Quimica Organica.pdf - Ma Del Pilar Cabilgo Miranda

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UNIDAD DIDÁCTICA

Química Orgánica

M.ª DEL PILAR CABILDO MIRANDA AMELIA GARCÍA FRAILE CONCEPCIÓN LÓPEZ GARCÍA M.ª DOLORES SANTA MARÍA GUTIÉRREZ

UNIVERSIDAD NACIONAL DE EDUCACIÓN A DISTANCIA

UNIDADES DIDÁCTICAS (0109308VD11A02) QUÍMICA ORGÁNICA

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© M ªdel Pilar Cabildo Miranda, Amelia García Fraile, Concepción López García, M ªDolores Santa Maria Gutiérrez ISBN: 978-84-362-5528-7 Depósito legal: M. 9.921-2008 Segunda edición: marzo de 2008

Compuesto e impreso en Fernández Ciudad, S. L. Coto de Doñana, 10. 28320 Pinto (Madrid) Impreso en España - Printed in Spain

ÍNDICE

Prólogo ..........................................................................................................

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UNIDAD DIDÁCTICA 1 Tema 1. Introducción a la Química Orgánica (Dra. Ameba García Fraile} ..... . 1.1. Introducción ..................................................................................... . 1.2. El átomo de carbono ........................................................................ . 1.3. Tipos de hibridación de los orbitales atómicos del átomo de carbono. 1.4. Efectos electrónicos de las moléculas orgánicas. Carácter polar del enlace covalente .............................................................................. . 1. 5. Isomería ............................................................................................ . 1.6. Clasificación de los compuestos orgánicos. Grupos funcionales .... .

21 23 24 25 32

38 41

Resum.en de conceptos importa.ntes ........................................................ .

43

Ejercicios de autocomprobación ............................................................. .

45

Soluciones a los ejercicios de autocomprobación .................................. .

48

Tema 2. Alcanos (Dra. Ameba García Fraile) ............................................ . 2.1. Definición y clasificación de los alcanos ........................................ . 2.2. Nomenclatura de los alcanos .......................................................... .. 2.3. Propiedades fisicas de los alcanos .................................................. .. 2.4. Análisis conformacional de los alcanos .......................................... .. 2.5. Reactividad general de los alean.os .................................................. . 2.6. Métodos de obtención de alcanos .................................................... .

51 53 53 58

Resum.en de conceptos importa.ntes ........................................................ .

71

• ............................................................. . • • • d e aut ocomprob ac1on E~erc1c1os

72


75

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59 63 68

8

QUÍMICA ORGÁNICA

Tema 3. Cicloalcanos (Dra. Concepdón López García) ............................. 3.1. Definición, nomenclatura y propiedades ftsicas de los cicloalcanos. 3.2. Estructura y tensión del anillo en cicloalcanos ................................ . 3.3. Ciclohexano: conformaciones .......................................................... . 3.4. Ciclohexanos monosustituidos ........................................................ . 3.5. Análisis conformacional de ciclohexanos disustituidos ................. .. 3.6. Reactividad y métodos de obtención de los cicloalcanos ............... .. 3. 7. Alcanos policíclicos ..........................................................................

81 83 86 91 93 94 96 99

Resumen de conceptos importantes ........................................................ . . , ............................................................. . . . . de aut ocomprobac1on E~erc1c1os

103


106

Tema 4. Estereoisomería (Dra. Concepción López García) ....................... . 4.1. Introducción .................................................................................... .. 4.2. Moléculas quirales ........................................................................... . 4.3. Configuración absoluta .................................................................... . 4.4. Moléculas con varios centros estereogénicos: diastereoisómeros .... 4.5. Estereoquímica dinámica ................................................................. .

111 113 114 116 121 125

Resumen de conceptos importan.tes ........................................................ . . . . de aut ocomprobac1on . , ............................................................. . EJerc1c1os

126 127


129

104

UNIDAD DIDÁCTICA 11 Tema 5. Halogenuros de alquilo: sustitución nucleófila alifática (Dra. Mª Dolores Santa María Gutiérrez) ................................ .... 5.1. Clasificación y nomenclatura de los halogenuros de alquilo ........... 5.2. Estructura y propiedades ftsicas de los halogenuros de alquilo ....... 5.3. Sustitución nucleófila alifática ......................................................... 5.4. Cinética de la sustitución nucleófila alifática: dualidad de mecanismos. 5.5. Reacción SN2 ..... ............... ................................................................ 5.6. Reacción SNl ...................................................................................

141 143 144 145 147 149 154

Resumen de conceptos importantes .........................................................

162

Ejercicios de autocomprobación ..............................................................

163

Soluciones a los ejercicios de autocomprobación ...................................

166

ÍNDICE

Tema 6. Halogenuros de alquilo: reacciones de eliminación (Dra. M.ª Dolores Santa María Guüérrez) .................................... 6.1. Reacciones de eliminación en los halogenuros de alquilo ............... 6.2. Reacción E2: orientación y reactividad ............................................ 6.3. Reacción El: orientación y reactividad ............................................ 6.4. Competencia E2 /El ........................................................................ 6.5. Competencia Eliminación-Sustitución. Resumen de reactividad:

9

175 177 178 181 183

6.6. Métodos de obtención de halogenuros de alquilo .......................... ..

183 187

Resumen de conceptos importantes ........................................................ .

189


191


194

Tema 7. Alcoholes (Dra. M. ªDolores Santa María Guüérrez) .................. . 7.1. Nomenclatura de los alcoholes ........................................................ . 7.2. Estructura y propiedades fisicas de los alcoholes ........................... .. 7.3. Acidez y basicidad de los alcoholes ............................................... .. 1.4. Reacciones de los alcoholes ............................................................. . 7.5. Métodos de obtención de alcoholes ................................................. . 7.6. Compuestos organometálicos de litio y magnesio ........................... . 7. 7. Reactivos organometálicos de litio y magnesio en la síntesis de alcoholes.

201 203 205 206 208 219 222 224


225

. , ............................................................. . . . . de aut ocomprobac1on E~erc1c1os

227


230

Tema 8. Éteres y epóxidos. Compuestos de azufre (Dra. M.ª Dolores Santa María Guüérrez) .................................. .. 8.1. Nomenclatura de los éteres .............................................................. . 8.2. Estructura y propiedades fisicas de los éteres ................................. . 8.3. Reactividad general de los éteres ..................................................... . 8.4. Reacciones de apertura del anillo de los epóxidos .......................... . 8.5. Métodos de obtención de éteres. Síntesis de Williamson ................ . 8.6. Análogos con azufre de alcoholes y éteres: tioles y sulfuros .......... .

237 239 240 241 242 247 252


256


258

Soluciones a los ejercicios de autocomprobación ................................. ..

261

SN 1, SN2, El' E2 ...............................................................................

10

QUÍMICA ORGÁNICA

UNIDAD DIDÁCTICA III Tema 9. Determinación estructural por métodos espectroscópicos (Dra. M ª del Pilar Cabildo Miranda) .......................................... . 9.1. Espectroscopía .................................................................................. . 9.2. Radiación electromagnética ............................................................. . 9.3. Espectroscopía de absorción ............................................................ . 9.4. Espectroscopia visible (V) y ultravioleta (UV) ............................... . 9.5. Espectroscopia infrarroja (IR) .......................................................... 9.6. Espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN) ............... . 9. 7. Espectrometria de masas (EM) ........................................................ .

271 273 273 274 276 280 282 290

Resumen de conceptos importantes ........................................................ . . . . de aut ocomprobac1on . ' ............................................................. . E~erc1c1os

293


295

Tema 1O. Alquenos (Dra. M ª del Pilar Cabildo Miranda) ........................ . 10.1. Estructura del doble enlace ............................................................. 10.2. Nomenclatura de los alquenos e isomeria cis-trans ....................... 10.3. Propiedades flsicas de los alquenos ................................................ 10.4. Reacciones de adición al doble enlace ........................................... . 10.5. Reducción del doble enlace. Hidrogenación catalítica .................. . 10.6. Oxidación del doble enlace ............................................................ . 1O.7. Polimerización ................................................................................. 10.8. Métodos de obtención de alquenos ............................................... ..

297 299 299 302 302 311 312 315 318


323


324


327

Tema 11. Dienos (Dra. M ª Dolores Santa María Gutiérrez) ..................... . 11.1. Nomenclatura y clasificación de los dienos .................................. . 11.2. Estabilidad y estructura de los dienos conjugados ........................ . 11.3. Adición de electrófilos a dienos conjugados. Adición 1.2 y 1.4. Carbocationes alilicos ..................................................................... 11.4. Adición 1,2 vs 1,4. Control cinético vscontrol termodinámico .... . 11.5. Reacciones de cicloadición de Diels-Alder ................................... . 11.6. Polimerización de dienos conjugados ........................................... .. 11. 7. Métodos de obtención de dienos conjugados ................................ .

333 335 336

294

338 340 341 346

348

ÍNDICE

11

Resumen de conceptos importantes ........................................................ . . . . de aut ocomprobac1on . , ............................................................. . E~erc1c1os

349


354

Tema 12. Alquinos (Dra. Mª Dolores Santa María Gutiérrez) ................ .. 12.1. Nomenclatura de los al.quinos ........................................................ . 12.2. Estructura y enlace de los alquinos. Propiedades físicas .............. .. 12.3. Reacciones de los alquinos ............................................................ . 12.4. Métodos de obtención de al.quinos ................................................ .

361 363 364 365 374


375


377


380

351

UNIDAD DIDÁCTICA IV Tema 13. El benceno y la sustitución electrófila aromática (Dra.. Concepción López GaJ"Cía) ................................................. 13.1. Nomenclatura de los derivados del benceno .................................. . 13.2. Estabilidad y estructura electrónica del benceno: Aromaticidad .. .. 13.3. Sustitución electrófila aromática (SEAr) ...................................... .. 13.4. Formaciones de enlace C-C: Reacciones de Friedel-Crafts .......... ..

391 393

395 398 404


407


409


411

Tema 14. Ataque electrófilo y nucleófilo sobre derivados del benceno (Dra. Concepción López GaJ"Cía) ................................................. 14.1. Efectos de los sustituyentes en la sustitución electrófila aromática 14.2. Orientaciones de los sustituyentes ................................................ . 14.3. Sustitución nucleófila aromática .................................................. . 14.4. Otras reacciones del benceno ......................................................... . 14.5. Bencenos sustituidos: Fenoles ....................................................... .. Resumen de conceptos importantes ........................................................ . . . . de aut ocomprobac1on . , ............................................................... . E~erc1c1os Soluciones a los ejercicios de autocomprobación .................................. .

417 419 426 432 434 436 443 445 447

12

QUÍMICA ORGÁNICA

Tema 15. El grupo carbonilo: aldehídos y cetonas (Dra. Amelía García Fraile) .......................................................................................... 15.1. Definición y nomenclatura de aldehídos y cetonas ....................... . 15.2. Estructura del grupo carbonilo. Propiedades fisicas de aldehídos y cetonas .................. ,......................................................................... . 15.3. Reactividad general de aldehídos y cetonas. Estudio comparativo .. 15.4. Reacciones de adición nucleófila .................................................. . 15.5. Oxidación de aldehídos y cetonas ................................................. .. 15.6. Reducción de aldelúdos y cetonas .................................................. 15.7. Métodos de obtención de aldelúdos y cetonas .............................. ..

457 459 462 463 465 473 475 476

Resumen de conceptos importan.tes ........................................................ . . , ............................................................. . . . . de aut ocomprobac1on E~erc1c1os

479


483

Tema 16. Enoles y enonas: aldelúdos y cetonas a,/j-insaturados (Dra., Amelía Garría Fraile} ........................................................ . 16.1. Tautornería ceto-enol ...................................................................... . 16. 2. Reacciones de condensación aldólica ............................................ . 16.3. Otras reacciones de condensación .................................................. 16.4. Aldelúdos y cetonas a,/j-insaturados. Estructura y nomenclatura .

491 493 498 502 504

Resumen de conceptos importan.tes ........................................................ .

508


509


512

480

UNIDAD DIDÁCTICA V Tema 17. Aminas (Dra. Concepción López Garría) ..... ............................... 17.1. Definición y clasificación de las aminas ........................................ 17.2. Nomenclatura de las aminas ........................................................... 17.3. Propiedades físicas y propiedades ácido-base ................................ 17.4. Reacciones de las aminas ................................................................ 17.5. Aplicaciones sintéticas de las aminas ............................................. 17.6. Métodos de obtención de aminas....................................................

521 523

537 544

Resumen de conceptos importantes .........................................................

54 7

Ejercicios de autocomprobación ..............................................................

548

Soluciones a los ejercicios de autocomprobación ...................................

551

525

526 530

ÍNDICE

Tema 18. Ácidos carboxílicos (Dra. Amelía García Fraile} ....................... . 18.1. Definición y nomenclatura ............................................................ . 18.2. Estructura del grupo carboxilo. Propiedades flsicas de los ácidos carboxílicos .......................................................................................... . 18.3. Acidez del grupo carboxilo ............................................................ . 18.4. Reactividad del grupo carboxilo .................................................... . 18.5. Ácidos dicarboxílicos ...................................................................... 18.6. Métodos de obtención de ácidos carboxílicos ............................... .

13 559 561 563 564 567

574 577


579

. , ............................................................. . . . . de aut ocomprobac1on E~erc1c1os

581


584

Tema 19. Derivados de los ácidos carboxilicos (Dra. Ameba García Fraile). 19.1. Clasificación, propiedades ftsicas y caracteristicas estructurales .. 19.2. Reactividad relativa de los derivados de los ácidos carboxilicos .. . 19.3. Halogenuros de ácido. Nomenclatura y propiedades fisicas ......... . 19.4. Anhídridos de ácido. Nomenclatura y propiedades fisicas ............ . 19.5. Ésteres. Nomenclatura y propiedades fisicas ................................. . 19.6. Amidas. Nomenclatura y propiedades fisicas ................................ . 19.7. Nitrilos. Nomenclatura y propiedades fisicas ................................ . 19.8. Peroxiácidos. Estructura, propiedades y métodos de obtención .... . 19.9. Cetenas. Estructura, propiedades y métodos de obtención ............ .

591 593


619


620


623

Tema 20. Compuestos difuncionales (Dra. Concepción López García) ..... . 20.1. Introducción ................................................................................... . 20.2. Halogenoácidos .............................................................................. . 20.3. Hidroxiácidos ................................................................................. . 20.4. Ácidos insaturados .......................................................................... 20.5. Compuestos dicarbofillicos ............................................................ . 20.6. Síntesis malónica y síntesis acetilacética ....................................... .

633 635 635 637 640 643 647


653


655

Soluciones a los ejercicios de autocomprobación. ................................. .

657

594 595 599 601 607 611

615 616

14

QUÍMICA ORGÁNICA

UNIDAD DIDÁCTICA VI Tema 21. Compuestos aromáticos policíclicos y heterocíclicos (Dra. M.ª del Pilar Cabildo Miranda) ......................................... 21.1. Compuestos aromáticos policiclicos .............................................. . 21. 2. Heterociclos .................................................................................... . 21.3. Heterociclos aromáticos pentagonales con un heteroátomo. Pirro!, furano y tiofeno ............................................................................... 21.4. Heterociclos aromáticos pentagonales con varios heteroátomos. Azoles .............................................................................................. 21.5. Heterociclos aromáticos hexagonales con un heteroátomo. Piridina. 21.6. Heterociclos de anillos condensados. Indol, quinolina e isoquinolina. 21. 7. Alcaloides ....................................................................................... .

667 669 682 685

690 691 695 698

Resumen de conceptos importan.tes ........................................................ .

700


701

Soluciones a los ejercicios de autocomprobación................................. ..

703

Tema 22. Carbohidratos (Dra. M.ª del Pilar Cabildo Miranda) ................. . 22.1. Carbohidratos ................................................................................. . 22.2. Monosacáridos. Clasificación ........................................................ . 22.3. Configuración de monosacáridos. Series D y L ............................ . 22.4. Reacciones generales de los monosacáridos .................................. . 22.5. Estructura cíclica de los azúcares .................................................. . 22.6. Determinación del tamaño del anillo ............................................ .. 22.7. Azúcares naturales: disacáridos, trisacáridos y polisacáridos ........ . 22.8. Azúcares naturales modificados .................................................... .

711 713 713 714 716 722 726 728 736

Resumen de conceptos importantes ........................................................ . . , ............................................................. . . . . de aut ocomprobac1on E~erc1c1os

737


740

Tema 23. Aminoácidos, péptidos y proteínas. Ácidos nucleicos (Dra. M.ª del Pilar Cabildo Miranda) ......................................... 23.1. Nomenclatura y clasificación de los aminoácidos ....................... .. 23.2. Estructura de ion dipolar de los aminoácidos. Punto isoeléctrico .. 23.3. Configuración de los aminoácidos ................................................ . 23.4. Reacciones de los aminoácidos ...................................................... . 23.5. Síntesis de aminoácidos ................................................................. .

738

747

749 750 751 751

755

ÍNDICE

15

23.6. Péptidos y proteínas ....................................................................... . 23.7. Estructura y conformación de las cadenas de péptidos y proteínas. 23.8. Síntesis de péptidos ......................................................................... 23.9. Péptidos y proteínas de interés biológico ...................................... . 23.10. Ácidos nucleicos: ADN y ARN ....................................................

758 758 762 765 766

Resum.en de conceptos importantes ........................................................ . . . . de aut ocomprobac1on . , ............................................................. . E~erc1c1os

770


774

Tema 24. Lípidos derivados de acetil coenzima A (Dra. M ª del Pilar Cabildo Miranda) .........................................

772

24.1. Lípidos ............................................................................................ . 24.2. Grasas y aceites .............................................................................. .

781 783 783

24.3. Fosfolípidos. Fosfoglicéridos: Lecitinas y cefalinas. Plasmalógenos y esfingolípidos ....................................................................... . 24.4. Terpenos ......................................................................................... . 24.5. Esteroides ........................................................................................ 24.6. Prostaglandinas .............................................................................. .

787 790 791 798

Resum.en de conceptos importantes ........................................................ .

800


801


803

Bibliografia ................................................................................................... .

807

PRÓLOGO

A pesar del elevado número de textos existentes sobre Química Orgánica, algunos muy didácticos y de gran calidad, este libro no es uno más a la hora de engrosar esa vasta bibliografla dedicada a la parte más importante y extensa de la Quimica. Ésta es una obra muy peculiar: está concebida para los alumnos de la UNED, es decir, adecuada a la metodología de la educación a distancia. La experiencia adquirida por las autoras, como profesoras en la UNED, y su conocimiento de la problemática a la que se enfrentan los alumnos de esta Universidad, ha dado como resultado este texto que, de una forma práctica, hace mucho más asequible el estudio de la Química Orgánica. Además, el texto se ha elaborado de acuerdo al nuevo Plan de Estudios de la Licenciatura en Química. Cada una de las seis Unidades Didácticas que comprende el libro, está estructurada en cuatro Temas, para que el alumno vaya avanzando en su estudio de una forma gradual. Todos los Temas, a su vez, tienen: un sumario, los objetivos que se pretenden conseguir; el desarrollo del propio Tema; el resumen de los conceptos más importantes, y, por último, los ejercicios de autocomprobaciónjunto con su solución, con el fin de que el alumno pueda autoevaluarse al finalizar el estudio de cada Tema. El texto es autosuficiente. Quedan recogidos los contenidos básicos que, ajuicio de las autoras, un alumno de tercer curso de la Licenciatura debe conocer, aunque esto no impide que se pueda ampliar conocimientos con la utilización de otros libros de texto. La elección de las reacciones más significativas facilita al alumno los conocimientos básicos para que posteriormente pueda abordar cualquier reacción orgánica. El programa se ha enfocado desde el punto de vista del estudio de grupos funcionales; y con el fin de no hacer del estudio de la Química Orgánica un proceso memorístico de reacciones orgánicas, se ha combinado el estudio de los grupos funcionales con sus mecanismos de reacción. De esta forma, se desarrolla una actitud activa que permite la comprensión práctica de las causas que originan los cambios químicos. También se orienta al alumno sobre la utilización de modelos moleculares, ya que la visualización de algunas moléculas se hace mucho más comprensible al ser

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QUÍMICA ORGÁNICA

observadas en tres dimensiones. Además, se introduce un Tema sobre las Técnicas Espectroscópicas más importantes en Química Orgánica, que aproxima al alumno a las técnicas utilizadas en la actualidad para la caracterización estructural de los compuestos orgánicos. La última Unidad Didáctica está dedicada íntegramente al estudio de los Productos Naturales. Así, el alumno puede conocer las diversas estructuras de compuestos orgánicos que están presentes tanto en el mundo animal como vegetal. La utilización del color a lo largo del libro, como complemento didáctico, favorece una mejor visualización de su contenido y, por lo tanto, una más fácil comprensión para el alumno. El color se ha aplicado para diferenciar átomos, sustituyentes o grupos funcionales en la nomenclatura de los compuestos orgánicos, y para destacar la reactividad de las entidades nucle6fdas, representadas en rojo; las electr6fdas, en azul y los radicales y grupos salientes, en verde. Finalmente, también se ha utilizado el color en los esquemas de reacción con átomos o grupos atómicos que cambian de reactividad de una etapa a otra, de tal forma que se han ido sustituyendo los colores en cada momento, para indicar la reactividad del centro activo. Por el contrario, los ejercicios de autocomprobación no llevan color, ya que en dicha fase el alumno ha debido asimilar los conceptos y puede prescindir de su utilización. En definitiva, el conjunto de estas Unidades Didácticas va a ser una herramienta útil para el alumno de la UNED. ~te ha sido el propósito y. confiamos, que su resultado. Es, como se decía en el inicio, un libro peculiar, escrito para el alumno que debe cursar una asignatura tan compleja como es la Química Orgánica, pero con la especial particularidad y adaptación a la metodología de la educación a distancia.

Las autoras

~

UNIDAD DIDACTICA 1

Tema 1

Introducción a la Química Orgánica 1

SUMARIO 1

1

1.1. Introducción 1.2. El átomo de carbono 1.3. Tipos de hibridación de los orbitales atómicos del átomo

de carbono 1.3.1. Hibridación s¡ji. Estructura del metano y etano 1.3.2. Hibridación s¡I-. Estructura del etileno 1.3.3. Hibridación sp. Estructura del acetileno 1.3.4. Modelos moleculares 1.4. Efectos electrónicos de las moléculas orgánicas. Carácter polar del enlace covalente 1.4.1. Efecto inductivo 1.4.2. Efecto conjugativo. Resonancia 1.5. Isomería 1.8. Clasificación de los compuestos orgánicos: Grupos funcionales Resumen de conceptos importantes Ejercicios de autocomprobación Soluciones a los ejercicios de autocomprobación

1

OBJETIVOS 1

1

l. Justificar la formación de enlaces covalentes en los compuestos orgá-

nicos. 2. Distinguir los tipos de hibridación del átomo de carbono así como las diferentes series de compuestos a los que da lugar. 3. Predecir los efectos inductivo y conjugativo o de resonancia en las moléculas orgánicas en base a la naturaleza de los grupos funcionales presentes en las mismas.

4. Identificar los distintos tipos de isomería que presentan los compuestos orgánicos y establecer las diferencias existentes entre ellos. 5. &tablecer la reactividad de las moléculas orgánicas en base a los grupos funcionales que poseen.

INTRODUCCIÓN A LA QUÍMICA ORGÁNICA

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1. 1. Introducción En los comienzos del siglo XIX, la Química era esencialmente descriptiva. Casi

lo único que los químicos de aquella época podían hacer era dividir la materia en dos grandes categorías: sustancias orgánicas e inorgánicas. Las primeras se definen como compuestos que derivan directa o indirectamente de los seres vivos; mientras que las segundas son las que proceden de fuentes inanimadas. Inicialmente la Química centró su atención en las sustancias inorgánicas. siendo su análisis relativamente sencillo dado que sus moléculas consistían, por lo general, en un pequeño número de átomos diferentes combinados en proporciones definidas. Cuando los químicos comenzaron a analizar las sustancias orgánicas, el cuadro parecía ser completamente distinto. Las sustancias podían tener la misma composición y mostrar, sin embargo, propiedades muy diferentes. Por ejemplo, el dimetil éter y el etanol presentan la misma fórmula empírica (C2H60), sin embargo. el primero es un gas a temperatura ambiente mientras que el etanol es un líquído. Esto llevó a suponer que a los compuestos orgánicos no se les podía aplicar las leyes de la Química, puesto que contenían muchos átomos combinados de diferentes formas. Como consecuencia de estos descubrimientos, Berzelius elaboró la teoría del vitalismo, según la cual era necesaria la participación de una fuerza vital para la síntesis de un compuesto orgánico. Según esto, la síntesis sólo podía tener lugar en organismos vivos y nunca en un laboratorio. Sin embargo, no pasaron muchos años, hasta que en 1828 el quimico alemán Friedrich Wohler obtuviese en el laboratorio una sustancia orgánica, la urea, por calefacción de cianato amónico, sustancia considerada como inorgánica. Después de este descubrimiento, se sintetizaron otros compuestos orgánicos utilizando sustancias inorgánicas como materiales de partida. En poco tiempo quedó totalmente rechazada la teoría de la fuerza vital, y poco a poco la Química Orgánica empezó a considerarse como una rama más de la Química, regida por las mismas leyes fisico-químicas que cualquiera de las demás ramas de esta ciencia. Así pues, la Química Orgánica quedó definida como la parte de la Química que estudia los compuestos del carbono, definición que aún está justificada, puesto que los compuestos derivados del átomo de carbono presentan propiedades notablemente diferentes a las del resto de compuestos químicos. Las diferencias más notables con los compuestos inorgánicos son: bajos puntos de fusión y ebullición, reactividad más lenta y compleja y estructuras complicadas, en ocasiones, dificiles de elucidar. La Química Orgánica se relaciona, prácticamente, con todos los aspectos de la vida humana. En los procesos que tienen lugar en el organismo están implicados compuestos orgánicos tales como enzimas, proteínas, hormonas, ácidos nucleicos, etc.; la ropa que nos protege, nylon, poliamidas, etc., es de naturaleza orgánica; el combustible que impulsa los medios de transporte; los fármacos utilizados en el

24

QUÍMICA ORGÁNICA

tratamiento de las enfermedades: los plaguicidas que ayudan a combatir a los agentes transmisores de enfermedades en animales y plantas, etc. En resumen, gran parte del mundo que nos rodea está relacionado con la Química Orgánica.

1.2. El átomo de carbono Como se ha dicho anteriormente, la Química Orgánica es la Química del carbono. A partir de carbono, como elemento fundamental, e hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, azufre y, en algunos casos, otros elementos, pueden formularse innumerables compuestos presentes en la Naturaleza o sintetizados en el laboratorio. Cabe preguntar ahora: ¿por qué el átomo de carbono puede dar lugar a un número tan elevado de compuestos indispensables para la vida como son, por ejemplo, las proteínas? El átomo de carbono ocupa el sexto lugar en el sistema periódico, por lo que su configuración electrónica es: 1#2#2¡1-. La distribución energética de los electrones se encuentra representada en la Figura l. l. 2px 2s

ls

-t-t+ -t+

2py

+-

2pz

Estado fundamental

--

2px 2s

ls

-t-t-t+

2py

-t-

2pz

+-

Estado excitado

Figura 1.1. Distribución electrónica del átomo de carbono en los estados fundamental y excitado.

Según esta disposición cabría esperar que el átomo de carbono fuera bivalente; sin embargo, en casi todos los compuestos orgánicos el carbono es tetravalente, es decir, aporta cuatro electrones al enlace. Para que esto suceda, es necesario que un electrón del orbital 2s, mediante un aporte de energía, pase a ocupar el orbital vacante 2pz La nueva distribución electrónica es la representada en la Figura 1.1. Aunque así queda explicada la tetravalencia del carbono no es suficiente para justificar la estructura y naturaleza de sus enlaces. Para completar el octete electrónico y adoptar la configuración del gas noble correspondiente, el átomo de carbono podría tomar cuatro electrones transformándose en el anión C4-, adquiriendo la configuración del átomo de Ne, o bien desprenderse de ellos pasando de esta forma al catión C4+ y adoptando la configuración electrónica del He. Ambos procesos son imposibles ya que se requeriría una gran cantidad de energía.


25

Por ello, para completar el octete electrónico, el átomo de carbono comparte sus cuatro electrones más extemos con Jos de otros átomos, formando enlaces covalentes. Esto hace que la característica fundamental de los compuestos orgánicos sea la presencia de enlaces covalentes en sus moléculas. Enlaces de carácter iónico pueden observase en casos aislados. Pero tal vez, la característica más notable que distingue al átomo de carbono de todos los demás elementos, es la capacidad que presenta para formar cadenas uniéndose consigo mismo; es decir, el átomo de carbono puede compartir un electrón con otro átomo de carbono, y así sucesivamente de manera prácticamente ilimitada, por lo que las cadenas carbonadas que se originan dan lugar a un número extremadamente elevado de compuestos. Otro elemento que desempeña un importante papel en la Química Orgánica es el hidrógeno. La inmensa mayoría de las cadenas carbonadas contienen hidrógeno en su molécula, debido a la gran facilidad que poseen ambos elementos para formar enlaces covalentes. Así pues, sobre los átomos de carbono e hidrógeno queda asentada la base de la Quúnica Orgánica, pues sólo con estos dos elementos se origina la gran serie de hidrocarburos presentes en la Naturaleza. Los demás compuestos orgánicos resultan de sustituir átomos de hidrógeno por otros diferentes, como se verá posteriormente.

1.3. Tipos de hibridación de los orbitales átomicos del átomo de carbono La pregunta que puede plantearse ahora es: ¿qué estructuras presentan las cadenas carbonadas? Para contestar a esta pregunta es necesario, en primer lugar, recurrir a moléculas sencillas como punto de partida para explicar la estructura de otras más complejas. El estudio por rayos X del metano, el más sencillo de todos los hidrocarburos saturados, de fórmula CH 4, demuestra que todos los enlaces C-H son equivalentes, con una longitud de 1,10 A y formando entre sí un ángulo de 109º 30', lo que les sitúa dirigidos hacia los vértices de un tetraedro regular en el centro del cual se H

H

H H

Figura l.!. Estructura tetraédrica de la molécula de metano.

26

QUÍMICA ORGÁNICA

dispone el átomo de carbono y los átomos de hidrógeno en los vértices del mismo, como se muestra en la Figura 1.2. Es evidente entonces, que la configuración electrónica del átomo de carbono excitado, que se había supuesto anteriormente, no explica la estructura tetraédrica del metano, ya que los tres orbitales 2pX' 2py y 2pz del átomo de carbono darían lugar a tres enlaces C-H con ángulos de 90º, siguiendo las direcciones x, y, z, o lo que es lo mismo, los vértices de un cubo, mientras el cuarto enlace C-H originado por el orbital 2s de simetría esférica, y por tanto adireccional, podría seguir cualquier dirección del espacio; es evidente que los cuatro enlaces no serían equivalentes. ¿Cómo puede explicarse entonces la estructura del metano? Para poder hacerlo es necesario recurrir a la teoría de hibridación de orbitales.

1.3.1. Hibridación

sp3.

Estructura del metano y etano

Linus Pauling, en 1931, demostró que los cuatro orbitales atómicos del átomo de carbono 2s, 2pX' 2py y 2pz pueden combinarse matemáticamente o hibridarse para formar cuatro orbitales equivalentes, orientados en el espacio hacia los vértices de un tetraedro. Estos nuevos orbitales tetraédricos, construidos matemáticamente por combinación de un orbital atómico s y tres orbitales p, se denominan orbitales híbridos s¡fi como se muestra en la Figura 1.3.

Hibridación

y Figura 1.3. Formación de cuatro orbitales híbridos s¡ft a partir de un orbital atómico s y tres orbitales atómicos p.

El orbital s¡fi se describe como un orbital direccional y es capaz de formar enlaces muy fuertes por interacción con los orbitales de otros átomos. Por ejemplo, la interacción de un orbital híbrido s¡fi del carbono con un orbital s del hidrógeno da lugar a un enlace a C-H. Cuando los cuatro orbitales híbridos del carbono interaccionan con los orbitales ls del átomo de hidrógeno, se forman cuatro enlaces a C-H idénticos. En la Figura 1.4 está representada la molécula de metano. Los orbitales híbridos del átomo de carbono pueden interaccionar también con otro orbital s¡fi de otro átomo de carbono distinto para formar cadenas de dos, tres,


27

H

H

H

H

Figura 1.4. Formación de enlaces a en la molécula de metano y diferentes representaciones de la misma generadas por ordenador.

cuatro o un gran número de eslabones. Por ejemplo, la molécula de etano y puede representarse como se indica en la Figura 1.5.

enlace a sp3-s

Figura 1.5. Formación de enlaces a en la molécula de etano y diferentes representaciones de la misma generadas por ordenador.

Como puede observarse, debido a que así lo impone la estructura tetraédrica del átomo de carbono con hibridación s¡J3, las cadenas carbonadas de los hidrocarburos saturados o alcanos, de fórmula general CnHzn+Z• adoptan una forma característica en zig-zag, por lo que también se les suele representar de la siguiente manera: hexano (C5H14)

~

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QUÍMICA ORGÁNICA

1.3.2. Hibridación sp2. Estructura del etileno Además de la hibridación s¡j3, el átomo de carbono puede presentar hibridación s¡i-. Esto supone utilizar los orbitales 2s 2px y 2py para formar tres orbitales híbridos s¡i-, quedando el orbital 2pz sin hibridar, albergando un electrón. Los lóbulos del orbital híbrido s¡i- están en el mismo plano y situados en los vértices de un triángulo equilátero formando ángulos de 120º, mientras que el orbital 2pz se dispone perpendicularmente al plano s¡i-, como se muestra en la Figura 1.6.

Figura 1.6. Carbono con hibridación s¡j-.

El carbono con hibridación s¡i- da lugar a la serie homóloga de los alquenos, de fórmula general CnHzn• siendo el eteno o etileno el representante más sencillo. En la Figura 1. 7 se muestra la molécula de etileno. Como puede observarse, la molécula presenta un doble enlace. Por solapamiento de dos orbitales híbridos s¡i- se origina un enlace a Cs¡i--Cs¡i-. Por otra parte, los orbitales 2pz sin hibridar solapan lateralmente por encima y por debajo del plano de la molécula formando un enlace n adicional. Los otros dos orbitales

Enlacen

Enlacen

Enlace a

Figura l. 7. Formación de enlaces a y n en la molécula de etileno y diferentes representaciones de la misma generadas por ordenador.

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híbridos s¡I- de cada átomo de carbono forman enlaces a con los orbitales ls del átomo de hidrógeno. El enlace n formado, refuerza el enlace a el cual es más débil que el enlace a C-C de los alcanos. Sin embargo, el conjunto de los dos enlaces tiene más fortaleza, lo que hace que la distancia entre los dos átomos de carbono sea menor que en los alcanos.

e-e= 1.54 A s¡)- s¡), a

C=C = 1,34 A s¡J- - s¡J- + 2pz - 2pz, a + n

Se observa también que la longitud de enlace C-H en los alquenos es menor que en los alcanos. C-H = 1,102 A s¡)-s (etano)

C-H = 1,086 s¡J- - s (etileno)

A

Esto puede explicarse teniendo en cuenta que el enlace C-H en el etileno tiene lugar por solapamiento entre un orbital ls del átomo de hidrógeno y un orbital híbrido s¡I- del átomo de carbono, cuyos lóbulos son más cortos que los del sp3 utilizados en el enlace C-H de los alcanos. La consecuencia más importante que puede deducirse de este tipo de hibridación es que la molécula de etileno es plana porque así lo impone el enlace n, que impide que haya rotación libre entorno al enlace a entre los dos átomos de carbono. En la Figura 1.8 se muestra la geometría que presenta la molécula de etileno. H 121º

H

~ cA /~

~Y

111,s0

H 1,34Á H Figura 1.8. Geometría de la molécula de etileno.

Una consecuencia que resulta de la geometría plana del doble enlace, es la aparición de estereoisomería o isomería geométrica (sección 10.2).

1.3.3. Hibridación sp. Estructura del acetileno El tercer tipo de hibridación que puede presentar el carbono es la hibridación sp, en ella el átomo de carbono utiliza los orbitales 2s y 2px para formar dos orbitales híbridos sp, dichos orbitales se sitúan en línea recta, formando entre sí un ángulo de 180º. De esta manera, los orbitales 2py y 2pz quedan sín hibridar situán-

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QUÍMICA ORGÁNICA

z

Figura 1.9. Carbono con hibridación sp.

dose en planos perpendiculares. En la Figura 1. 9 está representado un átomo de carbono con hibridación sp. Como en los casos anteriores, el carbono con hibridación sp da lugar a la serie homóloga de los alquinos, de fórmula general CnHzn-Z• siendo el acetileno el primero de la serie. En la Figura 1.1 O está representada la molécula de dicho hidrocarburo.

Figura 1.10. Formación de enlaces a y nen la molécula de acetileno

y diferentes representaciones de la misma generadas por ordenador. Como puede observarse, el triple enlace existente entre los átomos de carbono de la molécula de acetileno se forma por solapamiento de los orbitales híbridos sp de cada uno de los carbonos, dando lugar a un enlace cr; los orbitales 2p y 2pZ' que se sitúan en planos perpendiculares, solapan lateralmente para formar dos enlaces n. Los orbitales sp restantes forman, cada uno de ellos, un enlace cr con el orbital s de los átomos de hidrógeno. El triple enlace carbono-carbono es más corto que el doble y el sencillo, siendo su longitud de 1,20 A lo que le hace el más fuerte de los enlaces carbono-carbono. El enlace C-H es también más corto que en el caso de los alcanos y alquenos debido al mayor carácter s del híbrido sp y, por tanto, ser menor la longitud de sus lóbulos.


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Debido a la hibridación sp, el acetileno es una molécula lineal lo que hace imposible la isomería geométrica presente en los alquenos. La geometría de dicha molécula se representa a continuación:

ñi~

-

H-C~-H

1 ,20Á Figura 1.11. Geometría de la molécula de acetileno.

Como resumen de todo lo expuesto anteriormente, puede decirse que existen grandes diferencias estructurales entre los alcanos, alquenos y alquinos:

Aleano Alqueno

sp1 tetraédrica s¡P- trigonal

Alquino

splineal

1.3.4. Modelos moleculares Como se habrá podido apreciar al observar las moléculas de metano, etano, etileno y acetileno, los compuestos orgánicos son tridimensionales, y las interacciones espaciales entre los átomos de la molécula pueden ser complejas y difíciles de representar con diagramas bidimensionales que, aunque constituyen la forma más habitual de representar las moléculas orgánicas, tienen limitaciones a la hora de discutir determinados aspectos de las mismas. Como los enlaces en los compuestos orgánicos se forman en todos ellos a partir de orbitales híbridos sp3, s¡jl. y sp, y tanto los ángulos como como las distancias de enlace son constantes de una molécula a otra, esta característica hace posible examinar las estructuras orgánicas y las reacciones con ayuda de modelos tridimensionales. Existen varios tipos de modelos muy útiles para este fin. Algunos son caros, aunque muy precisos y se utilizan, fundamentalmente, en investigación: pero existen otros, relativamente baratos, muy adecuados para un alumno de Química Orgánica. Algunos de estos modelos se relacionan a continuación: • Dreiding-Stereomodels. Están construidos con tubos de acero inoxidable. Los ángulos y las distancias de enlace son proporcionales a las dimensiones moleculares. • Framework Molecular Models. Están construidos con tubos de plástico flexible y pequeños núcleos metálicos simulando a los átomos.

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QUÍMICA ORGÁNICA

• The Benjamín Maruzen Models. En ellos se utilizan átomos de plástico con orificios donde se insertan los enlaces. Estos modelos son baratos y muy útiles para visualizar aspectos tridimensionales de las moléculas orgánicas.

• Corey-Paulíng-Koltum (CPK™) Molecular Models. Son modelos compactos, construidos con un tipo especial de plástico y proporcionales a los radios atómico y covalente de los átomos. En la Figura 1.12 se representa la molécula de etanol construida con los modelos anteriormente mencionados.

a

e

Figura 1.12. Representación de la molécula de etanol: a) CPK; b) Framework; e) Dreiding; d) Benjamin Maruzen.

1.4. Efectos electrónicos de las moléculas orgánicas. Carácter polar del enlace covalente Aunque el enlace covalente es el que presentan la inmensa mayoría de los compuestos orgánicos, sin embargo, en muy pocos casos se trata de un enlace covalente puro sino que posee, según la naturaleza de los átomos que participen en él, un cierto porcentaje de carácter iónico, o lo que es lo mismo, el enlace está parcialmente polarizado.

Un enlace covalente puro sólo se forma cuando los átomos que se unen son iguales o presentan Ja misma electronegatívídad Moléculas con enlaces covalentes puros son, por ejemplo, la de hidrógeno (H2), la de cloro (Cl2) y la de etano (CH 3-CH3). Si los átomos que forman el enlace tienen distinta electronegatividad los electrones no estarán compartidos por igual en ambos átomos; se dice entonces que el enlace es parcialmente íóníco y Ja molécula está polarizada. El cloruro de hidró-

33


geno es un ejemplo de molécula de este tipo donde el halógeno, debido a su mayor electronegatividad presenta una densidad de carga mayor que el hidrógeno. o+ oCl-Cl

H-c1 :

enlace covalente no polarizado

enlace covalente polarizado

El fenómeno de la polarización de enlaces se produce en todas las moléculas orgánicas, en mayor o menor grado, a excepción de los hidrocarburos, dependiendo de la naturaleza de los átomos que formen el enlace. Por ejemplo, en las moléculas de bromuro de etilo y etilamina, el átomo de carbono unido al halógeno o al nitrógeno presenta una cierta carga positiva, debido a la polarización de los enlaces como consecuencia de la mayor electronegatividad de los átomos de bromo y nitrógeno. La polarización de los enlaces va a dar lugar a ciertos efectos de desplazamiento electrónico en las moléculas orgánicas que se describen a continuación.

1.4. 1. Efecto inductivo Si en una molécula orgánica existe un enlace covalente polarizado, se produce un desplazamiento electrónico a través de toda la cadena de átomos. Por ejemplo, en la molécula de cloruro de propilo el efecto puede representarse de la siguiente manera: H H

oM+

os+

s+

s-

CH3--CH2--CH2-- Cl 3 2 1

1

1

1

1

H

t t

H-c-c--c-c1 H H

H

Cloruro de propilo

El átomo de cloro, debido a su mayor electronegatividad frente al carbono, atrae hacia sí la nube electrónica del enlace C1-Cl por lo que el C1 adquiere cierta carga positiva a+-. Esta carga positiva tiende a compensarse por los electrones de los enlaces C1-H y C1-C 2, esto hace que en el átomo de carbono C2 aparezca una determinada carga positiva 08+-, menor que la anterior. El fenómeno se va repitiendo sucesivamente a lo largo de la cadena. A este efecto se le denomina inductivo porque está provocado (inducido) por el átomo electronegativo que atrae hacia sí los electrones del enlace, dando lugar a que en la molécula aparezca una polarización permanente.

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QUÍMICA ORGÁNICA

Las principales características de este efecto son las siguientes: a) Disminuye progresivamente a Jo largo de Ja cadena a parür del átomo que lo ha induddo. b) El desplazamiento üene Jugar en Ja misma linea de valenda, sin que Jos electrones dejen de pertenecer al mismo octete al que pertenecían en un principio. c) Es una cara.cterísüca propia de cada molécula. El efecto inductivo se representa mediante la letra I precedida de signo + o según la dirección del desplazamiento. Un átomo con efecto -/ atrae electrones hacia si, mientras que otro con efecto +/Jos cede. En el ejemplo anterior el grupo etilo ejerce un efecto + I y el átomo de cloro -1 Para medir el efecto inductivo se toma como referencia el átomo de hidrógeno. En la Tabla 1.1 están recogidos diferentes grupos funcionales según el orden decreciente (considerados de arriba a abajo y de izquierda a derecha) de los valores de los efectos +I y -1. Tabla 1.1. Efectos inductivos de diferentes grupos relativos al hidrógeno

-0-

-NR3+ -SR2+ -NH3+ -NOz -S02R -CN -S02Ar

-coo-CR3 -CHR2 -CH2R -CH3

-D

-COOH

-F -Cl -Br

-1 -OAr -COOR

-OR -COR -SH -SR -C==CR -Ar -CH=CR2

Como se puede observar, la mayor parte de los grupos son electroatrayentes comparados con el hidrógeno. Los grupos electrodonantes son aquellos que presentan carga negativa formal y los grupos alquilo.

1.4.2. Efecto con¡ugativo. Resonancia Este efecto aparece en moléculas con enlaces múltiples. Por ejemplo, en la molécula de acetona, como el oxígeno es más electronegativo que el carbono, la nube electrónica estará desplazada hacia aquél.

:~ CH3-C-CH3

Acetona

.·I+ CH3-C-CH3 :o :

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La segunda fórmula que representa a la molécula de acetona se obtiene como consecuencia de dicho desplazamiento electrónico. Ninguna de las dos fórmulas por separado explica la estructura de la acetona; su verdadera estructura es una mezcla o híbrido de resonanda entre las dos formas canónicas, no significando esto que haya un equilibrio entre ambas, pues por sí solas no tienen existencia real (tener en cuenta que se utiliza el símbolo y no ===.)Una manera más satisfactoria de representar la molécula de acetona seria: :Q<)1

CH3-C-CH3 ó+

El grupo carbonilo tiene un efecto conjugativo o mesómero -MOlamado también -KJ porque atrae hacia sí la nube electrónica del enlace n. Existen grupos que presentan un efecto +M, es decir, que ceden electrones al átomo de carbono unido directamente a él. Por ejemplo el grupo -O-CH3.

CH3-~ CHLq-CH3

-

CH3-CH=CH-q ---CH3

En la Tablal.2 están recogidos diferentes grupos funcionales con efecto +My -M, aunque no están ordenados según la fortaleza del efecto. El grupo Ar (anillo

aromático) puede presentar los dos tipos de efectos. El efecto conjugativo se pone de manifiesto en numerosos compuestos aromáticos, siendo decisivo en la orientación de las reacciones de sustitución electrófila aromática (SEAr) como se verá en el Tema 13. Tabla 1.2. Efectos conjugativos de diferentes grupos funcionales

-o-s-NR2 -NHR -NH2 -NHCOR -OR -OH -OCOR

-SR -SH -Br -1 -Cl

-N02 -CN -COOH -COOR

-F

-CONH2 -CONHR

-Ar

-CONR2

-CHO -COR -S02R -S020R

-Ar -NO

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QUÍMICA ORGÁNICA

La diferencia más notable entre los efectos inductivo y conjugativo es que en este último hay un cambio en el octete electrónico al pasar de una estructura canónica a otra. El efecto conjugativo es una expresión del concepto de resonancia. Cuando para una molécula se pueden formular dos o más estructuras que difieran solamente en la distribución de los electrones y no en la posición de los núcleos, la estructura de dicha molécula está representada por todas las formas resonantes que posea, si bien ninguna de ellas tiene existencia real. Se dice que la molécula es un híbrido de resonancia de todas las estructuras, no pudiendo representarse satisfactoriamente por ninguna de ellas. Para representar adecuadamente una molécula mediante sus formas resonantes, hay que tener en cuenta las siguientes reglas: a) Los núdeos atómicos de todas las formas resonantes deben tener Ja misma

distribución espacial, es decir; solamente deben diferenciarse en la posición de los electrones. Por ejemplo, el benceno presenta dos estructuras resonantes; sin embargo no sería resonante con el prismano.

o

Benceno

o

Prismano

Todas las formas resonantes deben tener el mismo número de electrones desapareados. Por ejemplo, el butadieno no sería resonante con el dirradical: b)

CH2=CH-CH=CH2

X

..

~

°CH2-CH=CH-CH2·

dos electrones desapareados

sin embargo, sí lo es con las formas: +

;--;

CH2-CH=CH-CH2 -

~

~

C~ CH~ CH2 -

ningún electrón desapareado

;--;

+

CH2-CH=CH-CH2

ningún electrón desapareado

e) Los elementos del primer período (B, C, N, O, F) no pueden tener más de ocho electrones de valencia. Por ejemplo, no sería correcta la fórmula:

~º

CH3-CH2-N,

o

37


pues el átomo de nitrógeno compartiría diez electrones dando lugar a una estructura muy inestable. Aunque una molécula pueda representarse por varias estructuras resonantes, no significa que cada una de ellas contribuya en la misma proporción que las demás a la estructura real de dicha molécula. La estabilidad de todas las formas resonantes no es la misma y por tanto, la contribución de cada una de ellas al híbrido depende de su estabilidad relativa, teniendo mayor participación la estructura más estable. Los criterios para establecer la estabilidad de una forma resonante son los siguientes: a) Cuanto mayor sea el número de enlaces covalentes que puedan formularse en una forma resonante, mayor es Ja estabilidad de ésta y, por tanto, mayor

será su participación, es evidente que son más estables las formas neutras no cargadas. b) En el caso de tratarse de formas dipolares, son más estables las que sitúan la carga negativa sobre un átomo electronegativo y la positiva sobre uno con menor electronegatividad, que aquellas en las que las cargas están colocadas en senüdo contrario al indicado. c) La estabilidad de una forma dipolar es mayor cuanto más alejadas estén las cargas del mismo signo, y menor cuanto más próximas se encuentren. El ejemplo que se indica a continuación ilustra lo mencionado anteriormente. +

o:

"'

:-: /" CH2-CH=C

"'.H 11

111

1

:-:

+

¡ :-:

+

CHr-CH-CH-~:

IV

1 (mayor número de enlaces covalentes) > 11 (dispersión de cargas sobre átomos con electronegatividades compatibles con las mismas) >> 111 (incompatibilidad entre las cargas y los átomos que las soportan) >>>IV (acumulación de cargas). El fenómeno de la resonancia es un efecto estabilizante que aparece con mucha frecuencia en Química Orgánica. Cuanto mayor sea el número de estructuras resonantes que puedan formularse para una molécula neutra, catión, anión o radical, mayor será la estabilidad de estas especies.

38

QUÍMICA ORGÁNICA

A lo largo de este curso de Química Orgánica, podrá comprobarse la importancia de este efecto en lo que respecta a la estabilidad de los intermedios de reacción, carbocationes, carbaniones, radicales y carbenos, que es decisiva en el transcurso de una reacción orgánica.

1.5. Isomería La isomería es un fenómeno muy frecuente en Química Orgánica y surge como consecuencia del gran número de posibilidades que tienen los átomos de carbono de una molécula para unirse entre sí o con otros elementos. Se denominan isómeros aquellos compuestos que presentan Ja misma fórmula molecular (es decir, el mismo número de átomos de los elementos que los constituyen}, pero difieren en Ja forma en que dichos átomos están unidos entre sí dentro de Ja molécula o en Ja disposición de Jos mismos en el espacio, y poseen propiedades Jlsicas y químicas distintas. Los diferentes tipos de isomería que presentan los compuestos orgánicos están recogidos en el siguiente esquema: De cadena Isomería constitucional

{

De posición Funcional

Tipos de isomería Estereoisomeria

Óptica { Geométrica

Los isómeros constitucionales (este término sustituye al antiguo estructural) difieren en la forma y el orden en que están unidos los átomos entre sí y los estereoisómeros se diferencian, solamente, en la disposición de los átomos en el espacio. Isomería de cadena

Este tipo de isomería se presenta en aquellos compuestos que se diferencian en la disposición de sus átomos de carbono. Por ejemplo, el butano, de fórmula C4H10, presenta dos isómeros diferentes: CH3-CH2-CH2-CH3

Butano

CH3-CH-CH3 1

CH3

2-Metilpropano (Isobutano)

39


El pentano, C5H12, posee tres isómeros: CH:r-CH2-CH-CH3

CH3-CH2-CHr-CH2-CH3

1

Pentano

CH3 2-Metilbutano (Isopentano) CH3 1

CH:,--C-CH3 1

CH3

2, 2-Dimetilpropano (Neopentano)

Al hexano, C6H14, le corresponderían cinco isómeros, al heptano, C7H16, nueve y al octano, C8H18, dieciocho. A medida que aumenta el número de átomos de carbono de wia molécula, mayor es el número de isómeros que presentará. Isomería de posición

Se presenta en aquellos compuestos que teniendo idéntica fórmula molecular y esqueleto hidrocarbonado, difieren en la posición que ocupa wi determinado sustituyente en la cadena carbonada. Este tipo de isomería también se refiere a la posición que ocupa un enlace múltiple. A continuación se indican algunos ejemplos de isómeros de posición. CH3-CH2-CH20H

CH3-CH-CH3

1-Propanol

OH

1

2-Propanol CH:r-CH2-C==CH

CH3-C==C-CH3

1-Butino

2-Butino

Cl

Cl Cl 2-Clorotolueno

3-Clorotolueno

4-Clorotolueno

40

QUÍMICA ORGÁNICA

Isomería funcional La presentan aquellos compuestos que teniendo idéntica fórmula molecular poseen diferentes grupos funcionales. Por ejemplo: CH3-CH2-CH2-CH20H

CH3-CH2-0 ---CH2-CH2H

1-Butanol

Dietil éter

o 11

CH3-0-CH2H

Propanona (Acetona)

Propanal

Estereoisomería Los dos tipos restantes de isomería, geométrica y óptica, se presentan en moléculas que sólo se diferencian en la disposición de sus átomos en el espacio. Por ejemplo el 2-buteno presenta dos isómeros geométricos que difieren en la posición de los sustituyentes (H y CH3) en el doble enlace. Si están del mismo lado se denomina ds o Z, y si están situados en lado contrario trans o E. H'\.

/H

/C=C'\. H3C CH3

c.b'-Buteno

H3C'\.

/H

/C=C'\. H CH3

tranrButeno

La isomería óptica se presenta en moléculas que poseen la propiedad de poder existir en dos formas que mantienen entre sí la relación objeto-imagen. Por ejemplo el ácido 2-aminopropanoico (alanina) presenta dos isómeros ópticos:

u2N

H

H

1

1

,.......e \

COOH CH3

Ácido-(2.s)-aminopropanoico (S-Alanina)

HOOC / H3C

e, NH2

Ácido-(2R)-aminopropanoico (R-Alanina)

A lo largo de este curso de Química Orgánica se estudiarán más ampliamente estos dos tipos de isomería. Cabe añadir que en ciertas ocasiones es dificil distinguir qué tipo de isomería diferencia a dos compuestos determinados. Muchas veces aparecen varios tipos de isomería simultáneamente. Por ejemplo, la 2-metil-3-heptanona y la 3-metil-4heptanona son isómeros de cadena y de posición.

41


o o

11

CH3-1H-C-CH2-CH2-CH2-CH3 CH 3

11

CH3-CH2-CH2-C-CH2-CH2-CH3

tH

2-Metil-3-heptanona

3

3-Metil-4-heptanona

El 1,5-hexadiino y el benceno tienen idéntica fórmula molecular (C 6Hs) y se les puede considerar isómeros funcionales, ya que el anillo aromático confiere al benceno una reactividad muy característica que no posee el 1,5-hexadiino.

o

1,5-Hexadiino

Benceno

1.6. Clasificación de los compuestos orgánicos: Grupos funcionales Las moléculas orgánicas se componen de dos partes: el esqueleto y el grupo o grupos funcionales. El esqueleto está constituido por átomos de carbono con hibridación s¡j3 unidos a átomos de hidrógeno; este esqueleto es poco reactivo, siendo por tanto el grupo funcional el que va a conferir a la molécula una reactividad característica. Químicamente un determinado grupo funcional se comporta de una manera parecida en todas las moléculas de las que forma parte, lo que permite una ordenación sistemática de los compuestos orgánicos en base a los grupos funcionales presentes en los mismos. Los compuestos orgánicos más sencillos son los hidrocarburos que contienen solamente carbono e hidrógeno en su molécula. Se clasifican en dos grandes grupos: hidrocarburos alifáücos e hidrocarburos aromáücos. Hay tres tipos de hidrocarburos alifáticos: alcanos, alquenos y alquinos. Los alcanos o hidrocarburos saturados no presentan ningún grupo funcional y únicamente poseen enlaces sencillos, ejemplo de ellos son el metano, etano y propano. Sus análogos cíclicos, los cicloalcanos están ejemplificados por el ciclohexano.

CH4

CH2-CH2-CH3

Metano

Propano

42

QUÍMICA ORGÁNICA

Los alquenosy a/quinos, hidrocarburos insaturados, contienen en su molécula dobles y triples enlaces C-C. Son ejemplos de este tipo de hidrocarburos el eteno o etileno, propeno, etino o acetileno y propino. CH3-CH= CH2

CH2= CH2

Eteno

Propeno

(Etileno)

HC==CH

CH3-C== CH

Etino (Acetileno)

Propino

Un hidrocarburo insaturado especial es el benceno que presenta tres dobles enlaces incluidos en un anillo de seis miembros. / CH CH °'cH 11

CH

1

, cH ' cH

/ CH CH °'cH /CH3 CH......._ , c-cH, CH CH3 11

1

Benceno

lsopropilbenceno

El benceno y sus derivados se denominan hidrocarburos aromáücos, término adoptado por el intenso olor de algunos bencenos sustituidos. Un grupo funcional muy frecuente es el hidroxilo -OH, característico de los alcoholes. En los éteres el grupo característico es el alcoxi -OR, donde R es un grupo alquilo. CH3 1

CH30H

CH3-CH20H

CH3-0-CH3

CH3-CH2-0-CH2

Metanol (Alcohol metílico)

Etanol (Alcohol etílico)

Dimetil éter (Metoximetano)

Dietil éter (Etoxietano)

La sustitución del oxígeno en los alcoholes por azufre origina los tioles. CH3-CH2SH

Etanotiol

Los aldehídos y cetonas presentan en su molécula el grupo carbonilo -CO, mientras que en los ácidos carboxílicos es el grupo carboxilo -COOH el responsable de su reactividad.

o

~º

11

H-C

'

CH3-C-CH3

H

Metanal (Formaldehído)

Etanal (Acetaldehído)

Propanona (Acetona)

Butanona (Etilmetilcetona)


~º

H-C

"-oH Ácido metanoico (Ácido fórmico)

43

~º

CH3-C"-. OH

Ácido etanoico (Ácido acético)

Otro tipo de compuestos orgánicos son las aminas que se caracterizan por tener una cadena alquílica y un átomo de nitrógeno en su molécula. CH3 1

CH:r-N-CH3

Metanamina (Metilamina)

N,N-Dimetilmetanamina (Trimetilamina)

En la Tablal.3 se resume una selección de grupos funcionales, la clase de compuestos a que dan lugar, su estructura general y un ejemplo de cada uno de ellos.

Resumen de conceptos importantes 1. La Quimica Orgánica es la Qwmica del carbono. 2. El átomo de carbono forma enlaces covalentes con otros átomos al compartir sus cuatro electrones más externos. Para formar dichos enlaces, el átomo de carbono utiliza orbitales lúbridos, s¡jJ, s¡I- y sp. 3. Los compuestos con enlace sencillo C-C se forman por solapamiento de

4. 5.

6. 7.

dos orbitales híbridos s¡JJ. Si el solapamiento tiene lugar entre orbitales hibridos s¡I- el resultado es un compuesto orgánico con un doble enlace C=C en la molécula. Por último, la interacción entre orbitales híbridos sp da lugar a compuestos con un triple enlace C=C. Los enlaces formados por solapamiento a lo largo del eje internuclear se llaman enlaces a, los originados por solapamiento de orbitales p, perpendiculares al eje intemuclear, se denominan enlaces n. La diferencia de electronegatividades entre los átomos que forman un enlace, es la causa de que se produzca el fenómeno de la polarización de enlaces. Dicha polarización da lugar a dos efectos de desplazamiento electrónico: efecto inductivo y efecto conjugativo. El efecto conjugativo es el responsable del fenómeno de resonancia. Dos estructuras resonantes difieren, únicamente, en la distribución de los electrones y no en la posición de los núcleos. Las moléculas que tienen la misma fórmula molecular pero difieren en la forma en que los átomos se unen entre sí en la molécula, o en la disposición espacial que éstos presentan, se denominan Isómeros.

44

QUÍMICA ORGÁNICA

'Illbla 1.3. Grupos funcionales más comunes

R-H

Alcanos Rt

\:-e/

Alquenos

R3/-- '-R4 R2

R3

'

Aromáticos

No hay R2

' / ;e-e,

/ ~e-e, RI-C C-R" -C

'c=c/

R(

'-.R5

Rl-C=C-R2 Alquinos RF, RCI, RBr, RI Halogenuros de alquilo R-OH Alcoholes Rl-Q-R2 Éteres Aminas R-NH2 Aminas primarias

' - /

C-

/f'-C,

-C==C-F, -Cl, -Br, -1

CH3-C==C-CH3 CH3Cl

-OH

CH3CH20H CH3-0-CH2CH3

-0-

CH3-NH2

Aminas secundarias Rl-Nff-R2 Aminas terciarias

CH3-NH-CH2CH3

Rl-N-R2 1

R3 Tioles Sulfuros

Organometálicos

R-SH Rl-S-R2 RM, RzM, RJM

~

-SH

-s-M

V V -c-

-C-H

Aldehídos

R-C-H

Cetonas

Rl-C-R2

Ácidos carboxílicos

R-C-OH

-C-OH

Ésteres

Rl-C-QR2

~

-C-0-

Amidas

Rl-C-NR2

~

-C-N

Halogenuros de ácido Nitrilos

V

~

~

R-C-X R-C=N

v

V

v /

' V -c-x -C=N

~

CH:,--C-Cl CH3C=N


Eiercicios de autocomprobación l. Indicar la hibridación que presenta cada átomo de carbono en los siguientes compuestos. a) CH3-C==N

o

b)

11

CH3-CH2-C-CH3

2. Clasificar los siguientes grupos funcionales según sus efectos de

desplazamiento electrónico ±/o ±M.

~º , "acH3

-C

-O-CH3, CH3-CH2-CH2-, -N02

3. De los siguientes pares de estructuras resonantes indicar cuál es más estable:

45

46

QUÍMICA ORGÁNICA

4. Indicar los isómeros de posición de cada uno de los siguientes com-

puestos. a)

O

CH3-CH2-~-CH2-CH2-CH3

b) CH3-CH=CH-1H-CH3 CHs

Cl d) CH3-0-CH2-CH-CH3 1

CHs e) CH3-CH2-CH2-CH-C==CH 1

CH3

47


5. Indicar qué tipo de isomería presentan entre sí los siguientes pares de compuestos:

)J

a)

CH3-CH2-C

CH3-CH-C

¿l

"c1

)J

\i

b) COOCH3

OCH3 e)

OCH3

OCH3

o

CH3-CH-~-CH2-CH3 1

CH3

48

QUÍMICA ORGÁNICA

Soluciones a los eiercicios de autocomprobación l. Compuesto

Carbono-hibridación

CH3-C=N 1 2 o

C1-s¡P; C2-sp

CH3-CH2-~-CH3 4 3 2 1

•01

C1, C3 y C4-s¡P; C2-s¡I-

6

4

C1 y C2-s¡I-; C3, C4, Cs y Co-s¡P

2

3 CH:r-CHr-C==CH 4 3 2 1

o

C1 y Cz--sp. C3 y C4-s¡P

Todos los C tienen hibridación s¡I-

jJ

CH2- CH-CH2-C 4 3 2 1'\.}{

Ci. C3 y C4-s¡I-; C2-s¡P

Efecto de desplazamiento electrónico

Grupos

+/

Cli3-Clir-CH2-

-/

-C=C-CH3

-l. +M

Cli3-0-; (CH3)2N-; -Cl

2.

-l. -M

Cli3-CO-; -C

~º

; -N02 "ocu3

3.

a) La estructura neutra es más estable por presentar mayor número de enlaces covalentes.

49


b) Es más estable la segunda estructura porque en ella la carga negativa está situada sobre el átomo de oxígeno, más electronegativo que el de carbono. e) Es más estable la primera de ellas porque presenta mayor número de enlaces covalentes. d) Es más estable la primera por la misma razón que en el caso anterior. 4.

a)

o 11

CH3-C-CH2-CH2-CHr-CH3 b) CH2=CH-CH2-yH-CH3; CH3-CH2-CH=C(-CH3; CH3

CH3

CH3-CHr-CH2-C=CH2 ¿Hs e) ( ( N 0 2

~I

l

d) CHs-CH2-0-yH-CH3; CH3-CH2-yH-O-CH3

CH3 e) CH3-C==C-yH-CH2-CH3;

CH3 HC==C-CH2-yH-CH2-CH3 CH3

5. a) Funcional. b) Funcional. c) De posición. d) De cadena.

CH3

Tema 2

Alean os

1

SUMARIO 1

1

2.1. Definición y clasificación de los alcanos 2.2. Nomenclatura de los alcanos 2.3. Propiedades fisicas de los alcanos 2.4. Análisis conformacional de los alcanos 2.5. Reactividad general de los alcanos 2.5.1. Combustión 2.5.2. Halogenación 2.5.3. Pirólisis

2.8. Métodos de obtención de alcanos Resumen de conceptos importantes Ejercicios de autocomprobación Soluciones a los ejercicios de autocomprobación

1

OBJETIVOS 1

1

l. Reconocer la estructura y formular los alcanos.

2. Correlacionar la estructura de dichos compuestos con propiedades flsicas tales como puntos de fusión y ebullición. 3. En base al análisis conformacional. establecer la estabilidad relativa

de las diferentes conformaciones. 4. Determinar la reactividad frente a las reacciones de halogenación

radicalaria, en base a la estabilidad de los radicales formados como intermedios. 5. Conocer los métodos de síntesis más importantes para la preparación de estos hidrocarburos.

53

ALCANOS

2.1. Definición y clasificación de los alcanos Con el nombre genérico de alcanos o parafinas se conoce a todos aquellos hidrocarburos que responden a la fórmula general C0 H20+2• Dicha fórmula es característica de los hidrocarburos saturados de cadena abierta, es decir, aquellos en los que todos sus átomos de carbono presentan hibridación s;, lo que significa que tanto los enlaces C-C como los C-H son enlaces a. Los alcanos se clasifican en distintos tipos dependiendo de su estructura: alcanos de cadena lineal cuyos carbonos están dispuestos en una sola fila, como por ejemplo el propano; alcanos ramificados en los que la cadena carbonada presenta uno o varios puntos de ramificación, como por ejemplo el 2-metilbutano; alcanos cíclicos o cidoalcanos, que como su nombre indica son aquellos en los que los átomos de carbono están dispuestos formando ciclos, por ejemplo el ciclohexano y alcanos más complicados bicíclicos, tricíclicos y policíclicos. CH3-CH2-CH3 Propano (Alcano lineal)

CH3-CH-CH2-CH3 1

CH3 2-Metilbutano (Alcano ramificado)

,.........cu2........._ H2C CH2 1

1

H2c........._ ,......cu2 CH2 Ciclohexano (Alcano cíclico)

2.2. Nomenclatura de los alcanos Las múltiples posibilidades de unión de los átomos de carbono entre sí y con otros sustituyentes constituye la razón principal de la existencia de un número tan elevado de compuestos orgánicos. Es evidente, que para poder diferenciar todos estos compuestos es necesario nombrarlos según unas determinadas normas generales. Dichas normas, propuestas por la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (International Union of Pure andApplied Chemistry), constituyen la base de una nomenclatura más sistemática que la utilizada antiguamente. Las reglas de nomenclatura se llaman reglas de la IUPAC. Los alcanos se nombran con el numeral griego, que indica el número de átomos de carbono penta (5), hexa (6), hepta (7), etc. y la terminación -ano. No obstante los cuatro primeros alcanos tienen nombres especiales aceptados por la

54

QUíMICA ORGÁNICA

Tabla 2.1. Nombres y fórmulas de los siete primeros alcanos lineales Número de átomosdeC 1 2 3 4

5 6 7

Metano Etano Propano Butano Pentano Hexano Heptano

CH4 CH3-CH3 CH3-CH2-CH3 CH3(CH2)2CH3 CH3(CH2hCH3 CH3(CH2)4CH3 CH3(CH2)sCH3

CH4 C2fftJ C:Jis C4H10 CsH12 Csff14 C1H16

IUPAC. En la Tabla 2.1 están recogidos los nombres y las fórmulas de los siete primeros alcanos lineales. La nomenclatura sistemática no ofrecería dificultades si solamente existieran hidrocarburos de cadena lineal, pero debido a la isomería (ver Tema 1) existen compuestos que, aun teniendo el mismo número de átomos de C y de H, la unión entre ellos puede ser diferente.

Para nombrar los hidrocarburos ramificados es preciso introducir el concepto de grupo alquilo. Un grupo alquilo resulta de sustraer a un hidrocarburo un átomo de hidrógeno y se denomina como el compuesto de partida pero sustituyendo la terminación -ano por -ilo. Así, por ejemplo, del metano deriva el grupo metilo (-CH3), del etano deriva el etilo (-CH2-CHg), etc. Pero, examinando los siguientes hidrocarburos de la serie, se puede ver que existen tres átomos de carbono de naturaleza diferente por la forma en que van enlazados.

Los carbonos primarios se encuentran unidos a tres átomos de hidrógeno y a uno de carbono, los secundarlos están enlazados a dos átomos de hidrógeno y a dos de carbono, y los terciarios a un átomo de hidrógeno y a tres de carbono. Por tanto, teniendo en cuenta esto, la sustitución del hidrógeno unido a un átomo de carbono primario originará un grupo alquilo primario; de un carbono secunda-

55

ALCANOS

rio resultará un grupo alquilo secundarto, y el mismo razonamiento puede aplicarse a un átomo de carbono terciarto. Así pues, del propano derivarán el propilo (CH3-CH2 -CH2- ) y el propilo CH3 1

secundarto, más conocido por isopropilo (CH3-CH-). En la Tabla 2.2 se recogen los grupos alquilo ramificados junto con la fórmula y designación de los mismos. Tabla 2..2. Grupos alquilo ramificados

CH3-9HCH3 CH3-9H-CH2CH3 CH3-CH2-yHCH3

1"3

CH3-9CH3 CH3-9H-CH2-CH2CH3

1"3

CH3-9-CH2-

1-Metiletilo (lsopropilo)

Secundario

2-Metilpropilo (lsobutilo)

Primario

1-Metllpropilo (sec-Butllo)

Secundario

1, 1-Dimetiletilo (ten:-Butilo)

Terciario

3-Metilbutilo (Isopentilo)

Primario

2, 2-Dimetilpropilo (Neopentilo)

Primario

CH3

Con lo expuesto hasta ahora se está en disposición para nombrar alcanos de estructura compleja. La IUPAC proporciona una serie de reglas que permiten nombrarlos de una forma relativamente sencilla. Dichas reglas se indican a continuación:

Regla 1. Seleccionar Ja cadena más larga de Ja molécula y utilizar el nombre del hidrocarburo al que corresponda. CH3 CH3-CH2-CH-CH2-CH3 1

CH3

Derivado del pentano

CH2-CH3

1

1

CH3-CH-CH-CH-CH2-CH2-CH3 1

CH3

Derivado del heptano

56

QUíMICA ORGÁNICA

Si una molécula posee dos o más cadenas de igual longitud se toma como cadena principal la que tenga más sustituyentes. CH3

CH2-CH3

1

CH3

1

CH2-CH3

1

CH3-CH-CH-CH-CH2-CH3

1


1

1

CH2

CH2

1

1

CH3

CH3

Hexano trisustituido (correcto)

Hexano disustituido (incorrecto)

Regla 2. Nombrar todos los grupos unidos a Ja cadena más larga como susütuyentes alquilo. Para nombrar sustituyentes de cadena lineal puede utilizarse la Tabla 2.1 para derivar el nombre del alquilo. Si los sustituyentes son ramificados y no se encuentran recogidos en la Tabla 2.2, para nombrarlos se aplican las mismas reglas de la IUPAC empleadas para la cadena principal. Para la denominación de las cadenas laterales se emplea el nombre del sustituyente alquilo con supresión de la letra «O» final. Regla 3. Numerar los carbonos de Ja cadena más larga, de manera que a los susütuyentes alquUicos les correspondan los números más bajos posibles. CH3 1

CH3-CH2-CH-CH3

Correcto Incorrecto

4 1

3 2

2 3

1 4

Si hay dos sustituyentes a igual distancia de los extremos, el carbono con número más bajo es aquel que esté unido al sustituyente que vaya en primer lugar alfabéticamente, excluyendo los prefijos multiplicadores (di, tri, tetra, etc.). Tampoco se tienen en cuenta los prefijos sec- y terc-. CH3 1

CH2-CH3 CH2-CH2-CH3 1

I

ª

7

s

CH3-CH2-CH-CH2-CH 1

2

3

4

5

Etilo antes que metilo

En la cadena de un sustituyente, el carbono número uno es siempre el átomo de carbono unido a la cadena principal.

57

ALCANOS

CH3-CH2-CH-CH2-CH2-CH2-CH3 1 2 31 4 5 6 7 CH2-CH-CH3 1

1

2

3

CH3

Regla 4. Nombrar el a/cano comenzando por Jos sustituyen/es ordenados alfabéticamente, precedidos por el número del carbono al que estén unidos, seguido por el nombre de Ja cadena principal Si existen varios sustituyentes iguales se utilizan los prefijos di, tri, tetra, etc., precedidos de los números que indiquen sus posiciones, separados por comas, con un guión entre el último de aquellos y el nombre del sustituyente, y como se ha dicho anteriormente, no se tienen en cuenta en el orden alfabético. En los ejemplos que se indican a continuación pueden verse aplicadas las

reglas anteriormente expuestas. CH3 1

CH3

CH-CH3

1

1

CH2-CH3 1

CH3-CH-CH2-CH-CH2-CH-CH2-CH3 1

2

3

4

5

6

7

8

6-Etil-4-isopropil-2-metiloctano 8

9

10

CH2-CH2-CH3

CH3

1

1

CH3- CH-CH2-CH-CH2-CH-CH2-CH3

si

6

1

4

3

2

1

CH-CH2-CH3

11

2

3

CH3-CH2

5-(1-Etilpropil)-3, 7-dimetildecano

Si existen dos o más cadenas laterales complejas idénticas, se utilizan los prefijos bis-, tris-, tetrakis-, etc., precedidos de los números que indiquen sus posiciones. Por ejemplo: CH3 1

CH3-C-CH2-CH3 1

CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH-CH-CH2-CH2-CH2-CH3 11

10

9

s

1

a

s¡

s

4

CH:r-C-CH2-CH3

11

2

3

CH3

5,6-Bis(l,1-dimetilpropil)undecano

2

1

58

QUíMICA ORGÁNICA

En resumen, para nombrar un alcano ramificado los pasos a seguir son los siguientes: a) Buscar la cadena más larga. b) Buscar y nombrar todos los grupos alquilo unidos a ella. c) Numerar la cadena. d) Nombrar el alcano, utilizando el nombre del hidrocarburo que corresponda a la cadena más larga, con los nombres de los sustituyentes por orden alfabético y precedidos de números que indiquen su localización.

2.3. Propiedades físicas de los alcanos Como ya se expuso anteriormente, en las moléculas de los alcanos solamente hay participación de enlaces G s¡P, esto hace que la característica general de todos ellos sea la baja polaridad que presentan, siendo los compuestos más apolares de todos los compuestos orgánicos. Como consecuencia de ello, los puntos de fusión y ebullición van a depender, única y exclusivamente, de su peso molecular y de fuerzas intermoleculares muy débiles de tipo van der Waals. Como regla general puede establecerse que el punto de ebullición de un alcano aumenta, aproximadamente, en 25-30 ºC por cada átomo de carbono, a partir del pentano. Así, en la serie lineal, los cuatro primeros términos son gases, el pentano ya es líquido, siendo éste el estado que presentan los demás términos hasta el de dieciocho átomos de carbono, a partir del cual ya todos son sólidos. ¿Cómo varían los puntos de ebullición con las ramificaciones presentes en la molécula de un hidrocarburo? Se ha comprobado que entre dos hidrocarburos isómeros presenta menor punto de ebullición aquel que esté más ramificado. Esto se debe a que cuanto más ramificada es una molécula, más esférica es y por tanto disminuye su superficie, disminuyendo también las fuerzas intermoleculares; esto hace que la ebullición se alcance antes que en el caso de tratarse de cadenas lineales. El incremento de los puntos de fusión no es tan regular, debido a que en estado sólido las fuerzas intermoleculares dependen del tamaño de la molécula y de la disposición en el retículo cristalino. En la Tabla 2.3 se recogen las propiedades fisicas de algunos de ellos como ejemplo de lo dicho anteriormente. Debido a su baja polaridad, son poco solubles en disolventes polares; son insolubles en agua y solubles en los disolventes orgánicos de baja polaridad. Presentan una densidad inferior a la del agua y, a excepción de los cuatro primeros términos, tienen un valor prácticamente constante, aproximadamente de 0,77 g mL-1.

59

ALCANOS

Tabla 2.3. Propiedades fisicas de algunos alcanos

CH3-?H-CH3

-42,1 -0,5 -11,7

-187,7 -138,3 -159,4

CH3 CH3(CH2hCH3

36,1

-129,8

27,8

-159,9

9,5

-16,5

68,9

-95,3

49,7

-100,0

Propano

CH3-CH2-CH3

Butano

CH3(CH2)2CH3

lsobutano Pentano Isopentano

CH=\ /CH-CHr-CH3 CH3

CHXCH, Neopentano Hexano

CH3 CH3 CH3(CH2)4CH3 ?H3

2,2-Dimetilbutano

CH3-y-CH2-CH3 CH3

2.4. Análisis conformacional de los alcanos Como se ha visto en el Tema 1, un átomo de carbono con hibridación s¡)J tiene configuración tetraédrica. Si se observa la molécula de metano, solamente hay una forma de distribuir los cinco átomos en el espacio (Figura 1.4). Sin embargo, para los homólogos superiores como el etano, se puede ver que cada grupo metilo puede girar fácilmente respecto al otro. Experimentos llevados a cabo han demostrado que para que tenga lugar el giro alrededor del enlace a C-C, se necesita una energía de 3 kcal mol-1. Esta cantidad es muy pequeña, tan pequeña que los químicos hablan de «rotación libre» de los grupos metilo. En la Figura 2.1 se muestran los movimientos rotacionales del etano. 60º

60º

Figura 2.1. Rotación de la molécula de etano.

60

QUíMICA ORGÁNICA

Las diferentes disposidones espadales de una molécula que resultan porgiro alrededor de un enlace sencUJo se denoIDÍllan conformaciones. En la molécula de etano hay dos conformaciones importantes: la eclipsada (B) en la que los átomos de hidrógeno de los dos carbonos están enfrentados y las alternadas (A y C) en las que el H enlace C2-H se proyecta sobre la bisectriz del ángulo et""' . 'H

Una forma sencilla de estudiar las diferentes conformaciones de una molécula es utilizar la proyección de Newman, en la que se observa la molécula en la dirección del enlace aC-C. En la Figura 2.2 se representa la proyección de Newman de las conformaciones alternada (A) y eclipsada (B).

;/( H

H

H~H HV

H H

Alternada (A)

Proyección de Newman

H

~

H

H

Eclipsada (B)

H>-t 2H

H~H H

Proyección de Newman

Figura 2.2. Proyección de Newman de las conformaciones alternada y eclipsada del etano.

En la proyección de Newman el átomo de carbono más próximo al observador se representa por un punto, mientras que el enlace C-C se representa por un circulo. Por giro alrededor del enlace a C1-C 2, puede pasarse de una conformación a otra.

H

H~N

Alternada

Eclipsada

H~H H~H

H

¿Cuál de las dos conformaciones es más estable?

61

ALCANOS

Como se ha dicho anteriormente se necesitan unas 3 kcal mol-1 para que tenga lugar el giro del enlace a C-C en el etano. Al pasar de la conformación eclipsada a la alternada se desprende energía lo que indica que la alternada es más estable. Esta diferencia de estabilidad se debe a que la repulsión entre las nubes electrónicas de los enlaces C-H es máxima en la eclipsada y mínima en la alternada. Pueden representarse las diferencias de energía potencial frente al ángulo de rotación del átomo de carbono C2 alrededor del enlace a; este gráfico se denomina diagrama de energla potencial. En la Figura 2.3 está representado dicho diagrama para la molécula de etano.

H * H H~ H *H H

H

H

H

H

H

H

H

H

Oº

60º

120º

I

11

Ill

H * H H~ H *H

H~N

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

180º

240º

300º

360º

IV

V

VI

1

Como puede observarse, los máximos de energía del diagrama corresponden a las conformaciones eclipsadas, y los mínimos a las alternadas.

IV

11

o

60

120

180 240 Ángulo de rotación (º)

VI

300

Figura 2.3. Diagrama de energía potencial del etano.

360

62

QUíMICA ORGÁNICA

El estudio del contenido energético de una molécula, en función del ángulo de giro alrededor de uno de sus enlaces sencillos, se denomina aruílisis conformacional. Mediante dicho análisis se comparan estabilidades relativas de las diferentes conformaciones que puede adoptar una molécula. Para comprender mejor lo dicho anteriormente, a continuación se muestra el análisis conformacional de la molécula de butano, por giro alrededor del enlace aC2-C 3• CH3-CH2-CH2-CH3 4

3

2

1

Representando la molécula en proyección de Newman:

:3~N H

H*CH3 CH3

H

H

H

H 11

1

H~N CH3

V

~e~ H

H

H~H H CH3 IV

III

H

:~N

VI

1

CH3

~C*H H

H

H

H

I: Totalmente eclipsada, sinperíplanar o sin 11 y VI: Sesgada o gauche llI y V: Eclipsada o anoclinal IV: Totalmente alternada, antiperíplanar o anti Figura 2.4. Proyecciones de Newman de las distintas conformaciones de la molécula de butano.

Es evidente que la conformación eclipsada I no es isoenergética con llI y V, como tampoco lo es la alternada IV con 11 y VI (Figura 2.5). La conformación I es la más inestable porque además de la repulsión de las nubes electrónicas de los enlaces C1-C 2 y C3-C 4, existe repulsión de van der Waals entre los grupos metilo. La conformación IV es la más estable, ya que el impedimento estérico en la misma es mínimo. El perfil energético de la molécula de butano está representado en la Figura 2.5.

63

ALCANOS

o

60

120

180

240

300

360

Ángulo de rotación (º)

Figura 2.5. Diagrama de energía potencial del butano.

La diferencia de energía entre la conformación totalmente alternada o anti y la gauche es del orden de 0,9 kcal mol-1. En general, las diferencias energéticas entre las distintas conformaciones son muy pequeñas. Por ello, a temperatura ambiente, las vibraciones de los enlaces de la molécula comunican energía suficiente para que aquella no permanezca fija en una conformación determinada, sino cambiando continuamente de conformación. Pero, estadísticamente, la gran mayoría de las moléculas de butano, a temperatura ambiente, se encuentran en la conformación antiperíplanar (IV) o muy próxima a ella. Los mismos principios que se han aplicado al butano son válidos para el pentano, el hexano y todos los alcanos superiores. La conformación más estable para cualquier alcano es aquella en la que todos los sustituyentes voluminosos están en disposición anti Es importante destacar que, a diferencia de otros tipos de isómeros, los isóme-

ros conformacionales o confórmeros no son entidades diferentes que puedan ser aisladas y caracterizadas, sino que son interconvertibles entre sí por giro a/rededor de un enlace sencillo, debido a Ja pequeña diferencia de energía existente entre una conformación y otra..

2.5. Reactividad general de los alcanos Como se dijo anteriormente, los alcanos son compuestos que solamente presentan en su molécula enlaces a C-C y C-H, todos ellos fuertes y no polarizados, es decir covalentes puros. Por ello, la reactividad está condicionada por la fortaleza de dichos enlaces, es decir, por la barrera de energía que es preciso superar para romperlos. El hecho de que en la molécula de un alcano no exista ningún «punto débil» que pueda ser atacado con facilidad por un determinado reactivo, hace que

64

QUíMICA ORGÁNICA

las reacciones de éstos sean poco selectivas. En principio, todos los enlace C-C o C-H tienen la misma probabilidad de ser atacados por un reactivo, por ello las reacciones de los alcanos conducen siempre a mezclas complejas de productos. En condiciones normales no reaccionan con ácidos ni bases fuertes; tampoco lo hacen con reactivos oxidantes, como permanganato potásico, si no es en condiciones drásticas. Solamente van a producirse reacciones que supongan la ruptura homolítica de enlaces C-C o C-H, con la consiguiente formación de radicales libres. 2.5. 1. Combustión

La reacción de combustión es la más típica de los alcanos y una de las más empleadas por su provecho y utilidad. La combustión se define como una reacción quimica con oxigeno en la que un alcano (u otro compuesto orgánico) se convierte en dióxido de carbono y agua. Aunque la reacción es muy exotérmica, para que se produzca es necesario suministrar una cierta cantidad de energía que se consigue, por ejemplo, con una chispa o una llama. La reacción global es la siguiente: 2 CnH2n + 2 + (3n + 1)02 - - - - 2n C02 + (2n + 2) H20 + calor

El calor liberado en la reacción de combustión se denomina calor de combustión. 2.5.2. Halogenación

La reacción consiste en el tratamiento de un alcano con un halógeno en presencia de luz ultravioleta o alta temperatura (300-400 ºC). Los productos resultantes son los halogenuros de hidrógeno correspondientes y un compuesto halogenado denominado halogenuro de alquilo. CH4 + Cl2 CH3-CH3 + Cl2

CH3-Cl + HCI CH3-CH2Cl + HCl

La reacción de halogenación se lleva a cabo normalmente con cloro y bromo; el flúor reacciona con violencia explosiva, mientras que con el yodo la reacción no tiene lugar. Mecanismo de la halogenación

La reacción de halogenación de un alcano es una reacción homolítica transcurriendo, por tanto, a través de un mecanismo radicalario, es decir, una reacción en cadena. Dicha reacción consta de tres etapas:

65

ALCANOS

a) Iniciación. El halógeno se excinde homolíticamente, dando lugar a dos radicales:

b) Propagación. El átomo de halógeno, inicialmente formado, sustrae un

hidrógeno de la cadena carbonada: R-H +

cr - - - R" + HCI

De esta forma, el nuevo radical formado ataca a otra molécula de halógeno, originando el halogenuro de alquilo y un nuevo átomo de halógeno que prosigue la reacción en cadena. R" + Cl2 - - - R-Cl + Cl"

c) Terminación. Se produce uniéndose entre sí dos radicales. Se realiza de varias maneras: R" +

cr - - - R-Cl

Cl" + Cl" - - - Cl2 R' + R' ----- R-R

Es preciso indicar que la etapa de propagación es el proceso más rápido de todos ellos y la terminación, por tanto, sólo se produce cuando las concentraciones de hidrocarburo y halógeno son pequeñas, ya que es muy dificil que dos radicales libres se encuentren. De todo ello se deduce que mientras el metano y el etano dan lugar por halogenación a un único producto, los términos superiores de la serie van a originar una mezcla de isómeros. Obviamente las posibilidades son mayores en los hidrocarburos ramificados. El propano, por ejemplo, puede conducir a dos halogenuros de alquilo isómeros.

1-Cloropropano

2-Cloropropano

Estabilidad de radicales libres. Selectividad en la reacción de halogenación

El problema que se plantea ahora es: ¿qué isómero va a predominar en la halogenación de un alcano?

66

QUíMICA ORGÁNICA

Para contestar a esta pregunta hay que tener en cuenta dos factores: a) la estabilidad de los radicales alquilo y b) la selectividad del halógeno en cuestión. Por ejemplo, en la cloración del propano, teniendo en cuenta que posee seis hidrógenos primarios y dos secundarios, y considerando que todos ellos reaccionan a la misma velocidad, las proporciones relativas de 1-cloropropano y 2-cloropropano serían de 3 a l. Sin embargo, experimentalmente se observa que esta relación es de 43:57. Resultados parecidos se observan cuando se estudia la cloración del 2-metilpropano. Por otra parte, en la bromación del mismo hidrocarburo se obtiene casi exclusivamente 2-bromopropano en lugar de las proporciones teóricas previstas. Para explicar estos hechos hay que considerar la estabilidad de los radicales formados en el proceso. Los radicales libres son especies muy energéticas, muy reactivas e inestables, pero hay diferencia de estabilidad entre los distintos tipos. El orden de estabilidad creciente para los radicales alquílicos es: Metilo < Primarios < Secundarios < Terciarios Esta diferencia de estabilidad puede explicarse mediante la teoría de la hiperconjugación. Un radical será tanto más estable cuanto mayor número de formas hiperconjugadas puedan formularse para él. Así, para el radical etilo pueden formularse cuatro formas: HH

HH

HH

HH

H· .¿l¿·-H·~=6H· ·¿=¿·-H •¿=¿ ~. . .. .. .. .:~. . HH HH HH HH \ '":

~

Por tanto el radical etilo, a pesar de ser primario, es más estable que el metilo, ya que este último no tiene posibilidades de deslocalizar el electrón. Para radicales secundarios, como el isopropilo, pueden formularse siete estructuras resonantes y para el terc-butilo diez. A este tipo de resonancia se le llama hiperconjugación o resonancia de no enlace. La deslocalización de los electrones tiene lugar por solapamiento del orbital p, parcialmente ocupado por un electrón, con el enlace u (C-H) como se indica en la Figura 2.6. También puede explicarse por la teoría de resonancia la gran estabilidad que presentan los radicales alilo y bencilo.

Radical afilo

67

ALCANOS

Radical bencilo

En este caso se trata de resonancia de enlace, más efectiva que la de no enlace, ya que pueden formularse mayor número de enlaces covalentes. Tener en cuenta que se utiliza una flecha de punta sencilla (~ ) para indicar el desplazamiento de un electrón, a diferencia de la de doble punta ( ~) empleada cuando son dos electrones los que se desplazan.

e

s ....~

J ',,',, H

J "\,

r

H

H

Radical etilo

sp3

H

Radical isopropilo H s¡P

1¡

Hiperconjugación

J """ H

sp3

H

Hiperconjugación Radical terc-butilo Figura 2.6. Hiperconjugación de los radicales etilo, isopropilo y terc-butilo.

Teniendo en cuenta las estabilidades relativas de los radicales, puede concluirse que Ja halogenacíón transcurre preferentemente en aquellos carbonos

que den lugar a radicales terciarios antes que secundarios y éstos a su vez tendrán preferencia sobre los primarios.

68

QUíMICA ORGÁNICA

La razón por la cual, en el caso del bromo, predomina el 2-bromopropano se debe a la mayor selectividad del bromo por ser menos reactivo, esto hace que distinga más entre los hidrógenos primarios y terciarios, mientras que el cloro reacciona rápidamente con cualquiera de ellos. Uno de los graves inconvenientes que presenta la halogenación de alcanos es la dificultad que existe para controlar la reacción, ya que puede conducir a derivados polihalogenados. CH3-CH3 + Cl2 - - CH2Cl-CH3 + CH2Cl-CH2Cl + CHCI2-CH2Cl, etc.

Debido precisamente a este hecho es por lo que en el laboratorio, generalmente, no se utiliza la halogenación de alcanos para obtener los halogenuros de alquilo puros. Sin embargo, la reacción tiene gran aplicación para fines industriales.

2.5.3. Pirólisis Consiste en la descomposición térmica de alcanos, conocida en la industria petroquímica con el nombre de craqueo. El calentamiento de un alcano a alta temperatura en ausencia de oxígeno, para evitar la combustión, provoca fragmentaciones en la cadena carbonada, dando lugar a alquenos y alcanos de menor peso molecular. Por ejemplo: .-------. CH3-CH2-CH=CH2 + H2 1-Buteno

CH3-CH=CH-CH3 + H2 2-Buteno Butano

CH3-CH=CH2 + CH4 Propeno NIetano .______ _. CH2=CH2 + CH3-CH3 Etileno Etano

La reacción transcurre a través de radicales libres formados por ruptura homolítica de enlaces C-C y C-H. Este proceso tiene gran aplicación en la industria petroquimica, ya que permite fragmentar hidrocarburos de alto punto de ebullición en otros más ligeros que sirven para la preparación de combustibles, como por ejemplo las gasolinas.

