossiguientesparesde6cidoscarboxflicos? (a) kido benzoico y Acidop-bromo-benzoico; (b) kido benzoico y 6cido m-bromo-benzoico; (c) Acido m-bromo-benzoic0 y ácido 3,5-dibromo-benzoico. Explique, 12.41. Disponga los siguientes compuestos en ordencreciente de acidez (el m6s dtbil primero), Justifique su respuesta.

p-nitro-fenol,

p-metil-fenol,

fenol.

qNoZ

12.42. ~ C u de a los siguientes hcidos es el m& Acido? ~ C u 6el l menos ticido?.

(a)

(b)

NO,

COZH

CO,H

COzH

(c)

NO2

H."@c7H3

'H.%

CO,H (d)

($NO, l., NO2

608

Capitulo 12


12.43. ¿Cuál es la base más fuerte en cada uno de los pares?. (a) CH,CH=CH0 CH,C'C(b) C1" o CH,CO,-

(c) ClCH,CO, o CI,CHCO, (d) (CH,),CO. 0 (CH3),CCO,( e ) CH3CHCIC0, O ClCH,CH,CO,~

12.44. Sugiera las razones que expliquen por quk el ácido o-wico tiene un pK, de 2,9 y un pK, de 5.5 mientras que el ácido tereftálicotiene un pK, de 3.5 y un pK2de 4.8.

kido o-Mico

iicido tereMico

12.45. Complete las siguientes ecuaciones, dando los productos orgánicos:

CO,H

(b) exceso

+ HOCH,CH,OH

ni

OH

(d) O C O , H

I

+ (S)-CH,CHCH2CH,CH3

ti

-

12.46. Haga una lista de los siguientes kidos y alcoholes en orden de velocidad creciente de la reacci6n de esterificaci6n (el más lento primero). Expliquesu respuesta.

(a) Acido acético con metano1 y HC1 (b) Acido ciclohexanocarboxílico con alcohol r-butílico y HCl (c) Bcido ciclohexanocarboxílico con etanol y HC1 12.47. El kid0 2-bromo-propanoico racémico reacciona con el (R)-2-butanol para dar una mezcla de

Bsteres. (a) ¿Cuáles son las estructuras (incluida la estereoquímica) estos ésteres enantidmeros o diastereois6meros?

de los Bsteres?

(b) ¿Son

12.48. ¿Cuáles son los productos orgánicos principales cuando se calienten los siguientes compuestos?

n

CO,H


609

12.49. Uno de los pasos de la oxidaci6n biol6gicade la glucosa a COZy HzO es la P-descarboxilaci6n

del Acid0 oxalosuccinico. ¿Cud es el producto de la descarboxilaci6n?. CO2H

I

HO,CCH,CHCC02H

II

O &ido oxalosuccinic~

12.50. Explique por quC no se descarboxila el compuesto siguiente cuandose calienta.

12.51. Pronostique los principales productos orghicos:

(a) una disoluci6n concentrada (disolvente inerte) de HOCHz(CH,),COJ4

(b) unadisoluci6ndiluida(disolventeinerte) O 0

I1 I1

t exceso C,H,COCC,H,

de HOCHz(CH,),COzH

H+

H+ 2

calor

O

(e) ( 3 - C 0 2 H

+ HCl

”-+

(f) O C 0 , I - I

+ H,O

H+

-

12.52. El cicido nicotinico (tambiCn se le llama niacina), una vitamina del grupoB, se puede obtener

por oxidaci6n vigorosa de la nicotina, ¿cud es la estructura del &cid0 nicotínico? 12.53. El dacrbn esun polimero sintktico, que puede prepararse por reacci6n del &cid0 (Problema 12.44)y 1,Zetanodiol. ¿Cuál es la estructura del dacr6n’

tereftAlico

12.54. El compuesto A , C4H604,da el compuesto B, C3H60z,cuando se calienta. El equivalente de neutralizaci6n de A , es 60 k 1, mientras que el de B es 75 ? l . LCudes son las estructuras de A y B? 12.55. Con YH31 comoúnicafuentede

Y , muestrecomopreparm‘a

lossiguientescompuestos

marcados: (a)

CH3CH,C0,’4CH3

(b) 14CH3C0,H

(c) CH3’4C0,H

12.56. Escriba ecuaciones que muestren c6mo se puede convertir el &ido benzoic0 en los siguientes

compuestos: Br \

61O

Capitulo 12


12.57. Proponga mecanismos para las siguientes reacciones:

O

II

O

(a) CH,COH

+ H,"O

H+

' 8 0

II

CH,C-'*OH

II + CH,COH + H,O

12.58. Cuando se calienta el Lido tarthico se convierte en kido pirúvico. Escriba las ecuaciones de flujo que muestren los pasos de esta reacci6n.

O

/I

CH,CCO,H Lido piriívico 12.59. La sal de un kid0 carboxílico no muestra la absorci6n del carbonilo a pm) en el espectro de infrarrojo. Explique.

1660-2000 cm-' (5-6

12.60. Cuando se calienta el compuesto A,C,H,O,, da el compuesto B,C,H,O,. Cuando A se trata con un exceso de metano1 y trazas de kid0 sulfúrico, se obtiene el compuestoC,CJ,,O,. Tratamiento d e l compuesto A con LiAlH4 seguido por hiddisis da el compuesto D,C,H,,OZ. ¿Cuáles son las estructuras de los compuestos A,B,C y D? 12.61. El compuesto a (C&OJ se disuelve en agua y da una disoluci6n neutra. A no reacciona con HIO,, pero conI, en NaOH acuoso acidificando despues se obtiene B(C,H,O,), cuya disoluci6n acuosa es Acida. ¿Cuáles son l a s estructuras de A y B? 12.62. Sugiera síntesispara los compuestos siguientes a partir de compuestos que contengan seis 6tomos de carbono o menos:

CO,CH, (a) CH3(CH,),CO,H CH,(CHZ)ZCHCH,CO,CH3 (b)

I

12.63. Sugiera esquemas sint6ticos para las conversiones siguientes:

(a) Propanoato de etilo, a partir de bromo-etano como única materia prima orghica.

(b)

ciclopentanol partir CO,H dea


(c)

CO,H

611

a partir de ciclopentanol

12.64. El compuestoA(C,H,O,)setrat6con LiAlH,, obtenikndose el compuesto B , despuksde la hidr6lisis. En la Figura 12.4 se muestra el espectro de infrarrojo de A y el espectro de RMN de B. iCu6les son las estructuras de A y B? Longitud de onda (pm)

Número de onda (cm-')

612

Capítulo Acidos 12

carboxílicos

12.65. , Un químico trat6 el compuesto A(C,H,O,Br) con r-but6xido de potasio en alcohol r-butílico. Despu6s de la acidificaci6n de la mezcla de reaccibn, ais16 dos productos isom6riricos, B y C. En la Figura 12.5 se muestra el espectro de infrivrojo de B y el espe&o de RMN de C. ¿Cus3es son las posibles estructuras de A, B y C? Longitud de onda (pm)

FIGURA 12.5. Espectros para el problema 12.65.

CAP~TULOI 3

Derivados de los ácidos carboxílicos

U

n derivado de un &d io

carboxnico es un compuestoqueproduce

carboxflico por reacci6n con agua. O

un hcido

O

I1

CH3COCH2CH3 acetato de etilo

+ H Z 0 -'

O

II

CH3CNHZ

I1

H calor

+ H Z 0 + H'

acetamida

+,

+

CH3COH HOCH2CH3 kid0 ac6tico

calor

O

I1

CHjCOH

+ NH4'

En estecapítulotrataremossobreloshalogenwosdehcido,losanhídridosde hcido, los Bsteres, las amidas y los nitrilos. La Tabla 13.1 muestra algunos ejemplos represeqtativosdeestoscompuestos.Observeque todos los derivados, excepto los nitrilos, contienen elgrupo acilo, RC-. En cada caso hayun Atom0 electronegativo, unido al carbono carbonílico del grupo acilo. Por esta raz6n, la quimica de cada una de estas clases de compuestos es anaoga. grupos electronegativos

O

II

R-C-m. U.:&ter

O

R " C 4 un hahgenuro de kid0

II

R"C"NH, ivul

miah

O

II

R-C-

O

It

C"R

un anhidrid0

Los hcidos carboxflicos y algunos de sus derivados se encuentran enla naturaleza. Las grasas son tridsteres, las ceras mondsteres y las proteínas poliamidas, por citar

Capítulo 73

614

Derivados de

los dcidos carboxilicos

~

Tabla 13.1. Algunos derivados de dcidos carboxílicos. Ejemplos

Clase

Nombre común

Estructura

cloruro de acetilo

halogenun, de Bcido

cloruro de benzoilo anhídrido acktico

anhidrid0 de Bcido

anhidrido benzoic0 acetato de etilo

&ter

benzoato de metilo acetamida

amida

benzamida acetonitrilo

nibrilo

benzonitrilo

algunos. Los halogenuros de ticido nunca se encuentranlaen naturaleza y los anhídridos se encuentranraravez.Unejemplodeanhídridoque existe enlanaturalezaes el anhídrido cíclico, cunturidina, que se encuentra en la mosca española (cantAda). La cantaridina es un irritante de las vías urinarias. Las moscas secas se emplearon como un afrodisíacoentre los antiguosgriegos y romanos.Tambikntienefamadequitar verrugas.

cantaridha

SECCIC~N 13.1.

Reactividad de los derivados de Bcidos carboxílicos ¿Por qu6 se encuentran comunmente en la naturaleza los ticidoscarboxílicos, los &teres y las amidas, mientras que los halogenuros de ticido y los anhídridos de ácido no se encuentran? ¿Por quklosderivadosde los ácidoscarboxílicossondiferentesdelos aldehidos y cetonas? Podemos responder a estas preguntas considerando las reactividades relativas de los derivados de los ácidos carboxilicos y c6mo reaccionan. Los derivados de ácidos carboxílicos contienen grupos salientes unidos a los carbonos acilo, mientras que los aldehídos y cetonas no los contienen. I a s reactivos

Reactividad de los derivados

13. I .

de dcidos carboxilicos Seccibn

615

se adicionan al grupo carbonilo de cetonas y aldehídos,pero sustituyen los grupos salientes de los derivados de 6cido: O

Adicibn:

OH

I1

I

HCN

r

CH3CCH3

CH3"C-CH3

I

CN O

Sustituci6n:

O

II

CH3C-a

H,O 4

\

buen grupo

II

CH,C-OH

+ HC1

saliente

En el Capítulo 5 mencionamosque un buen grupo saliente es unabasedBbil. Porconsiguiente, el C1- es un buen grupo salientepero -OH y -OR son grunos salientes pobres. La reactividad de los compuestos carbonflicos frente a la sustituci6n en el carbono carbonílico se puede atribuir directamente a la basicidad del grupo que se desplaza:

,

-NH2

OR

O R !

X-

basicidad decreciente (facilidad crecientede desplazamiento)

O

II

R"C"R

I

)

O

O

O

I1

RC-NH,

II

RC-OR'

O

II

0

II

RC-OCR

O

II

RC-CI

reactividad creciente

Los cloruros de hcido y losanhídridosdeAcido,conbuenos grupos salientes, son fhcilmente atacados por el agua. Por consiguiente, no podemos esperar que estos compuestos se encuentren en las cklulas de plantas y animales. Sin embargo, a causa la síntesis de otros desu gran reactividad,estoscompuestossondegranvaloren compuestos orghicos. Un hcido carboxílico, relativamente poco reactivo, puede convertirse en uno de estos derivados m6s reactivos, y luego dar un Bster, una cetona o una amida (Figura 13.1). Los Csteres y amidas son relativamente estables frente al agua. En el laboratorio, estos compuestos requierenun hcido o una base y por lo general calor, para reaccionar. En la naturaleza, las enzimas pueden llevar a cabo las funciones del hcido o la base y el calor. PROBLEMA DE ESTUDIO 13.1. Tanto el cloruro de acetilo como el cloruro de vinilo (CH, = CHCI) tienen un iitomo de cloro unido a uncarbono sp2. Sugieralaraz6nporla cud el~clonuode acedo es muy reactivo, mientras que el cloruro de vinilo es casi inerte a las reacciones de sustitucih.

616

Capítulo 13

Derivadosde

los dcidoscarboxílicos

SECCI~N13.2.

Propiedades espectrosc6picas de los derivados de Bcidos carboxilicos Los espectrosde RMN delosderivadosdeAcidos

carboxílicos proporcionanpoca informaci6n sobre la funcionalidad de estos compuestos. Las señales de los hidr6genos en posici6n a de estos compuestos carbonflicos se desplazan ligeramente a campo mhs bajorespectodelasseñales de loshidr6genosalifaticosordinarios,acausadela desproteCci6ndelAtom0decarbonocarbonííicoparcialmentepositivo.Observeque los hidr6genos a de un cloruro de kid0 presentan un desplazamiento químico mayor que los de otros derivados de Acido. Este mayor desplazamiento químico proviene de la mayorcapacidaddel cloro (comparadocon O 6 N), paradisminuir la densidad electr6nica de los enlaces vecinos. O

O 6 en ppm:

1

II

CH,CN

CH,COCH,

2.00

2.03

II

I1

Clj,CNH, Clj,COH

CI4,CCI 2.61

2.10

2.08

desplazamiento qufmmico creciente de los

O

O

I1

hidr6getm a

Los espectros infrarrojos de ios derivados de loshcidosproporcionan mAs infonnaci6n sobre el tipo de grupo funcional que los espectros de RMN. Con excepci6n delos nitrilos,laprincipalcaracterísticaquedistinguelosespectrosinfrarrojosde todos los derivados de Acidos carboxílicos es la absorci6n del carbonilo, que se halla alrededor de 1630-1840 cm" (5.4-6 pm). Las posiciones de absorci6n del carbonilo para los diferentes derivados de Acido se resumen en la Tabla 13.2. Los anhídridos y Csteres muestran tambi6n la absorcidn C-0 en la regi6n de 1050-1250 cm" (8-9.5

vm).

II

O

II

O

II

O RC-OR

O RC-O-CR

O

II

Propiedades espectrosc6picas

de dcidos carboxilicos Secci6n

13.2.

617

TABLA 13.2. Absorci6n infrarroja del carbonilo de derivados de 6cidos carboxilicos.

Posicidn de absorci6n Clase

Estructura

cm"

w

1785-1815

5.51-5.60

1740- 1840

5.45-5.75

O

cloruro de kido

II

RCCl

O 0

anhidxido de 6cido

I I II

RCOCR O

Cster

II

RCOR

(dos picos por lo general) I740

5.75

O

amida

II

RCNH,

1630- I700

5.9-6.0

A. CIoruros de Bcido La absorci6n infrarroja de los cloruros de kid0 se observa a frecuencias ligeramente d s altas que la de los otros derivados de ficido. No hay otra característica distintiva

que signifique "Cste es un clorurodeficido".VCaseen infrarrojo de un cloruro de Acid0 tipico.

la Figura 13.2 el espectro de

B. Anhídridos Unanhídridode un ficido carboxílico, quetienedos grupos C = O , exhibe por lo general un doble pico carbonilico en el espectro de infrarrojo. Los anhídridos exhiben tambiCn una banda de alargamiento C-0 alrededor de 1100 cm" (9 pm). La Figura 13.3 muestra el espectro de infrarrojo de un anhídrido aliffitico típico.

Capitulo 13

618

Derivados de dcidos los carboxilicos


Número de onda (cm") FIGURA 13.3 Espectro de infrarrojo del anhídrido propanoic0

C. Ésteres La absorción infrarroja del carbonilo de los Csteres alifhticos se observa cerca de 1740 cm-' (5.75 pm). Sin embargo, los ésteres conjugados (ya sean ." ésteres a , @-insaturados .. o ésteres a-arííicos) absorben a frecuenc.i& ligeramente m k bajas, cerca de 1725 cm" (5.8 pm) . Los ésteres exhiben también la absorción de alargamiento C"0 en la región dactiloscópica. Véase en la Figura 13.4 el espectro de un éster típico. ~

"


0 4000

.

I

.

,

3500

O CH, II I

CH~CH~COCHCH~CH; 3000

2500

2000

1800

1600

1400

1200

lobo

800

Número de onda (cm") FIGURA 13.4. Espectro de infrarrojo del propanoato de sec-butilo.

D. Amidas La posición de la absorción del grupo carbonilo de una amida es variable y depend< de l a proporción de asociación por puentes de hidrógeno entre las moléculas. El espectro de infrarrojo de una amida líquida pura (asociación máxima por puente de hidrógeno), muestra un pico de carbonilo llamado banda I de amida hacia 1650 cm" (6.0 pm). (Los espectros de la Figura 1.S muestran este pico C = O.) A medida que la muestra se diluye con un disolvente que no forme puentes de hidrógeno, la proporción de asociación disminuye y la absorción C = O se desplaza a frecuencias mayores (1700 cm- I ., 5.88 pm).


Número de onda (cm")

Número de onda (cm") Longitud de onda (km)

Número de on& (cm") FIGURA 13.5. Espectros de infrarrojos de una amida 1"'" (arriba), de una arnida 2"""(centro y de una arnida 3"""(abajo).

La banda I1 de amida aparece entre 1515 a 1670 cm" (6.0-6.6 Fm), justamente a la derecha de la absorci6n C = O. Esta absorci6n se origina de la flexi6n de N-H; por consiguiente, las amidas disustituidas o terciarias no muestran la bandaII de amida.

fH3 ;( M

posee NH

O II RCNH,

RCNHR

RCNR,

I"

2"

3"

620

Capítulo 13

Derivados de


Las vibraciones de alargamiento NH dan origen a una absorci6n a la izquierda de la absorci6n alifhtica de CH, a 3125-3570 cm" (2.8-3.2pm). (Ésta es aproximadamente la misma regi6n donde absorben NH de aminas y OH de alcoholes.) Las midas primarias (RCOPJH,) muestran un pico doble en esta regi6n. L a s amidas secundarias (RCONHR), con s610 un enlace N H , muestran un solo pico. Las amidas terciarias (RCONR,), sin NH, no muestran absorci6n en esta regi6n. La figura 13.5 muestra los espectros infrarrojos de los tres tipos de amidas; compare l a s absorciones de alargamiento y de flexi6n de estos tres compuestos.

E. Nitrilos La absorci6n C=N se halla en la regi6n del triple enlace del espectro de infrarrojo (2200-2300cm"; 4.3-4.5 pm) y es de intensidad media o dkbil (Figura 13.6) Longitud de onda (pm)


Un compuesto desconocido tiene la f6rmula molecular C,H,O,N. Sus espectros de infrarrojo y de RMN se dan en la Figura 13.7. ~Cu6les la estructura de este compuesto?

Halogenuros de dcido Secci6n

13.3.

FIGURA 13.7. Espectrospara el problema 13.2.

SECC16N 13.3.

Halogenuros de Acid0 Los fluoruros, cloruros, bromuros yyoduros de aicido reaccionan de manera similar. Ya que los cloruros de aicido son los mais populares de los halogenuros deaicido, nos limitaremos a tratar acerca de estos compuestos.

A. Nomenclaturade los cloruros deBcido Los clorurosde kid0 senombrancomoelaicidocarboxílicodelqueprovienen, cambiando la terminaci6nico por ilo y cambiando la palabraBcido por cloruro de. O

O

O

II

I1

It

CH,CCI cloruro de etanoilo IupAC: e o m ~ c l m de acetilo

CH3CH2CCI cloruro de propanoilo cloruro de propionilo

CH3CHtCHZCCI cloruro de butanoilo c l m de butirilo

B. Preparacibn delos cloruros deBcido Los cloruros dekid0 se pueden obtener directamentepartir a de losaicidos carboxílicos por reacci6n con cloruro de tionilo(SOC1,) o con otro agente halogenante activo,tal como tricloruro de f6sforo(Pcl,). O

II

RCOH

+

SOCI,

un dcido

carboxilico

O

II

3 RCOH

+ PCI,

-

O

I1

RCCl + SO, un cloruro de &ido

+ HCI

O

I1

RCCl

+ H3PO3

Derivados de los dcidos carboxilicos

Capitulo 13

622

Observe la semejanza entre estas reacciones y las correspondientes de los alcoholes (Sección 7.7). CH,CH,OH

+ SOCI,

-

+ S0Cl2

-

O

It

CH,COH

CH,CH,CI

+ SO, + HCI

O

/I

CH,CCI

+ SO, + HCI

PROBLEMA DE ESTUDIO 13.3. Escriba una ecuacih para la preparaci6n de cada uno de O (a)

C.

II

CH,CH,CCI

O

I1

O

0

I1

(b) CIC-CCI

los siguientes cloruros de Lido.

(c)

II

C,H,CH,CCI

Reaccionesde los cloruros de&idos

L o s halogenuros de 6cido son los mBs reactivos de todos los derivados de los hcidos carboxílicos. El ion halogenuro es un buen grupo saliente. Unido al carbono positivo

de un grupo carbonilo, se desplaza aun mhs fhcilmente que cuando estA unido a un carbono alquílico. En el mecanismo general que sigue para la reacci6n de un cloruro de Bcido con un nucleófilo, observe que el desplazamiento de C1- no es un simple desplazamiento, como una reacción S,2. La reacci6n tiene mhs bien dos pasos: (1) adición del nucleójlo al grupo carbonilo, seguida por (2) eliminacih del ion cloruro. El resultado de esta reacción es una sustituci6n acil nucleofílica; que significa “SUStitución nucleofílica en el carbono de un grupo acilo (RCO-)”.

intermediario

Hidrblisis. La ruptura por agua, llamada hidr6lisii, es una reaccih típica de un clomo de Bcido con un nucleófilo. Ataque nucleofflico y elirninacidn de/ CI-:

Halogenuros de

-

0

Reacci6n total:

II

+ H,O

CH,CCI

c l o m de acetilo

Seccidn 13.3.

dcido

623

O

II

+ HCI

C'H,COH

kid0 acdtico

Aunque todos los cloruros de iicido experimentan la hidrólisis iicida y alcalina para dar los iicidos carboxílicos, las velocidades de reacción vm'an. Un cloruro de iicido, que tiene ungrupo alquilo voluminoso unidoal grupo carbonilo, reaccionamiis lentamente que otro cloruro de aicido con un grupo alquilo pequeño. Por ejemplo, el clorurodeacetiloreaccionacasiexplosivamenteconelagua, pero elclorurode butanoilo requiere un suave calentamiento a reflujo. El efecto del tamaño del grupo alquilo sobre la velocidad de reacci6n es un problema de solubilidad en agua, m6s bien que de impedimento estkrico.Un cloruro de iicido con un grupo alquilo pequeño es m6s soluble y reacciona con miis rapidez. Un incremento del tamaño de la porción alquílica hace al cloruro de ácido menos soluble en agua; y la reacción es más lenta. Si la hidrólisis de diferentes cloruros de iicido se lleva a cabo en un disolvente inerte, que disuelve aambos: cloruro de iicido y agua, las velocidades de hidr6lisis son similares. O

O

II

O

II

II

CH,CH2CH,CCI

CHJCCI

CH,CH,CCI

velocidad creciente de hidr6lisis en agua pura

PROBLEMA MODELO Sugiera una raz6n, por la cual el cloruro de benzoilo es menos reactivo hacia el ataque nucldfilo que la mayor parte de los cloruros de hcidos alifhticos. Soluci6n: La conjugaci6n del grupo carbonilo puede disminuir la velocidad de hidr6lisis por dispersi6n de la carga positiva sobre el carbono carbonílico (un carbono menos positivo es menos atractivo para un nucle6filo).

&:, - DkCI :o:

carga

:o:-

~

/f

+ deslocalizada

(

y

-

C

: o : --

l

$-j: -

PROBLEMASDE ESTUDIO 13.4.

Sugiera un mecanismo para la

13.5.

Completelasiguienteecuaci6n Explique su respuesta.

hidrólisis del cloruro de butanoilo en NaOH acuoso diluido. y predigalaposici6n

CCI

+ H,"O

(o posiciones)del '*O en el producto.

-

Capftulo 13

624

Derivados de


Reacci6n con alcoholes. Los clonuos de kid0 reaccionanconlosalcoholes para dar Csteres y HC1 en una reacci6n que es antiloga a la hidr6lisis. La reacci6n de un compuesto orghico con un alcoholsellama alcoh6lisis. La alcoh6lisis de los cloruros de hcido es muy útil para la síntesis de tsteres impedidos o Csteres fen6licos. O

II

U

CH,CCI

+

CH,OH

II

CH,COCH,

__*

+ HCI

acetilo metano1 metilo cloruro acetato de de

Por lo general, es conveniente eliminar el HCl de la mezcla dereaccibn, amedida queseforma. La raz6nesque el HC1puedereaccionarcon el alcohol y producir clonuos dealquilo o alquenos y agua.Usualmenteseañadeunaaminaterciaria o piridina, para que atrape el HCl.

-

+ (CH,),COH + QN:

CH,--(@!Cl CH,

cloruro de 2,4,6-trimetilbenzoilo

Calor

alcohol piridinar-butílico

H3F

o

\

clorhidrato de piridma

CH 3

2,4,6-trimetilbenzoato de r-butilo (79%) ~~

~


Escriba el mecanismo para la reacci6n del cloruro de butanoilo con fenol en presencia de piridina

Reaccibn con amoníaco y aminas. El amoníaco y lasaminassonbuenos nucle6filos. Reaccionan con los cloruros de iícido, igual que otros nucle6filos. El producto de la reacci6n es una umzdu. Tan pronto como los protones se pierden en el paso de la desprotonacih, reaccionan con el amoníaco o la amina bhsica. Por esta raz6n, se deben usar, al menos, dos equivalentes de NH, o amina.

o I1

CH,CCI

+

NH, amoníaco

o I1

CH,C'C'I

+ 2 ('H,NH2 meril-amina amina 1""

UM

-

O

II

+ HCI

CH,CNH,

una ami& I""

-

1

NH,

,

NH,. C ' I

o I1

CH,CNHCH, U M ami&

2""

+ CH,Nti3'

CI

Halogenuros Seccidn dcido de

O

It

CH,CCI

+ 2 (CH,)*NH dimetil-mina

-

13.3.

625

O

II

CH,CN(CH,),

+ (CH3)2NH2+C I

una mida 3""

una amina 2-

Si una amina es costosa, el químico puede no querer emplear un exceso de la misma en la reacci6n con cloruro de 5cido. S610 se necesita un mol de amina para reaccionar, se necesita una segunda molécula s610 para atrapar el HCl. En este caso el químico emplear5 otra base, para eliminar el HC1. Por ejemplo, se puede utilizar una amina terciaria más econ6mica. (Una amina terciaria es reactiva frente al HC1, pero no puede formar una amida con un cloruro de 5cido. ¿Por qué?) Si un halogenuro de ácido (como el cloruro de benzoilo) no es muy reactivo frente al agua, puede añadirse NaOH acuoso, para eliminar el HX. Los reactivos y el NaOH acuoso forman dos fases. Tan pronto se forma HX, reacciona con NaOH en la fase acuosa. Esta reacción de un cloruro de Bcido con una amina en presencia de una disoluci6n de NaOH se llama reaccidn de Schotten-Baumann. O

y a la fase acuosa

O

piperidina cloruro de benzoilo

U n a amido

80%

PROBLEMA DE ESTUDIO 13.7. La reacci6n de Schotten-Baumann no es aplicable si el cloruro de Acid0 y la amina son solubles en agua. ¿Que productos esperaría de una mezcla de cloruro de acetilo, metil-amina, NaOH y agua?

Conversión a anhídridos. Los iones carboxilatos son nucle6filos y sus sales (RC0,Na) se pueden emplear para desplazar el cloruro de los cloruros de Acido. El producto de la reacción es un anhídrido. O

O

I1

CHj(CH2)SCCI heptanoato anhídrido heptanoico heptanoilo ion decloruro

+

11

CHJ(CH,),CO-

-

O 0

II II

CH,(CH,),COC(CHL)SCH,

+ CI

60%


Escriba elmecanismoparala

reacci6n del acetato desodio y cloruro de benzoilo.

Converswn a aril-cetonas. Los cloruros de ácido son por lo general los reactivos de elección en las reacciones de acilación de Friedel-Crafts (Secci6n 10.9E).Esta reacción es unarutaa las aril-alquil-cetonas, sintrasposici6n de la cadena lateral alquílica. (Recuerde que las alquilaciones similares transcurren a travCs de carbocationes alquílicos, y que las trasposiciones son frecuentes.)

626


Capitulo 13

O

O

etil fenil cetona

90%

PROBLEMA DE ESTUDIO 13.9. Sin consultar el Capítulo 10, diga c6mo prepararía isobutil-bencenoapartir de benceno

Reaccibn concompuestos organometdlicos. Un cloruro de hcido reacciona con diferentes nucle6filos, incluyendolos compuestos organometAlicos. La reacci6n de un c l o m deBcidocon un reactivo de Grignard da primero una cetona, que reacciona posteriormente con el reactivo de Grignard, para dar un alcohol terciario, desputs de la hidr6lisis. (Si se emplea un exceso de cloruro de hcido y la temperatura se mantiene a -25", se puede aislar la cetona intermediaria.) O

II

R-C-CI un clonuo de 6 c i h

O

OMgX

II

R'MgX b

I

R'MgX

R-C-R'

R-C-R' I

+

cetonauna

OH H20.H' b

l

R-F-R' R,.

RI

un alcohol 3-

OH

O

cloruro de bemilo

2-fenil-2-ppanol

un alcohol 3&

Un reactivo organometiilico apropiado para preparar una cetona a partir de un clorurodeBcidoes el reactivo del cadmio, un compuestoorganoc6dmicoque se prepara a partir del reactivo de Grignard y cloruro de cadmio. Formacidn del reactivo de cadmio:

2 RMgCl

+ CdCI,

__t

R2Cd

+ 2MgC1,

un reactivo de cadmio

El cadmio es menos electropositivo queel magnesio; por consiguiente, el enlace C - C d es menos polar que el enlace C-Mg. Por esta caz6n, los reactivos de cadmio son menos reactivos que los de Grignard. 6-

t

d+

R-MgX m&s negativo

n-

6+

R-Cd-R

n-

menos negativo

Los reactivos de cadmio no reaccionan conl a s cetonas, pero reaccionan con los halogenuros de &ciday ofrecen un mbtodo excelente para la síntesis de cetonas

Halogenuros de dcido

Secci6n 13.3.

627

Reaccibn con un halogenuro de dcido:

O

O

R,Cd

I1

I1

+ R'CCI

___*

+ RCdCl

R"C-R

una cetom

A continuacidn se da un ejemplo de síntesis de una cetona con un reactivo de cadmio. Advierta que el halogenuro de ácido contiene un grupo Cster. Esta síntesis no hubiera tenido Cxito si se hubiese empleado un reactivo de Grignard, porque el grupo 6ster tambitn reaccionarfa con 61.

CH,CH,CH,MgBr

CdCI,

I1

+

(CH,CH,CH&Cd

u

CH,0CCH2CH,CCI

CH,OCCH,CH,CCH,CH,CH, un ceiodster 75%

Los reactivos alquilcádmicos secundarios y terciarios son inestables; por consiguiente, un reactivo organocBdmico es útil solamente cuando R es metilo, primario o fenilo. Una ruta más generalpara obtener cetonas es elempleo de dialquil-cupratos de litio. (En la Secci6n 6.10 describimos el empleo de estos agentes y los halogenuros de alquilo para sintetizar alcanos.) Como los reactivos de cadmio, los cupratos reaccionan con los halogenuros de Bcido, para dar cetonas. Estas reacciones generalmente se hacen en un disolvente Cter a bajas temperaturas (O a -78"). CH,l

- LI

CH,Li

CUI

LiCu(CH,), un dialquil-cuprarode lirio

3,3-dimetil-2-butanona (1-butil metil cetona)

PROBLEMA DE ESTUDIO 1 3.1 O. Muestre por ecuaciones c6mo preparm'a las siguientes cetonas a partirde halogenuros de alquilo y cloruros de acid0 (1) utilizando un reactivo de cadmio y (2) utilizando un cuprato: O

O

Reduccidn. La reducci6nde los cloruros de Bcido con hidnuo de litio y aluminio produce alcoholes primarios. Puesto que los alcoholes primarios tambiCn se pueden obtener a partir de los iicidos respectivos por reducci6n con LiAlH, esta reacci6n es poco útil en síntesis.

528

Capitulo 13

Derivadosde los dcidos carboxilicos

kid0 benzoic0

bencílico

alcohol

Se puede llevar a cabo la reducción parcial de un cloruro de ácido a aldehído, y esta reacción es muy útil. (El ácido carboxílico mismo no se reduce fkilmente a aldehído). Para reducir el RCOCl a RCHO, en vez de RCH,OH, se requiere un agente reductor más suave que el LiAlH,.Un reactivo apropiado es el hidruro de tri-t-butoxialuminio y litio, que se obtiene apartir del alcohol t-butílico y LiAlH,. Este agente reductor es menos reactivo que el LiAlH, a causa del impedimento estkrico y de la atracción de electrones por los átomos de oxígeno. Preparacidn delreductor agente

3 (C‘H,),COH t-butrlico

+ LiAIH,

-

alcohol

OC(CH,), Li

’

I

H-AI”OC(C‘H

\),

I OUCH,),

+ 3 H,

hidrum de tri-r-but6xialuminio y litio Reaccidn con RCOCI:

o

O

cloruro de benzoilo

benzaldehído

Halogenacih alfa. Las cetonas se pueden halogenar en posición cx por tratamiento con X, y H’ ó OH-. Esta reaccibn, que fue tratada en la Sección 11.18, transcurre mediante la utilización del enol. Los halogenurosde ácido tambiénse pueden tautomerizar y, por consiguiente, sufrir halogenación (Y. O

I1

CH3CCI forma “reto”

OH

I

CH,=CCI

[I2

_ _+

forma “enol”

C I O N ~ de cloroacetilo un halogenuro de

a-halo &ido

L o s ácidos carboxílicos no se tautomerizan fácilmente y, por lo tanto, no se halogenan en alfa. Sin embargo, la halogenación de los halogenuros de ácido proporciona una tkcnica que permite obtener ácidos a-halocarboxílicos. Si al ácido carboxílico se le adiciona una cantidad catalítica de PC1, junto con el agente halogenante (usualmente ClJ, el PC1, convierte una pequeiia partedel ácido en el cloruro de ácido, el cual se halogena en alfa.

Halogenuros de dcido

o

O

II

I1

PCI,

R2CHCOH R2CHCCI

CI2

Seccidn 13.3.

629

O

II

RzCCCl

I

el cloruro &cid0 halogenado

En lamezclade reacci6n, se encuentran en equilibrio el halogenurodeAcid0 con el iicido carboxílico mismo. Dado que el Acido se encuentra en exceso, el cloruro de a-halo Bcido se convierte en el a-halo Bcido. puede reaccionar con nuis Cl,

O

O

I1

R2CCCI

I c1

+

O

I1

R2CHCOH

-¡==="

II

RlCCOH

I

CI

el &ido (exceso)

RZCHCCI

el cloruro de &ido no halogenado

el a-halo &cia%

el cloruro de

\ ?

+

&cid0 halogenado

En el proceso, se forma mBsclorurodeAcidonohalogenado. Este cloruro de El iicidonohalogenado se halogenaen alfa y serepitelasecuenciadereacciones. resultadofinal de estasecuencia es, en efecto, lahalogenación CY de un ácido carboxílico. Esta secuencia de reacciones se llama reacci6n Hell-Volhard-Zelinsky, de en honor de los químicos que desarrollaron la técnica. Reaccidn general:

RZCHCO2H

+ C12

PC],

c1 I ' R2CCOzH + HCI

A continuaci6n se dan algunos ejemplos específicos de halogenacibn (X de 4cidos carboxílicos (a través del halogenuro de Bcido): CH,CH2C02H Acid0 propanoic0

Lido ciclohexan carboxílico

+ CI2

PCI,

CI

I

CH,CHCO,H

+ HCI

Lido 2-~10ro-propanoico

Lido 1-bromo- ciclohexan cacboxííico

630

Capitulo 13

Derivados a'cidos los de

carboxilicos

13.12. Escriba el mecanismo de la reaccidn del cloruro de cloracetilo con el iicido acetic0 para dar iicido cloracético.

SECC16N 13.4.

Anhídridos de 6cidos carboxílicos Un anhídrido de un 6cido carboxilico tiene la estructura de dos molCculas de ácido carboxílico, de las que se ha eliminado una mol6cula de agua(anhidrido significa "sin agua").

/I

o

O

CH3C'OH

HOCCH,

I/

O

0

I/ II

I3 ? O

CH,COCCH, un anhMrido

A. Nomenclatura de los anhidridos Los anhídridos simétricos son aquellos en los cuales los dos grupos acilo son idCnticos. Se nombran con la palabra anhidrido en lugar de ácido, seguida del nombre del ácido carboxílico respectivo.

o 0 II I1

O

CH,CH,COCCH,CH, CH,COCCH, WAC: Común:

anhídrido etanoico anhídrido adtico

0

II I1

anhidrid0 propanoico anhídrido propi6nico

L o s anhídridos no simétricos se nombran con la palabra anhidrido en lugar de ácido, seguida del nombre de los dos ácidos.

O 0

I1 /I

IWAC:

común:

CH,COCCH,CH, anhídrido etanoico propanoico anhídrido acetic0 propidnico

I _

PROBLEMA DEESTUDIO 13.1 3. Escriba un nombre apropiado para cada uno de los siguientes anhídridos:

o 0 I1 I/

O 0

I/ I I

(a) CN,CH,CH,CH,COCCH,CH,CH,CH,

(b) C,H,COCCH,

B. Reparación de 10s anhídridos Con pocas excepciones, los anhídridos de ácido no se pueden formar directamente de

los ácidos carboxílicos, sino que deben prepararse a partir de derivados de ácidos carboxílicos más reactivos. Una ruta para obtener un anhídrido es la reacción de un cloruro de ácid0 con un carboxilato, que se mencionó en la página 625.

o II

KC"1 un

cloruro de &ido

o I1

O

I1

-1-

OCR' un carboxilato

- ~ _ _ t

0 /I

RC-OCR' un anhídrido

+C

I

Anhidridos de Acidos carboxílicos

’

Seccibn 13.4.

631

Otra ruta para obtenerun anhídrido deAcid0 es el tratamiento del hcido carboxílico con anhídrido acCtico. Tiene lugar una reacci6n reversible entre un ticido carboxflico y un anhidrido. El equilibrio puede desplazarse hacia la derecha, destilando el hcido acCtico a medida quese forma. Esta reacci6n tambitn se ha mencionado anteriormente (Secci6n 12.11B).

2o COlH

kido benzoico

O 0

O 0

II I1

+ CH3COCCHj

f “+ -

anhidrid0 adtico

e

a

+ 2 CH,CO,HT

anhídrido benzoico

kid0 acktim

!

!

O

Se puede formar un anhídrido cíclico de cinco dihcido apropiado (Secci6n12.11B).

!

o seis miembros calentando el

O

anhidrido succínico .

ticido succínico

un anhídrido cíclico

un dicirido

C. Reaccionesde los anhídridos Como los halogenuros de ticido, los anhídridos de hcido son m h reactivos que los o amidas. ticidos carboxílicos y se pueden emplear para la síntesis de cetonas, Csteres Los anhidridos de ticido reaccionan con los mismos nucle6filos que los cloruros de hcido: sin embargo, las velocidades de reacci6n son m8s lentas. (Un ion carboxilato no es tan buen grupo saliente comou11 ion halogenuro). Note que elotro producto en esta reacci6n es el hcidq carboxílico o, cuando la mezcla de la reacci6n es alcalina, su ani6n.

intermediario

Hidrdlsis. Los anhídridos reaccionan conel agua, para dar ticidos carboxílicos. La velocidad de reaccih, como en los cloruros de ticido, depende de la solubilidad del anídrido en agua. O

0

I I I1

CH3COCCH,

+ H,O

anhídrido acttico General:

O 0

I1 It

RCOCR’ un anhidrido

..

+ H,O

-

O

I1

2 CH,COH kido a&tico

RC0,H

+ R’C0,H

dcidos carboxflicos

ato

632

Capitulo 13

Derivadosde los dcidoscarboxilicos

Reaccibn con los alcoholesy fenoles. La reacci6n de un anhídrido conun alcohol o un fenol, da un Cster. La reacci6n es particularmente útil con el anhídrido acttico, asequible en el comercio, que lleva a los acetatos. Se puede añadir una amina terciaria o piridina a la mezcla de reaccidn para eliminar el Acido (CH,CO,H ennuestros ejemplos) a medida que se forma. O

0

O

I I I1

CH,COCCH, etanol

+ CH,CH,OH +

anhidrid0 acttico

I1

O N :

CH3COCH2CH, etilo

+ CHACO,-

de

H N O

piridina

O

acetato

fenol

de fenilo

PROBLEMA DE ESTUDIO 13.14. Completelaecuaci6nsiguiente:

9 + CH3CH,0H + o Reaccih con et amoniaco y las aminus. El amcníaco, las aminas primariasy lasaminassecundariasreaccionanconanhídridos,paradar amidus. Denuevo,el anhídrido acttico es el anhídrido m6spopularque se emplea en esta reacción. El amoníaco y el anhídridoacCtico dan acetamida, mientras quelas aminasy el anhídrido dan acetamidas sustituidas. Se consume un mol de la amina en la neutralización del Acido acCtico formado en la reaccih. O

0

II I/

CH,COCCH, acetamida

O

+

2 NH, amoníaco

-

0

/ I I1

CH3COCCH3 + 2 RNH, una amina 1"'

__

-

O

I1

CH,CNH,

+ CH3CC2- NH4+

O

II

CH,CNHR

i

CH,COL- R N H ,

una N-alquil-acetamida

'

13.5.

Esteres de dcidos carboxilicos Secci6n

633

"

PROBLEMA MODELO Prediga el producto de la reacci6n de un equivalente de anhidrido succínico con equivalentes de amonfaco. Soluci6n:

dos

O

II

/

C'O- NH,'

CQ2 CH I

C O + 2 N H 3

o

CNH,

11

o ~~

PROBLEMADEESTUDIO 13.15. W l a s estructurasde todos los productos orghicos principales.

Ésteres de iicidos carboxílicos L o s ésteres, una de las clases de compuestos orghicos mAs útiles, se pueden convertir en una gran variedad de otras sustancias (Figura 13.8). Los Csteres son comunes en la naturaleza. Los ésteres voliitiles dan aromas agradables a muchosfrutos y perfumes. Las grasas y las ceras son ésteres (Sección 20.1). Los ésteres se usan tambiCn para los polímeros sintéticos; por ejemplo, el dacrón es un poliéster. La Tabla 13.3 muestra una lista de Csteres representativos. Podría ser interesantecomparar los olores de algunos de estos Csteres con los olores de los ácidos carboxílicos, Sección 12.2.

A. Nomenclatura de los ésteres El nombrede un &ter consta de dos palabras. La primeraderiva del ácido carboxilico, eliminando la palabra ácida y cambiando la terminación -ico por lade -ato. La segunda es el nombre del grupo alquílico unido al oxígeno. Observe la semejanza entre el nombre de un éster y el de la sal de un ácido carboxílico.

un &ido

WAC: comb

Lido propanoic0 Lido propi6Nco

UM

sal

propanoato de sod10 propionato de sodio

un b t e r propanoato de metilo propionato de metilo

o

634

Capitulo 13

Derivadosde los Bcidoscarboxilicos

I

&cid0 carboxílico '.

halogenuro de &ido

d jo a c -i

@"

1 polikster

FIGURA 13.8. Relacidn sintetica de los esteres con otros productos.

~~~~

~

~

TABLA 13.3. Nombres, olores y puntos de ebullicidn de esteres seleccionados.

Nombre común

metilo

metilo

de

de

acetato etilo acetato de acetato propilo de butirato etilo de acetato isoamilo de propionatodeisobutilo

Estructura

CH3C0,CH, CH,CO,CH,CH, CH3C02CH2CH,CH3 CH,(CH2),CO2CH2CH3 CH,CO,(CH,),CH(CH,), CH,CH2C0,CH,CH(CH3),

P. eb, C

Olor

agradable agradable peras como como piña peras como como ron

salicilato

57.5 77 102 121 142 137

220

B. Preparaciónde los esteres La mayor parte de los mktodos para la síntesis de ésteres ya han sido tratados en otras partes de estetexto. En esta secci6n daremos un resumen de estos mktodos. Se explicó además una reacción adicional: la de los ácidos carboxílicos con diazometano. A partir de 6cidos carboxílicas y alcoholes (Secci6n 12.9):

kido 4-fenil-butanoico

etanol

4-fenil-butanoatode etilo 85%

fsteres de Acidos

carboxílicos

Secci6n 13.5.

635

malonilo cloruro alcohol de t-butnico di-r-butilo maionato de 80% A partir de un anhidrido y un alcohol o fenol (Seccibn 13.4):

anhídrido M i c o

2-butilo

de

hcido

ftalato 97%

A partir de un carboxilato y un halogenurode alquilo reactivo(Sección 12.6): "

ion acetato cloruro de bencilo

acetato de bencilo 93%

A partir de un 6cido carboxílico y diazometano

ciclohexan Lido diazometano ciclohexan carboxilato carboxílico

de metilo 100%

Con la excepción de la reacción del diazometano, las reacciones precedentes de esterificación dan por lo general buenosrendimientos, pero no cuantitativos. La reacci6n de un adido carboxílico con diazometano da, usualmente, un rendimiento cuantitativo (eliminando la necesidad de purificar el Cster formado). El diazometano (CH,N,), que se mencionó antes (Sección 9.12), es un gas tóxico, explosivo; casi siempre se prepara cuando se necesita. A pesar de estas desventajas, el diazometano es con frecuencia el reactivo de elección. Por ejemplo, si un químico desea esterificar unos cuantos milígramos de un ácido carboxílico, para antdisis espectroscópicoo si por cualquier razón, quiere un rendimiento casi cuantitativo de un Cster, probablemente eligirá el diazometano para preparar el ester metílico. iC6mo ocure la esterificación con diazometano?El carbono de diazometano lleva una carga negativa parcial, y el protdn ácido del ácido carboxílico es sacado por esta estructura similar a la de un carbanión. Luego, el nitrógeno (N2), uno de los mejores grupos salientes conocidos, se desplaza por el anión carboxilato para dar el &,ter de metilo.

Capitulo 13

636


Reacci6n con RC0,H:

O

O

I1 ..h.)

I1..

RCO-H-CH,-N,+

__*

" +

RCOCH,

+ N,

un &ter metílico

PROBLEMA DE ESTUDIO 13.1 6. iC6mo prepararía aspirina a partir del salicilato de metilo (Tabla 13.3)?

C. Reacciones de los esteres En disolución cicida, el oxígeno carbonílico deun &ter se puede protonar. Entonces, el carbono parcialmente positivo puede ser atacado por un nucle6filo debil, tal como el agua. Protonaci6n:

estructuras en resonancia para un bter protonado

El oxígeno carbonílico se protona antes que el oxígeno del alcoxilo, porque es el más básico de los dos. De las estructuras en resonancia del éster protonado se puede deducir que el cati6n resultante se estabiliza por resonancia (el catión que se forma por protonación del oxígeno del alc6xilo no se estabilizapor resonancia). En una disolución alcalina,un buen nucleófilo puede atacarel carbono delgrupo carbonilo de un éster sin protonación previa.Es la misma ruta de adici6n-eliminación que se sigue en el ataque nucleofílico a cloruros y anhídridos de ácido.

Esterificacidn:

O

0

ácido benzoic0

metano1 benzoato (exceso)

de metilo

13.5.

heres de dcidos carboxílicosSeccidn

Hidr6lisis:

benzoato de metilo

kido benzoic0

exceso

metano1

Si se usa agua marcada con "0 en la hidrólisis, el oxígeno marcado aparece en el ¿ícid0 carboxilico. O

O

I1

RCOR

H ' . calor

+ H, ''0

c-

'

II

RCI'OH

sin I 8 0

+ ROH

La razón de ello es que el agua ataca el grupo carbonilo. El enlace R O no se rompe en la hidrólisis. este enlace se rompe

RC-O-R

t

este enlace no se rompe

El siguiente mecanismo explica esta observación. Adviértase que el primer paso es la protonación (sólo se indica una estructura en resonancia), seguido por la adicibn de H,O y luego eliminación de R'OH, seguida de desprotonación.

estructuras en resonancia para el &ido protonado

Se puede escribir el siguientemecanismo simplificado para la hidrólisis de Csteres: O

I1

RCOR' Cster

un

H'

+ HZ0 e

[

OH

R"C'"OR' 1H

o II

. 'RC'OH un &ido carboxílico

+

HOR' un alcohol

PROBLEMA DE ESTUDIO 13.1 7. ¿Qué productos esperada de la hidrólisis ácida del siguiente éster marcado?

638

Capitulo 13

Derivadosde los dcidoscarboxilicos

Hidr6lisis alcalina (saponiJicaci6n).La hidrólisis de un &ter con una base, o saponificaci6n, es una reaccidn irreversible. Puesto que es irreversible, la saponificación da con frecuencia mejores rendimientos de ácido carboxílico y alcohol que la hidrólisis ácida. Ya que la reacción ocurre en un medio básico, el producto de saponificación es la sal del dcido carboxílico o carboxilato. Se genera el ácido libre cuando se acidifica ladisolución. Nótese que el OH- es un reactivo y no uncatalizador en esta reacción. Saponificaci6n:

o

O

ion benzoato

benzoato de metilo

Acidificaci6n:

O

O

Lido benzoico

Se ha acumulado mucha evidencia para apoyarel siguiente esquema mecanístico, que es típico del ataque nucleofílico a un derivado del ácido carboxílico. Etapa I (adici6n de OH-) (lenta):

Etapa 2 (eliminacibn de " O R ' y transferencia de/ prot6n) (rApida):

¿Cuál es la evidencia que apoya este mecanismo? Primero, la reacción sigue una cinéticu de segundo orden, es decir, tanto el Cster como el OH- est4n involucrados en la etapa que determina la velocidad. Segundo, si la porción alcohólica del éster contiene un centro quiral, la saponificación transcurre con retencidn de la conjiguracibn del alcohol. Esta evidencia apoya la ruptura del enlace carbonilo-oxígeno y no la ruptura del enlace alquilo-oxígeno.

,,,- carbono quiral

benzoato de (R)-2-butilo

ztcido benzoico

(R)-2-b~tanol

.&teres de ficidos carboxílicos

si

Seccibd 13.5.

639

se rompiera este enlace,

f esperariamos racemizaci6n o inversi6n

\ no se observa racemizaci6n o inversi6n; este enlace se rompe

PROBLEMA DE ESTUDIO O

It

13.18: Prediga los productosde sapnificaci6n de CH,C”0CH,CH3

La palabra suponifcuci6n proviene del latín “saponis” (jab6n).Los jabones, que se sintetizan por saponificacibn de las grasas, se explicarh en mayor detalle en el Capítulo 20. O

II

CHzoC(CH,)l,CH, I CHOC(CHd1,CH3 I

+ 3 NaOH

I ?

-

CH,OH

I

CHOH II

CH,OH glicerol

o II

+ 3 Ckl,(cH,),,CO-

~

a

+

palmitaro de sodio Un Ja66n

tripalmitina una grasa

o triglichido

PROBLEMA MODELO @itn tiene mayor velocidad de sapnificaci6n: (a) benzoato de etilo, o (b) p-nitrobenzoato de etilo?

PROBLEMA DE ESTUDIO 13.19. Escriba ecuacionespara la saponificaci6n conNaOH acuoso de cada uno delos siguientes tsteres:

Capitulo 13

640

los Lidos carboxilicos

Derivadosde

Transestenficación. El intercambio de l a porción alcohólica de un éster se puede realizar en medio ácido o en medio basic0 por una reacción reversible entre el éster y otro alcohol. Estas reaccionesdetransesterificación son andogas a la hidrólisis ácida y alcalina. Ya que las reacciones son reversibles, hay que emplear un exceso de alcohol.

o metilo

de

O

benzoato

de

exceso

benzoato

etilo

PROBLEMADE ESTUDIO 13.20. Sugiera mecanismos para la reacci6n de transesterificaci6ndel acetato de etilo con (a) metanol y HC1, (b) metanol y met6xido de sodio.

Reacción con amoníuco. Los ésteres reaccionan con amoníaco acuoso para dar amidas. La reacción es lenta, comparada con las reacciones de loshalogenuros y anhídridos de ácido con amoníaco. Esta lentitud de la reacción del éster puede ser ventajosa, porque la reacción del cloruro de ácido con una amina a veces puede ser violenta, La preparación de amidas apartir de ésteres es la reacción de elección, cuando el químico desea una amida con otro grupo funcional, que no sena estable frente al cloruro de ácido. Este caso se ilustra en el segundo ejemplo.

o I1

CI('H,COC'H2CF1,

+ NH3

(1"

I

111

cloroacetato de etilo

o II

ClCH2CNH2 cloroacetamida

+ CH,CHIOH

80%

o II

('H,('11('OCH2CH,

l

+ NH3

oH 2-hidroxi-propanoato de etilo (lactato de etilo)

3

o II

L

2.4 " Ill+

CH,CHCNH,

l

oH

+

CH,('H,OH

2-hidroxi-propanamida 70%

PROBLEMADEESTUDIO 13.21. ¿Qué productos se formarían en la reacción del ácido 2-hidroxi-propanoic0(ácido láctico) con SOCI,?

heresdcidos de carboxilicos Seccibn

73.5.

641

Reduccibn. Los Csteres se puedan reducir por hidrogenaci6n catalítica, llamada a veces hidrogen6lisis de bteres o porel hidruro de litio y aluminio.Unat6cnica mls antigua es la reducci6n de los Csteres con sodio metaico en etanol. Independientemente del agente reductor, se obtiene un par de alcoholes (al menos, uno primario) en la reducci6n de un Cster.

o

General:

11

RC-OR

t

A

RCH20H + HOR'

otro alcohol

alcohol al primario

HOCH,CH3 benzoato de etilo

etanol

alcohol bencílico 90%

HOCH,CH, etanol

HOCH,CH, adipato de dietilo

1,6-hexanodiol

etanol

90%

PROBLEMA

DE ESTUDIO

13.22. Muestre con ecuaciones c6mo prepararía CH,(CH,),,CH,OH a partir de tripalmitina.

Reaccih con los reactivos de Grignard. La reacciónde los Csteresconlos reactivos de Grignard es una tkcnica excelente para la preparaci6n de alcoholes terciarios con dos grupos R idénticos. General:

o

OH

un

ciclohexano carboxilato de etilo

---

" u "."

.

...

Ix

alcohol 3"

2-ciclohexil-2-propal

642

Derivados de los dcidoscarboxilicos

Capitulo 13

Si un &ter del dcido f6rmico se somete a una reacci6n de Grignard, se obtiene un alcohol secundario con dos grupos R idénticos. Los formiatos sonun caso especial porque el carbono carbonilico est4 unido aun Atorno de H y no a un grupo alquilo o do. O

OH

'I

I

( 1 ) 2 R'MpX

H-y-R'>

HCoR un bter

de &idof6nnico

dos grupos R'

ianticos

a alcohol 2"

El mecanismo de la reacci6n deun reactivo de Grignard con un Cster es similar al de la reacci6n de un reactivo de Grignard con un aldehído o cetona; es decir, el carbono nucleofílico del reactivo de Grignard ataca el carbono positivo del grupo carbonilo. En el caso de un Cster, como en el caso de un halogenuro de hcido dos equivalentes del reactivo de Grignard atacan el átomo de carbono carbonílico. Para ver por que esto esasí, sigamos la reacci6n paso a paso. Primero el carbono negativo d e l reactivo de Grignard ataca el carbono del grupo carbonilo. El producto de este paso tiene una estructura de tipo hemiacetAlica, que pierde ungrupo alcoxilo para dar uha cetona. Ataque incial:

un tipo

una cetona

de hernicetal

La cetona da entonces una segunda reacci6n con el reactivo de Grignard. La velocidad de la segunda reacci6nes mayor que la de la primera; de aquí que pueda no aislarse la cetona. Segundo ataque e hidr6lisis:

:OMgX H3MgX

I

__*

RCCH, I CH3

OH HOH'

I

RCCH, I CH, un alcohol

+ Mg2' + X - + H2O 3*

PROBLEMAS DE ESTUDIO 13.23. Muestreconecuacionesc6mopreparadalossiguientesalcoholesa metilo:(a)2-metil-2-butanol y (b) 3-etil-3-pentanol.

partir delpropanoatode

13.24. Fbdiga elproducto de reacci6ndelformiatodeetiloconbromurodeetil-magnesio,seguido de tratamiento con &ido acuoso.

Lactonas

Seccidn 13.6.

643

SECC16N 13.6.

Lactonas Una lactona es un 6ster cíclico. Las lactonas son bastante comunes en la naturaleza. Por ejemplo, lavitamina C y la nepetalactona, el atrayente de los gatos que se encuentra presente en la n6beda (Culuminrha nepe&), son lactonas. Resulta interesante notar la similitud estructural entre la nepetalactona y la iridomirmecina,un compuesto odorífero que se encuentra en la especie de hormigas Iridomyrmex.

vitamina C (icido asc6rbico)

iridomirmecina nepetalactona

atrayente de gatos) presente en la &beda

hormigas en

Las lactonas se formandemol6culasquecontienen un grupo carboxilo y un grupo oxhidrilo. Estas mol6culas pueden sufrir una esterificaci6n intramolecular.

/CH,OH CH ,C02H “(‘H2CH2 7

5-hidroxi-pentanoico

lactona del 6cido

kid0 4-hidroxibutanoic0 un y-hidroxicicido

4-hidroxi-butanoic0

kido 5-hidroxipentanoico un 6-hidroxicicido

(y-butirolactonu) II+

+-

’

0

0

+H20

lactona del Acid0 (halerolactono)

Con los y- o &hidroxihcidos, que forman lactonas de cinco y seis miembros, la ciclaci6n es tan fAcil que con frecuencia no se pueden aislar los hidroxiAcidos. Aunque lareacci6nsecatalizaporAcidos o bases, bastantrazasdehcidodelvidriodelos matraces para catalizar la formación de lactona si el producto es un anillo de cinco o seis miembros. En la Tabla 13.4, se dan los porcentajes de hidroxihcidos y lactonas para algunas mezclas de equilibrio en medio hcido acuoso.

~~

PROBLEMA DE ESTUDIO 13.25. El Acid0 Ihctico (hcido 2-hidroxipropanoico) no forma una lactona. Pero cuando se calienta, da un &ter dímero cíclico, llamado lactida. ~ C u a es la estructura de esta lactida?

644

Capitulo 13

Derivados de

los Acidos carboxilicos

TABLA 13.4. Composici6n de las mezclas de equilibrio de hidroxi6cidos frente a sus lactonas Lacrom

Hidroxidcido

% de &ido

% de

lacrona

HOCH,CH,CO,H

HOCH2CH,CH,C0,H

HOCH,(CH2)2CH,C0,H

100

O

27

73

9

91

o

HOCH,(CH2),CH,CO2H

Los ácidos carboxílicos con grupos oxhidrilo en otras posiciones diferentes de las y ó 6, son estables y no ciclan espontáneamente. (Compare los porcentajes de lactona en las mezclas de equilibrio de los hidroxiácidosen la Tabla 13.4.) Sin embargo, las lactonas de estos hidroxiácidos se pueden sintetizar en las condiciones usuales de esterificación. En estos casos se emplea una disolucidn diluida del hidroxiácido en un disolvente inerte. La reacción intramolecular se favorece por la disolución diluida, porque es menos probable que ocurran colisiones entre las moléculas. Si la disolución es concentrada, entonces las moléculas del hidroxiácido reaccionan entre sí, para dar un poliéster. En ambos casos, un disolvente tal como el benceno permiteque se elimine el agua formada, destilándola como azeótropo, y así se desplaza la reacción hacia la lactona (o el politster).

1

n+, calor

+ HLO

disoluci6n diluida

la lactom

HOCH~(¿-H~)~(.OH Bcido

7-hidroxiheptanoico

1

H + , calor

disoluci6n concentrada

~

4

OCHJCH,),Ce[ poliésrer

, + H,O

Secci6n 13..7.

Poliesteres

645

SECCldN 13.7.

Poliésteres La fibra sintética Dacron es un poliéster preparado por una reacción de transesterificación de tereftalato de dimetilo y etilenglicol. La razón de la formación del polímero es que ambos reactivos son bifrncionales y cada uno puede reaccionar con otras dos moléculas.

o

o 1,2-etanodiol

tereftalato dimetilo (etilenglicol) de

I O

O

OH.

WO CH2CH20!-@!OCH2CH2

+ 2 CH,OH

los grupos OH pueden reaccionar d s

Dacr6n t.t- = 80 130)

Cuando los mon6meros son bifuncionales, como el tereftalato de dimetilo y el etilenglicol, el polímero debe crecer en forma lineal. Los polímeros lineales frecuentemente son excelentes fibras textiles. Si hay m&sde dos lugares reactivos en uno de los monómeros, el polímero puede crecer en forma de red con enlaces transversales. gliptal (polímero de glicerina y anhídrido Mico) es un ejemplo de polikster cruzado. I"c0

&o

+ o

anhídrido Wlico

;:E CH,OH

6

calor

I"c0

02cm

CO,CH,CHCH,O-j

I

01 ,- C

C02CH,CHCH,0-{

glicerina gliptal

Capítulo 13

646

Derivados de


SECC16N 13.8.

Tidsteres O

II

Los tsteres con la unidad RCS- se llamantidsteres. Los tidsteres sufren reacciones como la hidr6lisis, en forma similar a los Csteres comunes. La acetil coenzimaA , que es tan importante en las reacciones biol6gicas, es un tidster.

y

2

o

O

O

II

11

O

CH,

II

I

*I1

II I

CW~CS"CH,CH,NHCCH,CH2NHCCHCCH20P"O-POCH~ 0

I 1

C

HO C!<, OH

!

grupo tiodsrer

H

P

CfJ N

H 0 , P O OH

acetil coenzima A (CH,CO"SCoA)

En el organismo, la acetil coenzima A tiene dos funciones principales. La primera es la de agenteacilante (reactivoqueintroduce un grupo acilo, RCO-, enuna molkula). El siguienteejemplomuestra la transferenciade un grupo acetilo de la acetil coenzimaA a un grupo fosfato. En esta reacción la acetil coenzima A se hidroliza al ti01 coenzima A. O

II

CH,C--SCoA

O

I1

+ HOPOH

O

II

fosfotransacetilasa

0

II

CH,C-OPOH

I

I o-

0-

+

HSCOA coenzima A

La segundafunci6ndela acetilcoenzima A es la de agentealquilante. El hidr6geno a del tidster es &ido y se puede eliminar muy fhcilmente por la enzima apropiada.Por consiguiente,elcarbonodel grupo acetilo en laacetilcoenzima A puede actuar como nucledfilo y atacar un grupo carbonilo. (Este tipo de reacci6n se explicar6 en el Capítulo 14.) O

Perdida de prot6n:

O

II 1-4 11 SCoA I H-CHIC ":CH,CSCoA -

t

l

+

Ataque nucleofilico e hidr6lisis de/ tidster:

I

_I

CH,

l

eo,ion oxaloacetato

€32

0

co, -

tH2

COA-SH

o I1

eo,I

+ -0CCHzqOH CH 2

I

co, ion citrato

Amidas

Secci6n 13.9.

647

SECCl6N 13.9.

Amidas A.

Nomenclaturade

le amidas

Una amida es un compuesto que tiene un nitr6geno trivalente, unido a un grupo carbonilo. Las amidassenombran,eliminandolapalabara kid0 ycambiandola terminaci6n sic0 o (-ico) del Acido carboxílico por -amida. O

O

II

II

CH,CH,CHlCNH, CH,CNH, WAC:

butanamida butiramida

etanamida acetamida

com8n:

Las amidas con sustituyentes alquílicos sobre el nitr6geno llevan sus nombres precedidos de N-alquilo, en donde Nse refiere al Atom0 de nitr6geno.

o

O

N,N-dimetil-fonnamida

N-metil-benZamida

A continuaci6n se dan algunas amidas interesantes;los grupos amida e s a sefialados con un círculo,

UM

vitamina B

U M

hCta?M O

amida cíclica

B. Preparaci6n de las amidas

Las amidas se sintetizan a partir de derivados de 4cidos carboxílicos y amodaco o la amina apropiada. Estas reacciones se han explicado previamente en este capitulo. O

H

L\R:

‘I RCOCR

R’,NH R’,NH+

o II RCNR;

648

Capitulo 13

Derivados de los Acidos carboxilicos

C. Reacciones delasamidas Las amidas contienen nitrógeno, que tiene un par de electrones no compartidos en un orbital completo. Parecería razonable esperar que las amidasreaccionasen con los ácidos, como lo hacen las aminas; sin embargo, no reaccionan. Las amidas son bases muy dkbiles con valores de pK, de 15-16 (en contraste, la metilamina tiene un pK, de 3.34).Las estructuras en resonancia de las amidas muestran por qué el nitrógeno de una amida no es particularmente básico ni nucleofílico. CH,NH2 +diluido HCI metil-amonio

de

clorurometil-amina

O

I1 ..

CH,C'NH2

+ diluido HCI

acetamida

-

-

CH,3NH,' C I ~ ~

s i n formaci6napreciablede

sal

Estructuras en resonancia para una amida:

,o:

c. R " CR-"NCH =N 2 H
:o:

I

+

menos bdsico el Lnztrdgeno .de una amina que

El efecto del carácter de doble enlace parcial entre el carbono carbonílico y el nitrógeno de una amidaes evidente en el espectro de RMN de laN,N-dimetil-formamida (Figura 13.9). El espectro muestra un pico para cada grupo metilo. Si los dos grupos metilo girasen libremente alrededor del enlace CN, serían equivalentes y dm'an un solo singulete. El hecho que haya dos singuletes, demuestra que los dos metilos no son equivalentes. La rotación restringida alrededor del enlace CN lleva a que cada

i

FIGURA13.9. ~1 espectro de RMN de la N,N-dimetil-formamida, que muestra un par de picos para los grupos ?!-metilo.

Amidas

Secci6n 13.9.

649

grupo metilo tenga un ambiente magnético diferente. (Se ha encontrado que la barrera de energía para la rotación aldededor del enlace CN de un amida es de 18 kcaYmo1.) rotaci6n restringida

<.t,

cis al oxígeno

(\\[ =\N / /

H

\

CH 1

" trans

al oxígneo

Hiddisis. Como los ésteres, las amidasse pueden hidrolizar en disolución ácida o alcalina. En ambos casos el ácido o la base es un reactivo, no un catalizador, y debe emplearse en la relación molar 1:1 o en exceso. Ninguno de los dos tipos de reacción de hidrólisis es reversible. En medio dcido:

O

I1

CH,CH~CN(CH,),

+ H,O + H '

CH,CH~CO,H+ H,N(cH,),

N,N-dimetil-propanamida

ácido dimetil-amonio ion propanoic0

En medio bdsico:

O

II

CH,CH,CN(CH,)l

+ OH-

-

O

II

CHJCHZCOion propanoato

+

HN(CH,)2 dimetil-mina

La hidrólisis de una amida en disolución ácida transcurre en forma similar a la hidrdisis de un éster. Se protona el oxígeno del carbonilo, el agua ataca el carbono carbonílico y se expulsa una amina. Esta amina reacciona después con el H + , para dar la sal de la amina. La formación de la sal de la amina explica (1) por qué el H+ es un reactivo, no un catalizador, y (2) por qué no transcurre la reacción inversa. (Aunque R,N es nucleófilo, R,NH+ no lo es y no puede atacar el grupo carbonilo.) En medio dcido:

650

Capitulo 13

Derivadosdelosdcidos

carboxilicos

La hidr6lisis alcalina de una amida es similar a la saponificacidn de un &ter. Los productos son la sal del k i d 0 carboxílico y la amina libre o amoníaco. En medio bdsico

PROBLEMAS DE ESTUDIO 13.26. La siguiente estructura representa unaporción de una moltcula de pbliamida, sirnilar en la estructura a una proteína. LCudes serían los productos de la hidr6lisis alcalina? iCu6les serían los de la hidr6lisis Lida?

o II

O

/I

I-NHCHC"NHCHC"I CH,

I

CH,

I

13.27. LCudes serían los productos de hidrólisis de (a) la nicotinamida (pkgina 647)en medio &ido?

(b) ¿LSD (phgina 647)en medio bhsico? y (c) ¿la siguiente lactama en medio bhsico?

SECCldN 13.1O.

Poliamidas No hay duda de que las poliamidas mhs importantes son las proteínas, a las que est& dedicado el Capítulo 19. El ejemplo mhs notable de una poliamida, preparada por el hombre, es la poliamida sintktica, nilón 6.6, que se prepara a partir de ácido adípico (un diácido) y hexametilen-diamina (una diamina).Como en el caso delpoliéster dacrbn, el resultado de la reacci6n de dos tipos de molCcuhs bifuncionales es un polímero lineal. O X

HO,C(CH,),COzH

+

X

HZN(CH,),NH,

k i d 0 hexanodioico 1,6-hexanodiamina (kid0 adípico) (hexametilendiamina)

calor

C(CH,),C"NH(CH2)6NH nil6n 6.6

El nil6n 6.6 es s610 un miembro de la familia de los nilones sint6ticos. El nil611 6.6 se prepara a partir de un dihcido de seis carbonos y una diamina de seis carbonos. El nil6116, por otra parte, se prepara a partir de la caprolactama, un mon6mero que

contiene el 6cido y la amina en la misma moltcula (coh seis carbonos). En esta reacci6n, se abre el anillo de la caprolactama con agua; luego en la polimerizaciijn se elimina agua.

Secci6n 13.1 l .

Compuestos relacionados con lasamidas

caprolactama

651

N16n 6

SECC16N 13.1 l.

Compuestos relacionados con las amidas En la Tabla 13.5 se indican algunos tipos de compuestos relacionados con las amidas. La urea es unode los compuestos más importantes relacionados con las amidas. El exceso denitr6genodelmetabolismodelasproteínasse excreta en los animales superiores como urea. Algunos animales inferiores lo excretan como amoníaco, mientras que los reptilesy pájaros lo excretan como guanidina. Ambos, guanidiana y urea,

TABLA 13.5. Algunos tipos de compuestos relacionados con las amidas.

Eshuchua parcial

Clase de compuestos

Ejemplo

O

II

CH,CNH, O

II

/

-"CN

\

en anillo lactama

O \

/

O

I1

NCN

/

\

urea

O \

O

II

/NCO-

carbamato o uretano

O

11

/

II

\

"SN

O

I1

H,NCNH,

I1

H,NCOCH, O

sulfonamida

O I N H , O

,CH,O"C

Capítulo 13

652

Derivadosde

los ácidoscarboxilicos

así coho también el amoníaco, se emplean ampliamentecomo fertilizantes nitrogenados y como materiales de partida para polímeros sintéticos y fármacos.

o I1

NH

0

/I

I1

K,N-C"NR,

HZN"C"NH? urea

H,N--C"-NH2 guanidina -

una urea sustituida

La urea se emplea para la síntesis de barbitúricos (usados como sedantes) por reacción con malonatos de dietilo a-sustituidos. Esta reacción es similar a la reacción de un éster con una amina, para dar una amida.

/p

CH,CH,O"C

O=í

\

JH2

t

\

NH2

+

o=c

\

CH2

\

/

\\o

+ 2 CH,CH,OH

\o ácido barbi~rico

malonato de dietilo no sustituido

urea

/p

,N f4 --C CH,CH,O-

PROBLEMA DE ESTUDIO 13.28. ¿Cuáles reactivos (dos) emplem'a para sintetizar cada uno de los siguientes barbitúricos?

O

rbital

O

fenobarbital (Nembutal)

O

II

0

I/

Una imida, compuesto con el grupo "CNHC-, es el análogo nitrogenado de un anhídrido deácido. De la misma forma que las amidas, las imidas se pueden preparar a partir de amoníaco y un anhídrido de ácido. O

O

o

CNHz

CNH

II

II

O

*@NH -H

O anhídrido ftálico

C O Z - NH,'

COZH

20

O ftalimida

una m i d a cíclica

Un carbamato o uretano es un compuesto que lleva un g r u p N H , , NHR-, o " N R , unido a un grupo carbonilo de éster. Un carbamato está relacionado con la estructura de un carbonato, en la que se remplaza un oxígeno por un nitrógeno.

Secci6n 13.1 1

Compuestos relacionados con lasamidas

653

O

O

II

II

RO-C-OR

H2N-C-OR un

un carbonato

carbamato

O

O

II

CH,

I

O

II

H,NCOCH,CCH,OCNH,

I

CHZCHzCH, meprobamato

N-meti1carbarnatd;de 1-naftilo. (Sevin)

un dicarbamato usado como

tranquilizante (Miltown, Equanil)

un insecticida biodegradable

Un modo de preparar un carbamato es por la acción de un alcohol o fenol sobre un isocianato, compuesto que contiene el grupo -N = C = O

o

de fenilo.

isocianato N-fenil-carbamato fenol de fenilo

Una reacción análoga se emplea para fabricar poliuretanos (usados como espuma de poliuretano para aislamiento, por ejemplo). Deben emplearse materiaies de partida bifuncionales, como ya se mencionóen este capítulo para la formación de otros polímeros. (El efecto espumante en la espuma de poliuretano se logra añadiéndole un líquido de bajo punto de ebullición, como diclormetano que se vaporiza durante la polimerización.) N=C=O

un poliuretano

Los fdrmacos o drogas sulfas (o simplemente sulfas), son sulfonamidas, compuestos en los cuales el nitrógeno está unido a un grupo sulfonilo en lugar de a un grupo acilo. Las sulfonamidas se preparan por la acción de un cloruro de aril-sulfonilo sobre amoníaco o una amina primaria o secundaria. O

cloruro de bencensulfonilo

o

una suljonamida

Capitulo 13

654

Derivadosde los kidos carboxilicos

Muchas de las p-aminosulfonamidas son agentes bacteriosthticos efectivos. Aunque las propiedades bacterioldgicas de unade las sulfonamidas se observaron en 1909, estos compuestos no se emplearon ampliamente contra las infecciones en los seres humanos hasta alrededor de 1940. parte esencial de la estructura para tener actividad de fdrmaco "

SO,NH, sulfanil-amida

sulfamerazina

sulfatiazol

sulfametoxi-piridazina

CH,

Las sulfas inhiben el crecimiento y multiplicaci6n de algunos tipos de bacterias, que requieren el ácido p-amino benzoic0 (PABA, siglas en inglCs) para la biosíntesis de los ácidos fólicos. Las sulfas se hidrolizan in vivo a sulfanilamida, que las enzimas de algunas bacterias toman erróneamente por PABA. Cuando la enzima se une a la sulfanilamida, queda inhibida para catalizar la incorporación del PABA paraconvertirlo en una molBcula de k i d 0 fdlico. Este proceso es llamado inhibici6n competitiva de una reacci6n catalizada por enzima. Las sulfas nosoneficacescontra todas las bacterias porque algunas cepas no requieren PABA y otras cepas de bacterias pueden sintetizar su propio PABA, lo cual compite con Cxito contra la sulfonamida en cuanto a ocupar una posici6n en la enzima.

Lido p-amino-benzoic0

(PABA) del PABA

PROBLEMA DE ESTUDIO 13.29. El ciclohexil-sulfamatode sodio (un ciclamato) es un edulcorante artificial que es treinta veces m h dulce que el azdcar de caña. Este compuesto se puede preparar a partir de la ciclohexilsodio. ¿Cu&les la amina y delitcido clorosulf6nic0, seguidodetratamientoconhidr6xidode estructura de este ciclamato?

o

o ciclohexilamina

kid0 ClGrOSUlkhiCO

Nitrilos

Secci6n 13.12.

655

SECCI~N 13.12.

Nitrilos A. Nomenclaturade los nitrilos Los nitrilos son compuestos orghicos, que contienen el grupoC r N . A veces tambitn se llaman cianuros o ciano compuestos . En el sistema IUPAC, el número de 6tomos de carbono, incluyendoeldel grupo CN, determinaelalcano base. Alnombredel alcano se le añade el sufijo -nitrile. Algunos nitrilosse nombran porlos nombres comunes desus 6cidos carboxílicos, eliminando la palabra Acid0 y cambiando la terminaci6n -ico del ticido base por-nitrib. u -0nitrilo si al nombre del hcido base le falta la o-. CH,C-N IUPAC: comb:

D

C

N

etanonitdo

-

acetonitrilo

benzonitrilo

PROBLEMA DE ESTUDIO 13.30. Escriba las estructuras de (a) propanonitrilo y (b) butironitrilo.

B. El enlaceen los nitrilos El grupo ciano contiene un triple enlace, un enlace sigma y dos enlaces pi (Figura 13.10). Aunque el nitr6geno tiene un par de electrones no ccmpartidos, el nitrilo es una base muy dtbil. El pKb de un nitrilo es aproximadamente de 24, mientras que el pKb del amoníaco es 4.5 (diferencia de aproximadamente 20 potencias de 10). La falta de basicidad del grupo " C N : resulta de los electrones no compartidos que se hallan en un orbital sp. La mayor proporci6n de carhcter S de un orbital sp (comparado con un orbital sp2 o sp') significaqueestos electros sp est6nm6sfuertementeunidos y menos disponibles para formar un enlace con un prot6n.

C.

Preparacih de nitrilos

El ion CN- (por ejemplo, delNaCN)es un buen nucle6filo para el desplazamiento de un ion halogenuro por S,2 de un halogenuro de alquilo. Esta reacci6n es la ruta orbitales p

r

traslape o superposici6n para

/ formar dos enlaces pi

~\

lleno

FIGURA 3.10. El enlace en un nitrilo R--C=N:

Capitulo 13

656

Derivados ácidos los de carboxilicos

principal para obtener nitrilos; sin embargo, a causa de las reacciones de eliminación sólo se obtienen elevados rendimientos con halogenuros de alquilo primarios y, en menor grado, con halogenuros de alquilo secundarios. C't{.,C'H2C'tl,C'H,Br I-bromobutano un halogenuro alquilode

+ C'N

5,:

__ +

I""

C'H,CH2CH,CH,CN

+ Br

90%

Los nitrilos arílicos se obtienen mejor a través de las sales de diazonio, compuestos explicados en la Sección 10.14.

anilina

cloruro de bencen diazonio

benzonibilo

D. Reacciones de losnitrilos Hidrólisis. Los nitrilos se incluyen entre los derivados de los ácidos carboxílicos, porque su hidrólisis da ácidos carboxílicos. La hidrólisis de un nitrilo puede realizarse calentándolo con ácidos o con bases diluidas. C ' t ~ ~ C ' H ~ ~ t i ~ +~ 2' Ct ii2~0 C+ ' H~ + ácido

pentanonitrilo

calor

C'H3CHlCH,CH,C02H

+ NH,'

85%

En la hidrólisis ácida, se protona el nitrógeno débilmente básico y entonces el agua ataca al átomo de carbono electropositivo. La reacción transcurre a través de una amida, que ulteriormente se hidroliza a ácido carboxílico y amoníaco. Debe emplearse un exceso de ácido, porque el amoníaco reacciona con los iones hidrógeno. En

medio dcido:

amida intermediaria

La hjdrdjsis alcalina occure por ataque nucleofílico sobre el carbono parcialmente positivo del grupo nitrilo. La reacción lleva de nuevo a una amida, que ulteriormente se hidroliza a carboxilato y amoníaco. El ácido libre se obtiene cuando se acidifica la disolución.

Uso de los derivados de

los dcidos carboxílicos

en sintesis

657

Secci6n 13.13.

En medio bdsico:

0-

amidn

intermediaria

Redmci&n. Los nitrilos se pueden reduciraminus a primariasdel tipoRCH,NH, por hidrogenacih catalitica o por hidrum de litio y aluminio.

[HI

RCrN

General:

RCH,NH,

fenil-acetonitrilo

(2-fenil-etil) amina

CH,CH,CH,C-N

( I ) LIAIH,

(2) H z 0

butanonitrilo

70%

CH,CH,CH,CH,NH, n-butil-amina 85%

SECC16N 13.13.

Uso de los derivados de los ticidos carboxílicos en síntesis Los licidos carboxílicosy sus derivados son sintkticamente interconvertibles. Sin embargo, de los derivados de los licidos carboxílicos, los halogenuros y los anhídridos de lcido son probablemente los mlis verslitiles, ya que son mls reactivos que otros compuestos carbonflicos. Cualquiera de estos dos reactivos se pueden emplear para sintetizar tsteres impedidos o ksteres fenílicos, los cuales no se pueden preparar con buenos rendimientos por calentamiento de RC0,H y R'OH con un catalizador licido debido a un equilibrio desfavorable. (Sugierauna raz6n por la cual las reacciones de los halogenuros o anhídridos de licido con R'OH son esencialmente irreversibles.)

O

RC-CI

+ R'OH

O

Íí

Yj

RC-OCR

It

__*

RCOR'

donde R y R' pueden tener impedimentos

o ser arííicos

Capitulo 13

Derivados de

los dcidoscarboxilicos

Estos dos derivados tambiCn son los reactivos que mhs se usan para preparar midas N-sustituidas.

5;

RC-OCR

Adeds, la reduccidnde un clorurodehcidoconLiAlH(OR),esunode los pocos mBtodos para preparar aldehídos. (¿Se le ocurre otro?) AunquelosBsteresnoson tan reactivos como los cloruros de hcido o los anhídridos,sonútilesen lasíntesisdealcoholes (por reducci6n o por reaccionesde Grignard) y son materia prima valiosa para la síntesis de molBculas complejas. Estas últimas reacciones de los Bsteres ser611explicadas en el Capítulo 14. La síntesis de los nitrilos proporciona una de las tkcnicas mhs convenientes para alargar en un carbono una cadena alifhtica, o para introducir un grupo carboxilo o un grupo amino.

H,O. H

RX

CN___f

RCN

Y

RCO,H

/

\ 'Hb

RCH,NH,

Como se mencion6 anteriormente, los mejores rendimientos se obtienen cuando en la reacci6n de RX y CN-seempleanhalogenurosdealquilo primarios. TambiCnse puedenemplearhalogenurosdealquilosecundarios,peroseobtienenrendimientos m& bajos. (~Qut? otros productos pueden esperarse?) En las tablas 13.6 y 13.7 se dan resúmenesdelaspreparaciones y reacciones de los derivados de los hcidos carboxílicos.

PROBLEMAS DE ESTUDIO 13.31. Sugiera rutas de sfntesis para los siguientes compuestos:

(a)

@ N ( C H 3 ) ,

a partir de un kid0 carboxilico

(b) 2-meti"propil4heptanol a partirdecompuestosque carbono

tenganseis (o menos)titomos de

O

I1

(c) CH3CH,CNH(CH,),CH,

a partir de 1-propanol y ningún ofro reactivo orgbnico


los dcidor carboxilicos

Secci6n 13.13.

en sintesis ~

TABLA 13.6. Resumen de las sintesis de laboratorio de los derivados de Acidos carboxilicos Seccibn

Reaccidn

Cloruros de Bcido: RCO,H

+ SOCI,

ó

-

PCI,

O

II

RCCl

Anhidridos de BcMo: O O

II

RCCl

O 0

II

+ -0CR’ I1

+ exceso de (CH,C),O

H’

+ R’OH

O

I1

RCCl

-

-

$steres:a

+ R’OH

13.4B

RCOCR’

calm

HO2C(C);I2),COzH n=20 3

RC0,H

I1 I1

-

O RC0,H

13.3B

O 0

I1 It

13.4B

RCOCR

\

“‘C

/

O\

o,

c”

\( C H IA

12.11B

12.9

RC02R’

13.3c RC0,R’

O

I1

+ R’OH RC0,- + R’X RCO2H + CHZN,

(RC),O

RC0,R’

___*

RCOZR’

13.4C

RC02R‘b

12.6

RCOzCH3

13.5B

+ R”OH

-

+ HNR’,

-

___*

w ’ 6 -OR’’

13.X

RC0,R”

Amidas: O

I1

RCCl

O

It

(RCj,O

ArNH,

-

NaNO, HC‘I O

13.3C

O RCNR‘, O

13.4c

RCNH2

13.X

I1

RCOZR‘ + NH,

+

II

RCNR’,

II

+ HNR’2

Nitrilos: RX CN-

O

13.12C

RCN

ArN,’

CI-

CuCN f KCN calor

+

ArCN

10.14, 13.12C

“La síntesis de algunos tsteres complejos se explicad en el Capitulo 14. *Para que esta reacci6n pueda llevarse a cabo, se debe utilizar un halogenuro reactivo.

659

660

Capitulo 13

Derivados de

dcidos los carboxilicos

TABLA 13.7. Tipos de compuestos que se pueden obtener de los Lidos carboxilicos. Reaccidn

Producto

Cloruros de Bcido.: O

/I

-

+ H,O

RCCl

Seccidn

RCO,H

Bcidocarboxflico 13.3C

RC0,R’

khr

13.3C

amida

13.3C

8Dhfd&lO

13.3C

aril

10.9E, 13.3C

alcohol 3”’”

13.3C

cetona

13.3C

aldebído

13.3C

cloruro de

13.3C

O

II

+ R’OH

RCCl

-

O

II

+ R’,NH

RCCl O

O

It

RCNR’,

0 0

I1

RCCl

-+

+ C,H,

-

O

I1

RCCl

I I II

+ R’CO,

O

RCOCR’

AICI,

O

11

RCC,H, OH

I m RCK’2

I1

( I ) 2 R’MgX

RCCl

O

O

II

RCCl

+ R’,Cd

LiCuR’,

6

--

II

4

RCR’

O

O

I1

( I ) LIAIH(OR’),

RCCl

(2) HJO

-

O

II

RCH,CCI

+ CI,

+

’I

RCH

O

I1

RCHClCCl

a- cloroáeido

Anhfdridos de Bcido: O 0

II I/

RCOCR (RCO),O

+ H2O

2 RCOZH Bcido carboxnico

+ R’OH

RCO2R’

13.4C

&ter

13.4C

RCNR‘,

amida

13.4C

RC0,H

Bcido carboxilico

13 3 2

ester

13.5C

amida

13.K

O

(RCO),O

I1

+ R’2NH

Éstew: R C 0 2 R + H,O RCOZR’

RC02R’

+ R”OH

+ NH,

H + n OH

4

H i 6 -OR’‘

“ RCO2R”

oll

__ 4

RCNH,

(continúa)


los dcidos carboxilicos en sintesis Secci6n

73.73.

661

TABLA 13.7. ~~

~~

-

Reacci6n

RC0,R'

+ [H] (2)

Amidas:

o II

RCNR'2

+ H20

RCH,OH

+ HOR'

~~

Secci6n

alcoholes

13.5c

alcohol P

13.5C

?H

(1) 2 R"MgX

RCo2R

Producto

I

RCR,

H20,Hi '

H' 6 OH-

RC02H

+ HNR',

m b a 13.9C

d&o

Y amina

O

It

RCNR',

+ [HI

RCH,NR',

d

RNH,

amina

15.5c

RCO,H

pcido

13.12D

RCH,NH,

amina

13.12D

" +

a

15SC

O

II

RCNH,

Nitriloe

+ H,O RCN + [HI

RCN

+ Br, + -OH

H + 6 OH-

" +

'zos cloluros de bcido, Csteres y nitrilor se pueden emplear para siatetizar compuestos m& complejos. Algunas de estas mcciones se explica& en el caprtulo 14.

Capltulo 13

662


Resumen Los derivadosdeácidos carboxílicosse preparanusualmente a partir de los mismos ácidos carboxílicos o deotrosderivados más reactivos, como se muestra en la Figura 13.6. Las reaccionesde los derivadosdehcidos carboxílicos con nucle6filos son similares. Las diferencias surgen de las diferencias en reactividad de los derivados. O

II

RC-CI

O

I1

O

RC-OZCR creciente

0

I1

H,O H + OH^

'

N",

,

II

RC-OH

un &ido carboxilico

RC-OR

O

I1

RC-NH, RCN

O

0

' I reactivldad creciente

u

una amida

O

RCOCl

(RCO),O

II

RC-NH,

R'OH ______+

/I

RC-OR'

un ester

RCo2R

Ademásdeestas reacciones, los halogenurosdeácid0quesonmásreactivos dan las reacciones de Friedel-Crafts con compuestos aromáticos y reaccionan tambitn con los reactivos de cadmio o con dialquil-cupratos de litio para dar cetonas.

Los &teres reaccionan con los reactivos de Grignard para dar alcoholes terciarios.


663

Todos los derivados se pueden reducir por hidrogenacih catalfticao por LiAlH,; tsteres y nitrilos: seindicanlasreduccionesdelos RC0,R'

[HI RCH,OH

RCN

RCH,NH,

+

+ HOR'

alcoholes

m a b aP

PROBLEMAS DE ESTUDIO 13.32. Nombre los siguientescompuestos:

O 0

O (a)

(b) CH,CH,COCCH,CH,CH2CH, I1 II

B r e ! B r

O

I1

(c)

C,H,CN(CH2CH3),

(d) CH,CH2CH2CH,CH,CN

O

O

13.33. D6 las estructuras de los siguientes compuestos:

(a) lactona del ácido 5-hidroxi-2-octenoico

(b) N,N-dietil-propanamida

(c) N,N"dimetil-urea (N y N' se refieren a dos nitr6genos diferentes) (d) 2-metil-pentanonitrilo (e) 2-aminopropanoato de etilo (f) 6-cloro-butiro-nitrilo (g) anhídrido benzoic0 f6rmico 13.34. Haga una lista de los siguientes compuestos en orden creciente del momento de enlace d e l enlace

indicado: O (a)

O

I1

CH,C-OCH,

2

(b)

O

II

CH,C-NH,

2

13.35. LCuAlesser& los productos de reacci6n de cada uno de

acktico? (a) ciclohexanol; (b) p-bromo .fenal; (c) piperidina (phgina 625); (d) et6xido de sodio en etanol; (e) NaOH acuoso en exceso.

II

(c) CH3C"CI

2

los siguientes reactivos con anhídrido

664

Derivados dedcidos los carboxilicos

Capitulo 13

13.36. W el producto orghico de la reacci6n del cloruro de benzoilo con cada uno de los reactivos del Problema 13.35. 13.37. Rediga los productos orghicos y lasvelocidadesrelativasdereacci6ndecada

siguientes derivados de ticido frente a la hidr6lisis alcalina en NaOH 1N.

O (a)

O 0

I1

C6H,C02CH,CH3

uno de 10s

(c)

(b) C,H,CCI

ll I1

C6H,COCCH2CH3

13.38. Rediga los pmductos de hidr6lisis kida del acetaminofen, el analgksico (supresor del dolor) y

antiph5tico (baja l a fiebre) activo de algunas medicinas populares contra el dolor de cabeza.

O

acetaminofen 13.39. Complete las siguientes ecuaciones:

O

+

(a) CH3CH2CHCBr

I

CH3 (b) ("-CO,H

+ PBr,

(c) ( 3 " C 0 2 H

+O

(e) CH,CH,CH,CO,H

" +

O

H

+ SOCI,

-

O (f)

I1

CH3CH20COCH2CH3+ D 2 0

Di "-4

O

I1

+ LiCu[CH(CH3),I2

(h) CH3CH2CCI

-

665


13.40. Prediga los productos de saponificaci6n (NaOH acuoso) de los siguientes compuestos:

o (c)

nepetalactona(pAgina 643)

13.41. Muestre con ecuaciones c6mo convertiria el acetato de etilo en: (a) iicido acCtico, (b) (c) alcohol t-butflico, (d) acetofenona, (e) acetatode sodio, (f) N-metil-acetamida

etanol,

13.42. ~Qut mCtodo eligiría, la hidr6lisis iicida o lasaponificaci6n, para convertir el acetato de 2butenilo en kid0 adtico y 2- buten 1- ol? ¿Por que? 13.43. Las siguientes cetonas se pueden preparar por reacci6n de un cloruro de iicido con un reactivo de cadmio o con un dialquil-cupratode litio. Puededisponerpara su empleode m6s de un reactivodecadmio o cuprato. Escriba las ecuaciones, mostrando los diversos mBtodospara preparar estas cetonas.

H3C O

O

I I

II

(a)

C,H5CH2CCH2CH3

II

(b) (CH3)2CHCH2C-CC,H5 CH, .”

13.44. Elfosgeno, CICOCI, es un gas t6xic0, que se emple6 como gas de guerra en la primera guerra mundial. El fosgeno da lasreaccionesusuales de un clorurode iicido, pero puede dar estas reacciones dos veces. Prediga el producto de reacci6n del fosgeno con cadauno de los reactivos siguientes:(a) exceso deagua;(b) exceso de etanol; (c) 1.0 equivalentede etanol; (d) 7.0 equivalente de etanol, seguido por 2.0 equivalente de NH,. 13.45. Prediga los productosde reacci6n de (a) anhidrid0 acetic0 con (R)-2-octil-amina, y anhídrido benzoic0 con (CH,),CHIBOH.

(b)

13.46. Cuando el hido 2,4,6-trimetil-benzoico se calienta con etanol y trazas de H,SO, no se obtiene Bster. Sugiera una raz6n. 13.47. Kodel es el nombre de una fibra formada por la siguiente reacci6n de transesterificaci6n: O

O

CH,Ol!*l!OCH, tereftalatodimetilo de

+

HOCH,oCH,OH

-

Kodel

1,4-di(hidroximetil)-ciclohexano

(a) ~ C u es a la estructura del Kodel? (b) iC6mo podría prepararse el diol de partida a partir del tereftalato de dimetilo?

666

Capitulo 13

Derivados de


13.48. Escriba la ecuaci6n para la preparacidnde cada uno de los siguientes compuestos a partir anhídrido acktico y otros reactivos apropiados:

de

13.49. ¿Cud es la estructura del nil6n 44? Sugiera una síntesis de laboratorio. 13.50. Una amida, andogamente a un aldehído o una cetona, es capaz de tautomerismo:

forma de amida

forma de "enol"

Muestre todas las formas en6licas taut6meras para cada una de las estructuras cíclicas siguientes que se encuentran en los iicidos nucleicos.

citosina

timina

O

O

uracil0

guanina

13.51. Sugiera un m6todo práctico para la síntesis de:

(a) Acido hexanoic0 a partir de I-bromo-pentano (b) Ilcido 2-hidroxihexanoico a partir de pentanal (c) P-fenil-etil-amina (C,H,CH,CH,NH,) a partir de bromuro de bencilo (d) p-toluil metil cetona a partir de tolueno (e) N-ciciohexil-acetamida a partir deAccido acktico. 13.52. poponga ensayos químicos, para distinguir entre los siguientes pares de compuestos:

(a) ácido benzoico y benzoato de metilo (b) benzoato de etilo y N-etil-benzamida (c) Acido benzoico y cloruro de benzoilo

Uso de los derivados de los dcidos carboxilicos en síntesis Seccidn

13.13.

667

13.53. Prediga los productos de hidrogenaci6n catalítica (alta temperatura y presi6n) de:

(a) e C 0 2 C H 3

(b)

13.54. JX la estructura de la poliamida resultante de la polimerizaci6n del 2-aminoacetato de metilo.


CH3

I

+

(a) (R)-C,H5CO2CHCHZCH2CH3 OH-

HLO

calor

)

O

II

(b) (CH3)3CCNHZ

ODD2°

O

I1

(d) CH,CH,CHZCCI

+ (CH,CH,CH,),Cd

-

O

13.56. Muestre c6mo podrían prepararse los siguientes compuestos a partir de sustancias de cuatro (o menos)Btomos de carbono: (a) anhídrido acttico butanoico; (b) 2-hexanona;(c)pentanoatodet-butilo;(d)4-propil-4-heptanol

13.57. D6 los productos de cada una de las siguientes reacciones y el mecanismo de su formaci6n:

OH

I

(a)

CH,CHCO,CH,

+ diluido HCI

(b) (CH,),CHC02CH3

calor

+ diluidoNaOH

calor

668

Capitulo 13

Derivadosde


13.58.

La reacci6n del fosgeno (C1,C = O) con el 1,Zetanodiol puede llevar a dos productos: uno es cíclico y el otro un polímero. LCufiles son l a s estructuras de estos productos?

13.59.

La y-butirolactona (pligina 6433 se calienta con disoluci6nde HCI en Hz% lactonas se pueden aislar de la mezcla de productos?

13.60.

La urea se hidroliza con HCI acuoso, para dar NH,CI y CO,. Sugiera un mecanismo.

¿Que

13.61. El compuesto A (C,H,ON) da prueba de Tollens negativa pero decolora una disoluci6n de Br, en CCl,. Cuando A se calienta con NaOH acuoso, los vapores que se desprenden tienen un

fuerte olor a amoníaco. (a) Sugiera una estructura A. para (b) iC6mo confirmaría la estructura propuesta por espectroscopía deinfrarrojo o de RMN? (Diga qu6 absorci6n buscaria.)

13.62. Sugiera un mecanismo para la siguiente reacci6n:

1 3.63. El kid0 o-Mico (phgina 599) no da un cloruro de ticido cuando es tratado con SOC1,. En su

lugar, el cloruro de medio Lido sufre una reacci6n intramolecular para producirotro producto. iCu;U es este producto y c6mo se forma?

13.64. Cuando el Compuesto A se somete a hidr6lisis Bcida, no se encuentra

W en el Bcido ac6tico producido. Sin embargo, cuando el Compuesto B es sometido a hídr6Iisis kida,se aísla a f ~ n kido adtico que contiene 'Y). Explique estas observaciones. O

O

II

I1

CH,C'80CH,CH,

A

CH,C"OC(CH,), B

o II

13.65. ElBcido HCCH,CH,C02H fue tratado con HCN. El producto tiene

la f6rmula molecular C,H,O,N. iCu6I es este producto? Sugieraqu6 ruta seguir para obtener esta informacibn.

Uso de los derivados de los dcidos carboxílicos en síntesis Seccidn 13.13.

669

13.66. Sugiera sintesis para los siguientes compuestos: (a) butanal a partir de compuestos que contienen tres o menos carb0n.x (b) NCCH,CO,CH,CH,a partir de ácido acético y otros reactivos adecr.ados (c) el anestésico local benzocaína @-amino benzoato de etilo) a partir de benceno

(4

NH a panir de ácid0 maleico (página 600) y otros reactivos adecuados

~

(e) 0 ! C H 2 I : )

a partir de ciclohexil-metano1 y ningún reactivo orgánico

13.67. En la Figura 13.11 se muestra el espectro de RMN del Compuesto A. Cuando A se calienta con kido acuoso, los productos son Acido acktico y acetaldehído. iCuAl es la estructura de A? 13.68. El Compuesto A (C,&,,O,) se trat6 con kido acuoso."diluido para dar .- un solo compuesto B. Cuando A se calentó con etanol y trazas de H,SO,, se obtuvo C como Único producto. En la Figura 13.12 se muestran los espectros de infrarrojo de A y B, y el espectro de R M N de C. iCudles son las -estructuras de A , B y C? ". __ "

"

~

"

I

A 8.0

7.0

6.0

5.0

4.0

3.0

FIGURA 13.1 1, Espectro de RMN para el problema 13.67.

670

Capitulo 13




FIGURA 13.12. Espectros para el problema 13.68

Enolatos y carbaniones: piezas de construcción para la síntesis orgánica

L

os reactivos nucleofílicos reaccionan con compuestos que contienen átomos de carbono parcialmene positivos. Nu-

a+

+ R-X

a-

NU-R

Od-

O

I1

Nu-+R"C"R a+

+ X-

I

" +

R-C--R

I

Nu

Los reactivos que contienenAtornos de carbaw nucleofílicos, átomos de carbono con cdcter de carbanión, atacan tambiCn los átomos de carbono parcialmente positivos. Como ejemplo, un reactivo de Grignard que tiene un átomo de carbono parcialmente negativo, ataca los grupos carbonilo.

El ataque de un Atorno de carbono sobre otro lleva a un nuevo enlace carbonocarbono. Reactivos como los de Grignard con fitomos de carbono nucleofílicospermiten al químico sintetizar compuestos con esqueleto carbonado complejo, partiendo de otros sencillos. Los reactivos de Grignard son sólo unode los muchos reactivos con carbonos nucleofilicosadisposicióndelquímicoorgánico. Otra clase dereactivosversátiles

Enolatos y carbaniones

Capitulo 14

672

para construir moltculas complejas son los enolatos. Recuerde de la Secci6n 11.16 que un &tomo de hidrógenoOL al grupo carbonilo es ácido y se puede eliminarpor una base fuerte. El anión enolato resultante contiene un átomo de carbono parcialmente negativo. O

O

I1

I1

CH,CH,OC

CHsCH2OC

\

CH,

/

+ Nat

-OCH,CH,

\

CH- Na+

=<

et6xido de sodio

CH,CH,OC

CH,CH,OC

/

+ CH,CH,OH etanol

II

I1

O

O sal sódica del malonato de dietilo un enolato

malonato de dietilo

L o s enolatos pueden intervenir en numerosas reacciones orghicas. Una de ellas es el desplazamiento S,2 de un ion halogenuro deun halogenurq de metiloo de alquilo primario. Esta reacción se llamareaccih de alquilación, porque un grupo alquilo se une al carbono del enolato. Una reacción de alquilaci6n típica es la reacción del enolato del malonato de dietilo con un halogenuro de alquilo: /“y2-?::

CH,CH,OC cH,cH,oC’

c..I +

\

II

H ‘

O I1 CH,CH20C

I***

I CH2 CH2

1

CH,C-H,OH como disolvente

CH3

O el ion enolato

\

S ?N

CH(CH,),CH,

CH,CH,OC

+ :Br:

/

I/

O n-butil-malonato de dietilo 85 ”/;

1-bromobutano

La reacción de alquilación es s610una ttcnica para la síntesis de esqueletos carbonados complejos, empleando enolatos como nucleófilos. Sin embargo, antes de comenzar la discusidn de la utilidad sintktica de los enolatos, estudiemos su formación. SECCldN 14.1.

Acidez de los hidr6genos alfa Un hidrbgenoa respecto algrupocarbonilo es ácido debidoprincipalmentea laestabilizacibn por resonancia del anibn resultante.

acetona

estructuras en resonancia para el ion enolato de la acetona

A causa de la estabilizaci6n por resonancia del ion enolato de la acetona, la acetona es un ácid0 mucho más fuerte que un alcano. (Sin embargo la acidez de la acetona es sólo la diezmiltsima parte dela del etanol.)

:f“

& O

I

II

CH3CH2

CH,CCH,

ethane pK, = 43

pKu = 20

acetone

ethanol pK, = 16

Acidez de los hidr6genos alfa

Secci6n 14. l .

673

El hidr6geno alfa de un Cster se elimina con menor facilidad que el de un aldehído o cetona, porque el oxígeno del carbonilo ya es^ participando en una deslocalizaci6n. En un Cster, el oxígeno carbonílico lleva ya una carga parcial negativa por la deslocalizaci6n de los electrones del oxígenoalcoxílico. Por consiguiente,el grupo carbonilo es algo menos capaz de deslocalizar la carga negativa ani6nica del enolato. Las estructuras de resonancia de un Cster tipico, como el acetato de etilo, son las siguientes: :o:-

I

@p.

CH,"C-OCHZCH,

+ " +

+

CH3"C=OCHICH3

contr¿buyenteprincipal

Yaque el hidr6geno alfa de un Csterseeliminaconmenos sencillo es menos lcido que una cetona: H

facilidad, vn ester

O

I

It

CH,COCH,CW, acetato de etilo pK, = 25

Un hidrógeno alfa aun solo grupo carbonilo es menos 6cido queel de un alcohol; por consiguiente, el tratamiento de un aldehído, cetona o Cster con un alc6xido lleva a unaconcentraciónmuybajadeionesenolato. Si queremosunaconcentración razonablementealtade enolato, debemosemplearunabasemucho mls fuerte,como NaNH, o NaH. O

O

I1

CH3COCH2CH3

+ -OCH2CH3

+

I1

-CH,COCH,CH3 no favorece

_+

acetato de etilo pK, = 25

+ HOCH2CH3 etanol

pK,

O

= 16

O

II

CH3COCHzCH3

+ -NH2

I1

e -CH,COCHzCH, favorece

pK,, = 25

+

NH3 pK,

=

35

Si un hidr6geno es alfa a dos grupos carbonilo, la carga negativa sobre el ani6n se puede deslocalizar por ambos grupos C = O . Ese hidr6geno es &S (icido que el de un alcohol. Se puedeobtenerunaaltaconcentraci6ndelenolatoportratamiento de un compuestoP-dicarboNlicocon un alc6xido. La Tabla 14.1 contieneuna lista de valores de pK, para algunos compuestos con hidr6geno alfa a uno y a dos grupos carbonilo. O

It

0

II

O

+ -OCH3

CH3CCH2CCH3

e-

'

2,4-pentanodiona

pK, = 9 Estructuras en resonancia del ion enolato:

11-

0

I1

CH3CCHCCH3+ CH30H

.

Capítulo 14

674


TABLA 14.1. Valores de pK, de algunos compuestos carbonilicos

Estructura

O

Nombre

pK,

aproximado

0

II

I1

2,4-pentanodiona (acetoacetona)

CH,CYHCCH, 1

H O

9

0

I1

I1

etilo acetoacetato de (6ster acetoa&tico.>

CH,CCHCOCH,CH,

1

"€4

11

O 0

II I I

&ter alquilaceto

CH,CCCOCH,CH, / \

13

ac6tico

R H O

II

0

II

malonato dietilo de (6ster malbnico)

13

acetona

20

etilo deacetato

25

CH,CH,OCCHCOCH,CH,

r:

O

11

CH,CCH,

I

w O

II

CH,COCH,CH,

1

I3

No S610el grupo carbonilo, sino tambidn cualquier otro grupo atractor de electrones eleva la acidez de los hidr6genos alfa. Los siguientes son algunos compuestos m& hcidos que el etanol O

I/

CH3CH,0CCHCN

I H

NCCHCN

I

w

CH,N02

I

H N O2

Alquilaci6n del &ter malbnico

Secci6n 14.2.

675


LCukIesde los hidr6genosseñaladosson bidos?

J

J

(a) CH,CH=CHCHO

(b) C,H,CHO

J

(c) CH,CH,CO,CH,CH,

SECC16N 14.2.

Alquilaci6n del &ter malhico Una de las m h poderosas herramientas a disposici6n del químico orghico sint6tico es la reacci6n de un enolato con un halogenuro dealquilo. En esta secci6n destacaremos la alquilacibn del éster mulbnico. En general, los productos finales de la alquilaci6n del éster mal6nico son úcidosacéticos a-sustituidos. En el ejemplo siguiente, el grupo R viene de R X . (En las discusiones que siguen, emplearemos-C,H, para representar el grupo etilo.) General:

80%

La alquilación del éster mal6nico consta de cuatro reacciones separadas: (1) preparaci6n del enolato; (2) la alquilación propiamente dicha; (3) hidr6lisis del Cster, seguida de (4) descarboxilación del Acid0 (3-dicarboxílicoque se obtiene. PreparacMn del enolato:

CH,(CO,C,H,),

+ Na*

"OC2H5

e Na+

-CH(C02C2H5),+ HOC,H,

676

Capitulo 14


Alquilacibn:

-

H(CO,C,H,),

CH,CH,-CH(CO,C,H,),

+ Br-

Hidrblisis y descarboxilaci6n:

CH3CH,CH(C0,C,H,),

tl

o

Hi

,CO,H CH,CH,CH \

co

2 CH,CH,CH,CO,H calor ~

C0,H

Aunque hay muchas reacciones químicas comprendidas en esta secuencia, el proceso de laboratorio esmuy sencillo, porque todas las reacciones pueden ocurrir en el mismo recipiente. Se añadeun reactivo desputs de otro, y el producto final se aisla como último paso. (A veces, el Cster alquilado intermedio se purifica antes de la hidr6lisis y la descarboxilaci6n, para simplificar la purificacidn final.) Examinemos con mayor detalle cada uno de los pasos de esta reacci6n.

A.

Formacióndelenolato

El enolato del Cster mal6nico se prepara usualmente por el tratamiento del Cster con et6xido de sodio. Por consiguiente, el paso 1 es la disoluci6n del sodio memico en etanol anhidro (no el etanol común de95%). (¿Por qut no?) El exceso de etanol sirve de disolvente para la reacci6n.El paso 2 es la adición de malonato de dietilo. El ion et6xido es una base m&fuerte que el ion enolato; por consiguiente el equilibrio kidobase se desplaza haciael lado del ani6n enolato.que se estabiliza por resonancia.

O

II

o 0 I L I1

0

II

C,H,OCCH,COC,H,

+

~OC,H,

e C,H,OCCHCOC,H, + HOC,H, se favorece


Prediga qu6 o c d a si un químico &diera malonato de

dietilo a una disoluci6n de metóxido

de sodio en metanol.

B. Alquilacih La reacción de alquilación es un desplazamiento S,2 tipico por un nucleófilo. Los halogenuros de metilo y alquilo primario dan los mejores rendimientos; los halogenuros de alquilo secundarios dan rendimientos m& bajos a causa de las reacciones de eliminacióncompetitivas. (Los halogenurosdealquiloterciariosdanexclusivamente productos de eliminación, y los halogenuros de aril0 no son reactivos en reacciones S$.) (C,H,O,C),CH-

+ CH,-Brp

/y

I

CH i

s,z

(C,H50,C),CHCH,

I

CH 3

+ Br-

Alquilaci6n del ester mal6nico

Seccibn 14.2.

677


Prediga los productos dea l s siguientesreacciones:

El producto de la alquilaci6n todavía contiene un hidr6geno aicido: O

I1

C2HsOC,

,CH,CH,

Este segundo hidr6geno se puede eliminar con una base, y un segundo grupo R puedesustituirleen el Bster mal6Nco. Este segundo grupo R puedeser el mismo o diferente del primero. Na’

CH3CH2CH(C02C,H5)2

OC H

etil-malonatode dietilo

C. Hidrólisis y descarboxilación Hemos mencionado previamente que un compuesto con un grupo carboxilo beta a un grupo carbonilosufredescarboxilaci6ncuandosecalienta. El mecanismoparala descarboxilaci6n se muestra en la Secci6n 12.11C. Si un Bster mal6nico (sustituido o no) se hidroliza en disoluci6n Acida caliente, se forqa un p-diaicido y puede sufrir la descarboxilaci6n. (A veces,ladescarboxilaci6n no ocurre hastaque se destilael diaicido.)

Hidr6lisis y descarboxilaci6n:

O

O

ll

R \

/

COC2H,

C

R‘/ \COC2H, II O

un ester maldnico a-disustituido

K H ’ H O

4

Calor

II

\ /

COH

c

R”

\COH II

-eo,

R \

CHC02H

R’/

o un &ido acktico a-disustituido

Capítulo / 4

678


¿Y si un químico no quiere el producto de descarboxilaci6n sino el dihcido? Se puede preparar el diácido por saponijicación del dikster con una base, seguido de acidijcacibn. De esta forma el ácid0 carboxílico no se somete directamente al calor y es menos probable la descarboxilaci6n. Saponificacibn y acidificaci6n:

~

~~

~


Escriba ecuaciones para las siguientes reacciones: (a) saponificacibn del n-propil-malonato de dietilo, seguida de tratamiento con HCl frío. (b) hidr6lisis kcida del dimetil-malonato de dietilo.

14.6.

W el mecanismo para la descarboxilaci6n del kido metil-mal6nico.

SECC16N 14.3

Alquilación del éster acetoacético Las reacciones de alquilaci6n no estfin limitadas al enolato del malonato de dietilo. Otros enolatos tambitn sufren reaccionesS,2 con halogenuros de metiloo de alquilo primario para dar productos alquilados. Otro enolato que comunmente se emplea es el que se obtiene a partir del acetoacetato de etilo (tster acetoac&ico). El producto final de la alquilaci6n del &ter acetoacttico es unaacetona a-sustituida. de RX

General:

O

I1

0

0

II

CH,CCH,COC2H,

( I ) N n ' -OC2Hs

(2) R X

+

acetoacetato de etilo

(bster acetoacbtico)

II

0

/I

14 , O , H .

O I1 \

7CH,CCH,R

CH,CCHCOC,H, I R

--coz

una acetona a-sustituida

un alquil-acetoacetato de etilo

O

O

0

I/

II

CH,CCHCOC2H,

I

CH,CH2CH2CH,

I1 ' CH,CCH2CH,CH2CH,CH,

H,O, H.

calor 2

0

2

2-heptanona

60%

...... , ... ".

Síntesis empleando reacciones de alquilacWn

Seccibn 14.4.

679

Los pasos en una sintesis mediante el Cster acetoa&tico son similares a los de la síntesis mediante el Cster mal6nico PreparacWn del enolato:

Alquilaci6n:

O

11-

0

r* R-X

I1

S,?

I1

I1

CH,CCHCOC,H,

I

+ X-

R Hidr6lisis y descarboxilaci6n:

PROBLEMASDEESTUDIO 14.7. Rellenelosespaciosenblanco:

14.8. Muestre c6mo podrían prepararse los siguientes compuestos a partir del Cster acetoa&tico: O O (a)

II

(b) (CH,CH,),CHCCH, I1

CH2=CHCH2CHCCH3

I CO2C,Hs O

En general, los productos de las reacciones de alquilaci6n del ester mal6nico 0 ester acetoacktico son Acidos acdticos sustituidos o acetonas sustituidas. A partir del ester rnal6nico:

R

R-CH2C02H

\ CHC0,H /

0

R' A partir del ester acetoacetico:

O

R

I1

K"CH,CCH,

o

R'

\ /

o

II

CHCCH,

680

Capitulo 14


Sin embargo, tambiCnpodemosobtenerditicidos,diCsteres,cetoticidos y cetdsteres. Los diversosproductosque se puedenobtenerde la alquilaci6n delCster mal6nico o del Cster acetoacktico se resumen en la Figura 14. l . Comparativamente,esfAcilpredecir los productosdeuna reacci6n cuandose dan los reactivos. Es algo m h difícil decidir sobre reactivos específicos, para emplearlos en un problemade síntesis. Recuerde trabajar el problema hacia at&; si se le pide

RCH(CO,C,H,),

H O H' co % RCH(C02H), RCH2C02H -

un &ido

un di6cihb

un dikster

un dikster

un &ido

un di&ido

O

O

O

II

H,O, H'

CH3CCHC02C2HS

I

R un cctokster

un cetdster

calor

f

II

-

CHJCCHCO~H

I

co,

Calm

I1

f

CH3CCH,R

R un cetokido

un cetdcido

una cetona

una cetona

Síntesis empleando reacciones de alquilaci6n

Secci6n 14.4.

681

sintetizar un compuesto poruna reacci6n de alquilaci6n, decida primero quC compuesto dicarbonilico se necesitaria, y luego escoja el halogenm de alquilo. WCH,

\

\

de CHjX

del ester mal6nico

del Lster acetoacLtico

m-:

maldnico del Lster

\>:zx

Si se le pide que escriba l a s ecuaciones para la sintesis de la 3-metil-2-pentanona:

1. Ecribiría la estructura. 2. Decidiría quC compuesto p-dicarbonllico es necesario. 3. Decidirla qu6 halogenuro de alquilo tendría que utilizar para la su,$tituci6n.

Es evidente queel compuesto p-dicarbonílico a emplear como material de partida son CH,X y es el Cster acetoacktico. Los halogenuros de alquilo que se necesitan CH,CH,X. Ahora se pueden escribir las ecuaciones para los pasosde la síntesis:

O

O

I1

(*)

( I ) NaOC,n,

CH3CCHC02Cfi5

I

CH3

(2)

Cn,CH,B,

I1

CH3C"C-C0,C2H, / \ H3C CH,CH3

Capitulo 74

682


PROBLEMA MODELO Sugiera UM secuencia de reacciones que conduzcan

al Lido 3-fenilpropanoico.

rdel bromuro de bencilo SoluciQn:


los siguientescompuestos p o r reaccionesdealquilaci6n:

Muestrec6mopodríasintetizar reacciones: (a)

CH,CH,CH,CH,CH(C02r-1)2

( b ) (CH,),CHCO,H

O

ll

CH(CO,C,H,),

(c) CH3CCHCHICHlCH3

I

JH,c02C2H,

CH, O

SECC16N 14.5.

Alquilación y acilación de enaminas Otro tipo de compuestoorghico que contieneun carbono nucleofílico que puedesufrir reacciones de alquilaci6n es una enamina. En la Secci6n 1l.lOC explicamos la formaci6n de enaminas a partir de aminas secundarias y aldehídos o cetonas: Forrnaci6n de una enarnina

RCHz

IR

\

R una

C=O+ /

cetona

piperidina ciclohexanona

HN

R

ti'

RCH \

I

R

___f

t "

\

R

una amina 2-

F N \ R una enamina

una enamina

+ HZ0

Alquilaci6n y acilaci6n de enaminas

Secci6n 14.5.

683

El nitrógeno de la enamina tiene un par de electrones no compartidos. Esos electrones e s t h , en cierto modo,en posicibn uli'licu y, por consiguiente, coniugados con el doble enlace. Las estructuras en resonancia muestran que el carbono p respecto al nitrógeno lleva una carga parcial negativa.

R'

R

R

R

estructura en resonancia de una enamina

Este carbono p tiene carácter de carbanión y puede actuar como nucleófilo. Por ejemplo, cuando una enamina se trata con un halogenuro de alquilo, tal como CH,I, la enamina desplaza el halógeno del halogenuro de alquilo en una reacción S,2. El resultado es la alquilación de la enamina en la posición p respecto al nitr6geno. Alquilaci6n:

i

un ion iminio

la e m i n a

El ion iminio formado se hidroliza con facilidad a cetona. El resultado neto de la secuencia completa de reacciones es la alquilaci6n de la cetona en la posición a. Hidr6lisis: 3

n-

+H20

al C=O

O 2-metil-1-ciclo-

el ion iminio

+

H,N

pipefidinio ion

hexanona una cetona

A continuación se da una secuencia generalizada para la síntesis mediante enaminas. Preparacidn de la enamina:

R

I

R2CH"C=0

R t-

3

HN

H'

'3

R,C=C-N

Reacci6n de sustituci6n:

U'

tB a l N

Capitulo 14

684


Hidr6lisis:

R

U

R'

R' [ a a/c=*

PROBLEMA MODELO D6 los pasos de la preparaci6n de la siguiente cetona, empleando una síntesis mediante enaminas con piperidina como amina.

d

eo

CH,CH=CH,

Solucibn:

e

H20. H

* t-

CH,CH=CH,

'

producto

El paso de la alquilación en la síntesis por enamina es una reacci6n S,2 con un nucleófilo bastante dtbil (¿Por quC?). No es pues sorprendenteque sólo los compuestos halogenadosmás reactivos sean agentesalquilantes apropiados. Estos compuestos incluyen halogenuros de dilo, halogenuros de bencilo, compuestos a-halocarbonílicos yyodometano (otros halogenurosdealquilo diferentes del CHJ se atacan por el nitrógeno de la enamina más bien que por el carbono). Algunos halogenuros reactivos

O

O

I/

CH3CCI bromoacetona yodometano declorurodeclorurodecloruro acetilo

CH,=CHCH,CI

C,H,CH,C'l

II

BrCH,CCH,

CH,I

bencilo

dilo

Las reacciones de enaminas con compuestos a-halocarbonílicos y halogenuros de Acid0 siguen pasos similares a los de la alquilación. En cada caso, el producto final (después de la hidrólisis) es una cetona sustituida en la posición a.

O

o

I1

CCH,

O

I1

/C<'H,

Alquilaci6n y acilaci6nde enaminas

685

Secci6n 14.5.

PROBLEMA MODELO iC6n10 prepamía el siguiente compuestopor síntesis mediante enaminas? O

II

CH,

I

Soluci6n:

Secuencia de reacciones:

O

I1

o

- ' '3 11

('ti3CCI C'I

O

CH,C

(CH,),C'CH=N

II

HLO.H'

CH,

I

CH,C"C"CHO I

~~

PROBLEMASDEESTUDIO 14.10. Sugiera un mecanismo para la hidr6lisis del ion iminio en el problema modelo precedente. 14.11. Las sintesis mediante enaminas se llevan a cabo por lo general empleando una amina cíclica como amina secundaria. Sugiera una raz6n paraello. Tres aminas ciclicas que se emplean en la sintesis mediante enaminas:

pirrolidma piperidina

morfolina

14.12. Prediga los productos: pirrolidina

(',H,CH2Br '

A

H,O, H t '

14.13. Muestre c6mo podria preparar los siguientes compuestos por síntesis mediante enamina: O

I1

O (a)

I1

CH,CH,CCH(CH,),

686

Capitulo 14


SECC16N 14.6.

Condensaciones ald6licas Hasta ahora explicamos el desplazamiento de iones halogenuros por nucleófilos. Un reactivo con un átomo de carbono nucleofílico puede atacar también al carbono parcialmente positivo de un grupo carbonilo. El resto del capítulo se dedicará a las reacciones de enolatos y aniones relacionados, con compuestos carbonílicos.

Cuando un aldehído se trata con una basetal como NaOH acuoso, el ion enolato resultante puede reaccionar con el grupo carbonilo de otra moltcula de aldehído. El resultado es la adicibn de una molécula del aldehído a ofra. /-deun aldehído

acetaldehído

3-hidroxibutanal (acetaldol o aldol)

50%

Esta reacción se llama reacción de condensación ald6lica.La palabra "aldol", derivada de aldehído y alcohol, describe al producto que es un P-hidroxialdehído. Una reacción de condensación es aquella en que dos o más moltculas se combinan dando una moltcula mayor con o sin &dida de otra moltcula pequeña (tal como agua). La condensación aldólica es una reacción de adición, en la que no se pierde una moltcula pequeña. ¿Cómo transcurre una condensación aldólica? Si el acetaldehído se trata con hidróxido de sodio acuoso diluido, se origina una concentración baja de iones enolato. La reacción es reversible, y a medida que el ion enolato reacciona, se forma más.

estructuras en resonancia para el ion enolato

ion enalato reacciona con otra molécula del acetaldehídopor adición alcarbono carbonflico, para formar un ion alcóxido, que abstrae un protón del agua para dar el producto aldol. ,-hidr6genos a

un ion alcdxido

14.6.

Condensaciones ald6licas Secci6n

687

N6tese que el aldehído inicial en una condensaci6n ald6lica debe tener un I?,dr6geqo a al grupo carbonilo para que pueda formar el ion enolato en medio bAsko. El aldol formado tiene todavía un grupo carbonilo con hidr6genos alfa. ¿Puede r:accionardenuevoparadartrímeros? jtetrameros?,ipolímeros? Sí, en efecto, estos materiales son productos secundarios dela reacci6n.Por simplicidad mostraremos s610 los productos dímerose ignoraremos el hecho de que se pueden formar otros productos de peso molecular superior. Hemosmostradolacondensaci6nald6licadelacetaldehído.Otrosaldehídos tambiknpuedenautocondensarse.Lascetonassufrenlacondensaci6n alddica, pero elequilibrionofavorece al productodecondensaci6nde la cetona. (¿Por quC no?) Aunquehaynumerososprocesosdelaboratorioquesepuedenemplearparainducir condensaciones de cetonas de tipo ald6lic0, la reacci6n noes tan útil con las cetonas comocon los aldehídos.Porconsiguiente,concentraremosestaexplicaci6nenlos aldehidos. A continuaci6n se dan otros dos ejemplos de condensaciones aldblicas: Otros ejemplos de condensacionesald6licas:

O

OH

O

O

un aldol

ciclohexancarboxaldehído

PROBLEMA MODELO Muestre c6mo podría preparar el 3-hidroxi-2,2,4-t1imetil-pentanal por una condensaci6n ald6lica. Solucibn: Escriba la estructura e indique el enlace carbono-carbono fonnado

condensaci6n. CH3 F

l nuevoenlacecarbono-carbono

I

CH3CHCH"CCH0

I

1

OH

CH,

O

/I

de (CH,)&HCH

Escriba la ecuaci6n. OH

O

11

2 (CH3),CHCH

I

OHt-

+

O

/I

(CH,),CHCH-C(CH,),CH

en la


Capitulo 14

688

~

PROBLEMAS DEESTUDIO 14.14. ¿Cuhles de los siguientes aldehídos pueden autocondensarse? Explique.

(dl (CH,),CCHO

(e)

(CH,CH,),CHCHO

14.1 5. Prediga el producto de autocondensaci6n de: (a) butanal; (b) acetona. (c) 3-metil-butanal.

A. Deshidratacibn de los aldoles Un compuesto P-hidroxicarbonílico sufre fácilmente deshidratación, porque en el producto el doble enlace estií en conjugación con el grupo carbonilo. Por consiguiente se puede obtener con facilidad un aldehído a$-insaturado como producto de la condensación aldólica. OH

I

o 11

CH,CH"CH2CH 2-butenal

3-hidroxibutanal

HC diluido calor

O

II

CH,CH=CHCH

+ H20

(crotonaldehído)

Si la deshidratación lleva a un doble enlace conjugado con un anillo aromático, frecuentemente la deshidratación es esponthnea. OH

O

3-hidroxi-3fenil-propanal

O

3-fenil-propanal (cinamaldehído)

B. Condensaciónaldólicacruzada Un aldehído sin hidrógenos alfa no puede formar un ion enolato y, por consiguiente, no puede dimerizarse en una condensación aldólica. Sin embargo, si ese aldehído se mezcla con otro aldehído que posea hidrógenos alfa, puede ocurrir una condensación entre los dos. Esta reacción se llama condensación aldólica cruzada. Una condensación aldólica cruzada es más útil cuando sólo uno de los compuestos carbonílicos tiene un hidrógeno a;de otra manera se obtienen mezclas. Las metilacetonas se pueden emplear con éxito en condensaciones aldólicas cruzadas con aldehídos que no contengan hidrógenos a , tal como se aprecia en el segundo ejemplo que aparece a continuación.

Condensaciones ald6licas

O

O

Seccih 74.6.

OH

689

o

O

cinamaldehfdo

benzaldehído acetaldehído (sin hidr6genos a)

O

O

+ CH3CC'H, I1

H! $ (

acetona

O

O

4-fenil-3-buten-2-ona 9096

o

OH

I

/I 4"' (CH,),CCH"CH,CH OH-

2,2-dimetil propanal

3-hidroxi4,4-dimeti1 pentanal

PROBLEMA DE ESTUDIO 14.16. Prediga los principales (a)

C6H,CH0

productos:

+ CH3CH,CH,CH0

OH-

C. Síntesisempleandocondensacionesaldólicas En una condensaci6n ald6lica pueden resultar dos tipos de productos: (1) P-hidroxialdehídos o cetonas, y (2) aldehídos o cetonas a$-insaturados (Figura14.2). En un problema de síntesis, busque estos grupos funcionales y decida que aldehídos o cetonas deben emplearse como materiales de partida. n

OH

de acetofenona

O

de butanal

O

CH,

/ ) t

de benzaldehido

de propanal

690

Capítulo 14


Auto-adici6n (eel reactivo debe tener un hidr6geno a

11

2 RCH,CH

O

OH

O OHt-

'

I

O

11

I1

H'

RCH2CH"CHCH

RCH,CH=CCH

I

I

R

R

un p-hidroxi-aldehido . -

un aldchfdo a,$--&

Adicirln cruzada (un reactivo debe tener un hidr6geno a):

O

II

R3CCH

O

OH

11

OH.

+ R'CH,CH

t."

'

O

O

I

I1

R,CCH-CHCH

R3CCH=CCH

I

I

R'

R' un $-hidroxC alde&

I

FIGURA 14.2. Productos de condensaciones ald6licas

Problema modelo

~ Q u 6reactivos orgacicos se. necesitan? Soluci6n:

O

It

C,H,CH=CHCCH(CH&

iC6mo haria la siguiente conversi6n?

acetona

II

H'

3-buten-Z-ona

un aldchfdo u,$-insaturado

Reacciones relacionadas con

condensaciones las

O

O

HCH

14.7. .

691

is

Soluci6n:

11

ald6licas Seccibn

OH

II

+ CH3CCH3

OH-

1

O

O

I1

I CHz"CHzCCH3

Hi

It

Cplor. CHZ=CHCCH,

PROBLEMA DE ESTUDIO 14.1 7. Sugiera síntesis para los siguientes compuestos, partiendo de aldehidos o cetonas:

,

OH

SECCIdN 14.7.

Reacciones relacionadas con las condensaciones ald6licas Hemos explicado las condensaciones ald6licas sencillas y cruzadas; pero para que esté tipo de condensaciones tenga lugar, todo lo que se necesita es un compuesto con un grupo cartmilo y un compuesto con un hidr6geno aicido. La condensaci6n de hoevenagel es la reacci6n de un aldehídocon un compuestoquetiene un hidr6geno a a dos grupos activantes (tal como C = O 6 C E N), empleando amoníaco o una amina como catalizador. Bajo estas condiciones, el miimo aicido mal6nico se puede usar como reactivo, tal como se muestra en el segundo ejemplo que sigue. Condensaciones de Knoevenagel:

O

I1

(CH3)ZCHCHzCH 3-1netil-b~tanal

+

CHz(CO,C,H,), malonato dietílico

piperidina btnceno

calor (CH,)zCHCHZCH=C(COzC,H5)2

+ Hz0

78 %

H Q !

+ CH,(CO,H),

calor

DCH=CHCO,H

3-fenil-pmpenoico Bcido malbnico benzaldehído dcido (bcido cinhico) 85%

+ H,O + CO,

692

Capítulo 14


Una variaci6n de la reacci6n de Knoevenagel permite que las cetonas menos reactivas sufran condensaci6ncon el cianoacetatode etilo m6s Acid0 (pK,= 9, en comparaci6n con pKa= 11 para el malonato de dietilo).

calor

cianoacetato de etilo

PROBLEMAS M O D E L O Sugiera una ttknica para l a prepmci6n de C&CH = CHNO, Solucibn:

O

II

C6H,CH

OH -

+ CH,NO, "=+

C,H,CH=CHNO,

+ H20

~ C 6 m oprepararía el siguiente compuesto? CN

Solucibn:

de C,H,CHO

& C,H,CH,CN

PROBLEMA DE ESTUDIO 14.18. Sugiera rutas sint6ticas para los siguientes compuestos.

o -

I1

(a) (CH3CH2),C=CCOC2H5

I

CN

(b) o C ( C N ) ,

Reacci6n de Cannizzaro

Secci6n 14.8.

693

Reaccih de Cannizzaro Unaldehido ald6lico.

dar un producto

sin hidr6genos alfa nopuedeauto-adicionarsepara O

(ot!H

-

O

o

HCH I1

'OH

\ I

n0dapmduct0ald6liw

fonnaldehfdo benzaldehfdo

Si un aldehído sin hidr6genos a se calienta con disoluci6n concentrada de hidr6xido de sodio, se produce una reacci6n de desproporci6n en la cual la mitad de l a s molkulas delaldehídoseoxida a Acid0 carboxílico y la otra mitadsereduce a un alcohol. Esta reaccidn se conoce como reacci6n de Cannixl9m. Los aldehidos con hidr6genos a nodanesta reacci6n; enestascondicionessufrenunacondensaci6n ald6lica.

O

O

11

2 HCH

KOHcoac.

y

11

HCOi o n formiat0

+ CH30H metano1

La reacci6n de Cannizzaro se inicia por ataque dKOH al carbono carbonilico, seguido por una transferencia de hidnuo. Ataque por -OH:

:OH Transferencia de hidruro:

~~

~~

Condensaciones de Csteres Los Csteres con hidr6genos a pueden dar reacciones de autocondensaci6n, originando f3-ceto esteres. La condensaci6n de un Cster es semejante a la condensaci6n ald6lica; la diferencia estriba en queel grupo -ORde un Cster puede actuar comogrupo saliente.

694

Caplrulo 14

Enolaros y carbaniones

El resultado es, por consiguiente, una sustitución; (mientras que las condensaciones aldblicas son adiciones). Las condensaciones de Csteres sencillos, tales como las de lossiguientesejemplos, se llaman condensaciones de Claisen. (ObsCrvese la nomenclatura de los p-ceto Csteres que se fbrman). O

O

II

2 CH3COC,H,

Na. ~ O C L H , -P

O

II

II

+ C,H50H

CH,C"CH2COC2Hs 34x0-butanoato de etilo

acetat0 de etilo

(acetoacetate

de etilo)

75x

O

II

2 CH,CH,COC,H, ppanoato de etilo

O

N a - -OC2H, +

0

II CH3CH,C-CHCOC2Hs + C,H,OH II

I

CH3 2-metil-3-oxo-pe.ntanoato de etilo 45%

Analicemos la reacci6n paso a paso. Primero, ocurre la formación del enolato del éster por una reacci6n kid0 base con el ion alc6xido. (Se emplea un alc6xido como base en lugar de un hidr6xido para impedn la saponificacidn del Cster). Como .en la condensaci6n alddica, se forma una baja concentraci6n de enolato porque el enolato (con un solo grupo carbonilo) es una base miis fuerte que el ion alc6xido. Formacibn del enolato:

II

CH,COC,H, o acetato de etilo

+

:OC~H,+

-[

-7 -~CH,-COC,H, :;J

-

:o:-

CH,=COC~H, I 1

+C~H~OH

estructuras en resonancia paru el ion enolnto

El carbono nucleofílico ataca entonces grupo el carbonílo en una reacci6n típica de adición al carbonilo. Esta adici6n del enolato va seguida por la eliminacih del ROH.La secuencia total es pues una reacci6n de sustituci6n acil nucleofílica típica, similar a las que se encuentran en el Capítulo 13. Ataque al grupo carbonilo:

O

I1 -

CH3CCHC02C,Hs +HOC,H5 el emloto &l acekmcetato etílico

695

14.9.

Condensaciones de esteres Secci6n

El p-ceto ester que se forma esm& Acid0 que el alcohol,porque tiene hidr6genos que son a a dos grupos carbonilo. Por consiguiente, el producto de la condensaci6n es la sal del enolato del p-ceto Cster. El B a t o ester se produce cuando la mezcla de reacci6n se acidifica con &ido mineral diluido frío. O

O

II

II

n+

-

CH3CCH,CO,C,H, CH,CCHCO2C,H,

acetoacetat0 etflico

un fl-cetdster

Un S-ceto ester se puede hidrolizar calenthdolo en una soluci6n A c i d a , en cuyo caso puede ocurrir la descarboxilaci6n. Hidrdlisis y descarboxilacibn

un p-cetdster

UM

CCtOM

PROBLEMA MODELO Prediga el producto de la condensaci6n del butanoato de metdo con met6xido de sodio como base, seguido de acidiíicaci6n. Soluci6n: (1) Escriba la estructura del ester de partida y determine la estructura del ion enolato. O

O

II

II

+

CH3CH2CH2COCH3 -OCH3

CH,CH,CHCOCH,

(2) Escriba la ecuaci6n para el ataque nucleofflico al grupo carbonilo y O

II

CH3CH,CH2COCH,

(B

-

+ CH,OH

* d ade ROH.

O

I1

CH,CH,CH2C

I

+ HOCH,

O

II

-C-COCH,

\I

-CHCOCH,

CH,CH,

I

CH,CH,

(3) Acidiiique:

H*

O

0

II

¡I

CH,CH2CH,CCHCOCH,

I

CH,CH, (4) Escriba la ecuaci6n de la reacci6n total

O

I1

2 CH,CH,CH,COCH,

O

(1)

(*)

Na'

-OCH, +

0

II I1 CH,CH,CH,CCHCOCH, I

Capitulo 14

696


PROBLEMA DEESTUDIO 14.1 9. Prediga el principal producto orghico.

(a)

C6H5CH2C02C2H5

( I ) Na’

-OC2H,

(2) H +

b

H,O. H’

(b) [el producto de (a)]

Calm

PROBLEMA MODELO Una condensaci6n, an6loga a la de Claisen, llamada cierre de anillo de Dieckmann, se emplea para preparar la siguiente cetona cíclica a partir de un dikster. ¿Cud es la estructura del dikster? (“5CO2C2HS Sdución: Puesto que el grupo cet6nico proviene del ataque de un carbono 01, el anillo debe

cerrarse en la siguiente posici6n:

c-no

a

Por consiguiente, el di6ster de partida debe ser el adipato de dietilo

O

O

COC, H

COC2H5

II

II

//

H*C

I

H2C\

d

-OC2H,

,,CH2C02C2H5

CH, hexandato de dietilo (adipato de dietilo)

HZc’

l

(,

H2C\ /cHC02C2H5 CH2

- C H OH H‘ 2 1 -

PROBLEMA DE ESTUDIO 14.20. W las ecuacionespara la preparacidn de los siguientes compuestoscíclicos a partir de materiales de partida de cadena abierta:

Condensacidn esteres Secci6n de

697

14.9.

A. Condensacionesde Claisen cruzadas En la condensaci6n de Claisen se pueden emplear dos tsteres diferentes. Los mejores resultados (es decir, evitar la fomaci6n de mezclas) se obtienen cuando uno solo de los tsteres tiene un hidr6geno alfa. O

O

+ CH,CH,CO,CH,

D ! O C H ,

(1)H (2) N'n '

-OCHJ

,

CCHCO,CH, CH

sin hidr6geno a

+ CH,OH

,

45'%,

Las condensaciones de Claisen cruzadas se pueden llevar a cabo con txito entre cetonas y tsteres, ya sea que el tster tenga hidr6genoOL o no. Se elimina preferentemente el hidr6geno a deuna cetona, porque las cetonas son mAsAcidasque los tsteres. Por esta raz6n la condensacih de Claisen cruzada está favorecida frente a la autocondensaci6n Claisen del tster.

l-fenil-l,3-butanodiona 40%

benzoato de acetona etilo

PROBLEMA MODELO .

\

Una mezcla de acetona y oxalato de dietilo (C2H,02C-C0,C2H,) se adiciona a una mezcla de et6xido de sodio en etanol. Despu6s que la reacci6n ha terminado, la mezcla se trata con es HCl diluido y frío. Se aísla de la mezcla un producto de condensaci6n en un 60%.~ C u a el producto? Solucidn:

o

O

del oxalato de dietilo _f

de acetona

698

Capitulo 14


PROBLEMA DE ESTUDIO 14.21. hediga los productos:

B. Síntesisempleandocondensacionesde Meres Puesto que el producto de la condensaci6n entre dos Csteres es un p-ceto tster (o una cetona despu6s de la hidr6lisis y descarboxilaci6n), no es difícil la decisi6nsobre qut materialesdepartida se debanemplear. El grupo cet6nicoprocede de un &terde partida; el grupo Cstercon sus sustituyentes procede del obro Csterdepartida.En la Tabla 14.3 se resumen los diferentes tipos de productos de condensacidn de Csteres.

del butanoar0 de etilo

~!--CHCC)~€~

i

i

O!-CH2CH2CHI

CH2CHS del

\

benzoarode etilo

del butanoato de etilo

del benzoato ¿e ctilo

(despds de la descarboxikaci6n)

PROBLEMA MODELO ~ Q u breactivos necesitaria para prepararel siguiente compuesto, por condensaci6nde &teres?

CH, Soluci6n:

CH,CH,CO,C,H,

Condensaciones esteres Secci6n de

I

14.9.

699

Claisen:

2 RCH,C02C2H,

base

O

II

H O H'

RCH,CCHCO,C,H,

I

R un p-cetdster

O

II

RCH,CCHCO,H

I

Calor

-

co,

O

I1

RCH,CCH,R

R un p-cetocicido

L

una cetona

Dieckmann (para anillos de5 o 6 miembros):

H20.H'

CO2C2H5 /

y

CO,H

CO,C*H,

- do co,

calor

(C\H2)3d4

Claisencruzada:

RCO,C,H, + H,C,/

base

__*

O RC-CH I1 / \

un compuesto con un hidr6geno a kid0 FIGURA 14.3. Productos de condensaciones de &teres.

PROBLEMAS DE ESTUDIO 14.22. D6 las ecuaciones para la preparaci6n de los siguientes compuestos.

C02H

O (c) (3"!CH(CN)2

(d)

0

(CH,),CCCH,CCH, It I1

Capitulo 14

700


14.23. Las condensaciones de &teres se empleanparala síntesis de cadenas hidrocarbonadas en los organismos vivos.Los Acidos grasos, por ejemplo, se sintetizan apartir.de grupos acetilo mediante el tidster acetil-coenzima A , cuya estructura se mostr6 en la Secci6n 13.8.

O

II

Indique los liidr6genos kidos en la estructuraabreviada CH,CSCoA. (b)es el productode la condensaci6n deBsteresentredos molkulas deacetil-coenzima A? (Use la estructura abreviada.)

(a)

SECCl6N 14.1O.

Adicih nucleofílica a compuestos carbonílicos a, P-insaturados El doble enlace en conjugacidn con un grupo carbonilo es susceptible de ataque nucleofílico en una reacci6n de adici6n 1,4 (Secci6n 11 19).

un emlato

Si un compuesto carbonílico cw,P-insaturado sufre un ataque nucleofílico, se podía esperar que un ion enolato se adicionase al doble enlace. Y así es en verdad. Esta útil reacci6n sintktica se llama adici6n de Michael.

un emlato

50%

O II

CH=CH"COC2Hs t -CH(CO,C,H,),

I

El producto del último ejemplo es un triéster. La saponificación, seguida por acidificación, da un triiicido. Sin embargo, en condiciones de hidrólisis dcida, puede ocurrir la descarboxilación.

Adicibn nucleofilica a compuestos catbonilicos a$-insaturadosSecci6n

7W

14.1O.

Hidr6lisis dcida y descarboxilaci6n:

un trikster

un triAcido

e-C;HCH2C02H CHZC02H un di6cido

En la descarboxilaci6n del trikido, es la agrupacibn mal6nica la que pierdeCO,. (¿Por qut?) Este grupo se halla dentro de un círculo en la siguiente ecuacibn. &e se queda

uno de kstos se va

Los tipos de productos que se pueden obtener de adiciones

sencillas de Michael

se muestranen la Figura 14.4. Las adiciones de Michael en combinacibn con otras

condensaciones son de enorme utilidad enel laboratorio para lassíntesis de compuestos cíclicos complejostalescomolosesteroides. Se muestraunapartede estetipo de

RCHCH,CO,C,H,

1

I

R’C(C02C2H5)2

I

un tribter H 2 0 .tl’

RCH=CHC0,C2H,

+ R‘CH(C02C2H,), a u otro compuesto con

RCHCH2C02H

I

R’C(CO,H),

Idor

un triticido

hidrdgeno activo

RCHCH,C02H

I

R’CHC02H un diacid0 I

FIGURA 14.4. Productos de adiciones Michael del ester rnal6nico con un &ter a,@-insaturado

J

Capítulo 14

702


síntesis. Esta secuencia peculiar de formaci6n deanillos (reacci6n de Michael seguida de condensaci6n ald6lica) se llama anelaci6n de Robinson.

P'

O

base (aldol)

PROBLEMA MODELO Muestre por ecuaciones como prepamria el siguiente cetohcido por una adici6n de Michael: O

II

CH3CCH,CH,CH,C0,H

O II

(

CH,CCH,CH, CH2C0,H

i'ii

de CH,CCH=CH,

O 3.

H 2 0 . H'

'

II

CH3CCH,CH2CH2C02H

del ester mal6nico

Adici6n nucleofllica a

compuestos carbonílicos a,$-insaturados Secci6n

14.10.

703

Un quimico decidi6 ensayar la secuencia de reacciones del problema modelo precedente. Despu6s del paso 2, descubri6 que tenía un producto cfclico,junto con el cetodikster que habia predicho. ~ Q u kocurri6? Soluci6n: El producto inicial del paso 2 sufri6 un cierre del anillo de Dieckmann. (Observe que este intermediario tiene un carbono nucleofílico que puede atacar el grupo carbonilo para dar un anillo de seis miembros.)

PROBLEMA DEESTUDIO 14.24. Si el quhico hubiese sometido el producto cíclico del problema modelo anterior a hidr6lisis &ida y luego hubiese destilado el material organico, Lqu6 producto final habrfa observado?

PROBLEMA MODELO iC6mo prepararia el cetdster siguiente por una adici6n de Michael?

o

Solucibn: La adici6n ocurre en

p a la cetona. O

O

I1

C,H,CH=CHCC,H,

+ CH,CO,C,H, I

C6HS

Na+

-°CzHs~

H+

producto


Capítulo 14

704

PROBLEMA DE ESTUDIO 14.25. iC6mo preparm’a los siguientes &idos carboxílicos por adiciones de Michael? CH, (a)

I

(H0,C),CCHCH2C0,H

I

CH2CH3 (b) HOZCCHzCHCH2C0,H

I

CH,

Resumen En este capítulo, hemos examinado varias rutas para sintetizar compuestos con esqueleto carbonado complejo. Cada unade estas reacciones se produce por unaespecie con carácter carbaniónico. Alquilaciones:

‘CH-

+ RX

/

-

\CHR

+x

/

Condensaciones:

-

O

II

\CH- + R - C - R /

OH

I I

R-C-R -CH-

Adiciones 1 , 4 ;

O

O \

/

CH-

I1

+ CHz=CHC-

LaTabla 14.2 daunavisicin obtenibles por estas reacciones.

0

II

CH2-CH2C-

I

“ZH-

de conjunto de los productos más importantes

Resumen

TABLA 14.2. Reacciones sint6ticas principales que involucran enolatos y carbaniones

O

O

II

(I)

Ester acetoadtico: CH,CCH,CO,C,H,

OC,H..

RX +

(2) O C , H S . R ’ X

II

CH,CCCO,C,H,

/\

R R ‘

OH

Condensaci6n dddica: 2 RCH,CHO

OH-

I

RCH,CHCHCHO

I

R OH

Ald6llica cruzada: RcHO

I + R’CH,CHO z112 RCHCHCHO OH-

I

R’

705


Capitulo 14

706


En cada estructura indique el hidrógeno m&s ácido: O

O (a) C,H,CHCO,C,H,

I

CH, (d) (CH,),CCH,CO,H

O

I/

I1

II

(b) CH,CCH,CN

(c) HCCHCH=CHCH

(e) CH,CH2N0,

CH3 (f) CH3CCI,CHCl2

I

14.27. Escribaunaecuacidnpara la reacciónreversibleácido-basedecadaunode compuestos con et6xido de sodio en etanol.

14.28. Escriba estructuras en resonancia que muestren deslocalización aniones siguientes:

los siguientes

de la carga negativa en los

O

O

I1

(a)

C,H,CH,-

(ci

( b j C,H,CHCCH3

0

O

/I

(d) -CH,CH=CHCO2C2H,

II

C,H,CH,CC'H,

(e) CH,CH,CH,CCH,-

(fj

II

~

C'H,CCHCN

14.29. Ordene los siguientes compuestos en orden creciente de acidez (el &cid0 mas dkbil primero):

(a) O

C

H

O

(b)

(FCO,(.,[I,

(cj

14.30. Complete las siguientes ecuaciones para reacciones dcido-base, e indique por el tamaño de la flecha si el equilibrio est6 hacia la derecha o hacia la izquierda.

O (a) -CH,C02C,H,

I1

+ CH3CCH2C02C2H, e

Q

II

(b) CH,CCH,NO,

+ OH


707

14.31. Prediga el principal producto orghnico:

(c)[elproductode

(b)]

,

t 1 , o ti' calor

H (Sugerencia: VCase la Sección 7.12C)

( f ) [el productode(e)]

ti?(). t i +

~

calor

o (h) [el productode (g)]

tiIO. I í +

calor

NO2

/

(Sugerencia: VCase la Sección 10.15) 14.32. icómo prepararla cada uno de los siguientes compuestos a partir del malonato de dietilo o de

acetoacetato de etilo?

y piperidina, seguida 14.33. Muestre el mecanismo para la formación de la enamina de la ciclopentanona por reacción con cloruro de benzoilo (C,H,COCl). 14.34. Muestre cómo podría sintetizar las siguientes cetonas a partir de ciclohexanona:

708

Capitulo 14


14.35. Una disoluci6n acuosa de NaOH se adiciona a una mezcla de acetona y formaldehído.

(a) (b)

(c)

~ C u es a laestructuradel ani611org6nicoqueseforma? LReacionarA este ani6n a mayorvelocidadcon la acetona o el formaldehído? Muestre cadapasoen el mecanismode la condensaci6nald6licapredominanteque rriría.

14.36. Prediga el principal producto organico. O

O

(b) C,H,CHO

w

J,

+0

0

(2) H

+ .

'

calor

O

( I ) O H - . H,O, ( 2 ) H * , calor

CH2CH0 14.37. ~ C 6 m ohm'a las siguientes conversiones?

(a) ciclopentanona a

D C C c , H 5

I

COZCZH,

O

(c) benzaldehídoa

It

C6HsCH=CHCCH3 O

(d)benzaldehídoa

I1

C,H,CH=CHCCH=CHC6H5

14.38. Prediga los principales productos organicos:

( I ) NaOC,H, (2) H,O. H', calor

ocu-


O

II

CH2CCH3 (‘)

oCHzC02C2Hs

( I ) NaOC,H,

( 2 ) H’. frfo

O

14.39. Sugieracaminossint6ticosquellevena

los compuestos siguientes

CN

CH,

C6HS I

14.40. Rediga elprincipalproducto orghico decadaunade Michael: O (a)

II

1 CH2=CHCCH2CH3

+ CH2(C02C2H,),

las siguientesreaccionesdeadici6nde

(1) NaOC,H, ---”+

(2) Hi

O (b)

I1

2 CH,=CHCCH,CH,

(1) NaOC,H, + CH2(CO2C,Hs)Z OH’

709

Capítulo 14

71O


14.41. ~ C 6 m oprepararía los siguientes compuestos por adiciones de Michael?

O

I1

(a) CH,CCHCH,CIH,CN

I

C0,C2H,

(b)

6

-CHL~"H.('oZC'Z ti

5

o

14.42. Sugiera sintesis para los siguientes compuestos apartir de materias primas fhcilmente obtenibles.

CHO (i)

I

CH,(CH,),CHCH,CH,

CH,CHOH (j) C,H,CH,CHCH,

14.43. (a) iC6mo preparada el siguiente compuesto partiendo de la 2-metil-ciclohexanona'?

(b) De la diona en (a) muestre c6mo podría preparar:

do 14.44. Un químico dispone de HC1 diluido, NaOH diluido, sodio mettílico, magnesio mettílico, etanol anhidro, Cter anhidro, bromo, malonato de dietilo, un tanque de HC1 anhidro, ácid0 acCtico

glacial, PBr, y acetona. (TambiCn tiene agua, medios para calentary disolventes para aislar sus productos.) Sugiefa formas en que podría sintetizar los siguientes compuestos: (a) acetato de etilo:(b)acetoacetato de etilo; (c) 2-pentanona; (d) kid0 2-etil-butanoico; (e) a-bromoacetato de etilo.


711

OH

I

14.45. Se observa que (R)-C,H,CHC0,C2H,

14.46. Proponga un mecanismo para la

(exceso) HCHO

se racemiza en disoluci6n alcalina. Explique.

siguiente reacci6n:

+ CH,CHO

<‘O

>-

I

HOCH,CCHO

I

CH,OH 14.47. Muestre c6mo @ a n sintetizarse por anelaciones de Robinson los siguientes compuestos:

14.48. Sugiera un mecanismo para la siguiente reacci6n:

14.49.

óxido de mesitilo por una combinaci6n de una condensaci6n de Michaely un cierre deanillo de Dieckmann. Escriba la secuencia ile sintesis. la

La dimedona se puede obtener a partir del

4-metil-3-penten-2-OM (6xido de mesitilo)

H i

w‘O

5-5-dimetil-l,3-ciclohexanodiona (dimedona)

14.50. Planee un metodo general sintktico para la preparaci6n de kidos cicloalcanwarboxíicos, basado

en la alquilaci6n del &ter mal6nico. 14.51. La ciclohexanona se trata conuna base fuerte, seguida por yodometano. Prediga los productos de monoalquilaci6n y dialquilaci6n. iQu6 producto dialquilado predomina?¿Por que? 14.52. Proponga un mktodo general para la síntesis de y-ceto ácidos, partiendo del a-cloroacetato de etilo. 14.53. iC6mo preparm’a los siguientes ácidos carboxflicos a partir de las mismas materias primas? (a)

G C O , H

( b ) HO,CCH,(CH,),CI~,CO,H

712


Capítulo 14

14.54. W las estructuras de los compuestos I y 11.

14.55. Escriba cada una de las etapas del mecanismo de la siguiente secuencia de reacciones:

14.56. W la estructura de cada unode los productos indicados:

14.57. Muestre c6mo se podria preparar el sedante Seconal a partir del ester maI6nico.

$H(CH3)CH2CH2CH3 CH2CH=CH2 O

HN

Seconal

14.58. La pulegona es un componente fragante del aceite de poleo. Cuando se calienta este componente

en UM base acuosa se produce acetona. iQu6 otro producto o productos se podrían aislar de la mezcla de reacci6n? Explique su respuesta.

pulegona 14.59. Sugiera reactivos apropiados para las siguientes conversiones y sugiera un mecanismo para cada

reacci6n. (a)

0.3+

BrCH,C=CHCO,C,H,

I

-

/CO,C,H,


14.60. Sugiera síntesis para los compuestos siguientes:

(a)

&

,

a partir de compuestos de cinco o menos carbonos

a partir de sustanciás monocíclicas o acíclicas

(b) 4

CH, a partir de sustancias acíclicas

O C2H502CiícH3

a partir de sustancias acíclicas

a partir de compuestos que contengan seis o menos carbonos CH,

713

Las aminas

E

1 carbono, el hidrógeno y el oxígeno son los tres elementos más comunes en los sistemas vivientes. El cuarto de la lista, el nitrógeno, se encuentra en las proteínas y en los ácidos nucleicos, como tambiénen otras muchas sustancias naturales de origen tanto animal como vegetal. De los compuestos que contienen nitrógeno, hemos estudiado anteriormente las amidas y los nitrilos (Capítulo 13). Más adelante consideraremos algunosheterociclos nitrogenados aromáticos, incluyendolos ácidos nucleicos (Capítulo 16) y las proteínas (Capítulo 19). En este capitulo, hablaremos acerca de las aminas, compuestos orgánicos que contienen átomos de nitrógeno trivalente enlazados a uno o más átomos de carbono: RNH,,R,NH ó R,N. Lasaminas se encuentran ampliamente distribuidas en plantas y animales y muchas de ellas poseen actividad fisioldgica. Por ejemplo, dos de los estimulantes naturales del sistema nervioso simpático (la decisión entre "la lucha o la huida") son la norepinefrina y la epinefrina (adrenalina). OH

I

norepinefrina

oH I

epinefrina (adrenalina)

Tanto la norepinefrina como la epinefrina son P-fenil-etil-aminas (2-fenil-etilaminas). Otras P-fenil-etil-aminas actúan sobre los receptores simpáticos. Estos compuestos se conocen como aminas simpatornimhicas, debido a que, en cierta medida, imitan la acción fisiológica de la norepinefrina y la epinefrina.

Clasificaci6n y nomenclatura de /as aminasSeccibn,

15.1

715

Mucho antes de la era cristiana, se extraía la efedrina de la planta mu-hang en la China y se usaba como fármaco. Hoy en día, constituye el descongestionante achvo de las gotas nasales y medicinas para los resfriados. La efedrinn produce contr~cción de las membranas nasales dilatadas e inhibe las secreciones nasales. (La sobredósis puede causar nerviosismo e insomnio.) La mezcalina, halucinógenc extraído del cacto peyote se ha utilizado durante siglos entre los nativos del sudoeste. de los EE.UU. y MCxico en ceremoniasreligiosas. La anfetamina es un estimulantesintético que produce insomnio y nerviosismo; se receta en ocasiones para el tratamiento de la obesidad, pues es tambiCnun depresor del apetito. Al igual que otra muchas aminas simpatomiméticas, la anfetamina contiene un carbono quiral y tiene un par de enantiómeros. El isómero más activo de la anfetamina (el dextrorrotatorio) se denomina dexedrina. OH

efedrina un descongestionante

mezcalina un halucindgeno

anfetamina un estimulante

Algunas de las aminasactivas fisiológicamente, tales como la nicotinayla morfina, se mencionan en la Sección 16.10. SECC16N 15.1.

Clasificación y nomenclatura de las aminas Las aminas puedenser clasificadas en primarias, secundariaso terciarias, de acuerdo con el número de sustituyentes alquilos o arilos unidos al nitrógeno.

una alquil-amina 1""

\"

una aril-alquil-mina 2"

una trialquil-amina 3"

Debe observarse que esta clasificxión es diferente de la de los halogenuros de alquilo o los alcoholes, que se basa en el número de grupos unidos al átomo de carbono que lleva el grupo halógeno u oxhidrilo. CH.3 tres c unidos al C

CH,

I

C>-C-OH

CH.3 C H 3 - A - N c U n

I

I

CH, alcohol r-butílico un alcohol terciario

UM

c unido a l N

t-butil-amina amina primaria

El Atorno de nitrógeno se puede también unir acuatro grupos o komos, en cuyo caso se convierte en parte de un ion positivo. Estos compuestos iónicos se dividen en dos categorias: si uno o más de los Atomos unidos al N son hidrógenos, se trata de una sal de amina; si los cuatro átomos forman parte de grupos alquilo o aril0 y no hay hidrógenos unidos al N, se trata de una sal de amonio cuaternaria.

716

Capítulo 15

las aminas

Sales de amina:

(CH,),NH2 cloruro

de

+

CI

dimetilamonio

sal de amina 2-

bromuro de N-metil-piperidinio sal de m i n a 3-

Sales de amonio cuaternarias:

(CH,),N+ CI cloruro de tetrametil-amonio

CH,CO,CH,CH,A(CH,), CIcloruro de acetil-colina involucrado en la rrasmisi6n de impulsos nerviosos


Clasifiquecadauno de los siguientescompuestoscomoamina lma,2-, 6 3-, o s a l de amonio cuaternaria.

1-,

2da, 6 3",

sal deamina

Las aminas simples se nombran generalmente porel sistema del grupo funcional: se nombra el radical alquilo o arilo, seguido de la terminación -mina. CH,CH,CH,NH, propil-amina

(CH,CH2)2NH

C)-NH2 ciclohexil-amina

dietil-amina

Las diaminas se nombransegún elalcanobase(conprefijosnumeralesapropiados), utilizando la terminación -diamina. H,NCH,CH,CH,NH2 1,3-propano-diamina

Si baymásde una clase de grupo alquilounido al nitrógeno,seconsidera más grande como base, designándose los demás como prefijos N-alquilo CH 3

I

CH,CHN(CH,), CH,CHNHCH, N-metil-2-propil-amina

CH,

I

N,N-dimetil-2-propil-amina

al

El enlace en -

- .-

las aminas

Secci6n 15.2.

717

Cuando existe otro grupo funcional con prioridad, se utiliza el prefijo amino-. ~

NHCH,

I

H2NCH,CH20H

CH,CHCO,H

2-amino-1-etano1

Lido 2-(N-metil-amino)propanoico

La química de las aminas heterociclicas no aromhticas es muy semejante a la de sus an6logos de cadena abierta. Si bien no discutiremosen este capítulo la química de los heterociclos aromáticos, sí incluiremos la de los heterociclos nitrogenados no aromáticos, cuyos representantes m6s comunes suelen poseer nombres característicos.

n

c, CNH /

HNL/NH

d

3

\.J

H

H

morfolina piperazina piperidina pirrolidina

En la numeración de estos sistemas heterocíclicos, se considera al heteroátomo como la posición 1. El oxígeno tiene prioridad sobre el nitrógeno.

3,5-dimetil-morfolina ~~~

2-metil-pirrolidina ~~

~

~~


E un nombre aceptable a cada uno de los siguientes compuestos: (a) H,NCH,CH,CH,CH,NH, (llamada comúnmente putrescina, sustancia odorosa que se encuentra en la came en descomposici6n~. (b) H2NCH,(CH,),CH2NH2

(cadaverina, deorigen similar a la putrescina).

SECC16N 15.2.

El enlace en las aminas L o s enlaces en una amina son completamente análogos a los del amoníaco: un átomo de nitrógeno sp3 se enlaza mediante enlaces sigma a otros tres átomos o grupos (R ó H), quedhdole un par de electrones no compartidos en el orbital sp3 restante (Figura 2.19).

piperidina trimetil-arnina amoníaco

718

Capitulo

15

Las aminas

En una sal de m i n a o de amonio cuatemaria, el orbital con el par de electrones no compartidos forma el cuarto enlace sigma. Los cationes son análogos al catión amonio. H

l.

H"r\l-H

I

C'H 3

CH 1

CI

H

I CH,--N I

- o 3

('H

cloruro de amonio cloruro

CI

3

C d\ + O 2 K f - I

3

H

de tetrametil-amonio acetato de N-metil-piperidinio

Una molécula de amina con tres grupos diferentes unidos al nitrógeno es quiral; sin embargo, los enantiómeros de la gran mayoría de las aminas no se pueden aislar a causa de la rápida inversión de las imágenes especulares que se produce a la temperatura ambiente. Esta inversión transcurre a través de un estado de transición plano (nitrógeno sp'). El resultado es que el átomo de nitrógeno piramidal se invierte sobre sí mismo, como un paraguas en medio de un fuerte viento. La energía que se requiere para esta inversión es del orden de 6 kcal/mol, el doble, aproximadamente, de la que se requiere para la rotación alrededor de un enlace sigma C 4 . Las imdgenes especulares son interconvertibles: \I,

~

estado de transici6n con dos e - en un orbital p

Cuando el nitrógeno de una amina tiene tres sustituyentes distintos y está impedida la interconversión entre las dos idgenes especulares, se puede llegar a aislar el par de enantiómeros. Un ejemplo de tal tipo de molécula es la base de Troger: el puente metilénico entre los dos nitrógenos impide la interconversión entre las imágenes especulares y, como resultado de ello, la base de Troger se puede separar en un par de -;nantiómeros. A

base de Troger

Otro caso en el que es posible la existencia de enantiómeros separables es el de las sales de amonio cuatemarias: estos compuestos son estructuralmente semejantes a los que contienen átomos de carbono sp3. Si cuatro grupos distintos están unidos al nitrógeno, el ion es quiral y la sal se puede separar en sus enantiómeros. U I par ~ de enanti6meros:

Seccidn 15.3.

Propiedades fisicas de aminas las

~~~~

719

~


LCuhIes de las estructurassiguientes podrían existir comoenanti6merosseparables? (a) [(CH3)2CH]2N(CH,CH,Cl)2 C 1 ~ ~ (b) CH,NHC'H2CH,C71

/ \ CH,CH, H3C

SECCldN 15.3.

Propiedades físicas de las aminas Tal como me?icionamos en el Capítulo 1, las aminas pueden formar puentes de hi-

drógeno. El puente de hidrógeno N---HN es más débil que el O---HO, ya que el N es menos electronegativo que el O y, por consiguiente, el enlace NH es menos polar. A causade este puente de hidrógeno débil, lospuntosde ebullición delas aminas se sitúan en un rango intermedio entre los de los compuestos que no forman puentes de hidrógeno(tales como alcanoso éteres) y los de aquellos que forman fuertes puentes de hidrógeno (tales como alcoholes) de peso molecular comparables (Tabla 15.1). CH,CH>OCH?CH,

(Ct1,CH2)LNH

Ct1,C r12C'H2C'tI,0H p.eb. 117'

p.eb. 56"

p.eb. 34.5"

Al no poseer enlaces N-H, las aminas terciarias no pueden formar puentes de hidrógeno en el estado líquido puro y, como consecuencia, sus puntos de ebullición son inferiores a los de las aminas primariaso secundarias de peso molecular equivalente, situándose más bien próximos a los de los alcanos de peso molecular similar. no hay Puente de H

hay Puente de H

J

A

CH,C'H,C'H2NH2 (C'H,),CH (CH,),N p.eb. 3"

p.eb. - 10"

p.eb. 48"

Las aminas de bajo peso molecular son solubles en agua, debido a que pueden formar puentes de hidrógeno con ésta. Las aminas terciarias, al igual que las primarias ~

~~~

TABLA 15.1. Propiedades fisicas de algunas aminas

Nombre

metil-amina dimetil-amina trimetil-amina etil-amina bencil-amina anilina

Estructuru

CH,NH, (C'H3)2NH ( C H ),3 N CH,7CH,NH2 C,,HiCH2NH2 C,H,Nf12

P.eb. "C Solubilidud - 7.5

7.5 3 17 1x5 1 x3

en agua

-f.

-f~

/

I

7

3.7 g I O 0 g

720

y secundaiias, pueden formar puentes de biidr6geno con el agua, pues poseen pares de electrones no compartidos. H (C’H,3),N :- - - H-O

I

~~


Muestre todoslos tipos de puentes de hidr6geno que pueden existir (a)dimetilamina en puray (b) dimetilamina acuosa Las aminas volátiles tienen olores muy característicos que por lo común son repulsivos. La metil-amina huele de modo similar al amoníaco, la trimetil-amina tiene un olor que recuerda al del salmón endescomposición, y el de la piperidina se asemeja al olor de peces de agua dulce en descomposici6n. Las aril-aminas no poseen olores tan desagradables pero muchas de ellas, como la anilina, son tóxicas y especialmente dañinas, dado que se absorben a través de la piel. Algunas aminas, como la f3-naftilamina, son carcinógenas.

p-naftil-amina una aril-amina carcinógena

Las sales de amina y de amonio cuaternario se comportan físicamente de igual modo que la sales inorgánicas: alto punto de fusión, solubles en agua e inodoras.

SECC16N 15.4. ~~~~

~

~~~~~~

~~

Propiedades espectroscópicas de las aminas

A. Espectros de infrarrojo Los enlaces que dan origen a las absorciones infrarrojas típicas de las aminas son, fundamentalmente, los enlaces C-N y N-H (Tabla 15.2). Todas lasaminas alifáticas muestran la banda de alargamiento C-N en la región dactiloscópica, pero solamente las aminas primarias y secundarias presentan en su espectro la banda característica de alargamiento NH, a la izquierda de la absorción CH. Aunque en esta misma regi6n también se observa la absorción del grupo OH, pueden diferenciarse ambas por la mayor anchura e intensidad de esta última absorción, debida a la mayor polaridad del enlace OH y a la mayorintensidad de sus puentes de hidr6geno. En el Capítulo 8 se mencionó que las aminas primarias muestran dos picos de absorción NH, las secundarias sólo un pico y las terciarias ninguno. En la Figura 8.10, se muestran los espectros de infrarrojo de los tres tipos de aminas.

Propiedades espectrosc6picas aminas las deSecci6n

15.4.

721

TABLA 15.2. Absorciones infrarrojas caracteristicas de las aminas Posicidn de la absorcidn Tipo de absorcidn

Aminas primarias:

alargamiento N-H alargamiento C-N

(líquido puro)

3250-3400 (2 picos) 1020-1250

2.9-3.1 8.0-9.8

(líquido puro)

3330 1020-1250

3.0 8.0-9.8

1020-1250

8.0-9.8

Aminas secundarias: alargamiento N-H alargamiento C-N

Aminas terciarias: alargamiento C-N

B. Espectros de R M N La señal del NH en el espectro de RMN suele ser generalmente un singulete agudo, no desdoblado por los protones adyacentes. En este sentido, la absorci6n del NH es muy semejante a la del OH (Secci6n 8.10E). Las aminas alifAticas muestran la señal NH a valores 6 de 1.O-2.8ppm, mientras que las aril-aminas la muestran hacia 2.6-

4.7 ppm, dependiendo de la posic16n exacta del disolvente que se utilice. Los protones a e s t h algo desprotegidos por el Atom0 electronegativo de N y suelen aparecer en el intervalo de 2.2-2.8ppm (Figura 15.1).

FIGURA 15.1. Espectro de RMN de la n-butil-amina.

Las aminas

Capitulo 15

722

SECC16N 15.5.

Preparacih de las aminas Los m6todos de preparaci6n de las aminas se dividen en tres categorías generales, que explicaremos a continuaci6n. Sustitucidn nucleofilica: S ?

+ NH,

RX

A

RNH,'

X-

un hdogenuro alquílico

OH

~

RNH,

O Reduccidn:

/I

RCNH,

6

RCN

RCH,NH2

una amida o nitrilo Trasposicidn de /as amidas:

O I1

RCNH, UM

Br,, O H +

RNH,

amida

A. Sintesis por reacciones de sustitucih Reaccibn de aminas con halogenuros de alquilo. La mol6cula de amoníaco 0 de cualquier amina tiene un par de electrones no compartidos y puede actuar como un nucle6filo en una reacci6n de sustituci6n con un halogenuro de alquilo. La reacci6n de un nitr6geno nucleofílico es semejante a la de cualquier otro nucle6filo con m. El producto de la reacci6n con amoníaco o una mina es una sal de amha, que da la amina libre por tratamiento con una base como NaOH. Reaccidn SN2:

H3

CH, H 2 N*. v k H Z p B r :

-

amoniaco

,

bromo-etano

Tratamiento con base:

CH,CH,NH,+Br-

'

SN2

+ OH-

+

I

H,N-CH,

:Br:-

bromuro de etil-amonio una sal de amina

-

CH3CH2NH2+ H 2 0

+ Br-

etil-amina

El orden de reactividad delos halogenuros de alquilo es el tipico de las reacciones S,2: CH,X71an">2ari".Los halogenurosde alquilo terciarios no dan reacciones de sustitucidn a partir del amoníaco o las aminas, sino únicamente productos de eliminaci6n. La principal desventaja de este m6todo es que la sal de amina resultante puede intercambiar un prot6n con el amoníaco o la amina de partida. CH3CH2NH3+Br-

+ NH,

1 CH,CH2NH2 + NH,+ Br tambikn un nucleC$lo

Este intercambiodeprotonesdalugar a dos o m8s especies nucleofílicas que compiten en la reacci6ncon el halogenuro de alquilo. A causa de ello, cuando se hace reaccionaramoníacoconhalogenurosdealquilo,esfrecuenteobtenermezclasde mono-, di- y tri-alquil-aminas,adem6s de sales de amonio cuaternario.

Preparacidn de las aminas

NH,

- KX

RNH,

us

R,NH

Secci6n

I
R,N

" +

723

15.5.

RS

R4N+ X -

Dado que se pueden formar todos estos productos, la reaccibn SN2de amoníaco o de una m i n a con un halogenuro de alquilo no se considera de gran inter& sindtico. Si se usa amoníaco o bien una amina muy barata, puede usarse un gran exceso a fin de favorecer la monoalquilación: en este caso, son m& probables los choques de la molécula RX con las moléculas de los reactivos deseados que con los productos de alquilación. En el ejemplo siguiente, el uso de un gran exceso de amoníaco favorece la formación de la amina primaria. CH,CH,CH,CH,Br

+ exceso de NH,

1-bromo-butano

-OH

CH,CH2CH,CH2NH2 + Br n-butil-amina 45%

Si lo que se desea es la sal de amonio cuaternario, el proceso SN2 puede ser también interesante, sólo que en este caso habrá de usarse un exceso del halogenuro de alquilo.

Síntesis de Gabriel con ftalimida. La síntesis de Gabriel con ftalimida es un proceso que permite obtener aminasprimariasno contaminadas con secundarias y terciarias. El primer paso en la reacción es una sustitución SN2 en la que se usa el anión dela ftalimida como nucleófilo. La aminase obtiene posteriormente por -. hidrólisis de la ftalimida sustituida resultante

dNK'

o

de

+

CH,CH,Br bromo-etano

-

d N c H , C H ,

H1O. calor OH"t

O

ftalimida

libre de aminas

2- y 3"

La ftalimida se prepara calentando anhídrido ftálico con amoníaco. La sal de potasio se obtiene tratando ftalimida con KOH; normalmente, no es tan fácil eliminar un protón de un nitrógeno addico, pero en este caso la imida, al igual que otros compuestos p-dicarbonííicos, posee una acidez más elevada debido a que el axíión se estabiliza por resonancia. La ftalimida tiene un pK, de 9 y es, por lo tanto, 10 veces m& ácida que el fenol. Preparacibn de/ anibn de la ftalimida:

ftalimida ftálico anhídrido

se estabiliza por resonancia

724

Capitulo I5

Las aminas

PROBLEMA DEESTUDIO 15.5.

Escriba estructurasen resonancia que muestren la delocalizaci6n de lacaqa negativa en el ani611 de la ftalimida. Despub.de preparar la ftalimida de potasio, se trata con un halogenuro de alquilo. En esta reaccih, no es el oxígeno sino el nitr6gen0, más nucleofílico, el que ataca al &om0 de carbono del halogenuro de alquilo. Ataque a Rx:

O

O

UM

N-alquil-fialimida

Finalmente, se hidroliza la N-alquil-ftalimida.Esta reacci6n es simplemente la hidr6lisis de una amida (Secci6n 13.9C). Hiddisis:

semihidrolizada

+ H,NCH,CH, la aminn


Indique la secuencia de reactivos que debe ariadirse a la ftalimida de potasio para obtener: (a) n-propil-amina; (b) alil-amina; y (c)bencil-amina. Una variaci6n ingeniosa de la síntesis de Gabriel se utiliza para preparar aaminoácidos, constituyentes básicos de las proteínas. La secuencia de reacciones es: (1) tratamiento de la ftalimida de potasio con bromo-malonato de dietilo; (2) tratamiento del imido-malonato resqltante con una base, para eliminar el hidr6geno a y (3) tratamiento del anidn conR X , en una típica reacci6n de alquilaci6n deltster mal6nico.

-&

J . ReaccMn con el &ter bromo-mal6nico.

+ BrCH(CO,C,H,), O

bromo-malonato de dietilo

-Br-

NCH(CO,C,HS),

O el imido-malonato

las arninas Secci4n

PreparacWn de

15.5.

725

2 . Tratamiento con base:

&N7$c02c2H5)2

O

-°C2H5b'

&NC(C02C2H5)2

H

+ C2H50H

O un ion enohto

3 . Reacci6n con M :

La hidr6lisis hcida rompe los grupos imida y diester y produce la descarboxilaci6n del dihcido. El producto es el amino6cido protonado. hidrdlisis

hidrdlisis y descarboxilacidn

Q$(

-C(C02C2H5)Z

R H,O. H'

,am'

H,dHCo2H

+ C2H,0H +

un a-aminocfcido protonado

O

PROBLEMA MODELO iC6mo prepamía la fenil-alanina, C6H5CH2CHC02H, mediante una sintesis de ftalimida?

I

NH, Soluci6n: 1. Determinacih de los reactivos que se necesitan:

C,H5CH,CHC02H

I

a partir de C,H,CH2X

a partir de jialimidn y el bromo-malonato

2. Pasos de la síntesis:

O

las aminas

Capitulo 15

726


~C6mopreparm'aelsiguienteaminoácidomediante

una síntesis de ftalimida?

(CH,)2CHCH,CHC02H

I

NH,

leucina

B. Síntesis por reducción Las reacciones de reducción proporcionan a menudo síntesis convenientes de aminas. Enla Secci6n 10.14 se explicó la reducción de nitro compuestos aromáticos para obtener aril-aminas.

2,4-diamino-tolueno 75%

Los nitrilos experimentan hidrogenación catalítica o reducción con LiAlH, para dar aminas primarias del tipo RCH,NH2, con rendimiento del orden del 70%. Dado que los nitrilos se obtienen a partir de los halogenuros del alquilo, se dispone así de un método tanto para alargar una cadena carbonada como para preparar una amina. <\ (('li3)2Cti('f12Br -__ u 1 ~

"-$

(C'H,\)ZC'HCt1,("N

I-bromo-2-metil propano un halogenuro de alquilo 1

3-metil-butano-nitrilo

( I 1 Ll4Il[,

(CH,),CHCH2CH2RjH, (3-meti1-l-butil)aminmina

Las amidas también producen aminas cuando son tratadas con agentes reductores:

o N-metil-dodecilamina 95%

N-metil-dodecanamida

La aminaci6n reductiva, reacción que convierte cetona o aldehídos en aminas primarias, se explicará en la Sección 11.14D.Este tipo de reacción es mucho más útil para sintetizar aminas del tipo R,CHNH2 que la reacción de R2CHBr con NH,, pues en este último caso suelen originarse productos de eliminación. También, se pueden sintetizar aminas secundarias y terciarias por aminaci6n si se usa una amina primaria o secundaria, en vez de amoníaco.

knzaldehido

una imina

bencil-amina 85%

Preparaci6n deaminas /as

Secci6n 15.5.

727

O

HOCHzCHlNH,

II

+ CHJCCH, [HOCHlCH,N=C(CH3),] una imina

acetona 2-amino-etanol (etanol-arnina)

H,.Pt

HOCH,CH2NHCH(CH3), 2-(N-isopropil-amino)etanol 95%


Muestrec6mollevm’a a cabo cada una de las siguientes síntesis:

15.8.

(a) ciclohexil-amina a partir de ciclohexanona. CH, = CHCH,CH,CH,NH, a partir de 4-bromo-1-buteno. partir de un kid0 carboxilico (c) N,N-dimetil-bencil-amimiana @)

15.9.

1

Sugiera dos métodos para preparar sec-butilamina,

libre de productos de alquilación posterior.

C. Trasposición de midas Cuando se trata una amida no sustituida (RCONH,) con una soluci6n alcalina acuosa de bromo, se produce una trasposici6n que da lugar a una amina. Esta reacci6n se denomina proceso de trasposici6n de Hofmann. O b s h e s e que el grupo C & ~ O de la amida se pierde como CO,Z-, en consecuencia, la amina resultante tiene un komo de carbono menos que la amida de partida.

o II

CH,(CH,),CNH2

+ 4 0 H - + Br,

H,O +

CH,(CH,),NH2

+ C0,’- + 2 HIO + 2 Br-

n-pentil-amina 85%

hexanamida

Dado que aparentementese elimina un grupo carbonilodel interior de lamolkcula, es interesante considerar el mecanismo de la trasposici6n de Hofmann. El proceso trascurre a travks de una serie de pasos discretos. El paso Zconsiste de la bromaci6n del nitrógeno;el puso 2es lap6rdida de un prot6n delnitr6gen0, origindndose unani6n inestable; el paso 3es el paso de la trasposici6n, que consiste de un desplazamiento 1,2 muy similar a los que vimos que experimentan los carbocationes (Secci6n 5.6F). El producto de la trasposicidn es un isocianato, estable bajo ciertas condiciones, pero no en un medio acuosoalcalino, en el cual sufrehidrblisis para dar(paso4) una afina y el ion carbonato. Paso I (bromacibn de/ N):

O

I I .. RCNH + O H tl /

O

I1 ..

RCNH I

+ Br-

728

Las aminas

Capftulo 15

paso 2 (extraccibn del H' p o r OH-):

O

I I ..

RCNH

+ -OH e

I

inestable

Br

Paso 3 {desplazamiento de Br- p o r R-; una migracibn 1,2):

paso 4 (hidr6lisis del isocianato):

RN=C=O

=[ OH-

F;

RNHCO-

]OHHLJ

RNH,

+ C03'

In amina

Se ha comprobado que la trasposicidn de Hofmann transcurre con retencibn de conjigurucibn en el carbono a de la amida. Esta evidencia induce a creer que el paso de trasposición (paso 3) tiene un estado de transicidn en puente.

Estado de transicibn en puente en el paso 3:

CH3 - Br-

..

CH,CH,-C-N=C=O H

La ventaja de la trasposición de Hofmann es que da lugar a excelentes rendimientos en aminas primarias puras. Este sería el mejor mktodo para obtener aminas primarias que contengangrupos alquilo terciarios, tales como (CH,),CNH,.(La reacción del (CH,),CBr con NH, da lugar al alqueno y no a la amina.)

Preparaci6n deaminas las

Seccidn 15.5.

729

PROBLEMADEESTUDIO 15.1 O. Rediga los productos orgAnicos principales cuando los compuestos siguientes son tratados con

Br, acuoso alcalino: O (a)

O

O

I1

II

(R)-eCH,CHCNH,

I1

(b) H,NCCH,CH,CH,CNH2

I

D. Resumen de l a s síntesis de aminas Hemos mostrado diversas síntesis de aminas. Mediante una u otra de dichas síntesis, un químico puede sintetizar: 1. una amina con el mismo número de carbonos que lxsustancia de partida 2.

una amina con un carbono mis que la sustancia de partida o

3.

una amina con un carbono menos. Las reacciones específicas se encuentran resumidas en la Tabla 15.3.

TABLA 15.3. Resumen de las sintesis de laboratorio de las aminas Reacci6n

Secci6n

Aminas primarias:

Sustituci6n

(1)

RX

ArNH,

K . Mida

* KNH,

(2)H,O, H' (3) OH-

( 1 ) Fe, HCI

ArNO,

15.5A

10.14

O

Reducci6n

RCN

R,CHNH,

Ó

R,C=O

Trasposici6n

RCNH,

II

( 1 ) LIAIH,

RCNHI

-(3)

RCH,NH,

NU.,.H,. N I

x

011

A

15.5B 11.14D, 15.5B

RNH,

15.5C

Aminas secundarias y terciarias:

Reducción RCH,NR'2 RCNR;

I

R,C=O

_ _ _ " I _

( 1 ) LIAIH

(2)

+

15.5C

H,O

R',NH -

H,. N I +

R,CHNR',

"" "

1 I . 14D, I5.5B

730

Capítulo 15

Las aminas

Rutas generales a las ammas:

L>;'lhrlci

>

RCH,NH?

igual número de carbonos

S E C C I ~ N15.6.

Basicidad de las aminas El par de electrones que ocupa el orbital completo no enlazado del amoníaco o una amina se puede donar a un átomo, ion o molécula deficiente en electrones. En solución acuosa, una amina se comporta como una base débil y acepta un protón del agua en una reacción reversible ácido-base.

(CH,),N:TH~OH

C=(CH,),NH + :OH

trimetil-amina

En la Sección l . 10 se explicó el cálculo de las constantes de basicidad y valores de pK, para las bases débiles. Én la Tabla 15.4, se encuentran los valores de pK, de una sene de aminas. (Recuérdese que los valores decrecientes de pK, corresponden a fuerzas básicas crecientes.) Las mismas características estructurales que afectan a las fuerzas ácidas relativas de ácidos carboxílicos y fenoles (Sección 12.7), influyen tambiknen las fuerzas básicas relativas de las aminas.

TABLA 15.4. Valores de pK, para algunas aminas

Estructura

PK, 4.75 3.34

3.27 4.19

Q-NH2

9.37

Basicidad de

1.

las aminas

Secci6n 15.6.

73 1

Si la amina libre está estabilizada con respecto al catión (ácid0 conjugado), la

amina es menos básica. 2.

Si el catión está estabilizado con respecto a la amina libre, ésta es urn base m á s fuerte. si la amina libre est& estabilizada, R,N es una base mds débil

\

R,N:

elsi catión est& estabilizado R,N es una base &S fuerte

i

+ H,O R3NH’

+ OH

Un grupo donador de electrones, tal como un grupo alquilo, sobre el átomo de nitrógeno aumenta la basicidad, al contribuir a la dispersión de la carga positiva del catión. (Esta dispersión de carga positivaes análoga a la de los carbocationes, Sección 5.6E.) A causa de esta dispersión de la carga positiva, el catión está estabilizado con respecto a la amina libre. En consecuencia, la basicidad aumenta en la serie NH,, CH,NH, y (CH,)*NH. NH,

CH,NHCH, CH,NH,

amoníaco pK, = 4.75

CH,”+NH2

metil-mina

pK,

+

H,O

=

dimetil-amina

3.33

pK, = 3.27

e CH,+NH,’

+ OH

se estabiliza por dispersión de la carga positiva

El catión se estabiliza también por aumentoenla solvatación: aquí, es el disolvente el que colabora en la dispersión de la carga positiva. La dimetil-mina (pK, = 3.27) es una base ligeramente más fuerte que que la metil-amina; sin embargo, la trimetil-amina (pK, = 4.19) es una base más débil que la dimetil-amina. El motivo es que la trimetil-amina está más impedidaestéricamentey su catibn, por consiguiente, se estabiliza menos porsolvatación. Este argumento explica también por qué las aminas heterocíclicas no aromáticas, con sus grupos alquilo “retirados hacia atrás” del par de electrones no compartidos del nitrógeno son más básicas que las aminas secundarias comparables de cadena abierta.

CH3-N--CH3 trimetil-amina pK,

=

es una base mis débil que

4. I9

CH3-N-€I dimetil-amina pK,,= 3.27

n

CH3CH2NHCH2CH, dietil-amina pK, = 3 O 1

es una base mis d6bil que

0 N

H pirrolidina pK, = 2.73

La hibridacióndelátomodenitrógeno en un compuesto nitrogenado afecta también a la fuerza básica. Un orbital sp2 posee un carácter S mayor que un orbital

732

Capitulo 15

Las aminas

sp3. Una moldcula que contenga un nitr6geno sp2 es menos bhsica. ya que su par de electrones no compartidos se retiene mhs fuertemente, la forma libre (no protonada) puede estabilizarse (en lugar del cati6n). I

r

C L H

pirjdina

SP’, &S

&~CO

piperidha

pK, = 8.75

pK, = 2.88

La resonancia también influyesobre la fuerza bhsica de una amina. La ciclohexilamina, por .ejemplo, es mucho mhs bhsica que la anilina.

anilina

ciclohexil-amina pK, = 3.3

pK, = 9.31

La causa de la baja basicidad de la anilina es que la carga positiva del cati6n anilinio no se puede deslocaliz’ar mediante la nube aromhtica, pero sí, en cambio, el par de electrones no compartidos de la amina libre. Como consecuencia, ésta última se estabiliza con respecto al k i d 0 conjugado (cati6n).

ion a n i h o no hay estabilizaci6n por resonancia de la carga positiva

anilina se estabiliza por resonuncia y se favorece

fstrxturas e n resonancia de la -nilha:

I

PROBLEMAMODELO Explique por que la piperidina es una base más fuerte que la morfolina. A A morfolina pK,, = S 67

piperidina

pK, = 2.88

Solucibn: El htomo de oxígeno de la morfolina es atractor de electrones, haciendo más positivo el átomo de hidrhgeno, desestabiEizando al cati6n con respecto a la morfolina libre:

r7

NH LJ

O

+ H,O

4-

O

NH, i/

+

+ OH

menos estable, por menor dispersión de la carga

+

Sales de lasaminas

Secci6n 15.7.

La piperidha no experimenta tal efecto desestabilizante. Su cati6n se estabilizapor 1 I acci6n donadora de electrones de los grupos CH, unidos al N:

C

NH

+ H,O

c N H 2 ++ OH se estabiliza

PROBLEMAS DE ESTUDIO 15.11. ~ C u &esperaría l que fueram& bksica: (a) la piperazina (pkgina 717), o la piperidina, (b) la piperazina o la hexametilentetramina?

hexametilen-teeramina

igual de bhsica que cualquier alquil-amina, 15.1 2. La bencil-amina (C,H5CHzNHz) es aproximadamente pero no igual que una aril-amina. iC6mo explica esto?

15.1 3. Explique la tendencia de

los valores de pK,:

PK, = 13.0

pK, = 9.37

pK,

=

8.Y

SECCI6N 15.7.

Sales de l a s aminas La reacci6n de una amina con un Bcido mineral (tal como el HC1) o un Bcido carboxílico (tal como el Bcido acético) origina una sal de amina. Estas sales se nombran generalmente como sales de amonio sustituidas o bien como complejos Bcido-amina.

+ HCI

(CH,),N trimetil-mina

'

-

(CH,).?NH' CI trimetil-amonio de cloruro O

CH,CH2NH2 etil-amonio deacetato ac6tico etil-amina Acido

+ CH,C02H

-

clorhidrato de trimetil-mina

CH,CH,NH, -O,Ccti, O

acetato de etil-mina

uble

Capitulo 75

734

las aminas

A causa de su capacidad para formar sales, las aminas insolubles en agua se pueden solubilizar por tratamiento con ácidos diluidos. De esta manera se pueden separar compuestosque contengan gruposamino de otros materiales insolublesen agua y en ácidos. Los alcaloides, por ejemplo, que son aminas naturales que se encuentran en las plantas, se pueden extraer de las hojas o de las cortezas mediante soluciones acuosas de ácidos. Muchos compuestos que contienen grupos amino se usan como fármacos y suelen administrarse como sales, solubles en agua, en vez de las aminas libres, insolubles en ella.

o

agua

en

en agua

insoluble

PROBLEMA DE ESTUDIO 15.14. El cirratu de piperuzina es un sólido cristalino que se usa en el tratamiento de los parásitos

intestinales. Escriba una ecuación en la cual se muestre la formación de dicho producto a partir de una molécula de cada reactivo:

Una amina libre se puede regenerar a partir de una de sus sales por tratamiento con una base fuerte, generalmente NaOH.Las sales de amonio cuatemarias, que carecen de protones ácidos, no sufren esta reacción.

R A N ' C1 UM

+OH

-

no hay reacci6n

sal de amonio cuaternaria

A causa dela carga positiva en un ion de amonio cuaternario, las salesde amonio cuaternario presentan interesantes aplicaciones. Como unejemplo, las sales de amonio cuatemario con cadenas hidrocarbonadas largas se usan como detergentes. La combinación de una cola hidrocarbonada larga e hidrof6bicacon una cabeza ionica e hidrofílica da lugar a dos tipos de interacciones con otras sustancias. Una parte de la molécula es soluble en disolventes orgánicos no polares, grasas y aceites, mientras que la otra parte lo es en agua. Los jabones (Sección 20.2) exhiben un comportamiento similar.

Secci6n 15.7.

Sales deaminas las

735

Los fosfolípidos, algunos de los cuales son sales de amonio cuaternario, son agentes emulsificantes naturales. Los fosfolípidos son también unos de los principales componentesde las membranas celulares, en donde por sus característicasestructurales, participan en mantener la estructura celular y en el transporte selectivo de iones y otras sustancias a travks de la membrana (Sección 20.3).

cadenas hidrocarbonadas

l

-

extremo i6nico

o

I porcidn de colina se encuentra señalado vor un círculo.

una fosfatidil-colina (un fosfol&ido)

Una aplicación más reciente de las sales de amonio cuaternario es su uso como catalizadores de transferencia de fase. Para ilustrar cómo funcionan estos catalizadores, digamos que queremos llevar a cabo una reacción S,2 entre un halogenuro de alquilo y CN-; desafortunadamente, los halogenuros de alquilo son insolubles en agua y el NaCN es insoluble en la mayoría de los disolventes orgánicos. Cuando se mezcla una disolución acuosa de NaCN con una disolución de RX en un disolvente orghnico insoluble en agua, se separan dos capas. La reacción sólo se lleva a cabo en la interfase de las capas. Para poder transferir los iones CN- a la capa orgfinica se emplea un catalizador de transferencia de fase, en esta forma la reacción se puede realizar en la capa orgánica y en la interfase. Una ventaja adicional de la reacción que ocurre en el disolvente orgánico es que los nucleófilos tales como el CN- son ,mucho mls nucleofílicos y mfis reactivos cuando no son disueltos por el agua. La acción catalítica de R,N+X- resulta del hecho de que es soluble en agua y también ligeramente soluble en disolventes orgánicos. Si R4N+X- se disuelve en la fase acuosa de la mezcla de reacción de dos fases, algo de la sal se disuelve tambikn en la capa orgánica. Sin embargo, si la capa acuosa tiene un exceso de iones CN-, entonces la sal que se transfiere es principalmente R4N+CN- , Y no R4N X - . +

htercambio anidnico en la fase acuosa:

(n-CdHg),N+ C1clorurotetrabutil-amonio de

+ CN-

t-

'

exceso migra

( Y - C , H ~ ) ~ NCN +

~

+ CI

a la fase orgdnica

Reacci6n S,2 en la fase orgdnica:

CH3(CH,),CI 1-clorooctano

+ (n-C4Hy)4N+CN

~

__*

CH,(CH2),CN nonano-nitrilo 90%

+ (n-C4H9),N+

CI

regresa a la fase acuosa para intercambio adicional

736

Capitulo 15

Las aminas

SECC16N 15.8.

Reacciones de sustitución con a ls aminas Ya hemos mencionado varias reaccionesde sustitución con aminas. Los problemas de la reacción de una amina con un halogenuro de alquilo se explicaron con anterioridad en este Capítulo (Sección 15.5). RNH2

+ R'CI 2 R N H ?

RNHR'] CI-

y ademis

C1.-

RNR', CI

y

I

R'

En el Capítulo 13, explicamos la acilación de aminas como un método para la síntesis de las amidas. Por ejemplo:

+ -I u-

ci

CH,CCI

I

CH,CL'C1

CH,NH,

I

-

CH,C

I

-nL'

ZNHCH, N-metil-acetamida

J

La utilidadde esta reacción consiste en que pueden emplearse aminas para sintetizar otras aminas mediante conversi6n a la amida seguida por reducción. O

II

RCCl

O

+

un cloruro de &ido

R'ZNH una amina

I1

_

_

f

RCNR',

m RCH2NR', ( I ) LiAlH,

uw nueva amina

una amida

Las amidas reaccionan también con aldehídos y cetonas para producir iminas y enaminas. (Vtanse los mecanismos en la Sección 11.10.)

ciclohexanona

+

O

N

R

2 + H,O

una enamina

SECCldN 15.9.

Reacciones de las aminas con ácido nitroso En la Sección 10.14, explicamoslaformacióndel cloruro de bencen-diazonio (C,H,N,+Cl-) por tratamiento de la anilina con ácido nitroso acuoso frío HNO, (preparado in situ con NaNO, y HC1). Recuérdese que las sales dearil-diazonio son estables a O" y que debido a las excelentes cualidadesde grupo saliente delN,, son intermediarias sintéticas de gran utilidad.

Eliminacibn de

Hofmann

Secci6n 15.10.

737

La reacción de una alquil-amina primaria con NaNO, y HCl tambitn produce una sal de diazonio, pero una sal de alquil-diazonio es inestable y se descompone dando nitrógeno y una mezcla de alcoholes y alquenoti El proceso de descomposición transcurre a través de un carbocatión;. intermediarici NaNOz

(CH3)lCHNHl isopropil-isopropil-amina de cloruro amina

una

HCI 0 "

-N]

P (CH,),CH"N,'

C1-

-c1-

diazonio

primaria

C(CH,),CH+I

H2O "*

-

(CH,),CHOH

+ CH,CH=CH,

Cuando las (alquil o aril) aminas secundarias se tratan con NaNO, y HCl, dan lugar a N-nitrosaminas, sustancias que contienen la agrupación N-N O. Muchas N-nitrosaminas son carcinógenas. grupo nitroso

N-metil-anilina amina una

secundaria

CH, una N-nitrosamina

Las reacciones de las aminas terciarias con el ácido nitroso no dan siempre resultados fáciles de predecir. Las aril-minas terciarias generalmente dan sustitución en el anillo con " N O , debido a la activación del anillo aromático por el grupo .NR,. Una alquil-amina terciaria (y, a veces, también las aril-aminas terciarias) puede perder un grupo R dando un N-nitroso derivado de una amina secundaria.

PROBLEMAS DE ESTUDIO 15.15. Cuando se trata la n-butilamina con una disoiución acuosa y fría de HC1 ). NaNO?. se obtienen los siguientes prcductos: I-cloro-butano, 3-cloro-htano. l-'xl!ai ' !>,I+ : x i I 2buteno y nitrógeno gaseoso, Sugiera un mecanismo o mecanismob qur ewpuquv 1.1 tGrrpaLitb,; le caaa uno de estos productos. ,I!.

15.1 6. Sugiera una razdn que explique por que el cloruro de bencen-diazonio es mSls estable que el cloruro de etil-diazonio.

SECCIóN 15.1 O.

Eliminación de Hofmann LOShidrbxidos de amonio cuaternario (R,N+OH-)son derivados de aminas que se utilizan en los estudios de determinación de estructuras, debido a que sufren reacciones de eliminación para dar alquenos y aminas. Veremos en primer lugar cómo se preparan estos compuestos y a continuación consideraremos sus reacciones de eliminación y su utilidad en estudios estructurales.

738

Capitulo 15

Las aminas

A. Formación de los hidróxidos deamonio cuaternario Un hidróxido de amonio cuatemario se obtiene al tratar un halogenuro de amonio cuaternario con óxido de plata acuoso:

+ Ag,O + H,O

2R4N' X un halogenuro de amonio cuuternurio

c." \

C1-

2 R,N'

___+

+ 7 AgXj

OH-

un hidr6xido de amonio cuaternario

+ Ag,O + H Z O

- 0'

CH,

2

\

CH3

OH-

+ 2 AgCli

CH.3

N,N-dimetil-piperidinio cloruro N,N-dimetil-piperidinio dedehidr6xido

La reacción iónica del R4N+Cl- con NaOH acuoso no lleva a la obtención de un hidróxido de amonio cuaternario, ya que los reactivos y productos son compuestos iónicos solubles en agua. Si se intentara tal reacción, seformm'aunamezclade R4N+OH- y R,N+CI- (junto con NaOH y NaCl). En cambio, el hidróxido de plata, el cual se forma in situ a partir del óxido de plata húmedo (Ag,O H20"32AgOH), elimina al ion halogenuro por formación de un precipitado de AgX. El hidróxido de amonio cuaternario puro se obtiene por filtración del AgX, seguido de evaporación del agua.

+

B. La eliminación Cuando se calienta un hidróxido de amonio cuatemario (sólido), se produce una reacción denominada eliminación de Hofmann. Esta reacción es una eliminación del tipo E2 en la cual el grupo saliente es una amina.

[q j

R 3 IN 3

K,N:

+

,,

R,C="HZ

CdOr

R2C--CH2

___*

tl

HGoH

H---¿~H

estado de transición E2

--

R,C=CH, t

H 2c$

Esta eliminación generalmente da origen al llamado producfo Hofmann, que es el alqueno con menor número de sustituyentes alquílicos sobre los carbones unidos por el doble enlace. La formación de este alqueno menos sustituido y menos estable podria atribuirse a interferencia estérica en el estado de transición (Sección 5.9E) por el grupo voluminoso R,N+-. CH,

(CH3),d"cH2cH3

OH

~

hidr6xido de sec-butil-trimetil-amonio

calor

Eliminación de Hofmann

Sección 15.10.

739

PROBLEMA DE ESTUDIO 15.1 9. Prediga los productos orgánicos principales cuando se calientan los compuestos siguientes:

C.

Metilación exhaustiva

Muchos compuestos naturales contienen anillos heterocíclicos nitrogenados; un hidróxido de amonio cuaternario de estos sistemas heterocíclicos sufre eliminación de Hofmann de modo análogo a una amina de cadena abierta. Ahora bien, cuando el átomo de nitrógeno es parte de un anillo no se produce fragmentación de la molécula, sino que el grupo amino y el alquenilo permanecen en la misma.

hidróxido de N,N-dimetil piperidinio

N,N-dimetil-4-penten-l-amina

En la determinación estructural de un compuesto, la meta es a menudo la degradación del compuesto a fragmentos pequeños, fáciles de identificar. Para ilustrar cómo se puede aplicar la degradación de Hofmannen estos casos, vamos a considerar el sistema heterocíclico sencillo de la piperidina. Se prepara en primer lugar el hidróxido de amonio cuaternario por tratamiento con CH,I (S,2) seguido de reaccih con Ag,o Posterior calentamiento produce por eliminación unaalquenil-amina, como se muestra en la ecuación precedente. Dado que el producto de esta eliminación contiene aún un grupo amino, puede sufrir de nuevo reacción con CHJ y Ag,O para dar otro hidróxido de amonio cuaternario, cuyo calentamiento da origen, a su vez, a un nuevo alqueno. El nitrógeno se expulsa finalmente como trimetil-amina. A esta secuencia de reacciones se la denomina metiiación exhaustiva.

"expulsada"

La piperidina de partida ha tenido que atravesar dos etapas de metilación exhaustiva (dos veces por la secuencia CHJ, Ag,O, calor) antes de perder el átomo de nitrógeno, situación bastante típica en heterociclos nitrogenados. Si el nitrógeno hubiera estado unido al anillo, en vez de incorporado a él, habría bastado unaetapapara producir la pérdida del mismo.

740

Capitulo 15

Las aminas

PROBLEMAS DE ESTUDIO 15.1 8. Complete los espacios en blanco:

15.19. La coniína, C,H,,N es un constituyente t6xico dela cicuta (Conium maculatum), cuyo extracto

se cree que mat6 a S6crates. El espectro de RMN de la coniína no exhibe ningún doblete. La conuna reacciona con dos equivalentes de CH,I. Por tratamiento con Ag,O seguido de pirólisis se obtiene un producto intermedio (C,,H,,N). Nueva metilación de éste, seguida de conversión al hidróxido y pirólisis, origina trimetil-amina, 1,5-0ctadieno y 1,4-0ctadieno.;Cuáles son las estructuras de la coniína y del compuesto intermediario?

SECCldN 15.1 1.

Uso de l a s aminas en síntesis La síntesis de compuestos que contienen nitrógeno es de especial interés para los químicos orgánicos involucrados en la fmacología y otras ciencias biológicas, ya que muchas moléculas biológicas contlenen nltrógeno. En otros capítulos de este libro se han explicado la mayoría de las reacciones de síntesis de compuestos nitrogenados a partir de aminas. Muchas de las reacciones de las aminas se deben al ataque nucleofílico del par de electrones no compartidos del nitrógeno de la amina. Un ejemplo de una amina que actúa como nucledfilo es la reacción S,2 de una amina con un halogenuro de alquilo. Las aminas también se pueden utilizar como nucleófilos en las reacciones de sustitución acil nucleofílicas. Los productos que se obtienen a partir de los derivados de los ácidos carboxílicos son las amidas. En cambio, si el reactivo carbonilico es un aldehído o cetona, el producto es una imina (si se usa una amina primaria, RlW,) o una enamina(si la amina es secundaria, R,NH). En la Tabla15.5 se da unresumec de &?as y otras reacciones de las aminas. Otra aplicación sintética es la conversión de un grupo amino en un buen grupo saliente (-N2+,ó -NR,+OH-). En el caso de las eliminaciones de Hofmann de los hidr6xidos de amonio cuaternario, son de mayor utilidad como herramienta analítica que como herramienta sintktica, ya que seobtienen mezclas de alquenos en los productos de reacción. (También, la preparación de un alqueno en el laboratorio es más conveniente mediante una reacción de eliminación de un halogenuro de alquilo.) La espectroscopia de RMN, en la actualidad, ha desplazado a la eliminación de Hofmann aún como método auxiliar en las determinaciones estructurales. Por otro lado, la conversión de una aril-arnina en sal de diazonio seguida de una reacción de sustitución, es una técnica muy útil en la síntesis orgánica. Para ver los diferentes tipos de compuestos que se pueden preparar a partir de las sales de diazonio, consulte la Figura 10.11. Es común en las plantas que contienen aminas quirdes que éstas existan en una sola forma enantiomérica y, puesto que las aminas son básicas, algunas aminas naturales como la estricnina o la brucina, que se aislan de las semillas del &bolasiático Strychnos

Uso de las aminas en sintesis Secci6n

15.1 7 .

741

TABLA 15.5. Algunos compuestos que se pueden obtener de las aminas

Reacci6n

R,N

Producto

+ R'X

-"+

O

II

+ R'CCI

R,NH

1" RNH,

+ R',C=O O

2" R,NH

I1

+ R',CHCR'

H'

H'

-

x

R,&RJ

Saldeaminao sal de amonio

Secci6n

15.5A

CUaternario

O

II

R,NCR'

amida'

13.3C, 15.8

RN=CR',

imina

ll.lOA

R',C=CR'

enamina'

ll.lOC

ArN,+ C1-

sal de aril-diazoni&'

10.15, 15.9

R,C=CR,

aiqueno

15.10

NRZ

I

NaNO, HCI

ArNH,

o

NR',

( 1 ) CHAI

I

( 2 ) A&O. H,O

R,CHCR,

( 3 ) calor

+

O ' tras rutas para preparar amidas son las reacciones aoslogas de las aminas con los anhídridos de aCido (Secci6n 1 3 . C ) y 6steres (secci6n 13.5'2).

'Las enaminas se pueden convertir en aldehídos o cetonas u-sustituidos (Sección 14.5). 'Las sales de arildiazonio se pueden convertir en halogenuros de

arilo, nitriles, etc. (Sección 10.14).

dLas (alquil, aril) aminas secundarias dan N-nitrosaminas cuando se matan con H N 0 2 .

nux-vomica. ( A m b o s compuestos son estimulantes t6xicos del sistema nervioso central),

se emplean en la resoluci6n de los 6cidos carboxílicos ractmicos.En la Secci6n 4.10 se explicaron los pasos en la resoluci6n de tales 6cidos.

PROBLEMA DE ESTUDIO 15.20. Sugiera rutas de síntesis para los compuestos siguientes:

(a) fenacetina @-etoxi-acetanilida), sustancia que alivia el dolor, a partir de p-nitrofenol. En la Tabla 10.1, se da la estructura de la acetanilida. (b) anaranjado de metilo a partir de bencenos sustituidos 0

a partir de compuestos que contengan seis o menos iitomos de carbono.

Capitulo 15

742

Las m i n a s

Resumen Una amina es un compuesto que contiene un átomo de nitrógeno trivalente, al cual están unidos desde uno hasta tres grupos alquilo o arilo: RNH,, R2NH o R,N. Un compuesto con cuatro grupos unidos al átomo de nitrógeno es una sal de amina (R,NH+X-) o bien una s a l de amonio cuaternario (R,N 'X-). Las aminas se pueden preparar mediante reacciones S J , mediante reacciones de reducción o mediante trasposiciones. Todos estos métodos sintéticos se encuentran resumidos en la Tabla 15.3. Dado que el nitrógeno de una amina tiene un par de electrones no compartidos, las aminas son bases débiles. La fuerza básica se ve afectada por el tipo de hibridación (sp' > sp2 > sp), por la presencia de grupos atractores de electrones (disminuyen la basicidad) o donadores de electrones (aumentan la basicidad), y por la conjugación (disminuyen la basicidad).

hibridación

conjugación

Las aminas reaccionan con ácidos para dar sales de amina: R,N

Ilk

i"---' 011-

R,NH- X una sal de amina

La mayoría de las aminas son nucleófilas y pueden desplazar a buenos grupos salientes o adicionarse a grupos carbonilo, reacciones que se resumen en la Sección 15.11. Cuando se tratan aminas primarias con k i d 0 nitroso en frío, se originan sales de diazonio. Las sales de alquil-diazonio son inestables pero las de aril-diazonio se pueden utilizar para sintetizar una gran variedadde compuestos aromáticos sustituidos. Los hidróxidos de amonio cuaternarios por calentamiento eliminan agua y una amina. Por lo general, se forfna el alqueno menos sustituido. Esta reacción se conoce como eliminación de Hofmann.