2.6. Métodos de obtención de alcanos Los alcanos de bajo punto de ebullición (hasta 5 átomos de carbono) pueden obtenerse puros por destilación fraccionada del petróleo y del gas natural. Los

69

ALCANOS

restantes se obtienen en el laboratorio por cualquiera de los métodos que se describen a continuación: Hidrogenación de alquenos y alquinos Este procedimiento es, probablemente, el más importante y sencillo de realizar. Se estudiará con detalle en los Temas 10 y 12. R1C==CR2 Pt, Pdo Ni

R1R2C=CR3R4 CnH2n

Reducción de halogenuros de alquilo En la reducción de un halogenuro de alquilo con hidruro de litio y aluminio o con un metal en medio ácido, se obtiene el correspondiente alcano. LiAIH4

___' R-H

R-X '/\.....__

/

Zn/HCI Síntesis de Wurlz La síntesis de Wurtz es, en realidad una reducción bimolecular de halogenuros de alquilo con sodio:

2 R-X + 2 Na ---- 2 NaX + R-R La reacción tiene un rendimiento aceptable cuando se preparan hidrocarburos simétricos y de un número par de átomos de carbono. Nunca debe utilizarse para la preparación de hidrocarburos no simétricos o con número impar de átomos de carbono, ya que ello implicaría emplear halogenuros de alquilo diferentes obteniéndose mezclas de productos. Por ejemplo:

Na

70

QUíMICA ORGÁNICA

Hidrólisis de reactivos de Grignard

Los reactivos de Grignard son compuestos organometálicos que presentan en su molécula Wl enlace C-metal muy reactivo. Se forman por reacción de un derivado halogenado con magnesio, utilizando éter etílico como disolvente. En el Tema 7 se estudiarán más ampliamente este tipo de compuestos. ó+ ó-

ó- ó+

R-1 + Mg

R- Mgl

El carbono unido directamente al magnesio posee gran afinidad por hidrógenos ácidos como los del agua y alcoholes. Por ejemplo: HOH

éter etílico

CH3-CH2-CH-I + Mg 1

CH3 CH3-CH2-THH + MgIOH CH3

Procedimiento de Corey-House

Consiste en el acoplamiento de derivados halogenados con dialquilcupratos de litio. Los dialquilcupratos de litio son compuestos organometálicos inestables que se preparan in situ por reacción de compuestos organolíticos con sales de Cu(I) como se indica a continuación: R- X + 2 Li

éter etílico

R- Li + LlX

Alquil-litio 2RLi + Cul

RzCuLi + Lil

Dialquilcuprato de litio

La reacción de este compuesto con un halogenuro de alquilo da lugar al alcano correspondiente por acoplameinto de los grupos Rl y R2. - - - 2R1- R2 + LiX +sales de cobre

Rl y R2 pueden ser iguales o diferentes, pero lo que sí es importante para obtener buenos rendimientos es que el halogenuro de alquilo (R2X) sea primario, independientemente de que Rl (en el dialquilcuprato de litio) sea primario,

secundario o terciario.

71

ALCANOS

CH3-CH2-CH2Br

2Li

2CH:r-CH2-CH2Li

CuBr

(CH:r-CH2-CH2)2CuLi (CH:r-CH2-CH2)2CuLi + 2CH3-CH2I 2CH:r-CH2-CH2-CH2-CH3

Resumen de conceptos importantes l. Los alcanos son hidrocarburos saturados que responden a la fórmula general C0 H20+ 2, en los que todos los átomos de carbono presentan hibridaci6n spt, es decir, que tanto los enlaces C-C como C-H son enlaces u. 2. Las diferentes disposiciones espaciales que presenta una molécula por giro alrededor de un enlace sencillo se denominan conformaciones. Los isómeros conformacionales son fácilmente interconvertibles entre sí. 3. Los alcanos reaccionan con halógenos para dar halogenuros de alquilo a través de un mecanismo radicalario. Dicho mecanismo consta de tres etapas: iniciación, propagación y terminación, siendo la etapa de iniciación la que determina la velocidad del proceso. El orden de reactividad aumenta del bromo al flúor y el de selectividad disminuye a lo largo de la misma serie. Con el yodo la reacción no tiene lugar. 4. La estabilidad de los radicales alquilo decrece según el orden siguiente: terciario >secundario> primario >metilo. Esta variación de estabilidad se explica por el fenómeno de la hiperconjugaci6n. Como consecuencia de ello, en los alcanos los hidrógenos terciarios son más reactivos que los secundarios y éstos, a su vez, más que los primarios, siendo el metano el menos reactivo. 5. Los procedimientos más utilizados para la síntesis de alcanos son: hidrólisis de reactivos de Grignar
72

QUíMICA ORGÁNICA

Eiercicios de autocomprobación l. Nombrar los siguientes compuestos utilizando la nomenclatura IUPAC. CH3

a)

CH3-CH2-¿-CH2-CH-CH2-CH2-CH3 tH3

tH2-CH3 CH3

b)

CH3-CH2-CH2-CHr-CH-¿-CH2-CH2-CH3 CH3-¿H

¿H2-CH3

tu3 CH3

e)

CH3

CH3-t-CHr-CH-CHr-tH-CH3 1

1

CH3CH3-C-CH3 1

CH3 CH3

d)

CH3-CH2-CH-CH2-CH-¿H-CH2-CH3 1

CH3

1

CH2 1

CH-CH3 tu3 CH2-CH3

e)

CH3-CH2-CH2-CH-¿H-CH2-CH3 tu2-CH-CH2-CH3 tu3 2. Formular, utilizando la nomenclatura IUPAC, los siguientes hidro-

carburos:

73

ALCANOS

a) 4-Etil-2,5-dimetilheptano. b) 5-Etil-4-isopropil-2, 3, 7 -trimetilnonano. c) 6-terc-Butil-3-etil-4-(1-etilpropil)decano. d) 4-Isopropil-2, 2-dimetilheptano. e) 5-terc-Butil-2,6-dimetilnonano. 3. Realizar un estudio de la variación de energía potencial frente al ángulo de giro de la molécula representada a continuación, considerando solamente la rotación alrededor del enlace (C3-C4) marcado con un trazo grueso: CH3 CH3-CH2-CH-tH-CH2-CH3 ¿Hs 4. Clasificar los siguientes radicales por orden decreciente de estabilidad: •

a) CH3-CH-CH3

c)

•

CH-CH3

•

d) CHs-CH=CH-CH-CH=CH2 •

e) CH3-CH2 5. Proponer un mecanismo para la monocloración radicalaria del 2,2,-dimetilpropano (neopentano), enumerando las etapas de que consta.

74

QUíMICA ORGÁNICA

8. Formular todos los productos que pueden obtenerse por monocloración a temperatura ambiente de:

a) Pentano. b) 2,2,4-Trimetilpentano. c) 2,2-Dimetilbutano. 7. Sugerir una síntesis para cada uno de los siguientes compuestos: a) Butano a partir de cloruro de etilo. b) Isobutano a partir de l-bromo-2-metilpropano. c) 2,5-Dimetilhexano por síntesis de Wurtz. d) 2-Metilpentano por el procedimiento de Corey-House.

75

ALCANOS

Soluciones a los eiercicios de autocomprobación 1.

a) 5-Etil-3,3-dimetiloctano. b) 4-Etil-5-isopropil-4-metilnonano. e) 4-ten:-Butil-2,2,6-trimetilheptano. d) 4-Isobutil-3,6-dimetiloctano. e) 3-Etil-6-metil-4-propiloctano.

2. a)

CH2-CH3 CH3-tH-CH-CH2-CH3 tH2-CH-CH3 tH3

b)

CH3 tH-CH3

CH3

CH3-CH-CH-tH-CH-CH2-tH-CH2-CH3 tH3 tH3

tH2-CH3

CH2-CH3

e)

tH-CHr-CH3 CH:r-CHr-CH-tH-CH2-CH-CH2-CHr-CH2-CH3 1

1

CH2-CH3 CH3-C-CH3 1

CH3

d)

CH3 CH:r-t-CH2-CH-CH2-CH2-CH3 tH3

tH-CH3 1

CH3

76

QUíMICA ORGÁNICA

e)

CH3

CH3

CH3-¿H-CH2-CH2-CH-¿H-CH2-CH2-CH3 CH3_¿_CH3 1

CH3

3. Se comienza por representar la molécula en proyección de Newman en su conformación totalmente eclipsada (sínperíplanarj. HH

rt{

H3C

Et =-CH2CH3 Me =-CH3

H3c~CH2CH3 CH2CH3

Por giros sucesivos de 60º se obtienen las distintas conformaciones.

H

HH

HMe

Me~ ~ Me~H ~ Et~ ~ Me Et Me?Et Me ~ Et Et

t

n

I

Ill

H 60º Et yfyMe 60º H

MeqEt

H

H Et

!?t(~

60º

M~Et Me

IV

V

H 60º H n E t 60º

Me~Et Me VI

HH

Me~ Me

Et t

I

La conformación más estable es la IV, por tanto se encontrará en un mínimo energético. La más inestable, y por tanto de mayor contenido energético, es la l. Las confonnaciones Il y VI son isoenergéticas, al igual que llI y V.

77

ALCANOS

1

1

o

60

120

180

240

300

360

Ángulo de rotación 4. La estabilidad de los radicales viene dada por los efectos inducti-

vos (+ /) y mesómeros (+MJ. Cuanto mayor sea el número de estructuras resonantes que puedan formularse para una especie, mayor será su estabilidad. El orden de estabilidad, cuando no hay efectos mesómeros, es decir, cuando se considera sólo la hiperconjugación es 3° > 2° > 1° > -CH3 .

En el caso de que en la molécula haya grupos que posibiliten la formación de estructuras resonantes la estabilidad de los radicales aumenta, tanto más cuanto mayor sea el número de fórmulas resonantes. En los casos a), b) y e) solamente hay que tener en cuenta los efectos de hiperconjugación o resonancia de no enlace, el más estable será b) y el de menor estabilidad e). En e) y d) hay que considerar las estructuras resonantes. •

CH-CH3

.

CH-CH3

78

QUíMICA ORGÁNICA

.

-

CH3-CH=CH-CH=CH-CH2

CH3-~CH-CH=CH2• -

CH3-CH-CH=CH-CH=CH2

Aunque e) presenta mayor número de estructuras resonantes, al considerar también el fenómeno de la hiperconjugación, la estabilidad de e) y d) es muy parecida. El orden será: ~

e)

d) > b) > a) > e)

5. a) Iniciación hv

Cl-Cl ---- 2 Cl· CH3

CH3

Cl• + CH3-¿-CH3 -

HCl + CH3-¿-CH2•

1

1

CH3

CH3

b) Propagación CH3

CH3

CH3-¿-CH2• + Cl-Cl -

CH3-¿-CH2Cl + Cl•

1

1

CH3

CH3

e) Terminación CH3

CH3 CH3-¿-CH2Cl

Cl• + CH3-t-CH2• 1

1

CH3

CH3

CH3 2 CH3-¿-CH2• -

CH3

CH3

CH3-t-CH2-CH2-t-CH3

1

1

CH3 2 Cl·

CH3 Cl2

1

CH3

79

ALCANOS

8.

a) CH3-CH2-CH2-CH2-CH2Cl 1-Cloropentano CH3-CH2-CH2-CH-CH3

t1

2-Cloropentano CH3-CH2-CH-CH2-CH3

ti 3-Cloropentano

b)

CH3 1

CH3 1

CH3 1

CH3 1

CH3-9-CH2-CH-CH2Cl

CH3-9-cu2-9-CH3

CH3 1-Cloro-2,4,4-trimetilpentano

CH3 Cl 2-Cloro-2,4,4-trirnetilpentano

?H3 ?H3 CH3-y-CHCl-CH-CH3

?H3 ?H3 CH3-y-CH2-CH-CH3

CH3 3-Cloro-2,2,4-trimetilpentano

CH2Cl 1-Cloro-2,2,4-trirnetilpentano

e)

CH3

CH3

1

1

CH3-y-CH2-CH2Cl

CH3-y-CHCl-CH3

CH3 1-Cloro-3,3-d.imetilbutano

CH3 2-Cloro-3,3-dimetilbutano

?H3 CH3-C-CH2-CH3 ¿H2Cl 1-Cloro-2,2-dimetilbutano

80

QUíMICA ORGÁNICA

7. a) 2CH3-CH2Cl + 2Li - - - 2CH3-CH2Li

2CH3-CH2Li CuCI (CH3-CH2)2CuLi (CH:r-CH2)zCuLi + 2CH3-CH2Cl - - - 2CH3-CH2-CH2-CH3 b) CH3-yH-CH2Br

Mg

CH3-yH-CH2MgBr

CH3

H20

CH3

También puede obtenerse por reducción con LiAIH4 o Zn/HCI. CH3

e)

CH3-¿H-CH2I d)

CH3

CH3

~ CH3-¿H-CH2-CH2-tH-CH3

CH3 CH3 2 )cHCI + 2Li - - - 2 )cHLi CH3 CH3 2

(

CH3 )cHLi CHa

CuCI

(CH3

)e~ CuLi

CH3

2

CH;cH\ CuLl + 2CH3-CH2-CH2Cl ---CHa 12 ---- 2CHa-CH-CH2-CH2-CH3

lua

Tema 3

Cicloalcanos

1

SUMARIO 1

1

3.1. Definición, nomenclatura y propiedades físicas de los cicloalcanos 3.2. Estructura y tensión del anillo en cicloalcanos 3.2.1. Estructura y conformaciones del ciclopropano 3.2.2. Estructura y conformaciones del ciclobutano

3.2.3. Estructura y conformaciones del ciclopentano 3.3. Ciclohexano: conformaciones 3.4. Ciclohexanos monosustituidos 3.5. Análisis conformacional de ciclohexanos disustituidos 3.8. Reactividad y métodos de obtención de los cicloalcanos 3.7. Alcanos policíclicos

Resumen de conceptos importantes Ejercicios de autocomprobación Soluciones a los ejercicios de autocomprobación

1

OBJETIVOS 1

1

l. Nombrar y formular los cicloalcanos.

2. Conocer las propiedades físicas y explicar las estructuras observadas en los cicloalcanos. 3. Justificar la estabilidad o contenido energético de los distintos anillos

mediante la medida del calor de combustión. 4. Discutir los principales aspectos relativos a la flexibilidad conforma-

cional de este tipo de compuestos. 5. Explicar el análisis conformacional del ciclohexano, el cicloalcano más importante y frecuente en química orgánica. 6. Aplicar el análisis conformacional descrito para el ciclohexano, a sus

derivados sustituidos. 7. Determinar las estabilidades de las distintas conformaciones.

83

CICLOALCANOS

3.1. Definición, nomenclatura y propiedades físicas de los cicloalcanos Definición

Los hidrocarburos saturados que tienen, al menos, un anillo fonnado por átomos de carbono se conocen como cicloalcanos, alcanos cíclicos o carbociclos. Se encuentran dentro del grupo de compuestos alicfclicos (compuestos alifáticos cíclic~ y, al igual que los hidrocarburos alifáticos, pueden ser saturados o no saturados. Los primeros se denominan cicloalcanos y los del segundo tipo cicloalquenos, cicloalquinos, cicloalcadienos, etc. La fónnula molecular de los cicloalcanos es CnH 2n; en la Figura 3.1 se representan los cuatro primeros miembros de la serie. Para el estudio de este Tema se recomienda el uso de los modelos moleculares. CH2

/\

o

Ciclopropano (C3Ha)

CH2-CH2 CH2-CH2 o 1

1

CH2-CH2

/~

CH2

CH2

/ CH2-CH2

\

/~

CH2

CH2

l 1 C~ /CH2 CH2

o

o

D

o o

Ciclobutano (C4Hs)

Ciclopentano (CsH10)

o

~

Ciclohexano (CaH12)

Figura 3.1. Fórmulas (estructural y abreviada) y nombres de los cuatro primeros cicloalcanos no sustituidos.

Nomenclatura

Los hidrocarburos saturados monocíclicos se nombran anteponiendo el prefijo ciclo- al nombre del alcano que tiene el mismo número de átomos de carbono que el anillo.

84

QUIMICA ORGÁNICA

Para nombrar un cicloalcano sustituido hay que enumerar los átomos de carbono individuales del anillo sólo si existe más de un sustituyente unido al mismo. En este caso wi sustituyente siempre estará localizado sobre el número 1, y después se numeran los demás carbonos consecutivamente de forma que a todos los sustituyentes les correspondan los números más bajos posibles. Cuando se tienen varios sustituyentes, al que se le da la prioridad alfabética estará localizado sobre el carbono l. Mediante los siguientes ejemplos se ilustra lo dicho anteriormente:

ó

Metilciclopentano (no 1-Metil ciclopentano)

1,2- Dimetilciclopentano (no 1,5-Dimetil ciclopentano)

l-Etil-2-metik iclopentano (no 2-Etil-1-metil ciclopentano)

Los radicales derivados de los cicloalcanos simples se nombran, al igual que los alcanos acíclicos, sustituyendo la terminación -ano por -ilo. En principio hay dos posibilidades de nombrarlos, como se puede observar en el siguiente ejemplo: 1 CH3

4

-CHl 3

21

CH3

2-Ciclopropilbutano

o bien

CH3-CHl

CH3

1

sec-Butilciclopropano

En este caso las dos formas son correctas, pero hay otros donde una de las dos es preferible, como se muestra a continuación:

éx

1, 1, 2-liietilciclopentano

2-Ciclopentil-4-ciclopropil-5-metilheptano

En el primer caso resulta más sencillo nombrarlo como derivado de wi cicloalcano pero, sin embargo, el segundo compuesto se debe nombrar como un derivado de cadena abierta.

CICLOALCANOS

85

En resumen, Jos hidrocarburos con varias cadenas unidas a un sólo cido se consideran derivados del compuesto cídico, mientras que Jos compuestos con varios cidos o con varias cadenas laterales, se consideran derivados del compuesto no cícUco. Cuando existen dos ciclos, el compuesto se nombra como derivado cicloalquílico de un cicloalcano, teniendo preferencia el ciclo grande sobre el pequeño:

Ciclopropilciclopentano

Ciclopentilciclohexano

Si se examinan los modelos moleculares de los cicloalcanos disustituidos en los cuales los sustituyentes se encuentran sobre átomos distintos, por ejemplo el 1,2-dimetilciclopropano, se puede observar que existen dos isómeros posibles. Los dos grupos metilo pueden estar hacia el mismo lado del plano que determina el anilllo (isómero c~ o hacia lados contrarios (isómero tranS), en estos casos al nombrarlos se debe indicar la diferencia entre ellos.

cis-1,2-Dimetilciclopropano

Se acostumbra a señalar con trazo continuo en cuña ( ....... ), Jos grupos que están por encima del plano teórico del cído y en trazo discontinuo ( ·11111 o bien ) Jos que están por debajo.

tranr 1,2-Dimetilciclopropano

Los isómeros cis y trans son estereoisómeros, compuestos que se diferencian en Ja disposición espacial de sus atómos, esta diferencia es suficiente para darles distintas propiedades tanto fisicas como químicas. Los isómeros cisy transno pueden interconvertirse por rotación en torno a enlaces carbono, sólo lo hacen mediante ruptura y formación de enlaces (en el Tema 4 se estudiarán estos compuestos con más detalle).

86

QUIMICA ORGÁNICA

Propiedades físicas

Como cabria esperar, dada su naturaleza, los cicloalcanos presentan propiedades flsicas similares a las de sus homólogos de cadena abierta, si bien se observa que los valores individuales para los puntos de ebullición y de fusión así como el valor de sus densidades son superiores. En la Tabla 3.1 se indican las propiedades flsicas de algunos cicloalcanos y se pueden comparar con las de los alcanos de cadena abierta si se remite a la Tabla 2.3. Tabla 3.1. Propiedades fisicas de algunos cicloalcanos

Ciclopropano Ciclobutano Ciclopentano Ciclohexano Cicloheptano Ciclooctano

-33 -13 49 81 118 149

-127 -50 -94 6,5 -12 14

0,720 0,746 0,778 0,810 0,835

3.2. Estructura y tensión del anillo en cicloalcanos A finales del siglo XIX los químicos habían aceptado la existencia de moléculas cíclicas, se conocían muchos compuestos con anillos de cinco y seis carbonos pero no se habían sintetizado anillos de mayor o menor tamaño. En 1885, Adolf von Baeyer, de la Universidad de Munich, propuso para ello una interpretación teórica, basando su hipótesis en la noción geométrica simple de que un anillo de tres miembros (ciclopropano) era un triángulo equilátero con tres ángulos de 60º, un anillo de cuatro carbonos (ciclobutano) era un cuadrado con ángulos de enlace de 90º, un anillo de cinco miembros (ciclopentano) un pentágono regular con ángulos de enlace de 108º, etc. (Figura 3.2). Baeyer sugirió que si los carbonos prefieren adoptar el modelo tetraédrico, con ángulos de enlace de 109,5º, podría ser que los anillos con menos de cinco o más de seis carbonos estuvieran sometidos a demasiada tensión para existir. La realidad

Figura 3.2. Ángulos de enlace según la teoría de Baeyer.

87

CICLOALCANOS

es que esta teoría estaba equivocada por una razón muy simple: no todos los anillos son planos, la mayoría adoptan conformaciones tridimensionales plegadas que permiten que los ángulos de enlace se aproximen al valor tetraédrico. De todos modos, el concepto de tensión angular, por el que el Profesor Baeyer recibió el Premio Nobel en 1905, es útil para explicar la reactividad de los anillos de tres y cuatro miembros. Una forma sencilla para determinar las energías de tensión, y por lo tanto conocer la estabilidad, consiste en medir los calores de combustión de los cicloalcanos. El calor de combustión de un compuesto es la cantidad de calor (energía) que se desprende cuando se quema un mol de compuesto en presencia de oxígeno: -(CHv n- + n 312 0 2

n C0 2 + n H 20 + calor

El calor de combustión de un hidrocaburo depende de su peso molecular, por lo tanto para fines comparativos, es más útil considerar los calores de combustión por unidad de CH 2• De esta forma el tamaño del hidrocarburo no influye y es posible comparar cicloalcanos de diferentes tamaños con un alcano de cadena abierta (Tabla 3.2). La energía de tensión total es la diferencia entre el calor de combustión por CH2 de la muestra y el calor de combustión por CH2 de la referencia multiplicada por el número de carbonos del anillo en cuestión. Los datos de la Tabla 3.2 muestran que el ciclopropano y el ciclobutano están bastante tensionados, como había dicho Baeyer, pero el ciclopentano lo está más de lo predicho y el ciclohexano está libre de tensión; los siguientes miembros de la serie poseen nuevamente considerable tensión angular, y sólo los anillos muy granTabla 3.!. Calores de combustión de algunos cicloalcanos

3 4 5 6 7 8

(...) 13 14

499,8 655,9 793,5 944,5 1.108 1.269

166,6 164,0 158,7 157,4 158,3 158,6

2.051 2.204

157,8 157,4

o

157,4

o

Alcano (referencia)

27,6 26,4 6,5

o

6,3 9,6 5,2

88

QUIMICA ORGÁNICA

des contienen estructuras libres de tensión. Por esto, se acostumbra a dividir los cicloalcanos en tres grupos: •Anillos pequeños (ciclopropano y ciclobutano). •Anillos medios (de cinco hasta once carbonos). • Anillos grandes (de doce o más carbonos).

Hasta ahora se ha considerado la tensión angular como el único factor que influye en la energía de tensión total de los anillos, pero existen otros factores, de igual importancia, entre los que se encuentran la tensión torsional o de edipsamiento y la tensión estérica. La tensión torsional es provocada por los átomos de hidrógeno eclipsados, es un factor de gran importancia en los cicloalcanos pequeños y se minimiza en los ciclos más grandes al adoptar éstos conformaciones no planas y plegadas. Por otro lado, la tensión estérica debida a interacciones repulsivas entre átomos que se acercan mucho entre sí, es particularmente importante para poder explicar las conformaciones de los cicloalcanos con tamaño intermedio (C 7 a C11). En resumen, la teoria de Baeyer es insuficiente para explicar las energías de tensión y las estructuras observadas en los cicloalcanos. Estos compuestos adoptan la conformación de mínima energía por la combinación de todos los factores anteriormente mencionados. 3.2. 1. Estructura y conformaciones del ciclopropano

Si se construyen los modelos moleculares de los cicloalcanos, se puede observar lo dificil que resulta cerrar el anillo sin romper las varillas que representan los enlaces, lo cual se debe al modelo tetraédrico del carbono. Al igual que en el caso

115º ~

H

H

\f

e

M

(a)

H---c

e--- H

H/

\H (b)

Figura 3.3. Modelo molecular (a), ángulos de enlace (b) y solapamiento deficiente (c), del anillo de ciclopropano.

89

CICLOALCANOS

de los alcanos, todos los átomos de carbono de los cicloalcanos poseen hibridación

s¡fi. La estructura del ciclopropano, el cicloalcano más pequeño, se representa en la Figura 3.3, al ser triangular esta estructura es necesariamente plana con ángulos de enlace C-C-C de 60º, además en este compuesto todos los átomos de hidrógeno están eclipsados; los dos factores contribuyen a una gran tensión. El ciclopropano se describe mejor si se considera que tiene enlaces curvos. En un alcano no tensionado, la máxima eficacia de enlace se consigue cuando los átomos están localizados de modo que sus orbitales superpuestos apunten directamente uno hacia otro. Sin embargo en el ciclopropano esto no puede ocurrir y hay una superposición deficiente que hace que sus enlaces sean más débiles y más reactivos que un enlace carbono-carbono común. Este compuesto se hidrogena muy fácilmente, en presencia de un catalizador de paladio, para dar propano. 3.2.2. Estructura y conformaciones del ciclobutano

El ciclobutano tiene aproximadamente la misma tensión total (Tabla 3.2) que el ciclopropano. Pero en este anillo la tensión torsional es mayor, debido a que tiene mayor número de hidrógenos, si bien la tensión angular es más pequeña. La estructura del ciclobutano no es plana, sino que está ligeramente flexionada, de modo que uno de los átomos de carbono se encuentra 25º hacia arriba del plano formado por los otros tres (Figura 3.4). El efecto de esta ligera flexión es un aumento en la tensión angular pero un descenso en la tensión torsional, hasta que se consigue un equilibrio de mínima energía entre los dos efectos opuestos. En esta molécula para conseguir el solapamiento máximo hay que emplear también enlaces curvos. La fuerza de enlace C-C del ciclobutano es baja debido a la liberación de tensión que se produce con la apertura del ciclo, y al hecho de

H H

H (a)

(b)

Figura 3.4. Modelo molecular (a) y ángulos de enlace (b), del ciclobutano.

90

QUÍMICA ORGÁNICA

que los enlaces curvos proporcionan ya de por sí un solapamiento relativamente pobre. El ciclobutano no es tan reactivo como el ciclopropano pero también se hidrogena en presencia de un catalizador de paladio, a temperaturas superiores, para dar butano.

3.2.3. Estructura y conformaciones del ciclopentano Los ángulos de enlace del ciclopentano son muy próximos al valor tetraédrico y cercanos también al valor del ángulo interno de un pentágono regular, 108º. Se podría pensar que el ciclopentano fuera estable en su forma plana si no fuera porque en esta disposición los átomos de hidrógeno de los átomos de carbono adyacentes están eclipsados. El ciclopentano es mucho más estable cuando uno de los átomos de carbono está fuera del plano definido por los otros cuatro (Figura 3.5). Con el plegamiento se reduce el eclipsamiento pero aumenta la tensión angular; la conformación de energía más baja es un compromiso entre estos factores. H H

H H

H (a)

(b)

Figura 3.5. Modelo molecular (a) y ángulos de enlace (b), del ciclopentano.

Hay dos posibles conformaciones plegadas para el anillo de ciclopentano, la de sobre y la de semi-silla. Hay muy poca diferencia de energía entre ellas y las barreras de activación para su interconversión rápida son bajas. El ciclopentano tiene una tensión de anillo relativamente baja y por lo tanto no muestra la reactividad de los anillos de tres y cuatro miembros, no descompone fácilmente con calor y no es posible hidrogenarle en las mismas condiciones para dar pentano.

d~g conformación de sobre

conformación de semi-silla

91

CICLOALCANOS

3.3. Ciclohexano: conformaciones El anillo del ciclohexano es una de las unidades estructurales más importantes y abundantes de la Química Orgánica, debido a su amplia distribución en la naturaleza. Un gran número de compuestos, incluyendo muchos agentes farmacéuticos importantes, contienen este anillo; desde finales del siglo XIX se conocía que el ciclohexano era una molécula no tensionada. Los anillos de ciclohexano no son planos, como supuso Baeyer, sino que están plegados en una conformación tridimensional que alivia todas las tensiones. Los ángulos C-C-C del ciclohexano pueden alcanzar el valor tetraédrico libre de tensión, si el anillo adopta la conformación de silla. Esta conformación se encuentra prácticamente libre de tensiones angulares, torsionales, estéricas o de cualquier otro tipo. Saber dibujar correctamente la conformación de silla del ciclohexano es muy útil para comprender la química de los anillos de seis miembros. Un modo de hacerlo es seguir las instrucciones que se indican al final de este Tema. Cuando se observa un ciclohexano en la conformación de silla, es importante recordar que los enlaces inferiores carbono-carbono, están hacia delante y los superiores están detrás. Para mostrar esto, se acostumbra a dibujar los enlaces del frente con líneas gruesas para indicar que están más cerca del observador. H

H

H H

H

H H H

El anillo de ciclohexano no es conformacionalmente rígido, es capaz de interconvertir una forma de silla en otra equilibrando así sus protones axiales y ecuatoriales. En este proceso de inversión todas las posiciones axiales de una forma de silla se convierten en ecuatoriales en la otra, y viceversa (Figura 3.6). La energía de activación para este proceso es muy baja y a temperatura ambiente la interconversión de las dos formas de silla equivalentes es muy rápida (- 100.000 veces por segundo). Únicamente es posible bloquear este equilibrio enfriando las soluciones de la molécula a muy baja temperatura(< -100 ºC). Las proyecciones de Newman, ya utilizadas para estudiar las diferentes conformaciones de los alcanos, son muy útiles también para ilustrar el comportamiento conformacional del anillo de ciclohexano. Como se puede observar en la Figura 3.7, todos los enlaces carbono-hidrógeno de átomos de carbono adyacentes están alternados.

92

QUIMICA ORGÁNICA

este carbono se mueve hacia abajo a

e

....

e 4a)

a

e

e

a

a

este carbono se mueve hacia arriba Figura 3.6. Interconversión silla-silla en el ciclohexano. Los enlaces o átomos de hidrógeno que son axiales en una silla pasan a ecuatoriales en la otra y viceversa.

H HH

(~

H

H H

H H H~CH2 ~H

H~CH2 ~H H

H

' ( mirando a lo argo de estos enlaces Figura 3. 7. Ciclohexano en conformación de sUla y su proyección de Newman.

Otras conformaciones del ciclohexano La conformación de silla no es la única posible para el ciclohexano. En los cicloalcanos, aunque el giro total alrededor de los enlaces carbono-carbono no es posible sin romper el anillo, sí se pueden realizar pequeños giros que permiten llegar a otras conformaciones. De este modo, el ciclohexano puede adoptar una conformación de bote (Figura 3.8.a), también libre de tensión angular. Hasta ahora no se ha hablado de ella, porque el ciclohexano en esta conformación es menos estable que en la forma de silla. Esta diferencia de estabilidad es debida al eclipsamiento de los ocho átomos de hidrógeno de la base del bote, y a un desfavorable impedimento estérico por la proximidad de los dos hidrógenos interiores. La distancia entre estos dos hidrógenos es lo suficientemente pequeña para crear una energía de repulsión. Resultados experimentales han determinado que el ciclohexano bote es aproximadamente 7,0 kcal mol-1 menos estable que el ciclohexano en forma de silla, pero que este valor se reduce a 5,5 kcal mol-1 por efecto de una ligera torsión, originando la conformación llamada bote torcido (Figura 3.8.b), también conocida como forma twist Esta última conformación aparece como un intermedio en la conversión de una forma de silla en otra.

93

CICLOALCANOS

Repulsión estérica

~H

H__/

H

---

(a)

H

H

H

(b)

Figura 3.8. Conformaciones de bote (a) y de bote torcido (b), del ciclohexano.

De todos modos, el ciclohexano en forma de bote está presente en muy pequeña proporción y las moléculas adoptan esta conformación sólo en circunstancias especiales.

3.4. Ciclohexanos monosustituidos Una vez abordado el estudio del análisis conformacional, éste se puede aplicar a los ciclohexanos sustituidos. Se comenzará el estudio con el más simple de todos, el metilciclohexano. Si se observa detenidamente un modelo espacial del ciclohexano, puede verse que tres de los hidrógenos axiales quedan de un mismo lado del anillo, casi se tocan uno con otro. Si se sustituye uno de los hidrógenos axiales por un grupo más voluminoso (como por ejemplo, un grupo metilo) la aglomeración es todavía mayor (Figura 3.9).

(a)

(b)

Figura 3.9. Modelo espacial CPK, generados por ordenador, del ciclohexano (a) y del metilciclohexano (b).

94

QUIMICA ORGÁNICA

El metilciclohexano puede adoptar dos conformaciones de sma pero en este caso ya no son equivalentes como ocurría para el ciclohexano. En el confórmero ecuatorial el grupo metilo se encuentra alejado en el espacio del resto de la molécula, mientras que en el confórmero axial el metilo se encuentra a una distancia de los hidrógenos lo suficientemente pequeña para provocar repulsión estérica, la interacción resultante se denomina interacción 1,3-diaxial. interacciones 1,3-diaxiales CH3------H ...... .......H s 6

H

H3C

H metilo ecuatorial (95%} más estable

metilo axial (5%}

Por lo tanto, excepto para el hidrógeno, un átomo o grupo determinado adopta preferentemente la conformación en la que el mayor sustituyente está en posición ecuatorial. La conformación de silla más estable en Jos cic/ohexanos mono-

susütuídos es Ja que posee el susütuyente en posición ecuatorial. Se han determinado las diferencias de energía entre los confórmeros ecuatorial y axial de diversos ciclohexanos monosustituidos (Tabla 3.3). Thbla 3.3. Diferencia de energía libre entre los confórmeros axiales y ecuatoriales de algunos alquilciclohexanos

A(}J (kcal moI-1)

o

1,70

1,75

2,10

-5

Cuando el sustituyente es un grupo muy voluminoso, como el ten:-butilo, la diferencia de energía entre las dos conformaciones es tan grande que la proporción existente de isómero axial en disolución es muy pequeña (0,01 %). En estos casos se dice que el sustituyente «bloquea» la conformación.

3.5. Análisis conformacional de ciclohexanos disustituidos Si se pasa ahora a estudiar los ciclohexanos disustituidos se puede ya establecer que, como regla general, Ja conformación más abundante será Ja que tenga el máximo número de susütuyentes ecuatoriales. Como ejemplo se utiliza el dimetilciclohexano; este compuesto presenta varios isómeros constitucionales (1,1-, 1,2-, 1,3- y 1,4-).

95

CICLOALCANOS

1,1-Dimetilddobexano

Si únicamente se tienen en cuenta las conformaciones de silla por ser las más estables, como se ha visto anteriormente, se puede observar claramente que estas dos formas de silla son idénticas (un grupo metilo está siempre en posición ecuatorial y el otro en posición axial) y, por lo tanto, la diferencia de energía para su interconversión es cero.

... A (JJ = Okcal mo1-1

1,2-Dimetilddobexano

&te compuesto presenta dos isómeros configuracionales, el isómero cis y el que hay que considerar por separado:

trans,

H

cis

CH3 trans

En el isómero cis, ambos grupos metilo están del mismo lado del anillo y el

compuesto puede existir en cualquiera de las dos conformaciones que se indican a continuación: da-1,.2-Dimetildclohexano

H

axial-ecuatorial

ecuatorial-axial

Las dos conformaciones de silla en equilibrio tienen un grupo metilo axial y otro ecuatorial, ambas tienen la misma estabilidad y existirán en la misma proporción.

En el isómero trans, los dos grupos metilo están en caras opuestas; en este caso las dos conformaciones son diferentes, una tiene los dos grupos metilo en posición axial y la otra los dos grupos metilo en posición ecuatorial, siendo por lo tanto este último confórmero más estable.

96

QUIMICA ORGÁNICA

tram-1,2-Dimetilddohexano

H

diaxial

diecuatorial

Comparando la estabilidad relativa, se puede concluir que el isómero trans es más estable que el dsya que en este último existen, en ambas conformaciones, dos interacciones 1,3-diaxiales metilo-hidrógeno. El mismo tipo de análisis conformacional realizado para el 1,2-dimetilciclohexano se puede aplicar a cualquier ciclohexano sustituido y se puede resumir: • En los ciclohexanos c.is-1,2, trans-1,3 y c.is-1,4-disustituidos, un sustituyente está siempre en posición axial y otro en ecuatorial. • Los ciclohexanos trans-1,2, c.is-1,3 y trans-1,4-disustituidos, existen en forma de pares de confórmeros diaxiales y diecuatoriales. • En los ciclohexanos 1,2- y 1,4-disustituidos los isómeros trans suelen ser más estables que los cis. Lo contrario sucede con los ciclohexanos 1,3-disustituidos en los que el isómero cis es el más estable. Estas conclusiones son válidas casi siempre para los dialquilciclohexanos y para otros muchos derivados pero no se debe olvidar que no sólo la tensión estérica determina la estabilidad conformacional sino que también pueden influir otros factores (como ejemplo interesante ver el ejercicio de autocomprobación n. 0 7).

3.6. Reactividad y métodos de obtención de los cicloalcanos Los cicloalcanos presentan una reactividad análoga a la de sus homólogos de cadena abierta, los alcanos. Los dos ciclos pequeños, ciclopropano y ciclobutano, son una excepción ya que debido a la gran tensión que presentan, tienen gran tendencia a abrirse y pueden dar lugar a reacciones de adición. Esto es sobre todo destacable en el ciclopropano que se comporta como el etileno: H2 - - - - CH3-CH2-CH3 Ni, 80 ºC Propano Ciclopropano

Br-Br --C-C-- - BrCH2-CH2-CH2Br 14 1,3-Dibromopropano

97

CICLOALCANOS

H HBr 1 - - - - CH2-CH2-CH2Br

1-Bromopropano H

Ciclopropano

HOH

1

- - - - CH2-CH2-CH2-0H H2S04

1-Propanol

El ciclobutano se encuentra menos tensionado que el ciclopropano y, por lo tanto, presenta menor tendencia a abrirse. No reacciona con soluciones acuosas de ácido sulfúrico, ni tampoco adiciona halógenos o hidrácidos. Sin embargo, puede hidrogenarse en presencia de un cataliz.ador de níquel aunque en condiciones más enérgicas que el ciclopropano:

D

Butano

Ciclobutano

En cambio, los anillos más grandes como el ciclopentano o el ciclohexano no

reaccionan cuando se tratan con hidrógeno en presencia de un catalizador, en esas mismas condiciones:

Ni, 200 ºC

No hay reacción

Métodos de obtención Algunos cicloalcanos están presentes en la naturaleza y es su principal fuente industrial. Los cicloalcanos son muy abundantes en el petróleo de algunas zonas y son conocidos en la industria petrolífera como naftenos. Entre los cicloalcanos más abundantes se encuentran: el metilciclopentano, el 1,2-d.imetilciclopentano, el ciclohexano y el metilciclohexano. La preparación de compuestos alicíclicos a partir de otros compuestos alifáticos se hace mediante un proceso conocido como ciclación y generalmente se adapta un método estándar a la tarea de cerrar el anillo como se puede observar en los dos ejemplos siguientes: Cíe/ación de a, m-dibalogen.uros Zn - - - ZnX2 +

98

QUIMICA ORGÁNICA

A medida que aumenta n, disminuye el rendimiento de la reacción, debido a que predomina la reacción intermolecular sobre la de cierre intramolecular. Por ello, el método no es adecuado para obtener anillos mayores de cinco eslabones:

D

Zn A

+ ZnBr2

6

CH3

CH3 1

Br -CH2-CH2-CH-CH2-CH2-Br

Zn A

+ ZnBr2

Si se lleva a cabo esta reacción en soluciones muy diluidas, la reacción intermolecular entre dos cadenas puede evitarse, ya que la probabilidad de que se encuentren dos cadenas carbonadas disminuye, mientras que la probabilidad de cierre de los dos extremos de la cadena permanece constante; trabajando de este modo es posible obtener ciclos mayores. Descarboxiladón de sales de áddos dicarboxílicos

Por este procedimiento se obtienen cetonas cíclicas que por reducción conducen al correspondiente hidrocarburo tal como se muestra en el siguiente esquema:

óº

HOOC-CH2-CH2-CH2-CH2-COOH + Ba(OH)2 -

d

Ácido adipico+ C02 + H20

Ciclopentanona HOOC-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-COOH + Ba(OH)2 Ácido pimélico O

Ciclohexanona

o

Zn(Hg} HCI

o o

99

CICLOALCANOS

Los cicloalcanos se pueden preparar también a partir de otras sustancias cíclicas (por ejemplo, alcoholes, halogenuros, etc.), utilizando los mismos métodos que se emplean en la preparación de hidrocarburos de cadena abierta a partir de otros compuestos de cadena abierta. Sin embargo, ahora hay que tener en cuenta que como se trata de moléculas cíclicas, algunas veces esas reacciones pueden tener características estereoquímicas especiales. Pero el camino más importante para llegar a los cicloalcanos es por medio de las reacciones conocidas como cicloadiciones, reacciones en las que se combinan moléculas para formar anillos. A lo largo de los siguientes Temas se verán muchos ejemplos.

3.7. Alcanos policíclicos Hasta ahora todos los cicloalcanos vistos en este Tema tenían un sólo ciclo y pueden llamarse por lo tanto alcanos monocíclicos. Cuando dos o más anillos de los cicloalcanos se fusionan se forman unos nuevos hidrocarburos más complejos que son los alcanos policíclicos. Los modelos moleculares de los alcanos policíclicos se construyen fácilmente uniendo los átomos de carbono de dos sustituyentes alquílicos de un alcano monocíclico. Por ejemplo, si se eliminan dos átomos de hidrógeno de los grupos metilo del 1,2-dietilciclohexano se obtiene la decalina, en esta molécula dos anillos de ciclohexano comparten dos átomos de carbono adyacentes:

rY"c~CHs

-2H

~ . . . .-CH3

CH2 1,2-Dietilciclohexano

Decalina

Si se hace lo mismo sobre el compuesto cis-1,3-dimetilciclopentano, se obtiene el norbomano:

-2H

Norbomano

Estos compuestos son sistemas bicíclicos, los átomos de carbono comunes a ambos anillos se denominan cabeza de puente y cada enlace o cadena de átomos que conecta la cabeza de puente se denomina puente.

100

QUIMICA ORGÁNICA

e~

(2

C Carbonos cabeza de puente

Puentes de dos carbonos

Para nombrar estos hidrocarburos se antepone el prefijo biciclo al nombre del alcano que se corresponda con el número total de átomos de carbono en los anillos. El número de átomos de carbono de los puentes se interpone entre corchetes, separados por puntos, y en orden decreciente: H

/el"

H2C'---.. /CH2

e

H Biciclo[l .1.0]butano

O>

Biciclo[3. l .O]hexano

Biciclo [4. 2.2 ]decano

Cuando en el sistema bicíclico existen sustituyentes, es necesario numerarlo para indicar las posiciones. La numeración se realiza empezando en uno de los átomos de carbono cabeza de puente y desde aquí se continua por el puente mas largo hasta llegar al otro átomo de carbono cabeza de puente y después se prosigue por el segundo puente más largo hasta la primera cabeza de puente. El puente más corto se numera al final: 2 3 8

2

4 7

CH2CH3

7-Etilbiciclo [4.3.0 ]nonano

7,7-Dimetilbiciclo[2.2.l]heptano

Los sistemas hidrocarbonados cíclicos que tengan tres o más anillos pueden nombrarse como se ha indicado pero sustituyendo el prefijo biciclo- por el apropiado triciclo-, tetraciclo-, etc., hay que tener en cuenta que el número de anillos

101

CICLOALCANOS

que contiene un sistema policíclico se considera que es igual al número de escisiones necesarias para convertirlo en un compuesto de cadena abierta. Los bicicloalcanos pueden estar condensados en cis o en trans. Así por ejemplo la decalina (biciclo[4.4.0]decano) puede existir en dos formas isómeras, dependiendo de como se realice la fusión de los anillos (ver Ejercicio de autocomproba.; n. o 8) . CIOn Por otro lado, en los hidrocarburos policíclicos con varios anillos de ciclohexano, siempre que sea posible, todos adoptan la conformación más estable de silla (como por ejemplo el adamantano). Pero también se conocen hidrocarburos muy estables formados por anillos de ciclohexano en conformación bote (por ejemplo el biciclo[2.2.2]octano), o con los anillos en conformación bote torcido (por ejemplo el twistano):

Adamantano

Biciclo [2.2.2]octano

Twistano

Los compuestos policíclicos son de gran importancia, y muchos compuestos de gran utilidad tienen estructuras con anillos fusionados. En la naturaleza hay un gran número de moléculas cíclicas entre las que se encuentran: los terpenos (como el alcanfor), los esteroides (como el ergosterol que presenta cuatro anillos fusionados y la progesterona), etc.

o HO

Alcanfor

Ergosterol CH 3

o

OCH3

Progesterona

102

QUIMICA ORGÁNICA

El análisis conformacional estudiado para el anillo de ciclohexano se aplica igualmente a los compuestos policíclicos.

Instmcciones para di/Jujar las conformaciones de silla del ddobexano y sus enlaces axiales y ecuatoriales con los bidr6genos: 1. Comenzar dibujando dos lineas paralelas. En los extremos de estas lineas estan situados los átomos de carbono 2,3,5 y6. 2. A partir de los átomos de carbono 2 y 5, dibujar dos líneas paralelas con sentidos opuestos. En el extremo de estas dos lineas están localizados los átomos de carbono 1 y 4. 3. Completar el anillo dibujando las lineas entre los átomos de carbono 1 y 6, 3 y 4.

El resultado final son tres conjuntos de líneas paralelas con distinta pendiente.

1

5

\ 1

t!.---\

)----3 \ 4

~ ~4

A continuación, hay que añadir los enlaces carbono-hidrógeno axiales (paralelos al eje de la molécula) y los ecuatoriales (perpendiculares al eje de la molécula) para lo cual se seguirán los siguientes pasos: 4. Dibujar los seis enlaces axiales verticales al anillo, son todos paralelos y tienen una relación alternante arribaabajo de modo que al finalizar queden tres arriba (C 1, C3 y

C5) y tres abajo (C2, C4 y Cs).

4

eje molecular

5. Dibujar los enlaces ecuatoriales en los átomos de carbono 1 y 4 de modo que queden paralelos a los enlaces entre C2-C3 y C5-C6 6. Dibujar los enlaces ecuatoriales en los átomos de carbono 2 y 5 de modo que queden paralelos a los enlaces entre C1-C6 y C3-C4.

7. Dibujar los enlaces ecuatoriales en los átomos de carbono 3 y 6 de modo que queden paralelos a los enlaces entre C1-C 2 y C4-C5•

~ 2

3

4

~ 2

3

4

1

5

~

CICLOALCANOS

103

Resumen de conceptos importantes

1. Los cicloalcanos son hidrocarburos saturados que tienen, al menos, un anillo formado con átomos de carbono; su nomenclatura se deriva de la de los alcanos de cadena abierta. 2. La mayoría de los cicloalcanos no son planos, los anillos adoptan conformaciones tridimensionales plegadas permitiendo que los ángulos de enlace sean casi tetraédricos. 3. La teoría de Baeyer es insuficiente para explicar las energías de tensión y las estructuras observadas en los cicloalcanos. Estos compuestos adoptan la conformación de mínima energía por la combinación de una serie de factores: tensión angular, tensión torsional y tensión estérlca. 4. La tensión angular de los cicloalcanos pequeños es la causa de que den lugar a reacciones de apertura de anillo. 5. Debido al equilibrio conformacional siUa-sU/a existente en los anillos de ciclohexano, los enlaces o átomos de hidrógeno que son axiales en una silla pasan a ecuatoriales en la otra y viceversa. 6. En los ciclohexanos disustituidos, la conformación más estable es la que tiene los sustituyentes en posición ecuatorial, puesto que los sustituyentes en posición axial presentan tensión estérlca 1,3-diaxial. La energía de tensión 1,3-diaxial causada por un sustituyente en posición axial depende de su volumen. 7. En los ciclohexanos más sustituidos los efectos de los sustituyentes son a menudo aditivos, con tendencia a que los grupos más voluminosos ocupen preferentemente posiciones ecuatoriales. 8. De todos los cicloalcanos, los ciclohexanos sustituidos son los más importantes debido a su amplia distribución en la naturaleza. Un gran número de compuestos, incluyendo muchos agentes farmacéuticos importantes, contienen anillos de ciclohexano.

104

QUIMICA ORGÁNICA

Eiercicios de autocomprobación 1. Nombrar los siguientes compuestos según las reglas de nomenclatura de la IUPAC:

a)¿ 1

b)

H

d)

e) H

c

e / \"cHBr

21 fH21

H2C~¿/cHBr H

2. Formular las estructuras correspondientes a cada uno de los siguien-

tes compuestos: a) b) c) d) e)

1, 1-Dimetilciclopentano Ciclohexilciclohexano trans-1,3-Dietilciclohexano 1-Clorobiciclo[2.2.2]octano 1-Metilbiciclo[4.4.0]decano

3. Determinar la energía de tensión total del dclododecano sabiendo que su calor de combustión es de 1.891 kcal mol-1. Teniendo en cuenta que la energía de tensión para el ciclohexano es O kcal mol-1. ¿Cuál de los dos compuestos es más estable? 4. Dibujar la estructura de los dos isómeros configuracionales del

1,2-dimetilciclopropano. ¿Cuál es más estable? 5. Dibujar las dos conformaciones silla del ten:-butilciclohexano. Una de las dos prácticamente no existe. ¿Cuál es? 6. En los ciclohexanos disustituidos que se muestran a continuación

indicar:

105

CICLOALCANOS

Et e)

¡:;::!!; Cl

COOH

f)Me~

i) Si se trata del isómero cis o trans. ii) Si la conformación dibujada es la más estable. iii) Si la respuesta anterior es negativa, dibujar su conformación más estable.

7. Sugerir una explicación razonable para los siguientes resultados experimentales: • En el trans-1,4-dibromociclohexano no hay preferencia conformacional entre la silla con los átomos de halógeno en posición diecuatorial sobre la que los tiene en posición diaxial. • En el trans-1,2-dibromociclohexano la conformación de silla predominante es la que dispone los dos átomos de halógeno en posición diaxial.

8. La decalina, C10H18, consta de dos anillos fusionados de ciclohexano; la unión de ambos puede ser ciso trans. Dibujar las dos decalinas isómeras e indicar cuál de ellas es más estable.

106

QUIMICA ORGÁNICA

Soluciones a los eiercicios de autocomprobación 1. a) Yodociclopropano b) tmns-1,2-Dibromociclobutano c) cis-1-terc-Butil-3-metilciclohexano

d)

7 2

2 anillos, siete átomos de carbono 1,3,3-Trimetilbiciclo[2.2.l]heptano

5

e) 2 anillos, ocho átomos de carbono 2,3-Dibromobiciclo[2.2.2]octano

2. b)

e)

3. La energía de tensión se determina mediante la diferencia entre el calor de combustión por CH2 de la muestra (1.891/12 = 157,6) y el calor de combustión por CH 2 de la referencia (157,4) multi-

107

CICLOALCANOS

plicando esa diferencia por el número de carbonos del anillo (n=12). 157,6 - 157,4 = 0,2 0,2 X 12 = 2,4 Energía de tensión del ciclododecano = 2,4 kcal mol-1. Por lo tanto, es más estable el dclohexano ya que su energía de tensión es cero y tiene por lo tanto menor contenido energético. 4. H3C~

,~CH3

i~\i cis

En la conformación cis, la interacción no enlaz.ante entre los dos grupos metilo es mayor que la interacción hidrógeno-metilo del isómero trans. Por lo tanto la forma trans tiene menor tensión y es la más estable. 5. En los ciclohexanos monosustituidos, cuando el grupo es muy voluminoso, como sucede con el grupo terr-butilo, y está ocupando una posición axial, la distancia entre este grupo y los dos átomos de hidrógeno también axiales disminuye, con lo que aumenta la repulsión entre ellos.

Axial (0,01 %)

Ecuatorial (99,99%)

En este caso prácticamente sólo e.xiste el oonfórmero ~uatorial. 6. i) Isómeros cis b) y e).

Isómeros transa), e), d) y f).

108

QUIMICA ORGÁNICA

ii) Cuando en el anillo de ciclohexano hay dos sustituyentes la conformación de silla más estable y abundante será la que tenga el mayor número de sustituyentes en posición ecuatorial. Cuando uno de ellos tiene que ser necesariamente axial, este será siempre el grupo más pequeño.

Dibujados en su conformación más estable a), e) y f) iii) Conformaciones más estables:

Et d) CH3

b)

e)

7. En un principio éste parece ser un resultado completamente anómalo; hasta ahora se ha estudiado que en los ciclohexanos trans1,4-disustituidos la conformación más estable era la que tenía los dos sustituyentes en posición ecuatorial. Este ejercicio es un ejemplo interesante que va a permitir conocer otro factor, no estudiado hasta ahora, que influye de forma decisiva en la estabilidad conformacional.

Resultado experimental Ir~ 1,4-Dibromociclohexano

Br Br Br

diaxial

diecuatorial

Ir~ 1,2-Dibromociclohexano

Br

Br Br diaxial

diecuatorial

Este nuevo factor son las atracdones o repulsiones dipolares. Cuando los enlaces y las moléculas están polarizados, existen cen-

109

CICLOALCANOS

tros positivos y negativos, los átomos tienden a disponerse de forma que los que tienen la misma carga se alejen lo más posible y los que tienen distinta carga se aproximen. Así en el isómero trans-1,4 la conformación diaxial (supuestamente menos estable) se encuentra ligeramente estabilizada por las atracciones dipolo-dipolo, resultando que no existe preferencia por ninguna de las dos conformaciones de silla. Por otro lado, en el trans-1,2-dibromociclohexano, predomina el confórmero diaxial, sobre todo en disolventes poco polares, ya que la conformación trans diecuatorial se encuentra desestabilizada por las interacciones repulsivas entre los dos átomos de bromo. & La unión de dos ciclohexanos con dos átomos de carbono comu-

nes puede ser cis o trans. Así, por ejemplo, la decalina (biciclo [4.4.0]decano) puede existir en dos formas isómeras, dependiendo de la posición de los átomos de hidrógeno en los carbonos cabeza de puente. H

H

trans H

H

H CÍS

El isómero transes más estable que el cis debido a que en el primero no existen interacciones 1,3-diaxiales hidrógeno-metileno, ya que estos últimos están en enlaces ecuatoriales (indicados en trazo grueso). En cambio, en el isómero ciscada anillo tiene, en uno de sus enlaces axiales, un grupo metileno del otro anillo.

Tema4

Estereoisomería

1

SUMARIO 1

1

4.1. Introducción 4.2. Moléculas quirales

4.2.1. Actividad óptica 4.3. Configuración absoluta

4.3.1. Reglas secuenciales y nomenclatura R-S 4.3.2. Proyecciones de Fischer 4.4. Moléculas con varios centros estereogénicos: diastereoisómeros 4.5. Estereoquímica dinámica


OBJETIVOS _ 1

1

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __

1

1. Conocer el fenómeno de la estereoisomería y los conceptos que ésta maneja. 2. Definir los enantiómeros e informar sobre el modo de distinguirlos. 3. &tablecer un sistema de nomenclatura para indicar la quiralidad de una molécula.

4.. Dibujar la disposición tridimensional de los átomos en una superficie plana.

5. &tablecer la configuración R y S utili7.ando las proyecciones de Fischer. 6. Distinguir entre enantiómeros y diastereoisómeros.

7. Demostrar como una reacción química introduce quiralidad en una molécula.

113

ESTEREOISOMERÍA

4. 1. Introducción Entre los compuestos orgánicos es muy frecuente la existencia de isómeros, por lo que para el estudio de la Química Orgánica es necesario un conocimiento preciso del fenómeno de la isomería. En los Temas anteriores ya se han tratado dos tipos de isomería: la isomería constitucional (estructural) y la isomería cis-trans. La isomería constitudonaldescribe la relación entre aquellos compuestos que tienen idéntica fórmula molecular pero sus átomos están unidos en un orden distinto: CH3 1

CH3-CH-CH3

Butano

2-Metllpropano

CH3-CH2-CH= CH2

CH3-CH= CH-CH3

1-Buteno

2-Buteno

CH3-CH2-0 -CH2-CH3

CH3-CH2-CH2-CH2-0H

Dietil éter

1-Butanol

La estereoisomería describe isómeros cuyos átomos están conectados en el mismo orden pero con una disposición espacial diferente. Dentro de este grupo se encuentran los isómeros cis-trans, ya vistos en los cicloalcanos: CH3

CH3

CH3

cis-1,2-Dimetilciclohexano

trans-1, 2-Dimetllciclohexano

En este Tema se va a tratar otro tipo importante de estereoisomería, que es la relacionada con la quiralidad o disimetria molecular. Este tercer tipo de isomería, la enantiomeria, se basa en la propiedad que presentan ciertas moléculas para poder existir en dos formas distintas, que son imágenes especulares una respecto de la otra, pero que no son idénticas. Por ejemplo, el ácido láctico existe como un par de enantiómeros: plano especular H

HO"'~ H C 3

COOH

Ácido(+)-láctico

H

OH HOO~l.,. CH3 Ácido(-)-láctico

114

QUIMICA ORGÁNICA

Para el estudio de este Tema es también extremadamente útil el uso de los modelos moleculares para visualizar las estructuras.

4.2. Moléculas quirales La palabra quiral se deriva del griego y significa "mano". Cuando se aplica este término a las moléculas quiere decir que éstas, al igual que las manos, mantienen entre sí la relación de ser una la imagen especular de la otra, sin ser iguales, y, por lo tanto no son superponibles. A estos pares de moléculas que existen en forma de imágenes especulares no superponibles se las denomina enantiómeros. La condición necesaria y suficiente para la existencia de enantiomería es la quiralidad. No obstante, se suele atribuir la enantiomería a la existencia en la molécula de átomos de carbono asimétricos. Un átomo de carbono asimétrico es el que está unido a cuatro sustituyentes distintos, para representar estos átomos se suele utilizar un asterisco. Ejemplos de compuestos quirales con un átomo de carbono asimétrico son: H 1

. .e~ Br'''''/ " F

Cl

Bromoclorofluorometano

CH2CH3 1

. e~ H '''''/ " CH3

Br

2-Bromobutano

..e, H 1

H2N ~'''/

COOH

H3C

Ácido-2-aminopropanoico

Las moléculas que poseen un plano de simetría, WI centro de simetría o un eje alternante de simetría son superponibles con sus imágenes especulares y, por tanto, son aquirales. Cuando en una molécula hay WI átomo de carbono asimétrico se dice que la molécula posee un centro quiral, o centro estereogénico, porque es un centro que origina quiralidad. Estos centros suelen ser átomos de carbono asimétricos, pero pueden ser también átomos de otra naturaleza, como átomos de azufre, fósforo, nitrógeno, silicio o determinados grupos atómicos. La gran mayoría de las moléculas que poseen átomos de carbono asimétricos son quirales, aunque no todas lo son. Y, recíprocamente, una gran mayoría de las moléculas quirales poseen átomos de carbono asimétricos.

4.2. 1. Actividad óptica Una pareja de enantiómeros está constituida p9r dos compuestos tan parecidos que la mayoría de sus propiedades son idénticas. Unicamente existe una propiedad

115

ESTEREOISOMERÍA

que es característica sólo de las parejas de enantiómeros y que sirve para diferenciarlos. Esta propiedad es la actividad óptica, las moléculas quirales son ópticamente activas y son capaces de hacer girar el plano de la luz polarizada. La actividad óptica de una sustancia puede medirse con un instrumento conocido como polarímetro representado de modo esquemático en la Figura 4.1. Luz polarizada en un plano

El plano

~~-t-1-+ IlJ /¡

~ Fuente de luz

Polarizador

Tubo que contiene la muestra

gira

.

~~

'

·.= o!:dm

Analizador

Figura 4.1. Representación esquemática de un polarímetro.

La luz emitida por la fuente atraviesa el polariz.ador, transformándose así en luz polarizada que pasa a través del tubo que contiene la muestra. Si la muestra no es ópticamente activa, la luz polarizada saldrá del tubo vibrando en el mismo plano; pero, si por el contrario, se trata de una sustancia ópticamente activa, el plano de vibración de la luz que sale del tubo variará. La diferencia medida (en grados) es la rotación óptica observada de la muestra y se representa por a. Además de la magnitud de la rotación también es posible conocer su sentido. Cuando la rotación se realiza en el sentido de las agujas del reloj (hacia la derecha), se dice que el compuesto es dextrógiro o dextrorrotatorio, y a a se le da un valor positivo; pero si el giro es hacia la izquierda, la sustancia se clasifica como levógira o levorrotatoria, y a a se le da un valor negativo. Para que sean comparables los valores de la actividad óptica determinados para diferentes sustancias, es necesario normalizar las condiciones en que se realizan las medidas. Se define así, una nueva propiedad de las sustancias, la rotadón especifica [a] como el número de grados de rotación observados en un tubo de 1 decímetro de longitud con una concentración de muestra de lg mL-1; por lo tanto, si las condiciones experimentales de medida no se ajustan a las normalizadas, puede determinarse el valor de la rotación específica mediante la siguiente ecuación:

[aJl = ~ en la que tes la temperatura en grados centígrados; les la longitud de onda utilizada (generalmente la de la línea D del sodio); a es la rotación óptica observada en grados; 1 es la longitud del tubo que contiene la muestra en decímetros, y e es la concentración de la sustancia en el disolvente, expresada en g mL-1, o bien la densidad si se trata de un líquido puro.

116

QUIMICA ORGÁNICA

La rotación específica de una molécula ópticamente activa, que depende del disolvente, es una propiedad característica de la sustancia al igual que lo es el punto de fusión, el punto de ebullición, la densidad, etc. Los enantiómeros giran el plano de polariz.ación de la luz en igual grado pero en sentido opuesto. Por lo tanto, si se tiene una mezcla al 50% de una pareja de enantiómeros (mezcla racémica) el resultado es una inactividad óptica. Para poder observar actividad óptica en una mezcla de dos enantiómeros, hace falta que uno de ellos se encuentre en exceso respecto al otro.

4.3. Configuración absoluta El conocimiento de la configuración absoluta (disposición espacial real de los sutituyentes) de un centro estereogénico plantea un nuevo problema de nomenclatura. Es necesario establecer un método verbal para indicar la quiralidad de la molécula y poder nombrar de forma inequívoca a un enantiómero, y así distinguirlo de su imagen especular. El sistema fue desarrollado en 1956 por tres químicos, R.S. Cahn, C. Ingold y V. Prelog.

4.3. 1. Reglas secuenciales y nomenclatura R-S Estas reglas están restringidas a estereoisómeros que contengan átomos de carbono asimétricos que, por otro lado, es la situación más frecuente en la Química Orgánica.

• Primer paso: Ordenar de mayor a menor la prioridad de los cuatro sutituyentes (a> b >y> z). (El orden de prioridad se establece siguiendo las reglas de secuencia que se describen posteriormente.) • Segundo paso: Se dispone la molécula de forma que el sustituyente de menor prioridad (z) se encuentre lo más alejado posible del observador. • Tercer paso: Se observa la orientación de los tres grupos restantes y se mira si, partiendo del grupo de mayor prioridad de los tres para llegar al de menor prioridad (es decir el paso de a--7y, pasando por b), se hace en el mismo sentido de las agujas del reloj (configuración ~, o en sentido contrario (configuración .s). a

z~b R

a > b > y >z

117

ESTEREOISOMERÍA

El símbolo R o S se antepone entre paréntesis al nombre del compuesto, y el signo de la rotación óptica puede añadirse, aunque no es necesario, para la designación inequívoca del compuesto quiral. Una mezcla racémica se designa como R,S. Por ejemplo: CH20H 1

. .e H ,,,,., ..........

CHO

HO

(.s)-(-)-2,3-Dihidroxipropanal Ácido (.s)-(+)-2-aminopropanoico (~.s)-2-Bromobutano

Como se puede observar, los símbolos R y S no muestran ninguna correlación con el signo de a. Asignación de prioridades a los sustituyentes

Las reglas que hay que tener en cuenta para establecer el orden de precedencia de los átomos o grupos de átomos, fueron creadas también por Cahn, Ingold y Prelog. Estas normas se establecieron en un principio para átomos de carbono unidos a cuatro sustituyentes distintos, pero son extensivas a los isómeros cis-trans, en los que cada átomo posee sólo dos sustituyentes (Tema 12). Se pueden resumir, en sus aspectos más fundamentales, en las cuatro reglas siguientes:

• Regla n. 0 1: La prioridad se establece por el número atómico. Tienen prioridad los de número atómico más alto sobre los más bajos (de este modo, el sustituyente de menor prioridad es el hidrógeno). En el caso de isótopos tienen prioridad los de masa atómica superior. 1 1

CH3-C-H 1

NH2

H 1

CH3- C -D

bH OH > CH3 > D > H

• Regla n. 0 2. Cuando los átomos unidos al átomo de carbono que se está estudiando son iguales hay que continuar la secuencia, es decir, se deben comparar los átomos a ellos unidos, y si fuera necesario también a los siguientes, etc.. CH3

CH3 "ciÍ CH3 1

1

1

1

CH3CH2-C-C-CH3 CH3CH3

Propilo > Etilo > Metilo > H

te.rr:-Butilo > Isopropilo > Etilo > Metilo

118

QUIMICA ORGÁNICA

• Reglan. 0 :J. Los enlaces dobles o triples se consideran como dos o tres enlaces sencillos, con átomos idénticos al unido por enlace múltiple. Por ejemplo, si se aplica esta regla al grupo formilo:

o 11

-C-H

o-e se considera como

1

-C-0

Á Como este grupo contiene un doble enlace entre el átomo de carbono y el de oxígeno, la regla establece que el átomo de carbono ha de estar unido por enlaces simples a dos átomos de oxígeno, y éste, a su vez, tiene que estar unido a dos átomos de carbono. En la fórmula equivalente se marcan los átomos repetidos en color rojo, indicando que por estos átomos no se puede continuar la secuencia. Otros ejemplos de equivalencias:

o 11

-C-OH

se considera como

o-e -e-o 1

1

OH

N C -C==N

se considera como

1

1

-C-N-C

k

e e -C==C-R

se considera como

1

1

-C-C-R

¿¿

Una vez vistas las equivalencias, ya se pueden aplicar las reglas 1y2, así el orden de prioridad de estos grupos sería:

o

o

11

11

-C-OH > -C-H > -C==N > -C==C-R

• Regla n. 0 4: Cuando dos grupos únicamente se diferencian en su configuración, R precede a S (o Z precede a E).

4.3.2. Proyecciones de Fischer En 1891, el Profesor Emil Fischer (Premio Nobel en 1902) sugirió un método estándar de representación para describir la disposición tridimensional de los áto-

119

ESTEREOISOMERÍA

mos en una superficie plana. El método consiste en dibujar la molécula en forma de cruz, situando los cuatro sustituyentes a la derecha, a la izquierda, arriba y abajo del átomo de carbono, pero teniendo en cuenta que las líneas horizontales representan enlaces dirigidos hacia el observador (sustituyentes por encima del plano de representación), y las lineas verticales representan a los enlaces que se alejan (sustituyentes que realmente están por detrás del plano). A continuación se representa la conversión de una fórmula en perspectiva en su proyección de Fischer: b

b

. e1

z~''J

a

b 1

. . . ._ y

z-c- a 1

y

y

Para determinar el tipo de configuración (Ro .s) de un compuesto quiral, representado en su proyección de Fischer, hay que imaginarse la molécula en el espacio. Cuando se tienen dificultades en esta disciplina se puede recurrir a algunas reglas nemotécnicas: l. Cuando el sustituyente de menor prioridad z, se encuentra en los trazos ver-

ticales de la cruz (arriba o abajo), se prescinde de él y se observa el sentido circular que hay que describir para seguir el orden de prioridad decreciente de los otros tres grupos: z 1

y- e - a

por lo tanto R

1

b b 1

a- e -y

por lo tanto R

1

z

2. Cuando el sustituyente de menor prioridad se encuentra en los trazos horizontales de la cruz (derecha o izquierda), existen dos posibilidades: 2a. Se cambia su posición con el sustituyente situado enfrente, y una vez

realizado el cambio se prescinde de él, y se sigue la secuencia de mayor a menor prioridad comprobando si el movimiento de rotación ha sido en el sentido de giro de las agujas del reloj o en el contrario. 2b. Otra opción alternativa consiste en cambiar el grupo de menor prioridad por el que se encuentra situado arriba o abajo (esta operación invierte la configuración). Una vez realizado el cambio, se aplica la pri-

120

QUIMICA ORGÁNICA

b

b

~ly

1

y-c-z

~

1

a

a

a

a

1

z-c-y

~

1

por lo tanto R

y~

b

por lo tanto R

b

mera regla, y se le asigna la configuración opuesta a la observada, ya que ha habido un cambio intencionado en la configuración. z

por lo tanto S y la verdadera configuración R

1

y-C-b cambio de z por b b 1

y-c-z 1

a

cambio de z por a

1

a

1. Se realiza. una de las operaciones indicadas 2. Se deduce Ja configuración 3. Se asigna Ja configuración opuesta b

b 1

y-e- a

y-dl a

1

z

por lo tanto S y la verdadera configuración R

Como se ha visto, una misma configuración de un centro quiral, en este caso la R puede aparecer representada en proyecciones de Fischer de cuatro maneras distintas, con el grupo de menor prioridad z, a la derecha, a la izquierda, arriba o abajo: b 1

y-C-z 1

a

(l)

a 1

z-C-y 1

b (11)

z 1

b 1

y-C- a

a-C-y

b

1

z

(111)

(IV)

1

Hay que ser muy cuidadoso con el manejo de las proyecciones de Fischer, y se debe tener en cuenta que el cambio de lugar de un grupo por otro cualquiera de los otros tres supone un cambio en el centro quiral, transformando la molécula en otra de configuración opuesta. Si se desea saber si dos representaciones en proyección de Fischer de una molécula poseen la misma configuración o la opuesta, es suficiente con contar el

121

ESTEREOISOMERÍA

número de intercambios. Si Ja conversión de una a otra necesita un número par de intercambios las estructuras son ídénücas, sí el número es impar se trata de estructuras que son imágenes especulares. Por ejemplo, si se quiere conocer si las proyecciones 11 y 111 dibujadas anteriormente representan a moléculas con la misma configuración, sería suficiente contar el número de intercambios: z

a 1

1. er intercambio

1

2. 0 intercambio

z-C-y

b (11)

1

y- C - a 1

b

(111) Han sido necesarios dos intercambios por lo tanto 11 y 111 son idénticas. Con una fórmula en proyección de Fischer hay que procurar evitar las rotaciones ya que es fácil confundirse y perder la configuración absoluta correcta, la única operación posible es el giro de 180º sin levantar la fórmula del plano de representación. La proyección de Fischer no es el único modo de representación en el plano de las moléculas. Se pueden utilizar también las proyecciones de Newman, caballete o cuña y se utiliz.an unas u otras, según el aspecto que se quiera destacar (ver Ejercicio de autocomprobación n. 0 7).

4.4. Moléculas con varios centros estereogénicos: diastereoisómeros Cuando una molécula posee más de un centro quiral la situación es algo más compleja, ya que cada uno de los centros puede ser R o S, apareciendo distintas estructuras, todas isómeras. Un ejemplo sencillo de una molécula con dos centros estereogénicos es el 2,3dihidroxipentano, en donde los átomos de carbono en posiciones 2 y 3 son asimétricos y distintos entre sí:

* * CH3-CH-CH-CH2-CH3

ÓH ÓH El número de estereoisómeros posibles es 211, siendo n el número de carbonos quirales; en este caso son por lo tanto posibles 4 estereoisómeros y para representarlos se utiliz.an las proyecciones de Fischer. Cada centro quiral puede ser Ro Sy por tanto las combinaciones posibles son: SR, RS, SS y RR. La asignación R o S, de cada centro quiral, se establece igual que se ha visto para las moléculas de un sólo centro.

122

QUIMICA ORGÁNICA

plano especular Me

Me

H- - *OH HT OH

Et (I)

plano especular

HO- - *H HO+ H

Me

Me

H- - *OH HO+ H

HO- - *H OH HT

Et (III)

Et

Et (11)

(IV)

Figura 4.Z. Los cuatro estereoisómeros posibles del 2,3-dihidroxipentano en representación de Fischer.

Si se observa detenidamente la Figura 4.2, se puede ver la relación existente entre los cuatro estereoisómeros: I y 11, así como Ill y IV. son imágenes especulares y por lo tanto constituyen dos parejas de enantiómeros. Por otro lado, 11 y 111 son una pareja de estereoisómeros que no son imágenes especulares, y reciben el nombre de diastereoisómeros o diastereómeros. Esta misma relación se encuentra entre I y llI, 1 y IV; y entre 11 y IV. Es posible distinguir entre una pareja de enantiómeros y otra de diastereoisómeros de un modo sencillo. La primera tiene configuración totalmente opuesta en sus centros quirales, mientras que una pareja de diastereoisómeros tiene la misma configuración en un centro quiral y opuesta en el otro. Parejas de enantiómeros y diastereoisómeros del 2,3-dihidroxipentano: Enantiómeros

{

lyll IIlyIV

Diastereoisómeros o Diastereómeros

(2S,

3~

y (2R. 3.s)

(2S, 35) y (2R.

3~

Ilyill

(2R. 3.s) y (2S, 35)

IlyIV

(2R. 3.s) y (2R.

Iyill

(2S,

3~

y (2S, 35}

IyIV

(2S,

3~

y (2R.

3~

3~

Los diastereoisómeros tienen distintas propiedades químicas; es posible separarlos por destilación fraccionada, cristalización o cromatografía. También tienen distintas propiedades fisicas como los puntos de fusión, ebullición o las densidades, así como rotaciones específicas diferentes. Los conceptos de enantiómeros y diastereoisómeros carecen de sentido considerados de forma aislada y sólo se aplican cuando se comparan dos estereoisómeros. Para nombrar un compuesto con dos centros estereogénicos existe otra nomenclatura, aceptada por la IUPAC, y es el uso de los prefijos eritro y treo. La pareja

123

ESTEREOISOMERÍA

de enantiómeros que presenta los dos grupos iguales o más parecidos al mismo lado es la eritro y la otra la treo. Asit en el caso anteriort la pareja de enantiómeros 1 y 11 es la eritro y la 111 y IV la treo. Esta nomenclatura no se puede aplicar cuando los sustituyentes unidos a los dos centros quirales sean muy diferentes. Formas meso

Cuando en una molécula existen centros estereogénicos con la misma constitución, el número de posibles estereoisómeros disminuye. Así en la molécula 2,3dihidroxibutano, hay dos átomos de carbono asimétricos que tienen los mismos sustituyentes:

* * CH:r-CH-CH-CH3 1

OH

1

OH

La molécula en principio presentaría 22 = 4 estereoisómeros: CH3

CH3

H +OH

H- - *OH CH3

HO- - *H HO+ H CH3

(la)

(lb)

CH3 H- - *OH HO+ H CH3 (II)

CH3

H +OH

HO- - *H CH3 (III)

En este caso la y lb son idénticos como puede comprobarse fácilmente si se

efectúa uno de los cambios permitidos (giro de 180º sin levantar la molécula del plano de representación del papel). Por lo tantot el número de estereoisómeros se reduce a tres: 11 y 111, que son enantiómeros y t que es un diastereoisómero tanto de 11 como de 111. La fórmula t a pesar de poseer dos centros quirales es aquiralt ya que es superponible con su imagen especular, y por lo tanto ópticamente inactiva. Este estereoisómero se denomina forma meso y una propiedad característica de estos compuestos es que tienen un plano de simetría, que convierte por reflexión un centro quiral (o varios) en otro. CH3 H

OH

H

OH CH3

Plano de simetrta del meso-2,3-dihidroxibutano. Este plano divide a la molécula en mitades que son imágenes especulares.

124

QUIMICA ORGÁNICA

En este caso, la pareja de enantiómeros 11 y 111 es la forma treo y la forma meso es la eritro. Moléculas con tres o más centros estereogénicos

En el caso de moléculas con más de dos centros quirales, las posibilidades estructurales son aún mayores y el número de estereoisómeros aumenta. Así, un compuesto con tres centros quirales distintos puede tener un máximo de ocho estereoisómeros (23 = 8); este número puede disminuir si hay formas meso. Si se realizan las diferentes combinaciones de los tres centros, se pueden agrupar en cuatro parejas de enantiómeros: (RRll) -----(SS.s)

(RR.S) -----(SSRJ

(RSll) -----(SR.S)

(RS.s)

(SRRJ

De modo análogo, un compuesto con cuatro centros quirales distintos puede tener 16 estereoisómeros, uno con cinco 32, etc. Los estereoisómeros se agrupan en parejas de enantiómeros, siendo el número de parejas igual a la mitad del número de estereoisómeros. Átomo de carbono pseudoasimétrico

Existen algunas moléculas que poseen varios centros quirales de los que uno de ellos es en ocasiones quiral y en otras no. Estos átomos se denominan pseudoasimétricos y están unidos a cuatro sustituyentes diferentes, de los cuales dos de ellos son grupos enantiómeros. Se les suele marcar con dos asteriscos y para indicar su configuración se aplican las mismas reglas que en el caso de los átomos verdaderamente asimétricos, pero se indica con letras minúsculas r y s. Un ejemplo representativo, de un compuesto con un átomo de carbono pseudoasimétrico, es el 1, 5-dibromo-2,3,4-trihidroxipentano:

* ** * CH2Br-CHOH-CHOH-CHOH-CH2Br Si los tres átomos de carbono fuesen asimétricos habría 23 = 8 estereoisómeros. Sin embargo, el átomo de carbono central (Cs) es sólo pseudoasimétrico y el número de estereoisómeros se reduce a la mitad; dos formas meso, que únicamenCH2Br H H H

R OH r OH S OH CH2Br (1)

meso

HO H HO

CH2Br S H s OH R H CH2Br (11) meso

CH2Br H H HO

R OH OH R H

HO HO H

CH2Br S H H S OH

CH2Br CH2Br (111) enantiómeros (IV)

125

ESTEREOISOMERÍA

te se diferencian en la configuración del centro pseudoasimétrico, y una pareja de enantiómeros en donde el átomo de carbono central no es quiral.

4.5. Estereoquímica dinámica Una vez realizado el estudio sobre los aspectos espaciales de las moléculas hay que continuar con el estudio de las reacciones. La estereoqufmíca dinámica se ocupa de los aspectos espaciales de las reacciones orgánicas. Muchas de estas reacciones conducen a productos quirales. Así, por ejemplo, en la reacción de bromación radicalaria del butano (sección 2.5.2), se obtiene el 2-bromobutano: Br 1

CH3-CH-CH2-CH3 + HBr

En un principio, y sin tener conocimiento de la estereoisomería, se podría pen-

sar que da un único producto, pero como se puede observar en la Figura 4.3, y debido a la existencia de dos posibles hidrógenos a reemplazar, la sustitución de uno u otro origina dos productos distintos.

Figura 4.3: Formación del 2-bromobutano racémico a partir del butano por halogenación radicalaria (en este dibujo se utiliza el color para indicar el orden de prioridad de los sustituyentes).

La sustitución de uno de los hidrógenos por bromo, conduce a uno de los enantiómeros, y la sustitución del otro da la imagen especular. En esta reacción la velocidad de abstracción de cualquiera de los dos hidrógenos por el bromo es la misma, por lo que las velocidades de formación de los productos R y S son iguales y, por lo tanto, se forma la mezcla racémica. En general, Ja formación de compuestos quirales a partir de reactivos aquirales origina la mezda ra.cémíca, es decir, no se pueden obtener productos ópticamente activos a partir de sustancias inactivas. A lo largo de los siguientes Temas se van a ver otros muchos ejemplos de reacciones en las que la estereoquimica juega un papel decisivo.

126

QUIMICA ORGÁNICA

El estudio estereoquímico de las reacciones orgánicas presenta gran interés. Por un lado, siguiendo la estereoquímica de un determinado proceso es posible determinar, de forma inequívoca, el mecanismo por el que transcurre. Por otro lado, y desde un punto de vista de aplicación de los compuestos sintéticos, hay muchos procesos biológicos en los que es imprescindible la utilización de uno sólo de los posibles estereoisómeros que pueda presentar el compuesto.

Resumen de conceptos importantes 1. Los estereoisómeros son isómeros cuyos átomos son constitucionalmente iguales pero con una disposición espacial diferente. 2. Los objetos y las moléculas que no son superponibles con su imagen especular son quirales. Un átomo de carbono con cuatro sustltuyentes distintos es un ejemplo de centro quiral o centro estereogénico. 3. La gran mayoría de las moléculas que poseen átomos de carbono asimétricos son quirales, aunque no todas lo son. Y, recíprocamente, una gran mayo-

ría de las moléculas quirales poseen átomos de carbono asimétricos. 4. Es posible distinguir dos enantiómeros por su actividad óptica. Un enantió-

mero siempre gira el plano de la luz en el sentido de las agujas del reloj y el otro lo hace en sentido contrario, pero en el mismo grado. La mezcla al 50% de una pareja de enantiómeros recibe el nombre de mezcla racémica y es ópticamente inactiva. 5. Para designar la configuración absoluta de un centro quiral se utilizan las reglas de Cahn, Ingold y Prelog. 6. Para describir la disposición tridimensional de los átomos en una superficie plana se utilizan las proyecciones de Fischer. Se dibuja la molécula en forma de cruz, situando los cuatro sustituyentes a la derecha, a la izquierda, arriba y abajo del átomo de carbono.

7. De forma general un compuesto con n centros quirales tiene un máximo de 2° estereoisómeros. Este número puede disminuir si hay formas meso. 8. Los átomos que están unidos a cuatro sustituyentes diferentes y dos de ellos son grupos enantiómeros se denominan átomos pseudoasimétricos.

127

ESTEREOISOMERÍA

Eiercicios de autocomprobación 1. ¿Cuáles de los siguientes compuestos son quirales? a) b) e) d)

1-Bromobutano 2-Bromobutano 2-Metilheptano 1,2-Dicloropropano

e) 1,3-Dicloropropano f) 3-Bromo-2-metilpentano g) e~ y tmns-1,2-Dibromociclobutano h) e~ y tmns-1,4-Dimetilciclohexano

2. Disponer los siguientes conjuntos en orden de prioridad decreciente: a) -CH3, -C2H5, -C(CH3)3, -CH(CH3)2 b) -CH2CH2CH3, -CH2CH(CH3)2, -CH(CH2CH3)2, OH c) -D, -CH3, -Br, -H d) -COOH, -CH3, -NH2, -H e) -CCb, -CH2Br, -F, -CH3 3. Calcular la rotación específica del 2-bromobutano, cuya densidad a 20 ºCes 0,80 g mL-1, teniendo en cuenta que la rotación observada utiliz.ando una lámpara de sodio y un tubo de dos decímetros de longitud es 7,42º. Determinar el porcentaje de 2-bromobutano existente en una mezcla de isómeros monobromados del butano. La densidad de la mezcla es O, 76 g mL-1 a 20 ºC y el valor de a es 4,22º (medida en un tubo de 20 cm de longitud). 4. De las proyecciones de Fischer indicadas a continuación, señalar cuál es idéntica a la 1 y cuál de la otras es su enantiómero. Et

Me

H

1

1

1

Me-C-NH2

H-C-NH2 Me-C-NH2

NH2 1

Et-C-H

1

1

1

1

H (1)

Et (11)

Et (111)

Me (IV)

5. Dibujar en proyección de Fischer las moléculas siguientes: a) (k?-3-Cloro-3-metilhexano

128

QUIMICA ORGÁNICA

b)

(3S,5~-3,5-Dimetilheptano

e)

(~-3-Etil-2,2,4-trimetilpentano

d) (2S,3S,4.s)-2,3,4-Trifluorohexano 8. Para cada uno de los pares de compuestos siguientes indicar la rela-

ción estereoquimica (idénticos, enantiómeros, diastereoisómeros) y determinar la configuración absoluta de cada uno de los centros quirales.

y

CH3

y c)

Cl''w' '-H Br

OMe

CH3

Cl+CFs OMe d)

1

. .e

y

FsC+CHs Cl

H

NH2

y

H+CHs COOH

H

e) H_¡Cl

y H---t-CH2CH3 CH3

H3C---t--c1 H---t-CH2CH3 CH3

7. Representar el estereoisómero (R~ del 2-bromo-3-clorobutano: - en proyección de Fischer - en proyección de Newman - en proyección de caballete - en perspectiva de cuña

129

ESTEREOISOMERÍA

Soluciones a los e¡ercicios de autocomprobación l. Para responder este ejercicio hay que determinar si el compuesto contiene, al menos, un átomo de carbono unido a cuatro sustituyentes distintos; si esto ocurre la molécula es quiral.

a) 1-Bromobutano Br H H H 1

1

1

1

1

1

1

1

H-C-C-C-C-H

H H H H No hay centro estereogénico; ningún carbono se encuentra unido a cuatro grupos distintos, por tanto es aquiral. b) 2-Bromobutano

H Br H H

*

1

1

1

1

H-C-C-C-C-H

kkkk

El carbono 2 es un centro estereogénico. Tiene cuatro grupos distintos unidos a él (-CH3,-Br,-H,-CH2CH~. Se trata de un compuesto quiral e) 2-.lVletilheptano

CH3 1

CH3-C-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3 1

H

Ningún carbono es asimétrico, por lo tanto es aquiral. d) 1,2-Dicloropropano

H Cl

*

1

1

1

1

Cl-C-C-CH3

H H El C2 es asimétrico por lo tanto el compuesto es quiral.

130

QUIMICA ORGÁNICA

e) 1,3-Dicloropropano Cl~Cl

aquiral

f) 3-Bromo-2-metilpentano

* CH3-CH-CHBr-CH2-CH3 1

CH3

El átomo de carbono 3 es quiral por lo tanto el compuesto también es quiral. Los dos apartados siguientes, g) y h), van a servir para aplicar la estereoisomería a los cicloalcanos estudiados en el Tema anterior. g) cís- y trans-1,2-Dibromociclobutano Si se analiza la constitución de los 1,2-dibromociclobutanos se puede ver fácilmente que hay dos centros quirales iguales:

* H2C-CH-Br 1

1

H2C-CH-Br

* Por lo tanto el número de estereoisómeros se reduce a tres: un compuesto meso (aquiral y ópticamente inactivo) y una pareja de enantiómeros plano especular Br

Br

Lf:u

u!P

úam

Br H

El isómero cís es un compueso meso, tiene un plano de simetría

Así, el isómero transdel 1,2-dibromociclobutano es quiral y el isómero cís es un compuesto meso y por lo tanto aquiral.

131

ESTEREOISOMERÍA

h) cis- y tmns-1,4-Dimetilciclohexano Los ciclohexanos 1,4-disustituidos carecen de centros estereogénicos ya que tienen un plano de simetría. CH3

CH3 cis-1,4-Dimetilciclohexano CH3

CH3 fréll13 l, 4-Dimetilciclohexano

Los dos isómeros (cís y diastereoisómeros.

~

son aquirales y, entre sí, son

2. Hay que tener en cuenta las reglas de prioridad de Cahn, Ingold y

Prelog. a) b) e) d) e)

-C(CH3)3 > -CH(CH3)2 > -C2Hs > -CH3 --OH > ---CH(CH2CH3)2 > -CH2CH(CH3)2 > ---CH2CH2CH3 -Br >-CH3 >-D >-H -NH2 > -COOH > -CH3 > -H -F > -CH2Br > -CCh > -CH3

3. En primer lugar se calcula el valor de la rotación específica del 2-

bromobutano mediante la ecuación: [ 1~20 0 =

ª

7,42 2 X 0,80

4 64º

= '

Hay cuatro posibles isómeros monobromados del butano (C4H9Br):

132

QUIMICA ORGÁNICA

BrCH2-CH2-CH2-CH3

1-Bromobutano

* CH3-CHBr-CH2-CH3 2-Bromobutano (o bromuro de sec-butilo) CH3 1

CH3-C-Br 1

CH3

Bromuro de isobutilo

Bromuro de ten:-butilo

De los cuatro tan sólo el 2-bromobutano presenta actividad óptica, ya que es el único que tiene un átomo de carbono asimétrico, y por lo tanto es el responsable del valor de la rotación observada en la mezcla. El valor de la rotación específica de la muestra es [a]20 = D

4,22 = 2 78º 2 X 0,76 '

% de 2-bromobutano =

¡:~: x 100 = 60%

Así se puede saber que en la mezcla de isómeros, el 2-bromobutano está presente en un 60%. 4. Para conocer si las proyecciones de Fischer representadas poseen la

misma configuración o la opuesta, es suficiente con contar el número de intercambios: La proyección 11 es idéntica a la 1, pues se ha originado por dos

intercambios:

Et

Me

1

l. er inten:amhio Me( ; Et

1

2. 0 Jnten:amhio

Me-C-NH2 H (1)

Et ~ H ~

1

H-C-NH2 1

Et

cm

Sin embargo, para pasar de la 1 a la 111 o de la 1a la IV. se han necesitado uno y tres intercambios respectivamente, por lo que se trata de configuraciones opuestas.

133

ESTEREOISOMERÍA

Et

H

1

Me-C-NH2 Un intercambio

Et~H ~

1

Me-C-NH2

1

1

H

Et

(1)

(111)

Et

l. er intercambio MeCEt

1

Me-C-NH2 2. 0 intercambio

Me~H ~

NH2

1

H

1

Et-C-H 1

3. er intercambio

HCNH2

(1)

Me (IV)

Otro modo de resolver este ejercicio y que permite contestar a las dos preguntas a la vez, consiste en determinar directamente la configuración absoluta de las cuatro proyecciones. Para ello, en primer lugar se establece el orden de prioridad de los sustituyentes: -NH 2 > Et (-CH 2-CH:J > Me (-CH 3) > H

Proyecdón 1 El sustituyente de menor prioridad, H, se encuentra en uno de los trazos verticales de la cruz, por lo tanto se prescinde de él y se observa el sentido circular que hay que describir para seguir el orden de prioridad decreciente de los otros tres grupos. En este caso, el sentido es contrario a las agujas del reloj, por lo tanto su configuración es S. Proyección 11 El sustituyente de menor prioridad, H, se encuentra en uno de los trazos horizontales de la representación de Fischer; se intercambia su posición por el sustituyente situado enfrente y una vez realizado el cambio se prescinde de él y se observa el sentido circular que hay que describir para seguir el orden de prioridad decreciente de los otros tres grupos. En este caso el sentido es contrario a las agujas del reloj, por lo tanto su configuración es S. Proyección JU. En este estereoisómero el sustituyente de menor prioridad se encuentra en uno de los trazos verticales de la cruz, por lo tanto se prescinde de él y el sentido de giro para pasar del sustituyente de mayor prioridad al de menor es el de las agujas del reloj, por lo tanto, configuración R. Por último, la proyección IV tiene configuración R.

134

QUIMICA ORGÁNICA

Et 5 Me ©NH2

s¡Me

R¡H

H-C-NH2 Me~NH2

1

1

H (1)

Et (II)

R¡NH2 Et-C-H 1

Et (III)

Me

Me (N)

NH2

fj:i

H2N~ S Et

Me

En resumen, 1 = 11; 111 = Iv. Las proyecciones 1 y 11 son enantiómeros de las 111 y IV.

5. a)

(~-3-Cloro-3-metilhexano

CH3

I* CH3-CH2-C-CH2-CH2-CH3 1

Cl

La prioridad es -Cl > -CH2CH 2CH3> -CH2CH3 > -CH3 b)

(3S,5~-3.5-Dimetilheptano

CH3

CH3

1

1

*

*

CH3-CH2-CH-CH2-CH-CH2-CH3 Los centros quirates no tienen por qué ser adyacentes para dar lugar a estereoisómeros. c)

(~-3-Etil-2,2,4-trimetilpentano

135

ESTEREOISOMERÍA

3

rCH:~2CH3

H

~~ )3

CH3CH2 Se realiza el cambio~ y se prescinde CH(CH3)2

CH(CH3)2

d) (25,35,45)-2,3,4-Trifluorohexano CH3 F

F

F

1

1

1


H H

S

F

S H

S

F F

6.

a) Idénticos -CH2CH 3 =Et, por lo tanto no hay carbono asimétrico. b) Enantiómeros CH3

CH3

H+aCI Br Se realiza el cambio HporCl

Cl--tsH Br Se realiza el cambio H por Cl

c) Se necesitan tres intercambios (número impar) para pasar de una proyección a la otra, por lo tanto son enantiómeros lo que es fácil ver también cuando se determina su configuración absoluta.

~

CIWCF3 S OMe

F3C

RtOMeCF3

TOMe CH3 1 Se realiza el cambio CH3 porCF3

l

136

QUIMICA ORGÁNICA

d) Dos intercambios, por lo tanto son idénticos. H H2N ...... ~--COOH CH3

Se realiza el cambio HporCH3 e) Son diastereoisómeros (SS) y (RS)

7. Las moléculas se pueden representar de varias maneras y se utiliza una u otra forma de representación, en función del aspecto que se quiera destacar. Normalmente, tal como se ha visto a lo largo de este Tema, se utiliza la proyección de Fischer pero se pueden utilizar también la de Newman, la perspectiva en cuña o la de caballete. En este ejercicio se va a ver cómo se pasa de una forma de representación a la otra. conformadones eclipsadas

H "3C H

3

1=

2

CH3 Fischer

La proyección de Fischer es el dibujo de Cl la molécula en su conformación eclipsada, Br sabiendo esto, es fácil pasar de unas a otras.

ESTEREOISOMERÍA

conformadones eclipsadas

conformadones alternadas

180º en C2

Newman

137

#

UNIDAD DIDACTICA 11

Tema 5

Halogenuros de alquilo: sustitución nucleófila alifática 1

SUMARIO 1

1

5.1. Clasificación y nomenclatura de los halogenuros de alquilo 5.2. Estructura y propiedades fisicas de los halogenuros de alquilo 5.3. Sustitución nucleófila alifática 5.4. Cinética de la sustitución nucleófila alifática: dualidad de mecanismos 5.5. Reacción SN2 5.5.1. Mecanismo y cinética 5.5.2. Estereoquímica. Inversión de la configuración 5.5.3. Factores que influyen en la velocidad de la reacción SN2 5.6. Reacción SN 1 5.6.1. Mecanismo y cinética 5.6.2. Estereoquimica. Racemización 5.6.3. Estabilidad relativa de carbocationes 5.6.4. Factores que influyen en la velocidad de la reacción SNl Resumen de conceptos importantes Ejercicios de autocomprobación Soluciones a los ejercicios de autocomprobación

OBJETIVOS _ 1

1

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __

1

1. Reconocer las propiedades y el comportamiento químico de una familia de compuestos orgánicos que contienen un enlace covalente polarizado: los halogenuros de alquilo o haloalcanos. 2. Conocer la reacción de sustitución nucleófila alifática que pueden experimentar los halogenuros de alquilo cuando el reactivo atacante es un nucleófilo.

3. Distinguir entre los dos mecanismos por los que puede transcurrir una sustitución nucleófila, SN 1 y SN2, a partir de los factores que influyen en la velocidad de ambos mecanismos: tipo de sustrato, nucleofilia del reactivo atacante, grupo saliente y características del disolvente.

HALOGENUROS DE ALQUILO: SUSTITUCIÓN NUCLEÓFILA ALIFÁTICA

143

5.1. Clasificación y nomenclatura de los halogenuros de alquilo Los halogenuros de alquilo, también denominados haloalcanos, son compuestos derivados de los alcanos en los que uno o varios átomos de hidrógeno han sido sustituidos por átomos de halógeno. De igual forma que los alcanos se describen de manera abreviada como R-H, los halogenuros de alquilo se representan a menudo como R-X, donde Res el grupo alquilo y X el átomo de halógeno. Atendiendo al tipo de átomo de carbono al que se encuentra unido el halógeno, los halogenuros de alquilo se clasifican en primarios, secundarios y terciarios: H

H

R-l-x H

R-t-x 1 R

R R-l-x R1

Primario (1 º)

Secundario (2°)

Terciario (3°)

1

De acuerdo con el número de átomos de halógeno presentes en la molécula, los derivados se denominan monohalogenados, dihalogenados y polihalogenados. CH3-CH2-Br Derivado monohalogenado

CH2Cl2 Derivado dihalogenado

CHCl3 Derivado polihalogenado

En cuanto a la nomenclatura IUPAC de los halogenuros de alquilo, éstos se nombran de igual forma que los alcanos, considerando al halógeno como un sustituyente más de la cadena principal del alcano. La numeración de dicha cadena comienza por el extremo más cercano al primer sustituyente sin importar si se trata de un grupo alquilo o un halógeno. 1

2

3

4

5

6

CH3-CH-CH2-CH-CH2---CH3 1

1

CH3 Cl 4-Cloro-2-metilhexano 1

2

c5CH:CH3

3

4

5

trans-1-Etil-2-fluorociclopentano 6

CH3-CH-CH-CH2-CH-CH3 1

1

1

Br Br CH3 2,3-Dibromo-5-metilhexano

Además de la nomenclatura según las reglas IUPAC, muchos halogenuros de alquilo tienen nombres comunes que se basan en la raíz haluro de alquilo:

144

QUÍMICA ORGÁNICA

CH3I

CH3rHCH3 1-Bromobutano o Bromuro de butilo

Yodometano o Yoduro de metilo

Cl 2-Cloropropano o Cloruro de isopropilo

TH3 CH3CF 1

CH3 2-Fluoro-2-metilpropano o Fluoruro de ten:-butilo

Los derivados polihalogenados son generalmente conocidos con nombres vulgares: por ejemplo. tetracloruro de carbono, CC14: cloroformo. CHC13: bromoformo CHBr3 y cloruro de metileno. CH2Cl2• En este tema y en el siguiente sólo se tratarán los aspectos referentes a la química de los halogenuros de alquilo. en los cuales el átomo de carbono unido al halógeno tiene hibridación s¡JJ. También hay otras clases de halogenuros orgánicos en los que la hibridación de dicho carbono es distinta a la s¡JJ, como son los aromáticos (halogenuros de arilo) y los de alquenilo (halogenuros vinílicos), pero gran parte de su comportamiento químico es diferente. X

"

/ /C=C'\. X

Halogenuro de arilo

Halogenuro vinílico

5.2. Estructura y propiedades físicas de los halogenuros de alquilo En los halogenuros de alqwlo el enlace carbono-halógeno resulta de la superposición de un orbital con hibridación s¡JJ del átomo de carbono y un orbital p del halógeno. Como a medida que se desciende en la tabla periódica (F ~ 1) el tamaño del orbital p aumenta. la nube electrónica alrededor del halógeno se vuelve más difusa y por tanto la capacidad de solapamiento con el orbital sp'.J del carbono disminuye. Por esta razón. la fuerza del enlace C-X decrece a lo largo de la serie. al mismo tiempo que la longitud de enlace aumenta (Tabla 5.1). Una propiedad física de los halogenuros de alquilo. que es consecuencia de la mayor electronegatividad del átomo de halógeno sobre el átomo de carbono. es el carácter dipolar del enlace C-X. En la Tabla 5.1 se indican los valores de los momentos dipolares de los halometanos. Así. la densidad electrónica se desplaza

145


Tabla 5.1. Parámetros de enlace C-X y momentos dipolares de los halometanos Energia de enlace ~calmoI-1 )

H3C-F H3C-Cl H3C-Br H3C-I

110 84

1,39 1,78 1,93 2,14

70 57

1,86 1,89 1,82 1,62

hacia la dirección de X, dándole al halógeno una carga negativa parcial (0-) y, por tanto, quedando el átomo de carbono con una carga positiva parcial (a+-).

"ºc-+ x:.~-

'

..

Como el átomo de carbono en los halogenuros de alquilo está polarizado positivamente, gran parte de la química de éstos está determinada por su carácter electrófilo, es decir, el átomo de carbono va a ser susceptible de ser atacado por especies ricas en electrones (nudeófil~. Por otro lado, las especies deficientes en electrones pueden atacar al átomo de halógeno.

o:x: 1

o+c /

-

:Nu

/~

Los puntos de ebullición de los halogenuros de alquilo son mayores que los de los correspondientes alcanos debido al carácter dipolar del enlace C-X comentado anteriormente; las interacciones dipolo-dipolo son las responsables de este aumento. Los puntos de ebullición también aumentan al incrementarse el peso atómico del halógeno y al aumentar el número de carbonos en la cadena. Al igual que en los alcanos, los puntos de ebullición disminuyen con el aumento de las ramificaciones. Debido a su baja polaridad los halogenuros de alquilo son sustancias solubles en disolventes no polares e insolubles en agua.

5.3. Sustitución nucleófila alifática Como se ha comentado anteriormente, gran parte del comportamiento químico de los halogenuros de alquilo es consecuencia de la polaridad del enlace C-X; el átomo de carbono es deficiente en electrones lo que le convierte en un centro electr6filo (electro-filo= amante de electrones; philos en griego, amante). Por tanto, dicho car-

146

QUÍMICA ORGÁNICA

bono será susceptible de ser atacado por reactivos ricos en electrones; a estos reactlvos se les conoce con el nombre de nucle6mos (amantes de núcleos). En este ataque el reactivo nucleófilo se une al carbono electrófilo y despl37.3. al átomo de halógeno (grupo saliente), que sale llevando consigo el par de electrones del enlace C-X. A este tipo de reacción se le denomina reacci6n de sustituci6n nucle6fila alifática. Los nucleófilos pueden ser moléculas con carga negativa o moléculas neutras con pares de electrones sin compartir. En el primer caso se obtendrán productos neutros (A) y en el segundo los productos tendrán carga positiva (B): A)

Nu:

o+ o.. + R-X:

-

~ ~l~ctrófilo

Nucleóftlo B)

oo+ .. + R-X:

Nu: Nucleóftlo

~ ~l~ctrófilo

+ R-Nu +

:x: .. Grupo saliente

+ [R-Nu]+ +

:x: .. Grupo saliente

Los iones halogenuro son buenos grupos salientes porque son bases débiles (sus ácidos conjugados son ácidos fuertes) y, por tanto, al igual que los halogenuros de hidrógeno tienen tendencia a ceder un protón a otras bases, también los halogenuros de alquilo cederán con facilidad el grupo alquilo:

..

HX: - - - - H+ + :x:-

..

RX: - - - - R+ + :x:-

Los halogenuros de alquilo reaccionan con nwnerosos nucleófilos, orgánicos e inorgánicos, para dar lugar a una gran variedad de productos. Por ello, son sustratos de partida en la sintesis de una gran variedad de compuestos. En la Tabla 5.2 se da una relación de algunas de las reacciones más importantes. A continuación se muestran algunos ejemplos concretos: CH3-CH2 -~): +

HO: ..

Cloruro de etilo CH3-~r: +

1

:c1:

2-Cloropropano

+ :ci:-

Etanol N==C:-

Bromuro de metilo CH3-CH-CH3 +

CH3-CH2-~H

CH3-CN: + :Br: ..

Acetonitrilo :NH2

CH3-CH-CH3 + :c1:1

NH2 2-Aminopropano


CH3

147

CH3

1

..

1

..

CH3-C-Cl: + CH30H

1

..

1

..

CH3-C-OCH3 + HCI

CH3 Cloruro de terc-butilo

CH3 terc-Butil metil éter

Tabla 5.2. Reacciones de sustitución nucleófila alifática de los halogenuros de alquilo

R-X

+

HQ:-

R-OH

Alcohol

R-X

+

H2R

R-OH

Alcohol

R-X

+

Ro:-

R-OR

Éter

R-X

+

RM

R-R

Alcano

R-X

+

:N==C:-

R-CN:

Nitrilo

R-X

+

-::NR2

R-NR2

Amina

R-X

+

:NR3

R-NR3

Sal de amonio

R-X

+

R-coo:-

R-OOCR

Éster

R-X

+

:·¡:-

R-·i:

Yoduro de alquilo

R-X

+

R-C==C:-

R-C==C-R

Alquino

R-X

+

HS:-

R-SH

Tiol (mercaptano)

R-X

+

&S:-

R-SR

Tioéter (sulfuro)

R-X

+

:PR3

R-PR3

+

+

Sal de fosfonio

5.4. Cinética de la sustitución nucleófila alifática: dualidad de mecanismos Cuando un químico estudia una reacción, éste debe conocer el mecanismo por el cual transcurre la misma, lo cual implica investigar los intermedios y estados de transición que se forman en la reacción. Una poderosa herramienta para dilucidar mecanismos de reacción lo constituye el estudio de velocidades de reacción, así como la dependencia de estas velocidades con las concentraciones de los reactivos. El campo de la química que se ocupa de este estudio se denomina cinética.

148

QUÍMICA ORGÁNICA

Para explicar la cinética de la reacción de sustitución nucleófila alifática se elige la reacción del bromuro de metilo con hidróxido sódico para formar metanol: CH3Br + NaOH

CH30H + NaBr

Bromuro de metilo

Metano!

Para una concentración dada de los reactivos, la reacción transcurre a una determinada velocidad. Experimentalmente se ha comprobado que si la concentración del ion hidroxilo se duplica, la frecuencia de colisión entre los reactivos se duplica y la velocidad también se duplica. Lo mismo ocurre si se duplica la concentración de bromuro de metilo. Se dice que una reacción es de segundo orden cuando la velocidad depende linealmente de la concentración de dos reactivos, y se expresa como: velocidad = k [CH3Br] [NaOH]

La velocidad de esta reacción indica cuantos moles de metanol se forman por litro y por segundo, siendo k la constante de velocidad. Por tanto, las unidades de kson: L mol-1 s-1. Si ahora, la reacción de sustitución nucleófila se lleva a cabo con el bromuro de te.rr-butilo, el producto que se obtiene es el alcohol te.rr-butilico: CH3

CH3

1

1

CH3TBr + NaOH

CH3rOH + NaBr

CH3 Bromuro de terr-butilo (RBr)

CH3 Alcohol terr-butílico

Si se duplica [RBr], la velocidad también se duplica y si la concentración disminuye, la velocidad también lo hace en igual proporción. Sin embargo, se ha observado que al variar [NaOH] no hay ningún cambio en la velocidad, es decir, la velocidad de la reacción es independiente de [NaOH]. Por tanto, en este caso la velocidad de reacción sólo depende de [RBr]: velocidad = k [RBr]

Se dice que la reacción del bromuro de te.rr-butilo sigue una cinética de primer orden, ya que su velocidad sólo depende de la concentración de uno de los reactivos. Se han visto dos ejemplos de sustitución nucleófila alifática con un mismo nucleófilo, HO-, sobre dos sustratos diferentes. La cinética para cada una de las reacciones es distinta: de segundo orden para el bromuro de metilo y de primer orden para el bromuro terr-butilo. ¿Qué diferencia hay entre los dos sustratos?: el bromuro de metilo es un sustrato primario y el bromuro de terr-butilo es terciario.


149

¿Qué cinética se observa con sustratos secundarios?: unas veces de primer orden; otras de segundo orden y más frecuentemente una mezcla de ambos. También se observa que la reactividad relativa depende del tipo de sustrato: a medida que se avanza en la serie CH3X, 1°, 2º, 3°, la reactividad disminuye al comienzo (CH3X > 1°), pasa por un mínimo en el secundario (1° > 2°) y aumenta al final (2° < 3°). & significativo que el mínimo ocurre en el punto de la serie donde la cinética pasa de segundo a primer orden.

En 1935 E. D. Hughes y C. Ingold elaboraron una teoría sobre la sustitución nucleófila alifática basándose en ambos parámetros: cinética y reactlvidad relativa. La conclusión de su teoría fue que la sustitución nucleófila alifática puede transcurrir por dos mecanismos diferentes a los que denominaron, SN2 y SN 1 (donde S significa sustitución, N, nucleófila y 2 ó 1, bimolecular o unimolecular). Distintos sustratos reaccionan con órdenes cinéticos diferentes porque el mecanismo de la reacción no es el mismo: algunos, como el metilo, por el mecanismo SN2 y otros, como el terc-butilo, por el mecanismo SN 1. La reactividad a medida que se avanza en la serie CH3X, 1°, 2°, 3°, sigue direcciones opuestas para los dos mecanismos. La reactividad vía SN2 decrece de forma que para sustratos secundarios es tan baja que comienza a contribuir de forma significativa el mecanismo SN l. Sin embargo, la reactividad por un mecanismo SN 1 aumenta en gran medida en sustratos terciarios. AumentaSN2 CH~

1º

2º

3º

AumentaSNl

S.S. Reacción SN2 En esta sección se van a indicar las características de la reacción de sustitución nucleófila bimolecular, SN2: el mecanismo en una sola etapa, la inversión completa de la estereoquímica del carbono estereogénico, así como los factores que influyen en la reactividad (estructura del grupo alquilo, tipo de nucleófilo, capacidad como grupo saliente del halógeno y polaridad del disolvente).

5.5. 1. Mecanismo y cinética Ya se ha comentado anteriormente que las reacciones SN2 siguen una cinética de segundo orden y obedecen, por tanto, a la siguiente ecuación de velocidad: velocidad= k [RX] [:Nu-]

Hughes e Ingold propusieron el siguiente mecanismo para explicar la cinética encontrada: la reacción transcurre en un sólo paso mediante un proceso concerta-

150

QUÍMICA ORGÁNICA

do sin intermedios, de manera que el nucleófilo ataca al carbono electrófilo en una dirección a 180º del halógeno saliente. A medida que el nucleófilo entra por un lado y se une al carbono, el halógeno se aleja por el lado opuesto. Por ejemplo, en el caso del bromuro de metilo:

..oHO ..

+

H

+

1

H

----Ho-< -H

\ H H

H

Estado de transición

+ :Br:

Como se observa, en el estado de transición el enlace HO-C está parcialmente formado y el enlace C-Br parcialmente roto, estando la carga negativa compartida, tanto por el nucleófilo entrante como por el grupo saliente. En dicho estado de transición la molécula se vuelve plana mediante un cambio de hibridación del átomo de carbono de s¡fi a s¡i. A medida que transcurre la reacción el carbono vuelve a la configuración tetraédrica s¡fi.

5.5.2. Estereoquímica. Inversión de la configuración La estereoquímica observada en las reacciones SN2 es consecuencia del mecanismo anteriormente visto. El hecho que el nucleófilo entre desde atrás, a 180º del grupo saliente X, hace que se invierta la estereoquímica del sustrato, de forma similar a como se invierte un paraguas por el viento. A continuación se muestra dicho proceso de inversión de la configuración, mediante el empleo de orbitales moleculares:

+ +

Hibridación s¡I- en el carbono

R Nu

¿<::) \ R" R'

j

151


Por ejemplo, el (5)-2-bromobutano con ion hidróxido conduce al +

CH2CH3 + 1 óC Br \ CH3 H

(S}-2-Bromobutano

~tado

(~-2-butanol:

CH CH .. / 2 3 HO-G .. \ H +:Br:- CH3

de transición

(R)-2-Butanol

5.5.3. Factores que influyen en la velocidad de la reacción SN2

No todas las reacciones vía SN2 transcurren con igual velocidad; unas son rápidas, otras lentas, algunas dan buenos rendimientos y, sin embargo, en otras los rendimientos del producto de sustitución son bajos. La velocidad de una reacción química viene determinada por A(}I, que es la diferencia de energía entre el reactivo y el estado de transición. Cuanto menor sea A.(}f mayor será la velocidad de la reacción. Por lo tanto, aquellos factores que aumenten el nivel de energía de los reactivos, o reduzcan el nivel de energía del estado de transición (aquellos que lo estabilicen), harán que la reacción transcurra con mayor velocidad. A continuación se estudiarán estos factores o variables que afectan a la velocidad de las reacciones SN2· Sustrato: impedimento estérico Como en el estado de transición, visto anteriormente, el enlace entre el nucleófilo y el sustrato se está formando parcialmente, un sustrato voluminoso dificultará el acercamiento del nucleófilo y será más dificil alcanzar dicho estado de transición. Dicho de otro modo, aquellos halogenuros de alquilo voluminosos, en los que el carbono está «protegido» contra el ataque del nucleófilo, reaccionarán con mayor lentitud debido a que el estado de transición es de alta energía, al existir un impedimento estérico para su formación. Por consiguiente, la sucesiva introducción de grupos alquilo en el carbono que contiene al grupo saliente, tiene un efecto acumulativo sobre el impedimento estérico (Figura 5.1). Por esta razón los halogenuros de metilo son, con diferencia, los más reactivos, seguidos de los halogenuros primarios. Los secundarios, como el halogenuro de isopropilo, son poco reactivos y una ramificación más en el carbono (sustratos terciarios) impide de manera efectiva la reacción. A continuación se muestran las reactividades relativas de algunos bromuros de alquilo: H

H

1

1

1

1

CH3 1

CH3H 1

1

1

1

CH3 1

H-C-Br >> H3C-C-Br >> H3C-C-Br > H3C-C-C-Br > H3C-C-Br H H 6 Metilo (3 x 10 ) Primario (10 5)

1

H Secwidario (2,5 X 102)

CH3H Neopentilo (1)

1

CH3 Terciario(< 1)

152

QUÍMICA ORGÁNICA

H

O

H

~~-X H/

H Metilo

@ -c,......H

t:;;;\:C-x ~ H"'I H

Etilo

#arr

R11Hln

Figura 5.1. Efecto estérico con el aumento de la ramificación.

Nucleófilo En la Tabla 5.2 se indicaron algunas reacciones de sustitución nucleófila con diferentes nucleófilos y los productos a los que daban lugar. Pero dependiendo del carácter nucleófilo del reactivo atacante, la reacción de sustitución transcurrirá a mayor o menor velocidad: a mayor nudeofilia, mayor velocidad de Sp¡Z Ya se ha visto que un nucleófilo es una molécula con carga negativa y/o pares de electrones sin compartir. Por tanto, nuclddia es un término que está estrechamente relacionado con la basiddad. Así, en muchos casos se cumple que entre dos bases la de mayor poder nucleófilo es la más fuerte. Pero esta correlación no se cumple en todos los casos, sino sólo en aquellos conjuntos de nucleófilos estrechamente relacionados: aquellos con igual átomo atacante (oxígeno, por ejemplo, o nitrógeno) Así, el ion hidroxilo es más nucleófilo que el agua porque es más básico. Nudeofllia relativa.

HO- > H 20; HS- > H2S; RO- > ROH; H 2N- > H3N

Los electrones de un átomo con carga negativa son retenidos con menos fuerza y, por tanto, cedidos con mayor facilidad que los electrones de la molécula no cargada. Por esta razón, de cada pareja arriba indicada, el más nucleófilo es el que se encuentra cargado negativamente: el anión es mejor nucleófilo que su correspondiente ácido conjugado. Que no se cumpla en todos los casos el paralelismo nucleofilia-basicidad se debe a que existen ciertas diferencias entre ambos conceptos: mientras que la basicidad mide la afinidad de una base por un protón (concepto termodinámico de un


153

equilibrio ácido-base), la nucleofilia mide la afinidad de una base de Lewis por un ácido de Lewis (en este caso un átomo de carbono), y por tanto, no es una cuestión de equilibrio sino de velocidad de ataque. La velocidad de ataque de un nucleófilo (base de Lewis) depende de su polarV.abllldad: facilidad con la que puede distorsionarse la nube electrónica de un átomo. A mayor tamaño de un átomo, los electrones no enlazantes se encuentran más lejos del núcleo y son retenidos con menos fuerza. Por ello, los orbitales que contienen dichos electrones se deforman más fácilmente en la dirección de la carga positiva. Por tanto, puede considerarse corno norma que a medida que se desciende en una columna del sistema periódico, ya que aumenta el tamaño del átomo, también aumenta la nucleofilia. Por ejemplo: Nudeofilia relaüva.

HS- > HO-; H2S > H20; R3P > R3N

Para los halógenos el orden de nucleofilia es: Nudeofilia relaüva.

r

> Br- >

cr

> F-

Para nucleófilos del mismo período de la tabla periódica, la nucleofilia disminuye al aumentar la electronegatividad. Cuanto más electronegativo es un átomo, con mayor firmeza retiene los electrones a su alrededor y menos tendencia tiene a cederlos. Así por ejemplo:

Se puede concluir que la nucleofilia intrínseca de una especie depende de muchos factores (sustrato, disolvente, concentración de reactivos) y sólo se puede hablar de nucleofilia relativa frente a un sólo sustrato en un disolvente determinado. En general se puede decir que el carácter nudeófilo aumenta al aumentar Ja carga negativa y al ir de derecha a izquierda y de arriba abajo en la tabla periódica. Grupo saliente

En el caso que nos ocupa, los halogenuros de alquilo, el grupo saliente es el átomo de halógeno que sale con el par de electrones del enlace C-X. Por tanto, el halógeno que estabilice mejor la carga negativa será el mejor grupo saliente y más fácilmente tendrá lugar la SN2. Los aniones haluro que sean bases débiles (aniones derivados de ácidos más fuertes) serán mejores grupos salientes. Las bases débiles son aniones estables porque proceden de ácidos fuertes y éstos se encuentran prácticamente disociados:

154

QUÍMICA ORGÁNICA

IH - - - - r + u+ Ácido fuerte Base conjugada débil. Anión estable

Por tanto, el orden de reactividad, o lo que es lo mismo, la facilidad de salida de los iones haluro será mayor cuanto menos básico sea el haluro:

r

Reactividad relativa:

> Br- >

cr > F-

Menos básico

Más básico

Disolvente

Los disolventes próticos, aquellos con grupos -OH o -NH (etanol, metanol, agua, aminas), disminuyen la velocidad de las reacciones SN2, porque forman enlaces de hidrógeno con el nucleófilo impidiendo que éste ataque al sustrato. Estos disolventes próticos estabilizan al nucleófilo por efecto de solvatación, disminuyendo el nivel de energía de éste, lo que implica un aumento de tJ.(}f y por lo tanto, una disminución de la velocidad. Dicho de otra forma, los disolventes próticos rodean al nucleófilo e impiden que éste pueda acceder al electrófilo. OR 1

H

RO-H-------- Nu:--------- H-OR : : : :

H' 1

OR

Sin embargo, los disolventes apróticos polares tales como acetonitrilo (CH3CN), dimetilformamida (DMF), dimetilsulfóxido (DMSO) y sobre todo la hexametilfosforamida [(CH3hNhPO (HMPA) favorecen las reacciones de SN2. Debido a la alta polaridad de estos disolventes, éstos rodean al catión en vez de al anión, produciendo un aumento de la nucleofilia de éste. Polaridad relativa:

HMPA >> CH3CN > DMF > DMSO

5.6. Reacción SN 1 En esta sección se van a indicar las características de la reacción de sustitución nucleófila unimolecular, SN 1: mecanismo en dos etapas a través de un intermedio


155

carbocatiónico, proceso no estereoespecífico con formación de la mezcla racémica; así como los factores que influyen en la reactividad.

5.6. 1. Mecanismo y cinética Como se ha visto en la sección 5.4, la velocidad de la reacción del bromuro de ten:-butilo con hidróxido sódico es independiente de la concentración de HO-. Este hecho sólo indica que la reacción debe transcurrir en más de una etapa, y que en la más lenta, denominada etapa determinante de la velocidad no debe participar el nucleófilo HO-. Estas observaciones pueden interpretarse por el siguiente mecanismo: el bromuro de ten:-butilo se disocia lentamente en un ion bromuro y un catión derivado del grupo ten:-butilo: carbocatión. Este carbocatión es atacado rápidamente por el nucleófilo HO- para dar el alcohol ten:-butílico: CH3 1 e+

H3C

\

..

+ :Br:

Etapa lenta

CH3 Etapa rápida

No es extraño que la etapa lenta sea la ruptura del enlace C-Br, ya que es un proceso que consume energía. En esta etapa no participa el ion hidroxilo debido al impedimento estérico, por lo que este mecanismo concuerda con la cinética de primer orden: velocidad = Je [Bromuro de ten:-butilo]

Se puede concluir que las reacciones SN1 siguen una cinética de primer orden y transcurren a través de carbocationes alquOicos.

5.6.2. Estereoquímica. Racemización La estereoquímica de las reacciones SN1 viene determinada por la formación del intermedio carbocatiónico. Los carbocationes son especies planas con hibridación s¡I- y, por tanto, son aquirales. Así, si se parte de un enantiómero de un sustrato quiral, el producto que se obtiene tras la reacción SNl es un racémico {ópticamente inactivo), ya que su formación ha trascurrido a través de un carbocatión que es aquiral. El carbocatión puede ser atacado por el nucleófilo indistintamente por el lado derecho o izquierdo, lo que produce una mezcla 50:50 de enantiómeros (mezcla racémica).

156

QUÍMICA ORGÁNICA

Por ejemplo, la reacción del (R)-2-clorobutano con agua conduce al 2-butanol racémico: H

"-·o. /

H

..

+ :c1:

50% ( Rl-2-Rutanol

50% íSt-2-Rutanol

5.6.3. Estabilidad relativa de carbocationes Hasta el momento se ha visto que hay dos posibles mecanismos para la reacción de sustitución nucleófila alifática, y que mientras los halogenuros de alquilo primarios dan reacciones de sustitución a través del mecanismo SN2, los sustratos secundarios y terciarios, al awnentar el impedimento estético sobre el carbono reactivo, reaccionan vía SN1. ¿Por qué los halogenuros primarios no reaccionan por el mecanismo SN 1? La respuesta se encuentra en la baja estabilidad de un carbocatión primario o, dicho con otras palabras, en la energía relativamente alta que hay que suministrar para su formación. El orden de estabilidad de los carbocationes es el siguiente: R

H

1

R- C+

H

1

>

R- C+

H

1

>

R- C+

1

1

1

R

R

H

Terciario (3°)

Secundario (2°)

Primario (1 º)

1

>

H-C+ 1

H Metilo

La conclusión a la que se llega es que la estabilidad de un carbocatión awnenta al aumentar la sustitución del átomo de carbono que soporta la carga positiva. Los dos factores que influyen en el orden de estabilidad encontrado son:


15 7

1) La hiperconjugación (Figura 5.2) que resulta de la superposición del orbital pvacío del carbocatión y el orbital de un enlace aC-H vecino. La hiperconjugación equivale a una donación electrónica desde el sustituyente alquilo al centro deficiente en electrones. Por esta razón siempre se habla de un grupo alquilo como «dador de electrones» que estabiliza cargas positivas adyacentes. Cuantos más grupos alquilo haya en el carbocatión, más posibilidades habrá para la hipercojugación y más estable será.

(A)

(B)

Figura 5.2. Representación mediante orbitales de un carbocatión metilo (A), que carece de hiperconjugación, y del catión etilo (B) que tiene un enlace C-H vecino cuyos electrones a ayudan a estabilizar la carga positiva.

2) El efecto inductivo que es el resultado del desplazamiento de los electrones de un enlace, como consecuencia de la electronegatividad de un átomo cercano. Los electrones de un grupo alquilo, relativamente grande y polarizable, pueden desplazarse hacia una carga positiva con mayor facilidad que los electrones de un hidrógeno enlazado. Cuanto mayor sea el número de grupos alquilo, mayor estabilización inductiva del carbocatión: H

H

1

H- C+

1

<

R-C+

1

1

H

H

Metilo

H

Primario

R

1

<

R-C+

t

R Secundario

<

•t

R-C+ R

Terciario

A esta lista de estabilidad de carbocationes se le puede agregar dos carbocationes más: el alílico y el bencílico. En estos dos casos, existe una estabilización por resonancia (deslocalización de la carga positiva en el sistema de orbitales n). El carbocatión alílico tiene dos formas resonantes y el bencílico cuatro (Figura 5.3). Pero esta estabilización por resonancia no hace que estos carbocationes sean más estables que los terciarios, incluso el carbocatión alílico es menos estable que un carbocatión secundario. Si se incluyen estos dos carbocationes, el orden de estabilidad es el siguiente: Terciario > Bencílico > Secundario > Alílico > Primario > Metilo

158

QUÍMICA ORGÁNICA

H2C ~CH2 -----H2C-CH= CH2 Carbocatión alilico

H + C CH2 HC~ '---ci

f-"'

1 1 HC~ /CH

"'

e

H Carbocatión bencilico

Figura 5.3. Estabiliz.ación por efecto de resonancia de los carbocationes alílico y bencílico.

5.6.4. Factores que influyen en la velocidad de la reacción SN 1 Al igual que se comentó para la reacción SN2, factores tales como grupo saliente, estructura del sustrato, disolvente y tipo de nucleófilo, influyen en gran medida en la velocidad de la reacción SN l. Así, aquellos factores que estabilicen el estado de transición que conduce al carbocatión, o aquellos que eleven el nivel de energía de los reactivos, harán disminuir AGt favoreciendo la reacción SNl, haciéndola más rápida. Sustrato. Transposición de carbocationes

Puesto que el paso limitante de la reacción SN 1 es la disociación del sustrato que conduce al carbocatión, es de esperar que estará favorecida siempre que se formen carbocationes estabilizados. En consecuencia, cuanto más estable sea el carbocatión y, por tanto, también lo será el estado de transición que conduce a él, con mayor velocidad transcurrirá la reacción SN1. Ya se ha visto que el orden de estabilidad de los carbocationes alquílicos es: Terciario > Secundario > Primario > Metilo. Por tanto, la reactividad de los halogenuros de alquilo por un mecanismo SN1 sigue el mismo orden, no observándose dicho mecanismo en los halogenuros primarios. Incluso los halogenuros secundarios reaccionan por un mecanismo SN2 cuando se emplean buenos nucleófilos (CN-, RS-, Ro-. R2N-, etc.}.

159


Sin embargo, cuando se utilizan nucleófilos débiles (EtOH, H20, etc.) o buenos nucleófilos en muy baja concentración y en disolventes polares próticos, ciertos sustratos primarios y secundarios que están impedidos porque el carbono adyacente está ramificado, reaccionan lentamente por un mecanismo SN 1. Sólo en estas condiciones que desfavorecen en gran medida la reacción SN2: impedimento estérico, nucleófilo débil o fuerte en muy baja concentración, estos sustratos primarios y secundarios impedidos experimentan la sustitución unimolecular, pero con una característica no observada hasta el momento, el nucleófilo entrante no se une al carbono ligado al átomo de halógeno. Por ejemplo: CH3 1

CH3-C-CH2-X 1

CH3

:Nu Nucleófilo débil

H

(3º)

CH3

CH3

1

CH3-C-CH-CH3

H

x-

Nu Producto terc-butilico

Sustrato isobutilico o 2-metilpropilico (1°)

1

1

CH3-y -CH3 +

1


X (2º)

CH3 1

CH3


Sustrato neopentilico o 2,2-d.imetilpropilico (1 º) CH3 1

CH~

1

CHr-y -CH2-CH3

Nu Producto 2-metil-2-butilico o terc-pentílico (3°)

CH3

CH:r-T-TH-CH2

x-

Nu Producto 2-metil-2-butilico o terc-pentílico (3°)

Sustrato 3-metil-2-butilico

CH:r-T-CH2-X

1

CH3-y -CH2-CH3 +

CH3


1

CH:r- T-TH-CH3

Sustrato 3,3-metil-2-butilico

Nu CH3 Producto 2,3-dimetil-2-butilico

(2º)

(3º)

Sólo por medio del mecanismo SN 1 se puede explicar la formación de los productos arriba indicados. Como se verá a continuación, a partir del intermedio carbocatiónico se puede acceder al producto final. En el ejemplo del sustrato isobutllico lo que ocurre en primer lugar es la for-

mación del carbocatión isobutilo (primario). A continuación, el átomo de hidróge-

160

QUÍMICA ORGÁNICA

no del carbono adyacente migra con un par de electrones hasta el carbono portador de la carga positiva (desplazamiento de hidruro). Ahora es el carbono que pierde el átomo de hidrógeno el que adquiere la carga positiva y, por tanto, el nuevo carbocatión formado es el ten:-butilo (terciario), que es más estable que el carbocatión isobutilo inicial. CH3 1

CH3-1-CH2-X

CH3

-----¡-

t_

H Sustrato isobutilico

X

(1º)

+

CH3

1 + CH3-1-CH2

1

CH3-C- CH2 ,

,,

\

\

\

H

H Migración del átomo de hidrógeno

Carbocatión isobutilo (1 º)

l

CH3 :Nu 1 - - - - - CH3-C-CH2 + 1 H Carbocatión ten:-butilo (3°)

A este proceso se le denomina transposid6n: el carbocatión isobutilo se transpone al carbocatión ten:-butilo más estable. Este desplazamiento de hidruro también se da en el sustrato 3-metll-2-butílico; el carbocatión 3-metil-2-butilo (2°) se transpone al carbocatión 2-metil-2-butilo o ten:-pentilo (3°). También se han observado migraciones de grupos metilo (desplazamiento de alquilo). Por ejemplo, el carbocatión neopentilo se transpone al carbocatión ten:pentilo: CH3 1

CH3-C-CH2-X 1

CH3 Sustrato neopentilico (1º)

CH3

¡

1

+

CH3-~-CH2

1

CH3-C- CH2 \

(

\

(

\

}("

+

CH3

CHs Carbocatión neopentilo (1 º)

(

CHs Migración del grupo metilo

lCH3 :Nu

1

- - - - - - CH3-C-CH2 + 1 CH3 Carbocatión ten:-pentilo (3°)


161

Por tanto, se puede concluir que los sustratos primarios y secundarios impedidos, en condiciones que desfavorezcan en gran medida el camino SN2, van a reaccionar lentamente por un mecanismo SN1 con transposición de carbocationes, ya sea por desplazamiento de hidruro o de un grupo alquilo.

Nucleófilo Mientras que las reacciones SN2 están fuertemente influenciadas por el carácter nucleófilo del reactivo atacante, en las reacciones SN1 la naturaleza del nucleófilo no es decisiva, debido a que éste no participa en la etapa limitante de la velocidad. Grupo saliente

La reactividad de los distintos halogenuros es la misma que se observa en las reacciones SN2, porque en las SN 1 también el grupo saliente participa de forma decisiva en el paso limitante de la velocidad. Por tanto, la facilidad de salida de los iones haluro sigue, por las razones ya comentadas para las reacciones SN2, el orden siguiente:

r

Reactividad relativa.

> Br- >

cr > F-

Disolvente

Al igual que en las reacciones SN2, el disolvente ejerce un papel muy importante en las del tipo SNl, pero por razones distintas. Mientras que los disolventes próticos desfavorecen las reacciones SN2 por efecto de solvatación del nucleófilo, las reacciones SN 1 se ven favorecidas en dichos disolventes. En este caso, el nivel de energía del estado de transición que conduce al carbocatión intermedio disminuye por el mismo efecto de solvatación. Dicho de otra forma, el carbocatión se encuentra estabilizado por las moléculas del disolvente prótico (etanol, agua, aminas, etc): los electrones no enlazantes de los átomos de oxígeno (o nitrógeno) se disponen frente a la carga positiva. Por ejemplo, cuando el disolvente es agua: H

H

'-rf H o/ u/ e> Q " u H'. ~ /H H

"o

1

H

/ º H / º'-H

º"

H

También los disolventes polares (HMPA, CH3CN, DMF) solvatan iones, y por ello, también favorecen las reacciones SN l. El agua en su doble condición, disolvente prótico y polar, aumenta en mayor medida la reactividad de las reacciones SN1.

162

QUÍMICA ORGÁNICA


1. Los halogenuros de alquilo son compuestos que poseen un grupo alquilo y un halógeno. La nomenclatura IUPAC considera al halógeno como un sustituyente más de la cadena principal. 2. Tanto las propiedades fisicas como el comportamiento químico de los halogenuros de alquilo son consecuencia de la polari7.ación del enlace C-X (Cc5t--X<>-). El átomo de carbono es deficiente en electrones (electrófUo), lo que le hace susceptible de ser atacado por especies ricas en electrones (nucleófdos). A la reacción que tiene lugar cuando el nucleófilo ataca al carbono electrófilo, desplazando al átomo de halógeno (grupo saliente), se le denomina Sustitución Nucleófda Alifática. 3. Hay dos mecanismos por los que puede producirse la sustitución: SN2 y ~l. Las reacciones SN2 tienen lugar en un sólo paso: el nucleófilo se acerca al halogenuro, desde una posición de 180º al grupo saliente (ion haluro), lo cual provoca una inversión de la configuración. La cinética de las reacciones SN2 es de segundo orden. Las reacciones SN1 transcurren en dos etapas, siendo la limitante de la velocidad la que produce la disociación del enlace C-X, para dar lugar a la formación de un carbocatión alquOico. Como consecuencia, las reacciones SN1 transcurren con racemizadón de la configuración del átomo de carbono y siguen una cinética de primer orden. 4. Las reacciones SN2 se ven inhibidas con el aumento de la ramificación en el carbono electrófilo (impedimento estérico). Por ello, sólo están favorecidas con halogenuros de alquilo primarios y secundarios, no interviniendo en este proceso los sustratos terciarios. Los disolventes apróticos polares aceleran las reacciones SN2· 5. La estabilidad de los carbocationes sigue el orden: Terciario> Bencllico > Secundario > AIOico > Primario > Metilo. La hiperconjugación y el efecto inductivo son los dos factores que influyen en el orden de estabilidad de los carbocationes de alquilo, siendo la estabilización por resonancia la responsable en los casos de los de alilo y bencilo. 6. Las reacciones SN 1 se encuentran favorecidas con halogenuros terciarios debido a que dan lugar a los carbocationes más estables. Por este mecanismo también reaccionan los halogenuros alilicos y bencilicos cuyos carbocationes, asimismo, se encuentran muy estabilizados. Los disolventes próticos y los apróticos polares aceleran las reacciones SN 1. 7. Los sustratos primarios y secundarios impedidos reaccionan lentamente por un mecanismo SNl con transposición de carbocationes, siempre y cuando se empleen nucleófilos débiles (EtOH, H20, etc.) o buenos nucleófilos en muy baja concentración y en disolventes polares próticos, ya que en estas condiciones la reacción SN2 está muy desfavorecida. La transposición de un carbocatión sólo ocurre cuando el nuevo carbocatión que se forma es más estable que el inicial.


163

E¡ercicios de autocomprobación l. Nombrar o dibujar las estructuras de los siguientes compuestos:

a) CH3-CH-CH2I 1

CH3 b)

Cl c) CH3-CH-CH-CH-CH2-CH2-CH3 1

1

1

CH3 Br CH3 d) Dibromometilciclopropano e) Fluoruro de neopentilo f) ds-1-(Bromometil)-3-(2-cloroetil) ciclopentano 2. Escribir y nombrar todos los isómeros de fórmula molecular C4H9Br. indicando en cada caso si se trata de un bromuro primario. secundario o terciario. 3. ¿Qué productos se obtienen en la reacción del 1-bromopropano con los siguientes reactivos? a) Nal b) KOH c) CH3CH20H e) N3Na f) HC=C-Li g) As (CH~ 3 4. Indicar qué especie es más nucleófila en cada una de las siguientes

parejas: a) Hs- y c1d) H2N- y H2P-

c) NH3 y H20 (CH~ 3B y (CH~ 3N 5. Disponer. por orden decreciente. cada grupo de compuestos en base a su reactividad frente a la SN 1: a)

b) CH3NH- y CH3NH2 e) CH3s- y Hof)

CH3 HBr

Br

t~

O ~-

6 ~

~

164

QUÍMICA ORGÁNICA

b)

8. Disponer, por orden decreciente, cada grupo de compuestos en

base a su reactividad frente a la SN2: a) CH3CH2Br CH3Br CH3-yH-Br

CH3

c) (CH3)2CHCHCH3 1

Br (CH3)3CCH2Br 7. Cuando el 1-bromoetano reacciona con el ion tiocianato, SCN-, la reacción tiene lugar por el átomo de azufre y si reacciona con el ion cianato, OCN-, la reacción ocurre por el nitrógeno. a) Escribir las estructuras de los iones tiocianato y cianato y explicar la reactividad encontrada. b) Escribir la reacción de cada ion con el 1-bromoetano. c) ¿Cuál de las dos reacciones se esperaría que fuera más rápida? 8. Escribir los productos a los que dan lugar las siguientes reacciones

de sustitución, indicando en cada caso si se trata de una reacción SNl o SN2. Señalar, cuando sea pertinente, la estereoquímica de los productos y reactivos. DMSO b)

EtOH


165

c)

NaOH dil. fría d)

CaHs 1

CaHs-C-CH3 1

Br e)

CsHs 1

H3C.......-l H Cl f) CH3-CH-CH2Br

CH30H

+

¿H3

Acetona

o

i) +

+

11

CH3-c-o- Na

j) CH3-CH-CH2-CH2Br

+

DMF

NH3 (exceso)

1

CH3 9. Indicar que ocurriría en la velocidad de reacción en los casos del problema anterior cuando: a) Se duplica la concentración del halogenuro. b) Se duplica la concentración del reactivo. c) En la reacción del apartado e) se sustituye H20 por H20 / acetona 1:1.

166

QUÍMICA ORGÁNICA


a) 1-Yodo-2-metilpropano b) 1-Cloro-3-metilciclohexano c) 3-Bromo-2,4-dimetilheptano d) [>-cHBr2 e)

CH3 CH3-l-CH2-F 1

CH3 f)

2.

CH3CH2CHCH3 1

Br CH3CHCH2Br 1

CH3

1-Bromobutano o Bromuro de butilo (Primario) 2-Bromobutano o Bromuro de sec-butilo (Secundario) 1-Bromo-2-metilpropano o Bromuro de isobutilo (Primario)

CH3 CH3-t-Br 1

CH3

2-Bromo-2-metilpropano o Bromuro de terr-butilo (Terciario)

3. Las reacciones del 1-bromopropano con cada uno de los reactivos indicados, son ejemplos de reacciones de sustitución nucleófila alifática. El producto que se obtiene en cada caso es:

HALOGENUROS DE ALQUILO: SUSTITUCIÓN NUCLEÓFILAALIFÁTICA

CH3

167

+

CH3CH2CH2-LCH3

tH3 g) As(CH3)3

a) Nal

CH3CH2CH2C==CH

t f) HC==C-Li CH3CH2CH2Br¡b) KOH CH3CH2CH2N3

~

d) NH3

CHJCH2CH20H c) CH3CH20H

CH3CH2CH20CH2CH3 CH3CH2CH2NH2 4.

a) Hs- > c1-. El azufre y el cloro pertenecen al mismo periodo de la tabla periódica. Como el azufre es menos electronegativo, el anión Hs- es más nucleófilo que el c1-. b) CH3NH- > CH3NH2 . La carga negativa aumenta la nucleofilia. Un anión es más nucleófilo que su correspondiente ácido conjugado. c) NH 3 > H20. El nitrógeno y el oxígeno pertenecen al mismo período de la tabla periódica. Como el nitrógeno es menos electronegativo, el amoníaco es más nucleófilo que el agua. d) H2P- > H2N-. El fósforo y el nitrógeno se encuentran en la misma columna del sistema periódico. El mayor tamaño del átomo de fósforo es la razón por la que el anión H2P- es más nucleófilo que el H2N-. e) CH3s- > Ho-. Mismo razonamiento que en el apartado anterior. f) En el (CH~ 3 B, el átomo de boro no tiene un par de electrones sin compartir por lo que no puede actuar en ningún caso como reactivo nucleófilo, todo lo contrario, se trata de un reactivo electrófilo pues tiene un orbital vacío capaz de aceptar un par de electrones.

168

QUÍMICA ORGÁNICA

Sin embargo, en el (CH3hN: el nitrógeno sí tiene un par de electrones sin compartir, lo cual le confiere carácter nucleófilo.

5. a)

> >

La respuesta se encuentra al comparar las estabilidades de los carbocationes correspondientes. En los tres casos, la carga positiva está estabilizada por resonancia (deslocalización de la misma en el sistema n del anillo de benceno). El más reactivo es el bromuro de trifenilmetano porque además de dar lugar a un carbocatión terciario (el más estable de todos los carbocationes) tiene tres anillos donde deslocalizar la carga. La diferencia de reactividad en los otros dos halogenuros (tipo bencílicos) está en la estabilización adicional que se da en el carbocatión 1-fenil-1etilo por efecto inductivo del sustituyente metilo. CH3

b)

O ~

t-Br tH3

> (CH3)gC-Br > (CH3)gC-Cl

Los tres sustratos conducen a carbocationes terciarios, pero el carbocatión 2-fenil-2-propano tiene un anillo bencénico que proporciona una estabilización mayor que la de un grupo metilo. La diferencia entre el bromuro y el cloruro de ten:-butilo, que dan lugar al mismo carbocatión, radica en la facilidad como grupo saliente del halógeno, es decir, depende del ion halogenuro que estabilice mejor la carga negativa cuando se rompa el enlace C-X. Cuanto más débil sea como base el ion haluro, mejor estabilizará la carga; el Br- es una base más débil que el ion c1-.


169

6.

El aumento de la ramificación en el carbono electrófilo desfavorece, por impedimento estérico, la reacción SN2. b) CH3CH2I

>

CH3CH2Cl

>

Tanto el yoduro como el cloruro de etilo son halogenuros primarios, por lo que son más reactivos en la reacción SN2 que el cloruro de ciclohexilo, halogenuro secundario. Por otro lado, al ser el ion ¡- una base más débil que el ion c1-, hace que el primero sea mejor grupo saliente y, por tanto, aumenta la reactividad. c) (CH3)2CHCH2Br > (CH3CH2)2CHCH2Br > (CH3)sCCH2Br > > (CH3)2CH~:CH3

El aumento de la ramificación en el carbono reactivo disminuye la reactividad del halogenuro por impedimento estérico (2° < 1º). Cuando se trata de un mismo tipo de halogenuro, este mismo criterio se aplicará al carbono adyacente. Y en el caso de igualdad en el número de sustituyentes, habrá que tener en cuenta la voluminosidad de los mismos: un grupo etilo es más voluminoso que un grupo metilo.

7. a)

-=f-1-c ~: - - S=C=N: ión tiocinato ~

()

..

..

-:lP-C==N: - - O=C=N: ión cianato Al ser el tamaño del átomo de azufre mayor que el del nitrógeno, los electrones del azufre son más polariza.bles y, por tanto, están menos retenidos que los del nitrógeno. Así pues, el ion tiocianato es más nucleófilo cuando la carga negativa se encuentra sobre el átomo de azufre.

170

QUÍMICA ORGÁNICA

En el caso del ion cianato, como el nitrógeno es menos electronegativo que el oxígeno, los electrones sobre el átomo de nitrógeno son más polarizables porque están también menos retenidos por el núcleo. Por ello, el ion cianato es más nucleófilo por el átomo de nitrógeno. b)

CH3~~=C=q -

CH3CHr-N=C=q

CH3~S-C==N \.J .. .. -

CH3CH2-S-C==N ..

c) Cuanto más nucleófilo sea el reactivo con mayor velocidad transcurrirá la reacción de sustitución. La reacción con el ion tiocianato será más rápida, puesto que es más nucleófilo que el ion cianato (mayor tamaño del átomo de azufre, mayor nucleofilia). 8.

DMSO

SN2 Las condiciones de la reacción favorecen la bimolecularidad: halo-

genuro primario, nucleófilo fuerte y disolvente aprótico polar. b)

CH2CH20CH3 1

,<;-Br

H,... A H3C

+

CH2CH20CH3

CH3SNa

EtOH SN 2

1

CH3S-C~

A.... H

H3C

(5)

(RJ

El halogenuro es secundario pudiendo reaccionar uni o bimolecularmente. Pero al ser el reactivo un nucleófilo fuerte se favorece el camino bimolecular y, por tanto, se produce una inversión de la configuración. c)

CH3 CH3-?H-{-CH3

CH3 NaOH dil. fria

1

CH:r-yH-y-CH3

SNl Cl CH3 CH3 OH Se trata de un halogenuro secundario impedido, de un buen nucleófilo (HO-) pero en muy baja concentración y de un disolvente polar prótico (H 20). Son condiciones que desfavorecen el


171

mecanismo bimolecular por lo que la reacción de sustitución procederá por un mecanismo SN1 con transposición del carbocatión inicial. El primer paso de la reacción es la formación del carbocatión correpondiente (secundario), que mediante la migración de un grupo metilo va a experimentar una transposición para obtener un nuevo carbocatión más estabilizado puesto que es terciario. Finalmente se produce el ataque del nucleófilo: CH3 +

1

CH3

CH3-CH-C-CH3

Transposición.

1

CH:r-CH-C-CH3 tH3

¿H3

+

j

Hff

CH3 1

CH:r-CH-C-CH3 tH3 ÓH CaHs

d)

CsHs 1

1

CaHs-C-CH3

CaHs-C-CH3

1

ÓcH2CH3

Br

Se trata de un halogenuro terciario y de un nucleófilo débil que a su vez es un disolvente polar: condiciones para una SNI. e)

CaHs 1

HC 3

,.........e,

A.... H Cl

(.s)

CaHs H20 SNl

CaHs

1

,.........e,

H3C A.... H HO (.s)

1

+

~e,

H,.. A CH3 HO (~

Es un halogenuro secundario, pero como el nucleófilo es débil y a su vez actúa como disolvente polar prótico, se favorece el camino unimolecular: se obtiene una mezcla racémica.

172

QUÍMICA ORGÁNICA

f)

Carbocatión ten--butilo

Carbocatión isobutilo

Halogenuro primario impedido y nucleófilo débil: la reacción de sustitución ocurre lentamente por un mecanismo SN1 con transposición del carbocatión inicial (isobutilo) a otro más estable (ten--butilo) por migración de un grupo metilo. CH3CH20CH3CH20H SN2 CH3-CH-CH2-0-CH2-CH3 1

CH3 Se trata del mismo sutrato del apartado anteriort pero como el ion metóxido es un buen nucleófilo y no se indica que esté en baja concentración, la sustitución transcurrirá lentamente, por impedimento estérico, por un mecanismo bimolecular. h) CH3-CH-CH2Br + HC==C-Li

tH3

CH3-CH-CH2-C==CH

tH3 Sustrato primario, nucleófilo fuerte y disolvente polar aprótlco: condiciones para una sustitución bimolecular. i)

~Br

o

o 11

11

+

V"H + CH3-c-o- Na

cx~-C-CH3


173

En este caso, el halogenuro es secundario y podría reaccionar vía uni o bimolecular. Como el reactivo es un buen nucleófilo y se emplea dimetilformamida (DMF), disolvente muy polar y aprótico, se favorece el mecanismo bimolecular. j) CH3-CH-CH2-CH2Br

tu3

NH3 (exceso) N 5 2 CH3-CH-CH2-CH2-NH2

tH3 Aunque el amoníaco es un nucleófilo débil, el hecho que esté en exceso y sobre todo que el sustrato sea primario, condiciona la bimolecularidad. 9.

a) Teniendo en cuenta que la ecuación de velocidad que rige cada tipo de sustitución, SNl y SN2, es la siguiente: SN1: v = k [halogenuro] SN2: v = k [halogenuro] [nucleófilo] Como la velocidad en ambos mecanismos depende de la concentración del halogenuro, en todos los casos al duplicar la concentración del halogenuro se duplicará la velocidad de la reacción. b) Sólo en aquellos casos en que el mecanismo sea bimolecular, se duplicará la velocidad de la reacción al duplicar la concentración del reactivo nucleófilo (casos a, b, g, h, i y j). En el resto de los casos c, d e y f, la velocidad no se verá alterada puesto que al tratarse de un mecamismo unimolecular la concentración del reactivo no influye. c) Como la acetona es un disolvente menos polar que el agua, al sustituir H20 por una meda H20 /acetona 1:1, disminuye la polaridad en el seno de la reacción. Como el apartado e) se trataba de una reacción SNl, vía intermedio carbocatiónico, ahora éste se encontrará menos estabilizado y, por tanto, disminuirá la velocidad de la reacción.

Tema

6

Halogenuros de alquilo: reacciones de eliminación 1

SUMARIO 1

1

6.1. Reacciones de eliminación en los halogenuros de alquilo 6.2. Reacción E2: orientación y reactividad 6.3. Reacción El: orientación y reactividad 6.4:. Competencia E2 I E1 6.5. Competencia Eliminación-Sustitución. Resumen de reactividad:

SNl, SN2, El, E2 6.6. Métodos de obtención de halogenuros de alquilo


OBJETIVOS _ 1

1

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __

1

1. Reconocer la reacción de eliminación o deshidrohalogenación que experimentan los halogenuros de alquilo cuando se les trata con una base. 2. Determinar el mecanismo por el que tendrá lugar la reacción de eliminación, El o E2, teniendo en cuenta los factores que influyen en la velocidad en ambos mecanismos: tipo de sustrato, concentración y fortaleza de la base. 3. Predecir la reactividad de un determinado haloalcano, sustitución y/o

eliminación, en unas determinadas condiciones de reacción y asimismo establecer a priori si la reacción transcurrirá de forma uní- o bimolecular.

HALOGENUROS DE ALQUILO: REACCIONES DE ELIMINACIÓN

177

6.1. Reacciones de eliminación en los halogenuros de alquilo En el Tema 5 se ha visto que los halogenuros de alquilo experimentan reaccio-

nes de sustitución nucleófila alifática. Pero también este grupo de compuestos puede dar lugar a reacciones de eliminación. En este caso, el nucleófilo actúa como base y en vez de atacar al carbono unido al átomo de halógeno, sustrae un protón del átomo de carbono vecino, conduciendo a la formación de alquenos.

"c= C/

/

"

+

HB

+

x-

Alqueno

En aquellos halogenuros de alquilo asimétricos, el alqueno que se forma mayoritariamente es el que sigue la regla formulada por el químico Alexander Saytzeff: el producto predominante es el alqueno más sustituido, es decir, aquel que tiene el mayor número de grupos alquilo ligados a los carbonos del doble enlace. Por ejemplo: Br 1

CH3-CH2-CH-CH-CH2 1

CH3-CH2-CH= CH-CH3 +

1

H

Mayoritario

H

+ CH3-CH2-CH2-CH= CH2 + CH3CH20H + Br-

Minoritario H 1

Br H 1

1

CH3-CH-C-CH2

CH3-CH= C-CH3 +

1

1

CH2-CH3

CHr-CH3

Mayoritario + CH3-CH2-C= CH2 + HOH + Br1

CH2-CH3

Minoritario

A esta reacción de eliminación de un átomo de halógeno y de un átomo de hidrógeno de un carbono contiguo al que pierde el halógeno (eliminación 1,2), se le conoce como reacción de deshidrohalogenaci6n. Al igual que ocurría con las reacciones de sustitución nucleófila, las reacciones de eliminación pueden también transcurrir por dos mecanismos diferentes: E2 (Eliminación bimolecular) y El (Eliminación unimolecular).

178

QUIMICA ORGÁNICA

6.2. Reacción E2: orientación y reactividad La reacción E2 tiene lugar cuando un halogenuro de alquilo se trata con una base fuerte como un ion hidróxido (HO-) o un alcóxido (RO-). Al igual que la reacción SN2, la eliminación bimolecular transcurre en un sólo paso sin formación de intermedios. La cinética es de segundo orden, ya que tanto el halogenuro como la base participan en la etapa de la reacción. Por tanto, la ecuación de velocidad es: velocidad = k [RX] [Base] El mecanismo de la reación E2 tiene lugar a través de un estado de transición en el que, de forma simultánea, unos enlaces se están rompiendo y otros formando: cuando la base empieza a sustraer el protón el enlace C-H comienza a romperse, se inicia la formación del nuevo doble enlace carbono-carbono y el halógeno empieza a salir llevando consigo el par de electrones del enlace C-X.

R

:s-u '\:l ,~R r:B~--H /~Rl t R -:~ ..e c"Q --. C==C ---¿C= R
"'

R"'/ R

~ R

X

R C""- + ~ R

BH

+

x-


Una gran variedad de datos experimentales evidencian que las reacciones E2 son estereoespecificas. La eliminación transcurre partiendo de una geometría periplanar en el halogenuro de alquilo, es decir, los cuatro átomos que intervienen -el hidrógeno, los dos carbonos y el halógeno- deben encontrarse en el mismo plano. Pero hay dos posibles geometrías periplanares: la sinperiplanar, en la cual H y X están del mismo lado de la molécula, y la antiperiplanar, en la que H y X están en lados opuestos. De las dos conformaciones, la preferida es la antiperiplanar porque energéticamente es más estable, ya que permite que los sustituyentes adopten posiciones alternadas en vez de eclipsadas, necesarias para la conformación sin; además se evitan repulsiones electrostáticas entre la base y el grupo saliente. X

'e/

1

y/'

H/ I 1

,.,.e,

X

X

,.,.e,

anüperiplanar

sinperiplanar

(corformación alternada de menor energía)

(corformación eclipsada de mayor energía)

Ejemplos de la necesidad de la conformación antiperiplanar para que tenga lugar la reacción de eliminación, lo constituyen los derivados de los clorociclohe-


179

xanos. En estos compuestos, la reacción E2 sólo puede tener lugar si los dos átomos, H y X, son diaxiales trans. C~ axial

E2

H

__-ecuatorial Cl E2

(CH3)3C~ No hay reacción en esta conformación

1~ Equlllbrlo muy desphw.ad~::;' confórmero dlecuatorlal E2

H

~axial

H

~

Se forma muy lentamente

Cl

axial E2

E2 H

CH2CH3 Alqueno más sustituido (mayoritario)

Alqueno menos sustituido (minoritario)

Ya se ha comentado en la sección 6.1 que cuando hay posibilidad de formación de dos alquenos diferentes, se forma mayoritariamente aquel que tiene el número mayor de grupos alquilo ligados a los carbonos del doble enlace (regla de Saytzeft). Por ejemplo:

CH3-CH2-CH= CH-CH3

2-Penteno (mayoritario) 2-Bromopentano

180

QUIMICA ORGÁNICA

CH3-CH2-CH2-CH= CH2

1-Penteno (minoritario)

El 1-penteno sólo tiene un grupo alquilo unido a un carbono (alqueno monosustituido), mientras que el 2-penteno tiene dos grupos alquilo, uno unido a cada carbono del doble enlace (alqueno disustituido): H

H

1

1

H H 1

1

CH3-CH2-CH2-C=C-H

CH3-CH2-C=C-CH3

1-Penteno (monosustituido)

2-Penteno (disustituido)

Si ahora el halogenuro de alquilo es el 2-bromo-2-metilbutano, el alqueno formado preferentemente es el 2-metil-2-buteno, debido a que se trata de un alqueno trisustituido: CH3 1

CH3CH2-C=C-H 1

CH3 1

CH3-CH2-C-CH3 1

Br

H

2-Metil-1-buteno (minoritario) H 1

CH3 1

CH3-C=C-CH3

2-Metil-2-buteno (mayoritario)

La razón por la que los alquenos más sustituidos son los productos mayoritarios, es su mayor estabilidad: el aumento del número de sustituyentes alquílicos en el doble enlace hace más estable al alqueno. En el estado de transición de la reacción E2 el enlace carbono-carbono tiene cierto carácter de doble enlace porque se está formando parcialmente: por ello, el aumento del número de grupos alquilo sobre ambos carbonos también hará que dicho estado de transición sea más estable. Por este motivo, disminuye la energía de activación y consecuentemente aumenta la velocidad de formación del alqueno más sustituido. La estabilidad del alqueno también es un factor decisivo que determina la reactividad de los halogenuros de alquilo frente a la reacción de deshidrohalogenación. Como a medida que se avanza en la serie 1°, 2° y 3°, la estructura se vuelve más ramificada, el alqueno al que conducirá la reacción también será mas ramificado (más estable) y, por consiguiente, se necesitará menos energía de activación para su formación. Así pues, la reactividad de los halogenuros de alquilo en la reacción E2 sigue el orden: Terciario > Secundario > Primario


181

6.3. Reacción E1: orientación y reactividad En la sección 5.6.1 se estudió el mecanismo de la reacción SNl: formación de

un carbocatión intermedio que provenía de la disociación del enlace C-X (etapa limitante de la velocidad) y posterior ataque del nucleófilo al carbono positivo para conducir al producto de sustitución. Pero éste no es el único modo de reacción sobre el carbocatión, existe otra posibilidad que consiste en la sustracción de un protón por la base para dar lugar a la formación de un alqueno. A esta otra alternativa de reacción se le denomina reacción El (eliminación unimolecular). El mecanismo El se puede formular de la siguiente manera: H

I~+/

Etapa limitante

R

R.

c-c\

1

R

+

X

R

Carbocatión

:B- 1 Rápido R

R

>=e(R

R

La cinética de la reacción El es de primer orden, ya que al igual que en las reacciones SN 1, en la etapa limitante de la velocidad (formación del carbocatión) no interviene la base: velocidad = k [RX]

De igual manera, el orden de reactividad de los halogenuros de alquilo en las reacciones El es el mismo que en las reacciones SNl, la razón responde a la estabilidad de los carbocationes. De esta forma se tiene: Terciario > Secundario > Primario

La orientación de la eliminación El también sigue la regla de Saytzeff. La estabilidad del estado de transición formado cuando la base arranca el protón determina dicha orientación: el enlace C-H está parcialmente roto y el doble enlace carbono-carbono se está formando. Así pues, al igual que en la E2, la sustitución alquílica (ramificación) es el factor que estabiliza el estado de transición (alqueno en formación). A diferencia con la reacción E2, en la que era necesaria una conformación antiperiplanar para que tuviera lugar la eliminación, en la reacción El no es necesario ningún requisito geométrico; el carbocatión intermedio puede perder cualquier protón vecino disponible.

182

QUIMICA ORGÁNICA

r= ~~,:-c(r Estado de transición

¡

R

R

R

R

) =e(

Como la eliminación unimolecular transcurre con la formación de un carbocatión, podrán darse transposiciones como ocurría en la SN1; éstas tendrán lugar, siempre y cuando, conduzcan a carbocationes más estables. Por ejemplo: CH3

CH3

1

+

1

CH3-y-CH-CH3 + Br-

CH3-T-TH-CH3 CH3Br

CH3

3-Bromo-2,2-dimetilbutano

Carbocatión secwidario

1Transposición CH

CH3 1

CH3-C-CH-CH3 +

-

+

3

1

CH3-C- CH-CH3 '

1

I

'

I '

CH3

I

CH3

Carbocatión terciario

..

EtOH CH3

CH3

1

CH2=C-CH-CH3

+

1

CH3-C=1-CH3

1

CH3

CH3

Alqueno disustituido

Alqueno tetrasustituido

(minoritario)

(mayoritario)


183

6.4. Competencia E2 / E1 Mientras que en las reacciones de sustitución, la reactividad de los halogenuros de alquilo seguía un orden inverso: SNl (3° > 2° > 1°), SN2 (1° > 2° > 3°), en las reacciones de eliminación, la reactividad del sustrato aumenta a medida que avanzamos en la serie para ambos mecanismos, El y E2: 1° < 2° < 3°. Ya se ha visto que mientras en las reacciones E2 este orden viene motivado por la mayor estabilidad de los alquenos más ramificados, en las reacciones El la razón se encuentra en la mayor estabilidad de los carbocationes intermedios a medida que

aumenta el número de sustituyentes sobre el carbono que soporta la carga positiva. Ahora bien, la participación del otro reactivo que interviene en la eliminación -la base- es en ambos mecanismos muy diferente: en la reacción E2 la base participa en el paso limitante de la velocidad, lo que no ocurre en el mecanismo El. Así pues, la velocidad de la reacción E2 va a depender de la concentración y de la fortaleza de la base; cuanto más fuerte sea la base, más rápidamente arrancará el protón del sustrato y con mayor velocidad transcurrirá la reacción E2. Sin embargo, en la eliminación El, la base tiene que esperar a que primero se forme el carbocatión (etapa lenta) y posteriormente la base, ya sea fuerte o débil, extraerá el protón del carbocattón. Por tanto, para un mismo halogenuro de alquilo, cuanto mayor sea la concentración o la fuerza de la base, más favorecida estará la eliminación por un mecanismo bimolecular, E2. Por lo general, la reacción El sólo ocurre con sustratos secundarios y terciarios en concentraciones bajas de la base o con bases débiles que comúnmente son el propio disolvente.

6.5. Competencia Eliminación-Sustitución. Resumen de reactividad: SN 1, SN2, E1, E2 Para mostrar la química de los halogenuros de alquilo han sido necesarios dos temas, lo que ha supuesto haber utilizado una gran cantidad de datos e información. ¿Cómo puede saberse a priori cómo reaccionará un determinado halogenuro de alquilo? ¿Reaccionará dando el producto de sustitución o el de eliminación? ¿Será unimolecular o bimolecular? Son varios los factores que intervienen en la reactividad: estructura del sustrato, nucleófilo, grupo saliente, disolvente y fuerza de la base. En esta sección se van a dar unas directrices con las que se podrán predecir de forma cualitativa los productos de reacción. Halogenuros de alquilo primarios

Los derivados primarios no impedidos reaccionan siempre por un mecanismo bimolecular. El producto de sustitución es el que se forma mayoritariamente, a no ser que se empleen bases fuertes muy impedidas del tipo ten--butóxido potásico, en cuyo caso la reacción de eliminación se encuentra más favorecida. Otras

184

QUIMICA ORGÁNICA

bases fuertes no impedidas como los alcóxidos (RO-) o amiduros (R2N-) dan incluso mayoritariamente la sustitución, debido a la buena accesibilidad del carbono reactivo en estos halogenuros primarios no impedidos. Como es de esperar, la utilización de buenos nucleófilos no básicos favorecerá la SN2: cN-, RS-, r, Br-. A continuación se muestran algunos ejemplos: base fuerte impedida -

_

+

(CH3)3CO K (CH3)3COH

CH3-CH= CH2 + >80%

Producto E2

<20%

Producto SN2 base fuerte _ + no impedida - . _ _c_H _3_0_N_a__

CH3-CH= CH2 + < lO%

CH30H

..

CH3-CH2-CH2-~-CH3

>90% CH3-CH2-CH2-CH2-CN

Producto SN2

Como se observa en los dos primeros ejemplos, siempre que se emplean bases se utiliza como disolvente el correspondiente ácido conjugado: CH3o- Na+ (base), CH30H (disolvente). Hasta el momento se ha estudiado la reactividad en halogenuros primarios no impedidos. Pero si se aumenta la ramificación en el carbono adyacente al carbono electrófilo, sólo el empleo de buenos nucleófilos favorecerá la sustitución bimolecular. Al no ser ahora tan accesible el carbono reactivo, por impedimento estérico, las bases fuertes, no necesariamente impedidas (alcóxidos y amiduros), van a conducir a la formación preferente de los productos de eliminación E2. Por ejemplo: CN- Na+

EtOEtOH

CH3-C= CH2 + CH:r-CH-CH2-0Et 1

CH3

1

CH3

Producto E2

Producto SN2

(60%)

(40%)

185


Halogenuros de alquilo secundarios Los derivados secundarios son los más versátiles en sus reacciones con nucleófilos, y pueden experimentar tanto sustituciones como eliminaciones por caminos uni- o bhnoleculares. Si se emplean buenos nucleófilos que sean bases débiles, se dará casi de forma exclusiva la reacción SN2· Pero si se utilizan bases fuertes se favorecerá la reacción E2. Cuando el reactivo atacante no es ni fuertemente nucleófilo ni excesivamente básico y además se emplea un medio polar prótico como etanol, se hacen competitivas las reacciones unhnoleculares SNl y El. A continuación se muestran algunos ejemplos: buen nucleófilo, base débil~ CH3COO-

~-----

~

o -c-CH3 1

CH3-CH-CH3 100% SN2

base fuerte

Br

' o -CH2CH3 1 CH3CH20CH3-CH-CH3 - - - - - - CH3-CH-CH3 + CH3-CH= CH2 80%E2 1

? CH2CH3 CH3-CH-CH3 + CH3-CH= CH2

base débil, nucleófilo débil, medio polar

SNl

El

Halogenuros de alquilo terciarios Los derivados terciarios pueden experimentar reacciones de eliminación (E2 o El) o reaccionar dando el producto de sustitución por un mecanismo unimolecular SN l. La sustitución bimolecular, SN2, no se observa en estos derivados. Cuando se emplean bases fuertes (Ro-, Ho-) se da la eliminación E2, mientras que la utilización de nucleófilos no básicos conduce a la sustitución SN 1, y de forma secundaria importante al producto de eliminación El. Véase página siguiente. En la Tabla 6.1 se indica de forma resumida el tipo de reactividad observada para los diferentes halogenuros de alquilo.

186

QUIMICA ORGÁNICA

CH3 1

H2C= 1 CH3 97%E2

Tabla 8.1. Resumen de reactividad: SNl, SN2, El y E2, en función de la estructura del halogenuro de alquilo

SN 1 SN2 El E2

SN 1 SN2 El E2

SN 1 SN2 El E2

No ocurre. Muy favorecida. De fonna exclusiva con nucleófllos no básicos: CN-, RS-, 1-, Br-, NH3. Producto mayoritario en halogenuros no impedidos con bases fuertes no impedidas: Ro-, R2N-. No ocurre. Se da con bases fuertes: es el producto mayoritario cuando el halogenuro primario presenta impedimento estérico o cuando se emplean bases fuertes impedidas (tipo /en:-butóxido).

Tiene lugar si el reactivo no es ni fuertemente nucleófilo ni básico y el medio es polar prótico. Ocurre en competencia con la E2. De fonna exclusiva con buenos nucleóftlos no básicos. Tiene lugar si el reactivo no es ni fuertemente nucleófilo ni básico y el medio es polar prótico. Ocurre en competencia con la SN2. Producto mayoritario si se emplean bases fuertes.

Se favorece con nuecleófllos no básicos en medio polar. No ocurre. Ocurre de fonna secundaria con bases débiles y con bases fuertes en baja concentración. Se favorece cuando se emplean bases fuertes.


187

6.6. Métodos de obtención de halogenuros de alquilo Los halogenuros de alquilo se pueden obtener por diversos métodos, todos ellos consistentes en reacciones de sustitución o de adición. Reacciones de sustitución

1) A partir de alcoholes (se estudiará en la sección 7.4.2) Este procedimiento de slntesis de halogenuros de alquilo es el más utilizado ya que existen en el mercado una amplia variedad de alcoholes. Consiste en hacer reaccionar el alcohol con halogenuros de hidrógeno, HX, o trihalogenuros de fósforo, PX3: R-OH __ H_X_o_P_X_3___ R-X

Ejemplos:

HCI

1-Metilciclohexanol 3 CH3CHCH3 1

OH 2-Propanol

+ HOH

1-Cloro-1-metilciclohexano 3 CH3CHCH3

+

H3P03

1

Br 2-Bromopropano

La reacción con HX transcurre mejor cuando se aplica sobre alcoholes terciarios, ~COH. Para alcoholes primarios o secundarios es mejor utiliz.ar el reactivo PX3, ya que de esta manera se evitan las posibles transposiciones catalizadas por ácido que podrian darse con el empleo de HX. También existe otro reactivo, el cloruro de tionilo (SOCl:J, que reacciona con alcoholes en condiciones suaves y que se emplea para la obtención de derivados dorados. Por ejemplo: OH 1

CH3-C-CH3 1

CH3 2-Metil-2-propanol

Cl 1

CH3-C-CH3 + HCI 1

CH3 2-Cloro-2-metilpropano

+

O=S= O

188

QUIMICA ORGÁNICA

2) A partir de alcanos (estudiada en la sección 2.5.2) Sólo en casos muy concretos se utiliza la halogenación de alcanos en la síntesis de halogenuros de alquilo, debido a que en la mayoría de las veces se obtienen mezclas de productos. hv R-H + X2 - - - - R-X + HX

Por ejemplo:

r"3

CH3

CH3-C-H

hv

+ Br2

1

CH3-C-Br + HBr

1

1

CH3

CH3

2-Metilpropano

2-Bromo-2-metilpropano

3) A partir de otros halogenuros de alquilo: intercambio de halógeno

(para derivados yodados) R-X

+

r ----- R-1

x-

+

Por ejemplo: CH3

CH3 Nal

1

CH3C-Br 1

1

Acetona

+ NaBr

CH3-C-I 1

CH2CH3

CH2CH3

2-Bromo-2-metilbutano

2-Metil-2-yodobutano

Reacciones de adición 1) A partir de alquenos (se verá en la sección 10.4) Los halógenos (X2) y los halogenuros de hidrógeno (HX) se adicionan al doble enlace de los alquenos para formar halogenuros de alquilo: X 1

R1Cff-CHR2

X- X

1

HX

X

H

1

1

R1Cff-CHR2

Alqueno

X

Ejemplos:

CH3CH2CH= CH2

1-Buteno

HBr

Br

H

1

1

CH3CH2CH-CH2

2-Bromobutano


189

Cl

Cl- Cl

1

CH3CH= CHCH3 - - - - CH3CH-1HCH3 2-Buteno

Cl 2, 3-Diclorobutano

2) A partir de a/quinos (se estudiará en la sección 12.3) Al triple enlace de los alquinos también se pueden adicionar halógenos y halogenuros de hidrógeno para dar halogenuros de alquilo: X

X

X

H

1 1 2 X- X 2 HX 1 1 R1C-CR2 - - - - RlC==CR2 - - - - R1C-CR2 1

X

1

X

Alquino

1

1

X

H

Ejemplos: Br H

CH3(CH2)3C==CH

2 HBr

1-Hexino

1

1

CH3(CH2)3C-CH 1

1

Br H 2,2-Dibromohexano

Cl Cl 2 Cl- Cl 1 1 CH3CH2C==CCH2CH3 - - - - - CH3CH21-1CH2CH3 3-Hexino

Cl Cl 3,3,4,4-Tetraclorohexano


l. Los halogenuros de alquilo además de experimentar sustituciones nucleófilas, pueden dar reacciones de eliminadón que conducen a la formación de alquenos: ahora el nucleófilo actúa como base arrancando un protón del átomo de carbono vecino al carbono múdo al halógeno. 2. Las reacciones de eliminación pueden transcurrir por dos mecanismos: E2 (eliminación bimolecular) y El (eliminación unimolecular). La reacción E2 tiene lugar en un sólo paso (sin formación de intermedios), en el cual la base sustrae el protón al mismo tiempo que se separa el halógeno. Debido a que es necesario que los cuatro átomos que intervienen en el proceso de eliminación se encuentren en el mismo plano (periplanar) y en conformación anti (H y X en lados opuestos), la reacción es estereoespecífica. La reacción El

190

QUIMICA ORGÁNICA

ocurre cuando el sustrato se disocia para formar un carbocatión (etapa limitante de la velocidad), y posteriormente, la base abstrae el protón vecino. Las cinéticas de estas reacciones son: de segundo orden para la E2 y de primer orden en la El. 3. Ante la posibilidad de formación de dos alquenos diferentes, ambos mecanismos El y E2 compiten dando mayoritariamente el alqueno más sustituido (regla de Saytzeft). 4. La reactividad de los halogenuros de alquilo frente a las reacciones de eliminación (El y E2) sigue el orden: Terciario> Secundario> Primario. 5. La eliminación bimolecular (E2) se encuentra favorecida frente a la unimolecular (El) cuando se utilizan bases fuertes o altas concentraciones de base. Por lo general, sólo se observa el mecanismo El en sustratos secundarios o terciarios con bases débiles en un medio polar prótico.


E¡ercicios de autocomprobación l. ¿Qué productos se obtienen en las reacciones de eliminación de los siguientes halogenuros de alquilo? ¿Cuál seria el producto predominante en cada caso? a)

Br CH3

CH3CH2¿HtHCH3 b) Cl CH3 CH3CHCH2t-tHCH3 1

CH3

1

CH3

e)

O:~ª

d)

Br

ObHCHa 2. ¿En los ciclohexanos indicados a continuación, qué isómero es de

esperar que reaccione más rápido en condiciones de eliminación E2, el cis o el trans? Representar cada molécula en su conformación de silla más estable e indicar el producto de eliminación que se fonnará mayoritariamente razonando la respuesta. a) 1-Bromo-4-terc-butilciclohexano b) 1-Cloro-2-etilciclohexano 3. ¿Por qué el trans-1-bromo-2-metilciclohexano al ser tratado con una base fuerte genera el 3-metilciclohexeno y no el 1-metilciclohexeno que cabria esperar al ser el alqueno más sustituido?

V"ª

CH3

ª

U Br

+

KOH

~ 3-Metilciclohexeno

~uHa

1-Metilciclohexeno

191

192

QUIMICA ORGÁNICA

4. La reacción siguiente puede transcurrir tanto a través de un meca-

nismo El como E2: CH3 CsHsCH2tc1 1

CH3 CH3 + CaHsCH2t=CH2

La constante de velocidad para la El es: k = 1,4 x 10-4 s-1 y para la E2: k= 1,9 x 10-4 L mol-1 s-1 para una concentración 0,02 M de

haloalcano. a) ¿Cuál es el mecanismo de eliminación predominante con una concentración de CH30Na 0,5 M? b) ¿Cuál es el mecanismo de eliminación predominante con una concentración de CH30Na 2,0 M? c) ¿A qué concentración de base reacciona el producto de partida exactamente un 50 % por un mecanismo El y el otro 50 % según un mecanismo E2? 5. Escribir los productos de las siguientes reacciones de eliminación indicando si la reacción transcurre por un mecanismo El o E2.

[(CH3)2CH]2N-Li+ [(CH3)2CH]2NH KOH (exceso) EtOH

d) CH3CH2Cl + (CH3)3CO-K+ 8. Escribir el producto o productos principales que se obtienen en las

siguientes reacciones indicando si el mecanismo por el que han tenido lugar ha sido SNl, SN2, El o E2.


a)

b)

CH3CH2Cl

CH30Na CH30H (CH3)3CO-K+

CH3CH2CH2Br

e)º¡ d) CH3CHCl

(CH3)3COH NaNH2 NH3 liquido CH3SNa

tH3

e)ú¡ f)

g)

(CH3)3CBr

CH30H

NaCN

CH3 CH3CH2tBr

NaNH2 NH3 líquido

tH3

acetona

193

194

QUIMICA ORGÁNICA

Soluciones a los eiercicios de autocomprobación l. El alqueno que se formará mayoritariamente será, en cada caso, aquel que tenga el mayor número de sustituyentes unidos a los carbonos del doble enlace (regla de Saytzefl). Br CH3

a)

CH3CH2¿HtHCH3 -

CUs CUs CUsCH=CHtUCU3 + CUsCUzCH=c(-

~Us

Alqueno disustituido b)

Alqueno trisustituido (mayoritario)

Cl CH3

CUs

CH3CHCH2t-tHCH3 1

CH3

CUsCUCH=ctucus

1

1

CH3

1

CUs CUs Alqueno trisustituido + CUs CUsCUCUzC=< tus tus CUs Alqueno tetrasustituido (mayoritario)

e>

(X~-Ocus +

Ocfü

Alqueno trisustituido Alqueno disustituido (mayoritario) d)

Br

ObHCfü - OCH=Cfü +

OCHC"3

Alqueno monosustituido

Alqueno trisustituido (mayoritario)

+


2. a) Conformaciones de silla del isómero ciclohexano:

A Conformación más estable

e~ l-bromo-4-tere-butil-

B

Conformaciones de silla del isómero trans-1-bromo-4-terebutilciclohexano:

e

D

Conformación más estable Teniendo en cuenta que las interaciones 1,3-diaxiales aumentan el nivel de energía de las conformaciones de silla del ciclohexano, y que la interacción 1,3-diaxial tere-butilo-hidrógeno es de mayor energía que la 1,3-diaxial bromo-hidrógeno, es de esperar que el isómero cis se encontrará en conformación A (más estable) y el el isómero transen conformación D. Ahora bien, como para que tenga lugar la eliminación E2 es necesario que el halógeno y el hidrógeno se encuentren en posiciones diaxiales trans, de los dos isómeros solamente el cis (A) cumple dicho requisito. El átomo de bromo en el isómero trans, en su conformación más estable, la D, está en posición ecuatorial. Por tanto, el isómero cis reaccionará más rápido que el trans, puesto que este último para poder dar la reacción de eliminación tiene que adoptar una conformación muy inestable (C), ya que sólo así los dos grupos a eliminar se encuentran en posiciones axiales.

195

196

QUIMICA ORGÁNICA

El producto que se obtiene es:

b) Conformaciones de silla del isómero cis-1-cloro-2-etilciclohexano:

A

B

Conformación más estable Conformaciones de silla del isómero trans-1-cloro-2-etilciclohexano:

e

D

Conformación más estable Como la interacción 1,3-diaxial etilo-hidrógeno es más energética que la cloro-hidrógeno, el isómero cis se encontrará en conformación A, y el trans en conformación D. Por las mismas razones explicadas en el apartado anterior, el isómero cis reaccionará más rápidamente que el trans. En este caso, a partir del isómero cis se pueden obtener dos alquenos:


197

Alqueno disustituido

Alqueno bisustituido (mayoritario) Y partiendo del isómero trans sólo se formará lentamente, a través de la conformación C, el alqueno disustituido representado arriba. 3. Como el trans-l-bromo-2-metilciclohexano es un halogenuro secundario y el reactivo atacante es una base fuerte, la reacción de eliminación tendrá lugar por un mecanismo bimolecular (E2).

Si se dibuja la conformación de silla del compuesto colocando el átomo de bromo en posición axial, necesaria para que se dé la eliminación E2, se tiene:

CH3 Se puede observar que sólo hay un hidrógeno en posición axial

trans al bromo, cuya eliminación conduce al 3-metilciclohexeno. El 1-metilciclohexeno no puede formarse porque el hidrógeno a eliminar que daría dicho alqueno se encuentra en posición ecuatorial, no cumpliendo la condición antiperiplanar necesaria en las eliminaciones E2. a) El mecanismo de eliminación predominante será aquel cuya velocidad de reacción sea mayor. Aplicando la ecuación de velocidad para ambos mecanismos, El y E2, y sustituyendo los valores se tiene: El: v = l [halogenuro] = (1,4 x 10-4 s-1) (0,02 M) = 2,8 x l0-6 mol L-1 s-1 E2: v = l [halogenuro] [base]= (1,9 x lG-4 L mol-1 s-1) (0,02 M) (0,5 M) = 1,9 x l0-6 mol L-1 s-1

198

QUIMICA ORGÁNICA

La velocidad El es mayor, por lo que predominará la reacción por el mecanismo El. b) En este caso se tiene: El: v = k [halogenuro] = 2,8 x l0-6 mol L-1 s-1 (no cambia) E2: v = .k [halogenuro] [base] = (1,9 x l0-4 L mol-1 s-1) (0,02 M) (2,0 M) = 7,6 x lG-6 mol L-1 s-1 Ahora la velocidad E2 es mayor, por lo que predominará dicho mecanismo de elhninación. c) Para que la reacción transcurra al 50 % por ambos mecanismos, es necesario que las velocidades se igualen: v (El) = v (E2) 2,8 x l0-6 mol L-1 s-1 = (1,9 x l0-4 L mol-1 s-1) (0,02 M) [CH30Na] [CH30Na] = 0,74 M

5. a)

[(CH3)2CH]2N-Li+ CH3CH2CH2CH2Cl [(CH )2CH]2NH CH3CH2CH=CH2 3 E2

Halogenuro primario y base fuerte hnpedida: E2 KOH (exceso) EtOH

E2

Halogenuro secundario y base fuerte que además está en exceso: E2.

Br CH3 CH30Na CH30H E2yE1

H3 Alqueno más sustituido (mayoritario)


199

Sustrato terciario y base fuerte: E2. Si la base está en baja concentración, de forma secundaria participa el mecanismo El. CH2=CH2 E2 Aunque es un sustrato primario sin impedimento estérico, el empleo de una base fuerte impedida favorece la eliminación bimolecular frente a la sustitución.

CH3CH20CH3 SN2 Halogenuro primario no impedido, base fuerte no impedida: SN2 (CH3)3CO-K+ (CH3)3COH

c)01

Halogenuro primario no impedido, base fuerte impedida: E2

NH3 líquido

o E2

Halogenuro secundario, base fuerte: E2 CH3SNa

Halogenuro secundario, buen nucleófilo: SN2

e)VI

CHaOH

Halogenuro secundario, nucleófilo débil altamente polar: SN1 y El

200

QUIMICA ORGÁNICA

NaCN

(CHshCCN

SNl Halogenuro terciario, buen nucleófilo no básico: SN1

g)

ytts NaNH2
acetona

Halogenuro terciario, nucleófilo no básico y disolvente polar:

SNl

Tema 7

Alcoholes

1

SUMARIO 1

1

7.1. Nomenclatura de los alcoholes 7.2. Estructura y propiedades fisicas de los alcoholes

7.3. Acidez y basicidad de los alcoholes 7.4. Reacciones de los alcoholes

7.4.1. 7.4.2. 7.4.3. 7.4.4.

Formación de alcóxidos Conversión de alcoholes en halogenuros de alquilo Deshidratación de alcoholes para producir alquenos Oxidación de alcoholes: preparación de aldehídos y cetonas

7.5. Métodos de obtención de alcoholes 7.6. Compuestos organometálicos de litio y magnesio 7.7. Reactivos organometálicos de litio y magnesio en la síntesis de alcoholes. Resumen de conceptos importantes Ejercicios de autocomprobación Soluciones a los ejercicios de autocomprobación

OBJETIVOS _ 1

1

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __

1

1. Explicar el comportamiento anfótero de los alcoholes, como ácidos y bases débiles que son, por la capacidad que tienen para aceptar o ceder un par de electrones, y relacionar esta capacidad ácido-base con la reactividad que pueden experimentar. 2. Reconocer el potencial sintético de los alcoholes en la química de los compuestos alifáticos. Los alcoholes pueden transformarse en una amplia gama de compuestos como halogenuros de alquilo, alquenos, aldehídos, cetonas, etc., y también pueden ser sintetizados a partir de éstos. 3. Predecir el transcurso de una reacción en la que participan los alcoholes, aplicando los conocimientos adquiridos en el estudio de las reacciones de sustitución y eliminación de los halogenuros de alquilo.

4. Evaluar la importancia en la química sintética de los compuestos organometálicos de litio y magnesio por ser fuentes de carbono nucleófilo así como su aplicación en la síntesis de alcoholes.

203

ALCOHOLES

7.1. Nomenclatura de los alcoholes Los alcoholes son compuestos que tienen el grupo funcional hidroxilo (-OH) unido a un átomo de carbono con hibridación s¡il. Esta definición excluye a los compuestos que tienen el grupo hidroxilo unido a un carbono con hibridación s¡T-: fenoles (unido a un anillo aromático) y enoles (unido a un doble enlace) debido a que la química de estos tres tipos de compuestos es muy diferente.

~OH

V Un alcohol

Unfenol

Unenol

Los alcoholes pueden considerarse como derivados del agua en los que un átomo de hidrógeno ha sido sustituido por un grupo alquilo: H- 0 - H

R- 0 - H

Agua

Alcohol

Estos compuestos se encuentran ampliamente distribuidos en la naturaleza y tienen muchas aplicaciones industriales y farmacéuticas. Los más sencillos (metano! y etanol) son utilizados como disolventes e intermedios sintéticos. En otros alcoholes, como en el colesterol, el grupo hidroxilo representa una porción pequeña, pero importante, de una estructura compleja, en este caso, un esteroide.