743

PROBLEMAS DE ESTUDIO 15.21. Clasifique cada uno de los compuestos siguientes como amina primaria, secundaria o terciaria; como sal de amina de uno de estos compuestos; o como sal de amonio cuaternario:

los compuestossiguientes: (a) ciclopentil-amina;(b) (2-metil)-ciclohexilamina:(c)N,N-dietil-p-nitro-anilina; (d)acido2-(N,N-dimetil-amino)he-

15.22.1 Escribaestructuraspara

.

rtanoico 15.23. Nombre los compuestossiguientes: (a)

C,H,CH,NCH,

I

(b)

CH2CH3

aNH2 NH2

NH2 (c) (>NH(CHJ2

Br-

I

O

II

(d) C H 3 C H C H 2 C H , C H

r

15.24. ¿Cuál de las estructuras siguientes tiene enanti6meros, isdmeros geomktricos, ambos o ninguno? (Sugerencia: en (0, considere la hibridaci6n del N y la geometria resultante;)

15.25. ¿Cuál de las especies siguientes puede actuar como nucle6filo? (a)

(C'H,),NH

(b) (CH,),N

(c) H2N-NH,

15.26. Expliquelasobservacionessiguientes:

(a) La ciclohexilamina es m& soluble en aguaque el ciclohexanol. (b) La trimetil-amina tiene punto de ebullici6n inferior a la dimetil-amina (c) La etil-amina tiene puntode ;bullici6n superior a la dimetil-amina.

Capitulo 15

744

Las aminas

15.27. Sugierasíntesis para los siguientescompuestosque

partan dehalogenurosorg6nicos

o de

alcoholes:

15.28. iC6mo podría convertirse el 1-pentanol en: (a) n-pentil-amina (libre de aminas con alquilación

superior);(b)n-hexil-amina

y (c)n-butil-amina?

15.29. Sugiera un procedimiento para efectuar cada una de las siguientes conversiones: (a) benceno enanilina; (b) benzamidaenanilina;(c)anilinaenacetanilida(C,H,NHCOCH;); (d) an-

hídrido glukkico en 6cido 4-aminobutanoico; (e) @)-Zbutanol en (5')-Zbutil-amina; (g) &cid0 acttico enacetamida.

(f) tolueno en bencil-amina y

(a) la anilina o la p-bromo-anilina; (b) la trimetil-amina o el hidr6xido de tetrametil-amonio; (c) lap-nitro-anilina o la 2,4-dinitro-anilina; (d) la etil-amina o la etanolamina (HOCH,CH,NH,); (e) la p-toluidina @-metil-anilina) o la p-(triclorometil)anilina?

15.30. ¿Cu&l es mis bhica:


(b)

(o)..++ OH \-r

(e) (CHJ4N+ OH-

o

+ CH,CO,H

" +


745

15.32. Ordene cada uno de los siguientes grupos de cationes por orden creciente de acidez (primero

el menos kido):

(a) (1)

(2)

(3)O

H 2 +

CI

15.33.

Un químico mezcla una disolución que es 0.0100 M enNaOH y 0.00100 M en metil-amina (a) ¿Qué concentracióndeionmetil-amoniohaypresenteen solucih? (h) LA qué valor de pH son iguales las concentraciones de metil-amina y de ion metil-amonio?

(pK, = 3.34).

15.34. Sugiera métodos para separar las siguientes mezclas:

(a) ciclohexanol, ciclohexil-aminay ácid0 ciclohexano-carboxílico. (b) hexanamida y n-hexil-amina. 15.35. iQuC átomo de nitr6geno es m& basic0 en la molCcula de

LSD? ¿Por quC?

CH, LSD

15.36. Prediga los productos cuando se trata el anestksico local novocaína (phgina 734) con: (a) 1 equivalente de H$O, diluido y frío; (b) exceso de HCI diluido y caliente y (c) exceso

de NaOH diluido y caliente. 15.37. Prediga los productosorghnicoscuandosetratalaxilocaína reactivos del problema 15.36.

CH.? xilocaína

(otro anestksicolocal)con

los

Capitulo 1.5

746

Las aminas

15.38. ¿QuC técnica sena apropiada para resolver cada uno de los siguientes compuestos?

NH2 (a)

C,H,CHCH,

OCH

(b)

9

,

C02CH,

15.39. Prediga los productos orgánicos principales de las siguientes reacciones:

15.40.

O

O

o

O

Prediga el producto principal de la reacción de la pirrolidina con: (a) cloruro de benzoiio; (b) anhídrido ac6tico; (c) exceso de CHJ; (d) anhidrido ftálico; (e) clorurode bencensulfonilo (C,H,SU,Cl); (f) cloruro de acetilo, seguido por tratamiento con LiAlH, e hidrólisis; (g)ácido nitroso frío; (h) HCl diluido; (i) acetona H'.

+

15.41. Prediga el producto principal de la reacción de laN-metil-pirrolidina con cada uno de los reactivos [excepto (g)] del problema 15.40. 15.42. iQuC reacción química podría emplear para distinguir entre: (a) anilina y n-hexil-amina? (b) n-octil-amina y octanamida? (c) cloruro de trietil-amonio y cloruro de tetraetil-amonio? 15.43. Prediga los productos orghicos principales cuando se calientan cada uno de los siguientes compuestos:

15.44. Prediga los productos de la metilación exhaustiva del siguiente heterociclo:

15.45. Sugiera rutas de síntesis para los siguientes compuestos: (a) isoleucina (ácido 2-amino-3-metil-pentanoico) (b) (P-feni1)-etilamina, a partir del tolueno

(c) 2-benzoil-3-pentanona, a partir del ácido benzoico (d) anilina a partir de ácido benzoico


747

15.46. Se somete cierta amina (C,H,,N) a dos etapas sucesivas de metilación exhaustiva. Los produc !os

finales son trimetil-amina y el siguiente dieno:

~ Q U Cestructura puede proponerse para la amina original?

15.47. El tratamiento de la (ciciopentiLmeti1)amina con ácido nitroso da lugar a un 76% de rendimiento

en ciclohexanol. Además de Cste, estaban presentes en la mezcla de reacción otro alcohol y tres alquenos. (a) Proponga un mecanismo razonable para la formación del ciclohexanol. (b)¿Cuáles son las estructuras probables de los otros productos? 15.48. Un químico intentó llever a cabo una trasposición de Hofmann de la butanamida con bromo e

hidróxido de potasio en metanol, en vez de agua.En lugar den-propil-amina obtuvo un carbamato, CH,CH,CH,NHCO,CH,. Explique cómo se formó este producto. 15.49. Cuando se somete el siguiente compuesto a hidrogenación catalítica, se obtiene una sustancia

de fórmula C,H,,N. ¿Cuál puede ser la estructura de esta sustancia?

15.50. Una amina terciaria se oxida por acción de peróxidos tales como el H,O, para dar un óxido de

amina, compuestoque contiene la agrupación -NO. Los óxidos de amina que tienen un hidrógeno p dan eliminación por calentamiento. (A esta reacción se le llama eliminación de Cope.) Sugiera un mecanismo para este proceso en elcaso de la siguiente reacción de eliminación.

I

(E) alqueno principal

15.51. Un químico hizo reaccionar I-bromo-butano con amoníaco y aisló dos productos, A y B. Cuando

se trató A con anhídrido acético, se obtuvo C, mientras que B dio D con idkntico tratamiento. Los espectros de infrarrojo de C y D aparecen en la Figura 15.2. Identifique A B, C y D. 15.52. La Figura 15.3 representa el espectro de infrarrojo del compuesto A (C,H,,N). A es soluble en

ácidos diluidos y da por oxidación con KMnO, en caliente, ácido benzoico. ¿Cuáles son las dos posibles estructuras que se pueden proponer para A? ¿Cómo podria distinguir entre estas dos estructuras mediante la espectroscopía de RMN?

748

Capitulo 15

Las aminas


FIGURA 15.3. Espectro de infrarrojo de A en el problema 15.52.


749

15.53. La Figura 15.4 muestra el espectro deRMN de un compuesto A, (C,,$,,NO), insoluble en kcidos acuosos diluidos. Por calentamiento de A con NaOH acuoso, seguido de acidificackh, se obtienen dos productos, kcido ac6ticoy una sal de amina.La m i n a libre B, correspondiente a esta sal tiene por f6rmula C,H,,N. Cuando se somete B a hidrogenaci6n catalítica a alta presih, se obtiene C(C,H,,N). Sometiendo C a una etapademetilaci6nexhaustiva(reacci6ncondosmolesde CHJ), se obtuvieron trimetil-amina y 3-metil-ciclohexeno. LCufdes son las estructuras de A. B y C?

500

400

300

200

FIGURA 15.4. Espectro de RMN de A en el problema 15.53

1 O0

O

Hc

CAPITULO 16

Compuestos aromáticos policíclicos y heterocíclicos

E

n el Capítulo 10, explicamos el benceno y los bencenos sustituidos. Sin embargo,

el benceno es sólo un miembro de un gran número de compuestos aromáticos. Existe gran cantidad de compuestos aromáticos que pueden ser agrupados en dos clases: policíclicos y heterocíclicos. Los compuestos aromáticos policíclicos también son llamados polinucleares, de anillos fusionados o de anillos condensados. Estos compuestos aromáticos se caracterizan por tener dos o más anillos que comparten Btomos de carbono y una nube pi aromáica. Algunos cornpuestos aromáticos po/icic~icos:

naftaleno

antraceno

fenantreno

Los hidrocarburos aromáticos policíclicos y la mayor parte de sus derivados son sólidos. El naftaleno ha sido usado como bolas y escamas de naftalina, y los derivados de la naftalena se usan en combustibles y lubricantes para vehículos. El uso más extenso de los aromáticos policíclicos está en los intermediarios sintéticos, por ejemplo, en la manufactura de tintes.

Azul Directo 28 un tinte

El grafito es uno de los compuestos policíclicos más interesantes. La estructur I del grafito consiste en planos de anillos de benceno fusionados (Figura 16.1). Se c%e que la distancia (3.5 A) entre cualquier par de planos es el espesor del sistema pi del benceno. El grafitoes “resbaloso” debido a la capacidad de estos planos paradeslizarse uno sobre el otro. Debido a esto, el grafito es un útil lubricante que puede ser usado incluso en el espacio, donde los aceites y grasas comunes se solidificm’an. Debido a sus electrones pi mbviles, el grafito puede conducir electricidad y se usa cuando se necesita un electrodo inerte. Por ejemplo, las pilas para las linternas tienen electrodos de grafito.

superior

vista

vista lateral

FIGURA 16.1. La estructura del grafito.

Un compuesto heterocíclicoes un compuesto cíclico en el cual los átomos del anillo son de carbono y dealgún otro elemento. El átomo del otro elemento (por ejemplo, N,S,O) es llamado heteroátomo. Los anillos heterocíclicos pueden ser aromáticos, igual que los anillos de carbono. Aproximadamente una tercera parte de las publicaciones dedicadas a la química orghnica tratan acerca de los compuestos heterocíclicos. La importancia de estos compuestos se hará evidente al acercamos al final del capítulo y explicar algunos de los heterocíclicos que se encuentran en la naturaleza: los alcaloides como la morfina; los ácidosnucleicos, transportadores del código genético; y otros compuestos de importancia para la biología. Algunos compuestos heterociclicos aromdticos:

0 O Q N

pilTol*

piridina

H

furano*

S E C C I ~ N16.1.

Nomenclatura de los compuestos aromáticos policíclicos Los sistemasde anillos de los compuestosaromáticos policíclicos tienennombres individuales. A diferencia de los números para los anillos de benceno o cicloalcanos,

*Uncirculo enun anillo no es una representaciónadecuada de unanube pi aromática en un heteroclc\ode cinco miembros. En la Secci6n 16.9 se explicará cómo se forma.

Capítulo 16

752

Compuestos aromáticos

policiclicos y heterocjclicos

que comienzan en la posición de un sustituyente, los números de un anillo policíclico han sido establecidos convencionalmente y no cambian con la posición de un sustituyente. X

5

4

I O

5

naftaleno

4

antraceno

I

10

fenantreno

La posición de un sustituyente en un naftaleno monosustituido es designada a menudo con una letra griega. Las posiciones adyacentes a los carbonos de fusión del anillo son llamadas posiciones a, y las posiciones que les siguen son P. Mediante este Sistema, el I-nitro-naftaleno es llamado a-nitro naftaleno, mientras que el 2-nitroaaftaleno es llamado 0-nitro-naftaleno. El mismo naftaleno tiene cuatro posiciones du equivalentes y cuatro posiciones 0 equivalentes. (En los sistemas de antraceno y fenantreno, sólo se usan designaclones numerales.)

1-nitronaftaleno (a-nitronaftaleno)

2-nitronaftaleno (p-nitronaftaleno)

SECCIóN 16.2

Enlaces en los compuestos aromáticos policíclicos Para que un sistema' monocíclico sea aromático, tiene que satisfacer tres criterios: 1.

Cada átomo del sistema anular tiene que estar en el estado híbrido sp2 (o sp).

2.

El sistema anular debe ser plano.

3.

Debe haber electrones p i (4n

+ 2) enel

sistema anular (regla de Hückel).

Estos criterios fueron explicados en laSección 10.7. Una moléculaaromática policíclica también debe contener sólo átomosconhibridación sp2 en el sistema aromático, y todo el sistema anular debe ser plano. La regla de Hückel, que fue establecida para los sistemas monocíclicos, también resulta aplicable a los sistemas policíclicos en los cuales los carbonos sp2 son periféricos o están en el borde exterior del sistema anular. En los compuestos policíclicos, es fácil contar el número de electrones pi cuando se emplean las fórmulas de Kekulé.

10 electrones p i ()I

=

2)

14 electrones p i ()I 3) 7

14 electrones pi (I1 = 3 )

Al igual que el benceno, los sistemas aromhticos policíclicos son más estables que los polienos hipot6ticos correspondientescon enlaces pi localizados. Las diferencias de energía entre los polienos hipottticos y los compuestos reales (o sea, las energfas en resonancia), han sido calculadas en base a datos provenientes de la hidrogenaci6n y el calor de la combustitin.

(kcallmol):

36

92

84

61

Advierta que la energía en resonancia para un compuesto aromático policíclico es menor que la suma de las energías en resonancia de un nlimero comparable de anillos de benceno. Aunque la energía de resonancia del benceno es de 36 k d m o l . la de 10s naftalenos es de sólo 61 kcal/mol (poco más de 30 kcalhol) por cada anillo). En el benceno, todos los enlaces carbono-carbono son iguales. Este hecho nos lleva a creer que existe una distribuci6n igual de electrones pi alrededor del anillo de benceno. En los compuestos aromhticos policíclicos, las longitudes de los enlaces carbono-carbono 110 son todas iguales. Por ejemplo, la distancia entre los carbonos 1 y 2 (1.36 A) en el naftaleno es menor que la distancia entre los carbonos 2 y 3 (1.40

A). C - C en etano: 1.54 8, C = C en etileno: 1.34 I .39

C-C

A

A

en tenceno: 1 .M A

De estas medidas, llegamos a la conclusi6n de que no existe una distribuci6n igual de electrones pi alrededor del anillo de naftaleno. En base a una comparaci6n de longitud de enlaces, diríamos que el enlace carbono 1-carbono 2 del naftaleno tiene mhs carhcter de doble enlace que el enlace carbono 2-carbono 3. Las estructuras en resonancia del naftaleno indican tambitn que el enlace carbono 1-carbono 2 tiene mhs carhcter de doble enlace. ”

dos tercios de las posibilidades muestran doble enlace Cl -C2

Debido a que todos los enlaces carbono-carbono en el naftaleno no son iguales, muchos químicos prefieren emplear f6rmulas tipo Kekult para este compuesto, en lugar de emplear círculos para representar la nube pi. Emplearemos f6rmulas tipo Kekulé al referimos a las reacciones del naftaleno. El fenantreno muestra diferencias similares entre sus enlaces. Elcarhcter de enlace doble del enlace 9,lO-del fenantreno es especialmenteevidente en sus reacciones

Capítulo 16

754

'

Compuestos aromfiticos policíclicos

y heterocíclicos

@micas. Estas posiciones del sistemaanulardel fenantreno sufren reacciones de adición que son típicas de los alquenos pero no de los bencenos. 6

Br

\

carcicter de enlace doble


Escriba lasestructuras en resonanciadeKekuldpara elfenantreno.Sobrelabasedeestas estructuras, explique por qut el enlace 9-10 tiene caricter de doble enlace.

SECC16N 16.3.

Oxidaci6n de los compuestos aromaticos policíclicos Los compuestos aromáticos policíclicos son más activos en su reacción ante la oxidación, reduccidn y sustitución electrofílica que el benceno. La razón de esta mayor actividad se debe a que los compuestos policíclicos pueden sufrir reacción en un anillo y tener todavía uno o más anillos bencenoides intactos en la etapa intermedia y en el producto final. Se requiere menos energía para romperel carácter aromático de un solo anillo de los compuestos policíclicos que la que serequiere para el benceno. El benceno no se oxida fácilmente; sin embargo, el naftaleno puede oxidarse y convertirse en productos los cuales retienen gran parte de carácter aromático. El anhídrido ftálico es preparado para el comercio mediante la oxidación del naftaleno; esta reacción ocurre probablemente vía el ácido o-ftdico. todavía tiene un anillo

aCOH N" 6

bencenoide

O

II

"2' naftaleno

calor

COH

z!i.e+

I1

O Lido o-Mico

O

anhidrid0 Mico

Bajo condiciones de control, se puede aislar la 1,Cnaftoquinona de laoxidación del naftaleno (aunque el producto es generalmente escaso). O

naftaleno

/I

O

Reducci6n de los compuestos aromdticos

policiclicos Seccibn

16.4.

755

E1 antraceno y el fenantreno tambikn sufren oxidaci6n a quinonas:

o

o

antrawno

o

fenantreno

9,lO-fenantraquinona


De las observaciones siguientes, diga si la oxidaci6n cromada delosderivadosdelnaftaleno requiere un ataque inicial electrojflico o nucleojflico.

1 -nimnaftaleno

Lido 3-nitr0-1.2-~ico

Lido o-fklliw

1-naftil-amina

SECC16N 16.4.

Reduccih de los compuestos aromaticos policíclicos A diferencia del benceno, los compuestos policíclicos pueden ser parcialmente hidrogenados sin calor ni presibn, o puedenserreducidoscon sodio y etanol. Na. CH,CH,OH

Na,CH,CH,OH

no hay reacci6n

03

Calm

tetraliia

756

Capitulo

16

Compuestosaromdticos policfclicos y heterociclicos

Adviértase aue los sistemasanulares parcialmente reducidos todaviacontienen los sistemas uno o m k anillos bencenoides.La mayor parte del carácter aromittico de de anillos originales se ha conservado en estos productos parcialmente reducidos. Por supuesto, la hidrogenaci6n completa de los aromitticos policíclicos requeriría calory presi6n, al igual que para el benceno.


Predigaelproductodelareacci6ndelfenantrenocon

sodio y etanol.

Reacciones de sustitución electrofílica en el naftaleno L o s sistemas de anillos aromitticos policíclicos son más activos en sus reacciones ante

el ataque electrofílico que en el benceno. El naftaleno sufre reacciones de sustitucih aromdtica electrofílica predominantemente en la posici6n 1-. La raz6n para esta mayor reacci6n y esta posici6n de sustituci6n ser6 explicada dentro de poco. Br 1-bromonaftaleno

m naftaleno

H N 0 3 , HISO,

1-nitronaftaleno

SO,H I

03

dcido 1-naftalen -sulf6nico

O=CCH, I-acetil-naftaleno

El antraceno, el fenantrenoy los compuestos de anillos fusionados m& grandes, eon todavía más reactivos que el naftaleno respecto a la sustituci6n electrofílica. Sin

embargo, estas reacciones no son tan importantes como las del naftaleno porque se obtienen mezclas de is6meros (que a veces son difíciles de separar). Por ejemplo, el fenantereno sufre mononitraci6nen cada posici6n disponible para dar cinco nitrofenantrenos.

A. Posici6n de sustitucih del naftaleno El mecanismo para la sustituci6n del naftaeno es similar al de la sustituci6n del benceno. Observemos la reacci6n de bromaci6n por etapas y veamos por qut5 es favorecida la sustituci6n en la posici6nI- y por qut5 esta reacci6n ocu-re con m& facilidad que la bromaci6n del benceno. Sustitucidn - 1 (favorecida):

.. p..

:B:-B::

'2

Estructura en resonancia para el intermediario de sustituci6n - 1 :

+ i

dos Contribuyentesprincipales

+a-@J H

\ \

Br

\ \

H

Br

+

Las estructuras en resonancia de los intermediarios para la sustituci6n en la conseria se posici6n 1- muestran dos contribuyentes en los cuales el anillo de benceno intacto. Debido a la estabilizaci6n-resonanciaaromhtica, estas dos estructuras son de menor energía que lasotras estructuras en resmancia y son principales contribuyentes a la estructura real del intermediario. Ésta es la raz6n por la cual el naftaleno sufre sustitucidn electrofílica conmhs facilidad que el benceno. Para que el benceno pase a un ion bencenonio, se requiere la perdida de la aromaticidad, alrededor de 36 kc& mol. Para que el naftaleno pase a su intermediario se requiere s6l0 p6rdida parcial de la aromaticidad, alrededor de25 kcaVmol (la diferencia en energía en resonancia entre E, que lleva al intermediario, la velocidad el naftalenoy el benceno). Debido a la menos de bromaci6n del naftaleno es mayor que la del benceno.

E+

\

/

[a]

requiere S610 25 kcaVmol

\

/

758

Capítulo 16

Compuestosarom6ticospoliciclicos

y heterocíclicos

¿Por qu6 se favorece la sustitucidn-1 sobre la sustituci6n -2 para el naftaleno? Inspeccione las estructuras en resonancia elpara intermediario que lleva a la sustitución - 2: Sustituci6n -2 (no favorecida):

intermediario

Estructuras en resonancia para el intermediario de sustituci6n -2:

&H

t"----*

&H

+-"+

@H

sdlo un contribuyente

principal

Br

Br

El intermediario - 2 tiene s6l0 una estructura en resonancia contribuyente en la cual est6 intacto un anillo bencenoide, mientras que las estructuras en resonancia para el intermediario -1 muestran dos estructuras similares. El intermediario -1 está mhs estabilizado por la resonancia,y su estado de transici6n es de menor energía. Debido a esto, E, es menor y su velocidad de formaci6n mAs rhpida. La sulfonaci6n del naftaleno, que es una reacci6n reversible (Sección 10.8F), es más compleja que la bromación. A 80°, se obtiene el Acido 1-naftaleno-sulf6nico esperado. Sin embargo, a temperaturas superiores (160-180°), el producto es hcido 2naftalenosulfónico. A bajas temperaturas, la reacción está bajo controlcindtico; o sea, las velocidades relativas de la reacción deteminan la proporcidn del producto.A elevadas temperaturas, la reacci6nesd bajo control termodinhico o de equilibrio, las estabilidades relativas de los productos determinan la proporci6n del producto. Ya hemos observado por qu6 la velocidad de la sustituci6n -1 del naftaleno es mayor que la de la sustituci6n -2. A menos de 80°, la tasa de formaci6n de uno de los Acidos naftalenosulfPnicos es relativamente lenta; la reacci6n procedetratts a del intermediario -1 de menor energía al igual que lo hace para la bromaci6n.

Lido 1-naftalenosulf6nico 91",,

a 80":

0

3

s

0

3

H

&cid02-naftalenosulf6nico

Reacciones sustituci6n de

electrofllica en

76.5.

el naftaleno Secci6n

759

Aunque el iicido 1-naftalen- sulf6nicose forma a bajas temperaturas, este is6mero es menos estable que el isdmero -2 debido a la repulsi6n entreel grupo 40,H y el hidr6geno en la posici6n 8. repulsidn

H

H

H

dcido 1-naftalenosulf6nico menos estable

H

kid0 2-naftalenosulf6nico m6s estable

A una temperatura m& elevada, aumentan las velocidades de ambas reacciones de avance y de ambas reacciones ensentidoinverso.Aunque se puedeformar el producto -1 con m& facilidad, puede volverse nipidamentena€taleno. El producto -2 es formado con miis lentitud, pero la velocidad de su reacci6n inversa es todavia m& lenta debido a que el producto-2 es m& estable y de menor energía. A temperaturas miis elevadas, el producto -2 se acumula en la mezcla de reacci6n y es el producto observado (Figura 16.2) SO,H l

\

/

dcido 1-naftalenosulf6nico a 160":

aso'"

lento

\ / dcido 2-naftalenosulf6nico 85%

SO,H

a 160". s e f o m el isdmerv m& estable

03"''" avance de la reaci6n

3

.

FIGURA 16.2. Diagrama de energia para la sulfonaci6n del naftaleno.

760

Capítulo 16

Compuestos aromdticos

policiclicos y heterociclicos


Sobrelabasede lo queaprendi6enelCapítulo 10 acercade los grupos deactivaci6n y desactivaci6n y la posici6n (o posiciones) a la cual dirigen un sustituyente de entrada, prediga los principales productos orghicos de la nitración aromittica de los compuestos siguientes:

16.5.

Escriba ecuaciones que muestren cómo m naftaleno.

a preparar los compuestos siguientes a partir del

CH,CH,CH, (' 4

(b) \

/

(c) \

/

\

Br

SECC16N 16.6.

Nomenclatura de los compuestos arom;iticos heterocíclos Debido a que ocurren ampliamente en la naturaleza, los compuestos aromáticos heterocíclicos son de m& inter& general para los químicos que los compuestos policíclicos que sólo contienen Atomos de carbono en sus anillos. Al igual que los compuestos aromAticos policíclicos, los aromAticos heterocíclicos tienen generalmente nombres individuales. L o s nombres y estructuras de algunos de los miembros mhs importantes de esta clase de compuestos aparecen en la Tabla 16.l . A continuación, los números de tres heterocictos representativos:

piidma

tiazol

imidazol

Cuando unheterociclo contienesblo un heteroátomo, tambiénse pueden utilizar letras griegas para designar la posición del anillo. El átomo de carbono adyacente al heteroátomo es elcarbono (Y.El próximo carbono es elcarbono p. El próximo carbono, si lo hay, es el y. La piridina tiene dos posiciones a, dos posiciones p y una posición y. El pirrol tiene dos posiciones (Y y dos p.

e

Piridina, heterociclo de miembros seis

Seccidn 16.7.

761

TABLA 16.1. Algunos compuestos aromhticos heterocíclicos importantes. Estructura

Nombre

Estructura

0

pirrol

pirimidina

furan0

quinol ina

tiofeno isoquinolína imidazol

indol tiazol

H purina

SECClbN 16.7.

Piridma, heterociclo aromdtico de seis miembros De los heterociclos comunes de seis miembros, sólo los heterociclos nitrogenaaos son compuestos aromáticos estables.

H

Q oQ .. N

piridina aromdtico

p c a r b o m sp3

0 I,

pirano M arodtico

La piridina tiene una estructura similar a la del benceno. La piridina contiene un anillo plano de seis miembros que consiste en cinco carbonos y un nitrógeno. Cada uno de estos átomos del anillo sufre hibridación por sp2 y tiene un electrón en un orbital p que contribuye a formar la nube aromática pi (seis electrones pi). La Figura 16.3 muestra el orbital molecular IT de menor energía de la pilidina. Advierta las diferencias entre el benceno y la piridina. El benceno es simétrico y no polar, pero la piridina contiene un nitrógeno electronegativo y, por lo tanto, es polar. ataque E' sobre el anillo no favorecido

momento dipolar p = 2.26D

762

Compuestosaromdticos policiclicos y heterocíclicos

Capitulo 16

cada itom0 del anillo contribuye un electr6n pi

electrones no compaaidos en orbital sp2

FIGURA 16.3. El orbital molecular

n de menor energia

de la piridina.

Debido a que el nitr6geno es más electronegativo que el carbono, el resto del anillo de piridina es deficiente en electrones. Un anillo deficiente en electrones significa que los átomos de carbono del anillo llevan una carga positiva parcial Por lo tanto, un anillo de piridina tiene baja reactividad respecto a la sustituci6n electrofílica en comparaci6ncon el benceno. Además de que el nitr6geno electronegativo hace al anillo parcialmente positivo, la piridina forma un cati6n con muchos ácidos de Lewis. La formaci6n de cationes hace que el anillo sea aún m k deficiente en electrones.

deficiente en e -

-@

6 -

m&s deficiente en e-

La piridina no sufre alquilaciones Friedel-Crafts ni acilaciones, ni tampoco se enlaza con las sales de diazonio. La bromaci6n ocurre solamentea temperaturaselevadas en la fase vapor y probablemente procede atravCs de una vía libre de radicales. Cuando ocurre la sustitución, ocurre en la psici6n 3-.

3,5-dibromo-piridina 3-bromo-piridina PiridiM 37'j,,

2%

Otra diferenciaprincipal entre la piridina y el benceno es que el nitr6geno presente en la piridina contiene un par no compartido de electrones en un orbital spz. Este par de electrones puede ser donado al ion hidr6geno. Al igual que las aminas, la piridina es básica. La basicidad de la piridina (pK, = 8.75) es menor que la de las aminas alifhticas (pK, = -4) debido a que los electrones no compartidos es& en un orbital sp2 en lugar de un orbital sp3.

Piridina, heterociclo aromdtico

de seis miembros Seccibn

16.7.

763

De todas formas, la piridina sufre muchas reacciones típicas de las aminas.

a

y

cloruro de piridinio

\

yodun, de N-metil-piridinio

Al igual que el benceno, el anillo arom6tico de la piridina resiste la oxidaci6n. Las cadenas laterales pueden oxidarse a grupos carboxilo bajo condiciones que dejan el anillo intacto.

a'"' tolueno

Lido benzoic0

KMn04, Calm

N

3-metil-piridina

N Lido 3-piridin-carboxflico (Lido nicotínico)

una vitamina B

A.

Sustituci6n nucleofílica en el anillo de piridina

Cuandosesustituye un anillodebencenopor grupos queextraen electrones, tales como "NO,, pueden ocurrir susfifucionesnucleoj-ílicas aromcificas(Secci6n 10.16).

l-cloro-2,4-dinitro-benceno

2,4-dinitro-anilina

El nitr6genoen la piridinaextraeladensidaddeloselectronesdelrestodel anillo. Por lotanto, no resulta sorprendente que también ocurra sustituci6nnucleofílica con la piridina. La sustitución procede con m& facilidad en la posici6n -2, seguida por la posici6n -4 pero no en la posici6n -3.

2-amino-piridma 2-bromo-piridina

CI

I

4-amino-piridina 4-clor-piridina

Capitulo 16

764



Observemos los mecanismos para la sustitución en las posiciones 2- y 3- para comprobar cómo procede la reacción anterior con más facilidad. Sustitucidn -2 (favorecida): -H’

principal contribuyente

Br

I

estructuras en resonancia para el intermediario Sustituci6n -3 fno favorecida):

GF-:NH3

-H+

___+

..

estructuras en resonancia para el intermediario

El intermediario para la sustitución -2 es estabilizado en especial por la contribución de la estructura en resonancia, en la cual el nitrógeno se lleva la carga negativa. La sustitución en la posición -3 procede a través de un intermediario en el cual el nitrógeno no puede ayudar a estabilizar la carga negativa. El intermediario para la sustitución -3 es de energía m8s elevada; la velocidad de la reacción que pasa a traves de este intermediario es menor. PROBLEMA DE ESTUDIO 16.6.

DC las estructuras en resonancia para el intermediario en la reacci6n de la 4-cloro-piridina con amoníaco. El mismo benceno (sin sustituyentes) no sufre sustituci6n nucleofílica. Esta reacción ocurre con la piridina si se usa una base extremadamente fuerte tal como un reactivo de litio o un ion amida (NH,-).

0

+

-NH2

+

no hay reacción

2-amino-piridina 70%

2-fenil-piridina 50%

Secci6n 16.8.

Quinoleha e isoquinoleina

En la reacci6n de la piridina con NH,-,el producto inicial es el anidn de la í amino-piridina. Esta amina libre se obtiene mediante tratamiento con agua. Paso 1 (ataque de/ NH,- y perdida de Hz):

Q, “2


[

o E J H > H - ]

“--4

a ..

NH .. -

+ H,

un ani6n de la 2-amino-piridina

Paso 2 (tratamiento con H,O):

2-aminopiridina

Quinolína e isoquinolína La quinolina es un heterociclo de anillo fusionado que es de estructura similar al naftaleno pero con un nitrógeno en la posici6n 1. La isoquinolina es el is6mero-2. (Observe que en la isoquinoleina los números comienzan en un carbono, no en el nitr6geno.)

quinolma

isoquinolina

Tanto la quinolina como la isoquinolina contienen un anillo de piridina fusionado a unanillo de benceno. El anillo de nitr6geno de cada uno deestos dos compuestos se comporta en cierta medida como el anillo de piridina. Tanto la quinolina como la isoquinolina son bases dbbiles(pK, = 9.1 y 8.6, respectivamente). Amboscompuestos sufren sustitucibn electrofilica con m8s facilidad que la piridina, pero en las posiciones

766

Capítulo 16

Compuestosaromdticos policíclicos y heterociclicos

5 y 8 (en el anillo bencenoide,no en el anillo desactivado de nitr6geno). Las posiciones de sustituci6n son determinadas por intermediarios similares a los queactúanenlas reacciones de sustituci6n del naftaleno. NO2 l

quinolina


Dibujeestructurasenresonanciapara los internediarios de la nitraci6n en las posiciones 5- y 6- de la quinolína para mostrar por q d se forma de preferencia 5-nitro-quinolina.

Al igual que la piridina, el anillo que contiene nitr6geno de la quinolína o la isoquinolína puede sufrir sustituci6n nucleofnica. La posici6n deataque es a al nitr6geno en cualquier sistema de anillos, al igual que en la piridina.

quinolína

2-aminoquinol~

SECCldN 16.9.

Errol, un heterocíclico aromhtico de cinco miembros Para que un anillo heterocíclico de cinco miembros sea aromfitico, el heterofitomo debe tener dos electrones para donar a la nube de pi aromAtico. El pirrol, el furano, el tiofeno, cumplen todos con este criterio y, por lo tanto, son aromfiticos. Haremos

mfis Cnfasis enel pirrol en esta explicaci6n de los heterwíclos aromfiticos de cinco miembros, debido a que es tipico en t6rminos de enlacey reactividad química.

pino1

furan0

tiofeno

A diferencia de la piridina y las aminas, el pirrol (pK, = -14) no es bcfsico.

+ H+

-

no da catión estable

H

Para comprobar por qu6 noes bkico el pirrol, debemos tener en cuenta la estructura de electr6nica del pirrol. Sabemos que el pirrol es ammtitico debido a (1) su calor combusti6n, que es de unas 25 kcal/mol menor que el calculado para la eStNCtura diénica; (2) sufre reacciones de sustitución aromática; y (3) los protones del pirrol absorben en la región aromática del espectro de RMN (Figura 16.4). (Recuerde que los protones de aril0 absorben a campos más bajos que muchos otros protones debido a que están desprotegidos a causa de los efectos de la comente del anillo; véase la Sección 8.7B .) Enun anillo de cinco miembros, el ndmero m’nimo de electrones pi que se necesita para la aromaticidad es de seis (4n + 2, donde n = 1). Los cuatro carbonos del pirrol contribuyen cada uno un electr6n; por lo tanto, el fitomo de nitr6geno del lo hace en la piridina). pirrol debe contribuir dos conelectrones (no solamente uno, como Ademfisde contribuir dos electrones a los orbitales moleculares pi, el nitr6geno en el PirrOl comparte tres electrones en enlaces sigmacon dos carbonos del anillo Y un hidrógeno. Por consiguiente, todos los cinco electrones de enlace del nitrógeno son usados en el enlace. El nitrógeno del pirrol no tiene electrones no compartidos Y no es básico. La Figura 16.5 muestra los orbitales para el orbital molecular de menor energía.

FIGURA 16.4. Espectro de RMN del pirrol, C,H,N. (La absorci6n plia, cerca de 8 ppm.)

de NH es una banda baja, am-

Capitulo I6

768

Compuestosaromdticos policiclicos y heterociclicos

un electr6n pi de cada carbono

v.,

dos electrones pi del nitr6geno

H H orbitales p en 71, FIGURA 16.5. Los enlaces en el pirrol, C,H,N.


Si el pirrol formara un catión cuando es tratado con HCI, ¿cuál sería su estructura? (Muestre los orbitales p.) ¿Sería aromhtico o no el catión de pirrol?

Debido a que el átomo de nitrógeno en el pirrol contribuye dos electrones a la nube pi aromática, el átomo de nitrógeno es deficiente en electrones y, por lo tanto, no es bhsico. Sin embargo, el anillo de pirrol tiene seis electrones pi para s6l0 cinco átomos del anillo. El anillo es rico en electrones y, por lo tanto, parcialmente negativo. Los momentos dipolares reflejan esto: el nitrógeno es generalmente el extremo negativo de un dipolo pero el nitrógeno en el pirrol es el extremo positivo de la molécula.

11:

A.

2.26 D

1.81 D

Sustitución electrofílica en el anillo depirrol

Debido a que los carbonos del anillo son la parte negativa de la molécula de! pirrol, estos carbonos son activados hacia el ataque electrofilico, pero desactivados haciaelataque nucleofilico. (Esta reactividad es opuesta a la de la piridina.) La principal característica químicadel pirrol y de los otros heterociclos aromáticos de cinco miembros es la facilidad con la que sufren sustitución,electrofílica.

H Qcido 2.pirrolsulf6nico 90",,

H 2-nitropirrol XO",,

Las sustituciones electrofíhcas Ocurren principalmente en la posición -2 del anillo de pirrol. Si se observan las estructuras en resonancia de los intermediarios de la

pirrol, un hgterocfclico aromdtico de cinco

miembros

Seccidn 16.9.

769

nitraci6n 2- y 3- se sabe por qué. Se pueden obtener tres estructuras en resonancia para el intermediario 2-, mientras que s610 se pueden dibujar dos para el intermediario 3-.Existe mayor deslocalizaci6n de la carga positiva en el intermediario que lleva a la nitraci6n 2- que en el que lleva a la nitraci6n 3-. Nitraci6n 2- (favorecida):


N H

Nitracidn 3- (no favorecida):

estructuras en rescinancia para el intermediario


Prediga los principales productos orghnicosde la monosustituci6n: (a)

RF,

+ (CH,CO),O

furano

(b) tiofen0

+ H,SO,

+

25:

3-

(c) pirrol

+ C , H 5 N 2 + CI-

(d) furano

dioxano + Br, 7

B. Porfirinas El sistema anular de porfirina es una unidad de mucha importancia en la biología que se encuentra en la estructura del heme, componente que lleva el oxígeno en la hemoglobina; se encuentra también en la clorofila, un pigmento vegetal; y en ios citocromos, compuestos involucrados en la utilizaci6n de O, por parte de las células de animales. Las estructuras de estos compuestos se muestran en la Figura 16.6. Advierta que el sistema anular de porfirina est6 compuesto de cuatro anillos de pirrol enlazados por grupos = CH-. Todo el sistema de anillos es arom6tico.

0 I

N

I

porfirina

de los los &tomos círculos de hidr6geno pueden serdentro remplazados por iones met&licos

770

Capitulo 16


citocromo c

clorofila a

CH,=CH ‘CH, unidad heme FIGURA 16.6. Algunas porfirinas de importancia en biologia.

’ Los hidrógenos de pirrol del sistema anular de la porfirina pueden ser remplazados por diversos iones mettilicos. El producto es un quelato (de la palabra griega “quele”, “pinza de cangrejo”), un compuesto o ionen el que el metal est4 enlazado por m& de un enlace con la mol&ula original. Con la porfirina, el quelato es plano alrededor del ion metálico y l a resonancia produce cuatro enlaces equivalentes de los átomos de nitrógeno al metal.

Plano Y estabilizado por resonancia

Alcaloides Secci6n

76.10.

771

SECC16N 16.1 O.

Mcaloides A.

Dónde se encuentran y cómo es su estructura

Las civilizaciones antiguas siempre emplearon extractos de rakes, cortezas, hojas, flores, frutillas y semillas como fhrmacos. Este empleo de las plantas con prop6sitos medicinales noestaba basado en la superstici6nni en el azar. Muchas plantas contienen compuestos que tienen un profundoimpacto fisiol6gico. Los agentes activos en muchas de estas sustancias vegetales han sido aislados y se ha descubierto que son compuestos heterocíclicos de nitr6geno. Muchos delos compuestos de nitr6geno vegetales contienen htomos de nitr6geno bhsico y, por lo tanto, pueden ser extraídos mediante diluci6n hcida de la planta en general. Estos compuestos son llamados alcaloides, que significa que son "parecidos a un Qcali". DespuCs de su extracci6n, los alcaloides libres pueden ser regenerados mediante tratamiento subsiguiente con una base acuosa. Extraccibn:

R,N:

+ HCI

Regeneracibn: R , N H t

CI-

+ OH-

H,O

R , N H C CI R A N :+ H , O

+ C1

Los alcaloides vm'an en estructura de lo simple a lo complejo. La nicotina es uno de los que tienen estructura más sencilla, aunque sus efectos fisiológicos distal mucho de ser iguales.

n

nicotina

En grandes dosis, la nicotina es t6xica, el sulfatode nicotina se emplea como insecticida. En pequeñas dosis (como la que obtiene un fumador de los cigarrillos), la nicotina actúa como estimulante del sistema nervioso aut6nomo (involuntario). Si se continúa ingiriendo a pequeñas dosis, la nicotina puede deprimir este mismo sistema nervioso y llevarlo a una actividad inferior a la normal. En 1805 se inform6 acerca del primer caso de haber aislado un alcaloide en estado puro. Este alcaloide fue la morfina (palabra derivada del dios griego de los sueños: Morj2o), uno de los muchos alcaloides que se derivan de la resina y semillas de la amapola del opio, Papaver somnij'erum.

mortina

La codeina es el denvado metilado de la morfina (enel grupo fenólico), mientras que la heroina es el derivado diacetilado. La codeína, al igual que la morfina, es un poderoso analgésico que ocurre naturalmente en las semillas de la amapola del opio. La codeína también es excelente para suprimir la tos y a veces se emplea en medicinas antitusivas. En años recientes, ha sido remplazada en gran medida por el dextrome-

772

Capitulo 16

Compuestosarorndticos policfclicos y heterociclicos

torfiín, un f b a c o sintético que no crea adicci6n y es igualmente eficaz en la tos. (Advierta que sus estructuras son similares.)

m im

CH,Ó dextmmetorfh

La heroína no seencuentraen la naturaleza, pero puedeser sintetizada apartir de la morfina en el laboratorio. La heroína, al igual que la morfina y la codeína, es uil potente analg6sico. En algunas partes del mundo, se emplea la heroina para aliviar el dolor en los pacientes con chcer terminal. Debido a que provoca aún m h adicci6n que la morfina, su uso medicinal es^ prohibido en EE.UU. Gran número dealcaloides activos fisiológicamentecontienen el sistema anular de tropano:

tropano

Uno de los alcaloides del tropano es la atropina, que se encuentra en la Atropa belladonna y otrosmiembrosdela familia delas solanáceas. L a atropina se emplea en gotas para los ojos, con el fin de dilatar la pupila. La escopolamina (el

llamado "suero de la verdad") se emplea como sedante preoperatorio; químicamente, es elep6xido de laatropina. La cocaína, un estimulante y analgksico que forma hiíbito, también contiene el sistema anular del tropano.

O,CCHCH,OH O,CCHCH,OH

I

C6HS

atmpina

I

H

C6H5 escopolamina

PROBLEMA DE ESTUDIO 16.1O. Cuando la atropinaes sometida a la hidr6lisisicida, se pueden aislar dos productos: la tropina, que noes 6pticamente activa,y el ácido trbpico, que se obtiene como mezcla ractmica. ~Cu6liles son las estructuras de estos dos compuestos?

B. Sintesisde un alcaloide La síntesis de un alcaloide en el laboratorio puede presentar grandes problemas. La meta de un proyecto de esta clase no es sólo sintetizar el producto natural, sino hacerlo partiendo de moléculas sencillas a través de una vía corta y elegante. Tales síntesis a menudo tienen importancia prfictica debido a que muchos alcaloides son fármacos potentes y deseables. A menudoes difícil obtener grandes cantidades de estos alcaloides a partir de fuentes naturales. Por lo tanto, una síntesis sencilla puede proporcionar un suministro alterno de tal fármaco.

Alcaloides Seccibn

16.10.

773

Vamos a considerar la síntesis del sencillo alcaloide arecaidina, uno de los que se encuentran en las nueces de betel (Areca catechu). El “betel” es una mezcla de estas nueces con cal obtenida de almejas o caracoles y las hojas de una planta de la familia de lapimienta, esto ha sido mascado y consumido por los nativos de las Indias Orientales como euf6rico (agente que imparte una sensacitin de bienestar). Desafortunadamente ?ara los que lo mascan, el betel mancha los dientes de negro. Las nueces de betel se han empleado en la China durante m& de 1500 años en el tratamiento contra los parhitos intestinales. Desde 1946 se inform6 acerca de la síntesis de la arecaidina, que aparece resumida en la Figura 16.7. Debido a que este alcaloide no tiene estereois6meros, la sintesis estuvo encaminada sólo a convertir un compuesto de cadena abierta en un sistema anular que tiene los grupos funcionales en la posición correcta. O

OH

O

O”

c

‘C,H5

E

COzH

CYco2”

calor

H F

FIGURA 16.7. Síntesis de la arecaidina, el alcaloide derivado de la nuez de betel.

El material del que se parte para esta síntesis es el propenoato de etilo (Aen la Figura 16.7). Unavez que reacciona con amoníaco, A se convierte mediante dos reacciones de adici6n 1,4 por etapas (Secci6n 11.19) en la amina secundaria B. El producto de la primera reacción de adición 1,4 es un p-amino-éster, que reacciona entonces con otra molécula del propenoato en la segunda reacción. CHz=CHCOzCzHS -:NH3

HZNCHzCH2CO2C2H, v C H , = C H C 0 2 C 2 H’+ B

La serie de ciclos es llevada a cabo por un ciem de anillos Dieckmann. El producto es el 13-ceto-ester. Esta reacción coloca al nitrógeno y al grupo carboxílico 1,3 entre sí. La parte restante de la síntesis esth encaminada a la reducci6n del grupo ceto P grupo oxhidrilo y a la deshidrataciónhacia el anillo alquenílico deseado. Para la reducción. los investigadores originales emplearon lahidrogenación catalítica. Esta

774

Capítulo 7 6


reducci6n requiere bloquear el grupo NH debido a que las aminas envenenan a los catalizadores de la hidrogenacih. Por lo tanto, antes de la hidrogenacih, se convierte la amina C en la amida D mediante reacci6ncon cloruro de benzoilo (SecciBn 13.3C). El compuesto D contiene tres grupos funcionales de carbonilo. De estos, el grupo ceto es m h reactivo hacia la hidrogenaci6n. Mediante el control de las condiciones bajo las cuales se llevan a cabo las reacciones, D puede convertirse en el alcohol E,dejando intactos los grupos amida y éster. En la próxima etapa, los grupos éster y amida son hidrolizados calentándolos con HCl acuoso (Seccibn 13.5C y Secci6n 13.9C). Bajo las condiciones de hidrólisis, la parte alcohol de lamolécula sufre deshidrataci6n. (¿Por qué ocurre tan rápidamente la deshidratacih en este caso y por qué se forma sólo un compuesto alquenílico is6mero?) La síntesis se completa por la reacción del grupo amino con C H J (una reacci6n S,2) para dar la amina terciaria (Sección 15.5A). PROBLEMADEESTUDIO 16.1 l. En 1946 cuando primero se llev6 a cabo esta síntesisde la arecaidina, no se disponía fkilmente de agentes reductores hidruros metálicos. iC6mo modificm’a la síntesisde este alcaloide hoy en día

SECC16N 16.1 l.

Ácidos nucleicos Unade las keas más fascinantes de la investigaci6n moderna es la de 10s &idos nucleicos, que trasportan los c6digos genéticos de los sistemas vivientes. Debido a la informaci6n contenida en la estructura de los ácidos nucleicos, un organismo es capaz de biosintetizar diferentes tipos de proteína (pelo, piel, músculos, enzimas, etc.) y reproducir más organismos semejantes a él. Existen dos tipos principales de ácidos nucleicos, los Bcidos desoxirribonucleicos (ADN) y los Bcidos ribonucleicos(ARN). El ADN se encuentra principalmente en el núcleo de las células; trasporta el c6digo genético y puedereproducir o replicarse a sí mismo con el prop6sito de formar nuevas células o para la reproducci6n del organismo. En la mayor parte de los organismos, el ADN de una célula dirige la síntesis de las moléculas de ARN. Un tipo de ARN, el ARN mensajero (ARNm) abandona el núcleo de lacélula y dirige la biosíntesis de los diferentes tipos de proteínas del organismo según el c6digo ADN. El ADN es un polímero. La recombinaci6n de ADN es un proceso natural medianteel cual se incorporan pequeiias partes de material genbtico (fragmentos del polímero de ADN) a otra molCcula de ADN. El ADN producido es llamado ADN recombinante. En los últimos años, la recombinaci6n artificial de genes, llamada a menudo ingeniería genCtica o empalme de genes, ha adquirido importancia práctica, médica y econ6mica. En -i978, se inform6 que los genes que dirigen la síntesis de la insulina humana habían sido divididos en el ADN de la bacteria Escherichia coli. La E. coli alterada se reproduce y se convierte prácticamente en una “fábrica de insulina”, produciendo insulina humana junto con sus propias proteínas. En la actualidad, la mayor parte de los diabéticos emplea insulina animal extraída del páncreas de reses y cerdos. La hormona del crecimiento humano (se emplean comunmente las iniciales en inglés: HGH) también ha sido producida mediante ingeniería genética. La única fuente de esta hormona de que se disponía hasta la fecha era la hip6fisis de cadheres humanos (esta hormona se emplea para

Acidos nucleicos

Secci6n 16.I I .

775

tratar el enanismo). Otro resultado exitoso del empalme de genes, del cual se informó en 1980, es la producciónbacterianade agentes antivirales llamados interjieronec humanos, que antes se obtenían solamente en cantidades mínimas.

A. La estructuradel ADN La base del polímero del ADN es una larga cadena compuesta por molkculas de la desoxirribosa (que será explicada en el Capítulo 18) enlazada por grupos fosfato. La estructura fundamental de ia molkcula del ADN aparece en la Figma 16.8. Advierta que un extremo de la cadena tiene un grupo OH en el carbono 5‘, que es el número del azúcar, mientras que el otro extremo tiene un grupo OH en el carbono 3 ‘ . Cada molécula de azúcar en el ADN está conectada también al sistema anular hetemíclico llamado,,habitualmente una base. En el ADN se encuentran s610 cuatro bases principales. Dos de ellas son pirimidinas sustituidasy dos son purinas sustituidas.

N

N H

purina

pirimidina

O

citosina (C)

timina (T)

adenina (A)

FIGURA 16.8. La estructura de una molkula de ADN. Cada base es uno de los cuatro heterociclos: citosina, timina, adenina o guanina.

Capitulo 7 6

776

Compuestos aromBticos


En el ADN, las bases estan unidas a la desoxirribosa pirimidinas o en la posici6n- 9 de las purinas.

en la posici6n 1 de las

La hidr6lisis completa del ADN lo descompone en sus fragmentos m6s pequefios: el azúcar, las bases y los iones fosfato. La hidr6lisis parcial resulta en nucle6sidos (azúcar enlazada a la base) y nucle6tidos (azúcar enlazada a la base y al fosfato).

se

ADN

H2O

base I

azúcarfosfato un nucleótido

H,O

I azúcar un nucleósido

+ fosfato

k

azúcar

+ base

En la Figura 16.9 se muestran las estructuras de los cuatro nucle6sidos aislados lespués de la hidrólisis de los ésteres del ácido fosfórico del ADN. Los cuatro nucleótidos Iue pueden ser aislados dela hidrólisis parcial tienen estructuras similares, pero cuentan ;on un grupo fosfato unido al azúcar.

o un nucledtido

El ADN aislado de diferentes tejidos del mismo organismo contiene las mismas proporciones de bases; sin embargo, estas proporciones vm'an de una especie aotra. Por ejemplo, el tejido humanocontieneaproximadamente un 20% de citosina, 20% deguanina y 30%deadenina y 30%detimina. Escherichia coli contiene 25% de citosina, 25% de guanina, 25% de adenina y 25% de timina. Advierta que las bases del ADN aparece en pares, con iguales cantidades de citosina y guanina y cantidades iguales de adenina y timina. iC6mo lleva a cabo el polímero del ADN, con su sucesi6n de heterociclos, el c6digo genktico? En 1953, J.D. Watson y F.H.C. Crick propusieron un modelo para el ADNquerepresentasucomportamiento.En 1962, estos dos hombres, junto con Maurice Wilkins, quien verific6 la estructura del modelo mediante andisis por rayos X, recibieron el premio N6bel por su trabajo. El modelo Watson-Crick del ADN es una doble hélice de dos moléculas antiparalelas largas del ADN unidas por enlaces

Ácidos nucleicos Secci6n

16. I 1.

777

o

"OC@

I

OH

desoxiadenosina

OH

desoxiguanosina

o

NH, I

"

O

I

C

d

OH desoxiacetidina

timidina* (desoxitimidina)

FIGURA 16.9. Los nucle6sidos obtenidos de la hidr6lisis del ADN *Se prefiere el uso del nombre timidina. El prefijo desoxi resulta innecesario en este caso debidoaquelatiminaseencuentranormalmente sólo en el ADN y no en ningún otro bido nucleico. El prefijo desoxi es necesario en el caso de los otros nombresdebidoa que las otras bases tambitn se encuentran en al ARN.

de hidrbgeno. "Antiparalelas" significa que las dos molCculas del ADN Son paralelas pero e s t h alineadas en direcciones opuestas; cada extremo de la doble hClice consiste por tanto en un extremo 3' (de una mol6cula) y un extremo 5' (de la otra molécula). La Figura 16.10 muestra tres representaciones del ADN de doble hebra. Los puentes hidrógeno entre las hebras ADN del no son aleatorios, sinoespec@cos entre pares de buses: la guanina está enlazada por hidr6geno ala citosina, y la adenina a la timina. En la Figura 16.10, se emplean iniciales para representar estas bases (por ejemplo, A es la adenina); los puentes de hidrógeno son representados por guiones. $or qué son específicos estos puentes de hidrógeno? La timina y la adenina pueden unirse mediantedos puentes de hidrógeno (fuerza aproximada: 10 kcal/mol). La citosina y la guanina pueden unirse mediante tres puentes de hidrógeno (fuerza aproximada: 17 kcal/mol).Ningúnotroapareamiento de las cuatrobases lleva a un puente de hidrógeno tan fuerte. Timina y adenina:

H

778

hebra I

Capitulo 16

Compuestos 2romAticos policiclicos

hebra II

y heterociclicos

hebra I

1

2

3 4

5 6 7

8 9 IO 1

I

I

ti'

O

C y N en las bases

C en la cadena fosfato

P

FIGURA 16.10. Tres representaciones del modelo de doble helice del ADN. (a) Dos molkulas del ADN desenrolladas est6n unidas por enlaces de hidr6geno entre los pares de bases complementarias. (No se muestran las unidades de azúcar y fosfato.) (b)Las hebras del ADN est6n enrolladas en una doble helice, con diez pares de bases p o r cada vuelta completa de la helice. (c) un modelo del ADN que rellena los espacios. (Adaptado de Introduction to Organic and Biochemistry, 3rd d.,de William H. Brown y Judith A. McClarin (Willard Grant Press,Boston, 1981.) Citosina y guanina:

H

No entre la timina y la guanina.

16.1 l.

Acidos nucleicos Seccibn

779

Imaginemos ahora la doble hélice del ADN que se mantiene unida por seria de pares particulares enlazados por hidr6gen0, tal como se muestra en la Figura 16.10 (a). Siempre que aparece una A en una hebra, debe aparecer una T opuesta en la otra hebra. Las dos hebras son completamente complementarias en e m aspecto. El apareamiento de las bases explica por quC cantidades iguales de adenina y timina J cantidades iguales de citosina y guanina se encuentran en el ADN. Es la secuencia de las bases la que determina el c6digo genttico; por lo tanto, no resulta sorprendente que diferentes especies contengan cantidades diferentes de las cuatro bases. Se calcula que un solo gene contiene 1500 pares de bases (cifra variable, depende del gene). Con un gene de este tamaiio, pueden haber 4Im combinaciones diferentes posibles.

B.

Replicación o duplicación del ADN

El proceso de replicación del ADN en unacélula típica seinicia con eldesenrrollamiento catalizado por enzimas, de la doble hélice (Figura 16.11). A medida que se desenrolla la doble hebra, se alinean nuevos nucle6tidos (trifosfatos en este caso) a lo largo de cada hebra. Los nucle6tidos son incorporados, uno por uno, en forma exactamente complementaria:la timina frente a la adenina y la citosina frente a la guanina. hebra antigua:

A

los nucledtidos

T

A

G

1

La polimerizaci6n de estos nucledtidos (y la simulthea ptrdida de los grupos difosfato) catalizada por la enzima polimerasa del ADN resulta en un par de nuevas hebras. Cada nueva hebraes el complementode una de las antiguas hebras. El resultado es un par de hélices del ADN idénticas en lugar de la hélice única que existía antes. nueva hebra del ADN

5' OH

La doble Mlice del ADN luego se desenrrolla a partir de aquí

3' OH helice original del ADN

t

nueva hebra FIGURA 16.1 l. La replicaci6n del ADN involucra el desenrollamiento de la helice y la formaci6n de nuevas hebras complementarias.

Capitulo 16

780

Compuestos aromáticos


C. La estructuradel ARN El ADN tiene el código genktico, peroel ARN “traduce” el ctdigo en síntesis proteica. La estructura del ARN es similar a la del ADN: una serie de unidades de azúcar (en este caso, ribosa) unidas por los enlaces de fosfato, cada azúcar está enlazada a una base. Las principales bases del ARN son adenina, guanina, cirosiria y uracilo (en lugar de timina). El uracilo forma los mismos enlaces favorablesde hidrógeno con la adenina que la timina, y siempre se aparea con la adenina en la síntesis del AFW.

ICs””

HOCH,

OH OH uracilo

0 J-f

H

ribosa

*PROBLEMA DE ESTUDIO 16.1 2. I 36 las estructuras y muestre el puente de hidrógeno entre el uracilo y la adenina.

, La hidr6lisis del ARN producenucle6tidos,nucleqsidos,iones fosfato y, finalmente, ribosa y las bases. Las estructuras de los nucleósidos se muestran en la Figura 16.12.

guanosina

adenosina

citidina FIGURA 16.12. Los nucle6sidos obtenidos de la hidrdlisis del ARN.

Resumen

base

RNA

O -H ?L.-+

'

azúcar-fosfato

-

5 ''

I

781

+fosfato

azúcar

un nucle&sido

un nucledtido

L!!&.,

azslcar

+ base

ElARNmensajero (ARNm,) es sintetizado bajo la direcci6n del ADN.Las moléculas del ARNm son m8s pequeñas que las moléculas del ADN. En la síntesis de una molécula de ARNm, sólo una parte de la hélice del ADN se desenrolla; luego, los ribonucle6tidos se alinean y son polimerizados. Después de lapolimerización, una molécula del ARNm no forma una hélice con la molécula del ADN, sino que abandona el núcleo para ayudar a la biosíntesis proteica, tema que explicaremos en la Secci6n 19.9.

~

~

-~

Resumen El naftaleno, el antraceno y el fenantreno son tres compuestos aromaticos policíclicos comunes. Estos compuestos exhiben menos energía en resonanciapor anillo que el benceno, y ciertos enlaces C-C tienen m& carhcterde doble enlace que otros. Estos compuestos pueden ser oxidados a quinonas o pueden ser parcialmente hidrogenados, tal como se muestra en la Tabla 16.2. El naftaleno sufre sustituci6n electrofílica en la posición -1.

El heterociclo aromfitico piridina, de seis miembros, es una base dtbil y tiene un anillo parcialmente positivo. En comparacióncon el benceno, la piridina está desactivada frente a la sustitución electrofílica: peroactiva frente a la sustitución nucleofílica.

La quinolína y la isoquinoha sufren sustitución electrofílica en el anillo de benceno, pero sustituci6n nucleofílica en el anillo del nitrógeno.

El pirrol es un heterociclo de nitrógeno aromhtico de cinco miembros. No es básico. Sus anillos son parcialmente negativos y está activado frente a la sustitución electrofílica, pero desactivado frente a la sustitución nucleofílica. ningún

electrdn no compartido

~ ) Z 2 E ~

N ti

Capítu/o 1 6

782

Compuestos aromdticos policíclicos y heterociclicos

TABLA 16.2. Resumen de las reacciones del naftaleno, la piridina Y el Pirrol Seccidn

Reacci6n

Naftaleno:

16.4

16.5 \

/

Piridina:

Q - ox HX

16.7

N' H

16.7

RX _3

lh.7A

16.7A

Piridina sustituida: GN C

I

@Nu

16.7A

donde C1 es 2- 6 4-

Quinolina: 16.8

16.8

donde Nu- es -NH,6 R- de RLi

(continua)

Resumen

TABLA 16.2. Resumen de lasreaccionesdelnaftaleno,lapiridina

783

y el pirrol

Secci6n

Reaccidn

lsoquinokna: E 16.8

16.8

Nu donde\ Nu- es

-NH,6 R- de RLI

16.9A

H

H

"A 1W, la sulfonaci6n produce k i d 0 2-naftalenosulf6nico

El orden de reactividad de los heterociclos y bencenos frente a la sustitucih nucleofílica y electrofílica aparece a continuación: Sustituci6n electrofilica:

H Sustitucibn nucleofilica:

Los alcaloides soncompuestosnitrogenados que se obtienende las plantas, solubles en ácido. Alcaloides típicosson la nicotina, la morfina, la codeína y la atropina. Los ácidos nucleicos son polímeros. La estructura de los ácidos nucleicos, el ADN y el ARN, consiste en molCculas de azúcar (desoxirribosa en el caso del ADN y ribosa en el del ARN) enlazadas por unidades de fosfato. Cada unidad de azúcar está enlazada también a un heterociclo. El puente de hidrógeno entre los heterociclos específicos produce un par de moléculas de ADN que forman una doble hélice, y es uno de los principales factores responsables del código genético. Los ácidos nucleicos pueden ser hidrolizados a nucle6tidos (fosfato-azúcar-base) y a nucleósidos (azúcarbase).

784

Capitulo 16




16.14. D6 estructuras para cada uno de los nombressiguientes:(a)2-acetil-naftaleno(b)

l-cloro-

naftaleno; (c) 2,4-dinitro-tiofeno; (d) N-fenil-pirrol. 16.15. LCuhtos electrones pi tienen cada una de las estructuras siguientes? LCu¿iles estructuras son totalmente aromciticas, involucrando la nube pi todo el sistema anular?

16.16. Prediga los principales productos orghicos. (Si no ocurre reaccih, escriba: no h a y reucci6n.)

OH I

16.1 7. Muestre el mecanismo por etapas de la reacción siguiente. (Incluya las estructuras en resonancia

del intermediario en la respuesta.)


785

16.18. Proponga la síntesis para los compuestos siguientes apartir del naftaleno:

16.19. ~ C 6 m oexplicm'a las observaciones siguientes? La nitraci6n aromatics del 2-metil-naftaleno produce 75% 2-rnetil-l-ni@onaftaleno,pero la sulfonaci6n aronxitica del 2-metil-naftalenoproduce 80% de Acid0 6-metil-naftalen-2-sulf6Nco. 16.20. Trace los componentes del orbital p en los orbitales moleculares pi de m& baja energía para

los compuestos siguientes (Figura 16.3).Indique el ntímero de electronesp que contribuye cada Btomo y cualquier electr6nno compartido. (a)tiazol

(b) pirimidina(c>purina(d)tiofeno

(e) pirqno

16.21. , Muestre la dirección de los dipolos en (a) 2-metil-piridina;

(b) 2-etil-pirrol; (c) isoquinolina.

16.22. Complete las ecuaciones siguientes. (Si no ocurre reacci6n, escriba no hay reuccibn.)

(c)

(f)

@ + (CH3)3NH+ C1-

II

+ CH3CC1

" +

SnCI,

16.23. D6 las estructuras de los productos:

+ HCl diluidofrio; "3+ NaOH diluidofrio, "-3 (c) codeína + NaOH diluido frío, "-+ (a) morfina

(b) morfina

Capltulo I6

786

(d) psilocina


+ HCl diluido frio, QH

H PdOCkd

un alucidgeno presente en los hongos del gknero P s k y b e

16.24. ~Cusll reacci6n esperarfa que tuviera Ia mayor velocidad y por que? (a) la reacci6n de la ~iridina y la sodamida (NaNH,) o (b) la reacci6n de la- 2-cloro-piridina y la sodamida. 16.25. Sugiera UM raz6n por la cual la velocidad de bromaci6n arodtica del acid0 furan-2-carb0~ilico (kid0 Zfuroico) es menor que la del furano. 16.26. Aunque el pirrol no es bhico, el tiazol sf. Expliquelo.

@Ka = -15) es un Lido d6bil; puede perder un prot6n y formar un ani6n. Sugiera una r d n para la estabilidad de este ani6n en comparaci6n con el del (cH,CH,)J-.

16.27. El pirrol

16.28. Relacione los compuestos siguientes en orden de velocidades cada vez mayores de reacci6n (la ,

máslentaprimero)frentealanhidridoacéticocon AlC1, comocatalizador:(a) rano(b)2,5-dinitro-furano(c) 3,4-diNtro-furano (d)3-metil-furano

3-nitro-f~-

16.29. Sugiera una secuencia de reacci6n para preparar el compuesto siguiente a partir del naftaleno y el furano:

isoniazida

16.33. ' Sólouna de las tres monohidroxi-piridinas (OH sobreun carbono) exhibe las características

pimicas de un fenol. Explique por qué. 16.34. Cuando el pirrol es tratado con un kid0 fuerte, se forma un polimero llamado rojo pirrol. Sugiera un mecanismo para el primer paso en la polimenzaci6n.

787


16.35. ~Cuhles la posición de sustitución mhs posible del Br, sobre el sistema anular del indol?

Explique su respuesta demostrando el mecanismo.

indol

16.36. Prediga la posici6n de sustituci6narodtica electroMica y nucleofilica de la pirimidina (Tabla

16.1). LEsperaria que la pirimidina fuera m& o menos reactiva que la piridina respecto a sustituci6n electrofílica? ¿Respectoa la sustituci6n nucleofilica?

la

16.37. El imidazol se encuentra en las protehas (Tabla 16.1). El equilibrio entre el imidaml @Kb= 7) y el ion de imidazol (imidazol -H+) ayuda a amortiguar l a s proteinas en los sistemas biol6gicos. Emplee ilustraciones de orbitales p para explicar por qu6 el imidaml y el ion de

imidazolio son aromiiticos. 16.38. Los compuestos de naftaleno sustituidos pueden ser preparados mediante las aciclaciones FriedelCrafts de los bencenos sustituidos con anhidrido succinico. Diga qu6 productos i n t e ~ o ys

finales se obtendríande la secuencia siguiente.(Sugerencia: El HF cataliza la acilaci6n arodtica con un kido carboxilico, y el /Pd calor causa desbidrogenaci6n catalitica(p6rdida de HJ que lleva a la aromatizaci6n de los anillos no arodticos.) tolueno + anhídrido succinic0 16.39.

AICI,

(a)

Zn(Hg)~ HCI

(b)

HF

(c)

Pd

(d)

La sintesis Skraup es el m6todo clsSico para la síntesis de la quinoleina y las quinoleinas sustituidas. En esta secuencia de reacci611, se calienta una mezcla de glicerol y anilina en la presencia de H2S0, concentrado y un suave agente oxidante, tal como el nitrobenceno. Los principales pasos de la secuencia son demostrados. W los mecanismos para los pasos 1 y 2 que llevan a la 1,2-dihidro-quinoIina.

CHO

qH,OH

C'H,OH no aislado

glicerol

anilina

H

nitrobenceno

quiaolbna 85%

16.40. Prediga el producto de la reaación de la anilina y la butenona en la presencia de un catalizador

ácido de Lewis. 16.41. La hidr6lisis kcida de los carbohidratos en los residuos de avena o m& da el compuesto A, ,-C,H,O,, rendimientodecasiel 100%. Lahidrogenacióncatalíticade A .con catalizador C u M r , O , a 175" y 100 atm da el compuesto B, C,&02.El espectro de infrarrojo de B y el espectro de RMN de A y B aparecen en la Figura 16.13. LCufiles son las estructuras de A v

B?


FIGURA 16.13. Espectros para el Problema 16.41

CAPíTULO 17

Reacciones pericíclicas

L

amayoríadelasreacciones orgbicas que hemos explicado, excepto por las reacciones S,2 y E2, se llevan a cabo por etapas o pusos, a travbs de intermediarios tales como carbocationes o radicales libres.Un gran número de las reacciones de los plienos conjugados, llamadas reacciones pericíclicas (de peri, “alrededor”), proceden por mecanismos concertados(paso linico) de la misma forma que las reacciones S,2; esto es, se rompen los enlaces antiguos y se forman nuevos en un solo paso continuo. Las reacciones pericíclicas se caracerizan por un estado de transición cíclico que involucra los enlaces pi. La energía de activaci6n paral a s reacciones pericíclicas se suministra en forma de calor (induccibn t4rmica) o luz ultravioleta (fotoinducci6n). (Los disolventes y reactivos electrofílicoso nucleofílicos tienenpoco o ningún efecto en el curso deuna reacci6n pericíclica.)Las reacciones pericíclicas son estereoespecíficas por lo general, y no es raro que las dos maneras de inducci6n lleven a productosde estereoquímica opuesta. Por ejemplo, una reacci6n pericíclica inducida thnicamente podría dar un producto cis, mientras que la reacci6n fotoinducida del mismo compuesto da el producto trans. Existen tres tipos principales de reacciones pericíclicas:

1.

Reacciones de cicloadici6n, en las que se combinan dos moltkulas para formar un ciclo. En estas reacciones, dos enlaces pi se convierten en dos enlaces sigma. El ejemplo m8s conocido de una reacci6n de cicloadici6n es la reacci6n de DielsAlder, la cual se explic6 enla Secci6n 9.16. En esa secci6n tambikn se explicaron las f6rmulas de “líneas”, tales como las de la ecuaci6n siguiente. Recuerde que (no s-trans)para que ocurra la cicloadicibn. un reactivo debe estar en la S-cis forma

ciclohexeno etileno 1,3-butadieno

790

Capitulo 17

2.

Reacciones periciclicas

Reacciones electrocíclicas, son reacciones reversibles en las que un compuesto se cicla. En la ciclaci6n se emplean dos electrones con dobles enlaces conjugados pi para formar un enlace sigma.

:alar 3. HZ

o hv,

0

Trasposicionessigmatr6picas, sontrasposicionesintramolecularesconcertadas en las cuales un &tomoo grupos de 6tomos se desplazan de una posicidn a otra. H2 HC%l II

H C , p : H

-

calor

I

HC

4c I

HC,‘C ,CD2 H

Durante muchosaños, los químicosno pudieron hallarla teoria de las reacciones pericíclicas.Sinembargo,desde1960,hansidodesarrolladasvariasteoríaspara racionalizar estas reacciones. R.B. Woodward, de la Universidad de Harvard, y R. Hoffmann, de la Universidad de Comell, propusieron explicaciones basadas en la simetría delos orbitales moleculares de los reactivos y productos. Estos investigadores recibieron premios Ndbel en 1965 y 1981, respectivamente, por su trabajo. Un tratamiento similar de las reacciones pericíclicas fue desarrollado porK. Fukui (Premio Ndbel 1981) de la Universidad de Kioto, en el Jap6n. En este texto haremos 6nfasis el m6todo del orbital frontera, en la modificaci6nde Fukui, la cual se conoce como para analizar las reacciones pericíclicas. Antes de explicar los mecanismos de las reacciones pericíclicas, presentaremos algunas características de los orbitales moleculares de los sistemas conjugados. Sugerimos que se revisen primeramente las Secciones 2.1-2.3 para refrescar la comprensi6n de los orbitales moleculares de enlace y antienlace.

Orbitales moleculares de polienos conjugados

+

Un polieno conjugado contiene en su sistema conjugado ya sea 4n o (4n 2) electrones pi, donde n es un número entero. El sistema 4n m k simple se representa por el 1,3IT butadieno, donde n = 1. Cualquier dieno conjugado contiene orbitales moleculares similares a los del 1,3-butadieno; por consiguiente, podemos usar este compuesto como modelo de todos los dienos conjugados. En la formaci6n de los orbitales moleculares IT del 1,3-butadieno, se emplean IT. En este cuatro orbitales p ; o sea, que se obtienen cuatro orbitales moleculares sistema, IT,y m2son los orbitales de enlace, y m3* y IT,* son los orbitales de antienlace. En la Figura 17.1, se muestran estos orbitales en t6rminos de energía creciente. Observe que los orbitales moleculares de mayor energía son los que tienen mayor número de nodos entre los núcleos. En el estado basal, el 1,3-butadieno tiene sus cuatro electrones pi en los dos orbitales de menor energía: IT, y IT,.En este caso, 7r2 es el orbital molecular m& alto ocupado, HOMO**, ya,* es el orbital molecular más bajo no ocupado, LUMO** El HOMO y LUMO se conocen como los orbitales frontera y son los orbitales que se emplean en elm6todo del orbital frontera paraandisis el de las reacciones pericíclicas . **iniciales en inglCs de Highest Occupied Molecular orbital, y LowestUnoccupied Molecular Orbital.

Orbitales moleculares de polienos conjugados Secci6n

(tres nodos; los

17.1.

cuatro orbitales

p esth fuera de fase)

(2 nodos)

(1 nodo)

(ningtín nodo, los cuatro

orbitales p estan en fase)

FIGURA 17.1. Los orbitales rnoleculares n de enlace y antienlace del 1,3-butadieno, CH, = CHCH .=CH,. Los orbitales de enlace son n, y n,, n,* y n,* son los orbitales de antienlace.

Estado basal del 1,3-butadieno:

Cuando el 1,3-butadieno absorbe un fot6n de la longitud de onda apropiada, se promueve un electr6n del HOMO al LUMO (el cual se convierte en el nuevo HOMO).

*

Estado excitado del 1,3-butadieno:

E

71:1

+”

712

?TI

t tl -

e-

se romov vid al LUMO:

w,* pasa a ser el HOMO

791

792

Capitulo I7


(5 nodos)

=:

(4 nodos)

(3 nodos)

(2 nodos)

=2

(1 nodo)

=1

(sin nodos)

FIGURA 17.2. Los orbitales moleculares CH, = CHCH = CHCH = CH,.

=2

?J. -

=1

?J. -

n de enlace y antienlace del

1,3,5-hexatrieno,

Reacciones de cicloadici6n

Secci6n 17.2.

793

+

Excepto el etileno (n =O), el sistema (4n 2) m& simple se representa porun trieno conjugado ( n + I), tal como el 1,3,5-hexatrieno. Dado queun trieno contiene seis orbitalesp, se forman un total de seis orbitales molecularesT . Estos se muestran en la Figura 17.2, junto con el diagrama orbital del estado basal. PROBLEMAS DE ESTUDIO 17.1.

Dibuje el diagrama orbital IT para el estado excitado de menor energia del 1,3,5-hexatrieno.

17.2.

Dibuje el diagrama orbital IT para el estado basal del dieno no conjugado 1,4pentadieno. (¡Sea cuidadoso!)

Reacciones de cicloadicih Una reacci6n de cicloadici6n es una reacci6n en la cual dos molkculas insaturadas sufren una reacci6n de adici6n para dar un producto cíclico. Por ejemplo: dos electrones T

dos electrones T

etileno

ciclobutano

La cicloadici6n de etileno a la de cualquier par simple de alquenos se llama cicloadici6n [2 21, debido a que e s t h involucradosdos elecrronespi + dos electrones pi. La reacci6n de Diels-Alder (Secci6n 9.16), es un ejemplo de una cicloadici6n [4 21. El dieno contiene cuatro electrones pi que se usan en la cicloadicibn, mientras que el dien6filo contiene dos. (Los electrones pi del carbonilo del siguiente ejemplo no participan en la formaci6n de enlaces reaccih, en la y es por esto que no se incluyen en la clasificaci6n numkrica de esta cicloadici6n.)

+

+

el diem

el dien&jilo

(4 electrones T ) (2 electrones T )


Clasifiquelasiguientereacci6ndecicloadici6ndeacuerdoconelnúmerodeelectronespi involucrados.

-

Capítulo 7 7

794


Las reacciones de cicloadici6n son reacciones concertadas, estereoespecíficas. (Secci6n 9.16, dondese explicalaestereoquímicadelareacci6n de Diels-Alder.) Tambibn, cualquier reacci6n particular de cicloadici6n se lleva a cabo por inducci6n tkrmica o por fotoinducci6n, pero no por ambas.

+

A. Cicloadiciones [2 21

+

Las reacciones de cicloadici6n del tipo[2 21 se llevan a cabo f&iImente en presencia deluzde la longitud de onda adecuada, no siendo así cuando se calienta la mezcla de reacci6n. LA raz6n de esto se explica f6cilmente por la teoría del orbital frontera: suponiendo que los electrones “fluyen” del HOMO de una molkula al LUMO de la Otra.

+

Consideremos la cicloadici6n [2 21 de etileno para dar ciclobutano. El etileno tienedosorbitalesmoleculares P: T , y IT**.En el estado basal, P es el orbitalde enlace y el HOMO, mientras que r2* es el orbital de antienlace y el LUMO. Etileno en el estado basal:

PROBLEMA MODELO Dibuje el diagrama orbital y los orbitales p para el estado excitado de energfa mas baja del etileno, e indique el HOMO. Soluci6n:

En una reacci6n de cicloadici6n, el HOMO de una molCcula debe superponerse con el LUMO de la segunda molCcula. (No sepuedensuperponercon el HOMOde la segunda molCcula porque ese ya est6 ocupado con doselectrones.) Simultheamente a la formacih de los orbitales T ,se produce la hibridaci6n de esos orbitales para dar los nuevos enlaces sigma sp3.

Seccibn 17.2.

Reacciones de cicloadicibn

795

Cuando se calienta el etileno, no se promueven sus electrones IT,sino que permanecen en el estado basal, IT^. Si examinkamos las fases del HOMO del estado basal de una molkula de etileno y el LUMO de otra molkula de etileno, podríamos comprender por quCno se lleva a cabo la ciclaci6n por inducci6n t6rmica.

-

no hay reacci6n

fases errdneas para la superposicidn, prohibida por la simetrfa

Para que haya enlace, deben ser iguales las fases de los orbitales que se superponen. Éste no es el caso para el HOMO yel LUMO en el estado basal de dos molkulas 21. Dado que las fases de los orbitales son de etileno o cualquier otro sistema [2 edneas para el enlace, se dice que unacicloadici6n [2 21 que se induce thnicamente es una reacci6n prohibida por la simetrla. Una reacci6n prohibida por la simetría se puede llevar a cabo bajo ciertas circunstancias, pero la energía de activaci6n seria muy elevada, probablemente tan alta que otras reacciones, tales como reacciones por radicales libres, podrían ocurrir primero. Cuando el etileno se irradia con luz ultravioleta, se promueve un electr6n pi del orbital al IT^* en algunas, pero no en todaslas molkulas. El resultado es unamezcla de molkulas del etileno en el estado basal y en el estado excitado. Si examinamos el HOMOdeuna molkula excitada IT^*) y el LUMO deuna molkula en el estado basal(tambiCn IT^*), vemos ahora que lasfases son correctas para el enlace. Tal reacci6n tieneuna energía deactivaci6n relativamentebaja, y se dice que estApermitida por la simetria.

+

+

IT,

fases correctas para la superposicidn, pem‘tiaá por la simerria

estado basal del LUMO,

es&& de transicidn en el cual los orbitales T sufren rehibridaridn a orbitales u

Aunque la cicloadici6n misma del etileno da bajos rendimientos, otras cicloadiciones [2 21 por fotoinducci6n encuentran utilidad en síntesis. Probablemente, el uso m6s amplio de este tipo de reacci6n es en las ciclaciones intramoleculares, en las que se pueden obtener estructuras muy raras tipo “jaula”.

+

Capitulo 17

796


74

80 %


Sugiera rutas sintkticaspara los siguientescompuestos a partirdemateriasprimasdecadena abierta.

B. Cicloadiciones [4 + 21 Como hemos mencionado, la cicloadición [4 + 21 mas conocidaes la reacci6nde DielsAlder. Los ejemplos en la pagina 433 muestran lo versatil de esta reaccibn. Observe que, para que ocurra, la reaccidn de Diels-Alder requiere calor, no luz ultravioleta. Este estado experimentales diferente del que se requiere para una cicloadici6n [2 21. Para ver por quk esto es así, examinaremos las interacciones solamente de los componentes de orbitales p que formardn los nuevos enlaces sigma en una cicloadici6n [4 21. Compararemos las interacciones HOMO-LUMO en relacih al estado basal (para una reacci6n por induccidn tkrmica) y las del estado excitado (para un intento de reaccidn por fotoinducci6n). Basados en observaciones experimentales, espem’amos encontrar que las interacciones HOMO-LUMO de la reacci6n por induccidn t6rmica esta permitida por la simetria.y las de la reacci6n por fotoinducci6n e s t h prohibidas por la simetría. Usaremos el sistema [4 + 21 m& seNcillo: la cicloadicicln de 1,3-butadieno (el dieno) y etileno (el dienbfilo). Las representaciones del orbital frontera se pueden extrapolar, por supuesto, a otras cicloadiciones [4+2]. En la reacci6n inducida t6rmicamente, podeMos imaginamos alos electrones pi “pasando” de1 HOMO (v2)del dieno (Figura 17.1) al LUMO (v*J del dienbfilo. Observe las fases de los orbitales que llevan a la reacci6n inducida tkrmicamente. Esta reacción esta, permitida por la simem’a. ‘

+

+

n

-o calor

o

Reacciones electrocklicas

Secci6n 17.3.

797

Cuando un dieno se excita con luz, su HOMO pasa a ser el orbital w * ~orbiid , molecular que no se puede superponer con LUMO el del dien6filo. La ciclaci6n [4 2; por fotoinducci6n esta, por consiguiente, prohibida por la simetría.

+

-

no hay reacci6n

prohibida por la simetria


+

17.5.

Prediga si una cicloadici6n [4 21 se podría fotoinducir si el dieno, en lugar del dien6fil0, fuese el reactivo excitado. Explique su respuesta.

17.6.

La reacci6ndecicloadici6ndelproblema 17.3: Lesunareacci6ninducidat6rmicamente

o por

fotoinducci6n?

SECC16N 17.3.

Reacciones electrocíclicas Una reacci6n electrociclica es la interconversi6n concertada de un polieno conjugado y ud cicloalqueno. Explicaremos primero la ciclaci6n. La reacci6n inversa, apertura del anillo, procede por el mismo mecanismo, pero a la inversa. Las reacciones electrolíticas se inducen tkrmica o fotoquhicamente. CH=CH, /

HCH2

CH

I

calor o hu

CH-CHL

CH

CH-CH,

CH

II

”

CH \CH,

1,3-butadieno

I

ciclobllteno

II

\

CH=CH,

CH

4\ calor o hu 5

CH

I

CH2

I

CH CH2

‘“H

1,3-ciclohexadieno

Una característica curiosa de las reacciones electrocíclicas es que la estereoquimica del producto resultante depende de si se induce la reacci6nthnicamente o si es 4Z)-hexadieno, el producto es fotoinducida. Por ejemplo, cuando se calienta el (m, el cis-dimetil-ciclobuteno.Sin embargo, cuando el dieno se irradia con luz ultravioleta, se forma el trans-dimetil-ciclobuteno.

798

Capítulo 17


CH3 cis3,Cdimetilciclobuteno

H

A. Ciclaci6n de sistemas 4n

wm-3,4-dimetilciclobuteno

Un polieno conjugado produce un cicloalqueno por la superposición punta-punta de los orbitales p, y la rehibridacibn simultánea de los átomos de carbono involucrados en la formación del enlace. Presentaremos el mecanismo con el 1,3-butadieno, ya que tiene 4n electrones pi y es el más simple de los polienos. Los dos 16bulos de cada uno de los orbitales p que forrnarh el nuevo enlace sigma en la ciclaci6n es& en fase o fuera de fase uno respecto al otro.

Para formar un enlace sigma nuevo, los enlaces sigma existentes C-C deben girar de manera que los orbitales p puedan superponerse punta-a-punta. Para que esto ocurra, se deben romper los enlaces pi existentes. El calor o la luz ultravioleta proporcionan la energía para la ruptura del enlace pi y la rotaci6n de los enlaces. Para formar un enlace sigma, el par de 16bulos que se tienen que superponer de los dos orbitales p deben estar en fase despubs de la rotaci6n.

Hay dos formas diferentes mediante las cuales los enlaces sigma C-C existentes pueden girar para poder situar a los orbitales p en posici6n adecuada para la superposicibn. (1). L o s dos enlaces sigma C--C pueden girar en la misma direccibn (los dos en el sentido de las agujas del reloj o los dos en sentido contrario al de las agujss del reloj). Este tipo de rotaci611se llama movimiento conrotatorio.(2). Los dos enlaces sigma C-C pueden girar en direcciones diferentes, uno en el sentido de las agujas

Reacciones electrocklicas

Secci6n 17.3.

799

del reloj y el otro en sentido contrario. Este tipo de rotaci6n se llama movimiento disrotatorio.

n

&S

en el sentido de

lar agujas del reloj

n

direcciones diferentes

Adviértase que en las dos ecuaciones anteriores, las fases de los orbitales p en los dos dienos de partida son diferentes. Por lo tanto, para que haya superposición, la dirección de rotación depende de las fases de los orbitales p antes de la ciclación. Si los orbitales p están fuera de fase antes de la rotación, un movimiento conrotatorio los coloca en fase después de la rotación. Si los orbitales p están en fase antes de la rotación, se requiere un movimiento disrotatorio. Para determinar qué sistema diénico está presente antes de la reacción, debemos considerar las fases de los orbitales p en los estados basal y excitado del dieno. Cuando secalienta el 1,3-butadieno, la reacci6n se realiza desde el estado basal. Los electrones que se emplean para la formaci6n del enlace sigma e s t h en el HOMO (m2, en este caso).En la Figura 17.1 (pAgina 791), se puede apreciar que los orbitales p pertinentes en este HOMO e s t h fuera de fase, uno con respecto al otro. Para que ser conroruroriu. S610 en esta f o m se forme un enlace sigma nuevo, la rotaci6n debe se permite que los 16bulos en fasese puedan superponer. (El movimiento disrotatorio no superpondría a los lóbulos en fase.)

n permitido por la shewfa

m2

t6rmico

(fwra de fase)

800

Capitulo 17


En la ciclucibn fofoinducidu, las fases de los orbitales p del HOMO ('wj* ,ahora) son las inversas de las de la ciclaci6n tkrmica (Figura 17.1); por lo tanto, la mtaci6n permitida por la simetría es disrotuforiu en lugaxde conrotatoria.

hv disrotatoria

=*3

permitiah por la sitnewfa

fotoinducci6n (en fase)


Dibuje estructuras quemuestren el movimiento conrotatorio del 1,3-butadieno en el estado de excitaci6n (n3*). iEst6n los orbitalesp potencialmente enlazantes, en una orientaci6n permitida o prohibida por la simetría?

R. Estereoquímica de unaelectrociclaci6n 4n Volvamos al (E, 4Z) hexadieno para ver por qu6resulta el cis-dimetil ciclobuteno de la ciclacidn tkrmica y el is6mero fruns de la fotociclaci6n.

n

cis

En el caso de la ciclaci6n tdrmica, se requiere el movimiento conrotatorio para laformaci6ndeenlacessigma.Ambos grupos metilogiranen la misma dmcci6n; como resultado, terminan en el mismo lado del anillo, o cis, del producto. Justamente ocurre lo contrario en las ciclaciones fotoquímicas. En el movimiento disrotatorio, uno de losgrupos metilo gira hacia arriba y el otro hacia abajo.El resultado es que los dos grupos metilo esth en trans en el producto.

Reacciones electroclclicas

Secci6n 7 7.3.

801

P R O B L E M S MODELO La reacci6n electrocíclica fotoqufmica del ( X ,40-hexadieno, iproducird cis- 6 trans- 3,4dimetil- ciclobuteno? Soluci6n: El 2,4-hexadieno es un polieno 4n; por lo tanto, la reacci6n electrocfclica fotoquimica tendr6 lugar mediante movimiento disrotatorio.

(2E,4E)-hexadieno

cis-3,4-dimetil-ciclobuteno

iCu6l es la estructura y la estereoquimica esperada del producto de apertura del anillo cuando se calienta el frms-3,4-dimetilciclobuteno? Soluci6n:

C. Ciclacibn de sistemas (4n + 2)

+

En la Figura 17.2, se muestran los orbitales T del 1,3,5-hexahieno, un polieno (4n 2). En el HOMO del estado basal (r3), los orbitalesp, que forman el enlace sigma durante la ciclacih, esth en fase. Por lo tanto, la ciclacih &mica procede por movimiento disrotatorio.

1 Cuando se promueve un electr6n del 1,3,5-hexatrieno por absorcih de fotones,

IT^* pasa a, ser el HOMO y los orbitales p involucrados se encuentran fuera de fase.

Por consiguiente, la ciclaci6n fotoinducida procede por movimiento conrotatorio. Las reacciones permitidas por la simetría en este sistema (4n + 2) son las opuestas a las del 1,3-butadieno, un sistema 4n.

Capitulo 17

802


“0

bu

wnmtatorio

En la Tabla 17.1 se muestra un resumen de los tipos de movimientos esperados de los diferentes tipos de polienos bajo la influencia del calor y de la luz ultravioleta. ~

~~

~~

TABLA 17.1. Tipos de reacciones electrocíclicas

Ntímero de electrones pi

-

4n 4n (4n + 2) (4n

+ 2)

Reacci6n

Movimiento

t6rmica fotoquimica térmica fotoquimica

conrotatorio disrotatorio disrotatorio conrotatorio


CcH3a

Predigalaestereoquímica de los productos.

(4

I

hr

,

CH 3

-

CH., CHs

0 CH,CH,

(b)

calor

CH,CH,CH=CHCH=CHCH=CHCH,CH.~

CHlCH3

Las reacciones electrocíclicas inducidas témicamente del (2E, 4X,62, 8E)-decatetraeno, proporcionan ejemplos elegantes de reacciones electrocíclicas. El tetraeno de partida forma un ciclooctatrieno a una temperaturacerca de la ambiente. El tetraeno es un polieno 4n;por consiguiente, el modo esperado de ciclación es por movimiento conrotatorio. En verdad, el trans-dimetil-ciclooctatrienoes el productode esta ciclación inicial. Cuando este ciclooctatrieno se calienta a temperaturas un poco m& elevadas, se lleva a cabo otra ciclación electrocíclica. Sin embargo, el ciclooctatrieno es un polien0 (4n+ 2) y , por consiguiente, esta reacción electrocíclicainducida térmicamente procede por movimiento disrotatorio con formaci6n de la uni6n cis entre los anillos.

grupos

metilo !runs

uni6n de

anillos cis

Trasposiciones sigmatr6picas

Secci6n 17.4.

803

SECCI6N 17.4.

Trasposiciones sigmatr6picas Una trasposici6n sigmatr6pica es un desplazamientointramolecularconcertadode un Btomo o grupo defitornos. Dos ejemplos tipicos detrasposicionessigmatr6picas son: Trasposicidn de Cope:

PCH3 -

[i,r 1-CH3

k2+,

estodo de transici6n

1.5-heptadieno

ZCH3

3-rnetil-l.5-hexadieno

Trasposici6n de Claisen:

6ter di1 fenííico


.. CH,CH=CH2 o-alil-fenoi

A. Clasificacióndelastransposicionessigmatrópicas Las reacciones sigmatr6picas se clasifican por un sistema de numeraci6n doble que se refierealasposicionesrelativas delosBtomosinvolucradosen la migraci6n. EstemCtodode clasificaci6n es diferente a los de las cicloadiciones o reacciones electrocíclicas, las cuales se clasifican deacuerdo al númerodeelectrones IT involucrados en la transici6n cíclica. El mCtodo que se emplea para clasificar las reacciones sigmatr6picas se explica mejor con ejemplos. Consideremos la trasposici6n siguiente: numeraci6n del I

[ I . 31

c---”3 CH,“CH=CR’,

___*

I

CH,=CH“CR’,

(-J“-D

numeraci6n de la cadena alquenílica

El grupo que migra, al igual que la cadena alquenílica, se numeran empezando enla posición de unión originalde éstos. (Observeque estos númerosnotienen relacibn con los números de la nomenclatura.) En el ejemplo anterior, el homo 1 del grupo que migra queda sobre el Btomo 3 de la cadena alquenílica. Por consiguiente, esta trasposici6n sigmatr6pica se clasificm’a como trasposicidn sigmatr6pica [ 1,3]. De manera similar, la siguiente reacci6n se clasificaxía como un desplazamiento sigmatr6pico [1,7]. (En este ejemplo, nohayBtomo 2 en el grupo que migra.)

Capitulo 17

804


c~71

CH,CH=CHCH=CHCH=CD,

o

o

H

CH,=CHCH=CHCH=CHCD, I

No siempre es el primer &tomo del grupo que migra el que se une a la cadena alquenílica en la trasposici6n. Consideraremos el siguiente ejemplo. En este caso, el &tomo 3 del grupo que migra se une al &tomo3 de la cadena alquenílica. Éste es un ejemplo de una traspsici6n sigmatr6pica [3,3].

J

C.

el &om 3 d e l grupo quemigra se une al & o m 3 de la cadena alquenílica

~, uyv ~ u e

miera

la cadena alquenílica


Clasifiquea l s siguientestrasposiciones segíin lattScnica anterior. (a) la trasposici6n de Claisen (b) CH3CH,CH=CHCH=CDCH3 CH,CH=CHCH=CHCHDCH,

-

B. Mecanismo de trasposicionessigmatr6picas Las trasposiciones sigmatr6picas [ 1,3] son relativamente raras, mientras que las [ 1 3 1

son bastante comunes. Podemos utilizar el mktododel orbital frontera para analizar estastrasposicionessigmatr6picas y comprobarporquk esto es así.Consideremos primero el siguiente desplazamiento sigmatrópico inducido tkrmicamente, que es un desplazamiento [1,3]: H

I

CH,CH=CD,

difícil

H

I

CH,=CHCD,

Con el prop6sito de analizar la simetría orbital, se supone que el enlace sigma del grupo que migra (el enlace CHennuestro ejemplo), se rompe homolíticamente para dar dos radicales libres. Esta no es la forma en que ocurrela reacción (la reacción es concertada), pero esta suposicidn permite el andisis de los orbitales moleculares. H

I

CH,CH=CD,

NPW homoHtica hipo~tica +

H.

.CH2CH=CD, radical alilo

Los productos de la ruptura hipotktica son un titomo de hidrógeno y un radical alilo, el cual contiene tres electrones pi, y por esto, tres orbitales moleculares IT. En la Figura 17.3, se muestran los orbitales moleculares IT del radical alilo.

Trasposiciones sigmatr6picas

Seccibn 17.4.

805

FIGURA 17.3. Los tres orbitales rnoleculares R de un radical alilo. (Observe que R, contiene un nodo en el carbono 2.)

La migraci6n real de H. se puede llevar a cabo en una de dos direcciones. El grupo que migra podria permanecer en el mismo lado del sistema orbital T . Tal tipo de migraci6n se designa como un proceso suprafacial. Comopuede verse, en este sistema la migraci6n suprafacial es factible geom6tricamente pero esa prohibida por la simetría.

f"r-1

Migracih suprafacial:

orbital 1s del H

\

~

HOMO

r-: 8

/

prohibido por la sime& (fases d n e a s para la superposici6n)


Consideremos la segunda direcci6n de migraci6n. Para que se lleve a cabo un desplazamiento sigmatr6pico [1,3], permitido por la simetría, el grupo que migra (H., en nuestro ejemplo), se debe desplazar por un proceso antafafacial, esto es, debe migrar a la cura opuesta del sistema orbital. Migracih antarafacial

est&

de hansicidn

Aunque esd permitida por lasimetria,nosefavorecegeom&icamenteuna trasposici6n de H sigmatr6pica antarafacial [1,3]. Nuestra conclusi6n es que los desplazamientos sigmatr6picos [1,3] no deben ocurrir faicilmente. Esta conclusi6n esd de acuerdo con los datos experimentales; las trasposiciones sigmatr6picas [1,3] son raras.

806

Capitulo 17


En contraste,losdesplazamientossigmatr6picos continuaci6n se muestra un ejemplo sencillo: H

I

CH,CH=CHCH=CD,

[ I , SI

[1,5]sonmuycomunes.

A

H

I

CH,=CHCH=CHCD,

Si suponemos de nuevo una ruptura homolítica del enlace, debemos considerar los orbitales moleculares T del radical pentadienilo, el cual contiene cinco electrones pi. Estos orbitales se representan en la Figura 17.4 H

H

I

hipotetica

CH,CH=CHCH=CH, CH,CH=CHCH=CH,

ruptura homolítica

radical pentadienilo

Considerando el HOMO deesteradical y la simetriaorbital,podemosverque desplazamiento [1,5]se permite por la simetría y es suprafacial.

el

el desplazamiento suprafacial [I ,5] se permite por la simetría

PROBLEMA DE ESTUDIO 17.1 O. LCuiles de las siguientes trasposiciones sigmatr6picas conocidas proceden ripidamente y cuiles lentamente ? Explique sus respuestas.

(a)

QD

OH D

SECCI~N17.5.

Reacciones pericíclicas que conducena la vitamina D Las reacciones pericíclicas no son s610 curiosidades de laboratorio, sino que tambien se observan en los procesos naturales. Como ejemplo, consideremos brevemente algunasde las transformaciones que se llevan a cabo en los compuestos del grupo de la vitamina D. La vitaminaD es esencial para el crecimiento adecuado de los huesos. Su carencia

Reacciones periciclicas que conducen a la vitamina D

n3

Secci6n 17.5.

807

fHOMO

=2

FIGURA 17.4. Los cinco orbitales molecutares

n del radical pentadienilo.

da como resultado el crecimiento defectuoso de los huesos, un padecimiento que se conoce comoraquitismo. Los humanos pueden obtener vitaminaD por diferentes vías. Unade ellas es por la acci6n de la luz solar sobre cierto esteroide, el 7-deshi-olesterol, que se encuentra en la piel. (Los esteroides se discuten en la Secci6n 20.7.) Este esteroide sufre una ruptura de anillo paraundar trieno en una reacci6n electrocíclica fotoinducida. El trieno, previtaminaD,experimenta posteriormenteun desplazamiento sigmatr6pico [ 1,7] inducido tkrmicamente para dar la vitamina D,. (El subíndice 3 se emplea para diferenciar esta vitamina D de otros compuestos estructuralmente semejantes que tienen actividad de vitamina D.)

Capltulo 17

808

Reacciones periclclicas

7-deshidrocolesterol

provitamina D

en la piel

A vitamina D,

Otra fuentedevitamina D esel ergobterol irradiado, elcualcomunmentese adiciona a la leche. La conversión del ergosterol a vitamina D, se lleva a cabo por la misma serie de pasos de reacción involucrados en la conversión del 7-deshidrocolesterol.

__f

H

H ergosterol

vitamina D,

en levaduras, aceite de soya y cornezuelo del centeno (unhongo)

(calciferol)

PROBLEMA DE ESTUDIO 17.1l. La provitamina D puede sufrir reacciones de cierre de ciclo tanto por inducción térmica como por fotoinducción. ¿Cuál serála estereoquímica t n las posiciones 9 y 10 en los productos resultantes? (Consulta Capítulo 20 para comprobar el sistema de numeración del anillo esteroidal.)

009

Resumen

"-

"

Resumen Las reacciones pericíclicas sonreaccionesconcertadas,que se llevana c;oo por inducci6n t6rmica o por fotoinduccidn a travts de estados de transici6n cícliL.os. Tres tipos de reacciones pericíclicas son: Cicloadici6n:

Electrociclaci6n:

TrasposicMn sigmatr6pica:

En el m6todo del orbital frontera para el andisis de las reacciones de cicloadici6n se supone que los electrones fluyen del HOMO de una m o l h l a al LUMO de la otra. Si las fases de estos orbitales son las mismas, la reacci6n esta permitida por sirnetria. Si las fases son opuestas y muestran carhcter antienlazante, la reacci6n est6 prohibida por simetria. Las cicloadiciones [2 + 21 permitidas por la simetría se fotoinducen, mientras que las cicloadiciones [4 21 se inducen t6rmicamente.

+

Enlasreacciones electrocíclicas,la formaci6nde un enlacesigmanuevose realiza por la superposici6n, punta a punta, de los orbitales p componentes delHOMO. Para poder hacer esto, deben realizar un movimiento conrotatorio o disrotatorio, el cual, a su vez, determina la estereoquímica. En la Tabla 17.1 seda un resumende los tipos de movimientos que se pueden esperar. Las trasposiciones sigmatrbpicasse llevan a cabo suprafacial o antarafacialmente, dependiendo de las fases de los orbitales que interaccionan en el HOMO de un sistema de radicales libres hipot6tico. La geometría deldeestado transici6n determina si la trasposici6n se lleva a cabo fhcilmente o no. En la Secci6n 17.4A,se explica la clasificaci6n de las trasposiciones sigmatr6picas.

81O

Capitulo I7


PROBLEMAS DE ESTUDIO 17.1 2. Identifique cadauna de las siguientes reacciones periciclicas como (1) una cicloadicih; (2) una

reacci6n electrocíclica; (3) una trasposici6n sigmatr6pica.

CO,CH,

I I

(b) CH,=CHCCH,CH=CH,

calor

”--+

CH,=CHCH,CH,CH=C

CO2CH3

\

CO,CH,

17.1 3. (a) Dibujelas distribuciones de orbitales p en los orbitales molecularesn de los siguientes iones.

(2) Dibuje diagramas que muestren los orbitales ocupados en orbitales HOMO. (Figura 17.2)

el estado basal e indique los

(a) CH,=CHcHCH, (b) CH2=CHCHCH3 (c) CH,CH=CHCH=CHCHCH, 17.14. Clasifique cada unade las siguientes cicloadiciones como(2 + 21, [4 + 21, ec.:

(a) 2CH,=C=CH2

- DCH2 CH,


17.15. LCuhlesde los siguientes tipos de cicloadicionespredeciría queprocederan calentamiento? (a)

C6

+ 21

(b) C6

+ 41

(c) [S

+ 21

(dl [S

1 81

facilmente por

+ 41

17.16. El 1,2-difenil-l-ciclobutenosedimerizapor reacci6nfotoquímica. ¿Cua eslaestructuradel dímero? (Incluya la estereoquímica en su respuesta.) 17.1 7. Sugiera rutas de síntesis para los siguientes compuestos a partir de materias primas monocilicas o acíclicas:

17.18. (1) Diga si cada uno de los siguientes dienos o trienos sufrirfa un movimiento conrotatorio o disrotatorio en una reacci6n de ciclaci6n. (2)¿QuC producto se observm’a? (Incluya la estereoquímica donde sea adecuada.)