CH30H

Metanol

Colesterol

Al igual que los halogenuros de alquilo, los alcoholes se pueden clasificar en primarios, secundarios y terciarios atendiendo al número de sustituyentes distintos de hidrógeno unidos al átomo de carbono que tiene el grupo hidroxilo: H

H

1

1

R-C- OH 1

H

Alcohol primario

R-C- OH 1

R Alcohol secundario

R 1

R-C- OH 1

R

Alcohol terciario

204

QUÍMICA ORGÁNICA

En cuanto a la nomenclatura de los alcoholes, los más sencillos pueden nombrarse usando el nombre del grupo alquilo que contienen, en forma de adjetivo, precedido de la palabra alcohol: alcohol metílico, alcohol etílico, alcohol isopropilico, alcohol te.n:-butílico y alcohol alílico son nombres usuales que siguen esta regla. Pero de forma sistemática y según las reglas de la IUPAC, los alcoholes se nombran como derivados de los alcanos, por lo que también se les conoce como alcanoles: 1. Se elige la cadena de carbono más larga que contenga al grupo hidroxilo y se nombra sustituyendo la terminación -o del alcano correspondiente por -ol. 2. Se numera la cadena comenzando por el extremo más próximo al grupo hidroxilo. 3. Se numeran todos los sustituyentes de acuerdo a su posición en la cadena y se anteponen al del alcanol-raíz en orden alfabético. Por ejemplo: 3

2

1

4

CH3CHCH3

3

1

OH

OH

2-Propanol o Alcohol isoproptlico

CH3 21 1 CH3rCH3

1

CH3CH2CHCH3

1

1-Propanol o Alcohol propilico

2

2-Butanol o Alcohol sec-butilico

CH3 CH3 ~ 4~2 1 CH3CHrHrCH2CH3

3

6

OH

Cl OH 4-Cloro-3, 5-dimetil-3-hexanol

2-Metil-2-propanol o Alcohol teir-butílico

Los alcoholes ciclicos se denominan cicloalcanoles y si se encuentran sustituidos se nombran de manera que al carbono que lleva el grupo hidroxilo se le asigna el número uno: OH

OH

CH2CH3 1-Etilciclopentanol

Ciclohexanol

3-Bromo-5-etilciclohexanol

205

ALCOHOLES

Algunos alcoholes simples tienen nombres comunes aceptados por la IUPAC. Por ejemplo: 1

2 3

HOCH2THCH20H

Etilenglicol (1,2-Etanodiol)

Alcohol alilico (2-Propen-1-ol)

OH Glicerol o Glicerina (1,2, 3-Propanotriol)

El grupo -OH como sustituyente se denomina hidroxi. Por ejemplo: ? Hf H3 ~ CH3CHCH-C-CH3 5

43

2

~H

CH3CH2CHCH2-C-H 5 4 32 1 3-Hidroxipentanal

1

4-Hidroxi-3-metil-2-pentanona OH

~

O

1

11

CH3CHCH2-C-OH 4

3

2

1

Ácido 3-hidroxibutanoico

7 .2. Estructura y propiedades físicas de los alcoholes Como ya se ha dicho, los alcoholes pueden considerarse derivados orgánicos del agua, por lo que van a tener una configuración geométrica similar a la de ésta (ver Figura 7.1). El ángulo de enlace R-0-H tiene aproximadamente el valor tetraédrico y el átomo de oxígeno presenta hibridación s¡i3. El enlace 0-H es mucho más corto que el enlace C-H debido, en gran medida, a la diferencia de electronegatividades entre el oxígeno y el carbono. Las propiedades tanto físicas como químicas de los alcoholes vienen determinadas por la presencia del grupo hidroxilo. La polaridad del enlace oxígeno-hidrógeno, provocada por la gran electronegatividad del átomo de oxígeno, permite la formación de los llamados puentes de hidrógeno: el átomo de hidrógeno de un grupo -OH que se encuentra polarizado positivamente forma un enlace débil (puente de hidrógeno) con el átomo de oxígeno polarizado negativamente de otra molécula (Figura 7.2).

:a··

o,96 A

H
Figura 7.1. Estructuras del agua y del metanol.

206

QUÍMICA ORGÁNICA

R

lo-

H

,. . . . o

o+

Figura 7.2. Puentes de hidrógeno en los alcoholes.

Estos enlaces por puentes de hidrógeno entre las moléculas de alcohol son la causa de los altos puntos de ebullición de estos compuestos. Aunque estos enlaces tienen energía de sólo unas 5 kcal mol-1, se forman en un número tan elevado que es necesario suministrar una energía extra que los rompa para poder volatilizar el alcohol. En la Tabla 7.1, donde se comparan los puntos de ebullición de algunos alcoholes y cloruros de alquilo análogos, se observa como las temperaturas de ebullición de los alcoholes son mucho mayores. Aunque los dos tipos de compuestos deberían presentar puntos de ebullición semejantes, puesto que ambos son moléculas polarizadas, la asociación por puentes de hidrógeno en los alcoholes es la responsable de esta diferencia. Tabla 7.1. Puntos de ebullición de alcoholes y cloruros de alquilo (ºC) CH30H CH3CH20H CH3CH2CH20H (CH3)2CHOH (CH3)3COH

65,0 75,8 97,4 82,4 83,0

CH3Cl CH3CH2Cl CH3CH2CH2Cl (CH3)2CHCI (CH3)3CCI

-24,2 12,3 46,6 35,7 51,0

Otra propiedad fisica de los alcoholes que se atribuye a la formación de puentes de hidrógeno es la solubilidad en agua de los alcoholes de bajo peso molecular. A medida que aumenta el tamaño de la cadena alquilica (hidrofóbica) disminuye la solubilidad en agua, al mismo tiempo que aumenta la solubilidad en disolventes apolares.

7.3. Acidez y basicidad de los alcoholes Como el agua, los alcoholes son débilmente ácidos y débilmente básicos, característica que les convierte en moléculas de carácter anfótero. Así pues, actuarán como ácidos o bases en función del reactivo al que se enfrenten.

207

ALCOHOLES

El comportamiento de los alcoholes como bases de Lewis se debe a la presencia de pares de electrones no enlaz.antes en el átomo de oxígeno del grupo hidroxilo. Así, en presencia de ácidos los alcoholes son protonados reversiblemente para formar los iones oxonio, ROH2+. H

..

R-0 -H

I+

R- 0 -H

+

Ion oxonio En las reacciones de eliminación de los halogenuros de alquilo (ver sección

6.3) ya se puso de manifiesto el carácter de base débil de los alcoholes al aceptar un protón del carbocatión intermedio en la reacción El. Su basicidad también los hace nucleófilos y capaces de causar sustitución en reacciones SN2 y SN l. El comportamiento de los alcoholes como ácidos débiles reside en la gran electronegatividad del oxígeno al que está unido el protón. Como ya se ha comentado al hablar de la formación de puentes de hidrógeno, este efecto polariza el enlace 0-H y genera una carga parcial positiva sobre el hidrógeno. Así pues, los alcoholes también actúan como donadores de protones y en solución acuosa diluida se disocian cediendo un protón al agua y formando un alcóxido: R-O:

+

• ·+

HgO

Alcóxido

Asumiendo que la concentración del agua permanece constante, la fuerza como ácido de un alcohol viene determinada por la constante de acidez Ka: pK8 =-log Ka

Los compuestos con Ka pequeña (o pK8 alto) son débilmente ácidos, mientras que los compuestos con Ka grande (o pKa bajo) son ácidos más fuertes. La Tabla 7.2 revela que los alcoholes sencillos, como el metanol y el etanol, son aproximadamente tan ácidos como el agua. Sin embargo, los alcoholes más Tabla 7.2. Valores de pKª de algunos alcoholes y otros compuestos de referencia Compuesto

H20 CHsOH CHsCH20H (CHs)2CHOH

15,74 15,50 15,90 17,10

(CHshCOH CFsCH20H (CFshCOH HCl

18,00 12,43 5,40 -7,00

208

QUÍMICA ORGÁNICA

sustituidos, como el alcohol terc-butílico, son ligeramente menos ácidos. Esta diferencia se debe en gran medida a la solvatación: el agua es capaz de rodear al átomo de oxígeno de los alcoholes no impedidos y estabilizar al alcóxido por solvatación, favoreciendo así su formación. Sin embargo, los alcóxidos impedidos, como el terc-butóxido, no son solvatados debido a su volumen y se encuentran menos estabilizados. Por tanto, la acidez de los alcoholes disminuye a medida que aumenta la sustitución: CH30H > Primario > Secundario > Terciario

En la tabla anterior también se han indicado los valores de pKª de algunos alcoholes que presentan átomos de fluor en el carbono contiguo (carbono a) al que contiene el grupo OH. El efecto inductivo atrayente de electrones de los átomos de fluor aumenta la acidez del alcohol: se estabiliza el alcóxido al ayudar a dispersar la carga negativa, efecto estabilizador que disminuye a medida que aumenta la distancia entre estos sustituyentes y el oxigeno. En resumen, debido a la naturaleza anfótera del grupo funcional hidroxilo, los alcoholes en ácidos fuertes van a existir como iones oxonio, en medios neutros como alcoholes y en medios fuertemente básicos como alcóxidos. H +/

Ácido fuerte

"'

H Ion oxonio

Base fuerte R-OH

R-0

Ácido débil

R-0-

Base débil Alcohol

Aleóxido

7.4. Reacciones de los alcoholes Los alcoholes pueden reaccionar de cuatro formas diferentes tal como se muestra en la Figura 7.3. En dicha figura se indican las distintas partes del alcohol suscepühles de ataque y se puede observar que al menos se rompe uno de los cuatro enlaces marcados con las letras a, b, c y d. 7.4. 1. Formación de alcóxidos

Puesto que los alcoholes son ácidos débiles, el desplazamiento del equilibrio hacia la formación del alcóxido (base conjugada fuerte) requiere el empleo de una base más fuerte que el alcóxido formado o una base cuyo ácido conjugado sea más débil que el alcohol. Por este motivo es necesario la utilización de bases fuertes tales como hidruro sódico (NaH), amiduro sódico (NaNH:J o reactivos de alquillitio (RLi).

209

ALCOHOLES

H

";:=e,

1

1

1

1

-c-c-o-

/

H~ Á 'd +c c1 o

Alquenos

(Eliminación)

~ Base

H

e+

l_l>_ l_

H Alcóxidos

-C-C--->OTH 1

H 1

/º

1

"

d+H

H

-e-e

1

1

1

1

-c-c-x H Halogenuros de alquilo

Aldehídos ycetonas

Figura 7.3. Reactividad de los alcoholes

CH30H

+

ácido más fuerte

+ Na NH2

CH30- Na+

base más fuerte

basemás débil

NaH

+

CH3CH20H

NH3 ácido más débil

CH3CH20- Na+

base más fuerte

ácido más fuerte

+

+

base más débil

H2

ácido más débil

o- u+

OH 1

1

CH3CHCH3

CH3Ll

CH3CHCH3

basemás fuerte

base más débil

+

ácido más fuerte

CH4

+

ácido más débil

Puesto que un alcohol es un ácido más débil que el agua, no puede prepararse un alcóxido por reacción del alcohol con un hidróxido metálico: CH3CH20H

+

ácido más débil

Na+OHbase más débil

)><( •

CH3CH20- Na+ base más fuerte

+

H20 ácido más fuerte

Otro método utilizado con frecuencia para la obtención de alcóxidos consiste en la reacción de los alcoholes con metales alcalinos: -

+

2 CH30H

+

2 Ll - - - - - 2 CH30 Li

+

2 CH3CH20H

+

2 Na - - - - - 2 CH3CH20- Na+

2 (CH3)3COH

+

2K

2 (CH3)3CO- K+

H2

+ +

H2 H2

210

QUÍMICA ORGÁNICA

Los alcóxidos son reactivos muy útiles en síntesis orgánica. En los Temas 5 y 6 se ha visto su utilidad como agentes nucleófilos y como bases fuertes en las reacciones de sustitución y eliminación de los halogenuros de alquilo. 7.4.2. Conversión de alcoholes en halogenuros de alquilo

Como se ha indicado en la sección 6.6, uno de los métodos empleados para la obtención de halogenuros de alquilo consiste en la sustitución del grupo hidroxilo de un alcohol por un halógeno. Ello se consigue mediante la reacción del alcohol con halogenuros de hidrógeno (HX) o con haluros de ácidos inorgánicos (PBr3, PC15, y SOC12). Ahora es el momento de estudiar el mecanismo por el que transcurren dichas sustituciones. Formación de carbocationes: reacción con halogenuros de hidrógeno

Como se ha visto hasta ahora, los alcóxidos se obtienen a partir de los alcoholes por la capacidad que éstos tienen para ceder protones. Pero los alcoholes también pueden aceptar protones y existir en forma de iones oxonio. En algunos casos estos iones oxonio pueden perder agua y formar carbocationes: H

I+ U·

R- 0-H

Ion oxonio

-H20

Carbocatión

Cuando los iones oxonio derivan de sistemas secundarios y terciarios se produce la reacción arriba indicada. No ocurre, sin embargo, con los iones oxonio primarios que son relativamente estables puesto que los carbocationes primarios resultantes poseen una energía muy alta (ver sección 5.6.3 sobre estabilidad relativa de carbocationes). La síntesis de halogenuros de alquilo primarios a partir de alcoholes por tratamiento con HX transcurre por un mecanismo SN2, ya que el ion oxonio que se forma por protonación del alcohol es primario: ~-

CH3CH2CH2 ~H2 + Br

1-Propanol

I

SN2

•.

CH3CH2CH2Br + 1-Bromopropano

H2~

Sin embargo, la reacción de los alcoholes secundarios y terciarios con HX a O ºC da lugar a la formación de halogenuros de alquilo a través de un mecanismo

211

ALCOHOLES

SN 1. En este caso, hay una primera etapa en la que los iones oxonio pierden agua para dar los carbocationes secundarios o terciarios, que son más estables, y un segundo paso donde se produce el ataque nucleófilo del ion halogenuro x-. Por ejemplo, el mecanismo de la reacción del alcohol ten:-butílico (terciario) con HCl se indica a continuación: CH3

1 .. ~ 0, OºC CH3-C-OH + H-Cl - - . 1

CH3

H

1

!Y.

1

+"

CH;r-C- 0~

..

CH3

CH3

H

CH3

..

1

H20 + CH3- C+

..

¿~

!cr

Alcohol te.n:-butilico

CH3 1

CH3-C-Cl 1

CH3

Cloruro de te.n:-butilo

En algunos casos, los carbocattones pueden transponerse por desplazamiento de hidrógeno o de grupos alquilo para convertirse en otros carbocationes más estables (ver sección 5.6.4). Asi, en la reacción del 3-metil-2-butanol con HBr el producto mayoritario es el 2-bromo-2-metilbutano porque proviene de un carbocatión terciario (más estable) formado por transposición del carbocatión secundario inicial: H

OH

1

1

CH:r-C-C-CH3 1

1

H3C

H

HBr -H2~

~+

CH:r-1-1 -CH3

3-Metil-2-butanol

H3C

H

Carbocatión secundario

H +

1

CH:r-1 -1-CH3 H3C

H

Carbocatión terciario

!

Br-

Br H 1

1

CH:r-C-C-CH3 1

H3C

1

H


Reacción con PBr3, PCl5 y SOCl2 Se ha visto que los alcoholes terciarios se convierten con facilidad en halogenuros de alquilo por reacción con HCl o HBr a OºC. Aunque los alcoholes prima-

212

QUÍMICA ORGÁNICA

rios y secundarios también reaccionan con halogenuros de hidrógeno, son mucho más resistentes a estos ácidos y se transforman mejor en halogenuros por tratamiento con PBr3, PC15 o SOC12• Por ejemplo:

..

3 RCH2q H + PBr3

..

Alcohol primario

RCH2~H

Tribromuro de fósforo

Bromuro de alquilo

Ácido fosfórico

+ SOCl2 - - - - RCH2Cl + O=S=O + HCl

Alcohol primario

Cloruro de tionilo

Cloruro de alquilo

Dióxido de

Ácido

azufre

clorhídrico

Las reacciones de los alcoholes primarios y secundarios con los reactivos anteriormente mencionados proceden a través de un mecanismo SN2. El ion hidroxilo en sí es muy mal grupo saliente para ser desplazado por nucleófilos en las reacciones SN2, pero la reacción del alcohol con PBr3, PCl5 o SOC12 convierte al hidroxilo en un mejor grupo saliente. El mecanismo de la reacción con PBr3 es: Br

..~I D. + P Br

RCH20. .H

1

+

- - - - RCH2-?-PBr2

Br

+

H

~

Buen grupo saliente -~ (;-+: Br + RCH2-?-PBr2 H

El HOPBr2 formado puede reaccionar con dos moléculas más de alcohol por un mecanismo análogo al arriba indicado, formándose finalmente tres moléculas de bromuro de alquilo y H3P03. La cloración con PC15 sigue un mecanismo similar al explicado con PBr3, excepto que las especies participantes contienen fósforo pentavalente. El mecanismo en la cloración cuando se emplea cloruro de tlonilo, SOCI2 es:

o

o

..-------.. l __0i

R2CHOH ..

H+ +

+ "'S

.. 11

Cl

R2CH-O-S-Cl +

1

~

Cl

Buen grupo saliente

·· cr~ + R2CHw

o

1 ~

S-Cl

SN2

cr

+ H+

R2CHC1 + O=S=O + HCl

213

ALCOHOLES

Esta reacción se suele llevar a cabo en presencia de una amina, como la trietilamina, (CH3CH:J 3N, que neutraliza el cloruro de hidrógeno que se forma.

7.4.3. Deshidratación de alcoholes para producir alquenos Cuando un alcohol se trata con un ácido mineral concentrado (ácido sulfúrico o fosfórico) a elevadas temperaturas (80-170 ºC) se produce la ebminadón de una molécula de agua (deshidratación) y se forma un alqueno. 1

1

-e-el

H

1

+

tT

HOH

OH

Alcohol

Alqueno

Los alcoholes secundarios y terciarios originan alquenos por un mecanismo El y los alcoholes primarios por un camino E2. El orden de reactividad de los alcoholes frente a la reacción es: 3° > 2º > 1°. Por ello, los alcoholes primarios requieren mayores temperaturas y ácidos más concentrados. +

eH31~eH21j>H2

Alcohol primario

..J 1l

~H2

E2

eH3eH= eH2 + H20 + H30+ CH3 1

H2S04 20%

HsC-C-CH3 1

OH

85

ºe

Alcohol terciario

Al igual que en la reacción con halogenuros de hidrógeno, en primer lugar se protona el oxígeno para dar el ion oxonio. Como ya se ha visto, los iones oxonio que provienen de alcoholes secundarios y terciarios pierden agua para dar los correspondientes carbocationes, mientras que los iones oxonio primarios son esta-

214

QUÍMICA ORGÁNICA

bles. Posteriormente, como no hay un buen nucleófilo en el medio, ya que el H20 es un nucleófilo débil, ésta va a actuar como base y va a tomar un protón de un átomo de carbono contiguo para formar el alqueno. Cuando hay posibilidad de obtención de más de un alqueno se forma mayoritariamente el más sustituido, ya que la desprotonación es una reacción reversible, y por tanto, el alqueno que predomina al final será el de control termodinámico, es decir, el más estable. H2S04 50% 100 ºC -HOH

Mayoritario

Trazas

(más sustituido)

Cuando un carbocatión, ya sea por desplazamiento de hidruro o de grupo alquilo, pueda conducir a otro más estabilizado que el original, los alquenos obtenidos serán los que provengan de la transposición. Por ejemplo:

CH3CH3 1

1

H3C-C-CH- OH 1

CH3

H2S04 50% 100 ºC -HOH Carbocatiónsecundario

~

Desplazamiento ~de alquilo

CH3CH3 1

CH3CH3 -H+

1

CH2= C-CH

+

1

CH3

Minoritario

Mayoritario

1

1

+

1

H3C- C-CH CH3 Carbocatión terciario

(más sustituido)

Estas transposiciones de carbocationes por desplazamiento de hidruro o alquilo están aún mas favorecidas cuando el sustrato que se somete a estas condiciones ácidas es un 1,2-diol. Con dicha transposición se llega a un carbocatión estabilizado por resonancia porque está sustituido con un grupo hidroxilo y el par de electrones del oxigeno es cedido al átomo de carbono con carga positiva. Al final, por desprotonación se produce un compuesto carbonOico. Cuando los 1,2-dioles están tetraalquilados esta reacción se conoce por el nombre de transposición pinacolinica porque el sustrato es el pinacol (2,3-dimetil-2,3-butanodiol):

215

ALCOHOLES

OH OH 1

1

1

1

CH3

~+

H3C-C-C-CH3

H3C-C-C-CH3 1

CH3CH3

2,3-Dimetil-2,3-butanodiol (Pinacol)

1l

1

OH CH3

j

Desplazamiento de alquilo

-H+ CH3 1

H3C-C-C-CH3 11

:~

1

CH3

3,3-Dimetil-2-butanona o Pinacolona (compuesto carbonllico)

7.4.4. Oxidación de alcoholes: preparación de aldehídos y cetonas

Los alcoholes primarios y secundarios se oxidan fácilmente dando lugar a compuestos carbonílicos. La oxidación de un alcohol implica la pérdida de uno o más hidrógenos del átomo de carbono que tiene el grupo -OH (hidrógenos a). La oxidación de un alcohol primario (dos H en a) forma inicialmente un aldehído, que es a su vez oxidado por el mismo reactivo para dar lugar a un ácido carboxílico. Cuando el alcohol es secundario (un H en a), la oxidación genera una cetona. Un alcohol terciario no tiene hidrógenos en a. por lo que no reacciona con la mayor parte de los agentes oxidantes, excepto si se emplean condiciones vigorosas.

o

H 1

R-C- OH

Oxidación

11

R-C-H

o Oxidación

11

R-C-OH

1

H

Alcohol primario

Aldehído

Ácido carboxílico

216

QUÍMICA ORGÁNICA

o

H 1

R-C- OH

Oxidación

11

R-C-R

1

R Alcohol secundario

Cetona

R 1

R-C- OH

Oxidación

No hay reacción

1

R Alcohol terciario

Existen un gran número de reactivos empleados para realiz.ar la oxidación, tales como KMn04 , Cr03 y Na2Cr20 7 . Son reactivos con un metal de transición en alto estado de oxidación; por ejemplo, en el caso del cromo las especies de Cr
Alcohol butílico

Butanal

!

H2S04, H20 K2Cr201

~

CH3CH2CH2COH

Ácido butanoico

La mayoría de los agentes oxidantes, como el trióxido de cromo (CrO:V en ácido sulfúrico acuoso (reactivo de Jones), oxidan a los alcoholes primarios a ácidos carboxílicos, participando el aldehído como intermedio en el proceso de oxidación. Sólo cuando el aldehído sea relativamente volátil se podrá aislar de la mezcla de reacción por destilación a medida que se vaya formando y así evitar su oxidación al ácido. Como los aldehídos son estables en condiciones anhidras, se utilizan reactivos tales como el trióxido de cromo en piridina o el clorocromato de piridinio, ambos en diclorometano como disolvente, que sólo oxidan los alcoholes primarios a aldehídos.

217

ALCOHOLES

?i

o-HCrCr03 o - C l h CH20H

o-CH2CH

2-Ciclopentiletanol

Ciclopentiletanal

Cuando el alcohol es secundario la oxidación conduce a una cetona, que es más estable que un aldehído y no experimenta oxidación posterior ya que supondría una ruptura del enlace C-C.

o

o

K2Cr201 HzS04, HzO

Ciclohexanol

Ciclohexanona

o

OH 1

CH3CHCH3 2-Propanol

Cr03 H2S04, H20

11

CH3CCH3 Propanona

Todas estas oxidaciones, tanto de alcoholes primarios como secundarios, transcurren por un mecanismo E2. El primer paso implica la reacción entre el alcohol y el reactivo de cromo (VI) para formar un cromato intermedio, que por eliminación bimolecular posterior origina el compuesto carbonílico.

Compuesto carbonílico

Los alcoholes terciarios, como no poseen hidrógenos en el carbono del grupo funcional, no podrán ser oxidados empleando reactivos de cromo. Sólo si la reacción se desarrolla en medio ácido y condiciones enérgicas, la molécula se fragmentará por el enlace C-COH originando ácidos de menor número de átomos de carbono. El alcohol en medio ácido se deshidrata a la olefina correspondiente, que se oxidará fragmentándose en dos partes:

218

QUÍMICA ORGÁNICA

CH3

CH3 1

1

CH3CH2-?-CH3

CH3CH= C-CH3

l

Deshidratación

OH

Oxidación

O

CH3

~

1

CH3COH + O=C-CH3

Análisis de 1,2-dioles. Oxidación con ácido peryódico

Los compuestos que contienen dos o más grupos hidroxilo unidos a carbonos adyacentes experimentan una oxidación con ruptura de enlaces carbono-carbono cuando son tratados con ácido peryódico, HI04, a temperatura ambiente o temperaturas inferiores. Este reactivo se emplea en la determinación de las estructuras de compuestos polihidroxilados como los hidratos de carbono (ver sección 22.8). Por ejemplo el 2,3-butanodiol se convierte cuantitativamente en acetaldehido:

o

HO OH 1

1

11

CH3CHCHCH3

2 CH3CH

-H20

2,3-Butanodiol

+

HI03

Acetaldehido 100%

Esta reacción transcurre a través de un éster (peryodato) cíclico, formado por ataque nucleófilo de los átomos de oxígeno del diol sobre el átomo de yodo, que presenta un carácter electrófilo por el efecto electroatrayente de los cuatro átomos de oxigeno que lo rodean. La etapa clave es la ruptura del enlace entre los dos átomos de carbono unidos a los grupos hidroxilo del diol: HO OH 1

1

CH3CHCHCH3 HI04 H3C,

!

-H20 ,CH3

'

/

H~µ--c~H

CH3........._ ,........H

fo -HO~=O o

11

o Peryodato ciclico

~

O

+

219

ALCOHOLES

En resumen, los grupos hidroxilo se convierten en grupos carbonilo al mismo tiempo que se rompe el enlace carbono-carbono. Otro ejemplo: HO OH 1

1

CH3C-CHCH2CH3 1

CH3 2-Metil-2,3-pentanodiol

7.5. Métodos de obtención de alcoholes Los alcoholes son, quizás, unos de los compuestos más interesantes y versátiles de la química orgánica. Se pueden preparar a partir de diferentes grupos funcionales: alquenos, halogenuros de alquilo, cetonas, ésteres y aldehídos, entre otros, y a su vez, pueden transformarse en una amplia gama de compuestos:

o 11 e

RY

'oH

Ácidos carboxilicos

o 11

e

R2/ 'oRt~

Ésteres

\ / RlOH

Cetonas

o 11

e

~Rl/ 'H Aldehídos

Alcoholes RIX/

Halogenuros de alquilo

1l

' R IQR2

Éteres

\:=e/

/ '\. Alquenos

En el Tema 10 al estudiar la reactividad de alquenos, se verá que existen diver-

sos reactivos que se adicionan al doble enlace y forman alcoholes (secciones 10.4.4, 10.4.5 y 10.4.6).

En la sección 10.6.1. se mostrará como la oxidación de un alqueno puede conducir a la obtención de los ci~l.2-dioles. Sin embargo, la síntesis de los '/rans-1,2dioles se realiza mediante hidrólisis catalizada por ácido de los epóxidos y se verá en el siguiente tema (sección 8.4.2).

220

QUÍMICA ORGÁNICA

Fuentes industriales

Los alcoholes sencillos, metanol y etanol, son de los compuestos químicos industriales más importantes. Hoy en día, el metanol se produce a gran escala por reducción catalítica del monóxido de carbono con hidrógeno. Cu-ZnO-Cr203 250 ºC, 50-100 atm

Metano!

El etanol se prepara en grandes cantidades por fermentación de azúcares. La fermentación se lleva a cabo agregando levaduras a una solución acuosa de azúcar. Las enzimas de la levadura fragmentan los carbohidratos en etanol y C0 2• Enzimas de la levadura CaH120a

Glucosa

2 CH3CH20H + 2 C02 Etanol

Pero actualmente, la mayor parte del etanol se obtiene por hidratación, catalizada por ácido, del etileno. H2C=CH2 + HOH

Etileno

CH2-CH2 1

1

H

OH

Etanol

Hidrólisis de halogenuros de alquilo

No es un método muy empleado debido a que, con frecuencia, los haloalcanos necesarios sólo pueden obtenerse a partir de los correpondientes alcoholes, y además, la eliminación puede ser una reacción secundaria importante (ver Tema 6). De forma general la reacción es:

R- X

R- OH

Reducción de aldehídos y cetonas

En la sección 7.4.3 se ha visto que la oxidadón de alcoholes da lugar a la formación de aldehídos o cetonas. Así pues, un método para preparar alcoholes es la reducción de estos compuestos carbonílicos. Por reducción, los aldehídos se transforman en alcoholes primarios y las cetonas en alcoholes secundarios.

221

ALCOHOLES

o

OH Reducción [H]

11

R- C-H

1

R- C-H 1

Aldehído

H Alcohol primario

o

OH Reducción

11

R- C-R

1

R- C-R

[H]

1

H Alcohol secundario

Cetona

El grupo carbonilo está polarizado debido a la mayor electronegatividad del oxígeno respecto al átomo de carbono. Por tanto, el carbono de un grupo carbonilo es electrófilo y el oxígeno nucleófilo, pudiéndose formular una estructura resonante dipolar en la que el carbono se encuentra como carbocatión y el oxigeno como alcóxido: '\.c5+

.. s:-

/

..

'\.+ .. C- 0: / ..

C=O(}

Estructuras de resonancia de un grupo carbonilo

Esta naturaleza electrófila del carbono carbonílico hace posible la reducción mediante el empleo de hidruros, tales como, el borohidruro sódico (NaBH.J y el hidruro de litio y aluminio (LiAIH.J. El NaBH4 no presenta problemas en cuanto a su manipulación y puede disolverse en agua o en alcohol. El LiAIH4 aunque es más reactivo que el NaBH4, también es más peligroso, ya que reacciona violentamente con el agua, debiéndose utilizar disuelto en éter o tetrahidrofurano (THF) anhidros. Algunos ejemplos del empleo de estos hidruros son:

o 11

CH3CH2CH2-C-H

OH NaBH4 EtOH

o 11

Ciclopentanona

1

H 1-Butanol (85%)

Butanal

ó

1

CH3CH2CH2-C-H

1. LiAIH4, éter

2. H+, H20

ºO H

Ciclopentanol (90%)

222

QUÍMICA ORGÁNICA

Reducción de ésteres y ácidos carbo.x11icos

Los ésteres y los ácidos carboxilicos pueden reducirse para formar alcoholes primarios, aunque con mayor dificultad que los aldehídos y las cetonas. Por ello, las reducciones se realizan con hidruro de litio y aluminio y no con borohidruro sódico, puesto que éste reduce a los ésteres lentamente y no reduce a los ácidos.

o 11

CH3CH2CH2COCH3 1-Butanol

Butanoato de metilo (un éster)

o 11

0 C H 2COH

1. LiAIH4, éter

0 C H 2CH20 H

2. H+, H20

2-Ciclohexiletanol (97%)

Ácido ciclohexiletanoico (un ácido)

7.6. Compuestos organometálicos de litio y magnesio Los compuestos organometálicos de litio y magnesio son reactivos extremadamente útiles en síntesis orgánica y ya fueron introducidos en el Tema 2 como reactivos empleados en la síntesis de alcanos (secciones 2.6.4 y 2.6.5). De nuevo vuelven a aparecer en este tema, ya que son compuestos que también se utilizan muy frecuentemente en la síntesis de alcoholes. En esta sección se estudiará su síntesis, y lo más importante, su utilización como fuente de carbono nucleófilo. Los reactivos organometálicos son compuestos en los que un átomo de carbono de un grupo orgánico se encuentra unido a un metal. Los reactivos de magnesio y alquil-litio presentan enlaces carbono-metal muy polarizados en los que el metal representa el extremo positivo del dipolo y el carbono el extremo negativo. Esta elevada polarización hace que en estos sistemas el enlace carbono-metal presente un elevado carácter iónico pudiéndose representar para estos compuestos organometálicos una estructura resonante en la que la carga negativa se sitúa en el carbono (carbanión) y la positiva en el metal.

lo- o+ -C-M

r

1

223

ALCOHOLES

La preparación de los compuestos organometálicos de litio y magnesio se realiza por reacción de un halogenuro de alquilo con el metal suspendido en éter etílico o tetrahidrofurano (THF). La reactividad del haloalcano sigue el orden 1 > Br > Cl. Éter etílico 0-10 ºC

CH3CH2Li + LiBr Etil-litio

TIIF=Ü o 20ºC

CH3CHCH3 1

Mgl Yoduro de 2-propilmagnesio

Los compuestos organometálicos de magnesio, RMgX, son comúnmente denominados reactivos de Grignard, en honor a su descubridor Victor Grignard (Premio Nobel 1912). Se puede observar como en las reacciones arriba indicadas se ha producido una inversión de la polarizad6n. En el halogenuro de alquilo, debido a la electronegatividad del halógeno, el carbono unido al mismo es un centro electrófilo (C8+-X~). Pero, al reaccionar con el metal, el momento dipolar se invierte, (C~-Mc5+), transformando el carbono electrófilo en un centro ahora nucleófilo (y básico). En la hidrólisis de los compuestos organometálicos de litio y magnesio, para formar los correspondientes alcanos (sección 2.6.4), el grupo alquilo reacdona como una base y se protona: CH3CH2Ll + HOH Etil-litio CH3CHCH3 + HOH 1

Mgl Yoduro de 2-propilmagnesio

CH3CH2H + LiOH Etano CH3CHCH3 + IMgOH 1

H Propano

En estos reactivos organometálicos, la reactividad del grupo alquilo como nucle6f9do se puede observar, por ejemplo, en la reacción de transmetalación (transformación de un organometálico en otro) para formar dialquilcupratos (sección 2.6.5):

224

QUÍMICA ORGÁNICA

CH3 1

(CH3CH2CHCH2)CuLi + LiX 2

Dialquilcuprato de litio

7.7. Reactivos organometálicos de litio y magnesio en la síntesis de alcoholes Se ha visto que la reducción de compuestos carbonílicos con hidruros (NaBH4 y LiAIH.J es un método de síntesis de alcoholes. Si en vez de H- se utiliza R-, también se formará un alcohol y simultáneamente un nuevo enlace carbono-carbono. En la sección anterior se ha estudiado que los compuestos organometálicos de litio y magnesio son fuentes de carbono nucleófilo, y por tanto, de carbaniones R-. Así pues, la adición de reactivos organometálicos a aldehídos y cetonas va a proporcionar un método más para la obtención de alcoholes.

1

- C- OH 1

R

El tipo de alcohol sintetizado dependerá de los reactivos empleados. Por ejemplo, la reacción con metanal (formaldelúdo), H2C=0, da lugar a la formación de alcoholes primarios. MgBr

º

+

Bromuro de ciclohexilmagnesio

O

H-~-H

l. éter como disolvente

2. H+, H20

Metanal (Formaldehído)

O

CH20 H+ HOMgBr

Ciclohexilmetanol (alcohol primario)

Los demás aldehídos se convierten en alcoholes secundarios. CH3CH2CH2Li + Propil-litio

~ CH:r- C-H Etanal (Acetaldehido)


?H CH3CH2CH2CHCH3 + LiOH 2-Pentanol (alcohol secwidario)

225

ALCOHOLES

Y si la reacción se lleva a cabo con cetonas, se obtienen alcoholes terciarios.

o 11

+ CH3- C-CH3

Bromuro de 2-propihnagnesio

OH


1

CH3CHCCH3 1

Propanona (Acetona)

1

H3C CH3 2,3-Dimetil-2-butanol (alcohol terciario)

Por último, también los ésteres carboxílicos reaccionan con reactivos de alquillitio o de Grignard para formar alcoholes. Del mismo modo que en las reducciones de ésteres con LiAIH4 se adicionan dos hidrógenos y se obtenen alcoholes primarios, los ésteres van a reaccionar con dos equivalentes del compuesto organometálico dando alcoholes secundarios o terciarios. Por ejemplo:

~

HCOCH3 + CH3MgBr Éster

?H HCCH3 +

éter

éter

~

H? + CH30MgBr CH3

H+, H20

1

CH3 2 HOMgBr 2-Propanol (alcohol secundario)

~ CH3COCH3

l. éter como + 2 CH3CHLi

disolvente

Éster

?H CH3CCH2CH3 1

CH2CH3 3-Metil-3-pentanol (alcohol terciario)

+

2 LiOH

Resumen de conceptos importantes l. Los alcoholes son compuestos que contienen un grupo hidroxilo, -OH,

unido a un átomo de carbono con hibridación sp3. Según la IUPAC, los alcoholes se nombran como derivados de los alcanos por sustitución de la terminación -o por -ol (alcanol) y siendo la cadena más larga que contiene el grupo funcional hidroxilo la que da nombre al alcohol.

226

QUÍMICA ORGÁNICA

2. Debido a la gran electronegatividad del átomo de oxígeno, el enlace 0-H está polarizado (08---ffcS+-), lo cual hace posible la asociación entre moléculas de alcohol por medio de los denominados puentes de hidrógeno. 3. Los alcoholes son ácidos y bases débiles. Frente a bases fuertes (NaH, NaNH 2, ...), los alcoholes se desprotonan dando lugar a la formación de alcóxidos (R-0-), los cuales también pueden ser obtenidos por reacción del alcohol con metales alcalinos (Li, Na, K). 3. En presencia de ácidos fuertes los alcoholes se protonan encontrándose en forma de iones oxonio, ROH¡. Así pues, la reacción de un alcohol con halogenuros de hidrógeno (HX), transcurre con formación de iones oxonio y convierte al alcohol en un halogenuro de alquilo por reacción de sustitución. Cuando el alcohol es primario el mecanismo es SN2, mientras que con alcoholes secundarios y terciarios, el ion oxonio pierde agua dando un carbocatión (mecanismo SNl). Pero el mejor método para transformar alcoholes primarios y secundarios en halogenuros de alquilo es la reacción de SN2 con haluros de ácidos inorgánicos (PBr3, PC15, SOCl:J. 4. Los alcoholes primarios y secundarios son oxidados a ácidos carboxílicos y cetonas, respectivamente, cuando se emplean agentes oxidantes tales como KMn0 4, Cr03 y Na2Cr20 7 en soluciones acuosas ácidas. La oxidación de un alcohol primario se puede detener en el aldehído cuando se utiliza Cr03 en piridina o clorocromato de piridinio en condiciones anhidras. 5. Uno de los métodos más importantes de obtención de alcoholes consiste en la reducción de compuestos carbonílicos (aldehídos, cetonas, ésteres y ácidos carboxilicos). El átomo de carbono de un grupo carbonilo es electrófilo, y por tanto, es susceptible de ser atacado por nucleófilos, tales como los iones hidruro (NaBH4 y LiAlHJ o por reactivos organometálicos de litio o magnesio (RLi, RMgX). Los productos obtenidos en ambas reacciones son alcoholes.

227

ALCOHOLES

Eiercicios de autocomprobación l. Nombrar los siguientes compuestos de acuerdo con la nomenclatura de la IUPAC, indicando si el carbono o los carbonos unidos a los grupos hidroxilos son primarios, secundarios o terciarios y la estereoquimica cuando sea necesario. a)

CH20H

b)

1

1

e

HOH2C-C-CH20H 1

CH20H c)

OH

CH2CH2Cl H3C J 'uH CH3CH2

d)ªCI

OH H3C e)

H3 CH3

H)'-c ~J H2

WL, HJ

CH2CH3

2. Predecir en cada uno de los siguientes grupos de alcoholes el orden

relativo de la propiedad que se indica entre paréntesis: a) Metanol, 1-propanol y etanol (Solubilidad en agua). b) te.n:-Butanol, 1-butanol y 2-metil-1-propanol (Punto de ebullición). c) 1-Propanol, 3-cloro-1-propanol, 2-cloro-1-propanol, 2-bromo1-propanol y 2,2-dicloro-1-propanol (Acidez). 3. ¿Hacia dónde estarán desplazados los siguientes equilibrios, izquierda o derecha?

a) (CH3)2CHOH + K+oHb) CH3CH20H + NH3

:;:::::=~

(CH3)2CHO- K+ + HzO

CH3CH20- + NH4+

228

QUÍMICA ORGÁNICA

4. Escribir el producto esperado de la reacción del 1-butanol con cada

uno de los siguientes reactivos: a) Na

c) (CH3hCO-K+

b) CH3Li

d) SOC12

5. Escribir todos los productos de las reacciones con H2SO 4 concentrado y HBr concentrado de los siguientes alcoholes:

a) Etanol

b)l-Butanol

c) 3,3-Dimetil-l-butanol

8. Escribir el producto formado en cada una de las siguientes reac-

ciones:

Y posterior

tratamiento con H20 b)

o

o

CH3~CH2CH2~0CH3

NaBH4 EtOH

e)

l. Mg, éter dietílico

2. D20 d)

~Br +

\_j

e)

2 f)

2Li

~Li ~ \_j + HCOCH3

éter dietílico

Y posterior tratamiento con H20

ALCOHOLES

229

7. La reacción del 2,6-heptanodiol (A) con exceso de HI da un producto B (C 7H14I2). El tratamiento de B con dos equivalentes de Mg origina C. La reacción de C con dos equivalentes de HCHO (metanal) conduce, después de hidrolizar, al compuesto D (C9H200 2). Si C se hace reaccionar con el éster HCOOCH 3 (formiato de metilo) se obtiene E (C8H160) después de tratamiento con agua. ¿Cuáles son las estructuras de B, C, D y E?

230

QUÍMICA ORGÁNICA

Soluciones a los eiercicios de autocomprobación

l. a) 2,2-Bis(hidroximetil)-1,3-propanod.iol Primarios b) (.s)-1-Cloro-3-metil-3-pentanol Terciario c) 3,3-Dimetilciclopentanol Secundario d)

(1~ 2~-2-Clorociclohexanol

o trans-2-Clorociclohexanol

Secundario e) (2S, 4~-2,4-Hexanod.iol Secundarios 2.

a) CH30H > CH3CH20H > CH3CH2CH20H Metano! Etanol 1-Propanol A medida que aumenta el tamaño de la cadena alquilica (hidrofóbica) disminuye la solubilidad en agua. CH3

b)

1

> H3C-C-OH

1-Butanol

2-Metil-1-Butanol

1

CH3 terc-Butanol

Para un mismo tipo de compuestos el punto de ebullición disminuye con la ramificación. c) CH3CCI2CH20H > CH3CHCICH20H > CH3CHBrCH20H > 2, 2-Dicloro2-Cloro-1-propanol 2-Bromo-1-propanol 1-propanol > CICH2CH2CH20H > CH3CH2CH20H

3-Cloro-1-propanol

1-Propanol

La acidez de un alcohol viene dada por la tendencia que tiene a

ceder un protón al agua:

231

ALCOHOLES

Cuanto más estabilizado se encuentre el alcóxido, más desplazado estará el equlibrio y mayor será la acidez del alcohol. Los factores a tener en cuenta son: electronegatividad de los átomos electroatrayentes, número de ellos y distancia a la que se encuentran del grupo hidroxilo. Cuanto más electronegativo sea el halógeno, mayor número haya en la molécula y más cerca se encuentre del grupo hidroxilo, más estabilizado estará el alcóxido. 3. El equilibrio estará desplazado hacia la pareja ácido más débil/base más débil. a) (CH3)2CHOH + K+oir izquierda (CH3)2CH0- K+ + H20 ácido más débil

base más débil

b) CH3CH20H + NH3 ácido más débil e)

CH30H +

base más fuerte

izquierda CH3CH20- + NH4+

base más débil

o-

ácido más fuerte

base más fuerte

Li+ derecha

- - - CH30- Li+ +

ácido más base más fuerte fuerte

base más débil

4.

a) 2 CH3CH2CH2CH20H + 2 Na - - - - - 2 CH3CH2CH2CH20- Na+ + H2

b) CH3CH2CH2CH20H + CH3Li - - _..,.. CH3CH2CH2CH20- Li+ + CH4 c) CH3CH2CH2CH20H + (CH3)3CO- K+ ------- CH3CH2CH2CH20- K+ +

(CH3)3COH

ácido más fuerte OH ácido más débil

232

QUÍMICA ORGÁNICA

d) CH3CH2CH2CH20H + SOCl2 - - ---- CH3CH2CH2CH2Cl + S02 + HCl e) 3 CH3CH2CH2CH20H + PBr3--- - - 3 CH3CH2CH2CH2Br + H3PÜ3 f)

g)

5. Con H2S04 concentrado los alcoholes se deshidratan por reacción de eliminación y forman alquenos. En este medio se favorecen las transposiciones de carbocationes, puesto que al ser condiciones fuertemente ácidas y el nucleófilo no ser bueno, se permite la existencia de carbocationes durante largo tiempo. En los tres casos, los alcoholes son primarios, y por tanto, el ion oxonio formado por protonación no perderá agua para dar un carbocatión primario, que posee una energía muy alta. Sólo podrán formarse carbocationes secundarios y terciarios que son más estables. En aquellos casos en que se formen dichos carbocationes, ya sea por desplazamiento de hidruro o de grupo alquilo se desprenderá la molécula de agua (buen grupo saliente). Finalmente, por pérdida de un protón de cualquiera de los carbonos contiguos al carbono positivo se formarán los alquenos. Con HBr concentrado (HBr + H20 = H30+ + Br-) las transposiciones son menos probables, ya que el ácido es mucho más débil (H30+ en vez de H 2 SO~ y hay un buen nucleófilo, el ion bromuro. Por ello, al ser alcoholes primarios, no van a ocurrir transposiciones, sino que el ion bromuro va a atacar al ion oxonio primario y se va a formar el producto de SN2. + ~CH2-(9H2

..!J

9H2

JE2

H2C=CH2

233

ALCOHOLES

HBr CH3CH20H -H--02

+ CH3. JH2-(9H2

:~r-

!

SN2

CH3-CH2-Br

e)

234

QUÍMICA ORGÁNICA

CH3

CH3

H3C-tCH2CH20H

H3C-¿CH2CH2-JH2

tH3

tu3)

:~r- JSN2

CH3 H3C-6CH2CH2Br tH3 6. a)

b)

Cl

e)

MgCl

1 1. Mg, éter dietillco 1 CH3(CH2hCHCH3 - - - - - - CH3(CH2hCHCH3

!

2. D20

D 1

ClMgOD + CH3(CH2hCHCH3 d) / " y B r

\_j

+ 2Li

éter dietilico

0 - L l + LlBr

235

ALCOHOLES

e)

OH 0{-CH3

CH2CH2CH3 + CIMgOH

7. CH3CHCH2CH2CH2CHCH3

ÓH

A

HI exceso

CH3CHCH2CH2CH2CHCH3

l

ÓH

l

O

H~H

l. 2 CH3yHCH2CH2CH2yHCH3 . H 0 2 2 ~00 ~00

D

l

B 2Mg

CHsrHCH2CH2CH2rHCHs ~

C

~

236

QUÍMICA ORGÁNICA

o

CH CHCH CH CH CHCH 31

Mgl

2

2

e

2

1

Mgl

3

H~OCH3

Tema 8 ~

Eteres y epóxidos. Compuestos de azufre

1

SUMARIO 1

1

&l. Nomenclatura de los éteres &2. Estructura y propiedades fisicas de los éteres &3. Reactlvidad general de los éteres

&4. Reacciones de apertura del anillo de los epóxidos 8.4.1. Apertura con nucleófilos 8.4.2. Apertura con nucleófilos catalizada por ácidos

&5. Métodos de obtención de éteres. Síntesis de Williamson &8. Análogos con azufre de alcoholes y éteres: tioles y sulfuros


OBJETIVOS _ 1

1

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __

1

1. Definir la estructura y las propiedades fisicas de una clase de compuestos relacionados estructuralmente con los alcoholes: los éteres. 2. Contrastar la baja reactividad de los éteres respecto de los alcoholes, y de esta forma justificar su empleo como disolventes en una amplia variedad de reacciones orgánicas. 3. Distinguir, en cuanto a reactividad se refiere, entre los éteres comunes y una clase particular de éteres cíclicos tensionados, los oxaci-

clopropanos o epóxidos, que experimentan reacciones de apertura del ciclo con nucleófilos. 4. Aplicar la reactividad estudiada de alcoholes y halogenuros de alqui-

lo a la preparación de éteres, resaltando la síntesis de Williamson como el procedimiento más adecuado para este fin. 5. Analizar las similitudes y las diferencias entre los compuestos con oxígeno, alcoholes y éteres, y sus análogos de azufre, tioles y sulfuros.

239

ÉTERES Y EPÓXIDOS. COMPUESTOS DE AZUFRE

8.1. Nomenclatura de los éteres Los éteres acíclicos son compuestos de fórmula general RLQ-R2 y de acuerdo con el sistema de nomenclatura de la IUPAC son considerados como alcanos con un sustituyente alcoxi (RO), es decir, son almdalcanos. El sustituyente R más pequeño se toma como parte del grupo alcoxi. y el más grande define la cadena del alcano. CH3 1

CH3CH20CCH3

Metoxipropano

1

CH3 2-Etoxi-2-metilpropano

De igual manera, los éteres o alcoxialcanos se pueden nombrar como derivados de los alcoholes en los que el protón del grupo hidroxilo del alcohol (RLQ-H) ha sido sustituido por un grupo alquilo (RLQ-R2). Los nombres comunes de los éteres sencillos se basan en esta consideración: los nombres de los grupos alquilo preceden a la palabra éter. CH30 CH2CH3

Etil metil éter (Metoxietano)

Diisopropil éter (2-(1-Metiletoxi)propano) CH3 1

CH30 CCH3

Dietil éter (Etoxietano)

1

CH3 terc-Butil metil éter (2-Metil-2-metoxipropano)

La nomenclatura de los éteres cíclicos es muy diversa. Los sistemas más simples se nombran como cicloalcanos empleando el prefijo oxa que indica la sustitución de un carbono del anillo del cicloalcano por un oxígeno. Los éteres cíclicos se numeran asignando el número uno al átomo de oxígeno del ciclo. Entre paréntesis se indica otra nomenclatura que se emplea, muy frecuentemente, para nombrar este tipo de compuestos:

o o

Oxaciclopropano (Oxirano, Epóxido, Óxido de etileno)

Oxaciclobutano (Oxetano)

240

QUÍMICA ORGÁNICA

Q

o

Oxaciclopentano (Tetrahidrofurano, THF)

Oxaciclohexano (Tetrahidropirano)

Los éteres cíclicos pertenecen a la familia conocida con el nombre de heteroddos. Los heterociclos son todos aquellos sistemas cíclicos que contienen uno o más átomos distintos del carbono (oxígeno, nitrógeno, azufre, etc.) y serán estudiados en el Tema 21.

8.2. Estructura y propiedades físicas de los éteres Al igual que los alcoholes, los éteres se pueden considerar derivados orgánicos del agua, en los cuales los átomos de hidrógeno han sido reemplazados por grupos alquilo: H-0-H por R1-Q-R2. De este modo, la configuración geométrica de los éteres se caracteriza, como en los alcoholes y el agua, por presentar un ángulo de enlace C-0-C próximo al valor tetraédrico e hibridación sp'3 en el átomo de oxigeno. En la Figura 8.1 se muestra, como ejemplo, la estructura de metoximetano.

1.4~1,lOÁ.

HrC

C-H

--~~' 111,rr / j 109Y ~ H H ~

Figura 8.1. Estructura del metoximetano.

La electronegatividad del átomo de oxígeno hace que los éteres tengan un ligero momento dipolar, y por tanto, sus puntos de ebullición son un poco más altos que los de los alcanos de pesos moleculares comparables. Sin embargo, sus temperaturas de ebullición son mucho más bajas que las de los alcoholes isómeros (Tabla 8.1). La razón de este último hecho se debe a la ausencia en los éteres de las asociaciones por puentes de hidrógeno que presentan los alcoholes. Los éteres, a excepción de los dos miembros más pequeños de la serie (dimetil éter y etil metil éter), son esencialmente insolubles en agua ya que, al no poseer el protón ácido de los alcoholes, no pueden asociarse con el agua por puentes de hidrógeno. Por ejemplo, el dietil éter se emplea muy a menudo para extraer materiales orgánicos de una solución acuosa dejando en ésta los compuestos iónicos.

241


Tabla 8.1. Puntos de ebullición de éteres y de sus alcoholes isómeros

CH3CH20H CH3CH2CH20H CH3(CH2)sOH CH3(CH2hOH

-23,0

CH30CH3 CH30CH2CH3 CH3CH20CH2CH3 (CH3CH2CH2CH2)20

10,8 34,6 142,0

78,5 82,4 117,3 194,5

8.3. Reactividad general de los éteres A excepción de los epóxidos (éteres cíclicos de tres miembros), cuya reactividad se estudiará más adelante, los éteres no son reactivos y se utilizan como disolventes en las reacciones orgánicas. Así pues, la unión éter es muy estable y no se ve afectada en presencia de bases, agentes oxidantes o reductores. Los éteres sólo dan un tipo de reacción, la ruptura o escisión por ácidos concentrados (HI, HBr) siendo necesaria la utilización de temperaturas elevadas. R1- 0 -R2

+

iT

HX - - - - - R1- X

+

HX

R2- 0 H - - - - - R2- X

(HI o HBr)

La reacción da lugar a la formación de un halogenuro de alquilo y un alcohol. Si hay exceso de ácido el alcohol sigue reaccionando para formar un nuevo halogenuro de alquilo (ver sección 7.4.2). El mecanismo de esta reacción transcurre con protonación inicial del éter (ion oxonio), y posterior ataque nucleófilo del ion halogenuro al ion oxonio, que al igual que un alcohol protonado puede proceder por un mecanismo SN 1 o SN2, dependiendo de las condiciones y de la estructura del éter: R1- 0 -R2 + HX

..+ Ión oxonio

SNl

H R1 - Q-R2 + Rl+ +

x-

lenta

rápida

Rt+ + R2-0H R1- X

242

QUÍMICA ORGÁNICA

SN2

Rl-~-R2

+ }("" - - -

[x- R¡·······2-R2] R1- X + R2 -0H

Por ejemplo, los éteres alquílicos primarios y secundarios reaccionan por una ruta SN2, mientras que los éteres terciarios, bencilicos y alilicos tienden a romperse a través de un mecanismo SNl o El, puesto que dichos sustratos originan carbocationes intermedios muy estabilizados.

8.4. Reacciones de apertura del anillo de los epóxidos Aunque como se ha mencionado anteriormente los éteres más comunes son relativamente inertes, los epóxidos u oxaciclopropanos van a reaccionar con nucleófilos provocando la apertura del ciclo. La razón por la que los epóxidos se abren por ataque de reactivos nucleófilos es la gran tensión a la que está sometido el anillo de tres miembros, cuyos ángulos de enlace tienen un promedio de 60º, valores considerablemente menores que el ángulo tetraédrico. Las reacción de apertura de los epóxidos con nucleófilos puede realizarse con el empleo exclusivo de un buen agente nucleófilo, o puede estar catalizada por ácidos.

8.4. 1. Apertura con nucleófilos Se produce la apertura del epóxido mediante el ataque del nucleófilo a cualquiera de los dos átomos de carbono, igualmente reactivos, de un éter simétrico, actuando el oxígeno del grupo éter como grupo saliente intramolecular. El nucleófilo entrante y el grupo hidroxilo que se forma están en posición relativa anti

o-

¡c(¿

OH

+ :Nu- ----H2t-CH2 HOH H t-CH - OH2 1 2

H2C-~

~u

Nu

Entre las reacciones con diferentes reactivos nucleófilos se pueden destacar: Reacción con hidruros

Con hidruro de aluminio y litio los epóxidos se abren y forman alcoholes: 1. LiAIH4, éter 2. H+, H20

~H H2C-CH2 1

H


243

Reacción con alcóxidos Los alcóxidos son buenos agentes nucleófilos y el protón que toma el oxígeno que sale con carga negativa lo proporciona el ácido conjugado del alcóxido empleado:

Reacción con tiolatos Los tiolatos, (RS-), son compuestos análogos a los alcóxidos, (RO-), y son empleados como reactivos nucleófilos en las reacciones de apertura de epó.xidos (recordar que el azufre es más nucleófilo que el oxígeno): OH 1

HOH

H2C-CH2 1

SCH3

Reacción con compuestos organometálicos Ya se ha visto en el tema de los alcoholes (sección 7. 7) que los reactivos organometálicos de litio (RLi) o magnesio (RMgX) son fuentes de carbono nucleófilo y, por tanto, van a provocar la apertura del anillo de oxaciclopropano: CH3 1

l. CH3CHLi, THF

l. (CH3)3CMgBr, TIIF .. 2. H+, H20

Regioselectividad de la reacción con nucleófilos En los ejemplos mostrados hasta ahora los dos átomos de carbono del epóxido estaban igualmente sustituidos y, por tanto, el nucleófilo podía atacar a cualquiera de los dos átomos de carbono llevando a la formación de un único producto.

244

QUÍMICA ORGÁNICA

Pero, ¿qué ocurre cuando el epóxido es asimétrico, y hay dos posibles centros de reacción? Como se trata de una reacción SN2 típica, el ataque tiene lugar en el carbono del epóxido menos impedido estéricamente, es decir, en el carbono menos sustituido. Por lo tanto, la reacción de apertura es regioselectíva puesto que de dos regiones posibles el nucleófilo sólo ataca a una. Por ejemplo, la reacción del 2-metiloxaciclopropano con el ion etóxido conduce exclusivamente al 1-etoxi-2-propanol, producto que proviene del ataque del etóx:ido al carbono menos sustituido, no formándose nada del 2-etoxi-1-propanol que se obtendría si el nucleófilo atacara al carbono más impedido del epóxido. H

¡cf)

OH

CH3CH20H )-e~ -ocH2CH3

H3C

H

\H

1

H3C-CH-1H2 OCH2CH3

1-Eto.xi-2-propanol

Carbono menos sustituido

OH 1

H3C-TH-CH2 OCH2CH3

2-Etoxi-1-propanol

Como en cualquier reacción SN2 si se parte de un enantiómero ópticamente puro, la apertura ocurre con inversión de la configuración en el carbono donde ataca el nucleófilo, puesto que el nucleófilo entra por el lado opuesto al enlace C-0 y con retención en el otro carbono puesto que no participa en la reacción. Por tanto, la reacción es estereoespeci11ca. Por ejemplo:

Como se observa, la configuración inicial del carbono menos sustituido es S, y después del ataque de ion metóxido se ha invertido pasando a ser R. Por otro lado, la configuración del carbono más sustituido, que no interviene en la reacción, se ha retenido (~.

245


8.4.2. Apertura con nucleófilos catolizada por ácidos Cuando la reacción de apertura de epóxidos se realiza en medio ácido, en primer lugar se produce la protonación del oxigeno del grupo éter dando lugar a la formación del ion oxonio cíclico. A continuación se produce el ataque del nucleófilo provocando la apertura del ciclo. Por ejemplo, la reacción de un epóxido con metanol en medio ácido (H 2S04) transcurre de la siguiente manera: H

..

OH

+I

1°V HzC-CH2

1º\

HzC-CH2

1

H2C-CH2

C .. CH30H

H

d~

¡-ir

Ion oxonio cíclico

CH3

OH 1

H2C-1H2 :~CH3

Un ácido mineral acuoso diluido a temperatura ambiente basta para provocar la hidrólisis de los epóxidos y formar los trans-1,2-dioles: H

+I

1°V

H2C-CH2

J

C ..

?H

?H

H2C-1H2

H2C-CH2

:OH 1, 2-Etanodiol (Etilenglicol)

H~H

I+

H~' H

Por otro lado, los anillos de oxaciclopropano pueden romperse por tratamiento con ácidos minerales HX, de modo muy parecido a como ocurre con el resto de los

246

QUÍMICA ORGÁNICA

éteres (sección 8.2). La diferencia principal es que los epóxidos reaccionan en condiciones mucho más suaves debido a la tensión en el anillo. Por ejemplo, si se utiliza HCl anhidro:

HCI

Regioselectividad de la reacción catolizada por ácidos Ya se ha visto en el apartado anterior que la apertura de epóxidos asimétricos con nucleófilos es regioselectiva y estereoespedDca, puesto que al tratarse de una típica SN2, el nucleófilo ataca al carbono menos sustituido y desde el lado opuesto al grupo saliente. La apertura de epóxidos catalizada por ácidos también sigue un mecanismo SN2: la ruptura del enlace carbono-oxigeno y el ataque del nucleófilo al ion oxonio cíclico suceden en una sóla etapa y se produce inversión en la configuración del carbono reactivo. Por ejemplo, la reacción del (.s)-2-etil-2-metiloxaciclopropano con metanol y ácido sulfúrico conduce al (~-2-metil-2-metoxi-1-butanol como único producto:

o

/\ s

H*-¡c-c~~ CH3 H

CH2CH3

(S)-2-Etil-2-metiloxaciclopropano

(.R)-2-Metil-2-metoxi-1-butanol

Como se observa, el ataque del nucleófilo ha tenido lugar sobre el carbono más impedido, a diferencia de la reacción no catalizada por ácidos en la que el ataque se realiza sobre el carbono menos impedido, como es de esperar en una SN2· ¿Cómo explicar esta orientación diferente en la apertura catalizada por ácidos y, sobre todo, el ataque SN2 en la posición más impedida? En el ion oxonio ciclico, el enlace carbono-oxígeno está más debilitado que si el oxígeno no estuviera protonado, puesto que ahora el grupo saliente es muy bueno, el grupo hidroxilo; en

247


cambio, el nucleófilo es malo (metanol en este caso y en general nucleófilos neutros). Por tanto, en el estado de transición, la ruptura del enlace ha progresado más que la de formación del nuevo enlace con el nucleófilo y, por ello, el carbono ha adquirido una carga positiva considerable (pseudocarbocatión). Por este motivo, la estabilidad del estado de transición está determinada principahnente por factores electrónicos y no por factores estéticos y el ataque ocurrirá en el carbono que estabilice más la carga positiva, es decir el carbono más sustituido:

J

Pseudocarbocatión terciario

Mc5+ 1

+

o+

H~-¡C-C\°~CH3 H

CH2CH3 CH30H


Sólo en aquellos casos en los que el carbono más sustituido es secundario, que estabiliza peor la carga positiva que uno terciario, se podrá obtener como producto minoritario el de ataque al carbono menos impedido, pues ahora la energía necesaria para alcanzar el estado de transición es mayor por estar menos estabilizado. Por ejemplo:

o

/\ s

H~f-C'\°~H H

CH3

(S}-2-Metiloxaciclopropano

HO

'c-c'~CH3

H~-¡ H

H

/H

R'

OCH3

+

OH

H~c-c1

/ CH30

~....H CH 3

(RJ-2-Metoxi-1-propanol

(5)-1-Metoxi-2-propanol

Ataque al carbono más sustituido (mayoritario)

Ataque al carbono menos sustituido (minoritario)

En resumen, los epóxidos pueden abrirse de manera regioselectiva y estereo-

especifica. Con nucleófilos son válidas las reglas de la sustitución nucleófila bimolecular: ataque al carbono menos sustituido con inversión de la configuración. En la apertura catalizada por ácidos, la regioselectividad cambia de forma que el ataque tiene lugar sobre el centro más sustituido.

8.5. Métodos de obtención de éteres. Síntesis de Williamson Existen varios métodos de obtención de éteres, que a continuación serán expuestos, pero el procedimiento conocido como sintesis de Williamson es, hoy en día, el mejor método de síntesis de éteres tanto simétricos como asimétricos.

248

QUÍMICA ORGÁNICA

Síntesis de éteres de Williamson Consiste en la reacción de un alcóxido con un halogenuro de alquilo primario. Los iones alcóxido al ser buenos nucleófilos, reaccionan con los centros electrófilos de los halogenuros de alquilo según un mecanismo SN2 (sección 6.5). Como disolvente se puede emplear el alcohol del cual se deriva el alcóxido, pero otros disolventes polares apróticos, tales como el dimetilsulfóxido (DMSO) o la hrocametilfósforotriamida (HMPA) son igual o más eficaces para favorecer la SN2.

~ 2

R1-o

Na+

Alcóxido

+

í'\ .

R CH2-'-X

DMSOoHMPA oR10H

R1- 0- CH2R2

+

NaX

Éter

Halogenuro de alquilo primario

En el tema anterior (sección 7.4.1) ya se vió que los alcóxidos se pueden obtener por reacción de un alcohol con una base fuerte (NaH, NaNH~ o con un metal alcalino (Na, Li, K). Este desplazamiento SN2, en la síntesis de Williamson, del ion halogenuro por un alcóxido está sujeto a todas las restricciones normales de las sustituciones bimoleculares. Como los alcóxidos son bases fuertes se deben utilizar halogenuros de alquilo primarios, ya que con sustratos más impedidos se forma una cantidad significativa de producto de eliminación E2. Por esta causa, los éteres asimétricos deben sintetizarse de manera que el grupo alquilo más sustituido o impedido forme parte del alcóxido y el grupo alquilo primario sea la parte del halogenuro de alquilo, y no la inversa. Por ejemplo, si se quiere sintetizar el terr-butil metil éter se debe emplear como alcóxido el terc-butóxido sódico, y como halogenuro de alquilo el yodometano. Si fuera al contrario, como alcóxido el metóxido sódico y como halogenuro de alquilo el 2-cloro-2-metilpropano, al ser éste un halogenuro terciario y, por tanto, un sustrato con impedimento estérico, no se darla la reacción de sustitución sino la de eliminación E2 obteniéndose el alqueno: CH3 ~ H3c-d-o- Na+ + CH3 !) DMSO CH3 terc-Butóxido sódico

Yodometano

terc-Butil metil éter

~ rH3 CH3-0- Na+ + H2~ crc1 Metóxido sódico

+ Nal

SN2

1

2 E

tH 3 2-Cloro-2-metilpropano

/CH3 H2C = C"\. + CH30H + NaCl CH3 2-Metilpropeno


249

Otros ejemplos de la síntesis de éteres de Williamson son: DMSO Ciclopentil etil éter (CH3)2CHO- Na+ +

!

CH3CH2CH2CH2Br

HMPA

(CH3)2CHOCH2CH2CH2CH3 Butil isopropil éter

La síntesis de éteres de Wiliamson se puede aplicar a la preparación de éteres cíclicos a partir de haloalcoholes. mediante una reacción SN2 intramolecular. Es necesario el empleo de una base. Ho-. que arranque el protón del grupo hidroxilo y así formar el haloalcóxido intermedio a partir del cual tiene lugar el cierre del ciclo. Por ejemplo. la síntesis del ciclo de tres miembros. el oxaciclopropano. se realizaría de la siguiente manera: uoHO-CH2CH2-Br - - 2-Bromoetanol (Haloalcohol)

-o~u2Lhr Bromoalcóxido

!

SN2 intramolecular

o

+ Br- + HOH

/\

H2C-CH2 Oxaciclopropano (Óxido de etileno)

La reacción de sustitución del bromo por el grupo hidroxilo. que conduciría al diol, no compite con la de desprotonación ínicial del alcohol y delación posterior puesto que es una reacción muy lenta:

~-

HO-CH2CH2Lhr 2-Bromoetanol (Haloalcohol)

Lenta

1,2-Etanodiol

Estas delaciones se deben realizar en soluciones diluidas para evitar en lo posible las reacciones intermoleculares del tipo:

250

QUÍMICA ORGÁNICA

C

CH2CH2-Br

~CH2CH2- 0H

(otra molécula de haloalcohol)

j

SN2 intermolecular

HOetc. - - - - Br- CH2CH2-0 - CH2CH2-0 H

De la misma manera se lleva a cabo la síntesis de éteres cíclicos superiores:

- óc H2

o Oxaciclobutano

O

o

H2

Oxaciclopentano (Tetrahidrofurano)

OH2 o

Oxaciclohexano (Tetrahidropirano)

Síntesis de éteres a partir de alcoholes

La reacción de los alcoholes con cantidades catalíticas de ácidos fuertes, cuyas bases conjugadas no sean nucleófilas, como el ácido sulfúrico, y a elevadas temperaturas, lleva a la formación de éteres. Como se utiliz.an cantidades catalíticas de ácido, tan pronto se protona una molécula de alcohol se produce el ataque nucleófilo de otra molécula de alcohol no protonada, dando el éter y agua. Con alcoholes primarios la reacción procede a través de un desplazamiento SN2. Por ejemplo, el dietil éter se produce industrialmente por este método:


251

Mecanismo:

.. ~ (1-/ eCHH.;(; 3 H2 -~"

H

SN2

CH3CH2~ --HH Alcohol no protonado

Alcohol protonado

H 1

CH3CH20 CH2CH3 + H20

+

H

1~-H+ CH3CH20 CH2CH3

Dietil éter

Ya se ha visto en el Tema 7, que los alcoholes con ácido sulfúrico concentrado (no en cantidades catalíticas) y temperaturas aún mayores se deshidratan y forman alquenos (sección 7.4.3). Por este motivo, con alcoholes secundarios y terciarios, cuyo mecanismo ahora transcurre con formación de un carbocatión intermedio, junto con el producto SNl (el éter), puede formarse una cantidad apreciable del producto El (el alqueno). Por ejemplo: H......._+/H

?)

CH3-CH-CH3

CH3'\. /CH3 CH-O-CH CH3

/

'\.

CH3

- H+ +H+

Dilsopropil éter 75% (producto principal)

CH2=CH-CH3

Propeno (producto secundario) Síntesis de éteres a partir de halogenuros de alquilo y alcoholes

Ya se ha estudiado, en la síntesis de éteres de Williamson, que los halogenuros de alquilo primarios se emplean junto con los alcóxidos en la sintesis de éteres y

252

QUÍMICA ORGÁNICA

que con los halogenuros de alquilo más impedidos, secundarios y terciarios, el alcóxido actúaba como base fuerte dando el alqueno (producto de eliminación E2). Pues bien, estos sustratos secundarios y terciarios se pueden emplear para la síntesis de éteres cuando en vez de un alcóxido se utiliza un alcohol, puesto que éste al ser una base débil está favorecida la reacción de sustitución SNl, aunque en algunos casos tenga lugar como reacción secundaria la eliminación El (sección 6.5). Con halogenuros de alquilo terciarios se obtiene el producto de sustitución de manera claramente mayoritaria, por ejemplo: H3C

Cl

H3C

OCH2CH3

o

o

1-Cloro-1-metilciclohexano

+

HCI

1-Etoxi-1-metilciclohexano (86%)

Por último, existe otro procedimiento de obtención de éteres, que da muy buenos rendimientos, la alcoximercuración-desmercuración de alquenos; que debido a que está muy relacionado con la reactividad de los alquenos será estudiado en la sección 10.4.3.

8.6. Análogos con azufre de alcoholes y éteres: tioles y sulfuros Los ttoles (R-SH) y los sulfuros (RLS-R2) son los análogos azufrados de los alcoholes y los éteres, respectivamente. La reactividad de estos compuestos de azufre es en muchos aspectos similar a la de los compuestos oxigenados. Pero el azufre, al pertenecer al tercer período y poseer orbitales d, puede estar rodeado de diez o incluso doce electrones, más de los permitidos por la regla del octete, y experimentar algunas reacciones que no pueden darse en sus análogos oxigenados. Nomenclatura de tioles y sulfuros

Los tioles, R-SH, se nombran con las mismas normas empleadas para los alcoholes pero con la terminación -tiol en lugar de -ol. El grupo -SH se denomina mercapto. CH3 1

CH3SH

CH3CHCH2SH

Metanotiol

2-Metil-1-propanotiol

3

2

1


253

SH SH 1

CH3CH2CHCH3 4

3

2

1

2-Butanotiol

Ciclohexanotiol

Del mismo modo, los sulfuros (nombre común tioéteres), RLS-R2, se nombran siguiendo las mismas reglas que para sus análogos los éteres, pero usando el término sulfuro en vez de éter para los compuestos sencillos y el término alquiltio en vez de alcoxi para las sustancias más complejas. CH3SCH3

CH3SCH2CH3

Sulfuro de dimetilo

Sulfuro de etilo y metilo

CH3 1

CH3CH2STCH3 CH3 2-Etiltio-2-metilpropano

Sulfuro de ciclopentilo y etilo

Propiedades de los tioles La característica fisica más notable de los tioles es su olor extremadamente desagradable. Por ejemplo al gas natural se le añaden pequeñas cantidades de tioles de bajo peso molecular para que en caso de fuga, ésta sea fácilmente detectable.

Como el azufre es menos electronegativo que el oxígeno, el enlace S-H en los tioles no está tan polarizado como en los alcoholes y, por tanto, los enlaces por puente de hidrógeno son mucho más débiles. En consecuencia, los puntos de ebullición de los tioles son mucho más bajos que los de sus análogos los alcoholes. Además, al ser el enlace S-H relativamente débil, los tioles son más ácidos que el agua y pueden perder fácilmente el protón con aniones hidróxido o alcóxido y formar iones alcanotiolatos:

RS'1_H~OH Tiol (pKa = 9-12)

..

RS: + HOH

Ión alcanotiolato

Reactividad de tioles y sulfuros

Ya se ha comentado anteriormente que la reactividad de los tioles y sulfuros es muy similar a la de sus análogos oxigenados y que las diferencias que existen se

254

QUÍMICA ORGÁNICA

deben a que el azufre puede expandir su capa de valencia. Este hecho, así como el mayor volumen y menor electronegatividad del átomo de azufre respecto al oxigeno, son las causas de la diferente reactividad de ambos elementos. Así por ejemplo, mientras que los alcoholes, por su capacidad de aceptar protones, se transforman en halogenuros de alquilo por reacción con halogenuros de hidrógeno (sección 7.4.2), los tioles al ser menos básicos que los alcoholes, no experimentan dicha transformación. Por otro lado, puesto que los electrones de valencia del azufre están más lejos del núcleo y están menos retenidos que los del oxígeno, los compuestos de azufre son más nucleófilos que sus análogos de oxígeno. Por ello, los sulfuros, a diferencia de los éteres, reaccionan rápidamente con halogenuros de alquilo primarios y forman iones sulfonio por un mecanismo SN2· Por ejemplo: CH3 1

CH3- ~-CH3

:.1.:

+ Yoduro de trimetilsulfonio

Las sales de sulfonio, al igual que sus análogas de oxonio, son buenos agentes alquilantes, pues un nucleófilo puede atacar a uno de los átomos de carbono electrófilo de la sal, desplazando al sulfuro como grupo saliente:

..

H~CH3

+ ~(CH3)z

Como ya se ha dicho, el átomo de azufre presenta orbitales dvacíos pudiendo alcanzar estados de oxidación superiores a los del átomo de oxigeno. De este modo, los tioles con oxidantes fuertes, como el permanganato potásico o el ácido nítrico, dan ácidos sulfónicos:

o 11

CH3CH2S-OH 11

o Ácido etanosulfónico

Como se observa, es el átomo de azufre el que se oxida. En los alcoholes, sin embargo, la oxidación se produce en el átomo de carbono unido al grupo hidroxilo (sección 7.4.4). También los tioles, a diferencia de los alcoholes, pueden ser oxidados por reactivos suaves, como bromo o yodo, para formar disulfuros. La reacción es reversible, ya que los disulfuros se pueden reducir por tratamiento con zinc en medio ácido:

255


2 CH3CH2CH2CH2SH

CH3CH2CH2CH2S-SCH2CH2CH2CH3

Zn,H+

1-Butanotiol

Disulfuro de dibutilo

Los sulfuros también se oxidan fácilmente, hecho que no ocurre con sus análogos los éteres. Cuando se les trata con peróxido de hidrógeno se obtienen los denominados sulfóxidos, los cuales a su vez producen sulfonas. Por ejemplo:

o

o

11

11

CH3SCH3

CH3SCH3

CH3SCH3

Sulfuro de dimetilo

Dimetilsulfóxido (DMSO)

o

11

Dimetil sulfona

El dimetilsulfóxido ha sido mencionado en varias ocasiones por ser un disolvente aprótico polar y es empleado mucho en química orgánica, sobre todo en sustituciones nucleófilas. Métodos de obtención de tioles y sulfuros

Los tioles pueden prepararse a partir del correspondiente halogenuro de alquilo por ataque nucleófilo del anión hidrógeno sulfuro, Hs-. Se debe emplear un gran exceso del anión para evitar que el tiol que se va formando no vuelva a reaccionar con el halogenuro de alquilo y dé el sulfuro simétrico. CH3CH2CH2-SH +

1-Bromopropano

Hidrógeno sulfuro de sodio (exceso)

BrNa

1-Propanotiol

También se puede emplear como agente nucleófilo la tiourea, (NH2)iC=S. En este caso, se produce como intermedio una sal de alquiltiourea, que por posterior hidrólisis en medio básico conduce al tiol:

Tiourea

-

J [ CH3CH2CH2-~=t-NH2 Br-

NH2

Sal de propiltiouronio

1NaOH, HOH Urea

1-Propanotiol

256

QUÍMICA ORGÁNICA

Los sulfuros se obtienen a partir de halogenuros de alquilo y tioles en presencia de una base como el hidróxido sódico. Los tioles, por su carácter ácido, se desprotonan en medio básico y dan alcanotiolatos. Estos tiolatos, que son de los mejores nucleófilos que se conocen, atacan al centro electrófilo de los halogenuros de alquilo por un mecanismo SN2 dando los sulfuros (el ion hidróxido, menos nucleófilo, no compite en la reacción): 1H3 CH3CHBr + CH3CH2SH 2-Bromopropano

NaOH - HOH

Etanotiol

CH3CH2S-~ Etanotiolato

1H3 CH3 H_.L'B r

l

SN2 CH3 1

CH3CH2S1 H + BrNa CH3 2-Etiltiopropano


l. Los éteres acíclicos son compuestos de fórmula general RLQ-R2. Los éte-

res más sencillos se nombran con los nombres de los grupos alquilo seguidos de la palabra éter. Los éteres cíclicos se nombran como cicloalcanos utilizando el prefijo oxa. 2. Los éteres son inertes frente a la mayoría de los reactivos comunes, por lo que se suelen utilizar como disolventes para las reacciones orgánicas. Unicamente experimentan la ruptura o escisión por áddos fuertes y concentrados (HI, HBr) dando los correspondientes halogenuros de alquilo. La reacción de ruptura sigue un mecanismo SN2 con éteres alquílicos primarios y secundarios, mientras que si uno de los grupos R del éter es terciario, bencílico o alílico la reacción transcurre por una ruta SN 1. 3. Los éteres cíclicos con anillo de tres miembros, denominados oxadclopropanos o epó.xldos, debido a la elevada tensión del anillo, poseen una alta reactividad y experimentan reacciones de apertura del anillo con nucleófilos que pueden estar o no catalizadas por ácidos. Con nucleófilos la reacción es regioselectiva y estereoespecífica produciéndose el ataque sobre el carbono menos sustituido de acuerdo con las reglas de SN2. En la apertura catalizada por ácidos, que también es estereoespecífica, el ataque puede tener lugar sobre los dos carbonos del epóxido, pero cuando la distribución


257

de carga positiva entre el oxígeno del ion oxonio y uno de los carbonos está muy favorecida, el producto mayoritario es el de ataque al carbono más sustituido. 4. Uno de los reactivos empleados para la obtención de éteres son los halogenuros de alquilo. La síntesis de éteres de Williamsnn parte de halogenuros de alquilo primarios y alcóxidos, transcurriendo la reacción por un mecanismo SN2. Con halogenuros de alquilo secundarios y terciarios se emplean alcoholes, que por ser bases débiles favorecen la reacción de sustitución SN 1 que conduce al correspondiente éter. 5. Los compuestos análogos con azufre de alcoholes y éteres son los tioles (R-Sll) y sulfuros (Rl-S-R.2), respectivamente. El enlace S-H en los tioles está menos polarizado que el enlace 0-H en los alcoholes, con lo que las asociaciones por puentes de hidrógeno tienen menos importancia. Los tioles son más ácidos que los alcoholes porque el enlace S-H es más débil que el enlace 0-H. 6. Los tioles y sulfuros son más nucleófilos que sus análogos de oxígeno puesto que los electrones de valencia del azufre al estar más alejados del núcleo están menos retenidos que los del oxigeno. 7. Los tioles se obtienen por reacción SN2 de un halogenuro de alquilo pudiendo emplear como agente nucleófilo el ion Hs- en exceso, o la tiourea. La oxidación de tioles con oxidantes fuertes da ácidos sulfónicos (RS03H), mientras que la oxidación suave de un tiol produce un disulfuro (RSSR). 8. Los sulfuros se producen por reacción SN2 de un halogenuro de alquilo con el anión tiolato (RS-) que se obtiene por desprotonación de un tiol en medio básico. Los sulfuros pueden ser oxidados a sulfóxidos {RzSO) y a sulfonas {RzSOz).

258

QUÍMICA ORGÁNICA

E¡ercicios de autocomprobación l. Nombrar los siguientes éteres de acuerdo con la nomenclatura IUPAC: a) (CH3)2CHCH20CH2CH3 b)

OCH3 CH3CH2CH2tHCH2CH3

e) o--OCH2CH2CH3

d)

O

e)

H3C--¡¿_ \-CH3 CH3CH2

CH3

2. Escribir los productos obtenidos en las reacciones de los siguientes

éteres con HBr concentrado en exceso, indicando en cada caso si la reacción de escisión del éter transcurre por un mecanismo SN1 o SN2:

a) CH3CH 20CH2CH 2CH3 b) CH30C(CH:J3

c)OC~

o d)

CH3

CH3CH20¿Ho


259

3. Indicar el/los producto(s) mayoritarios de la reacción del {~-2-etil

oxaciclopropano con los siguientes reactivos: a) Na+ -NH 2, NH3 b) Na+ -scH2CH3, H20 c) H2S04 diluido en CH3CH20H d) H20, H+ e) 1) CH3CH 2MgBr; 2) H20, H+ t) HBr anhidro 4. ¿Cómo podrían prepararse los siguientes éteres por síntesis de

Williamson? a) b) c) d)

Metil propil éter Bencil isopropil éter Etil 2,2-dimetilpropil éter 2,4-Dimetiloxaciclohexano

5. Indicar detalladamente el mecanismo de la reacción de hidrólisis en medio ácido del cis-2,3-dibutiloxaciclopropano. 8. Indicar el mejor método de obtención de los siguientes éteres empleando como únicos productos de partida alcoholes primarios y/o halogenuros de alquilo.

a) 1-Etil-1-metoxiciclopentano b) Dipentil éter e) terc-Butil metil éter 7. Escribir los productos de las siguientes reacciones nombrando todos los compuestos que contengan azufre:

a) H3CÓBr KSHexceso

260

QUÍMICA ORGÁNICA

Br

d)

H3C e)

CH3CH2SCH3

l

H202

H202 exceso


261


a) Etll isobutll éter b) 3-Metoxihexano c) Ciclopentil propil éter d) 4-Etil-2-metiloxaciclohexano o 4-Etil-2-metiltetrahidropirano e) (.R.)-2-Etil-2,3,3-trimetiloxaciclopropano 2.

a)

HBrconc. exceso CH3CH20CH2CH2CH3 - - _ _ _.,. CH3CH2Br + CH3CH2CH2Br Como los dos sustituyentes alquilo del éter originarían carbocationes primarios, que son muy inestables, la ruptura transcurrirá por un camino SN2·

b)

HBrconc. exceso

CH30C(CH3)3 CH3Br + (CH3)3CBr Como uno de los sustituyentes es un grupo terr-butilo, la escisión del ion oxonio irá por una ruta SN 1 con formación del carbocatión terciario. HBrconc. exceso Los carbonos contiguos al oxígeno son grupos CH 2 (primarios), por lo que el mecanismo será SN2.

262

QUÍMICA ORGÁNICA

Uno de los grupos unido al oxígeno es del tipo bencílico (C 6H5CHi-). y por ello el camino seguido por la reacción será SNl, con formación del carbocatión bencílico, que está estabilizado por deslocalización de la carga en el anillo bencénico y en este caso además por el efecto inductivo dador de electrones del grupo metilo: &tabiliza la carga positiva por efecto inductivo dador de electrones ~

CH3

~H-0 "--y---J

Estabiliza la carga positiva por efecto mesómero o de resonancia 3.

Nucleófilo aniónico: SN2 sobre el carbono menos sustituido. b)

O

_l-\!_

H

OH

Na+-scH2CH~ "")c-~R

H~/ -\~CH2CH3

h

CH CH 2S

CH2CH3

3

Nucleófilo aniónico: SN2 sobre el carbono menos sustituido.

+

263


Apertura catalizada por ácido y carbono más sustituido secundario: el producto mayoritario es el de ataque al carbono más impedido con formación minoritaria del compuesto de ataque del nucleófilo al carbono menos sustituido. HO

CH2CH3

':c-c~H

S"cJH H Producto mayoritario H/'

+

H

OH

H. . . .c_¿R

~....CH2CH3

HO/

H Producto minoritario Reacción catalizada por ácido: la explicación es la misma que para el apartado anterior. e)

O __¿_~~

H~ / H

H OH l. CH3~H2MgBr H. . . .c-c!R -'"\ ~CH2CH3 2. H • H20 / ~ CH CH H CH3CH2 H 2 3

Nucleófilo: SN2 sobre el carbono menos sustituido. HO

CH2CH3

\:-

~H

H/~ f(_

H Br Producto mayoritario +

4.

a) CH30- Na+ + CH3CH2CH2I - - CH30CH2CH2CH3 Metil propil éter

264

QUÍMICA ORGÁNICA

CH3CH2CH20- Na+ + CH3I - - CH30CH2CH2CH3 Metil propil éter En ambas reacciones se parte de wi halogenuro de alquilo primario, requisito necesario para que no haya reacciones secundarias de eliminación. b) CH3CHO- Na+ +

QcH2c1-QcH2ü~HcH3 CH3

tH3

Bencil isopropil éter

Se elige como alcóxido el grupo más impedido y como halogenuro de alquilo el que presente menor impedimento estérico para evitar la reacción de eliminación.

Aunque los dos grupos alquilo del éter son primarios, no se puede emplear como halogenuro de alquilo el bromuro de 2,2dimetilpropano, puesto que el ataque por el etóxido sódico estaría muy impedido por el grupo terc-butilo contiguo al carbono electrófilo (-CH2Br). d)

TH3 TH3 BrCH2CH2CHCH2CHOH CH3 2,4-Dimetiloxaciclohexano La reacción es wia síntesis de Williamson intramolecular y el halógeno debe estar situado sobre wi carbono primario.

265


5.

o

H-1\-H

CH3CH2CH2H2C

CH2CH2CH2CH3

cis-2,3-Dibutiloxaciclopropano

H

OH

H9C4~'c-Ó H~S

~''H

C4H9

(5S, 65)-5,6-Decanodiol Racémico 50 8.

CHafüxCHa

u

1-Bromo-1-etilciclopentano

+HBr

1-Etil-1-metoxiciclopentano

266

QUÍMICA ORGÁNICA

b)

En esta síntesis no se puede utilizar un halogenuro de alquilo porque tendría que ser primariot y la reacción de sustitución no tendría lugar ya que los alcoholes son malos nucleófilos. Sin embargot si se hubiera podido emplear un alcóxido (buen nucleófilo) ten lugar del alcohol, el éter se hubiera obtenido con buen rendimiento (síntesis de Williamson). SN2

CH3CH2CH2CH2CH2Br + CH3CH2CH2CH2CH20H Bromuro de alquilo Alcohol primario (nucleófilo malo)

X .

Dipentil éter c)

CH3

CH3

1

CH3tOCH3

CH3CBr + CH30H tH Metano!

tH3 /eir-Butil metil éter

3

Bromuro de /eir-butilo 7.

SH

'

KSH exceso SN2

+

KBr

ci~ 1-Mercapto-2-metilciclopentano

Por transcurrir la reacción por un mecanismo SN2t se produce inversión de la configuración en el carbono quiral.

267


b)

CH2CH3

CH3CH2SCH2CH3 + CH3CH2Br Sulfuro de dietilo

~ CH3CH2ÁCH2CH3 + Br-

Bromuro de trietilsulfonio e)

H3C'\. _/CH3 HC-S-S-CH H3c( '\.CH3

CH3CHCH3 ÁH 2-Propanotiol d)

Disulfuro de disopropilo

Br

SCH3 1

1

+ CH3SH NaOH

Metanotiol

H3L-Ó

cb-3-Metil-1-metiltlociclohexano

o

CH3CH2~CH3

e)

Sulfuro de etilo y metilo

l

H202 exceso

o 11

CH3CH2SCH3

A Etilmetilsulfona

Etilmetilsulfóxido

~

UNIDAD DIDACTICA

111

Tema 9

Determinación estructural por métodos espectroscópicos 1

SUMARIO 1

1

9.1. Espectroscopía 9.2. Radiación electromagnética

9..3. Espectroscopía de absorción 9.3.1. Ley de Lambert-Beer. Espectros 9..4. Espectroscopia visible (V) y ultravioleta (UV)

9..5. Espectroscopía infrarroja (IR) 9..6. Espectroscopía de resonancia magnética nuclear (RMN) 9.6.1. Desplazamiento químico en RMN de protón 9.6.2. Acoplamiento de spines 9.6.3. RMN de otros núcleos 9.. 7. Espectrometría de masas (EM)


OBJETIVOS _ 1

1

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __

1

1. Diferenciar distintas interacciones entre la energía radiante y la materia. 2. Describir técnicas que puedan medir dichas interacciones. 3. &coger la técnica o técnicas más apropiadas para elucidar la estructura de un compuesto orgánico determinado.

4.. Deducir estructuras sencillas de compuestos orgánicos a partir de sus datos espectroscópicos.

DETERMINACIÓN ESTRUCTURAL POR MÉl'ODOS ESPECTROSCÓPICOS

273

9. 1. Espectroscopia La espectroscopia estudia las interacciones entre la energía radiante y la materia. El hecho de que se puedan ver los colores presentes en la naturaleza, por ejemplo, es consecuencia de la absorción de energía por parte de compuestos orgánicos e inorgánicos. El principal interés, que este fenómeno presenta para el químico orgánico, es que las longitudes de onda a las cuales un compuesto orgánico absorbe la energía radiante son dependientes de la estructura del mismo. En este Tema se verán las técnicas espectroscópicas más utilizadas para estable-

cer la estructura de los compuestos orgánicos. Además de las que se van a exponer aquí, existen otras que pueden ser muy importantes en la resolución de ciertos problemas (como la difracción de rayos X, dicroísmo circular o dispersión óptica rotatoria) pero no van a ser objeto de estudio en este curso general de Química Orgánica. A diferencia de los métodos químicos, para analizar la estructura de un compuesto, los métodos espectroscópicos tienen la ventaja de que, por lo general, se requiere una cantidad pequeña de muestra y suele ser recuperable, es decir, son métodos no destructivos.

9.2. Radiación electromagnética La radiación electromagnética es la energía que se transmite a través del espacio en forma de ondas. Cada tipo de radiación electromagnética (ondas de radio, ultravioleta, infrarrojo, visible, etc.) está caracterizada por su longitud de onda (Á) que es la distancia entre las crestas de las ondas contiguas (Figura 9.1).

Figura 9.1. Onda electromagnética.

El espectro electromagnético se representa a continuación, en la Figura 9.2. Como puede observarse, el espectro electromagnético está dividido en diferentes zonas en función de la longitud de onda de la radiación.

274

-

QUÍMICA ORGÁNICA

Rayos y y cósmicos

Rayos X

=·s;: ·->

1

A, cm:

10~

s

Q,) ........ cv .e .f:S ~ ........ o .!!l

10-5

microondas y ondas de radio

Infrarrojo 1

1

1

1

10-4

10-3

10-2

10-1

-

incremento de A. disminución de la energía Figura 9.2. Espectro electromagnético.

La radiación, además de caracterizarse por su longitud de onda (Á), puede ser caraterizada por su frecuencia (v), la cual se define como el número de ciclos completos por segundo o hertzios (Hz). Por definición la longitud de onda y la frecuencia son inversamente proporcionales. c

v=;:

donde:

v = frecuencia en Hz. c = 3 x 1010 cm s-1 (velocidad de la luz). A = longitud de onda en cm.

9.3. Espectroscopia de absorción La espectroswpla de absorción, como su nombre indica, engloba técnicas de medición de la energía absorbida por la materia. Entre ellas se incluyen la espectroscopía ultravioleta y visible, infrarroja y de resonancia magnética nuclear.

9 .3. 1. Ley de Lambert-Beer. Espectros Cuando un rayo monocromático, con una frecuencia v o longitud de onda A determinada, atraviesa un medio material transparente (en la práctica una solución de un compuesto), parte de su energía es absorbida por este medio. La ley de Lambert-Beer lo expresa mediante la siguiente relación: 1 =lo e-el e

10 e 1 representan la intensidad del rayo antes y después de atravesar el medio.

e= coeficiente de extinción molar (cm-1 mol-1 L).


275

1 = longitud del recorrido (cm). c = concentración de la sustancia en el medio (mol L-1). A partir de esta relación se define

la transmitancia: T=

101 =e-ele

la absorbancia:

La aplicación en la determinación de estructuras se basa en el hecho de que el coeficiente de extinción E, independiente de la concentración y característico de cada compuesto, es función de la longitud de onda de la radiación. La representación gráfica de la absorción de un compuesto frente a la longitud de onda, a la cual se hace la medida, presenta unos máximos y unos mínimos que constituyen el espectro de absord6n del compuesto (Figura 9.3). Puesto que la absorbancia pasa por un máximo (o la transmitancia por un mínimo), se dice que el espectro presenta una banda de absorción que se caracteriza por Ámáx y f1náx· Las longitudes de onda a las cuales se estudian los espectros de absorción más comunes son: - ultravioleta---------------· 200-400 nm - visible---------------------· 400-700 nm - infrarrojo medio ________ 2-15 µm (1 nm = l0-9 m; µm = 10-6 m)

~-----------

l (nm)

A máx

Figura 9.3. Representación del espectro de absorción de un compuesto.