17.1 9. Prediga el producto electrociclico y su estereoqulmica:

CH,CH,

17.20. Los doscompuestossiguientes dan reacciones electrociclicas por fotoinducci6n. ¿Cuales son las estructuras y estereoquímica de los productos?

17.21. ~ C 6 m ollevarla a cabo a ls siguientes conversiones?

H

A

Capitulo 17

812


17.22. Clasifique cada unadelassiguientes

trasposiciones sigmatr6picas como [1,3], [3,3], etc.:

mCH=CHCH=CHz

CHCH=CHCH,D

IC I

17.23. Predigaelproductooproductosdelatrasposici~nsigmatr6picadel7,7-dideutero-l,3,5-~icloheptatrieno. 17.24. Explique las siguientes observaciones:

17.25. iQu6 emplearia para llevar a cabo las siguientes reacciones, induccidn tkrmica o fotoinducci6n?

dan una 17.26 Cuandose calienta una mezcla dequinona y ciclopentadieno,losdoscompuestos reaccióndeadici6n.Cuando el productodeesta reacción seexponea la luz, seisomeriza. LCu6les son las estructuras del productos de adición y desu is6mero?


81 3

17.27. Sugiera un mecanismo para cada una & las siguientes reacciones: CH,O,C (a)

(b)

CO,CH,

& -(

___+ CdOr

C H 3 O Z 4 J 3

CO,CH,

H

6, 0

014CHzCH=CH,

calor

CH,=CH14CH2

CH,

6 i H CH,

17.28. Sugiera rutas de síntesis para los siguientes compuestos a partir de materias primas aciclicas monocfclicas:

(a)

&

(b'

6 H

H

CO,CH,

17.29. Complete las siguientes ecuaciones mostrando la estereoquímica de los productos:

(c)

0

+ CH,=CH,

-

calor

"

(d)

k+

truns-C,H,O,CCH=CHCO,C,H,

---

0

CAPITULO 18

Carbohidratos

L

os carbohidratos son sustancias naturales compuestas de carbono, hidrógeno y oxígeno. Muchos de ellos tienen por fórmula empírica CH,O; la glucosa, por ejemplo, tiene la fórmula molecular C,H,,O, (CH,O multiplicado por seis), El nombre de carbohidratos procede de la antigua suposición de que estos compuestos eran hidratos del elemento carbono. Enla década de 1880 se reconoció que dicho concepto era erróneo y que los carbohidratos son realmente polihidroxialdehídos y polihidroxicetonas o bien, derivados de ellos. LOScarbohidratos varían de manera notableen sus propiedades: por ejemplo, tanto la SOCU~OSU(azúcar de mesa) como el algodbn son carbohidratos. Una de las principales diferencias entre los distintos tipos de carbohidratos es el tamaiío de las moléculas. Los monosacáridos (llamados a menudo azúcares simples) son los ejemplos más sencillos de carbohidratos, no se pueden hidrolizar para dar moléculas m6s pequeñas de carbohidratos. La Figura 18. l muestra la fórmula tridimensional y proyecciones de Fischer para cinco de los monosachridos más importantes. (Puede resultarle útil releer las proyecciones de Fischer en la Sección 4.6C.) En las proyecciones de Fischer para los carbohidratos, los átomos de hidrógeno unidos a los átomos de carbono quiral no se muestran siempre, tal como puede advertiren la Figura. 18. I Los monosacáridos pueden unirse entre sí para dar dimeros, trímeros etc. y , finalmente, polímeros. Los dímeros se denominan disaciiridos.La sacarosa es un disacárido que puede hidrolizarse para dar una unidad de glucosa y otra de fructosa. Tanto los monosacáridos como los disacáridos son, por lo general, solubles en agua y de sabor dulce. L sacarosa

H 2 0 ,

ti

___ ”-+ calor

1 glucosa

+

1 fructosa

un disacárido

Los carbohidratos compuestos de dos y hasta ocho unidades de monosacáridos suelen denominarse oligosacáridos (del griego d i g o , “pocos”). Cuando la hidrólisis

2-desoxi-D-ribosa

18. I .

Algunos monosacdridos comunes Secci6n

OCHO

01 H-C-OH 01 HO-C"H @I

CH,OH

CH,OH

c=o

c=o

I

I

o

I I I I

H O E ; HO--

HO-C-H

H-C-OH

0 1 H-C-OH I

@ CH,OH

815

CHIOH

O

"-OH --OH

CH,OH

CH20H

D-glucosa

D-fructosa

CHO

I

HO-C-HI

H-C-OH o HO

HO-C-H

I 13-C-OH I

HOJ,^~ CH,OH

CH,OH

D-galactosa

CHO H-C-OH

I

H-"-OH

I

F e CHO

CHO

I

o

H-C-OH

I CH2 I

H-C-OH

I

OH

I

CH,OH CHzOH D-ribosa

l

o

H-C-OH

I

CHzOH

CH,OH

FIGURA 18.1. Algunos monosacaridos importantes.

da lugar a mhs de ocho unidades de monosacáridos, el carbohidrato se designa con el nombre de polisachrido. Ejemplos de polisacáridos son el almidón, que se encuentra en la harina y en la maicena; y la celulosa, constituyentefibroso de lasplantas y principal componente del algodón. almiddn o celulosa

H,O, H'

calor

muchas unidades de glucosa

polisacdridos

En este capítulo estudiaremos en pnmer lugarlos monosacáridos y los convenios utilizados por los químicos en el campo de los carbohidratos. A continuación discutiremos los disacáridos y finalmente, algunos polisacáridos.

Capitulo 18

816

Carbohidratos

SECCI6N 18.1

Algunos monosacaridos comunes La glucosa, el m6s importante de los monosachidos, se llama en ocasiones azúcar sanguineo (porque se encuentra en la sangre), azúcar de uvas (porque se encuentra en las uvas) o dextrosa (por ser dextrorrotatoria). Los mamíferos son capaces de convertir la sacarosa, la lactosa (azúcar de la leche), la maltosa y el almid6n en glucosa que luego consume el organismo para la obtenci6n de energía, o bien se almacena en forma de gluc6getw (un polisachido). Cuando el organismo necesita energía, el gluc6geno se convierte de nuevo en glucosa. El exceso de carbohidratos se puede transformar en grasas, de ahí que algunas personas puedan adquirir obesidad, volverse obesas, incluso con una dieta libre de grasas. L o s carbohidratos se pueden convertir tambiCn en esteroides (como el colesterol, por ejemplo) y, de unamanera limitada, en proteínas (para ello se necesita además una fuente de nitr6geno). A la inversa, un organismo puede convertir las proteínas y las grasas en carbohidratos.

&ras=

O

C02

+ H 2 0 + energía

~IUCCWI

z===?

I1

CH,C - I (proteinas)

grupos acetilo de la acetilcoenzima A

colesterol y otros esteroides

La fructosa, llamada tambiCn levulosa por ser levorrotatoria, es el compuesto de sabor más dulce entre todos los azúcares. Se encuentra en las frutas y en la miel, así como en la sacarosa. La galactosa se encuentra unida ala glucosa, en el disachido lactosa. La ribosa y la desoxirribosa forman parte de la estructura polimerica de los 6cidos nuclCicos;el prefijo desoxi- indica un oxíge5o menos. Las estructuras de ambos azúcares son iddnticas (Tabla 18.l), excepto que ladesoxirribosa carece del 6tomo de oxígeno en el carbono 2. SECC16N 18.2.

Clasificacidn de los monosach-idos El sufijo-osa se utiliza en lanomenclatura sistemáticade los carbohidratospara designar un azúcar reductor, que es un azúcar que contiene un grupo aldehído o un grupo (Yhidroxicetona. Losazúcaresreductores se estudiarh en la Secci6n 18.6. Muchos oligosacáridos y polisacáridos no reductores poseen nombres triviales que acaban en -osa: tal es el caso de la sacarosa y de la celulosa. En este capítulo haremos uso tanto de lanomenclatura trivial como de la sistemática de los carbohidratos, pero con mayor énfasis en los nombres de uso común. L o s monosacáridos que contienen grupos aldehído se designan con el nombre de aldosas (de aldehido más -osa): la glucosa, la galactosa, la ribosa y la desoxirribosa

.

Configuraciones de

los rnonosacdridos Seccibn

18.3.

817

son ejemplos dealdosas.Monosacfiridos,como la fructosa,con grupos cetonase denominan cetosas (de cerona mis -osa). El número deitomos de carbono (usualmente entre tresy siete)del monosacfirido se designa mediante los prefijos m-, tetr-, etc. Por ejemplo, una triosa es un monosac6rido de tres carbonosy una hexosa, uno deseis carbonos.La glucosa esun ejemplo de hexosa. Combinando ambos términos podemos decir que la glucosa es una aldohexosa (aldosa de seis carbonos) y que la ribosa es una aldopentosa (aldosa de cinco carbonos). A las cetosas se les asigna frecuentemente la terminaci6n -ulosa. La fructosa es, pues, un ejemplo de hexulosa (cetosa de seis carbonos).


Clasifiquecada uno de los siguientesmonosac6ridos según elsistemaanterior: CH20H

#--: I

c=o

CHO

(b)

(a)

CH,OH

CH20H

eritrosa

ribulosa

(c) galactosa (Figura 18.1)

SECC16N 18.3.

Configuraciones de los monosadridos Comosepuedecomprobardelos cinco monosac6ridosen laFigura 18.1, losmonosac6ridossonmuysimilaresentre sí enestructura.Algunosmonosacfiridosson estructuralmente diferentes; por ejemplo, la glucosa es un aldehído y la fructosa es una cetona. Otros monosac6ridos mis comunes son diasteretimeros (estereoidmeros no enanti6meros) uno de otro; por ejemplo, la glucosa y la galactosa son epimeros, estere6meros que difieren s610 en la configuraci6n de uno de sus htomos de carbono quirales .

A. El sistema D y L A fines del siglo XIX, se determin6 que todos los monosac6ridos naturales conocidos tenían en su último carbono quiral la misma configuración que el ( + )-gliceraldehído. Hoyen día, a esa configuración se le llama (R),pero los químicos de aquella kpoca no podían determinar la configuración exacta alrededor del htomo de carbono quiral. En lugar de ello, los químicos propusieron el sistema D y L para designar las configuraciones relativas. (No confunda D y L con d y I, que a veces seusan para identificar la rotación del plano de polarización de la luz polarizada; véase la Seccidn 4.7A.) En el sistema D y L, se le asignó arbitrariamente al ( + )-gliceraldehído la configuración con su OH en el carbono 2 a la derecha en la proyecci6n de Fischer (una suposición que luego demostró ser correcta). Un monosacáiido es un miembro de la serie D si el grupo oxhidrilo del carbono quiral más lejano del carbono 1 está también

Capitulo I8

818

Carbohidratos

a

la derecha en la proyeccidn de Fischer. (Casi todos los carbohidratos naturales son miembros de la serie D.) AdemBs, cada monosac6rido recibió su propio nombre. Por ejemplo, las dos aldopentosas diastere6meras que aparecen acontinuaci6n se nombran D-lixosa y D-ribosa. CHO

CHO

$E:

CH,OH

OH CH,OH

+

Dliosa

D( )-gliceraldehído

CH,OH D-ribosa

Si el OH en el último carbono quiral es proyectado hacia la izquierda, entonces el compuesto es miembro de la serie L. Los dos ejemplos siguientes son los enanti6meros de la D-lixosa y la D-ribosa. CHO

CHO

-t

CH,OH L-ribosa

HO"

CH,OH

L-lixosa


Asigne a cada Atorno de carbono quiral una designacidn (R)o (S) y diga si cada compuesto es D 6 L:

CH 3 COzH (a)

+OH

H

(b) HO!:,

COZ

I

c=o (c) H O I

CH,

OH CH,OH

B. Correlacih delasconfiguraciones. Hemos mencionadoque en tiempos pasados, los químicos no eran capaces de determinar las configuraciones absolutas de los carbonos quirales. En lugar de ello, lo que se determinaba eran las configuraciones relativas a la del ( )-gliceraldehído. Ahora bien, ¿ d m 0 se efectúa esta correlación con el gliceraldehído? Veamos a continuación un ejemplo de determinación de una configuración relativa. Cuando se oxida el grupo aldehído del D-gliceraldehído para dar un 6cido carboxílico, el producto, Acido glic6rico, posee necesariamente la misma configuraci6n alrededor del carbono quiral que el Dgliceraldehído, por lo cual dicho Acido glickrico, aun siendo levorrotatorio, sigue perteneciendo a la serie D.

+

H,OH

OH

CHO

H-C-OH

lOl

no hay cambio en la configuraci6n

H-C-OH

CH,OH E-(+)-gliceraldehfdo Acid0

D( - )-glic6rico

L a s configuraciones de los kidos tarthicos relacionadas conlos D-gliceraldehídos fueron establecidas en 1917 por la secuencia que se muestra en la Figura 18.2, la cual produjo dos de los tres idmeros del ácido teca.

O

I1 I

CH H-C-OH

I

CH,OH

(1)

HCN, luego se separan los diastereómeros

nuevo carbono quiral

H-C-OH

I

H-C-OH

I

CH,OH

IH.

HO-C-H

I

II

CH,OH

IH

+

CO, H

I

H-C-OH

I

H-C-OH

I

HO-C-H H-C-OH

&ido COZH rneso-tartsrico FIGURA 18.2. Determinaci6n de las configuraciones relativas de los dcidos tartdricos.

820

Capitulo 18

Carbohidraros

En el primer paso de la secuencia, el D-gliceraldehídoes tratado con HCN para producir una mezcla de cianohidrinas. En este paso se presenta un nuevo sitio de quiralidad, y se forman ambos diastereómeros. Los diastereómeros son separados; entonces, en el segundo paso, se hidroliza cada cianohidrina diastereómera. En el tercer paso, se oxida el grupo CH,OH terminal, obtenikndose aos Acidos tartiiricos. El carbono 3 de cada uno de estos Acidos tarkkicos tiene la misma configuraci6n que el carbono 2 del D-gliceraldehído, puesto que la secuencia de reacciones no afecta la configuracidn de dicho carbono. Sin embargo, son diferentes las configuraciones del carbono 2 de los Acidos tarthicos. Uno de los Acidos tarthicos que se obtiene en esta síntesis no desvía la luz polarizada. Éste es el isómero meso, el que cuenta con un plano interno de simetría. El otro Acido W c o que se obtiene en la síntesis desvía la luz polarizada hacia la izquierda:,debe tener la segunda estructura así:

Lido meso-ta&iw

k i d 0 D-(- ) - e c o


Partiendo delL-( - )-gliceraldehído, ¿quekido(s) W c o se produciria en la secuencia anterior?

C. Configuracionesdelas aldohexosas La glucosa tiene seis Atomos de carbono, cuatro de los cuales (los carbonos 2,3,4 y 5) son quirales. Dado que los carbonos terminales de la glucosa poseen una funcionalidad distinta, no puede haber un plano interno de simetría, por esta raz6n, el compuesto tiene 24 = 16 estereoisómeros. La mitad de ellos pertenece a la sene D y se encuentran en la naturaleza. De ellos, sólo la D-glucosa, la D-galactosa y la Dmanosa ocurren en abundancia.

O

I1

CH

I

z3 I I

CHOH

cuatro carbones quirales: 16 estereoisdmeros

I

CHOH

I

En la Figura 18.2 se muestran las proyeccionesde Fischer de todas las D-aldosas, desde el D-gliceraldehído hasta las D-aldohexosas. Partiendo de la niosa D-gliceraldehído, se añade un carbono en la parte superior de la proyección de Fischer, dando las tetrosas; la adici6n de un átomo de carbono crea un nuevo carbono quiral en cada

Configuraciones de los monosacdridos Seccibn

e 1

1

CHzOH

CH,OH

I--"? CH,OH OH

Dribosa

$

H OHZ

1

.OfH CH,OH OH

1

I++$

CHZOH

CH,OH

D-arabiaosa

H o g : f

;

Dxilcsa

OH

CH,OH

f;;:fH

HofH

HO

HO OH

CHZOH CHZOH

CH,OH

OH

D-liXOSa

OH

OH CHzOH

821

D-treosa

Deritrosa

fz

18.3.

CH20H

CH,OH

fl!f OH CHzOH

FIGURA 18.3. Las D-aldosas.

tetrosas, y cada tetrosa da lugar a un par de pentosas y cada pentosa, a un par de hexosas.

~

-~

PROBLEMAS DE ESTUDIO 18.4. LCuhtos &tomosde carbono quirales tiene cada

UM

de las siguientes aldosas?

18.5.

Existen ocho D-aldohexosas,comotarnbibn ocho L-aldohexosas. Escribalas proyeccionesde Fischcr para: (a) g glucosa y (b) L-manosa.

18.6.

~ C u es a el nombre dela aldohexosa que,con respecto a la *glucosa, tiene invertida Qnicamente la configuraci6n OH del carbono 5?

822

Capitulo 18

Carbohidratos

SECClbN 18.4.

Ciclación de los monosacáridos La glucosa tiene un grupo aldehído en el carbono 1 y grupos oxhidrilo en los carbonos 4 y 5 (aparte de los de los carbonos 2 , 3 y 6). Una reacción general de los aldehídos y alcoholes es la formación de hemiacetales (Sección 11.8).

un

hemiacetal

En solución acuosa, la glucosa reacciona intramolecularmente para dar hemiucetufes cíclicos, pudiendo formarse tanto hemiacetales con anillo de cinco miembros (usando el oxhidrilo del carbono 4), como con anillo de seis miembros (usando el oxhidrilo del carbono 5). se forma un nuevo carbono quiral en la cickcíoi

carbono 4 HO

CHlOH

CH,OH

D-glucosa

c

7

:"" CHO

HO

CH,OH

proyecciones hemiacetales Fischer losde de con anillo de cinco miembros

I+

q::

curbono 5

CH20H

CH,OH D-glucosa

I

CH,OH

proyecciones Fischer dede los hemiacetales con anillo de seis miembros

En las proyecciones de Fischer de los hemiacetales cíclicos, observe que el carbono 1 (el carbono aldehídico) que no es quiral en la estructura abierta, se convierte en quiral en la estructura cíclica. Por este motivo, la ciclación da lugar a un par de diastereómeros. Debidoa que todas las estructuras hemiacetálicas están en equilibrio con el aldehido en solución acuosa, están en equilibrio también entre sí. hemiacetal cíclico de 5 miembros (dos diasteredmeros)

e

glucosa (cadena abierta)

e hemiacetal cíclico de 6 miembros (dos diasterebmeros)

Ciclaci6n de los monosacdridos Secci6n

18.7.

18.4..

823

PROBLEMA DE ESTUDIO Escriba las ecuacionesde la ciclaci6nde la 2-desoxb”bosa. Utiliceproyecciones de Fischer y muestre. la formaci6n de los hemiacetales cklicos de cinco y seis miembros.

A.

Anillos de furanosas y piranosas

La forma hemiaceaica con anillo de cinco miembrosde un monosachido se llama furanosa; el prefijofurun-procede del nombre del heterociclo decinco miembros con oxígeno:furuno. De modo similar, laforma hemiacetaica hexagonal se llama piranosa, aludiendo al heterociclo de seis miembros: piruno. Estos &minos pueden combinarse con el nombre delmonosachido;por ejemplo, el hemiacetal con anillo de seis miembros de D-glucosa se llama D-glucopiranosa, y el hemiacetal con anillo de cinco miembros de la D-fructosa: D-fructofuranos.

De ambos sistemas cíclicos para la glucosa, se favorece el hemiacetal cíclico de seismiembros o glucopiranosa;haremos tnfasis eneste tamaño deanilloenesta explicaci6n. La raz6n por la cual la glucosa forma preferentemente un anillo de seis miembrosen soluci6n, sedebeenparte a que los hgulos de enlace y la alternancia de los grupos sustituyentes es mits favorable en la conformaci6n de silla de este anillo. Si bien elanillo depiranosade un monosachidoeselquepredominaensoluci6n acuosa, puede llegar a ser el anillo de furanosa el que se incorpore por vía enzimittica en productos naturales. La ribosa, por ejemplo, se encuentra en los itcidos nucleicos como furanosa, y no como piranosa.

B. Anómeros Cuando se forma una piranosa, el grupo oxhidrilo del carbono 5 de la glucosa ataca 1, dando un hemiacetal.Lasdosconsecuenciasmits alAtornoaldehídico,carbono importantes de esta reacci6n de ciclaci6n son que se forma un nuevo carbono quiral en el cabono 1 y que se obtiene un par de diastere6meros. A este par de diastere6meros monosachridos, que s610 se diferencian en la configuraci6n del carbono1, se les llama an6meros; el ittomo de carbono carbonííico de cualquier monosachido se designa con el nombre de carbono anom6rico y es este el ittomo de carbono que se convierte en quiral durante el proceso de ciclaci6n. En la proyecci6n de Fischer de uno de los dos an6meros de la D-glucopiranosa, el grupo oxhidrilo del carbono 1 se sitúa a la izquierda: se llama a este an6mero pD-glucopiranosa o bien,p-D-glUCOSa. El an6meroen el cual dicho grupo oxhidrilo se proyecta hacia la derecha se denomina a-D-glucopiranosa o a-D-glucosa. (En la sene L, el an6mero p es el que tiene el OH del carbono 1 a la derecha; por lo tanto, la p-L-glucopiranosa es el enanti6mero de la p-D-glucopiranosa.)

HOT::

1

CH,OH p-wglucopiranosa

CHO

I

aH O Z ; ;

CH,OH forma&glucosa abierta deda

,

,

HOf:;

1

CH,OH a-wglucopiranosa

824

Capitulo 18

Carbohidratos


Escriba las proyecionesdeFischer uno deelloscomo a o p.

de los dos an6merosde la Dribo!üranosa y cataloguecada

C. Fhnulas de Haworth y conformacionales En soluci6n acuosa, s610 alrededor del0.02% de las mol6culas de glucosa existen en la forma abierta aldehídica; el resto esth en forma de hemiacetales cíclicos. Si bien las proyecciones de Fischer constituyenun medio adecuado para representar las configuraciones de los carbonos quirales en la forma abierta de los carbohidratos, no lo son tanto para representar la forma de las estructuras cíclicas. Para representarlas de un modo mejor, se desarrollaron las llamadasf6rmulas en prspectiva de Haworth. En una fórmula de Haworth, se pone claramente de manifiestoque los grupos oxhidrilo (u otros grupos), situados en carbonos quirales, se encuentran en el anillo en una relaci6n cis-trans entre sí. Por otra parte, la fórmula de Haworth suprime los enlaces curvados artificiales hacia el &om0 de oxígeno del anillo, necesarios en las proyecciones de Fischer de un monosachido cíclico.

HO OH

CH,OH Fischer

Haworth a-mglucopiranosa

Por convencibn, una f6rmula de Haworth se dibuja con el oxígeno del anillo y el carbono anom6rico a la derecha. grupo El terminal CH,OH se sitúa hacia arriba del plano del anillo en la serie D y hacia abajo del plano del anillo en la serie L. Al igual que en las proyecciones de Fischer, por lo general no se muestran los iitomos de hidr6geno.

<> ‘e

/CH,OH hacia amba = D

hacia &jo=L

-litom0

de hidr6geno

En la f6rmula de Haworth de un azúcar, el anómero a es aquella estructura abajo (transcon respecto al terminal en la cual el oxhidrilo anomkrico se proyecta hacia CH,OH). El an6mero p es aquella estructura en la cual dicho oxhidrilo anom6rico se proyecta hacia arriba. hacia arriba = p

1 hacia abajo = a

Ciclacibn/de los monosadridos

Secci6n 18.4.

825

Observe que cada grupo que está hacia la derecha en la proyección de Fischer, está hacia abajo en la fórmula de Haworth. De igual modo, cualquier grupo situado a la izquierda en la proyección de Fischer, está hacia arriba en la fórmula de Haworth. Las fórmulas planas de Haworthnosontampoco un sistema completamente correcto de representar un anillo de piranosa, si bien son bastante adecuadas para el caso de los anillos más planos de furanosa. Al igual que el ciclohexano, un anillo de piranosa existe fundamentalmente en la conformación de silla, tal como se muestra en los diagramas siguientes. En este capítulo utilizaremos tanto f6rmulas de Haworth como fórmulas conformacionales. CH,OH

a-D-glucopiranosa

Si un OH está hacia abajo en una f6rmula deHaworth, tambiCn está hacia abajo (por debajo del plano del anillo) en la f6rmula conformacional. En igual forma, si un OH está hacia arriba en laf6rmula de Haworth, tambidn está hacia arriba en lafórmula conformacional. Como en cualquier anillo sustituido de 6 miembros, el anillo asume la conformaci6n en la cual la mayoría de los grupos se encuentran ecuatoriales.


Dibuje una f6rmula conformacional para la Ct-D-glUCOphOSa en la cual el grupo CH,OH ocupe una posici6n axial.

PROBLEMAS MODELO Aunque la fructosa puede formar un hemiacetal cíclico de 6 miembros, en la sacarosa se la encuentra en la forma de furanosa. Trace las proyecciones de Fischer y las f6rmulas de Haworth para las (Y y (3-D-fructofuranosas. (Sugerencia:El grupo CH,OH en el carbono cet6nico del azslcar se dispone en las f6rmulas exactamente igual que el H d e l carbono aldehidico.)

$3

Solucibn:

Fischer:

-

CH,OH] : $ XHCOH

HO

OH

OH

OH

OH CH,OH

mfructosa

CH,OH

CH,OH

OH

Capitulo 18

&26

Carbohidratos

hacia arriba= p

Haworth:

HOCH,

HOCH,

D-fructosa OH

OH hacia abajo= a

Dibuje la f6rmula de Haworth y la proyecci6n de Fischer para la 2-desoxi-fl-~-ribofuranosa. Solucibn:

CH,

OH

O I

1

oH

PROBLEMADEESTUDIO 18.10. Dibujelasproyecciones

de Fischer y las f6rmulasdeHaworth an6meros de la wgalactopiranosa.

y conformacionalesparalos

D. Mutarrotación La glucosa pura existe en dos formas cristalinas: a-D-glucosa y P-D-glUC0Sa. La (Y-Dglucosa pura tiene un punto de fusión de 146°C. La rotación específica de una solución recientemente preparada es de + 112". La P-D-glucosa pura tiene un punto de fusión de 150°C y una rotación específica de 18.7". La rotación específica de una soluci6n acuosa tanto de a como de P-D-glucosa varia lentamente con el tiempo, hasta alcanzar un valor de equilibrio de 52.6". Este cambio lento y espontheo de la rotación óptica, observado por primera vez en 1846, se denomina mutarrotaci6n. La mutarrotación se produce porque tanto la a- como la P-D-glucosa en solución se equilibran lentamente con la forma abierta y, por lo tanto, con el otro anómero. Independientemente de que anómero se haya disuelto inicialmente, el resultado final es una mezcla en equilibrio del 64% de P-D-glucosa, 36% de a-D-glucosa y 0.02% de la forma aldehídica abierta de la D-glucosa. La rotación específica final es la de la mezcla en equilibrio.

+

+

CH,OH

"cL=o CH20H

3 HoQH

,3

HO QOH

OH p-D-glucosa a-D-glucosa 36%

OH

OH D-glucosa 0.02%

64%

Ciclaci6n de los monosacdridos Seccidn

18.4.

027

Como puede observarse, la mezcla de anómeros en equilibrio de la D-glucosa contiene un porcentaje más elevado de la forma p que de la forma a. La razón de esto es que el anómero p es el más estable de los dos. Esto es lo que cabe esperar, según nuestra explicación, del análisis conformacionaldel Capítulo4. el grupo oxhidrilo anomérico es ecuatorial en el anómero p pero axial en el anómero (Y. H

O

W

H

>

H

a-wglucosa

O

WOH’/ se favorece ecuatorial y

p-D-glucosa

Otros monosaciuidos exhiben tambi6n mutarrotación. En solución acuosa, las demás aldosas (que poseen un grupo 5-oxhidrilo) se encuentran también fundamentalmente en las formas de piranosa. Sin embargo, pueden variar los porcentajes de las distintas formas implicadas en el equilibrio. Por ejemplo, la mezcla en equilibrio de laD-ribosaen aguacontiene 56% de p-piranosa, 20% de a-piranosa, 18% de pfuranosa y 6% de a-furanosa juntamente con trazas de la forma aldehídica abierta.

56%

+-OH

Aunque el anómero p de los anillos de piranosa es generalmente el anómero más estable, éste no es siempre el caso. Por ejemplo, la a-D-manosa es más estable que su anómero p y predomina en una mezcla en equilibrio. Esta aparente anomalía, llamada efecto anomérico, se origina en las interaccionesentre los sustituyentespolares del anillo. Debido a la facilidad de interconvezsión en agua del grupo OH hemiacetklico entre (Y y p, no es posible a menudoespecificarla configuración delcarbono anom6rico. Por este motivo, a veces representamos medianteuna línea ondulada el enlace del OH hemiacetálico, significando que con ello puede tratarse del anómero a, del p o de una mezcla. 7

0

Capitulo 18

828

Carbohidratos

SECCldN 18.5.

Glicósidos Cuando un hemiacetal se trata con un alcohol, se forma un acetal (Seccibn 11.8). Los acetales de los monosacáridos se llaman glicbidos y sus nombres llevanla terminación -6sido. OH

OR’

I

RCHOR

I + R‘OH e RCHOR + H20 H‘

un acetal

un hemracetal

0

CH,OH

CH,OH

’+

HO

Q

O OCH,

c H , m

U’

+ HZ0

HO

OH fM”1ucopiranosa

OH

P-o-glucopiranósido de metilo un glic6sido

Es fhcil reconocer el carbono glic6sido (carbono 1 en una aldosa) porque tiene dos grupos “OR unidos a 61.

un acetal

un glic6sido

Aunque un hemiacetal de un monosacárido está en equilibrio con la forma abierta y con su anómero en soluci6n acuosa, un acetal es estable en soluci6n alcalina o neutra. Por lo tanto, un glicbido no estA en equilibrio con ia forma aldehídica o con el otro an6mero en soluci6n acuosa. Sin embargo, los glic6sidos se pueden hidrolizar a las formas hemiacetAlicas(y aldehídicas)por tratamiento con k i d 0 acuoso, en una reacci6n que.es simplemente la inversa de la formaci6n del glic6sido. CH,OH

CH,OH

0

HO

OH

+

CH3

p-D-glucopiranósido de metilo

HZ0

H+

QoH

+ cH,oH

HO OH D-glucopiranosa

Los disachidos y los polisacáridos son glic6sidos;explicaremosestos compuestos m& adelante en el Capítulo. Otro tipo de glic6sidos son tambi6n comunes en plantas y animales. La amigdalina y el laetrilo (Seccibn 11.9) son glic6sidos que se encuentran en el núcleo de las semillas de los duraznos o damascos y las almendras amargas. La vainillina (usada como aromatizante de vainilla) es otro caso de estructura que se encuentra en la naturaleza en forma de glic6sid0, en este caso como P-~-gluc6sidos. En estos tipos de glicbsido, la parte que no es azúcar se llama aglicon. En el siguiente ejemplo, la vainillina es el aglicon.

Oxidaci6n de

los monosacdridos SeccMn

vainillia

18.6.

829

4-D-glucósido de vainillina

(glucovainillina)

SECC16N 18.6.

Oxidaci6n de los monosachidos Un grupo aldehído se oxida con gran facilidad a grupo carboxilo (Secci6n 1l . 15). Los azúcaressusceptiblesdeseroxidadosporagentesoxidantessuaves,talescomoel reactivo de Tollens (soluci6n alcalina del complejo Ag(NH&+), se denominan azúcares reductores (el agente oxidante inorgánico se reduce durante la reaccih). I as fonnas hemiaceaicas ciclicas de todas las aldosasse oxidan con gran facilidad porque esth en equilibrio con la forma aldehídica de cadena abierta. form. CH,OH

& CH,OH

0

0

~ G

-+

H

Ag(NH3)2' OH

HO

HO OH wglucopiranosa

,

HO

~

OH

OH

+ Agl espejo de plata

un azúcar reductor

Aunque la fructosa es una cetona, tambien es un azúcar reductor

CH ,OH wfructosa

CH,OH

un azucar reductor

El motivo de quela fructosa pueda oxidarsecon tanta facilidad esque, en solución alcalina, est6 en equilibrio tautomérico con una aldosa, através del endiol intermediario ( m la Secci6n 11.17A se explicó una isomerización enzimhtica similar). CH,OH I C=O

-I una cetosa

e(

1

CHOH F H

un endiol intermediario

CHO CHOH I

-I una aldosa

830

Capitulo 18

Carbohidratos

Los glicósidos tienen el grupo carbonilo bloqueado y son, por lo tanto, azúcares no reductores.

.un glicósido

A. Ácidos ald6nicos

El producto de oxidación del grupo aldehído de una aldosa es un ácido polihidroxicarboxílico conocido como hcido aldónnico. Aunque el reactivo de Tollens es capaz de efectuar esta conversión, un método sintético más conveniente y menos costoso consiste en la utilización de una solución acuosa amortiguada con bromo. COlH

to.

Br, t H > O HO+ I pH 5-6

CHzOH OH

CH20H

D-glucosa

Lido D-gluc6nico un ácido aldbnico

En solución alcalina, los ácidos aldónicos existen como iones carboxilatos de cadena abierta; al acidificarse, se forman con gran rapidez lactonas (tsteres cíclicos), tal como ocurre con cualquier y ó 6-hidroxiácido (Sección 13.6). La mayoría de los ácidos aldónicos poseen oxhidrilos en las posiciones y y 6; y pueden formar anillos de cinco o seis miembros. Los anillos de cinco miembros (y lactonas) se favorecen.

('=O f-"-"~

$-OH I

C'H20ti proyecidn de Fischer de la lactona

.I

Oxidaci6n de los rnonosacdridos

Seccidn 18.6.

~~

~~

831

~

PROBLEMA DE ESTUDIO 18.11. Prediga el producto, si 10 hay, de la oxidaci6nconbromodecadaunode

los siguiente-

compuestos:

OH OH

OH O H

B. Ácidos aldAricos Los agentes oxidantes más enkrgicos, tales como el ácido nítrico, pueden oxidar el grupo aldehído y el oxhidrilo terminal (alcohol primario) de un monosacárido, dando un ácido polihidroxicarboxílico denominado ácido aldárico.

OH

\\oxidado

HNO,

OH

/’

OH CH,OH D glucosa

CO, H

/’

/’ f”’

Lido D-glUCáriC0 un &ido al&rico

Los ácidos aldáricos desempeñaron una importante función cuando se elucidó la estructura de los azúcares (Sección 18.9). PROBLEMA DE ESTUDIO 18.12. ¿Cuál de las aldohexosas forma ácidos meso-aldáricos al oxidarse con ácido nítrico?

Capitulo 18

832

Carbohidratos

C. Ácidos urónicos

I

Aunque tal transformación no es fácil de realizar en el laboratorio, el grupo CH,OH terminal se puede oxidar por vía enzimática en sistemas biológicos, sin alteración paralela del grupo aldehído. El producto que se obtiene se llama licido ur6nico.

oxidado

~ H O H

7 CH~OH H OO O H O

H

enzimas ‘O’

H OO

H

HOfII

o

oH

OH D-glucosa

O

kido o-glucurónico

un dcido urbnico

CO,H proyecci6n de Fischer

El ácido D-glucurónicotienegranimportancia en organismos animales, pues muchas sustancias tóxicas se excretan por la orina en forma de glucurónidos, que son derivados de dicho ácido. Por otra parte, el ácido D-glucurónico se puede convertir, tanto en plantas como en animales, en ácido L-gulónico, precursor que se emplea para la biosíntesis del ácido L-ascórbicr, (vitaminaC). (Esta última conversión no tiene lugar en los primates o cobayos, los cuales requieren una fuente externa de vitamina C.) El hecho de que un compuesto de la serie D se convierta bioqnímicamente en uno de la serie L no se debe a un cambio en la configuración del carbono correspondiente, sino al intercambio de los extremos de la cadena con el consiguientecambio de numeración, tal como muestra el diagrama siguiente. reduccidn en el carbono I

HO / O H nuevo carbono1

COzH

CO,H

p

H

c=o

L-ascórbico ácido L-gulónico D-glucurónico ácido ácido (vitamina C)

S E C C I ~ N18.7.

Reducción de los monosacáridos Tanto las aldosas como las cetosas se pueden reducir por acción de los agentesreductores de grupos carbonilo, tales como hidrógeno en presencia de catalizadores o hidruros metálicos, originando polialcoholes denominados alditoles. Estos se nombran según el correspondiente monosacárido, con el sufijo -itol. El producto de reducción de la D-glUCOSa se llama D-glucitol o sorbitol.

Reacciones de. los grupos oxhidrilo

O

I1

CH20H

CH

I

Secci6n 18.8.

833

reducido

I

OH catalizador Ni

OH OH CH,OH &glucosa

CH,OH D-glucitol (sorbitol)

El D-glucitol naturalse ha aislado de muchas frutas (cerezas, ciruelas,manzanas, peras, bayas de fresno) y de algas y plantas marinas. El glucitol sint6tico se utiliza cam0 edulcorante artificial. SECC16N 18.8.

Reacciones de los grupos oxhidrilo Losgrupos oxhidrilo de los carbohidratos se comportan de modo andogo a los de otros alcoholes. Se pueden esterificar con dcidos carboxílicoso dcidos inorganicos y tambiCnsepueden transformaren grupos tter. Los carbohidratostambi6npueden comportarse como diolesy formar acetalesy cetales cíclicos con aldehidosy cetonas. Estas reacciones fueron mencionadas en los capitulos7 y 11.

A. Formación de acetatos Un reactivo usual para la esterificaci6n de alcoholes es el anhídrido acCtico, con acetato de sodio o piridina como catalizadorbhico. Si la acilaci6n se lleva a cabo por debajo de W C, es más rápida que la interconversi6n de an6meros Q-0:en estas condiciones, tanto laa- como la P-D-glucosadan separadamentelos correspondientes pentacetatos. A temperaturas superiores se forma una mezcla de ambos, a- y p-pentacetatos, con predominio de este último. 02CCH3

B. Formaci6ndeéteres El tratamiento de una aldosa, como la D-glucosa, con alcohol medico, da lugar a un glicósido de metilo.

D-glucopiran6sido c-glucopiranosa

de rnetilo

Capitulo 18

834

Carbohidratos

Los otros grupos OH del carbohidrato se pueden convertir en por reacci6n con sulfato de dimetilo y NaOH.

P-D-glucopiranósidode metilo

grupos metoxilo

tetra-O-metil-B-o-glucopiranósido metilo de

+

+

En la síntesis normaldeWilliamsonde&res (RO- + RX ROR X-, Secci6n 7.14B), debeprepararse el alc6xido medianteunabase mAs fuertequeel NaOH. Sin embargo, el NaOH es una base suficientemente fuerte como para dar iones alc6xidos en el caso de loscarbohidratos (el efecto inductivode los demhsAtomos electronegativos del oxígeno en carbonos vecinos hace que cada grupo oxhidrilo sea algo m k Acidoque el de un alcohol ordinario). Como el enlace acetdico .es estable en medio alcalino, la configuraci6n del carbono anom6rico del glicósido no se altera en esta reacci6n de metilaci6n. PROBLEMADEESTUDIO 18.13.

Dk la estructura de los productos resultantes del tratamiento del 2-desoxi-a-D-ribofuran6sido de metilo con

(a) anhídrido acético y

(b) disolución alcalina de sulfato dedimetilo.

C. Formaci6n de acetales y cetalesciclicos Debidoaque los carbohidratos tienen numerosos grupos OH, enalgunas ocasiones es conveniente proteger algunos de ellos para poder realizar reacciones selectivas en los otros grupos OH. Dos grupos protectores comunes son los acetales y cetales (Secci6n 1l. 8). Por ejemplo, un aldehído, tal como el benzaldehído, reacciona con los grupos 1,3-dioles de las molkulas de azúcares. Otros aldehídos y cetonas pueden reaccionar preferentemente con otros grupos dioles (en algunos casos, el producto es un anillo de furanosa en lugar de uno de piranosa). Los diferentes productos se originan debido a pequeños (y generalmente impredecibles) efectos estkricos y electr6nicos. ,, ,-, -

acetal cíclico

\ \

LCHZ

,o\

En la transfomacidn comercial de la L-sorbosa a vitamina C, se utiliza acetona para bloquear cuatro grupos oxhidrilo, de manera que un Único grupo CH,OH pueda ser oxidado. Esta conversi6n se resume en la Figura 18.4.

Determinacidn deestructura la

de la glucosa

Secci6n 18.9.

835

CH20H

I

HO CH,OH L-sorbosa (sintetizada de la D-glucosa)

kid0 ~-ascbrbico (vitamina C)

CH,OH

CH,OH

FIGURA 18.4. La conversidn de la L-sorbosa en dcido ~-asc6rbico(vitamina C).

SECC16N 18.9.

Determinación de la estructura de la glucosa En 1888, se sabía que la glucosa era una aldohexosa pero la cuesti6n era: ¿de cuhl de los 16 estereoisómeros posibles se trataba? En 1891, el químico alemh Emil Fischer publicó la estructura de la forma aldehídica abierta de la glucosa, trabajo por el cual recibi6 el premio N6bel en 1902. La determinaci6n de la cmfiguraci6n de un compuesto con 4 carbonos quirales puede parecer unatarea monumental, pero Fischer la llev6 a cabo mediante una secuencia bastante amplia de reacciones. A partir de los datos obtenidos por 61, era posible deducir únicamente la conjguracibn relativa de la glucosa, no la absoluta, que tuvo que esperar otros 50 años, con la aplicaci6n de la difracci6n de rayos X, para ser conocida. Por ello, Fischer hizo la suposici6n de que el OH del carbono 2 del D-(+)-gliceraldehído y, por lo tanto, el OH del carbono 5 de la D-( +)-glucosa, se proyecta haciala derecha en las proyeccionesde Fischer. Posteriormentese comprob6 que esta suposición era correcta (Secci6n 4.8). Con ello, se redujo la posible configuración de la glucosa a las ocho D-aldohexosas que aparecen en la Figura 18.3. CHO

I

configuraciones relativas desconocidas

/ YHOH CHOH \I

i"::

se supone que estd a la derecha

2

CH,OH m( +)-glucosa

836

Capítulo 18

Carbohidratos

Hecho I Se sabía que la aldopentosa (- )-arabinosa se podía convertir en las aldohexosas ( )-glucosa y ( )-manosa. Heinrich Kiliani descubrid el paso de alargamiento de cadena en 1886 y Fischer complet6 la síntesispor reducci6n de la lactona resultante a las aldohexosas en 1890. La secuencia completa de reacciones se conoce con el nombrede síntesis de Kiliani-Fischer.

+

+

CHO

I

CHOH

I

T:

-

HCN

1

CH,OH

CHOH

i""".

CHOH

Y

CHOH

H 0 H+

+OH CH,OH

CH,OH

D(-)-arabmosa

I

dos cianhidrinas

CH,OH

CH,OH

CH,OH

dos lacronns

CH,OH

D-(+)-glucosa y D-( + )-manosa

Dado que la (- )-arabinosa da lugar a la (+)-glucosa y a la (+ )-manosa, estos tres azúcares poseen la misma conjguracicín en los últinws tres carbonos quirales(los carbonos 3,4, y 5 de la glucosay la manosa). La ( +)-glucosa y la ( )-manosa deben

+

diferir linicamenfe en laconfiguraci6ndelcarbono 2. Todas estasconclusionesse encuentran reflejadas en la Figura 18.5, con las estructuras conocidas en la actualidad.

Hecho 2 Fischer encontr6 que la oxidacidn en ambos grupos terminales de la

( - )-arabinosa origina un diticido 6pticamente activo, no un compuesto rneso.

CHO

I \

CHO I

CH20H

CH,OH

i(- )-arabhOsa

D-(+ )-glucosa

I

CH20H

+

D( )-manma

FIGURA 18.5. La glucosa y la ~-(+)-manosatienen la misma configuraci6n en los tres úIt¡rnos carbonos quirales.

Determinaci6n de laestructurade

la glucosaSecci6n

18.9.

837

CO, H

CHO

I CHOH I

I

CHOH HNO, ___)

CHZOH

*m

(- ) - ~ b i n o ~ a

I

F CO,H

m es meso

Debido a esto, Fischer lleg6 a la conclusi6n de que el carbono 2 de la ( -)arabinosa debe proyectarse hacia la izquierda, pues de estar a la derecha se obtendrfa un compuesto meso. CO, H

izquiada

Hot

CO,H

este diacid0 seria

~

Tc);

8 indcpendicntemnte 0

+OH/

H:H+

CO2H

CO,H esta no

6nica posibilidad

A partir de los datos presentadoshasta ahora, es posible esciibir estructuras casi completas para la( - )-arabinosa, la( )-glucosa y la ( + )-manosa, tal como se ve en la Figura 18.6 con las estructuras conocidas.

+

HO

To

CHOH

CHO

CHO

:$

HO*H

7:

CHOH

+H

-/"OH CH,OH

CH20H

CH,OH

D-(- ) - ~ b i n o s a

+ )-manosa

otra la D-(

1

tambih izquierdo izquierda

CHO

OH OH D(- ) - w ~ ~ I I o s ~

OH no es meso

OH D-( + )-glucosa

+

D( )-manom

FIGURA 18.6. Debido a que la o-(-)-arabinosa produce un acid0 alddrico bpticamente activo, OH en el carbono 2 debe proyectarse hacia la izquierda.

el

838

Capitulo 18

Carbohidratos

Hecho 3 Fischer observ6 que tanto la ( +)-glucosa como la (+ )-manosa se oxidan para dar diácidos ópticamente activos, lo cual significa que el grupo oxhidrilo en C4 de ambos monosacáridos se proyecta hacia la derecha. (Si estuvieran a la izquierda, uno de los dos azúcares originaria un diácido meso.) La Figura 18.7 muestra todas estas reacciones sobre las estructuras conocidas. COZ H

CHO

I

I

CHOH

CHOH

c-

OH

I

OH

I

CH,OH

no es meso, independienremenre de In conjguracidn en C2

OH

COzH

Si e/ OH de/ carbono 4 estuviera a la izquierda:

CHO

CO,H

I

C0,H

CHzOH meso

Ahora es posible escribir una estructura completa para la ( - )-arabinosa faltando sólo distinguir la( )-glucosa de la ( )-manosa

+

+

HO$l) CHO

HOfH

OH

OH

CHO

OH

OH CH20H D-( -)-arabuosa I

. CH20H

CH,OH

1 una es la D-(+ )-glucosa y la otra la D-(+ )-manosa

+

Hecho 4 El azúcar ( )-gulosa (otra aldohexosa) y la ( +)-glucosa dan origen por oxidaci6n al mismo didcido. De los dos posibles diticidosobtenibles por oxidaci6n de las dos estructuras propuestas para la( )-glucosa y la ( )-manosa, sblo uno puede provenir de dos azúcares diferentes.

+

+

Deterrninacidn de la estructura de la glucosa

CHO

Seccidn 18.9.

839

COIH

Hof;

-

HofH

[O1

Ho H of;;

[O1

__+

OH OH CO,H

CH,OH D-(+ )-glucosa

no es meso

a la derecha

+H

OH CH,OH

C0,H

+

D( )-manosa

no es meso

HofH OH

en los tres

CH,OH D-(- )-arabinosa

OH I CH20H

OH

CHlOH

+

D-(+ )-manosa

D-( )-glucosa

FIGURA 18.7. Dado que la D-(+)-glucosa y la D-(+)-manosa originan dcidos alddricos bpticamente activos, el grupo 4-oxhidrilo debe estar a la derecha.

CHO

CO, H

CHO

"$::

HNO,

HOf H OH

HNO,,

'fH

OH

"$

CO,H

~

OH CH,OH

OH OH

C02H

CH,OH

CO,H

I

I1

puede proceder de dos aldohexosas

puede proceder de sdlo una aldohexosa

Fijtmonos primero en el di6cido 11 y consideremos quC dos aldohexosas pueden potencialmente originado:

840

Capitulo 18

Carbohidratos

Estas dos aldohexosas son las mismas si giramos cualquiera de ambas proyecciones 180" en el plano del papel, se obtiene, en cada caso, la otra estructura. S610 esta aldohexosa puede dar origen al diticidq 11, por lo cual debe tratarse de la ( +)manosa. Consideremosahora el diticido1; este puede surgir de dos aldohexosas potenciales, que no son la misma: D-glucosa y L-gulosa. (En la Figura 18.3 aparece la estructura de la D-gulosa.) CHO

H

D(+)-glucosa CHzoH

\/

O

E

CHO L-(+)-guiosa

haciendo girar UM 180" no se obtiene la otra

Si estos dos azúcares dieran lugar al mismo diticido (I), la estructurade la izquierda correspondería a la( +)-glucosa y la de la derecha a la( + )-gulosa. Por otra parte, la aldohexosa queda lugar al dikido 11es la ( )-manosa. La Figura 18.8 muestra todas estas reacciones con las estructuras conocidas.

+

A. Deteminacih del tamaño del anillo Las estructuras ciclicas de la glucosa se postularon en 1895, pero no fue hasta 1926 y glic6sidoscíclicosdeseis que se demostr6quelaglucosaformahemiacetales miembros. Las reacciones que se utilizaron para determinar el tamaño del anillo RO son complejas. Un glicósido de metilo reacciona con sulfato de dimetilounpara producto dar completamente metilado; en solución ácida, dicho glicósido de metilo metilado se puede hidrolizar y abrir el ciclo, procesoen el cual los grupos metoxilo de tipoCkr no se ven afectados. El acetal 'hidrolizado tieneahora un solo grupo oxhidrilo, y es la posici6n para conocer el tamaño del ciclo de este oxhidrilo toda la informaci6n que se precisa acetAlico original. se f o m un OH

aperiura del ciclo

; i CH,OCH,

0 OCH,

CH,O

OCH,

J

CHIOCH,

H 2 0 , H' e '

k-gk y I / \;)CH,

CH,O

C-C

I

I/ t

CHO

OCH,

La posici6n delgrupo OH se determin6 por oxidacidn bajo condiciones enkrgicas, en las cuales no s6l0 se p r d w e oxidaci6n del "CHO a - € O H y del grupo OH

18.9.

Determinaci6ndelaestructuradelaglucosaSecci6n

CH,OH a

841

::$ CO, H

CHO izquierda@kl-$

[ol

H O t

o

HO

HO

OH

__*

OH

to. to, OH

CH,OH

CHO

Corresponden al mismo compuesto, que &be ser la P( )-manosa.

+OH CO, H kid0 D-~nadrico

+

-I

co,H

a la derecha

OH

Ho

[O1

OH OH CH,OH

CHO

+

P( )-glucosa

I

OH OH

CO,H

kid0 D-glucbico

L-( +)@osa

No corresponden al mismo compuesto mismo dicicido.

ver0 dan por oxidaci6n el

OH

I

FIGURA 18.8. Dado que el dcido alddrico de la D-(+)-glucosa puede tambien formarse a partir de la L-( +)-gulosa, aquella, tiene el OH en C , hacia la derecha. Dado que el dcido alddrico de D-(+)-mano% puede provenir dnicamente de este azúcar, el OH en C, de este monosacdrido se encuentra a la izquierda.

aislado al grupo cetona, sino que ademiis se rompe oxidativamente la moltcula junto al grupo cetona (en cualquier lado) para producir dos iicidos dicarboxílicos. (En la Secci6n 11.17 se explica este tipo de ruptura.) '\

o H

RCH\C--~

I

I

RCHCH--I

I

OCH,

<\\

OCH,

OH HNO

ruptura

O

II

O

I1

RCOH -I- HOC--\

Capitulo 18

Carbohidratos

O1

H-C-OCH

A partir de la glucosa completamente metilada, se observaron como productos principales de la degradación mencionada, los dos metoxi-dididos indicados en la ecuación precedente (juntamente con ácido metoxiacético y CO,). Las estructuras de estos dos diácidos se determinaron por comparación de sus propiedades físicas con las de metoxi-diácidos de estructura conocida. Dado que se trata de metoxi-derivados de diácidos de cuatro y cinco carbonos, se concluye que el grupo oxhidrilo se encontraba en el carbono 5 del glicósido hidrolizado, y que el glicósido original tenía un anillo de seis miembros.

carbonos cuatro cinco carbonos

PROBLEMA DE ESTUDIO 18.14. iQuCproductos se observm'andela ranbsido?

metilacibn, hidrólisis y oxidación deun metil D-glUCOfU-

18.15. Hoy en dia. el tamaño delanillode glicósido es determinado por la oxidacibn del HIO, del glicbsido (Sección 7.13D). Pronostique los productosde la oxidacibn HIO, delmetil D-glUcopiran6sido y el metil D-glucofwanósido.

Disacdridos

Seccidn 18.1O.

843

SECC16N 18.1O.

Disacáridos Un disaduido es un carbohidratocompuesto Dor dos unidadesde monosacfiridos unidos por un enlace glicosídico del carbono 1 de una unidad a un OH de la otra unidad. Una forma de unión comúnes un enlace 01 ó p desde la primera unidad hasta elgrupo OH en 4 de la segunda. Este enlace es llamado enlace 1,4'-a ó 1,4'-p, dependiendo de la estereoquímica en el carbono glicósido. 2

un enlace 1.4' (Haworth)

un enlace 1,4'-p (conformational)

o I$

p

Consideremos ahora con más atención las estructuras anteriores. La unidad 1 (la de la izquierda en cada estructura) exhibe un enlace p-glicosídico con la unidad 2; en solución acuosa, este enlace es fijo y no está en equilibrio con el otro anómero. Ahora bien, la unidad 2 (la de la derecha) contiene un grupo de hemiacetal que, en solución acuosa, esta en equilibrio con la forma aldehídica y con el otro anómero. no fijo

o

A. Maltosa El disacfuido maltosa se utiliza en alimentos infantiles y en la leche malteada; es el disacfuido principalque se obtiene por hidrólisisdel almidón. Éste se rompe en unidades de maltosa, de un modo aparentemente aleatorio, por acción de una enzima que se encuentra en la saliva, la llamada a-Z,4-glucan4-glucanohidrolasa. La enzima a-Z,4glucan maltohidrolasa, que se encuentra en la cebada germinada (malta), convierte de modo específico al almidón en unidades de maltosa. La malta se usa, en el proceso de fabricación de la cerveza, para la conversión del almidón del maíz y otras fuentes, en maltosa. Una enzima que se encuentra en la levadura (a-glucosidasa) cataliza la hidrólisis de la maltosa a D-glucosa, sobre la cual actúan luego otras enzimas de la levadura para dar finalmente etanol. Una molécula de maltosa origen da a dos moléculas

Capitulo 18

a44

Carbohidratos

de D-glucosa, tanto si la hidrdisis tiene lugar en un tubo de ensayo, en un organismo o en un tanque de fermentaci6n. almid6n

H2O

H+ o enzimas

maltosa

"20

P D-glucosa

H+ o enzimas

enzmas

CH,CH,OH etanol

Una moléculade maltosa contiene dos unidades de wglucopiranosa. La primera unidad (a la izquierda), tiene forma de a-glicbsido. Esta unidad esta unida al oxígeno en el carbono 4' en la segunda unidad mediante un enlace 1,4'01. CH,OH

FH,OH

OG

H

O

H

OH

FH,OH

CHlOH

maltosa

OH

HO f6rmula conformacional para la maltosa 4-O-(a-~-glucopiranosil)-~-glucop~osa

El carbono anomérico de la segunda unidad de glucopiranosa en la maltosa es parte de un grupo hemiacetálico. Como resultado de ello, existen dos formas de la maltosa, la a y la @-maltosa,que en solución están en equilibrio mutuo. La maltosa es un azúcar reductor, experimenta mutarrotación y se puede oxidar con agua de bromo a un ácido carboxílico: ácido maltobiónico. PROBLEMAS DE ESTUDIO

-

18.16. De l a s estructuras de los productos: (a) a-maltosa H,O,H+ (b) f3-maltosa. Br, H, 0 /

B. Celobiosa Se denomina celobiosa al disacárido que se obtiene por hidrólisis parcial de la celulosa. Al igual que la maltosa, la celobiosa est6 compuesta pordos unidades de glucopiranosa conectadas por nn enlace 1,4' pero a diferencia de aquélla el enlace glicosídico es (3 y no (Y.

Disacdridos

Secci6n 18.1O.

CH,OH

OH

2 0

celobiosa

OH

4-0- (p-D-glucopiranosil)-Dglucopiranosa

La hidr6lisis química de la celobiosa con 6cido acuoso origina una mezcla de P-D-glucosa, los mismos productos que se obtienen a partir de la maltosa. La hidr6lisis de la celobiosa se cataliza también por la enzima P-glucosidusa (llamada también ernulsina), pero no por la a-gfucosidasa, que es específica para el enlace aglicosídico de la maltosa. a- y,

PROBLEMASDEESTUDIO 18.1 7. D6 las estructuras de los productos: (a) a-celobiosa (c) a-celobiosa

H20,H'

H,O, H +

(b) P-celobiosa

Br,, H,O

(d) a-celobiosa reactivo de Tollens

-

B-glucosidasa

(e)a-celobiosa

18.18. ¿Cud esperariaquefueram6sestable:p-maltosa

o P-celobiosa? ¿Por qut?

C. Lactosa El disacárido lactosa (azúcar de leche) se diferencia de la maltosa o la celobiosa en que est6 compuesta por dos monosacáridos diferentes: D-glucosa y D-galactosa.

OH glucopiranosa I

OH S

OH

P-galactopiranosa lactosa

La lactosa es un disacAridonatural que se encuentra únicamente en los mamíferos; la leche de vaca y la leche humana contienen alrededor de un 5% de lactosa. La lactosa para uso comercial se obtiene como producto secundario de la fabricaci6n de quesos. En el metabolismo humano normal, la lactosa se hidroliza enzimhticamente aDglucosa y D-galactosa; esta última se convierte luego en glucosa, que se metaboliza posteriormente. La enfermedad denominada galactosemia, que afecta a ciertos niños,

846

Carbohidrato5

Capitulo 18

es causada por la falta de la enzima utilizada para convertir la galactosa en glucosa. La galactosemia se caracteriza por elevados niveles de galactosapresentes en la sangre y en la orina. Los síntomas van desde los vómitos hasta el retardo mental y físico y a veces la muerte. El tratámiento consiste en eliminar de la dieta los productos lácteos y la leche. (Ésta se puede sustituir por una leche artificial hecha de frijol de soya,)

D. Sacarosa El disacárido sacarosa es azúcar común. La caña de azúcar se cultivó domésticamente ya desde el aiio 6000 A.C., en la India. (Las palabras “azúcar”, “sacarosa”, derivan del sánscrito: ‘sarkara’.) Los soldados deAlejandroMagno encontraron el azúcar cuando llegaron a la India en el año 325 A.C. Siglos despues, los árabes y las cruzadas extendieron el uso del azúcar de caña. Llegó al Nuevo Mundo cuando Colón la llevó a la República Dominicana en 1493. En la década de 1700, se descubrió que ciertas remolachas también contenían elevados niveles de sacarosa. El descubrimientosignificó que se podía obtener azúcar de plantas de climas templados al igual que de la caña de azúcar de clima tropical. Hoy en día, se produce más sacarosa que ningún otro compuesto orgánico puro. Ya sea que proceda de la remolacha o la caki de azúcar, la composición química de la sacarosa es la misma: una unidad de fructosa unida a una de glucosa. El enlace glucosídico une el carbono 1 de cada monosacárido y es p por parte de la unidad de fructosa y a por la parte de la unidad de glucosa. Obsérvese la diferencia entre la sacarosa y los demfis disacáridos que hemos explicado; en la sacarosa, umbos carbonos anoméricos (y no unosolo) están implicados elenenlace glucosídico,por lo cual ni la glucosa ni la fructosa tienen un grupo hemiacetálico. Es decir, la sacarosa no está en equilibrio en solución acuosacon la forma aldehídica o cetónica. La sacarosa no exhibe mutarrotación ni es un azúcar reductor.

O 1

p-fructofuranosa

CHzOH I

T

6H

o

I

---

sacarosa p-D-fructofuranosil a-~-ghcopiran6sido

El olzúcar invertido es una mezcla de D-glucosa y D-fructosa que se obtiene por hidrólisis ácida o enzimática de la sacarosa. Las enzimas que catalizan esta hidrólisis, las invertusus, son específicaspara la unionde tipo P-D-fructofuranósido, y se encuentran en la levadura y en las abejas. (La miel es fundamentalmente azúcar invertido.) El azúcar invertido es mucho más dulce que la sacarosa, a causa de la presencia de la fructosa libre, el más dulce de todos los azúcares. Un azúcar invertido de la glucosa sintético, denominado isomerosu, se prepara por isomerización enzimática

Polisachidos

Seccibn 18. I 1.

847

del jarabe de maíz y encuentra uso comercial en la preparación de helados, refrescos y caramelos. El nombre 'azúcar invertido' procede de la inversión del signo de la rotación específica que se observa al hidrolizar la sacarosa. J k a posee una rotación específica positiva de +66.5', mientras que la mezcla de productos resultante de la hidrólisis (glucosa, [a] = +52.7", y fructuosa [a] = -92.4') tiene una rotaciónespecífica negativa. SECC16N 18.1 1.

*

Polisacaridos Un polisacairido es un compuesto cuyas moléculas contienen muchas unidades de monosacáridos unidas por enlacesglicosídicos; por hidr6lisis total, un polisacárido da lugar a monosacáridos. L o s polisaciuidos cumplen tres misiones principales en los seres vivos: de sostén, de reserva nutritiva y como agentes específicos. Típicos polisacáridos de sostén son la celulosa, que proporciona rigidez a los tallos y ramas de las plantas, y la quitina, que constituye el componente principal del exoesqueleto de los insectos. Ejemplos de polisacáridos de reserva son el almidón, tal como se le encuentra en el trigo y en las patatas, y el glucógeno, fuente de reserva, en los animales, de carbohidrato fácilmente accesible. La heparina, ejemplo de agente específico, es un polisacárido que impide la coagulaci6n de la sangre.

OS0,H

NHSO,H

heparina

L o s polisacáridos pueden también unirse a otrostipos de moléculas, dando, por ejemplo, las glicoproteinas (complejos polisac6rido-proteína,véase Capítulo 19) y los glicol@idos (complejos polisacárido-lípido, véase Capítulo 20).

A. Celulosa La celulosa es el compuesto orgánico m& abundante sobre la tierra. Se ha estimado que cada año se biosintetizan alrededor de10" toneladas de celulosa y que este compuestoda cuenta de aproximadamente el 50%del carbono enlazado sobre el planeta. Las hojas secas contienen 10-20% de celulosa; la madera, el 50%; y el algodh, el 90%. La fuente de celulosa m& conveniente en el laboratorio es el papel filtro. La celulosa Constituye los componentes fibrosos de las paredes de las células vegetales y su rigidez se debe a su estructura total. Las moltculas de celulosa son cadenas, o microfibrillas, de hasta 14 O00 unidades de D-glucosa, que se agrupan en haces torsionados, a manera de lazos, sujetos por puentes de hidrógeno. Una molécula aislada de celulosa es un polímero lineal de unidades de 1,4'-pD-glucosa. La hidr6lisis totalconHCI al 40%originaúnicamenteD-glucosa.Por hidr6lisis parcial se aisla el disacfuidocelobiosa, que se puede hidrolizar posteriormente a D-glucosa mediante un catalizador ácido o la enzima emulsina. La propia celulosa

a48

Carbohidratos

Capitulo I8

no tiene carbonos hemiacetálicos -no puede dar mutarrotaci6n o ser oxidada por reactivos como el deTollens. (Aunque pueda haberun grupo hemiacetal en elextremo de la cadena, éste constituye una parte muy pequeña del total de la molCcula y no da lugar a reaccih observable.)

'' I

I

OH

celulosa

PROBLEMA DE ESTUDIO 18.19

Pronostique el principal producto (y dC una estructura o estructura parcial) cuando se trata la celulosacon:(a) un exceso de H,SO,acuoso caliente y luegoagua; (b) aguacaliente;(c) solucibn de EaOH acuoso caliente; (d) un exceso de NaOH y sulfato de dimetilo.

Si bien los mamíferos no producen las enzimas necesarias para hidrolizar la celulosa en unidades de glucosa, ciertos protozoarios ybacterias sí las poseen. Muchos herbívoros son capaces de usar indirectamentela celulosa como alimento; sus est6magos e intestinos contienen colonias de microorganismos que se reproducen y viven de la celulosa. El animal utiliza estos microorganismos y sus subproductos como alimento.

B. Almid6n El dmid6n es el segundo polisaciirido más abundante. Al ser triturado y tratado con agua caliente, se divide en dos fracciones principales según su solubilidad:la amilosa (soluble), que constituye alrededor del 20%, y la amilopectina (insoluble), que forma el 80% restante. Amilosu. La hidr6lisis completa de la amilosa origina únicamente D-glucosa; la

Polisacdridos

Secci6n 18.1 1.

a49

hidr6lisis parcial da lugar a maltosa comoÚnico disacauido. De ello se desprende que la amilosa es un polímero lineal de unidades de l,rl’-a-~-glucosa;la diferencia entre la amilosa y la celulosa radica solamente en el tipo de enlace glucosídico, f3 en la Esta diferencia es la responsablede las distintas propiedades celulosa y (Y en la amilosa. de uno y otro polisacthido.

OH

on amilosa

Hay unas 250 o m6s unidades de glucosa por molCcula de amilosa: el número exacto depende de la especie de planta o animal considerado. La medici6n de la por el hecho que la amilosa natural tiende a degradarse longitud de cadena es complicada en cadenas de tamaño inferior durante la separaci6ny purificaci6n. Las molCculas de amilosa pueden formar estructuras helicoidales alrededor de las molCculas de I,, apareciendo entonces una coloraci6nazul intensa como resultado de interacciones electr6nicas entre ambas. Esta coloraci6n es la base del ensayo de yodo para el almidh, en el cual se añadeunasoluci6ndeyodo a unamuestra desconocida para detectar la presencia de almid6n. La amilopectina, un polisacthido mucho mayor que la amilosa, contiene lo00 o m6s unidades de glucosa por moldcula. Al igual que en la amilosa, su cadena principal contiene unidades de 1,4’-a-~-glucosa,pero a diferencia de ella, dicha cadena esta ruzzifcudu de tal modo que hay una glucosa terminal por cada 25 unidades de glucosa (Figura 18.9). La uni6n en el punto de ramificaci6n corresponde aun enlace 1,6’-aglucosídico.

HO OH

amilopectina

Capltulo 18

850

Carbohidratos

FIGURA 18.9. Una representacibn de la estructura ramificada de la amilopectina. Cada -e-

re-

presenta una molCcula de glucosa.

La hidr6lisis completa de la amilpectinada únicamente D-glucosa. Ahora bien, la hidr6lisis incompleta origina una mezcla de los disacáridos maltosa e isomaltosa, siendo este último el que procede de la ramificaci6n 1,6’.,Lamezcla deoligosachidos obtenida por hidr6lisis parcialde la amilopectina, llamada com~mmente dextrinas, se utiliza para fabricar pegamentos, engrudo y compuestos parael acabado de los tejidos.

q

amilopeCtina

H O A dextrinas

CH,OH

o/ 1 , 6 “ a

HO

H*O

+ isomaltosa

Horn HO

HO

dtosa

H20

D-glUcOSa

OH O

QOH HO

OH OH isomaltosa 6-O-(a-Dglucopiranosil)-D-glucopiranosa

El gluc6geno es un polisacárido utilizado como sustancia de reserva de glucosa (sobre todo en el hígado y en los músculos) en los animales. Estructuralmente est6 relacionado con la amilopectina, pues tambikn contiene cadenas lineales de 1,4’-aglucosa, con puntos de ramificaci6n 1,6’-a. La diferencia principal entre gluc6geno y amilopectina es que el primero estAmhs ramificado.

C. Quitina La quitina es el principal polisachido estructural en los artr6podos (por ejemplo, cangrejos e insectos). Seha estimado que cadaaÍí0 se biosintetizan unaslo9toneladas de quitina. La quitina es un polisacárido lineal que constade unidades de N-acetil-PD-glUCOSamina. Por hidr6lisis total, la quitina origina únicamente 2-amino-2-desoxi-

85 1

Resumen

~-glucosa.(El grupo acetilo se pierde como Acid0 acttico en el paso de hidr6lisis.) En la naturaleza, la quitina se une a materiales de tipo no polisactirido,como proteínas o lípidos.

1I O

I

CCH,

It

O

NHCCH,

_I

CCH,

II

O

quitina

PROBLEMA DE ESTUDIO 18.20. W las estructuras de los productos orghicos principales cuando se trata la quitina con: HCl acuoso diluido y caliente y (b) NaOH acuoso diluido y caliente.

(a)

Resumen Los carbohidratos son polihidroxialdehídos y polihkkoxicetonas o sus derivados. Un monosacairido es la unidad más pequeña de carbohidrato: no experimenta hidr6lisis para dar unidades más pequeiías. Los monosacáridos se pueden clasificar según el número de átomos de carbono y el tipo de grupo funcional principal. CH,OH

I

CHO +OH

H j:

CH,OH una aldotriosa

CH,OH UM

tetrulosa

Los monosacAridos naturales pertenecen generalmente a la serie D. A causa de la presencia dc grupos oxhidrilo y carbonilo, los monosacAridos que pueden formar anillos hemiacetálicos o hemicetálicos de tipo piranosa o furanosa, experimentan ciclación. Esta ciclación crea un nuevo carbono quiral y de lugar, por lo tanto, a un par de diastere6meros, llamados an6meros OL y p, que e s t h en equilibrio mutuo en soluci6n.

Capitulo 18

852

Carbohidratos CHO

CH,OH

CH,OH

Q0[5 OH H o g : ' OH 3 HoQH)OH

HO

Ir 2

CH,OH

A causa de este equilibrio, un monosacfuidoda las reacciones típicas de aldehídos. CH,OH HOO

O

R

un gluc6sido

OH

H°F

un dcido aldhico

CH,OH

CH,OH mglucosa

OH

CH,OH OH

un alditol

OH

Ho$

OH

CHzOH

La oxidación vigorosa de una aldosa produce un ácido aldárico. CHO OH

CO,H

-1-OH

-OH "OH I

CH,OH D-glucosa

OH COzH un &ido al&rico

Resumen

853

Los grupos oxhidrilo de un glucdsido se pueden acetilar, metilar o convertir a acetales o a cetales cíclicos.

CHZOH

0

HO

I

CH,0CH3

CH3

’

OH

un glucdsido

i

OCH

Los disahidos estan compuestos por dos unidades de monosacfidos unidos por un enlace glucosídico de una de las unidades a un grupo oxhidrilo de la otra; la hidr6lisis Acida de un disachdo da los dosmonosacfidos. La maltosa esta compuesta por dos unidades de D-glucopiranosa, unidas por un enlace 1,4’-a. La celobiosa est4 compuesta por dos unidades de D-glucopiranosa, unidas por un enlace 1,4’-p. La lactosa esta compuesta por P-D-galactopiranosa, unida a la posici6n 4 de la wglucopiranosa. La sacarosa est4 compuestapor a-D-glucopiranosay p-wfructofuranosa, unidas por un enlace 1,l’. Un poliicsirido estií compuesto por muchas unidades de monosacfido unidas por enlaces glucosídicos: celulosa:

1,4”p-D-glucopiraRosa

amilosa: 1,4’-a-~-glucopiranosa amilopedna: 1,4’-a-~-glucopiranosa con ramificaci6n 1,6’-a

854

Capitulo 18

Carbohidratos

PROBLEMAS DE ESTUDIO 18.21. ¿Cud de las estructuras de la derecha corresponde con los compuestos de la izquierda?

(a) una hexulosa

HOCH, (b) una pentopiranosa

(2)

Q OCH,

OH OH

HOCH, (d) un pentofuran6sido

(4)

QO 0;H OH

18.22. Clasifique cada una de las estructuras del problema anterior como D 6 L. 18.23. D6 las estructuras (y clasifique como a 6 p) los an6meros de las estructuras (1) y (4) del Problema 18.21. 18.24. Dibuje las proyecciones de Fischer de las formas de cadena abierta de todas las D-hexulosas is6meras, e indique en cada caso los átomos de carbono quirales. 18.25.

{a) Cuando se trata con HCN el (R)-2-hidroxi-propanal, ¿qué productos se obtienen? ¿Son estos productos 6pticamente activos? DC UM explicaci6n.

18.26. Un químico tiene un Único estereois6mero del 1,2,3,4-butanotetrao1, de configuraci6n desconocida. Posee asimismo una botella de D-glicerddehído. Sugiera una secuencia de reacciones adecuada para correlacionar la configuración del tetraol con la del D-gliceraldehído


"fl

18.27. Dibuje las f6mulas de Haworth de los siguientes monosackidos:

(4

HO

(b)

HO

CH20H

CH20H

18.28. Dibuje las proyecciones de Fischer de los siguientes monosackidos:

OH

C H 3 C 0 2 OH

(d) a-Dlixofuranosa

18.29. Escriba ecuaciones (empleando lasf6rmulas de Haworth) que ilustnx:

(a) la mutarrotaci6n de la P-D-arabinofuranosa pura en agua (b) la conversi6n de la f3-Dfructofuranosa en P-D-fructophosa (c) la mutarrotaci6n de la P-maltosa 18.30. LCuhles de los siguientes compuestosm dadan mutarrotaci6n? ¿Por quk?

855

Capitulo I8

856

Carbohidratos

CH,OCH,

OHOH CH,OH

qH,OH

OH OH

OH OH

(f) 6-O-(a-~-galactopiranosil)-~-~glucopiranosa

(9) a-D-glucopiranosila-~-glucopiran6sido 18.31. iCu6les compuestos del Problema 18.30 son azúcares no reductores? 18.32. iCu6l debería esperarse que fuerala conformaci6n mfls estable de (a)P-Dgalactopiranosay (b) a-widopiranosa? Dc?las estructuras y las razones que respaldan su respuesta. 18.33. Escriba las f6mulas de Haworth para los principales productos organicos.

+ (CH,),CHOH L (b) D-galactosa + CH,CH,OH H+ +

(a) wglucosa

(c) a-D-ribofuranósido de metilo

Hzo.

Ht,

Calm

18.34. La oxidaci6n de la Dfructosa con reactivo Tollens conduce a una mezcla de aniones de flcidos D-gluc6nico y ~-man6nico.Explique.

los

18.35. La alginu es un polisachido aislado de algas matinas y da por hidr6lisis kid0 wmanur6nico. ¿Cud es la estructura de este gcido? (Utilice la proyecci6n de Fischer.) 18.36. D6 la estructura y el nombredelproductoorganic0que se obtiene al tratar la D-galactosa con:(a)aguadebromo;(b) HNO, caliente: y (c)reactivo de Tollens. 18.37. Sugiera una síntesis de 2,3-di-O-metil-glucosa apartir de glucosa. (Ignore la estereoquímica del c m n o anomkrico.) 18.38. Complete los espacios vacíos (escriba todas las posibilidades):

(a)

HNO, caliente

un flcido meso-tarkkico

(una mtemsa)

HCI dil.

-

HOCH, O

m.

( I ) NaBH,

(C)

(una maldohexosa)

(2) H20.H

OHOH

un meso-alditol


857

+

18.39. Pronostiqueelprincipalproductoorgánicodelareacci6ndela D-manOSa con (a) Br, H,O; (b) HNO,; (c) etanol H+ (d) [el producto de (c)] más sulfato de dimetilo y NaOH; (e) [el producto de (c)] más Ch,l y Ag,O; (0 anhídrido acético; (8) cloruro de acetilo piridina; (h) N,BH,; (i) HCN seguidopor H,O y HCl; (i) LiAlH, seguido por agua; (k)H, y catalizador de Ni; (1) [el producto de (c)] más H,O, HC1.

+

1

+

-

18.40. Pronostique el principal producto org6nko que resultará del tratamiento de la amilosa con sulfato de dimetilo y NaOH, seguido de hidr6lisis con HCl. 18.41. Se trata el P-D-gulopiranósido de metilo con: ( 1 ) sulfato de dimetilo + NaOH; (2) H,O,H’; y luego (3) HNO, en caliente. Escriba las ecuaciones correspondientes a cada uno de los pasos de esta secuencia. 18.42. iC6mo sepodríadistinguirquímicamenteentre: xilosa?

(a) maltosa y sacarosa;(b)

D-lixosa y D-

18.43. LCuhtos posibles disachridos podrían formarse hnicamente a partir de D-glucopiranosa? (Los enlaces a y p dan lugar a disachridos diferentes). 18.44. Si un polisachrido estuviere compuesto por unidades de 1,4’-a-D-glUCOpiranOsa con ramificaciones de tipo 1,3’-a, ¿que posible disachridos podrían obtenerse a partir de 61 por hidr6lisis parcial? 18.45. La trehulosu es un azúcar no reductor de f6rmula C,,Hz20,,,que da por hidr6lisis hnicamente mglucosa. ¿Que posibles estructuras puede tener? 18.46. Se trat6 un carbohidrato A (C,J-iZ2O,,), primero con CH,OH, H+ y luego con exceso de yoduro . de metiloy Ag,O. El producto B se hidroliza para dar 2,3,4,6-tetra-O-metil-~-galactosa y 2,3,6tri-O-metil-D-glucosa. Al tratar A con ácido acuoso, se obtuvieron D-galactosa y D-glUCOSa en cantidades equimoleculares. Haciendo reaccionar A con agua de bromo, se obtuvo un ácido carboxílico C, cuya hidrdisis (HCI acuoso) di6 ácido ~-ghc6nicocomo hnico producto 6cido. ¿Cutíles son las estructuras de A , B y C? 18.47. La rafmsu es un trisackido que se encuentra enla remolacha. La hidr6lisis total de la rafinosa produce mfructosa, D-glUCOSa y D-galactosa. La hidr6lisis enzimática parcial de la rafinosa con invertasa produce mfructosay el disachrido rnelobiosa. La hidr6lisis parcial dela rafinosa con una a-glucosidasa produceD-galactosa y sacarosa. Lametilaci6nde la rafinosaseguidade hidr6lisis produce 2,3,4,6-tetra-O-metiIgalactosa; 2,3,4-tri-O-metilglucosa;y 1,3,4,6-tetra-Ometil fructosa. ¿Cuales son las estructuras de la rafinosa y melobiosa?

CAPíTULO 19

Aminoácidos y proteínas

L

as proteinas e s t h entre los compuestos mhs importantes del organismo animal. Propiamente, la palabra proteína deriva del griego proteicos, que significa “pnmero”. Las proteínas son poliurnidas, las cuales por hidr6lisis dan uminodcidos.

o

O

II

II

~-NHCHC-NHCHC-(

I

R

I

R’

H

O

H’

H,NCHCO,H

I

+ H,NCHCO,H

R

una protefna

I

etc.

R‘ arninocicidos

Por lo común s610 se encuentran veinte aminohcidos en las proteínas de plantas y animales, sin embargo estos veinte aminohcidos se pueden combinar en una gran

variedad de formas, para originar músculos, tendones, piel, uñas, plumas, seda, hemoglobina, enzimas, anticuerpos y muchas hormonas. Consideraremos primero los aminohcidos y discutiremes luego como sus combinaciones pueden llevar a tal diversidad de productos.

S E C C I ~ N19.1.

Las estructuras de los aminoácidos Los aminohcidos que se encuentranen las proteínas sonAcidos a-amino carboxílicos. La variación en las estructuras de estos monómeros ocurre en la cadena lateral.

Las estructuras de los aminodcidosSecci6n

19.1.

859

C O ZH

grupo a amino

la variacidn en la estructura

El aminohcido mhs sencillo es el hcido aminoacCtico (H,NCH,CO,H), llamado glicina, que no tiene cadena lateral y por consiguiente no contiene carbono q u i d Todos los demhs aminohcidos tienen cadenas laterales, y porconsiguiente sus carbonos a son quirales. Todos los aminohcidos, que se encuentran en la naturaleza, tienen configuración (S) en el carbono CL y se dice que pertenecen a la sene L, es decir los grupos alrededor del carbono a tienen la misma configuraciónque el L-gliceraldehído. (Es interesante hacer notar que se han detectado a-aminohcidos ractmicos en ciertos meteoritos carbonados.) conjguraci6n-(S)

CH,OH L-gliceraldehído

R un L-aminocicido

La Tabla 19.1 muestra la lista completa de los veinte aminohcidos que se encuentran comunmente en las proteínas. TambiCn se incluyen en esta tabla las abreviaturas de los nombres de los aminohcidos. El empleo de estas abreviaturasse explicar6 mhs adelante en este capítulo.

A. Aminoiicidosesenciales La mayor parte de los aminoácidos se pueden sintetizar en los organismos vivos a partir de su conjunto de compuestos orghicos. Una forma de llevar a cabo esta síntesis es la conversión de un aminohcido que est6 presente en exceso a otro aminohcido deseado poruna reacción de transaminación. Elmecanismode esta reacción se explicó en la Secci6n 11.10. Los grupos señalados con un circulo se intercambian:

CO,H

I

HZNCH

I

R arninocicido antiguo

COZH

+

I

CO,H em-

eans-asas

CO,H

I I

+

I I

C=O

C=O

R'

R

R'

nuevo cetokido

nuevo aminobcido

I

cetokido antiguo

HZNCH

No todos los aminohcidos se pueden obtener por interconversi6n de otros aminoácidos o por síntesis a partir de otros compuestos en el sistema animal. L o s aminohcidos necesarios para la síntesis de proteínas, que el organismo animal no puede sintetizar, deben ser proporcionados por la dieta alimenticia. Estos compuestos se llaman aminohcidos esenciales. Los aminoácidos esenciales dependen de las especies de animales y aun de las diferencias individuales. Losaminohcidos, que generalmente se consideran como esenciales para los humanos, llevan un asterisco en la Tabla 19. 1. De Cstos, el triptofano, la fenilalanina, metionina e histidina se pueden convertir enzimáticamente de la forma (It) a la (S); así pues, la mezcla racémica de estos aminohcidos se puede utilizar totalmente. LOS otros aminohcidos esenciales deben ser proporcionados por la dieta alimenticia en su configuración (S), para utilizarlos en la biosíntesis de proteínas.

Capitulo 7 9

860

Aminoácidos y proteinas

TABLA 19.1. AminoAcidos que se encuentran en las proteínas Nombre

Abreviatura

Estructura

alanina

ala

CH,CHCO,H

I

NH, H2NCNHCH2CH2CH2CHC02H

arginina*

I

II

NH

NH2

O asparagina

asn

II

H,NCCH,CHCO,H

I

NH2 hcido asp&ico

asp

HO,CCH,CHCO,H

I

NHZ cisteína

cis

hcido gluthico

glu

glutamina

gln

glicina

gli

histidina*

his

isoleucina*

ile

HSCHZFHCOZH

I

CH~CH,~HCHCO?H

I

NHZ leucina*

leu

(CH3),CHCH2CHC02H

I

NH, lisina*

lis

H2NCH,CH,CH,CH,CHC02H

I

NH2 metionina*

met

CH,SCH2CH2CHC02H

I

NH,

(continúa)

Las estructuras de los aminodcidos

861

TABLA 19.1.

Nombre

ser

O,H

Secci6n 19.I .

Abreviatura

Estructura

HOCH,CHCO,H

serina

I

NH2

OH

I

tre

treonina*

I

m NH,

CH,CHCO,H

triptofano*

tri

AH,

H

valina*

val

(CH,),CHCHCO,H

I

NH, *AminoLido esencial.

Como ejemplo de diferencias individuales en las necesidades de aminoácidos, examinemos la tirosina. Este aminoácido no se considera esencial ya que en la mayor parte de la gente la tirosina se puede sintetizar a partir de la fenilalanina. Un pequeño porcentaje de individuos, que han heredado una condición conocida como fenilcetonuria (PKU)*, que quiere decir “fenil-cetonas en la orina” carecen de las enzimas precisas paraesta conversión. La dieta de una personacon fenilcetonuria debe contener algo de tirosina y debe tener limitada la cantidad de fenil-alanina.

fenil-alanina

H,N(‘H

tirosina

gluthico

862

Capitulo I9

B.

Aminodcidos y proteinas

Importancia de la estructura de la cadena lateral

iC6mo pueden los polímeros compuestos de veinte aminoácidos similares presentar unavariedad tan amplia depropiedades?La respuesta parcial se encuentra en la naturaleza de las cadenas laterales de los aminoácidos. Observe en la Tabla 19.1 que algunos aminoácidos tienen cadenas laterales con grupos carboxilos; éstos se clasifican como aminoticidos ticidos.Los aminoácidos que contienencadenas laterales con grupos amino, se clasifican como aminoticidos bhicos. Estas cadenas laterales ácidas y básicas ayudan adeterminar la estructura y reactividad de las proteínas en las que se encuentran. El resto de los aminoácidos se clasifican como aminoticidos neutros. Las cadenas laterales de los aminoácidos neutros también son importantes. Por ejemplo, algunas de estas cadenas laterales contienen “OH, -SH u otros grupos polares, que pueden aceptar enlaces de hidrógeno, que como veremos son una característica importante en la estructura total de las proteínas.

co,H

COLH

CO,H

1

I

H,NCH

I

I

I

lisina

un aminoctcido cicido

HzNCH

I

CH(CH,)Z

(CHz),NH?

kid0

I

H2NCH

HzNCH

CH,CHZCO,H

CO, H

I

CHZOH

valina

un aminocicido Wsico

serina

un aminocicido neutro un aminocicido neutro con con una cadena lateral no polar una cadena lateral polar

Las características de una proteína cambian, si el grupo del Acid0 carboxíhco de la cadena lateral se convierte en un grupo amida. Observe la diferencia de las cadenas laterales de la glutamina y del ácid0 glutámico. ColH I H~N¿-H

I

neutro

“I I J

C‘H,CH2CNH2 kid0 gluthnico

glutamina

La cadena lateral de ti01 de la cisteína desempeña un rol Único en la estructura de las proteínas. Los tioles pueden sufrir un acoplamientooxidativo, para dar disulfuros (Secci6n 7.17). Este acoplamiento entre dos unidades de cisteína da un nuevo aminoácido, llamado cistina, y proporciona un mediode unir transversalmentelas cadenas de proteínas. El dar al pelouna“ondulaci6npermanente”involucra la ruptura de algunos enlaces S--S transversalespor reducci6ny la nueva formacibn deotros enlaces transversales S 4 en otras posiciones de las cadenas de proteínas.

o

0 1 i-

primera cadena de proteínas: { ---NHCHCI

segunda cadena de proteínas:

I

1 ”NHc’fic.II

o

I

19.2.

AminoBcidos como iones dipolares Secci6n

863

El ordenenque los aminohcidosseencuentranenunamolCculadeproteína determina la relaci6n mutuadelascadenaslaterales y, por consiguiente, determins c6mo la proteína interacciona consigo misma ysucon medio. Por ejemplo, una hormona u otraproteínasolubleenaguacontienemuchosaminohcidosconcadenaslaterates polares, mientrasqueunaproteínadel músculo, insoluble, contiene una mayor proporci6n de aminohcidos con cadenas laterales no polares. La importancia de las cadenas laterales de los aminohcidos se puede ilustrar con la condici6n conocida como anemia celular falciforme. La diferencia entre la hemoglobinanormal y 1:. hemoglobinadecClulas falciformesesta enquedelas 146 unidades de aminohcido, una s610 hacambiado, la del ácid0 gluthico (con una cadena lateralhcida) a valina(conunacadenalateralnopolar). Este pequeñoerroren la proteína hace a la hemoglobina menos soluble y, por lo tanto, menos capaz pararealizar su misi6n de llevar el oxígeno a las ctlulas del cuerpo.

Los aminohcidos no siempre se comportan como compuestos orghicos. Por ejemplo, tienen puntos de fusi6n superiores a 2OO0, mientras que la mayoría de los compuestos orghnicosdepesomolecularsimilarsonlíquidos a temperaturaambiente. Los aminohcidossonsolublesenagua y otros disolventespolares,pereosoninsolubles en disolventesno polares,comoel Cter dietílico o benceno. Los aminolcidostienen momentos dipolares grandes. TambiCn son menos hcidos que la mayoría de los hcidos carboxílkos y menos bhsicos que la mayoría de las aminas. CO,H RC0,HH,NCH pK,

=

-5

RNH, pK, = - 4

I I

R pK, =

.

IO

pK, = -12

¿Por qu6 los aminohcidos exhiben estas propiedades no comunes? La raz6n esd en que un aminohcido contiene un grupo amino bhsico y un grupo carboxilo iicido en la misma molkula. El aminohcidodauna reacci6n interna hcido-base, paradar un ion dipolar, llamadotambiCn “zwitteri6n” (del alemb zwiffer,“híbrido”). A causa de las cargas i6nicas resultantes, un aminohcido tiene muchas propiedades de una sal. Ademh el pKa de un aminohcido no es el pKa del grupo --CO,H, sino el del grupo -NH,+ . El pK, no es el de un grupo amino blsico, sino el del grupo muy dtbilmente bhsico
864

Capitulo 19

Aminoácidos y proteinas


Cuando cada uno de los siguientes aminoácidos se disuelve en agua, ¿será la disoluci6n Acida, bhsica o casi neutra? (Consulte la Tabla 19.1 para ver las estructuras.) (a) ácido gluthico; (b) glutamina; (c) leucina;(d)lisina;

19.2.

(e) senna

El glutamato monos6dico se emplea ampliamente como condimento. ¿Cud es la estructura mls grupo carboxilo es mis kido en elhcido probabledeestecompuesto?(Sugerencia.¿Qu& gluthlico?)

Anfoterismo de los aminoácidos Un aminoácido contiene en la misma molécula ambos iones, el carboxilato (
CO,H H,N-C-H

I

U

+

t

H+

l

H,N"C"H

1

R un catidn


Pronostique los productos de reacciónde (a) prolina y (b) tirosinacon un exceso de HCl acuoso y con un exceso de NaOH acuoso.

Se podría pensar que una disolución acuosa de un aminoácido de los llamados neutros sería neutra. Sin embargo, las disoluciones acuosas de aminoácidos neutros son ligeramente úcidas, porque el grupo "NH,' es un ácido más fuerte de lo que el 4 0 , - es base. La diferencia en acidez y basicidad dacomoresultadoqueuna disolución acuosa de alanina contenga más aminoácidos en forma de anión que de curga netu negativa en disolución catión. Podemos decir que laalaninallevauna acuosa.

Anfoterismo de

los arninoácidosSeccidn

19.3.

865

A pH 7 , la alanina lleva una carga neta negativa: base

nuís débil,

+

CO, -

+

I

+ H,O

H,N-C-H &ido nuís fuerte

CH3

CO,

I

H,N-C-H

t

~

+ H30+

I

AH,

sin carga neta

carga negativa neta

Si se añade una pequeña cantidad de HCl o de otro ácido a la disoluci6n de alanina, el equilibrio ácido-base se desplaza de forma que la carga neta de los iones de alanina se hace cero. El pH al cual un aminoácido no lleva carga i6nica neta se define como punto isoeléctrico del aminokido. El punto isoeléctrico de la'álanina es 6.0. A pH 6, la alanina no lleva carga neta:

c0,I

H,N-C-H

I

CH

+ H30+

+

cozI

H,N-C-H

++

I

CH3

3

Los puntos isoeléctricos se determinan por electroforesis, proceso con el que se mide la migraci6n de los iones en un campo eléctrico. Esto se realiza colocando una disolución acuosa de un aminoácido en un adsorbente entre un par de electrodos. En esta pila, los aniones migranhacia el electrodo positivo y los cationes migran hacia el electrodo negativo. Si la alanina u otro aminoácido neutro se disuelve en agua pura, hay una migracidn neta de los iones del aminoácido hacia el electrodo positivo

En su puntoisoeléctrico,un aminoácidono muestra migraci6nneta hacia ningún electrodo en una pila de electroforesis. El punto isoeléctrico de un aminoácido dado es una constante física. Los valores vm'an de un aminoácido a otro, pero caen dentro de una de las tres categorías siguientes. Para un aminoácido neutro, el punto isoeléctrico, que depende de los pK, y pK, relativos para los grupos " N H , y -€O,-, está alrededor de 5.5-6.0. Un segundo grupo carboxilo en un aminoácido ácido significa que existe otro grupo, que puede interaccionar con el agua. La disolución acuosa de un aminoácido ácido e; definitivamente ácida, y el aminoácido lleva una carga negativa neta. +

+

co; I

H,N-C-H

co, t

I

+ H30t

I

CH,CH,CO, carza nezativa

neta

866

Capitulo I9

Arninodcidos y proteinas

Se requiere una mayor concenfraciún deH+ para llevar un aminoácido ácido al puntoisoeléctricoquelaqueserequierepara un aminoácidoneutro. L o s puntos isoeléctricos de aminoácidos ácidos se hallan alrededer depH 3. Un aminoácido básico tiene un segundo grupo aminoque reacciona con el agua, para formarun i6npositivo. Se requieren iones hidróxido para neutralizar el aminoácido bhsico y llevarlo a su punto isoeléctrico. Para los aminoácidos básicos esperm’amos que los puntos isoeléctricos estuviesen sobreun pH de 7 y, ciertamente, así es. Estos puntos isoeléctricos están en el nivel 9-10. L o s puntos isoeléctricos de algunos aminoácidos representativos se hallan en la Tabla 19.2

~

TABLA 19.2. Puntos isoektricos de algunos aminodcidos

Nombre

Neutros: alanina

Estructura

Punto isoel6ctrico

6.00

CH,CHCOZH

I

NHZ O

glutamina

II

H,NCCH,CH,CHCO,H

I

5.65

NH2

Ácidos: kcidoglutamic0

&ido aspArtico

HO2CCH2CHZCHCO2H

3.22

NH, H0,CCH,CHC02H

2.77

I

1

NH 2

Bhicos: lisina arginina

H,N(CH,),CHCO,H

I

NH, H2NCNH(CH2),CHCOzH

II

NH

I

9.74

10.76

NH2


Sugiera UM raz6npara el hecho deque el punto isoelCctrico de la lisina es 9.74, pero el del triptofano (Tabla19.1) es s610 5.89 (Sugerencia: Piense enl a raz6n por la que el N heterocíclico del triptofano no es bhsico.)

los aminokidos

Síntesis de

19.5.

Seccibn 19.4.

867

Un aminokidoreaccionacondosequivalentes,delhidrato ninhidrina, paradarlapslrpura de Ruhemann, un productoazul-violeta.Estareacci6nseempleacomoensayopara detectar la de composici6n desconocida. Dibuje las principales presenciadeamino6cidosenunamuestra estructuras en resonancia que muestren la deslocalizaci6n de la carga negativa de la púrpura de Ruhemann.

-

COzH

I

+ HzNCH

2

R

O ninhidrina

o

o

púrpura de Ruhemann (azul-violetu)

SECC16N 19.4.

Síntesis de los aminohcidos y la síntesis de mezclas ractmicasde la mayor parte de estos aminokidos se puede realizar por tkcnicas estándar normales. Las mezclas ractmicas se pueden resolver desputs para dar los aminohcidos enanti6meros puros. La síntesis de Strecker de aminohcidos, desarrollada en1850, es una secuencia de dos pasos.El primer pasoes la reacci6n de un aldehído con una mezcla de amoníaco y HCN, para dar un aminonitrilo. La hidr6lisis del aminonitrilo lleva al aminohcido. L o s aminohcidoscomunessoncompuestosrelativamentesencillos

Paso 1 :

O

OH

II

CH3CH

I

NH,

a ’ CH,CHNHZ

-H,O

d CH,CH=NH

acetaldehído

HCN

NH2

I

CH3CHCN 2-amino-

propano-nitrilo Paso 2:

NHZ

I

CH3CHCN

H,O, H

*

-

NHZ

I

CH,CHCO,H

(R)(8-alanina

Otra ruta sintktica de aminoticidos es la aminacih de Bcidos a-halogenados con un exceso de amoníaco. (Se debe emplear exceso de amoníaco para neutralizar el hcido Y reducir al mínimo la alquilaci6n total. Vkase la Secci6n 15.5A.)

Capitulo 19

868


Forrnacibn de un dcido a-halo (Seccibn 13.30:

Br I.

Lido 4-metil-pentanoico

kido 2-bromo-4-metil-pentoico

Arninacibn:

NHZ

I

(CH,j,CHCH,CHCO,-

NH,'

H' " +

NH,

I

(CH,),CHCH,CHCO,H (R) (S)-leucina

Una ruta mhs elegante para aminohcidos es síntesis la de la ftalimida de Gabriel. (Secci6n 15.5A). La ventajadeestasíntesissobre la aminacidn directa, es queno puede ocurrir la alquilacidn total. La aminacidn reductiva de un a-ceto6cido es otro procedimiento que se usa para obtener aminohcidosrecémicos. (Recuerde que losgrupos carboxilo no se reducen fhcilmente .) O

NH,

II

Hz,NH,. Pd

CH,CCO,H un kid0 a-cero

I

CH,CHCO,H (R) (S)-alanina

En la Tabla 19.3 se muestra un resumen de las reacciones que llevan a los aminohcidos. TABLA 19.3. Resumen de las rutas sint6ticas a los a-aminokidos

Reacci6n

Secci6n

Sustitua611:

( I ) NH,3. -H,O

RCH

( 2 ) HCN (3j H,O, H.

+

I

RCHCOZH

19.4

Aminaci611 reductiva: O

II

RCCOzH

NHZ

I NHJz RCHCO,H

_ Hz'_

11.14D

(Y-

Peptidos

Secci6n 1 9.5.

869

SECC16N 19.5.

Péptidos Un p6ptido es una amida formada por dos o más aminoácidos. El enlace de amida entre un grupo a-amino de un aminoácido y el grupo carboxilo de otro aminoácido se llama enlace peptídico. El siguiente ejemplo de un péptido formado de alanina y glicina, llamado alanil-glicina, ilustra la formaci6n de un enlace peptidico.

I

I

CH3

CH3

alanil-glicina

glicina

alanina

un dip6ptido

Cada aminoácido en una mol6cula de péptido se llama unidad o residuo. Dependiendo del número de unidades de aminoácidos en la molrkula, el péptido se llama dipdptido (dosunidades), trip6ptido (tres unidades) y así sucesivamente.Un poli¿Cuál es la pdptido es un péptidocon un grannúmeroderesiduosdeaminoácido. diferencia entre un polipéptido y una proteína? Ninguna, realmente. Ambos son poliamidas, construidas a partir de aminoácidos. Porconvenci6nunapoliamidaconmenosde 50 unidadesdeaminoácido se clasifica como péptido, mientras que una poliamida mayor se considera una proteína. En el dipéptido alanil-glicina, el residuo de alanina tiene el grupo amino libre, y la unidad de glicina tiene el grupo carboxilo libre. Pero la alanina y la glicina podían unirse de otro modo, para formar la glicil-alanina, en la que la glicina tiene el grupo amino libre y la alanina tiene el grupo carboxilo libre. Dos dip6ptidos diferentes de alanina y glicina:

O

II

O

I1

H,NCHC-NHCH,COH

I

CH3 alanil-glicina

O

O

I1

11

H,NCH,C-NHCHCOH

I

CH3

glicil-alanina

Cuanto mayor es el número de residuos de aminoácido en el Hptido, mayor es el número de posibilidades estructurales. La glicina y la danina se pueden unir de dos formas. En un tripéptido, los tres aminoácidos se pueden unir de seis modos diferentes. Diez aminoácidos diferentes pueden llevar a más de cuatro mil millones de decapéptidos. Con el fin de explicar esto, es necesario representar los péptidos de una forma sistemática. El aminoácidocon el grupoaminolibrese coloca generalmenteen el extremo izquierdo de la estructura. Este aminoácido se llama aminohcido N-terminal. El aminoácido con el grupo carboxilo libre secoloca en el extremo derecho y se llama aminohcido C-terminal. El nombre del péptido se construye a partir de los nombres

870

Capítulo I9

Aminodcidos y proteirlas

de los aminoticidos, tal como aparecen de izquierda a derecha, comenzando con el aminoticido N-terminal N-terminal a la izquierda:

\

o

o

It

II

C-terminal a la derecha

alanil-tirosil-glicina un hipdptido

Por motivos de conveniencia y claridad, los nombres de losaminoticidosse abrevian con frecuencia. Hemos mostrado las abreviaturas de los veinte aminoácidos mils frecuentes en la Tabla 19.1. Usandolosnombres abreviados, la alanil-tirosilglicina es ala-fir-gfi.

PROBLEMA MODELO ~ C desl l a estructura de leu-lis-met?

O

Soluci6n:

O

II

II

H2NCHC-NHCHC-NHCHC02H

I

(CHACHCH2 leu

I

I

(CH2)4NH2 CH2CH2SCHJ met

lis


D6 todas las posibilidades para la estructura deun trip6ptido que consiste enala, gli y fen. (Use las abreviaturas mejor que las f6mulas estructurales.)

SECC16N 19.6.

El enlace de los pkptidos Como se mencionó en la Sección 13.!X, un enlace amida tienecierto carácter de doble enlace, debido a la superposición o traslape parcialde los orbitalesp del grupocarbonilo con el par de electrones no compartido del nitrógeno.

.*

-:o:

1

t"----,

-C=N,

+ /

La evidencia del caracter de doble enlace en una unión peptídica se encuentra en las longitudes de enlace. La longitud del enlace peptidic0 es más corta que la del enlace sencillo C-N: 1.32 A en el enlace peptidic0 frente a 1.47 A para un enlace tipico sencillo C-N de una amina.

19.7.

Determinaci6ndelaestructuradeunp6ptidoSecci6n

871

A causa del carhcter de enlace doble del enlace peptídico, la rotaci6n de los grupos alrededor de este enlace esth algo restringida, y los htomos unidos al grupo carbonilo y al nitr6geno yacen en el mismo plano. El análisis por rayos X muestra que las cadenas laterales del aminohcido alrededor del enlace p6ptídico es& en una relaci6n de tipo tram. Esta estereoquímica reduce al mínimo el impedimento est6rico entre las cadenas laterales.