276

QUÍMICA ORGÁNICA

Cabe ahora preguntarse ¿por qué la intensidad de la absorción de radiación por la materia no es siempre la misma a todas las longitudes de onda, y por qué pasa por un máximo y un mínimo que no son iguales para todos los compuestos? Los átomos de una molécula no están en reposo. Constantemente están animados de movimientos de vibración y de movimientos de rotación alrededor de los enlaces. A estos movimientos corresponden las energías de vibración y de rotación. Por otro lado, los electrones poseen también una energía electrónica que depende del orbital que ocupen. Las diversas formas de energía presentes en las moléculas están cuant.i7.adas. Esto significa que no pueden tomar más que ciertos valores y no pueden variar más que por un «salto» brusco de uno de estos valores a otro. A cada uno de estos saltos, o transiciones, está asociado, por tanto, una variación finita de energía AE Por otra parte, la radiación lleva asociada una energía que está igualmente cuantizada. No puede ceder energía a la materia más que de una forma discontinua, por múltiplos enteros de una cantidad denominada cuanto o fotón. El valor del fotón no es el mismo para todas las radiaciones y es función de la frecuencia. 1 fotón (o cuanto) = hv julios (J) h =constante de Planck (h = 6,626 x l0-34 Js)

La condición para que haya una interacción entre la radiación y la materia es que la cantidad de energía llEcorrespondiente a una transición posible en la molécula y el valor del fotón de la radiación sean iguales. AE= hv

Si la frecuencia varía con el tiempo de forma continua, el valor de la absorción varía en función de esta frecuencia y, por tanto, pasará por un máximo tantas veces como la condición anterior se verifique por una de las transiciones posibles. Este es el origen de los espectros de absord6n. Salvo para moléculas muy sencillas, los niveles de energía (energía de vibración, de rotación y electrónica) no se pueden calcular a priori, no se pueden prever los espectros. Sin embargo, si los espectros de un gran número de compuestos que tengan una característica estructural común (por ejemplo presencia de un grupo carbonilo) ponen en evidencia la presencia constante de una banda de absorción a una frecuencia determinada, se puede predecir que un compuesto desconocido que posea dicha banda tenga la misma característica.

9 .4. Espectroscopia visible

My ultravioleta (UV)

El estado de más baja energía en las moléculas es su estado fundamental (4). Por absorción de radiaciones visibles o ultravioletas, la molécula puede realizar una transición a un estado excitado de energía, que vendrá dado por Ee = F1J + llE


277

donde 11.E= hv y representa la energía de la radiación absorbida. Estas energías de transición 11.Eson muy elevadas (del orden de 400 kJ mol-1) y dan lugar a saltos de electrones de un orbital a otro. En el estado fundamental, una molécula orgánica tiene los electrones de valencia en tres tipos de orbitales moleculares principalmente orbitales sigma (o); orbitales pi (te); y orbitales no enlazantes (n) (ver Tema 1). Por ejemplo: H:CH3

CH2::CH2

electrones a

electrones te

/

/

.. / ..

CH30H electrones n

Los orbitales a y te están formados por el solapamiento de dos orbitales atómicos o híbridos. Cada uno de ellos tiene asociado uno antienlazante d* o 11:*. Un orbital con electrones n no tiene orbital antienlazante puesto que no se ha formado a partir de dos orbitales. Las transiciones electrónicas corresponderán, por lo tanto, al salto de un electrón desde uno de los tres estados fundamentales (a, te o n) a uno de los dos estados excitados (d* o n*). Habrá seis posibles transiciones. Las cuatro más importantes se representan en la Figura 9.4. o* tt*

n....+ tt* < 105 kcal moI-1

E

(> 270nm)

n

n--+ o* < 150 kcal moI- 1 (> 185 nm) 1t--+ tt* U--+ 170 kcal moI- 1 (> 165 nm) (< 165 nm)

Figura 9.4. Transiciones electrónicas.

La transición de más baja energía será desde el nivel n al 11:*, variando esta energía de unos compuestos a otros, pudiendo corresponder al campo espectral comprendido entre 250 y 600 nm. Las transiciones ~d* y n--:,11:* se pueden encontrar en el campo espectral que va desde el límite del ultravioleta hasta los 250 nm aproximadamente. Finalmente a la transición a--:,d* le corresponde la más alta energía, que se localiza en la región denominada ultravioleta de vacío o lejano, por debajo de los 180 nm.

278

QUÍMICA ORGÁNICA

Al grupo de átomos en una molécula, que sea responsable de las transiciones electrónicas citadas anteriormente, se le denomina grupo cromóforo. La Tabla 9.1 recoge longitudes de onda y coeficientes de extinción de algunos grupos cromóforos. La observación del espectro de un compuesto puede servir para el reconocimiento de la existencia de determinados grupos cromóforos en la molécula. Tabla 9.1. Longitudes de onda y coeficientes de extinción de grupos cromóforos

Éter Tioéter Amina Tiol

Disulfuro Bromo Yodo Nitrilo Acetileno Sulfona Oxima Imina Etileno Cetona Tiocetona Ésteres Aldehído Carboxilo Nitro Azoico Nitroso Benceno Naftaleno Antraceno Piridina Quinolina Isoquinolina

-o-s-

-NH2 -SH -S-S-Br -1 -C==N -C==C-S02=NOH

f

N-

}=< J=O 'rr=s /

-COOR -CHO -COOH -N02 -N- N-N=O

185 194 195 195 194 208 260 160 175-180 180 190

1.000 4.600 2.800 1.400 5.500 300 400

190

5.000

190

8.000

195-270-285

6.000 5.000

1.000-18-30

205 205 210-280-300 200-210 210 285-400 302 184-202-255 220-275-312 252-375 174-195-251 227-270-314 218-266-317

50 50-70 3-25 100 46. 700-6.900-170 112.000-5.600-175 199.000-7.900 80.000-6.000-1.700 37.000-3.600-2.750 80.000-4.000-3. 500


279

También a la inversa, es decir, que si un compuesto es transparente, por ejemplo, en la región de 220 a 800 nm, se podrá asegurar que su molécula no contiene sistemas conjugados insaturados o anillos aromáticos, ni grupos aldehídos o cetonas, ni grupos nitro o halógenos Br o l. Así pues, el espectro ultravioleta y visible de una sustancia pura puede ser muy útil para su identificación. Un ejemplo de un espectro UV se puede ver en la Figura 9.5. o.o

~

~ o

Vl

~

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5

.

t!

•:\

'\

\ ~

f!1

200

:¡:

250

300

-

350

390

LONGITUD DE ONDA (nm)

Figura 9.5. Espectro de UV de la 3,6,6-trimetilciclohex-2-en-1-ona.

Espectrofotómetro de UV y V &quemátlcamente se pueden representar los componentes básicos de un espectrofotómetro de haz sencillo (Figura 9.6).

G+E+ Mp Rendija Rendija Fuente de Monocromador Muestra radiación problema

R

Detector

Registro

Figura 9.6. Esquema de un espectrofotómetro de UV y V.

280

QUÍMICA ORGÁNICA

9.S. Espectroscopia infrarro¡a (IR) La radiación infrarroja (IR) de mayor longitud de onda (y de menor frecuencia) que la ultravioleta, suministrará más cuantos o fotones de energía más débil y. por tanto, no puede provocar modificaciones en el estado energético de los electrones. Puede, sin embargo, provocar movimientos de vibración o de rotación. Le corresponden unas energías de transición AEmás débiles (del orden de 4 a 40 kJ mol-1). A cada grupo de átomos susceptible de entrar en vibración o en rotación, a una frecuencia que le es propia, corresponde una banda de absorción a una longitud de onda determinada. En la región usual del infrarrojo (entre 2 y 15 nm) se observan principalmente bandas de vibración de dos clases:

• Vibraciones de tensión: oscilaciones de dos átomos unidos, en el eje de su enlace, produciendo una variación periódica de su distancia. • Vibraciones de deformación: oscilaciones de dos átomos unidos a un tercero, produciendo una variación periódica del ángulo de sus enlaces. A cada uno de estos modos de vibración se asocian bandas de absorción características. En el infrarrojo, en lugar de la longitud de onda A o la frecuencia, se utiliza el número de onda que es la inversa de la longitud de onda expresada en cm. Su unidad, por tanto, es el cm-1. Por ejemplo si A= 5 µm = 5 x 10-4 cm, el número de onda= 1/5x10--4 = 2.000 cm-1). En la Tabla 9.2 se muestran algunas bandas características. Todos los átomos de una molécula son susceptibles de participar en movimientos de vibración, de forma que los espectros de infrarrojo son complicados y presentan numerosas bandas de absorción, como puede verse, por ejemplo, en el espectro siguiente:

3.500

3.000

2.500

2.000

1.800

1.800

1.400

1.200

1.000

crn-1

Figura 9.7. &pectro de infrarrojo del 1-hexanol.

800

800

400

200


281

Tabla 9.Z. Algunas bandas características en el infrarrojo

4:-H / =y-H

3.050-3.150 cm-1

=C-H -0-H -0--H (ácido)

3.260-3.330 cm-1 3.500-3.650 cm-1 2.500-3.000 cm-1

>-H

3.300-3.500 cm-1

>=< -C= CC N/ -C= N

"' -e-o"' /

~C=O (aldehído)

"'

2.840-3.000 cm-1

1.620-1.680 cm-1

"'

/C=CH2

-CH=CH2 -CH CH-(2) -CH CH-(E} "-c=CH/

= 890 cm-1

= 910 y 990 cm-1 = 965 cm-1 = 690 cm-1

= 840 cm-1

2.100-2.260 cm-1 1.500-1.650 cm-1 2.200-2.260 cm-1 1.000-1.260 cm-1

l.720-1. 740 cm-1

/ C=O (cetona)

1.705-1.725 cm-1

~C=O (ácidos)

1.710-1.760 cm-1

~C=O (ésteres)

1.735-1.750 cm-1

Esta complejidad del espectro es el reflejo de todos los detalles de la estructura molecular y constituye precisamente el interés de estos espectros. Convenientemente interpretados pueden suministrar información muy precisa. Por otro lado son «individuales», es decir, que únicamente dos moléculas idénticas pueden tener el mismo espectro. Se les denomina por ello «huella dactilar» y, por tanto, es Wia herramienta muy valiosa en la identificación de compuestos. Espectrómelro de IR

El esquema de WI equipo básico se representa en la Figura 9.8.

282

QUÍMICA ORGÁNICA

Referencia

Fuente de radiación

Celdilla Monocromador Filtro de con frecuencia muestra

Detector

Registro

Figura 9.8. Esquema de un espectrómetro IR.

9.6. Espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN)

La resonancia magnética nuclear (RMN) es igualmente una técnica basada en la absorción de radiación electromagnética por la materia, pero la transición provocada concierne al núcleo de ciertos átomos presentes en la molécua (de ahí se debe el calificativo de nudeal}, y el fenómeno observado se produce en la región espectral de las ondas hertzianas (frecuencias del orden de 1Q7-1 os hertzios y longitudes de onda del orden de algunos metros). Los núcleos atómicos poseen un spin nudear, cuyo valor depende de la relación masa-carga de los átomos. Al igual que para los electrones, hay un momento vectorial asociado a la rotación de los núcleos sobre ellos mismos. Representación simbólica del spin de un núcleo. La flecha verde representa el momento magnético nuclear

Un núcleo que posea un spin que no sea nulo se comporta magnéticamente como un pequeño imán. Situado en un campo magnético (Ho), puede tomar dos orientaciones: una paralela al campo y del mismo sentido y otra también paralela pero de sentido opuesto (orientación antiparalela).

l

Ho

paralela

antiparalela

A estas dos orientaciones se asocian dos niveles de energía cuantificados; el más bajo corresponde a la orientación paralela que es la más estable.


283

La absorción de un fotón puede provocar una transición del nivel inferior al superior. Ello es posible si la intensidad Ho del campo magnético y la frecuencia de la radiación electromagnética satisfacen la relación: V=

rllo 21t'

en la que yes una característica del núcleo (constante giromagnética). Cuando esta relación se cumple se dice que los núcleos entran en resonancia. No todos los núcleos son capaces de entrar en resonancia puesto que han de poseer un spin que no sea nulo. Entre los núcleos observables por RMN y que tienen gran importancia en Qwmica Orgánica, se encuentran: lff, 2ff (D), 13C, 110, 15N, 19f y 31:R entre otros. Cada núcleo entra en resonancia a una frecuencia distinta de los otros. En el caso particular del 1H, se habla de resonancia protónica y es una de las técnicas que da más información sobre la estructura de un compuesto.

9.6. 1. Desplazamiento químico en RMN de protón Para obtener un espectro de resonancia magnéüca nuclear se puede efectuar situando la muestra en un campo magnético flo, que se varía sobre un rango muy pequeño, y simultáneamente se la somete a una radiación de radiofrecuencia constante (siendo ésta diferente para distintos núcleos). Cada vez que un núcleo entra en resonancia, es decir, que una parte de la energía de la radiación es absorbida por dicho núcleo, puede detectarse mediante un dispositivo apropiado y traducirse en un pico sobre un diagrama. Por ejemplo:

CICH ~OCH3

Tl ~s

10

1

1

1

1

9

8

7

6

1

5 4 ppm (O)

1

1

1

3

2

1

o

Figura 9.9. Espectro de RMN de 1H del 1-cloro-1-metoximetano.

284

QUÍMICA ORGÁNICA

Ahora bien, el campo magnético real al que está sometida la muestra, o en este caso los núcleos de hidrógeno, no es exactamente igual al campo externo Ho, ya que éste se modifica por la existencia de otros campos magnéticos producidos por los spines de los núcleos de los átomos adyacentes Así pues, en general, el campo real Hes inferior al campo externo H 0• Estas influencias locales dependerán del entorno de cada núcleo, es decir de su posición en la molécula, de manera que no todos los núcleos de hidrógeno de una molécula se encuentran bajo el mismo campo R En consecuencia no entrarán todos en resonancia a la misma frecuencia de la radiación. De modo que no se obtiene un sólo pico, sino una serie de picos correspondientes a los distintos átomos de hidrógeno situados en diferentes posiciones de la molécula. El desplazamiento químico de un pico, 9.11).

~.se

expresa en ppm (Figuras 9.10 y

En la práctica se utiliza el tetrametilsilano, TMS, como referencia para fijar el cero de la escala por conveniencia y dar los desplazamientos químicos en partes por millón o ppm. Por ejemplo: CH3 CH3- t -CH2-CO-CH3 1

CH3

C

hA

B

TMS

ppm (c5)

Figura 9.10. &pectro de RMN de 1H de 4,4-dimetilpentan-2-ona.

Del ejemplo anterior se deduce que hay átomos que son equivalentes y resuenan a la vez (en este caso son equivalentes los 9 protones del grupo (CH~ 3-, los 3 del CH3- y los 2 del -CH2- ) •


285

Otra de las informaciones que proporciona el espectro de RMN es la abundancia de protones que hay en cada pico, ya que el área del mismo es proporcional al número de núcleos que son equivalentes. La curva en escalera del ejemplo anterior corresponde a la integración continua de las áreas de los picos, y midiendo sus alturas se puede conocer la proporción de protones de las señales. En el ejemplo anterior las magnitudes relativas son: A: 9, B: 3 y C: 2. En la figura siguiente se dan algunos valores de los desplazamientos químicos

de algunas agrupaciones características. o 11

1--!H-C-C

R2C=CH2 1------1

AROMÁTICOS

1

1

OR-CH RS-CH 1 1 1 1

ALCANOS

OH-CH RCH=CHR 1--------1

1

RC==CH

1

o R-t-O--CH l--------IAr-CHl----I J--------1 R2C= CR-CH H2N-CH 1--------11----1 NC- CH

F- CH J--------1

o

o

02N- CH J------1CI----Ó-cH1--------11-------1

Cl-CH 1--------1

10,0

9,0

8,0

7,0

6,0

5,0 ppm (O)

4,0

3,0

R-~-CH

1--------1 1-CH

2,0

1,0

o

Figura 9.11. Desplazamientos químicos de RMN de 1H.

Los valores de una tabla de desplazamientos químicos tienen su origen en la observación experimental de una cantidad muy grande de espectros, por lo tanto, los valores de la Figura 9.11 son los más probables estadísticamente.

9.6.2. Acoplamiento de spines Muy a menudo, la resonancia de protones se manifiesta no por un solo pico (singlete) sino por un grupo de picos que pueden ser dobletes (dos picos), triple/es (tres picos), cuadrupletes (cuatro picos), etc., o multipletes (varios picos). Por ejemplo:

286

QUÍMICA ORGÁNICA

CHCl2-C-O-CH2- CH3 11

o

CH

1MS

CH

Figura 9.12. Espectro del dicloroacetato de etilo.

Para entender el origen de esta multiplicidad de picos se ha de profundizar en el análisis de los efectos del entorno que rodea a un protón o a un grupo de protones. Si los protones Ha que se observan tienen otro vecino Hb, que no es equivalente, en el momento en que se produce la resonancia, el spin de este otro protón Hb puede que se encuentre paralelo o antiparalelo con el de Ha. Por tanto, los protones Ha se encuentran en dos entornos distintos que les hace resonar a una frecuencia ligeramente diferente. Ha Hb

En el caso de -{-{-habrá dos situaciones, dando lugar a una señal que aparece como un doblete.

t'

J:_ '

1 1

1..

~b --1 <5Ha

La diferencia de frecuencias entre los dos picos se denomina constante de acoplamiento ()).

Si fuesen dos los protones vecinos se tendría cuatro situaciones posibles.


_¿_¿_ Ha Hb 1

tl lt

tt

1

Hb

287

ll

la señal observada sería un triplete.

t

,""'"" ' ....... 1

1 1 1

1'

,, ,,.

1 1

~1, ..... ....

... ,~

1 1

1

1

,

" ....

,, 1 1

~~I '5Ha

Si hubiese tres, el espectro se complica: Ha Hb 1

1

-C-C-Hb 1

1

Hb

ttt

ttl tlt ltt

tll ltl iit

iii

la señal observada sería un cuadruplete.

'5Ha

De forma general se puede decir que si un grupo de protones equivalentes son vecinos a n protones que no son equivalentes con él pero si entre ellos su espectro de resonancia presentará (n + 1) picos.

288

QUÍMICA ORGÁNICA

Por tanto, la resonancia magnética nuclear de protón, además de dar información de un determinado grupo de protones equivalentes, da información sobre su entorno.

9.6.3. RMN de otros núcleos Al igual que lo dicho para la RMN de protón se pueden obtener espectros de otros núcleos (13C, 15N, 19F, etc.), y como se ha mencionado anteriormente estos resuenan dentro de un intervalo de frecuencia propio de cada núcleo. Es muy valiosa la información que se obtiene de todos ellos pero sobre todo de la RMN de carbono-13. En la Figura 9.13 se recogen desplazamientos químicos de algunas agrupaciones características. En la Figura 9.14 se muestra un ejemplo de un espectro de carbono-13. También se pueden obtener espectros de acoplamiento de dos núcleos como por ejemplo protón-carbono, protón-nitrógeno, etc., que se verán en asignaturas de nivel más avanzado. Como se puede deducir, la resonancia magnética nuclear se ha convertido, hoy por hoy, en una herramienta básica para el químico orgánico.

Cl- C RS- C

F- C

1

1- C

1 ALCANOS

HzN-C

AROMÁTICOS

- - - - - t i -1--1Nc- c

o 11

--IR---C-R RCH

NC-R~

HO-C--1--

1

Br---C

CHR 1--I- -

Ar---C 1 1

RO-C 1-I- - - - 1

o 11

RC- CH, RC- CR t-1- -

200

150

100

- - - - t i R-C-C

50

Figura 9.13. Desplazamientos químicos de RMN de 13C.

O ppm (5)

289


. 70

.

TMS

-.

60

4o

3o

•

J

j

1

10

ppm (O)

Figura 9.14. Espectro de RMN de 13C del metilciclohexano.

Espectrómetro de RMN

Un esquema del espectrómetro de resonancia magnética nuclear se representa en la Figura 9.15 con los elementos básicos. X

. . . - - - - - RECEPTOR RADIOFRE- +-----+REGISTRO ----+ CUENCIA

IMÁN

.....____ GENERADOR DEPULSOS --~ (sólo para.FI)

y

Figura 9.15. F.spectrómetro de RMN.

EMISOR DE RADIOFRECUENCIA

290

QUÍMICA ORGÁNICA

La muestra se sitúa entre los polos del imán y se irradia con radiación de ondas hertzianas. La intensidad del campo Ho se mantiene constante para cada tipo de núcleo y lo que se varia es la radiofrecuencia o viceversa. Los núcleos absorben energía y lo que se registra es la cantidad de energía absorbida.

9 .7. Espectrometría de masas (EM) La espectrometría de masas es una técnica diferente de las precedentes, ya que no se trata de una absorción de la radiación por la materia, sino que se basa en el estudio detallado de los fragmentos iónicos que se forman al suministrar energía a una molécula. El proceso es irreversible y por tanto es un método destructivo, aunque ello carece de importancia dado que las cantidades que se utilizan son del orden de picogramos. Existen diferentes modalidades de espectrometría de masas, como por ejemplo: FAB, ionización química, electrospray etc., pero se hará referencia a la espectrometría de masas por impacto electrónico únicamente. La muestra se introduce en un recinto a vacío, se vaporiza y se somete a un bombardeo de un haz de electrones de gran energía. Este bombardeo provoca la ionización de las moléculas, por la pérdida de un electrón, y se obtiene así una especie que es a la vez un catión (por su carga positiva) y un radical libre (por la posesión de un electrón desapareado) que se denomina ion molecular o ion matriz. Éste puede rápidamente fragmentarse por ruptura de ciertos enlaces para dar otros iones positivos, y de menor masa, que vuelven a romperse, y así sucesivamente (Figura 9.16). Estos iones son acelerados en un campo eléctrico y después dirigidos bajo la forma de un haz, entre los polos de un imán. Bajo el efecto de un campo magnético, su trayectoria se hace curva para volverse circular, con un radio de curvatura E

A+ - - - - F+

/ M

E

---------

E ----e+ B+

M+------_.. e+

~

n+

Figura 9.16. Fragmentación de una molécula en EM.

291


que depende de la relación de su masa a su carga (miz). Esta trayectoria llega a un receptor que detecta la llegada y suministra una señal eléctrica. Variando el campo eléctrico, y por tanto la velocidad de los iones, se puede conseguir que lleguen sucesivamente en orden creciente de su relación miz, es decir en orden creciente de su masa, puesto que su carga z es prácticamente siempre igual a la unidad. Al final lo que se obtiene es un diagrama llamado espectro de masas. Un espectro de masas se presenta como un diagrama de líneas en el que la intensidad de cada pico se da en ordenadas, pudiendo leerse en abcisas la relación miz (Figura 9.17). Por ejemplo: 45

100

29

15

o

50 m/z

100

Figura 9.17. Espectro de masas del dimetil éter.

El conocimiento de la forma más probable de ruptura de las cadenas carbonadas y de los grupos funcionales, así como la utilización de tablas, donde se recogen todos los iones posibles correspondientes a una masa dada, permite determinar la estructura de la molécula inicial. Además, la espectrometría de masas da información sobre el peso molecular del compuesto con una gran precisión. Sin embargo, el pico molecular no se puede calcular basándose en la escala química, sino hay que tener en cuenta las masas de los isótopos que forman parte de los

átomos que constituyen la molécula. Por ejemplo, el peso molecular del bromuro de metilo es 95.18 basado en C = 12,011; H = 1,088 y Br = 79,909 y, sin embargo, en el espectro de masas se observan 4 señales separadas por una unidad de masa que corresponden a las especies moleculares de las combinaciones isotópicas de acuerdo con su abundancia natural Oas debidas a 2H no se detectan) (Figura 9.18). 12c 98,89% lH 99,98% 79Br 50,54% 13C

1,11%

2H

0,01%

81Br 49,46%

292

QUÍMICA ORGÁNICA

94

96

95

97

Figura 9.1& Espectro de masas del bromuro de metilo.

Para obtener información estructural, el qulmico orgánico reúne datos sobre el peso molecular y las masas de los distintos fragmentos e intenta construir moléculas hipotéticas, y junto a la información obtenida por otros métodos llega a resolver la estructura. Espectrómetro de masas

En la Figura 9.19 se muestra un esquema básico del espectrómetro de masas por impacto electrónico. En la fuente iónica las moléculas se convierten en iones que llevan carga positiva (aunque a veces se producen también iones negativos). La energía del haz electrónico necesaria para eliminar un electrón de las moléculas orgánicas es del orden de 10 eV. Los iones positivos son acelerados mediante un potencial eléctrico (4.0008.000 voltios) antes de entrar en el analizador, el cual es un campo magnético en el que los iones describen una trayectoria de sector circular. De este modo es posible separar iones que difieren al menos en una unidad de masa {baja resolución). Cuando interesa distinguir iones que tienen la misma masa entera nominal pero

A

Fuente de iones

Analizador masa/carga

R

Detector

Registro

Figura 9.19. Espectrómetro de masas por impacto electrónico.


293

poseen masas exactas diferentes, se utiliza un analizador electrostático antes del magnético (alta resolución). El detector más utilizado se denomina multiplicador de electrones y consta de una serie de electrodos en una cámara de vacío. El funcionamiento es tal que la pequeña corriente eléctrica generada cuando los iones chocan contra el primer electrodo es amplificada 1Q6 veces al final del recorrido y puede ser registrada, por lo general, en un ordenador. Resumen de conceptos importantes

l. La espectroscopia estudia las interacciones entre la energía radiante y la

materia. 2. Radiación electromagnética es la energía que se transmite a través del espacio en forma de ondas electromagnéticas. 3. La espectrometrla de absorción engloba las técnicas de medición de la energía absorbida por la materia. 4. La absorción de radiaciones visible y ultravioleta por una molécula da lugar a saltos de electrones de un orbital de baja energía a otro de energía superior. 5. La absorción de radiación infrarroja por una molécula da lugar a vibraciones o rotaciones de los átomos respecto de sus enlaces. 6. La resonancia magnética nuclear se basa en someter a los núcleos atómicos, cuyo spin no sea nulo, a una radiación electromagnética bajo la acción de un campo magnético. Cuando se cumple la relación v = rllo I 2n, se dice que los núcleos entran en resonancia. Cada núcleo entra en resonancia a una frecuencia determinada y distinta de los demás. 7. La espectromebia de masas por impacto electrónico se basa en la detección de los fragmentos de una molécula que resultan cuando se bombardea, en fase de vapor, con un haz de electrones de gran energía.

294

QUÍMICA ORGÁNICA

E¡ercicios de autocomprobación 1. Un compuesto de fórmula molecular C5H100 2 muestra una banda intensa de absorción en el infrarrojo a 1750 cm-1 (5,71µm). El espectro de RMN de protón muestra las siguientes señales: un doblete a 1,2 ppm, un singlete a 2,0 ppm y un septuplete a 4,95 ppm; la relación de áreas es de 6: 3: l. Determinar su estructura. 2. El espectro de masas de un éter es el siguiente:

31

l

59

1

45

20

30

74

40 50 60 70 --m/e--

80

¿Cuál es su fórmula? 3. Predecir cuantos singletes y cuantos dobletes aparecerán en el

espectro de RMN de protón de los siguientes compuestos: b)

Cl-O-NH2

4. Una muestra de ciclohexano está contaminada con benceno. A 260

nm el benceno tiene un coeficiente de extinción molar de 230 y el ciclohexano, a esa longitud de onda, su coeficiente de extinción es cero. Un espectro UV de ciclohexano contaminado presenta una absorbancia de 0,030. Si la longitud de la celdilla es de 1,0 cm, ¿cuál es la concentración de benceno? 5. Un compuesto contiene únicamente C, H y O. El espectro infrarrojo muestra unas bandas intensas de absorción a 1. 724 cm-1, 1.388 cm-1 y 1.231 cm-1. El espectro de RMN de protón presenta un único singlete a 2, 1 ppm. El espectro de masas tiene un pico intenso a 58 (.m/.z) y otro a 43 (miz). ¿Cuál es la estructura del compuesto?


295

Soluciones a los eiercicios de autocomprobación 1. Como el compuesto presenta una banda de absorción a 1750 cm-1

y la fórmula molecular contiene dos oxígenos, se trata de un éster o un ácido (ver Tabla 9.2).

<:º

~º

Tendrá el grupo R-C, _ o ROR1 H La señal a 4,95 ppm que es un septuplete y que integra para un protón, según la relación de áreas, indica que hay seis protones vecinos equivalentes, es decir:

y por otro lado indica, según la figura 9.11, que forma parte de un éster. La señal de los posibles grupos metilos concuerda con la que aparece como un doblete a 1,2 ppm y que integra para 6 protones. Luego el agrupamiento anterior es correcto, y corresponderá al grupo R1 del éster. Por último, la señal que es un singlete y aparece a 2,0 ppm, y que integra para tres protones, será un grupo metilo y sin protones vecinales, que corresponde al grupo R del éster, ya que si fuera un grupo OCH3 su desplazamiento químico sería mayor. Luego el compuesto es:

~º

CH3-C~

O-yH-CH3

CH3 Acetato de isopropilo que concuerda con la fórmula molecular dada. 2. El compuesto tiene un peso molecular de 74. En la primera fragmentación hay una diferencia de masa de 74 - 59 = 15 que corresponde a un CH3. Otra fragmentación sería 74 - 45 = 29 que corresponde a un CH3CH 2• La tercera 74 - 31=43 que corresponde a un CH 3CH2CH2• Efectivamente las intensidades más altas corresponden a los grupos CH3 y CH3CH 2CH2• Luego el éter es CH3CH2CH20CH3 (Metil propil éter).

296

QUÍMICA ORGÁNICA

3. a)

Ha

Hb

Tendrán que aparecer dos singletes correspondientes a los grupos metilo y metoxi, respectivamente, ya que no están acoplados con protones vecinales. En cuanto a los protones Ha y Hb, tendrán que aparecer como dos señales, siendo cada una de ellas un doblete e integrarán para dos protones puesto que son protones equivalentes. Ha

b)

Hb

Cl Ha Hb En este compuesto tendrá que aparecer un singlete debido al grupo NH2 y dos dobletes de los protones aromáticos como en el caso anterior. 4. Por la ley de Lambert-Beer

A= ele

de donde

Luego sustituyendo 0,030 c = 230 x l,O

=

0,00013 M de benceno

5. Si el espectro de RMN de protón presenta una única señal, quiere decir, que todos los protones son equivalentes. El espectro de masas indica que en la primera fragmentación pierde un metilo (58 - 43 = 15). La primera banda a 1.724 del espectro de infrarrojo indica que se trata de un grupo carbonilo

();=o) (ver Tabla 9.2). Con estos

datos se puede deducir que se trata de una cetona, la acetona CH3COCH3, cuyo peso molecular es 58.

Tema 10

Alquenos

1

SUMARIO 1

1

&tructura del doble enlace Nomenclatura de los alquenos e isomería cis-trans Propiedades flsicas de los alquenos Reacciones de adición al doble enlace 10.4.1. Adición de halogenuros de hidrógeno 10.4.2. Adición de ácido sulfúrico y agua 10.4.3. Adición de sales de mercurio 10.4.4. Adición de boranos 10.4.5. Adición de halógenos 10.4.6. Adición de carbenos 10.5. Reducción del doble enlace. Hidrogenación catalítica 10.8. Oxidación del doble enlace 10.6.1. Formación de dioles 10.6.2. Formación de epóxidos 10.6.3. Ruptura del doble enlace con permanganato potásico 10.6.4. Ruptura del doble enlace por ozonólisis 10. 7. Polimerización 10.8. Métodos de obtención de alquenos Resumen de conceptos importantes Ejercicios de autocomprobación Soluciones a los ejercicios de autocomprobación 10.1. 10.2. 10.3. 10.4.

OBJETIVOS _ 1

1

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __

1

1. &tablecer las propiedades del doble enlace a partir de su estructura. 2. Deducir la reactividad de los alquenos frente a distintos reactivos, principalmente de adición, reducción y oxidación. 3. Predecir la estructura de los productos resultantes de las reacciones de adición, mediante análisis de los intermedios que se pueden formar.

4.. Resaltar la capacidad de los alquenos para formar polímeros.

5. Conocer qué productos de partida permiten sintetizar alquenos.

299

ALQUENOS

1O. 1. Estructura del doble enlace El doble enlace carbono-carbono es un grupo funcional muy común presente en compuestos del petróleo y en otros muchos productos naturales. Para dar una explicación a la estructura del doble enlace conviene repasar la teoría de hibridación de orbitales (ver Tema 1). Cabe recordar que los átomos de carbono en el eteno (CH2==CH2) presentan hibridación s¡/. y que los enlaces u de cada átomo de carbono se encuentran en el mismo plano con ángulos de aproximadamente 120º. 121°

118º ~C~ El enlace n se forma entre los orbitales Pz que están por encima y por debajo del plano en que se encuentran los enlaces u. El doble enlace presenta dos diferencias bien claras respecto al enlace sencillo. La primera es que es más corto y la segunda es que no existe rotación libre en torno a él.

10.2. Nomenclatura de los alquenos e isomería cis-trans Los alquenos, llamados antiguamente olermas, son hidrocarburos que poseen un doble enlace, por tanto, presentan una insaturación en su cadena carbonada. Los alquenos, según las reglas de la IUPAC, se nombran de modo similar a los alcanos, cambiando el sufijo -ano por -eno. Así, los primeros términos de la serie serían: CH2= CH2 CH3CH= CH2 CH3CH2CH= CH2 } CH3CH= CHCH3 CH3CH2CH2CH= CH2 } CH3CH2CH= CHCH3

Eteno o Etileno Propeno Buteno

Penteno

En los dos últimos ejemplos se ve que la posición del doble enlace es diferen-

te, se trata, por tanto, de un caso de isomería de posición, y para nombrarlos correctamente es necesario determinar su posición, que se hará de forma que corresponda al número más bajo posible.

300

QUÍMICA ORGÁNICA

Por ejemplo: 5

4

3

2

1

CH3CH2CH2CH= CH2 5

4

3

2

será el 1-penteno y no el 4-penteno

1

CH3CH2CH= CHCH3

será el 2-penteno y no el 3-penteno

Para los hidrocarburos cíclicos, análogamente, se empieza a numerar el anillo a partir de los carbonos del doble enlace. Por ejemplo:

26 4 1

5

3-Metilciclopenteno

Debido al impedimento de rotación alrededor del doble enlace, se presenta un nuevo tipo de isomería para alquenos sustituidos por sustituyentes distintos, la isomería cis-trans. Este tipo de isomería, también se conoce con el nombre de isomería geométrica. Por ejemplo, el 1,2-dicloroeteno se presenta en dos formas diferentes:

H

'

H

/ /C= C'\.

Cl Cl cis-1,2-Dicloroeteno

C\

/H

/C= C'\. H Cl

tranr1, 2-Dicloroeteno

Son isómeros configuracionales (no confundir con conformacionales) y pueden separarse por métodos fisicos ya que poseen distintos puntos de ebullición. La nomenclatura cis-trans en muchos casos es ambigua y sólo es fácil de asignar en los compuestos del tipo XCH=CHY La IUPAC recomienda utilizar las letras cursivas mayúsculas Z y E, para indicar la configuración del doble enlace sustituido. Estas letras son las iniciales de las palabras alemanas zusammen Guntos) y entgegen (opuestos). Los prefijos, entre paréntesis y seguidos de un guión, preceden normalmente al nombre completo: H'\,

/ H

/c=c, H3C CH3 (2)-2-Buteno

H'\,

/ CH3

/c=c, H3C H (E}-2-Buteno

301

ALQUENOS

En los compuestos que tienen dobles enlaces trisustituidos o tetrasustituidos con grupos distintos, para poder nombrarlos correctamente, hay que establecer el orden de prioridad de los sustituyentes siguiendo las reglas de secuencia ya vistas en la sección 4.3.1. Para ello, se determina el átomo o grupo prioritario, según las reglas secuenciales, unido a uno de los átomos del doble enlace y se compara con el átomo o grupo prioritario, unido al otro átomo del doble enlace. Si la pareja seleccionada se encuentra en el mismo lado, será el isómero Z y si está en lados opuestos será el E Con algunos ejemplos, se puede entender mejor la aplicación de las reglas secuenciales: Cl

Br

Según la regla n. 0 1, el bromo tiene prioridad sobre el cloro y el yodo sobre el bromo

"c=c/ Br/

"

1

(2)-1,2-Dibromo-1-cloro-2-yodoeteno CH3 1

H3C-CH 5

4 '\.

CH20CH3

/

Según la regla n. 0 2, el grupo isopropilo tiene prioridad sobre el etilo y el grupo dimetoximetilo sobre el metoximetilo

/~=~,

CH3CH2

CH(OCH3)2 1

(.E)-3-Etil-4-metil-1, l -dimetoxi-2-(metoximetil)-2-penteno

Cuando una molécula contiene más de un doble enlace, cada uno de los prefijos E o Z va precedido del localizador más bajo del doble enlace correspondiente.

H

'\.S

H

4/

/c=c,

H3C 6

/"

C=C

/3

H

2'\.

COOH 1

Ácido (2E, 42)-2,4-hexadienoico

A veces se prescinde de la nomenclatura de la IUPAC para nombrar ciertos grupos que poseen un doble enlace. Son los siguientes: Vinilo

-CH=CH2

A/Do

-CH2-CH=CH2

IsopropenUo

-C=CH2 1

CH3

302

QUÍMICA ORGÁNICA

Por ejemplo: Bromuro de vinilo Cloruro de alilo

10.3. Propiedades físicas de los alquenos Las propiedades fisicas de los alquenos son prácticamente idénticas a las de los alcanos. El punto de ebullición de una serie homóloga de los alquenos va incrementándose en unos 30 ºC por cada grupo -CH2- y, al igual que en los alcanos, las ramificaciones hacen descender el punto de ebullición. En la Tabla 9.1 se dan algunos ejemplos. Tabla 9.1. Puntos de ebullición de alquenos

Eteno (Etileno) Propeno

CH2==CH2 CH3CH=CH2

-102

Metilpropeno

CH3-C=CH2

-7

-48

tH3 1-Penteno 3-Metil-1-buteno

CH3CH2CH2CH=CH2

30

CH3C(HCH=CH2

25

CH3 Aunque los alquenos son considerados como compuestos no polares, son ligeramente más solubles en agua que los alcanos, debido a los electrones n que son atraídos por los hidrógenos del agua que tienen una carga ligeramente positiva. Por otro lado, son solubles en la mayoría de los disolventes orgánicos. La densidad que presentan es inferior a la del agua y aproximadamente igual a la de los alcanos de la misma magnitud molecular.

10.4. Reacciones de adición al doble enlace Tres reacciones típicas de alquenos son las reacciones con hidrógeno, cloro y cloruro de hidrógeno. Cada una de estas reacciones es una reacd6n de adid6n. En cada caso, el reactivo se ha adicionado al doble enlace del alqueno sin pérdida de ningún átomo.

303

ALQUENOS

H2

~-----

H

H

1

1

el

el

eH2-eH2

eI2 1 1 - - - - - - eH2-eH2

H

el

HCI 1 1 '----------- CH2-CH2

Se puede decir, que una reacción característica de los compuestos insaturados es Ja adición de reactivos a Jos enlaces n. En la reacción de adición a un alqueno, el enlace n se rompe y su par de elec-

trones se emplea en la formación de dos nuevos enlaces a. Los átomos de carbono con hibridación s¡I pasan a tener una hibridación s¡fi. s¡Í3

11 \1

-e- el

1

Como los compuestos que contienen enlaces nsuelen ser de mayor energía que los que contienen únicamente enlaces a, las reacciones de adición son generalmente exotérmicas. Los electrones n en el doble enlace carbono-carbono atraen a los electróflJos (E+), tales como H+, por tanto, muchas reacciones de los alquenos se inician por un ataque electrómo dando lugar a un carbocatión y éste a su vez es atacado por un nucleófilo. ~

2 e-

en el enlace 1C

H+

\'.F)

~w~

~

Alqueno

Carbocatión

o

10.4. 1. Adición de halogenuros de hidrógeno

La adición de halogenuros de hidrógeno a alquenos para preparar halogenuros de alquilo se utiliz.a como una reacción de síntesis.

304

QUÍMICA ORGÁNICA

La reactividad relativa de los halogenuros de hidrógeno en esta reacción es la siguiente: HI > HBr > HCI > HF

Los halogenuros de hidrógeno tienen un enlace altamente polar H-X y pueden perder fácilmente un H+ que es atraído por el enlace n de un alqueno. Primer paso Oento):

L H ~I:.. CH3CH=CHCH3

--+-

2-Buteno

[Clf3CH!HCHJ

+ : 9:

Carbocatión intermedio

Segundo paso (rápido): :CI: H

[CH3CH¿HCH3]

1

1

+ :et: ---- CH3CHCHCH3

Como el ataque inicial es efectuado por un electrófilo se dice que la adición de halogenuros de hidrógeno a un alqueno es una reacdón de adición electrórtla. Regla de Markovnikov

Si el alqueno es asimétricot cabría la posibilidad de obtener dos productos distintos en la reacción de adición de HX. Por ejemplo: CH3CHH-CH2Cl CH3CH=CH2

Propeno (asimétrico)

HCI ----<

1-Cloropropano Cl 1

CH3CH-CH2H

2-Cloropropano

Normalmente, predomina uno de los productos de adición sobre el otro. En 1869, Vladimir Markovnikov formuló la regla empírica siguiente:

En las reacciones de adición de HX a alquenos asimétricos, elH + del HX se une al carbono del doble enlace que esté sustituido por el mayor número de hidrógenos. Se puede predecirt por tanto, el producto mayoritario en los siguientes casos:

305

ALQUENOS Cl 1

CH3CH-CH2H 2-Cloropropano

Br H 1

1

(CH3)2C-CHCH3


l-Yodo-1-metilciclohexano

Se dice que la reacción es una reacción regioselectiva (del latín regio, dirección). Cabe preguntarse: ¿por qué la reacción sigue esta regla? Para contestar la pregunta hay que recordar el mecanismo de esta reacción. El primer paso es la formación de un carbocatión. Para el propeno se formarán dos posibles carbocationes.

l

Vº+ B+ [CH3CH-CH2

H 1

+

CH3CHCH2

1°, menos estable

estado de transición

H

e;+ Vº+]

[CH3CH=-=CH2

+

1

CH3CHCH2

estado de

2°, más estable

transición

El orden de estabilidad de carbocationes es 3° > 2º > 1° (sección 5.6.3). Considerando el ejemplo anterior, en el primer caso el carbocatión obtenido es primario y menos estable que el segundo carbocatión que es secundario. Por tanto, el producto mayoritario en la reacción del propeno con HX será: X

HX

1

CH3CH=CH2 - - CH3CH-CH2H

306

QUÍMICA ORGÁNICA

En algunos casos de alquenos sustituidos podrá haber transposiciones, dependiendo de la estabilidad del carbocatión intermedio (ver sección 5.6.4). Adición de HBr anti·Markovnikov

La adición de HBr a alquenos, a veces, no transcurre según la regla de Markovnikov (no sucede con HCl o HI) y se ha observado que esto ocurre en presencia de peróxidos o de oxígeno en el medio de la reacción. Lo que sucede es que tanto el dirradical estable 0 2, como los peróxidos (ROOR), se rompen fácilmente originando radicales libres. La reacción transcurre por el mecanismo indicado a continuación: ROOR - - - - 2 Ro• Ro• + HBr - - - - ROH + Br·

•

•

CH3CH=CH2 + Br· - - - - CH3CHyH2 + CH3THCH2 Br

Br

Cuando el radical Br- ataca al alqueno se forma el radical libre más estable. La estabilidad de los radicales libres, es del mismo orden que el de los carbocationes, es decir, 3° > 2° > 1° (sección 2.5.2). El resultado del ejemplo anterior es que se obtiene el 1-bromopropano que no sigue la regla de Markovnikov. HBr peróxidos

CH3CH=CH2 - - - - - CH3CHCH2Br 1

H

10.4.2. Adición de ácido sulfúrico y agua

El ácido sulfúrico se adiciona a los alquenos igual que lo hacen los halogenuros de ácido. El producto resultante es un sulfato ácido de alquilo. OS03H 1

CH3CH=CH2 + H- OS03H

CH3CH-CH2H

Sulfato ácido de 2-propilo

La reacción sigue la regla de Markovnikov, y tiene interés sintético ya que los sulfatos ácidos de alquilo se hidrolizan fácilmente y se obtienen alcoholes. OH HOH 1 - - - CH3CH-CH3 + HHS04

2-Propanol

307

ALQUENOS

También se utiliza la reacción para separar mezclas de alcanos y alquenos, ya que los primeros quedan sin reaccionar. La adición de H20 se lleva a cabo en presencia de ácido sulfúrico diluido y el resultado es un alcohol (producto Markovnikov). CH3

CH3

CH3 OH

1 H+ 1 + H20 1 1 CH3-CH-CH=CH2 -CH3-CH-CH-CH2H CH3-CH-CH-CH2H

3-Metil-1-buteno

3-Metil-2-butanol

Cabe destacar que esta reacción es muy útil en síntesis de alcoholes secundarios y terciarios, pero los alcoholes primarios se obtienen por otros procedimientos que se verán en la sección 10.4.4.

10.4.3. Adición de sales de mercurio La hidratación de un alqueno utilizando acetato de mercurio y H20 se denomina oximercuriación. El producto resultante se reduce con borohidruro sódico (NaBH 4) en una reacción posterior denominada desmercuriación, para obtener un alcohol con mejores rendimientos que en casos anteriores. Oximercuriación:

~

CH3CH2CH2CH =CH2

?i

CH3COHgOCCH3

1-Penteno

HOH

El producto obtenido sigue la regla de Markovnikov. Si se emplea un alcohol, en vez de agua, lo que se obtendá será un éter.

10.4.4. Adición de boranos El diborano, B2H6, es un gas tóxico que en solución de dietil éter se disocia en borano (BHa). Éste reacciona rápidamente y de forma cuantitativa con la mayoría de los alquenos para dar organoboranos. La reacción transcurre en tres etapas y se denomina reacción de hidroboración.

308

QUÍMICA ORGÁNICA

Primera etapa: H 1

B- H 1

H

Segunda etapa: CH2=CH2 + CH3CH2BH2

Tercera etapa: CH2=CH2 + (CH3CH2)2BH

(CH3CH2hB Trietilborano

El borano es diferente de otros reactivos ya mencionados, puesto que el H, en este caso, es la parte electronegativa de la molécula en lugar de positiva como en el caso del HCl o del H20. Así pues, cuando el borano se adiciona a un doble enlace, el hidrógeno (como ion hidruro, H-) se une al carbono menos sustituido por hidrógenos. El resultado es un producto antí-Markovnikov.

La importancia de la reacción radica en el hecho que los organoboranos son fácilmente oxidados a alcoholes en presencia de peróxido de hidrógeno en medio alcalino, a menudo con rendimientos del 90-100%. BH3

l

H202

ou-

3CH3(CH2)5CH20 H 1-Heptanol producto anti-Markovnikov

Estereoquímica de la hidroboración Cuando el borano se adiciona al doble enlace los átomos de boro y el hidruro lo hacen simultáneamente sin llegar a formar un carbocatión. Por tanto, en productos tales como 1-metilciclohexeno el átomo de boro y el átomo de hidrógeno están en posición cis"uno respecto a otro. Una reacción de adi-

309

ALQUENOS

H BH2

R''\'JC-C\''''H H

H


ción en la que las dos especies se adicionan por el mismo lado se llama adición cis o adición sin.

10.4.5. Adición de halógenos La adición de X2 a un alqueno se asemeja a las reacciones de adición expuesanteriormente, pero presenta ciertas particularidades. Cuando el X2 se acerca a los electrones del enlace n, se induce polaridad en la molécula. tas

8+ 8-

X- X H,

,H ', 5- ;'

~C=C" H

H

La polariz.ación va en aumento hasta que se rompe el enlace. El resultado es un ion haluro ex-) y un ion halogenonio, en el que el halógeno forma un puente entre los carbonos.

Ion bromonio

El ion bromonio es atacado rápidamente por el nucleófilo (X-).

310

QUÍMICA ORGÁNICA

Si el alqueno es asimétrico, la carga positiva quedará en el carbono más sustituido, siguiendo el orden de estabilidad de los carbocationes. Por ejemplo:

c. .

.. r!·

:Br- Br:

l CH3-CH~H2 .. Br:ó+

[

CH3CH=CH2

o+

Propeno

Ion bromonio asimétrico

El ion bromonio sólo existe momentáneamente en solución, por lo que es rápidamente atacado por un nucleófilo (en este caso Br-). El ataque del ion bromuro tendrá lugar por la parte inferior de la molécula, ya que la parte superior está bloqueada por el puente del ion bromonio. H

~ .o+

4

1

CH3 \ / . 7-C\''''H :Br: H

~

~··e-e·~··~

~ó+

CH3

.. _

:Br:

..

:Br:

~

l Br: H

H

H

1,2-Dibromopropano

Una adición en la que las dos especies entran por lados opuestos se denomina adición anti. La bromación de alquenos es estereoselectiva, ya que se obtiene predominantemente un sólo estereoisómero. El producto obtenido sigue la regla de Markovnikov. La adición de cloro o bromo en presencia de agua, puede dar compuestos que contienen halógeno y un grupo hidroxilo en átomos de carbono adyacentes. Son cloro o bromoalcoholes, y se denominan halohidrinas. Br2, H20 CH;r-CH2

CHz-CH2

1

1

Br El mecanismo consistiría en la formación del ion halogenonio, como en el caso anterior, y posteriormente reaccionaría con agua para dar la halohidrina: OH

[¿~~CHJ Ion halogenonio

X + HzO

Ion halogenonio

1

X - H+

1

1

1

1

1

- - - -e-e- ---- -e-el

1

OH2

+

La orientación sigue también la regla de Markovnikov.

OH Halohidrina

311

ALQUENOS

10.4.6. Adición de carbenos Los carbenos, que como ya se ha visto en Temas anteriores son intermedios muy reactivos, pueden también adicionarse a los dobles enlaces.

'e/

'e/ + :CH2

11

/'"

1

) CH2

/'"

La reacción es muy importante porque permite crear un anillo de tres miembros a partir de un doble enlace. Es una adición sin.

10.5. Reducción del doble enlace. Hidrogenación catalítica La adición de hidrógeno gas a un alqueno es una reducción de un compuesto con enlace n. La reacción se lleva a cabo en presencia de catalizadores como Pt, Pd o Ni y constituye el método más importante para sintetizar alcanos. También es una adición sin.

H H 1

1

-1-1Por ejemplo:

Estabilidad de los alquenos

El calor de hidrogenación de un alqueno se define como la diferencia de energía entre el alqueno de partida y el alcano obtenido. Si se comparan los calores de hidrogenación, por ejemplo del 1-buteno (-30,3 kcal mol-1), del W-2-buteno (-28,6 kcal mol-1) y del trans-2-buteno (-27,6 kcal mol-1) se observa que el ~2-buteno es el más estable. Precisamente al comparar las estabilidades relativas de un gran número de alquenos se ha llegado a establecer las siguientes conclusiones: 1) Al incrementar la sustitución por grupos alquilas en los carbonos del doble enlace se incrementa la estabilidad. CH2=CH2

RCH=CH2

RCH=CHR

R2C=CH2

Incremento de la estabilidad

R2C=CHR

R2C=CR2

312

QUÍMICA ORGÁNICA

2) Los alquenos trans son más estables que los alquenos cis. H

H

"/ e

H

H

"/ e

/ 'c=c/ "

H

/

H

H

"

H

"/ e

H

/ 'c=c/ H / "/ H /e,

H

H

H

Menos estable

H H Más estable

10.6. Oxidación del doble enlace Los alquenos pueden ser oxidados con facilidad, por una variedad de compuestos tales como KMn04, 0 3, Os04, etc. Las reacciones implican la oxidación del doble enlace carbono-carbono y se pueden clasificar en dos grupos generales: 1) oxidación del enlace n sin ruptura del enlace u, y 2) oxidación del enlace n con ruptura del enlace u. Sin ruptura:

[O]

?"?"

-e-e-

o

l

1

1,2-Diol o Glicol

Con ruptura:

[O]

~

-cCetonas

o

~

-CH Aldehídos

~

-C-OH

o

Ácidos carboxílicos

10.6. 1. Formación de dioles El reactivo más común para convertir un alqueno en diol es una solución alcalina de permanganato potásico. Por ejemplo: HOH

CH2 --CH2 + Mn02 + OH1

1

OH

OH

c.is-Diol

313

ALQUENOS

El inconveniente que presenta esta reacción es que puede proseguir con ruptura del enlace u carbono-carbono formando cetonas o ácidos carboxílicos. Para evitar este problema también se utiliza el tetróxido de osmio (OsO.J que da una reacción más limpia y conduce también a glicoles cis.

1

1

-1-10H OH

10.6.2. Formación de epó.xidos Otra de las reacciones características de olefinas es la formación de epóxidos, que son éteres cíclicos de tres eslabones. La reacción se lleva a cabo con peroxiácidos orgánicos (R-COOOH), que contienen en su molécula el grupo peróxido (-0-0-H), que es el que actúa como oxidante (ver sección 19.8).

~C=<

)í\-f(

+ R-COOH

o Epóxido

Los peroxiácidos que más se utilizan con este fin son los ácidos peracético (CH 3-CO-O-OH) y perbenzoico (C 6H5-CO-O-OH). Por ejemplo: CH:rCOOOH CH3-CH= CH-CH3 - - - - - CH3-CH-CH-CH3 + CH3-COOH

'-o/

Óxido de 2-buteno

10.6.3. Ruptura del doble enlace con permanganato potásico Una solución concentrada y caliente de permanganato potásico (KMnO.J es un potente agente oxidante de olefinas que da cetonas o ácidos carboxílicos, dependiendo de la sustitución que presenten los carbonos del doble enlace.

314

QUÍMICA ORGÁNICA

Por ejemplo: H3C".

/CH3

o Mn04-

/c=fc"H3C

A

CH3

H3C".

/CH3

11

11

CH3-C-CH3 +

CH3-C-CH3

Acetona

Acetona

o Mn04-

/c=fc"H

o

11

CH3-COOH +

CH3-C-CH3

Ácido acético

CH3

Acetona

10.6.4. Ruptura del doble enlace por ozonólisis

La ozonólisis (ruptura por ozono) ha sido muy utilizada para determinar estructuras de compuestos insaturados, ya que da compuestos más sencillos y por tanto más fáciles de identificar. La molécula de ozono consiste en tres átomos de oxigeno unidos en cadena. Su estructura se representa como un híbrido de resonancia. +

+

h~;o~~t ---:~~: ---:op>' o: La ozonólisis consiste en dos reacciones: 1) oxidación del alqueno por el ozono para dar un ozónido, y 2) oxidación o reducción del ozónido para dar el producto final. Se puede ver con un ejemplo:

H3C

CH3

)e=<

H

.. o .ü/ "'ri.

CH3

ozono + 03

.\ r

CH3-C-C-CH3 1

H

1

CH3

1,2,3-Trioxolano varios pasos

315

ALQUENOS

El segundo paso será la reducción del ozónido, o la oxidación.

Reducción. origina aldehídos y cetonas. Zn

?i

CH3-CH + Acetaldehído

?i

CH3-C-CH3 Acetona

Oxidación. origina ácidos carboxílicos y cetonas.

o

o

11

11

CH3-COH + Ácido acético

CH3-C-CH3 Acetona

La ozonólisis de olefinas cíclicas daría resultados similares.

U Cil3

Zn

03

Ozón!do

?i

?i

CH3CCH2CH2CH2CH2COH

1-Metilciclohexeno

Si se compara la oxidación del doble enlace con permanganato y con ozono, se ve claramente que por este último método se pueden obtener aldehídos además de ácidos carboxílicos y cetonas.

10.7. Polimerización Una propiedad muy interesante que presentan los alquenos es su capacidad para polimerizarse y, consecuentemente, dar poUmeros. Los compuestos simples que dan origen a los polímeros se denominan monómeros. Por ejemplo: cataliz.ador '----y------'

Monómero

'----y------'

Polietileno

'----y------'

316

QUÍMICA ORGÁNICA

Un polímero se representa indicando la unidad que se repite entre paréntesis y una x para indicar un gran número de unidades. Así pues, el polietileno sería: +CH2-CH2ix. Las reacciones de polimerización tienen gran interés, puesto que son la base para la obtención de plásticos y fibras. Son reacciones de poliadición que pueden ser catalizadas por radicales libres, cationes o aniones. Una polimerización muy común de los alquenos es la catalizada por radicales libres, denominada polimerización radicalaria. La reacción se inicia con un catalizador o un iniciador tal como el 0 2 o un peróxido. Por ejemplo:

iniciador Poliestireno

Hay tres fases en la polimerización por radicales libres. Iniciación.

Propagación. •

RO-CH2? H

CH2= 1H

+

CsHs

CsHs

Terminación: a) Por acoplamiento:

~-CH2CH

CHCH2--i

+

1

1

CsHs

CsHs

b) Por desproporción:

~-CH2CH 1

CsHs

+

CHCH2--i 1

CsHs

317

ALQUENOS

Otra forma de polimerizarse los alquenos es por polimerización iónica. La reacción transcurre a través de carbocationes o carbaniones como intermedios. En la polimerización catiónica, generalmente, se utiliza un ácido de Lewis

para generar el primer carbocatión. El esquema seria el siguiente: CH2= CHX

+

- - - A-CH2-TH

X +

-

A-CHr-CH-CH2-CH-CH2CH ... 1

1

X

X

1

X

donde A es un ácido de Lewis. La cadena se interrumpe cuando el carbocatión se estabiliza, perdiendo un protón. Es evidente que en la polimerización se puede parar la reacción en los primeros estadios teniendo como resultado dímeros, trímeros, tetrámeros, etc.

Por ejemplo:

varios

pasos

La polimerización aniónica puede conseguirse tratando el correspondiente monómero con una base: ~

~

:B- + CH2= CH 1

X

CH2= CHX B-CH2CH B-CHz-CH-CH2-CH ... 1

X

1

X

1

X

En este caso la terminación puede tener lugar por reacción con alguna otra molécula que esté en el medio y no forme parte del sistema de polimerización,

como por ejemplo una impureza. Ziegler y Natta (Premios Nobel en 1963), consiguieron llegar a polimerizaciones estereoselectivas y estereoespecíficas, mediante el empleo de determinados

318

QUÍMICA ORGÁNICA

cataliz.adores que llevan su nombre (son complejos organometálicos de metales de transición; se obtienen por reacción de un bialquilalurninio con tetracloruro de titanio). Por ejemplo:

Los polímeros se estudiarán en cursos superiores, por ello sólo se han introducido unas breves nociones sobre ellos. En la Tabla 9.2 se muestran algunos polímeros comunes. Tabla 9.2. Polímeros comunes y sus monómeros

Eteno Cloroetileno (Cloruro de vinilo) Tetrafluoroeteno Fenileteno (Estlreno)

H2C=CH2 H2C=CHCI

Polietileno Cloruro de polivinilo (PVC)

F2C=CF2

Teflón Poliestireno

vH~CH2

H,c~c(

Propenonitrilo (Acrilonitrilo) 2-1\ietilpropenoato de metilo (M:etacrilato de metilo)

N

Orión

Plesiglás

CH3

H2C~c\:

OCH3

¿

10.8. Métodos de obtención de alquenos Se comprende fácilmente que si las reacciones más características de los alquenos son las de adición al doble enlace, los métodos de obtención se basarán en reacciones contrarias, es decir, en reacciones de eliminación. Como esquema general, se tiene: 1

1

l

1

-e-eA

B

)e=<

+ AB

319

ALQUENOS

Deshidrohalogenación de halogenuros de alquilo

Los halogenuros de alquilo pueden experimentar reacciones de eliminación, El y E2, con pérdida de una molécula de hidrácido cuando se tratan con disoluciones concentradas y calientes de bases fuertes, como se vio en el Tema 6 (ver sección 6.2). 1

1

:B-

l

1

etanol

-e-e-

H X

A

Por ejemplo: /CH3 CH2H-CH-cu , 1 CH3 Br

KOH

E2

/eH3 eH2=eu-cu , CH3 + 2 BrK + 2 HOH

/eH3 + eH2H-eH=c, CH3 Mayoritario

En este caso será más estable el segundo alqueno por ser el más sustituido. Ahora bien, como se ha señalado ya anteriormente, el alqueno más sustituido puede existir en su caso como estereoisómetros cis y trans. Experimentalmente se ha determinado que los alquenos transson, generalmente, más estables que sus isómeros cis, presumiblemente por el menor impedimento estérico que presentan. Por lo tanto, no es sorprendente que en las reacciones de eliminación E2 predominen los alquenos trans. La ecuación siguiente muestra los resultados de la eliminación del 2-bromopentano: eH3CH2CH2eH=eH2 1-Penteno 31% eH3CH2"Br 1

CH3eH2eH2eHeH3 2-Bromopentano

/ eH3

;c=c,

H

H + BrH

cis-2-Penteno 18% eH3CH2"-

~

;c=c,

H

eu3

trans-2-Penteno 51%

320

QUÍMICA ORGÁNICA

Estereoquímica de la reacción E2 En el estado de transición de una eliminación E2, la base ataca por el lugar más alejado del grupo saliente o anti. Por esta razón la reacción de eliminación E2 se denomina eliminación anti

R~ ~

Hrt-CHs H ?.H

H

Br

H

Cabe destacar, de esta eliminación, que la posición anti en la que se encuentran el H y el Br que se pierden, determina la estereoquímica del alqueno obtenido. El ejemplo que se indica a continuación, considerando dos halogenuros estereoisómeros, sirve para ilustrar lo expuesto anteriormente: El compuesto 1-bromo-1,2-difenilpropano tiene dos átomos de carbono quirales y por tanto cuatro estereoisómeros. H '\_2

f eH5

CjjHs H~.

'\. Br

/ Br

1~H

..e-e

CeHs~'"I

H3C

H /

e-eV''qC . H

• 6 5 CH3

(lS, 25)

(lR 2RJ

Enantiómeros

Enantiómeros

Cualquiera de ellos dará como producto de eliminación C6H5 (CH3)C=CHC6H5 que presentará isomería cis-trans. CH3-CH-CHBr + -oR 1

HsCs

1

CsHs

E2

CH3-C=CH + ROH + Br1

1

HsCs CsHs

321

ALQUENOS

Cuando el (lR 21"-l-bromo-l,2-difenilpropano o su enantiómero (lS, 2S) eliminan HBr, a través de un proceso E2, se forma exclusivamente el alqueno Z. E2

HsCa

CaHs '-c= C/ H3C/ H

"

(2)-1,2-Difenilpropeno

La razón por la que sólo se forma el producto Z y no el E es que solamente es posible una conformación de cualquiera de los enantiómeros de partida, que tenga el Br y el H-/J en posición anti H

CeHsytyH

-HBr

C5H5~CH3

E2

Br

(1~

2RJ

ZAlqueno

La situación contraria ocurrirá con los enantiómeros (lR 2S) y (lS, 21", es decir, darán el alqueno E y no el alqueno Z.

H

H

CaHsytyH

ttytycsHs 0

CH3~CsHs

CsHs~CH3

Br

-HBr E2

Br

(1~ 25)

(IS.

2RJ

E-Alqueno

Deshidratación de alcoholes

Cuando los alcoholes se calientan en medio ácido eliminan una molécula de agua, dando lugar a un alqueno. 1

1

l

1

-e-eH OH

Los ácidos que se utilizan son ácidos minerales fuertes y concentrados, como el sulfúrico por ejemplo, y la reacción se suele llevar a cabo a altas temperaturas (ver sección 7.4.3).

322

QUÍMICA ORGÁNICA

La facilidad con que se deshidratan los alcoholes sigue el mismo orden que la eliminación de haluros de alquilo, es decir, 3° > 2° > 1°. Cuando se deshidrata un alcohol se cwnple la llamada regla de Saytzeff. Según dicha regla el protón se elimina, preferentemente, del átomo de carbono menos hidrogenado, obteniéndose el alqueno más sustituido. Por ejemplo:

eH3-eH2-eH-eH-eH2 1

1

H

1

OH H

2-Pentanol

Deshalogenación de halogenuros vecinales

Cuando un dihalogenuro vecinal se calienta en presencia de Zn en polvo o yoduro sódico se deshalogena dando alquenos. 1

1

Zn

1

oNal

-e-el

X

)e= <

+

ZnX2 o 2 NaX

+

12

X

Por ejemplo:

eH3-eH2-eH-eH-eH3 1

Br

Zn

1

eH3-eH2-eH= eH-eH3 + ZnBr2

Br

Hidrogenación de alquinos

Esta reacción se verá en el Tema 12. H

-e==e-

H

)e= <

Reacción de Willig

La reacción entre compuestos carbonilicos e iluros de fósforo se denomina reacción de Wittig, y constituye un buen procedimiento para la obtención de alquenos (ver Tema 15).

-

ALQUENOS

323

Resumen de conceptos importantes l. La reactividad de los alquenos se debe a su enlace ny se pone de manifiesto

dando reacciones exotérmicas de adición para dar productos saturados. 2. Los alquenos son susceptibles de un ataque electrófilo, dando reacciones de adición conduciendo a productos saturados. Si el alqueno y el reactivo son asimétricos la reacción transcurre a través del carbocatión más estable (Regla de Markovnikov). Si la reacción transcurre a través de un puente iónico es estereoselectiva. Las reacciones de hidrogenación, hidroboración y adiciones de carbenos son adiciones sin y son estereoespeciflcas. 3. Los alquenos acíclicos trans son más estables que los cis. 4. La oxidación de alquenos conduce a cls"-1,2-dioles, epóxidos, cetonas, aldehídos o ácidos carboxílicos. 5. Los alquenos presentan gran capacidad para polimerizarse. Los polímeros son largas cadenas compuestas por unidades repetidas que se han formado a partir de la unión de los monómeros. 6. Una de las principales vías de obtención de alquenos es la deshidrohalogenación de halogenuros de alquilo mediante un mecanismo E2. Esta reacción de eliminación tambien se denomina eliminación an6.

324

QUÍMICA ORGÁNICA

E¡ercicios de autocomprobación l. Nombrar, según las reglas de la IUPAC, los siguientes alquenos: a)

CHs CH3CH2

tH-CHs

~C=<

H

b)

OCHs

H

c)

CH2CH3 CHs-CH2-CH-¿H-CH=CH2 1

CH3 d)

2. Formular, según las reglas de la IUPAC, los siguientes hidrocarbu-

ros: a) (2)-4-0cteno b) (E}-3-Hepteno c) Ácido (E}-3-fenil-2-butenoico d) (E}-4,5-Dietil-4-octeno 3. Formular las siguientes reacciones:

a) Isobuteno con ácido hipocloroso. b) 2-Metil-1-buteno con Brl. c) 4,5-Dietil-4-octeno con ozono y posterior hidrólisis. d) 2,3-Dimetil-2-buteno con ácido perbenzoico. e) 2-Metil-1-penteno con ácido bromhidrico en presencia de peróxidos.

ALQUENOS

325

4. Síntetizar los siguientes alquenos:

a) 2-Metil-2-penteno a partir de un derivado halogenado. b) 1-Buteno a partir de un derivado dihalogenado. c) 3-Metil-2-hexeno a partir de un alcohol. d) 2,3-Dimetil-2-buteno a partir de 2,3-dimetil-1-buteno. 5. Formular las siguientes reacciones: a) 1-Penteno con NBS (N-bromosuccinimida):

NBS -

b) 2-Metil-2-buteno con ácido sulfúrico y agua. c) Isobuteno con diborano y, a continuación, con peróxido de hidrógeno e hidróxido sódico. d) 3-Metil-3-hexeno con acetato mercúrico acuoso y posterior tratamiento con borohidruro sódico.

e) Ozonólisis, en medio reductor, de 3-metil-2-penteno. 8. ¿Qué alqueno de cada una de las siguientes parejas tendrá mayor diferencia de energía entre sus isómeros cis y trans?

a) (CH3)3CCH=CHCH2CH3 y CH3CH=CHCH3 b) CICH=CHCl y CH3CH=CHCH2 Cl 7. Partiendo de un alqueno, sintetizar el producto siguiente: Br

8. Clasificar las siguientes especies iónicas por orden decreciente de estabilidad.

326

QUÍMICA ORGÁNICA

a) CH3-CH2-CH2

b) CH3-C-CH2-CHr-CH3 1

CH3 e) CH3-CH-CH2-CH3

d) CH3-CH=CH-CH-CH=CH2 e) CH3-CH-CH=CH2

9. Proponer tres métodos de síntesis, basados en reacciones de eliminación, para el 3-hexeno. ¿Cuál de ellos sería más efectivo?

327

ALQUENOS


l. a) cis-2-Metil-3-hexeno b) 1-Metilciclohexeno c) 3-Etil-4-metil-1-hexeno d) (2)-2-Bromo-2-buteno 2.

1\ -

a)

JI

/C-~

CH3-CH2-CH2 H

b)

CH2-CH2-CH3 CH2-CH3

"'c=c/ CH3-CH2-CH{ )i c) CH3

COOH

"'c=c/ Hsc{ \i d)

CH3-CH~

/CH2-CH2-CH3

/C=C"-. CH3-CH2-CH2 CH2-CH3

3. a) Se trata de un proceso típico de adición electrófila: OH-Cl

ou-

+

Cl+

c1+ OHCH3-C=CH2 - - CH3-C-CH2-Cl - 1

1

CH3

CH3 OH 1

- - CH3-C-CH2-Cl 1

CH3

b) Se trata de un proceso típico de adición electrófila: Br-1

328

QUÍMICA ORGÁNICA

La ionización se produce así, por ser más electronegativo el átomo de bromo:

+

CH3-CH~

2

/ CH3-CH2-CH2

C=O

d)

CaH 5-C0-0-0H

H3C~CH3 H3G

e)

CH3 HBr

1

R-o·

CH3-CH2-CH2-C=CH2

CH3 1

- - CH3-CH2-CH2-CH-CH2-Br

4. a)

CH3 1

CH3-?-CHz-CH2-CH3 Br

KOH EtOH

CH3 1

- - CH3-C=CH-CH2-CH3

b'

CH3

329

ALQUENOS

b) CH3-CH2-CH-CH2-I

Zn

t - - Znl2 + CH3-CH2-CH=CH2 CHs

c)

CH3-CH2-CH2-tH-CH-CH3

ÓH CHs - - CH3-CH2-CH2-t=CH-CH3 d)

CH3 CH3

CH3 CH3

CH3-tH-t=CH2 HBr CH3-tH-t-CH3 KOH

¿r

EtOH

En la reacción de deshidrohalogenación se forma la olefina más sustituida, por ser más estable.

5. a) La N-bromosuccinimida es un reactivo específico para llevar a cabo una halogenad6n alilica, ya que la reacción transcurre a través de radicales. La mezcla del alqueno con el reactivo se irradia (ver sección 2.5.2). NBS hv Br - - CH3-CH:r-tH-CH=CH2

330

QUÍMICA ORGÁNICA

-i

2 6 c) CH3-C=CH2 B H (CH -Clt--CH 1 3 1 2 CH3 CH3

2 2 B H0 NaOH 3

- - CH3-CH-CHr-OH 1

CH3 d)

CH3 1

CH3-CH2-<'.::=CH-CH2-CH3

Hg(OAc)2 H20

CH3 1

- - CH3-CH2-<'.::-CH-CH2-CH3 1

HO

NaBH4

1

Hg-OAc

CH3 - - CH3-CH2-t-CH-CH2-CH3 1

1

OHH e)

CH3-CH2-y=CH-CH3 CH3

o

--

CH3-CH2-~-CH3

o +

CH3-< H

6. a) La diferencia de energía es mayor entre el cis- y trans(CHa)3CCH=CHCH2CH3 porque el impedimento estérico en el isómero cis es mayor. b) La diferencia de energía será mayor en el e.is- y transCICH=CHCI porque el isómero cis contiene mayor repulsión dipolo-dipolo entre los átomos de cloro. 7. Como es una adición anti-Markovnikov se necesita la presencia de peróxidos.

331

ALQUENOS

Br HBr peróxidos El Br- entrará por el lado opuesto al -CH3 por el impedimento estérico. 8. CH3-CH=CH-CH-CH=CH2 > CH3-CH-CH

CH2 =

= CH3-C-CH2-CH2-CH3 > 1

CH3 > CH3-CH-CH2-CH3 > CH3-CH2-CH2

9.

a) Por deshidratación del 3-hexanol, se obtendria una mezcla de 2hexeno y 3-hexeno:

?H CH3-CH2-CH-CH2-CHr-CH3 - - CH3-CH=CH-CH2-CH2-CH3 + + CH3-CH2-CH=CH-CHr-CH3

b) Por deshidrohalogenación de 3-bromohexano, el resultado seria idéntico:

KOH EtOH - - CH3-CH=CH-CH2-CH2-CH3 +

+ CH3-CHr-CH=CH-CHr-CH3

332

QUÍMICA ORGÁNICA

e) Por deshalogenación de 3,4-dibromohexano, se obtiene el alqueno deseado como único producto, luego éste es el método más conveniente: Br

Br

1

1

CH3-CH2-CH-CH-CH2-CH3

Zn A

- - CH3-CH2-CH=CH-CH2-CH3 + ZnBr2

Tema 11

Dienos

1

SUMARIO 1

1

11.1. Nomenclatura y clasificación de los dienos 11.2. Estabilidad y estructura de los dienos conjugados 11.3. Adición de electrófilos a dienos conjugados. Adición 1,2 y 1,4.

Carbocationes alílicos 11.4. Adición 1,2 vs 1,4. Control cinético vs control termodinámico 11.5. Reacciones de cicloadición de Diels-Alder 11.6. Polimerización de dienos conjugados 11. 7. Métodos de obtención de dienos conjugados


OBJETIVOS _ 1

1

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __

1

1. Conocer los diversos tipos de dienos existentes para posteriormente establecer las características diferenciadoras, en cuanto a estabilidad y reactividad se refiere, de los dienos conjugados. 2. Justificar los productos que se obtienen en la reacción de adición de electrófilos a dienos conjugados, mediante el mecanismo de la reacción. Diferenciar entre control cinético y termodinámico en dicha reacción. 3. Formular la reacción de cicloadición de Diels-Alder, un nuevo tipo de reacción en la que participan los dienos conjugados y que constituye una vía importante en la obtención de moléculas cíclicas.

4. Reconocer la importancia de los dienos conjugados como punto de partida en la síntesis de polímeros.

335

DIENOS

11. 1. Nomenclatura y clasificación de los dienos Reciben el nombre de dienos aquellos hidrocarburos no saturados que poseen dos dobles enlaces en su molécula. En un dieno, el doble enlace tiene las mismas propiedades que en un alqueno. Sin embargo, en ciertos dienos, estas propiedades se ven alteradas por la posición que ocupa el segundo doble enlace. Para nombrar los dienos se elige la cadena más larga que incluya a los dos dobles enlaces y se numera de forma que les correspondan los números más bajos. Se cambia la terminación -ano del alcano por adieno. Si es necesario indicar la geometría alrededor del doble enlace se utilizarán los prefijos cis-trans o (2)-(E). Los dienos cíclicos se nombran de igual modo.

60 2

1

1

H3C

"'.2

/C= "

~ 3

5

H

3/

Cl

4

4

6

s/CH3

i(C= C"'.H

cis, ck-2-Cloro-2,4-hexadieno (22; 42)-2-Cloro-2,4-hexadieno

1,3-Ciclohexadieno

Los dienos se clasifican, según la posición que ocupen los dobles enlaces en la cadena carbonada, en dienos aislados, conjugados y acumulados (alenos).

Aislados Los dos dobles enlaces están separados por dos o más enlaces sencillos. 1

2

3

4

5

6

1

2

6

7

CH2= CH-CH2-CH2-CH= CH2

CH2= CH- (CH2)3-CH = CH2

1,5-Hexadieno

1, 6-Heptadieno H

"'.5

3

2

1

CH2-CH= CH2

4/

7 6 /C= C"'. CH3-CH2 H

trans-1,4-Heptadieno (E)-1,4-Heptadieno

Las reacciones que experimentan los dienos aislados son las mismas que las de los alquenos sencillos.

336

QUÍMICA ORGÁNICA

Coniugados

Son sistemas en los que los enlaces dobles y sencillos se encuentran alternados. Esta disposición de los enlaces les confiere una mayor estabilidad y un peculiar comportamiento químico. Por ello, en este tema se concentrará la atención en los dienos conjugados. 5

1

2

3

H3C

'\.4

4

CH2= CH-CH= CH2 1,3-Butadieno

H

3/

/ c = c,2 1 H /'C= CH2 H tr~ 1,3-Pentadieno

(EJ-1,3-Pentadieno

Acumulados (alenos)

Los dienos con dobles enlaces acumulados, es decir, con los dobles enlaces en carbonos contiguos reciben el nombre de alenos. 5

4

3

2

1

CH3-CH2-CH= C= CH2 1,2-Pentadieno

A veces se nombran como derivados del aleno, primer término de la serie: CH2= C= CH2 CH3-CH= C= CH2

Aleno Metil-Aleno

11.2. Estabilidad y estructura de los dienos con¡ugados La caracteristica principal que diferencia a los dienos conjugados del resto de los dienos es su mayor estabilidad Una buena medida de la estabilidad la da el valor del calor de hidrogenación. Dado que el calor de hidrogenación de un alqueno terminal (RCH=CH2) es alrededor de -30 kcal mol-1, para un compuesto con dos enlaces dobles terminales, cabría esperar un calor de hidrogenación de aproximadamente el doble, -60 kcal mol-1. Para los dienos no conjugados como el 1,4-pentadieno y el 1,5-hexadieno la hidrogenación libera la cantidad de energía esperada, como puede apreciarse en la Tabla 11.1. Sin embargo, para los dienos conjugados como los 1,3-dienos los valores medidos son ligeramente más bajos.

337

DIENOS

Tabla 11.1. Calores de hidrogenación de dienos

CH2= CH2= CH2= CH2= CH2=

-60,8 -60,5 -57,1 -54,1 -71,3

CHCH2CH= CH2 (1,4-Pentadieno) CHCH2CH2CH= CH2 (1,5-Hexadieno) CHCH= CH2 (1,3-Butadieno) CHCH= CHCH3 (1,3-Pentadieno) C= CH2 (1,2-Propadieno o aleno)

F.sto significa que los dienos conjugados son más estables que los no conjugados, ya que en éstos no hay interacción estabilizante entre los dos dobles enlaces. En los alenos, como el 1,2-propadieno, los calores de hidrogenación son mayores, y por tanto, son los dienos más inestables. Para explicar la mayor estabilidad de los dienos conjugados, se va a recurrir al estudio estructural del dieno conjugado más sencillo, el 1,3-butadieno: CH2= CH-CH= CH2

Todos los carbonos presentan hibridación s¡I- y por tanto, se unen entre sí mediante enlaces a s¡l--s¡I-. Entre los carbonos C1-C 2 y C3-C4 se forman dos enlaces n por solapamiento de los dos orbitales atómicos p sin hibridar, con un electrón cada uno. Pero como se observa en la Figura 11.1 también hay un solapamiento de orbitales p entre los carbonos C2 y C3, aunque este enlace n es más débil. F.ste hecho lleva consigo dos implicaciones importantes: l. Entre los carbonos C2 y C3 hay un cierto carácter de doble enlace, siendo la longitud de enlace 1,47 A, en comparación con 1,53 Ade un enlace sencillo a. Enlace 1r:

Enlace ir

débil

'

1,47 A

Figura 11.1. Interacción entre orbitales atómicos p que dan lugar a enlaces 11: en la molécula de 1,3-butadieno.

338

QUÍMICA ORGÁNICA

2. Este solapamiento n débil entre los carbonos C2 y C3 resta algo de carácter de doble enlace a los carbonos C1-C 2 y CrC 4, por lo que los dobles enlaces del 1,3-butadieno tienen menor carácter de doble enlace que los de un alqueno normal.

11.3. Adición de electrófilos a dienos con¡ugados. Adición 1,2 y 1,4.

Carbocationes alílicos Los dienos conjugados además de ser más estables que los no conjugados, también son más reactivos frente a agentes electrófilos y otros reactivos, debido a la mayor densidad electrónica motivada por la presencia de electrones n. Van a experimentar las mismas reacciones de adición que los alquenos, pero con ciertas diferencias, que se estudiarán a continuación. Asi por ejemplo, cuando un dieno conjugado se trata con exceso de halógeno se obtiene el derivado tetrahalogenado: -e= e-e= e1

1

1

1

Br-Br

1

1

1

1

l

1

1

1

-e-e-e-e-

exceso

Br Br Br Br

Pero cuando un dieno conjugado se trata con un mol de reactivo electrófilo se obtienen dos productos: el producto de adición 1,2 y el producto de adición 1,4. Así, la reacción del 1,3-butadieno con Br2, HCl y H2 dará: eH2= eH-eH= eH2 t H-eI

Jer-Br

eH2-eH-eH= eH2 1

Br

1

eH2-eH-eH= eH2 1

H

Br

l H-H

1

eH2-eH-eH= eH2 1

H

el

1

H

Adición 1,2

Adición 1,2

Adición 1,2

+

+

+

eH2-eH= eH-eH2

eHr-eH= eH-eH2

eH2-eH= eH-eH2

1

1

Br

Br Adición 1,4

1

1

H

el Adición 1,4

1

1

H

H Adición 1,4

De forma general, para cualquier dieno conjugado la adición de un mol de reactivo electrófilo YZ conduce a los dos productos de adición.

339

DIENOS

1

1

1

YZ

1

-C= C-C= C-

1

1

1

1

-C-C-C= C-

1

+

1

1

1

-C-C= C-C-

y1 z1

y1

Adición 1,2

z1

Adición 1,4

Para comprender la formación de los dos productos es necesario recurrir al mecanismo de la reacción. Se ha visto que la adición electrófila es un proceso que transcurre en dos etapas (sección 10.4) y que la primera etapa conduce al carbocatión más estable (sección 5.6.3). Por ejemplo, en el caso de la adición de HBr al 2,4-hexadieno: +

CH3-CH-CH-CH= CH-CH3 1

H

Carbocatión alílico

H-~

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

+

CH3-CH-CH-CH= CH-CH3 1

H Carbocatión secundario

De los dos carbocationes sólo se forma el carbocatión alílico, que es más estable porque al estar la carga positiva adyacente a un doble enlace, ésta puede deslocalizarse. Por tanto es un híbrido de resonancia de 1y11. +~

CH3-CH-CH-CH= CH-CH3

+

-

CH3-CH-CH= CH-CH-CH3

1

1

H

H

11

1

Dicho híbrido puede representarse de la manera siguiente: CH3-CH-CH-CH-CH-CH3 1

H

+

Por tanto, en la segunda etapa de adición, el ion bromuro puede unirse a cualquiera de los extremos del sistema alílico.

340

QUÍMICA ORGÁNICA

Í Br~ CHs-CH-CH-CH-CH-CH3

Á

+

CH3-CH-CH-CH= CH-CH3

Á ~r

/

Producto de adición 1,2

~

CH3-CH-CH= CH-CH-CH3 1

1

H

Br


11.4. Adición 1,2 vs 1,4. Control cinético vs control termodinámico Ahora cabe preguntarse: ¿cuál es la relación entre los dos productos de adición, o en otras palabras, qué cantidades relativas se obtienen? La contestación a esta pregunta es la siguiente: la relación de los productos va a depender de la temperatura a la que se lleva a cabo la reacción. Cuando la adición de electrófilos a dienos conjugados se realiza a temperatura ambiente o temperaturas menores, el aducto 1,2 predomina sobre el 1,4. Sin embargo, cuando la misma reacción se lleva a cabo a temperaturas superiores el aducto 1,4 es mayoritario. Por ejemplo, en el caso de la reacción de adición de HBr al 1,3-butadieno la proporción entre aductos cambia dependiendo de si la reacción se lleva a cabo a OºCoa 40 ºC. TH2-TH-CH= CH2 H

T

Br Aducto 1,2

OºC 40ºC

71% 15%

+

TH2-CH= CH-1H2 H

Br

Aducto 1,4 29% 85%

Si cualquiera de los dos aductos, una vez aislados, se calentase prolongadamente se llegaría a una mezcla con idénticas proporciones de ambos isómeros, lo que indica que existe un equilibrio reversible entre ambas sustancias. El hecho de que el calentamiento hasta 40 ºC de la mezcla 71:29 (obtenida a O ºC) produzca la misma mezcla 15:85, obtenida en la reacción a 40 ºC, indica que el compuesto o aducto 1,4 es el más estable de los dos. Y por último, que a bajas temperaturas el producto mayoritario sea el de adición 1,2 significa que éste se genera más rápidamente que el 1,4 y que bajo estas condiciones suaves el proceso es irreversible.

341

DIENOS

Por tanto, podemos concluir, que a bajas temperaturas el proceso es irreversible y que la proporción entre los productos viene determinada por la velocidad de reacción (control cinético). Por el contrario, a altas temperaturas la reacción es reversible y la proporción va a depender de la estabilidad termodinámica de los productos en el equilibrio (control termoclinámico). +

Aducto 1,2 ......___ CH2-CH:..:..:..:CH:..:..:..:CH2 - - - Aducto 1,4 mayoritario 1

H

~r-

Control cinético (condiciones suaves: irreversible) +

Aducto 1,2

-=~

CH2-CH:..:..:..:CH:..:..:..:CH2 1

H

Aducto 1,4 mayoritario

~r-

Control termodinámico (condiciones vigorosas: reversible)

11.5. Reacción de cicloadición de Diels-Alder Otra diferencia en cuanto a reactividad se refiere entre los dienos conjugados y los no conjugados, es que los primeros experimentan reacciones de cicloadición térmicas con otros dobles enlaces (dienófilos o filodienos) para dar ciclohexenos sustituidos. Este proceso se denomina reacción de cicloadición de Diels-Alder, en honor a sus descubridores, y pertenece al grupo de transformaciones llamadas periddicas.

( Dieno 4 e-7r

+

11

Dienófilo 2 e-7r

o

Aducto Diels-Alder

En la reacción de Diels-Alder se forman dos enlaces carbono-carbono y es uno de los pocos métodos que existen para la formación de moléculas cíclicas. Como la palabra indica, reacción de cicloadición significa unión de dos reactivos para formar un compuesto cíclico.

342

QUÍMICA ORGÁNICA

En la reacción de Diels-Alder participan cuatro electrones n del dieno, y dos electrones n del dienófilo. Por esta razón se denomina reacción de cicloadición [4 + 2].

Como se ha dicho anteriormente, la reacción de Diels-Alder pertenece al grupo de reacciones llamadas pericíclicas. En éstas, el mecanismo de reacción es concertado, es decir, todos los cambios en los enlaces trancurren al mismo tiempo y en un sólo paso.

+

[( .-.: : 1

11

1,3-Butadieno

Eteno

o

Estado de transición cíclico

j

o

Ciclohexeno 20%

Los dos nuevos enlaces carbono-carbono y el nuevo enlace n se forman al mismo tiempo que se rompen los tres enlaces n de los productos de partida. En el estado de transición los seis electrones n están deslocalizados en el sistema. También se puede representar por medio de flechas que indican el movimiento de electrones, y que ayuda al alumno a visualizar el producto final de la cicloadición. Pero la reacción entre el 1,3-butadieno y el eteno no transcurre con buen rendimiento (20% de ciclohexeno). La reacción será mucho más efectiva si se utiliza un dienórdo deficiente en electrones y un dieno rico en eledrones. Hay muchos sustituyentes que ya sea por efecto inductivo o mesómero (efecto conjugativo), pueden donar o aceptar electrones. Asi por ejemplo, los grupos alquilo ceden electrones por efecto inductivo, mientras que los grupos que contienen un grupo carbonilo, los nitrilos y los grupos nitro son buenos aceptores de electrones por efecto mesómero.

..

··:o:

:?!J

I+ (Ye,

/e, H2C=c, H

R

H2C=c, H

R

343

DIENOS

~

+ ~

CW' / H2C=C'\.

..

'I(

··N:

··N:

~

(ye H2C=C'\.

H

'I(

..

+

~e

H2c - c ,

H

..

:o: + 1 ..

eº: +ll Q

/N- o:..

H2C=C'\.

H

..

..

'I(

-º 0 ? D·

H2C=C'\.

H

.·o=-. 'I(

..

+

··?+ 1- o· ...

~

H2c - c ,

H

H

Por ello, dos dienófilos con los que se obtienen muy buenos rendimientos, son el anhídrido maleico y la p-benzoquinona.

o // e HC-- \. 1 b

H3~ _,CH2

e e

+

1

HC-.... /

e~

H3C/ °'CH2

o

2,3-Dimetil1,3-butadieno

Anhídrido maleico

o e 11

_,CH2

HC/ 'cH

HC +

1

11

11

HC........_ /CH

HC°' CH2

e 11 o

1, 3-Butadieno

p-Benzoquinona

Otros dienófilos importantes son: / Cl H2C=C'\.

CN 2-Cloroacrilonitrilo

Acrilonitrilo

344

QUÍMICA ORGÁNICA

o 11

H2C=CH-COOH Ácido acrílico

H2C=CH-O-C-CH3 Acetato de vinilo

También pueden actuar como dienófilos compuestos que tengan triples enlaces con sustituyentes atractores de electrones, como el ácido acetilendicarboxílico:

f

OOH

~COOH

e 111 e

~COOH

1

COOH Ácido acetilendicarboxilico

1, 3-Butadieno

Ácido 1, 4-ciclohexadien1,2-dicarboxílico

El doble enlace de este producto que está sustituido por dos grupos carboxílicos, y por tanto, es deficiente en electrones, puede reaccionar con otra molécula de dieno.

COOH

~COOH

~COOH

COOH

Una de las características más importantes de la reacción de Diels-Alder es que es estereoespecífica, es decir, la estereoquímica del dienófilo se conserva durante la reacción. Si se parte de un alqueno cis sólo se obtiene el ciclohexeno cis-sustituido y si la reacción se lleva a cabo con el alqueno trans sólo se formará el ciclohexeno trans-sustituido.

( (

l

C02CHJ

ª

+

C02CH3 H C02CH3

H

l

H cis-Ciclohexeno

C02CH3 cis-Alqueno

C02CHJ

+

H3C02C H trans-Alqueno

ª

C02CH3

~

....C02CH3 trans-Ciclohexeno

345

DIENOS

También se mantiene la estereoquímica del dieno: CH3

CH3 COOH COOH COOH COOH

HOOClCOOH

H +

H HOOC

COOH H

CH3

Producto cis H

CH3

?""

NClCN

CH3 +

H NC

CN

,,

CN CN CN CN

H3C Producto trans

CH3

La reacción también tiene lugar cuando se emplean dienos cíclicos como el 1,3-ciclopentadieno, el 1,3-ciclohexadieno o el furano, siendo en estos casos la reactividad mayor que en los dienos de cadena abierta. Cuando la cicloadición se realiza con dienófilos sustituidos pueden formarse dos productos: en uno de ellos los sustituyentes se encuentran en el mismo lado que el puente de la estructura bicíclica (aducto exo) y en el otro, están en el lado opuesto (aducto endo).

QH !H H

H~COOH

Adición exo

r(\y~OOH

COOH -

~~OOH

_

r(\y~OOH ~COOH

Aducto exo

COOH

/ \ ~H 1

HO~C

!H

¡

HOOC~H H

Adición endo

H

~'COOH

''cooH Aducto endo

346

QUÍMICA ORGÁNICA

La reacción de Diels-Alder transcurre con estereoselectividad y normalmente se obtiene sólo el aducto entlo.

o

~N

+

~CN Aducto endo

o

o

o Furano

Anhídrido maleico

o Aducto endo

Finalmente, cabe añadir. que la razón por la cual los dienos cíclicos son más reactivos que los de cadena abierta, se debe al hecho de que sólo en la conformación S-cis los carbonos 1 y 4 del dieno están lo suficientemente cerca para formar el estado de transición cíclico, necesario para que tenga lugar la reacción de cicloadición. La propia estructura del dieno cíclico impone esta condición. Sin embargo. los dienos de cadena abierta suelen adoptar la conformación S-trans (más estable), es decir, los dobles enlaces en posición transrespecto del enlace sencillo.

f

S-trans

( S-cis

o S-cis

Pero como la barrera de energía es pequeña (- 5 kcal mol-1), se supera fácilmente por simple calefacción.