SECC16N 19.7. ~

~

~~~~

~

~

Determinación de la estructura de un péptido La determinacidn de la estructura de un pdptido w es una tarea fhcil. La hidr6lisis completa en disoluci6n ticidada los aminohcidos individuales. Éstos se pueden separar e identificar portécnicas como la cromatografía y la electroforesis. El peso molecular del pdptido se puede determinar por métodos físicoquímicos. Con esta informacibn, el químico determina el número deresiduos de aminohcidos, la identidad de los residuos de aminohcido y el número de residuos de cada aminoácido en el péptido original. Pero esta informaci6n no revela nada acerca de la secuexia, en que los aminohcidos e s t h unidos en el p6ptido. Se han desarrollado varías técnicas para determinar esta secuencia. La primeraes el análisis de residuos terminales. Hay muchas formas para determinar los residuos del aminoticido N-terminal y C-terminal;mencionaremos s6l0 una técnica para cada uno. El análisis del residuo N-terminal se puede llevar acabo tratando el p6ptido con isotiocianato de fenilo, sequido de hidrólisis. El isocianato reacciona con el grupo amino libre, para formar un derivado de la tiourea. La hidrólisis cuidadosa separa el residuo N-terminal del resto del p6ptido y genera una estructura cíclica, llamada fend-tiohidantofnu. Este grupo modificado del extremo se puede aislar de la mezcla de la reacci6n e identificarse. O

R isotiocianato de fenilo

N-lemiM[ grupo tiourea

S

” PO

O una feni[-tiohidanloína

an

Capitulo 19

AminoAcidos y proteinas

¿Por qué el químico no puede continuar tratando el péptido gradualmente con isotiocianato de fenilo? En cada paso podría separar un residuo N-terminal hasta que se degradase el péptido entero y se determinase el orden de los aminoácidos. Esto se puede hacer, hasta cierto punto; sin embargo, cada ciclo de formación del derivado de tiourea e hidrólisis conduce a cierta hidrólisis interna del péptido restante. Después de alrededor de 40 ciclos, la hidrólisis del péptido es suficiente como para producir muchas unidades de péptidos más pequeños, cada uno de los cuales contiene un Nterminal. La feniltiohidantoína que se produce no es ya la de un solo grupo terminal, sino de una mezcla de varios de ellos. El residuo del aminoácido C-terminal se puede determinar enzimhticamente. La curboxipeptidusu es una enzima pancreática, que cataliza específicamente la hidrólisis del aminoácido C-terminal, pero no la de los otros enlaces peptídicos.

R

R

amidcido

C-terminal

La hidrólisis parcial de un péptido a dipéptidos, triHptidos, tetrapéptidos y otros fragmentos es una tknica para determinar el orden de los residuos interiores. Lamezcla de hidrólisis se separa y se determina el orden de los residuos de los aminozicidosen cada fragmento determinado (por ejemplo, mediante análisis del grupo extremo). Entonces, se unen las estructuras de los fragmentos como si fueran un rompecabezas, para lograr la estructura del péptido completo. PROBLEMA MODELO es la estructura de un pentapéptido que da los siguientes trip6ptidos cuando se hidroliza parcialmente? gli-glu-arg, glu-arg-gli, arg-gli-fen Soluci6n: Ajuste las piezas en el conjunto:

gli-glu-arg glu-arg-gli arg-gli-fen

El pentap6ptido es gli-glu-arg-gli-fen.

Enunamoléculade proteína, unanueva forma indirectapara determinar la secuencia de los aminoácidos consiste en aislar la parte dela molécula de ADN responsable de la biosíntesis de esa proteína y entonces determinar la secuencia de bases en el fragmento de ADN. (Sección 16.11A). SECC16N 19.8.

Síntesis de los péptidos Como prueba de la estructura de un péptido, el químico puede sintetizarlo a partir de los aminoácidos individuales. Emil Fischer, quien en 1902 propulsó la idea de que las proteínas eran polimjdas, fue quien sintetizó el primer péptido.

Sinresis de los p4pridos

873

Seccih 19.8.

La síntesis de las amidas ordinarias a partir de cloruros de ácido y aminas es una reacción sencilla (Sección 13.3C): RCOCI

+ R'NH,

-

RCONHR'

Sin embargo, la síntesis de péptidos o proteínas por esta vía no es sencilla. el problema principal está en que hay más de una forma en la cual se pueden unir los aminoácidos: gli

gli + ala + gli-ala 6 ala-gli 6 gli-gli 6 ala-ala + ala + fen + fen-gli-ala ó gli-ala-fen 6 gli-ala-gli-ala 6 fen-fen

Para impedir las reacciones indeseables hay que proteger todos los grupos reactivos, incluyendo los de las cadenas laterales. Dejando libres sólo el grupo amino y el grupo carboxilo deseados, el químico puede controlar las posiciones de la reacción. O

II

RCOH

O

sou

-

11

-HCI

RCCl

O

11

RCNHR'

L o s criterios que se tienen para un buen grupo protector son (1) que sea inerte en las condiciones de reacción que se necesitan para formar el enlace de amidadeseado, y (2) que sea fácilmente eliminable cuando la síntesis esté completa. Un grupo protector con estas caractensticas es el grupo carbamato, inerte a la reacción de formaci6n de amida, pero fácilmente eliminable en un paso posterior, sin perturbar el resto de la molécula. Esta método de síntesis de péptidos se desarrolló en 1932. Preparacibn del carbamato para proteger un grupo aminlo:

O

O

0

II

CH,OCCI

del CI,C=O

+

II

H,NCH,COH

+ C,H,CH,OH

-HC'

o

O

~ C H , ? C 1 NI1 p C H : C O I1 H grupo carbamaro

glicina

La glicina protegida en el grupo amino se podría tratar con SOCl, para formar el cloruro de ácido y luego tratarse con otro aminoácido nuevo para formar la amida. Sin embargo, los cloruros de ácido son altamente reactivos y pueden ocurrir reacciones secundarias indeseables, a pesar de la protección. Con el fin de evitar este problema, la glicinaprotegida por el grupo aminose trata generalmente con cloroformiato de etilo para dar un ester activado. O

I-NHCH~COH

II

glicina Protegida por el grupa amino

O

+

I1

CICOC,H,

--HCI

cloroformiato de etilo

0 0

I I I1

( --NHCH~COCOC,H, grupo ester activado

a74

Capitulo 19

ArninoBcidos y proteinas

Este éster activado, al igual que cualquier cloruro de

ácido, reacciona con un

grupo amino de otro aminohcido, para dar el dipéptido deseado. O

II

0 0

II II

CH,OC--NHCH,COCOC,H,

-co.

+ H,NCHC02H fenil-alanina

o su &ter etfiico

~ C H 2 0 C - N I F/ I C H , C -I I N H C F I C 0 2 ~ II

I

CH2C,H, gli-fen con el grupo amino protegido

Ahora, la secuencia se puede repetir, para añadir un tercer aminoácido. Cuando la síntesis del pkptido esta completa, elimina el grupo carbamato por reducci6n para dar el pkptido libre. Eliminacidn de/grupo carbamato protector:

gli-fen


Escriba las ecuacionesqueilustrenlaadicióndealaninaa protegido.

los gli-fen con el grupo amino

A. Síntesis de peptidos en fasesólida Nuevos y mejores métodosde síntesis depéptidosestánsiempre bajo investigación. Una técnica relativamente nueva es la síntesis de péptidos en fase s6Iiia, llamada también síntesis de pdptidos de Merrifield (en honor a Bruce Merrifield, de la Universidadde Rockefeller, quien desarrolló la técnica). En este tipo de síntesis, una resinasostiene alaminohcidoC-terminal por el grupo carboxilo, mientrasse está sintetizando el péptido. La resina es un poliestireno que contiene alrededor del I % de unidades de p-(c1orometil)estireno.

una resina de poliestireno que contiene unidades de p-(clorometil) estireno

Inicialmente se protege el grupo amino del primer aminoácido, convirtiéndolo a un carbamato de r-butilo. Este aminoácido protegido en al grupo amino reacciona como carboxilato con los gruposcloruro bencílico de la resinaparaformar grupo; Cster (unareacci6n de sustituci6n típica entreun carboxilato y un halogenuro bencílicc t).

O

O

II

+

(CH,),COC-NHCHCO,

I

~

I1

C'I

A

(CH3)3COC-NHCHCO2-

I

R

R

El grupoprotectordelamino seeliminaportratamientocon un ácidoanhidro,tal como HC1 en ácido acético, luego se adiciona un segundo aminoácido (con un grupo carbonilo activado) protegido en el amino.

-

O

II

4-

(CH,)3COC-NHCHCOzH

I

R

activado

+ H2NCHC02

~

I

H ,O

R O

O

II

I1

(CH3),COC-NHCHC-NHCHCO,

I

R

I

R

Una técnica común para activar el grupo 4 0 , H (para que reaccione con la amina) consiste en adicionar diciclohexil-carbodiimidaal kid0 carboxílico. Este compuesto reacciona con el ácido carboxílico produciendo un intermediario con un grupo salienteque se puededesplazarpor la aminaenuna reacci6n desustituci6n acil nucleofílica típica. El producto es la amida.

: o

R!NHR, la omida

OH

+o

i v = cI - N H a el tautómero enol dela diciclohexil-urea

En la síntesis de p6ptidos en fase d i d a , el producto de la reacci6n anterior es el dipéptido conel amino protegido,el cual todavía está unido a la resina enel extremo

876

Capitulo I9


del carboxilo. Se elimina el grupo protector del amino y el proceso se repite hasta que se complete la síntesis del péptido. Una ruptura controlada de la unión resina-éster, con un ácido como el HF anhidro, libera al péptido y elimina el último grupo protector del amino. La síntesis de péptidos del tipo clásico es tediosa porquese deben aislar y purificar los péptidos intermediarios; sin embargo, en una síntesis de péptidos en fase sólida, la mayoría de las impurezas se pueden lavar fácilmente de la resina después de cada paso. Esta técnica es lo suficientemente exitosa como para que se hayan desarrollado sintetizadores automdticos de pkptidospara uso comercial. Desafortunadamente, las técnicas de síntesis de péptidos en fase sólida no son pr6cticas para la síntesis de moléculas grandes de proteína en un estado puro y en elevados rendimientos. Se pueden obtener productos de baja calidad ya que la resina tiende a retener algunas impurezas. Sin embargo, avances recientes en el “empalme de genes” han proporcionado vías hacia elevados rendimientos de péptidos puros y proteínas. SECCION 19.9.

Biosíntesis de los péptidos La biosíntesis de péptidos y proteínas se lleva a cabo en una célula típica mediante los ácidos ribonucléicos (ARN) y las enzimas. L o s distintos tipos de ARN, tales como los ARN mensajeros (ARNm), se sintetizan bajo la dirección del ADN en el núcleo de la célula (Sección 16.11); después, estas moléculas de ARN dejan el núcleo de la célula para ejercer sus funciones. Cuando el ARNm deja el núcleo, se une a los ribosomas, cuerpos granulares en el citoplasma de la célula, que son los sitios de síntesis de proteínas. Un ribosoma consiste aproximadamente enun 60% de ARN ribosomal(ARNr) y un 40% de proteínas. Cada aminoácido se lleva al ARNm y a sus ribosomas como un éster de una unidad ribosaen una molécula deARN de transferencia(ARNt).

/I d

O

unidad de ribosa del ARNt

El ARNm es el molde para la proteína que se va a sintetizar. La serie de bases en una molécula de ARNm da el código, que determina el orden de incorporación de los aminoácidos en la molécula de proteína en crecimiento. (Estas bases se explicaron en la Sección 16.11). Una serie de tres buses e n f i h , llamada codón, dirige la inclusión de un aminoácido determinado. Por ejemplo, la presencia de tres bases de uracil0 en fila (U-U-U)en una molécula de ARNm es un codón para la fenil-alanina. El codón de guanina-citosina-citosina(G-C-C) señala que se debe incorporar la alanina. El ARNt con el aminoácido adecuado es capaz de reconocer su sitio adecuado debido a que el ARNt lleva un snticodón, una serie de tres bases que complementan el codón de1 ARNm.

Biosintesis de los péptidosSeccibn

cod6n para ala: 111 Ill

a77

e 111

111 111

G

anticod6n para ala:

ARNt

19.9.

llevando

una alanina

La biosíntesis de la proteína puede ser comparada con una m e a de montaje. La Figura 19.1 muestraunribosomaque se mueve a lo largo de la cadena de ARNm

peptidil

transferasa

FIGURA 19.1. Biosíntesis de un p6ptido. (a) fMet, o N-formil metionina (el aminodcido iniciador, con el codónAUG), se ha unido a arg (codón CCA). El siguiente aminodcido a incorporar es el fen (cod6n UUU). (b) La cadena del p6ptido en crecimiento seha transferido a Fen. (c) El ribosoma se ha desplazado a lo largo de la cadena del ARNm (hacia la derecha) de modo que la cadena del p6ptido se pueda transferir al siguiente aminodcido, lis (codón AAG). Adaptado de William H. Brown y Judith A. McClarin, lntroduction to Organic and Biochemistry, 3rd ed. (Willard Grant Press, Boston, 1981.)

878

Capitulo 19


(hacia la derecha en la figura). En cada codón se añade un nuevo aminoácido a la moltcula de proteína en crecimiento. Otros ribosomas siguenal primero, de modo que se sintetizan muchas moléculas de la misma proteína simultheamente. Cuando una molécula de proteína completa llega al final de la cadena del ARPJm, abandona el sitio, para desempeiiar sus propias funciones en el organismo.

S E C C I ~ NI 9.1o.

Algunos peptidos interesantes Aunque lamayor parte de las proteínas son moléculasrelativamente grandes, un péptido no necesita tener miles de unidades de aminoácidos para tener actividad biológica. Consideramos el siguiente tripéptido:

nr;

CH2"CH2 O

I

o=c, CH,

! I/ 0 !I , CH-C-NHCHC-N "CHCNH, I N H

I

piroglutamil-histidil-prolinamida

Este tripéptido es un factor que libera la hormona tirotrbpica,que se ha aislado de las glhndulas hipotAamo del de cerdos y reses. Administrada oral o intravenosamente a los humanos, estimula la secreción de tirotropina, que a su vez estimula la secreción de hormonas de la tiroides, reguladoras del metabolismo del cuerpo. La estructura de este factor ejemplificaalgunasvariedades estructurales que comunmente se encuentran en péptidos y proteínas. El aminoácido N-terminal es un derivado del ácido gluttbico: el grupo carboxilo de la cadena lateral se ha unido al grupo amino libre para formar una lactama (amida cíclica).

II

O

II

O

CH2"CH, O -H20

HOCCHzCH,CHCOH

+

O=C

I

I

II

C'H-COH N '' H

iicido glutámico

ácido piroglutámico UM

lactama

El residuo C-terminal del tripéptido es una amida de la prolina. Las amidas de grupos carboxilos libres no son del todo raras en las estructuras de proteínas naturales. Éstas se señalan generalmente en las estructuras abreviadas, añadiendo NH, al Cterminal: por ejemplo gli significa -NHCH,CO,H, pero gZi-NH, significa NHCH,CNH,.

II

o

Secci6n 19.1 I .

Clasificacidn de las proteinas

879


E laf6rmulaestructuralparapro-leu-ala-NH,. La oxitocina, hormona de la hipófisis que produce las contracciones uterinas durante el parto, es otro p6ptido importante. Observe que la oxitocina es un péptido cíclico, unidopor un enlace S-S de cistina. LaFigura 19.2 muestra la fórmula estructural. . ”

o

l

o

o I II II 0) I1 II NHCHC-NHCHC-NHCHC-N-CHC-NHCHC-NHCH~CNH~ II

H2C

I

I

CH2CNH,

CH2

I

CH,CNH,

II

O

U

I

CH,CH(CH,),

II

O

O ¡le-tyr-cyS

I

I

FIGURA 19.2. La estructura de la oxitocina, gln-asn
SECC16N 19.1l.

Clasificación de las proteínas Las proteínas se puedenclasificaraproximadamentesegún el tipo de funci6n que desempeñan. Estas clases est6n resumidas en al Tabla 19.4 Las proteínas fibrosas (llamadas también proteínas estructurales), que forman la piel, los músculos, las paredes de las arterias y el cabello, e s t h compuestas por moléculaslargas como hilos, que son resistentes e insolubles. Otro tipo funcional de proteínas es la clase de proteínas globulares.Éstas son proteínas pequeñas, algo esféricas a causa de plegarse las cadenas sobre sí mismas. Las proteínas globulares son hidrosolubles y desempeñan diversas funciones en el organismo. Por ejemplo, la hemoglobina transportael oxígeno a las células; la insulina ayuda en el metabolismo de los hidratos de carbono; los anticuerpos inactivan las proteínas extrañas; elfibrinógeno (soluble) puede formar fibras insolubles, que hacen que la sangre se coagule, y las hormonas llevan mensajes a través de todo el cuerpo. Las proteínas conjugadas,proteínas conectadas a unaparte no proteica tal como UI! azúcar, desempeñan diversas funciones en todo el cuerpo. Un modo común de unión entre la proteína y la no proteína se efectúa por medio de una funci6n de la

Capitulo I9

880


TABLA 19.4. Clases de proteínas

Clase

comentarios

Fibrosas, o estructurales (insolubles): "colágenos forman tejido conectivo; comprenden 30% de las proteínas de los mamíferos; carecen de cisteína y triptófano; ricas en hidroxiprolina "elastinas forman tendones y arterias pezuñas, uñas; ricas en cisteína y "queratinas forman pelo, plumas, cistina Globulares (solubles): "albúminas "globulinas "histonas "protaminas

ejemplos: albúmina de huevo y albumina del suero un ejemplo es globulinasuero del se encuentra en los tejidos de las glándulas y en los ácidos nucleicos; ricas en lisina y arginina asociadas con ácidos nucleicos; no contienen cisteina, metionina, tirosina, triptófano; ricas en arginina

Conjugadas (combinadas con otras sustancias): "nucleoproteínas "mucoproteinas "glicoproteínas "lipoproteinas

combinadas con combinadas con combinadas con combinadas con colesterol

ácidos nucleicos > 4%de carbohidratos < 4% de carbohidratos lípidos, tales como fosfoglicéridos o

cadena lateral de la proteína. Por ejemplo, una cadena lateral ácida de la proteína puede formar un éster con un grupo -OH de una molécula de azúcar.

S E C C I ~ N19.12.

Estructuras superiores de las proteínas La secuenciade aminoácidos en una molécula de proteína se llama estructura primaria de laproteína. Sin embargo, hay algo más que esta estructura primaria en la estructura de la proteína. Muchas de las propiedades de la proteína se deben a la orientación de la molécula como un todo. La forma (como la de hélice) que adopta la molécula se llama su estructura secundaria.Las interacciones ulteriores, como el plegarse sobre sí misma en forma de esfera, se llaman estructura terciaria. Las interacciones entre ciertas subunidadesde proteína, tales como entre globinas de lahemoglobina se llaman la estructura cuaternaria. Las estructuras secundaria, terciaria y cuaternaria se conocen colectivamente como estructuras superioresde las proteínas. Una de las proteínas bien estudiada en términos de su estructura secundaria es la queratina, que se encuentra en el pelaje y en las plumas. Cada molécula de proteína en la queratina tiene la forma de una espiral llamada hélice a hacia 1u derecha (Figura 19.3); el termino "hacia la derecha" se refiere a las vueltas de la hélice; su imagen especular es la hélice hacia la izquierda. Hacia la mitad de la década de 1930 se creó el término (Y para diferenciar el modelo de rayos X de queratina del de otras proteínas.

Estructuras superiores

.'1 vuelta

de las proteínas

r

Secci6n 19.12.

881

T I

5.4 A

(3.6 residuos

I

I

enlaces de hidr6geno

I

/

una hhlice hacia la derecha

, I

modelo de bolas y varillas

modelo carbono-nitr6geno

FIGURA 19.3. Las cadenas de protehas en la queratina forman helices a hacia la derecha. El modelo de bolas y varillas se adapt6 de The Molecular Basis of Evolution, por C.B.Anfinsen (John Wiley and Sons, Inc., New York, 1964). El modelo de volumen se adapt6 de lntroduction to Organic and Biochemistry, 3rd., por W . H. Brown y J. A. McClarin (Will ard Grant Press,Boston, 1981).

En la queratina, cada vuelta de hklice contiene 3.6 residuos de aminohcido. La distancia de una vuelta a la siguiente es de 5.4 A. La helice se mantiene en su forma principalmente por los enlaces de hidr6geno entre un grupo carbonilo de amida y un grupo NH que se halla separado 3.6 unidades de aminohcido (Figura 19.4). La forma de hélice da un producto fuerte, flexible y fibroso. El puente de hidrógeno entre un grupo C¿-aminO y un gNP0 carbonilo es un conmbuyente a la forma de una moltcula de proteína. Otras interacciones intra- e intermoleculares contribuyen tambiéna esta estructura superior. Algunas de estas interacciones son enlaces de hidr6geno entre cadenas laterales, enlaces S 4 cruzados y puentes salinos (enlaces iónicos tales como RC0,- +H,NR entre cadenas laterales). La estructura superior mAs estable es aquella que tiene e?mayor número de interacciones estabfiizantes (cada puente de hidrógeno da cerca de 5 kcaVmol . - "- de estabilidad). - Dada . una estructura primaria.particüiar, una proteína asume naturalmente la estructura superior m& estable. Examinemos otros tipos de estructura de proteínas. El colhgeno es la clasificaci6n general para una proteína dura, fuerte, que forma cartílagos, tendones, ligamentos y

882

Capitulo 19


FIGURA 19.4. La helice de la queratina se mantiene en su forma por enlaces de hidr6geno (Se omiten los R y H que no participan.). Adaptado de Chemical Principles for the Life Sciences, de R.]. Fessenden y J.S. Fessenden (Allyn and Bacon Inc., Boston, 1976).

piel. El colfigeno deriva, su fuerza de su estructura superior de “superhélices”: tres polip5ptidos a-helicoidales, hacia la derecha, se entrelazan para formar una cadena helicoidal triple hacia la izquierda. Las moléculas enlazadas se llaman colectivamente molécula de tropocokúgeno. Una de estas moléculas de tropocolágeno tiene 15 A de d i h e t m y 2800 A de longitud. La triple hélice del tropocolágeno, como la hélice sencilla, se mantiene unida por puentes de hidrógeno. La gelatina se obtiene por ebullición de materia animal que conkne colágeno; sin embargo, la gelatina no es del mismo tipo de proteína que el colágeno. Se ha encontrado que el peso molecular de la gelatina es sólo una tercera parte que el del colfigeno. Posiblemente en la formación de gelatina, la molécula de tropocolágeno se desenreda y las cadenas sencillas forman puentes de hidrógeno en el agua, llevando a la formación de gel característica. Las estructuras helicoidales no son el Único tipo de estructura secundaria, Otro tipo de estructura, llamado hoja p u hoja plegada se halla en 16 fibroína de la seda. El tipo de hoja plegada es una disposición en la cual las moléculas de proteína se colocan lado a lado, y se mantienen unidas por puentesde hidrógeno entre las cadenas. (Figura 19.5). Las cadenas de fibroína de la seda no son simplemente cadenas en zigzag, que se mantienen tensas. El analisis por difracción de rayos X muestra unidades que se repiten cada 7.0 A. Esta repetición probablemente está en relación con los pliegues de las cadenas, que alivian el impedimento estérico. Es interesante hacer notar que la fibroina de la seda contiene 46% de glicina (sin cadena lateral) y 38% de una mezcla de alanina y serina (cadenas laterales pequeñas). La falta de grupo R voluminoso en estos aminoácidos permite una disposicih paralela de las cadenas de proteína en la estructura de la fibroína.

NH

7.0 8, p o r pliegue

Estructurassuperiores de lasproteínas

‘ecci6n 19.12.

883

R I

FIGURA 19.5. Estructura de hoja plegada de la fibroina de la seda. Tomado de Introduction to Modern Biochemistry, 3rd ed., por P. Karlson (Georg Thierne Verlag, Stuttgart, 1968).

Una proteína globular depende de su estructura terciaria para mantener la forma esférica, intrincademente doblada, que se precisa para la solubilidad. En una proteína globular las cadenas laterales hidrofílicas polares e s t h situadas en la parte exterior de la esfera (para incrementar la solubilidad en agua), y las cadenas no polares hidrof6bicas están en la superficie interior, en donde se pueden usar para catalizar reacciones no acuosas. La superficie única de cada proteína globular la capacita para “reconocer” ciertas molCculas orgánicas complementarias. Este reconocimiento permite a las enzimas catalizar reacciones de unas moléculas, pero no de otras. Un buen ejemplo de proteína globular es la hemoglobina,porci6n de los eritrocitos (ctlulas rojas de la sangre), que es responsable del transporte del oxígeno en la comente sanguínea. Unaunidadde hemoglobina, que tiene un peso molecular de 65.000, contiene cuatro molCculas de proteína, llamadas globinus. Cada globina e s d doblada de tal forma que (1) ajusta perfectamente con las otras tres globinas para mantener la entidad de hemoglobina, y (2) forma una ranura molecular del tamaño y forma justa para acomodar una unidad del hem junto con su molécula de O,. El herno es un grupo prostético, una molécula orgánica, no proteínica, retenida firmemente por la proteína. EsG compuesta por un sistema de anlllos ae porfinra +con un ion ferroso quelatado en el centro. Cada unidad de heme está mida a su globina por un enlace coordinado entre el ion ferroso y el nitr6geno del anillo de imidazol de la histidina, uno de los amino6cidos que forman la globina. El ion ferroso tambitn puede formar un enlace coordinado con U M moltcula de O,.

884

AminoAcidos y

Capitulo 19

q

proteinas

A"---- anillo de imidazol de

la histidina en la proteína

o II

HN

CH~CHC-

I

1

NH-j Para que el heme funcione como trasportador de oxígeno a las células, el ion Fez+ debe ceder con facilidad al oxigeno. Tal cesion no podría ocurrir si el Fez+ se oxidase aFe3+y el oxígeno se redujese. El ambiente no polar hidrof6bico la proteína de alrededor de los sitios de uni6n del O, asegura que no ocurra la transferencia de no pueden mantener electrones delFe2+al 0, (recuerde que los disolventes no polares iones en disoluci6n). Un fen6meno similar se observa en el laboratorio cuando los iones Fe2+ e s t h embebidosenpoliestireno.Seatrae al oxígeno,peronotienelugar la oxidaci6nreducci6n, como ocuniría en un medio i6nico. El envenenamiento por mondxido de carbono es el resultado de que las molkculas de CO ocupen el lugar de las mol&ulas O, endela hemoglobina. Las molkulas de CO son retenidas firmemente por el hierro y no se liberan tan f6cilmente como las de oxígeno. SECC16N 19.13.

Desnaturalización de l a s proteínas La desnaturalizacidn de una proteína es la pdrdidade sus características estructurales superiores por ruptura del enlaces de hidr6geno y de otras fuerzas secundarias, que lamanteníanunida.Elresultadode la desnaturalizzcibneslapérdidademuchas propiedades biol6gicas de la proteína. Uno de los factores que pueden causar la desnaturalizaci6n de una proteína, es un cambio en la temperatura. La cocci6n de la clara de huevo es un ejemplo de desnaturalizaci6n irreversible.La clara de huevo esun líquido incoloro, que contiene albúmina, una proteína globular soluble. El calentamiento de lade clara huevo produce el despliegue de la albúmina que precipita; el resultado esun sdlido blanco. Un cambio en el pH tambitn causa la desnaturalización. Cuando la leche se vuelve agria, el cambio en elpH resultante de la formaci6n deAcido IActico produce el cuajado o precipitaci6n de proteinas solubles. Otros factores que pueden causar la desnaturalizaci6n son los detergentes, la radiacih, los agentes oxidantesy reductores (que pueden alterar las uniones S-S) y los cambios en el tipo de disolvente. Algunasproteínas(la piel, y elrevestimientodeltract0gastrointestinal,por ejemplo) son muy resistentes a la desnaturalizaci6n mientras que otras proteínas son mis susceptibles. La desnaturalizaci6n puede ser reversible, si la proteína se ha sometido a condiciones leves de desnaturalizaci6n, tales como ligero cambio de pH. Cuando esta proteína se vuelva a colocar ensu ambiente natural puede reasumir su estructura secundaria natural enun proceso llamado de renaturalhacidn. Desafortunadamente, la renaturalizaci6npuedesermuylenta o no ocurrir. Uno delosproblemasdela hvestigaci6n de proteínas es cómo estudiarlas sin rompersus estructuras superiores.

Enzimas

SecciBn 19.14.

885

-

!.iECC16N19.14.

Enzimas La palabra enzima significa “en la levadura”. Aun antes de tenerconocimiento alguno sobre su estructura y funciones, el hombre ha empleado enzimas desde los tiempos prehist6ricos para producir vino, vinagre y queso. Pasteur pens6 que las c6lulas vivas de la levadura eran necesarias para el proceso de fermentaci6n. Ahora sabemos que las cClulasvivasnosonnecesarias. Las enzimasadecuadas ylascondicionesde reaccih, que no causen desnaturalizaci6n, constituyen todo lo que se necesita para las reacciones enzimfiticas. Una enzima es un catalizador bioldgico. Los animals superiores contienen millares de enzimas. Toda reacci6n químicae s a virtualmente catalizada por una enzima. Aun el equilibrio CO, H,O = * H,CO, estA catalizada por una enzima, porque la velocidad del equilibrio no catalizado no produce ficido carb6nico lo suficientemente rhpido para las necesidades animales. Las enzimas son catalizadores mfis eficaces que la mayor partede los catalizadores de uso industrial (tal como el Pd en una reacci6n de hidrogenacih) o de laboratorio. Las reacciones biol6gicas en los humanos ocurren a 37°C y en medio acuoso. No hay a disposici6n del organismo elevadas temperaturas, presi6n o reactivos muyfuertes (talescomoNaOH,LiAlH,).LasenzimaspermitentambiCn laselectividaddelos reactivos y el control sobre la velocidad de la reaccih, que no pueden obtenerse con otra clase de catalizadores. Todaslasenzimassonproteínas.Algunassonrelativamente sencillasen su estructura;perolamayoríasoncomplejas. Las estructurasdemuchasenzimasson todavía desconocidas. Para la actividad bioltigica, algunas enzimas requieren grupos prosttticos o cofactores. Estos cofactores son porciones no proteínicas de la enzima. Un cofactor puede ser un simple ion rnetdico; por ejemplo, el ion cobre es el cofactor para la oxidasa del &ido ascórbico. Otras enzimas contienen moléculas orgdnicas no proteinicas comocofactores. Un grupo prostdtico orghico generalmentesellama coenzima. (En la Secci6n 13.8 se mencion6 una coenzima, la coenzima A.) Si un organismo no puede sintetizar un cofactor necesario, tste debe hallarse en pequeñascantidadesen la dieta. Las unidades activas de muchos cofactores son vitaminas. La tabla 19.5 muestraunoscuantos cofactores y sus correspondientes vitaminas.

+

A.

’

Nomenclaturadelasenzimas

La mayor parte de las enzimas se nombran porla reacci6nque catalizan. La terminaci6n para el nombrede la enzima generalmente es -asa El nombrepuede ser general y referirse auna clase de enzimas que catalizan un tipo general de reacci6n. Por ejemplo una polimerasa es cualquier enzima que cataliza una reacci6n de polimerizaci6n, y una reductasa es cualquier enzima que cataliza una reacci6n de reduccibn.El nombre de la enzimapuedetambiCn referirsea unaenzima especijica: oxidmadelAcid0 ascdrbico es la enzima que cataliza la oxidacidn del ficido asc6rbic0, mientras que la fosfoglucoisomerasa cataliza la isomerizacibn de la glucosa 6-fosfato a la fructosa-6fosfato. ~~


Sugiera la funcidn de las siguientes enzimas: (a) una acetil-transferasa; (b) fenil-alanina hidroxilasa; (c) piruvatodeshidrogenasa.

Capítulo 19

886


TABLA 19.5. Algunos cofactores que contienen vitaminas Nombre del cofactor

Vitamina que se necesita Estructura

vitamina C (kido asc6rbico)

vitamina C

vitamina B, (tiamina)

vitamina B,

biotina

biotina

de la vitamina

O

H,C coenzima A

Lido pantotknico

I/

I

HOCH,C-CHCNHCH,CH,CO,H

I

H,C

I

OH O

NAD+"

ticido nicotinic0 (niacina) o nicotinamida (niacinamida)

o

acozH

I1

QfNH,

N

qH,OH fosfato piridoxilo de piridoxina

"Nicotinamida adenindinucl&tido, un agente oxidante biol6gico.

B. Cdmo funcionan las enzimas Algunas enzimas se hanestudiadoen detalle y sin embargo todavía hay mucho que aprender aún de las enzimas mejor conocidas. Se cree que la enzima misma se ajusta al sustrato (moltcula sobre la cual tiene que actuar), para formar un complejo enzimasustrato. Los enlaces del sustrato se pueden tensionar por atracciones entre tste y la enzima. Los enlaces tensos son de m& alta energía y se rompen con facilidad; por consiguiente la reacci6n deseadaprocedeconfacilidad y da un complejo enzimaproducto. En muchos casos el productono es de la mismaformaque el sustrato reaccionante; esto es, el ajuste entre el producto y la enzima no es perfecto. La forma

ejo

Secci6n 19.14.

Enzirnas

887

alterada del producto produce la disociación del complejo, y la superficie de la enzima está dispuesta a recibir otra molCcula del sustrato. Esta teoría de la actividad de la enzima se llama teoría del ajuste inducido. E sustrato

+

-

S

E-S

____t

enzima

-

enzima-sustrato

E-P producto

enzima

E

+

P

complejó enzima-producto

Los enzimas tienen pesos moleculares de 12,OOO-120,OOOy aun m& altos. La mayor parte de los sustratos (por ejemplo un aminoticido o una unidad de glucosa) son moldculas mucho mas pequeñas. El sitio activo es la parte específica en laestructura de la enzima, en donde tiene lugar la reacci6n. El sitio activo e s d donde se localiza el grupo prostético (si lo hay). Los grupos methlicos prostt5ticos se piensa que se comportan como agenteselectrofílicosy de esta forma catalizan las reaccionesdeseadas. En el NAD+,el sitio activo es el extremo nicotinamida del cofactor. El NAD+ se reduce fAcilmente y, por consiguiente, cataliza las reacciones de oxidaci6n.

-

R,C HO H +

-

R2C=0 oxidado

+ H

,

+ Hi

1

1

NAD

O

+

NADH

la forma reducida del NAD+

El resto de la molécula de la enzima no es simplemente un exceso de peso molecular. Se cree que esta parte de la enzima reconoce su sustrato y lo mantiene en su lugar. En la década de 1890,Emil Fischer sugiri6 que las enzimas son molCculas quirales y los reactivos deben complementar esta quiralidad para reaccionar. Fischer compar6 el ajuste entre las estructuras del sustrato y de la enzima con el ajuste que hay entre una llave y el agujero de la cerradura (Figura 19.6).

superficie de enzimala

la superficie deenzima

FIGURA 19h. Un enanti6mero se ajusta a la superficie de la enzima; su imagen especular no se ajusta.

888

Aminoscidos y proteinas

Capítulo 19

El reconocimiento puede ocurrir por una sene de interacciones dipolo-dipolo, por enlaces de hidr6gen0, o por enlaces covalentes, en los cuales la estereoquímica debe ser la adecuada. En algunos casos, el resto de la enzima se pliega para formar una “bolsa” hidrofóbica que recibe la parte no polar del sustrato. (Hemos mencionado este tipo de estructura en la hemoglobina.) Si la parte no polar del sustrato potencial no se ajusta correctamente a la bolsa, la catálisis de la enzima disminuye o no existe. Por consiguiente, para que se lleve a cabo la reaci6n, el grupo funcional sobre el q l se va a actuar se debe ajustar al sitio activo de la enzima y el resto de la molCcula del sustrato se debe ajustar con otras porciones de la molCcula de la enzima. Este tipo de reconocimiento doble es la base de la especificadad inimitable de la mayor parte de las enzimas. Tanto el sitio activo como el resto de la enzima son importantes en la actividad enzimhtica. Observemos una reacci6nen la cual el sitio activo parece ser el factor más importante en el reconocimiento del sustrato. La enzima succinatodeshidrogenasa cataliza la deshidrogenacibndel ácidosuccínicoaácido fumárico, quees un diácido trans. (En esta reacción no se produce el isómero cis, el ácido maleico.) El agente oxidante en esta reacción es el Jlavinudeninadinucleótido (FAD), el cual se reduce por la adicidn 1.4 de dos átomos de hidr6geno (más dos electrones). (Aquí mostramos s610 la parte funcional de1 FAL).)

~

O

HOlCCH2CH2CO2H Lido succínico

+

H 3 C‘

Y,YN\~\~:

kshihgenasa succinato

H,,(~/k4ANX

1

N

o

,

FAD

kid0 fu&co

FADH,

la forma reducida del FAD

Otros dihcidos, tales como los hcidos oxálico, malónico y gluthico, inhiben las deshidrogenaci6n del hcido succínico. lnhibidores de la succinato deshidrogenasa:

H 0H 2C 0 ,“CCC0H 2H 2C02H Acid0 oxaico

HO2CCH2CH2CHLCO2H Lido mal6nico

acid0 glutiirico

De estos dihcidos, el ácido malónico tiene el mayor poder de inhibición. El ácido mal6nico es muy semejante en estructura al &ido succínico, pero es estructuralemente incapaz de sufrir la deshidrogenación. Si el hcido succínico contiene s610un 2% de mal6nic0, la velocidad de deshidrogenaci6n enzimhtica del hcido succínico se reduce a la mitad. Hay gran probabilidad de que el hcido mal6nico compita con el hcido succinico por una posici6n en el sitio activo y que el hcido mal6nico se atraiga y mantenga en 61 preferentemente. Así pues, la presencia del hcido mal6nico en el sitio activo bloquea la aproximaci6n del hcido succínico.

Resumen

889

Resumen Una protefna es una poliamida. La hidr6lisis da a-aminoicidos deconfigurac An (S) en el carbono a. L o s aminoácidos sufren una reacci6n ácid )-baseinterna para dar

iones dipolares. (S),0 L

\; -

co

CO2 H

O

I1

H>O

I-NHCHC-$

H, +

I

H,N-c-H

+

H3A-C-H

R

R un

2-

R dipolar un ion

a-amidcido

Aminohcidos esenciales son los que no se pueden sintetizar por un organismo y deben estar presentes en la dieta. Aminoticidos Bcidos son los que llevan un grupo carboxilo en la cadena lateral (R en la ecuaci6n anterior). Aminoticidos btisicos son los que tienen un grupo amino en la cadena lateral. Aminohcidos neutros son los que no llevan grupo -CO,H ni "NH, en la cadena lateral; pero pueden tener OH,SH u otros grupos polares. Los enlaces cruzadosen las proteínas puedenser proporcionados por el grupo SH de la cisteína, que puede unirse con otro grupo SH en una reacci6n de oxidaci6n: 2RSH-J RSSR 2H. El punto isoeldctrico de un aminoácido es el pH en el cual el ion dipolar es eltctricamente neutro ynomigra ni hacia el ánodo ni hacia el cátodo. Elpunto isoeltctrico depende de la acidez o basicidad de la cadena lateral.

+

CO,

CO,

+I

H,NCH

I

en H,O, una carga positiva netaapH

OH ++

I

H,NCH

I

de 9.74, ninguna carga neta

L o s aminoácidos ractmicos se pueden sintetizar por varias rutas, Cstas aparecen en la Tabla 19.3. Un p4ptido es unapoliamida de menos de 50 residuos de aminoácidos. El aminoticido N-terminal es el aminoácido con un grupo a-amino libre, mientras que el aminohcido C-terminaltiene un grupo carboxilo libre en el carbono l . Dos ttcnicas para determinar la estructura de los péptidos son el analisis de grupo terminal para determinar los C- y N-terminales y la hidr6lisis parcial a p6ptidos mas pequeños. En la síntesis de un pkptido hayque proteger los grupos reactivos (con excepción de los que se quiere que reaccionen). Se puedeusar un grupocar'bamato para proteger un grupo amino. La síntesis de pCptidos en fase s6lidaproporciona un grupo que protege el carboxilo C-terminal. La biosintesis de proteínas se lleva a cabo por el ARN. El orden de incorporaci6n de aminoácidos se determina por el orden de uni6n de las bases (N-heterocíclicas) en el ARNm. Las proteinas son poliamidas de más de 50 residuos de aminoácidos. El orden de las cadenas laterales en una uroteína determina sus estructuras superiores, que resultan de puentes de hidr6geno interno y externo, a e las fuerzas de van der y de otras interacciones entre las cadenas laterales. Las estructuras superiores de los proteínas les dan una variedad de propiedades físcas y químicas de forma que puedan

Capitulo 19

890


desempeilar diversas funciones. La desnaturalizacibn es la ruptura delos puente$ de hidrógeno y de la estructura superior de la proteína. Las enzimas son proteínas que catalizan reacciones bioquímicas. las enzimas son eficientes y específicas en su acción catalítica. La especificidad est5 dada por su forma inimitable y por sus grupos polares (o no polares) contenidos en el interior de la estructura de la enzima. Algunas enzimas trabajan en unión de un cofactor no proteico, el cual puede ser orgánico o inorgánico.

PROBLEMASDEESTUDIO 19.1 O. Identifique cada uno de los siguientes aminoácidos ácido, bdsico o neutro: (a) isoleucina; (b) ácidoasphrtico;(c)asparagina;(d)

senna; (e)histidina;

19.1l. Muestre los posibles productos de acoplamiento oxidativo entre el siguiente compuesto:

(f) glutamina.

1.O equivalente de cisteína y

o II

HSCH2C'NHCF1C'0,H

I

C'H2SH

19.1 2. Prediga los productos de reacción de alanina con: diluido;(c)

metano1

+ H$O,

concalor;(d)

(a) HC1 acuoso diluido; (b) KOH acuoso un equivalente de anhídridoacetic0

19.1 3. Sugiera una síntesis para la valina, partiendo del ácido 3-metil-butanoico.D6 la estereoquímica del producto.

19.14. Sugiera una síntesis para la alanina a partir del ácido (R)-láctico (Acid0 2-hidroxipropanoico), empleando una aminación reductiva ¿Cuál es la estereoquímica del producto?

19.1 5. Explique las siguientes observaciones: (a) (b)

1720 cm" (5.81 pm) Aunquelosácidoscarboxílicossaturadosabsorbenalrededorde en el infrarrojo, los aminoicidos no absorben en esta posicibn. Si se acidifica una disoluci6n neutra de un aminokido, entonces el espectro de infrarrojo muestra absorción a 1720 cm-'

19.16. PlaneeunasíntesisdeStreckerpara:(a)fenil-alanina; figuración de los carbonos quirales en los productos?

(b) valina; (c) ~Cuasería la con-


891

19.1 7. Rediga los principales productos orghicos: (a)

( I ) B r , , PBr,

CH3CH,C0,H

(2) NH, en exceso

O

II

(d) (CH3)ZCHCHZCH

+ NH, + HCN

(e) C,H5CH,CHCOzH + CH,OH

I

calor

+ HCI

NH, 19.1 8.Sin consultarel texto, asigne los a siguientes aminoticidos el punto isoelCctricoque les corresponda (1)

(a) cisteína (b) Acid0 asp&rtico (c) prolina (d) arginina

(2) (3)

10.76 6.30

(4)

5.07

2.77

19.1 9. Sin consultarel texto, prediga los puntos isoeldctricos aproximados de cada uno de los siguientes

aminoticidos:(a)serina;

(b) histidina;(c)

kid0gluWco;

(d) glutamina; (e) lisina

19.20. Prediga los principales productos: (a)

H,NCHCO,-

I

+ 1.0 equivalentede HC1”+

CH(CH3)Z

(b)

H,NCHCO,-

I

+ 1.0 equivalentede

HCI-

(CH2)4NH2

(c) +H,NCHCO,H

I

+

1.0 equivalentede NaOH-”+

+

1.0 equivalentedeNaOH”-+

CH(CH,), (d) +H,NCHCO,H

I

(CH2)4NH3+ 19.21. Escribaecuacionespararepresentar:

(a) formaciónde un iondipolardehistidina; (b) los equilibrios entre histidina y agua; (c) lareaccióndehistidinacon HCI acuoso diluido; (d) la reacción de histidina con NaOH acuoso diluido.


Capítulo 19

892

19.22. En lasestructurassiguientes,identifique:

(a) el enlacepeptidico;(b) el aminohcido N-term i d ; (c) el aminoácido C-terminal; (d) ¿Es esta estructura un dipkptido, tri*ptido O tetraNptido? (e) ¿Seria este gptido considerado kido, bhsico o neutro? O

O

II

I1

(CH,),CHCH,CHCNHCHCNHCH,CO,H

I

I

CH,CH,SCH, NH,

19.23. Escribalasestructuraspara:(a)glicil-glicina;

(b) alanil-leucil-metionina.

19.24. D6 el nombre completo y el nombre abreviado de los siguientes pkptidos:

o

O (a)

II

I1

H,NCHCNHCH2CNHCHC'O2H

I

I

CH2C'H(CH,), CH,OH

19.25. D6 las estructuras de las especies iónicas orgbicas pricipales de las siguientes disoluciones: (a) glicil-lisina .enHCI acuoso diluido (b) & doi glicil-gluthico en NaOH acuoso diluido (c) glicil-tirosina en NaOH acuoso diluido

19.2b. Una Droteína globularse hidrolizapor 8cido acuoso. Cuando la mezcla de la reacci6n se neutrdiz6, se desprendi6 amoníaco i,Q& puede deducir acerca de la estructura de observaci6n?

la proteína- de esta

19.27. Cada uno de los siguientes p6ptidos se somete a reacci6n con disoluci6n alcalina de isotiocianato de fenilo, seguida por hidr6lisis ácida. D6 la estructura de los productos: (a)gli-ala(b)ala-gli

(c) ser-fen-met

19.28. Cada uno de los p6ptidos del Problema 19.27 se trata con la enzima carboxipeptidasa.

¿QUI?

productos se forman?

19.29. La bradiquinina es un nonapéptido que causa

dolor, que liberan las globulinas en el plasma La hidr6lisis parcial de la sanguíneo, como respuesta a las toxinas de la picadura de avispa. bradiquinina produce los siguientes tripéptidos: arg-pro-pro pro-fen-arg gli-fen-arg ser-pro-fen fen-ser-pro pro-pro-gli pro-gli-fen

~ C u 6es l la secuencia de aminoácidos enla bradiquinina?


893

19.30. Un químico decidi6prepararel dip6ptidoval-ala por la siguiente secuencia dereacciones. Usando y diga qu6 productos posiblesse obtuvieron f6rmulas estructurales escriba la serie de reacciones

en cada caso. (a) val SOCI, (b) [producto(s)de(a)]

+

+ ala

19.31. A partir de aminolcidos monom6ricos, muestre c6mo preparar ala-gli-y fen-val; luego, muestre

c6mo se pueden unir estos dip6ptidos para dar ala-gli-fen-val. (No utilice unasíntesisen

fase

s6lida.) 19.32.

La incorporaci6n de isoleucina enuna proteína se debe a tres codones diferentesen el ARNm: AUU, AUC y AUA.

(a) jQu6 secuencia de bases en el ADN origina estos codones? (b) LCuzilesson los anticodones correspondientes en el ARNt? 19.33. LCua3es de la siguientes características estructurales contribuirtin a la solubilidad en agua de una

proteha?

(a) rica en lcido gluthmico (b) rica en valina (c) formaci6n de paquetes de h6lices (d) fonnaci6n de una helice plegada en una esfera (e) combinaci6n con glucosa (f) combinaci6n con colesterol 19.34.

La came se puedeablandar macerhdola toda la nocheenuna mezcla de vinagre, especias y aZlíCU.

(a) ¿Por qu6 se ablanda la came en este proceso? (b) ¿Podriatemerse el mismo 6xito ablandadorsis610 sacarosa?

se emplearaunasoluci6nacuosade

(o clase de enzimas) con la reacci6n de la derecha que podria catalizar. (Puede haber m& de una respuesta correcta.)

19.35. Aparee cada uno de las siguientes enzimas

Fe3+ (1) Fe2+ (2) separaci6n aminolcido delN-termind de una protefna (c) a-l,4-glucan-4-glucano hidrolasa (3) sacarosa fructosa-glucosa (4) glucosa 6-fosfato ___) glucosa aminopeptidasa una (d) glucosa (5) celulosa oxidasa (e) una (f) fosfohexosa isomerasa (6) glucosa amilosa (7) glucosa 6-fosfato __I) fructosa 6-fosfato (a) una fosfatasa (b) una glicosidasa

19.36. ~Cufdde los siguientes compuestos sería m8s probable que inhibiese la incorporaci6n enzimática del lcido nicotinico (kid0 3-piridincarboxílico)al NAD+?

(a) piridina adenina (d) 19.37.

(b) 3-piridinsulf6nico &ido (e) lcido ac6tico

(c) 3-metil-piridina

(fl mal6nico ácido

El trip6ptido piroglutamil-histidil-prolinamidase somete a la hidr6lisis completa con HCI y H,O ¿Cud es la estructura de cada producto?

19.38. Un p6ptido que contiene un equivalente de cada uno de los siguientes:

tenía aminohcido C-terminal N-terminal. Explique.

tu, ile, gli, arg y cis no

Capitulo 19

894


19.39. Sugiera una raz6n para las diferencias en los puntos isoel6ctricos de (a) lisina (9.74) e histidina (7.59), y (b) lisina y arginina (10.76). 19.40. Un aminoácido con configuraci6n (R),o D, en el carbono a. no se puede incorporar enzimáti-

camente a las proteínas. Muchos D-amindcido oxidasa.

D

aminoácidos se oxidan en una reacci6n catalizada por

CO, H

CO, H

K

R

Esta reacción catalizada enzimáticamente es muy lenta para L-aminoácidos, ácido D-gluthnico, d i s i n a , y ácido D-asp&tico. La reacci6n es rápida para D-prolina, D-alanina, D-metionina y Dtirosina (a) ¿Diría que las diferencias en la velocidad de reacción se deben a impedimento estérico o a efectos electr6nicos? (b) que el sitio de unión en la enzima es polar o no polar? (c) ¿Cuál sena mas probable que sufriese oxidación enzimática con mayor velocidad la Dcisteína o la D-arginina? 19.41. En la anemia celular falciforme, la valina sustituye a una unidad de ácido glutámico de la hemoglobina normal. El ácido glutámico tiene dos codones (GAA y GAG), mientras que la

valina tiene cuatro (GUU, GUC, GUA y GUG). Postule el cambio genético que explique la anemia celular falciforme. 19.42. ' L a hidrólisis total de un nonapépphdo acíclico, produce una mezcla de la ala,asp, glu, gli, leu, lis,

fen, tir y val. El análisis del residuo terminal muestra que el ammoácido N-terminal es val y el aminoácido C-terminal es gli. La hiddlisis parcial con quimotripsinu, la cl;d cataliza de preferencia la ruptura en el grupo carbonilo de fen o tir, da entreotros productos un pentapkptido y un tetrap6ptido. El tetrapéptido se hidroliza parcialmente a tres dip6ptidos. Un dipéptido contiene ala y gli; el segundo contiene asp y tir; y el tercero contiene asp y ala. La hidr6lisis parcial del nonapkptido con tripsinu, la cual cataliza la ruptura en el grupo carbonilo de lis, da un pentapkptido y un tetrap6ptido. El contenido de aminoácidos del tetrap6ptido es glu, leu, lis y val. ¿Cuáles son las dos posibles estructuras del nonapéptido? ¿Cómo podrían diferenciarse? 19.43. En los mm'feros, la arginina sufre una hidrolisis parcial enzimática a urea (H&C = O, que se excreta en la orina, y un aminoácido básico, llamado ornitina. ¿Cuál es la estructura de la

ornitina? 19.44. El tratamiento de la ornitina (Problema 19.43) con una disolucidn alcalina de H,N-CN da arginina. Sugiera un mecanismo para esta reacción. (Sugerencia: su primer paso debe ser la

asignación de cargas parciales

?I+ y 6 -

a los átomos.)

19.45. El glutation es un tripkptido que se encuentra en la mayor parte de las células vivas. La hidr6lisis parcial da cis, glu, gli, glu-cis y cis-gli.

(a) (b)

LCuál es la secuencia de aminoácidos en el glutatión? Se ha descubierto que el ácido glutámico forma un enlace peptidic0 en el glutatión con el grupo carboxilo de la cadena lateral, más que con el carboxilo adyacente al grupo amino. ¿Cuál es la fórmula estructural del glutatión?

CAPíTULO 20

Lípidos y compuestos naturales relacionados

U

n lípido se define como uncompuesto orgánico de origen naturalque es insoluble en agua ysoluble en disolventes orgánicos no polares, tales como un hidrocarburo o eter dietílico. Esta definición suena como si pudiese incluir muchos tipos de compuestos, y en realidad los incluye. Las distintas clases de lípidos se relacionan entre sí por esta propiedad física compartida; pero sus relaciones químicas, estructurales y funcionales así como sus funciones biológicas, son distintas. Discutiremos aquí las clases de compuestos usualmenteconsideradoscomo lípidos: grasas y aceites, terpenos, esteroides y algunos otros compuestos de interés. (Para los terpenos y esteroides se usan generalmente f6rmulas de líneas, qomo muestran los siguientes ejemplos. Estas fórmulas se presentaron en la Sección 9.16.)

una grasa, o triglirérido

mentol un terpeno

colesterol un

esteroide

896

Capitulo 20

Lipidos y compuestos naturales relacionados

S E C C I ~ N20.1.

Grasas y aceites L a s grasas y aceites son triglidridos o triacilgliceroles, términos que significan triésteres del glicerol. La distinci6n entre grasas y aceites es arbitraria: a la temperatura ambiente una grasa es sólida y un aceite es líquido. La mayor parte de los glicéridos son grasas en los animales, mientras que en las plantas tienden a ser aceites; de aquí los términos grasasanimales (grasa de cerdo, grasa de ternera) y aceites vegetales (aceite de maíz, aceite de cártamo). El ácido carboxílico quese obtiene por hidrblisis de una grasao aceite se llama ticido graso, y tiene por lo general unacadena larga de hidrocarburo sin ramificaciones. Las grasas y aceites se nombran frecuentementecomo derivados de estos ácidos grasos. Por ejemplo el triestearato de glicerol se llama triestearina, y el tripalmitato de glicerol se llama tripalmitina.

CH20H glicerol

triestearina (triestearato de glicerilo) una grasa

hcido estehico

un dcido graso

típica

L o s ácidos grasos tambih se pueden obtener de las ceras, tal como la cera de abejas. En estos casos, el Bcido graso se encuentra esterificado con un alcohol sencillo de cadena larga. C25H51C02C28H57

C2,H,,C02C32He,,

en la cera de abejas

en la

cera de carnauba

C1SH31CO2ClhH33 palmitato de cetilo

en la esperma de ballena

La mayor parte de las grasas y aceites que se encuentran en la naturaleza son triglicéridos mintos, es decir las tres porciones de ricido graso del glic&ido son diferentes. La Tabla 20.1 contiene una lista de algunos ácidos representativos y la Tabla 20.2 muestra la composición en ácidos grasos de algunos triglicéridos de plantas y animales. Casi todos los ácidos grasos que se encuentranen la naturaleza tienen un número par de átomos de carbono, porque se biosintetizan a base del grupo acetilo de dos carbonos de la acetil coenzima A . dos carbonos

un número par de carbonos

\

\

.Q

"4.

8G&d=-SCoA . . acetil coenzima A

muchos pasos

---

CH3(CH,),,C02H palm'tico &cid0

La cadena de hidrocarburosde un ácidograso puede ser saturada o puede contener dobles enlaces. El ácido graso más ampliamentedistribuido en la naturaleza es el ácido oleico, que contiene un doble enlace. Los ácidos grasos con más de un doble enlace

Grasas y aceites Secci6n

20. l .

897

TABLA 20.1. Acidos grasos seleccionados y sus fuentes

Nombre del &ido

Estructura

Fuente

Saturados: butírico

grasa de leche

CH,(CH,),CO,H

grasas animales

Y de plantas

CH,(CH,),,CO,H

esteiuico

grasas animales

Y de plantas Insaturados: palmitoleico CH,(CH,),CH=CH(CH,),CO,H

grasas animales

Y de plantas CH,(CH,),CH=CH(CH,),CO,H

oleico

grasas animales

Y& plantas aceite de plantas CH,CH,CH=CHCH,CH=CHCH2CH=CH(CH2)7COzH aceite de linaza

CH,(CH,),CH=CHCH,CH=CH(CH,),CO,H

linoleico linol6nico

TABLA 20.2.

Composici6n aproximada en Acidos grasos de algunas grasas y aceites comunes Composici6n (%y

Fuente

palmítico

estecirico

aceite de maíz soyade aceite cerdo de manteca mantequilla humanagrasa

10 10 30

55

25 25

10 8

oleico linoleico

5

45 25

15

45 35 46

38 5 -

10

“Tambih se encuentran otros dcidos grasos en menores cantidades

,

no son raros, particularmente en los aceites vegetales; estos aceites son los llamados poliinsaturados. La configuracidn alrededor de cualquier doble enlace de un & doi graso natural es cis; configuraci6n que conduce a aceites de bajo punto de fusi6n. Un Acid0 graso saturado forma cadenas en zigzag, que se ajustan de forma compacta y producen altas

898

Capítulo 20

Lfpidos y compuestos naturales relacionados

Un triglicerido saturado:

CH,O,C AAAAAAA/

a

I

CH0,C L202CW "

se puede ajustar en

red s6lido

UM

Un triglicerido insaturado.

\

/ M

se ajusta tan bien en U M red sdlido

FIGURA 20.1. Las formas de los trigliceridos saturados e insaturados. Adaptado de Introduction to Organic and Biochemistry, 3a. ed., por William H. Brown y Judith A. McClarin (Willard Grant Press,Boston, 19811.

atracciones de van der Waals; por consiguiente, las grasas saturadas son s6lidas. Si hay algunos dobles enlaces cis en la cadena, lasmolkulas no pueden formar una red compacta sino que tiendena enrollarse; los triglictridos poliinsaturados tienden a ser aceites. En la Figura 20.1 se muestran los modelos de dos tipos de cadenas. Los triglictridos son una de las tres clases principales de alimentos, siendo las proteínas y los carbohidratos lasotras dos. Como fuentes de energía, los triglictridos son los m& eficientes: proporcionan 9.5 caYgr, mientras que las proteínas proporcionan 4.4 c a g r y loscarbohidratos 4.2 caYgr. En un organismo, las grasas ingeridas se hidrolizan a monoglictridos, diglicta travts de la pared ridos, Acidos grasos y glicerol, todos los cuales se pueden absorber intestinal. El organismo (1) emplea estos materiales hidrolizados o parcialmente hi(2) transforma los Acidos grasos en otros drolizados para sintetizar sus propias grasas;

jabones y detergentes

Secci6n 20.2.

899

compuestos, tales como carbohidratos o colesterol; (3) convierte los hcidos grasos en energía CH,O,CR

CH,O,CR

I CH0,CR I

H,O

~

enzimas

CH,O,CR

CH,O,CR

I CH0,CR + I

I + CHOH +

CH,OH

CH,OH

I

I

CH,OH un diglickrido

CH,OH

I CHOH

un monoglickrido

glicerol

RC0,H

un k i d 0 graso

S E C C I ~20.2. N

Jabones y detergentes La palabra suponijicur significa hacer jab6n. La saponificaci6n de un tster con NaOH da la saldesodiode un hcido carboxílico (Secci6n 13.5C). La saponificaci6n de un triglicdrido da la sal de un hcido graso de cadena larga, que es un jab6n. Los pioneros norteamericanos emplearon grasa de ternera o de cerdoy cenizas de leña (que contenian sales alcalinas como K,CO,) para hacer jab6n. (Julio Cesar comunic6 que las tribus teut6nicas de su era hacían jab6n de esta manera.) Saponificaci6n:

CH202C(CH2),6CH3

I CHOZC(CH2),,CH, I

+ 3 NaOH

Calor

I I

CHOH CH,OH

CH202C(CHZ)16CH3

glicerina

CH,OH

+ 3 CH3(CH,),,C0,-

Na’

estearato de sodio

hiestearina

un j a n

Una molkula de jab6n contiene una cadena de hidrocarburos largay un extremo i6nico. La porci6n hidrocarburo de la moltcula es hidrof6bica y soluble en sustancias no polares, mientras que el extremo i6nico es hidrofílico y soluble en agua. A causa de la cadena de hidrocarburos, la moldcula de jab6n no esrealmente soluble en agua. Sin embargo la molkula de jab6n se suspende en el agua con facilidad, porque forma micelas, racimosdecadenasdehidrocarburosconsusextremosidnicosorientados hacia el agua (Figura 20.2). agua e iones de Na+

co;

COT

co;

FIGURA 20.2. Una micela de los iones alquilcarboxilato de un jab6n.

900

Capitulo 20


El valor del jab6n consiste en que es capaz de emulsionar la suciedad aceitosa para que se pueda lavar. La capacidad para actuar como agente emulsionante se origina en dos propiedades del jab6n. Primero, la cadena de hidrocarburos de la molécula de jab6n se disuelve en las sustancias no polares, tales como las gotitas de aceite. Segundo, el extremo ani6nico de la molécula dej a b h , que se atrae con el agua, se repele con los extremos ani6nicos de otras moléculas de jab6n que sobresalen de tales gotas de aceite. A causa de las repulsiones entre las gotitas de aceite y el j a b h , Cstas no se pueden unir y permanecen susmndidas. en agua jabonosa, las gotitas de aceite se repelen entre sf debido a lar cargas similares de los grupos carboxilato del jab6n

Una desventaja de los jabones es que forman sales insolubles con los Ca2+ iones , Mgz+,y otros que se encuentran en el agua dura. (El “ablandamiento” del agua implica el intercambio de esos iones por Na+.) 2 CH,(CH,),,CO,Na

+ Caz+

estearato de sodio

-

de

[CH,(CH,),,CO,],Ca estearato

+ 2 Na+ \

calcio

insoluble

La mayor parte de los productos de lavandería y muchos de los jabones de baño y el champú no son jabones, sino detergentes. Un detergente es un compuesto con un extremo hidrocarburo hidrof6bicoy otro iónico de sulfonatoo sulfato. A causade esta estructura,el detergente tiene las mismas propiedades emulsionantesunde jab6n. La ventaja del detergente es que la mayor parte de los alquil-sulfonatos o sulfatos methlicos son solubles en agua; los detergentes no precipitan con los iones metAlicos del agua dura. Uno de los primeros detergentes de uso común fue un alquil-bencen sulfonato altamente ramificado. La porci6n alquílica de este compuesto se sintetiza por polimerizaci6n del propileno,y se une al anillo bencbnico por una reacciónde alquilación de Friedel-Crafts. La sulfonaci6n, seguida de tratamiento con base, da el detergente. 4 CH,=CHCH,

plimeriZaci6n _ _ _ f

“tetrapropileno”

Na CO 2

SO,H

Aunque los microorganismos en los tanques skpticos o en las plantas de tratamiento de aguas residuales pueden degradar grupos alquílicos de cadena continua en molCculas orgfinicas mhs pequeiías, no pueden degradar cadenas ramificadas. La raz6n

SecciOn 20.3.

Fosfolípidos

901

para esta diferencia en la biodegradabilidad esui en que los hidrocarburos de cadena larga se degradan en dos carbonos cada vez, a travCs de un cetdster. La ramificaci6n interfierecon la formaci6ndel grupo cetona y bloquea la secuencia entera. (FAD, NAD+ y HSCoA, mostradosenlaecuaci6nsiguiente, se explicanenlassecciones 13.8 y 19.14B.) O

O

I1

x

RCH,CH,CSCoA OH

I1

FAD

RCH=CHCSCoA

O

I

O

It

NAD'

RCHCHlCSCoA RCCH~CSCOA

11

O+

O

0

11

HSCoA A

O

11

RCSCOA

It

++ CH~CSCOA

dos carbonos eliminados

Con el fin de impedir que los detergentes se acumulen en los ríos y lagos, hoy endíasepreparandetergentesbiodegradables.Untipodedetergentebiodegradable es un alquil-bencensulfonato con una cadena continua en vez de una cadena ramificada. Otro tipo de detergente biodegradable es un alquil-sulfato de cadena continua. CHJ(CH2),,CH20S03- Na' un detergente alquil-sulfato

~


Escribalasecuacionesparalasecuenciadereaccionesqueconvertiríanlatrioleínaen detergente de alquil-sulfatode sodio.

un

SECC16N 20.3.

Fosfolípidos Los fosfolípidos son lípidos que contienen grupos que son ésteres del ficido fosf6rico o fosfatos. Los fosfoglicbridos son un tipo de fosfolípidos, íntimamente relacionados conlasgrasas y aceites.Estoscompuestosusualmentecontienenésteresdeficidos grasos en dos posiciones del glicerol y un éster fosfato en la tercera posici6n. O O

I1

R'CO-C

O

It

CH,OCR

I

-

N cuaternario

H

\

CH,OPOCH,CH,&(CH,),

It

O una lecitina o fosfatidilcolina

O

I1

II

CH,OCR

I

R'CO-C-H

N primario

CH,OPOCH,CH,kH,

It

o una cefalina o fo$atidiletmolamina

902

Capitulo 20

lfpidos y compuestos naturales relacionados

Las lecitinas y las cefalinas son dos tipos de fosfoglicCridos que se encuentran principalmente en el cerebro, células nerviosas, hígado de animales, en la yema de huevo, germen de trigo, levadura, aceite de soya y otros alimentos. Estos dos tipos de compuestos son semejantes en estructura. L a s lecitinas son derivados del cloruro de colina HOCH,CH,N(CH,),+Cl- , que interviene en la trasmisi6n de los impulsos nerviosos. Las cefalinas son derivados de la etanol-amina HOCH,CH,NH,. plasmal6genos, que Otrasclasesdefosfolípidosestanrepresentadasporlos tienen grupos viniléter en vezde Cster en elcarbono 1 del glicerol,y los esfingolípidos, de los que la esfingomielina es un ejemplo. La esfingomielina es un fosfato, no del glicerol, sino deun alcohol alílico de cadena larga conun grupo amida en la cadena lateral. O CH,OCH=CHR

II I

R'COCH

I

Y-

CH,0POCH,CH2kH3

II

O un plasmaldgeno CH3(CH2)12\

C

/ H

I1

'H

C

'CHOH

I 7

CHNHC(CH,),,CH,

I

7-

CH,0POCH,CH,~(CHJ3

II

O esfingomielina un esfingolipido


L a hidrblisis de la esfingomielina da Acid0 fosf6ric0, colina y un ticido graso de 24 ca;bonos y esfingosina. iCuQ es la estructura de la esfingosina?

Como los jabonesy los detergentes, los fosfolípidos contienen grupos de hidrocarburos de cadena larga, hidrof6bicos. El extremo fosfato-amina de un fosfolípido es hidrofílico. A causa de estas características estructurales, los fosfolípidos son excelentes agentes emulsionantes. En la mayonesa, los fosfoglic6ridos de la yema de huevo mantienen el aceite vegetal emulsionado en el vinagre. Existe mucho inter& en los fosfolípidos a causa desu existencia en las cklulas nerviosas y en el cerebro. Se conocen algunas funciones biol6gicas de estos compuestos, pero todavía hay mucho que aprender acerca de su papel en los sistemas biol6gicos.

Secci6n 20.4.

Prostaglandinas

903

Se conoce, por ejemplo, que los fosfolípidos son importantes en la acci6n de las membranas celulares. Estas membranas e s t h formadas por proteínas asociadas con una doble capa de molkulas de fosfoglicCrido con sus extremos hidrof6bicos hacia adentro y sus extremos hidrofilicos hacia afuera. Esta doble capa ayuda a formar una barrera, que permite el paso selectivo de agua, nutrientes, hormonasy desechos hacia fuera y hacia dentro de lacClula (Figura 20.3). Se piensa que los esfingolípidos, como

-

extremos idnicos

extremos de

hidrocarburos

H2O FIGURA 20.3. La doble capa de fosfollpidos en una membrana celular.

la esfingomielina, contribuyen a fortalecer la cubierta de mielina (cblula nerviosa) por entrelazamientode sus cadenasde hidrocarburos. Se piensa tambiCn que los fosfolípidos actúan como aisladoreselktricos para las ctlulas nerviosas. Las cubiertas de mielina de los pacientes con esclerosis múltiple(y otras enfermedades que afectan estamembrana) son deficientes en cadenas largasde hidrocarburos. SECC16N 20.4.

Prostaglandinas Una de las h a s m& excitantes de la investigaci6n bioquímica en la actualidad es la de las prostaglandinas. Estos compuestosse descubrieron en el semeny se reconoci6 que se sintetizaban en la pr6stata (de aquí el nombre). Ahora sabemos que las prostaglandinas se encuentran en todo el cuerpoy se sintetizan en los pulmones, hígado, úter0 y en otros 6ganos y tejidos. Todavía se desconoce c6mo actúan las prostaglandinas. Se piensa que son moderadores de la actividad hormonal en el cuerpo, &ria que explica sus efectos bio16gicos de largo alcance. Por ejemplo, la administraci6n de dosis extremadamente y puede pequeñas de algunas prostaglandinas estimula las contracciones del úten> producir aborto. La descompensaci6n de las prostaglandinas puede originar nauseas, diarrea, inflamacitin, dolor, fiebre, desbrdenes menstruales, asma, úlceras, hipertensibn, somnolencia o co6gulos sanguíneos. Se sabe que la aspirina interfiere en la biosíntesis de las prostagiddinas. Supuestamente, la disminuci6n de velocidad de fomaci6n de prostaglandinas trae como resultado la reducci6n de la fiebrey el alivio del dolor. Aunque las estructuras de las protaglandinas no son especialmente complejas, Cstasno fueron determinadas sino hasta 1962. Las prostaglandinas son Bcidos car-

904

Capitulo 20


boxílicos de 20 átomos de carbono, que contienen anillos de ciclopentano. Se biosintetizan a partir de ácidos insaturados de 20 átomos de carbono (una raz6n por la cual las grasas insaturadas son necesarias en una dieta balanceada).

T&" "G,,

m

/ A

H

PGE,

1

Lido (8Z,1 lZ, 14Z)-eicosatrienoico (llamado también ácido homo-y-linolénico;

H

A

kid0 (SZ,SZ,l lZ,14Z)eicosatetraenoico (Lido araquid6nico)

H

OH PGF, o

e s H H

"'OH

PGE,

\ +

* H

""OH PGF,,

Hay variasprostaglandinas conocidas; pero las cuatro mostradas como productos en las ecuaciones precedentes son'las más comunes. Aunque similares en su estructura, las prostaglandinas difieren en (1) el número de dobles enlaces, y (2) en si la porción del ciclopentano es un diol o un ceto alcohol. Los términos PGE,, PGF,,, PGE, y PGF, son los símbolos de estos compuestos. PG significa prostaglundina, E significa ceto alcohol, F significa diol. Los números del subíndice se refieren al número de dobles enlaces. (Por ejemplo 1 significa un doble enlace.) El subíndice 01 se refiere a la configuraci6n del - O H en el carbono 9 (cis a la cadena lateral con el carboxilo). La biosíntesls de las prostaglandmas probablemente transcurre a través ¿íe un mecanismo de radicales libres. La sustraccih del hidr6geno doblementealílico, seguida por una trasposici6n alílica del doble enlace, lleva al ataque de un radical oxhidrilo en el 6tomo de carbono 15 del ácido graso.

HO

Terpenos

Secci6n 20.5.

905

El oxígeno se adiciona alos carbonos 9 y 11 y se forma el anillo de ciclopentano. La oxidación de este per6xido intermediario lleva al ceto alcohol, mientras que la reducción lleva al diol.


iQu6productosesperm’adelaoxidacióncon

KMnO, acuosocalientede(a)

PGE, y (b)

PGF,,?

SECCldN 20.5.

Terpenos L o s componentes olorosos de las plantas, que pueden separarse de otros materiales de las plantas por destilación con vapor de agua, se llaman aceites esenciales. Muchos aceites esenciales, tales como los de las flores, se usan en perfumes. La mayor parte de los aceites esenciales son mezclas de terpenos, una clase de productos naturales que se encuentra en las plantas y los animales. El nombre deriva de trementina (en inglés: turpentine), que es rica en terpenos. Todos los terpenos parecen haber sido construidos por unibn de unidades de isopreno cabeza a cola. La cabeza es el extremo más prciximo a la ramificación del metilo. Los terpenos contienen dos, tres, o más unidades de isopreno. Sus moléculas pueden ser de cadena abierta o cíclica. Pueden contener dobles enlaces, grupos oxhidrilo, grupos carbonilo u otros grupos funcionales. Una estructura del tipo terpeno que contenga otros elementos aparte de C y H se llama un terpenoide.


Capitulo 20

906

cabeza

cola

\ isopreno cola

cabeza

un terpeno A /’

cola

cabeza

Aunque la idea es razonable, los terpenos no se originan por polimerizaci6p del isopreno. El primerpasoen la biosíntesis deterpenos es unacondensacibnestkrica enzimtitica delgrupo acetilo de la acetil-coenzimaA. Los intermediarios en la formaci6n de terpenos sonlos pirofosfatos (difosfatos) del 6cido meval6nico y un par de alcoholes isopentenííicos. Una ruta biosint6tica abreviada a los terpenosy al colesterol semuestra en la Figura 20.4. (Los grupos fosfato no se muestran en la Figura.) O

I1

3 CH,CSCoA acetil-ccenzima A

CH2C0,H ‘\ / C-OH

tt3C lnuchos pasos A

-CO,

”

I

-H,O

CH,

I1 I I

\ -

CHzOPOPOH

I ¡

o- opirofosfato de dcido meval6nico

I‘ C /\ k.1

o o I1 / I

CH,OPOPOH I I

o- 0 -

+

‘

o 0 I1 I I

CH,OPOPOH

pirofosfatos de isopentenil 0

I

I

o -o

lerpenos

I

CHZCO2H H,C '&OH acetil-coenzima A

I

y

-H20+ -coz

Secci6n 20.5

y,:,,,

2

+

A

CH20H

isopentenflicos alcoholes

CH20H kido meval6nico

se combinandosunidades

geraniol

907

I

farneesol

se combinandosunidades

I

(muchos pasos)

cola con cola

lanosterol escualeno

&

HO

colesterol un esteroide

FIGURA 20.4. Pasos abreviados de la biosfntesis a partir de la acetil-coenzima A al colesterol. (La conversidn de escualeno a lanosterol, incluyendo la estereoquimica, se muestra en la Figura 20.5.)

Capitulo 20

908

Lipidos y compuestosnaturales relacionados

L o s terpenos se clasifican de acuerdo al número depares de unidades de isopreno que contienen:

dos unidades de isopreno

monoterpenos: sesquiterpenos: diterpenos: triterpenos: tetraterpenos:

A.

tres unidades de isopreno

cuatro unidades de isopreno seis unidades de isopreno ocho unidades de isopreno

Monoterpenos

Los monoterpenos, con esqueletos que contienen s610 dos unidades de isopreno, son los terpenos mássencillos. Sin embargo, los monoterpenos tienenestructuras variadas. Aunque algunos terpenos y terpenoides, como el geraniol, se encuentran en un gran número de organismos, hemos indicado aquellas fuentes que son especialmente ricas en los compuestos siguientes. Monoterpenos aciclicos:

O

PHzoH I

x

geraniol

citral

(geranial)

zacate o hierba de limdn

en las rosas

Monoterpenos ciclicos:

mentol

limoneno en frutoscítricos

alcanfor en la menta

deldrbol

del alcanfor

PROBLEMA DE ESTUDIO Señale las unidades de isopreno en el citral

y el alcanfor


Señalelasunidadesdeisoprenoenelmentol

y enelu-pineno

a-pineno (en la esencia de trementina)

SeccMn Terpenos

20.5.

909

Los sistemas anulares puenteados, tales como el del alcanfor v el a-pineno. no son poco comunes en los terpenos. El alcanfor es un ejeiñplo de Ün compuesto con un esqueleto de biciclo [2.2.1] heptano. El prefijo biciclo se refiere al sistema, en el que dos anillos comparten dos o más átomos de carbono entre ellos (es decir anillos condensados). Los números [2.2.1] representan el número de átomos de carbono en cada “brazo” del sistema de anillos. (Un brazo está constituido por los átomos de carbono entre los carbonos cabeza de puente.)

o d} a} un C

n carbonos cabeza de carbonos puente /

L

dos C C

{{

/

dos dos C C

biciclo [2.2.1] heptano (norbomano) LOS sistemas puenteados son inestimables para estudios mecanísticos, porque los anillos están congelados en una conformación. Por ejemplo, el anillo de seis miembros del alcanfor está congelado en forma de bote, mas bien que en la forma usual de silla. A no ser que el tamaño de los anillos sea bastante grande, los anillos con puente deben tener unioneS 4 s entre ambos. La superposición de orbitales para formar uniones de anillo trans sería estéricamente imposible.

la forma truns es demasiado tema para existir

Otra restricción de los anillos puenteados, la llamada regla de Bredt, es que el carbono cabeza de puente no puede formar parte de un doble enlace. Un modelo de un sistema con puente, tal como el del alcanfor o el del pineno, demostrará que la geometría es incorrecta para la superposición de orbitales p. La regla de Bredt no se aplica a un sistema de anillos condensados que comparten solo dos carbonos o a anillos grandes, que pueden acomodar un doble enlace trans.

c=* H

estable

no puede existir doble enlace aquí

B.

Terpenossuperiores

Hemos seiialado varios ejemplos de monoterpenos, que son comunes en las plantas. Algunos terpenossuperioresde interés son el escualeno que se encuentra en la levadura, germen de trigo, y el aceite de hígado he tiburón, y el lanosterol (un componente de la lanolina, que se obtiene de la grasa de lana). Ambos compuestosson intermediarios en la biosíntesis de esteroides. La conversi6n del escualeno en lanosterol es un punto importante que se explicará brevemente (Figura 20.4 20.5). El hule o caucho natural (Sección 9.17B) es un politerpeno que ya hemos tratado.

91o

Capitulo 20


La zanahoria contiene un tetraterpeno de color naranja, llamado curoreno. (Si una persona come demasiada zanahoria, el dep6sito de caroteno dar6 color naranja a su piel. Sin embargo con el tiempo se cura esta condici6n.) El caroteno puede desdoblarse enzimiiticamente en dos unidades de vitamina A. (El papel de la vitamina A en la visión se estudiará en el Capítulo 21.)

p-caroteno un tematerpeno de

color naranja

CH,OH 2 Vitamina A toda-mans

C. Reaccionesde los terpenos Los terpenos sufren las reacciones típicas de sus grupos funcionales. Por ejemplo, puede ocurrir la adici6n a los dobles enlaces de los alquenos. PROBLEMA MODELO Pronostique el producto de adici6n de HCl al limoneno (recuerde la regla de Markovnikov). Soluci6n:

Las estructuras de los terpenos contienen 6tomos de carbono secundarios y terciarios y con frecuencia dobles enlaces. La adici6n de H' al doble enlace puede llevar a un carbocatión, que puede sufrir una trasposici6n a uncarbocatión mas estable (Secci6n 5 .a). Las trasposiciones de esqueletos de terpenos son muy comunes. Por ejemplo, la adici6n de HC1 al a-pineno no da un producto con el sistema de anillo de a-pineno intacto. Ensulugarse obtiene clo-o de bornilo, un sistema cíclico de bornano .

a-pineno

cloruro de bornilo

Terpenos Secci6n

20.5.

91 1

La secuencia de reacciones que llevan del escualeno al lanosterol, y que ocurre en la biosíntesisde esteroides, muestra muchas de las características de lasciones reac es la formaci6n de terpenos. Esta secuencia se muestra en la 20.5. FiguraEl primer paso y se abre el enzimhtica de un ep6xido. Luego, el oxígeno del ep6xido se prctona, anillo del ep6xido, formando un carbocati6n. La formaci6n de estc. carbocati6n pone en movimiento una sene concertada de desplazamientos electr6nicos que conduceal cierre de cuafro anillos formando el sistema de anillos de un esteroide. El cierre de Formaci6n de epdxido y protonacibn:

\

se epoxila aquí

cartmcatidn

I

912


Capitulo 20

los anillos es seguido por los desplazamientos de hidruro y de metilo, para dar el lanosterol. iEs asombroso que esta secuencia entera sea catalizada por unasola enzima, la ciclasa del óxido de escualeno! SECC16N 20.6.

Feromonas L o s humanos se comunican conversando, empleando señales, dibujando o escribiendo

cartas (o libros). Pero los insectos y algunos animales se comunican químicamente. Una sustancia química segregada por un individuo de una especie, que produce una respuesta en otros individuos, de la misma especie, se llama feromonas (del griego fero, ‘portador’). Las feromonas de insectos, llamadas feromonas de alarma, significan peligro. Se usan también feromonas para reclutar a otros; por ejemplo, una feromona secretada por una abeja sirve para alertar a otras abejas y encaminarlas a una fuente de alimentos. Los atrayentes sexuales de los insectos son otra clase de feromonas. Cantidades extremadamente pequeñas de feromonas pueden lograr la reacción deseada. Un insecto hembra típico lleva unos lo-’ gramos de atrayente sexual y, sin embargo, es suficiente para atraer a más de mil millones de machos desde kil6metros a la redonda. Una polilla gitana macho puede “oler” a una hembra desde 12 kilómetros de distancia. La química de las feromonas es un campo de investigaciónlleno de posibilidades intrigantes que incluyen el aislamiento de productos naturales, la identificación de estructuras, la síntesis y los estudios biológicos. Es un campo de trabajo que tiene uitilidad práctica inmediata. Por ejemplo, las feromonas atrayentes sexuales han sido utilizadas para controlar la propagación de los insectos. En algunos casos, los insectos machos han sido atraidos por feromonas atrayentes sexuales, luego han sido atrapados y esterilizados, al quedar libres se unen con las hembras sin producir cría. Muchas feromonas de insectos no son de estructura compleja. El geraniol y el citral, terpenos ambos, son feromonas de reclutamiento para las abejas, mientras que el acetato de isoamilo (que no es un terpeno) es una feromona de alarma para las abejas. (El acetato de isoamilo es también el principal componente odorífero del aceite de plátano.) O F H 2 +“O 0 H

x

x

geraniol

citral

/I

CH,COCH,CH,CH(CH,), acetato de 3-metilbutilo (acetato de isomlo)

Los compuestos siguientes son atrayentes sexuales para algunas especies diferentes de insectos: O

O

I1

/\

(,i.s-(CH,)2CH(CH2)4CHCH(~HZ)~CH, cis-CH,(CH,),CH=CH(CH,),OCCH, polilla gitana

oruga de la col

ci.s-CH3(CH2)12CH=CH(CHZ),CH, gorgojo del algodón

mosca casera

Esteroides Secci6n

~~~

20.7.

913

~~


es C,H,,O. Si se trata con I, y NaOH, esta feromona da yodoformo y Acid0 n-hexanoico. ~Cuiiles la estructura de la feromona?

La f6rmula de una feromona de alarma de una especie de hormiga

SECC16N 20.7.

Esteroides Hemos mencionado varias veces los esteroides. Ahora estudiemos m8s detalladamente estoscompuestos. Un esteroide es un compuestoquecontiene el siguientesistema de anillos. Los cuatro anillos se designan comoA, B, C y D. Los carbonos se numeran como se muestra, comenzando por el anillo A , continuando hacia el anillo D, luego los grupos CH, angulares (cabeza de puente) y finalmente, hacia la cadena lateral, si la hav.

colestano

Muchos esteroides se pueden nombrar como derivados de esta estructura, que se llama colestano (Los núcleos de esteroides con diferentes cadenas laterales tienen tambiBn nombres; pero no los presentaremos aquí.

4-colesten-3-ona un esteroide con el esqueleto de colestano

A. Conformaci6ndeesteroides Recuerde que en la Sección 4.5B se explicó que el isómero más estable de un 1,2dialquil-ciclohexano esaquCl que tiene ambos sustituyentes ecuatoriales. Un anillo de ciclohexano rruns-l,2-disustituido puede existir en una conformación preferida, en la que ambos sustituyentes son ecuatoriales, mientras que su isómero cis debe tener un sustituyente axial y otro ecuatorial. El isómero truns es, por consiguiente, el más estable. H H

q:H3 WCH3 mds

H trans (e,e)

estable que

914

Capítulo 20

Lípidos y compuestosnaturalesrelacionados

Un anillo condensado conotro en las posiciones -1,2 puede ser cis o rrans. Las siguientes estructuras representan lacis-,y rrans-decalina. H

tranr-deck:

@

+

o

H Haga modelos para verificar que estas dos f6mulas, representan uniones cis y trans. Alternativamente, compruebe los hidr6genos de los carbonos de uni6n de los anillos. Éstos tambibn deben ser cis en una uni6n de anillos cis o trans en una uni6n B es trans al anilloA, tambiCn el anillo de anillos trans. Observe que cuando el anillo A.es trans al anillo B. H

H B es trans a A

H

H A es tambih trans a B

Como puede verse en las fórmulas de latrans y cis-decalina, la unión de anillos cis es a,e. El idmero trans es mas estable que el isómero cisen aproxmadamente 3 Kcaumol. El núcleo de los esteroides contiene tres uniones de anillos (AID, BIC y (29)Por . lo general, en la naturaleza Bstas son uniones -trans m& estables (Pero encontraremos una excepci6n &S tarde en este capítulo.). trans es e,e; mientras que la uni6n de anillos

uniones de anillo trans

Secci6n 20.7.

Esteroides

Soluci6n: (a) trans; (b) ninguna de ellas (¿por que no?);

(c) trans; (d)

915

ninguna de ellas.

Los grupos sustituidos en el sistema de anillos del esteroide pueden estar debajo o arriba del plano del anillo, tal como suele dibujarse el sistema de anillos. Un grupo

que est6 debajo del plano (trans alos grupos metiloangulares) se llama grupo a, mientras que el que se encuentra arriba del plano (cis a los grupos metilo angulares) se llama grupo p. (No confunda el uso de a y p con su empleo en la quimica de los carbohidratos, donde s610 se refiere a los grupos en el carbono anom6rico. En ambos grupos de compuestos p denota, sin embargo, un grupo proyectado hacia arriba en la f6rmula conformacional usual, mientras que a denota un grupo proyectado haciaabajo.) grupos

metik~angulares

Los tkrminos a y p sepuedenemplearen los nombresde los esteroides para designar la estereoquímica de los sustituyentes. En el nombre, a o p siguen inmediatamente al número de la posici6n del sustituyente.

O 17a-etinil-17f3-hydroxi-4estren-3-ona anticonceptivo oral, 1 M o usualmente noretin drona


Dibujelas f6mulas confomionales de: (a) colestano

20.7.

(b) 3a-colestanol (c) noretin drona

¿Cud es el is6mero m& estable, el 3a-colestanol o el3P-colestanol? ¿Por que?

916

Capitulo 20

lípidos y compuestosnaturalesrelacionados

B. Algunos esteroides importantes El colesterol es el esteroide animal m h difundido y se halla en casi todos los tejidos animales. Los ciilculosbiliareshumanos y lasyemasdehuevosonespecialmente fuentesricasdeestecompuesto. El colesteroles un intermediarionecesarioen la biqshtesis de hormonas esteroidales; sin embargo, ya que puede sintetizarse a partir de la acetil-coenzima A , no es una necesidad en la dieta. Altos niveles de colesterol en la sangre esth asociados con la arterioesclerosis (endurecimiento de las arterias), estado en el que el colesterol y otros lípidos recubren el interior de las arterias. EstA todavía en controversia si el nivel de colesterol en la sangre se puede controlar por la dieta.

colesterol (5-colesten-3f"o

Un esteroide relacionado con el colesterol, el 7-deshidrocoZesferol,que se encuentra en la piel, se convierte en vitamina D cuando se irradia con lui ultravioleta. Esta reacci6n es explicada en la Secci6n 17.5. La cortisona y el cortisol (hidrocortisona) son dos de las 28 o m k hormonas segregadas por la corteza de las chpsulas suprarrenales. Ambos esteroides alteran el metabolismodelasproteínas,carbohidratos y lípidosporvíasno esclarecidas por completo. Se empleanextensamenteparatratarinflamacionesdebidas a alergia o a artritis reumdtica. Muchos esteroides relacionados con un grupo carbonilo u oxhidrilo en el carbono 11 tienen actividad similar.

Las hormonassexuales se producenprimariamenteenlos testículos o en los ovarios; su producci6n estA regulada por las hormonas de la hipjfisis. Estas hormonas sexuales imparten las caracterlstcas sexuales secundarias y regulan las funciones sexuales y de reproducci6n. Las hormonas masculinas se llaman colectivamente andr6genos; las hormonas femeninas, estr6genos; y las hormonas del embarazo progestinas. En las hembras embarazadas, la presencia de progesterona suprimela ovulaci6n y la menstruación. Se emplean progestinassinttticas, tales comoel noretindrel (enovid) para suprimir la ovulaci6n, como un mktodo para el control de la natalidad.

Esteroides Secci6n

Andr6genos:

20.7.

917

CH, OH

@ID-*."

O

H z

OH

kStOSklDM

androsterona

la principal h o n n o ~ masculina

forma metabolirada de testosterona

estradiol

Progestinas: CH3 n i

estrona

O

II

CCH,

u

O

progesterona suprime la ovulacidn

noretindrel sinrtrica

una progestina

Los Acidos biliares se encuentran en la bilis, que se produce en el hígado y se almacena en la vesícula biliar. La estructura del &ido c6lic0, el m& abundante de los Acidos biliares, se da a continuaci6n. El ficido c6lic0, así como otros ficidos biliares, A/Bcis i, en vez de la usual uni6n A/B fruns. tieneunauni6ndelosanillos

HOJ y J + t O Z H

CH,

I

unidn cis

I

OH

H OH kid0 d l i ~

"

O

II

unido a un aminoricido

918

Capítulo 20

Lipidos y compuestosnaturales

relacionados

Los iicidos biliares se segregan en el intestino combinados con sales de sodio de la glicina o de la taurina (H,NCH,CH,SO,H). La uni6n entre al iicido biliar y el amino6cido es una uni6n de amida entre el grupo carboxilo del 6cido biliary el grupo amino del aminoAcido. En esta forma combinada kid0 el biliar-atninokido a c ~ para a mantenar emulsionados a los lípidos el intestino, en promoviendo con ello su digestibn. O RCO,H kid0 c6lico

+ H,NCH,C02-

Na'

11

enzimas

RCNHCH,CO,Na'

un agente emulsionante

sal de sodio

de la glicina


iQu6 caracterfsticas estmcturales d e l acid0 c6lico combinado con la glicina permiten que acttie como agente emulsionante?

Resumen Las grasas y aceites son triglickridos: tribsteres del glicerol y Acidos grasos de cadena larga. Generalmente, los aceites (líquidos) contienen m6s insaturaciones que las grasas (s6lidos).Los &cidos grasos contienen un mímero par de Atomos de carbono y dobles enlaces cis. Un jab6n es la sal de un metal alcalino del kid0 graso. Un detergente es una sal de un sulfonato o sulfato, que contiene una cadena larga de hidrocarburo. Las ceras naturales son Bsteres de kidos grasos y alcoholes de cadena larga. Los fosfo@ic6ridos, tales como las lecitinas y cefalinas,por lo general contienen glicerol esterificado con dos Acidos grasos y una fosfatidil-amina. Otros fosfolípidos pueden diferir en estructura, perotodos contienen cadenas largas de hidrocarburo,un grupo fosfato y un grupo amino. Las prostaglandinas,consideradas como moderadoras de la actividad hormonal, un anillo de cicloson ticidos carboxílicos de 20 Atomos de carbono, que contienen pentano, grupos oxhidrilo, uno o 6 s dobles enlaces y a veces un grupo cetona. Se biosintetizan a partir de 4cidos grasos insaturados de 20 &tomos de carbono. Los terpenos que se encuentran en animales y plantas, tienen estructuras de diisopreno, triisopreno etc. No se sintetizan a partir del isopreno sino de la acetilcoenzima A, y son los precursores de los esteroides. Tambitn puede haber grupos funcionales presentes en las estructurasde los terpenos. Una feromona es una sustancia química segregada por un individuodeuna especie (principalmente insectos) que produce una reacción en otro individuo de la misma especie. Las feromonas son, por lo general, de estructura sencilla y se usan para expresar peoligro, alimentos o para actuar como atrayentes sexuales. ~

"

~~

i

919


El colesterol, la cortisona, las hormonas sexualesy los ticidos biliares son todos esteroides, compuestos que contienen el sistema cíclico siguiente:

PROBLEMAS DE ESTUDIO 20.9. Un triglickrid0 mixto contiene dos unidades de Bcido este6rico y una unidad de dcido palmitoleico. ¿ C a e s son losprincipalesproductos orgiinicos que se producencuandoeste triglickido se trata con:

(a) un exceso de NaOH diluido acuoso y calor? (b) H,,cromito de cobre como catalizador, calor y presión? (c) bromo en CCl,?

20.10. LCuAlessonlosproductosprincipalesde la omn6lisis, seguidadeetapa final oxidante de los siguienteskidos grams? (a) kid0 palmítim (b) Bcidopalmitoleico (c) dcidolinoleico;(d) Lido linoltnico?

20.1 l. ~C6modistinguidaquimicamenteentre:(a)tripalmiteína y tripahtoleina; (b) cera de abeja y grasa de reses; (c) cerade abeja y cera de parafina; (d) &ido linoleico y aceite de linaza; (e) palmitato de sodio y p-dedbencen-sulfonato de sodio; (f) aceite vegetal y aceite de motor? trimiristinu, grasa obtenida de la nuez moscada, da S610 un &ido graso, el tccidomirístico. El mismo áado se obtiene a-partir de 1-bromo-dodecano (bromuro de alquilo de 12-carbonos de cadena continua) y malonato de dietilo por síntesis mal6nica. jCu6les son las estructuras del dcido miristico y de la trimiristina?

20.12. La hidr6lisis de la

20.1 3. LCuAlesde los siguientes compuestos mostrarian actividad detergente? CH3 (a)

CH30S03Li

I

(b) CH,(CHz),CH(CH2)20SO3K

20.14. Una grasa de esctructura desconocida se encontr6 que era 6pticamente activa. La saponificaci6n y un equivalentede&ido seguidadeacidificaci6r1,di6dosequivalentesdedcidopalmftico oleico. ~ C u es a la estructura de la grasa?

20.15. Partiendodelatriestearina, pamía una cera.

d m 0 slnico reactivoorgiinico,muestre

por ecuaciones

pre-

Lípidos y compuestos naturales relacionados

capitulo 20

920

20.16. Escriba las estructuras de los productos de hidrtilisis completa de cada uno de los siguientes

fosfoglidridos con NaOH acuoso diluido: CH,(CH2),6CO2CH2 (a)

I

CH3(CH2),CH=CH(CH,),C02CH O -

I

1

CH,0POCH2CHz&(CH3), C1-

II

O

CH,(CH,),,C02CH,

I I

O-

(b) CH3(CH,),CH=CH(CH2),C0,CH

1 II

CH20POCH,CH2&H3 C1O

20.1 7. Los cerebr6sidosson glicoesfingolípidos, que se encuentran en lacubierta de las cClulas nerviosas. ¿QuC kid0 graso y quC múcar se aislm’a de la hidrólisis del siguiente cerebr6sido?

HC

I

CHOH

OH 20.1 8. Indique las unidades de isopreno y clasifique cada estructura como monoterpeno, sesquiterpeno

o diterpeno:

cariofileno (aceite de clavos)

en aceite de Mlsamo

20.1 9. Escriba f6muIas para

(a)bici&

[3.2.0] heptano(b)biciclo

[3.1.1] heptano(c)biciclo

20.20. Nombre los sistemas de anillos siguientes:

P.2.11 octano


20.21. Pronostique los productos posiblesde eliminaci6n E2de los siguientes halogenms de alq d o :

v

20.22. La estructura de la feromona de reuni6n del escarabajo horadador de corteza es la siguiente:

A LCuiIes son los productos orgAnicos de su reacci6n con (a) exceso de Br, en CCl,; (b) exceso de HBr gaseoso (en ausencia de O, o per6xidos); (c) disoluci6n de KMnO, caliente? 20.23. Diga si los sustituyentes o la uni6n de los anillos es cis o trans en los compuestos siguientes:

20.24. ¿Cud estructura de cada uno de los siguientes pares es m& estable? ¿Por qu6?

922

Capitulo 20


20.25. Dibuje la estructura de cada uno de los siguientes esteroides. (Acetoxi- significa CH,CO,-.)

(a) 5-colesten-3a-o1 (b) 1-colesten-3-ona (c) 4,6-colestadien-3P-o1 (d) 3P-acetoxi-6a,7P-dibromocolestano 20.26. iC6mo separm'a una mezcla de estradiol y testosterona? I

20.27. La estructura del ticido biliar desoxicdlico se escribe a continuaci6n. Reescriba la estructura,

mostrando la conformaci6n del sistema de anillos.

20.28. Cuando el ticido cdlico se trata con anhídrido ac6tico. forma se un monoacetato, preferentemente.

¿Cu&l es la estructura de este monoacetato y por qu6 se forma preferentemente? 20.29. Sugiera mecanismos para las siguientes trasposiciones de terpenos

20.30. Un bioquímico prepar6las siguientes muestras de ticido meval6nic0, marcado con carbono-14.

Las tres muestras de ticido meval6nico se suministraron a una serie de plantas. M k tarde, se aislaron de las plantas los alcoholes isopentenflicos. ¿Enqu6 posici6n se hallarti el carbono-14 en cada uno de los alcoholes isopentenfiicos? OH

(a)

I CH,CCH2"4C02H I

CH,CH20H CH,-I4CH2OH CH,CH,OH

OH

(b)

I CH,CCH,CO,H I

OH

I

(c) CH,C-I4CH2CO,H

I

20.31. En una planta, dos moI&ulas de alcohol isopentenflico se combinan para dar geraniol (Figura

20.4). Identifique la posici6n del carbono-14 en el geraniol originado por el &ido meval6nico marcado en el Problema 20.30. (b).


923

20.32.1 31 citronelul (C,&~O) es un terpenoide que da reacc16ncon el reactivo Tollens, originando

&ido citrontlico(CloH,80,).Laoxidaci6ncr6mica

del citronelal da acetona y

H0,CCH,CH(CH,)CHzCH,COJ3. ¿Cud es la estructura del citronelal?

20.33. Cuando se trata el colesterol con Br,, se forma un dibromuro I. Si se calienta I se forma otro dibromuro II. I y 11 son is6meros que difieren solamente en la uni6n entre los dos anillos A y

B (un dibromuro tienela uni6n delos dos anillos A / B fruns;el otro t~enela uni6n de los anilloscis)

(a) D6 las estructuras conformacionales de I y II. (b) Muestre el mecanismo para la formaci6n de I. (c) Explique por qut calentando se produce el cambio en la uni6n de los dos anillos. 20.34.

La síntesis del monoterpeno aciclico uloocimeno se realiz6 porlasiguientevía.

¿Cud esla u respuestala estructura delos productos intermediarios,) estructura del aloocimeno? (Muestre sen O

II

CH,CCH,CH, H'

NaC-CH

A

C,H,MpBr

H( I ) (CH,),CHCHO (2) H , O

+ B

'

Pdenvenenado

D

Calor

aloocimeno

20.35. 31 pinol (Cld-Il,O)es un terpenoide que se puede obtener por tratamiento del dibromuro de aterpineol con NaOCzH,. ¿Cud es la estructura del pinol? (Sugerencia:considere la estereoquímica de los intermediarios.)

a-terpineol

CAPíTULO 21

Espectroscopía 11: Espectros de ultravioleta, color y visión, espectros de masas

E

n el capítulo 8 estudiamos la absorcidn de radiaci6n infrarroja y de radiofrecuencia por parte de los compuestosorghnicos, y vimos c6mo se puede utilizar la absorcidn para la determinacidn de estructuras. En este capítulo vamos a considerer la absorcidn de radiaci6n visible y ultravioleta (UV)por parte de los compuestos orghicos. L o s espectros de ultravioleta y visible se pueden utilizar también en las determinaciones estructurales. Más importante aún, la absorcidn de la luz visible es labase del proceso de la visión, tema que discutiremosjunto con el de loscolores y colorantes. Por último, presentaremos el tema de los espectros demasas, que se producen como consecuencia de la fragmentación de las moléculas por bombardeo con electrones de alta energía. SECC16N 21 .l.

Espectros de ultravioleta y visible Las longitudes de onda de la luz visible y ultravioleta son apreciablemente mhs cortas que las de la radiacidn infrarroja (Figura 8.2). La unidad que usaremos para describir estas longitudes de onda es el nanomerro ( nm = lo" cm). El espectro visible se extiende aproximadamente desde 400 nm (violeta) hasta 750 nm (rojo), mientras que el de ultravioleta abarca el intervalo 100-400 n m . La cantidad de energía que absorbe un compuesto es inversamente proporcional a la longitud de onda de la radiacidn:

dondeAE = energía que se absorbe en ergios h = constante de Planck, 6.6 X erg-seg u = frecuencia en Hz c = velocidad de la luz, 3 x 10'' c d s e g A = longitud de onda, en cm

Espectros de ultravioleta y visible

Secci6n 2 l. l.

925

La radiaci6n infrarroja es deenergía relativamente baja y su absorci6n por parte de una mol&ula orghica lleva únicamente a un aumento de las vibraciones de los enlaces covalentes. Las transiciones moleculares desdeel estado basal hasta un estado vibracional excitado, requieren unas 2-15 kcaYmol. Las radiaciones de luz visible y ultravioleta poseen una energía superior a la infrarroja y su absorción se traduce en transiciones electrhicas, es decir, promoción de electrones en el estado basal en un orbital de baja energía a un estado excitado, en el cual ocupan orbitales de superior energia. Estas transiciones requieren de 40 a 300 kcdmol, aproximadamente. La energia que se absorbe se disipa a continuaci6n conlo calor, luz (Sección 21.7) o en forma de reacciones químicas (tales como isomerizaciones o reacciones por radicales libres). La longitud de onda de la luz ultravioleta o visible que se absorbe depende de la facilidad de la transici6n electrónica. Las moléculas que requieran mayor energia para dicha transición absorberh a longitudes de onda m& cortas, mientras que aquellas que requieran menor energía absorberh a longitudes de onda mcfs largas. Los compuestos que absorben radiación en la región visible(es decir, los compuestos coloreados) poseen electrones mhs fkiles de promover que los que absorben a longitudes de onda de ultravioleta mais cortas. absorci6n a 100 nm 0 - 7 5 0

1

nm (visible)

facilidad de transici6n eledr6nica ascendente

PROBLEMA DE ESTUDIO 21 .l.

~Cua tiene electrones m& fhciles de promover, el antraceno (incoloro) o la púrpura de Tiro?

antraceno

prupUra de Tiro

Un espectrofot6metro de luz visible o UV exhibe el mismo diseño bhsico que uno de infrarrojo (Figura 8.5). La absorción de radiaci6n por parte de la muestra se mide a varias longitudes de oñda y se representa graficamente, dando un espectro tal . como el que se muestra en la Figura 21. l . Dado que la absorci6n de energía por lasmoltculas estií cuantizada, cabe esperar que las transiciones electrónicas se produzcan alongitudes de onda discretas, en forma de un espectro de líneas o picos agudos. Sin embargo, Cste no es el caso, pues los espectros de UV o de luz visible suelen consistir en bandasanchas de absorción repartidas sobre un amplio rango de longitudes de onda. El motivo de esta anchura en las bandas de absorci6n es que tanto el estado basal como el excitado de una molécula estan subdivididos en una serie de subniveles vibraciomles y rotaciomles. Las transiciones electrónicas se pueden producir entre cualquiera de estos subniveles del estado basal y otro del estado excitado- (Figura 21.2).-Como - todas estas diversas transiciones difieren muy poco en energía, las longitudes de onda de absorción eorrespondientes son también muy semejantes y los picos se superponen conjuntamente para dar la banda ancha que se observa en le espectro. " " "

"

Capitulo 2 1

926

Espectroscopia /I

A,,

= 2 3 2 nm

I .2

1.0

O

II

Absorbancia, A

I

0.5

0

200

250

300

"Longitud de onda,

350

400

nm*

FIGURA 21 .l. Espectro de ultravioleta deldxidode mesitilo 9.2

X

1 O-5M,celda de1 cm de espesor

E

J

subniveles

FIGURA21.2. Representaci6n esquemdtica de las transiciones electr6nicas desde un nivel bajo de energla hasta otro elevado.

SECCI~N21.2.

Expresiones usadas en espectroscopia de ultravioleta La figaa 2 l . 1 muestra el espectro de UV de una soluci6ndiluida de 6xido de mesitilo (4-metil-3-penten .ana). con barrido de la región de 200 a 400 nm. (La regi6n por debajo de 200 nm RO suele examinarse, pues en ella se hace significativa la absorci6n del CO, atmosf6rico). La longitud de onda de una absorci6n se especifica como, A es decir, la longitud de onda del punto mkimo de la curva. Para el 6xido de mesitilo, X, es de 232 nm. La absorci6n de energía se indica como absorbancia (no tras-

Tipos de transiciones electr6nicas Secci6n

2 1.3.

927

mitancia) como en la caso de los espectros de infrarrojo), magnitud que se define. La absorbancia en una longitud de onda en particular se define mediante la ecuaci6n:

donde A = absorbancia Io= intensidad del haz de referencia I = intensidad del haz de la muestra La absorbancia de un compuesto a una longitud de onda en particular aumenta alaumentar el númerodemolkculasquesufren la transici6n. En consecuencia, la absorbancia depende de la estructura electr6nica.del compuesto, de la concentracibn de la muestra v de la longitud de la celda empleada. A causa de esto, los quimicos informan los valores de absorci6n de energía como absortividad molar E (se le llama tambikn coeficiente de exrinci6n molar) en vez de absorbancia. Muchos espectros de W a menudorepresentan E o log E envezde A frente a la longituddeonda; este último (log E) es especialmente útil cuando los valores de E sonmuygrandes. E=-

A

cl

donde

E

= absortividadmolar

A = absorbancia

c = concentraci6n, en M I = longitud de lacelda, en cm

La absortividad molar (generalmente se reporta considerando la A -) es un valor reproducible~-que tiene en cuenta tanto la concentraci6n como la longitud de la celda Si biensusunidadesson “‘cm-’, es frecuente escribirla como una cantidad adiX l.O), 6 13 O00 mensional. Para el 6xidode mesitilo,la E es 1.2 f (9.2 X (valores tomados de la Figura 21.1).

-

- 1 .

PROBLEMA MODELO Se sabe que una botellade ciclohexano est4 contaminada con benceno. A 260 nm el benceno tiene un absortividad molar de 230, siendo nula la del ciclohexano a esa mismo longitud de onda. Unespectro de UV del ciclohexano contaminado (longitud de la celda, 1 CIT muestra una absorbancia de 0.030 ¿Cu¿il es la concentracibn de benceno‘! Soluci6n:

A ~l

c =- =

0.030

230 x 1.0

=

0.00013M

~~

~

Tipos de transiciones electrónicas Vamos a considerar los diferentes tipos de transiciones electr6nicas que dan origen a los espectros de ultravioletao visible. El estado basal de unamoltcula orghica contiene los electrones de Valencia en tres tipos principales de orbitales moleculares; orbitales sigma (u), orbitales pi (m) y orbitales ocupados, pero no enlazados (n).

Capitulo 2 1

928

Espectroscopia / I

Tanto los orbitales u como los n , surgen de la superposición o traslape de dos orbitales atómicos o hí’bridos. Cada uno de estos orbitales moleculares, por consiguiente, tiene asociado un orbital antienlazante u* ó n*.Un orbital con electrones n no tiene un orbital antienlazante asociado (puesto que no se forma a partir de dos orbitales). Las transiciones electrónicas implican la promoción de un electrón desde uno de los tres estados basales (u, n o n) a uno de los dos estados excitados (u* 6 n*).Hay seis posibles transiciones, de las cuales la Figura 21.3 muestra las cuatro importantes, junto con sus energías relativas.

FIGURA 21.3. Requerimientos energeticos para las transiciones electr6nicas importantes. (Las longitudes de onda correspondientes se dan entre parentesis.)

La región m& útil del espectro de UV es la que se extiende por encima de los 200 nm. Las dos transiciones que caen fuera de este intervalo, por debajo de 200 nm, son la T+T* para un doble enlace aislado y la u+u* para unenlace sencillo carbonocarbono. Las transiciones que caen en el intervalo útil (200-400 nm) son la n ‘IF* para compuestos con enlaces múltiples conjugados, y ciertos tipos de transiciones n

+

+u*yn+n*.

A. Absorciónenpolienos Para promover un electrón ‘IF del 1,3-butadieno se necesita menos energía que para promover un electrón n del etileno. La razón es que la diferencia de energía entre el orbital molecular ocupado superior (designadoen inglCs HOMO, de “Highest Occupied Molecular Orbital”) y el vacío inferior (LUMO, de “Lowest Unoccupied Molecular Orbital”) es mAs pequeña en un sistema de dobles enlaces conjugados que en un doble enlace aislado. Ello se debe fundamentalmente a la disminución de la energía del estado excitado por estabilización por resonancia.

Para CH, = CH,:

tl -

2 1.3.

Tipos transiciones de electr6nicas Secci6n

929

Alnecesitarsemenos energía paraunatransición n +m* en el caso del 1,3-butadieno, Cste absorbe a una longitud de onda mis larga que el etileno. A medida que va aumentando el número de dobles enlaces conjugados, va disminuyendo la energía necesaria para alcanzar el primer estado excitado. Con un número suficientemente grande de dobles enlaces conjugados, esta longitud de onda puede llegar a penetrar el espectro visibles, con lo cual, un compuesto suficientemente conjugado se toma de colores. Este es el caso, por ejemplo, del licopeno, el compuesto responsable del color rojo de los tomates, que tiene once enlaces dobles conjugados. (Las f6rrnulas de línea, como la siguiente, se describen en la Secci6n 9.16A.)

licopeno i.,,, = 505 nm

La Tabla 21.1 relaciona los valoresde X, para las transiciones n+n* de algunos aldehídos insaturados, con grado creciente de conjugación. Como puede obsevarse, la posición de laabsorci6n se desplaza a longitudesde onda mayores a medida que aumenta la extensión de la conjugación. Dentro de una serie de polienos, este aumento viene a ser de unos 30 nm por cada enlace conjugado. TABLA 21 .l. Absorci6n de ultravioleta de algunos aldehidos insaturados

Estructura

A,.nm

CH,CH=CHCHO CH,(CH=CH),CHO CH,(CH=CH),CHO CH,(CH=CH),CHO CH,(CH==CH),CHO

217 270 312 343 370

~

~~~


Disponga los siguientes polienos todo trans- porordencrecientede : , A (a) CH,(CH=CH),,CH, (c) CH,(CH=CH)&H,

21.3.

(b)

CH,(CH=CH),CH,

El valorde A, paraelcompuesto(a)delproblema de A, para los compuestos (b) y (c).

21.2 es 476 m. Pronostique los valores

B. Absorcihn en sistemasaromtiticos El benceno y otros compuestos aromáticos exhiben espectros de UV complejos cuya estructura no se puede explicar en base a simples transiciones de n+rr*. Esta complejidad surge de la existencia de varios estados excitados de baja energía. El benceno, por ejemplo, absorbe intensamente a 184 nm (E = 47,000)y a 202 nm (E = 7,000), exhibiendo además otras ondas de absorción débiles en el intervalo 230-270 nm. Con

Capitulo 2 1

930

Espectroscopia /I

frecuencia se da la X, del benceno con el valor de 260 m,por ser Bsta la posici6n de mhima absorci6n por encima de200 nm). El espectro de UV puede verse alterado por la naturaleza de los sustibyentes del'anillo o por el disolvente utilizado. La absorci6n de radiaci6n de UV por compuestos arom6ticos con anillos condensados se desplaza a longitudes de onda mayores a medida que aumenta el número de anillos, debido a la mayor conjugaci6n y auna mejor estabilizacih por resonancia del estado excitado

benceno

A,,,

A,,,

= 260

nm

fenantreno

naftaleno i.,,, = 280 nm

naftaceno = 450 nm (amarillo)

A,,,

=

350 nrn

pentaceno

,,.E

=

575 nrn

(azul)

antraceno J.,,,,, = 375 nm

coroneno i.,,= ,400 nm (amarillo)


Sugiera unaraz6n por l a cualelcoronenoabsorbea naftaceno.

unalongituddeonda

miis

corta que el

C. Absorci6n resultante de transiciones de electrones m Los compuestosquecontienen nitr6gen0,oxigeno,azufre, f6sforo o algunode los hal6genosposeentodoselectrones n no compartidos. Si la estructuranocontiene electrones IT,la única transici6n que pueden experimentar los electrones n es la del tipo n+cr*. Dadoque loselectrones n tienenm&energía quelos u o los IT,se requiere menos energía para promoverlos a un orbital superior, por lo cual las transiciones ocurren a longitudes de onda mhs largas que las cr+cr* . Observe que algunos de estos valores caen dentro del rango Cltil 200-400 nm (Tabla 21.2). Por otra parte, al ser un orbital x* de menor energía que uno u*, las transiciones n- n* requieren menos energía que l a s n+u* y, con frecuencia, se encuentran en el rango normal de barrido del instrumento. Los electrones n se encuentran en una regi6n del espacio diferente de la de los orbitales u* o IT*;por lo cual, la probabilidad de una transici6n n es generalmente baja. Dado que la absortividad molar depende del número de electrones que experimentan la transici6n, los valores de E para estas transicionesn son pequeños, del orden de 10 a 100 (comparado con 10 O00 para una transici6n IT-%* típica). Un compuesto tal como la acetona, quecontienetanto un enlace IT como n electrones, exhibe transiciones y n + ~ * . La acetona muestra absorci6n a 187 nm (IT+IT*) y a 270 nm (n+.rr*).

IT+IT*

Color y visidn

Secci6n 2 I .4.

931

TABLA 21.2. Absorcibn de ultravioleta resultante de transiciones n+@.

Estructura

E

CH,OH

177

200

( C H d 33950 fi CH3C1:

199 173

200

CH,CH,CH,Br:

208

300

C H 3:<:

259

400

S E C C I ~ N21.4.

Color y visi6n El color ha desempeñado un papel muy significativo en la sociedad humana desde que el hombre aprendi6 a teñir sus ropas y otros objetos. El color es el resultado de una compleja sene de respuestas fisiol6gicas y psicol6gicas a las radiaciones de longitud deondasituadasen el intervalo 400-750nm, cuando Cstas incidenen la retina del ojo. Cuando todas las radiaciones del intervalo mencionado inciden simultheamente en la retina, percibimosel color blanco; si, por el contrario,no llega ninguna radiacih, recibimos la sensaci6n de negro u oscuridad. Cuando llega a la retina radiaci6n de un rango estrecho de longitudes de onda, observamos colores solos. En la tabla 21.3 se encuentran las longitudes de onda del espectrovisible con los colores correspondientes y los complementarios, cuyo significado discutiremos en breve. La percepcih del color se produce como consecuenciade una sene de procesos físicos. Veamos en primer lugar c6mo puede llegar al ojo la luz de una longitud de onda particular: (1) por emisi6n de l u z producida cuando electronesexcitados retornan a orbitales de menor energía; éste es el mecanismo que explica el color amarillo de las flamas de sodio con longitud de onda de589 nm; (2) por ddracci6n de luz causada por una prisma u utro dispositivosemejante, que nospermite observar las radiaciones componentes en forma de arcoiris; (3)-por interferencia de luz, cuando esta se refleja en las dos superficies de una película muy fina (tal como la de una burbuja de jab6n o unaplumade ave). La luz reflejada por lasuperficie mis alejada se combinaen desfase con la reflejada porla superficie m k pr6xima, dando lugar a una interferencia

932

Capitulo 2 I

Espectroscopia /I

TABLA 21.5. Colores del espectro visible. Longitud de onda, nm Color

Color (sustractivo)complementario

400-424amarillento verde violeta 424-491 azul 491-570 verde 570-585 amarillo

amarillo rojo

585-647 647-700

anaranjado rojo

azul

azul verdoso verde

destructiva y a la consiguiente cancelaci6n de algunas longitudes de onda; a causa de ellos vemos un solo color neto, en lugar de blanco. Existe aúnuncuartometododegeneraci6nde color, quiz6 el mascomúnde todos: la absorci6n de l u z de ciertas longitudes de onda. Los compuestos orgAnicos con conjugacidn extensa absorben ciertas longitudes de onda de luz visible a causa de las transiciones T+T* y n+.rr*: nosotros no observamos el color absorbido sino su complemento, que esreflejado, Un colorcomplementario,llamadoaveces color sustractivo, es pues el resultadode la sustracci6ndealgunaslongitudesdeonda específicas del espectro visible global. El pentaceno, por ejemplo, tiene una X, de 575 nm, en la porci6n amarilla del espectrovisible, por lo cual absorbed intensamente laluzamarilla (asi comolasradiacionesdelongituddeondapr6xima,aunque en menor extensi6n) y reflejard las restantes radiaciones. Como consecuencia de ello, el pentaceno presenta una coloraci6n azul, que es la complementaria de la amarilla. Algunos compuestos aparecen amarillos a pesar de que su X, se encuentra en la regi6n de UV (por ejemplo, el coroneno). En estos casos, la cola de la bandade absorci6n se extiende desde el ultravioleta hasta la regi6n de luz visible y absorbe las longitudesdeondadel violeta al azul. En la Figura 21.4 se muestra el espectro de este tip de compuesto.

A. Mecanismo de la visión El ojo humano es un 6rgano extraordinariamente complicado que convierte los fotones luminosos en impulsos nerviosos, que viajan hasta el cerebro y dan lugar a la visi6n. El mecanismoocular es enormemnte sensible:essuficiente un cuantode energía luminosa para quese desencadene el impulso nervioso correspondiente, bastando unos cinco cuantos para dar una sensaci6n luminosa perceptible. (Como comparacibn, un I

ultravioleta

I

1

visible

Color y visi6n

Seccidn 2 I .4.

933

destello tipico de una linterna de mano puede generar unos 2 X lo’* fotones por segundo). El ojo contiene dos clases de fotorreceptores, los bastoncillos y los conos. Los conos contienen pigmentos y son responsables de la percepci6n de los colores y de la visi6n bajo ilumínaci6n intensa. Los arlimales que carecen deconos son ciegos al color (dalt6nicos). Los bastoncillos son responsables de la visi6n bajo iluminaci6n debil o difusa y de la percepci6n de los colores blanco y negro. Actualmente se conocen m b cosas acerca de los bastoncillos que de los conos, oero la informaci6n es aúnmuy incompleta, sobre todo en lo que concierne a la generaci6n del impulso nervioso. La luz se detecta en los bastoncillos mediante un pigmento púrpura rojizo denominado rodopsina o púrpura visual (A, = 498 m). La rodopsinaseforma a partir de un aldehído llamado 11-cis-retinal y una proteína denominada opsinu. Estos dos componentes dela rodopsina se unen mediante una funci6nimina, formada a partir del grupo aldehído del I 1-cis-retinal y de un grupo amino dela proteína opsina. Como suele suceder enlos complejosde proteína, esta exhibe una conformaci6n que se adapta de modo específico al 1 1-cis-retinal en un repliegue. Los compuestos con otras formas no caben en este repliegue. En la forma combinada, en enlace imina que se une a la opsina y al 1 1-cis-retinal est6 protegido por el resto de la molecula de opsina y no se hidroliza de inmediato. el doble enlace 11-cis

CHO 1 1-cis-retinal

m/ el enlace imino

CH=N-

opsina

rodopsina

Cuando un fot6nluminoso (hv) alcanzaa la rodopsina,estaexperimentauna sene de transformaciones que la convierten en unos intermediarios denominados metarrodopsinas. Durante este proceso, se genera el impulso nervioso, a la par que el doble enlace en elcarbono 1 1 del 1 I-cis-retinal se.convierte de cis a trans. Esta configuraci6n no se adapta bien a la opsina, por lo cual el grupo imina queda expuesto al ocurrir la isomerizaci6n. El enlace imina (de la metarrodopsina II) se rompe y libera el todo-trans-retinal. imuulso nervioso

CH=N-opsina rodopsina

todo-trans-retinál

Espectroscopia II

Capitulo 2 1

934

¿Cómo se produce esta isomerización del doble enlace cis en el carbono l l ? Todavía no se comprelide completamente el proceso. Posiblemente, la absorción de luz ocasiona la promoci6n de un electr6n pi desde el orbital enlazante a uno antienlazante. En este estado excitado no hay superposici6no traslape entre los dos orbitales at6micos p, por lo cual la barrera de energía de rotaci6n se hace considerablemente pequeña y el giro alrededor del enlace carbono-carbono se produce con facilidad. (Sin embargo, evidencia reciente apoya la teoría de que el paso de la isomerizaci6n es una reacci6n concertada sin intermediarios, que se inicia con la protonación del nitrógeno de la imina.)

R

R

R

\nP/ /

H'

c=c\

hv

-

, \I.ft' / 4 H'

H

R \

'H

-

R

\ .c-c,./

H

/

H'

-

R

R

H \ /

H'

/

c=c\

R

trans

cis

La rodopsina se debe regenerar para que se mantenga la visión. Una manera en que esto ocurre es por la reconver~i~nfotoinducida de lametarrodopsina I a rodopsina. (Esta reacci6n es la inversa del primer paso de la ecuaci6n de flujo de la p5gina 933). Después de la hidrólisis de la imina, el 'trans-retinal también se puede fotoisomefiza 9 1 I-cu-rerinal, el cual puede formar rodopsina de nuevo. Bajo iluminaci6n escasa, es poca la probabilldad de que estas reacciones inversas se lleven a cabo, por IO que el trans-retinal sufre una conversión química de varios pasos. En este proceso, el trans-retinal se reduce enzimáticamente a trans-vitamina A, que es transportada al hígado, donde es isomerizada a la 1I-cis-vitamina A. La 11-cis-vitamina A se transporta después al ojo, donde se oxida a 11-cis-retinal, que puede unirse de nuevo conopsina. la (La Figura 21.5 muestra un resumen dela química del ciclo visual.) . -

trans-retinal

trans-vitamina A

~

-3

CH,OH

CHO

1 1-cis-retinal

1 1 4 s vitamina A

r impulso nervioso

Irodopsinn]

\

I hu

L metanwlopsina I hv

_ _+

metarmdopsina I1

J

-opina

opsins

11-cis retinal

1 1-cis-vitamina A

t-" hv

(WaW

trans-retinal

/[HI

trans-vitamina A

L " FIGURA 21.5. Resumen de las transformaciones en el ciclo visual.

J

Compuestos coloreados

y colorantes Secci6n

2 1.5.

~

~~

935

~

~~~

Compuestos coloreados y colorantes La naturaleza es rica en colores. Algunos colores, como los del colibrí o los de las plumas del pavo real, se originan por la difracci6n de la luz por la estructura única de las plumas. Sin embargo, la mayoría de los colores que ocurren en la naturaleza se deben a la absorci6n de ciertas longitudes de onda de luz visible lospor compuestos orghicos . Antes de que se desarrollaran las teorías de las transiciones electr6nicas, se había observado que ciertos tiposde estructuras orghicas tienden a originar color mientras que otras no lo hacen. Estas estructuras parciales necesarias para la aparici6n de color (que no son sino grupos insaturados capaces de experimentar transiciones T+T* o n-Sn*) fueron denominadascrom6foros, t6rmino creado en1876 a partir de las raices griegas chroma, “color” y foros, “soportar”. Algunos crornbforos:

Se observ6 tambitn que la presencia de algunos otros grupos daba lugar a una intensificaci6n del color. Estos grupos fueron denominados auocromos (del griego auxanein, “aumentar”,). Actualmente sabemos que estosgrupos auxocrornos son entidades que no pueden experimentar transicionesIT+T* pero sí transiciones de electrones n. Algunos auxocrornos:

“OH

“NH,

“OR

-NHR

“NR2

”x

En las explicaciones sobre los compuestos coloreados naturales que siguen a continuaci6n, observe la presenciade estos cromof6ros y auxocromos.

A. Algunos:ompuestosnaturales coloreados Las naftoquinonas y antraquinonas son colorantes naturales muy comunes. La juglona es una naftoquinona responsable, en parte, del color de las caScaras de nuez; la lawsonu, de estructura similar, se encuentra en el-alheiio y se usa para teñir el pelo de rojo. Una antraquinona tipica, el ticido carminico,es el principal pigmento rojode Coccus cacti L. y usada la cochinilla, constituida por los cuerpos molidos del insecto te6ir de rojo alimentosy cosm6ticos. La alizarina, es otro colorante como colorante para rojo del grupo de las antraquinonas.

O lawsona

juglona

O

HO,C

O

OH

acid0 cannínico

La mayoría de las flores rojas y azules deben su coloraci6n a unos glucbsidos denominados antocianinas: la parte no azucarada del gluc6sido se denomina untocianidina y es un tipo particular de sal defivilio (vease mfís abajo). El color particular

936

,

Espectroscopía II

Capitulo 2 1

proporcionado por la antociania depende, en parte, del pH de la ílor. El color azul de las flores del aciano y el color rojo . .”de. las rosas se deben a la misma antocianina: la cianjna. En lasrosas rojas, lacianina se encuentra en tb&a fenÓ!ica.En 1% flores azules del aciano, la cianina se encuentra en forma aniónica, con uno de los grupos . fenólicos sin un prot6n. En este respecto, la cianiña se comporta como los indiqadores iicido-base, que explicaremos en la Sección 21.6. ”-

la pérdida de este protdn cambia el color de rojo a azul

OH

OH

OH

O-glucosa cloruro

-2-

cianina

de cianidina

en las rosas rojas

una sal deflavilio

Ei término sal de flavilio procededel nombre de lajavona, que es un compuesto incoloro. La incorporacibn de un grupo 3-oxhidrilo da origen al flavonol, que es amarillo (del latin javus, “amarillo”).

flavonol

flavona

incolora

amarillo

E. Colorantes Un colorante o tinte es una sustancia orghnica coloreada que seutiliza para dar color

a un objero determinado O a una tela. Lahistori8 de los colorantes se remonta a tiempos prekisxmcos. bl indigo es el cc!srmte mas antiguo que se conoce; fue ulilizado por 1 0 s antiguos egipcios para teñir las vestiduras de las conias. La púrpura de Tiro, &tenida de los caracoles del género Murex clue abundaban cerca de la ciudad de Tiro, me empleada por los rommos para teñir las togas ue sus emperadores. La alizarins, conocida tambikn como rojo turco, se obtiene de la m’z de la granza y fue empleada For los britanicos en los siglos XVIII y XIX para teñir de rojo las casacas de los soldados. Son muchas las sustancias orgánicas coloreadas; sin embargo, son comparativamente pocas las que se pueden utilizar como colorantes. Para ser utilizable como tal, el compuesto debe serjr.me, esto es, permanecer en el tejido u objeto de que se trate durante el lavado o limpiado. Ello requiere que el colorante esté unido de un modo u otro a la tela. Si ésta está compuesta de fibrasde polipropileno u otra estructura hidrocarbonada semejante, la tinción resultará muy difícil, puesto que no hay grupos funcionales que atraigan a las moléculas del colorante. Latinciónde este tipo de materiales se logró mediante la incorporación de complejosmetalcoloranteal polimero. La tinción de algodón (celulosa) es mucho más fácil, puesto que los enlaces hidrógeno que existen entre los grupos oxhidrilo de las unidades de glucosa y los grupos de moléculas de colorante fijan el colorante a la tela. Las fibras de polipéptidos, tales como la lana o la seda, son los materiales más fáciles de teñir debido a que contienen numerosos grupos polares que pueden interactuar con las moléculas del colorante.

y colorantes Secci6n

Compuestos coloreados

2 1.5.

937

Un colorante directo es un colorante que se aplica directamente a la fibra en disolución acuosa caliente. Si el tejido a teñir posee grupos polares, tales como los presentes en las fibras polipeptídicas, la incorporación de un colorante con un grupo amino o uno fuertemente ácido facilitará la fijación del mismo. Un ejemplo típico es el amarillo Martius, cuyo grupo fenólico ácido reacciona con las cadenas laterales básicas de la lana o la seda.

*a.

+ H,N-fibra

_ _ _ f

wNo2

NO2 amarillo Martius

:o:-

H,&-fibra

NO2

Un colorante a la tina es aquél que puede aplicarse al tejido en forma soluble (dentro de una tina) y luego se le transforma químicamente en una forma insoluble. Las casacas azules proporcionadas por los franceses a los americanos durante la revolución de Norteamérica estaban teñidascon indigo, un típico colorante a la tina que se obtenía por fermentación del arbustoIsatis tinctoriude Europacentral u otras especies de Zndigoferu procedentes de países tropicales. Ambos tipos de plantas contienen el glucósido indicdn, que da por hidrólisis glucosa e indoxilo, un precursor incoloro del indigo. Los tejidos se sumergíanen lamezcla de fermentación que contenía el indoxilo, dejándose luego secar al aire. La oxidación por el aire del indoxilo produce el indigo azul, insoluble. El indigo se deposita en la forma cis, que espontáneamentese isomeriza al isómero trans.

2

Q

” H3

q

3

y

J

3H -

& H H

indoxilo

O

trans-indigo

cis-indigo

Un colorantemordiente es aquél que se haceinsoluble sobre el ,tejidopor formación de un complejo o quelato con un ión metMco, llamado mordiente (del latín mordere, “morder”). El tejido se trata primero con sal metálica adecuada (Al, Cu, Co o Cr), y luego con una forma soluble del colorante. La quelación subsiguiente sobre la superficie del tejido dalugara la fijación del colorante. Uno de losmás antiguos colorantes de este tipo es la ulizarinu, que origina diferentes colores según el metal utilizado. Por ejemplo, Al3+ da un color rojo rosado y Ba2+ loda azul.

O

\ /

0

p,0:.

:(y.’ q

$

r

H

O quelato de alizarina-aluminio

Espectroscopía I/

Capítulo 2 I

938

Los colorantes azoicos constituyen la clase m& numerosa e importante de los tintes, conociéndose en la actualidad miles de ellos. En el proceso de teñido, primero se impregna el tejido con un compuesto aromático activado hacia la sustituci6n electrofílica y luego se trata con una sal de diazonio para formar el colorante. Esta reacción de acoplamiento del diazonio ha sido explicada en la Secci6n 10.14. NH, OH I

I

intermediario clave para cientos aé colorantes azoicos

azul directo 2B

SECCl6N 21.6.

Indicadores hcido-base Un indicador Bcido-base es un compuesto orgánico que cambia de color con las variaciones de pH, por lo cual se les utiliza muy a menudo para indicarel punto final en las valoraciones. L o s papeles indicadores, del tipo del papel de tornasol, estan impregnados con una o varias de estas sustancias. Dos indicadores típcos son el anaranjado de metilo y la fenolfaleína. El anaratijado de metilo es rojo en soluciones gcidas de pH inferior a 3.l y amarillo en soluciones de pH superior a 4.4. Por su parte, la fenolftaleína cambia su color en la parte alcalina del rango de pH, siendo incolora por debajo de pH 8.3, y roja a pH 10. En soluciones fuertemente alcalinas, se vuelve de nuevo incolora. anaranjado de metiio:

pH: fenolftaleina:

anaranjado mjo A - 4.

‘ 7

( -

3 4

5

amarillo

6 7 8 9

incolora

[O

II

I2

13 14

’” 1 roja

incolora

Los indicadores cambian ae color porque su sistema cromof6rico cambia en una reacción ácido-base. En soluciónácida, el anaranjado de metilo existe como un hibrido en resonancia de una estructura azo protonada; este híbrido en resonancia es rojo. El Atorno de nitrógeno del azo no es excesivamente básico, el grupo azo protonado pierde el ion hidrógeno a unpH aproximado de 4.4;la pérdida de este prot6n altera la estructura electrónica del compuesto, dando lugar a un cambio de color de rojo a

Secci6n 2 1.6.

Indicadores dcido-base

939

amarillo. La Figura 21.6 muestra los espectros del anaranjado de metilo a dos valores diferentes de pH.

anaranjado de metilo

amarillo en medio bcisico

d

rojo en medio &ido

k 500

400

en medio &ido I

-Lungitud de onda, am +

FIGURA 21.6. Espectros visibles del anaranjado de metilo en disoluciones L i d a y alcalina (pH 1 y 13, respectivamente).

El valor comercial de la fenolftaleína es que sirve como ingrediente activo en caramelos o chicles laxantes. Por otro lado, la fenolftaleína es tambienunode los indicadores de titulaci6n mejor conocidos. En disoluci6n Acida, existe en forma lact6nica incolora, pues el carbono central sp3 saturado aísla e impide la conjugaci6n de los tres anillos bencénicos. A valoresde pH superiores a 8.3 (soluci6n alcalina), se pierde un hidr6geno fen6lic0, se abre el anillo lact6nico y el carbono central adquiere la hibridacidn sp2. De esta manera, los anillos benctnicos entranen conjugacibn, el sistema extendido de electrones piqueresulta explica el color rojo de la fenolftaleína en disoluciones moderadamente alcalinas. Estas reacciones se muestran en la Figura 21.7. En un mediofuertemente alcalino, el carbonocentralde la fenolftaleínase hidroxila y convierte al estado sp3. Esta reacción aísla nuevamente los tressistemas pi. A valores elevados de pH, la fenolftaleína es incolora. De nuevo, consulte la Figurs 21.7.

Capitulo 2 I

940

Espectroscopia I/

/I

O

roja en medio bdsico

incolora en medio fuertemente bdsico FIGURA 21 -7. Las reacciones ácido-base de la fenolftaleína.

PROBLEMADEESTUDIO 21 .s.

uno de 10s siguientes indicadores es azul verde a pH7;el otro es violeta. ¿Cuál es cual? Explique su respuesta.

Fluorescencia y quirnioluminiscencia

SeCCi6n 2 t .7.

941

SECCIdN 21.7.

Fluorescencia y quimioluminiscencia Cuando una molécula absorbe luz ultravioleta o visible, se promueve un electrón del estado basal a un estado excitado singulete. (Singulete implica aquí un estado en el cual los electrones esth upareados; véase la nota al pie de la Sección 9.12.) Inmediatamente después de la promoción electrónica (en un intervalo de tiempo del orden de lo-" segundos), el electrón desciende al estado excitado singulete de menor energía. Unadelasformasenlascualesunamolécula excitada,con sus electrones en este estado singulete de menor energía, puede regresar al estado basal, es por pkrdida de sus energía en forma de luz. Este proceso también es r6pido (10-7 seg). La energía emitidaenformadeluzesligeramente menor que la inicialmente absorbida (la diferencia da lugar a un aumento en los movimientos moleculares) y, por consiguiente, la longitud de onda emitida es algo mayor que la absorbida. estado excitado singulete estado excitado singulete de menor energía

estado basal

Uncompuestoqueabsorbeluzen el rango visible aparece coloreado. Cuando este mismocompuestoemiteluzdediferentelongitudde onda, parece exhibir dos colores o ser fluorescente. Un ejemplo de sustancia fluorescente es la fluoresceína, que se ha utilizado como marcador en el caso de aviones que caen al mar.En disolución acuosa y baja iluminación, la fluoresceína aparece roja con una intensa fluorescencia verde amarillenta.

fluoresceha

Algunoscompuestosfluorescentes,denominados blanqueadores 6pticos, se utilizan para blanquear tejidos. Éstos son sustancias incoloras que absorben luz ultravioleta apenas fuera del rangovisible, emitiendo luego radiacih visible de color azulvioleta en el borde del espectrovisible. Este color azul-violeta enmascaralo amarillento del tejido. Dos blanqueadores 6pticos:

Blancofor R

Calcoflúor SD

Capitulo 2 1

942

Espectroscopia /I

La quimioluminiscenciaes un fenómeno en el cual (1) una determinada reacción origina productos en un estado electr6nico excitado; y (2), el regreso al estado basal est6 acompañado de emisión de luz. Un ejemplo familiar de la quimioluminiscencia es la luz emitida porlas luciérnagas, originada en la oxidación enzim6ticade la luciferina . como

&ter fogafnro de adenosina

luciferina de la lucibmaga

i

/I L‘

SECC16N 21.8

Espectrometría de masas La mayoría de las técnicas espectroscópicas que se han explicado, se fundamentan en la absorción de energía por parte de las moléculas. La espectrometría de masas se basa en principios diferentes. Enun espectrómetro de masas, la muestra, que se encuentra en estado gaseoso. es bombardeada con electrones de energía suficientecomo para exceder el primer potencial de ionización del compuesto. Este potencial de ionizaci6n se sitúa, para la mayor parte de los compuestos orghicos, en el rango de 185 a 300 kcallmol. La colisión entre una molécula orgánica y uno de estos electrones de alta energía da lugar a la pkrdida de un electrón de la mol6cula y a la formación deun ion orgthico. Losiones orgánicos que se producen en este bombardeo con electrones de alta energía son inestables y se rompen en fragmentos menores, del tipo radicales libres y otros iones. Enun espectrómetro de masas típico se detectan los fragmentos cargados positivamente. El espectro de masas es una representación gráfica de la abundancia (cantidades relativas de los fragmentos cargados positivamente) frente a la relacibn masa-carga( d e ) de los fragmentos. La carga iónica de la mayor parte de las partículas detectadas en el espectrómetro de masas es 1, por lo cual la relaci6n d e para tales partículas es igual a su masa. Desde el punto de vista práctico, un espectro de masas es entonces una representación gráfica de la masa de las partículas frente a su abundancia relativa. La manera en que se fragmente una molécula es algo que depende de su esqueleto carbonado y de los grupos funcionales que contenga. Por este motivo, la masay abundancia de los fragmentos proporciona información acerca de la estructura de la molécula. Una información que también puede inferirse con frecuencia del espectro de masas es el peso molecular. Consideremos la molécula de metanol, como ejemplo introductorio de la espectromem’a de masas. Cuando se bombardea dicha molécula con electrones de alta energía, se pierde uno de los electrones de Valencia. El resultado es un ion radical,una especie que contiene un electrón desapareado y una carga + 1, Un ion radical se representa con el signo t . El radical ion resultante de la abstracción de un electrón de la moltcula se denomina ion molecular y se simboliza por M t . La masa del ion molecular es igual al peso molecular del compuesto. El ion molecular del metanol tiene una masa de 32 y una carga + 1, su relación masa-carga (mle) es, por lo tanto, igual a 32. (En la representación, la flecha con media aleta indica la pérdida de un elect&n de una molécula de metanol.)

+

Espectrometria de masas

e-

/-

+ CH,OH

- 21,

CH,OH+,

Secci6n 2 1.8.

escrito usualmente

el ion molecular del

943

[CH,OH]?

metanol, d e = 32

DespuCs que se ha formado un ion molecular, Cste puede sufrir fragmentaci6c. En el caso de [CH,OH]f , el ionradicalpuedeperder un Btomodehidr6geno y convertirse en un cati6n: [CH, = OH] , que posee una m/e de 3l. En el espectro de masas del metanol (Figura 2 l . S), pueden observarse los picos de las pm’culas con valores d e 31 y 32. (Los fragmentos que dan origen a los demas picos se explicarhn en la Secci6n 21.11 .) +

un catih, mle = 31 (no un ion radical, pues todos sus electrones est& apareados)

Como puede verse en la Figura 21.8, un espectro de masas se presenta en forma de grtifico de barras. Cada pico del espectro representa un fragmento de la molCcula. Los fragmentos se detectan de modo que los picos aparezcan enel espectro de izquierda a derecha, por orden creciente de mle. Las intensidades delos picos son proporcionales ala abundanciarelativadelosfragmentoscorrespondientes,los cualesa su vez dependen de sus estabilidades relativas. Por acuerdo, se da un valor de 100% al pico mBs intenso del espectro, denomina el pico base; los picos demenorintensidad se registran según sus porcentajes correspondientes con respecto al pico base: 20%, 30% o el valor de que se trate. El pico base coincide a veces con el pico molecular pero lo mBs usual es que corresponda a un fragmento menor. I 00

pico base

t I

intensidad 50 pico del ion molecular

10

-ft1 ’e”+

40

FIGURA 21.8, Espectro de masas del metanol, CH,OH.

~

~-

PROBLEMAS DE ESTUDIO .-

21.6- Escriba la fórmula de cada producto y diga en cada caso si el productoresultante del proceso indicado es un catión. un ion-radical o un radical libre. (a) CH, menos un e(c) [CH,CH,]+ menos H.

21.7.

Escribalasf6rmulas

(b) [CH,]’ menos H. (d) [CH,CH,]t menos H.

para los iones moleculares de (a) CH, y

(b) CH,CH,CH,.

944

Capitulo 2 1

Espectroscopía 11

SECClbN 21.9.

El espectrómetro de masas En la Figura 21.9 se muestra un diagrama de un espectrómetrode masas detipo común. La muestra se introduce, se evapora y se hace pasar en una corriente continua a la cámara de ionizucibn. La cámara de ionización (al igual que el resto del instrumento) se mantiene al vacío para reducir al mínimo los choques yreacciones entre los radicales, moléculas de aire, etc. En esta cámara, la muestra pasa a través de una comente de electrones de elevada energía, los cuales ionizan algunasde las moléculas de lamuestra formando los correspondientes iones moleculares. I Después de su formación, un ion molecular puede fragmentarse y trasponerse, seg). Laspartículas de vida procesos ambos extremadamente rápidos (l0”O más larga llegan a detectarse en el colector de iones, pero las de existencia corta pueden no tener el tiempo de vida suficiente para alcanzarlo. En ciertos casos, el ion molecular mismotiene una vidademasiado corta como para ser detectado en el colector, observándose entonces únicamente los picos de sus productos de fragmentación. A medida que se van formando los iones radicales ydemás particulas , se someten a la acción de dos electrodos; las placas de aceleracibn de iones, que aceleran las partículas cargadas positivamente. (Las partículas neutras ylas cargadas negativamente no son aceleradas y se eliminan continuamente mediante bombas de vacío). Partiendo de las placas aceleradoras, los iones positivos pasan al tubo analizador, donde sufren una deflexión porparte de un campo magnético, que les obliga a seguir una trayectoria curva. El radio de la trayectoria curva depende de la velocidad de la partícula la cual a su vez depende de la fuerza del campo magnético, el voltaje de aceleración y la mle de la partícula. A una misma fuerza de campo y voltaje las partículas de mayor mle recorren una trayectoria de radio mayor y las de menor mle, una de radio menor (Figura 21.10). El flujo continuo de iones positivamente cargados que entran en el tubo analizador da lugar consiguientemente a un patrón de dispersión de partículas: campo magnético

\

a la bomba de vacío

placas del acelerador

f

colector de iones

electrodo repelente

muestra

al amplificador y registrador haz electrónico que causa ionización

FIGURA 21.9. Diagrama de un espectrómetro de masas.

s

Los is6topos en los espectros de masas

Seccidn 2 1. IO.

945

partículas más pesadas

partículas m h ligeras de

fuente colector fuente de iones

de

c

colector de

fuente de

colector de

voltaje acelerador decreciente

FIGURA 21.W Al disminuir el voltaje acelerador, llegan al colector de iones particutas de mle progresivamente crecientes.

las de mayor mle con un radio de trayectoria mayor y las de menor mle con un radio menor. Si se hace disminuirde modo lento y continuo elvoltaje acelerador, disminuirán consecuentemente las velocidades de todas las partículas y también los radios de sus trayectorias. Mediante este procedimiento, las partículas de mle progresivamente crecientes irhn alcanzando sucesivamente el colector e irán siendo detectadas. La Figura 21.10 muestra los efectos de la disminución en el voltaje en aceleraci6n en el paso de laspartículascontresvalores mle diferentes. (Se puede obtener el mismo efecto aumentando la resistencia del campo magnético, en lugar de disminuyendo el voltaje de aceleración.)

S E C C I ~21 N.io. ~

~~~

~

~~

~~~

Los isótopos en los espectros de masas El espectrómetro de masas es un aparato tan sensible que partículas que sólo difieren en 1.O unidad de masa dan señales separadas. Así, por ejemplo, el peso molecular del CH,Br es 94.9 (15.0 unidades de masa at6mica para el CH, y 79.9 para el Br). Sin embargo, el espectro de masas de este compuesto (Figura 21.1 1) no muestra un pico deion moleculara mle = 94.9, puesenrealidad seobservandos picos: un en m1 e = 94 y otro en mle = 96. El motivo de estos dos picos es que el bromo natural consta [CH,"'Br]!

\

FIGURA 21.11. Espectro de masas del bromo-metano, CH,Br.

[CH,*'Br]