11.6. Polimerización de dienos con¡ugados Los mismos principios que se consideraron en la polimerización de alquenos (sección 10.7) se pueden aplicar a la polimerización de dienos conjugados. Sin embargo. los polímeros de dienos son estructuralmente más complejos, ya que a lo largo de la cadena hay un doble enlace cada cuatro átomos de carbono. Seleccionando el catalizador de Ziegler-Natta apropiado (TiC14 + AlR3) se podrán

347

DIENOS

obtener polímeros con todos los dobles enlaces cis o butadieno:

trans.

Por ejemplo con 1,3-

~ CH~ CH~ CH ~ CH2

H

. . ______.

t

H

H2C.....,_ ,,):......_

T

,..CH2 .....,_ _.}......_

T

CH2

H

t.

CH2

H

n

trans-Poli(l,3-butadieno)

El caucho natural (o hule) es un polímero del isopreno (2-metil-t3-butadieno) en el que todos los dobles enlaces tienen estereoquímica cis.

Isopreno (2-Metil-1,3-butadieno)

i

H3C'\.

/ H

/c=c,

H2C

H3C'\.

/ H

/c=c,

CH2 - H2C Caucho natural (todo

l

CH2 n d~

Sin embargo, el caucho natural no puede ser obtenido en el laboratorio; la polimerización del isopreno puede realizarse artificialmente, pero el polímero que se obtiene, conocido como gutapercha, tiene todos los dobles enlaces con estereoquímica trans.

Tanto los cauchos sintéticos como los naturales son suaves y pegajosos; para endurecerlos se procede a su vulcanización, que consiste en el calentamiento del polímero con un pequeño porcentaje en peso de azufre. Este tratamiento implica la

348

QUÍMICA ORGÁNICA

formación de puentes de azufre entre las cadenas de polímero comllllicando rigidez a la molécula. El primer caucho artificial que se introdujo fue el neopreno, polímero formado por unidades de cloropreno (2-cloro-1,3-butadieno) con todos los dobles enlaces con estereoquímica trans. Cl 1

H2C=C-CH= CH2

H2c,

Cloropreno (2-Cloro-l, 3-butad.ieno)

H

H

1

1

.?"e, ~H2 , .?"e, e CH2 e CH2 1

1

Cl

Cl

n

Neopreno (Ir~

11.7. Métodos de obtención de dienos con¡ugados Los métodos de obtención de dienos conjugados varían poco de los métodos empleados para obtener alquenos. La única diferencia estriba en que hay que crear dos dobles enlaces separados por uno sencillo. El dieno más importante, el 1,3-butadieno, se sintetiza a escala industrial mediante el cracking de butano empleando óxido de cromo y de aluminio como catalizador. 600 ºC

catalizador

H2C= CH-CH= CH2 + 2 H2

Los dienos conjugados pueden obtenerse por reacción de deshidratación de dio les. 1

1

-C-CH-CH- C 1

OH

1

1

+ 2 HOH

1

OH

Por ejemplo, el isopreno (2-metil-1,3-butadieno), que es un dieno conjugado muy importante en la síntesis de polímeros, se obtiene industrialmente por reacción de deshidratación, sobre un catalizador de alúmina, del 3-metil-1,3-butanodiol. OH 1

CH3-C-CH2-CH20H 1

CH3

3-Metil-1,3-butanodiol

H2C= C-CH= CH2 1

CH3

Isopreno

349

DIENOS

También se pueden sintetizar d.ienos conjugados partiendo de alcoholes o derivados halogenados que ya posean un doble enlace. Por ejemplo, el 1,3-ciclohexadieno se obtiene por reacción de eliminación de HBr en medio básico del 3-bromociclohexeno. Br

H

o

(CH3)aCO- Na+

H

(CH3)aCOH

3-Bromociclohexeno

+ (CH3)3COH + BrNa

1,3-Ciclohexadieno

El isopreno también se puede obtener partiendo del 2-metil-3-buten-2-ol: ?H3 H2C-C-CH=CH2 1

H

?H3 H2C=C-CH=CH2 + HOH

1

OH

2-Metil-3-buten-2-ol

Isopreno

Resumen de conceptos importantes l. Los dienos son compuestos que contienen dos dobles enlaces en su molé-

cula. Según la posición que ocupen los dobles enlaces en la cadena, los dienos se clasifican en aislados, cortjugados y acumulados (o alenos). 2. Los dienos conjugados son más estables que los d.ienos no conjugados (aislados y alenos). La mayor estabilidad de los dienos conjugados se debe a que hay una interacción estabilizante entre los dos dobles enlaces que provoca un solapamiento n débil entre los carbonos 2 y 3 del sistema conjugado y, por tanto, un carácter parcial de doble enlace entre ambos carbonos. 3. Las reacciones de los dienos son análogas a las de los alquenos. Pero los dienos conjugados van a experimentar dos reacciones que no se observan en los demás: la adición 1,4 de electróf'Uos y la reacción de cicloadición de Diels-Alder. 4. La reacción de adición de un mol de reactivo electrófilo a un dieno conjugado lleva a la formación de dos productos: producto de adición 1,2 (o aducto 1,2) y producto de adición 1,4 (o aducto 1,4). Ambos se forman a partir del mismo intermedio, un carbocatión alílico, pero la relación entre ellos va a depender de las condiciones de reacción. La velocidad de formación del aducto 1,2 es mayor y, por tanto, va a predominar a bajas tempera-

350

QUÍMICA ORGÁNICA

turas, es decir, bajo condiciones suaves de reacción en las que el proceso es irreversible (control cinético). Sin embargo, el aducto 1,4 es el producto de mayor estabilidad y va a predominar a altas temperaturas, condiciones en las que el proceso es reversible (control termodinámico). 5. La reacción de cicloadición de Diels-Alder entre un dieno conjugado y un alqueno, también denominada reacción de cicloadición [4 + 2], se ve favorecida con alquenos deficientes en electrones (dienófilos) y con dienos ricos en electrones. La reacción es concertada y estereoespeclfica y se obtiene un derivado del ciclohexeno. La reacción de Diels-Alder sólo tiene lugar cuando el dieno es capaz de adoptar una conformación S-cis. 6. Los dienos conjugados, como el 1,3-butadieno, isopreno y cloropreno polimerizan como ocurría con los alquenos, pero forman productos que tienen dobles enlaces en las cadenas. Empleando el catalizador de Ziegler-Natta adecuado se pueden obtener polímeros con todos los dobles enlaces con estereoquímica cis o trans. 7. Los dienos conjugados se pueden sintetizar a partir de dioles o de alcoholes y derivados halogenados que tengan un doble enlace en la molécula.

DIENOS

351

Eiercicios de autocomprobación l. Nombrar los siguientes compuestos según las reglas de nomenclatura IUPAC: a) H3C'\. _

/H

/e-e, Cl

CH=CH2

e)

2. Escribir y nombrar todos los posibles d.ienos isómeros de fórmula

C5H8 indicando a qué clase de dienos pertenece cada uno. En aquellos que puedan presentar isomería geométrica, escribir y nombrar las estructuras isómeras correspondientes. 3. Formular las siguientes reacciones indicando el producto obtenido

mayoritariamente: a) b) c) d)

1,3-Ciclohexad.ieno con 1 mol de HBr a 80 ºC. 2,4-Hexadieno con Br2 en exceso. 1,3-Butadieno con 2 moles de diazometano en presencia de luz. 2,5-Heptadieno con dos moles de 0 3 seguido de tratamiento con Zn/AcOH. e) 1,3-Hexadieno con exceso de Os04 seguido de tratamiento con NaHS03•

352

QUÍMICA ORGÁNICA

4. Predecir los productos de las siguientes reacciones de Diels-Alder.

+

+

5. Proponer una síntesis para cada una de las moléculas siguientes utilizando reacciones de Diels-Alder.

a)(YCN

c)

VcN o COOH

COOH 8. Un hidrocarburo A de fórmula C10H14 conduce por hidrogenación

catalítica a B (C 10H1g). La ozonólisis de A seguida de tratamiento con Zn/CH 3COOH origina el siguiente dicetodialdehído:

o

o o

o

/-CH2-CH2-CH2-~-~-CH2-CH2-CH2-~

DIENOS

353

a) Proponer las estructuras posibles para A. b) A reacciona con anhídrido maleico para dar un aducto de DielsAlder. ¿Cuál de las estructuras para A es la correcta? c) Formular todas las reacciones. 7. Predecir el producto mayoritario de la reacción de adición electrófila de un mol de Br2 al isopreno (2-metil-1,3-butadieno) en condiciones de control termodinámico. ¿Cuál de los productos de adición 1,2 cabría esperar que fuera mayoritario?

354

QUÍMICA ORGÁNICA

Soluciones a los eiercicios de autocomprobación l. a) (2)-4-Cloro-1,3-pentadieno b) 1,4-Cicloheptadieno c) 1,3,4-Hexatrieno d) tmns-3-Bromo-2-metil-2,4-heptadieno e) (2E, 6.E)-3-Metil-2,6-nonadieno

2. CH2=CH-CH2-CH=CH2 1,4-Pentadieno (dieno aislado)

No presenta isomería geométrica

CH2=CH-CH=CH-CH3 1,3-Pentadieno (dieno conjugado)

Presenta isomería geométrica:

H2C=CH'\.

/CH3

i(C=C'ff cis-1, 3-Pentadieno CH2=CH-C=CH2

tH3

JI ¿=c'c"3

H2C=cu,

trans-1,3-Pentadieno No presenta isomería geométrica

2-Metil-1,3-butadieno (dieno conjugado) CH2=C=CH-CH2-CH3 1,2-Pentadieno (dieno acumulado o aleno)


CH3-CH=C=CH-CH3 2,3-Pentadieno (dieno acumulado o aleno)


355

DIENOS

No presenta isomería geométrtca

/CH3 CH2=C=C 'cH3 3-Metil-1,2-butadieno (dieno acumulado o aleno) 3.

H H

a)

o b)

H

HBr SOºC

H

+


H Br Producto de adición 1,4 Mayorítarío (Control termodinámico)

CH3-CH=CH-CH=CH-CH3

Br2 exceso

---- CH3-TH-TH-9H-TH-CH3 Br

d)

Br

Br

Br

1) 2 03 CH3-CH=CH-CH2-CH=CH-CH3 - -)z_n/_A_c_O_H__ 2

-~º

2 CH3-C\i +

º'e

-~º

¡(_-CH2-C\i

356

QUÍMICA ORGÁNICA

e)

CH2=CH-CH=CH-CH2-CH3 OH 1

1) Os04 ) NaHS0

2

3

OH OH 1

1

- - - HO-CH2-CH-CH-CH-CH2-CH3

4. a)

H ''C02CH3 H ..,H

Aducto endo

o

b)

ycN N~H tr~Alqueno

~CN

VcN tr~Ciclohexeno

b) 1

0

2

IÍ

6

5

4

7

+ 3

6

5

357

DIENOS

c)

()

(+ ()

d)

CC>C>H

H3C

1

H3Cx

e e

+

H3C

C>C>H

H3C

C>C>H

111

1

XCH3

CC>C>H

CH3 H3C

CC>C>H

H3

CC>C>H 8.

a) Las estructuras posibles para A que están de acuerdo con la reactividad indicada en el enunciado son:

H H I S-cis

H

H 11 S-trans

b) Sólo la estructura 1, con los dobles enlaces conjugados en conformación S-cis, puede dar reacción de cicloadición de DielsAlder con anhídrido maléico. Por lo tanto A es el compuesto l.

358

QUÍMICA ORGÁNICA

e)

1o11

2) Zn/AcOH

1

+

1

1) Ü3 11 2) Zn/AcOH

359

DIENOS

7.

s-

CH2-r=CH-CH2Br] ~ BrCH2-y=cH-CH2Br [

CH3

CH3 111 Producto de adición 1,4

1

BrCH2=C-CH-CH2Br1- CH2=C-CH-CH2Br [

lH3

tHJr

9H3

Br2

1 Producto d! adición 1,2

f

CH2=C-CH=CH2 ~ Br2 Br

Br1 BrCH2-?-CH=CH21- BrCH2-1-CH=CH2 [

CH3

CH3

J

1 Producto de adición 1,2

s-

BrCH2-C=CH-CH2] ~ BrCH2-y=CH-CH2Br [

tH3

CH3 111 Producto de adición 1,4 Bajo condiciones de control termodinámico, el producto de adición 1.4 es el mayoritario. De los productos de adición 1,2, 1y11, cabe esperar que 1sea mayoritario sobre 11, ya que el carbocatión del que procede 1 es más estable, al estar la carga positiva estabilizada por el efecto inductivo del grupo metilo.

Tema 12

Alquinos

1

SUMARIO 1

1

lZ.1. Nomenclatura de los alquinos lZ.Z. Estructura y enlace de los alquinos. Propiedades flsicas 12.3. Reacciones de los alquinos

12.3.1. 12.3.2. 12.3.3. 12.3.4. 12.3.5. 12.3.6.

Adición de halógenos Adición de halogenuros de hidrógeno Hidratación. Tautomería Hidroboración Reducción Acidez de los alquinos: formación y alquilación de aniones acetiluro 12.3.7. Oxidación de alquinos 12.3.8. Reacciones del acetileno lZ.4. Métodos de obtención de alquinos


OBJETIVOS _ 1

1

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __

1

1. Reconocer la estructura del triple enlace carbono-carbono, grupo funcional presente en los compuestos conocidos con el nombre de alquinos. 2. Justificar la elevada reactividad del triple enlace, que como en el caso de los alquenos, es consecuencia de la presencia de enlaces n en la molécula. 3. &tablecer las similitudes de reactlvidad entre los alquinos y los

alquenos, que por ser compuestos ricos en electrones serán atacados por reactivos electrófilos. 4. Diferenciar los alquinos terminales del resto de los hidrocarburos ace-

tllénicos: son ácidos débiles y frente a bases fuertes se convierten en aniones acetiluro.

363

ALQUINOS

12. 1. Nomenclatura de los alquinos Pertenecen al grupo de los hidrocarburos llamados alquinos. aquellos hidrocarburos no saturados que contienen un triple enlace en su molécula. La fórmula general de los alquinos es CnH 2n_2, la misma que la de los dienos y cicloalquenos. En algunos casos, los alquinos se nombran como derivados del acetileno, nom-

bre común del alquino más pequeño, C2H2: HC==CH Acetileno

CH3C==CCH3 Dimetilacetileno

CH3CH2C==CH Etilacetileno

Las reglas IUPAC para nombrar los alquinos son las mismas que se utilizan para nombrar los alquenos, pero sustituyendo la terminación -eno por -ino e indicando la posición del triple enlace en la cadena principal mediante un número. La cadena principal es aquella que, siendo la más larga, contenga el triple enlace y se empieza a numerar de manera que a éste le corresponda el número más bajo. CH3 4

~

2

1

HC==CH

CH3CC==CH

Etino

CH3 3,3-Dimetil-1-butino

1

2-Butino

H3CCHCH3 s 1 Is s 43 2 1 CH3CH2CH2CHC==CCHCH2CH3 9

1

CH3 6-Isopropil-3-metil-4-nonino

Según la nomenclatura IUPAC, el grupo funcional alquino tiene prioridad sobre los alquenos. por ello. un hidrocarburo que contenga doble y triple enlaces se denomina alquenino. La numeración de la cadena se comienza por el extremo que dé los números más bajos a los dobles y triples enlaces. Si es posible elegir la forma de numerar, a los dobles enlaces se les asigna los números más bajos. CH2CH3 9

87

si s

4

3

2

1

HC==CCHCHCH2CHCH2CH= CH2 1

3-Hexen-1-ino

1

CH3 CH3 6-Etil-4, 7-d.imetil-1-nonen-8-ino

Existen dos grupos cuyos nombres comunes conviene conocer ya que aparecen frecuentemente en Química Orgánica:

364

QUÍMICA ORGÁNICA

- c - cH

-CH2C- CH

Etinilo

Propargilo

12.2. Estructura y enlace de los alquinos. Propiedades físicas

Como se ha dicho anteriormente, el miembro más sencillo de la familia de los alquinos es el etino o acetileno C 2H 2• Por ello, se recurre a él cuando se quiere estudiar la estructura del triple enlace (Figura 12.1). En el Tema 1 se ha descrito ampliamente la estructura y enlace del acetileno, por lo que se remite al alumno al repaso de dicho tema. A nivel de recordatorio decir que en el acetileno: - los dos átomos de carbono comparten tres pares de electrones, y por tanto, presentan hibridación lineal sp. - uno de los orbitales híbridos de cada carbono se solapa con el hidrógeno y el otro forma enlace
Figura 12.1. Representación de orbitales moleculares del etino.

365

ALQUINOS

mismas razones, los alquinos terminales son más ácidos que sus alquenos o alcanos homólogos. Así, el orden de acidez es el siguiente: HC==CH Hibridación

sp

pKa

25

12.3. Reacciones de los alquinos La reactividad de los alquinos va a ser muy parecida a la de los alquenos y, por tanto, serán atacados por reactivos que busquen electrones, es decir, electrófilos. Por tanto, las principales reacciones de los alquinos son las de adición electrófila, que transcurren de forma sin o anü, con o sin regioselectividad. La diferencia con los alquenos es que en los alquinos pueden adicionarse dos moléculas de reactivo por cada triple enlace. Pero si se eligen las condiciones adecuadas, es posible detener la reacción en la primera etapa de adición y obtener alquenos. Los alquinos terminales también dan reacciones características, que son consecuencia de la acidez del átomo de hidrógeno unido al átomo de carbono terminal. 12.3. 1. Adición de halógenos

Los alquinos adicionan halógenos, siendo el mecanismo similar al estudiado para los alquenos (sección 10.4.5). La adición de un equivalente de halógeno conduce a la formación del alqueno con estereoquímica trans. Pero un exceso de halógeno da lugar al alcano tetrahalogenado.

CH3C==CH Metilacetileno

Br- Br

CCl4

H3C

Br

'c==e / Br/

"

H

(.E)-1,2-Dibromopropeno

Br Br Br- Br

CCl4

1

1

CH3r-1H Br Br

1, 1,2,2-Tetrabromopropano

12.3.2. Adición de halogenuros de hidrógeno

La regioquímica de la adición de halogenuros de hidrógeno (o hidrácidos) a alquinos sigue la regla de Markovnikov. El halógeno se une al carbono más sustituido del triple enlace y el hidrógeno al menos sustituido. Los alquinos son menos reactivos hacia las adiciones electrófilas que los alquenos correspondientes. Esta menor reactividad puede explicarse considerando el mecanismo de la reacción. Cuando un electrófilo, como el HBr, se une a un

366

QUÍMICA ORGÁNICA

alqueno, la reacción transcurre en dos pasos e implica la formación de un carbocatión alquilico intermedio. Sin embargo, cuando se adiciona a un alquino, el carbocatión intermedio es vinilico, que es menos estable que un carbocatión alquilico de sustitución similar.

~ ~

'ci c/....

R

H/

"

H - Br

H

Alqueno

[)e~

Br H 1

1

1

1

R-C-C-H

H H

Carbocatión alquílico Br

RC ~H_Qr

H

"c=c/

"

R/

Alquino

H

Carbocatión vinilico

La reactividad del alqueno obtenido frente a una segunda adición electrófila es menor que la de un alqueno sin halógeno ya que éste, por su carácter electroatractor, disminuye la reactividad del doble enlace. La adición de una segunda molécula de HBr conduce a la formación del derivado dibromado en el mismo átomo de carbono:

Br ~ 'c-¿-H BrR

/ +

1

H

Br H 1

1

R-1-1-H

Br H

Carbocatión terciario estabilizado por la deslocalización de la carga en el átomo de bromo

12.3.3. Hidratación. Tautomería

La adición de agua a un alquino requiere la presencia de un ácido (H 2SOJ y de un catalizador (sulfato mercúrico). H R-C==CH

H- OH H2S04 HgS04

1

R-1=CH OH Alcohol vinílico o enol

H rápido

--

1

R-~-1H

o

H Cetona

La reacción de hidratación también sigue la regla de Markovnikov; el grupo -OH (nucleófilo) se une al carbono más sustituido y el-H (electrófilo) al menos sustitui-

do. El producto que se obtiene no es un alcohol vinllico (denominado comúnmente

367

ALQUINOS

enol), ya que, en medio ácido, de inmediato se transpone a una cetona (compuestos con un grupo C==Ü) a través de un proceso denominado tautomeri7.aclón. Los tautómeros son tipos especiales de isómeros constitucionales que se encuentran en equilibrio y que se estudiarán con mayor detalle en el Tema 16. Ya sea mediante catálisis ácida o básica este equilibrio ceto-enólico se encuentra desplazado hacia la formación de la cetona; sólo en ausencia de ácidos o bases se pueden aislar enoles. rápido

1

-1=c-

1

-ri-1-

o- H 0 H Tautómero enol Tautómero ceto Tautomeria ceto-enólica

Por ejemplo, a partir del acetileno se obtiene el acetaldehído: HC==CH

Acetileno

H- OH

H+,Hg2+

H

H

1

1

H-1-~H

H-C=r-H

0- H

H O Acetaldehído

Los alquinos que están sustituidos por ambos lados del triple enlace, como el 2-pentino, son más reactivos y pueden adicionar agua sin el uso del catalizador: H- OH

o

o

11

11

CH3CCH2CH2CH3 + CH3CH2CCH2CH3

2-Pentanona -50%

3-Pentanona -50%

También pueden adicionarse a los alquinos compuestos que contengan grupos -OH, como alcoholes o ácidos carboxílicos: OOCCH3 Hg2+ CH3COOH

1

R1-C=CHR2

Hg2+ WOH

12.3.4. Hidroboración Una reacción similar a la hidroboración de alquenos (sección 10.4.4) es la adición sin de borano al triple enlace de un alquino para formar un alquenilborano. La reacción es estereose/ecüva pues conduce al isómero cis.

368

QUÍMICA ORGÁNICA

Rl

< R2

)e H

B 3

Alquenilborano

Por hidrólisis del alquenilborano con ácido acético acuoso se obtiene el cb-alqueno: Rl

B

3 CH3COOH

3

R2

>=e(H

o 11

+ B(OCCH3)3

H

3

c.is'-Alqueno

En los alquinos terminales a veces es dificil detener la adición de borano en la primera etapa de formación del borano vinílico. Para evitar una doble adición puede utilizarse un borano impedido estéticamente (R2BH) como el bis(l,2-dimetilpropil)borano comúnmente conocido como disiamilborano. CH3CH3 1

1

(CH3)2CHCHBCHCH(CH3)2 1

H Bis(l ,2-dimetilpropil) borano (Disiamilborano)

CH3 H

'...

/

H

j

;;=e'... (CH3 B

1

CH3COOH

CHCH(CH3) 2

Los alquenilboranos pueden oxidarse fácilmente con agua oxigenada en medio básico, conduciendo a aldehídos o cetonas según la posición que ocupe el triple enlace en la cadena. Al igual que en el caso de los alquenos la reacción es antiMarkovnikov. Si el alquino es terminal la reacción de hidroboración-mddación conduce a un aldehído. Por ejemplo: CH3CH2C==CH 1-Butino H202 HO-

BH3

CH3CH2CH=CHOH

369

ALQUINOS

& importante comparar esta reacción de hidroboración-oxidación de alquinos terminales con la reacción de hidratación: la primera conduce a aldehídos mientras que la segunda forma metilcetonas. H 1

CH3CH2~-1H

CH3CH2C==CH 1-Butino

O H 2-Butanona (Etilmetllcetona)

Sin embargo, esto no ocurre con los alquinos no tenninalesya que ambas reacciones conducen al mismo producto, la cetona: o CH3C==CCH3 2-Butino

l. BH3

2. H202, Ho-

11

CH3CCH2CH3 2-Butanona o

CH3C==CCH3 2-Butino

H- OH H+, Hg2+

11

CH3CCH2CH3 2-Butanona

La hidroboración-oxidación de alquinos no terminales sustituidos asimétricamente da como resultado una mezcla de dos cetonas:

1

B(CH3C=CHCH2CH3)3 H202

i

HO-

OH

1

(CH3CH=CCH2CH3)3B H202

i

HO-

OH

1

1

CH3C= CHCH2CH3

CH3CH=CCH2CH3

1l

1l

o 11

CH3CCH2CH2CH3 2-Pentanona

o 11

CH3CH2CCH2CH3 3-Pentanona

370

QUÍMICA ORGÁNICA

12.3.5. Reducción Los alquinos se convierten fácihnente en alcanos por adición de hidrógeno en presencia de un catalizador metálico, por lo general platino o paladio sobre carbón. En este caso se consumen dos moles de hidrógeno: 2H2

Pd/C

2-Pentino

Pentano

Sin embargo, lo interesante de la reacción de hidrogenación de un alquino es poder controlar la adición de un sólo mol de hidrógeno y obtener un alqueno. Esto se puede conseguir si se emplea un catalizador adecuado. El más utilizado para este propósito es el cataliudor de Lindlar, que consiste en paladio precipitado sobre carbonato cálcico y desactivado después por tratamiento con acetato de plomo o sulfato bárico y quinolina. Como la hidrogenación ocurre con estereoquímica sin en la superficie del catalizador, los alquinos se transforman en c~alque nos, es decir, la reacción es estereoselectiva. H3C CH3C==CCH3

catalizador Lindlar

2-Butino

CH3

~=C/

H/

'

H

c~Buteno

También existe un método de reducción de alquinos que conduce a la síntesis estereoselectiva de tmns-alquenos. En este caso se utiliza un agente reductor distinto, sodio o litio metálicos en amoníaco líquido como disolvente. Na o Li

CH3C==CCH3

H3C

~=C/

H/

2-Butino

H

'

CH3

trans-Buteno

12.3.6. Acidez de los alquinos: formación y alquilación de aniones acetiluro Hasta ahora se ha visto que existe bastante similitud entre la química de los alquenos y la de los alquinos. La diferencia más notable estriba en que los alquinos terminales son débilmente ácidos. Así, cuando un alquino terminal se trata con sodio o bases fuertes, como el amiduro sódico o de litio, el hidrógeno terminal es eliminado formándose un anión acetiluro: RC==CH

Na

1/2 H2

+

RC==c- Na+

Anión acetiluro

371

ALQUINOS

HC==CH + ácido más fuerte

HC==c- Na+ base más débil

Na+NH2 base más fuerte

+

H- NH2 ácido más débil

&tos aniones acetiluro se hidrolizan con facilidad regenerándose el alquino: HC==c- Na+ base más fuerte

+

H- OH ácido más fuerte

~

HC==CH ácido más débil

Na+Hobase más débil

+

Existe una regla general según la cual, un ácido es más fuerte que otro cuando desplaza de sus sales al segundo. Se ve por tanto, que el acetileno es un ácido más fuerte que el ammúaco, pero más débil que el agua. Addez relativa: H20 > HC=CH > NH3 > RH Basiddad relativa: uo- < HC=c- < NH2- < RSegún esta secuencia, el acetileno debe ser un ácido más fuerte que un alcano. Así, cuando se trata un alquino terminal con un halogenuro de alquilmagnesio o un alquil-litio, se desplaza al alcano de su sal y se obtiene el acetiluro metálico: CH3CH2C==CH + CH3CH2MgBr

CH3CH2C==CMgBr

+ CH3CH2H

La presencia en estos aniones acetiluro de un par de electrones no compartidos les confiere un fuerte carácter nucleófilo. Como resultado, estos aniones reaccionan con halogenuros de alquilo primarios para sustituir el halógeno y generar un alquino nuevo de cadena más larga: R'X (X=Br o Q

&ta reacción constituye un método de obtención de alquinos a partir de alquinos más sencillos. Cuando la reacción tiene lugar con halogenuros de alquilo secundarios o terciarios, la reacción predominante es la eliminación, ya que los aniones acetiluros son bases fuertes:

(:€r

+ CH3C=C-

Na•

u

+ BrNa

H

1

~

0C==C-CH3

H

+

+ BrNa

372

QUÍMICA ORGÁNICA

12.3.7. Oxidación Al igual que los alquenos, los alquinos se rompen por acción de agentes oxidantes fuertes como permanganato potásico u ozono. Pero como los triples enlaces son menos reactivos que los dobles enlaces, a veces los rendimientos de los productos son bajos. La oxidación va a dar lugar a la formación de ácidos carboxílicos y si el alquino es terminal uno de los productos que se forma es C0 2• Por ejemplo:

~

~

CH3CH2COH + CH3COH

~

CH3CH2CH2COH + C02

12.3.8. Reacciones del acetileno Como el acetileno es el más interesante de todos los alquinos, es conveniente estudiar las reacciones más importantes a las que da lugar.

Reacción de etinilación Consiste en la reacción del acetiluro sódico con aldehídos o cetonas, con el objeto de introducir en la molécula el grupo etinilo, -C=CH.

o1

HC==C- C-R2

ki

lHOH OH 1

HC==C- C-R2

ki

o- - - - HC==C- t H 1

R

OH HOH

1

HC==C- CH-R

373

ALQUINOS

La reacción es interesante, pues la hidrogenación total o parcial del grupo etinilo conduce a una gran variedad de compuestos de considerable interés en Química Orgánica. Por ejemplo:

?H

OH 1

CH3CH2CHC==CH

H2

JI

CH3CH2CHCH=C'\.

l-H20 H CH3CH=CHCH=CH2 OH 1

CH3CH2-C-CH2CHH2 1

CH3

Reacción de vinilación

Consiste en la introducción de un grupo vinilo (que proviene del acetileno) en compuestos que tienen un hidrógeno activo. En algunos casos es necesario la presencia de un catalizador: H HC==CH + HCN

> = CHCN H

Propenonitrilo (Acrilonitrilo) Hg2+

H

H

"c= c/ H/

"

OCCH3 11

o Acetato de vinilo KOH

H

H

"c= c/ H/

"

OCH2CH3

Etil vinil éter

Reacción de carbonilación

Consiste en la adición al acetileno de monóxido de carbono y compuestos con hidrógenos activos en presencia de catalizadores adecuados:

374

QUÍMICA ORGÁNICA

Ni(C0)4

H

> = CHCOOH H Ácido propenoico (Ácido acrílico)

Ni(C0)4

HC==CH + CO + NH3

12.4. Métodos de obtención de alquinos Obtención de acetileno

La importancia del acetileno radica en su utilización como materia prima para la preparación de una gran variedad de compuestos orgánicos tales como ácido acético, ácido acrílico, acrilato de metilo, etc., utilizados para la fabricación de plásticos y caucho sintético. Puede obtenerse fácilmente a partir de carburo cálcico: CaO + 3C

2.000 ºC

CaC2 + CO HC==CH + Ca(OH)2

El acetileno asi obtenido lleva gran cantidad de impurezas, por lo que actualmente se han desarrollado otros métodos para obtenerlo con mayor grado de pureza: 1.500 ºC

2HC==CH + 2CO + 4H2

Obtención de otros alquinos

Existen dos procedimientos para la obtención de alquinos: - A partir de dihalogenuros de alquilo vecinales por reacción de eliminación (deshidrohalogenadón). - A partir de otros alquinos por reacción de acetiluros metálicos con halogenuros de alquilo primarios (ver sección 12.3.6). Los dihalogenuros de alquilo vecinales se pueden obtener por adición de halógenos a alquenos:

375

ALQUINOS

R1CH-CHR2

R1CH= CHR2 + X-X

1

X

X= Bro 1

1

X

Para eliminar los dos átomos de halógeno es necesario emplear bases muy fuertes como el amiduro sódico:

Asi, el propino se podría obtener de la siguiente manera: Br- Br

CH3CH-CH2 1

Br

1

Br

CH3CH=CHBr 1-Bromopropeno

1,2-Dibromopropano

NaBr + H2N- H + CH3C==CH Propino

Resumen de conceptos importantes l. Las reglas de nomenclatura de los alquinos son, esencialmente, las mismas

que las establecidas para los alquenos, pero sustituyendo la terminación -eno por -ino. 2. La estructura electrónica de un triple enlace (-C==C-) consta de un enlace G lineal, formado por solapamiento de dos orbitales híbridos sp, y por dos enlaces 1C perpendiculares entre sí formados por solapamiento de los orbitales p de los átomos de carbono. 3. Las principales reacciones de los alquinos son las de adición electróf9da, siendo su reactividad frente a electrófilos menor que la de los alquenos. Así, pueden adicionar: X2, XH, compuestos con grupos -OH (l-1 20, R-OH, R-COOH), boranos (BH 3, R2BH) y H2• A través de estas reacciones se pueden obtener alquenos, aldehídos o cetonas y alcanos. 4. En los alquinos terminales el elevado carácter s del carbono alquinílico terminal, hace que el hidrógeno ligado al mismo sea débilmente ácido. Con

376

QUÍMICA ORGÁNICA

bases fuertes, como el amiduro sódico, dicho hidrógeno es abstraído dando lugar a aniones acetiluro. 5. A partir de un alquino sustituido se puede obtener una misma cetona, tanto por reacción de adición de H20 (reacción de hidratación), como por adición de borano (reacción de hidroboración-Olidación). No ocurre lo mismo cuando el alquino es terminal, ya que la reacción con H20 conduce a la metilcetona, mientras que la reacción de hidroboración-oxidación produce un aldehído. 6. La reacción de hidrogenación de alquinos para obtener alquenos es estereoselectiva. La hidrogenación conduce a c.b'-alquenos cuando se utiliza el catalizador de Lindlar. Los tmns-alquenos se obtienen cuando se emplea sodio o litio metálicos en amoníaco líquido. 7. Existen dos métodos principales de obtención de alquinos: por deshidrohalogenación de dihalogenuros de alquilo vecinales y a partir de otros alquinos más sencillos.

ALQUINOS

377

Eiercicios de autocomprobación 1. Utilizando la nomenclatura IUPAC nombrar los siguientes compuestos:

a)

CH3 CH3-t-C==C-CH3 1

CH3

b)

c)

d) HC==C-CH20H e) H2C=CH-CH-CH-CH2-C==CH tH3 tH2CH3 f) HC==C-CH2-CH-CH3 1

OH 2. Escribir las estructuras de los siguientes compuestos: a) 6, 6-Dicloro-2-metil-3-heptino b) 3-Hexen-1-ino c) trans-1, 2-Dietinilciclohexano d) 6-Metil-(.E)-1,5-octadien-3, 7-diino 3. Formular las siguientes reacciones:

a) 2-Hexino con bromo mol a mol. b) 1-Hexino con dos equivalentes de HBr. c) 1-Butino con cloro en exceso.

378

QUÍMICA ORGÁNICA

d) 5-Decino con hidrógeno en presencia de paladio sobre carbonato cálcico y desactivado con acetato de plomo y quinolina. e) 5-Decino con hidrógeno en presencia de paladio sobre carbono. f) Propino con sodio y posterior tratamiento con yoduro de etilo.

g) 2-Hexino con ácido sulfúrico acuoso y sulfato mercúrico. h) Propino con ácido acético en presencia de acetato mercúrico. i) 1-Butino con etanol en presencia de sales mercúricas. j) 1-Hexino con disiamilborano y posterior tratamiento con agua

oxigenada en medio básico. 4. Sintetizar:

o

a)

CH3-~-CH3

a partir de propino

~º

b) CH3-CH2-C)i a partir de propino c) 2-Pentino a partir de acetileno y derivados halogenados. d) 1-Hexen-4-ino a partir de propino. 5. ¿Cómo se podria obtener los isómeros (E) y (2)-2-penteno partiendo de acetileno? 8. A. 8, C y D son cuatro isómeros de fórmula molecular C5H8• Por reacción de A con ácido sulfúrico acuoso en presencia de sulfato mercúrico se obtienen las cetonas E y F. Bes capaz de reaccionar con sodio desprendiendo hidrógeno, mientras que A. C y D no reaccionan con dicho metal. C con anhídrido maleico forma un aducto de fórmula molecular C9H100 3, pero D no reacciona en estas condiciones. Ni C ni D presentan isomería geométrica y en la ozonólisis de ambos se detecta formaldehido. Por otra parte, tanto B como c. por hidrogenación catalítica, conducen a isopentano. mientras D, que en las mismas condiciones se transforma en pentano, es capaz de adicionar agua en medio ácido para conducir a 2,4-pentanodiol. Identificar todos los productos mencionados y formular las reacciones indicadas.

ALQUINOS

379

7. Un hidrocarburo A de fórmula C10H14 reacciona con tres equivalentes de hidrógeno, por hidrogenación catalítica sobre paladio, para formar B (C 10H20). Por ozonólisis de A se obtiene tres productos: ciclopentanona, el aldehído ácido OHC(CH2}iCOOH y C02• Por tratamiento de A con NaNH2 en NH3, y reacción posterior con bromuro de etilo se forma un nuevo hidrocarburo C (C 12H 1s). Identificar todos los productos mencionados formulando todas las reacciones indicadas.

380

QUÍMICA ORGÁNICA

Soluciones a los eiercicios de autocomprobación l.

a) 4,4-Dimetil-2-pentino b) 3,7,7-Trimetil-1,5-nonadiino e) 4,5-Dimetil-4-hepten-1-ino d) 2-Propin-1-ol e) 4-Etil-3-metil-1-hepten-6-ino f) 4-Pentin-2-ol

2.

6

5

4

3

2

1

b) CH3-CH2-CH=CH-C==CH e) rYC==CH

V

C==CH

d)

3. a)

2 CH3-C==C-CH2-CH2-CH3 Br

H3C Br >=< Br

CH2CH2CH3

(E)-2,3-Dibromo-2-hexeno

381

ALQUINOS

b)

Br H CH3CH2CH2CH2-t-t-H

ér Ji 2,2-Dibromohexano e)

Cl

Cl2 exceso

Cl

CH3-CHr-t-CH~

t1

Cl 1, 1,2,2-Tetraclorobutano d) CH3-(CH2h-C==C-(CH2h-CH3

!

H2 Catali7.ador de Llndlar

H

H

>=<

CH3(CH2h

(CH2hCH3

cb-5-Deceno e) H2 CH3-(CH2h-C==C-(CH2h-CH3 PdfC" CH3-(CH2)irCH3

Decano t)

CH3-C==CH -

Na

_ + CH3-C==C Na

- - - CH3-C==C-CH2-CH3

2-Pentino

CH3CH2I

382

QUÍMICA ORGÁNICA

g)

l

CH3-C==C-CH2-CH2-CH3

O H2S04

2 H20, Hg +

CH3-~-CH2-CH2-CH2-CH3

+

2-Hexanona

o 11

+ CH3-CH2-C-CH2-CH2-CH3

3-Hexanona h)

CH3-C==CH

CH3COOH Hg2+

CH3-C=CH2 1

OCOCH3

Acetato de 2-propenilo i)

CHs-CH2-C==CH

CH3CH20H CH3-CH2-C=CH2 Hg2+ 1 O-CH2-CH3

2-Etoxi-1-buteno CH3 CH3

j)

(CH3)2CHtustHCH(CH3)2

k

Hexanal

383

ALQUINOS

b)

e)

HC==CH Na -

HC==C- Na+

ICH:\. CH3-C==CH

Na

CH3-C==c- Na+ CH3C" 21 CH3-C==C-CH2-CH3

d) 1) CH3-C==CH

H2 CH3-CH=CH2 Pd/BaS04

NBS

---- BrCH2-CH=CH2

5.

HC==CH

H

H

>=C~

CH3CH2 CH3 (2)-2-Penteno

H

CH3

~=¿

CH3CH(

)i

(.E)-2-Penteno

384

QUÍMICA ORGÁNICA

Existen dos métodos de reducción de alquinos que son estereoselectivos, y por tanto, conducen a sólo uno de los dos posibles estereoisómeros Z o E En este caso, los dos isómeros se obtendrían a partir del 2-pentino de la manera siguiente:

CH3CH2C==CCH3 - - - - t 2-Pentilo

Pd./CaC03 quinolina BaS04

NaoLi NH3 Oíq.)

>=<

CH3CH2 CH3 (2)-2-Penteno

>=¿

H

CH3

CH3CH2 ).¡ (.E)-2-Penteno

El 2-pentino se puede sintetizar a partir del acetileno (ver ejercicio 4 apartado c). 8. La fórmula molecular de los cuatro isómeros es del tipo C0 H20_2,

lo que indica que se trata de alquinos o dienos.

B debe ser un alquino terminal, puesto que reacciona con sodio. Como la hidrogenación catalítica conduce a isopentano no hay duda que se trata del 3-metil-1-butino: CH3-CH-C==CH

¿H3

Na

B

H2j Pt CH3-CH-CH3-CH3 ¿H3 Isopentano

e también conduce por hidrogenación catalítica a isopentano, pero como en la ozonólisis se detecta formaldehído y además reacciona con anhídrido maleico, no cabe duda que debe ser un dieno conjugado, el 2-metil-1,3-butadieno o isopreno:

385

ALQUINOS

CH3

rH3 CH2=C-CH=CH2

e

H2 Pt

1

CH3-CH-CH2-CH3 Isopentano

o

o o

o D también es un dieno, pero como no reacciona con anhídrido maleico los dos dobles enlaces no están conjugados. Como además, la hidrogenación catalítica conduce a pentano, no puede ser otro que el 1,4-pentadieno: H2 CH2=CH-CH2-CH=CH2pt CH3-CH2-CH2-CH2-CH3 D Pentano H20JH2S04

OH 1

OH 1

CH2-CH-CH2-CH-CH2 2,4-Pentanodiol

Es evidente que ni C ni D presentan isomería geométrica y que en su ozonólisis se detecta formaldehído:

386

QUÍMICA ORGÁNICA

+

Por último, A debe ser un alquino no terminal porque la reacción con ácido sulfúrico acuoso en presencia de sulfato mercúrico da lugar a la formación de dos cetonas, la 2-pentanona (E) y la 3-pentanona (F). Por tanto, debe tratarse del 2-pentino: H2S04 H 0, Hg2+ 2

CH3-CH2~C==C-CH3

o 11

CH3-CH2-CHz-C-CH3 E +

o 11

CH3-CH2-C-CH2-CH3 F

7. Por una parte, A debe ser un alquino terminal ya que reacciona con

amiduro sódico en amoníaco líquido: R-C==CH

NaNH2 NH3 (liq.)

_

_

+

R-C=C Na

Por otro lado, observando los productos obtenidos por ozonólisis, se puede concluir que A debe ser el 5-ciclopentiliden-1-pentino:

~

J_ 1) Ü3 ["\__ ~CHCH2CH2C,cH -2)_Z_n/_A_c_O_H__ ~o

A

o 11

+

o 11

C02 + H-C-CH2-CH2-C-OH

ALQUINOS

387

Por último, no hay duda que C debe ser el 7-ciclopentlliden-3-heptino:

~

UNIDAD DIDACTICA IV

Tema 13

El benceno y la sustitución electrófila aromática 1

SUMARIO 1

1

13.1. Nomenclatura de los derivados del benceno 13.2. Estabilidad y estructura electrónica del benceno: Aromaticidad 13.3. Sustitución electrófila aromática (SEAr) 13.3.1. 13.3.2. 13.3.3. 13.3.4. 13.3.5.

Mecanismo de la SEAr Halogenación Nitración Sulfonación Taliación

13.4. Formaciones de enlace C-C: Reacciones de Friedel-Crafts 13.4.1. Alquilación 13.4.2. Acilación Resumen de conceptos importantes Ejercicios de autocomprobación Soluciones a los ejercicios de autocomprobación

OBJETIVOS _ 1

1

_ _ _ _ _ _ _ _ _ __

1

1. Nombrar los bencenos sustituidos. 2. Explicar la estructura del benceno en base a las distintas teorías de enlace. 3. Definir el fenómeno de la aromaticidad y calcular la energía de

resonancia del benceno. 4. Describir el mecanismo de la sustitución electrófila aromática y

tener en cuenta la importancia sintética de esta reacción. 5. Formular un nuevo tipo de reacciones, conocidas como reacciones de Fríedel-Crafts, útiles para la formación de enlaces carbono-carbono en los compuestos aromáticos.

393

EL BENCENO Y LA SUSTITUCIÓN ELECTRÓFILA AROMÁTICA

13. 1. Nomenclatura de los derivados del benceno El benceno, de fórmula molecular C6H6, es el sistema básico de los hidrocarburos aromáticos (Arenas). La estructura del benceno puede representarse como un ciclo plano de seis eslabones, con tres dobles enlaces conjugados, por lo que podría llamarse ciclohexatrieno, aunque este nombre no es del todo correcto debido a que, como se verá posteriormente, no tiene sentido hablar de dobles enlaces ni de sencillos en la molécula del benceno, puesto que por el fenómeno de la resonancia los seis enlaces son equivalentes. Los derivados monosustituidos del benceno se nombran utilizando como nombre base -benceno y añadiendo el sustituyente como prefijo: Br

o

Benceno

Bromobenceno

Nitrobenceno

Etilbenceno

Hay algunos compuestos donde el sustituyente y el anillo bencénico juntos forman un nuevo nombre base, no sistemático, pero aceptado por la IUPAC, como por ejemplo: CH3 CH3

6 1

Estireno Vinilbenceno

~2

.#3

5

Tolueno Metilbenceno

1

CH3

4

4

o-Xileno 1,2-Dimetilbenceno

Mesitileno 1,3,5-Trimetilbenceno

CH3-CH-CH3

CH3-CH-CH3

Cwneno Isopropilbenceno

m-Cimeno 1-Isopropil-3-metilbenceno

394

QUÍMICA ORGÁNICA

Existen además toda una serie de compuestos aromáticos que contienen oxígeno o nitrógeno, que son conocidos comúnmente como se indica a continuación:

OH

COOH

CHO

Fenol Ácido benzoico Acetofenona Benwdehido Anilina (Hidroxibenceno) (Ácido benceno (Fenilmetilcetona) (Benceno (Aminobenceno) carboxílico) carboxaldehído)

Los hidrocarburos aromáticos monociclicos con más de un sustituyente, se nombran como derivados del benceno o de uno de los compuestos indicados anteriormente, pero teniendo en cuenta, en este último caso, que si el sustituyente introducido en tales compuestos es idéntico a uno de los ya existentes, el compuesto sustituido se nombra como derivado del benceno. Como todas las posiciones del benceno son equivalentes, existe un único derivado monosustituido y tres disustituidos: 1,2-, 1,3- y 1,4- que, respectivamente, pueden denominarse también orto, mela. y para (abreviados o-, m- y p-). Ejemplos:

COOH

CH=CH2

Br

CH=CH2 Cl Ácido m-clorobenzoico

o-Etilestireno

1,2-Divinilbenceno

1-Bromo-2-nitrobenceno

(no o-Vinilestireno)

Si en el anillo bencénico están presentes más de dos grupos, sus posiciones se indican por medio de números. El anillo se numera de forma que los sutituyentes tengan los números más bajos posibles y en caso de posible elección, se aplica lo ya indicado para los alcanos ramificados (ver sección 2.2). Cuando los nombres se basen en algunos de los compuestos mencionados con nombres comunes, la primera prioridad respecto a los números más bajos posibles se da a los sustituyentes ya presentes en dichos compuestos. En los siguientes ejemplos se puede ver lo expuesto anteriormente:

395


OH Br Br

1-Bromo-3,5-dimetilbenceno o 5-Bromo-m-xileno

1,2,3-Trimetilbenceno (no Metilxileno) (no 2,3-Dimetiltolueno)

2, 4, 6-Trinitrotolueno

2,6-Dibromofenol

1, 2-Dimetil-3-propilbenceno o 3-Propil-o-xileno

El nombre genérico de los radicales de los hidrocarburos aromáticos univalentes es arilo y el radical resultante al perder el benceno un átomo de hidrógeno, recibe el nombre de fenilo y con frecuencia se abrevia como C6H5 o Ph. El grupo derivado del tolueno tras eliminar un átomo de hidrógeno del grupo metilo se denomina bencilo (fenilmetilo).

Fenilo

Bencilo

Ácido 4-fenilbutanoico

2-Fenilheptano

13.2. Estabilidad y estructura electrónica del benceno: Aromaticidad La estructura del benceno fue dificil de establecer durante mucho tiempo. Desde el año 1825, se conocía que el benceno presentaba varias insaturaciones en

396

QUÍMICA ORGÁNICA

su molécula. Al principio se propusieron algunas estructuras, de cadena abierta o cíclicas, como las que se indican a continuación: CH3-C==C-C==C-CH3

Sin embargo, ninguna de ellas explicaba su comportamiento, ya que el benceno no daba reacciones de adición en condiciones normales, tal y como deberían hacer los compuestos insaturados de cadena abierta representados anteriormente; además se conocía que el benceno daba un solo producto de sustitución, lo cual indicaba claramente que todos sus hidrógenos debían ser equivalentes. Se propusieron entonces nuevas estructuras cíclicas y, finalmente, en 1865, August Kekulé propuso una estructura para el benceno como un hexágono regular con dobles enlaces conjugados:

Benceno Dewar

CD Benceno Claus

Prismano de Ladenburg

Benzvaleno

o

1

Benceno Kekulé

La estructura de Kekulé era capaz de explicar el hecho de que sólo hubiera un producto de monosustitución, pero no así el que hubiera un solo producto 1,2disustituido, como tampoco era capaz de explicar por qué se obtienen productos de sustitución y no de adición como sería de esperar, ya que en su molécula están presentes tres dobles enlaces: X

Un sólo producto posible de monosustitución

ce:

X

Dos posibles isómeros 1,2-disustituidos

Para poder explicar estos hechos es necesario recurrir a la teoría de la resonancia según la cual, el benceno se describe como un híbrido entre dos estructuras de Kekulé (1 y 11); la estructura híbrida se representa con un círculo dentro del hexágono y es esta nueva fórmula (III) la que se utiliza en la actualidad con fre-

397


cuencia, para el benceno. Esta forma de representación da idea de la gran simetría y equivalencia de todos los átomos de carbono e hidrógeno. No obstante, la estructura de Kekulé que muestra la insaturación y conjugación de los electrones n, se sigue utilizando para interpretar la reactividad.

o o -© 1

1

-

11

111

Cabe añadir que, además de las dos formas de Kekulé, también participan en el híbrido de resonancia tres fórmulas de Dewar, aunque estas últimas contribuyen en menor grado. Así, la molécula del benceno puede representarse completamente como un híbrido de las siguientes estructuras:

(39%}

(39%}

(7,3%}

(7,3%}

(7,3%}

Para comprender del todo la estructura del benceno hay que recurrir a la teoría de los orbitales moleculares. Conforme a esta teoría, el benceno se describe como una molécula conjugada cíclica; los seis enlaces carbono-carbono son iguales con una distancia de enlace de 1,39 A, intermedia entre un enlace doble y uno sencillo, y cada enlace carbono-hidrógeno tiene una distancia de 1,09 A. Enlace 7t del benceno

',(

Figura 13.1. Representación de la estructura molecular y del orbital molecular enlazante del benceno.

398

QUÍMICA ORGÁNICA

Todos los ángulos de enlace H-C-C y C-C-C son de 120º, como es de esperar para un hexágono regular. Los seis átomos de carbono tienen hibridación s¡J-, y cada carbono tiene un orbital p, perpendicular al plano del anillo, con un lóbulo por encima y otro por debajo ocupado por un electrón. Cada orbital p se superpone de igual modo con ambos orbitales p vecinos con lo que el resultado es que los seis electrones n se encuentran deslocalizados alrededor del anillo, tal como se muestra en la Figura 13.1. La energía de estabilización extra, conseguida por la deslocalización de los seis electrones n, se denomina energía de resonancia del benceno y puede calcularse experimentalmente mediante medidas de calores de hidrogenación. El calor de hidrogenación del benceno es - 49,8 kcal mol-1 y el del supuesto ciclohexatrieno es: [3 x - 28,6 kcal mol-1 (por cada doble enlace) = - 85,8 kcal mol-1]. Esto significa que el benceno es 36 kcal mol-1 más estable que el hipotético ciclohexatrieno y, este valor es el de la energía de resonancia del benceno. La gran estabilidad de la molécula del benceno se conoce como aromaticidad. Los compuestos aromáticos se caracterizan por no dar reacciones de adición, a pesar de su gran insaturación, y también porque son más estables que sus correspondientes análogos de cadena abierta. Según la regla de Hückel, para que una molécula sea aromática, el número de electrones n deslocalizados que forman el sistema circular debe ser igual a 4n + 2, donde n es cualquier número entero O, 1, 2, 3, etc. En el caso del benceno, con 6 electrones n, donde n = 1, se cumple la regla de Hückel.

13.3. Sustitución electrófila aromática (S~) La mayoría de las sustituciones en un carbono alifático son nucleófilas. En los sistemas aromáticos la situación es contraria, la alta densidad electrónica en el anillo aromático atrae a las especies positivas y no a las negativas. Los electrófilos reaccionan con el benceno sustituyendo a uno de sus hidrógenos: H H

H

H +

H H

E+ Electrófilo

H +

u+

H H

Mediante reacciones de sustitución electrófila aromática (SEAr) es posible halogenar, nitrar, sulfonar, alquilar o acilar el anillo de benceno:


Halogenación

Nitración

Sulfonación

Alquilación

399

Acilación

Estas reacciones son características, no sólo del benceno y de los bencenos sustituidos, sino de todos los anillos aromáticos (ver Tema 21). De hecho, una prueba de la aromaticidad de un compuesto es su capacidad de experimentar reacciones de sustitución electrófila.

13.3. 1. Mecanismo de la Se4r El mecanismo por el que transcurre la sustitución electrófila aromática, considerando como sustrato el benceno, es el siguiente:

En la primera etapa, el electrófilo ataca al anillo de benceno, que se comporta como un nucleófilo, y conduce a un carbocatión, que es un híbrido de resonancia como se indica en 1, y normalmente se representa como en 2; los iones de este tipo se conocen como intermedios de Wheland, complejos a, o iones arenio. La carga positiva queda deslocalizada entre las posiciones orto y para.; más adelante se verá la importancia de este hecho. En la segunda etapa se produce la pérdida del protón y se regenera el sistema aromático.

400

QUÍMICA ORGÁNICA

Como se puede observar en la Figura 13.2, la energía de activación de la primera etapa es alta porque la formación del intermedio carbocatiónico implica la pérdida de la aromaticidad del anillo. La etapa final, pérdida de un protón, es rápida porque se recupera la aromaticidad del sistema:

0 +

E

H

l

0-E+H+ Coordenada de reacción---

Figura 13.2. Diagrama de energía de la reacción del benceno con wi electrófilo.

13.3.2. Halogenación

El benceno, por lo general, no puede ser bromado o dorado por tratamiento directo con bromo o cloro, ya que estos halógenos no son electrófilos lo suficientemente fuertes para destruir su aromaticidad. Es necesario activar los halógenos utilizando como catalizadores ácidos de Lewis, como los haluros de hierro o de aluminio. El catalizador hace a la molécula de bromo más electrófila formando con ella el complejo que se indica a continuación:

El complejo de bromo es entonces atacado por la nube n del anillo de benceno para formar el carbocatión intermedio y después, el FeBr4- formado sustrae el protón del carbono que está unido al bromo. Como resultado final se obtiene bromobenceno, bromuro de hidrógeno y se recupera el catalizador:

(jH\ H

.. ;+; + :Br-Br - FeBr3 .. ~ ·

o+ = ¿P

-

r + FeBr4


O +

º Br

H~ -

Br + :Br-FeBr3 -

1

..

#

401

+ HBr + FeBr3

Catalizador

Bromobenceno

El yodo es el menos reactivo de los halógenos en la sustitución electrófila aromática; para que reaccione con el benceno es necesario oxidarle para obtener un electrófilo mejor. Los agentes oxidantes utilizados con más frecuencia son: HN03, HI03, S03, ácido peroxiacético, H 20 2 o sales de cobre. 12 HN03 2 I+ N03-

o~

1 J+ NOs- -

0

+

HNOs

Yodobenceno

Por otro lado, la reacción directa del benceno con flúor no es posible a temperatura ambiente debido a la extrema reactividad del F2• Para obtener fluorobencenos existen otros métodos, como por ejemplo la reacción de Schiemann, que se verá mas adelante (sección 17.5.2). En resumen, la halogenación del benceno se hace más exotérmica a medida que se asciende en el sistema periódico: con 12 (endotérmica) y con F2 (explosiva). Las cloraciones y bromaciones se consiguen utilizando ácidos de Lewis como catalizadores que sirven para polarizar el enlace X-X y activar el halógeno, aumentando asi su poder electrófilo.

13.3.3. Nitración El benceno se puede nitrar con una mezcla de ácido nítrico y ácido sulfúrico concentrados, ésta se conoce como mezcla sulfonitrica y es una fuente de cationes nitronio, N02+, que es el electrófilo de la reacción de nitración: :Q

~+

/ff"'\

· ~/.... \

N-0

"/

:O -

..

.. + H - O-S03H -

\.:::..-

..

:O

~+

~+

.. /

H

~H

H

"/ N-0 +

:O -

··/ 8-N-0+

:o -

:Q

'" H

+

.. :O .. -S03H

.. .. + .. H2~ + ~=N=~

Catión nitronio

La reacción del N02+ con el benceno transcurre por el mecanismo general de la SEAr:

402

QUÍMICA ORGÁNICA

O

H +

#

0 :02 -OSO:Vf 0 :02H OS03H Nitrobenceno

En algunas ocasiones se utiliza como agente nitrante tetrafluoroborato o hexafluorofosfato de nitronio, N0 2+BF4-o N02+PF6-; estas sales permiten la nitración suave de muchos compuestos aromáticos. La nitración de anillos aromáticos es una reacción muy importante ya que los compuestos que se obtienen pueden reducirse posteriormente, de una manera sencilla, para obtener las aminas aromáticas (ver Tema 17). N02

Nitrobenceno

NH2

Anilina

13.3.4. Sulfonación El anillo de benceno puede sulfonarse por reacción con ácido súlfurico fumante (mezcla de trióxido de azufre y ácido sulfúrico concentrado):

En este caso el agente electrófilo es el S03 y la reacción procede por el mecanismo general de SEAr, con la transferencia de un protón en la segunda etapa para formar el ácido bencenosulfónico. La reacción de sulfonación es reversible, y en la práctica calentando el ácido bencenosulfónico en medio ácido diluido se recupera el benceno:

La sulfonación está favorecida en medio ácido fuerte y la desulfonación en ácido diluido y caliente. La sulfonación reversible tiene mucha utilidad debido a que el sustituyente, ácido sulfónico, se puede utilizar como grupo protector para dirigir o bloquear la sustitución (sección 14.2).

403


13.3.5. Taliación Otra reacción interesante de sustitución electrófila aromática en el anillo bencénico es la taliación; consiste en el tratamiento del correspondiente anillo aromático con bifluoroacetato de talio (111) en ácido bifluoroacético: H

El derivado taliado puede experimentar fácilmente reacciones de sustitución nucleófila, permitiendo la entrada en el anillo de grupos dificiles de introducir por otros métodos, como se puede ver en los siguientes ejemplos:

CN

KCN

OH

ó

Tl(OOCCF3)2 l. Pb(OAc)4

2. PPh3 3. NaOH dil.

1

ó #

fa

ó

COOR ROH, CO, PdCl2

~

ó F

TIF2

ó ó BF3

#

#

404

QUÍMICA ORGÁNICA

13.4. Formaciones de enlace C-C: Reacciones de Friedel-Crafts Hasta ahora ninguna de las sustituciones electrófilas mencionadas daba como resultado la fonnación de enlaces carbono-carbono. En esta sección se van a tratar otras nuevas reacciones de sustitución electrófila aromática en las que se fonnan estos enlaces; estas reacciones reciben el nombre de Fríedel-Cralls en honor a sus descubridores.

13.4. 1. Alquilación Los electrófilos que reaccionan con los anillos aromáticos para formar un nuevo enlace carbono-carbono son carbocationes. Los métodos más importantes para obtener carbocationes son tres: l. A partir de halogenuros de alquilo:

RCI + AICI3 -----+ R+ + AICl42. A partir de alcoholes: a) y ácidos de Lewis ROH + AICI3 -----+ ROAIC12 -----+ R+ + - OAIC12 b) y ácidos próticos ROH + H+ -----+ ROH2+ -----+ R+ + H20 3. A parür de alquenos: 1

+

-C=C-+H+-----+ H-C- C1

1

1

1

Por lo tanto, las alquilaciones de Friedel-Crafts se pueden llevar a cabo utilizando cualquiera de estos reactivos como productos de partida, tal como se puede ver en los siguientes ejemplos:

()

"+ (CH3)3CBr

Bromuro de terc-butilo

C(CH3)3 + HBr

AlCl3~

(§ ) terc-Butilbenceno

CH3 H ()

1

CH

OH

+CH3t HCH3 lsopropanol

2-Metilpropeno

()

'cH3

+HOH

lsopropilbenceno

()C(CH3)3

terc-Butilbenceno

405


El mecanismo de la reacción de alquilación es el siguiente: :c1:

RCH2 -

·· ~I

Cl: + Al ••

:c1:

...

..

<;J. -----+

1

~-

--- Cl --- Al ••

1

1

..

Cl: ..

:c;;J:

:<;J:

o O'

~H2R

+ AIC4-

+

~

CH2R + Aic4- -----+

~H +

+ HCI + AICI3

CH2R Alquilbenceno ,¿?

El halógeno del halogenuro de alquilo primario se coordina con el catalizador dando lugar a una carga parcial positiva sobre el átomo de carbono unido al halógeno. El halogenuro de alquilo activado, es atacado por el anillo de benceno y la pérdida posterior de un protón conduce al alquilbenceno, al halogenuro de hidrógeno y se recupera el catalizador. Los catalizadores utilizados en esta reacción son normalmente ácidos de Lewis: A1Br3 , AIC13, FeC13 o BF3, pero también se pueden utilizar ácidos próticos como: HF, H2S04 o H3P04• A pesar de que la alquilación de Friedel-Crafts es muy útil para preparar alquilbencenos, esta reacción tiene algunas limitaciones: 1. Sólo se pueden utilizar halogenuros de alquilo: todos los halogenuros de alquilo reaccionan bien pero la reacción no va con halogenuros de vinilo o de arilo.

RF, RCI, RBr, RI Reactivos

~X No reactivos

2. Es frecuente observar políalquilación: a menudo resulta dificil detener las reacciones después de una sóla sustitución ya que en la mayoría de los casos el producto alquilado es más reactivo que el producto de partida y se obtienen productos di-, e incluso, tri-sustituidos.

406

QUÍMICA ORGÁNICA

3. La reacción de Friede/-Crafts no tiene Jugar en bencenos sustituidos con grupos desactivan/es. en la sección 14.1.2 se verá que la presencia de un sustituyente en un anillo aromático puede tener un efecto notable sobre la reactividad de ese anillo frente a posteriores sustituciones. 4. Ocurren transposiciones: es frecuente observarlas cuando se utilizan halogenuros de alquilo primarios; la cantidad de transposiciones que tienen lugar es variable y depende del catalizador, de la tempertaura de reacción, e incluso, del disolvente. Así por ejemplo, en la reacción del benceno con 1cloro-2,2-dimetilpropano, éste experimenta una transposición para dar el carbocatión terciario más estable, que es el que reacciona: CH3 1

CH3 +

CH3-C-CH2

migración de CH3

+

1

CH3- C -CH2

1

1

CH3

CH3

Transposidón de un carbocatión prÍlllario a uno terciario H

AlCl3 - HCI

La alquilación de Friedel-Crafts se puede utilizar también para efectuar el cierre del anillo. El método más común es calentar el compuesto aromático, que contenga un halógeno, un hidroxi o una olefina en la posición adecuada, con tricloruro de aluminio tal como se puede ver en la preparación de la tetralina: Cl + HCI H Alquilación intramolecular

Tetralina

13.4.2. Acilación

El método más importante para preparar arilcetonas se conoce como acilaclón de Friedel-Crafb. Un grupo acilo, -COR, se introduce en el anillo de benceno mediante la reacción de éste con un cloruro de ácido carboxílico, RCOCl, en presencia de un ácido de Lewis:

O

H

o 11

+ R- C-

ácido de Cl

Lewis

º #

o

~' R + HCI


407

El mecanismo de esta reacción no está completamente aclarado. En la mayoría de los casos, el electrófilo reactivo es un catión acilo estabilizado por resonacia:

Formas resonantes del ion acilo

Esta reacción tiene algunas ventajas sobre la reacción de alquilación de Friedel-Crafts, vista anteriormente: 1. Los iones acilo no experimentan reacciones de transposición. por lo tanto, es posible introducir una cadena larga en forma de grupo acilo. 2. No se observa polialquilación: el grupo acilo es atrayente de electrones por lo que desactiva el anillo y lo protege de una posible sustitución posterior. La reacción de acilación también se puede llevar a cabo con anhídridos, como por ejemplo:

~

~

H

O 11

+CH3 - C-

O 11

0-CCH3

Anhídrido acético

AICl3 A Acetofenona

El grupo carbonilo introducido, puede reducirse completamente por diversos métodos (ver Tema 15); por lo tanto, para acceder a los alquilbencenos es mejor utiliz.ar la secuencia aciladón-reducción, evitando así las transposiciones y el problema de polialquilación que supone el método de alquilación directa.

Secuencia acilación-reducción

o

+RCOCI

AICl3 A

>

Benceno

Alquilbenceno

Resumen de conceptos importantes 1. El benceno es una molécula de estructura tan característica que sirve para clasificar los compuestos orgánicos en dos grandes grupos: los que tienen la estructura del benceno o análogos, llamados compuestos aromáticos, y los que no la tienen, llamados compuestos alifáticos.

408

QUÍMICA ORGÁNICA

2. Los bencenos monosustituidos se nombran poniendo el nombre del sustituyente antes de la palabra -benceno. Los bencenos disustituidos se nombran como 1,2-,1,3- y 1,4- que, respectivamente, pueden denominarse también orto, meta y para. Muchos bencenos sustituidos tienen nombres comunes. 3. El benceno es un hexágono regular con seis átomos de carbono con hibridación spZ. Todos los ángulos de enlace son de 120º y todos los enlaces carbono-carbono son de igual longitud (1,39 Á); más largos que un enlace doble pero más cortos que uno sencillo. 4. Para representar el benceno se utilizan las estructuras de Kekulé, representando la estructura híbrida con un círculo dentro de un hexágono. Esta forma de representación da idea de la gran simetría y equivalencia de todos los átomos de carbono e hidrógeno. 5. La gran estabilidad de la molécula del benceno se conoce como aromaticidad. El significado de esta palabra ha cambiado mucho con el tiempo y ahora se refiere a una propiedad termodinámica y no a su olor. Los compuestos aromáticos son más estables que los correspondientes análogos de cadena abierta. 6. La sustitución electrórda aromática (SEAr) es la reacción más importante de los compuestos aromáticos; en el benceno transcurre por la adición del electrófilo seguida de la pérdida de un protón. Eligiendo el reactivo apropiado, es posible halogenar, nitrar, sulfonar, alquilar o acilar el anillo de benceno. 7. Las reacciones de Friedel-Crafts son reacciones de sustitución electrófila aromática, donde los electrófilos son carbocationes y conducen a la formación de un nuevo enlace carbono-carbono.

409


Eiercicios de autocomprobación 1. Nombrar los siguientes compuestos: Br Br b)

COCH2CH3

º

COOH Cl

OH OH

Cl

CHO

COOH

OH

h)

CH3CH2

i)

O

COCH3 N02

COOH

2. Formular los compuestos que se indican a continuación:

a) b) e) d) e)

Etilfeniléter 1-Fenil-3-metil-1-pentanona o fenil-2-metilbutilcetona 2,3-Difluoroanilina Ácido fenilacético 2,4,6-Trinitrofenol o ácido plcrico f) 2,6-Dinitrotolueno

410

QUÍMICA ORGÁNICA

g) N-Metilanilina h) sec-Butilbenceno i) Difenilmetano j) Bifenilo 3. Indicar los productos que se obtienen en la reacción del benceno con ciclohexeno, en presencia de cantidades catalíticas de ácido súlfurico. 4. Escribir el producto mayoritario esperado de la reacción del bence-

no, en condiciones de Friedel-Crafts, con cada uno de los reactivos que se indican: a) b) c) d) e)

2

Cl (CH3hCCH2CH2Cl CO + HCl Cloruro de propilo Cloruro de propanoilo f) (CH3)2 CBrCH2 CH2CBr(CH~ 2 g) p-CH3CeH5COCl

5. Utilizando benceno como producto de partida, proponer una síntesis para cada uno de los siguientes compuestos: a)

b)

oo-

C(CH2CHs)3 CH2CH2CH2CH3

o

e)

o

o-~-CH2-CH2-~--0

8. Indicar que productos se forman en la reacción del cloruro de pivaloílo [(CH~ 3 C-COC1] con benceno y con anisol en las condiciones de Friedel-Crafts. Explicar los resultados.

7. Indicar el compuesto que se obtiene en la reacción del benceno con anlúdrido succínico y reducción posterior del producto formado.

411


Soluciones a los eiercicios de autocomprobación 1. a) 1,2-Dimetil-4-nitrobenceno o 4-nitro-o-xileno

b) Ácido 2-bromobenzoico e) p-Clorobromobenceno o 4-clorobromobenceno. d) Etil p-metilfenilcetona o etil p-toluilcetona o 1-(p-metilfenil)-1propanona. e) m-Clorobenzaldehído o 3-clorobenzaldehído f) 1,2,4-Trlliidroxibenceno g) Ácido o-aminobenzoico o ácido 2-aminobenzoico h) 1,2,4,5-Tetraetilbenceno i) o-Nitroacetofenona j) Ácido p-(dietilamino)benzoico 2.

NH2

CH2COOH

OH

F

02N

N02

e)

F CH3

NHCH3

1

CH3CH2- CH

t)

h) 02N CH3

1iOcH2-Q

j)

412

QUÍMICA ORGÁNICA

3. En esta reacción se observa polialquilación, uno de los inconvenientes de las alquilaciones de Friedel-Cra:fts; el ciclohexilbenceno formado es más reactivo que el propio benceno.

+

Ciclohexeno

Ciclohexilbenceno

p-Diciclohexilbenceno

4.

CHO

c)

O O #

d)

a - 6 ºC 60% a 35 ºC 40%

La reacción del benceno con CO y HCl en presencia de un ácido de Lewis, permite la introducción directa del grupo formilo (-CHO) Reacción de Gattermann-Koch CH3 1

CH2CH2CH30 CH'1 CH3

# 40% 60%

Distintos porcentajes dependiendo de las condiciones experimentales


413

Si la temperatura es baja, la reacción tiene lugar bajo control cinético y el producto mayoritario es el propilbenceno. Por el contrario, las temperaturas más altas favorecen la formación del carbocatión secundario, termodinamicamente más estable, y el isopropilbenceno es entonces el producto mayoritario. e)

O o

COCH2CH3

/

f)

+ (CH3)iC-CH2-CH2-C(CHs)2 -1

1

Br

Br H3C CH3

Alquilación de Friedel-Crafts con un reactivo que contiene dos grupos y que conduce al cierre del anillo.

g)

Q-co -0-

cH3

5.

(CH3CH2)sCCI AICl3

b) Es mejor llevar a cabo una reacción de acilación seguida de una reducción, ya que la alquilación directa conduce a transposiciones, con lo que provoca una disminución del rendimiento del

414

QUÍMICA ORGÁNICA

producto deseado y origina mezclas de productos de dificil separación:

o

CH3CH2CH2COCI

AIC13 AcUación

1

Reducción Zn (Hg), HCI CH2CH2CH2CH3

8. Cuando el grupo Res terciario, como en este caso, entonces RCO+ puede perder CO para dar R+.

co

RCO+ ~R+ Esta clase de eliminación tiene lugar fundamentalmente con sustratos poco reactivos; por ello, el cloruro de pivaloílo da el producto normal de acilación cuando reacciona con el anisol. y en cambio, conduce al producto alquilado si reacciona con el benceno:

(CH3hCCOCl +

: O

O

OC(CH~3 AICI3 OCH3

mayoritario (YOCH3

(CH~3COC~

mayoritario


415

Con anisol se obtiene principalmente el isómero para debido al gran tamaño del grupo acilo (ver Tema 14). 7. La reacción de acilación de Friedel-Crafts también puede tener lugar con anlúdridos cíclicos como el succinico. En este caso, el producto contiene un grupo carboxilo al final de la cadena lateral:

El compuesto C6H5COCH 2CH 2COOH se puede reducir por cualquiera de los métodos de reducción de grupo carbonilo, por ejemplo reducción de Clemmensen o de Wolff-Kishner, y el producto obtenido se puede ciclar por una acilación interna de FriedelCrafts. El proceso total se conoce como reacción de Haworth. En este ejercicio, se pone de manifiesto una utilidad importante de la reacción de acilación de Friedel-Crafts, que es el cierre del anillo. Se puede llevar a cabo, con un halogenuro de acilo, con un anhidrido o con un grupo ácido en la posición adecuada.

Tema 14

Ataque electrófilo y nucleófilo sobre derivados del benceno 1

SUMARIO 1

1

14.1. Efectos de los sustituyentes en la sustitución electrófila aromática 14.1.1. Activación del anillo bencénico 14.1.2. Desactivación del anillo bencénico 14.2. Orientaciones de los sustituyentes 14.3. Sustitución nucleófila aromática 14.3.1. Estructura del bencino 14.4. Otras reacciones del benceno 14.5. Bencenos sustituidos: Fenoles 14.5.1. Nomenclatura y propiedades fisicas 14.5.2. Reacciones de los fenoles 14.5.3. Métodos de obtención de fenoles Resumen de conceptos importantes Ejercicios de autocomprobación Soluciones a los ejercicios de autocomprobación

OBJETIVOS _ 1

1

_ _ _ _ _ _ _ _ _ __

1

1. Definir el carácter activante o desactivante de un sustituyente en el anillo de benceno. 2. Distinguir el efecto orientador que tienen los sustituyentes mediante el análisis de las formas resonantes del intermedio carbocatiónico formado por el ataque del electrófilo. 3. Planificar síntesis de bencenos polisustituidos evaluando el orden en el que se introducen los grupos.

4. Describir la reacción de sustitución nucleófila aromática, explicar el mecanismo y su aplicación a los bencenos sustituidos con grupos atrayentes de electrones. 5. Formular otras reacciones, también interesantes, del propio benceno y de sus derivados. 8. Evaluar la importancia de los fenoles, compuestos muy abundantes en la naturaleza; nombrarlos y explicar la reactividad de estos compuestos.

ATAQUE ELECTRÓFILO Y NUCLEÓFILO SOBRE DERNADOS DEL BENCENO

419

14. 1. Efectos de los sustituyentes en la sustitución electrófila aromática Cuando se lleva a cabo una reacción de sustitución electrófila aromática en un benceno monosustituido, el grupo ya presente en el anillo es el que determina la posición en la que entra el nuevo grupo (orto, meta o para) y, si la reacción se produce de modo más rápido o más lento que en el propio benceno. Los grupos que aumentan la velocidad de reacción se llaman activantes y los que la disminuyen desactlvantes. Algunos grupos son predominantemente meta-dirigentes; todos ellos son desactivantes. Otros son principalmente orto y para dirigentes; de éstos algunos son desactivantes también, pero la mayoría son activantes. Los grupos orientan o dirigen de forma preferente pero, normalmente, no de modo exdusivo. Así, por ejemplo, la nitración del nitrobenceno da un 93% de m-dinitrobenceno, un 6% del orto y un 1% del isómero para. La orientación y los efectos de la reactividad de cada grupo, se explican en base a los efectos inductivos y/o de resonancia. El análisis de las formas resonantes del intermedio carbocatiónico que se forma, en el paso limitante de la reacción (ver sección 13.3.1), permite explicar la regiose/ecüvidadde estas reacciones.

14. 1. 1. Activación del anillo bencénico Un sustituyente del anillo de benceno tiene efecto activante, frente a la sustitución electrófila aromática, si cede densidad electrónica al anillo. Así, por ejemplo, los grupos con efecto +I activan todas las posiciones del anillo pero orientan, por efecto inductivo, hacia las posiciones orto y para; es en estas posiciones donde la activación es más intensa:

A

Donde A es un sustituyente con efecto +I + Electrófilo (E+)

A

Ataque en orto

A

A

H E _

H E

H E _ +

A

420

QUíMICA ORGÁNICA

A

A

A +

Ataque en meta

H--

H +

A

A

--

Ataque en para B

H E

A

H E

H E

Si se observan las formas resonantes que resultan del ataque del electrófilo a las distintas posiciones, se puede ver que los tres intermedios están estabilizados pero, el ataque a las posiciones orto y para da lugar a un catión hexadienilo en el que una estructura resonante tiene la carga positiva adyacente al sustituyente que cede electrones (estructuras A y B) con lo que estabilizan más el intermedio. Cuando el grupo presente en el anillo tiene efecto-/, por ejemplo NH2, OH, pero tiene un par de electrones sin compartir en el átomo directamente unido al anillo, el efecto de cesión de electrones por resonancia, +M, es más fuerte que el efecto inductivo de captación. Como se puede ver a continuación, el ataque del electrófilo a las posiciones orto y para conduce a mayor número de formas resonantes y además, una de las estructuras resonantes (en este caso C y D) cumple la condición de que todos sus átomos poseen el octeto electrónico, con lo que están especialmente favorecidas. Condición que no reúne ninguna de las formas resonantes cuando el ataque tiene lugar en la posición meta: :Z

Donde Z es un sustituyente con un par de electrones sin compartir + Electróftlo (E+) :Z Ataque en orto

:Z H E _

H E _ +

H E _

H

E

421


:Z + H-

Ataque en meta

:Z

H

+

-

:Z

-

Ataque en para

:Z

:Z

+

D

H E

H E

H E

H E

El ataque electrofílico sobre los anillos activados por resonancia tiene lugar de modo muy rápido, a veces ni siquiera es necesario el uso de un catalizador, y transcurre de forma completamente regioselectiva hacia las posiciones orto y para. Los grupos que activan el anillo de benceno y dirigen u orientan hacia las posiciones orto y para son los que se indican a continuación: -NH2, NHR, -NR2, -o-, -OH, -OR (Activantes fuertes); -OCOR, -NHCOR (Activantes moderados); -R, -Ar (Activantes débiles)

14. 1.2. Desactivación del anillo bencénico La presencia de un grupo desactivante en el anillo de benceno dificulta la sustitución electrófila posterior, sin embargo si ésta se realiza en condiciones muy enérgicas la sustitución tiene lugar sólo en la posición meta como se puede ver con ayuda de las estructuras de resonancia: D

Donde D es un sustituyente con efecto -1 + Electrófilo (E+)

D

D H

Ataque en orto

H E -

E +

E

D H E

422

QUíMICA ORGÁNICA

D

D

Ataque en meta

H

D

H-

-

+

D

D

D

Ataque en para +

HE

-

F

HE

HE

La presencia del grupo con efecto-/, desestabiliza todas las posiciones del anillo de benceno pero, los ataques en orto y para están aún más desfavorecidos. En ambos casos, una de las estructuras de resonancia del intermedio catiónico (estructuras E y F), tiene la carga positiva adyacente al sustituyente, por lo que se encuentra desestabilizada debido a la presencia de un sustituyente atrayente de electrones. Esto no sucede cuando el ataque tiene lugar en la posición meta. Existen también grupos que desactivan el anillo por resonancia, grupos con efecto -M, como por ejemplo el grupo carboxilo. Como se puede observar en las estructuras resonantes, el ataque del electrófilo a la posición meta evita que la carga positiva se sitúe junto al grupo carboxilo. Por el contrario, las estructuras resonantes, G, H, 1 y J, están muy desfavorecidas debido a la interacción repulsiva con el átomo de carbono que se encuentra polarizado positivamente.

+ Electrófilo (E+)

+ ..

..

:o"-

e

/RH

1

Ataque en orto

H E _ ~

+

H E _ +

H

E

423


+

Ataque en meta

H-

H

+ .. :O

.. OH

'/·· e 1

Ataque en para + H E

-

H E

H E

H E

En esta categoria, en orden aproximado de capacidad desactivante decreciente, se encuentran: -N0 2, -CN, -S03H, -CHO, -COR, -COOH, -COOR, -CONH2, -CC13• En resumen, todos los grupos desactivantes, tanto si operan por resonancia como por efecto inductivo, orientan la entrada del nuevo sustituyente a la posición meta; por el contrario, los grupos activantes orientan hacia las posiciones orto y para. &to es cierto, excepto para los halógenos. Los halógenos ocupan una posición única, son desactivantes pero orientan la sustitución hacia las posiciones orto y para debido a que, en este caso, los efectos resonantes son más fuertes que los inductivos.

..

:x:

+ Electrófilo (E+)

..

..

:x:

Ataque en orto

:x: H

E

~

+

-

H

H

E _

E

+

K

424

QUíMICA ORGÁNICA

..

:x: +

Ataque en meta

-

..

..

:x:

H E

:x:

+ H-

:x:

Ataque en para

..

..

:x:

+

H E

-

H E

Como se puede ver, el ataque del electrófilo en las posiciones orto y para conduce a estructuras resonantes con la carga positiva junto al halógeno; pero, aunque en principio se pudiera pensar que es desfavorable por el efecto de atracción de electrones, el halógeno puede estabilizar esta carga positiva (estructuras K y L) debido al efecto conjugativo (+M), del mismo modo que lo hacen el grupo amino e hidroxilo. Relación orto/para

Cuando existe un grupo orto/para dirigente (todos los sustituyentes activantes y los halógenos) en el anillo de benceno, es a menudo dificil predecir el porcentaje de cada isómero. Si sólo se tienen en cuenta las consideraciones electrónicas de los diferentes estados de transición, la proporción debería ser únicamente estadística, es decir 67% del isómero orto y 33% del isómero para, dado que el anillo dispone de dos posiciones orto y una sola para. Sin embargo, en muchos casos, predomina el isómero para en la mezcla de reacción. Esto sucede cuando el grupo activante o el electrófilo atacante, son voluminosos. En estas condiciones se obtiene preferentemente el isómero para, más favorecido que el orto, ya que este último presenta impedimento estérico entre los dos grupos. Este efecto se pone claramente de manifiesto en los siguientes ejemplos: • Nitración del tolueno y del terc-hutilbencenu. El primero da un 59% del isómero orto y un 37% del isómero para, mientras que en el terc-butilbenceno la relación orto/para es 16/73.


425

N02

Tolueno

Isómero: orto 59%

CH3

meta4% CH3

1

1

para31% CH3 1

CH3-C-CH3 CH3-C-CH3 CH3-C-CH3

N02

N02

terc-Butilbenceno

Isómero: orto 16%

meta 11%

para13%

• Nitración de Ja acetanibda. Se obtiene preferentemente el isómero para, debido a que el grupo -NHCOCH3 es bastante voluminoso: NHCOCH3

NHCOCH3

N02

Acetanilida

p-Nitroacetalinida 80%

En resumen, para conocer el resultado de una reacción hay que tener en cuenta no sólo los factores electrónicos, sino también las interacciones estéticas. Ataque ipso

Hasta ahora, se ha discutido la orientación en el caso de los bencenos sustituidos enteramente en términos del ataque a las posiciones oJto, meta y para, pero, no se debe olvidar el ataque a la posición que lleva el sustituyente (llamada posición ipso). Normalmente esta reacción no es competitiva pero ocurre en algunas ocasiones.

426

QUíMICA ORGÁNICA

Por ejemplo, el te.lt.'-butilbenceno en medio ácido y en presencia de un ácido de Lewis elimina el grupo te.lt.'-butilo; es la reacción inversa a la reacción de Friedel-Crafts vista en la sección 13.4.1.

14.2. Orientaciones de los sustituyentes Cuando el benceno, o un anillo aromático, posee dos sustituyentes que orientan o dirigen la entrada del electrófilo hacia la misma posición, resulta sencillo predecir el producto mayoritario de la reacción como se puede ver en los siguientes ejemplos: CH3 impedimento estérico

CH3

N02

1,3-D; Jtilbenceno

1,3-Dimetil-4-nitrobenceno COOH

COOH

N02

Cl

Cl

Ácido p-clorobenzoico

Ácido 4-cloro-3-nitrobenzoico

CH3 ~

m o /'

CH3

7 1

N02

HN03/H2S04

N02

N02

p-Nitrotolueno

2, 4-Dinitrotolueno


427

Cuando los efectos ortentadores de los grupos unidos al anillo se oponen, es decir favorecen distintas posiciones, las predicciones son más difíciles. Así, en los casos donde hay dos grupos con aproximadamente igual capacidad como el hidroxilo y el grupo amino, es de esperar la formación de los cuatro productos y no es fácil predecir las proporciones. OH

1

~

A pesar de todo, existen algunas regularidades para la entrada del tercer sustituyente: 1. Si hay un grupo activante en competencia con uno más débil o con un grupo desactivante, el activante más fuerte es el que controla la regioselectividad. Para aplicar esta regla se pueden disponer los grupos en el siguiente orden: -NH 2, -OH, -NR2, -o-> -OR, -OCOR, -NHCOR >

-R, -Ar> halógeno> grupos meta dirigentes. OH

OH Br-Br CHCl3, OºC

fr Metilfenol

Br

2-Bromo-4-metilfenol

2. El tercer grupo es menos probable que ocupe la posición entre los dos gru-

pos ya presentes como resultado del impedimento estérico; este factor aumenta en importancia con el tamaño de los grupos presentes en el anillo y con el de las especies atacantes. 3. Cuando existe un grupo meta-dirigente en meta respecto a un grupo

orto/para dirigente, el grupo entrante va a la posición orto respecto del grupo meta dirigente.

428

QUíMICA ORGÁNICA

3,4-Dinitroanilina

m-Nitroanilina

En el siguiente ejemplo, se puede ver la aplicación de estas tres reglas:

2 +

Cl-Cl, FeCl3

4

N02

N02

N02

N02

Cl

+ Cl

Cl

Cl

Cl

Cl Cl

producto mayoritario

minoritario viola la regla 2

No se forman

viola la regla 1

viola la regla 3

De las cuatro posiciones abiertas al electrófilo, la posición 5 viola la regla 1, la posición 2 viola la regla 2 y la posición 4 viola la regla 3. Por lo tanto el producto principal de la reacción es en la posición 6. Para abordar la síntesis de bencenos específicamente sustituidos es necesario conocer no sólo que reactivos hay que utilizar sino también cuándo utilizarlos. Algunas veces se debe invertir el carácter orientador de algún grupo; otras veces, es necesario introducir un sustituyente como agente bloqueante. Por tanto, se debe ser muy cuidadoso al elegir el orden en el que se introducen los nuevos grupos. En los siguientes ejemplos se indican algunas estrategias que pueden aplicarse para resolver estos problemas de síntesis:

429


1. Síntesis del 1-bromo-3-nitrobenceno a partir de benceno:

o

Br

Los dos grupos se pueden introducir por sustitución electrófila aromática, pero ¿en qué orden? Es evidente que hay que nitrar primero y después bromar:

o

Br

El orden inverso conduciría a la formación de los productos tituidos.

0110-

y para- sus-

2. Síntesis del ácido 3,5-dinitrobenzoico a partir de benceno:

COOH

o • En primer lugar hay que introducir el grupo COOH; para ello hay, al menos, dos posibilidades:

Reacción de un reacüvo de Grignard con dióxido de carbono (ver sección 7. 6) MgBr

Br

o

Mg éter

COOH

430

QUíMICA ORGÁNICA

AlquUación de Friede/-Crafts y oxidación posterior (ver sección 14.4)

COOH

O

Oxidación

+CH Cl AICl3 3

A

• Una vez obtenido el ácido benzoico, y dado que el grupo carbo.xilo orienta a meta, la nitración conduce al producto deseado:

COOH

COOH

3. Sintesis del 1-cloro-4-nitro-3-propilbenceno a partir de benceno:

o • Se trata de ir, desde el final al principio; hay que considerar tres posibilidades para introducir el último grupo:

Cl

Anillo fuertemente desactivado no da la reacción de Friedel-Grafts

No se obtiene el isómero deseado


431

De las tres, parece que la mejor alternativa es nitrar el .m-cloropropilbenceno. • Una vez decidido cuál es el benceno disustituido de partida, se observa que es necesario la presencia de un sustituyente que oriente a la posición meta. Por otro lado, y dado que que no es posible introducir el grupo propilo por alquilación de Friedel-Crafts, ya que ocurren transposiciones, lo mejor es llevar a cabo una acilación de Friedel-Crafts:

• El compuesto obtenido, aunque está desactivado, se puede dorar para obtener el isómero deseado (el grupo dirige a la posición meta).

• Ahora ya se debe reducir el grupo carbonilo, por ejemplo por medio de una reducción de Clemmensen:

HCI Zn,Hg

• Por último, la nitración del m-cloropropilbenceno conduce al producto buscado:

432

QUíMICA ORGÁNICA

14.3. Sustitución nucleófila aromática La sustitución electrófila es la reacción más importante y útil de los anillos aromáticos. Sin embargo, en ciertos casos la sustitución aromática también puede proceder por un mecanismo nucleófilo. Los halobencenos con grupos atrayentes en el anillo, especialmente grupos nitro en posiciones orto o para. con respecto al halógeno, reaccionan con nucleófilos con facilidad como se muestra en los siguientes ejemplos: Cl 02N

OH 02N

N02

N02

NaOH -Na CI N02 F

N02

+ H-

N02

o

N

-HF

o

02N

N02

N02

Br

OCH3 NaOCH3

+ NaBr

A diferencia de las sustituciones nucleófilas, vistas para los halogenuros de alquilo (sección 5.3), en esta reacción la sustitución tiene lugar por un mecanismo de adición-eliminación.

(X

OH + c1N02


433

La reacción transcurre en dos pasos, en el primero el ataque del nucleófilo conduce a un anión que se encuentra muy estabilizado, debido a que puede deslocalizar la carga negativa por el, o los, sustituyentes atrayentes de electrones. En el segundo paso, se elimina el ion cloruro y se recupera la aromaticidad.

14.3. 1. Estructura del bencino Los halobencenos, sin sustituyentes atrayentes de electrones, no reaccionan con los nucleófilos en las condiciones anteriormente vistas. Sin embargo, a presión y temperaturas elevadas, la reacción tiene lugar pero por un mecanismo que implica eliminación seguida de adición: Primer paso: Eliminadón

-;?" ........._,

º

11

+ HNH2

Benclno

Segundo paso: Adidón

-;?" ........_,

º

11

+ HNH2

Bencino

La base fuerte provoca primero la eliminación de HX del halobenceno formando el bencino. &te intermedio es muy reactivo y se une al nucleófilo en el segundo paso para formar los productos. Lo más interesante es que el grupo entrante no siempre ocupa la posición dejada por el grupo saliente tal como se observa en los siguientes ejemplos:

NaOH, 300 ºC

+

-NaBr

HO Br

OH

434

QUíMICA ORGÁNICA

Br

OH

NaOH, 300ºC -NaBr

+

+

OH OH

14.4. Otras reacciones del benceno El benceno, debido a su carácter aromático, es poco reactivo. Aparte de las reacciones de sustitución aromática vistas en las secciones precedentes, el anillo de benceno y sus derivados experimentan oxidaciones y reducciones, tal como se describe a continuación: Ozonólisis La ozonólisis del benceno en medio reductor conduce a etanodial (glioxal):

o o 11

11

3 HC -

CH

Glioxal

La misma reacción se puede llevar a cabo con el o-xileno para dar lugar a una mezcla de productos de oxidación:

o

o

o

o

o

11

11

11

11

11

CH3C -

CCH3 + CH3C -

CH + HC -

o 11

CH

Oxidación El benceno es muy estable y resiste la acción de oxidantes fuertes como el KMn04• En condiciones muy enérgicas, como por ejemplo oxígeno en presencia de pentóxido de vanadio, reacciona para dar el anhídrido maleico:

o

o Anhídrido maleico


435

Esta misma reacción se puede llevar a cabo con el 1,2-dimetilbenceno para obtener el anhídrido ftálico:

o

o Anhídrido ftálico

Las cadenas alquílicas se pueden oxidar a grupos COOH con muchos agentes oxidantes como permanganato, ácido nítrico o dicromato: COOH

COOH

COOH Reducción

La hidrogenación catalítica del benceno sólo se produce en condiciones muy enérgicas: Ni, 200 ºC

15 atin.

o

Ciclohexano

Es posible la reducción selectiva en condiciones tales que permitan la transferencia de un único electrón. De esta forma la reacción del benceno con amoniaco liquido y etanol en presencia de un metal alcalino (litio o sodio) origina el 1,4ciclohexadieno. Esta reacción se conoce como reducción de Birch.

436

QUíMICA ORGÁNICA

H H

o

Na, NH3 liq. CH3CH20H

H H 1,4-Ciclohexadieno

La presencia de sustituyentes en el anillo de benceno permite controlar la dirección de la reducción de Birch, como se observa a continuación:

Na, NH3 liq. CH3CH20H COOH

COOH Na, NH3 liq. CH3CH20H

Los sustituyentes dadores de electrones se encuentran unidos a un carbono del doble enlace, mientras que los atrayentes se encuentran en posiciones saturadas. La hidrogenación catalítica de los alcoholes y de los éteres bencilicos conduce a alquilbencenos:

+ HOR

25 ºC

14.5. Bencenos sustituidos: Fenoles Los fenoles son compuestos con un grupo hidroxilo directamente unido a un átomo de carbono con hibridación s¡I- de un anillo aromático, ArOH. Son compuestos muy abundantes en la naturaleza y son muy interesantes desde el punto de


437

vista industrial, debido a que son intermedios de síntesis de un gran número de compuestos. La palabra fenol se utiliza para nombrar un compuesto específico pero también da nombre a toda una clase de compuestos.

14.5. 1. Nomenclatura y propiedades físicas Los fenoles se nombran según se ha descrito en la sección 13.1. Cuando la función hidroxilo no es la de mayor importancia en la molécula, se la denomina hidroxi:

OH

OH

OH

OH

CHO Fenol

m-Nitrofenol

Ácido o-hidroxibenzoico

3-Hidroxi-4-metilbenzaldehído

Los derivados polihidroxilados se nombran añadiendo los sufijos -cliol, -triol etc. a la palabra benceno. Por otro lado, existen una serie de fenoles que son conocidos por su nombre común dado su interés industrial, como por ejemplo:

OH

OH

o-Cresol (2-Metilfenol)

m-Cresol (3-Metilfenol)

OH

OH

HOY)

OH OH Pirocatecol (1, 2-Bencenodiol)

p-Cresol (4-Metilfenol)

Resorcinol (1,3-Bencenodiol)

~ OH Hidroquinona (1,4-Bencenodiol)

438

QUíMICA ORGÁNICA

OH

OH

OH

OH OH

OH

HO

N02

Pirogalol

Floroglucinol (1, 3, 5-Bencenotriol)

(1, 2,3-Bencenotriol)

Ácido pícrico 2,4, 6-Trinitrofenol

Cuando se nombra al fenol como sustituyente se le denomina fenclld (C6H50-).

Propiedades físicas Las propiedades de los fenoles son semejantes en muchos aspectos a las de los alcoholes (ver Tema 7). En cambio su acidez es bastante mayor; los fenoles pueden disociarse en disolución acuosa: OH

o-

Fenol

Ion fenóxido

El gran carácter ácido es consecuencia de la estabilidad que presenta su base conjugada, el anión fenóxido; la carga negativa se encuentra estabilizada por deslocalización en el anillo aromático:

.·o··..

:o:

:o:

-

:o:

·o··...

-

Los fenoles que posean sustituyentes atrayentes de electrones serán más ácidos que el fenol mismo, y en cambio, los fenoles con sustituyentes dadores de electrones son menos ácidos, ya que los aniones correspondientes son tanto más estables, cuantas más posibilidades de deslocalización de carga posean (ver ejercicio de autocomprobación n.0 6).


439

Los bencenos polihidroxilados son más ácidos que los monohidroxilados, al igual que ocurre con los alcoholes.

14.5.2. Reacciones de los fenoles El grupo hidroxilo de los fenoles presenta algunas de las reacciones propias de los alcoholes (sección 7.4) además de las reacciones debidas a la presencia del anillo aromático. Reacciones tipo alcohol

Los fenoles reaccionan con los halogenuros de alquilo (Síntesis de WUDamson, sección 8.5), en presencia de una base, para formar éteres: OH + HOH

Los fenoles se convierten en ésteres por reacción con cloruros o anhídridos de ácido: OH

o

o H+ A

Ácido acetilsalicílico (Aspirina)

Reacciones de S~

Como ya se ha visto en la sección 14.1.1, el grupo hidroxilo es un sustituyente activante fuerte y orienta en las reacciones de sustitución electrófila aromática a las posiciones orto y para. La reacción transcurre más facilmente que en el benceno y, a no ser que se controlen las condiciones de reacción, generalmente se obtienen productos de polisustitución:

440

QUíMICA ORGÁNICA

OH

OH Br

Br Fenol

2,4,6-Tribromofenol

OH

OH

+ Br2

Ácido acético 30ºC

----~

OH

+

Br Fenol

p-Bromofenol 88%

o-Bromofenol 12%

En condiciones básicas los fenoles son aún más reactivos, y experimentan reacciones de sustitución electrófila, incluso con electrófilos muy débiles, a través de los iones fenóxido:

Reacción de Reimer-Tiemann OH

OH

o-Hidroxibenzaldehído

Los fenoles por tratamiento con cloroformo en medio básico se transforman en o-hidroxialdehídos.

Reacción de Kolbe OH

OH

Ácido salicílico (o-Hidroxibenzoico)


441

La reacción del fenol con anhídrido carbónico en medio básico y bajo presión, permite la introducción de un grupo carbo.xilo, preferentemente en la posición orto. Esta síntesis presenta interés industrial, dado que es el primer paso en la síntesis de la aspirina.

Oxidación Los fenoles se oxidan para dar ciclohexadienodionas, conocidas como benzoquinonas:

o

OH oxidante

Como agentes oxidantes se utilizan, entre otros, dicromato potásico, óxido de plata, tetraacetato de plomo y ácido peryódico. Un agente oxidante especial es un radical libre, el nitrodisulfonato de potasio (KS0 3)iN-O·, conocido como sal de Fremy, este reactivo se utiliza para bencenos que contienen un único grupo hidroxilo. Si en el anillo aromático se encuentran dos grupos hidroxilo en posiciones orto o para, entre sí, la reacción de oxidación transcurre más fácilmente:

o

OH OH

o K2Cr201

~

H+

o-Dihidroxibenceno

HO

O ºH

p-Dihidroxibenceno

o-Benzoquinona

Ag20

o

Oº

p-Benzoquinona

El isómero meta no se oxida a la forma quinónica ya que no hay posibilidad de formular una estructura quinónica con los dos grupos carbonilo en dicha posición.

442

QUíMICA ORGÁNICA

Las quinonas son compuestos muy interesantes, desde el punto de vista biológico, debido a sus propiedades de oxidación/reducción:

o

OH + 2H+ + 2e-

o

OH

La naturaleza hace uso de este par redox en procesos de oxidación reversibles implicados en la producción de energía.

14.5.3. Métodos de obtención de fenoles La adición electrófila directa de un OH al anillo de benceno es muy dificil, por lo que los fenoles se preparan normalmente por otros métodos: Hidrólisis de sales de arenodiazonio

Es uno de los mejores métodos para obtener fenoles: OH HOH,A

-N2 R

La mayoría de los grupos funcionales son compatibles con las condiciones de reacción y en general, se obtienen buenos rendimientos. Este procedimiento se verá con detalle en la sección 17.5.2. A partir de un ácido bencenosulfónico

La reacción del ácido bencenosulfónico con NaOH y altas temperaturas conduce a la obtención del fenol: OH 2 NaOH 300 ºC

443


Sustitución nucleófila del clorobenceno

El fenol se puede obtener a escala industrial, mediante la reacción del clorobenceno con hidróxido sódico a altas temperaturas: Cl

OH NaOH,A HCI

Esta síntesis del fenol, transcurre a través de un bencino intermedio. A partir del derivado taliado

Tal como se ha visto en la sección 13.3.5. A partir de hidroperó:xidos

El procedimiento más utilizado en la industria para la producción del fenol es a partir de la hidroperoxidación del cumeno: CH3 1

CH3-C- O - O-H

OH

o 11

+ CH3-C-CH3

Isopropilbenceno

Fenol

Acetona

En este método de síntesis, el isopropilbenceno (cumeno) reacciona con el aire, mediante un mecanismo a través de radicales, para formar el hidroperóxido de cumeno; el tratamiento posterior con ácido produce fenol y acetona. Aunque el objetivo era la síntesis del fenol, el potencial comercial de la acetona hace que el método sea económicamente rentable. Resumen de conceptos importantes

1. Los grupos que aumentan la velocidad de reacción, en una sustitución electrófila aromática, se denominan activantes y los que la disminuyen desactivantes.

444

QUíMICA ORGÁNICA

2. Los sustituyentes dadores de electrones activan el anillo de benceno, por efecto inductivo y/o de resonancia, y orientan la sustitución a orto y panr, los sustituyentes atrayentes de electrones desactivan el anillo y dirigen a los electrófilos hacia la posición meta. 3. Para conocer el resultado de una reacción hay que tener en cuenta no sólo los factores electrónicos, sino también las interacciones estéricas. En general, en un anillo aromático polisustituido, el efecto de los grupos activantes suele ser el más importante a la hora de predecir el producto mayoritario. 4. Para abordar la síntesis de bencenos específicamente sustituidos es necesario conocer qué reactivos se deben utilizar y cuándo hay que hacerlo. En algunas ocasiones se debe invertir el carácter orientador de algún grupo y en otras es necesario introducir un agente bloqueante. 5. En casos especiales, los halobencenos experimentan sustitución nucleorda aromática. El mecanismo de esta reacción es de eliminación-adición o adición-eliminación, dependiendo del resto de sustituyentes presentes en el anillo. 6. El benceno puede oxidarse o reducirse en determinadas condiciones. La cadena lateral de los alquilbencenos puede mi.darse al correspondiente ácido carboxilico, en unas condiciones que no oxidan al anillo aromático. 7. Los fenoles son compuestos en los que, al menos, un grupo hidroxilo está unido a un anillo aromático. Son más ácidos que los alcoholes y menos que los ácidos carboxílicos.


445

Eiercicios de autocomprobación 1. Escribir los productos mayoritarios esperados para cada una de las

siguientes sustituciones electrófilas aromáticas: a) p-Clorotolueno + S03 b) ten:-Butilbenceno + 12 c) p-Cresol + Br2

H2S04 HN03

HCCl3 ºC 0

d) Ácido isoftálico + HNO:lff2S04

30 ºC

----

e) 1,3-Diaminobenceno + Br2/H20 - - - 2. Explicar los siguientes hechos experimentales:

a) La cloración del bromobenceno conduce a un 42% de o-bromoclorobenceno y a un 53% del isómero para. En cambio, en la bromación del bromobenceno se obtiene un 85% de p-d.ibromobenceno y sólo un 13% del isómero orto. b) La bromación de la acetanilida transcurre más lentamente que la de la anilina. 3. Proponer una síntesis razonable, a partir del reactivo indicado, para

cada uno de los siguientes compuestos: a) b) c) d)

Ácido m-bromobencenosulfónico a partir de benceno p-Nitroanilina a partir de anilina Acido o-yodobenzoico a partir de tolueno 1-Bromo-3-(triclorometil)benceno a partir de tolueno

4. Formular y nombrar los compuestos que se obtienen en la reacción del propilbenceno con los siguientes reactivos. Indicar que tipo de reacción tiene lugar.

a) b) c) d) e)

H2/Ni, a temperatura ambiente y presión atmosférica Permanganato potásico concentrado y caliente Bromo en presencia de hierro Cloro en presencia de luz ultravioleta Mezcla sulfonítrica f) Ciclohexeno, HF

446

QUíMICA ORGÁNICA

5. Formular y nombrar los productos principales obtenidos en la reacción de monosulfonación de: a) b) e) d)

Ácido bencenosulfónico m-Nitrofenol o-Cloroanisol o-Nitroacetanilida

8. Clasificar por orden de acidez decreciente, los siguientes compuestos:

a) Ácido bencenosulfónico, ácido benzoico, alcohol bencílico, ocresol, fenol b) Fenol, p-nitrofenol, agua, 2,4,6-trinitrofenol, 2,4-dinitrofenol 7. La reacción del fenol con cloruro de propilo en presencia de tricloruro de alumnio conduce a la formación de o-hidroxifenil etil cetona y p-hidroxifenil etil cetona. Explicar esta reacción. 8.. El fenol reacciona con formaldehído, en condiciones básicas, para

formar la bakelíta, uno de los polímeros sintéticos más antiguos. Indicar como tiene lugar la reacción.

44 7


Soluciones a los eiercicios de autocomprobación 1. a)

CH3 S03H

b)

Cl

Cl

C(CH3h

C(CHg)3

1

Se obtiene predominantemente el isómero para debido al tamaño de los dos grupos. e)

OH

OH Br Br2 CHCl3, OºC

CH3

d)

CH3

COOH

COOH HN03/H2S04 -H20 COOH

e)

COOH

02N

NH2

NH2 Br

Br

Br2 H20 NH2

H2

Br

448

QUíMICA ORGÁNICA

2. a)

Resultado experimental Br

Br

Br

+

Cl

Br

42%

53%

Br

Br Br

Br2 FeBr3

+

Br 13%

85%

Cuanto mayor es el tamaño del halógeno que se introduce (Br > Cl), mayor es la proporción del isómero para que se obtiene. b)

.;t

:o) +

11

HN-C-CH3

1

HN== C-CH3

Acetanilida

Anilina

En la acetanilida, el par de electrones no enlazantes está menos disponible para el anillo porque está retenido, por resonancia con el grupo amida.


449

3. a)

Br

-

S03H grupo que orienta a la posición meta.

b)

La reacción de nitración no puede realizarse directamente sobre la anilina debido a la presencia del grupo amino (fuertemente básico, seria atacado por los ácidos). Por otro lado, se podrían producir productos de polisustitución ya que el grupo amino es un activante fuerte. -?-º

CH3-C NH2

'o /

NHCOCH3

NHCOCH3

CH3-C~ ~o

H+

Mediante la acetilación y la hidrólisis posterior de la amida nitrada, se obtiene la p-nitroanilina. c)

COOH KMn04

Tl(OOCCF3)3 TFA

450

QUíMICA ORGÁNICA

COOH

--

COOH

1

Tl(OOCCF3}i KI

La reacción de trifluoroacetato de talio con ácido benzoico ocurre en posición orto, a pesar de que el ácido carboxílico oriente en la posición meta. Esto es debido a la formación de un complejo entre el grupo carbonilo y la sal de talio lo que permite acceder al isómero deseado. HO, ~O

'e:/'

Tl(OOCCF3)2 + CF3COOH

d)

Br

En primer lugar se trata al tolueno con tres equivalentes molares de cloro para convertir la cadena lateral en un grupo -CC13 que orienta a la posición meta.

T. ambiente P. atmosférica

b)

No hay reacción, son necesarias condiciones más enérgicas de P y T, para que se reduzca el anillo. COOH

Oxidación de la cadena lateral


e)

Bromadón aromática

Br

d)

El cloro en presencia

de luz ultravioleta, ataca a la cadena lateral Halogenaclón de alcanos

e)

CH2CH2CH3

+

Nitrad6n aromática (NOz+)

f)

CH2CH2CH3

Alquilaclón de Frledel-Crafts

5. a)

S03H

Ácido m-bencenodisulfónico

451

452

QUíMICA ORGÁNICA

b)

OH

OH

S03H Ácido 4-hidroxi-2-nitrobencenosulfónico e) Cl

J\.cido3-cloro-2-01etoxibencenosulfónico

Cl

S03H

Ácido3-cloro-4-01etoxibencenosulfónico d)

NHCOCH3 N02 SO:Vff2S04

S03H

Ácido 4-acetainido-3-nitrobencenosulfónico


453

8. La acidez de los fenoles sustituidos, depende directamente de los sustituyentes en el anillo de benceno. Los sustituyentes atrayentes de electrones (S0 3H, COOH), aumentan la acidez, mientras que los sustituyentes dadores (CH:J, la disminuyen. a)

COOH >

b)

OH >

OH

OH >

OH

OH

OH >

Todos los grupos nitro estabilizan la carga negativa en el anillo de benceno. Cuantos más grupos tenga el anillo, mayor número de estructuras resonantes habrá y por lo tanto mayor será la acidez. La presencia de dobles enlaces conjugados en los sustituyentes

es importante para la deslocalización de la carga, que en definitiva es la esencia de la estabilización extra que se produce. Como ejemplo se indican las cinco principales formas resonantes del ¡r nitrofenol.

o-

o

o

o

o

454

QUíMICA ORGÁNICA

7. OH

OH

OH

COC2Hs El fenol con cualquiera de los reactivos empleados en la acilación, bien sea un cloruro de ácido o un anhídrido, experimenta esterificación sobre el átomo de oxígeno transformándose en un éster fenólico:

OCOR

OH

Reo+

Este éster, en presencia del ácido de Lewis, utilizado como catalizador, experimenta una migración del grupo acilo, desde el oxígeno fenólico hacia las posiciones orto y para del anillo. Recibe el nombre de transposición de Fries y constituye un método práctico para la obtención de hidroxifenilcetonas.

OCOR

OH

OH

COR AICl3

+

COR 8. OH n

HoA


OH

OH

455

OH

OH

bakellta

Los fenoles en condiciones básicas reaccionan con el formaldehido a través del ion fenóxido para dar los derivados hidroximetilados o- y p- sustituidos. OH

OH

Estos productos son muy inestables y pierden agua por calentamiento.

o

o +

456

QUíMICA ORGÁNICA

Los compuestos carbonílicos a,,B-insaturados obtenidos experimentan reacciones de Michael (ver Tema 20) con exceso del ion fenóxido:

o-

o

o

+

o-

OH

-

OH

OH -

BakeUta

Los productos obtenidos pueden volver a reaccionar con el formaldehido repitiendo el proceso para dar lugar al copolimero bakeUta.

Tema 15

El grupo carbonilo: aldehídos y cetonas 1

SUMARIO 1

1

15.1. Definición y nomenclatura de aldehídos y cetonas 15.2. Estructura del grupo carbonilo. Propiedades fisicas de aldehídos y cetonas 15.3. Reactividad general de aldehídos y cetonas. Estudio comparativo 15.3.1. Reactividad relativa de aldehidos y cetonas 15.4. Reacciones de adición nucleófila 15.4.1. Adición de agua y alcoholes 15.4.2. Adición de compuestos nitrogenados 15.4.3. Adición de carbonos nucleófilos 15.5. Oxidación de aldehídos y cetonas 15.5.1. Oxidación de Baeyer-Villiger 15.5.2. Reacción del haloformo 15.6. Reducción de aldehídos y cetonas 15.6.1. Reducción de Clemmensen y reducción de Wolff-Kishner 15.6.2. Reducción bimolecular de aldehídos y cetonas. Transposición pinacolínica 15. 7. Métodos de obtención de aldehídos y cetonas


OBJETIVOS _ 1

1

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __

1

1. Identificar y formular los aldehídos y las cetonas. 2. En base a la estructura del grupo carbonilo, predecir la reactividad

que van a presentar los compuestos que posean dicho grupo funcional. 3. Comparar la reactividad que presentan los aldehídos y las cetonas.

4.. &tablecer el mecanismo general por el que transcurren las reacciones de adición nucleófila a compuestos carbonilicos.

5. Contrastar los diferentes procedimientos existentes para oxidar y reducir aldehídos y cetonas. 6. &coger el procedimiento sintético más adecuado para preparar un

determinado compuesto carbonílico, según la estructura de los productos de partida.

459

EL GRUPO CARBONILO: ALDEHÍDOS Y Cfil'ONAS

15. 1. Definición y nomenclatura de aldehídos y cetonas Los aldehídos y las cetonas son compuestos orgánicos que se caracterizan por presentar en su molécula un enlace ir carbono-oxígeno, llamado también grupo carbonilo. Esta función es, casi con toda seguridad la más importante de toda la Química Orgánica.

o

o

11

11

R-C-H

R1- C-R2

Aldehído

Cetona

En los aldehídos el grupo carbonilo está unido a un radical y a un átomo de hidrógeno, mientras que en las cetonas dicho grupo está siempre unido a dos radicales. Para nombrar estos compuestos se utilizan dos tipos de nomenclatura: la común y la sistemática. Nomenclatura común

Cuando se utiliza este tipo de nomenclatura, los aldehídos se nombran con un prefijo que indica la longitud de la cadena y la terminación aldehído. En la Tabla 15.1 se dan los prefijos que se utilizan, también empleados en la nomenclatura de ácidos carboxílicos.

~o CH3-CH2-C '\.H

Propionaldehído

~º H- C~ '\.H Formaldehído

0

0 ~ C'\.H

Benzaldehído

Tabla 15.1. Prefijos utilizados en la nomenclatura común de aldehídos y ácidos carboxílicos

FormAcetPropionButir-

HCH3C2Hsn-C3H1-

* Utilizado en la nomenclatura de los ácidos carboxllicos

IsobutirValerIsovalerBenz-Benzo*

(CH3)2CHn-C4H9(CHg)gCCsHs-

460

QUÍMICA ORGÁNICA

Los nombres comunes de las cetonas se obtienen con el sufijo cetona precedido del nombre de los sustituyentes Rl y R2 a los que está unido el grupo carbonilo. Por ejemplo:

~ /CH3 CH3-C- c u , CH3 Isopropilmetilcetona

Etilmetilcetona

Algunas cetonas tienen nombres comunes aceptados por la IUPAC, tal es el caso de:

o 11

CH3-C-CH3 Acetona (Dimetilcetona)

0

o 11

C-CH3

o

o~-CH2-CH3

Acetofenona (Fenilmetilcetona)

Propiofenona (Etilfenilcetona)

o 11

ªº Benzofenona (Difenilcetona)

Canforquinona (1, 7, 7-Trimetilbiciclo [2.2. l]heptan-2,3-diona)

Nomenclatura sistemática

Si se utiliz.a esta nomenclatura, los aldehídos se nombran sustituyendo la -o de la terminación del alcano, con el mismo número de átomos de carbono, por -al (-dial si hay dos grupos aldehído en la molécula). No es necesario especificar la posición del grupo carbonilo, ya que éste siempre ocupa la primera posición en la numeración de la cadena. El resto de los sustituyentes se nombran utiliz.ando los prefijos correspondientes, y numerándolos con respecto a la posición del grupo aldehído. La cadena principal es siempre la más larga que contiene el grupo carbonilo. //º

CH3-CH-CH2-CH2-C 1

Metanal

Butanal

Br 4-Bromopentanal

'u


461

4, 6-Dimetilheptanal

Si el grupo aldehído está unido directamente a un sistema cíclico, para nombrarlo se añade el sufijo carboxaldehido al nombre del hidrocarburo del que proceda. Cuando el aldehído es un sustituyente se cita con el prefijo formil.

u
Ciclopentanocarboxaldehido

Ácido 6-fonnil-5-metilhexanoico

Las cetonas se nombran sustituyendo la -o de la terminación del alcano con el mismo número de átomos de carbono por -ona. La posición del grupo carbonilo en la cadena más larga se indica asignándole el número más bajo, nombrando el resto de los sustituyentes según las normas expuestas en capítulos precedentes.

o 11

CH3-CH-C-CH2-CH2-CH3 1

Butanona (Etilmetilcetona)

CH3 2-Metil-3-hexanona

A diferencia de los aldehídos, las cetonas si pueden formar parte de un anillo, a esos compuestos se les denomina dcloalcanonas.

o

CH3 3-Metilciclohexanona

2-Etilciclopentanona

462

QUÍMICA ORGÁNICA

En estructuras complicadas, donde el grupo carbonilo no tenga prioridad se utiliza el término oxo para indicar su presencia. Los sustituyentes que contienen grupos carbonilo unidos directamente a la cadena principal se denominan radicales acilot y son muy útiles para nombrar ciertos compuestos carbonílicost o para describir la parte carbonílica como sustituyente de una estructura fundamental. Algunos de los más frecuentes son:

o

o

11

o

11

H- C-

CH:r-C-

Formilo

Acetilo

o~Benzoilo

En los ejemplos que se detallan a continuación se pone de manifiesto lo expuesto anteriormente.

o

o

AA

~o

11

CH3-CH2-C-CH2-C

""-u

3-0xopentanal

o

2-Acetilciclopentanona

Acetilacetona

15.2. Estructura del grupo carbonilo. Propiedades físicas de aldehídos y cetonas La presencia del doble enlace C=O en el grupo carbonilo va a determinar las propiedades físicas y químicas de los compuestos que posean este grupo funcional.

Tanto el átomo de carbono como el de oxígeno presentan hibridación s¡I- por lo que el grupo carbonilo tiene estructura plana, formando ángulos de enlace de 120ºt como se muestra en la Figura 15.1.

R

~Pares de electrones /

no compartidas

Figura 15.1. Estructura del grupo carbonilo.

463


La distribución electrónica del grupo carbonilo es similar a la de un alqueno (ver Figura l. 7), sin embargo hay diferencias significativas entre ambos. En primer lugar, el átomo de oxígeno presenta dos pares de electrones no compartidos y, en segundo lugar. al ser el oxígeno más electronegativo que el carbono, hace que la nube electrónica esté desplazada hacia el primero, originando una polarización del doble enlace con una carga parcial positiva en el carbono e igual cantidad de carga negativa en el oxígeno, lo cual hace que el carbono sea electrófilo y el oxígeno nucleófilo. Esta polarización se puede describir mediante una estructura resonante:

Como consecuencia de esta polarización, los compuestos carbonílicos presenaltos valores del momento dipolar (2,8 D). También es responsable de que posean puntos de ebullición superiores a los de los alcanos, pero inferiores a los de los alcoholes y ácidos carboxílicos. A partir de doce átomos de carbono son sólidos. En la Tabla 15.2 se recogen los puntos de ebullición de algunos compuestos carbonílicos. tan

Tabla 15.2. PWltos de ebullición de aldehídos y cetonas

HCOH CH3CHO CH3CH2CHO CH3COCH3 CH3(CH2)2CHO CH3CH2COCH3 CH3(CH2)3CHO CH3CO(CH2)zCH3 CH3CH2COCH2CH3

Metanal (folmaldehido) Etanal (acetaldehído) Propanal (propionaldehido) Propanona (acetona) Butanal (butiraldehido) Butanona (etilmetilcetona) Pentanal 2-Pentanona (metilpropilcetona) 3-Pentanona (dietilcetona)

-21 21

49 56 76

80 102 102 102

15.3. Reactividad general de aldehídos y cetonas. Estudio comparativo Como se ha dicho anteriormente, la polaridad existente en el grupo carbonilo determina la reactividad que van a tener los compuestos que posean dicho grupo funcional. Son tres los puntos reactivos que presentan los aldehídos y las cetonas:

464

QUÍMICA ORGÁNICA

Ataque electrófilo R2 O._--/

Rl-{-t-~30-0 ~H Carácter ácido

~ Ataque nucleófilo

El átomo de carbono carhonllíco es susceptible de ser atacado por nucleófílos. El átomo de oxígeno es fácilmente atacable por electrófílos. El átomo de hidrógeno en posición a respecto al grupo carhonilo presenta carácter ácido, por lo que puede desplazarse por acción de una base originando un carbanión. El grupo carhonílo, al igual que los enlaces n C-C en alquenos y alquinos, se puede hidrogenar catalíticamente para originar alcoholes. A la vista de lo anteriormente expuesto, se puede resumir diciendo que las reacciones características de los aldehídos y las cetonas son las de adición nucleófila, las cuales van a ser objeto de estudio en este Tema junto con las de reducción. Las reacciones debidas a la acidez de los hidrógenos en posición a se tratarán en el Tema 16, aunque aquí se verá la reacción del haloformo, basada en dicha propiedad en metilcetonas.

15.3. 1. Reactividad relativa de aldehídos y cetonas A pesar de presentar el mismo grupo funcional, existen diferencias de reactividad entre aldehidos y cetonas. Los aldehidos son, en general, más reactivos que las cetonas frente a las reacciones de adición nucleófila por razones tanto estéricas como electrónicas. La presencia de dos sustituyentes alquilo en las cetonas hace que el ataque de un nucleófilo esté más impedido que en el caso de los aldehídos, donde uno de los sustituyentes es un átomo de hidrógeno. Electrónicamente, el mayor grado de polaridad del grupo carbonilo en aldehídos hace a estos compuestos más reactivos que las cetonas. Esta diferencia de polaridad puede comprenderse bien considerando la estabilidad de los carbocationes (ver Tema 5). Los carbocationes primarios son menos estables que los secundarios ya que en aquellos sólo hay un grupo alquilo que estabiliza la carga positiva por efecto inductivo. Este mismo razonamiento puede aplicarse a los aldehídos y cetonas, siendo estas últimas menos reactivas porque la densidad de carga positiva en el carbono carbonílico es menor por la presencia de dos grupos alquilo que la estabiliz.an.

465


0

6-

11

R-C-H ~+

Menor estabilización de ó+ Más reactivo

Mayor estabilización de ó+ Menos reactivo

Asimismo, la presencia de sustituyentes atractores de electrones en la cadena hidrocarbonada aumentan la reactividad. &te aumento será tanto mayor cuanto mayor número de grupos con efecto -/haya y cuanto más próximos estén al grupo carbonilo. Por ejemplo:

Reacüvidad. R-CC12-CHO > R-CHCl-CHO > R-CHC1-CH2-CHO > R-CH 2-CHO

15.4. Reacciones de adición nucleófila Las reacciones más características de los compuestos carbonílicos son las de adición nucleófila. El mecanismo general por el que transcurren es el siguiente: ..

NuH2

o11

Rl-C-RZ

..

Nu-

j OH

C1

+

A-

Rl'\''/ ' Nu R2

A continuación se van a exponer las más características.

15.4. 1. Adición de agua y alcoholes El agua reacciona con aldehídos y cetonas para originar dioles geminales (dos grupos hidroxilo sobre el mismo átomo de carbono), denominados también hidratos de carbonilo. La reacción está catalizada por ácidos o bases y es un proceso reversible; los dioles geminales pueden eliminar agua para regenerar el compuesto carbonilico.

466

QUÍMICA ORGÁNICA

Hidratación catolizada por ácidos Rl ~ '-c=O + H:+ R~ ..

OH OH Rl ~· 1 2 1 + ~ '-é=Ó--HH ~ H p1.. ..e ,. e, + H Rl'''\/ ' OH R~ Rl\''\'J ' 0 H2 R2 + R2 Rl + Hidrato de carbonilo '~ .. c-0-H

u·

R~

..

Como puede observarse, primeramente tiene lugar la protonación del oxígeno seguido del ataque del nucleófilo por parte del agua al carbono electrófilo y pérdida del protón para iniciar de nuevo el ciclo catalítico. Hidratación catolizada por bases OH

Rl'\. ~·

1

u·

.. -

,. e-o: Rl''''/ ..

C=O + HO: R~

..

HOH

R2

OH 1

.. -

..C ..... .. + HO: Rl'''\' l "'RH .. R2

Hidroxialcóxido

En este caso es el ion hidroxilo el que actúa como nucleófilo, siendo el agua la que atrapa el hidroxialcóxido intermedio, originando el diol y regenerando el catalizador. Adición de alcoholes

Los alcoholes reaccionan con aldehídos y cetonas, a través de un mecanismo análogo al de la adición de agua, para dar lugar a hemiacetales. La reacción está catalizada por ácidos; el mecanismo por el que transcurre es el siguiente:

R2QH .. ,.,, -R20H OH 1

Rl-C-H I+ C:OR2

Hy

-H+ +H+

OH 1

Rl-C-H 1

OR2 Hemiacetal


467

Cuando hay un exceso de alcohol, la reacción no se detiene en la formación del hemiacetal, sino que prosigue hasta la formación del acetal. El mecanismo es el que se muestra a continuación: OH 1

H+

1

-H+

Rl-C-H QR2

+ ? H2 Rl-C-H 1

QR2

(1

H-QR2 R2QH •• :a.. -R2QH

1

Rl-C-H 1

OR2

-H20 H20

[RL-C-H (ÓR2

Rl-ri-H] +QR2

QR2 -H+ H+

1

Rl-C-H 1

OR2

Acetal

Como puede observarse, la reacción es reversible. Se trata de un proceso de equilibrio; en los aldelúdos está desplazado hacia la derecha y en las cetonas hacia la izquierda. Pero, como en todos los procesos de equilibrio, la posición del mismo se puede variar modificando las condiciones de reacción. Los acetales cíclicos se obtienen fácilmente por reacción de aldehídos o cetonas con 1,2-etanodiol o dioles similares y son compuestos muy utilizados en Química Orgánica como grupos protectores. El empleo como tales es debido a su inercia reactiva pues, aunque se hidrolizan por ácidos, no son atacados por bases, hidruros y reactivos organometálicos.

15.4.2. Adición de compuestos nitrogenados Los compuestos carbonílicos reaccionan con gran variedad de compuestos que contienen nitrógeno en su molécula tales como aminas, hidroxilamina, hidrazinas y semicarbazida para dar lugar a iminas, oximas, hidrazonas (en algunos casos azinas} y semicarbazonas, respectivamente. Algunos de estos derivados son compuestos cristalinos que se han utilizado para el aislamiento e identificación estructural de aldehídos y cetonas.

468

QUÍMICA ORGÁNICA

Reacción con aminas

Los compuestos carbonílicos reaccionan con aminas primarias para dar hemiaminales, análogos de los hemiacetales. Los hemiaminales de las aminas primarias pierden una molécula de agua originando üninas, llamadas también bases de Schiff. +

R1-NH2 1

.. _

1

..

2 R-C-0:

R3

R1- NH R2-t-OH 1

R3

Rl-N - H20 H20

Hemiaminal

11

R2-C-R3

Imina

La formación de iminas es reversible, por lo tanto se han de adoptar las medidas necesarias para desplazar la reacción en el sentido deseado. Si la amina es secundaria y el compuesto carbmúlico posee hidrógenos en posición a el producto de reacción es la enamina. Las aminas terciarias no reaccionan. +

CH:r- NH-CH3

~o= CH:r- NH-CH3 + R-CHz-C\ i

1

.. _

1

..

H-C-0:

CHz-R CH:r-N-CH3 1

H-C-OH

CH:r-N-CH3 1

CH=CH-R

1

CHz-R

Enamina Procesos tales como la formación de iminas y enaminas, en los que se unen dos moléculas con pérdida de una de agua, se denominan condensadones. Reacción con hidroxilamina, hidrazinas y semicarbazida

Los aldehídos y las cetonas reaccionan con clorhidrato de hidroxilamina para formar productos cristalinos denominados oximas. Por ejemplo, en el caso de la ciclohexanona la reacción que tiene lugar es la siguiente:


+

469

-

+ H3NOHCl

Oxirna de la ciclohexanona

Ciclohexanona

La hidrazina y algunos de sus derivados, tales como la fenilhidrazina y la 2,4-dinitrofenilhidrazina, se condensan con compuestos carbonílicos originando hidrazonas.

o

CH3~CH2CH3 Butanona O

CH2CH3 CH3t = N-NH2 Hidrazona de la butanona

+ H2N-NH2

Hidrazina NH-NH2

~~-H~

V

+~

N02 Benzaldehído 2, 4-Dinitrofenilhidrazina

2, 4-Dinitrofenilhidrazona del benzaldehído

Cuando la reacción tiene lugar en ambos extremos de la hidrazina se forman azinas.

o

2CH3CH2~-H Propanal

+ H2N- NH2

Hidrazina

CH3CH2CH=N- N= CHCH2CH3 Azina del propanal

Finalmente, la semicarbazida reacciona con aldehídos y cetonas para dar semicarbazonas.

~NH-CO-NH2

Semicarbazona de la ciclopentanona

15.4.3. Adición de carbonos nucleófilos Además de alcoholes y aminas, existen otros reactivos nucleófilos que pueden reaccionar con aldehídos y cetonas. Entre ellos, quizá los más importantes son

470

QUÍMICA ORGÁNICA

aquellos que presentan un átomo de carbono que pueda actuar como nucleófilo, ya que en estas reacciones se van a originar nuevos enlaces carbono-carbono. Los compuestos que presentan esta propiedad cuya reactividad se va a estudiar en este apartado son: el ácido cianhídrico, los compuestos organometálicos y un nuevo tipo de compuestos denominados iluros. Reacción con cianuro de hidrógeno

El cianuro de hidrógeno se adiciona a los aldehídos y a las cetonas para dar lugar a cianhidrinas. Debido al peligro inherente del manejo de cianuro de hidrógeno, para llevar a cabo la reacción el HCN se genera in situ a partir de cianuro sódico y un ácido mineral. :o:

Clh-{- cN

OH

CH:i-{- cN

CH3

CH3 2-Hidroxüso butanonitrilo

El proceso es reversible y está catalizado por ácidos. La reacción se invierte fácihnente por adición de una base, que al eliminar protones de la ecuación desplaza el equilibrio hacia el cianuro libre. Las cianhidrinas son intermedios muy útiles, ya que permiten la obtención de otros compuestos. Por ejemplo, la hidrólisis de la cianhidrina da lugar al correspondiente ácido 2-hidroxicarboxílico; asimismo, la reducción con LiAlH4 conduce a la correspondiente hidroxiamina. OH

OH

CH3tCOOH

CH3tCH2NH2 1

1

CH3 Ácido 2-hidroxi2-metilpropanoico

CH3 2-Hidroxiisobutanonitrilo

1-Amino-2-metil-2-propanol

Reacción con compuestos organometálicos

Como se vio en la sección 7. 7, los compuestos organométalicos de magnesio (reactivos de Grignard) y de litio poseen carbonos nucleófilos y pueden reaccionar con aldehídos y cetonas originando alcoholes. En esta reacción se forma, además, un nuevo enlace carbono-carbono. Si la reacción se lleva a cabo con aldehídos se


471

obtienen alcoholes secundarios; si se realiza con cetonas los productos finales son alcoholes terciarios.

OH CH:r-CH2-t H- CH2CH3 + HOMgBr

H20

Alcohol secundario

o 11

O

C-CH3 +

~

Alcohol terciario

Reacción con iluros de fósforo. Reacción de Wittig Los iluros de fósforo o fosforanos son compuestos que poseen un átomo de carbono con una carga negativa que está estabilizada por un átomo de fósforo cargado positivamente, por lo que pueden formularse dos estructuras resonantes para este tipo de compuestos:

1\. f+ 1\ i (C- P(CaHsh .......- · i (C==P(CaHsh +

Los iluros de fósforo se preparan por reacción de halogenuros de alquilo con trifenilfosfina como se indica a continuación: (CaHshP: + R-CH2__cx ~

+ RCH2-P(CaHs)~

+

RCH2-P(CaHs)3X-

+ CH3CH2CH2CH2Li - - -

472

QUÍMICA ORGÁNICA

El primer paso de la reacción es una sustitución nucleófila bimolecular (SN2) del halógeno por la trifenilfosfina originando una sal de alquiltrifenilfosfonio, en la que los hidrógenos en posición a con respecto al fósforo presentan carácter ácido. En la segunda etapa, la desprotonación de dicha sal por bases tales como hidruro sódico, butil-litio o alcóxidos da lugar al iluro. La reacción de un iluro de fósforo con aldehídos y cetonas se denomina reacci6n de Wittig en honor a su descubridor (Georg Wittig, Premio Nobel en 1979). El mecanismo por el que transcurre es el siguiente:

TI'

fI_

Rl-CH-P(CaHsh + R2-C-R3 ---- Rl- CH-C-R3 ----

1+

(CaHs)3P~()

Betaína -~ Rl-CH

C-R2 + (CaHshP

k3

()

Óxido de trifenilfosfina

Alqueno

El carbono nucleófilo del iluro ataca al carbono carbonílico originando una betaína que evoluciona rápidamente hacia la formación del oxafosfetano, caracterizado por la presencia de un átomo de fósforo y otro de oxígeno en un anillo de cuatro miembros, el cual origina el alqueno y óxido de trifenilfosfina. La reacción de Wittig es extremadamente útil porque, además de constituir un buen procedimiento para la obtención de olefinas, la posición del nuevo doble enlace no es ambigua, sino que está localizada siempre donde estaba situado el carbono carbonílico. Por ejemplo, la obtención de 2-metil-1-buteno es mejor realizarla por reacción de Wittig con la 2-butanona que por eliminación del 2bromo-2-metilbutano, ya que en este último caso se obtendría una mezcla de olefinas.

CH3CCH2CH3 + CH3C=CHCH3 + HBr 11

CH2

1

CH3 Mayoritario

473


15.5. Oxidación de aldehídos y cetonas Los aldehídos, a diferencia de las cetonas, se oxidan a ácidos carboxílicos. La reacción transcurre con tanta facilidad que además de tener lugar con los mismos reactivos utilizados para la oxidación de alcoholes, tales como permanganto y dicromato potásico, también se produce con oxidantes débiles como iones plata y cobre en medio básico. En el primer caso el reactivo es una disolución amoniacal de nitrato de plata denominado reactivo Tollens; la oxidación con iones cúpricos se puede llevar a cabo utilizando sulfato cúprico, tartrato sódico-potásico e hidróxido sódico y se denomina reactivo Fehllng, o con citrato cúprico en medio básico llamado, en este caso, reactivo de Benedict.

Cu20 + R-COOH Rojo ladrillo

Citrato cúprico NaOH

R-rfº '\.H

Tartrato sódico-potásico

R-COOH

j

+

Ag Espejo de plata

NaOH CuS04

R-COOH

+ Cu20 Rojo ladrillo

La oxidación del aldehído va acompañada de la reducción de ambos iones, formándose un espejo de plata en el caso del reactivo Tollens, y un precipitado de color rojo ladrillo cuando se utilizan los reactivos Fehling y Benedict. Estos ensayos sirven para diferenciar aldehídos de cetonas.

15.5. 1. Oxidación de Baeyer-Villiger Los aldehídos y las cetonas se oxidan por acción de los peroxiácidos para originar ácidos y ésteres, respectivamente. El mecanismo general de la reacción en el caso de las cetonas es el siguiente:

o

o

11

11

Rl-C-R2 + R3-C-OOH

o 11

~o

Rl-C-QR2 + R3-C

~H

474

QUÍMICA ORGÁNICA

Cuando la cetona es asimétrica, en principio, es posible obtener dos ésteres diferentes. Experimentalmente se ha comprobado que existen sustituyentes con mayor facilidad para migrar, estableciéndose un orden de aptitud migratoria que depende de la estabilidad del carbocatión en el carbono que migra. H > terciario > ciclohexilo > secundario = fenilo > primario > metilo En el caso de cetonas cíclicas, los productos de reacción son ésteres cíclicos o lactonas.

o

Cidopentanona

<5-Valerolactona

15.5.2. Reacción del haloformo Las metilcetonas reaccionan con halógenos (Br2, 12) en medio básico, originando ácidos carboxílicos con un átomo de carbono menos que el compuesto de partida y el trihalogenometano denominado haloformo. Este procedimiento constituye un ensayo para la identificación de metilcetonas y metilalcoholes.

o

o 11

11

R-C-CH3 + Br- Br

R-C-CBr3

o 11

• ·-

R-C-0:

+

HCBr3 Halofonno

La reacción transcurre a través del enolato, el cual ataca a la molécula de halógeno originando la a-halogenocetona. El efecto -/ del halógeno hace que los hidrógenos vecinos presenten carácter ácido, favoreciendo la formación de nuevos enolatos y, por consiguiente, la halogenación completa. El grupo trihalogenometilo sale por acción del hidróxido sódico sobre el carbono carbonílico. El mecanismo de la reacción es el siguiente:

( ?: R-C=CH2 + HOH Enolato

475


=p

R-~Br Chr o Br-Br

o 11

R- C-CBr3 + HO-

11

R-C-CBr3

:o:) I""' R-C-OH

~Br3

15.6. Reducción de aldehídos y cetonas Los aldehídos y las cetonas se reducen a alcoholes primarios y secundarios, respectivamente, por tratamiento con hidruro de litio y aluminio o por hidrogenación catalítica (ver sección 7.5).

o 11

ó

Ciclopentanona

Ciclopentanol OH 1

CH3CH2CH2?H H

Butanal

1-Butanol

15.6. 1. Reducción de Clemmensen y reducción de Wolff-Kishner Los compuestos carbonílicos pueden reducirse al correspondiente hidrocarburo por acción de la amalgama de zinc en ácido clorhídrico (reducci6n de Clemmensen), y por tratamiento de la correspondiente hidrazona con una base en dietilenglicol (reducción de WoUJ-Kishner).

476

QUÍMICA ORGÁNICA

o 11

CH3CCH2CH3

Zn(Hg) HCI

CH3CH2CH2CH3

2-Butanona

Butano

(HOCH2CH2)20 180 - 200 ºC

En la práctica, la reducción de Wolff-Kishner se lleva a cabo sin aislar la hidrazona intermedia. Una variante de esta reacción consiste en utilizar dimetilsulfóxido como disolvente y terr-butóxido potásico como base, lo que permite reliz.arla a temperaturas inferiores (20-100 ºC frente a 200 ºC cuando se utiliza dietilenglicol).

15.6.2. Reducción bimolecular de aldehídos y cetonas. Transposición pinacolínica Por reacción de aldehídos y cetonas con metales activos como magnesio, sodio y aluminio se obtienen 1,2-dioles. Si la reacción se lleva a cabo con la acetona se obtiene el 2,3-dimetil-2,3-butanodiol o pinacol.

o- o-

o 11

2CH3-C-CH3 + Mg

CsHs

1

1

1

1

CH3-C- C-CH3 + Mg2+ CH3CH3

OH OH HOH

1

1

1

1

CH3-C-C-CH3 CH3CH3 Pinacol

El pinacol en medio ácido da lugar a la pinacolona a través de un proceso denominado transposición pinacolinica (ver sección 7.4.3).

15.7. Métodos de obtención de aldehídos y cetonas Existen numerosos procedimientos para preperar aldehídos y cetonas, algunos de los cuales ya han sido descritos en capítulos anteriores, en conexión con la qui-

477


mica de otros grupos funcionales: oxidación de alcoholes (sección 7.4.4), ruptura o.xidativa de alquenos (sección 10.6.3 y 10.6.4) e hidratación de alquinos (sección 12.3.3).

o

OH 1

11

Rl-C-R2

Rl-Cff-R2

o

o

11

11

Rl-C-R2 + R3--C-R4

HOH

u+, HgS04 Además de los métodos generales anteriormente mencionados, existen métodos específicos para la obtención de aldehídos y cetonas, algunos de los cuales ya han sido estudiados en temas anteriores y otros que se describen a continuación. Métodos específicos de obtención de aldehídos • Reducdón de doraros de ácido con hidruros modificados o por hidrogenación catalítica (reducción de Roseom.und)

o

o LiAIH(O-t-Buh o H2, Pd/BaS04

11

R-C-Cl

11

R-C- H

• Reducción de ésteres y amidas con hidruros de dlisobutilaluminio

o Rl-g QR2

CH3 (CH3tHCH2)2AlH

o

o 11

Rl-C- H

11

Rl-CNHR2

• Reacción de Reimer-1iemann Los aldehídos aromáticos pueden obtenerse por tratamiento de un fenol con cloroformo en medio básico. &ta reacción se conoce con el nombre de ReimerTiemann y transcurre vía carbeno.

478

QUÍMICA ORGÁNICA

OH

OH

~º e~

""-H

+ HCCl3

Métodos específicos de obtención de cetonas

• Síntesis aceülacética La elevada acidez que presentan los /j-cetoésteres hace a estos compuestos muy útiles en síntesis orgánica, pues permite llevar a cabo reacciones de alquilación con facilidad. La hidrólisis y descarboxilación de los productos obtenidos es un buen procedimiento para la obtención de cetonas (sección 20.6.2). • Acilación de Friedel-Crafis Una modificación de la reacción de Friedel-Crafts consiste en hacer reaccionar compuestos aromáticos con cloruros de acilo en presencia de ácidos de Lewis (ver sección 13.4.2). Esta reacción se denomina acilad6n y los productos que se obtienen son cetonas aromáticas.

o

O ~

H

+

o

R-~Cl

~-R

a

+

HCI

~

• Reacción de ácidos carhoxilicos con compuestos organolfticos R-COOH

RlLi

- RlH

o o-u+ 11 RlLl 1 R-co-u+ - - R-c- o-u+ 1

Rl

Como puede observarse son necesarios dos equivalentes del compuesto organolítico. El primero reacciona con el protón ácido para dar el carboxilato, y el segundo equivalente ataca al carbono electrófilo del carboxilato originando la cetona después de hidrolizar.

• Reacción de doruros de acilo con compuestos organometálicos Los cloruros de acilo reaccionan con reactivos de Grignard o con dialquilcupratos de litio para originar cetonas con buenos rendimientos.

479


o

o

R-~Cl

R-~-Rl

+

ClMgBr

• Reacción de nitrilos con compuestos organometálicos Los nucleófilos fuertes como por ejemplo, reactivos organometálicos, se adicionan a nitrilos para dar sales de aniones de imina. El tratamiento de éstas con agua en medio ácido conduce a la imina que se hidroliza a la cetona. NH H+IHOH

11

R-C-Rl

o 11

R-C-Rl

- MOH

Resumen de conceptos importantes 1. Los aldehldos y las cetonas se caracterizan por tener un grupo carbonilo en su molécula. Los sustituyentes que contienen dichos grupos unidos directamente a la cadena principal se denominan radicales acilo. 2. El grupo carbonilo presenta estructura plana con ángulos de enlace de 120º. La diferencia de electronegatividad entre los átomos de carbono y oxígeno hace que la nube n esté desplazada hacia este último, originando una carga parcial negativa sobre él y una positiva sobre el átomo de carbono. 3. Las reacciones más características de los aldehídos y las cetonas son las de adición nucleó:rda. Los aldehídos son más reactivos que las cetonas debido al mayor carácter electrófilo del carbono carbonílico de aquellos. 4. Las aminas primarias reaccionan con los aldehídos y las cetonas originando iminas; los productos de reacción de la aminas secundarias son enaminas. Las aminas terciarias no reaccionan. 5. Los aldehídos y las cetonas reaccionan con iluros de fósforo (reacción de Wittig) para dar alquenos. &ta reacción constituye un interesante procedimiento para la creación de enlaces carbono-carbono, muy utilizado en Química Orgánica. 6. La reducción con hidruros metálicos o la hidrogenación catalítica de compuestos carbonílicos conduce a alcoholes. También pueden reducirse al correspondiente hidrocarburo por reacción con zinc en medio ácido (reducción de Clemmensen), o por tratamiento en medio básico de la correspondiente hidrazona (reducción de WoUJ-Kishner).

480

QUÍMICA ORGÁNICA

Eiercicios de autocomprobación l. Nombrar los siguientes compuestos:

a)

Q-<: N02

o

b)

CH3CH2COCH2CH2c\i e) CH3-CH2

CHO

'c=c/ H/

t)

'\.H

Br-O-co-0-Br ~º

g)

CH3CH2CHCH2CHC'J.i ¿H3

¿H3

2. Formular los siguientes compuestos:

a) 2-Butinal b) Pentanodial e) Isobutilmetilcetona (4-metil-2-pentanona)

481


d) 3-0xociclohexanocarboxaldehido e) 5-Etil-2-cicloheptenona f) p-Cloroacetofenona

g) Fenilvinilcetona 3. El DDT, de fórmula molecular C14H9Cl5, puede prepararse a partir de tricloroacetaldehído según el siguiente esquema de reacciones:

Cl3CCHO B

HCl ,,_ A

l. HCl

CsHsCl

B + C

DDT

2. C6HsCl

Establecer la estructura del DDT y la de los compuestos que aparecen como intermedios. 4. Completar los siguientes esquemas de reacciones:

B

b)o~

/¡

Br

e

c)

D

O=o

G

H

5. Formular las siguientes reacciones: a) 2-Metilbutanal con trióxido de cromo en medio ácido b) 3-Pentanona con hidroxilamina c) Bencilmetilcetona con hidruro de litio y aluminio d) Benz.aldehído con bromuro de metilmagnesio en éter etílico seguido de hidrólisis

482

QUÍMICA ORGÁNICA

e) Ciclohexanona con (C6H5hP=CHCH 2CH3 f) Fenilacetaldehído con acetiluro de litio seguido de hidrólisis

g) 2-Metil-3-pentanona con H2/Ni h) Butanal con hidrato de hidrazina seguido de tratamiento en medio básico i) Ciclopentanona con Zn(Hg)/HCl j) Hexanal con etanol en medio ácido

8. Proponer una síntesis para los compuestos que se relacionan a con-

tinuación, utilizando el producto de partida que se indica en cada caso y cualquier otro que se considere necesario: a) Etilmetilcetona a partir de propanal b) p-Bromobenzaldehido a partir de tolueno e) 2-Metilbutanal a partir de 2-bromobutano d) Butilbenceno a partir de butanal e) 1,1-Difeniletanol a partir de acetofenona f) Ácido 2-hidroxipentanoico a partir de 1-butanol

g) 2-Metil-3-heptanol a partir de 1-bromobutano 7. Sugerir tres procedimientos sintéticos para preparar ciclopentano a partir de ciclopentanona.



a) o-Nitrobenzaldehido b) 4-0xohexanal e) (2)-2-Pentenal

d) 3-Hidroxi-4-ciclohexenona e) Bencilmetilcetona o fenilpropanona f) 4,4' -Dibromobenzofenona

g) 2,4-Dimetilhexanal 2. ~O

a)

CH3C==CC\i

b)

º~

~º

¿cH2CH2CH2C\i e) CH3COCH2CHCH3

d)Ob-

tu3

c!º

'\. H

e)

O

483

484

QUÍMICA ORGÁNICA

3.

HCI

~ ÓH

Cl 3 cC//'\.

H

OH 1 Cl CC -3 H + A

Cl

1 CsHsC

Cl CHCCb

Ótt

+

e Cl l. HCI

2. CeHsCl Cl

Cl

DDT

a)

O

u+XH2CH2C:2~~3 + CH3CH2CH2CH2Li -

V

A

3

485


---"0"2cH2cH2cH3

B b)

Br

e

D

E

[)=o

e)

CH3CH2C==CH

-

u•x u

Li THF

CH3CH2C==C-Li+ F

CCH2CH3 H30+

G

5. CH3-CH2-CH-COOH 1

CH3

486

QUÍMICA ORGÁNICA

NOH

_...,.

CH3-CH2-~-CH2-CH3

OMgBr Q-bH-CH3

e)

Oo

+ (Csffs)sl'=CH-CH2-CH3 _...,.


- - CaHs-CH2-CH-C==CH 1

OH

g)

HiNi CHa-CH-CO-CH2-CH3 - 1

CH3 OH 1

- - CH3-CH-CH-CH2-CH3 1

CH3

1)0-º

Zn(Hg) HCI

o

487

488

QUÍMICA ORGÁNICA

6. ~O

a)

CH3CH2\

!: ~:tgBr/Et 0 2

OH 1

• CH3CH2CH2CH3 C¡:?3

o

--

CH3CH2~CH3 1. Cr203'Ac20 2. H20/H+

e)

d)

CH3CH2CH2CHO

o

K2 ~?º1

CH3CH2CH2COOH

- - CH3CH2CH2COCI + CH3CfüCfüCOCI AICJ:¡

QcocH2CH2CH3

OCH2CH2CH2CH3

z~g •

SOCI2


e)

Q-cocH3 f)

1. CsHsMgBr • 2. H20

Cr03 piridina

CH3CH2CH2CH2MgBr + CH3CHCOCI 1

CH3 - - CH3CH2CH2CH2COCHCH3 - 1

CH3 CH3 l. LiAIH4 1 - -.-H-- - - CH3CH2CH2CH2THCHCH3 2 20 OH

7.

Zn(Hg) HCI

o o

1.NH2-NH2 2. KOH

489

490

QUÍMICA ORGÁNICA

o o

Tema 16

Enoles y enonas: aldehídos y cetonas a,f3-insaturados 1

SUMARIO 1

1

16.1. Tautomería ceto-enol

16.1.1. Iones enolato 16.1.2. Estabilidad de carbaniones 16.2. Reacciones de condensación aldólica 16.2.1. Condensaciones aldólicas intramoleculares 16.3. Otras reacciones de condensación 16.3.1. Reacción de Knoevenagel 16.3.2. Reacción de Cannizzaro 16.3.3. Condensación benzoínica 16.4. Aldehídos y cetonas a,f3-insaturados. Estructura y nomenclatura 16.4.1. Reactividad 16.4.2. Métodos de obtención Resumen de conceptos importantes Ejercicios de autocomprobación Soluciones a los ejercicios de autocomprobación

OBJETIVOS _ 1

1

_ _ _ _ _ _ _ _ _ __

1

1. Definir el concepto de tautomería y tautómeros. 2. Formular el mecanismo de la tautomería ceto-enol tanto en medio áci-

do como básico. 3. En base a la estructura de un compuesto carbonilico. predecir el com-

portamiento químico que va a presentar al ser tratado con una base fuerte. 4. Deducir el mecanismo por el que van a transcurrir las reacciones de adición nucleófila y electrófila a compuestos carbonílicos a,/j-insaturados. 5. Desarrollar procedimientos adecuados para la preparación de un aldehído o cetona a.Jj-insaturado.

493

ENOLES Y ENONAS: ALDEHÍDOS Y CEI'ONAS a,,8-INSATURADOS

16. 1. Tautomería ceto-enol En el Tema 15, se indicó que en los aldehídos y las cetonas los hidrógenos en

posición a presentan carácter ácido. Como consecuencia de ello, los compuestos carbonílicos se encuentran como dos formas en rápido equilibrio, la forma cetónica y la forma enólica. Esta rápida conversión entre dos especies, químicamente distintas, es una clase especial de isomería conocida como tautomeria, a los isómeros se les denomina tautómeros.

o

OH 1

11

Rl-C-CH-R3

Rl-C=C-R3

1

1

R2

R2 Tautómero enol

Tautómero ceto

En el equilibrio la mayoria de los compuestos carborúlicos existen, casi exclusivamente, en la forma ceto y suele ser dificil aislar el enol en la forma pura. Por

ejemplo, la acetona a temperatura ambiente sólo presenta una parte por millón (10--6) de forma enólica. La tautomeria ceto-enol está catalizada tanto por ácidos como por bases. En la reacción catalizada por las bases, el compuesto carborúlico actúa como un ácido prótico débil, cediendo a la base uno de los hidrógenos en posición a que posea. El anión resultante, un ion enolato, vuelve a protonarse originando un compuesto neutro. Puesto que el ion enolato es un híbrido de resonancia, la protonación en el oxígeno conduce al tautómero enol, y la protonación en el carbono al tautómero ceto, como se indica a continuación:

c~ n

Rl-C- C-R3 1

o

?H

R2

11

R1-C-CH-R3 1

R2

1 :o:

+ BH

~Rl-C=C-R3+ :B-

I

R2

Rl-t=C-R3 1

R2 Ion enolato

Es necesario una base fuerte e impedida para minimizar la adición nucleófila al grupo carbonilo.

494

QUíMICA ORGÁNICA

En el proceso catalizado por ácidos, la protonación tiene lugar en el átomo de oxígeno (base de Lewis), originando un catión que por pérdida de un protón en a conduce al enol como se muestra a continuación: +OH H

é11 1

Rl-C-C-R3 1

w Rl-C-CH-R3

R2

?H

l

H+ :;::::=

1

R2

~ Rl-C=C-R3

+ H+

1

R2

:OH 1

Rl-C-CH-R3 +

1

R2

Como las constantes de equilibrio para la conversión de formas ceto en formas enol son muy pequeñas, los equilibrios están desplazados hacia la forma ceto. Sin embargo, algunos compuestos carbonílicos, como las ,8-dicetonas, existen predominantemente en forma enólica. Por ejemplo, en la 2,4-pentanodiona (acetilacetona) la estabilidad del enol se debe a la formación de una enona conjugada y de un enlace de hidrógeno intramolecular entre el protón enólico y el oxígeno del otro grupo carbonilo.

ww

Hz O

CH3CCHCCH3

~

25 ºC

1

H 15%

..

H............

11

1

:O

O:

H3c-c, ¿C-CH3

c.f

85%

Cabe ahora preguntarse, ¿qué comportamiento químico presentan los enoles? Puesto que sus dobles enlaces son ricos en electrones se comportan como nucleófilos, de manera similar a como lo hacen los alquenos. Sin embargo, debido al efecto +M del átomo de oxígeno, los dobles enlaces de los enoles son más reactivos que los propios de los alquenos. +oH

r:-.

¡/"'\

Rl-CH=C...1...bH .., ... _ 1

R2

..

:-.

11

.... ., Rl-CH-C-R2

495


Cuando un enol reacciona con un electrófilo, el intermedio catiónico pierde el protón del hidroxilo y regenera un compuesto carbonílico. El resultado neto de la reacción es una sustitución en a. El mecanismo general de la reacción se muestra a continuación:

o

r :OH

~+

OH E

H,

9

E

11 H+ "'-I 11 1 '-"! 1 Rl-C-CH-R2 :::::::='=::.Rl-C==C-R2-- Rl-C-C-R2-Rl-C-C-R2 1 1 1 + 1 R3 R3 R3 R3

:s-(

O E

BH +

Rl-~-t-R2 1

R3

El primer paso de la reacción es la enolización cataliz.ada por ácidos por el mecanismo anteriormente comentado; a continuación, un par de electrones del enol ataca al electrófilo originando un intermedio catiónico estabilizado por resonancia; por último, la pérdida de un protón del átomo de oxigeno da lugar al producto sustituido en posición a. La halogenación de cetonas catalizada por ácidos constituye un ejemplo típico de una reacción de sustitución en a de compuestos carbonílicos. El mecanismo, para la bromación de la acetona, se muestra a continuación: Enolización

:o CH3-g-CH3

Ataque del halógeno

t9H

~H

CH2-C-CH3--CH2-C-CH3 + Br1 + 1 Br Br

Desprotonación +c)lH

O

CH2-g-CH3 ----- BrCH2-g-CH3 + H+

~r

496

QUíMICA ORGÁNICA

Existen datos cinéticos que indican que el mecanismo de la reacción es correcto tales como, que la velocidad de halogenación es independiente de la concentración de halógeno y sólo depende de las concentraciones de acetona y ácido, lo que sugiere que el paso determinante de la velocidad de reacción es la formación del enol. Las a-bromocetonas son compuestos muy útiles en Química Orgánica, ya que por tratamiento con una base se deshidrohalogenan para dar cetonas a,/j-insaturadas.

16. 1. 1• Iones enolato Como se acaba de ver, los compuestos carbonílicos actúan como ácidos próticos débiles cuando se tratan con bases fuertes, las cuales sustraen un protón en a originando iones enolato.

~

:1-

(_~ r:-:

Rl-C-CH -R2 + :B-- - Rl-C_LC-R2--Rl-C=C-R2 + BH

L

L

L

Carbanión

Ion enolato

La acidez de los hidrógenos en a (p~ (acetona) = 19; p~ (etano) = 60) se debe, por una parte, al efecto -1 del carbono carbonílico, y por otra a la alta estabilidad del carbanión como consecuencia de la estabilización por resonancia con el ion enolato. Estas estructuras confieren a los iones enolato una reactividad característica; pueden reaccionar por el oxigeno o por el carbono con un reactivo electrófilo para originar derivados de enoles y compuestos carbonílicos a-sustituidos, respectivamente. Una especie que puede reaccionar por dos puntos diferentes se denomina ambidentada.

o 11

·(j· ::

1

Rl-C-C-R2 - - - Rl-C=C-R2

k3

k3

O

E

OE

11

1

Rl-C-C-R2

k3

1

+

Rl-C=C-R2

k3

Los iones enolato son más útiles que los enoles por dos razones: son mucho más reactivos y se aislan con facilidad. Una disolución de un ion enolato se obtie-


497

ne, fácilmente, por tratamiento del compuesto carbonílico con una base fuerte como hidruro sódico, amiduro sódico o diisopropilamiduro de litio (LDA). En los siguientes apartados se van a exponer las reacciones de los compuestos carbonllicos que transcurren vía enolato.

16. 1.2. Estabilidad de carbaniones Un carbanión es una especie química que contiene un átomo de carbono con un par de electrones no enlazantes y que posee carga negativa, es por tanto una base. Los iones enolato y el anión acetiluro (Tema 12) constituyen ejemplos de carbaniones. La estructura de un carbanión simple no se conoce con exactitud, ya que no han podido aislarse, aunque se supone que el átomo de carbono posee hibridación s¡P y el par de electrones no enlazantes se encuentran en un vértice del tetraedro. Tendrían, por tanto, una estructura piramidal similar a la de las aminas (Tema 17). La captura de un protón por parte del carbanión conduce al ácido conjugado, por lo que la estabilidad de dichas especies está directamente relacionada con el pK.i. del ácido conjugado. Para los carbaniones el orden de estabilidad es inverso al de los carbocationes, es decir: Terciarios < secundarios < primarios < metilo Esto puede explicarse teniedo en cuenta que el efecto inductivo de un grupo alquilo tiende a reforzar el exceso de carga del átomo de carbono negativo y, por tanto, a inestabilizarlo. Los carbaniones alquilicos son inestables y poco frecuentes en Química Orgánica, por ello sólo tienen importancia como intermedios de reacción aquellos que se encuentran estabilizados por efecto conjugativo como alilicos, bencílicos, iones enolato y los que posean sustituyentes con efecto -M

·o·-

~ +'? --R-CH=N+/ . R-CH-N oo-

'

'

498

QUíMICA ORGÁNICA

También aumenta la estabilidad de los carbaniones a medida que lo hace el carácter s del carbono carbaniónico, así:

16.2.

Reacciones de condensación aldólica

Estas reacciones tienen lugar entre dos compuestos carbonilicos. Uno de ellos actúa como nucleófilo mientras que el otro lo hace como electrófilo. El mecanismo general de la reacción se muestra a continuación: Generación del enolato :o:1

Rl-C = C-R2 + HOH

k3 Ataque del nucleóftlo

Protonación O 11

R2 :Q:1

1

O 11

R2 OH 1

1

.• -

Rl-C-C-C-R5 + HOH --Rl-C-C-C-R5 + HQ:

k3 k4

k3 k4

..

La primera etapa de la reacción es la formación del enolato por acción de una base; la segunda consiste en el ataque nucleófilo de dicho enolato al átomo de carbono carbonilico de otra molécula. La protonación del alcóxido resultante proporciona un compuesto carbonílico con un grupo hidroxilo en posición f3 al que se le denomina aldol, y a la reacción condensación aldóHca. Si el aldol posee aún hidrógenos ácidos se transforma en el enolato, que por eliminación del ion hidroxilo origina un compuesto carbonílico a,/j-insaturado. El resultado es la deshidratación del aldol catalizada por bases.


499

La condensación aldólica es de gran utilidad sintética ya que permite la formación de enlaces carbono-carbono. Por ejemplo, cuando el acetaldehído se trata con hidróxido o etóxido sódico se obtiene, inicialmente, 3-hidroxibutanal que evoluciona al 2-butenal por calefacción. :O:-

O

OH

11 HO1 HOH 1 2CH3-CH --CH3-CH-CH2-CHO -==: CH3-CH-CH2-CHO

3-Hidroxibutanal

_á_ CH3-CH=CH-CHO 2-Butenal

El mecanismo de la reacción es el siguiente:

o

H~-CH2-H + :9H - - (~

90-

=7=-

CH3- C~ c,0 =~

CH3-1rH - O: H2-CHO

OH

a

1

H20 + CH3-CH=CH-CHO --CH3-CH-CH2-CHO

2-Butenal

3-Hidroxibutanal

500

QUíMICA ORGÁNICA

Un inconveniente de la condensación aldólica es la falta de selectividad cuando se emplean dos compuestos carbonílicos diferentes, condensación aldólica cruzada. Por ejemplo, una mezcla al 50% de etanal y 3-pentanona conduce a cuatro productos, dos de ellos resultantes de una condensación aldólica cruzada.

O

O

11

11

CH3C:H + CH3C:H

OH Ho-

1

O 11

CH3CH- CH2C:H

3-Hidroxibutanal

O

O

OH

O

CH3CH2~CH2CH3 + CH3CH2~CH2CH3 Ho- CH3CH2t-cH~CH2CH3 ~ CH3tH2 bH3 5-Etil-5-hidroxi-4-metil-3-heptanona

O

O

OH

O

CH3~H + CH3CH2~CH2CH3 Ho- CH3tH- CH~CH2CH3 '-__/

bH3

5-Hidroxi-4-metil-3-hexanona

Sin embargo, el problema de las condensaciones aldólicas cruz.arlas puede minimizarse si se cumple una de las siguientes condiciones: a) Uno de los compuestos carbonílicos no posee hidrógenos en a, y por tanto no puede formar el enolato. Por ejemplo:

501


o

CH=CH~CH3

CHO

o 11

+ CH3CCH3

NaOH H20,A 4-Fenil-3-buten-2-ona

Para conseguir una reactividad adecuada entre ambos componentes, el compuesto carbonílico enolizable se añade lentamente sobre el reactivo no enolizable; asi, tan pronto se haya formado el enolato reaccionará con el otro compuesto carbonílico. b) Uno de los compuestos carbonílicos sea más fácilmente enolizable. Tal es el caso cuando, por ejemplo, se utiliza acetilacetato de etilo Oa reactividad de este compuesto se estudiará con más detalle en el Tema 20). El acetilacetato de etilo forma el enolato con mucha facilidad el cual ataca al carbono electrófilo del otro compuesto carbonílico como se indica a continuación:

o e

o

~~(11 O

O

O

O

11 11 Na+Eto11 :: 11 CH3CCH2COCH2CH3 EtOH CH3CCHCOCH2CH3

CH3

1

.. -

co 1

:0: CHnOCH2CH3

6¡

O

l. H 2Q

Acetilacetato de etilo

2.A

o o

2-Ciclopentilidenacetilacetato de etilo

16.2. 1. Condensaciones aldólicas intramoleculares Hasta aqui se han visto las condensaciones adólicas intennoleculares es decir, que tienen lugar entre dos moléculas diferentes. Sin embargo, ciertos compuestos dicarbonilicos cuando se tratan con una base pueden experimentar una condensación aldólida intramolecular, originando compuestos cíclicos. Por ejemplo, la 2,5hexanodiona con etóxido sódico conduce a 3-metil-2-ciclopentenona.

502

QUíMICA ORGÁNICA

3-Metil-2-ciclopentenona

El mecanismo de estas reacciones es análogo al de las intermoleculares, la única diferencia es que tanto el nucleófilo como el electrófilo se encuentran en la misma molécula.

16.3. Otras reacciones de condensación La condensación aldólica se define como la reacción que tiene lugar entre dos compuestos carbomlicos con hidrógenos en a, en presencia de una base. Sin embargo, cuando el compuesto carbonílico no posee hidrógenos en dicha posición, puede reaccionar con otros que cedan protones con facilidad (reacción de Knoevenagel), experimentar un proceso de dismutación (reacd6n de Canniz7.aro) o dimerizarse (condensad6n benzoinica). 16.3. 1. Reacción de Knoevenagel

Tiene lugar entre un compuesto carbonilico que no posea hidrógenos en a y la sal sódica del malonato de dietilo. Los productos de reacción son ácidos a,/j-insaturados. H ¿H(COOEt)2

Na+Eto- Na+ :CH(C00Et) 2 + EtOH EtOH

Malonato de dietilo CH=C(COOEt)2

CHO

CH=CHCOOH

+ Na+:CH(COOEt)2 - -

Ácido cinámico


503

Existen otras muchas posibilidades de llevar a cabo reacciones de condensación. Se pueden utilizar como reactivos nucleófilos nitrilos, anhídridos o nitrocompuestos. Todas estas posibilidades dan como resultado una qulmica en extremo rica y variada, pero todas las reacciones son, simplemente, variaciones del mecanismo general de la condensación aldólica, donde un carbono nucleófilo se adiciona al carbono carbonílico.

16.3.2. Reacción de Cannizzaro Tiene lugar cuando un aldehído que no posea átomos de hidrógeno en posición a, se trata con una base fuerte. Dos moléculas del compuesto carbonílico reaccionan entre sí, de tal manera que una se oxida para dar el ácido carboxílico y otra se reduce originando el alcohol primario. Por ejemplo, el mecanismo de la reacción en el caso del p-clorobenzaldehído se muestra a continuación:

a

a

O

~

Cl

a

a

coo- 0 c H 2 0 H 0 C O OH0CH20H + 1 HOH 1 + 1 + -:QH Cl

~

~

~

Cl Cl Ácido p-clorobenzoico Alcohol p-clorobencilico (Producto de oxidación) (Producto de reducción)

El mecanismo supone una adición nucleófila al grupo carbonilo para originar la base conjugada del hidrato, la cual cede un hidruro a otra molécula del aldehído originando ácido benzoico y alcohol bencílico.

504

QUíMICA ORGÁNICA

16.3.3. Condensación benzoínica Es una reacción característica de aldehídos aromáticos. Se trata de un proceso de dimerización, utilizando cianuro sódico como catalizador. Así, el benzaldehído tratado con cantidades catalíticas de cianuro sódico en etanol acuoso da lugar a 2hidroxi-1,2-difeniletanona, con buenos rendimientos. El nombre común del producto es benzoína, por lo que la reacción se conoce como condensadón benzoínica. Su mecanismo es el que se muestra a continuación: o

~~

//

b

o~ + ,CN -0' Clanhidrina

c-c-o -oc-e-o o-c-c-0 0Hidroxicianhidrina

H?

e?=-

?H

1 1

CNH~

1

~

~

1

?i

?H

(1 1

CN H~

1

+ HOH ~

~

1

?H

1

H~

1

+ :CN

Benzoina

La cianhidrina, inicialmente formada, se desprotona por acción de la base. El ataque nucleófilo de la especie resultante a otra molécula de aldehído origina una hidroxicianhidrina que pierde cianuro de hidrógeno para dar la benzoína. 16.4. Aldehídos y cetonas a,/j-insaturados. Estructura y nomenclatura

Un grupo especial de compuestos carbonílicos lo constituyen los aldehidos y cetonas a,fi-insaturados. Estos compuestos presentan en su molécula un doble enlace carbono-carbono conjugado con el grupo carbonilo. Aunque las reacciones a que dan lugar son las características de ambos grupos funcionales, también experimentan reacciones en las que interviene todo el sistema conjugado. Como en los dienos conjugados, los aldehídos y las cetonas a,/j-insaturados presentan tres estructuras resonantes:


505

Para nombrar estos compuestos se utilizan las reglas de la IUPAC, siendo prioritario el grupo carbonilo. Muchos de ellos tienen nombres vulgares. A continuación se dan algunos ejemplos: CH2 = CH-CHO

CH3-CH = CH-CHO

Propenal (Acroleína)

2-Butenal (Crotonaldehído)

CsHs-CH= CH- CHO

CH3-C= CH-CO-CH3 t H3

3-Fenilpropenal (Cinamaldehido)

4-Metil-3-pentenona (Óxido de mesitilo)

16.4. 1. Reactividad Como se dijo anteriormente, los compuestos carbmúlicos a,/J-insaturados van a experimentar reacciones perfectamente predecibles a partir de la qulmica de los alquenos y de los compuestos carbonílicos. Por ejemplo, la hidrogenación catalítica conduce al compuesto carbonílico saturado. H2 C5H5-CH= CH-CHO Pd/C

y y

C5H5-CH-CH-CHO

Las reacciones de adición electrófila tienen lugar sobre el doble enlace C-C de tal manera que se forme el catión más estable, como ocurria en los alquenos.

Tautómero enol (Producto de adición 1,4)

Tautómero celo (Aducto 1,2)

Aunque la adición, aparentemente, origina el aducto 1,2 iniciada por protonación del oxígeno carbonílico, se trata de una adición 1,4 al sistema conjugado. Las reacciones de adición nucleófila transcurren por ataque del nucleófilo al carbono en posición /J, de manera que el carbanión resultante está estabilizado por resonancia:

506

QUíMICA ORGÁNICA

Po

HOH C5H5-CH-CH-c·

tN k

1

II

+ NaOH

}i

El ataque del electrófilo al intermedio que presenta las estructuras resonantes 1 y 11 daríaJ respectivamente, la forma cefo o la forma enol que estaría desplazada hacia la cetoJ siendo ésta el producto final de la reacción. Como habrá podido observarseJ las adiciones electrófilas y nucleófilas a compuestos carbonilicos aJJ-insaturados son muy semejantes; la diferencia se encuentra en los iones intermedios cuya estabilidad se explica mejor considerando todo el sistema conjugado. El reactivo electrófllo ataca al oxígeno para originar un catión alUico estabilizado por resonanda. Si el reactivo es nudeófllo, el ataque tiene Jugar en el carbono en posición f3 para formar el anión más estable. Adición electrófila R-CH =

OH

-~º CH-C'

'

R-CH-CH-¿

H

Catión+alílico ' H

Adición nucleófila

~º

:z-

R-CH=CH-C'

'

H

/-/º

R-CH-CH-C

Z1

'

H

Reacción de Michael

Se conoce con el nombre de reacción de Michael la adición de carbaniones a aldehídos y cetonas a,f3-insaturados con formación de un enlace C-C. El mecanismo de dicha reacción es el siguiente:

ca

Rl-c H

'

~ (!

+

'b2 /

:cu""' - - Rl-CH-CH= '-R4

~

OH

( HOH - - Rl-CH-CH= 1 R3-CH-R4

·o·-

R3

'

RZ

¿

. --

°"R2

1

R3-CH-R4

O

~ Rl-CH-CH2-C' -----

1 R3-CH-R4

'

R

2


507

Como puede observarse, la reacción transcurre por ataque del nucleófilo al átomo de carbono en posición /3. La reacción puede llevarse a cabo con facilidad con: malonatos, cianoacetatos, acetilacetatos, nitrocompuestos, compuestos 1,3-dicarbonílicos, etc., y con todos aquellos en los que R3 y R4 sean grupos aceptores de electrones y puedan estabilizar el carbanión. A continuación se muestran algunos ejemplos: EtOOC' K+Eto- Etooc, /CH2 + CH2 =CH-CO-CH3 /CH-CH2-CH2-CO-CH3 EtOOC EtOH EtOOC Malonato de dietilo

16.4.2. Métodos de obtención La condensación aldólica (sección 16.2) es uno de los procedimientos sintéticos más utilizados para la preparación de aldehídos y cetonas a,/J-insaturados. Otros métodos para obtener dichos compuestos se relacionan a continuación:

• Halogenación y deshidrohalogenación, cata/izada por bases, de compuestos carbonUicos

o

o l. Cl2

2-Ciclohexenona

Ciclohexanona

• Oxidación de alcoholes a/Uicos Esta reacción se lleva a cabo con dióxido de manganeso.

Acetona 2-Pentenol

/'-.~º "-H 2-Pentenal

508

QUíMICA ORGÁNICA

Resumen de conceptos importantes 1. Los hidrógenos en posición a con respecto al grupo carbonilo presentan carácter ácido debido al efecto -/del carbono carbomlico y a la estabilidad del ion enolato resultante. 2. Se define tautomeria como el tipo de isomería en la que los tautómems se interconvierten entre sí, con rapidez, por despla7.a1lliento simultáneo de un protón y un doble enlace. 3. Los aldehídos y las cetonas se encuentran en equilibrio con sus formas enólicas. La conversión está catalizada por ácidos o bases. 4. El ataque electrófilo sobre los iones enolato puede tener lugar sobre el átomo de carbono en posición a respecto al grupo carbonilo, o sobre el átomo de oxígeno. 5. Los enolatos son nucleófilos y pueden reaccionar con aldehídos y cetonas por ataque al carbono carbonilico. Dicho proceso se conoce con el nombre de condensaci6n ald61ica, y puede ser intramolecular si los dos centros reactivos están en la misma molécula. 6. Los compuestos carbomlicos que no poseen hidrógenos en posición a, por tratamiento con una base pueden experimentar un proceso de dismutación conocido como reacción de Cannizzaro. También pueden reaccionar con compuestos dicarbonílicos y sus análogos para dar lugar a ácidos a,/j-insaturados; a dicha reacción se la denomina condensación de Knoevenagel. 7. Los aldehídos aromáticos se dimerizan en presencia de cianuro sódico como catalizador, a través de un proceso conocido como condensación benzofnica. 8. Los aldehídos y las cetonas a,/j-insaturados poseen la reactividad característica de cada doble enlace considerado individualmente; pero el sistema conjugado puede reaccionar como un todo. Tal es el caso de las adiciones 1,4 tanto electrófilas como nucleófilas.


509

Eiercicios de autocomprobación 1. Escribir las estructuras resonantes de los enolatos que pueden generarse a partir de los compuestos carbonílicos siguientes:

a) CH3CH2COC(CH3}3 b)

e)

&CH3 OCHO

d) CH3COCH2CH3 e)

OCHO

2. Formular las siguientes reacciones:

a) Fenilacetaldehido con hidróxido sódico b) Benzaldehido con acetofenona en medio básico c) Propenal con nitrometano en presencia de hidróxido sódico d) 2,2-Dimetilpropanal con hidróxido sódico concentrado e) 5-0xohexanal en las mismas condiciones del apartado anterior 3. Sintetizar los productos que se relacionan a continuación, utilizando el reactivo indicado en cada caso y cualquier otro que se considere necesario:

a) b) e) d) e)

3-Hidroxi-2-metilpentanal a partir de propanal 1,3-Difenil-but-2-en-1-ona a partir de acetofenona 3-Fenil-2-metilpropenal a partir de benzaldehído 2-Butenal a partir de acetaldehído 1-Fenil-1,3,5-hexatrieno a partir de cloruro de alilo

510

QUíMICA ORGÁNICA

4. Formular los productos que se obtienen cuando se trata con hidróxido sódico concentrado una mezcla de butanona y 3-metilbutanal. 5. Completar las siguientes reacciones: a) CH3CHO + CH3COCH3 Na+C2HsoEtOH

c)

O

base

o

e)

CHO

6. Completar el siguiente esquema de reacciones:

o

H2/Ni CH3COOH

C(C7H1sNO)

HN0 2

D(C7H12O)


7. Dar una explicación razonada al siguiente hecho experimetal:

o

o CH3 CH3

CH3MgBr CuCl Et20

Ho:

CH3MgBr Et20, ff+ CH3 CH3 ~

+

#

CH3

CH3

8. Sugerir un mecanismo para la siguiente reacción: CH3COCH2CH2CH2CH2CHO

Ho-

--~

~COCH3

\_)

511

512

QUíMICA ORGÁNICA

Soluciones a los eiercicios de autocomprobación l. a)

b)

e) No se forma un ion enolato porque no hay hidrógenos en posición a.

2.

+

NaOH - .

. . .o CHC 'u

cr "-

..-

~


b)

e)

d)

CH3 o 1 ~ CH3-C-C NaOH 1 CH3

'

H

513

514

QUíMICA ORGÁNICA

e)

.-:~~)

CH3COCH2CH2CH2CHO + NaOH -- CH2COCH2CH2CH2CH -6 5 4 3 2 1

-

HOftO

2y4

3-Hidroxiciclohexanona

El carbanión se va formar preferentemente en C6, ya que si se origina en C4 o C2 el ciclo a que daría lugar por condensación intramolecular sería de cuatro miembros, y es altamente inestable; además dicho carbanión es más estable en esa posición por tratarse de uno primario. 3. a)

b)

C5H5

-

ó ó COCH3

Ho-

CeJ15COCH3 CH3

COCH=tCsHs

ó

Ó "

1

COCH~¿~H3

COCH2

..


l. HzO

515

HsCs-CH=CCHO

2.A

1

CH3

d) CH3CHO Ho- CH2CHO CH 3CHO CH3CHCH2CH01_

:Q: l. H20 CH3CH=CHCHO 2.A

e) Se trata de una reacción de Wittig. CH2=CH-CH2Cl + (C5H5)3P base CH2=CH-CH=P(C6Hsh

ó

CH=CHCHO

CH2=CH-CH=P(CoHsh +

--ó

CH= CH-CH= CH-CH= CH2 + (CeHshP=O

4. Se van a formar varios productos resultantes de condensaciones

aldólicas y condensaciones aldólicas cruzadas. Condensación aldólica: CH3CH2COCH3 NaOH CH3 -

CH3

CH3COCHt(OH)CH2CH3 + CH3CH2COCH2tCH2CH3 1 1 CH3 OH A B

Los productos A y B son el resultado de la condensación entre dos moléculas de butanona, cuando el carbanión se ha formado en los carbonos 3 y t respectivamente.

516

QUíMICA ORGÁNICA

CH CHCH CHO NaOH 31 2 CH3

Condensación aldólica cruzada:

CH3 CH3CH2C08H2 + CH3CHCH2CHO NaOH CH3CH2COCH2CHCH2tHCH3 1

l

CH3

OH CHO

CH3CH8HCHO + CH3CH2COCH3 NaOH CH3CHtHC(OH)CH2CH3 \

1

CH3

CH3

1

CH3

5. a)

OH

OH

+ CH3bCH2COCH3 + CH3tCH2CHO + CH3CHCH2COCH3 1

1

CH3

CH3

B

C

1

OH

D

Se trata de una reacción de condensación aldólica, siendo los productos C y D resultantes de una condensación aldólica cruzada. b) CH2=CHCOCH3 + CNCH2COOEt ~ EtOOCCHCH2CH2COCH3 1

CN


e)

&

+ CH2=CHCHO base

o d)

OH CH3

CH3COCH2CH2CH2COCH3 base

6.

6 ÜH

- - - - N2 +

-W

60 D

517

518

QUíMICA ORGÁNICA

7. Si la reacción se lleva a cabo en ausencia de CuCl el reactivo de Grinard reacciona con el compuesto carbonílico para dar el producto de adición 1,2, que por calefacción origina el dieno conjugado.

l. CH3MgBr/Et20

2. H+

w

Á

~CH3

):::

~CH3

Catión alilico

Sin embargo, cuando se lleva a cabo la reacción en presencia de cloruro cuproso el producto predominante es el de adición 1,4 ya que se forma el intermedio 1 (más favorecido con Cu+ que con Mg2+) que posteriormente reacciona con el reactivo de Grignard.

8. Se trata de una reacción de condensación intrarnolecular. COCH3

¡_

( O CH

11)

H~

'cH

/ 2 -H2C-CH2

#

UNIDAD DIDACTICA V

Tema 17

Aminas

SUMARIO Definición y clasificación de las aminas Nomenclatura de las aminas Propiedades fisicas y propiedades ácido-base Reacciones de las aminas 17.4.1. N-alquilación y N-acilación 17.4.2. Reacciones de las aminas con ácido nitroso 17.4.3. Otras reacciones de las aminas 17.5. Aplicaciones sintéticas de las aminas 17.5.1. Sales de amonio cuaternario 17.5.2. Sales de arenodiazonio 17.6. Métodos de obtención de aminas Resumen de conceptos importantes 17.1. 17.2. 17.3. 17.4.

Ejercicios de autocomprobación Soluciones a los ejercicios de autocomprobación

OBJETIVOS _ 1

1

_ _ _ _ _ _ _ _ _ __

1

1. Conocer la nomenclatura de las aminas. 2. Relacionar la capacidad de las aminas para formar enlaces de hidrógeno con sus propiedades flsicas. 3. Clasificar las aminas en función de la naturaleza y del número de restos hidrocarbonados unidos al átomo de nitrógeno.

4.. &tablecer la estructura de las aminas y explicar la estabilidad configuracional de algunos de sus derivados.

5. Justificar la importancia del par de electrones, no compartidos, del átomo de nitrógeno de las aminas en su comportamiento químico. 6. En función de la naturaleza de las aminas, predecir los productos que forman con diversos reactivos.

7. Reconocer la importancia de la aplicación de las aminas para diferentes usos: como intermedios de síntesis, como medicamentos, etc. 8. Desarrollar métodos para la preparación de las aminas y relacionar algunas de las transformaciones ya vistas en los Temas anteriores.

523

AMINAS

17.1. Definición y clasificación de las aminas Las aminas son compuestos orgánicos que pueden considerarse derivados del amoníaco por sustitución de uno, de dos o de los tres átomos de hidrógeno por radicales hidrocarbonados. De la naturaleza de estos radicales, alifática o aromática, se originan dos grandes grupos: las aminas alifáticas y las aminas aromáticas. Las propiedades que presentan por la existencia del grupo amino son comunes, y se van a tratar juntas en este tema indicando, cuando sea necesario, la diferencia entre ellas. Las aminas y otros compuestos que contienen nitrógeno son de las moléculas orgánicas más abundantes, son los componentes de los aminoácidos, de los péptidos, de las proteínas y de los alcaloides (Unidad Didáctica VI), son compuestos esenciales en Bioquímica. Las aminas se clasifican en primarias, secundarias o terciarias, en función del número de grupos sustituyentes del átomo de nitrógeno. También existen compuestos, con cuatro grupos unidos al átomo de nitrógeno, denominados sales de amonio cuaternarias, en este caso el nitrógeno tiene carga positiva:

R4 R1 -N-H

R1 -N-H

Rl - N - R3

1

R 1 -N+- R3

x-

H

R2

R2

kz

Amina primaria (R 1NH2)

Amina secundaria (R 1R2NH)

Amina terciaria

Sal de amonio cuaternaria

(R1R2R3N)

(R1R2R3R4N+X-)

1

1

1

R es un grupo alquilo o arilo. El enlace de las aminas es similar al del amoníaco. Los orbitales del nitrógeno tienen una hibridación cercana a la s¡J3, y forman una estructura aproximadamente tetraédrica (piramidal). Los tres sustituyentes ocupan los vértices de un tetraedro y el par de electrones, no compartidos, ocupa el cuarto vértice. Par de electrones no compartidos

\

Figura 17.1. Estructura de la trimetilamina.

524

QUíMICA ORGÁNICA

Una consecuencia de la distribución tetraédrica de las aminas, con tres sustituyentes distintos en el átomo de nitrógeno, es que son quirales y deben existir en dos formas enantiómeras. Si se considera el par de electrones, no compartidos, del átomo de nitrógeno como el cuarto sustituyente, se puede ver la analogía entre una amina quiral y un alcano quiral (ver Tema 4). plano especular

plano especular

N

a~''J b

""y Amina quiral

Alcano quiral

Sin embargo, a diferencia de los alcanos quirales, la mayoría de las aminas quirales no se pueden resolver en dos enantiómeros, debido a que las dos formas enantiómeras se interconvierten con gran rapidez; a esta rápida isomerización se le denomina inversión (Figura 17.2). La amina se puede ver como un equilibrio entre las dos formas a través de un estado de transición, en donde el nitrógeno cambia su hibridación a s¡I-. La barrera de esta transición es muy pequeña, menor de 7 kcal mol-1, por lo que no suele ser posible aislar, a temperatura ambiente, las dos formas ópticamente activas. En las sales de amonio cuaternarias, si los cuatro sustituyentes son diferentes, entonces el ion amonio es quiral, y en este caso sí se pueden resolver porque son configuracionalmente estables y ya no está presente el problema de la inversión. y

y"" ,, N

a~''J b

Hibridación s¡P

"

..

1 ~'

~

"

.

~

a

Estado de transición Hibridación s¡lFigura 17.2. Inversión de las aminas.

/y N,,

\/~ª b

Hibridación s¡P

525

AMINAS

17.2. Nomenclatura de las aminas Las aminas primarias, RNH2, se nombran añadiendo el sufijo -amina al nombre del radical R:

Metilamina

Etilamina

Ciclohexilamina

Naftilamina

Cuando hay más de un grupo amino, unidos a una cadena alifática, se añade el sufijo -diamina, -biamina, etc., al nombre del compuesto fundamental:

NH2 1

1, 2-Ciclopentanodiamina

NH2- CH2-CH-CH2-CH2-CH2 -NH2 1,2, 5-Pentanotriamina

Las aminas secundarias y terciarias simétricas, NHR2 y NR3, se nombran añadiendo al nombre del radical el prefijo di- o -tri, respectivamente, y el sufijo -amina:

Difenilamina

Trietilamina

4,4 '-Dinitrodifenilamina

Las aminas secundarias y terciarias no simétricas, NHR1R2, NR1R2R3 y NR21R2, se nombran como productos de N-sustitución o N,N-disustitución de una amina primaria. Se elige como amina primaria fundamental aquella a la que corresponde el radical R de mayor prioridad: CH2CH3 CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-N(CH3)2 N,N-Dirnetilpentilamina

1

CH3- CH2-CH2- N - CH3 N-Etil-N-metilpropilamina

526

QUíMICA ORGÁNICA

Existe una forma alternativa para nombrar las aminas, y es tratarlas como alcanaminas; en este caso se sustituye la terminación -o del alcano por -amina: H 1

CH3- N-CH2CH3

Metanamina

Bencenamina

N-Metiletanamina

Algunas aminas aromáticas conservan el nombre común, como por ejemplo: NH2

CC

O N(CH:i)2

Anilina

N,N-Dimetilanilina

CH3

o-Toluidina

Cuando en la molécula existe otro grupo funcional de mayor prioridad se utilizan los prefijos amino-, alquilamino-, etc., para nombrarlos: CH:¡NH --OCOOH

Ácido ¡rmetilaminobenzoico

Para nombrar las sales y los hidróxidos que contienen nitrógeno con carga positiva, R4N+X-, y donde los radicales R pueden ser iguales o diferentes, se utilizan los nombres de los radicales sustituyentes precediendo a la palabra -amonio, y a todo ello se antepone el nombre del contraión:

0

1

CH3

1 0 1

CH3

CH2- ¡..±....cff30H- CH3-1..±....cu31CH3

Hidróxido de benciltrirnetilamonio

CH2CH3

~

/¡

CH3

Yoduro de tetrametilamonio

¡ -=-cu2CH3CI-

CH2CH3

Cloruro de trietilfenilamonio

17.3. Propiedades físicas y propiedades ácido-base Los puntos de ebullición de las aminas son menores que los de los alcoholes y mayores que los de los alcanos de peso molecular comparable, debido a la capacidad que poseen para formar puentes de hidrógeno intermoleculares (excepto las terciarias), aunque de menor fortaleza que en los alcoholes.