f

Capítulo 2 I

946

Espectroscopia II

de dos especies isot6picas, una de masa atómica 79 y otra de masa atómica 81 ; al calcular el peso molecular de un compuesto bromado, utilizamos un promedio del peso de estas dos masas isot6picas (79.9) Debido a que el espectrómetro de masa detecta particulas que contienen cada uno de estos isótopos como especies individuales, no podemos emplear masas at6micas promedio al tratar con los espectros de masas, al igual que cuando calculamos la estequiometríade una reacción química. La tabla 21.4 contiene una relacidn de los idtopos naturales mas comunes, así como de su abundancia relativa. El bromo natural existe como una mezcla 50.5%49.5% de bromo-79 y bromo-81, respectivamente. Así, partículas de la misma estructura conteniendo bromo, darán lugar un apar de picos de intensidad muy semejante separados por 2.0 unidades de masa. Se considera como ion molecular a la partícula que contenga el isótopo de masa inferior; el pico de la otra partícula se designa entonces como pico M 2 (ion molecular m& dos unidades de masa). El cloro natural es una mezcla de 75.5% de cloro-35 y 24.5% de cloro-37. Se y como ionM + 2 considera como ion molecular a la particula que contenga el cloro-35 ,siendo la intensidad de este último pico aproximadamente a la que contenga el cloro-37 un tercio de la del ion molecular. La mayorfa de los elementos comunes en los compuestos org6nicos (excepto C1 y Br), existen en la natrualeza predominantemente como un Único isótopo. El carbono, por ejemplo, consta de un 98.89% de carbono-12 y el hidr6geno es 99.985% hidrógeno1.Por esta raz6n, procederemos, para la mayor parte de los propósitos, como si el carbono y el hidrógeno constasen únicamente de"€ ignorando momentheamente la pequeña proporcidn de13Cque contienen. La existencia de estos isótopos minoritarios es, de hecho, la que explica la multitud de pequeiios picos que rodean generalmente a los picos grandes en un espectro de masas ( vtanse, por ejemplo, los picos pequeños alrededor de los situados a m/e 94 y 96 en la Figura 21.1 1).

+

~~~

~~


Calcule el valor mle para los iones molecuiares de cada uno de los siguientes compuestos: (a) etano; (b) 1,2-dicloro-etano; (c) etanol; (d) p-broma-fenol.

21.1 O. La Figura 21.12 muestra los espectros de masasde cuatro compuestos.~Cufilesde ellos contienen Br y cufies Cl?

TABLA 21.4. Abundancias naturales de algunos idtopos

Isdtopo tI 12 c

I4N 160

32s

'9F 35c1

"Br 1211

Abunduncia, %

99.985 98.89 99.63 99.16 95.0 1O0 75.5 50.5 1O0

Isdtopo

2H

Abwtdancia, 8

Isdtopo

Abundancia, %

13c

0.01 5 1.11

"N 1 'O

0.37 0.04

' 8 0

0.20

33s

0.76

34s

4.2

37c1

8LBr

24.5 49.5

La ionizacidn y fragmentacidn en los espectros de masas

Seccidn 2 1 . I 1 .

947

I

B

? I I

18

i

20

30

40

SO

20

-m /e+

30

40 SO

60

80

70

-mi@+

90 100 1 IO I20 I S6

28

I

loor

20

o

FIGURA 21.12. Espectros de masas para el Problema 21.1 O.

SECCI~N 21.1 1.

La ionizaci6n y fragmentaci6n en los espectros de masas En el espectr6metro de masas, la primera reacci6n de una molbcula es la ionizaci6n de un solo electrh, que da lugar al ion molecular. A partir del pico, para este ion radical, que suele ser el situado m& a la derecha del espectro, puede determinarse el peso molecular del compuesto (Recuerde,eles peso molecular exacto para una molbcula que contiene idtopos determinados, y no un peso molecular promedio.) Surge inmediatamentela pregunta: ¿que tipo de electr6n sepierde dela moldcula? No es posibleresponder con absoluta seguridad a esta pregunta. Se cree que el electr6n en el orbital de mayor energia (el electr6n m8s “suelto”) es el que se elimina primero. Así, por ejemplo, si una moltcula tiene electrones n (no compartidos) es uno de Cstos el eliminado; si no los tiene yposee en cambio electronespi, uno deellos ser6 sustraído y, si finalmente no hay nielectrones n ni pi, el ion molecular se formar6 por eliminaci6n deun electr6n sigma.

r

CH,OH

f-

CH,CH: :CH,

-”+

-

[CH,OH]?

+n

[CH,CH--CH,]’

e-

+x

e-

DespuCsde la ionizaci6n inicial, el ion molecular se fragmenta, proceso en el cual se eliminan del ion molecular radicales libres o m o l h l a s neutras pequeñas. Un

Capitulo 2 I

948

Espectroscopia II

i6n molecular no se fragmenta al azar, sino que tiende a formar los fragmentos mús estables posibles. En las ecuaciones que muestran la fragmentación, como prictica común no se muestran los fragmentos de radicales libres, ya que éstos no se detectan en el espectr6metro de masas. Reconsideremos ahora el espectro de masas del metanol en la figura 21.8. Dicho espectro consiste en tres picos principales a m/e 29, 31 y 32. Las estructuras de los fragmentos correspondientes pueden a menudo deducirse de sus masas. Así, el pico M ? a m/e 32 surge como consecuencia de la p6rdida de un electrón por parte de la molkula de metanol;el pico amle 3 1 debe necesariamente proceder del ion molecular por p6rdida de H (masa 1.O). El pico a m/e 29 debe asimismo corresponder aun ion que ha perdido dos 6tomosde H mis. ¿Y el pico pequeño am/e 15? Este procede del ion molecular por pérdida de .OH. [CH,=OH]+

CH,OH

-P

Y

mie = 31

-Hz

[CHEO]' mie = 29

[CH,OH]t mie = 32

Y

CCHJ + m!e = 15

¿Podrían observarse otros patrones de fragmentaci6n? Por ejemplo, ¿podría perder

H+el ion molecular para dar [CH,O] ? Posiblemente podría, pero no lo sabemos debido a que ~610las partículas cargadas positivamente son aceleradasy detectadas.

A. Efectode la ramificacih Las ramificaciones en las cadenas hidrocarbonadas se traducen en fragmentaciones sobretodoen el puntode ramificaci~in,pueslosionesradicales y carbocationes secundarios son mfis estables que los primarios.La estabilidad del carbocatih es un factor mis importantequelaestabilidadderadicaleslibres.Porejemplo, union molecular metilpropanoda predominantementeun catidn isopropiloy un radical metilo (no lo inverso).

PROBLEMA DE ESTUDIO 21.1 l. ~ C u adeberíaserel ion molecular y los principalesfragmentoscargadospositivamenteprocedentesde laioNzaci6n del (a)2-metil-pentano; (b) 2,2-dimetil-propano;y (c) 1-penteno?

B. Efecto de un heteroatomo o grupo carbonilo Consideremos ahoraotro espectro, el de la N-etil-propil-amina (Figura 21.13). El ion molecularesde m/e 87. Lafragmentacióndeesteion moleculq procedealfa al nitr6gen0, dando fragmentos demle 58 (pérdida de un grupo etilo) y mfe 72 (pérdida

l a ionizaci6n y fragmentacidn en los espectros de masas

Secci6n 21.11.

949

----mle-+

FIGURA 21.13. Espectro de masas de la N-etil-propil-amina,

de un grupo metilo). A este tipo de fragmentaci6n se le conoce con el nombre de fish a y es muy común en aminas y Cteres. jisidn aquí

A

~

- .C,H5

[CH,CH,NH=CH,]+ m / e = 58

[CH,-CH,NHCH,-CH~CH,]’ mje

=

87

[CH,=NHCH,CH2CH3]’ mje = 72

a

La raz6n para la fisi6n estabiliza por resonancia.

es que el cati6n que se forma en esta reacci6n se

-

’ q n P .

-R.

[R-CH,-NHR]’

-

P+ [CH,=NHR

&,-NjHR]

Una fragmentaci6n similar ocurre en un enlace adyacente aun grupo carbonilo (o al oxígeno). De nuevo, el cati6n resultante se estabiliza por resonancia.

PROBLEMADEESTUDIO 21.12. En la figura 21.14 se muestra el espectro de masas de un tter. ~Cuiiles l a estructura de este

tter? I 00

1

40

0 20

30

40

S0

o0

FIGURA 21.14. Espectro de masas del problema 21.12.

70

x0

Espectroscopia I1

Capitulo 2 1

950

C. Pbrdidadeuna molkula pequeña Un ion molecular puede perder algunas mol6culas pequeñasestables tales comoH20, CO, CO, 6 C2H4. Un alcohol, por ejemplo,, pierde fhcilmente H20y da un pico situado Éste se designa comopico Ma 18 unidades de masa mas abajo del pico molecular. 18. En muchos alcoholes es tan f6cil esta eliminacidn de H,O que el ion molecular ni siquiera llega a ser observado en el espectro. El espectro de masas del 1-butanol (Figura 2 l. 15) es un espectro típico de un alcohol. - H,O

[CH,CH,CH,CH,OH]’

[CH,CH,CH=CH,]t

”-+

M-l8,m/e=56

M t , m / e = 14

-n1jr

+

FIGURA 21.15. Espectro de masas del 1-butanol.

D. Trasposicionesde McLafferty Cuando en el ion molecular hay un átomo de hidrbgeno en posici6n y con respecto a un grupo carbonilo,puedeproducirseloquesedenominauna trasposici6n de McLafFerty, en la cual se elimina una moltcula de alqueno del ion molecular. hidrbzeno y

\

O

H

/I

I

-CCHzCH2C-

I

mle

=

m/e = 44

12

O

II

(a)

CH3CH,CH2CCH3

CH,

I

(c) CH,COCH,CH,CH,

II

(b) CH,CHCH,CH

O

II

O

O (d)

II

(CH3),CHCH2COCH,CH,

Resumen

95 1

Resumen La absorci6n de luz ultravioleta (200-400 nm) o visible (400-750nm)resulta ec transiciones electr6nicas, promoci6n de electrones desde orbitales en estado basal a orbitales de energia más elevada. La longitud de onda A de la absorci6n es inversamente proporcional a la energía requerida. El espectro visible O de UV-es una gráfica de absorbancia A o absortividad molar E vs A, donde E = Alcl. Laposición de absorción mkima se da en Amax. La transiciones electr6nicas importantes son w J w * para los sistemas conjugados y v+w*. Un aumento en -la conjugación resulta en desplazamiento de -Ama hac4 longitudes de ondas más grandes. Los compuestos que absorben a longitudes de onda más largas que 400 nm son de colores; el color aparente es el color complementario de la longitud de onda absorbida. Es posible ver gracias a la conversión del 1 1-cis-retinal presente en la rodopsina a trans-retinal, el que a su vez es reducido a trans-vitamina A. La regeneración del 11-cis-retinal se lleva a cabo mediante la conversión enzimática de trans-vitamina A :n 11-cis-vitamina A y luego a 1 1-cis-retinal. Los tintes son compuestos coloreados que se adhieren a los tejidos o a otras sustancias. Un indicador hcido-base es un compuesto que sufre cambio de color en una reacci6n con ácido o con base. El cambio de color surge de un cambio en el sistema conjugado y, por lo tanto, en la longitud de onda de la absorci6n. ””

”~

TABLA 21.5. Resumendealgunos modelos defragmentaci6nen los espectros de masas. Fragmentacibn

Reaccidn

fisi6n por enlace u al carbocati6n m& estable fisi6n a fisi6n a

Compuestos de carbonilo: fisi6n a

donde Y = H, R’, OH, OR’, etc.

trasposici6n de McLaffew

Alcoholes:

[ y]’ RZCHCRZ

-H,O

__*

[R,C=CRz]?

p6rdida de H,O

“Si una cetona o un &ter sufre trasposici6n y si Y contiene un hidr6geno y se pueden observar dos tipos de trasposici6n.

Capitulo 2 1

952

Espectroscopia /I

La fluorescencia y quimioluminiscencia son el resultado de la emisión de luz al volver las moléculas excitadas al estado basal. es una grhficade la abundancia versus la relación masaUn espectro de masas a-carga (mle) de parthlas cargadas positivamente que resulta del bombardeo de un compuesto con electrones de elevada energía. La extracción de un electr6n de una molécula del compuesto resulta en el ion molecular. El ion molecular puede perder htomos, iones, radicales y moléculas pequeiias para dar diversos productos de fragmentación. La Tabla 21.5 resume algunos de los modelos de fragmentacidn. PROBLEMAS DE ESTUDIO 21.14.1 J n químico 1,3,5-hexatrieno y 1,3,5,7-octatetraeno y los colocb en matraces separados pero olvidó ponerles etiqueta. iC6mo p o d n a 'ndiferenciarseambos compuestospor espectrascopía

de UV? 21.15. iCu5les de los siguientes pares de compuestos podrían ser diferenciados por sus espectros de

UV? Explique. (a) CH,CO,CH,CH,,

CH,CH,CO,CH,

O

I1

(c) ClI,CH=CHCH2CCH,,

o I1

CH3CH,CH=CHCCH,

21.16. Calcule las absortividades molares de los siguientes compuestos a las longitudes de onda que

se especifican: (a) adenina (disolución 9.54 X los", celda de l.Ocm), absorbancia de 1.25 a 263 nm. (b) ciclohexanona (disolución 0.038 M, celda de 1.0 cm), absorbancia de 0.75 a 288 m. 21.17. Labuten-ona

dos mkimos?

exhibe los mhximosdeabsorción UV a 219 y 324 nm. (b) ¿Cuál de ellos tiene el mayor valor de E,?

(a) ¿Por qut hay

21.1 8. ~ Q u 6 tipo de transicioneselectr6nicasdarhn lugara absorciones UV en los siguientescompuestos?

(a) 2,4-octadieno (b)2-ciclohexenona (c) anilina (d) fommldehído 21.19. Ordene los siguientes compuestos por orden creciente de A-:

(C,H,-C,H,)

(c) estireno (C,H,CH = CH,)

(a) benceno (b) bifenilo (d) estilbeno (C,H,CH = CHC,H,)

21.20. Un químico tiene un compuesto líquido de estructura desconocida y fórmula C,H,. Su espectro UV muestra una A, a unos 220 nm. ¿Cuales son las posiblesestructuras para este compuesto? 21.21. Sugiera un motivo para el hecho de que la A- para el truns-estilbeno (C,H,CH = CH C,H,) sea de 295 nm, mientras que es de 280 nm para el isómero cis. 21.22. Sugiera un mecanismo para la isomerización fotoquímica del trans-estilbeno a cis-estilbeno. 21.23. El azul de indofenol es un colorante a la tina que se oxida a una forma azul insoluble desputs

de su aplicación sobre el tejido. DC la estructura de la forma oxidada.


953

forma reducida del azul de indofenol 21.24. Cuando se acidifica una solución de

violeta cristal, el color cambia del violeta al azul, luego al verde y finalmente al amarillo. Escriba ecuaciones que expliquen estos cambios de color.

:HAN

Violeta cristal

21.25. El rojo f e d es un indicador ácido-base amarillo a pH 6 pero rojo a pH 9. Dé las estructuras

(y estructuras en resonancia) de las dos formas del compuesto.

Rojo fenol 21.26.

lasestructurasde

los productos:

(a) [CH,CH,CH,OH]

t

- H,O

-

21.27. Para cada uno de los ocmpuestos siguientes, pronostique las estructuras y los valores de

mle del ion molecular y de los productos de fragmentacih cargados positivamente mks probables:

(a) éter etil-isopropílico (b) éter etil-isobutnico

(c) 2-cloro-propano

(d) 2,5-dimetil-hexano (e) 2-propanol (0 4-ciclopentilbutanal (~610la fragmentacih de McLafferty)

21.28. Sugiera estructuras y mecanismos de fragmentación que expliquen los siguientes picos observados

en los espectros de masas. (a) n-butano, mle = 58, 57, 43,29, 15 (b) benzamida, mle = 121, 105, 77 (c) 1-bromo-propano, m/e = 124, 122,43, 29, 15 21.29. ¿Qué reactivos necesitaria para preparar el colorante azoico amarillo Crisuminu G?

H02C

Crisamina G

CO,H

Capitulo 2 f

954

Espectroscopia I1

21.30. En los espectros de UV, la presencia de un doble enlace adicional que extiende la conjugaci6n aumenta unos 30 nm a la .,A A partir de los siguientes valores observados deA-, establezca

en que medida el grado de sustituci6n sobrelos carbonos sp' afecta a la posicibn de .,A Estructura

J",,,

CH,=CHCH=CH, CH,CH=CHCH=CH, CH,CH=CHCH=CHCH, CH,=CCH=CHCH,

217 223 227 227

3

I

n'n

CH, 21.31. Teniendo en cuenta la respuesta al problema 2 1.30, prediga los valores de A,

para los siguientes

polienos:

21.32. Prediga los valores de,A

en los casos indicados:

in,,,.nm

Estructura

Estructura

nm

O

O

II

CH,=CHCCH,

219

II

O

O

I1

CH,CH=CHCCH,

(4

(CH,),C=CHCCH,

224 ,),C=CCCH

(CH

I1

(b)

I CH, O

I1

CH,=CHCH=CHCCH,

(c)

21.33. Una cetona (C,H,,O) da positiva la reacci6n del yodoformo y muestra los siguientes picos pfincip&s en su espectrode masas: mle 100, 85,5 7 y 43. iCu6les de los siguientes compuestos

son compatibles con estos datos?

21.34. Un compuesto que contiene s610 C, H y O muestra en su espectro de infrarrojo fuertes absorciones a 1724 cm-' (5.8 pm), 1388 cm-' (7.2 pm) y 1231 cm-' (8.1 pm), adem& de otras absorciones minoritarias. El espectro de Rh4N muestra únicamente un singulete a 2.1 ppm y el espectro de masas exhibe picos principales a mle 58 y 43. ¿Cuál es la estructura del compuesto? 21.35. Los espectros de infrarrojo, de RMN y de masas de los compuestos A-U se muestran en las figura 21.16 a 21.19, respectivamente. A partir de los espectros, deduzca la estructura de cada

compuesto.


955


76

“ m i e

+

FIGURA 21.16. Espectros del compuesto A, problema 21.35.

94

956

Capitulo 2 I

Espectroscopia /I Longitud de onda (pm)

I17

90

FIGURA 21.1 7. Espectros del compuesto B, problema 21.35


5

I

7?

I20 I

133

,

95 7

958

Capitulo 2 1

Espectroscopia I /

O

8.0

1 .o

.

_

Hz

I

'

0 PPm

APÉNDICE

Nomenclatura de los compuestos orgánicos

L

a explicaci6n completa de las reglas definitivas que gobiernan la nomenclatura de los compuestos orgtinicos requeriría m h espacio del que se le puede brindar en este texto. Examinaremos algunas de las reglas de nomenclatura comunes, tanto de la IUPAC como las de los nombres comunes o triviales. Las siguientes referencias contienen mtis detalles: IUPAC Nomenclature of Organic Chemistry, Secciones Á, B , y C, 2nd. d., Butterworths,Londres, 1971. DisponibleahoradePergamon %SS, Elmsford, New York. (Tambi6n se puede encontrar en Pure Appl. Chem. II ( 1 2) (1965).) ChemicalAbstractsService, Naming and Indening of Chemical Substances for ChemicalAbstracts during the Ninth Collective Period (1972-1976) (January-June, 1972), AmericanChemicalSociety,Columbus Ohio, 1973. Chemical Abstracts Service, Combined Introductions to the Indexes to Volume 66 (January-June,1%7), American Chemical Society, Columbus, Ohio, 1968. A. M. Patterson, L. T. Capell,and D. F. Walker, TheRing Index, 2nd Ed., American Chemical Society, Washington D.C., 1960; Supplement I (19571959), 1963; Supplement II(1%0-1%1), 1964; Supplement III(1962-1963), 1965.

R. S. Cahn, J . Chem. Ed., 41, 116 (1964).

Alcanos Los nombres de los primeros treinta alcanos de cadena continua aparecen en la Tabla Al.

Alcanos ram@cados. En la nomenclatura de los alcanos con sustituyentes alquílicos, se considera como base la cadena continua más larga. La cadena base se

960

Apendice

TABLA A l . Nombres de algunos alcanos de cadena continua

Fórmula molecular Nombre

Fórmula molecular

Nombre ~~

metano etano propano butano pentano hexano heptano octano nonano decano undecano dodecano tridecano tetradecano pentadecano

~

hexadecano heptadecano octadecano nonadecano eicosano heneicosano docosano tricosano tetracosano pentacosano hexacosano heptacosano Octacosano nonacosano triacontano

numera de unextremo al otro, escogiendo como dirección la que dé a los sustituyentes los números más bajos. El nombre completo de la estructura se compone de (1) los números de las posiciones de los sustituyentes; (2) los nombres de los sustituyentes; (3) el nombre de la cadena base.

Sustituyentes alquílicos. Los nombres de los sustituyentes alquílicos (llamados también ramijicaciones o radicales) se derivan de los nombres de los correspondientes alcanos, cambiando su terminación -ano por -izo*. Por ejemplo, CH3CH2- es etilo (de etano). Si hay varios sustituyentes, se disponen en orden alfabético, cada uno precedido de su respectivo número y agrupando los andogos. Algunos sutituyentes alquílicos ramificados tienen nombres comunes o triviales (Tabla A2). TABLA A2. Nombres triviales de algunos grupos alquílicos comunes

Estructura

CH3CH2CH2(CH3)ZCHCH.3CH2CH2CH2(CH3)2CHCH2CH3CH2CH(CH3)(CHd3CCH3CH2CHZCH2CH2(CH3)2CHCH2CH2(CH3),CCH2--

Nombre

propilo normal o n-propilo" isopropilo n-butiloa isobutilo butilo secundario o sec-butilo butilo terciario, terc o I-butilo n-pentilo (o n-amiloy isopentilo (o isoamilo) neopentilo

"ElUSO de n- (para señalar una cadena continua) es Opcional. *Aunque el abmbre de 10s radicales alquílicos termina en-ilo. el nombre como sustituyente o ramificación sólo lo hace en dl.

Nomenclatura de los compuestos orgAnicos

3-etil-hexano

961

4-etil-2,6-dimetil-otano

Alquenos y alquinos Los hidrocarburos no ramificadosque tienen un doble enlace se nombran en elsistema de la IUPAC remplazando la terminación -ano del alcano por -em. Si hay dos o m& dobles enlaces la terminación es -dieno, -afrieno, etc. La cadena se numera de forma que los dobles enlaces lleven los números más bajos posibles. (El número más bajo de los dos carbonos unidos por el doble enlace se usa para dar su posici6n.)

0 @

@'S

@ CH,CH=CHCH,CH,

o

00

O@

CHZ=CHCH=CHCH,

2-penteno

1,3-pentadieno

L o s hidrocarburos no ramificados que contienen un triple enlace se nombran remplazando la terminación -ano del alcano por ino. Si hay dos o tres triples enlaces la terminacih es adiino, -atriino, etc. La cadena se numera de forma quelos parbonos del triple enlace lleven los números más bajos posibles. De nuevoel número m& bajo se emplea para designar la posición. Por ejemplo, CH,CH,C=CH es el 1-butino Los hidrocarburos no ramificadoscon doble y triple enlace se nombran remplazando la terminación -ano del alcano por la terminación -mino. Si es preciso se insertan los números para indicar la posición. Al doble enlace se la asigna el número m& bajo; por ejemplo CH, = CHCECCH, es el 1-penten-3-ino. En la tabla A3 se hallan los nombres triviales de algunos alquenos y alquinos.

Alquenos y alquinos ramificados. En el nombre de la IUPAC de un alqueno o alquino ramificado, la cadena base es la cadena m6s larga, que contiene el número máximo de dobles o triples enlaces. (Ésta puede ser o no ser la cadena continua m& larga de la estructura.)

TABLA A3. Nombrestrivialesdealgunosalquenos

Estructura

Nombre

CH,=CH, CHECH CH,=C=CH, CH,=CHCH, CH,C=CH (CH,),C=CH, CH2=C(CH3)CH=CH,

etileno acetileno

aleno propileno metil-acetileno isobutileno isopreno

y alquinos

962

ApCndice

CH2CH2(.ti, 3,4dipropil-l,3,5-heptatrieno

Varios sustituyentes insaturados tienen nombres comunes o triviales, algunos de Bstos aparecen en la Tabla A4, junto con sus nombres sistemáticos. En los compuestos de estructura compleja, se utiliza algunas veces el símbolo A para indicar los dobles enlaces.

Isdmeros geomdtricos. Hay dos mBtodos para nombrar los isómeros geomttricos. Un mktodo emplea los prefijos cis (del mismo lado) o trans (de lados opuestos) para designar los is6meros geom6tricos.

cy3 /CH, /c=c\

H

H

cis-2-buteno

H\

/CH3

/c=c \

Cf-3 H trans-2-buteno

El otro mktodo emplea(E)(grupos de mayor prioridad, de acuerdo conel sistema de Cahn-Ingold-Prelog,en lados opestos), o (2) (grupos de mayor prioridad, del mismo lado)para la designaci6ndelosisómerosgeombtricos. Lasreglas deprioridad se encuentran en la Seccidn 4.1B.

TABLA A4. Nombres de la IUPAC de algunos grupos insaturados

Estructura

Nombre

CH, = CH2=CH-

CH2=CHCH2”CH3CH-=CH(CH,),C=

metileno etenilo (vinilo). etilideno etinilo 2-propedo (dilo)” 1-propenib isopropilideno

4

2-ciclopenten-1-ilo

CH,CH= CHEC-

‘

5 %S

nombres entre. padntcsis son los triviales

Nomenclatura de

los compuestos orgdnicos

CH3CH2 ,CH3 \

/

CH3CH2

H

963

CH3

/c=c \

,c=c \ H

I

CH, Q-3-metil-2-penteno Q-3-metil-2-penteno

El etilo tiene prioridad sobre el metilo; el metilo lo tiene sobre H

Hidrocarburos ciclicos Cicloalcanos y ciclolJquenos. Los nombres de los hidrocarburos cíclicos saturados se formananteponiendo el prefijo ciclo- al nombredelalcanodel mismo númerode aitomos de carbono.

O

es ciclohexaao

Un anillo se considera base, a no ser que exista una cadena m& larga unida, en cuyo caso la cadena m6s larga es la base del nombre. CH,CH,CH, l-ciclohexil-heptano pmpilticlohexano

Los sustituyentes alquflicos se nombran como prefijos y se les da el númerode posici6n m L bajo posible. cis-l,2~tikicIopentano

5 4 H 3 CH3

Los hidrocarburosinsaturadosmonocíclicossenombrancambiandolatenninaci6n-ano por -eno (dieno, etc.). El anillo se numera de forma que los dobles enlace tengan los números mas bajos posibles Si hay susutituyentes alquflicosy dobles enlaces, el anillo se numerademodoquelosdoblesenlacesrecibanlosnúmeros m& bajos posibles.

Las estructurascíclicas de algunos terpenos comunes tienen nombres individuales

mentano bomano

pinano

norbomano

964

Aphdice

Hidtocarburos aromdicos. Los hidrocarburosaromslticosse conocenordinariamente por sus nombres triviales (Tabla A5). Los sistcmas compuestos por cinco o msls anillos de benceno condensados linealmente se nombrai por un prefijo numkrico griego seguido por la terminacidn -ceno. (El prefijo señala el número de anillos condensados.)

pentaceno

Se considera como baseal sistema aromsltico, a menos que Bste tenga una cadena m& larga. TABLA A5. Nombres de algunos arenos y grupos arílicos

Estructura

Nombre

Estructura

Grupos ad:

Arenos:

0 6 7&ll:5

4

benceno

CIA"

fenil-

naftaleno

C6H5CH2-

bencil-

antraceno IO

5

6

Nombre

5

p-toluil-

4

4

fenantreno

O ~ I

tolueno

C6H5CH=CHCHz-

3

cumeno

estireno o-xileno

mesitileno

l-naftil( a-naftilo-

cinamil-

Nomenclatura de los compuestos orgdnicos

C,H,CH2CH,CH3

965

C,jH=,CH,(CHZ),CH,

propil-benceno

1-fenil-heptano

Si s610hay dossustituyentes en el anilloben&nico,susposicionespueden designarse por prefijos numkricos o por o-, m-, p- (orto-, meta-, para-). Si hay m& de dos sustituyentes, deben emplearse números.

o-dibromo-benceno m-dibromo-benceno p-dibromo-benceno

1,2,3-trietil-benceno

El grupo principal, o el grupo que es parte del nombre base (por ejemploCH, en el tolueno) se considera siempre unido a la posici6n 1 del anillo. Los nbmeros de los sustituyentes se escogen de forma que seanlos mhs bajos posibles. CH=CH2

?H

I

N02 m-cloro-fenol p-nitro-tolueno

3,5-dimetilestireno

Heterociclos Algunos heterociclos comunes aparecen en la Tabla A6. En los heterociclos comunes con un s6lo heterohtomo, esehtomo se considera la posici6n l. Otros sistemas cíclicos se numeran por convenci6n (Tabla A6). Para nombrarlos compuestos monocíclicos con uno o mhs heterohtomos, pueden aza-("NH-), ria-(&). Para anillos insaturados el usarse prefijos: oxa-(-O-), tamaíio del anillo se designa con sufijos:-01 significa cinco,-ina significa seis (se usa s610 en anillos que contienen nitr6geno). Por ejemplo,un oxazol es un anillo de cinco miembros que contiene O y N. Al numerar, el O tiene prioridad sobre el N.

5n:

4

5N-N.3

O I

I ,3-OXaZOl

A N A I

1,3,5-triazina

Heterozitomos en las cadenas El sistemaom- y aza- puede emplearse tambikn para nombrar los compuestos alifhticos. Este método se llama nomenclatura sustitutiva. Se numeran todos los htomos de la cadena de forma que los heterohtomos reciban los números mhs bajos posibles. Como base se considera el alcano con el mismo número de htQmos de carbono que el total de htomos de la cadena continua (se incluyen los heterohtomos, pero no los H),

966

Aphdice

TABLA A6. Nombre de algunos heterociclos comunes

Estructura

Nombre

furan0

Nombre

Estructura

5eN3

6 ' NJ2

pirimidina

I

4H-PiranO

morfolina

(Y-PbO)

pirrol

tiofeno

pirazol

indol

imidaZOl

carbazol

piridina

P

W

5

quinolina

piperidina

I

76@:\ 8

1

\7

/N2

isoquinolina

piperazina 8

1

Formulación de los nombres Losprejljos. En el sistema de laIUPAC, los sustituyentes alquílicos y losarííicos

y muchos grupos funcionalesse nombran comoprefijos, anteponiéndolos al compuesto base(por ejemplo, yodometano). La Tabla A7 contienealgunos grupos funcionales comunesusados comoprefijos. Otros nombres se usan avecescomoprefijos para p p o s cartmnilo, grupos oxhidrilo, etc. Éstossemencionanen las secciones específicas. Tratamiento semejante para cosas adlogas. Los nombres debenser tan sencillos y congruentes como sea posible. Dos sustituyentes idénticos deben tratarse de modo

Nomenclatura decompuestos los

T A M A7. Algunos grupos

Estructura

“OR “NH,

Estructura

alcoxi-a amino=o-

-Br

bromocloro-

“CI

funcionales comunes nombrados como prefijos

Nombre

-hf=N-

orgdnicos

967

,

Nombre

-F

fluoro-

“H

hidI0-b

-1 ”NO,

yodonitro-

-NO

nitroso-

%emxi-, etoxi-, etc., dependiendo d e l grupo R bHidro- es un prefijo usado para designar un derivado hidrogenado de un compuesto insaturado base. Perhidro- significa completamente hidrogenado.

n

4a,8a-dihidro-naftaleno

perhidm-fenantreno

análogo, aunque haya que quebrantar alguna que otra regla. Aunque C&I,CH, el sería metil-benceno o tolueno (en lugar de fend-metano), el (C,H,),CH, se llama difenilmetano. Prefijos para designar cosas adogas. En los compuestos sencillos,los prefijos di-, tri-, tetra-, penta-, hem-, etc. se usan para indicar el número de veces que un por ejemplo, dimetil-amina para(CH,),NH sustituyente se encuentra en la estructura: o dicloro-metano para CH,Cl,. En las estructuras complejas, se emplean los prefijosbis-, tris- y tetracis-; bissignificadosdelmismogénero; tris-, tres del mismo género; tetracis-, cuatro del mismo género. [(CH3)2Nk

esbis-(dimetil-amino)-

y no di- (dimetil-amino)-

El prefijo bi- se usa (1) para moltculas “dobles”, y (2) para hidrocarburos con puente.

biciclo bifenilo (una molkcula doble)

[2.2.0] hexano (hidrocarburo con puente)

Orden de los prefjos. Los prefijos se ordenan en orden aljiabético (etilmetil-). AI alfabetizar, se descartan los prefijos que indican el número de veces que un sustituyente aparece enuna estructura (di-, tri-, etc.). El etildimetil es el orden correcto, aun cuando la d está antes de la e .

968

Apendice

Cucfndo se elimina una vocal. Enel caso de nombre conjuntivos (nombres formados por la combinaciónde dos nombres), las vocales no se eliminan, se conservan. Por ejemplo, se retiene la o en el ácido ciclQhexanoacético (y no ácido ciclohexanacCtico) . Pero si hay dos sufijos sucesivos, la vocal al final del primer sufijo se elimina (ácido propenoico y no propenooico), a no ser que vaya seguida de una consonante (propanodiol y no propandiol). Prioridad de nomenclatura de grupos funcionales. Los distintos grupos funcionales se ordenan según su prioridad para determinar cual se nombra como sufijo y recibe el número de posición más bajo. En la Tabla A8 aparece una lista de estas prioridades. Estas no son las mismas prioridades que fueron usadas para (E)y (Z) o fR) Y (S).

o I1

C'H ,CCtICH

I

es 3-amino-2-butanonay no 2-amino-3-butanona

NHZ E l grupo funcional principal se expresa al final del nombre. Se prefiere un nombre con una sola terminación funcional. Por ejemplo: HOCH,CH,CO,H es el ácido 3hidroxipropanoico. En los nombres que deben tener dos terminaciones, la terminación final se refiere siempre al grupo principal (TablaA-8). Por ejemplo: CH,CH CHC0,H es el ácido 2-butenoico.

Numerwi6n de la estructura buase. La estructura base se numera de forma que la función principal reciba el número más bajo posible (véase la sección anterior). Las TABLA A8. Prioridad de nomenclaturaa

Esnuctura

-N(CH,),+ - CO, H

-SO,H

-cox "CONR2 "CN

Nombre

(como un ejemplo) ion onio ácido carboxilico ácidosulfónico halogenuro de ácido amida tlitril0

"CHO

aldehído cetona

ROH ArOH

"NR,

alcohol fenol tiol amina

-0-0" M g X (como un ejemplo)

per6xido organometálico

"uo" "SH

'\. /

['=C

/ \

alqueno

" ( " . E ( "

alquino

R--, X--, etc.

otros sustituyentes

"La prioridad mas elevada estd en la parte superior de la lista.

Nomenclatura de

compuestos los org6nicos

969

letras griegas se reservan paralos nombres comuneso triviales y pueden no corresponder directamente a los números de laIUPAC. Alfa (a,la primera letra del alfabeto griego), significa posición sobre el carbono d s próximo, que frecuentemente es el número 2 en el nombre sistemático.1 Br

I

CH,CHCO,H k i d o 2-bromo-propanoico (IUPAC) dcido u-bromo-propi6nico(común o trivial)

Numeración de sustituyentes y uso de par.ntesis. Si se requieren dos sistemas de numeración para una identificación completa de todos los átomos de la molkula, se usa con frecuencia una comilla (’) en uno de los sistemas para evitar confusión.

L o s sustituyentes alquílicos se numeran separadamente de la cadena base, comenzando por el punto de unión. En estos casos, la comilla única no es necesaria, siempre que se empleen parhtesis para encerrar los prefijos complejos.

p(2-bromo-etil) anilina

2-(2-cloro-propil)-l,3,5-hexatrieno

Conjiguración alrededor de un carbono quiral. Un átomo de carbono quiral, unido a cuatro grupos diferentes, puede tener una configuración (R)o (S). Con el fin de decidir si la configuración es (R)o (S), se coloca la estructura de forma que el grupo de menor prioridad se sitúe hacia atrás (véase la Sección 4.1B para determinar la prioridad, que no es la misma que la prioridad de nomenclatura). Se determina entonces la dirección desde el grupo de mayor prioridad hacia el segundo de mayor prioridad. Si esta dirección es la de las manecillas del reloj, el centro quiral es (R); si es la opuesta de las manecillas del reloj, el centro quiral es (S). Si la estructura tiene un solo centro quiral, se emplea (E)o (S) como primer prefijo delante del nombre. Si la molécula tiene más de un centro quiral, la designaci6n de cada centro quiral y su número de posición se encierra entre parántesis en el prefijo. Por ejemplo, (2, 3R)-dibromo-pentano

YH)

H hacia a t r b

J

2,iCH,CH, CH, CH,CH,

\ CH,

Apendice

970

Acidos carboxílicos Hay cuatro tipos principales de nombres para los ácidos carboxílicos: (1) IUPAC;(2) común o trivial; (3) ácido carboxílico; y (4) conjuntivo.

Nombres de la IUPAC. Con excepción de los 6cidos de uno a cinco carbonos y algunos ácidos grasos, los acidos alifáticos monocarboxílicos se nombran por el sistema

de la IUPAC.Se escoge como base la cadena mfis larga que contenga el grupo carboxilo, y la cadena se numera comenzando por el carbono del grupo CO,H, que lleva el número l . El nombre se toma del alcano con el mismo númerode átomos de carbono, cambiando su -o final por -oico, y es precedido por la palabra úcido. CH,CH,CH2CH,CH,C02H dcido hexanoic0

Los sustituyentes se designan por prefijos. Un doble enlace se designa con un sufijo que precede a la terminación -0ico. CH,=CHCH,CHCH,CO,H bid0 3-metil-5-hexenoico

TABLA A9. Nombres comunes o triviales de algunos 6cidos monocarboxílicos

del

Nombre

del

Estructura

Cadena saturada: HC0,H CH,C02H CH,CH,CO,H CH3(CH,),C02H CH,(CHz),CO,H CH3(CH2)10C02H CH,(CH,),2CO,H CH,(CH,),,CO,H CH,(CH,),,COZH

Nombre &cid0

fónnico acético propiónico butírico valérico lauric0 min’stico

Estructura

kid0

Con otra funci6nb: CH,COCH2C02H CH,CH(OH)CO,H CH,COCO,H CH,COCH,CH,CO,H

acetoacético 16ctico pkúvico levulínico

Con anillos: C,H,CO,H

benzoic0

palm’tico

OH

estehico

salicílico

45-C02H

Cadena insaturada’: CH,=CHCO,H CH,=C(CH,)CO,H wans-CH,CH=CHCO,H

acníico metacnlico crot6nico

,

CO,H

2-naf‘toico

6

5

4

nicotínico

“Para Lidos grasos insaturados, v6ase la Tabla 20.1. bPara hidos cr-SminoaCidos, dase la Tabla 19.1.

-


971

Nombres comunes o triviales. La Tabla A9 muestrauna lista de los nombres comunes o triviales que se usan con más frecuencia para los ácidos carboxilicos. Nombres del leido carboxílico. El nombre de ácido carboxílico se usa cuando hay un grupo 4 0 , H unido a un anillo. El nombre es una combinaci6n del nombre del sistema ciclico con el sufijo curbox.flicoprecedido por la palabra úcido. El grupo carboxilo se considera unido a la posici6n 1 del anillo, a no ser que el sistema ciclico tenga su propio y Único sistema de numeraci6n (no se numera el carbono del grupo -CO,H, como se hace en un nombre de la IUPAC). Y

4

?

Acid0 ciclohexan-carboxílico

acid0 2-piridin-carboxflico

Nombres conjuntivos. Los nombres conjuntivos son combinaciones de dos nom-

bres: en los siguientes

ejemplos el nombre del anillo más el del ácido.

CH2C02H

65&

7 kid0 ciclohexar:-&tico .

N I H

CH,CO,H

acid0 indol-2-acttico

D&kibs y cfcid~sp o l i c ~ b ~ ~ í l i cLOS o s . diácidos pueden nombrarse sistemáticamente como ácidos-diolcos:por ejemplo, HU,CCH,CO,H es el acid0 propandjoico. Se usan comunmente los nombres triviales. Algunos de tstos se resumen en la ‘Tabla A10. Los ácidos policarboxílicos de la sene alifática que contienen más de dos grupos carboxílicos se nombranpor la nomenclaturadeácido carboxílico. Se escoge como base la cadena más larga, a lacual e s e unido el mayor número degrupos carboxílicos. Si hay una insaturacih, se incluye el doble o triple enlace, si es posible, con el nombre de la cadena.

o

HO,CCH,CHCH,CO,H

es Acid0 1,2,3-propantri-carboxílico

I

CO,H

Acidos sulfbnicos. Los ácidos sulf6nicos se nombran añadiendo la terminaci6n su@jnico al nombre del resto de la estructura, y anteponiendo la palabra 6cido. CH,CH,SOJH etar,sulf15nico &ido

C,H,SO,H áciclo bencenosulf4nico

Anhídridos de &ido Los anhídridos de ácidose nombran a partir del nombre del ácidoo ácidos componentes cambiando la palabra &ido por unhidrido. Pueden emplearse los nombres triviales o los de la IUPAC.

972

Apéndice

TABLA A10. Nombres trivales o comunes de algunos diacidos Estructura

deido

Nombre del

Alifsticos: HO,CCO,H HO,CCH,CO,H HO,C(CHz),COzH HO,C(CH,),CO,H HO,C(CH,),COZH HO,C(CH,),CO,H HO,C(CH,),CO,H H0,C(CH2),COzH HO,C(CH&CO,H riv-HO,CCH=CHCO,H trans-HO,CCH=CHCO,H HO,CCH(OH)CH(OH)CO,H

oxálico maldnico succínico glutárico adípico pimklico SUMriCO azelaic0 sebhcico maleico fumárico tartárico

Aromhticos: ftálico

isoftálico

Q

tereftálico

COzH

O

0

I1 I /

CH,COCCH,CH, anhidrido benzoic0

anhídrido acetic0 propi6nico

Los anhídridos cíclicos se nombran a partir del dihcido base. O

icido maleico

anhídrido maleico


973

Halogenuros de heido L o s halogenuros de hcido se nombran cambiando la terminación -ico del hcido carboxílico por -do, y la palabra dcido por el nombre del halogenuro. La terminación -ilo en el nombre de un diácido implica que ambos grupos carboxilo son halogenuros de hcido. O

O

II

CH3CC1

II

I1

CICCH,CH2CCI

C,H,CBr

clonuo de acetilo

O

O

II

cloruro de succinilo

bromuro de benzoilo

Alcoholes L o s nombres de los alcoholes pueden ser (1) de la IUPAC; (2) triviales o comunes;

y, ocasionalmente, (3) conjuntivos. Los nombres de la IUPAC se toman del nombre del alcano, cambiando la -o final por -01. En el caso de un poliol, el prefijo di-, tr-, etc. se coloca antes de -01, con el número de la posición al comienzo del nombre, si es posible. CH,CH,CH,CH,CH,OH

H

O

G

O

H

1,4-ciclohexanodiol

1-pentanol

En los casos en los que pueda haber confusión, el número de la posición precede a -01. Por ejemplo, CH,CH= CHCH,OH es 2-buten-1-01. Si hay una funci6n de prioridad mayor, o en moléculas complejas, debe emplearse el prefijo hidroxi-. Por ejemplo, CH,CH(OH)OH,CO,H es el hcido 3-hidroxibutanoico. Los nombres triviales o comunes se componen generalmente del nombre del grupo alquilo precedido de la palabra alcohol. (CHd3COH alcohol t-butílico

C,H,CH,OH alcohol bencílico

Los nombres conjuntivos se emplean principalmente con estructuras en las que un sistema cíclico se une a un alcohol alifAtico.

piridina-3-metano1

Polioles. Las estructuras con dos grupos OH en carbonos adyacentes (1,2-dioles) reciben a veces nombres triviales de glicoles: el nombre del alqueno (no del alcano) del que se pudo formar el diol mhs la palabra glicol. Glicerol y glicerina son nombres triviales para el 1,2,3-propanotriol. OH

I

OH

I

CH,CHCH,OH

HOCH,CHCH,OH

1,2-propanodioi (IUPAC) propilenglicol (trivial)

1,2,3-proparrtriol(IUPAC) glicerina (trivial)

974

Apendice

Fenoles Los fenoles son compuestos en los cuales un OH estA directamente unido a un anillo aromático. En estos casos, el fenol (o naftol, etc.) seconsideracomoestructura base. ,

5 6 p-nitrofenol

OH

67 & 5 :

Q Q r O "

5 4 I -naftol (IUPAC) a-naftol (trivial)

2-naftol (IUPAC) p-naftol (trivial)

Muchos fenoles y fenoles sustituidos tienen nombres triviales.

(&LH

O b O HH O O O H

&OH pirccatecol

o-cresol

hidmquinona

resorcinol

Aldehídos Los aldehídos pueden nombrarse por el sistema de la IUPAC o por nombres triviales de aldehídos. En el sistemade la IUPAC, a partir del nombre del 6cido carb6xílico correspondiente se suprime la palabra úcid0 y la terminaci6n -oico se cambia por -al. CH,CH,CH,CH,CH,CHO hexanal

En los nombres triviales, la terminaci6n CH,CHO

-ico (u -oico) se cambia por

C,H,CHO

benzaldehído acetaldehfdo

ciclohexanccarboxaldehído

Algunos aldehídos tienen nombres triviales

O OC H O 2-furaldehído Ofurfural

,

específicos:

HOCH,CH(OH)CHO gliceraldeMdo

ddehído.

Nomenclatura de los compuestos orghicos

975

Amidas En ambos sistemas, el de laIUPACy el trivial o común, unaamidasenombra suprimiendo la palabra &ido y cambiando la terminaci6n -ico (u -0ico) del nombre del Acido correspondiente por -ami&. O

O

I1

II

CH,CNH, CH,(CH,),CNH, hexanamida (IUPAC)

acetamida (trivial)

Los sustituyentes del nitr6geno dela amida se nombran como prefijos precedidos por N- o N,N-.C,H,CONHCH, esN-metil-benzamida, y C,H,CON(CH,), es N,Ndimetil-benzamida. Las N-fenil-amidas tienen el nombre trivial de anilidus. O

O

I1

I1

CH,CNHC,H,

C,H,CNHC,H,

acetanilida

benzanilida

Las sulfonumidas se nombran aíiadiendo la tenninación -sulfonamida al nombre del resto de la estructura. Por ejemplo: C,H,SO,NH, es la bencenosulfonamida.

5-76

p-aminobencenosulfonamida (sulfanilamida)

Aminas Las aminas se nombran en dos formas principales: con la terminaci6n -amina y con la palabra amino- como prefijo. Si nohay otro grupo funcional de mayor prioridad, se emplea la tenninaci6n -amina. Observe que el grupo mayor unido al nitrógeno se considera la estructura base o parte de la mina base. Nombres sufijos:

(W,),NH

CH,NHCH,CH,

dirnetil-amina

N-rnetil-etil-amina -v

f

grupo muyor Nombres prefijo:

NH2

NHCH,

I

I

CH,CHCH,OH

CH,CHCH,OH

2-amino- 1-propanol

2-(rnetil-amino)-l-propanol

Las poliaminas se pueden nombrar como di-, o rriaminas, etc. H,NCH,CH,NH, 1.2-etano-diamina

Apéndice

976

Algunas aril-aminas tienen sus nombres propios.

A veces se usa el prefijo -am para identificar un N en una cadena o anillo.

Sales de a m i k . Las sales de aminas se nombran como sales de amonio o (en casos sencillos) como clorhidratos de amina, etc. (CH,),NH' C1 cloruro de trimetil-amonio (clorhidrato de trimetil-mina)

Las sales cíclicas con frecuencia se llaman sales de -inio. C,,HSNH,+ Br

QfiH

O,CCH,

bromuro de anilinio (bromhidrato anilina) deacetato piridinio de

Ésteres y sales de aicidos carboxílicos L o s ésteres y las sales de ácidos carboxílicos se nombran con dos palabras en ambos

sistemas, el sistemático y el trivial o común. La primera palabra deriva del nombre del ácido carboxílico base, cambiando la terminación -icd por -aro y suprimiendo la palabra úcidu. La segunda palabra del nombre se refiere al nombre del sustituyente en el oxígeno. CH,(CHI),CO,CH.$ CH,COICH,CH, CH,CH,C'O,Na SO,N¿i

hexanoato de metilo (IUPAC) acetato de etilo (trivial) propanoato de d i o (o propionato de sodio) p-toluen-sulfonatode sodio (o tosilato de

sodio)

Éteres Los éteres se nombran generalmente usando los nombres de los grupos alquilo o aril0 unidos al oxígeno precedidos por la palabra éter. (Éstos son nombres triviales.) dietílico

CH,C'H,OCH,C'H, éter

CH,O

-3

&ter ciclohexilmetílico

En los éteres más complejos, puede emplearse la palabra alcoxi- como prefijo. (Esto es lo que prefiere la IUPAC.) OCH 3

c.H,c'H,c.H,¿.H(.H~c.()~H dcido 3-metoxihexanoico

A veces se usa el prefijo oxa-.


977

Cetonas En los nombres sistemcfticos para las cetonas, se suprime la -o del alcano base y se añade la terminación-onu. Se usa un número como prefijo si es necesario. O

O

O

I1

CHSCCHZCHZCH,

II

I!

CH3CCHzCCH3

CH,CCH=CHCH,

3-penten 2-pentanona

0

II

2,4-pentaqdiona

OM

Enuna estructura compleja, un grupo cetona puede nombrarse en el sistema IUPAC con el prefijo oxo- y anteponiendo la palabra ácido. (El prefijo cefo-se encuentra tambiCn algunas veces.) Observe el contraste entre el usode oxo- y oxa- (un Cter).

En los nombres triviales o comunes, los grupos alquilo unidos al grupo C = O se nombran y se añade la palabracetona. La metil etil ceiona (CH,COCH2CH,) es un ejemplo común. El grupo CH3CO- es nombrado a veces el grupo uceto- o acetil-, mientras que el grupo C6H5CO- es grupo el benzo- o benzoilo-. TambiCn se encuentran las terminaciones -fenona, -nufona,o -acetonu, en las que uno de estos grupos es algo que se añade al grupo carbonilode cetona.

I1

O

I1

0

CHACCH2CCH3

O

O

CH3CC6H5

C6H5CC6H5

I1

I1

benzofenona acetofenona acetoacetona

Algunas cetonas tambitn tienen nombres triviales específicos: llamada acetona.

CH,COCH, es

Alcóxidos methlicos y organomethlicos Los compuestos organometAlicos, los que tienen el C enlazado un metal, a se nombran por el nombre de los grupos aril0 o alquilo más el nombre del metal. (CH3CHJ3'41

trietil-aluminio

C6H5MgBr

bromuro de fenil-magnesio

L o s compuestos de boro u organosilicio son nombrados a menudo como derivados ;le hidruros metaloides. SiH, es sllano; (CH,), Si estetrametil-silano; BH, es borano; (CHiCH,),B es trietil-borano. Los alcóxidos de sodio o potasio se nombran como las sales: el nombre del catión más el nombre del alcohol cambiando la terminación -ano1 por -oxido. L a s sales de fenoles se llamanfenbxidos. (Una terminación alterna es -01uto.) CH,CH,ONa

C,H,OK

et6xido de sodio (etanolato de sodio)

fen6xido de potasio. (fenolato de potasio)

978

Apendice

Glosario de algunos sirnbolos prefijos empleados en qufrnica organica

(+I (-1 (2) a

aldoal0-

andr0anhidroantiantoantra-

P

bibisnorcromocisciclo-

AD-

ddes-

dextrodl-

Qendo-

dextromtatorio levorrotatorio rac6mico alfa: (1) en el carbono adyacente; (2) se refiere laa configuraci6n del carbono 1 en los azúcares; (3) se refiere a la coníiguraci6n de los sustituyentes en los sistemas cíclicos de esteroides aldehído relacionado relacionado con el gknero masculino denota que no hay agua en caras o lados opuestos se relaciona con las flores relacionado con el carb6n o la antracita beta: (1) opuesto al a enuna configuraci6n;(2) segundo carbono extraido de un grupo funcional o un heterohtomo doble o dos veces indica extracci6n de dos carbonos color o coloreado del mismo lado de un doble enlace o anillo cíclico doble enlace al lado derecho en la proyecci6n de ,Fisher (Secci6n 18.3A) dextrorrotatorio eliminacibn de algo, tal como el hidr6geno (deshidro-) o el oxígeno (desoxi-) hacia la derecha, tal como en dextrorrotatorio rac6mico en lados opuestos de un doble enlace (1) sobre o en el anillo y no en la cadena lateral; (2) opuesto al lado de puente de un sistema cíclico

endo epi-

eritroexogemhemi hidr0-

(1) posiciones 1,6 del naftaleno; (2) epimkrico; (3) conexidn puente en un anillo, como 9,lOepidioxiantraceno relacionado con la configuraci6n de la eritrosa (I) en una cadena lateral unida a un anillo; (2) del lado del puente en un sistema de anillos (v6ase endo) unido al mismo Atom0 de carbono una mitad (1) denota presencia de H;(2) a veces relacionado con agua

Nomenclatura de los compuestos orgfinicos

hipoi-,-isoL

1leucolevom-, meta mso-

nneonoro-,

ortooligop - , paraperperi-

fenopoli'l", pseudopiro-

(R)(R)(S) S-

(S) secosecsimsint-, tertreotransv-, vec-

(a-

indica un estado de oxidaci6n bajo, m6s bajo o el mAs bajo (1) ramificaci6n de CH, al final de la cadena; (2) is6mero; (3) ocasionalmente i- significa inactivo a la izquierda en la proyecci6n de Fischer (Secci6n 18.3A) levorrotatorio sin color o blanco a la izquierda, como en levorrotatorio (1) 1,3 sobre el benceno; (2) compuesto estrechamente relacionado, como metaldehído. (1) con un plano de simetría y 6pticamente inactivo; (2) posici6n media de ciertos compuestos orghicos ciclicos normal, cadena continua un carbono conectado a otros cuatro (1) eliminaci6n de uno o m6s carbonos (con los H);(2) estructura idmera de la del nombre raíz, como norleucina 1 ,2-sobre el benceno pocas (unidades de) (1) 1 +sobre el benceno; (2) polimbrico, como paraformaldehído saturado con, como perhidro- o peroxi(1) posiciones 1,8 del naftaleno; (2) condensaci6n de un anillo a dos o mAs anillos adyacentes, como perixantenoxanteno relativo al fenilo o benceno muchas (unidades de) tiene parecido a seiiala su formaci6n por el calor configuracibn en el sentido de las manecillas del reloj alrededor de un carbono quiral racbmico abreviatura de secundario o simétrico configuracibn opuesta a las manecillas del reloj alrededor de un carbono quiral denota ruptura de anillo abreviatura de secundario simktrico en la misma cara o lado abreviatura de terciario relacionado con la configuraci6n de la treosa en lados opuestos de un doble enlace o anillo vecinal: en carbonos adyacentes del mismo lado del doble enlace

979

Respuestas a los problemas Aquf se encuentran las respuestas a los problemasque forman partedel texto. Las respuestas de los problemas al final de cada capítulo vienen en la Guía de estudio.

CAPITULO 1

1.2.

(a)

molkula neutra, sin cargas formales o

L

I

(b) ion: CH,NH,

o- '

-

+ " ,

1-10.

(a)

CH,C-N:

(b) (CH,),C=O:

1.11.

(a)

CH,CH~C'H,NH,-

-

(c) no hay; (d)

-:NH,CH~CH?CH,

H

H

I

..

..

..

( c ) no hay ( d ) (CH,)?O: - - - H,G. 1.12.

CH,G:---H20. H2G:- - - HzO:

~ ~ 6 -H?O: :-

(a) base; (b) Acido; (c) base; (d) Acido (e) base .eo*.

1.13.

I

C'H.30H---:
( b ) CH,eH---:OCH,.

II ..

(a)

CH,CH,COH

6

(cH,),NH

+ HOH

+ HOH ..

+

-

-

.'O

I I ..

CH,CH,CO:-

(cH,),NH,

I1

CH,CCH,, base de Lewis; H+ Acido de Lewis (CH,)$+, Acido de Lewis; C1- base de Lewis O

II

I+ + HOH ..

+ -:OH

O

CH,COCH,, ticido de Lewis; -OCH,base de Lewis

H

Respuestas a

982

los problemas

CAPíTULO 2 H I

H

H H

2.1.

H

Todos los enlaces C - C son sp3-sp3y todos los enlaces C-H H

2.2.

H

H

C ' . / \

H /

son sp3-s

.S$

.$ para tres enlaces

ap3

.\

C-H

p p

H

para tres enlaces C-H

IC\/

H

.\p2 sp'

\

c=c p ~

H H

H

/

"\C/"

/

p\

ypJ-,yp'

H

todos los enlaces

C-I3

son @-S

H

H

Los d e d s enlaces C - C son sp3-sp3 y los otros enlaces C-H son sp3-s

(c)

H

H

"

Todos los Atornos de C y H están

en un plano; los enlaces TI estan sobre y bajo este plano. 2.3.

2.4.

Respuestas a los problemas

I OH RC0,H

2.7. H

H (a) H-(!-N

2.8.

I

H

-&-N-H

I

I

H

H-C-H

Todos losenlaces C-H y N-H son sp3-s y todos los enlaces C-Nson sp3-sp3.

I

H

I

H sPL "spL

.. / s p ' - s H

y P--P N - H

cI I .. I J,/,(,

\

p - - s p

Los de&enlaces

C-H

y N-H

son sp3-s.

(b) H-N-C-N-C-CrN: sp3-sp-

Lp-sp

y dos p-p

sp3- sp3

H HH H H (C)

\I

C-C

I/

\ H C-C !H' H'!

Todos los enlaces C - C y C-N son sp3-sp3; todos los enlaces C-H y N-H son sp3-s.

\ H

Lassiguientesestructurasnosonlasúnicasrespuestasposibles: O O

2.9.

I I.

(a) CH3CH,CH,CM ' O

41

(b)

I1

CH3CCHzCH3

o II,

(d) ' CH,CCHiCOH

Cincodoblesenlacesconjugados;ningunoaislado.

2.10. 2.1 l.

2.1

2.

O (c)

II

CH3CHzCHlCOH

983

Respuestas a

984

2.15.

los problemas

(a)Laestructura de la derecha, porquecadaiitomo tiene un octeto. (b) La estructura de la izquierda.

2.16.

(a)

/

n

L

CH,CH=CH"CHCH,

-

CH,CH-CH=CHCH,;

equivalentes

principales

..

O:

Observe que en f la carga negativa no se deslocaliza a travts del anillo bencénico.

CAPíTULO 3

pentanona

Respuestas a

985

los problemas

O

O

CH,OH;

I1

(c) CH,CH,CH,CH,CH

3.2.

(a) HOCH,CH;

3.3.

(a) CY, es un alcano de cadena abierta. (b) Cp, contiene un doble enlace o un anillo. (c) C,,H,,-, contiene un triple enlace, un doble enlace y un anillo, dos dobles enlaces o dos

(b)

+

anillos.

3.4.

3.5.

(a) CI,CHCH,Cl;

3.6.

(a)propeno;

3.7.

(a)

3.8.

(a)

(b) CI

b..,

(b) ciclohexeno;(c)1,3-ciclohexadieno;(d)1-cloro-propeno

0

.

a

F H3

(b) C H r C C r C C H , (c)

2-pentanol; 4-meti1-cic1ohexil-amina CH

(b) &OH;

CH3CH2CH2CH,NHCH(CH,), O

I1

CH,CH,CH,CH,CH; 2-pentanona pentanal 3.9.

O

O

I1

CH,CCH,CH,CH,

or

I1

CH3CH,CCH2CH,; O

I1

CH,CH,CH,CH,COH kid0 pentanoico O

o II

3.1 O.

(a)

CH3(CH2),C0

3.11.

(a)

6-nitro-3-hexanona; (b) 3-bromo-I-fenil-propanol

; (b)

CH,CH,CH,COC(CH,),

CAPíTULO 4 4.1.

(a)

(E)-2-cloro-l-fluoro-l-buteno;(b) (Z)-2,3-dicloro-2-buteno

4.2.

(a)

(.E):

(b) (Z): (c) (.E): ( 4 (Z)


986

OH

OH

todos cis

OH

CH 3 4.7.

I

(a)

ninguno; (h) Ct-1,CH2(*‘HBr:

F

I

(c) C,HSCH2$HC,H5


4.13.

(a) cuatro; (b)

dos; (c) ocho CH,

CH,

4.14.

I H-C-CI I

987

,

I Cl-C-H I

I

CI-C-H

I

CH,

,

meso

I I

H-C-Cl

H-C-CI

H-C-CI

CH,

I

CH, CH 3 emntidmeros

CAPíTULO 5 5.1.

(a) 2-metil-2-yodo-propano, yoduro de t-butilo (b)2-cloro-propano, clorurode isopropilo (c) 2-metil- 1 -yodo-propano, yodurode isobutilo

5.2.

(a)

5.3.

(a) (CH,CH,),CHCI

Br,CHCH2CH,CH,

(b) CH,CHCICH=CH,

+ CH,O-

-

(c) FCH,CH@H

(CH,CH,),CHOCH,

5.4.

(a)

CH,CH,CH,O-

+ CH3CH=CHCH,CH,

+ BrCH,CH,CH(CH,), producto

CH,CH,CH,Br (b) 0

1

+

+ -OCH,CH,CH(CH,), /

- CN

producto

-4

Respuestas a

988

5.9.

(a)

los problemas

no se observan productos

de trasposici6n

H

1 3

(b) (CH,),C<;'HCH,CH,

(CH,),&H,CH,CH,

--

+ (CH,),CBrCH,CH,CH,

5.10.

(CH,),CHCHBrCH,CH,

5.12.

(a) alílico; (b) vinílico; (c) arííico; (d) bencílico

HO (b) CH3-@H

+C

H

,

G

Br

5.1 5.

(a)

CH,CH = CHCH2CH,CH, + CH,CH,CH = CHCH2CH3 cis y trans cis y trans


989

( I S.IR)

( 1 R.'S)

"

5.19.

I

Los e n a n t i h e r o s producen (Z)-bromo-l,2-difenileteno(fenilos trans); la forma meso produce el isdmero (E)(fenilos cis).

Solamente puede sustraerse un H 5.21.

(a)

Único producto E2

(CH,),CHCHBrCH,CH, (CH,)2C=CHCH,CH3

+ (CH,),C'HCH=CHCH,

Surrscfl

5.22. (a)

tlofinurrn

CH3CH2CH2CH=CH2; (b) trans-CH,CH=CHCH,

5.23.

CH,S- es mejor nucle6fil0, porque S es mayor y mils polarizable que O.

5.24.

(a)

-

+ CH,CH,CH,I + C H , S 6 C,H,CH,S. + CH31 + -OCH,CH,CH, + CH2=CHCH,Br __ +

0-

(b) C,H,CH,Br

(c) CH,CH,Br (d) C,H,CO, (e) C,HsOCH3CH2Br

+

-

~

-

*

En (c), l a reaccibn mostradzfdebe tener una velocidad ligeramente mayor que CH,CH,OCH,CH,CH,Br.

+


990

CAPíTULO 6 6.1.

6.2.

iniciacidn: CI, propagación:

2-2CI.

O 0

-

f

f

('l.

. + CI,

terminación:

(.

+ CI.

. + HCI

__4 O

C

l

+ CI.

--G-

CI u otracombinaci6ndedos

radicales

6.3.

6.4.

nueve C'!

6.5.

I

no es radmico, CH,CHCHCt1,('1 h

Ir,

6.6.

6.7.

6.8.

6.9.

O-

6.10.

@

oH

OH 6.1 1.

3 o.

o

o t"4

t"4

oH OH

Q

0. O

c"----t

/

OH

L a reacción es m8s rápida porque un hidrógeno 3" se sustrae más facilmente que un hidrógeno 2"".

J' M e ,

C.l{.,~.ti~(~(.lf~(.f~,~

f 3Y

(('H2),('HOC'H(('ti~)~

Respuestas a los problemas CrN

6.12.

-

CEN

I

I P " (CH,),C-N-N"C(CH,),

calor

991

C-N

I

2(CH,)zC*

+ :NrN:

El radical producido es 3ar10y "alílico" y relativamente estable. El otro producto es N,,que " "

se pierde facilmene de una molecula por su estabilidad. 6.1 3.

R. +

W

N

H

C

b

H

,

S

RH

+ mw6H5

radical libre relativamente estable (estabilizado por la resonancia de los grupos fenilo y naftilo) 6.14.

(b), (c). (d)

OH

6.15.

+

(b) (CH,),CBr

O M g B r

(2) CUI

(( I71) C'H H(,' OH .O H

CH,CH2CH,Br

[(CH,),C],CuLi

>

producto

6.1 7.

(a) y (d), los cuales contienen hidr6genos hcidos quepodríandestruir cualquier reactivo de Grignard que se forme

6.18.

O

B

A

r

O M g B r

producto

D,O

o

CAP~TULQ7 7.1,

(a) 2,4-dimetil-3-pentanol (b)-3-metil-2-ciclohexanodiol CH3

7.2.

(a)

I

CH,CHC(CH2CH3)2

I

OH

CH, OH

I

1

(b) HOCH2CCH2CHCH2CH,

I

CH,


992

7.3.

(a) 3-ciclopentenol; (c) 2-bromo-etanol

7.7.

~I.LUl,\

7.8.

(a) HCI ZnCl,, racemización; (b) E l , , inversión; R,N, inversión, o SOCI, ROR, retención (c) SOCI,

+

(b) 4-hidroxi-ciclohexanona;

+

+

I

+ Na'

7.11.

(a) y (b), C,H,O

7.1 2.

El grupo nitro ayuda a compartir la carga negativa

del anión. A

t

1


993

O

II

O

I1

7.13.

(a)

CH,CH,CH,COCH,;

7.14.

HONO

.."---x+ HpONO

CH3CH20H

+ NO

(b)

- NO2 < '

~

A

-H20

+? H,O-NO

'

f

CH,CH,ONO

~

H

NO

'

CH,CH,ONO

I3

H

7.15.

(a)

CH3CH,CH20H + TsCl

-

HCI

CH,CH,CH,OTs

" +

OH

I (b) (R)-CH,CH(CH,),CH,

OTs

+ TsCl

~

HCI

(R)-CH,CH(CH,),CH, I

OH

I

7.1 7.(S)-CH,CH(CH,)5CH,

7.20.

(a)

0-0; O

7.21.CH,CH

(b) C,H5C0,H

O

I1 + HCCH,OCH,

I1

O

II I H-C-OH I CH

7.22.HO-C-H

I

HIO,

O

5

II HCOH

O

II + HCH

H-C-OH

I

H -C -OH

a HCHO

m0-CH,OH I J

7.23.

(a)

+ CH,I

; (b)

(CH,),CHO-

+ CH,CH,Br

" +

994

7.25.


(c)

&(;H. (b)

7.26. (a)

7

&m3

CH,

~

CH(CH,), 7.27.

(a)

(b)

'',..CI

'%,,

CH(CH3)2

El DMSO forma enlaces dehidr6genocon

H,O: (CH,),S=o:-

,---.

El ani611est6 estabilizado por resonancia: -eH>-SCH, H,CrO,

7.28.

CH,CH,OH

7.30.

(CH,),CHCH,OH

CH,CO,H

SOCI,

6 PCI,

+

Cbl,CH,OH. H'

calor

'

-H20

-

:o:-

I

CH,=SCH,

CH,CO,CH,CH,

M@

(CH,),CHCH,CI

-

6te.r

+

(CH,),CHCH,MgCI

O

/ \ ( I ) C H CH-

4 (CH,),CHCH,CH,CH,OH (1) H,O.

H CrO,

--

(CH3),CHCH,CH,CO,H

H *

CAPíTULO 8

':

(bl 200nm: (c) 60.004 Hz

8.1.

(a)

1600crn

8.2.

(a)

1667cm":

8.4.

CH3CH,0CH,CH,

8.6.

(a) dos; siete; (b)

8.8.

(a) uno; (b) uno

8.1 l.

Los dos 6tomos de C1, tienen mayor poder atractor de electrones queun &tomode C1.

(b)

12.5pm: (c) 1.5prn

8.3. I (d); I l ( b )

8.5. I, 6ster; II, cetona

(c) diez; (d) dos 8.9. (a) dos;

8.7. (a), (c), (d), (e)

(b) tres; (c) cuatro


triplete, a 2.9

995

tr@lete a 4.3

C,H,CH2CH,O,CCH,

8.1 2.

t

t

singulite a 2 .O

singulete a 7.15

O 8.13.

I (e);

I1 (d);

8.15.

(CH3)zCHOH

ll

8.14. BrCHzCHzCHzCOCH2CH3

111 (a)

8.16. C,H,CHzOH

8.17. CH3CH2CHCICO2H

CAPíTULO 9 CF3 9.1.

(a)

/WCH3

/c=c \

CICH2CH2

(c) C > - . S C H

CH2=CH\

CH3 (d)

/CH3

/c=c \

(b)

H

H

C,H,C"CC,H,

9.2.

(a) 2-metil- f ,4-pentadieno; @) 2-propinol-1-01

9.3.

I contiene C = C; II contiene C=C

9.4.

,J muy pequeña y picos supe+uestos 9.5.

En elp-cloro-estireno,losdesplazamientosquímicosdelosprotonesvecinos al grupo vinflico, son iguales a los de los protones vecinos al C1.Sin embargo, en el estireno no todos los protones tienen el mismo desplazamiento químico.

9.7.

(a)

CH3C-CH

Na

CH C H - B r

CH3C-C-

Na+ A

CH3 (b) C H 3 C r C -

C,H,CHBrCH,

+

I

C,H,CHC=CCH,

CH3CHzCrCCH3

996

Respuestasproblemas a los

o 9.8.

9.9.

(I)CH,CH,Cti I CH,CH,MgBr CH-CH -CH,CH,

(a)

CH,CH,~HCH,

* CHECMgBr

Br-

Br-

(c) (CH,),¿kH,CH,

H'

9.10. CH3CH=CH,

OH

/I

I

CH,CH,CHCECH

+

( 2 ) H,O, H *

Br I

CH,CH,CHCH, Br

I

(CH,),CCH,CH, CH,CH,OH

[CH,6HCH3]

* -Hi e CH,CH,OCH(CH,),

CH,CH,&H

I

CH,CHCH, CH,

9.1l.

(a)

9.12. (a) (CH,),CHCH,Br;

9.13. CH,CH,CH=CH, OH

I

CH3CH,CCI(CH,),;

(b) CH,CH,CHCBr(CH3)2 (b) (CH,),CBrCH,

H'

OH 9.14.

(a)

OSO,H [CH3CH26HCHJ

CH3CH2CHCH3

OSO,H

I

I

I

HSO-

CH,CH,CHCH3; (b) (CH,),CCH(CH,),:

I

(c) (CH,),CCH,CH,

6'

.HgO,CCH,

,,'

9.15. (a) (CH,),CCH=CH,

Hg(O,CCH,),

I

[(CH,),C$H-CH2

-

HgO,CCH,

I

(CH3),C(fH-CH2

1+ H o

NaBH

2 (CH,),CCHCH,

I OH

I

OH

CH,

CH,C02Hg CH,

I

1 CHZ"CCH2CH3 I OCH

,

NaBH,

I I

* CH,CCH,CH, OCH,

problemas Respuestas los a

estado de transici6n trans (no puede dar un alcohol cis)

trans (y

rac6ínico)

C HH, O

(2R,3R)-3-metil-2-pentanol y su enanti6mem (2S,3S) 9.19* (a)

CH.KHBrCHBrCH,:

(b) (CH3),CBrCH2Br; (c) (CH,),CBrCHBrC'J~,

meso

9.21.

No, porqueelintermediariocontiene

Br.

997


998

+ CHBr, + "OR

-

producto + ROH

+ Br

9.24.

(a) QCH=CH,

9.25.

(a) La diferencia de energía es mayor sobre cis y trans-(CH,),CCH = CHCH,CH,, debido al mayor impedimento eserico del isdmero cis. (b) La diferencia de energía es mayor entre cis y trans-C1CH = CHCI, debido a que las repulsiones diplo-dip10 entre los dos 6tomos de cloro del is6mero cis son mayores.

CH,CH

I

m OH

OHC-CHO

encada caso

+ OHC(CH,),CHO

de la reductiva, H 0 , C " C 0 2 H + HOzC(CH,),CO,H de la oxidativa

OHC(CH,),CHO de la reductiva, H0,C(CH,),C02H de la oxidativa 9.28.

CH,CHBrCHBrCH,;

CH,CHC1CHC1CHCICHCICH3

9.29.

[CH,CH26H-CH=CHCH,

n

-

CH,CHzCH=CH6HCH,] CH-,CH,CHICH=CHCH, + CH,CH,CH=CHCHICH,

c"----*

Br 9.3 l.

elis6mero truns, porque es m& estable

9.32.

A, BrCH,CH=CHCH,Br;

9.33.

(a)

Br

B, BrCH,CHBrCH=CH,

s-truns; (b) S-cis; (c) s-trans.

Unicamente (a)

es interconvertible.


9.35.

0+

CH3CH202CC-CC02CH2CH3

calor

C

W

9.36.

O

y

DCHO 9.37.

CH3

CO,CH,CH,

CAPCTULO

Io

Br

10.2.

A , p-yodo-anisol; B, p-cloro-anilina

10.3.

no aromtitico

(C6H5)2CH2

10.6.

H

C,H,

+ R?=O;

10.4.

(a). (c)

- a:u II

*.O:

999

1O00

Respuestas a

los problemas

CH,

CH,

10.7.

(a)

I C,H,CCH,CH, I

I

(b) C,H,CH,CHCH,CH,

CH,

10.8.

Dos partes o - , dos partes

m-

y unaparte p.

,CH,CH,

H

H

10.1 l. Los electrones no compartidos del nitrógeno son deslocalizados por el grupo carbonilo y

e s t h menos disponibles para donarlos al anillo. Debido a que el nitrógeno de amida es parcialmente positivo, ejerce mayor sustracción electrónica del anillo que un nitrógeno de amina.

-

10.12. (a) ( C H , ) , C H e B r

(d) e C H ( C H , ) , .

:G:

OhH=(!CH3

+

Velocidadesrelativas:

(b) > ( c ) > (d) > (a).

10.13. (a)

CI

" 0

NH,

Respuestas problemas losa

1O01

+ @NH2

NO '

NÓ,

porque el anillo del lado derecho esta activado

y el del lado izquierdo desactivado.

10.15. COZH

O

CH3"

C,H,N,+

CI-

Hj0.

H

calor

C6HsOH

(I1 OH

(2) C't1,I

N,'

C,H,OCH,

CI

producto

+-

-

H-N,' ( I

producto


1002

CAPíTULO 11 11.1.

(c)

11.3.

(a)

(d)

11.2.

C,H,CHO

ciclopentanona; (b) 2-pentanona; (c) pentand; 2-cloro-ciclopentanona.

11.4.

(a) debido a lasustracci6ndeelectronesquecausanlos

11.5.

(a)

cetal

&tomosde C1

(c)

CHzOH hemicetal

1003


11.6.

(a) 0

0

+ HOCH,CH,OH

(b) 0

+ HOCH,CH,OH

0

O

:c) 11.7.

+ HCCH, It

( t O H

El carbocati6n hemiacekllico es m& estable porque esta estabilizado por resonancia.

-

c

RCH

RCH

I

COR

11.8.

OH O (a) H , C e C H ,

II +OR

o OH 3 c o c H

eH

(b) H O C H z ~ C H 2 0 H e OH OH CH,OH + HOQ” OH

OH

OH

CH,OH OH

OH 11.9.

CrO,

CH,CH,OH

”-+

piridina

HCN

CH3CH0

I

CH,CHCN

U,O.

u

+

OH

I

CH,CHCO,H

ct:

F; +

11.10. (a) CH,CH

:SOH

q : L..?

:o:-

1

-c==+ CH,CH

N¿i+

I :O%H I

o=s=o

(b) (1) Extraiga la soluci6n et6rea con

:OH tralisferencia de prodn t-”

’

I

CH3CH

I I

o=s=o : O : - Na+

..

una soluci6n acuosa alcalina, para remover

el Lido

carboxflico comoRCO; Na+. (2) Extraiga la soluci6n et6rea con soluci6n acuosa deNaHSO,,para remover el aldehído como RCHS0,- Na’.

I

OH

(3)Regenere el ácido por acidificaci6n de su disoluci6n. Regenereel aldehído por tratamiento de su disoluci6n con ácido o con base. La cetona se conserva sin cambio en la soluci6n etkrea. 11.1 1. Una aril-amina da un producto en el cualel doble enlaceestíí conjugado conel anillo aromático.


1O04

o 11.13. ( u )

C'H

plana con grupos CH, trans ti + H2NCH,CH, e

o

11.15.

& N d

11.19. (a)

C,,H,MpBr:

'

dobleenlace conjugado con el anillo bencénico

(b) CH,CH,CH,MgBr

11.20. (a), (b), y (d) porque contienen protones ácidos.

1005


11.22. (a)

CH,CH,CHO

e ( 1 ) NaBH

CH,OH

I I HO-C-H I H-C-OH I H-C-OH I

H-C-OH

11.23.

CH,OH

..

0: 11.24. (a)

I1

C,H,C-CH-CCH,

O:

1.

:o3 II

.. '03

I1 7 I1

(b) CH,C-CH"CCH,

:o;..

-"-f

..

:O I C,H,C=CH"CCH, I1

-

..

.. :o:I

:ij

II

CH,C=CHCCH, 11.25. (a)taut6meros; (b) estructuras enresonancia; (d) estructuras enresonancia

(c) taut6meros


1006

CH20P0,HC H , 0 P 0 , 3CH,OPO,HH~

I l

11.27. C=O

e

[iOH

CH20H

CHOH

]

I I

e HCOH CHO

endiol intermediario 1 1.28. Cetona y OH-, cinCticadesegundoorden

-

O 11.29. ( I )

/I

CH,CCH,Br

+ OH-

-H20

' -<

estabilizado

O

1"

( 2 ) CH,CCHBr

r,

+ Br-Br

0CH,C=CHBr

O

I1

__ "-t CH,CCHBr,

+ Br-

El ani6n en la etapa (1) se estabiliza porque el Br electronegativo sustrae electrones.

' OH I1

11.30. ( a ) CH,CCH, (b)

Las velocidades serían las mismas, ya ni Br, ni I esth involucrados en el paso determinante de la velocidad.

11.31. (a), (c)

O

11.33. (a)

moH

(b) 0

CH,

NH2

0

(c)

0-011

(d)

;?O


1007

CAPíTULO 12 12.1. . (a) Acido propenoico: (b) ácido pentanodi6ico; (c) ácido 2-bromo~ropanoico

(a) Acid0 a-bromo-propi6nico; (b) kido P-hidroxi-propi6nico

12.2.

-0:-- - H -0 (a) c ) - C <

12.3.

- -:O..

O-H-

O

OH

(y;:

II

I

(b)

y

.H

Qf;o:

H

*o:-- - H

4 \

(a)

12.4.

\

..

m& los puentesdehidr6genointernosqueforman

;.OCH,

(c) CbHsC

, -

O-H

de kido benzoic0 entre

'

HOCH,CH,CI

KCN Mi!

(b) (CH,),CCH,CI

+

mis los puentesdehidr6genoentredos

o m8s molBculas de kido o-hidroxi-benzoic0

HOCH,CH,CN

sí y las de metano1 entre

H,O. H (I

(CH,),CCH,MECI

+

H,O,

sí

HOCH2CH,C02H

*

1 c'o,

(?)

l a s molkculas

,,. ' (CH,),CCH?CO,H

(d) C,H,CH,Br or

KCN

C,HsCH2Br

C,H,CH2CN

y2

'

H,O. H '

C,H,CH2MgBr

C,H,CH,CO,H

( I ) CO, (?) HzO, "++

C6H5CH2C02H

12.5.

Disuelva el aldehídoen Bter dietílico, extraiga la disoluci6n etérea con NaHCO, acuoso diluido para remover el ticido y evapore el éter para recuperar el aldehído.

12.6.

Pararemover el ticido extraiga con NaHCO, acuoso. Para remover el naftol extraiga con NaOH acuoso. El octano1 permanece en el Bter y el aicido y el fenol pueden regenerarse por acidificacih.

12.7.

76.5

12.9.

,

12.8. (a)

59.0; (b) 64.0

'a) ácido bromoacético; (b) ácido dibromoacético; (c) ácido 2-yodopropanoico

12.10. (a) m& dBbil;(b)elticido3,5-dinitro-benzoico

12.11.

c/o:

-

II

o estabilizado por puenteo de hidrógeno

a O CC-O: H 3

It

o no se estabiliza por puenteo de hidrógeno

y

problemas Respuesta5.a los

1008

O

II

12.13. CH,COH

(c) (R)-CH,C0,CHCH,CH3

I

CH, 12.15. 0

0

12.16. (a) e C H , O H

(b) CH,OH HO

cis y trans

12.1 7.

d 0

12.18. [!(CH2)4!Ok

O

9"tq II 12.19. HOC,n,C=O

~~

O

OH I f+OC+

('0,

____L*

CH

t-

'

II

HOCCH,CH,CH,

CHCH,CH,

I

CHZCH, O

O

II

I1

CH,CO,H (b) CH,CCH,CH, (d) no hay reacci6n

12.20. (a)

12.21. CH,CH,CH=CHCO; 12.22. CH,CH,CH,CO,H

'MgBr

+ CH,OH

(c) CH,CH2CCH2CH,CH3

+ C,H, -c-

CH,CH,CH,CO,CH, CH,CH,CH,CO,H

(1) O H - /

-(m;?


12.23. (a)

( I ) LIAIH,

CH,CH2C02H (2) H,O

CH,CH2CH20H

H Br ___*

1009

CH,CH2CH2MgBr (b) CICH2CH2CO2H

CAPCTULO 13.1.

( 1 ) neutralizar con

(2) KCN

OH-

’

Mg

CH3CH2CH2Br

NCCH2CH2C02-

:i

H,O, H’ >

H~

producto

producto

13

Debido tanto a la estabilizaci6n por resonancia, como al efecto inductivo del oxigeno electronegativo, el carbono carbodico es m8s positivo que el carbono vinilico.

CH,CCI

-

m&

CH,CCI +

I1

13.2. CH,0CCH2CH2CN

.. 13.4.

CH3CH2CH2CCI + :OH-

--”+

u-

.. :¿j

CHACHlCHZC

I

OH

13.5.

Cualquiera o ambas posiciones en el grupo carboxilo.

OH-

CH,CH,CHZCO,-

>

+

Hz0

1010

13.7.


CH,CO; ~ a ++ c1-

/'

+ CH, NH, sin reaccionar


U

(b)

'I)

LI

(2) CUI

CH31

LiCu(CH,),

C

C

1011

I

"----+

producto

(Nota: Son posibles otras combinaciones de reactivos, pero recukrdese que los reactivos de cadmio secundarios son inestables.)

.. 13.12. CICH2C

-1

O

II .. + CH3COH

CICH2C-O-CCH, 12 H CI

CI

-(.l. ~==2

O

O

e ClCH2C-6"CCH3 eCICH2COH I1 + CICCH, II H

I

c1

1 3.1 3. (a) anhidrid0pentanoico (b) anhidrid0ackticobenzoico o anhídridobenzoicoetanoico

O 13.14.

I/

a 1 I c H 2 ' " 3

/I

O O

I1

NHCCH,

13.17. CH3CO2H

+ H1'OCH2CH313.18.

CH,C02-

+ H'~OCH,CH,

1012

Respuestas a

13.19. (a)

los problemas

-

+ OH-

C,H,CO,CH,CH,

-

+ HOCH,CH,

C,H,CO,-

ao+ + 2 OH-

(b) )',=O

id

HOCH,CH,OH

+ co32+ Hz0

a~2cHic02-

(c)

20H-

" +

-

:O:

II

H+

13.20. (a) CH3COCH2CH3

IcH3iH] :OH

CH,OH a '

CH,COCH,CH,

:OH

I

1

CH,COCH,CH3 +

transferencia kprotsn

-'

H+

~

o I1

CH,COCH,

+ HOCH,CH,

:o

II

(b) CH,COCH,CH,

-OCH, a '

o:

II

CH3COCH, + - : O C H ~ C H ,

O 13.21. CH3CHC02H

I

II

SOCl

2 CH,CHCCI

I

OH

C1

13.23. (a) CH,CH2C02CH3

m ( I ) 2 CH Mgl

OH

I

CH,CH,C(CH,), OH

(I) 2

(b)

CH3CH2C02CH3

I

CH,CH,MgBr

( 2 ) ",O, H I

+

CH,CH,C(CH,CH,),

O

II

13.24. HCOCHzCH3

( 1 ) 2HzO, C H 3"C+ H 2 M g B r +

HOCH(CH,CH,),


13.28. (a)

O=C\

(b) O=C

/

/

NH2

CH,CH,OZC\

+

,C6H,

NH2

C / \ CH3CH202C CH,CH,

NH2

CH,CH,O,C CH(CH,)CH,CH,CH, \ /

+

\

1013

C

/ \

CH,CH,O,C NH,

CHZCH,

O 13.29. D N H I O - Na+ O

(b) (CH,),CHCH2C02CH,

( I ) 2CH3CH2CH2MgBr+

(2) HzO, H ’

producto O

(c) CH,CH,CH20H

CH,CH,CH,OH

H

+

H Rr

CH,CH,CO,H CH,CH,CH,Br

( I ) LIAIH, (2) H , O

SOCI,

+

KCN.

II

CH3CHZCCI CH3CH2CH,CN

O CH,CH,CCI It

CH,CHZCH,CH,NH,

producto


1014

CAPíTULO 14 14.1. 14.2.

(a) (a)

CH,CH,CHO

+ CH,CH,O

CH,CHCHO + CH,CH,OH

(b) (CH3),CHC02CH2CH, + C'H,CH,O-

<

+

(CH,),CCO,CH,CH,

+ CH,CH,OH

(c) no hayreacci6n

(d) O z N d : H z C H 3

(e) C,H,CH,NO, (f)

CH,(CO,f-I),

+ CH,CH,O- e

+ CH,CH,O"

C,H,CHNO,

+ CH,CH,OH

+ 2CH3CH20 7 CH,(CO,-), + 2CH,CH20H

CH3

I

14.4.

(a) CH,CH,CH,CH(CO,C,H,),

O 14.7.

(b) CH,CH,C(CO,C,H,),

O

/I -

CH3CCHC02C2H, Na+;

II

CH,CCHCO,C,H, CHZCH,

O 14.8.

(a)

II

0

II

CI-I,CCH,COC,H,

( 1 ) NaOCIH,

(2) CH,=CHCH,Hr

>


1015

C02C2H5

II

I

CH3C-CCOzC,H5

H,O. H i

I

CH2CH2CH,

-

BrCH,(CH,),C(CN),

u

14,lO.

O

O

I1

I1

CH& transferencia de CH,C eliminaci6n y (CH3)2LCH"N3 Proton (CH,),CCH-NH 1 0 3 t r a n s f m n c i a de prot6n

I

OH2

O-H I\

O

II

CH,C (CH,),CCH I

II

O'

+H

2 & S /

Respuestas problemas a los

1016

14.1 1. Una amina ciclica tiene menos impedimento esterico alrededor del nitr6geno que

UM

de cadena abierta.

amina

CH2C6H5 14.12. 0

+

0

H ' H' O

II

I

H.

+HNT)

14.13. (a) CH,CH,CCH,CH,

< CH,CH2C=CHCH, I

n

O

\N/

I/

CH,CH,CCH(CH,),

+H

(b)

N

3

A

m H20'

O

II

CH,CCH,

14.1 4. (c) y (e) porquecontienenhidr6genos a

OH

O

OH

I

I

/I

14.15. ~ ( a ) CH,CH,CH,CH"CHCH

I

OH

O

I

II

(c) (CH,),CHCH,CHCHCH

I

I

CH(CH3)2

14.17. (a) C 6 H 5 C H 0 + CH,CH,CHO

O

(b)

II

O H L

--

O

II

CH3C(CH2)4CCH3

O

II

(b) (CH,),C-CH,CCH,

CH,CH,

mr (I)OH-

CH,I -__+

II

CH,CH,CCH(CH,), O BrCH,CCH,


(c) O C H O

+ CH,CHO

(d) OHC(CH,),CHO

14-18. (a) (CH,CH,),C=O

OH-

+ CH,CN I

CO2CZHS

NH,O,CCH,

calor

coz-

-6

COZH

H'

O 14.21. (a)

II

C2H,O2CCCH,CO,CZH, (b) CH,C=O

14.22. (a)

CO2C,H,

NaOC H

____t

1017

( I ) H,O. OH - ,calor

(2) H

+

+

1018

II

Respuestas a

O

II

14.23. 2CY,CSCoA \

los problemas

-

O

0

I1

CH,CCH,CSCoA

+ HSCoA

d

14.24.

O 14.25. (a)

CH,CH(C0,C,H5),

NaOC,H,

+ CH,CH,CH=CHCO,C,H,

-

CH,CHCH2COlC,H,

I-,,o, H'

CH(C0,C,H5)2

calor

I

0

C02CzHS

(c)

c"r-

'

C02CZHS CH(CO,C,H,),

+ CH2(C02C2H,),

( 1 ) VaOC H i

( 2 ) HLO.H

C(CH,)s

H,O. H ' ___, calor

C(CH,),

CAPíTULO 15 15.1. 15.2.

(a) 1-; '

(b) 2d* (c) sal de

3"';

(d) l-.

(e) cuatemario;

( f ) 3-

(a) 1 ,Cbutanol-diamina; (b) 1,6-hexanodiamina: (c) (2-rnetil-propi1)amina o isobutil-amina; (d) N,N-dimetil-etil-amina: p-clor@N-metilanilina

15.3.

(c) contiene un N quiral,mientrasque(d)contiene de enanti6meros.

15-4.

(a) (CH,),NH--":N(CH,)*

C quiral.Cad.unoexistecomo

un par

H

(b) (CH,),NH- - -:N(CH,),, H

(CH,),NH-

-

-:OH2,

(CHJ2N:- - - H20,

H20:-- - H,O

15.5. \

15.6.

(1) CH,CH,CH,Br, (2) H,O, OH (b) ( 1 ) CH,=CHCH,Br. (2) H,O, OH ( c ) (1) C,H5CH2Br, (2) H,O,OH"

(a)

H


O

O BrCH(CO2C2H,),

15.7.

(a)

'N

0-

NaOC2H,

H

Ni N H

calor, presl6n

O

I1

15.9.

NCH(C02C2H5),

o

O

15.8.

1019

(a) CH,CH,CHCH, CH,CH,CCH,

NH, H

NI NH

I

H 2 0 . OH-

O

O

15.1 l . (a)piperidina;(b)piperazina 15.12. No existe conjugacibn entre el nitr6geno de bencil-amina y el anillo aromiitico debido a que el nitr6geno no e s a unido a un carbono sp', sino a un carbono sp3. 15.1 3.

La p - m e t i l - d i es una base m6s fuerte que la anilina debido a que el grupo metilo libera electrones. La p-nitro-anilina es una base mhs d6bil que la anilina debido a que el grupo nitro atrae electrones.

Respuestas a los problema.

1020

CH,CO,H

I I

+A

15.14. HOCC0,-

CH,CO,H

HzN-NH

15.15. CH,CH,CH,CH,NH,

CH,CH,CH,CH,CI

\

/

CH,CH,CHCH,

CI

b -H *

CH,CH,CHClCH, CH3CH2CHCH3

I

OH 15.16.

91 ion de bencendiazonio está estabilizado por resonancia.

15.18. (a)

("CH, H,C

N / \

CH,

OH-;

q

C

H

/N\

H3C

CH3

,

+ N

/ \

H3C

CH3

+ (CH3),N

O

o


CAPCTULO

16

16.1.

Cuatro de l a s cinco estructuras en resonancia muestran doble enlace CeC10. 16.2.

ataque electromico

NO,

1021

Respuestas a

1022

16.5.

los problemas

m

(a)

AIC'I,

HC'I

r- - ---

calor

NH*

NaNO,

N,'

CI

El quinto intermediario tiene tres estructuras en resonancia con un anillo aromtitico, mientras que el sexto intermediario s610 tiene dos.

1023


O

16.9.

nO !CH,

(a)

(b) ( " S O , H S

H

+ HO,CCHCH,OH

'16.10.

I

OH tropina

C,H, kido tr6pico

16.1 l. El compuesto C se puede convertir en el compuesto F, sin necesidad de bloquear el grupo amino, mediante el siguiente sistema:

6 bco2c2Hs co,c, H

( I ) NaBH,

GG37

(1)

H,O. H'.calor

( 2 ) neu"

H

H

5

+

DcozH H

CAPíTULO 17

17.1.

=4* =3

-~5-

7 .,

17.2. Los doble enlaces de 1,Cpentadieno no est6n conjugados; o sea, sus orbitales 7~ son independientes entre si.


1024

+ 41

17.3.

16

17.4.

(a) 2 C,HSCH=CHCO,H

ill. ~

-

CH,CH=CH,

(b)

I

-

CH,CH=CH,

En (a), se puede usar kid0 cis- o pans-cinhico (kido.3-fed-propenoico). Se pueden obtener otros estereois6meros (e is6meros estructurales) del producto en calidad de productos secundarios. 1 7.5.

No puede ocurrir una cicloadici6n [4 + 21 fotoinducida cuando ni el dien6filo ni el dieno estan excitados. f7

(estado basal)

prohibida la simetría"

17.6.

o

HOMO, n2* (excitado)

Se induce t6rmicamente una cicloadici6n [6+4] porque el procedimiento de esta reacci6n es permitido por la simetrfa.

n,,HOMO del trieno

n3*,LUM0

d e l dieno

17.7.

___f

-

17.8.

(a)

0'"' tb)

''"CH3

trans

&prohibido

-iCHZCH3

L g H z C H 3

H (3E,5 . z 72)

17.9. (a)

[3,3];

(b) C S I1

por la simetría

Respuestas a

los problemas

1025

17.10. (a) puede proceder por un cambio sigmatr6pico [5,1], y (b) es un cambio sigmatr6pico [3,3]. Ambos avanzan fácilmente.

17.1 l. La previtamina D contiene un sistema a(4n + 2). La reacci6n tknnica avanza mediante movimiento disrotatorio, y la reacci6n fotoinducida avanza por movimiento conrotatorio.

térmica: HO

HO

fotoquímica: HO

HO

18.3.

L-(

+ )- y ácido meso-tarthiso

18.4. (a) cuatro; (b) cuatro;

(c) tres


1026

18.8.

E:

.woH CHIOH

CH,OH

CHZOH

18*9-

OH

OH 18.10. E:

HO

I1

wH

CH,OH

OH CH,OH

)I

{I: ?O ::H HO

OH OH

CH,OH HOCH, 18.11. (a)

T

O

H

(b)

CH,OH

O

Q

O (c) ninguno

OH OH

18.1 2. alosa y gdactosa

I

CH3COz


I

CH,OCH,

CO,H CO,H

formaldehfdo HCHO 4

CH,OH I

""

}

""""

A

,,'

C'HO

+

OH CH,OH

Icj

HO:'

OHC+o>OcH, CHO

OCH,

+

HCO,H

: OH

c-\ kido f6rmico

CHzOH

18.16. (a) HOQOH OH CH,OH

18.17. (a), (b), y ( e ) :

QOH HO OH

1027


1028

18.18. La P-celobiosa es m& estable debido a que cada sustituyente en cada anillo es ecuatorial.

CH,OH 18.19. (a)

( + &

OH :

(b) no hay reacción; (c) no hay reacción;

HO OH

0 CH,OH

18.20. (a)

OH

+ CH,CO,H

HO

NH,'

CI

CH,OH

CAPíTULO 19 19.1.

(a) Acido; (b) casi neutro; (e)casineutro

19.2.

HOZCCH,CH CHCO,-

I'

NH,

(c) casi neutro; (d) bhsico

Na'

Respuestas a

los problemas

1029

19.4.

AI igual que el nitrógeno en el pirrol (Sección 16.9), el Ntr6geno en el triptofano no tiene electrones de enlace no compartidos; por lo tanto, el triptofano es un aminohcido neutro.

19.5.

&\

N

O

19.6.

b

/

-

d

O

N O

-

O

ala-gli-fen, ala-fen-gli, gli-fen-ala,gli-ala-fen, fen-ala-gli, fen-gli-ala

O

II

O

II

O

II

CH,

I

C,H,CH,OC-NHCH,C-NHCHC-NHCHC0,H I

19.9.

b

H2*Pd

’

gli-fen-ala

La enzima cataliza: (a) la transferencia de un grupo acetilo de una mol&ula a otra; (b) la conversión de la feni:-alanina en la tirosina mediante hidroxilación del anillo benctnico; (c) la deshidrogenación de una&ter o una sal de dcido piríivico.

1030


CAPíTULO 20

20.1.

I

exceso de H,, catalizador

I

calor, presi6n

CH02C(CH2),CH=CH(C~12)~CH,

"t

I

20.6.

c.\^"

(a)

1 H

(b) H

I

OH

I

H


1031

20.7. 3P-colestanol es m& estable debido a su OH ecuatorial. 20.8.

El sistemadelanilloesteroidal es en extremo grande, hidrofbbico,mientrasquela glicina contiene el -COZ- Na' hidrofílico.

parte

CAPíTULO 21 21 .l.

púrpura de Tiro 21.2.

(c), (b), (a)

21.3.

(b) 446 nm; (c) 416 nm

+

21.4. Todo el sistema de anillos del coroneno tiene 24 electrones pi (4n, no 4n 2). Por 10 tanto, no todos los electrones pi forman parte de la nube aromhtica pi. Se cree que ~61010s carbonos perifkricos forman parte del sistema aromAtico. 21 .S. Un compuesto que aparece violeta absorbe auna longitud de onda m& corta (unos 570 m) que uno que aparece verde-azul (unos 650 m); y, por lo tanto, es el compuesto con menos deslocalizaci6n. La estructura en (b), con s610 dos grupos -N(CH,),, tiene menos deslocalizacih y es el compuesto de color violeta. Por lo tanto, la estructura en (a) es el compuesto verde-azul. 21.6. (a) [CH,]?. ion-radical; (b) [CH,]', cati6n; (c) [CH,CH,]r, ion-radical; (d) [CH,CH,]', cati6n 21.7. (a) [CH,]?;

(b)

(b) 43;

[CH,CH2CH,]? 32; (d) 18

21.8. (a)

16:

21.9. (a)

30; (b) 98; (c) 46; (d) 172

(c)

21.10. B contiene Br, y C contiene C1.

[CH,]' y [CH,CHzCHz]+ tambiknse puede observar

21.12. CH,OCH,CH,CH,

21.13. (a) 5 8 ; (b)

4.1;

(c) 60; (d) I

88 y 102

Índice temático por secciones y páginas a (véase

sustituyentes axiales) absorbancia (A), 8.3 absortividad molar (E), 21.2 abundancia, en espectrometria de masas, 21.8 aceite de bálsamo, p. 920 de cacahuate o maní, 9.13 de chrtamo, 9.13 de cilantro, p. 427 de clavos, p. 920 de germen de trigo, 6.7 de linaza, 6.6 de maíz, 9.13 aceites (véame aceites vegetales, aceite de linaza, aceites lubricantes) aceites esenciales, 20.5 de esquistos, 3.5 lubricantes, 3.5 secantes, 6.6 vegetales (véase triglickridos), 20.1 auto-oxidación, 6.6 poliinsaturados, 9.13, 20.1 acetaldehído (véase aldehídos, 11.2, p. 1004) acetal del, 11.8, 11.9 a partir del etanol, 7.13 auto-oxidación, 6.6 cianohidrina del, 11.9 condensación, 14.6

hemiacetal del, 1 1.8 hidrogenación, 11.14 reacción con aminas, 1 1.1O reacción con reactivos de Grignard, 6.9 acetaldol, 14.6 acetales, 11.9 de monosacáridos, 11.8, 18.5, 18.8 acetamida (véase amidas), p. 613-614 13.9, p. 975 acetamidas, 13.3,13.4,15.8 acetaminofén, p. 664 acetanilida, 10.1, p. 975 acetato de bencilo, 5.11, 13.5 dc ctilo (véase &teres), 13.5 acidez, 14.1 a partir del ácido acético, 7.17, 12.9 condensación, 14.9 hidrólisis, 12.4 reaccióna con reactivos de Grignard, 7.4 de isoamilo, 13.5, 20.6 de metilo, 13.3, 13.5 de propilo, 13.5 de sodio (véase carboxilatos), 12.6 mercúrico, reacción con alquenos, 9.9 acetatos (véame carboxilatos, tsteres) de azúcares, 18.8 acetil-colina, cloruro de, 15.1

indice acetil-coenzima A, 13.8 en el metabolismo del etanol, 7.13 en la síntesis de ácidos grasos, 20.5 en la síntesis de terpenos, 20.5 acetileno (véase alquinos), 3.3 campo, inducido, 9.4 enlace, 2.4, 9.1 en la nomenclatura, 9.2 acetilo, grupo, 12.1, p. 977 1-acetil-naftaleno,16.5 acetiluros, 9. I , 9.5 aceto, grupo, p. 977 acetoacetato de etilo (véase éster acetoacético), 11.16,14.1,14.9 acetoacetona (véase 2,4-pentanodiona), 14.7, p. 977 acetofenona, 10.1, 10.9, 11.4, p. 977 reducción a etil-benceno, 1 I. 14 acetona (véuse cetonas), 1 l . 1 , 1 1.4 acidez, 11.16, 14.1 bromación, 1 l . 18 cianohidrina, 1 1.9 constante dieléctrica, 5.10 como disolvente, 5.10 en condensación aldólica cruzada, 14.6, 14.9 hidratos , 1 1.7 hidrazona, I l . 11 reacción con reactivos de Grignard, 6.9 en reacción de Wittig, 11.12 reducción, 7.4 solubilidad del NaI, 11.4 tautómeros, 11 .17 acetonas sustituidas, 14.3 acetonitrilo (véase nitriles), 13.12, p. 614 hidrogenación, 9.13 acetoxi, grupo, 12.1 acidez de hidrógenos en a , 11.16, 14.1 ácido acético (véase ácidos carboxílicos), 1.10, 11.20, 12.1 a partir de acetaldehído, 6.6 a partir de acetato de etilo, 12.12 a partir de cloruro de acetilo, 13.3 acidez, 1.10, 12.7 derivación del nombre, 12.1 glacial, 12.1 por hidrólisis, 12.4 reacción con bases, 12.5 reacción con etanol, 1I .7, 12.9 sustituido, 12.7, 14.2, 14.4 acetil-salicílico, 10.13 acetoacético, p. 970 acníico, 12.1, p. 970 adípico, 12.11, p. 972 acidez, 12.11 a partir del ciclohexeno, 12.4 en el nilón, 13.10

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p-amino-benzoico, 13.11 araquidónico, 20.4 ascórbico (véase vitamina C), 13.6, 18.6, 18.8 aspártico (asp), 12.11, 19.1, 19.3 azelaico, p. 972 barbitúrico, 3.2, 13.11 bencenosulfónico, 7.12, 10.9, 10.16 benzoic0 (véase ácidos carboxílicos), 10.1, 12.1 a partir de alquil-bencenos, 10.12, 12.4 a partir de benzoato de metilo, 13.5 esterificación, 7.12, 12.9, 13.5 reducción, 13.3 I-bromo-ciclohexano-carboxílico,13.3 butanoico (véame ácido butírico, ácidos carboxílicos), 14.2 butírico (véase ácido butanoico), 6.6, 11.1, 20.1 origen del nombre, 3.2, 12.1 cáprico, 12.1 caprílico, 12.1 caproico, 12.1, 12.2 carbólico, 7.10 carbónico, acidez, 12.5 carminic0, 2 1 .5 ciclohexanocarboxílico, 7.13, 12.I reacción con base, 12.6 reacción con bromo, 13.3 reacción con diazometano, 13.5 cinámico, 14.3 cítrico, 12.6, 15.7 cloroacético, 12.7 2-cloropropanoico, 13.3 cólico, 20.7 crómico, 7.13 crotónico, p. 970 desoxicólico, 20.7 2,4-dinitro-benzoico, 12.4 enántico, 1 2.1 esteárico, 20.1, p. 970 etanoico (véase ácido acético), 3.3, 12.1 etil-malónico, descarboxilación, 12.11 4-fenil-butanoico, 13.5 fórmico (véase ácidos carboxílicos), 3.2, 1 1 . 1 , 12.1 a partir del ácido oxálico, 12.11 constante dieléctrica, 5.10 fosforoso, 7.7 o-ftálico, 12.1 acidez, 12.11 a partir de derivados del naftaleno, 16.4 fumárico, p. 972 a partir del ácido succínico, 19.14 conversión a ácido aspártico, 12.11 glicérico, 4.8, 17.3 glucárico, 18.6,18.9

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índice

glucónico, 18.6 glucurónico, 18.6 glutámico (glu), 12.6,19.1.19.3,19.10 glutárico, p. 972 acidez, 12.11 como inhibidor de enzimas, 19.14 7-hidroxiheptanoico, 13.6 hipofosforoso, 10.14 isoftálico, p. 972 láctico, 4.10, 7.3, 13.6, 19.13, p. 970 láurico, p. 970 levulínico, p. 970 linoleico, 20.1 linolénico, 20. I a-linolénico, homo-, 20.4 maleico, 12.11, p. 972 malónico, p. 972 acidez, 12.11 como inhibidor de enzimas, 19.14 descarboxilación, 12.11,14.2 en condensaciones, 14.7 maltobiónico, 18.1O manárico, 18.9 rneso-tartárico, 4.9, 18.3 metacrilato, p. 970 metanoico (véase ácido fórmico), 12.1 2-(N-metil-amino)propanoico, 15.2 mevalónico, 20.5 mirístico, p. 970 naftoico, p. 970 nicotínico, 12.4, 19.14 nítrico (véuase nitración) como agente oxidante, 7.13, 11.17 reacción con carbohidratos, 18.6, 18.9 nitroso reacción con aminas, 15.8 reacción con aril-aminas, 10.10 oleico, 20.1 oxáIico, p. 972 acidez, 12.11 como inhibidor de enzimas, 19.14 descarboxilación, 12.11 oxalosuccínico, 12.12 palmítico, 20.1, p. 970 palmitoleico, 20.1 pantoténico, 19.14 pentanoico, 13.12 pelargónico, 12.1 peroxiacético, 6.6 peroxibenzoico, 6.7, 9.14 pícrico, 10.15 pimélico, 12.11, p. 972 piroglutámico, 19.10 2-pirrosulfónico. 16.9 pinívico, 12.11, p. 972 propanodioico (véase ácido malónico), 12.1 propanoico (véase ácido propiónico), 12.1

a-halogenación, 13.3 por hidrólisis de amidas, 13.9 a partir del propanal, 1l . 16 propiónico (véuanse ácido propanoico, ácidos carboxílicos), 3.2, 11.1, 12.1 pubenilico, 12.20 salicílico, 10.13, p. 970 sebácico, p. 972 subérico, p. 972 succínico, p. 972 acidez, 12.1I , 19.14 sulfúrico fumante, 10.9 reacción con alcoholes, 7.5, 7.8, 7.12, 7.14 reacción con alquenos, 9.8 reacción con compuestos aromáticos (véQse sulfonación) tartárico, p. 972 determinación de la configuración, 18.3 estereoisómeros, 4.9 p-toluico, IO. 14, 12.1 trópico, 16.1O úrico, 10.1 valérico, 12.1, p. 970 ácidos (véame ácidos carboxílicos, ácidos grasos) alcoholes como, 7.17, 12.8 aldáricos, 1 8.6 aldónicos, 18.6 lactonas de, 17.5 alquilbenzoicos, acidez de, 12.8 alquinos como, 9.1, 12.7 arilos, alquilsulfúricos, 7.12 benzoicos, acidez, 12.8 biliares , 20.7 bromobenzoicos, acidez, 12.7 carboxílicos (véuanse diácidos, ácidos grasos), 2.6,12.20 acidez, 1.10, 2.9,,11.20, 12.5, 12.7,12.8, 12.11 a partir de alcoholes, 7.13, 12.4 aldehídos, 6.6, 11.15, 11.16, 12.4 alquenos, 9.14, 12.4 alquilbencenos, 10.13,12.4 amidas, 13.9, 13.10 anhídridos de ácido, 13.4 cetonas, 11.17, 11.18 e-diácidos, 12.11,14.2 ésteres, 12.4,13.5 ésteres malónicos, 14.2, 14.3, 14.4 grasas, 6.6, 13.7 halogenuros de ácidos, 13.3 nitrilos, 12.4.13.12, 13.13 conjugados, l . I O conversión a anhídridos, 12.1 1, 13.4 conversión a halogenuros de ácido, 13.3 de Br@nsted-Lowry,l . 10

indice de Lewis, 1.10 dibiles, 1.10 descarboxilación, 12.11 derivados de (véanse amidas, ésteres), 12.4, 12.12, 13.1 enlaces de hidrógeno, 8.5, 12.2 equivalente de neutralización, 12.5 espectros de infrarrojo, 8.5, 12.3 espectro de RMN, 8.7, 12.3 esterificación, 7.12, 12.8, 12.10, 13.5 estructuras en resonancia, 2.9 fenoles como, 7.10, 12.8 fórmulas, 2.6 fuertes, 1.10 halogenados,12.7,13.3 insaturados, 12.11 ionización, l . 10 nombres triviales o comunes, 11.1, 12.1, p. 970 olores,12.2 polifuncionales (véanse diácidos, hidroxiácidos) por adiciones de Michael, 13.13 por reacción de Cannizzaro, 14.8 por reacción de Grignard, 6.9, 12.4 propiedades físicas, 12.2 reacción con alcoholes, 7.11, 12.9, 13.5 reacción con bases, 1.10, 12.5, 12.6 reacción con diazometano, 13.5 reactividad, 12.9 reducción, 12.10 resolución, 4.10, 15.1 1 sales (véase carboxilatos) síntesis, tabla, 12.4 tabla con resumen de reacciones y , 12.2 utilidad en síntesis, 12.12 valores pK,, 1.10, 11.20, 12.7, 12.8,12.11 y bases conjugadas, 1.10 y los reactivos de Grignard, 6.11 desoxirribonucleicos (véuse ADN), 16.11 dibásicos (véuse diácidos), 12.11 dipróticos (véuse diácidos), 12.11 eicosenoicos, 20.4 fólicos,13.11 grasos a partir de acetil-coenzima A , 20.1 biodegradación, 20.2 en ceras, 20.1 en fosfolípidos, 20.2 en triglicéridos, 20.1 insaturados, 20.1 halobenzoicos, acidez, 12.8 a-halogenados, 13.3 hidrobenzoizos, acidez, 12.8 de Lewis, 1.19 reacción con aminas, 10.10 en reacciones de alcoholes, 7.6

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en sustitución aromática, 12.8 metoxibenzoicos, 12.8 naftalenosulf6nicos. 16.5 nitro-benzoicos, 12.8 nucleicos (véuse ADN, ARN), 16.11 efecto de la radiación ;obre, 6.6 ribonucleicos (véase A m ) , 16.11 sulfónicos, 7.12 acidez, 1 2.5 arílicos, 10.9, 10.16 nomenclatura, p. 971 urónicos, 18.7 acilación acilio, ion, 10.9 acilo,grupo, 10.9, 12.1, 12.12 aciloxi, grupo, 12.1 biológica, 13.8 de enaminas, 14.5 del benceno, 10.9,10.16,11.2, 13.3 acoplamiento spin-spin, 8.17 actividad iónica, p. 32, nota óptica, 4.7 adenina, 16.1 1 adenosina, 16.11 adición anti, 9.11 anti-Markovnikov, 9.7, 9.10, 9.18 asimétrica, 9.7 cis (véase adición sin) electrofílica a alquenos, 9.6, 9.7 a compuestos carbonílicos (Y,p-insaturados, 11.20, 12.11 al grupo carbonilo, 9.13 endo, 9.16 exo, 9.16 nucleofílica a aldehídos y cetonas, 11.3 a aldehídos y cetonas insaturados, 11.19, 11.20, 14.10 sin de agentes oxidantes, 9.14 de boranos a alquenos 9.10 de carbenos, 9.12 de hidrógenos, 9.13 trans (véuse adición anti) adipato de dietilo, 13.5, 14.9 ADN, 16.11 duplicación,16.11 estructura, 16.11 polimerasa, 16.11 recombinante, 16.11 replicación, 16.1 1 aditivos para gasolina, 3.5 adrenalina, p. 714 agentes

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indice

emulsificantes 20.2, 20.7, p. 918 oxidantes, 7.13, 9.14 aglicón ,’ 18.5 agua (véase hidrólisis) ángulo de enlace, 1.6, 2.6 blanda y dura, 20.2 constante dieléctrica, 7.2 enlace, 2.6 longitudes de enlace, 1.7 momento dipolar, 1.8 nucleofilia, 5.11 PK,, 7.9 reacción con aldehídos, 1 1.7 reacción con alquenos y alquinos, 9.8 reacción con halogenuras alílicos y bencílicos , 5.7 reacción con halogenuros de alquilo, 5.7 AIBN, 6.7 alanina, (ala), 4.10, 19.1, 19.3, 19.4 albúrninas, 19.12 alcaloides, 15.7,16.10,16.11 alcanfor, 4.4, 20.5 eacci6n conLIALH, 11.14 alcanos (véase metano), 2.4, 3.4, 3.5 acidez 12.5, 12.7, 14.1 a partir de alcoholes, 7.13 a partir de alquenos, 9.6, 9.13 a partir de cetonas, 11.14, 11.15 a partir de halogenuros de alquilo, 6.10 a partir de la hulla, 3.5 a partir de reactivos de Grignard, 150 6.11 asimétricos, 6.10 calor de combustión 3.4, 3.5 combustión, 3.4, 3.5 conformaciones, 4.3 de cadena continua, 3.2 de cadena ramificada, 3.3 deshidrogenación, 9.14 espectros de infrarrojo, 8.5 espectros de masas, 21.11 espectros de R M N , 8.7, 8.1 I fórmula general, 3.2 halogenación 1.7, 3.4, 6.1, 6.5 nomenclatura 3.3, p. 959-960 pirólisis, 3.4, 6.9 propiedades físicas, 3.4 propiedades químicas, 3.4 ramificados, 3.3 reactividad en reacciones por radicales libres, 6.4 alcanot-tioles (véase tioles), 7.17 alcohol alílico, 5.7, 5.8 bencilico (véase alcoholes), 5.7, 10.1 a partir del ácido benzoico, 13.3 a partir del benzoato de etilo, 13.5 a partir del cloruro de bencilo, 5.7

t-butílico (véase alcoholes), 7.2, 7.3 a partir de acetona, 6.9 como aditivo para gasolina, 3.5 acidez, 7.10 deshidratación, 7.8 reacción con halogenuros de ácido, 13.3, 13.5

reacción con halogenaros de hidrógeno 7.6 deshidrogenasa, 7.13 desnaturalizado, 7.5 etíIico (véuase etanol) de frotar, p. 255 isopropílico (véame alcoholes; 2-propanol), 7.2, 7.3 de madera (véase metanol), 3.3, 6.6, p. 255 metílico (véase metanol) neopentilico, 7.8 n-propílico (véuse I-propanol) alcoholes, 2.5, 7.1, p. 255 a partir de ácidos carboxílicos, 12.10, 13.3 aldehídos y cetonas, 6.9, 7.4, 11.13. I 1.14 alquenos, 7.4, 9.8, 9.10 cetonas, 19.13 epóxidos, 7.4, 7.16 ésteres, 7.4, 13.5, 13.6 halogenuros de ácido, 13.3 halogenuros de aquilo, 5,4, 5.5, 5.7, 5.8, 5.11, 7.4 acidez, 7.5, 7.9, 11.16, 12.5, 12.8, 14.1 alílicos , 7.3 bencilicos, 7.3, 7.8 combustión, 7.13 conversión a éteres, 7.12 deshidratación, 7.5, 7.8, 7.12 enlace, 2.6, 7.1, 7.2 enlaces de hidrógeno, 1.9, 7.2, 8.5 espectros de infrarrojo, 8.4, 8.5 masas, 21.11 RMN, 8.6, 8.10 ésteres inorgánicos, 7.7, 7.12 isopentenilicos. 20.5 metabolismo 7.13 momentos dipolares, 7.12 nitración, 7.12 nomenclatura, 3.3, 7.3, p. 973 como nucleófilos, 5.10 oxidación, 7.13, 11.2, 12.4 oxidación biológica, 19.14 por reacción de Cannizzaro, 14.8 por reacciones de Grignard, 6.9, 7.4, 7.16, 11.13, 13.5 por reacción de organolíticos, 6.10 preparación, 7.4 primarios, secundarios y terciarios, 7.3 propiedades físicas, 7.2

indice

protonación 7.6 reacción con ácidos carboxílicos, 7.12, 12.9, 13.5 ácidos minerales, 7.6 ácido sulfúrico, 7.8, 7.12, 7.14 aldehidos, 11.8,11.9 anhidridos de ácido, 13.4, 13.5 cetonas , 11 .8 cloruro de tionilo, 7.7 cloruro de tosilo, 7.12 epóxidos , 7.16 ésteres, 13.5 halogenuros de ácido, 13.3, 13.5 halogenuros de alquilo, 5.6 halogenuros de hidrógeno, 7.6 metales alcalinos, 7.10 reactivos de Grignard, 6.11, 7.10 tricloruro de fósforo, 7.7 reacciones de sustitución 7.5, 7.7 reactividad, 7.5, 7.6,7.8, 12.9 reducción, 7.13 sales (véuase alcóxidos) síntesis, 7.4 solubilidad de NaCl en, 7.3 tabla de reacciones, 7.18 trasposiciones , 7.6, 7.8 utilidad en síntesis, 7.18 vinílicos (véuase enoles), 9.8, 11.17 alcoholisis, 13.3 alcoxi, como prefijo, 7.3 alcóxidos , 7.10 basicidad, 5.10, 7.10, 12.7, 14.1 de magnesio, a partir de reacciones de Grignard, 6.9,11.13 nomenclatura, 7.10, p. 977 nucleofilia 5.10, 7.10 preparación, 7.10 reacción con halogenuros de alquilo, 5.4, 5.5, 5.9, 5.10, 5.11, 7.14 reacción con hidrógenos a 1 l . 15, 13.13, 14.1,14.2 aldehídos, 2.6 acidez de hidrógeno en (Y,11.16, 14.6 aminación reductiva, 15.5 a partir de alcoholes, 7.13, 11.2 alquenos, 9.14 alquinos, 9.8 halogenuros de ácido, 13.3 auto-oxidación, 6.6 condensaciones, 14.6, 14.7 conversión a aminas, 11.15 conversión a enaminas, 1 1.10 enlace,.2.6 enlaces de hidrógeno, 11.4 espectros de infrarrojo, 8.5, 11.5

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masas, 21.11 RMN, 8.7, 8.10, 11.5 hidrogenación, 11.14 (Y,P-insaturados, 11.19,11.20,14.6, 14.10 nomenclatura, 3.3, 11.1, 11.2, p. 974 oxidación, 11.15,12.1 propiedades físicas, 1 1.4, 11.5 productos de adición de bisulfito, 11.9 reacción con agua, 11.7 alcoholes, 1 l . 8 aminas, 11.10,14.5 cianuro de hidrógeno, 11.9 hidrazinas , 1 1. 1 1 hidruros metálicos, 1l . 14 reactivos de Grignard, 6.9, 7.4, 11.13 reacción de Cannizzaro, 14.8 reacción de Wittig, 11.12 reactividad, 11.6 reducción, 1 l . 14 síntesis, 11.2 P-sustituidos, 1 l . 19 tabla con resumen de reacciones, 11.20 tautomerismo, 11.17 utilidad en síntesis, 1 1.20 Alder, K, 9.16 alditoles, 18.7 aldohexosa, 18.3 aldol, 14.6 aldopentosa, 18.3 aldosas (véuase monosacáridos), 18.1, 18.3 aldrin, 9.16 aleación sodio-plomo, 6.1 alenos, 2.9, 9.2, p. 961 alfa a en carbohidratos, 18.4 en compuestos policíclicos, 16.2 en esteroides, 13.1 en heterociclos, 16.6 en nomenclatura de compuestos carbonílicos, 11.1, p. 969 alfa halogenación de halogenuros de ácido, 13.3 de ácidos carboxílicos, 13.3 de cetonas, 11.18 Algin, 18.11 algodón, 18.1, 18.11 alheño indio, p. 935 alilo, grupo, 5.7, 9.2, p. 962 o-alil-fenol , 17.4 alizarina, 21.5 almidón, 18.1, 18.11 alosa, 18.3 alquenilo, grupos, 3.4, 9,2, p. 962 alquenos (véuanse etileno, dienos, polienos), 2.5, 9.1 a partir de

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índice

alcoholes, 7.5, 7.8, 7.12, 9.5 alquinos, 9.13 halogenuros de alquilo, 5.4, 5.8, 5.11, 9.5 hidróxidos de amonio cuaternario, 15.10 acidez,12.7 adición anti, 9.11 adición de HBr por radicales libres, 9.8 adición, reacciones de, 9.5-9.12 adiciones mixtas, 9.11 ataque electrofílico a, 9.6, 9.7 calores de hidrogenación, 9.13 carbocationes, a partir de, 9.6-9.8 conversión a ácidos carboxílicos, 9.14 aldehídos, 9.14 cetonas, 9.14 deuterio-alcanos, 9.10 dioles, 9.14 epóxidos, 9.14 éteres, 9.9 halogenuros de alquilo, 9.10 enlace, 2.4, 9.1 espectros de infrarrojo, 8.5, 9.4 espectros de RMN 8 . 7 , 8 . 8 , 9.4 estabilidades, 5.9, 9.13 fórmula general, 3.2 fórmulas de línea, 9.16 hidratación 7.4, 9,9 hidroboración, 9.10 hidrogenación 9.13, 9.4, 10.4, 11.14 isómeros geométricos, 4.1, 4.2, 5.9, p. 962 nombres triviales o comunes, 3.3, 9.2 nomenclatura, 3.3, 9.2, p. 961-963 oxidación, 9.14, 12.4 polimerización , 9.17 por reacción de Wittig, 11.12 productos, 9.17 propiedades físicas, 9.3 prueba de Baeyer, 9.14 prueba del bromo, 9.11 reacción con acetato mercúrico, 9.9 ácido sulfúrico, 9.8 benceno , 1O.9 borano, 9.10 carbenos, 9.1 2 halógenos, 9.1 1 halogenuros de hidrógeno, 9.7 ozono, 9.14 reactividad, 9.11 síntesis (tabla), 9.5 tabla de reacciones, 9.18 trasposiciones, 9.7 alquilacicin biológica, 13.7 con sulfato dc dimetilo, 7.12

de enaminas, 14.5 de enolatos, p. 671-672 del benceno, 10.9 alquil-aminas (véuase aminas), 15. I alquil-bencenos, 10.12 anillo actrivado, 10.10 a partir de benceno, 10.9 a partir de fenil-cetonas, 10.9, 11.14 halogenación por radicales libres, 6.4, 6.5, 10.13 oxidación, 10.13, 12.4 alquil-litio, 6.10 alquilmetales, 6.9 alquinos (véuase acetileno), 2.5, 9.1 a partir de acetiluros, 9.5 a partir de dihaloalcanos, 9.5 acidez, 9.2, 12.5, 12.7 conversión a alquenos, 9.13 enlace, 2.4 en las reacciones de Grignard, 9.2, 9.5 espectros de infrarrojo, 8.5, 9.4 espectros de RMN, 9.4 fórmula general, 3.2 hidratación, 9.8 hidrogenación, 9.13 nomenclatura, 3.3, 9.2, p. 961-962 propiedades físicas, 9.3 reacción con halógenos, 9.11 reacción con halogenuros de hidrógeno, 9.7 síntesis (tabla), 9.5 alquitrán de cigarrillos, 10.2 amalgama de cinc, como agente reductor, 11.15 amarillo Martius, 21.5 amidas, 13.1, 13.9 a partir de anhídridos de ácido, 13.4 ésteres, 13.5 halogenuros de ácido, 13.3 basicidad, 13.9 enlace, 13.9 espectrros de infrarrojo, 13.2 espectros de RMN, 13.2, 13.9 hidrólisis, 13.9, 13.10 nomenclatura, 13.9, p. 975 reactividad, 13. I , 13.9 reducción, 15.5 síntesis, 13.9,13.13 tabla con resumen de reacciones, 13.13 trasposición, 15.5 amidina, 2.9 amigdalina, 11.9, 18.5 amilopectina, 18. I 1 amilosa, 18.11 aminación de a-haloácidos, 19.4 reductiva, 11.15 aminas, 2.6, 15.1

indice a partir de aldehídos y cetonas, 1 1.15, 15.5 amidas, 15.5, 15.8 halogenuros de alquilo, 15.5 nitrilos, 9.13, 13.13, 15.5 nitrocompuestos, 10.14, 15.5 sales de aminas, 15.7 acidez, 12.5 alquil-, 1 5 . I aril-, 15.1 basicidad, 1.10, 2.6, 15.6 como nucleófilos, 5.11, 15.5 como trampas de HCI, 284 electrones no compartidos, 1.10, 2.6, 15.2 eliminación de Hofmann, 15.10 en adiciones, 1 . 1 , 11.20 en la formaci6n deenaminas, 11.10 en la formación de iminas, 11.10 en la resolución, 4.10, 15.11 enlace, 2.6, 15.2 enlaces de hidrógeno, 1.9, 8.5 espectros de infrarrojo, 8.5, 15.4 masas, 21.11 RMN, 8.10, 15.4 heterocíclicas, 15.2 inversión, 15.2 metilación exhaustiva, 15.10 nomenclatura, 3.3, 15.1, p. 975 óxidos, 15.11 primarias, secundarias y terciarias, 15.1 propiedades, 15.3 quiralidad, 15.2 reacción con ácidos de Lewis, 10.10, 10.16 ácido nitroso, 10.14, 15.9 aldehídos, 11.10 anhídridos de ácido, 13.4, 13.9 cetonas, 11.10, 15.11 halogenuros de ácido, 13.3, 13.9, 15.8 halogenuros de alquilo, 15.5 simpatomiméticas, 15.1 síntesis (resumen) 15.5 por síntesis de la ftalimida, 15.5 tabla con resumen de reacciones, 15.11 utilidad en síntesis, 15.11 aminoácidos, p. 858-19.4 acidez, 19.3 ácidos, 19.1,19.3 anfoterismo, 19.3 básicos, 19.1, 19.3 biosíntesis, 11.10 C y N terminales, 19.5, 19.6 como iones dipolares, 19.2 electroforesis, 19.3 en la biosíntesis de proteínas, 19.9 esenciales, 19. I

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estructuras, 19.1 neutros, 19.1 propiedades, 19.2, 19.3 prueba de la ninhidrina, 19.4 puntos isoeléctricos, 19.3 síntesis, 12.11, 15.5, 19.1, 19.4 aminoalcoholes, 11.9 aminocetonas, 1 1.20 2-amino-etanol, 15.2, 20.3 amino, grupo, p. 975 aminopiridinas, 16.7, 16.8 aminoquinolina, 16.9 aminosulfonamidas, 13.11 , p. 975 amoníaco acidez, 13.13 basicidad, 1.10, 2.6, 15.6 distancias y ángulos de enlace I .6, 2.6 orbitales, 2.6 reacción con anhídridos de ácido, 13.4 éstem, 13.5 halogenuros de ácido, 13.3 halogenuros de alquilo, 15.5 grupos carbonilo, 1 I . 10 amplitud de ondas, 2.1 análisis retrosintético 6.12 andrógenos, 20.7 androsterona, 20.7 anelación de Robinson, 14.10 anemia celular falciforme, 19.2 anestésicos, 7.14 anfetamina, 4.10, 15.1 Angstrom, unidad (A), 1.2, 8.1 angular, grupos metilo, 20.7 ángulos de enlace, 1.6 alrededor de carbono sp, 2.4 carbono sp2, 2.4, 9.1 carbono sp', 2.4 en el agua, 1.6, 2.6 amoníaco, 1.6, 2.6 benceno, 4.4 compuesto cíclico, 4.4 anhídridos acético (veme anhidridos de ácido), 13.1 reacción con ácidos carboxílicos, 12.1 I , 13.4 agua, 13.4 alcoholes y fenoles, 13.4 benzoic0 (véuase anhídridos de ácido), 13.1 etanoico (véuase anhídrido acético), 13.4 ftálico conversión a ftalimida, 13.11, 15.5 en gliptal, 13.7 a partir de naftaleno, 16.3 reacción con alcoholes. 13.5

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indice

glutárico,12.11 heptanoico , 13.3 maleico, 12.11, p. 972 propanoico, 13.4 propiónico (véuse anhídridos de ácido), 13.4 succinico, 12.!1, 13.4 anhídridos de ácido a partir de ácidos carboxflicos, 12.11, 13.4 a partir de halogenuros de ácido, 13.3 cantaridina, p. 614 cíclicos, 12.11, 13.4 en la acilación de Friedel-Crafts, 1l . 1 espectros de infrarrojo, 13.2 hidrólisis, 13.4 nomenclatura, 13.4, p. 97 1-972 reacción con alcoholes y fenoles, 10.13, 13.4 aminas, 13.4 azúcares, 18.8 reactividad, 13. I , 13.4 síntesis, 13.13 tabla con resumen de reacciones, 13.13 utilidad en síntesis, 13.13 anhídridos de ácidos carboxílicos (véase anhídridos de ácido) anilidas, p. 975 anilina, 10.1 a partir de clorobenceno, 10.15 a partir de nitrobenceno, 10.14 basicidad, 15.6 bromación, 10.9, 10.10 conversión a benzonitrilo, 13.12 conversión a sales de diazonio, 10.1.4 en reacciones de acoplamiento, 10.14 estructuras de resonancia, 10.10, 15.6 propiedades, 1 6.1 1 reacción con ácidos de Lewis, 10.10, 10.16 reacción con acetaldehído, 11.10 anillos en puente (véuase terpenos), 20.5 anión,1.4 anisol , 7.15 an6meros , 18.4 anticod6n. 19.9 anticongelante, 4. I , 7 . 1 anticuerpos, 19.11 antioxidantes, 6.7 antocianinas, 21 . S antraceno, 16.1 enlace,16.2 numeración, 16.2 reacción de Diels-Alder, 10.15 reacciones, 16.4 antracita, 3.5 antraquinonas, 16.4, 21 .S [18]anuleno, 8.13 apartmentosano. 4.4 aquiraljdad. 4.6

arabinosa, 18.3,18.9 arecaidina, 16.10 arginina (arg), 16.10 ar, grupo, 5.1 arenas bituminosas, esquistos, 10.4 aril-aminas (véuase aminas), 15.1 a partir de halogenuros de arilo, 10.15 a partir de nitro-bencenos, 10.14 conversión en sales de diazonio, 15.8 nomenclatura, 15.1, p. 976 toxicidad, 15.4

ARN de transferencia, ARNt, 19.9 en ribosomas, 19.9 en síntesis de proteínas, 19.9 estructura,16.11 mensajero, ARNm, 16.11,19.9 síntesis, 16.11 aromaticidad en el anión ciclopentadienilo, 10.8 en el benceno, 2.8, 10.5 en compuestos heterocíclicos, 2.9. 16.7, 16.9 en sistemas policíclicos, 2.9, 16.2 requisitos, 10.7 yRMN, 10.3, 16.9 asfalto, 3.5 asistencia estérica, 5.6 asparagina (asp), 19.1 aspirina, 10.13,19.4 átomos de carbono nucleofílicos, 6.9, 14.5 quirales, 4.6 múltiple, 4.9 atrayentes sexuales, (véuse feromonas) atropina, 16.10 aufbau, principio de, 1.2 auxocromos, 12.5 aza, como prefijo, 21.11 azeótropo , 10.2 azo, compuestos, 10.14 azo, grupo, p. 967 azo-bis-isobutim-nitrilo, 21.7 azoicos, colorantes, 21.6 azúcar invertido, 18.10 azúcares (véuanse glucosa, disacáridos, monosacáridos) invertido, 18.10 deleche, 18.1, 18.10 reductores, 18.1, 18.6 en sangre,18.2 sencillos, 17.5 tabla, 17.5,18.1 azul directo 2B, 16.1, 21.6 de indofenol, 21.1 1 azuleno, 10.16

indice

Baeyer, prueba de, 9.14 base, en nomenclatura, 3.3, p. 968 de Schiff, 11.10 de Troger, 15.2 bases alcóxidos , 5.1O aminas, 1.10, 2.6, 15.6 conjugadas, l. 10 de Brensted-Lowry, 1.10 de Lewis, 1.10 en ADN, 16.11 fuertes y débiles, 1.10 organometálicas, 6.11 reacción con halogenuros de alquilo (véunse reacciones S , ] , S,2, E l y E2) halogenuros de arilo, 16.7 hidrógenos en a , 11.16, 14.1-14.3 basicidad frentz a nucleofilia, 5.4 barbitúricos, 13.11 barniz, 6.6 bebidas alcohólicas, 7.4, 7.13 Benadril, 7.18 benceno (véase compuestos aromáticos) a partir del ácido bencen-sulfónico, 10.16 acilación, 10.9,11.2,13.3 alquilación, 10.9 azeótropo , 1O .2 bromación, 10.9 cloración, 10.9 comente anular, 8.7 directores meta, 10.10 directores orto, pura, 10.10 efecto isotópico cinético, 10.9 efecto de los sustituyentes, 10.11 en la gasolina, 3.5 energía de resonancia, 10.4, 10.6 enlace, 2 . 8 , 2.9, 10.5 espectro de RMN, 10.6 estabilidad, 2.9, 10.4, 10.6 estructuras de Kekulé, 2.9, 10.5 estructuras en resonancia, 2.9, 10.5 fuentes, 10.4 halógenos como sustituyentes, 10.9, 10.10, 10.15 hidrogenación, 3.1, 10.4 historia, 10.1, 10.5 nitración, 10.9 orbitales pi, 10.9 propiedades físicas, 10.3 segunda sustitución, 10.10 sulfonación, 10.9 sustituyentes activantes, 10.10, 10.15 sustituyentes desactivantes, 10.10 tercera sustitución, 10.11 uso en síntesis, 10.16 bencilamina (véase aminas), 11.15, 15.3, 15.5

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bencino, 10.15 benzaldehído (véuse aldehídos), 1 l . 1, 1 1.4, p. 974 a partir de cloruro de benzoilo, 13.3 a partir de mandelonitrilo, 11.9 conversión a bencilamina, 11.15, 15.5 en condensaciones aldólicas cruzadas, 14.6 en la reacción de Wittig, 11,11 reacción de Cannizzaro, 14.8 benzamida, (véase amidas), 13.1 benzanilida, p. 915 benzantraceno, 10.2 benzoato de 2-butilo, 13.5 benzoato de etilo, 13.5 de metilo (vease ésteres) a partir del ácido benzoico, 13.5 en la condensación de Claisen cruzada, 14.10 saponificación, 13.5 transesterificación, 13.5 de n-propilo, 7.1 1 benzocaína, 14.1 benzofenona, 10.1, 11.4, p. 977 benzonitrilo (véase nitrilos), 10.14, 13.1, 13.12 benzopireno, 10.2 benzoquinonas , 10.13 beta (PI en carbohidratos, 18.4 en esteroides, 20.7 en heterociclos, 16.6 en la nomenclatura de compuestos carbomlicos, 11.1,11.2 en la nomenclatura de compuestos policíclicos, 16.2 betaínas, 11.12 BHA, 6.7 BHT, 6.7 bifenilo, p. 967 bifenilos policlorados, p. 169 Bijvoet, J.M., 4.8 Biot, Jean-Baptiste, 4.7 biotina, 19.14 bis, como prefijo, p. 967 bisulfatos de alquilo, 7.12 bisulfito, productos de adición, 11.9 hisulfito de sodio, 11.9 blancoforo R, 21.7 blanqueadores ópticos , 2 1.7 boranos, 9.10, p. 977 bornano, p. 963 borohidruro (véuse borohidruro de sodio) borohidruro de sodio en la desmercuración, 9.9 reacción con aldehídos y cetonas, 1 1.14 bradiquinina, p. 829 de Broglie, Louis, 2.1 bromación (véuse halogenación) de alcanos, 6.2, 6.5

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indice

de alquil-bencenos, 6.5 del benceno, 10.9 con NBS, 6.5 bromo como prefijo, 3.3 prueba con, 9.11 bromo-acetona a partir de acetona, 11.18, 14.5 reacción con enaminas, 14.5 bromo-alcanos (véase bromuros de alquilo) m-bromo-anilina, 10.16 bromo-benceno (véuse halogenuros de arilo), 3.3, 10.9, 10.14 1-bromo-butano (véase halogenuros de alquilo) reacción con amoníaco, 15.5 reacpión con cianuro, 13.12 reacción con éster acetoacético, 14.3 reacción con éster malónico, 14.1 2-bromo-butano (véase halogenuros de alquilo), reacción E2, 5.9 2-bromo-ciclohexanona, 1 I . 18 1-bromo-I ,2-difenil-propano, 5.9 bromo-etano (véuse halogenuros de alquilo) reacción con bases, 5.5 reacción con éster malónico, 14.2 reacción con magnesio, 6.9 reacción con nucleófilos, 5.4, 7.15, 15.5 bromoformo, 1I .8 bromo-metano (véuse halogenuros de metilo) 1-bromo-naftaleno, 16.5 bromo-pentanos, reacción con bases, 5.9, 9.5 2-bromo-propanal , 11 .2 I-bromo-propano (véase halogenuros de alquilo), 6.5, 9.8 2-bromo-propano (véase halogenuros de alquilo), 6.5, 9.8 deuterado, 5.9 reacciones con bases, 5.4, 5.5, 5.9 bromo-piridinas, a-bromo-propionaldehído, 1 1.2 N-bromo-succinimida, 6.5 bromuro de alilo (véase halogenuros de alilo), 6.5 de bencilo (véuse halogenuros bencílicos), 5.11, 12.7 de butilo (véase halogenuros de alquilo) bromuros de alquilo (véase halogenuros de alquilo) Bronsted-Lowry, ácidos y bases de, 1.10 Brown, H.C., 9.10 brucina, 15.11 1,3-butadieno de hidrogenación de alquenos, 9.13 del benceno, 10.4 del cIdohexeno, 10.4 de reacción, 1.7, 5.5 en reacciones de Diels-Alder, 9.16, 17.2,

17.3 en reacciones electrocíclicas, 17.3 enlace, 2.7 orbitales pi, 17.1 reacción con HBr, 9.16 butanamida, 13.8 butano (véuse alcanos). 3.1, 3.2 conformaciones, 4.3 propiedades, 3.4 1,3-butanodiol, 7.3 1-butanol (véase alcoholes), 7.2, 7.3 2-butanol (véase alcoholes) a partir de butanona, 11.14 por saponificación, 13.5 por síntesis de Grignard, 11.13 reacción con anhídridos de ácido, 13.5 cloruro de tionilo, 7.7 cloruro de tosilo, 7.12 PCI,, 7.7 butanona (véase cetonas), 1l . 1 conversión a amina, 11.15 reducción, 11.14 butanonitrilo, 13.13 2-butenal, 14.6 I-buteno (véase alquenos) 6.5, 15.10 2-buteno (véuse alquenos) 9.11 cis y trans, 9.2 reacción con HCI, 9.7 a partir de isobutano, 6.4 reacción con aqua, 5.8 reacción con base, 5.5, 5.8 reacción E 1, 5.8 reacción E2, 5.9 reacción con magnesio, 6.9 de etilo (véuse bromoetano) de fenilmagnesio, 6.1, 6.9, 12.4 de hidrógeno, adición anti-Markovnikov (véuse Halogenuros de hidrógeno), 9.8 de isopropilo (véase 2-bromo-propano), 5.4 de metilo (véase halogenuros de metilo) de N-metil-piperidinio, 15.1 de neopentilo, reacción con alcóxidos, 5.5 de n-propilo ( v h e 1-bromo-propano) butenos a partir de 2-bromo-butano, 5.9 calores de hidrogenación, 9.13 propiedades, 3.1 butenoles, 5.7 1-butilamina (véuse aminas), a partir de 1-bromo-butano, 15.5 2-butilamina, 15.5 n-butilamina (véase aminas) a partir del butanonitrilo, 13.13 r-butil-amina, 15.1 t-butil-benceno, 9.14 t-butil-ciclohexano, 4.5

fndice

n-butil-e-litio, 6.8 n-butil-malonato de dietilo, 14.1 r-butil-metilcetona, 13.3 2-butino (véuase alquinos) butiraldehído, 1 I . 1, 1 1.3 butiramida, 13.9 butirato de etilo, 13.5 y-butirolactona, 13.6 cadaverina, 15. 2 cadenas laterales, 3.3 electronegatividad, 1.4 enlace, 1.4 estado de oxidación, 7.13 orbitales híbridos, 2.3, 2.5 trigonal, 2.4 cafeína, 13.9 Cahn, Ingold y Prelog, sistema, 4.1, 4.8 calciferol, 17.5 calcita, 4.7 calcoflúor SD,21.7 calor de combustión de alcanos, 3.4 de cicloalcanos, 3.4, 4.4 carboxipeptidasa, 19.9 A-careno, 9.18 carga formal, 1.4 cargas parciales, 1.5 cariofileno, 20.7 de enaminas, 14.5 de reactivos de Grignard, 6.9, 14.1 de enlace doble, 2.7, 5.9 de enlace doble parcial, 2.7 iónico, 1.8 P, 2.4 S, 2.4 campo magnético externo, 8.6 molecular inducido, 8.6, 8.7 cáncer, 6.6 cancerígenos, en al alquitrán de la hulla, 10.2 cantaridina, 13.1 capas electrónicas, caprolactama, 13.1 1 carácter carbocatiónico, 5.6 carbaniónico caroteno, 20.5 catalizador envenenado, 3.5 de Ziegler-Natta, 9.17 carbamatos, 13.11,19.8 carbanión bencílico, 10.12 carbaniones (véase enolatos), 6.9 bencílicos, 10.11 en sustitución nucleofilica aromática, 10.15 carbazol, p. 966 carbenos, 9.12, 10.13 carbocationes, 5.6

1043

en las adiciones a alquenos, 9.6, 9.7, 9.15 en reacciones E l , 5.8 en reacciones S , ] , 5.7 estabilidades, 5.6, 5.7 geometría, 5.6 primarios, secundarios y terciarios, 5.6 transposiciones, 5.7, 9.7 carbohidratos (véanse glucosa; monosacáridos; disacáridos; polisacáridos), 17.5 calorías en, 20.1 fermentación, 7.4 oxidación, 6.6 carbón bituminoso, 3.5 negro de, 3.4 carbonatos,13.11 carbono anomérico, 18.4 cabeza de puente, 20.5 electronegatividad, 1.3 enlace, 1.4 estado de oxidación, 7.13 orbitales híbridos, 2.4 carboxilatos, 1.10 como nucleófilos, 5.11, 12.7 en reacciones de Grignard, 6.9 enlace, 12.1 formación, 1.10, 12.6 nomenclatura, 12.6, p. 976 reacción con halogenuros de ácido, 13.3, 13.4 reacción con halogenuros de alquilo, 12.7, 13.5 carboxilo, grupo, I . 10, 3.3, 12.1 hidrogenación, 9.13, 1 1 .14 nomenclatura, 3.3, 11.1, p. 577 oxidación,11.15 por reacción de Friedel-Crafts, 10.9, 11.2, 13.3 por síntesis a travCs de enaminas, 14.5 por trasposición pinacólica, 7.8 productos de adición de bisulfito, 11.9 propiedades físicas, 1 I .4 prueba del yodoformo, 1 1.18 reacción con agua, 11.7 alcoholes, 1 1.8 aminas, 11.10, 14.5,15.9 cianuro de hidrógeno, 11.6, 1 1.9 hidrazinas, 11.11 hidruros metálicos, I 1.14 reactivos de Grignard, 6.9, 7.4, 11.13, 14.1 reactivos de litio, 6.10 reacción de Wittig, 1 1.12 reactivickd, 1 1.6 reduccion, 7.4, 11.14 síntesis, 1l . 2

1044

indice

P-sustituidas, 1l. 19, 11.20 tabla con resumen de reacciones, 11.20 tautomería, 11.17 utilidad en síntesis, 11.20 catalizadores envenenados, 3.5, 9.13 enzinlas como. 19.14 hidrogenación, 9.13 de transferencia de fase, 1.7, 1.10 de polimerización, 9.17 por radicales libres, 6.7 en sustitución aromática, 10.9 de Ziegler-Natta, 9.17 catecol, I O. 13 catión, 1.4 alílico, estabilización ‘por resonancia, 5.7 bencílico, 5.7 trifenil-metílico, 3.1 cationes alíhcos, 9.15 cefalinas , 20.7 celobiosa, 18. IO celulosa, 18.11, p. 815 centímetros recíprocos (cm”), 8.1 cera de parafina, 3.5 ceras, 3.4 cerebrósidos, 20.7 cetales, 11. I9 de azúcares, 18.8 cetena, 9.12 cetoácidos aminación reductiva, 19.4 descarboxilación, 12.11, 14.4 por condensación de ésteres, 14.9 síntesis, 14.4 p-cetoésteres acidez, 11.16, 14.1 hidrólisis, 14.9 por condensación de ésteres, 14.9 ceto, grupo, 3.3 cetonas, 2.6, 11.1 a partir de alcoholes, 7.13, 11.2 a partir de alquenos, 9.14 a partir de alquinos, 9.9 a partir de P-cetoácidos, 12.11, 14.4 a partir de halogenuros de ácido, 10.9, 11.2, 13.1 a partir del éster acetoacético, 14.3, 14.4 acidez de hidrógenos (Y, 11.16, 14.1 adición 1,4 a cetonas insaturadas, 11.19, 11.20,14.10 arííicas (véase fenilcetonas), 19.9, 11.2, 13.3 aminación reductiva, 11.15, 15.5 (3-amino , 1 1,20 condensación, 14.6, 14.7 conversión a enaminas, 11.10. 14.5, 15.8 conversión a iminas, 11.10, 15.8 en condensaciones de Claisen cruzadas, 14.9

enlace, 2.6 enlace de hidrógeno, 11.4 espectros de infrarrojo, 8.5, 11.5 espectros de masas, 21.11 espectros de RMN, 8.13, 11.5 halogenación en 01, 1 I . 18 por condensación de esteres, 14.9 cetonitrilos. 1 l . 18 cetosa. 17.3 cianina, 21.1 ciano, grupo (véase nitnlos) cianoacetalo de etilo. 14.6 cianohidrina del acetaldehído, 1 l . 9 del gliceraldehído, 17.3 cianuro, 5.7 de hidrógeno, 1 . I , 1.2, 1 I .8 adición, 1 1.19 adición al grupo carbonilo, 1 I . 8 reacción con azúcares, 18.2 cianuros orgánicos (véa.se nitrilos) ciclación (véase reacciones de ciclación; reacciones electrolíticas) de diácidos, 12.1 I , 13.4 de hidroxiácidos, 13.6 de monosacáridos, 18.4 por cierre de anillo de Dieckmann, 14.9 ciclamatos,18.4 ciclo, como prefijo, 3.3, p. 963 cicloalcanos, 1.5, 3.1. 3.2 calor de combustión, 3.5, 4.4 conformaciones, 4.4, 4.5, 20.7 disustituidos, 4.5 en puente, 20.5 energía de tensicin, 4.4 nomenclatura, 3.3, p. 963 cicloalquenos apertura de anillos, 17.3 a partir de polienos, 17.3 ciclohexano (véase cicloalcanos). 1.5, 4.2 a partir de benceno, 9.13, 10.4 forma de bote, 4.5 forma de silla, 4.5 grupos ecuatoriales y axiales, 4.5 proyecciones de Newman, 4.5 solubilidad, 1. IO ciclohexan-carboxaldehído, 14.6, p. 974 ciclohexanocarboxilato de etilo, 13.5 1,2-ciclohexanodiol, 7.16, 9.14 1,2-~iclohexanodiona, 10.3 ciclohexanona, 11.1 bromación, 1 l . 18 conversión a ~Iclohexilamina, 2.4 en la reacción de Wittig, 11.12 hidrogenación, 11.14 imina y enamina de, 14.5 ciclohexanotrieno, 10.4

indice

ciclohexeno (véase alquenos) calor de hidrogenación, 10.4 conversión a diol, 9.14 oxidación, 12.4 ciclohexilamina, 15.1 basicidad, 15.6 a partir de ciclohexanona, 1l . 15 ciclohexi-metanol, 7.13 2-cic1ohexi1-2-propano1,13.5 ciclooctatetraeno, 10.6 ciclopentadieno en la reacción de Diels-Alder, 9.16, 9.17 iones, 10.7,10.8 ciclopentano (véase cicloalcanos), 4.4, 10.8. 1,2-ciclopentanodiol. 9.14 ciclopentanona reacción con aminas, 11.10 reacción con fenilhidrazina, 1 l . 11 ciclopenteno, dioles a partir de, 9.14 ciclopropano (véase cicloalcanos) energía del, 3.5, 4.4 hidrogenación, 4.4 ciclopropanos (véase cicloalcanos), a partir de alquenos y carbenos, 9.12 cinamaldehído, 14.6 cinética, 5.5 de primer orden, 5.6 de segundo orden, 5.5 de reacción, 5.5 cis, como prefijo, 4.1, 4.3 cisteína (cis), 19.1 cistina, 19.1 citidina,16.11 citocromo c, 16.9 citosina, 16.11 citral, 20.9 civetona, 1 I .20 Claisen, condensaciones de, 14.9 transposición de, 17.4 Clemmensen, reducción de, 11.14 cloración (véase halogenación) de alcanos, 6.1, 6.5 de alquilbencenos, 6.5 del benceno, 10.9 del metano, 1.7, 3.4, 6.1, 6.4 por radicales libres, 6.1, 6.5 clordano, 9.16 clorhidrato de piridina, 13.3, 16.7 clorhidrato de trimetilamina, 15.2 cloro, como prefijo, 3.3 cloroacetato de etilo, 13.5 cloroalcanos (véase halogenuros de alquilo) clorobenceno (véase halogenuros de arilo) a partir del benceno, 10.8 conversión a anilina, 10.15 nitración, 10.9 a partir de sales de diazonio, 10.14

1045

2-clorobutano (véase halogenuros de alquilo), 7.7, 9.7 1-cloro-2-buteno, 5.7 cloroeteno, 5. I clorofila a, 16.9 cloroformo, 5.1 a partir de metano, 6.1 como anestésico, 7.14 conversión a carbeno, 9.12 en la reacción del haloformo, 11.18 en la reacción de Reimer-Tiemann, 10.13 clorohidrina del etileno (véase halohidrinas), 7.16 del propileno, 9.12 clorohidrinas (véase halphidrinas) cloro-metano (véase halogenuros de metilo), 5.2, 6.1 cloro-nitro-bencenos, 10.10,10.15, 10.16 4-cloro-2-penten0, 5.7 3-cloro-propanal, 1 1.19 2-cloro-propano (véase halogenuros de alquilo), 6.4, 6.5, 9.7 3-cloro-propanol , 4.3 1-cloro-propeno, 4.1 clorosulfito, 7.7 cloruro de acetilo (véase halogenuros de ácido), 13.1, 13.3 halogenación en a , 13.3 hidrólisis, 13.3 reacción con alcoholes, 13.3 reacción con aminas, 13.3, 15.8 de alilo (véase halogenuros de alilo), 5.7 reacción con agua, 5.7 reacción con bases, 5.7 de alquilo (véase halogenuros de alquilo) de aril-diazonio (véase sales de diazonio) de bencenosulfonilo, 13.11 de bencilmagnesio, 6.9 de bencilo (véase halogenuros de bencilo), 13.5 de benzoilo (véase halogenuros de ácido), p. 614 reacción con piperidina, 13.3 reacción con reactivos de Grignard, 13.3 reducción, 13.3 de bornilo, 20.5 de butanoilo, 13.3 de f-butilo (véase halogenuros de alquilo), 5.3 a partir de alcohol t-butnico, 7.6 a partir de isobutano, 6.6 eliminación, 5.4 de butirilo, 13.3 de cianidina, 21.5 de cinc, como ácido de Lewis, 7.6 de cloro-acetilo, 13.3

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indice

de colina, 20.3 de etanoilo (véase cloruro de acetilo), 13.3 de etilo (véase cloroetano) . de heptanoilo, 13.3 de hidrógeno (véase halogenuros de * hidrógeno) de isobutilo (véase halogenuros de alquilo) a partir de isobutano, 6.4 de isopropildiazonio, 15.9 de isopropilo (véase 2-cloro-propano), 6.4 de malonilo, 13.5 de mentilo, 5.11 de metileno (véase dicloro-metano), 5.2, 6. I de metilo (véase halogenuros de metilo), 5.2, 6.1 de neopentilo, 5.2 de polivinilo (PVC), 5.1, 9.17 de propanoilo (véase halogenuros de ácido). 13.3 en reacción de Friedel-Crafts, 10.9, 13.3 de n-propilo (véase 1-cloro-propano) de propionilo (véase cloruro de propanoilo), 13.3 de sodio, solubilidad en alcoholes, 7.3 de succinilo, p. 973 de sulfurilo, 7.12 de tetrametilamonio, 15. I de tionilo reacción con ácidos carboxílicos, 13.3 reacción con alcoholes, 7.7 de p-toluensulfonilo, 7.12, IO. 1 de tosilo, 7.12, 10.1, 15.7 de trimetilamonio , 15.8 de 2,4,6-trimetilbenzoilo, 13.3 de vinilideno, 9.17 de vinilo, 5.1, 9.17 cloruros de ácido (véase halogenuro de ácido) cocaína,16.10 cochinilla, 21 .S codeína, 16. LO codón, 19.9 coeficiente de extinción. 9.14 coeficiente de extinción molar, 21.2 código genético, 16.11 coenzima A , 13.8 ácido pantoténico en la, 19.14 en el metabolismo del etanol, 7.13 coenzima Q , 6.6 coenzirnas, 19.14 cofactores,19.14 colágeno,19.12,19.14 colestano. 20.7 colestrol (véase esteroides). 20.1. 20.7 colina. 1 5.7 colorantes, 15.11, 21.5, 21.6 colores. 21.4, 21.5 combinación lineal de orbitales atómicos, 2.1

combustible Diesel, 3.5 para automóviles, 3.5 para aviones, 3.5 combustibles, 3.5 combustión de la madera, 3.4, 6.6 de los alcanos, 3.4 del etanol, 7.13 calor de, 3.4 complejo activado, 5.5 compuesto dextrorrotatorio, 4.7 levorrotatorio, 4.7 meso, 4.9 compuestos acíclicos, 3.1 alifáticos, 3.4 con anillos fusionados, 16.1 aromáticos (véame aromaticidad; benceno), 2.9, 10.7, 10.1 carcinogénicos, 10.2 deslocalización electrónica, 10.4,10.6 en e,l alquitrán de hulla, 3.5 energía de resonancia, 10.4, 10.6, 16.2 espectros de infrarrojo, 8.5, 10.3 espectros de RMN, 8.1 I , 8.7, 8.8, 10.3, 10.4,11.3,16.9 espectros de UV, 21.3 estabilidad, 10.4, 10.5 fuentes, 3.5. 10.1 heterocíclicos, 16.1,16.6, 16.9 nomenclatura, 3.3, 10.1, 16.1,16.6, p. 964-966 oxidación, 16.3 policíclicos, (\,éase naftaleno) por deshidrogenación, 9.14 propiedades físicas, 10.2, 10.3 tabla con resumen de reacciones, 10.16, 16.11 bencénicos (véame compuestos aromáticos; alquilbencenos; halogenuros de arilo) espectros de infrarrojo, 10.3 espectros de RMN, 8.7, 10.3 nomenclatura, 3.3, 10.1, p. 964-965 oxidación, 10.13. 12.4 reacciones de Friedel-Crafts, 10.16 a partir de sales de diazonio, 10.14 reacciones de sustitución, 10.10, 10.11 tabla con resumen de reacciones, IO. 16 bicíclicos (véase terpenos), 20.5, p. 967 carbonílicos (vémse aldehídos: cetonas; Csteres) acidez, 11.16, 14.1 clases, 2.6, 13.1 a-haiogenados. reacción con enaminas, 14.5 a.P-insaturados, 11.19, 12.11,14.10

hdice tautomerismo, 1 1.17 cíclicos (véanse compuestos aromáticos; cicloalcanos) a partir al polienos, 9.16 fórmulas, 1.6 isdmeros geométricos, 4.2, 4.3 monosacáridos como, 18.4 por anelación de Robinson, 14.10 por cierre de anillo de Dieckman, 14.9, 14.10 por reacción de Diels-Alder, 9.16 por reacciones E2, 5.9 coloreados, 21.5, 21.6 termodinámico en adiciones a dienos, 9.15 en la sustitución del naftaleno, 16.5 con yodo (véunse halógenos; halogenuros de alquilo), 3.4, 9.11 copolímeros, 9.17 coque, 3.5 de petróleo, 3.5 de azufre (véame tioles, sulfuros) de boro (véase boranos) de silicio, 6.8 deuterados, 5.9, 6.4, 10.9 síntesis, 6.12, 9.7 dicarbonílicos, acidez (véase éster malónico; éster acetoacético), 10.16, 14.1 a-halocarbonilicos, 1 l . 18 reacción con enaminas, 14.5 halogenados (véame halogenuros de alquilo; halogenuros de arilo) enlace, 5.1 espectros de infrarrojo, 8.5 espectros de masas, 21.10 toxicidad, 7.14 heterocíclicos (véuanse piridina; piperidina), 16.1 aromáticos, 16.3,16.6,16.10 metilación exhaustiva, 15.10 nomenclatura, 15.1, 16.6, p. 965-966 insaturados, 3.1, 3.2 magnesio (véase reactivos de Grignard), 6.9 metálicos (véase compuestos organometálicos) nitrogenados (véame amidas; aminas; nitrilos) enlace de hidrógeno, 1.9 orbitales, 2.6 organometálicos (véuanse reactivos de Grignard; reactivos de litio), 6.1, 6.8 nomenclatura, p. 977 reacción con ácidos y agua, 6.11 polinucleares, 16.1 condensaciones aldólicas,14.6 configuración absoluta, 4.8 inversión de, 5.5

1047

de aminoácidos , 19.1 de monosacáridos, 18.3 (R)Y (S),4.8, P. 969 relativa, 4.8, 18.3 retención de, 7.7 conformación, 4.3 anti, 4.3 de compuestos cíclicos, 4.3, 4.5, 20.5 de la glucosa, 18.4 de polienos conjugados, 9.16 eclipsada y alternada, 4.3 sesgada, 4.3 confórmeros, 4.3 coniína, 15.1 1 conjugaci6n, 2.7 en compuestos carbonilicos insaturados, 11.19 y color, 21.3 I conjugados, ácidos y bases, l . 10 conos, en los ojos, b1.4 conservadores, 6.7 / de alimentos, 6.7 constante de 1 acideL (véase f&za ácida), 1. I O Planck, 8 . 1 , 21t.1 basicidad, 1.10 velocidad, 5.5 acoplamiento, 8.10 equilibrio, 1.10 dieléctrica, 5.10 contraceptivos orales, 20.7 contribuyentes minoritarios, 2.9 mayoritarios, 2.9 control cinético en adiciones a dienos, 9.15 en la sulfonación del naftalmo, 16.5 del equilibrio, en adiciones a dienos, 9.15 coroneno, 2 1.3 cortisol, 20.7 cortisona, 20.7 corriente anular, 8.7 corrimiento de escala, 8.6 Crafts,James, 10.9 craqueo catalítico, 3.5 reacciones de, 3.5, 6.6 térmico, 6.6 o-cresol, p. 974 p-cresol, 7.10, 10.I 1 Crick, F.H.C., 16.11 crisamina G, 21.1 1 cromóforos , 2 1 ,5 crotonaldehído. 14.6 crudo, aceite (vémr petrdco) cuanto, 8.1 cuarteto, en RMN. 8. IO cubano, 4.4

1048

hdice

cumeno, 10.9, p. 964 cupratos, 6.10, 13.3

D (para Debyes), 1.8 d , como prefijo, 4.7, 18.3 dacrón, 13.7 DBAH,11.14 DDT, 4.10 Debyes, 1.8 decalina, 4.4, 16.5, 20.7 decano, 3.3 decanoato de etilo, 13.5 1-decano], 13.5 decatetraeno, ciclación , 17.3 densidad electrónica, 1.1 de gas noble, 1.4 estructura electrónica (véuase orbitales atómicos), 1 . 1 radio atómico, (véuase orbitales atómicos) 1.2 y efecto inductivo, 5.6, 8.7 derivados de ácidos carboxílicos tabla con resumen de reacciones, 13.13 tabla de síntesis, 13.13 desacoplamiento en RMN, 8.12 7-deshidro-colesterol, 17.5 desoxi, como prefijo, 18.1 desoxiadenosina, 16.11 desoxicitidina, 16.11 desoxiguanosina, 16.11 desoxirribosa, 16.11, 18.1 desoxitimidina, 16.I 1 descarboxilación deP-cetoácidos, 12.11, 14.4, 14.9 de P-diácidos, 12.11, 14.2 de productos Michael, 14.10 descomposición térmica, 6.6 anaeróbica, 3.5 desdoblamiento spin-spin, 8 . 9 diagramas, 8.1 1 deshidratación de alcoholes, 7.8 de aldoles, 14.6 deshidrogenación, Y. 14, 19.14 desmercuración, 9.9 desnaturalización, 19.13 desplazamiento 1.2, 5.6 de hidruro, 5.6 de metilo, 5.6 de metiluro, 5.6 hacia campo más bajo, 8.6 desplazamientos electrónicos, 2.9 químicos, 8.7 desproporción, 6.6, 9.17 destilación destructiva, 3.5 detergentes , 15.7, 20.2 dexedrina, 15.1

dextrinas , 18.1 1 dextrometorfano, 16. 10 dextrosa, 18.1 di, como prefijo, 3.3 diacetilo, 1 I .20 diácidos acidez,12.11 anhídridos,12.11, 13.4 descarboxilación, 12.1 I , 14.2 nomenclatura, 12.11, p. 971-972 síntesis, 14.3,14.10 diagrama orbital, 2.4 diagramas de &bol, 8.11 energéticos, 5.5 adición a dienos, 9.15 bromación de la anilina, 10.10 bromación del benceno, 10.9 deshidratación del alcohol, 7.8 hidrogenación de alquenos, 9.13 hidrogenación del benceno, 10.4 halogenación del metano, 6.2 protonación de alquenos, 9.7 reacción E2, 5.9 reacción S,1, 5.6 reacción S,2, 5.5 reacciones exotérmicas y endoténnicas, 6.5 sulfonación del benceno, 10.9 sulfonación del naftaleno, 16.5 dialquil-cupratos de litio (véase cupratos) diaminas (véuase aminas), 15.1 diastereómeros, 4.9 separación, 4. I O diazometano conversión en metileno, 9.12 estructuras de resonancia, 13.5 reacción con ácidos carboxílicos, 13.5 diborano (véuse hidroboración), 9.10 dibromo-alcanos Ivéuase dihaloalcanos) 1,2-dibromo-etano, 3.5 dibromuro de etileno, 3.5, 7.3 dicloro-alcanos (véuase dihaloalcanos) dicloro-carbeno, 9.12, 10.13 1,2-dicloro-etano, 3.5, 4.1 dicloro-metano, 5.2 a partir del metano, 6.1 en espuma de polimetano, 13.1I dicloruro de etileno, 3.5 diciclohexil-carbodiimida,19.8 Dieckmann, cierre de anillos de, 14.9 dieldrin, 9.16 Diels, O., 9.16 Diels-Alder, reacción de, 9.16, 17.2 mecanismo, 17.2 tripliceno por, 10.15 dienófilo, 9.16 dienos

indice S-cis, 9.16

conjugados, 2.7 estabilidad, 9.13 nomenclatura, 3.3, 9.2, p. 961 orbitales, 2.7, 17.1 por reacción de Wittig, 11.12 reacción de Diels-Alder, 9.16 reacciones de adición, 9.15 s-trans, 9.16 dietil-amida del ácido lisérgico, 13.9, 15.11 dietil-amina (véuase aminas), 15.1, 15.6 diglicéridos, 20.1 dihaloalcanos. a partir de alquenos, 9.11 a partir de alquinos, 9.7 dihidro-ubiquinona, 6.6 dihidroxibenceno (véuse hidroquinonas) diisobutil-alum’nico, hidruro de, 11.14 dimedona, 14.10 dimetil-mina (véuse aminas), 15.3 basicidad, 1.10, 15.6 por hidrólisis de amidas, 13.9 reacción con cloruro de acetilo, 13.3 dimetil-butanoles, deshidratación, 7.8 cis-l,2-dimetil-ciclohexano, 9.13 dimetil-ciclohexanos, conformaciones, 4.5 dimetil-ciclooctanieno, 17.3 N,N-dimetil-formamida, 5.1 1, 13.9 2,2-dimetil-oxirano, 7.16 15,16-dimetil-pireno, 8.13 N,N-dimetil-propanamida,13.9 N,N-dimetil-2-propilamina, 15.1 dimetil-sulfona, 7.17 dimetil-sulfóxido, 7.17 dímeros, 9.1 7 de ácidos carboxílicos, 8.5, 12.2 2,4-dinitro-anilina, 10.15 m-dinitro-benceno, 10.10 2,4,-dinitro-fenil-hidrazina, 11.11 dinitro-toluenos, 10.11 dioles, 7.3, 1.1, 11.7, 11.8 1.2, p. 973 l,l-dioles, 11.7 1,2-dioles a partir de alquenos, 9.14 a partir de epóxidos, 7.16 nomenclatura, 7.3, p. 973 oxidación, 7.1 3 preparación, 7.4 reacción con aldehídos, 11.9 trasposición pinacólica, 6.5 hem-dioles , 1 1.7 P-dionas acidez, 14.1 por condensaciones de Claisen cruzadas, 14.9 por síntesis vía enaminas, 14.5 tautómeros, 11.17 1,4-dioxano, 5.11, 7.2

dióxido de carbono en la reacción de Kolbe, 10.13 en los espectros de UV, 21.2 por combustión, 3.4 por descarboxilación, 12.11 por oxidación de alqueno:, 9.14 reacción con reactivos de Grignard, 6.9 dioxina, 10.16 dipéptidos, 19.5 dipolo inducido, 1.9 directores meta, 10.10 orto, pura, 10.10 dirradical, el oxígeno como, 6.6 disacáridos, 7.5, 18.10, 18.11 celobiosa, 18.10 isomaltosa, 18.11 lactosa, 18.10 maltosa, 18.10 sacarosa, 17.5, 18.10 distancias de enlace, 1.2, 1.6 en el agua, 1.6 en el amoníaco, 1.6 en el benceno, 2.7 efectos de la hibridación, 2.4 en el naftaleno, 16.2 disulfuros, 7.7 disulfuros de alquilo, 7.7 diterpenos, 20.5 diyodoalcanos, inestabilidad de, 9.11 DMF, 5.11 DMSO, 5.11 DNF, 11.11 dobles enlaces (véunse alquenos; cetonas) doblete, en RMN, 8.10 acumulados, 2.3 conjugados y aislados, 2.7

E , 21.2 E+, 5.4

E,, (véuase energía de activación) ecuanil , 13.1 1 efecto anomérico, 18.4 efecto inductivo, 5.6 de grupos alquilo, 5.6, 9.13, 10.10 de grupos diferentes, 12.7 en la RMN, 8.7 en la sustitución del benceno, 10.9 en reacciones E2, 5.9 en reacciones por radicales libres, 6.4 yacidez, 12.7, 12.8, 14.1 y basicidad, 15.6 y bencenos sustituidos, 10.10, 12.8 y estabilidad de carbocationes, 5.6 efectos anisotrópicos, 8.7 efedina, 15.1 elastinas,19.12

1050

indice

elastómeros, 9.17 electrófilo, 5.4 electroforesis, 19.3 electrólisis de Kolbe, 6.12 electronegatividad, 1.3 y acidez, 12.7 y enlace, 1.4, 1.8 electrones apareamiento, 1.1 compartidos, I .4 deslocalizados, 2.7 en el benceno, 2.7, 2.9, 10.4, 10.7 en el RMN,8.7 en radicales libres, 6.1 en UV, 21.3 localizados y deslocalizados, 2.7 momento magnético, l . 1 número de, y aromaticidad, 10.7 pi, deslocalización, 2.7, 2.9, 5.7, 10.4, 10.6 transferencia, 1.3 transiciones, 2.4, 21.3 y resonancia, 2.9, 10.6 eliminación alfa, 9.12 anti (véuse reacciones E2), 5.9 beta, 5.9 bimolecular (véase reacciones E2), 5.9 de Cope, 15.10 de Hofmann, 15.10 emulsina, 18.10 enaminas alquilación, 14.5 estructuras en resonancia, 14.5 síntesis, 11.10. 14.5 15.8 enantiómeros, 4.6 propiedades, 4.7, 4.10 resolucióc, 4.7, 15.1 I rotación específica, 4.7 con varios centros quirales, 4.9 endurecimiento de grasas, 9.13 enediol, en el metabolismo de la glucosa, 11.17 energía cinética, 5.5 de activación, 5.5 de disociación de enlace, 1.7 enlaces carbono-hidrógeno, 2.4, 6.4 enlaces de hidrógeno, 1.9 enlaces sigma y pi, 2.4 halógenos, 6.2 de resonancia (vgunse naftaleno; piridina) del benceno, 10.4 de sistemas policíclicos, 16.2 en reacciones S,2, 5.5 entre conformaciones, 4.3, 4.5 para la rotación alrededor de enlaces pi, 2.4 potencial, 5.5 tabla de. 1.7

y relación con la longitud de onda, 8 . l . 21.1 energías de tensión, 4.4 enlace iónico, 1.4 enlace peptídico, 19.5 enlace sencillo, 1.4 enlaces covalentes (véuse orbitales moleculares), 1.4 coordinados, 1.4 de hidrógeno (véase enlaces de hidrógeno) dobles, 1.4, 2.4 iónicos, 1.4 polares y no polares, 1.8 sencillos, 2.4 triples (véame alquinos; nitrilos), 1.4, 2.4 enolatos adición, 1.1, 14.10 estructuras en resonancia, 11.16. 14.1, 14.6, 14.9 I l . 18 en la halogenación en (Y, reacción con halogenuros de alquilo, 14.1, 14.4 reacción con el grupo carbonilo, 14.6, 14.9 síntesis, 14.1,14.2,14.3,14.9,p. 662 enoles,11.17 por hidratación de alquinos, 9.8 en la oxidación de cetonas, 1 1.7 enovid, 20.7 entalpía, (H),1.7, 5.5 enzimas, 4.10, 19.14 epímenos, 18.3 epinefrina, 15.1 epóxidos, 7.2, 7.16 a partir de alquenos, 9.14 conversi6n a dioles, 7.16, 9.14 covalentes polares, 1.8 de hidrógeno, 1.9 en ácidos carboxílicos, 8.5, 12.2 en alcoholes, 1.9, 7.2, 8.5 en aldehídos y cetonas, 11.4 en aminas, 1.9, 8.5, 15.3 en el ADN, 16.1 1 en enoles, 11.17 en proteínas, 19.12 energía de disociación, 1.9 y propiedades físicas, 1.9 dobles (véame alquenos; cetonas), 1.4, 2.5 acumulados, 2.4 conjugados y aislados, 2.7 energía de disociación, I .7 isomería geométrica, 7.16 nomenclatura, 7.3 pi (a), 2.4 conjugados, 2.7, 9.15, 11.19, 21.3 en el acetileno, 2.4 en el etileno, 2.4 en el grupo carbonilo, 2.6 energía de disociación, 2.4

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rotación restringida, 2.4, 4.1 reacción con reactivos de Grignard, 7.4, 7.16 reacciones de sustitución, 7.16 sigma (u), 2.2 butanal, 8.5, 11.4 butanona, 8.5 cetonas, 8.5, 11.5 ciclo-hexanona, 11.5 ciclo-pentanol, 8.5 cloro-benceno, 10.3 cloroformo, 8.5 o-, m- y p-cloro-tolueno, 10.3 cloruro de decanoilo, 13.2 de carbono sp, 2.4 de carbono sp2, 2.4 de carbono sp’, 2.4 1-decino, 9.4 N,N-dimetil-propanoamida, 13.9 derivados de ácidos carboxílicos, 13.2 dipropil-amina, 8.5 en el benceno, 2.8 ésteres, 8.5, 13.2 éteres, 8.5 éter di-n-propílico, 8.5 halogenuros de alquilo, 8.5 heptano, 9.4 1-hepteno, 9.4 1-hexanol, 8.4 2-metil-heptano, 8.5 N-metil-propanoamida, 13.2 octanoamida, 13.2 n-octano, 8.5 pentanoato de etilo, 8.5 pentanonitrilo, 13.2 propanoato de sec-butilo rotación alrededor, 4.3 tabla de reacción, 7.18 y efecto inductivo, 5.6, 8.7 equivalente de neutralización, 12.5, 12.6 ergosterol, 17.5 eritrosa, 4.6, 18.3 estereoisómeros, 4.9 oxidación, 7.13 escarabajos bombarderos, 10.13 esclerosis múltiple, 20.4 escualeno, 20.5 Escherichia coli, 16.1 1 esfingo-lípidos, 20.3-20.4 esfingomielina, 20.3 espectrofotómetro de infrarrojos. 8.4 espectrómetro de masas, 21.9 RMN, 8.6 ultravioleta, 21.1 espectros de infrarrojos acetona, 8.13

1051

ácido a-metil-butanoico, 12.3 ácido propanoico, 8.5 ácidos carboxílicos, 8.5, 12.3 alcoholes, 8.5 aldehídos, 8.5, 11.5 aminas, 8.5, 15.4 anhídrido propanoico, 13.2 bencenos sustituidos, 10.3 p-cloro-estireno, 9.4 compuestos aromáticos, 8.7, 10.3 derivados de ácidos carboxílicos, 13.2 N,N-dimetil-formamida, 13.9 estireno, 9.4 1-fenil-propanona, 11.5 2-fenil-propeno, 8.7 grupo etilo, 8.10 metanol, 8.6 metil-vinil-sulfona, 9.4 p-metoxibenzaldehído, 8.9 n-octano, 8.11 pirrol, 16.9 tolueno, 10.3 1,1,2-tricloro-etano, 8.10 d e luz visible, 21.1, 21.4 y conjugación, 21.3, 21.6 y el anaranjado de metilo, 21.6 de masas alcoholes, 21.11 bromometano, 2 l. 1O I-butanol, 21.11 compuestos carbonílicos, 2 l . 1 1 efecto de la ramificación, 21.11 efecto de los heteroátomos, 21.11 N-etil-I-propil-amina, 21.11 metanol, 21.8, 21.11 de RMN (véuase espectroscopía de RMN de carbono 13) acetaldehído, 8.7 acetato de 2-fenil-etilo, 8.10 acetona, 8. I3 ácido 2-metil-propanoico, 12.3 ácidos carboxílicos , 12.3 alcoholes, 8.10 aldehídos, 8.7, 11.5 alquenos, 8.7, 9.4 alquinos, 9.4 aminas, 8.10, 15.4 p-bromo-etoxi-benceno, 8. IO l-bromo-2,4,6-trimetil-benceno, 8.8 butanal, 11.5 n-butil-amina. 15.4 de carbono, 1.5 n-octano, 8.12 acetato de vinilo, 8.12 cetonas , 1 1 .5 campo magnético, 8.6 campos inducidos, 8.6, 8.7

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1052

carbono 13, 8.12 constante de acoplamiento, 8.9 corrimiento de la escala, 8.7 cuarteto, 8.10 desplazamiento químico, 8.7 desplazamientos químicos (tablas), 8.7 diagramas de kbol, 8.11 doblete, 8.10 y efecto inductivo, 8.7 efectos anisotrópicos, 8.7 e identificación de estructuras, 8.13 inclinación, 8.10 integración, 8.13 intercambio químico, 8.10 inversiones de spin, patrones de desdoblamiento, 8.10 protección y desprotección, 8.6 protones arílicos, 8.7, 10.3, 10.7, 10.10 protones bencílicos, 10.3 protones equivalentes, 8.8 regla n 1, 8.9 singulete, 8.10, 21.7 spin nuclear, 8.6 TMS en, 8.6-8.7 triplete, 8.10 de R M N del carbono 13, 8.12 de ultravioleta, 21.2-21.4 aldehídos insaturados, 21.3 compuestos aromáticos, 2 1.3 óxido de mesitilo, 21,2 polienos, 2 1.3 n-propil-amina, 8.5 transiciones electrónicas, 21.2-21.4 tripropil-amina, 8.5 espectrometría de masas, 21.8 esquemas de fragmentación, 2 l . 11 ion molecular, 21.8 ion-radical, 21.8 isótopos, 21.10 pico base, 21.8 pico M S 2 , 21.10 pico "18, 21.11 transposición de McLafferty , 2 1.1 1 tabla con resumen, 21.1 1 espectroscopia de Resonancia Magnética Nuclear acoplamjento spin-spin, 8.9 alineamiento paralelo y antiparalelo, 8.6 áreas bajo los picos, 8.8 prfitección y desprotecr:i6n, 8.6 infrarroja, 8.1 absorcih C-C, 8.5 absorción C-C y C---H arílica, 10.3 absorción C = C y C = CH, 8.5 absorción C-C y C d X , 8.5, 9.4 absorción C-H, 8.5 absorción C--N. 8.5, 15.4

+

absorción C-0, 8.5 absorción C = O , 8.5, 11.5, 13.2 absorción N-H, 8.5, 15.4 absorción O-H, 8.5 carta de correlación, 8.5 descripción de espectros, 8.3, 8.4 en la identificación de estructuras, 8.13 región dactiloscópica, 8.5 y enlace de hidrógeno, 8.5, 12.3 esperma de ballena, 20.1 estabilización por efecto inductivo, 5.6 por resonancia, 2.9, 10.6 y acidez, 12.8 y basicidad de aminas, 15.6 del catión alilico, 5.7 del catión bencílico, 5.7 estado basal, 2.2 estado excitado, 2.2 de transición, 5.5 en adiciones a alquenos, 9.7 en la reacción E2, 5.9 en reacciones por radicales libres, 6.4, 6.5 en reacciones S,1, 5.6 en reacciones S,2, 5.5, 5.8 energía, 5.5 relación entre reactivos y productos, 6.5 y reacciones exotérmicas o endotérmicas, 6.5 de oxidación del carbono, 7.13 del etileno, 2.4 singulete, 21.7 vibracional, 8.3 y espectros de UV, 2 I . 1 estados vibracionales, 8.3, 8.4 éster acetoacético a partir de acetato de etilo, 14.9 acidez, 11.17, 14.1 bromo-malónico, 15.5 malónico acidez, 14.1 en adiciones de Michael, 14.10 alquilacicin, 14.1, 14.2, 14.4 enolato. 14.1, 14.2 hidrólisis, 14.2 reacción con bases, 14.1, 14.2 reacción con urea, 13.1 1 reacción con bases, 14.3 reacción con halogenuros de alquilo, 14.3, 14.4

ésteres (véanse ceras; éster malónico; ésteres inorgánicos; grasas; lactonas), 13.I , 1 3.5 acidez, 14.1 a partir de ácidos carboxílicos, 7.12, 12.9, 13.2 activados, 19.8 por adición de Michacl. 14. I O

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a partir de anhídridos de ácido, 13.4, 13.5 a partir de alcoholes, 7.12, 13.5 arííicos,13.3, 13.5 a partir de carboxilatos, 7.12, 12.7, 13.5 condensaciones, 14.8,14.10 espectros de infrarrojo, 8.5, 13.2 espectros de RMN, 8.10, 13.2 estructuras en resonancia, 14.1 fenílicos, 10.13, 12.10, 13.3, 13.4,13.5 fosfito, 7.7 a partir de halogenuros de ácido, 13.3, 13.5, 13.13 a partir de halogenuros de alquilo, 5.1 1 hidrólisis ácida, 12.4, 13.5 inorgánicos , 7.7, 7.12 nomenclatura, 3.3, 13.5, p. 976 propiedades, 13.5 estradiol, 20.7 estrógenos, 20.7 estrona, 10.1, 20.7 estricnina, 4.10, 15.11 esterificación (véuase ésteres), 7.12, 12.9 de azúcares, 18.8 esteroides, 20.1, 20.7 biosíntesis, 20.5, 20.7 conformación, 20.7 nomenclatura, 20.7 estereoisómeros, 4.1 estereoquímica, 4.1 de adiciones a alquenos, 9.10-9.13 de halogenaciones por radicales libres, 6.3, 6.4 de la hidrogenación, 9.13 de la reacción de Diels-Alder, 9.16 de polímeros, 9.17 de reacciones E l , 5.9 de reacciones E2, 5.9 en reacciones electrocíclicas, 17.3 en reacciones sigmatrópicas, 17.4 de reacciones SN1, 5.6 de reacciones S,2, 5.5 de reacciones SNi, 7.7 estireno, 10.1, p. 964 a partir del benzaldehído, 1 1.12 polimerización, 9.17 estructura atómica (véuase orbitales atómicos), 1.1 primaria, 9.17, 19.12 secundaria, 9.17, 19.2 electrónica (véuase orbitales atómicos), 1.1-1.3 estructuras en resonancia, 2.9 etanal (véuase acetaldehído), 11.1 etanamida (véuase acetamida) , 13.9 etano (véuase alcanos), 2.4, 3.3 a partir del etileno, 9.13, 9.4 a partir del óxido de etileno, 7.16 cloración, 6.4

1053

conformaciones, 4.3 en la síntesis del dacrón, 13.7 en poliuretano, 11 . I 3 orbitales, 2.4, 2.5 reacción con aldehíd.x, 11.9 etanol (véuase alcoholt S ) , 3.1, 7.1 a partir de bromo-r tano, 5.4, 5.5 acidez, 7.10, 12.7 como aditivo de la gasolina, 3.5 combustión, 7.13 constante dieléctrica, 7.13 conversión a éter dietílico, 7.14 de reacciones, 13.13 deshidratación, 7.5, 7.8 desnaturalizado, 7.5 en el test del yodoformo, 11.18 enlace de hidrógeno, 1.10 oxidación biológica, 7.13 por fermentación, 7.4 preparación comercial, 7.4 propiedades, 6.9 reacción con ácido acético, 7.11 reacción con sodio, 14.2 reacción con amoníaco, 13.5 reacción con reactivos de Grignard, 7.4, 13.5 reactividad, 13.1,13.5 reducción, 13.5 saponificación, 13.5 síntesis, 13.13 tabla con resumen, 13.13 transesterificación, 13.13 utilidad en síntesis, 13.13 etano-nitrilo (véuase acetonitrilo), 13.12 etano-tiol, 7.18 etanolamina (véuase 2-amino-l-etanol), 15.5, 20.3 etanolatos, p. 977 etapa determinante de la velocidad, 5.6 limitante de la velocidad, 5.6 eteno (véuase etileno), 3.2, 9.2 t-butil-metílico, como aditivo de la gasolina, 3.5 éter dimetílico (véuase éteres), 1.10, 2.6, 3.1, 7.3 etílico (véuase éter dietílico), 7.3 metil-n-propílico (véuase éteres), 5.4 éter dietílico (véuase éteres), 7.3 como disolvente para reactivos de Grignard, 6.9 peróxidos en el, 6.6 preparación, 7.14 propiedades, 7.2, 7.3 reacción con yoduro de hidrógeno, 7.15 éteres (véuase éter dietílico), 2.6, 7.1 a partir de alcoholes, 7.12 a partir de alquenos, 9.9 a partir de halogenuros de alquilo, 5.4, 5.1 1,

1054

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7.14, 7.15 arflicos, 7.14, 10.13 auto-oxidación, 6.6 cíclicos, 7.2 como anestésicos, 7.14 como disolventes de reactivos de Grignard, 6.9 enlace, 2.6, 7.1 espectros de infrarrojo, 8.5 espectros de masas, 21.1 1 espectros de RMN, 8.10 fenflicos , 7.15 momentos dipolares, 7.2 nomenclatura, 7.3, p. 976 preparación, 7.14 propiedades físicas, 7.3 protonación, 7.15 reacciones de sustitución, 7.15 reactividad, 7.1 5 ruptura, 7.1 5 síntesis de Williamson, 7.14, 18.8 solubilidad, 7.2, 7.3 etil-amina (véase aminas), 15.3, 15.5 etil-benceno (véase alquil-bencenos) a partir de acetofenona, 11.14, 11.15 halogenación, 6.5, 10.13 oxidación, 10.13 etilenglicol (véase 1,2-etanodiol), 7.3, 9.14 etileno (véase alquenos), 3.3, 9.2 a partir de etanol, 7.8 conversión a ciclobutano, 17.2 en la reacción de Diels-Alder, 17.3 enlace, 2.4, 9.1 estados excitados, 2.4 hidrogenación, 3.1, 9.6 orbitales, 2.4, 17.2 polimerización, 9.17 por reacci6n de craqueo, 3.5, 6.6 reacciones de adición, 9.6, 9.10, 9.11 etil-malonato de dietilo, 14.2 etil-metil-malonato de dietilo, 14.2 etil-oxirano, 7.3 etino (véuse acetileno), 3.3 etóxido de sodio (véase ion etóxido), 7.10 explosivos, 7.12

FAD 19.14 Faraday, 1O. 1 fármacos, sulfa, 13.11 Farnesol, 20.5 fases de ondas, 2.1 de orbitales, 2.1 fenantreno (véase compuestos aromáticos), 10.1,16.1 oxidación, 16.4

reacciones, 16.5 fenil-acetileno, 9.3 fenil-acetonitrilo, 13.13 Fenil-alanina (fern), 19.1, 15.5 benzoil-propanona o benzoiI-acetona, 14.9 4-fenil-butanoato de etilo, 13.5 1-fenil-2-butanol, 7.8 4-fenil-3-buten-2-ona, 14.6 N-fenil-carbamato de fenilo, 13.11 fenil-cetonas conversión a alquil-bencenos, 10.9, 11.14, 11.15

por reacción de Friedel-Crafts, 10.9, 11.2, 13.3 fenil-cetonuria, 19.1 fenil-etil-cetona, 10.9 2-fenil-etil-amina, 13.13 (3-fenil-etil-amina, 15.1 fenil-hidrazina, 1 1.11, 1 l . 12 3-fenil-propanal, 1 1.2 2-fenil-2-propanolI 13.3 etil-fenil-cetona, 13.3 P-fenil-propionaldehido,11,l 2-fenil-piridina, 16.7 fenil-tiohidantoína, 19.7 fenobarbital, 13.11 fenol (véase fenoles), 7.10, 10.1 a partir de &teres, fenflicos, 7.15 a partir del ácido benceno-sulfónico, 10.16 acidez, 7.10 anillo activado, 5.5, 10.10 como antiséptico, 7.10 esterificación, 13.3, 13.4, 13.5 reacción con anhídridos de ácido, 13.4 reacción con halogenuros de ácido, 13.3 reacción con isocianatos, 13.11 sustitución aromática, 10.10 fenolatos, Apéndice fenoles (véuse fenol), 10.13 a partir de halogenuros de arilo, 10.15 a partir de sales de diazonio, 10.14 acidez, 10.13, 12.5 como inhibidores de radicales libres, 6.7 en reacciones de acoplamiento, 10.14 esterificación, 10.13 nomenclatura, p. 974 oxidación, 10.13 reacción de Kolbe, 10.13 reacción de Reimer-Tiemann, 10.13 reactividad, 10.13 fenolftaleína, 21.6 fermentación, 7.4 feromonas, 20.6 de áfidos (pulgones), 9.1 de insectos, 20.6 fibrinógeno, 19.11 fibroina de la seda, 19.12

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Fischer, Emil, 4.6, 18.9, 19.8, 19.14 en espectroscopía de masas, 21.11 fisión (Y, flavina adenina dinucleótido, 19.14 flavona, 21.5 flavonol, 21.5 flechas con doble cabeza, para resonancia, 2.9 cruzadas, para momentos dipolares, 1.8 curvadas, para desplazamientos electrónicos, 1.7 de anzuelo, para desplazamientos de un electrón, 1.7 dobles, para equilibrio, 2.9 fluido etílico, 3.5 flúor electronegatividad, I .3 enlace de hidrógeno, 1.9 reacción con alcanos, 6.2 reacción con alquenos, 9.1 1 formaldehído (véase aldehídos), 1l . I , 1 l . 3 en reacciones de Grignard, 6.9, 7.4, 11.13 estructuras enresonancia, 2.9 reacción de Cannizzaro, 14.8 reactividad, 11.6, 11.7 fluoresceína, 21.7 fluorescencia, 21.7 fluoro, como prefijo, 3.3 fluoro-benceno, a ?>Air de sales de diazonio, 10.14 fluoruro de hidrógeno, acidez, 12.7 forma de bote del ciclohexano, 4.5 forma de silla del ciclohexano, 4.5 formalina, 11.2, 11.7 formiato de sodio, 12.6 fórmula empírica, 1.5 estructural, 1.5 molecular, 1.5 fórmulas condensadas estructurales, 1.5 de bolas y varillas, 4.3 de Haworth, 18.4 de Kekulé, 2.9, 13.9, 16.2 de Lewis, 1.4 de líneas, 9.16, 20.1 de polígonos, 1.5 dimensionales, 4.3 empíricas, 1.5 estructurales, 1.5 generales, 2.5. 3.2 moleculares, 1.5 para alcanos, 3.2 para alquenos, 3.2 para alquinos, 3.2 para cicloalcanos, 1.5, 3.2 paréntesis en, 1.5 químicas, 1.5

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fosfato de dihidroxiacetona, 11.17 6-fosfato de fructosa, 11.17 3-fosfato de gliceraldehído, 11.17 6-fosfato de glucosa, 11.17 fosfato de piridoxilo, 19.14 fosfoglicéridos, 20.2 fosfolípidos, 15.7, 20.3, 20.4 fosgeno, 13.13 fotografía, 10.13 fotoinducción, de reacciones pericíclicas, 17.2, 17.3 fotólisis, 9.12 fotones, 8.1 fracción gaseosa, a partir del petróleo, 3.5 frecuencia, (Vj,8.1 Friedel, Ch., 10.9 fructofuranosa, 18.4 fructosa (véuse monosacáridos), 18.1 ciclación, 18.4 como azúcar reductor, 18.6 conversión a glucosa, 18.6 en la sacarosa, 17.5, 18.10 ftalimida (véase síntesis de Gabriel de la ftalimida) a partir del anhídrido ftálico, 13.11, 15.5 acidez, 15.5 fuerza de London, 1.9 de van der Waals, 1.9, 3.4 fuerza de acidez, l . 10 básica, l . 10 de alcóxidos, 7.10, 14.1 de minas, 1.10, 15.6 de la anilina, 15.6 de carbaniones, 6.9, 12.7 de iones amida, 9.1, 14.1 de nucleófilos, 5.10 de la piridina, 15.6, 16.7 del pirrol, 16.9 de reactivos de Grignard, 6.9, 6.11 factores que la afectan, 12.7, 15.6, 15.7 de Acidos alquil-carboxílicos(véase aCidos carboxílicos) de ácidos benzoicos sustituidos, 12.8 de alcanos, 12.7, 14.1 de alcoholes, 7.10, 12.8 de alquenos, 12.7 de alquinos, 9.1, 12.7 del amoníaco, 9.1 de diácidos, 12.11 de distintas clases de compuestos, 12.5 de fenoles, 7.10, 7.12, 12.8 de halogenuros de hidrógeno, 7.6 de hidrógenos en (Y, 11.16, 14.1 de sulfuros, 7.17 factores que la afectan, 12.7 Fukui, K.,17.1

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indice

furaldehí¿o, p. 974 furano, 16.1, 16.9, 18.4, p. 966 furanosa, 18.4 furfural, p. 974

galactosa (vkuse monosacáridos), 18.1, 18.3 en la lactosa, 18.3 galactosemia, 18.10 gas hilarante, 7.14 natural, 1.1, 3.5 noble, configuración electrónica, 1.4 gasificación del carbón, 3.5 gasoil, 3.5 gasohol, 3.5 gasolina, 3.5 gelatina, 19.12 gem-dihalociclo-propanos, 9.12 gem-dioles, 11.7 geranial , 20.5 geraniol, 20.5 gliceraldehído, 4.6 a partir del propenal, 11.9 (+) JJ (-), 4.7, 18.3 conversión a ácido glicérico, 18.3 conversión a ácidos tartáricos, 18.3 D y L, 18.3 en la determinación de la configuración, 4.8, 18.3 glicerina (véase glicerol), p. 973 glicerol en el gliptal, 13.7 a partir de triglicéridos, 13.5, 20.1 glicina (gli), 19.1, 19.12 en Ics ácidos biliares, 20.7 glicógeno, 18.1,18.11 glicoles (véase dioles), 7.3 glicolípidos, 18.11 glicoproteínas , 19. I 2 glicósidos, 18.5, 18.10 gliptal, 14.4 globinas, 19.12 globulinas, 19.12 glucitol,18.7 glucopiranosa, 18.4 glucopiranósidos, 18.5 glucosa (véase monosacáridos) , 18.1, 18.3, p. 807 a - D , 18.4 a partir de almidón y maltosa, 18.10 anómeros, 18.4 6-D, 18.4 como azúcar reductor, 18.6 configuración absoluta, 18.9 conformación, 18.4 ciclación, I .8, 18.4 determinación en la estructura, 18.9

en la amigdalina, 11.9 fermentación,19.8 metabolismo, 18.I mutarrotación, 18.4 oxidación, 6.6, 18.6 pentaacetato, 18.8 proyección de Fischer, p. xxx reducción, 18.7 rotación específica, 18.4 ruptura oxidativa, 18.9 solubilidad, 1.10,18.1 glucósidos (véuase glicósidos), 18.5, 18.8 glucurónidos , I 8.7 glutamato monosódiso, 12.6, 19.3 glutamina (glu), 19.1, 19.3 glutaraldehído, p. 978 glutatión,19.14 graduación, y contenido alcohólico, 7.13 grafito, p. grasa animal (véuase grasas) grasas (véase triglicéridos), 3.4, 20.1 a partir de aceites vegetales, 9.13 autooxidación, 6.6 saponificación, 13.5, 20.2 Grignard, Victor, 6.9 grupo activante en el benceno, 10.10, 10.11 grupo amilo, p. 960 amino, 2.5, p. 967 arilo, p. azo, p. 967 bencilo, 5.7, 10.1 benzo, p. 977 benzoilo, 12.1, p. 977 butilos, t-butilo, ter-butilo, terciario (véuanse grupos butilo; butiio), 3.3, p. carbonilo, 2.6, 11.3 carboxilo, 1.10, 3.3, 12.1 ceto, 3.3 cinamilo, p. 967 desactivante en el benceno, 10.10, 10.11 etenilo, p. 962 etilideno, p. 962 etinilo, p. 962 etilo, 3.3 espectros de KMN, 8.6 fenilo, 3.3, 10.2, p. 964 gem-dimetil, 8.5 hidrofílico, 7.2 hidrofóbico, 7.2 hidroxilo (véame alcoholes; fenoles), 2.5 isoamilo, p. 960 isobutilo , 3.3 isopentilo, p. 960 isopropilideno, p. 962 isopropilo, 3.3 metileno, 3.3, 9.2, p. 962

indice

metilo, 3.3 neopentilo, p. 960 nitro, 2.9, 3.3 como director mefa, 10.10 nitroso, 15.10, p. 967 pentilo, 3.3 propenilo, p. 962 n-propilo, 3.3 sulfhidrilo (véase tioles), 7.18 tiol, 7.18 en cisteína, 18.10 en coenzima A, 13.6 tiourea, 19.7 toluil, 10.1, p.964 vinilo, 9.2, p. 964 grupos activantes en el benceno, 10.10, IO. 11 alcoxilos, 2.5, 7.3, p. 967, alquenilos, 3.4, 9.2, p. 964 alquilos, 2.5 de cadena continua, 3.3 como directores orto, para, 10.10 efecto inductivo de, 5.6, 9.13, 10.10 nomenclatura, 3.3, p. 960 ramificados, 3.3 butilos, 3.3 desactivantes, en el benceno, 10.10, 10.11 eclipsados, 4.3 etoxilo, análisis de, 7.15 fosfato en ADN, 16.11 en ATP, 16.11 en azúcares, 11.17 funcionales, 2.5 metoxilos, análisis de, 7.15 prostéticos, 19.12, 19.14 salientes, 5.4 en alcoholes, 7.5, 7.6 en compuestos carbonílicos, 13.1 en ésteres inorgánicos, 7.7, 7.12 en éteres, 7.15 guanidina, 3.1, 13.11 guanina, 16.11 guanosina, 16.11 gulosa,18.3, 18.9 determinación de estructura, 18.9 gutapercha, 9.17 H , 1.7

como calor de combustión, 3.5 como calor de hidrogenación, 9.13 como calor de reacción, 1.7, 5.5 hu, 6.4, 8.4 H-ácido, halobencenos (véase halogenuros de arilo), 21.6 halogenación a, 11.18, 13.3 A H ,

1057

alílica, 6.5 alquil-bencenos, 6.4, 6.5, 10.13 bencílica, 6.4, 6.5 con NBS, 6.8, 6.9 de ácidos carboxílicos, 13.3 de alcanos, 1.7, 3.4, 6.1, 6.5 de aldehídos, 11.17 de alquenos y alquinos, 9.11 de bencenos sustituidos, 10.8, 10.10, 10.11 de cetonas, 1 l . 18 de cloruros de ácido, 13.3 de dienos, 9.15 de heterociclos aromáticos, 16.7 de metil-cetonas, I l . 18 de la anilina del benceno, 10.10 del etano, 6.6 del isobutano, 6.4 del metano, 1.7, 3.4, 6.1, 6.4 del naftaleno, 16.5 del nitrobenceno, 10.13 del propano, 6.4, 6.5 del propeno, 6.4 electrofílica, 9.11, 10.9 por radicales libres, 1.7, 3.4, 6.1, 6.5 por radicales libres selectiva, 6.5 halógenos (véase halogenación) adición mixta a alquenos, 9.11 como directores orto, para, 10.10 polarización, 9.1 1, 10.9 reactividad de radicales libres, 6.2, 6.5 halogenuros de acilo (véase halogenuros de ácido de alilo, 5.6 por halogenación, 6.4 reacción con enaminas, 14.5 reacciones de sustitución, 5.7 de alquilo, p. 169 a partir de alcanos, 6.1, 6.5 a partir de alcoholes, 7.5, 7.6 a partir de alquenos y alquinos, 9.7, 9.10, 9.11 a partir de éteres, 7.15 conversión a alcoholes, 5.4, 5.5, 5.7, 5.1 1, 7.4 conversión a alquenos, 5.4, 5.8, 5.11, 9.5 conversión a alquinos, 9.5 conversión a éteres, 5.4, 5.11, 7.14 enlace, 5.1, 5.2 espectros de infrarrojo, 8.5 espectro de RMN, 8.7, 8.10 impedimento estérico, 5.5, 5.10 nomencIatura, 3.3, 5.3 primarios, secundarios, terciarios, 5.3 propiedades físicas, 5.2, 7.2 reacción con ácidos de Lewis, 10.9 reacción con alcoholes, 5.6

1058

/

fndice

reacción con alcóxidos, 5.9 reacción con amoníaco y aminas, 15.5, 15.9 reacción con agua, 5.6 reacción con bases, 5.8 reacción con benceno, 10.9 reacción con carboxilatos, 5.11, 12.7, 13.5 reacción con cupratos, 6.10 reacción con cianuro, 5 S , 5.11, 13.12, 15.7 reacción con enaminas, 14.5 reacción con enolatos, 14.1, 14.2-14.4 reacción con ftalimida, 15.5 reacción con iones sulfuro, 5.11, 7.18 reacción con litio, 6.10 reacción con magnesio, 6.9 reacción de Wittig, 11.12 reacciones competitivas, 5.4, 5.11 reacciones de eliminación, 5.4, 5.8-5.11, 9.5 reacciones de sustitución, 5.4, 5.5-5.8, 5.11 reacciones S,1, 5.6, 5.7, 5.10 reacciones S,2, 5.5, 5.8, 5.10, 5.11 reactividad, 5.4, 5.5, 5.7-5.9,, 5.11 reactivos de Grignard a partir de, 6.9 síntesis de Gabriel, 15.5 solvólisis, 5.6 tabla con resumen de reacciones, 5.1 1 toxicidad, 5.1, 7.14 utilidad en síntesis, 5.1 1 de alquilo primarios (véase halogenuros de alquilo) de alquilo secundarios (véuse halogenuros de alquilo) de alquilo terciarios (véuse halogenuros de alquilo) de arilo, p. 169 a partir de sales de diazonio, 10.14 conversión a arilaminas, 10.15 conversión a fenoles, 10.15 reactividad, 5.1, 10.15, 16.7 reactivos de Grignard a partir de, 6.9 de hidrógeno acidez, 7.6, 12.7 reacción con alcoholes, 7.6 reacción con alquenos, 9.7, 9.8 reacci6n con alquinos, 9.7 reacción con compuestos carbonílicos a$insaturados, 11.19 reacción con dienos, 9.15 reacción con éteres, 7.10 de metilo (véuase halogenuros de alquilo), 5.3 ausencia de reacciones S,1, 5.6 momentos dipolares, 5.2 propiedades físicas, 5.2 reacciones S,2, 5.5 de vinilo, p. 169 espectros de RMN, 8.8, 9.4 a partir de alquinos, 9.7

polimerización, 9.17 reacciones de eliminación, 9.5 reactivos de Grignard a partir de, 6.9 fénicos, como ácidos de Lewis, 10.9 sustitución electrofílica, 10.10 a partir de tolueno, 6.5 bencílicos, 5.7 nucleofílica, 10.15, 16.7 reacción con agua, 5.7 reacción con carboxilatos, 13.5 reacción con enaminas, 14.5 reactividad, 5.7 organomagnésicos (véunse reactivos de Grignard; reactivos de litio; etc.) organometálicos (véase reactivos de Grignard; reactivos de litio) 6.1, 6.8, 6.9 nomenclatura reacción con ácidos y agua 6.1 1 halogenuros de ácido a partir de ácidos carboxílicos, 13.3 en la reacción de Friedel-Crafts, 10.9, 11.2, 13.3 espectros de infrarrojo, 13.2 espectros de RMN, 13.2 halogenación en a , 13.3 hidrólisis, 13.3 nomenclatura, 13.3, p. 973 reacción con alcoholes, 13.3, 13.5 reacción con aminas, 13.3, 13.7, 15.8 reacción con benceno, 10.9, 11.2, 13.3 reacción con carboxilatos, 13.3 reacción con enaminas, 14.5 reacción con organometálicos, 13.3 reactividad, 13.3 reducción, 13.3 síntesis, 13.13 tabla con resumen de reacciones, 13.13 utilidad en síntesis, 13.13 halohidrinas, 7.16, 9.12, 10.13 helio, 1.1, 3.5 Hell-Volhard-Zelinsky,reacción de, 13.3 hemiacetales, 11.8, 11.9 de monosacáridos, 18.4, 18.5 hemiacetales y acetales cíclicos, 11.8, 18.4 hemicetales, (vease hemiacetales) heme, 16.9, 19.12 hemoglobina, 19.11, 19.12 y anemia celular falciforme, 19.12 heparina, 18.11 heptano (véuse alcanos), 3.3 craqueo y reformado, 3.5 y número de octano, 3.5 2-heptanona, 14.3 herbicidas, 10.16 heroína, 16.11 Hertz (Hz), 8.1 heteroátomo, 16.1

hdice

hexaclorofeno, 7.10 hexa, como prefijo, 3.3 2,4-hexadieno, 9.15 hexametilendiamina, 13.10 hexametilentetramina, 15.7 hexanamida, trasposición de Hofmann, 15.5 hexano, 3.3 1,6-hexanodiol, 13.5 3-hexanona, 11.17 1,3,5-hexatrieno, 9.2 ciclación, 17.3 orbitales pi, 17.2 n-hexilresorcinol, 7.18 hexosa, 17.3 hexulosa, 18.3 híbrido en resonancia, 2.9 hidratación de alquenos, 7.4, 9.8, 9.9, 9.10 de alquinos, 9.8 de compuestos carbonílicos, 11.7 hidrato de cloraldehído, hidrato de formaldehído, 1l .2 hidratos, 11.7 hidrazina reacción con compuestos carbonílicos, 11.11, 11.12 en la reducción de Wolff-Kishner, 11.14 hidrazonas, 11.11, 11.12 hidro, como prefijo, p. 967 hidroboración hidrocarburos (véase alcanos; benceno), 3.1 como combustibles, 3.5 saturados, 3.1 hidrocortisona, 20.7 hidrogenación calor de, 9.13, 10.7 catalítica (véase hidrogenación), 9.13 catalizadores, 9.13 de aldehídos, 11.14 de alquenos, 3.1, 9.13, 9.14 de alquinos, 3.1, 9.13 de cetonas, 7.4, 9.13, 11.14 de ésteres, 13.5 de grasas y aceites, 9.13 de nitrilos, 9.13, 13.13 de la tetralina, 16.5 del benceno, 3.1, 9.13, 10.4 del ciclopropano, 4.4 del monóxido de carbono, 6.6 del naftaleno, 16.5 diagrama energético, 9.13 estereoquímica, 9.13 hidrógeno abstracción, 6.1, 6.3, 6.4 longitud de enlace, 1.2 gaseoso (véase hidrogenación), 9.13 orbitales, l. 1, 2.2, 2.3

1059

hidrógenos alfa acidez de, 1l . 16, 14.1 ftalato ácido de 2-butilo, 13.5 hidrogenólisis, 13.5 hidrólisis, 13.3 amidas, 13.9 anhídridos de ácido, 13.4 carbohidratos, 18.1 epóxidos, 7.16 ésteres, 12.4, 13.5 Csteres malónicos, 14.2 halogenuros de ácido, 13.3 nitrilos, 12.4, 13.12 productos de Grignard, 6.9 proteínas, 19.1, 19.8 rextivos de Grignard y de litio, 6.11 triglicéridos, 13.5, 20.1 hidroperóxidos, 6.6 hidroquinonas, 6.6, 10.13, p. 974 hidroxi, como prefijo, 7.3, p. 973 hidroxiácidos a partir de cianohidrinas, 11.9 lactonas a partir de, 13.6, 18.9 poliksteres, a partir de, 13.6 hidroxaldehídos ciclación, 11.8, 18.4 deshidratación, 14.6 por condensación, 14.6 3-hidroxibutanal, 14.6 2-hidroxicetonas, oxidación, 7.13 3-hidroxi-3-fenilpropanal,14.6 hidróxido de N,N-dimetil-piperidinio,15.10 hidróxidos de amonio cuaternario, 15.0 hidroxilamina, 1l. 11 4-hidroxi-2-pentanona, 11.19 2-hidroxipropanoamida, 13.5 hidruro de litio y aluminio, 1i .14 adición 1,2- frente a 1,4-, 11.20 de tri-t-butóxialuminio y litio, 13.3 reacción con ácidos carboxílicos, 12.10 reacción con aldehídos y cetonas, 11.14 reacción con Csteres, 13.5 reacción con halogenuros de ácido, 13.3 reacción con nitrilos, 13.13 hidruros (véame hidruro de litio y aluminio, borohidruro de sodio) metálicos (vénnse hidruro de litio y aluminio; borohidruro de sodio), 1l . 14 hierba del gato, gatera, 13.6 hierro (Fe), ion, en oxidaciones biológicas, 6.6 hiperconjugación, 5.6, 6.4 hipo, 10.13 histidina (his), 19.1, 19.12 histonas, 19.1 hoja beta, 19.12 hoja plegada, 19.12 hollín, 3.4 Hofrnann, R., 17.1

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indice

HOMO,17.1, 21.3 homólisis, 6.9 hormona de la hipófisis (pituitaria), 19.1 hormonas (véase cortisona), 19.11 de la tiroides, 5.1, 19.10 prostaglandinas y , 20.4 sexuales, 10.1, 20.7 Hiickel, E., 10.7 hulla, 3.4 alquitrán, 3.5, 10.2 gas de, 3.5 gasificación, 3.5 licuefacción, 3 . 5

idosa, 18.3 iluros, 1I . 12 de fosfonio, 11.12 imágenes especulares, 4.6 imidas, 13.11 imidazol, 16.6, p. 966 en hemoglobina, 19.12 iminas, 11.10, 15.9 reducción de, 15.5 impedimento estérico en esterificación, 12.9 en reacciones E2, 5.1 1 en reacciones S,1, 5.6 en reacciones S,2, 5.5 en reactividad de cetonas, 11.6 en reducciones con hidruros metálicos, 1 I , 14 y adiciones 1,4-, 1I . 19 y formación de carbocationes, 5.6 inclinación de picos en RMN, 8.10 indicadores, 21.6 ácido-base , 2 1.6 indigo, 1 .5 indol, 16.7, p. 966 indoxilo, 21.5 ingeniería genética, 16.11 inhibidores de radicales libres, 6.7 iniciadores de radicales libres, 6.7 inositol, 4.10 insecticidas, 5.1, 9.16 insulina, 19.1 1 interacciones axial-axial, 4.5 interacciones dipolo-dipolo, I , 9 intercambio químico, 8.7 intermediario, definición, 5.6 intermediarios puenteados, 9.9 inversión de Walden. 5.5 invertasas, 18.1 O ion acetato (véase carboxilatos), l . 10 nucleofilia, 5.11 reacción con bromuro de bencilo, 12.7 anilinio, 15.6

bencenonio, 1O. 9 bicarbonato, reacción con ácidos carboxflicos, 12.5 bromonio, 9.11, 10.9 t-butóxido (véase alcóxidos) como base, 5.11 reacción con yodometano, '7.15 en reacciones de eliminación, 5.9, 9.5 carbonato, 2.9 cianuro reacción con aldehídos y cetonas insaturados, 11.20 reacción con halogenuros de alquilo, 5.5, 15.7, 13.12 citrato , 13.8 dimetilamonio, 13.9,15.1 etóxido (véase alcóxidos), 7.10 reacción con malonato de dietilo, 14.1, 14.2-14.9 fenóxido, 10.13 estabilización por resonancia, 7.10, 12.8 a partir de fenol, 7.1O reacción con bromoetano, 7.15 reacción de Kolhe, 1O. I 3 halonio, 9.11 hidronio, 7.6 hidróxido (véanse bases; hidrólisis; saponificación) en la condensación aldólica, 14.6 en la reacción de Cannizzaro, 14.8 reacción con ácidos carboxílicos, 12.5 reaccibn con halogenuros de alquilo, 5.4, 5.5, 5.9, 5.11 reacción con fenol, 7.10, 12.5 isopropóxido (véase alcóxidos) benzoato, estabilización, 12.8 carbonio (véase carbocationes), 5.6 dipolares, 19.2,19.3 halogenuro como grupos salientes, 5.4, 7.5, 13.1 nucleofilia, 5.10 iminio, 11.10, 14.5 metóxjdo (véase alcóxidos) molecular, 2 1 .8 nitronio, 7.12, 10.9 oxaloacetato, 13.8 oxonio, 7.6 piridinio, 16.7 plata en fotografía, 1O . 13 en el reactivo de Tolfens, 11.16 sulfuro, 5.11, 7.17 propóxido, (véase alcóxidos), 7.15 ionización, de ácidos débiles, l . 10 ion-radical, 21.8 ¡so, como prefijo, 3.3 isobutano (véuase metil-propano), 6.4

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isobutileno (véuse metil-propeno) 5.4, 9.2, p. 961 isocianato de fenilo, 13.11 isocianatos, 13.11,15.5 isoleucina (ile), 19.1 isomaltosa, 18.11 isomería cis, fruns, 4.1 estereo, 4.1 estructural, 3.1 geométrica, 4.1-4.3 óptica, 4.7 isómeros estructurales, 3.1 isómeros geométricos a partir de epóxidos, 7.16 a partir de reacciones E2, 5.9 a partir de reacciones electríclicas, 17.3 cis y trans, 4.1, p. 962 como diastereómeros, 4.9 de alquenos, 4.1, 9.2, p. 962 de compuestos cíclicos, 4.2, 4.3, 4.5 de epóxidos, 7.16 (E)y (Z), 4.1, 21.11 en la hidroboración, 9.10 requisitos para, 4.11 ópticos, 4.7 isoniazida, 16.11 isooctano, 3.5 isopreno, 9.2, p. 961 polimerización, 9.17 en terpenos, 20.5 isopropil-amina, 15.10 isopropil-benceno, 10.9, 10.13 isopropiliden-ciclohexano,11.12 isoquinolina, 16.8, p. 966 isotiocianato de fenilo, 19.7 isótopos abundancia natural, 21.1O en los espectros de masas, 21.10 IUPAC, sistema de nomenclatura, 3.3, p. 959

jabones, 13.5, 20.2 jalea de petrolato, 3.5 juglona, 21.5

KO,1.10 Kb,1.10 Kekulé, Friedrich August, 2.9, 3.1, 10.5 Kiliani-Fischer, síntesis de, 18.9 Kiliani, Heinrich, 18.9 Knoevenagel, condensación de, 14.7 Kodel, 13.13

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1 como prefijo, 18.3 L como prefijo, 4.7 , , ,X 21.2 lacrimógenos, 5.3 lactamas, 13.8, 13.11 en ADN, 16. I 1 en péptidos, 19.10 lactato de etilo, 13.5 lactidas, 13.6 lactonas, 13.6 de ácidos aldónicos, 18.6 lactosa, 18.1, 18.10 LAH (véase hidruro de litio y aluminio) lanosterol a partir del escualeno, 20.5, 20.6 distribución, 20.5 en la síntesis de esteroides, 20.5 lawsona, 21.5 lecitinas, 20.3 leucina, (leu), 19.1, 19.4 leucoíndigo, 21.5 levadura, 19.14 levulosa, 18.1 licopeno, 2 1.3 lignito, 3.5 limoneno, 9.1, 20.5 lípidos, 20.1 lipoproteínas, 19.12 lisina (lis), 19.1, 19.3 Lister, Joseph, 7.10 litio electronegatividad, 1.4 estructura electrónica, 1.2 reacción con halurogenuros de alquilo, 6.10 lixosa, 18.3 lombrices, 3.1, 15.7 longitud de cadena, de reacciones por radicales libres, 6.5-6.7 longitud de onda, 8.1, 21.1 LSD, 13.9,16.1 luciérnagas, 21.7 luciferina, 21.8 lucita, 9.17 LUMO, 17.1, 21.3 luz, 8. I , 21.4 polarizada en el plano, 4.7 ultravioleta, 8.1 como catalizador de radicales libres, 6.1, 6.7

m , como prefijo, 10.1, p. 965 macromoléculas, 9.17 madera, combustión de, 3.4, 6.6 malonato de dietilo (véase éster malónico), 14.1 maltosa, 18.10 mandelonitrilo, 11.9

1062

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manosa (véase monosacáridos), 1 8.3, 18.4 determinación de estructura, 18.6-18.9 margarina, 9.13 marihuana, p. 313 masa a carga, relación (mie), 21.8 McLafferty, trasposición, 21.11 mecanismo de reacción, 5.5 melibiosa, 19.1 membranas celulares, 20.4 mentano, 11.2 mentol, 11.2, 20.1, 20.5 mentona, 11.2 meprobamato, 13.1I mercaptanos, 7.17 Merrifield, B., 19.8 mescalina, 15.1 mesitileno, p. 964 meta, como prefijo, 10.1, p. 965 metacrilato de metilo, 9.17 metaldehído, 11.3 metaloides, 6.8 metanal (véase formaldehído), 11.2 metano (véase alcanos), 3.3 a partir del carbón, 3.5 en el gas natural, 3.5 halogenación, 1.7, 3.4, 6.1-6.3, 6.4 orbitales, 2.4 metano1 (véase alcoholes), 7.2 acidez, 7.10 a partir de madera, 3.3, 6.6 a partir de monóxido de carbono, 6.6 nitración, 7.12 reacción con cloruro de deuterio, 7.6 reacción con cloruro de sulfurilo, 7.12 reacción con sodamida, 7.5 toxicidad, 7.13 metanotiol, 7.17 metarrodopsinas, 21.4 N-metil-acetamida, 15.9 metil-acetileno, p. 961 metilación exhaustiva, 15.10 metil-amina (véase aminas), 15.3 basicidad, 1.10, 15.6 reacción con cloruro de acetilo, 13.3, 15.8 N-metil-anilina, 15.10 p-metil-anilina, (vése p-toluidina) N-metil-benzamida, 13.9 2-metil-l,3-butadieno, (véase isopreno) (R)-2-metil-butanamida, trasposición, 15.5 metil-butano, (véase alcanos) metil-cetanos oxidación, 11.18 en la prueba del yodoformo, 1 l. 18 2-metil-ciclohexanoles, 4.3 2-metil-ciclohexanona, 14.5 metileno, 9.1 2 singulete , 9.12

triplete, 9.12 metileno-ciclohexano, 9.2, 11.13 metileno-ciclopentano, 9.14 metil-etil-cetona (véase butanona), 11.1, 11.4 I-metil-isoquinolina, 16.9 metil-oxirano, 7.3 2-metil-3-oxopentanoato de etilo, 14.9 3-metil-piridina, 16.7 2-metil-pirrolidina, 15.2 metil-propano (véuse alcanos), 3.1 metil-propeno (véase alquenos) a partir de alcohol t-butílico, 7.8 a partir de halogenuros de t-butilo, 5.4, 5.8 polimerización, 9.17 N-metil-2-propiI-amina, 15.1 metionina (met), 19.1 2-metoxi-etanol, 7.16 mezcla racémica, 4.8 resolución, 4.7, 4.10 micelas de jabón, 20.2 Michael, adición de, 14.10 micr6metro (pm), 8.1 micrón (k),8.1 microondas, 8. I milpiés, 11.9 miltown, 13.11 modelos de desdoblamiento (véuse espectroscopía de RMN), MSG, 12.6 mielina, 20.4 migración, en la trasposición pinacólica, 7.8 suprafacial, 17.4 milimicrón, (mp), 8.1 mirceno, 10.1 modificación racémica, 4.8 molécula tipo jaula, 17.2 moleculares antienlazantes 1,3-butadieno, 17.1 de benceno, 10.5 de ciclación, 17.3 de etileno, 2.4 de hidrógeno, 2.1 de compuestos oxigenados, 2.6 degenerados, 2.3 de acetileno, 2.4 de amoníaco y aminas, 2.6. 15.2 del 1,3-butadieno, 17.1 del etano, 2.4 del etileno, 2.4, 2.5, 17.2 del 1,3,5-hexatrieno, 17.1 del hidrógeno, 2.2, 2.3 del metano, 2.4 diagramas energéticos, 2.2 en el benceno, 2.8, 2.9, 10.5, 10.6 en el bencino, 10.16 en los compuestos aromáticos, 10.5-10.8 enlazantes. 2.1

hdice no ocupado mhs bajo, 17.1 nodos, 2.2, 2.4 pi ( T ) , 2.4 pi* (T*), 2.4 polienos, 17.1 radical alilo, 17.4 radical pentadienilo, 17.5 sigma (a), 2.2, 2.4 sigma* (o)*2.2, 2.4 y ciclación, 17.3 momento de enlaces, 1.8, 8.6 magnético, l . 1 magnético nuclear, 8.6 momentos dipolares de enlaces, 1.8 de halogenuros de metilo, 5.2 moleculares, 1.9 monoglicéridos, 20.1 monómeros, 9.17 monosac6ridos (véase glucosa), 18.1, 18.3 acetales y cetales, 18.8 anómeros, 18.4 ciclación, 18.4 clasificación, 18.2 configuraciones, 18.3 conformaciones, 18.4 I) y L , 18.3 determinación de estructuras, 18.9 distribución, 18.1 efecto anomérico, 18.4 epimeros, 18.3 ésteres, 18.8 éteres metilicos, 18.8 fórmulas de Haworth, 18.4 furanosas y piranosas, 18.4 glicósidos, 18.5 hemiacetales, 18.4 mutarrotación, 18.4 oxidación, 18.6, 18.7 proyecciones de Fischer, 18.1 reducción, 18.7 síntesis de Kiliani-Fischer, 18.9 monoterpenos, 20.5 monóxido de carbono, 3.4, 6.6 envenenamiento por, 19.13 mordiente, 21.5 morfina, 16.10 morfolina, 15.2, p. 966 basicidad, 15.6 en la síntesis de enaminas, 14.5 movimiento conrotatorio, 17.3 disrotatorio, 17.3 mucoproteinas, 19.12 multiplicidad de estados electrónicos, 9.12 muscona, 11.20 mutarrotación, 18.4

1063

N,como prefijo, 3.3, 15.1 n-, como prefijo, 3.3 NAD', 19.14 NADH, 19.14 naftaceno, 2 1.3 naftaleno (véame compuestos aromáticos), 10.1, 16.1, p. 964 síntesis, I 3.13 tabla con resumen de reacciones, 13.13 utilidad en síntesis, 13.13 nitrito de sodio, en la síntesis de sales de diazonio, 10.14 nitritos de alquilo, 7.12 nitro-alcanos, 7.12 nitro-arenos, reducción, 10.14, 15.5 nitro-benceno a partir del benceno, 10.9 anillo desactivado, 10.10, 10.16 reacciones de sustitución, 10.10, 10.16 reducción, 10.14, 15.5 p-nitrofenol, 7.12, 10.15 nitro-fenoles, acidez, 12.5 nitrógeno, como grupo saliente, 10.14 I-nitro-naftaleno, 16.4 nitro-glicerina, 7.12 2-nitro-pino1 nitro-isoquinolinas, 16.9 nitro-metano, 2.9 nitro-quinolinas, 16.9 N-nitrosaminas, 15.7 o-nitro-tolueno, 10.11 niveles energéticos (véase orbitales atómicos 1.1

I

nodos, 1.1, 2.1, 2.2, 10.5 nombre común, 3.2 nombre trivial, 3.2 nombres de grupos funcionales, 5.3 desplazamiento químico, 10.6 energía en resonancia, 10.6, 16.2 enlace, 2.9, 16.2 estructuras en resonancia, 2.9, 16.2 oxidación, 16.3 reacciones de sustitución, 16.5 reducción, 16.4 tabla con resumen de reacciones, 16.11 a-naftil-amina, 15.3 1-naftil-N-metil-carbamato, 13. I I naftoles, p. 974 1,4-naftoquinona, 16.3, 21.5 nanómetro (nm), 8 . I , 21.1 naranja de metilo, 21.6 Natta, C.,9.17 NBS, 6.5, 6.7 nembutal, 13.11 negro de carbón, 3.4 neopreno, 9.17 niacina, 19.14

1064

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niacinamida, 13.9, 19.14 ilicotina, 10.1,16.10 nicotinamida, 13.9,19.14 nicotinamida adenina dinucleótido (NAD+), 19.14 nilón, 13.10 ninhidrina, 19.3 níquel, como catalizador de hidrogenación, 9.13 nitración de alcoholes, 7.12 del benceno, 10.9 de compuestos bencénicos, 10.10, 10.11, 10.14 de heterociclos , 16.9 del naftaleno, 16.5 nitrato de pentaeritritol, 7.12 nitratos, 7.13 de alquilo, 7. I3 nitrilos a partir de aril-aminas, 13.12 a partir de halogenuros de alquilo, 5.11, 13.12,15.7 a partir de halogenuros de diazonio, 10.14, 13.12 acidez, 14.7 mlicos, 13.11, 15.7 basicidad,13.12 p-ceto, 11.19 enlace, 13.12 espectros de Infrarrojo, 13.2 espectros de RMN, 13.2 hidrólisis, 12.4, 13.12 nomenclatura,13.12 reducción, 9.13, 13.13, 15.5 nomenclatura ácidos carboxílicos, 3.3, 11.1, 12.1. p. 970-972 ácidos sulfónicos, p. 971 alcanos, 3.3, p. 960 alcoholes, 3.3, 7.3, p. 973 alcóxidos, 7.10, p. 977 aldehídos, 3.3, 11. I , 11.2, p. 974 alquenos, 3.3, 9.2, p. 963 amidas, 13.9, p. 975 aminas, 3.3, 15.1, p. 976 anhídridos de ácido, 13.4, p. 971-972 base, 3.3, 21.10 carboxilatos, 12.6 cetonas, 3.3, 11.1 compuestos aromáticos, 3.3, 10. I , 16.1, p. 964-966 compuestos bicíclicos, 20.5, p. 967 compuestos halogenados, 3.3, 5.3, p. 967 compuestos heterocíclicos, 15.2, 16.6, 16.7, p. 965-966 conjuntiva, p. 968, 971 diácidos, 12.11, p. 971, 972

dienos, 3.3, 9.2, p. 961 tabla, 5.11 nonano, 3.3 norbornano, 20.5, p. 963 norepinefrina, 15.1 noretindrona, 20.7 noretindrel , 20.7 normal, como prefijo, 3.3 novocaína, 15.7 nu-(véase nucleófilos), 5.4 nube pi, aromática, 2.8, 2.9, 10.5 ndcleo de hidrógeno, en RMN, 8.7 nucleofilia, 5.1 1 nucleófilos, 5.4 acetiiuros, 9.6 alcóxidos, 5.4, 5.11, 7.10 aminas, 5.11, 15.5 basicidad, 5.4, 5.10 enaminas, 14.5 enolatos, p. 672 fuerza, 5 . 1O reacciones con halogenuros de alquilo, 5.4, 5.5-5.8, 5.10, 5.11 reactivos de Grignard, 6.9, p. 671 nucleoproteínas , 19.12 nucleósidos, 16.1 1 nucleótidos, 16.11 nuez de areca, 16.10 número de octano, 3.5 de onda, 8.1 de spin, 9.12 dioles, 7.3, p. 973 (E)y Q, 4.1, P. 962 enzimas, 19.14 epóxidos, 7.3 ésteres, 3.3, 13.5, p. 976 esteroides, 20.7 éteres, 7.3, p. 976 fenoles, p. 974 grupos alquenilo, 9.2, p. 962 grupos de alquilo, 3.3, p. 960 halogenuros de ácido, 3.3, 5.3, p. 973 heterociclos aromáticos, 16.6, p. 965-967 historia, 3.2, 3.3 nitrilos, 13.12 nombres de grupos funcionales, 5.3 numeración, 3.3, p. 969 orden de prefijos, 3.3, 3.4, p. 967 organometálicos, 6.9, p. 977 paréntesis, p. 969 péptidos, 19.5 prefijos, 3.3, p. 966-967 prefijos multiplos, 3.3, p. 967 prioridad, 3.4, 7.3, p. 968 raíz, 3.3 sales de aminas, 15.7, p. 976 sistemas cis y trans. 4.1, p. 962

..

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sistema D y L , 18.3 sistema (E)y ( Z ) , 4.1. p. 962 sistema de Ginebra, 3.3 sistema IUPAC, 3.3, p. 959 sistema o- m- y p-, 10.1, p. 965 sistema (R)y (S), 4.8, p. 969 anillos terpénicos, p. 963

o, como prefijo, 10.1, p. 965

octano, 3.3 (S)-2-octanol, 5.5 ojo, 21.4 olefinas, 9.1 oligosacáridos, 18.1 omega (o),como prefijo, 11.1 ondas, propiedades de, 2.1, 8.1 opio, 16.10 opsina, 21.4 orbitales atómicos degenerados, l . 1 llenado, 1.1, 1.2 nodos, 2.1 P, 1.1 principio aufbau, I . I regla de Hund, 1.2 S, 1.1 superposición, 2.1 superposición parcial, 2.7 de frontera, 17.I híbridos del carbono, 2.4, 2.5 efecto sobre la acidez, 9.1, 12.7 efecto sobre la longitud de enlace, 2.4 del nitrógeno, 2.6 del oxígeno, 2.6 sp, 2.3, 2.4 sp2 2.3, 2.4 sp3, 2.3, 2.4 organoboranos, 9. IO orlón, 9.17 ornitina, 19.14 orto, como prefijo, 10.1, p. 965 efecto, 12.8 orto, para, directores, 10.10 sustitución orto, para, 10.10 oxa, como prefijo, p. 965, 976 oxazol, p. 965 oxidación, (véase compuestos individuales), 7.13 aérea, 6.6 biológica, 6.6, 7.13 con permanganato de alcoholes, 7.13 de aldehídos, 11.15 de alquenos, 9.14

1065

de alquil-bencenos, IO. 13 de alcoholes, 7.13, 11.2, 12.4 de aldehídos, 11.15, 12.4 de alquenos, 9.14, 12.4 de alquil-bencenos, 10.13, 12.4 de azúcares, 18.6 de cetonas, 11.15 de compuestos de azufre, 7.13 de 1,2-dioles, 7.13 de hidroquinonas, 1 O. 13 de organoboranos, 9.1O de policiclos aromáticos, 16.3 del etanol, 7.13 óxido crómico-piridina, complejo, 7.13 de ciclohexeno, 7.13 de ciclopenteno, 7.16 de etileno (véase epóxidos), 7.2, 7.3 reacciones, 7.4, 7.16 de mesitilo, 14.10, 21.2 de plata, reacción con sales de amonio cuatemario, 15.IO de propileno (véase epóxidos), 7.1 de trifenil-fosfina, 1 1.12 nitroso, 7.14 óxidos (véase epóxidos) de amina, 15.11 oxígeno (véuse combustión) como agente de radicales libres, 6.6 diagrama orbital, 6.6 orbitales, 2.6 oximas, 11.11 oximercuración, 9.9 oxiranos (véuse epóxidos), 7.3, 9.14 oxitocina, 19.11 oxiuros, 2.9, 15.7 oxo, como prefijo, p. 977 3-oxobutanoato de etilo (véuse éster acetoacético), 14.9 ozónidos, 9.14 ozonólisis, 9.14

p (véaanse enlaces pi; orbitales pi), 2.4 en el acetileno, 2.4 en compuestos aromáticos, 2.8, 2.9, 10.5 en enlaces dobles conjugados, 2.7, 9.15, 11.19, 21.3 en el etileno, 2.4 en sistemas alílicos y bencílicos, 5.7 fases de, 2.1 pi (T)(véuanse enlaces pi; orbitales p), del etileno, 2.4, 17.2 del radical alnico, 17.4 del radical pentadienilo, 17.4 en compuestos aromáticos, 2.8, 2.9, 10.5-10.8

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en sistemas conjugados, 2.7, 17.1 pi* (n*),2.4, 10.5, 21.3 SP

del carbono, 2.3, 2.4 del nitrógeno, 2.6 SPZ del carbono, 2.3 del nitrógeno, 2.6 SP3 del carbono, 2.3 del nitrógeno, 2.6 del oxígeno, 2.6 p-como prefijo, 10.1, p. 965 PABA, 13.11 paladio, como catalizador de hidrogenación, 9.13 palmitato de cetilo, 20.1 palmitato de sodio, 13.5 par iónico, 7.7 para, como prefijo, 10.1, p. 965 parafinas, 3.4 paraformaldehído, 11.2 paraldehído, 11.2 Pasteur, Louis, 4.7, 19.14 Pauling, escala de electronegatividad, 1.4 PCB, 5.1 Penicillium puberulum, 11.20 penta, en nomenclatura, 3.3 pentaceno, 21.3, p. 964 pentano (véase alcanos), 3.3, 6.6 2,4-pentanodiona, 11.1, 11.17, p. 977 acidez, 14.1 2-pentanol, 9.9 deshidratación, 7.8 2-pentanona, 11.1 pentano-nitrilo, 13.12 3-pentenal, 1 l . 14 cis-2-penten0, 4.1 trans-2-penteno, 4.1 pentenos a partir de bromo-pentanos, 5.9, 9.5 a partir de 2-pentano1, 7.8 2-pentin0, 9.3 pentobarbital, 13.11 3-penten-2-ona, retcc.ión con agua, 11.19 péptidos (véase proteinas), 19.5, 19.6 biosíntesis, 19.9, 19.10 cíclicos, 19.11 determinaci6n de estructura, 19.7 longitudes de enlaces, 19.8, 19.9 nomenclatura, 19.8 síntesis, 19.1 síntesis de Merrifield, 19.8 perdeuterio-benceno, 10.9 perdeuterio-metano, 6.4 perhidro, como prefijo, p. 967 permanganato de potasio (véase oxidaci6n coc permanganato)

peróxido de benzoílo, 6.7 peróxidos a partir de éteres, 6.6 como catalizadores de radicales libres, 6.7, 9.17 efecto en la adición de HBr, 9.8 peso equivalente, 12.5 PETN, 7.12 petróleo, 3 . 5 , 6.6 petroquímicos, 3.5 PGE, 20.4 PGF, 20.4 pH, 1.10 pico base, 21.8 pinacol, 7.8 pinacolona, 7.8 pinano, p. 963 a-pineno, 9.18, 20.5 piperazina, 2.9, 15.2, 15.7, p. 966 piperidina, 15.2, p. 966 basicidad, 15.6 en reacciones de enaminas, 14.5 reacción con ciclohexanona, 14.5 reacción con halogenuros de ácido, 13.3 pirano, 16.7 piranosa, 18.4 piranósidos, 18.5 pirazol, p. 966 piridina, 16.1, 16.6, p. 966 basicidad, 15.6, 16.7 como atractor de ácidos, 7.12 como nucleófilo, 16.7 desplazamiento químico, 11.7 energía de resonancia, 10.6 enlace, 2.9, 16.7 momento dipolar, 16.7, 16.9 reacciones de sustitución, 16.7, 16.8 tabla con resumen de reacciones, 16.11 piridina, óxido crómico, complejo, 7.13 piridoxina, 19.3 pirimidina, 16.6, 16.11, p. 966 pirocatecol, p. 974 pirólisis, 3.4, 6.6 pirrol, 16.1, 16.6, 16.7, 16.9, p. 966 enlace, 16.9 momento dipolar, 16.9 reacciones de sustitución, 16.9 tabla con resumen de reacciones, 16.11 pirrolidina, 15.2 basicidad, 15.6 en la síntesis de enaminas, 14.5 pK,, 1.10 pK,, 1.10 PKU, 19.1 plano del anillo, 4.2, 4.5 de simetría, 4.9 plasmalógenos, 20.3

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plhticos, 10.2 platino, como catalizador de hidrogenación, 9.13 Plexiglas, 9.17 polm'metro, 4.7 polarizabilidad de nucleófilos, 5.10 polarización de halógenos, 9.11, 10.9 poliamidas (véunse péptidos; proteínas), 13.10 polienos ciclación, 17.3 cicloadición, 9.16, 17.1, 17.2 coloreados, 21.3 espectros de UV, 2 l .3 fórmulas de línea, 9.16 orbitales, 17.1 trasposiciones, 17.1, 17.4 polienos conjugados, (véuanse reacciones pericíclicas; polienos) poliésteres, 13.6, 13.7 polietileno, 9.17 poliisobutileno, 9.17 poliisopreno, 9.17 polimerasa, 19.4 polímero cabeza-cola, 9.17 polímeros, 9.17 a partir de aceites secantes, 6.6 atácticos, 9.17 cabeza-cola, 9.17 de adición, 9.17 estereoquímica, 9.17 estructuras primaria y secundaria, 9.17 grupos terminales, 9.17 por radicales libres, 9.17 sindiotácticos, 9.18 tipos, 9.17 polimetacrilato de metilo, 9.17 polipéptidos, 19.5 polipropileno, 9.17 poliestireno, 9.17 polisacáridos (véuanse almidón; celulosa), 18.1, 18.11 poliuretano, 13.11 porfirina, 16.9 posición alfa, 5.9, 11.1, 11.2 alílica, 5.7 bencílica, 5.7, 10.12 beta, 5.9, 11.1, 11.2 pctasio, reacción con alcoholes, 7.10 potencial de ionización, 21.8 principio Aufbau, l . 1 prioridades, en nomenclatura, 3.3, 3.4, 7.3, p. 968 problemas de síntesis, resolución, 6.12 procedimiento de Zeisel, 7.15 proceso de Lurgui, 3.5 productos Hofmann, 5.9, 15.10 progesterona, 20.7

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progestinas, 20.7 prolina (pro), 19.1 promoción de electrones (véuase transiciones electrónicas), 2.4 propanal (véuanse aldehídos, propionaldehído), 3.3 condensación, 14.6 reacción con rectivos de Grignard, 6.9 propano (véuase alcanos), 3.3 halogenación, 6.4, 6.5 propanoato de etilo, 14.9 de metilo (véuase ésteres), 13.5 de sodio (véuase carboxilatos), 13.5 1,3-propandiamina, 15.1 1-propanol (véuase alcoholes), 3.1, 7.2, 7.4 a partir de propeno, 9.10 oxidación, 7.13 reacción con HX, 7.6 2-propanol (véuse alcoholes), 3.1, 7.2 a partir de acetaldehído, 6.9 a partir de acetona, 7.4 a partir de propeno, 9.8 deshidratación, 7.8 en la prueba del yodoformo, 11.18 reacción con HX, 7.6 propanona (véuase acetona), 3.3, 11.1 propenal, 11.9 en reacciones de Diels-Alder, 9.16 reacción con "HCI, 11.19 propeno (véuase propileno), 9.2 a partir de 2-bromo-propano, 5.4, 5.9 a partir de 2-propanol, 7.8 adición por radicales libres de HBr a, 9.8 en la reacción de Friedel-Crafts, 10.9 halogenación polimerización, 9.17 reacción con agua, 9.8 reacción con HCI, 9.7 reacción con NBs, 6.5 n-propilamina (véuase aminas), 15.1 an-propil-benceno, 10.9 n-propilitio, 6.9, 6.10 propileno (véunse propeno; alquenos), 5.4, 9.2 polimerización, 9.17 propino (véuase alquinos) reacción con bases, 9.2 reacción con hidrógeno, 3.1 propionaldehído (véanse aldehídos; propanal), 11.2-11.4 propionato de isobutilo, 13.5 de metilo (véunse ésteres), 13.5 de sodio, 13.5 prostaglandinas, 20.4 protaminas, 19.12 proteínas (véunse péptidos; enzimas), 19.1, 19.5, 19.11-19.14 aminoácidos en, 19.1

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biosíntesis, 16.11,19.9 calorías en, 20.1 clasificación, 19.11 colágeno, 19.12 conjugadas, 19. I I desnaturalización, 19.13 disulfuros en, 7.17, 19.1 con enlace cruzado, 19,1, 19.2 enlaces de hidrógeno, 19.12 estructuras primarias, secundarias y terciarias, 19.12 fibrosas, 19.11 globulares, 19.11 hélices, 19.12 hidrólisis, 19.1 hojas plegadas, 19.12 renaturalización, 19.13 protón protegido, 8.6 desprotegido, 8.6 protonación del agua, 7.6 de alcoholes, 7.6 de alquenos, 9.6, 9.7 de aminas, 1.10, 2.6 del grupo carbonilo, 11.3 protones equivalentes, 8.8 no equivalentes, 8.8 protegidos, 8.6 vecinales, 8.9 vinílicos en RMN, 8.8 proyecciones de Fischer, 4.6, 18.1-18.3 proyecciones de Newman, 4.3 del ciclohexano, 4.5 prueba del espejo de plata, 11.16 prunus 1 l . 9 psilocina, 16.1 1 puentes salinos, 19.12 pulegona,14.10 punto isoeléctrico, 19.3 puntos de ebullición y ramificación, 1.9, 3.4, 9.4 y enlaces de hidrógeno, I .9, 1.10, 7.2 purina, 16.7, p. 966 púrpura de Ruhemann, 19.4 Tiro, 5.1, 21.1, 21.5 putrescina, 15.9

.

PVC,5.1 quelación, 16.9, 21.5 por colorantes, 16.9, 21.5 en hemo, 16.9, 19.12 por porfirinas, 16.9 quemado (véase combustión) queratina, 19.12 queroseno, 3.5

química orgánica, definición, p. 3 quimioluminiscencia, 2 1.7 quimotripsina, 19.14 quinina, 16.1 I quinolina, 16.7, p. 966 basicidad, 16.8 reacciones de sustitución, 16.9 síntesis de Skraup, 16.11 tabla con resumen de reacciones, 16.11 quinoclidina, 5.1 1 quinonas (véuse antraquinonas, etc) a partir de hidroquinonas, 6.6 color, 21.5 reducción, 6.6, IO. 13 quiralidad, 4.6, 4.9 quitina, 18.11

R, como grupo alquilo, 2.5

(R),para configuración, 4.8, p. 969 racemización en reacciones de radicales libres, 6.3 en reacciones S,], 5.6 radiación, 8.1 efecto sobre las células, 6.6, 8.1 electromagnética, 8.1 emisión, 21.4 energía, 21.1, 21.3 infrarroja y vibraciones de enlace, 8.3, 21.1 visible, 8.1, 21.1 radical bencflico, 6.4 pentadienilo, 17.5 radical libre, I .7, 6.1 alnico, 6.4, 6.6, 17.4 alílicos y bencílicos, 6.3, 6.4 alquílicos, 6.3 estructura, 6.7 desproporción, 6.6 estabilidades, 6.6 fenólicos , 6.7 metílicos, 6.1, 6.3, 6.5 semiquinona, 6.6 tipos, 6.4, 6.5 trasposiciones, 6.5 radio atómico, 1.2, 12.7 covalente, 1.2 de van der Waals, 1.9, 3.4 ondas, 8.3 rafinosa, p. 857 raíz, en nomenclatura, 3.3 raquitismo, 17.5 rayos cósmicos, 8.1 rayos X. 6.6, 8.1 reacción de acoplamiento, 10. I4 en cadena, 6.1 concertada, 5.5

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de Cannizzaro, 14.8 de Corey-House (véase cupratos) de iniciación, 6. I de inserción, 9.12 de Kolbe, 10.13 de Reimer-Tiemann , 1O . 1 3 de Sandmeyer, 10.14 de Schotten-Baumann, 13.3 de terminación, 6.1 de Wittig, 11.12 del haloformo, 11.18 endotérmica, 1.7, 6.2 exotérmica, 1.7, 6.2 permitida por la simetría, 17.2 prohibida por la simetría, 17.2 SN1,5.5 S,2, 5.6 reacciones ácido-base, 1.10 competitivas, 5.5 de acoplamiento, 10.14 de sales de diazonio, 10.14 de adición, 9.6 anti-, 9.11 asimétrica, 9.7 de aldehídos y cetonas, 1 1.6-1 1.9 de alquenos, 9.6-9.13 electrofílica, 9.7 de adición 1,4 de Diels-Alder, 9.16 a ácidos carboxílicos insaturados, 12.11 a aldehídos y cetonas insaturados, 11.19, 11.20 a dienos conjugados, 9.15 de adición-eliminación, 11.10 de condensación (véanse condensaciones aldólicas; condensaciones de ésteres), 14.6 de Diels-Alder, 3.3, 17.2 [2+2], 17.2 [4+2], 17.2, 17.3 de deshidrohalogenación, 5.4 de desplazamiento, 5.4 de desplazamiento nucleofílico, 5.4 de eliminación (véase reacciones El; reacciones E2), 5.3 a , 9.12 P, 5.9 anti-, 5.9 bimolecular, 5.9 de alcoholes, 7.5, 7.8 de Cope, 15.11 de dihalogenuros de alquilo, 5.4, 5.8, 5.10 de halogenuros de alquilo, 5.4, 5.8, 5.10 de halogenuros vinílicos, 9.5 de productos aldólicos, 14.6 de Saytseff, 5.9

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frente a sustitución, 5.10, 5.11 Hofmann, 5.10, 5.11, 15.10 unimolecular, 5.8 de Friedel-Crafts acilación con anhídridos,'lO. 16 acilación con cloruros de ácido, 10.9, 10.16, 11.1, 13.3 alquilación, 10.9,10.16 de propagación, 6.1 de radicales libres, 6.1-6.8 abstracción de hidrógeno en, 6.1, 6.3, 6.4 alílica y bencílica, 6.4, 6.5 auto-oxidación, 6.6 biológica, 6.6 con NBS, 6.5 de alquenos y HBr, 9.8 estados de transición, 6.4, 6.5 estereoquímica, 6.3, 6.4 halogenación (véase halogenación) iniciación, propagación y terminación, 6.1 mecanismo, 6.1-6.5, 6.6 mezclas de productos, 6.1, 6.5 pirólisis, 6.6 reactividades de alcanos, 6.4 selectiva, 6.5 de Reimer-Tiemann, 10.13 de ruptura a , 9.12 P, 6.6 de alcanos, 6.6 de alquenos, 9.14 de cetonas, 1 1.17 de epóxidos, 7.16 de éteres, 7.15 heterolítica, 1.6,1.7 homolítica, 1.6, 1.7 de sustitución (véame reacciones de sustitución aromática; reacciones SN2), 5.4 acil nucleofílica, 13.3 de alcoholes, 7.5-7.7 de compuestos aromáticos (véanse los compuestos individuales) de éteres, 7.15 de epóxidos, 7.16 de halogenuros de alquilo, 5.4, 5.5-5.8, 5.10, 5.11 de sustitución nucleofílica (véanse reacciones S,1; reacciones S,2), 5.4 de transaminación, 1 1.10 de transesterificación, 13.5 E l , 5.8 de alcoholes, 7.8, 9.5 de halogenuros de alquilo, 5.4, 5.8. 5.10 factores que la afectan, 5.10 mecanismo, 7.8 trasposiciones, 5.11

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E2, 5.9 de compuestos cíclicos, 5.9, 15.10 de halogenuros de alquilo, 5.9 de hidróxidos de amonio cuatemarios, 15.10 diagramas energéticos, 5.9-5.11 efecto isotópico cinético, 5.9 estado de transición, 5.9 estereoquímica, 5.9 factores que la afectan, 5.10, 5.11 impedimento estérico, 5.9 productos Hofmann, 5.9, 15.10 productos Saytseff, 5.9 electrociclicas (vbuse cicloadición), 17.1, 17.3 estereoquímica, 17.2 tipos, 17.3 y vitamina D, 17.5 estereospecificas, 5.1O pericíclicas, 9.16, 17.1-17.5 S,1, 5.6 de alcoholes, 7.6 de halogenuros alílicos y bencílicos, 5.7 de halogenuros de alquilo, 5.6, 5.7 diagrama energético, 5.6 estereoquímica, 5.6 de éteres, 7.15 factores que las afectan, 5.10, 5.11 racemización, 5.6 trasposiciones, 5.6 velocidad, 5.6 SN2, 5.5 catálisis de transferencia de fases, 15.7 de alcoholes, 7.6 de aminas, 15.5 de enaminas, 14.5 de enolatos, 14.1 de éteres, 7.15 estereoquímica, 5.5 de halogenuros alílicos y bencílicos, 5.7, 5.8 de halogenuros de alquilo, 5 S , 5.6, 14.1 , 15.5 diagrama energético, 5.5 estereoquímica, 5.5 factores que las afectan, 5.10, 5.11 impedimento estérico, 5.5 velocidad, 5.5, 5.6 S,i, 7.7 unimoleculares (véanse reacciones E l ; reacciones SNl),5.6 reactivo de cadmio, 13.3 de Grignard, 6.9 alquínilicos, 9.2, 9.5 como bases, 6.9, 6.11 carácter carbaniónico, 6.9, 14.1 disolventes para, 6.9

formación, 6.9 nomenclatura, 6.9 como nucleófilos, 6.9 reacción con agua, 6.11 alcoholes, 6.11, 7.9 aldehídos y cetonas, 6.9, 7.4, 1 l . 13, 11.20 alquinos, 9.2, 9.5 CO,, 6.9, 12.4 epóxidos, 7.4, 7.16 ésteres, 7.4, 13.5 formaldehído, 6.9 halogenuros de ácido, 13.3 reactividad, 6.9 tipos, 6.9 de litio, 6.10 de Lucas, 7.18 de Tollens, 11.16, 18.6 reacción con azúcares, 17.5 reducción (véase hidrogenación), 7.13 de ácidos carboxilicos, 12.10, 13.3 de aldehídos, 11.14 de amidas, 15.5 de aromáticos policíclicos, 16.4 de azúcares, 18.7, 18.8 de cetonas, 7.4, 10.9, 11.14 de Clemmensen, 1l. 14 de compuestos carbonílicos insaturados, 11.14 de ésteres, 13.5 de halogenuros de ácido, 13.3 de nitrilos, 13.12, 13.5 de nitroarenos, 10.14, 15.5 de quinonas, 10.13 de Wolff-Kishner, 11.14 reductasa, 19.14 refinación del petróleo, 3.5 regla de Bredt, 20.5 de Hiickel, 10.7, 16.2 de Hund, 1.2 de Markovnikov, 9.7 de Saytseff en deshidrataciones de alcoholes, 7.8 en eliminaciones de halogenuros de alquilo, 5.9 n f l , 8.9 del octeto, 1$4 reglas de prioridad de Cahn-Ingold-Prelog, 4.1, 4.8 de secuencia, 4.1 renaturalización, 19.13 residuos terminales, análisis, 19.7 resolución, 4.7, 4.10, 15.11 resonancia, 2.9 magnética nuclear, espectroscopia, (véase espectroscopía de RMN)

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magnética protónica (véuse espectroscopía de RMN) resorcinol, p. 974 retención de la configuración, 7.7, 9.10 retinal, 21.4 retorno interno, 7.7 ribonucleótidos, 6.11 ribosa, 18.1 en ARN, 16.11 mutarrotación, 18.4 raquitismo, 17.5 ribosomas , 19.9 rodopsina, 21.4 rojo de fenol, 2 1. I 1 pirrol, 16.11 turco, 21.5 rotación alrededor de enlaces, 4.1, 4.2, 4.3 de luz polarizada en el plano, 4.7 específica, 4.7 libre, 4.3 óptica, 4.7 ruptura beta, 6.6

(S), para configuración, 4.8, p. 969 sacarosa, 18.10, p. 814 sales (véuse carboxilatos) de ácidos grasos, como jabones, 20.2 de aminas (véuse sales de amonio cuaternario), 2.6, 15.1, 15.7 a partir de halogenuros de alquilo, 15.5, 15.9 enlace, 2.6,15.2 estabilizaci6n, 15.6 intercambio de protón, 15.5 nomenclatura, 15.7, p. 976 propiedades, 15.4 quirales , 15.2 reacción con base, 15.7 resolución, 15.6 de amonio (véuse sales de aminas) de amonio cuaternario, 15.1 , 15.7 a partir de halogenuros de alquilo y aminas, 15.5 quirales, 15.2 de bencendiazonio (véuse sales de diazonio) de diazonio síntesis, 14.10 en la sín:esis de colorantes, 21.6 salicilaldehído, 10.13 salicilato de metilo, 13.5 saponificación, 13.5,20.2 de éster malónico, 14.2 sar6n, 9.17 sec, como prefijo, 3.3 seconal, p. 712

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secundario, como prefijo, 3.3 semicarbazida, 11.11 semiquinona, 6.6 series homólogas, 3.3 senna (ser), 19.1 sesquiterpeno, 20.5 Sevin, 13.11 silano, 6.8, p. 977

simetría en compuesto meso, 4.9 singulete, en RMN, 8.10 síntesis de Fischer-Tropsch, 3.5 síntesis de ftalinidas de Gabriel, 15.5, 19.4 de Skraup, p. 787 de Strecker, 19.4 de éteres de Williamson, 7.14 sistema (R)y (S), 4.8, p. 969 para dos carbonos quirales, 4.9 sistema D y L, 18.3, 18.4 de Ginebra de nomenclatura, 3.2 nervioso, p. 714 nervioso SimpAtico, 15. I1 sitio activo, 19.14 sodamida reacción con alcoholes, 7.5, 7.10 reacción con alquinos, 9.2 sodio reacción con alcoholes, 7.10 reacci6n con alquinos, 9.2 reacción con compuestos aromáticos, 16.4 reacción con ésteres, 13.5 solubilidad y atracciones de van der Waals,.3.4 y enlace de hidrógeno, 1.9, 7.2 solvatación y acidez, 12.7 y basicidad, 15.6 y nucleofilia, 5.10 solvólisis, 5.6 solvomercuriación, 9.9 sorbitol, 18.7 sorbosa, 18.8 spin electrónico, 1.1, 9.12 succinimida, 6.5 sulfametoxi-piridazina, 13.11 sulfanilamida, 13.11, p. 975 sulfas , f h a c o s , 13.1 1 sulfatiazol, 13.11 sulfato ácido de etilo, 7.6 de dimetilo, 7.13 sulfatos ácidos, 7.12 de alquilo, 7.12 a partir de alcoholes, 7.12 a partir de alquenos, 9.8 acidez, 7.13 como detergentes, 20.2 sulfamerazina, 13.1 1

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sulfonación del benceno, 10.9 del naftaleno, 16.5 del pirrol, 16.9 sulfonamidas, 13.11 sulfonas, 7.17 sulfonatos, 7. I2 sulfóxidos, 7.17 sulfuro de dimetilo, 7.17 sulfuro de hidrógeno, 7.17 sulfuros de alquilo, 5.11, 7.17 sustitución acil-nucleofílica, 13.3 sustitución aromática de bencenos sustituidos, 10.10, 10.14 de compuestos aromáticos policíclicos, 16. I de heterociclos, 16.6-16.9 de la piridina, 16.7 del benceno, 10.9, 10.10 del pirrol, 16.9 electrofílica (véase benceno), 10.8-10.12 nucleofflica, 10.15,10.16, 16.7, 16.8 utilizacidn en síntesis, 10.16 sustitución bimolecular (véuse reacciones S,?), 5.5 meta, 10.10 sustitución electrofílica aromática, 10.8 sustituyentes axiales, 4.5 ecuatoriales, 4.5 halogenados (véunse halogenuros de alquilo; halogenuros de arilo), 3.3,p. 168-169, p. 967

t como prefijo, 3.3, p. 960 2,4,5-T, p. 510 talosa, 18.3 tartrato de sodio y amonio, 4.7 taurina, 20.7 tautomerismo, 1 l . 17 ceto-enólico, I l . 17 2,3,7,8-TCDD, p. 510 teflón, 9.17 tensión de anillos, 4.4 teoría del ajuste inducido, 19.14 teoría cuántica, l . I , 2.1 teoría del enlace covalente, 2.1 terciario, como prefijo, 3.3, p. 960 teoría LCAO, 2.1 teoría M.O. (véase orbitales moleculares), p. 45 teoría VSEPR, p. 45 tereftalato de dimetilo, 13.7 terpenos, 20.5, p. 895 biosíntesis, 20.5 clasificación, 20.5 nomenclatura, p. 963

unidades de isopreno en, 20.5 trasposiciones, 20.5, 20.6 terpenoides, 20.5 y-terpineno, 9.14 &-terpineol,p. 923 testosterona, 20.7 tetra, como prefijo, 3.3 tetracloruro de carbono, 5.2, 6.1, p. 168 tetraetil-plomo, 3.5, 6.8, p. 224 tetraédrico. átomo de carbono, 2.4 tetrahidro-canabinol,p. 313 tetrahidro-furano, 7.1, 7.2 tetracis, como prefijo, p. 967 tetralina, 10.12,16.4 tetrametil-silano, 6.8, 8.6 tetrámeros, 9.17 tetraterpenos, 20.5 tetróxido de osmio, 9.14 THF, 7.1 tia, como prefijo, p. 965 tiamina, 19.14 tiazol, 16.6 timidina, 16.1 1 timina, 16.11 tidsteres, 13.8 tioéteres, a partir de halogenuros de alquilo, 5.11 tiofeno, 16.7, 16.9, p. 966 TNT, 10.1 tiroglobulina, p. 168 tirosina (tir), 19.1 en PKU, 19.1 en las síntesis de epinefrina, 15.1 tiroxina, p. 168 a-tocoferol, 6.7 p-toluidina, p. 976 tosilatos, 7.12 tosilatos, de alquilo, 7.12 tolueno (véame alquilbencenos; compuestos aromáticos), 10.1, 10.3 a partir del heptano, 3.5 halogenación, 6.5, p. 223 oxidación, 10.12 p-toluen-sulfonatos, 7.12 tornasol, 21.6 trampa de radicales libres, 6.7 trans, como prefijo, 4. l . 4.2 transición de electrones n , 21.3 pi, 2.4, 21.3 y color, 21.5 y fluorescencia, 21.7 y fotoinducción, 17.2 UV, 8.1, 21.1-21.3 trasmitancia, en espectroscopía, 8.3 trasposiciones de carbocationes, 5.6, 7.6, 9.7, 20.5

hdice

de Claisen, 17.4 de Cope, 17.4 de Hofmann, 15.5 de McLafferty , 21.1 1 de radicales libres, 6.4 . de terpenos, 20.5 en alquilaciones de Friedel-Crafts, 10.9, 10.16 en espectros de masas, 21.1 1 en la deshidratación de alcoholes, 7.8 en reacciones de alquenos, 9.7 en reacciones S, 1, 5.6 pinacólica, 7.8 sigmatrópicas, 17.4, p. 970 y vitamina D, 17.5 trehalosa, p. 857 trementina, 20.5, p. 451 triosa, 18.3 treonina (tre), 19.1 TRF, 19.10 tri, como prefijo, 3.3 triacilgliceroles, 20.1 triazina, p. 965 2,4,6-tribromo-anilina, 10.8 tricloro-eteno, 4.1 tricloro-metano (véase cloroformo), 6.1 tricloruro de fósforo reacción con ácidos carboxílicos, 13.3 reacción con alcoholes, 7.7 trienos (véuse polienos), 9.2 triestearato de glicerilo, 20.1 triestearina (véase triglicéridos) triglicéridos, 20.1 ácidos grasos en, 20.1 auto-oxidación, 6.6 hidrogenación, 9.13 hidrólisis, 20.1 saponificación, 13.5, 20.2 trigonal, carbono, 2.4 trimetil-amina (véase aminas), 2.6, 15.3 basicidad, l . 10 como nucleófilos, 5.11 de eliminación de Hoffmann, 5.10 trimeros, 9.1 7 2,4,6-trinitro-fenol, 10.15 2,4,6-trinitro-tolueno, 10.1 triosa, 18.3 trioxano, 11.2 trioxolanos, 9.14 tripalmitina, 13.5, 20.1 triplete, en RMN, 8.10, 8.11 tripticeno, 10.15 triptofano (tri), 19.1 tripsina, p. 894 tris, como prefijo, p. 967 triterpenos, 20.5 tropano, 16.10

tropocolágeno, 19.12 turba, 3.5

ubiquinona, 6.6 Unión Internacional de Química Pura y ' Aplicada (IUPAC), 3.2, p. 959 uracilo, 16.11 &ea, 13.11 uretanos, 13.11 uridina, 16.11 urushioles, p. 454

Valencia, 1.4 S-valerolactona, 13.6 valina (val), 19.1 vainillina, 18.5 velocidad de primer orden, 5.6 de reaccih, 5.5 efecto de la concentración, 5.5 efecto de la estructura, 5.5 y estabilidad de carbocationes, 5.6 por radicales libres, 6.4 relativa, 5.5 de segundo orden, 5.5 S,1, 5.6 s,2, 5.5 vibración, modos de, 8.3 vibraciones de alargamiento, 8.3 de flexión, 8.3 vinagre, 7.4 vinil-aminas (véase enaminas), 11.10 violeta cristal, p. 953 visión, 21.4 vitamina A, 20.5, 21.4 a partir del caroteno, 20.5 en la visión, 21.9 B (véase nicotinamida), 13.9, 19.14 C, 13.6, 18.6, 18.8, 19.14 D, 17.5 E, 6.7 vitaminas como coenzimas, 19.14 von Baeyer, Adolf, 4.4

Watson, J.D., 16.11 Wilkins, M., 16.11 Wittig, George, 11.12 Wocrdward, R.B., 17.1 xilenos (véame compuestos aromáticos; alquilbencenos), 10.1, 10.2

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xilocaína, p. 754 xilosa, 18.3

yodo como prefijo, 3.3 como prueba del almid6n, 18.11 radical libre, 6.2 reacci6n con alcanos, 6.2 rzacci6n con alquenos, 9.11 reaccidn con metilcetonas, 11.18, 1l. 19 yodoalcanos, (véuse yoduros de alquilo) yodobenceno, a partir de sales de diazonio, 10.14 yodoetano, a partir de éter dietílico, 7.15 yodoformo, prueba del, 11.18 yodometano (véuse halogenuros de metilo) 2-yodopropano (véase halogenuros de alquilo) yoduro

de etilo, a partir de éter dietilico de isopropilo (véuse reactivos de Grignard), 6.9 de metilo (véuanse yodometano; halogenuros de metilo) de sodio, 11.4 de vinil-magnesio, 6.9 en metilaci6n exhaustiva, 15.10 reaccidn con enaminas, 14.5 reacci6n con éster etil-malhico, 14.2 reaccidn con magnesio, 6.9 yoduros de alquilo (véase halogenuros de alquilo), 3.4, 9.7, 9.11

(Z), como prefijo, 4.1 Ziegler, K.,9.17 zwitteri6n. 19.2

indice

clasificación, 20.5 nomenclatura, Apéndice unidades de isopreno en, 20.5 trasposiciones, 20.5, 20.6 terpenoides, 20.5 y-terpineno, 9.14 &terpineol, 21.1 testosterona, 20.7 tetra, como prefijo, 3.3 tetracloruro de carbono, 5.1, 5.2, 6.1 tetraetil-plomo, 3.5, 6.1, 6.9 tetraédrico, átomo de carbono, 2.4, 2.5 tetra-hidro-canabinol, 7.18 tetra-hidro-furano, 7.2, 7.3 tetracis, como prefijo, Apéndice tetralina, 10.13,16.4, 16.5 tetra-metil-silano, 8.7 tetrámeros, 9.17 tetratergenos, 20.5 tetróxi o de osmio, 9.14 THF, 7.2 tia, como prefijo, Apéndice tiamina, 19.14 tiazol, 16.6, 16.7 timidina , 16.11 timina, 16.11 tioésteres, 13.8 tioéteres, a partir de halogenuros de alquilo, 5.11 tiofeno, 16.7, 16.9, Apéndice TNT,10.1 tiroglobulina, 5.1 tirosina (tir), 19.1 en PKI!J, 19.1 en las síntesis de epinefrina, 15.1 tiroxina, 5.1 a-tocoferol, 6.8 p-toluidina, Apéndice tosilatos , 7.12 tosilatos, de alquilo, 7.12 tolueno (vénnse alquilbencenos; compuestos aromáticos), 10.1,10.3 a partir dz heptano, 3.5 halogenación, 6.1, 6.5 oxidación, 10.13 p-toluen-sulfonatos, 7.12 tornasol, 21.1 trampa de radicales libres, 6.7 trans, como prefijo, 4.1, 4.3 transición de electrones de electrones n, 21.3, 21.4, de electrones pi, 2.4, 21.3 y color, 21.5

1075

y fluorescencia, 21.7 y fotoinducción, 17.2 UV, 8.1, 21.1-21.3 transmisión, en espectroscopía, 8.3 trasposición de Hofmann, 15.5 pinacólica, 7.8 trasposiciones de carbocationes, 5.6, 7.6, 9.7, 20.5 de Claisen, 17.4 de Cope, 17.4 de Hofmann, 15.5 de radicales libres, 6.5 de terpenos, 20.5 en alquilaciones de Friedel-Crafts, 10.9, 10.16 en espectros de masas, 21.11 en la deshidratación de alcoholes, 7.8 en reacciones de alquenos, 9.7 en reacciones S,1, 5.6 pinacólica, 7.8 sigmatrópicas, 17.1, 17.4, 17.5 y vitamina D, 17.5 trehalosa, 18. I 1 trementina, 19.14 treosa, 18.3 kreonina (tre), 19.1 TRF, 19.10 tri, como prefijo, 3.3 triacil-gliceroles, 20.1 triazina, Agndice 2.4,6-tribromoanilina,10.9, 10.10 tricloro-eteno, 4.1 tricloro-metano (véase cloroformo), 6.1, 6.2 tricloruro de fósforo reacción con ácidos carboxílicos, 13.3 reacción con alcoholes, 7.7 trienos (véase polienos), 9.2 triestearato de glicerilo, 20.1 triestearina (véuse triglicéridos) triglicéridos, 20.1 ácidos grasos en, 20.1 auto-oxidación, 6.6 hidrogenación, 9.13 hidrólisis, 20.1 saponificacion, 13.5, 20 2 trigonal, carbono, 2.4, 2.5 trimetil-amina (véase aminas), 2.8, 15.3 basicidad, l . 10 como nucleófilos, 5. I 1 de eliminación de Hoifmann, 5.10 trimeros, 9.17 2,4,6-trinitro-fenol,10.15 2,4,6-trinitro-tolueno, 10. I

I076

indice

triosa, 1K.3 trioxano, 11.2 trioxolanos, 9.14 tripalmitina, 13.5, 20.1 triplete, en RMN, 8.10, 8.11 tripticeno, 10.15 triptófano (tri), 16.11, 18.10 tripsina, 19.14 tris, como prefijo, Apkndice triterpenos, 20.7 tropano, 14.1O tropina, 16.10 tropocoligeno, 1O. 12 turba. 3.5

ubiquimna, 6.6 Unión hternacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) , 3.3, Apéndice uracib, 16.11 urea,13.11 uret$nos, 13.1 1 uricjina, 16.11 uqkhioles, 9.18

d e n c i a , 1.4 &valerolactona, 13.6 valina (val), 19.1 vainillina,18.5,18.6 vasopresina, 19.9 velocidad de primer orden, 5.6 de reaccibn, 5.5 efecto de la concentración, 5.5 efecto de la estructura, 5.5 y estabilidad de carbocationes, 5.6 por radicales libres, 6.4 relativa, 5.5 de segundo orden, 5.5 S,], 5.6 s,2, 5.5 vetivona, 20.4 vibración, Todos de, 8.4 vibraciones de alargamiento, 8.4 de flexión, 8.4 vinagre, 7.4 vinilaminas (véuse enarpinas), 11.10 violeta cristal, 2 l . 11 visión, 21.5 vitamina A, 20.5, 21.4 a partir de caroteno, 20.5 en la visión, 21.5 B (véunse nicotinamida; riboflavina), 13.8, 19.14

C, 13.6, 18.7, 18.8, 18.9, 19.14 D, 17.5 E, 6.8 vitaminas como coenzimas, 19.14 von Baeyer, Adolf, 4.4

Watson, J.D., 16.11 Wilkins, M., 16.11 Wittig , George, 1I . 12 Woodward, R.B., 17.1

xanta;o, 18.1 de celulosa, 18.1, 18.11 xilenos (véanse compuestos aromiticos; alquilbencenos), 10.1, 10.2,10.3 xilocaína, 8 . 7 , 15.11 xilosa, 18.3

yodo como inhibidor de radicales, X X . X X como prefijo, 3.3 como prueba del almidón, 18.11 radical libre, 6.2 reacción con alcanos, 6.2 reacción con alquenos, 9.11 reacción con metilretonas, 11.18, 11.19 yodoalcanos, (véase yoduros de alquilo) yodobenceno, a partir de sales de diazonio, 10.14 yodoformo, prueba del, 11.18 yodoetano, a partir de éter dietílico, 7.15 yodometano (véase halogenuros de metilo) 2-yodopropano (véuse halogenuros de alquilo) yoduro de etilo, a partir de éter dietílico de isopropilo (véuse reactivos de Grignard), 6.9 de metilo (véuse yodometano; halogenuros de metilo) de sodio, 11.4 de vinilmagnesio, 6.9 en metilación exhaustiva, 15.10 reacción con enaminas, 14.5 reacción con éster etilmdónico, 14.2 reacción con rnagnesio, 6.9 yoduros de alquilo (véase halogenuros de alquilo), 3.4, 9.7, 9.11

(a,como prefijo, 4.1 Ziegler, K.,9.17 Zwitterión, 19.2

Tabla de correlación para la asignación de grupos en los espectros de infrarrojo (alargamiento y flexión

OH y NH.aJarg.

c 4 , alarg.

O,alarg.

C

C = N,alarg. e

* CH. * dug.

C = C . alarg.

c")

C-N, alarg.

C-N,

.c)

4+-b

NH.flex.

f") CH. flex.

alarg.

*

c2,alarg.

*

%,e

I cm

I 2000

1

I

3000

3500

2500

" I I pm ?.

75

3.00

3.?5 3.50 3.754.00

4.5

I

I

I800

5.5

5.0

I

I

6.0

6 5

Cambios químicos típicos en los espectros de RMN.

valor

Grupo

6 (ppm)

protón sobre carbono S@: 0.8-

RCH, RZCHz R,CH ArCH,

-2.5

RZNCH.3 2.6 R ,CHO R R2CHCI 3.7 R,CHCR=CR2

1.2 1.1-1.5 1.5 2.2

4.3 4

2.23.2 3.5 I .I

O

II

RCCH2R

2.0 2.7

protón sobre carbono sp ó S#: R,C=C'HR

ArH RCHO RC-CH-

4.9 5.9 6.0- 8.0 9.4 10.4 2.3 2.9

protón sobre N ó O: RlNH ROB

ArOH RC.02H_

2 4 1-6 6 8 1 0 ~12

I I400

1600

I

I I300

I 7 0 7 5 8.0

90

I

1000

800

IO

1 1 121314

I

I

8 a,

U

Impreso en: Programas Educativos, S.A. de C.V. Calz. Chabacano No. 65-Local A Col. Asturias 06850 México, D.F.

3,000 Ejemplares más sobrantes

Organica de Fessenden

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