527

AMINAS

R2

44

,

Rl

...N'\

R2 Rl 4,,, N

.•.·· '\

,.

..•..

/

H

..

"

,N

~

Rl

H...

,,

~

R2

Rl

H

/

"

N

R2

~4

Rl

N

.•.·· '\ ...·· H.. H H H "·.. / ·.. / N ,,N

Rl ~ ~

R2

,

"

R2

~

Rl

\2

Las aminas de bajo peso molecular (con menos de cinco átomos de carbono) son, en general, solubles en agua, aunque las terciarias lo son en menor extensión que las primarias y secundarias. Son también solubles en disolventes menos polares como éter, alcohol, etc. En la Tabla 17.1 se indican las propiedades fisicas de algunas aminas. Las metil y etilaminas tienen un olor semejante al amoníaco, y las alquilaminas superiores tienen un fuerte olor a pescado en descomposición. Las aminas aromáticas son tóxicas, ya que son absorbidas por la piel, y en estado puro son incoloras pero, en cambio, es frecuente encontrarlas coloreadas debido a que se oxidan con facilidad por el aire. Tabla 17.1. Propiedades fisicas de algunas aminas

Amoníaco Metilamina Etilamina Dimetilamina Trimetilamina Anilina

NH3 CH3NH2 CH3CH2NH2 (CH:J 2NH (CH:J 3N CaH5NH2

-33,3 -6,3 16,6 7,4 3

-77,7 -94 -81 -93 -117 -6,3

184,1

Propiedades ácido-base

Las aminas pueden ser básicas y ácidas: H

..

Kb

..

Kallo.

RNH2 + HA RNH + -:B 1

H

]lo,

I+

RNH2 + -:A

..

R~H2

+ HB

528

QUíMICA ORGÁNICA

El carácter básico de las aminas es consecuencia del par de electrones no compartidos del átomo de nitrógeno que las hace capaces de comportarse como bases de Lewis (nucleófilos). Son bases más fuertes que los alcoholes, los éteres o el agua, pero son más débiles que los iones hidróxido, los iones alcóxido y los carbaniones. La fuerza básica de una amina se determina en función de la constante de equilibrio Kb en una reacción ácido-base: H

H

..

..

RNH2 + HQH

Amina

I+

..

RNH2 + Hg:-

I+

..

[RNH2] [HO:-] = 10-4 Kb= [RNH2]..

Ion amonio

pKb=4

A medida que Kb es mayor, la reacción estará más desplazada hacia la derecha y, por tanto, la amina será más básica. En general, las aminas alifáticas son más básicas que el amoníaco, debido a que el grupo alquilo cede electrones por efecto + l estabilizando el ion amonio formado:

..

..

R-N-H + HOH

h

H 1

..

R-N.LH + HO:1

H

El orden de basicidad determinado experimentalmente, en fase gaseosa, es: aminas terciarias > aminas secundarias > aminas primarias > amoníaco Sin embargo, en disolución acuosa el orden de basicidad varía y las aminas terciarias son menos básicas que las primarias y las secundarias, debido al efecto de la solvatación. En solución acuosa las aminas primarias y secundarias se estabilizan por solvatación de manera más efectiva que las aminas terciarias, debido al mayor impedimento estérico de éstas. Las aminas aromáticas son bases más débiles que el amoníaco y, por tanto, menos básicas que las alifáticas. La débil basicidad de las aminas aromáticas es debida a que el par de electrones del nitrógeno se encuentra deslocalizado por el anillo aromático y, por lo tanto, está menos disponible para formar el enlace con el protón.

-

e · -

..

529

AMINAS

Dependiendo de la naturaleza del sustituyente, las arilaminas sustituidas pueden ser más o menos básicas que la anilina. Así, como regla general, los sustituyentes con efectos + I o + M (-CH 3, -NH 2, -OCH3, •.• ) aumentan la basicidad de la arilamina correspondiente y, por el contrario, los sustituyentes con efectos - I o -M(-X, -N0 2, -CN, ... ),disminuyen la basicidad de la arilamina. Debido a su carácter básico, todas las aminas reaccionan con los ácidos transformándose en las sales de amonio, como por ejemplo: -

+

CH3NH2 + u+c1- ______., CH3NH3CICloruro de metilamonio +

(CH3)3Ñ + ff+S04H- ______., (CH3)sNHS04HSulfato ácido de trimetilamonio

Yoduro de anilinio

Las aminas son débilmente ácidas debido a la fuerte basicidad de los iones amiduro que se forman. Comparándolas con los alcoholes, su acidez es aproximadamente 20 veces menor.

..

..

RNH + H20 1

..

..

R~H

+ H2QH

H

Amina (Ácido débil)

..

+

Ka=

+

[RNHJ [H2QH] = [RNH]

_ 10 35

1

Ion amiduro (Base fuerte)

H

pKa=35

Las aminas primarias y secundarias pueden actuar como ácidos de Bronsted cediendo protones, cuando se enfrentan a reactivos de mayor carácter básico, como por ejemplo reactivos organometálicos o reactivos de alquilitio:

Reaccionan también con los metales alcalinos desprendiendo hidrógeno y formando la sal de las aminas. Así, por ejemplo, el amiduro sódico se puede preparar

530

QUíMICA ORGÁNICA

en amoníaco líquido con sodio metal en presencia de cantidades catalíticas de Fe3+. Fe3+ catalitico 2 Na + 2 NH3 - - - - -

Las aminas terciarias, por carecer de átomo de hidrógeno unido al nitrógeno, no pueden dar esta reacción.

17.4. Reacciones de las aminas La reactividad de las aminas está determinada por la presencia del par de electrones localizado sobre el átomo de nitrógeno, comportándose como bases, como nucleófilos y como reductores.

17.4. 1. N-alquilación y N-acilación Las aminas reaccionan con los halogenuros de alquilo mediante reacciones de sustitución nucleófila, alquilándose el átomo de nitrógeno y obteniéndose el halogenuro de amonio cuaternario como producto final de la reacción. De este modo, la reacción del amoníaco con bromuro de metilo conduce al bromuro de tetrametilamonio: +

H3N: + CH3Br ----+ CH3NH3BrBromuro de metilamonio

1.ª Alquilación + CH3~H2Br- +

H

..

:NH3

Metilamina +

CH3NH2 + CH3Br ----+ (CH3)2NH2BrBromuro de dimetilamonio 2.ª Alquilación

+

CH3NH2 + HNH3Br-

531

AMINAS

Bromuro de trimetilamonio

3. ª Alquilación

+

..

..

(CH3)3NBr- + :NH3 o CH3NH2 o (CH3hNH-;::::~ (CH3hN: + Sales 1 Trimetilamina H 4.ª Alquilación

(CH3hN: + CH3Br

+

-----+

(CH3)4NBrBromuro de tetrametilamonio

Esta reacción tiene poco interés desde el punto de vista sintético debido a la dificultad para evitar la polialquilación. Algunas veces se pueden obtener mayores rendimientos del producto monoalquilado utilizando la amina inicial en exceso.

N-acilación Las aminas primarias y secundarias reaccionan con los ácidos carboxilicos y sus derivados como haluros, anhídridos y ésteres, transformándose en amidas: R3CQOH

~----___.._ Rl - N -

CO -

R3 + HOH

R3CQX - - - - - - - - - Rl-N 1 Haluros de ácido R2

CO -

R3 + HX

Rl-N -

CO -

R3 + R4QH

CO -

R3 + R4COOH

Ácidos

1

R2 R1-

NH + 1

R2 Ésteres

1

R2

R3CQOCOR4 ....__________ Rl - N Anhídridos 1 R2 Amidas

La reacción transcurre por ataque nucleófilo del átomo de nitrógeno al carbono carbonílico. El amoníaco conduce a amidas no sustituidas; si la amina de partida es primaria, la amida resultante es .N-sustituida, y dado que le queda un átomo de hidrógeno en la molécula, la reacción podría continuar de modo análogo al proceso de alquilación, visto anteriormente, para originar el derivado diacetilado, pero

532

QUíMICA ORGÁNICA

esto no ocurre, ya que la amida es menos básica que la amina de partida y no puede ya reaccionar con una segunda molécula del derivado de ácido. Cuando la amina de partida es secundaria se obtienen amidas N,N-disustituidas como por ejemplo:

o 11

CH3CH2CH2COOH + (CH3)2NH calor Ácido butanoico

CH3CH2CH2CN(CH3)2 + HOH

Dimetilamina

N,N-Dimetilbutanamida

Las aminas terciarias no experimentan esta reacción. Las arilaminas se pueden acilar del mismo modo: H-NH

NHCOCH3

o

o

11

11

+CH3- C - O- C- CH3-----+-

Anilina

Anhtdrido acético

+ CH3COOH

N-Acetilanilina Ácido acético

17.4.2. Reacciones de las aminas con ácido nitroso Las aminas reaccionan con ácido nitroso, HONO, y el producto obtenido depende de la naturaleza de la amina, alifática o aromática y de si ésta es primaria, secundaria o terciaria. A pesar de las diferencias, en cuanto al producto final, la reacción del ácido nitroso con todos los tipos de aminas, comprende el mismo paso inicial. El ácido nitroso se prepara, normalmente in sítu, a partir de nitrito sódico y cloruro de hidrógeno en medio acuoso: Na+ - :0-N= O HCI ·· . · -NaCl Nitrito sódico

, ......

H+ H HO-N=O .. . ::;;::::::=: ..

..

..

.

+

H

/

0-N=O

Ácido nitroso

::Ñ

~ -:N=Ü:] Catión nitrosilo

+ H29,

533

AMINAS

El catión nitrosilo, NO+, es electrófilo y es atacado por las aminas para formar la sal de N-nitrosamonio y, dependiendo ahora de los sustituyentes del átomo de nitrógeno, se obtienen distintos productos como se va a ver a continuación.

/~+ ··

- N:

+

..

I+

"

Amina

..

..

N=O - - -N- N=O 1

Catión nitrosilo

..

Sal de N-nitrosamonio

Aminas primarias Las aminas primarias reaccionan con el ácido nitroso de modo distinto según se trate de una amina alifática o aromática.

Aminas alifáticas Cuando una amina alifática primaria reacciona con el ácido nitroso se forma inicialmente la N-nitrosamina monoalquilada, pero es inestable y mediante protonación y pérdida de agua conduce al catión de diazonio. La sal de diazonio de una amina alifática primaria es también un producto muy inestable y descompone de forma espontánea, desprendiendo nitrógeno, y formando un carbocatión que puede experimentar transposiciones, desprotonarse o ser atacado por distintos nucleófilos para dar una mezcla de productos (ver Ejercicio de autocomprobación n. 0 4).

,,,,,,,..... .. N-N= O ..

R

+

R~ ==N:

H

Monoalquil N-nitrosamina

Catión de diazonio

Mezcla de productos

Esta reacción carece de valor sintético pero, sin embargo, tiene interés analítico, ya que se desprende nitrógeno (N2) de forma cuantitativa.

Aminas aromáticas Las aminas aromáticas primarias reaccionan con el ácido nitroso para dar sales de arenodiamnio; estos compuestos son muy útiles para la preparación de un gran número de compuestos aromáticos (sección 17.5.2).

534

QUíMICA ORGÁNICA

NaN02 HX, OºC Amina aromática 1ª

Ar-N 2+xSalde arenodiazonio

Aminas secundarias

Las sales de N-nitrosamonio secundarias, tanto alifáticas como aromáticas, se desprotonan fácilmente para dar, como producto mayoritario, .N-nitrosaminas: H Rl(Arl)-NH

NaN02 1 HCI, HzO, O ºC R2(Ar2)

\1 + Rl(Arl)-N-N=O CI-

Rl(Arl) - HCI

1

R2(Ar2)

"

N-N=O R2(Ar2) /

N-Nitrosamina

Ejemplos: H

\1

·· NaN02 + HCI (CH3)2NH ---"""'---- CH 3-N-N=O CI- HCI, H20. OºC 1 CH3 Dimetilamina N-Nitrosodimetilamina

o-~-H _H_C_l~H-~-~"'-CH3

2

0-ºC--

N-Metilanilina

N-Nitroso-N-metilanilina

Las N-nitrosodialquilaminas son potentes agentes cancerígenos en muchos animales, y hay ciertas evidencias de causar cáncer también en humanos. Aminas terciarias

De nuevo las aminas teciarias reaccionan con el ácido nitroso de modo distinto según sean alifáticas o aromáticas.

535

AMINAS

Aminas alifáticas Si la amina es terciaria, se produce la sal de amonio cuaternaria y sales de Nnitrosamonio terciarias que son estables a baja temperatura, pero cuando se calientan descomponen para dar una mezcla de productos: R2

R2 NaN02

1

Rl- N-R3

HX,H20,0ºC

I+

Rl-N- HX1

R3

Sal de amonio cuaternaria

R2

I+

+ Rl-N- N=o x1

R3

Sal de J\Lnitrosamonio terciaria

Aminas aromáticas Las aminas aromáticas terciarias reaccionan con el ácido nitroso dando compuestos e-nitroso aromáticos. Esta nitrosación tiene lugar en la posición para, y si está ocupada por algún otro sustituyente, el ataque del ion nitrosilo es en la posición orto.

(CHsl2N- o

(CHsl2N- 0 - N = O

N,N-Dimetilanilina

¡r Nitroso-N.N-dimetilanilina

Esta reacción de nitrosación sólo tiene lugar en anillos aromáticos fuertemente activados (sección 14.1.1).

17.4.3. Otras reacciones de las aminas Reacciones de las aminas con cloruros de sulfonilo. Prueba de Hinsberg Es una reacción totalmente semejante al proceso de formación de amidas visto anteriormente. Las aminas primarias y secundarias reaccionan con cloruros de sulfonilo para dar sulfonamidas:

536

QUíMICA ORGÁNICA

/

H

O

1

11

H O 1

11

Rl- N-H+ Cl - S - A r - Rl- N ..

11

..

o

Amina primaria

1

Rl- N- H + Cl..

Sulfonamida N-sustituida

R2 O

O 11

1

11

S - A r - Rl- N -

S-Ar + HCI

11

11

..

o Amina secundaria

S-Ar+ HCI 11

o

R2

Hidrógeno ácido

o Sulfonamida N,N-disustituida

Las aminas terciarias no dan esta reacción. La formación de la sulfonamida es la base de un ensayo químico, conocido como prueba de Hínsherg, que se utiliza para saber si una amina es primaria, secundaria o terciaria. Las sulfonamidas N-sustituidas son solubles en agua mientras que las sulfonamidas N,N-disustituidas precipitan en el medio de reacción. Oxidación

Los productos resultantes de la oxidación de las aminas dependen fundamentalmente de la naturaleza de las mismas. Las aminas alifáticas primarias y secundarias se pueden oxidar, pero en la mayoría de los casos se producen reacciones colaterales lo que provoca la formación de mezclas complejas. Las aminas terciarias se oxidan, de manera bastante selectiva, a óxidos de aminas terciarias. La reacción de oxidación se lleva a cabo utilizando peróxido de hidrógeno o un peroxiácido: +

RgN-

Amina terciaria

~:

N-Óxido de trialquilamina

Los óxidos de amina al calentarse sufren eliminación para dar un alqueno. Esta última reacción se conoce como eliminación de Cope:

537

AMINAS

:O H 150 ºC

1

RCH=CH2 + CH3-N-CH3 Alqueno

N,N-Dimetilhidroxilamina

Las arilaminas se oxidan con mucha facilidad con diversos oxidantes, como se puede ver en los siguientes ejemplos: N= O

o H2S05 (Ácido de Caro) Nitrosobenceno

o Cr03 oxidación enérgica

¡rBenzoquinona

Nitrobenceno

17.5. Aplicaciones sintéticas de las aminas 17.5.1. Sales de amonio cuaternario La alquilación exhaustiva de una amina con un halogenuro de alquilo conduce al halogenuro de amonio cuaternario. Si esta sal se calienta, en presencia de hidróxido de plata (fuente de HO-), se produce una reacción de eliminación, denomina-

538

QUíMICA ORGÁNICA

da eliminación de Hofmann, que da lugar a un alqueno, una molécula de agua y una amina terciaria: +

--=

NR3

'-;

.
¡{J

~~

C-C

~

~ ~

~

\

-.::: ~

\_

C = C + HOH + :NR3

Alqueno

:OH

La base ataca a un hidrógeno de la posición /3. +/ CH3 CH3-CH2-N- CH3 1- -

exceso

"cH3 Yoduro de trimetiletilamonio

Etilamina

H Ag20 , H 20

¿H 2-

CH2-

N(CH3)3 HO- + Agl A_ CH2 = CH2 + N(CH3)3 +HOH

Hidróxido de trimetiletilamonio

Etileno

Cuando hay posibilidad de formación de más de un alqueno, la eliminación de Hofmann tiende a dar el compuesto menos sustituido como producto mayoritario:

Ciclohexilamina

Bromuro de trietilciclohexilamonio

Etileno

La importancia de esta reacción se debe, principalmente, a su uso histórico para determinar las estructuras de muchas aminas complejas de origen natural, como los alcaloides. En la actualidad no se utiliza mucho debido a que es más sen-

539

AMINAS

cilio obtener por otros medios los alquenos que se producen, y existen otros muchos métodos de determinación estructural. Las sales de tetraalquilamonio se utilizan como catalizadores en muchas reacciones orgánicas, para aumentar los rendimientos, y se conocen como catalizadores de transferencia de fase.

17.5.2. Sales de arenodiazonio Como ya se ha visto, cuando una amina aromática primaria reacciona con nitrito sódico, en medio ácido, se obtiene una sal de arenodiazonio (ArN 2+x-). Estas sales son productos de partida muy útiles para la preparación de un gran número de compuestos aromáticos. Esto es debido, en parte, a que el grupo diazonio (N2+) puede ser desplazado con facilidad por varios átomos o grupos de átomos, eliminándose una molécula de nitrógeno:

o

N2+c¡- -Sus-ti-.tu-c.-ió_IJJ_po_'I_X...,

o

X + N2

X= F, Cl, Br, 1, H, OH, CN

Además, estas sales experimentan otro tipo de reacciones, en las que no hay pérdida de nitrógeno, como son las reacciones de reducción y las de acoplamiento:

O

N2+X- -R-e-du-c-'Ci-'ón.... Fenilhidrazina

O N2+X-+o~ _

y Acoplélllllento .

o~ N=N-o~ y _ _ Diazocompuesto

Más adelante se verán estas reacciones con más detalle. Para nombrar las sales (ArN2+X-), se añade el sufijo -diazonio al nombre del componente fundamental (ArH), y al conjunto resultante se le antepone el nombre del ion x-. tal como se muestra en los dos ejemplos siguientes:

540

QUíMICA ORGÁNICA

ArH=Benceno x- =Cloruro

o~ N2+ClCloruro de bencenodiazonio

ArH=Naftaleno x- = Tetrafluoroborato Tetrafluoroborato de 2-naftalenodiazonio

Las sales de diazonio aromáticas son más estables que sus análogas alifáticas, porque se encuentran estabilizadas por resonancia. Uno de los pares de electrones del sistema aromático se puede desplazar por el grupo funcional, formándose las estructuras de resonancia, con separación de cargas, que se indican a continuación:

Cm N+

:N: 11

N+

:N:

:N:

11

11

N+

N+ +

+

Resonancia del catión bencenodiazonio

La pérdida del grupo diazonio sólo tiene lugar a altas temperaturas formando el catión fenilo o arilo altamente reactivos. Reacciones de sustitución

Cuando se trata una sal de arenodiazonio, recién preparada, con sales cuprosas [Cu(n] se produce la sustitución del grupo diazonio por cloro, bromo, yodo o grupo ciano. Estas reacciones se conocen como reacciones de Sandmeyer. X CuX,A

X=Cl, Br, 1, CN

541

AMINAS

Ejemplos: Br

HCl, NaN02

1

CuBr, A

OºC

CH3 fr Metilanilina

CH3 Cloruro de frmetilbencenodiazonio

frBromotolueno

Los yoduros de arilo se pueden obtener también por la reacción directa con yoduro de potasio (KI), sin que sea necesario el uso de una sal cuprosa. De modo análogo, es posible obtener arenonitrilos (ArCN): CN CH3 CuCN, KCN 50 ºC

o-Metilanilina

Bromuro de o-metilbencenodiazonio

o-Metilbencenonitrilo

La hidrólisis de los nitritos genera ácidos carboxílicos por lo que la síntesis de nitrilos a partir de sales de arenodiazonio, proporciona un método muy valioso para obtener ácidos carboxílicos a partir de nitro compuestos. La sustitución del grupo diazonio por flúor no se puede reali7.ar de este modo y es necesario añadir ácido tetrafluorobórico (HBF.J o ácido hexafluorofosfórico (HPFa) a la sal de diazonio, con lo que precipitaría el correspondiente tetrafluoroborato o hexafluorofosfato de diazonio; el calentamiento posterior de estas sales conduce al correspondiente fluoroarilo. F.sta reacción se conoce como reacdón de Schiemann. F

Cloruro de bencenodiazonio

Tetrafluoroborato de bencenodiazonio

Fluorobenceno

542

QUíMICA ORGÁNICA

Esta reacción es importante, ya que como se ha visto en la sección 13.3.2, la reacción directa del benceno con fluor, por sustitución electrófila, no es fácil debido al carácter exotérmico de la reacción. El grupo N2+ también se puede reemplazar por un grupo -OH, en este caso se obtienen los fenoles: OH HOH,H+ Cl m-Cloroanilina

Cl Bisulfato de Jll-cloro bencenodiazonio

m-Clorofenol

Si se quiere reemplazar el grupo diazonio por un grupo -H, para obtener arenos, se hace reaccionar la sal de arenodiazonio con ácido hipofosforoso (H3PO:J o con borohidruro sódico en disolución acuosa: H

Bromuro de bencenodiazonio

Benceno

Esta reacción, de reducción del grupo diazonio, se utiliza para eliminar el grupo nitro o amino de un anillo aromático, que previamente haya sido introducido para bloquear o activar determinadas posiciones del núcleo.

Reacciones de reducción

Cuando se hace reaccionar una sal de arenodiazonio con un agente reductor, como el Cl2Sn/HC1 o sulfito sódico (Na2SO~. se obtienen derivados aromáticos de la hidrazina:

543

AMINAS

SnCl2 HCI Bromuro de bencenodiazonio

Fenilhidrazina

Reacciones de acoplamiento

Las sales de arenodiazonio experimentan reacciones de acoplamiento con anillos aromáticos fuertemente activados (ver sección 14.1.1) para dar azocompuestos.

a~~ ~üÜ-:H_ Bromuro de bencenodiazonio

(JN°'N

H

..

\__ :OH2

Fenol

cr

N"N

::::,__

1

p-Hidroxiazobenceno

La reacción es una sustitución electrófila aromática típica (sección 13.3), donde el ion diazonio, con carga positiva, es el electrófilo que reacciona con un anillo rico en electrones, un fenol o una arilamina, para producir el azocompuesto: Me 1

Me

ON Nc1-(JN'Me +

-;:/"

1

N

N'-.. 1

Me

+

Cloruro de bencenodiazonio

N,N-Dimetilanilina

p-Dimetilaminoazobenceno amarU/o de mantequU/a

Por lo generat la reacción se produce en la posición para con respecto al grupo activante, pero si ésta se encuentra ocupada la sustitución tiene lugar en la posición 0110.

544

QUíMICA ORGÁNICA

Los compuestos que se obtienen son muy coloreados debido a que el enlace -N =N- produce una conjugación entre los dos anillos aromáticos, y origina un sistema de electrones n deslocalizados que permite la absorción de la luz en la región visible del espectro electromagnético. A estos compuestos se les conoce como colorantes azoicos. Los colorantes utilizados en la industria textil contienen normalmente uno o más grupos So3-Na+ o co2-Na+ para facilitar su solubilidad. Por ejemplo, el amarillo de alizarina utilizado para teñir la lana, o el anaranjado de metilo utilizado como indicador de pH, ya que es rojo en medio ácido y amarillo en medio básico. Amarillo de alizarina

Anaranjado de metilo

17.6. Métodos de obtención de aminas Existen varios procedimientos para la preparación de aminas; la elección del más adecuado depende de la naturaleza de la amina que se quiera obtener.

Reacciones de sustitución nucleófila

Las aminas se pueden preparar por reacciones de sustitución nucleófila, a partir de amoníaco y halogenuros de alquilo, pero este método es de poca aplicación porque se producen alquilaciones múltiples. Un método mejor para preparar, a partir de un halogenuro de alquilo, una amina primaria es convertir primero el halogenuro de alquilo en una azida de alquilo (R-N ~, por medio de una reacción de sustitución nucleófila. La azida así obtenida se puede reducir a una amina primaria con sodio y etanol o con hidruro de litio y aluminío: R- X + Na+N3-

---+

-NaX

:: + R-N- N == N:

··V

Azida de alquilo

LiAIH4 - N2

R-NH2

545

AMINAS

Existe un método alternativo para la obtención de aminas que consiste en utilizar la ftalimida potásica; a dicho procedimiento se le conoce como síntesis de Gabriel, y la reacción se muestra a continuación:

CH3CH2CH2Br, /!,. - KBr

Ftalimida

Propilamina

La preparación de aminas por medio de la síntesis de Gabriel está restringida al uso de los halogenuros de alquilo primarios y secundarios, los halogenuros terciarios conducen casi exclusivamente a reacciones de eliminación. Este método es muy útil para la obtención de aminas primarias puras debido a que el enlace N-H sólo puede ser alquilado una vez, evitándose así la formación de aminas secundarias y terciarias. Aminación reductora

Las aminas se pueden obtener también mediante reducción de los aldehídos (RCHO) y las cetonas (R2CO) en presencia de amoruaco. Esta reacción se conoce como aminaclón reductora, e implica la condensación de una amina con un compuesto carbonilico originando una imina, y posterior reducción con hidrógeno activado cataliticamente o con cianoborohidruro de sodio, Na+BH3CN para obtener la amina tal como se indica a continuación:

546

QUíMICA ORGÁNICA

Rl Rl"-.. C= O + H2NR3 R2/

- H20

1

R2- C - NHR3 +H20

1

Condensación

H

Reducción

Ejemplos:

CHO

CH= NH

H

H

1

1

CH- NH

H2.Ni

Reducción de nitrocompuestos

Las aminas primarias aromáticas se preparan, con frecuencia, por reducción de nitrocompuestos aromáticos. Esta reacción se puede realizar mediante hidrogenación catalítica o por reducción química, normalmente un metal y un ácido. Ar - N02 reducción

Ar - NH2

La reducción selectiva de un grupo nitro, en un compuesto aromático dinitrado, se puede realizar mediante el uso de sulfuro de hidrógeno en amoníaco disuelto en agua o en alcohol: N02

NH3, EtOH NH2 m-Dinitrobenceno

m-Nitroanilina

AMINAS

547

La reducción de amidas, oximas y nitrilos conduce también a la formación de aminas. Todos estas reacciones serán tratadas en Temas posteriores. Resumen de conceptos importantes

l. Las aminas se clasifican en alifáticas o aromáticas dependiendo de la natu-

raleza de los radicales hidrocarbonados unidos al átomo de nitrógeno; y en función del número de radicales sustituyentes del átomo de nitrógeno se clasifican en primarias, secundarlas o terciarias. 2. El átomo de nitrógeno en las aminas tiene hibridación sp3. Los tres sustituyentes están dirigidos hacia los vértices de un tetraedro, y el par de electrones no compartidos ocupa el cuarto vértice. 3. Las aminas forman enlaces de hidrógeno más débiles que los alcoholes, por lo que sus puntos de ebullición son más bajos y su solubilidad en agua es menor. De modo general los puntos de ebullición de las aminas son intermedios entre los de los alcanos y los de los alcoholes. 4. Las aminas son áddos débiles y, por el contrario, son buenas bases aunque más débiles que el ion hidróxido. La basicidad y la nucleofilia del átomo de nitrógeno en las aminas permite su protonación o alquilación para dar sales de amonio sustituidas. 5. Las sales de amonio cuaternarias, en presencia de bases fuertes, eliminan aminas terciarias para dar alquenos en una reacción que se conoce como eliminación de Hofmann. El alqueno que se obtiene es, por lo general, el menos sustituido. 6. El áddo nitroso reacciona con las aminas formando distintos productos de N-nitrosación, N-nitrosaminas o sales de arenodiazonio, en función de la naturaleza de la amina. 7. Las sales de arenodiazonio se encuentran estabilizadas por resonancia y son unos intermedios muy útiles para la preparación de un gran número de derivados aromáticos. 8. Es posible sintetizar aminas por medio de reacciones de sustitución nucleófila, por aminación reductora y por reducción de nitrocompuestos.

548

QUíMICA ORGÁNICA

Eiercicios de autocomprobación 1. i) Nombrar y clasificar los siguientes compuestos: N(CH3)2 1

a) CH3-CH2-CH-CH3 CH2CH3

+I I

b) CH3-CH2-CH2- CH2-CH2- CH2-N-CH3 c1CH2CH3

ii) Formular las estructuras de los compuestos indicados a conti-

nuación: a) b) e) d) e)

N-Isopropilciclopentilamina. Trialilamina. N,N-Dimetil-3-metil-2-pentanamina. Hidróxido de tetrapropilamonio. N-Bencilanilina.

2. La inversión piramidal impide la resolución de las trialquilaminas quirales pero. por el contrario. las sales de tetraalquilamonio quirales son configuracionalmente estables. Dibujar los enantiómeros R y S del cloruro de benciletilmetilpropilamonio. 3. Clasificar por orden de basicidad creciente los siguientes compuestos y justificar el orden propuesto: a) CH3(CH2)i'JH2; CH30(CH2)2NH2; NCCH2NH2; NCCH~H2 NHz; NH3

549

AMINAS

4. Indicar los productos esperados de la reacción de la butilamina con nitrito sódico y ácido clorhídrico.

5. Formular todos los pasos implicados en la reacción de eliminación de Hofmann de las siguientes aminas:

a) 1-Metilciclopentilamina b) Piperidina 6. Indicar cómo se pueden llevar a cabo las siguientes transformacio-

nes:

a)0-1

COOH

Cl

b)

COOH Br

1 .#

NH2

CN

c)o-1

Br Br

NH2 ~

Br

Br

-1

d)

.# Br

Br

#'-..

Br

N02

7. Sintetizar la bencilamina mediante la síntesis de Gabriel

8. Escribir los productos esperados en cada una de las siguientes secuencias de reacción:

550

QUíMICA ORGÁNICA

NH2 l. NaN02, HCI, OºC

2. Q-

A

OH

S03H OH NH2 l. NaN02, HCI, OºC

S03H

2·0-NH-o

B

NH2 l. NaN02, HCI, OºC

2.00 OH

S03H

~

~

e

551

AMINAS

Soluciones a los eiercicios de autocomprobación l. i)

a) N,N-Dimetil-sec-butilamina Amina alifática terciaria b) Cloruro de dietilhexilmetilamonio Sal de amonio cuaternaria c) trans-2-Metilciclohexilamina Amina alifática primaria d) N,N-Dietilanilina Amina aromática terciaria e) N-Metil-p-toluidina Amina aromática secundaria li} a) CH3

:;cH-NH

-o

CH3 CH2-CH=CH2 1

b) CH2= CH- CH2-N- CH2- CH= CH2 CH3 e) CH3- CH2 -

1

CH- CH- CH3 1

CH3NCH3

2.

CH2CH3 1

o

CH3-CH2-CH2-N-CH3 c1-

Sal de amonio racémica

CH2l

~ IÍ

552

QUíMICA ORGÁNICA

La prioridad de los sustituyentes es: bencilo > propilo > etilo >metilo. Los dos enantiómeros

3. El carácter básico de una amina depende de la disponibilidad del par de electrones no enlazante del átomo de nitrógeno para reaccionar con un ácido. La sustitución en el átomo de nitrógeno por grupos alquilo aumenta la basicidad mientras que el grupo éter o ciano (electroatrayentes) disminuye la basicidad. El efecto inductivo es mayor cuanto mayor sea la proximidad al grupo amino. Por lo tanto: a) NCCH2NH 2 < NCCH 2CH2NH2 < CH 30(CH 2hNH2 < NH 3 < CH3(CH 2hNH 2

b) En el caso de las arilaminas, la fuerza básica disminuye porque el par de electrones no enlazantes puede deslocalizarse por el anillo aromático; el orden de basicidad es:

0 1-0
2

NH2

H

La difenilamina es una base muy débil porque el par de electrones no enlazantes se puede deslocalizar en ambos anillos reduciendo por lo tanto la densidad electrónica en el átomo de nitrógeno mucho más que en la anilina:

O HN-o~ 1 -

- o~Ñ~ -

1\d-

H

Ñ=O-

-o~ N_j\:_ -o~ 1\d1 H

-

H -·.

553

AMINAS

- oÑ-o~ --=oN-o~ 1

-

-

1

H

-

H

-0~-0 - H 4. Cuando una amina alifática primaria, como la butilamina,

reacciona con el ácido nitroso conduce a la sal de diazonio que es muy inestable y descompone de forma espontánea, incluso a baja temperatura, con desprendimiento de nitrógeno y formando el carbocatión. El carbocatión puede transponerse y, mediante reacciones de sustitución con los nucleófilos presentes en el medio de reacción, se obtiene 1-clorobutano, 2-clorobutano, 1-butanol y 2-butanol. También pueden experimentar reacciones de eliminación y se obtiene: 1-buteno y 2-buteno:

•.

-

..

.•

CH3-CH2-CH2-CH2-N-N=O 1

··

+H+

-H20

H +

-

CH3-CH2-CH2-CH2-N==N: -

1-Clorobutano CH3 -CH2-CH2-CH 2

Migración 11 deH ~

HzO

-H+

~-

CH3-CH2-CH2-CH20H 1-Butanol CH3-CH2-CH=CH2

1-Buteno

554

QUíMICA ORGÁNICA

c1-

~-

CH3-CH2-CHCI-CH3

2-Clorobutano HzO

CH3-CH2-CHOH-CH3

2-Butanol - - CH3-CH=CH-CH3

2-Buteno

5.

Metilenociclopentano 90%

1-Metilciclopenteno 10%

La descomposición térmica del hidróxido de trimetil-1-metilciclopentilamonio conduce, mediante una reacción de eliminación, a la formación de metilenociclopentano y en menor proporción a 1-metilciclopenteno. b) La estructura de la piperidina, una amina cíclica que forma parte de muchos alcaloides, fue determinada en 1881 por Hofmann mediante la eliminación de sus sales de amonio cuaternario. En este caso, para liberar el nitrógeno, hay que realizar dos ciclos de metilación:

555

AMINAS

calor ( ' ) 1,4-Pentad.ieno

8.

a) Se necesita un grupo amino en la posición del grupo ciano para poder aplicar, posteriormente, la reacdón de Sandmeyer. Cl

o Cl

Cl

CuCN, KCN

CN

b) Se utiliza el grupo amino para dirigir la sustitución electrófila aromática. Si se partiese del ácido benzoico, la bromación con-

556

QUíMICA ORGÁNICA

duciria de forma mayoritaria al ácido m-bromobenzoico ya que el grupo carboxilo es desactivante y orienta a la posición meta. Al tener un grupo amino, se activa el anillo y la sustitución se dirige a las posiciones orto y para. Después el grupo amino se puede eliminar por diazoación seguida de reducción del grupo diazonio:

6

COOH

COOH

COOH

Br

Br

Br2 excesoBr HCI NH2

H20, O ºC

+

N=NCI-

NH2

Br

Br

COOH

Br

Br

NaNOz, HCI

COOH

Br

Br

Br

H3P02

+ N2

+

N=NCI-

Br

Br

c) La bromación electrófila del benceno no es posible, ya que después de la primera bromación, el segundo átomo de bromo atacaría a las posiciones orto y para. Por lo tanto es necesario un sustituyente que dirija a la posición meta, y que posteriormente se pueda transformar en bromo: NH2

N02

o

HN03 H2S04

Q

H2 Pd N02

Br l. NaN02, H+,H20

2. CuBr, A

Q

Br

Q

NH2

557

AMINAS

d) Teniendo en cuenta que el grupo nitro dirige a la posición meta y el grupo amino orienta a orto y para, y que además los dos grupos se pueden convertir en un grupo diazonio, sólo bastaría finalmente reemplazar uno de ellos por un bromo y el otro reducirlo (reemplazarlo por-H). NH2

+

NH2

N==N c1-

Br

Br

Br

Br2

Br

NaNOz, HCI HzO,OºC

N02

N02

N02

Br

Br

Br

Br

Br

CuBr

Br

Sn

HCI N02

NH2 Br Br

Br

BrúBr 1: Br

NaNOz, HCI H20.0ºC

H~2

N== Nc1+

7. La reacción se lleva a cabo utilizando un disolvente muy polar

como la dimetilformamida, DMF. Mediante la síntesis de Gabriel se consigue un rendimiento muy alto de la bencilamina.

Ftalirnida

Ftalimida de potasio

Bromuro de bencilo

558

QUíMICA ORGÁNICA

o DMF,a

: -cH2

--o

H20,HO-,il

coo-

(XcooBencilamina

8. En primer lugar se produce la formación de la sal de arenodiazonio y posteriormente la reacción de acoplamiento:

HO--Q-N A N-0-SO:¡H

~N=N-0-NH--<=:)

OH

S03H HO

B

N=N-0-so:¡H

e

En el caso del compuesto C, la sustitución electrófila tiene lugar sobre el anillo más activado.

Tema 18 ~

Acidos carboxílicos

1

SUMARIO 1

1

18.1. Definición y nomenclatura 18.2. Estructura del grupo carboxilo. Propiedades flsicas de los ácidos

carboxilicos 18.3. Acidez del grupo carboxilo 18.3.1. Efecto de los sustituyentes en la acidez 18.4. Reactividad del grupo carboxilo 18.4.1. Transformación de ácidos carboxílicos en sus derivados 18.4.2. Reacciones de reducción 18.4.3. Reacciones de sustitución en posición a. Halogenación 18.4.4. Descarboxilación 18.5. Ácidos dicarboxílicos 18.5.1. Reacción de descarboxilación 18.5.2. Formación de anhídridos cíclicos e iinidas 18.5.3. Reacciones de polimerización 18.6. Métodos de obtención de ácidos carboxílicos Resumen de conceptos importantes Ejercicios de autocomprobación Soluciones a los ejercicios de autocomprobación

OBJETIVOS _ 1

1

_ _ _ _ _ _ _ _ _ __

1

1. &tablecer las relaciones existentes entre la estructura del grupo carboxilo y las propiedades que presentan los compuestos que poseen dicho grupo funcional en su molécula. 2. Predecir la acidez de los ácidos carboxilicos en base a la estructura de los iones carboxilato formados cuando se disocian. 3. Deducir el mecanismo de las reacciones de adición-eliminación a que dan lugar los ácidos carboxilicos, y escoger las condiciones más adecuadas para llevarlas a cabo.

4. Transformar los ácidos carboxílicos en sus diferentes derivados. 5. Elegir el método más adecuado para preparar un determinado ácido carboxílico, en base a la estructura de los productos de partida.

561

ÁCIDOS CARBOXILICOS

18. 1. Definición y nomenclatura Se conoce con el nombre de ácidos carboxílicos a aquellos compuestos orgánicos que presentan en su molécula un grupo carboxilo, constituido por un grupo carbonilo al que se le ha unido un grupo hidroxilo.

Ácido carboxílico

Los ácidos carboxílicos están ampliamente extendidos en la naturaleza. Por ejemplo, el ácido acético (CH 3COOH) es el componente fundamental del vinagre; el ácido butanoico (CH3CH2CH2COOH) es el responsable del olor rancio de la mantequilla y el ácido hexanoico o caproico (CH3CH2CH2CH2CH2COOH) es el causante del inconfundible olor de las cabras. Nomenclatura

Muchos ácidos carboxílicos tienen nombres comunes, cuya denominación hace referencia a su fuente natural, y se usan frecuentemente en la literatura. La nomenclatura sistemática se lleva a cabo sustituyendo la -o del nombre del alcano del que deriven por -oico y anteponiendo la palabra áddo. Para numerar la cadena se asigna el número 1 al carbono carboxílico, siguiendo por la cadena más larga posible. Por ejemplo: CH3-CH-CH-CH2- COOH 1

OH

CH3-CH-CH2- COOH

1

1

Br

CH3

Ácido 3-bromo-4-hidroxipentanoico

Ácido 3-metilbutanoico

CH2=CH-COOH

Ácido propenoico (Ácido acrílico)

El grupo carboxilo tiene prioridad sobre todos los grupos funcionales expuestos hasta el momento. En el caso de los ácidos carboxílicos con múltiple funcionalidad, la cadena principal será la que incluya el mayor número de grupos funcionales.

562

QUíMICA ORGÁNICA

CH3-C-CH-CH2-COOH 11

1

O

CH2-CH2-CH3

Ácido 4-oxo-3-propilpentanoico (no 3-Acetilhexanoico)

Los ácidos cíclicos saturados se nombran como ácidos dcloalcanocarboxilicos. Si hay dos grupos carboxilo en la molécula se añade el sufijo -dioico al nombre del hidrocarburo del que provengan. Por ejemplo: COOH

Ácido Ácido etanodioico 3-aminociclohexanoico (Ácido oxálico)

Ácido pentanodioico (Ácido glutárico)

Ácido hexanodioico (Ácido adípico)

Si se utiliza la nomenclatura común, las posiciones 2, 3, 4... de la cadena se denominan a, /J, y... etc. CH3-CH-CH2- COOH

CH3-CH2-CH2-CH-COOH

1

1

Cl Ácido 3-clorobutanoico (Ácido /3-clorobutírico)

OH

Ácido 2-hidroxipentanoico (Ácido a-hidroxivalérico)

Cuando el grupo carboxilo se nombra como sustituyente, se utiliza el prefijo carboxi-. Por ejemplo: CH2-CH2-CH2-COOH 1

HOOC -CH2-CH2-CH2-CH-CH2-COOH

Ácido 3-(carboxipropil)heptanodioico

En la Tabla 18.1 se da una relación de algunos ácidos carboxílicos con sus nombres comunes y sistemáticos. En el Tema 24 se estudiará un grupo particular de ácidos denominados ácidos grasos.

563

ÁCIDOS CARBOXÍLICOS

Tabla 18.1. Nombres de algunos ácidos carboxílicos

H-COOH CH3COOH CH3CH2COOH CH3CH2CH2COOH CH3(CH2)JCOOH CH3(CH2) 4COOH CH3(CH2) 6COOH CH3(CH2) 16COOH CH3CH(OH)COOH HOOC-COOH HOOCCH 2COOH HOOCCH 2CH 2COOH HOOCCH 2CH 2CH2COOH

Ácido fórmico Ácido acético Ácido propiónico Ácido butírico Ácido valérico Ácido caproico Ácido caprílico Ácido esteárico Ácido láctico Ácido oxálico Ácido malónico Ácido succínico Ácido glutárico

Ácido metanoico Ácido etanoico Ácido propanoico Ácido butanoico Ácido pentanoico Ácido hexanoico Ácido octanoico Ácido octadecanoico Ácido 2-hidroxipropanoico Ácido etanodioico Ácido propanodioico Ácido butanodioico Ácido pentanodioico

18.2. Estructura del grupo carboxilo. Propiedades físicas de los ácidos carboxílicos Dado que el grupo carboxilo está relacionado estructuralmente con el carbonilo de los aldehídos y las cetonas y el hidroxi de los alcoholes, cabe esperar que algunas de sus propiedades sean análogas, aunque también existen grandes diferencias. En los compuestos carboxílicos, el carbono del grupo carboxilo presenta hibridación s¡i-' lo que hace que sea plano con ángulos de enlace e - e - o y Ü=C-C próximos a 120º. Los tres orbitales híbridos s¡i- forman tres enlaces a con un carbono de la cadena hidrocarbonada y con dos átomos de oxígeno. El orbital 2pz no hibridado forma un enlace n con el 2pz de uno de los átomos de oxígeno. En la Figura 18.1 se representa la estructura del grupo carboxilo así como los parámetros físicos del ácido acético.

Figura 18.1. Estructura del grupo carboxilo y parámetros físicos del ácido acético.

564

QUíMICA ORGÁNICA

La presencia del doble enlace C =O y del grupo hidroxilo, hace a los ácidos carboxílicos compuestos fuertemente polares y con gran capacidad para formar puentes de hidrógeno con otras moléculas polarizadas como agua, alcoholes y otros ácidos carboxílicos. Como consecuencia de ello, los ácidos carboxílicos inferiores (hasta cuatro átomos de carbono) son solubles en agua. Se ha encontrado también, que la mayoría de dichos compuestos se hallan como dímeros unidos por dos puentes de hidrógeno, incluso en disoluciones diluidas. El intenso efecto global de estos puentes de hidrógeno hace que los puntos de ebullición sean mayores (-40 ºC) que los de los alcoholes homólogos. ~O R-C

H -0"C-R

"-o-H o~

Dímero de un ácido carboxílico

18.3. Acidez del grupo carboxilo Como su nombre indica, los ácidos carboxilicos son compuestos ácidos (pH<7) y se disocian ligeramente en agua para formar H30+ y el anión carboxilato.

Anión carboxilato

Puesto que la concentración del disolvente, el agua, permanece constante durante el proceso, la constante de acidez viene expresada por: [RCOO-] [H30+] Ka= [RCOOH] :::. 10-4 -10-5

pKa:::. 4-5

Los valores de Ka oscilan entre 10-4 y 10-5 lo que significa, en términos prácticos, que sólo se disocia un 1% de las moléculas en una disolución O, 1 M (la disociación de ácidos minerales como H2S04 y HCl es del 100%). Aunque son mucho más débiles que los ácidos minerales, son más ácidos que los alcoholes (pKa etanol= 16). La mayor ácidez de los ácidos carboxílicos es debida a la presencia del grupo carbonilo. El átomo de carbono polarizado positivamente, ejerce un efecto -/sobre los grupos vecinos facilitando la salida del protón y estabilizando, por resonancia, el anión carbo.xilato resultante. Esta estabilización no tiene lugar en los alcoholes.

565


R-~-OH

+ B:

==== BH +

IR-~I:Q:

Ácido carboxílico

·o;- ] --R-t=O

Ion carboxilato (Dos formas resonantes)

R-CH20H + B: ::::;::::::=~ BH + R-CH2Q:Alcohol

Ion alcóxido (desestabilizado)

Al contrario de lo que sucede con los iones enolato (ver sección 16.1.1), en los iones carboxilato las estructuras resonantes son equivalentes; los enlaces C-0 presentan la misma longitud (1,26Á), intermedia entre enlaces C-0 sencillo (1,34Á) y doble (1,20Á). En la Tabla 18.2 se recogen los valores de las constantes de acidez de diferentes ácidos carboxilicos. Tabla 18.2. Valores de Ka y pKa de algunos ácidos carboxílicos

HCI*

107

F3CCOOH

0,59 0,23 2,60 X 10-3 1,40 X 10-3 1,30 X 10-3 7,50 X 10-4 1,77 X 10-4 1,50 X 10-4 1,04 X 10-4 1,76 X 10-5 1,34 X 10-5 6,46 X 10-5 5,90 X 10-2; 6,40 X 10-5 1,49 X 10-2; 2,03 X 10-6 10-16

Cl3CCOOH FCH2COOH ClCH2COOH BrCH 2COOH ICH2COOH HCOOH HOCH2COOH ClCH2CH2COOH CH3COOH CH3CH2COOH C 6H5COOH HOOCCOOH HOOCCH2COOH CH3CH20H*

*

-7 0,23 0,64 2,59 2,85 2,89 3,12 3,75 3,83 3,98 4,75 4,87 4,19 1,23; 4,19 2,83; 5,69 16

Se han incluido los valores de K3 del ácido clorhídrico y del etanol con fines comparativos.

566

QUíMICA ORGÁNICA

18.3. 1. Efecto de los sustituyentes en la acidez Como puede observese en la Tabla 18.2, existen notables diferencias en los valores de Ka de los ácidos carboxílicos. Por ejemplo, el ácido trifluoroacético es, aproximadamente, 30.000 veces más fuerte que el acético. ¿Cómo pueden explicarse esas diferencias? Puesto que la disociación de un ácido carboxílico es una reacción en equilibrio, cualquier factor que estabilice el ion carboxilato respecto al ácido no disociado, desplazará el equilibrio hacia aquél aumentando la acidez. Por el contrario, factores que lo desestabilicen provocarán una disminución de dicha propiedad. Por ejemplo, un grupo con efecto -/unido al carbono carboxílico atraerá la densidad electrónica del ion carbo.xilato estabilizándolo. Sin embargo, si el grupo posee efecto +/el resultado es el opuesto. Estos efectos son más notables cuanto mayores sean los efectos +/y-/, y cuanto más próximos estén los sustituyentes al grupo carboxilo. Los datos de la Tabla 18.2 ponen de manifiesto lo expuesto anteriormente. Así por ejemplo, sustituyentes altamente electronegativos, como los halógenos, aumentan la acidez de los ácidos carboxílicos siendo el fluoroacético el que presenta mayor valor de Ka y el yodoacético el menos ácido, siendo este último más ácido que el acético. También se puede observar que la acidez aumenta con el número de átomos electronegativos presentes en la molécula y con la proximidad de estos al grupo funcional. Los ácidos dicarboxílicos tienen dos valores de pKa, uno para cada grupo funcional. La diferencia existente entre ambos es debida a la repulsión electrostática ocasionada cuando dos aniones carboxilato estan próximos entre sí en la misma molécula. Efectos de los sustituyentes en los ácidos aromáticos Como puede observarse en la Tabla 18.2, el ácido benzoico es algo más ácido que el acético y el propiónico. Esta mayor acidez es debida, por una parte, al efecto inductivo de anillo aromático y por otra a la posibilidad de estabilización por resonancia del anión carboxilato.

:o- o: """-e /

''

:o- o:° 'e /'"

+

+

o

~-Q:

567


Como se vio en la sección 14.1, la presencia de sustituyentes en el anillo aromático tiene gran influenca sobre la reactividad. Los grupos electrodonadores favorecen las reacciones de sustitución electrófila aromática, mientras que los grupos electroatractores desactivan el anillo aromático frente a dicha reacción. Estos mismos efectos se observan sobre la acidez de los ácidos carboxílicos como puede apreciarse en la Tabla 18.3. Tabla 18.3. Efectos de los sustituyentes en la acidez del ácido benzoico sustituido

-CH3 -C(CH3h -Cl -N0 2 -OH -OCH3 -NH2

12,90 X 10-5 35,00X10-5 11,50 X 10-4 6,80 X 10-3 11,00 X 10-5 8,40 X 10-5 1,80 X 10-5

5,8X10-5

4,6 X 10-5

14,80 X 10-5 36,00 X 10-5 8,60 X 10-5 8,10 X 10-5 1,80 X 10-5

10,30 X 10-5 37,00 X 10-5 2,60X10-5 5,30X10-5 1,40 X 10-5

Como puede observarse en la Tabla 18.3, los sustituyentes que activan el anillo frente a la sustitución electrófila aromática disminuyen la acidez debido a que la cesión de electrones, por efectos inductivo y/o conjugativo, desestabiliza el ion carboxilato. Por el contrario, los grupos desactivantes aumentan la acidez estabilizando dicho ion por efecto conjugativo. Estos efectos son más notables en la posición orto-, y aunque no se sabe con seguridad el motivo, se cree que se debe a efectos estéricos.

18.4. Reactividad del grupo carboxilo Como se ha dicho anteriormente, los ácidos carboxílicos son similares, estructuralmente, a los alcoholes y a las cetonas y, como es de esperar, existen también analogías en su comportamiento químico. Como los alcoholes, los ácidos carboxílicos pueden desprotonarse para formar aniones que son buenos agentes nucleófilos. El carbono carbonílico es susceptible de ser atacado por nucleófilos, y los hidrógenos en posición a poseen carácter ácido y son enolizables. Sin embargo, el mecanismo por el que transcurren las reacciones de adición nucleófila es distinto al seguido por los compuestos carbonílicos; el grupo hidroxilo puede actuar como grupo saliente dando lugar a otros derivados carbonílicos. El mecanismo general de la reacción es el siguiente:

568

QUíMICA ORGÁNICA

o 11

R-C-OH + Nu:~

adición

::;::::::==~

a:-

o

R-C-OH 1

eliminación

v·

11

-

R-C-Nu + HQ:

Nu

Intermedio tetraédrico

A diferencia de los productos de adición de los aldehídos y las cetonas, el alcóxido intermedio elimina el ion hidroxilo por lo que el proceso de sustitución de un hidroxilo por un nucleófilo transcurre por un mecanismo de adidón-eliminadón.

18.4. 1. Transformación de ácidos carboX11icos en sus derivados Las reacciones más importantes de los ácidos carboxilicos son aquellas que permiten la obtención de derivados de dichos compuestos, a través de reacciones de adición-eliminación; de esta manera pueden obtenerse halogenuros de ácido (alcanoílo o acilo), anhídridos, ésteres y amidas. La reacción general que tiene lugar se puede formular de la siguiente manera:

o

a=-11

11

R-C- Z

R-C-Z + :Nu-

::;::::::==~

~=

R-C-Nu + :z-

1

(Z = OR, NR2, Cl, Br)

Nu

Halogenuros de ácido

Los ácidos carboxílicos pueden transformarse en halogenuros de ácido por tratamiento con cloruro de tionilo (SOC12), pentacloruro de fósforo (PC15) o tribromuro de fósforo (PBr~. La reacción que tiene lugar es la siguiente:

o ll

CH3CH2CH2CH2t OH

Ácido pentanoico

w

CISCI ºC 79

o

CH3CH2CH2CH2~Cl + O=S=

O + HCI

Cloruro de pentanoílo

También pueden utilizarse para la preparación de cloruros de ácido el fosgeno (COC12) y el cloruro de oxalilo (ClCOCOCl). Anhídridos de ácido

Como su nombre indica, los anhídridos de ácido derivan de los ácidos carboxilicos por pérdida de una molécula de agua. Los anhídridos acíclicos son dificiles

569


de preparar a partir de los correspondientes ácidos. Los cíclicos de cinco o seis eslabones, que provienen de ácidos dicarboxílicos, se pueden obtener fácilmente calentando el ácido y eliminando agua.

/COOH H2C 1

H2C

'-coou Ácido succínico

Anhídrido succínico

El anhídrido acético se obtiene industrialmente calentando ácido acético a 800 ºC. Dicho anhídrido se emplea, a veces, como un agente deshidratante para preparar otros anhídridos de punto de ebullición más elevado que el ácido acético. El método consiste en calentar el correspondiente ácido con anhídrido acético, que actúa como deshidratante, y eliminando el ácido acético que se va formando. Por ejemplo el anhídrido dodecanoico se prepara por calentamiento del ácido dodecanoico con un exceso de anhídrido acético.

o 11

CH3(CH2hoC'\.

2 CH3(CH2hoCOOH + CH3COOCOCH3 - -

O + 2 CH3COOH CH3(CH2hoC/ 11

o Ácido dodecanoico

Anhídrido acético

Anhídrido dodecanoico

Ácido acético

~

Esteres Los ésteres son los derivados más importantes de los ácidos carboxílicos, y pueden obtenerse por reacción de dichos compuestos con alcoholes en presencia de ácidos minerales, tales como el ácido sulfúrico o el cloruro de hidrógeno, con eliminación de una molécula de agua. A dicha reacción se la conoce con el nombre de esterificación de Fischer en honor a su descubridor (Emil Fischer, Premio Nobel en 1902).

Ácido propanoico

Etanol

Propanoato de etilo

570

QUíMICA ORGÁNICA

La reacción es reversible; el equilibrio puede desplazarse hacia la formación de éster bien utilizando exceso de uno o ambos reactivos, bien eliminando selectivamente del medio de reacción el éster formado o el agua. El mecanismo por el que transcurre la esterificación es el que se muestra bajo estas líneas:

l

+ .. .. tW-H =f:-~ :f-H R-C-OH--R-C- '\):· 0 - H - - R -C= .. O-H

·o· ~

· 11 ·

+ H+

R-C-OH

:;:::::=~

-H+

0-H

:0-H

I+

R-C-OH + CH3QH ;:::::::::::=::

1

:0-H - H+

X

R-C-u-H + 1 .. CH3-0-H

1

X

1

..

R-C-u-H

+ H+

CH:r-0


cs-H H R-C-~

:O-H 1

X

+H+

1

.•

-H+

R-C-u-H CH:r-0

1v·,

CH:r-0

- H20 tw-H ;~-H + " ,,, R-C-O-CH3-R-C-O-CH3 +H20 r

H

l

o

- H+

°'+ H+

11

R-C-O-CH3

La etapa inicial es la protonación del ácido carboxOico para originar un catión estabiliz.ado por resonancia y de esta manera aumentar la electrofilia del carbono carbonílico, el cual es atacado por una molécula del alcohol dando lugar a un intermedio tetraédrico que puede sufrir una descomposición catalizada por ácido para dar el éster, o puede retroceder para dar los productos de partida. En el primer caso, la protonación de cualquiera de los dos oxígenos hidroxílicos provoca la eliminación de una molécula de agua y origina el éster. Una prueba en favor de este mecanismo la constituye el hecho de que cuando la reacción se lleva a cabo con metanol marcado con 180, es el éster el que presenta el 18Q y no el agua lo que demuestra, de manera inequívoca, que es el enlace CO-OH del ácido carboxilico el que se rompe y no el COO-H, mientras que en el alcohol la fisión tiene lugar por el enlace RO-H y no por el R-OH.

o

R~OH

o

+ CH3180H - -

R~180CH3

+ H20


571

La reacción inversa a la esterificación es la hidrólisis de los ésteres y se lleva a cabo en las mismas condiciones que la esterificación, pero para desplazar el equilibrio se utiliza un exceso de agua en un disolvente en el que sea soluble. Dicha reacción se verá con detalle en la sección 19.5.1.

Amidas Las amidas son derivados de los ácidos carboxílicos en los que el grupo hidroxilo se ha reemplazado por un sustituyente nitrogenado, -NH2, -NHR o -NR2• Es dificil obtener amidas directamente por reacción de ácidos carboxílicos y aminas, debido a que al ser estas últimas compuestos básicos el producto, inicialmente formado, es una sal de amonio. Dicha sal, por calentamiento, revierte a los productos iniciales y en estas condiciones la reacción más lenta, aunque más favorecida termodinámicamente, es la que supone el ataque del nitrógeno al grupo carbonilo para originar la amida. La reacción es reversible y se muestra a continuación:

(w

:?=-

R-C-OH + :NH3 ~

~::::::=:

R-C-OH 1

Transferencia de protón

+NH3 Sal de amonio ~::::::=:

?i

H20 + R-C-NH2

Amida

18.4.2. Reacciones de reducción Los ácidos carboxílicos se reducen con hidruros muy reactivos como el hidruro de litio y aluminio (pero no con borohidruro sódico) para dar alcoholes primarios. La reacción es dificil, y en numerosas ocasiones se necesita calentar a reflujo del disolvente (normalmente THF).

w

R-C-OH

1. LiAlH4trHF 2. H+, H20

También se reducen con borano. Esta reacción tiene ventajas con respecto a la anterior: es más rápida, tiene lugar a temperatura ambiente y es más selectiva es decir, se puede reducir selectivamente un grupo carboxilo estando presente en la molécula otro grupo funcional susceptible de ser reducido. Por ejemplo, el ácido fr nitrofenilacético se reduce al 2-(p-nitrofenil)etanol sin afectarse el grupo nitro.

572

QUíMICA ORGÁNICA

18.4.3. Reacciones de sustitución en posición a. Halogenación

Los hidrógenos en posición a con respecto al grupo carboxilo poseen carácter ácido y son capaces de originar iones enolato que pueden actuar como nucleófilos, de forma análoga a los compuestos carbonilicos. Cuando un ácido carboxilico se trata con una base fuerte, como diisopropilamiduro de litio (LDA), en un disolvente muy polar y aprótico, como la hexametilfosfobiamida (HMPA), primeramente se forma el carboxilato y con un segundo equivalente de dicha base se pierde el protón en posición a originándose el dianión del ácido carboxilico, muy estable por presentar tres estructuras resonantes. Las reacciones a que da lugar son las mismas que las de otros iones enolato. CH3CH2CH2COOH

2LDA, THF HMPA

Ácido butanoico

o

-::?'" CH3CH2CHC, 1

" OH

CH2CH3. LDA

Düsopropilamiduro de litio [(CH3)2CHhN-u+]

Ácido 2-etilbutanoico

Halogenación

Como los aldehídos y las cetonas, los ácidos carboxílicos se pueden bromar en el carbono en posición a con respecto al grupo carboxilo. Sin embargo, a diferencia de los compuestos carbonílicos, en los ácidos la reacción se lleva a cabo con fósforo el cual reacciona con el bromuro presente para dar PBr3, iniciador de la

573


reacción; también se puede utilizar PBr3 directamente. A dicha reacción se la conoce con el nombre de Hell-Volhanl-Zelinsldi. Por ejemplo, la reacción del ácido butanoico con Br2 en presencia de fósforo conduce al ácido 2-bromobutanoico con buenos rendimientos. CH3CH2CHCOOH + HBr 1

Br Ácido 2-bromobutanoico

Ácido butanoico

El mecanismo por el que transcurre la reacción se muestra a continuación:

o

o

11

11

3RCH2COH + PBr3 - - - 3RCH2CBr + H3P03 Bromuro de alcanoílo

OH RCH=C( Br Enol

OH RCH = C(

o Br - Br

Br

11

RCHCBr + HBr 1

Br Bromuro de a-bromoalcanoílo

o

o

o

o

11

11

11

11

RCHCBr + RCH2COH -;:::::==::: RCHCOH + RCH2CBr 1

Br

1

Br

La reacción transcurre en cuatro etapas. Primeramente se forma el bromuro de alcanoílo que se enoliza rápidamente en el medio ácido. El enol se broma para originar el bromuro de a-bromoalcanoílo, el cual intercambia un bromo con el ácido sin reaccionar dando a-bromoácido y otra molécula de bromuro de alcanoílo que inicia de nuevo el proceso. Los bromoácidos así formados pueden ser punto de partida para la obtención de otros derivados como se verá en el ejercicio de autocomprobación n. 0 8.

574

QUíMICA ORGÁNICA

18.4.4. Descarboxilación Las reacciones de descarboxilación requieren determinadas condiciones estructurales para que tengan lugar. Los ácidos carboxílicos aromáticos se descarboxilan por tratamiento de la sal sódica con una mezcla de hidróxido sódico y óxido cálcico para originar hidrocarburos. O

COO-Na•

o

CaO/NaOH 400 ºC

Benzoato sódico

+ Na2C03

Benceno

Los ácidos alifáticos reaccionan de la misma manera, aunque se requieren condiciones de reacción más enérgicas lo que conlleva a la obtención de una mezcla de productos. CH3(CH2)i4COO-Na+

CaO/NaOH > ºC 400

CH3(CH2)i3CH3 + Na2C03

Hexadecanoato sódico (Palmitato sódico)

Pentadecano

La reacción de descarboxilación transcurre con más facilidad cuando el ácido posee grupos electroatrayentes como -N0 2, -CN, -COOH, etc., en posición a. #

18.5. Acidos dicarboxílicos Como su nombre indica, los ácidos dicarboxílicos son aquellos que presentan dos grupos carboxilo en su molécula. La nomenclatura de estos compuestos ya se ha indicado en la sección 18.1 y muchos de ellos tienen nombres comunes como se puede ver en la Tabla 18.1. Existen otros ácidos dicarboxilicos que no están recogidos en dicha Tabla pero que son importantes en Química Orgánica, se indican a continuación: COOH

H'\. / COOH

e 11 e if "-coou Ácido Zbutenodioico (Ácido maleico)

COOH

Ácido E-butenodioico (Ácido fumárico)

Ácido 1, 2-bencenodicarboxilico (Ácido ftálico)

575


COOH

COOH

COOH

COOH

Ácido 1,3-bencenodicarboxílico (Ácido isoftálico)

Ácido 1,4-bencenodicarboxílico (Ácido tereftálico)

Los ácidos dicarboxílicos son sólidos, presentan puntos de fusión más altos que sus homólogos monocarboxílicos y son bastante solubles en agua. Los ácidos dicarboxílicos, al igual que otros ácidos inorgánicos dibásicos como H2S0 4, H2C03 etc., poseen dos constantes de ionización, siendo la segunda más grande que la primera como puede apreciarse en la Tabla 18.2 para los ácidos oxálico y malónico. Hay dos explicaciones para este hecho: la repulsión electrostática originada por la presencia de dos iones carboxilato próximos entre sí y la mayor estabilidad del anión carboxilato, originado en la primera ionización, por formación de un puente de hidrógeno intramolecular.

o 11

-

1

.. /

H-C-0:

H

H-C-0

~

En general, los ácidos dicarboxilicos muestran el mismo comportamiento químico que los monocarboxílicos. Es necesario destacar tres reacciones características de algunos de estos compuestos: la descarboxilación, la formación de anhídridos cíclicos y de imidas y la polimerización.

18.5. 1. Reacción de descarboxilación Los ácidos oxálico y malónico, y en general todos los ácidos a-dicarboxílicos, pierden con facilidad C0 2 para originar ácidos fórmico y acético, respectivamente. La descarboxilación del ácido malónico es una reacción muy importante, ya que permite la obtención de numerosos ácidos sustituidos a través del proceso conocido como sintesis malónica, que se verá con detalle en la sección 20.6.

576

QUíMICA ORGÁNICA

w

ww

150-160 ºC.,... HO-C-C- OH _ __ HO-C-H + C02 Ácido oxálico Ácido fórmico

o

o

11

11

HO-C-CH2-C- OH

o 11

120-140 ºC

HO-C-CH2 + C02 1

H Ácido acético

Ácido malónico

18.5.2. Formación de anhídridos cíclicos e imidas Los ácidos dicarboxílicos de cuatro y cinco átomos de carbono forman anhídridos cíclicos por calefacción.

o

o 120 ºC

+ HOH

o

o Ácido glutárico

Anhídrido glutárico

En el caso de los ácidos maleico y fumárico, solamente el isómero Z forma el anhidrido cíclico.

o

o Ácido maleico

o Anhídrido maleico

El anlúdrido maleico es un buen filodieno en las reacciones de Diels-Alde (sección 11.5). Los ácidos dicarboxílicos pueden reaccionar con dos moles de amoniaco o de aminas primarias dando lugar a las imidas, análogos nitrogenados de los anhídridos.

577


ce 11º

eH2- eOOH

eH2- eoo-NH4 A + + :NH 3 - I + eH2- eOOH eH2- eoo-NH4 1

\

NH + 2H20 + :NH3

/

/Je or¡ Ácido succínico

Succinirnida

Un derivado de la succinimida, la N-bromosuccinimida, se utiliza con frecuencia como reactivo para la bromación alílica (ver ejercicio de autocomprobación n. 0 5 del Tema 10). 18.5.3. Reacciones de polimerización Los ácidos dicarboxílicos por calefacción con diaminas o con dioles originan poliamidas y poliésteres, respectivamente. Una de estas poliamidas, la resultante de la reacción del ácido adípico con la 1,6-hexanodiamina se conoce con el nombre de Nylon 6,6y es muy utilizada para la fabricación de fibra textil.

~

~

~

l

~

+ + -o-C(CH2)4e-oHO-e(eH2)4e-OH + H2N(CH2)5NH2- [ H3N(eH2)5NH3

Ácido adlpico

1,6-Hexanodiamina

Sal de amonio

¡

270 "C 17 atin.

+r ~

~

i

C(CH2)4eHN(eH2)6NH---h.

Nylon 6,6

18.6. Métodos de obtención de ácidos carboxílicos Existen numerosos procedimientos para la preparación de ácidos carboxílicos, algunos de los cuales ya se ha visto en temas anteriores en conexión con la química de otros grupos funcionales tales como oxidación de alcoholes primarios y aldehídos (secciones 7.4.4. y 15.5), reacción del haloformo (sección 15.5.2), oxidación de alquenos (secciones 10.6.3 y 10.6.4) y oxidación de alquilbencenos (sección 14.4).

578

QUíMICA ORGÁNICA

~R

V

KMn04'fl+

~COOH

0

Además de los mencionados anteriormente, existen otros métodos para la preparación de ácidos carboxilicos, cuyos mecanismos se verán con detalle en los Temas 19 y 20, pero que se indican aquí. Dichos procedimientos son los siguientes:

Hidrólisis de derivados de los ácidos carboxílicos La hidrólisis de ésteres, cloruros de ácido, amidas y anhídridos conduce a ácidos carboxilicos. RCOZ + HOH

RCOOH + HZ

Z = -ORl, -Cl, -NHRl, -OCORI

Hidrólisis de nitrilos Por calefacción de nitrilos con ácidos o bases se obtienen ácidos carboxilicos. RCN l. uo2. ff+, H20

RCOOH

579


Síntesis malónica COQRl 1

RCH 1

l. uo2. ff+, H20 -2RlOH

COOH

COOH

l l

1

RCH

COOR1

RCHH

+ C02

COOH

Acilación de Friedel-Crafts con anhídridos de ácido

o

o Reacción de compuestos organometálicos con dióxido de carbono El dióxido de carbono puede considerarse como una dicetona del carbono, y como tal puede reaccionar con compuestos organometálicos, análogamente a como lo hacen los compuestos carbonilicos, originando carboxilatos que por hidrólisis conducen al ácido carboxilico.

R- MgX + C02

ff +

R-

~º

C' - - RCOOH + XMgOH "o-M:gx HOH

RLi + C02 - - Rc oo- u+

ff+ HOH

RCOOH + LiOH


1. El grupo carboxilo presenta una estructura plana con ángulos de enlace próximos a 120º. 2. Los ácidos carboxílicos se encuentran como dímeros unidos por dos puentes de hidrógeno, incluso en disoluciones diluidas. Como consecuencia de ello los puntos de ebullición de dichos compuestos son mayores que los de los alcoholes con el mismo número de átomos de carbono.

580

QUíMICA ORGÁNICA

3. Los ácidos carboxílicos son más ácidos que los alcoholes debido a que el átomo de carbono, polarizado positivamente, ejerce un efecto -/sobre los grupos vecinos facilitando la salida del protón y estabilizando, por resonancia, el anión carboxilato resultante. &ta estabilzación no tiene lugar en los alcoholes. 4. La acidez de los ácidos carboxílicos es mayor cuanto mayor número de sustituyentes con efecto -/posea la molécula, y cuanto más próximos estén al grupo carboxilo debido a una mayor estabiliz.ación del anión carboxilato. En el caso de los ácidos aromáticos, los sustituyentes desactivantes del anillo aromático aumentan la acidez de dichos compuestos. 5. El grupo carbonilo de los ácidos carboxilicos puede ser atacado por nucleófilos originando un intermedio tetraédrico, que por eliminación del grupo hidroxilo da lugar a derivados de los ácidos carboxílicos. La reacción transcurre por un mecanismo de adidón-eliminadón. 6. La reacción de los ácidos carboxílicos con halogenuros inorgánicos (SOC12, PC15, PBr3), alcoholes, y amoníaco o aminas conduce a halogenuros de ácido, ésteres y amidas, respectivamente. La preparación de anhídridos se lleva a cabo por calefacción de los ácidos carboxílicos. 7. Los hidrógenos en posición a con respecto al grupo carboxilo presentan carácter ácido y pueden sustituirse con facilidad. La sustitución por un átomo de bromo se puede llevar a cabo con Br2 y Po con PBr3; a dicha reacción se la conoce con el nombre de Hell-Volhanl-Zelinskii.


581

Eiercicios de autocomprobación 1. Nombrar o dibujar la estructura de los siguientes compuestos: a)

TH3 CH3CHCHCH2COOH 1

Br

b) HOOCCH2CHCH2COOH 1

CH(CH3}i

c)

02N-O-COOH

d)

CH=CH2

ttooc-Ócoott e)

CH3"/Br C=C CH3CH2/

f)

"

COOH

Br

ó/COOH g) Ácido 4-aminobutanoico

h) Ácido cis-1,3-ciclohexanodicarboxilico i) Ácido 2-etil-4-fenilpentanodioico j) Ácido 2-oxopropanoico o ácido pirúvico 2. Escribir las reacciones necesarias para transformar el ácido 2-fenil-

propanoico en: a) 2-Fenilpropionato de etilo b) Ácido 2-hidroxi-2-fenilpropanoico

582

QUíMICA ORGÁNICA

e) Ácido 2-(p-bromofenil)propanoico d) 2-Fenilpropanol e) 2-Fenilpropanamida 3. Formular las siguientes reacciones:

a) Ácido p-etilbenzoico con HN0 3 y H2S04 b) Ácido butanoico con Br2/P e) Ácido ftálico con etanol en medio ácido d) Bromuro de ciclopentilmagnesio con C02 y posterior hidrólisis en medio ácido e) Ácido benzoico con etilenglicol en medio ácido 4. Ordenar los compuestos de las siguientes series por orden decreciente de acidez: a) Ácido 2-bromofenilacético, 2-fluorofenilacético y fenilacético b) Ácido acético, acetileno, amoníaco, etanol y ácido sulfúrico 5. Por tratamiento del ácido propanoico con fósforo y bromo se obtiene un compuesto A, el cual reacciona con dos moles de amoniaco para dar lugar a B, de carácter anfótero. Proponer una estructura para Ay B. 8. Proponer una síntesis para los compuestos que se relacionan a continuación, utilizando el reactivo indicado en cada caso y cualquier otro que se considere necesario.

a) Ácido 2-hidroxipropiónico a partir de propano} b) Ácido 2-bromo-4-nitrobenzoico a partir de tolueno e) Benzoato de hexilo a partir de bromuro de butilo d) p-Metilbenzamida a partir de p-bromotolueno e) Ácido 2-pentenoico a partir de bromuro de butilmagnesio

583


7. Completar el siguiente esquema de reacciones: ~ HBr

A Mg • B l. C02 • C PCls • D + POCl3 + HCl Et20 2. H20

D+O

AlCl3

E LiAIH4

G H2S04

2J

P20s

E

NaOH NH2-NH2/A

F+N2

KMn04 conc.

1 + J(C3H602)

H

K

F+K AlCl3

L

8. Formular y nombrar los productos que se obtienen en la reacción de ácido 2-bromopropiónico con:

a) Amoníaco b) Cianuro sódico en etanol acuoso c) Hidróxido sódico en medio acuoso etanólico d) Potasa alcohólica

584

QUíMICA ORGÁNICA


a) Ácido 3-bromo-4-metilpentanoico b) Ácido 3-isopropilpentanodioico o ácido 3-isopropilglutárico e) Ácido p-nitrobenzoico

d) Ácido 2-vinilbenceno-1,4-dicarboxílico o ácido o-viniltereftálico e) Ácido (E)-2-bromo-3-metil-2-pentenoico f) Ácido trans-2-bromociclohexanoico

g) NH2CH2CH2CH2COOH h)

.~COOH

0

~COOH COOH

COOH

i)

2. H+

b)

Br CH3CHCOOH + Br2/P -

1

CH3CCOOH

1

1

CsHs

CsHs

NaOH A

585


d) CH3CHCOOH l. LiAIH4 1

2.H20

eH3eHeH2oH 1

CsHs

CsHs

e) CH3CHCOOH SOCl 2

CH3CHCOCI

I

1

C6H5

Hooc-O-cH2CH3

~COOH

EtOH H+

:~:

CH3CHCONH2 1

C6H5

a)

e) ~COOH

H3N

CsHs

N02

HOOC--ó-CH2CH3

~COOEt

~COOEt

586

QUíMICA ORGÁNICA

4. Los sustituyentes con efecto -/aumentan la acidez de los ácidos carboxílicos, tanto más cuanto mayor sea la electronegatividad de los mismos y cuanto más próximos estén al grupo carboxilo, por tanto el orden decreciente de acidez es: a) Ácido 2-fluorofenilacético >Ácido 2-bromofenilacético >Ácido fenilacético. b) En este caso se trata de compuestos de diferente funcionalidad el orden de acidez es: Ácido sulfúrico > Ácido acético > Etanol > Acetileno > Amomaco

5.

2 CH3CHCOOH NH 3 CH3CHC00-

+~H3

1

Br A

B

8. a) CH CH CH OH KMn04 CH3CH2COOH Br2/P CH3CHCOOH 3 2 2 H+ 1 Br HOCH3CHCOOH 1

OH


e)

CH3CH2CH2yHCOOH

KOH EtOH

Br

l. C02 • CH CH CH COOH PCls • 2. H20 3 2 2

e

O

D+ ~

¡j

AICl3

oE

NaOH COCH2CH2CH3 NH -NH /A 2 2

587

588

QUíMICA ORGÁNICA

--o-CH2CH2CH2CH3

o-

F 4

COCH2CH2CH3 _LiAI_H,...

0-1HCH2CH2CH3~ OH G

K

L


8. a)

CH3CHCOOH 1

Br

b)

CH3CHCOOH 1

H3N

CH3CHCOOH 1

NH2 Ácido 2-aminopropiónico (Alanina) NaCN EtOHIH20

Br

CH3CHCOOH 1

CN Ácido 2-cianopropiónico

e)

CH3CHCOOH 1

NaOH EtOHIH20

Br

CH3CHCOOH 1

OH Ácido 2-hidroxipropiónico (Ácido láctico)

d)

CH3CHCOOH 1

Br

KOH EtOH

CH2=CHCOOH Ácido propenoico (Ácido acrílico)

589

Tema 19

Derivados de los ácidos carboxílicos 1

SUMARIO 1

1

19.1. Clasificación, propiedades fisicas y características estructurales 19.2. Reactividad relativa de los derivados de los ácidos carboxílicos 19.3. Halogenuros de ácido. Nomenclatura y propiedades fisicas 19.3.1. Reactividad y métodos de obtención 19.4. Anhídridos de ácido. Nomenclatura y propiedades fisicas 19.4.1. ReactMdad y métodos de obtención 19.5. Ésteres. Nomenclatura y propiedades fisicas 19.5.1. Reactividad y métodos de obtención 19.8. Amidas. Nomenclatura y propiedades fisicas 19.8.1. Reactividad y métodos de obtención 19.7. Nitrilos. Nomenclatura y propiedades fisicas 19.7.1. Reactividad y métodos de obtención 19.8. Peroxíácidos. Estructura, propiedades y métodos de obtención 19.9. Cetenas. Estructura, propiedades y métodos de obtención


OBJETIVOS _ 1

1

_ _ _ _ _ _ _ _ _ __

1

1. Distinguir los derivados de los ácidos carboxílicos en base a las analogías y diferencias existentes entre ellos. 2. Nombrar correctamente dichos compuestos. 3. Predecir la reactividad de los diferentes derivados frente a las reacciones de adición-eliminación.

4.. Formular las reacciones que permiten su interconversión y a otros grupos funcionales.

5. &coger el procedimiento más adecuado para la preparación de los mismos.

593

DERIVADOS DE LOS ÁCIDOS CARBOXÍLICOS

19. 1. Clasificación, propiedades físicas y características estructurales Los derivados de los ácidos carboxilicos resultan de la sustitución del grupo -OH de dichos compuestos por un átomo o grupo negativo tales como -X (halógeno), -OCOR, -OR o -NH2, resultando de esta manera halogenuros de ácido, anhídridos, ésteres y amidas, respectivamente. R- C}J

'

(X = halógeno) Halogenuro de ácido

RI- C,

'

' OCOR2

X

~º

;º

#o

e'

Rl-

R- C

OR2

Éster

Anhidrido de ácido

' NH (RI, R2) 2

Amida

Al igual que los ácidos, sus derivados pueden ser alifáticos y aromáticos, sustituidos o no; pero cualquiera que sea la estructura hidrocarbonada del resto de la molécula, siempre se conservan las propiedades del grupo funcional. La presencia del grupo del grupo C=O confiere polaridad a los derivados de los ácidos. Los ésteres, halogenuros y anhídridos de ácido presentan puntos de ebullición aproximadamente iguales a los de los aldehídos y cetonas de peso molecular comparable. Las amidas tienen puntos de ebullición más elevados, debido a la formación de puentes de hidrógeno. R

~º

1

R- C

C-NH- H

~

o ' Los derivados de los ácidos carboxílicos son insolubles en agua, a excepción de los NH- H

primeros términos de la serie, y solubles en disolventes orgánicos. Los ésteres más volátiles tienen olores agradables, por lo que se suelen emplear en la preparación de perfumes y condimentos artificiales. Los halogenuros de ácido tienen olores fuertes debido, en parte, a su rápida hidrólisis originando HX y RCOOH. En la Tabla 19.1 están recogidos los puntos de fusión y de ebullición de algunos derivados de los ácidos carboxílicos. Como en los ácidos carboxílicos, el átomo de carbono carboxílico presenta hibridación s¡i- y está unido al oxígeno por un enlace a y por otro ir, pudiendo presentar dos estructuras resonantes:

ro· ~ .. · R-C

"'-.,()

..

z

1

11

594

QUíMICA ORGÁNICA

La resonancia aumenta cuanto menos retenidos estén los pares de electrones en el átomo Z. Por tanto, cuanto más a la derecha en el sistema periódico esté dicho átomo, más electronegativo será y por tanto la forma 11 será menos importante, lo que conlleva a un aumento de reactividad. Tabla 19.1. Propiedades fisicas de cloruros de ácido, anhídridos, ésteres y amidas

H No existe CH3 -112 CH3 CH2 -94 CH3 CH2CH2 -89 -1 CsHs o-CH3C6H4 m-CH3C6H4 -25 p-CH3C6H4 -2

52 80 102 197 213 218 226

No existe -73 -45 -75 42

140 168 198 360

-80 -84 -74 -93 -35 -10

70 98

54 77 99 121 213 221 226 235

2 82 80 116 130 147 97 155

193 222 213 216 290

19.2. Reactividad relativa de los derivados de los ácidos carboxílicos La presencia del grupo C=O en la molécula de dichos compuestos determina la reactividad de los mismos y, normalmente, dicho grupo no sufre cambios permanentes y se va a mantener en los productos resultantes. Como en los aldehídos y las cetonas, el grupo carbonilo puede experimentar reacciones de adición nucleófila, y además es el responsable de la acidez que presentan los hidrogénos en posición a respecto al mismo. Pero las reacciones más características de los derivados de los ácidos carboxílicos son las de adidón-eliminadón (ver sección 18.4).

o

(11

R- C -

Z + Nu:

adición.,,,

~

t~= R- C_ z 1

o eliminación .,,,

1

R-C- Nu

+z-

\.).

Nu Z =halógeno, -OCOR, -OR y -NH2(Rl, R2)


Para que tenga lugar esta reacción es necesario que Z sea un buen grupo saliente (nucleófugo), es decir, una base débil. En el caso de los halogenuros de ácido el

595


grupo saliente es el anión x-; en los anhídridos R-Coo-; en los ésteres R-O-y en las amidas NH 2-. El orden de nucleofugacidad es:

x- > R-Coo- > R-O- > NHzpor tanto, los más reactivos serán los halogenuros de ácido y las amidas las que presentan menor reactividad.

19 .3. Halogenuros de ácido. Nomenclatura y propiedades físicas Resultan de la sustitución del grupo -OH de un ácido carboxílico por un halógeno. Se nombran como halogenuros de acilo; el nombre del grupo acilo se deriva del ácido reemplazando -ico por -ilo. Por ejemplo: COBr

COBr

CH3-CH-COCI 1

CH3

Cloruro de 2-metilpropanoilo

Br Bromuro de 3-bromociclopentanoilo

CH3

Bromuro de m-rnetilbenzollo

Los halogenuros de ácido son compuestos incoloros de elevados puntos de ebullición, como puede observarse en la Tabla 19.1, y se hidrolizan fácilmente, incluso con la humedad atmosférica, por esta razón son fumantes y cuando llevan cierto tiempo preparados están más o menos impurificados por el ácido del que provienen. Son fuertemente irritantes a los ojos y al aparato digestivo. 19.3. 1. Reactividad y métodos de obtención

Los halogenuros de ácido son los derivados de los ácidos carboxílicos más reactivos. Con nucleófilos dan reacciones de adición-eliminación, conduciendo a otros derivados de ahí que tengan gran interés como intermedios sintéticos, siendo los bromuros y cloruros los más utilizados. Las reacciones más características son las siguientes: Hidrólisis

Reaccionan con agua, a veces violentamente, para dar el ácido carboxilico y el hidrácido correspondiente. Por ejemplo:

596

QUíMICA ORGÁNICA

o

o

11

HOH

CH3CH2 C- Cl

Cloruro de propanoilo

11

CH3 CH2 C- OH + HCl Ácido propanoico

El mecanismo es el de la reacción de adición-eliminación propuesto en la sección 18.4. Puesto que en el proceso se origina HCI, se suele llevar a cabo en presencia de una base para su neutralización y así evitar reacciones secundarias. Reacción con alcoholes

El resultado de la misma es la formación de ésteres. Rl COX + R2- 0 H

RlCOO R2 + HX

Por ejemplo:

o

EtOH Piridina Cloruro de benzoilo

r7Y~ V

" 0E1 + HCl

Benzoato de etilo

Como en el caso anterior, es necesario la presencia de una base ya que el HCl podría reaccionar con el alcohol para formar el cloruro de alquilo o con otras partes de la molécula susceptibles de ser atacadas por dicho reactivo. Puesto que los clorwos de ácido pueden prepararse fácilmente a partir de los ácidos carboxílicos la secuencia, ácido ~ cloruro de ácido ~ éster es un buen procedimiento de esterificación que elimina los problemas de equilibrio en la formación de ésteres catalizada por ácidos (sección 18.4.1). La reacción es muy sensible al impedimento estérico. Los grupos voluminosos en cualquiera de los dos reactivos (halogenuro de ácido o alcohol) disminuyen notablemente la velocidad de la misma, de ahí que se pueda esterificar selectivamente un alcohol no impedido en presencia de otro que sí lo esté. Reacción con amoníaco y aminas

Los cloruros de ácido reaccionan con amoniaco y con aminas para originar amidas. La reacción es rápida y los rendimientos suelen ser buenos. También en este caso el HCl formado se neutraliza con una base. Si se utiliza la propia amina como base, es necesario poner dos moles de la misma; uno reaccionará con el cloruro de ácido par dar la amida, y el otro con el cloruro de hidrógeno para dar la sal de amonio.


597

o 11

CH3CH2CH2 C -

Cl + 2 NH2 CH2CH2CH3 -

Cloruro de butanoílo

Propilamina

Cloruro de propilamonio

N-Propilbutanamida

La reacción no transcurre con aminas terciarias, si bien éstas reaccionan con los halogenuros de ácido para dar lugar a sales de alcanoilamonio. La reactividad de dichas sales con nucleófilos es similar a la de los halogenuros de ácido, ya que las aminas terciarias son buenos nucleófugos.

Cloruro de alcanoilamonio

Reacción con reactivos organometálicos

Los reactivos de Grignard y otros organometálicos reaccionan con halogenuros de ácido para dar lugar a las cetonas correspondientes. Si se emplean dos equivalentes del compuesto organometálico, los productos resultantes son alcoholes terciarios en los que dos de los sustltuyentes son idénticos.

o 11

CH3CH2 C -

Br + CH3CH2 MgBr

TIIF - BrMgBr

Bromuro de propanoílo

3-Pentanona

OH l. CH3CH2 MgBr/fHF

2. HzO, H+

1

CH3CH2 CCH2CH3 + MgBrOH 1

CH2CH3 Trietilcarbinol

598

QUíMICA ORGÁNICA

Si la reacción se lleva a cabo a baja temperatura y con un equivalente del reactivo de Grignard puede aislarse la cetona intermedia. Con otros compuestos organometálicos menos reactivos, como dialquilcupratos de litio, la adición al compuesto carbonílico es más dificil y es posible aislar éste con facilidad.

o

o

11

11

C- Br

CCH=CHCH3

2

2

Bromwu de ciclopentanoílo

+

LiBr + CuBr

Ciclopentil(l-propenil)cetona


Los halogenuros de ácido pueden convertirse en aldehídos por hidrogenación catalítica o por reacción con hidruros modificados. La utilización de estos últimos es necesaria ya que los hidruros corrientes, como el LiAlH4 o el NaBH4, transforman los halogenuros de ácido en alcoholes. Por reacción de LiAlH4 con tres equivalentes de te«-butanol se obtiene un hidruro modificado, hidruro de tri(te«-butoxi)aluminio y litio, de esta manera se neutralizan tres hidruros reactivos dejando sólo uno que es suficiente para atacar al halogenuro pero no al aldehído que se va formando. LiAIH4 + 3(CH3)JCOH -

LiAI [OC(CH3)J)JH + 3H-

H

Hidruro de tri(terc-butoxi) aluminio y litio

o 11

CH3CHC - H+Al[OC(CH3)3]3 + LiCI 1

CH3 Cloruro de isobutirilo

Isobutanal

También se pueden obtener aldehídos por hidrogenación catalítica; para ello es necesario utilizar como catalizador paladio sobre sulfato de bario envenenado con quinolina. A esta reacción se la conoce con el nombre de redncdón de Rosenmnnd en honor a su descubridor.

599


o

o

11

11

c r C- Cl

~C- H

H- H, Pd/BaS04 quinolina

Cloruro de benzoílo

V

+ HCI

Benzaldehído

Métodos de obtención

El mejor procedimiento para la obtención de halogenuros de ácido es el tratamiento de los ácidos con SOC12, PC13, PBr3 o ClCOCOCl como se indicó en la sección 18.4.1.

o 11

3RCOH

o PB 3 r

11

3RCBr + H3P03

19 .4. Anhídridos de ácido. Nomenclatura y propiedades físicas Los anhídridos de ácido resultan de la condensación de dos moléculas de ácido con pérdida de una molécula de agua. Se nombran añadiendo el término anhldrido al nombre del ácido o ácidos de los que deriven. Por ejemplo:

o

Anhídrido etanoico (Anhídrido acético)

Anhídrido etanoico propanoico

Anhídrido butenodioico (Anhídrido maleico)

Anhídrido pentanodioico (Anhídrido glutárico)

Anhídrido 1,2-bencenodioico (Anhídrido ftálico)

Los anhídridos, a pesar de la falta de formación de puentes de hidrógeno, poseen elevados puntos de ebullición; por su inestabilidad no tienen aplicaciones como disolventes.

600

QUíMICA ORGÁNICA

19.4. 1. Reactividad y métodos de obtención La química de los anhídridos de ácido es similar a la de los halogenuros; experimentan reacciones de adición-eliminación, aunque menos vigorosas que las de estos. El mecanismo por el que transcurren es análogo al propuesto en la sección 18.4. Reaccionan con agua. alcoholes y amoniaco o aminas para dar ácidos, ésteres y amidas, respectivamente. Por ejemplo:

o 11

CH3CH2 COOCCH2CH3 Anhídrido propanoico

Ácido propanoico

Anhídrido ciclopentanocarboxílico

o 11

0

COCH2CH3

Ciclopentanoato de etilo

Anhídrido butanoico

+

HO O C U

Ácido ciclopentanoico

Butanamida

Ácido butanoico

En el caso de los anhídridos cíclicos tiene lugar la apertura del anillo.

Anhídrido glutárico

Ácido 4-metoxicarbonilbutanoico

601


Los anhídridos se emplean con frecuencia en las reacciones de Friedel-Crafts (ver sección 13.4). Métodos de obtención Los anhídridos de ácido pueden prepararse por reacción de los halogenuros de ácido con aniones carboxilato, o por tratamiento de cetenas con ácidos carboxilicos.

o

o

11

11

RCCI + Re o-Na+ -

00 11

11

RCOCR + NaCI

La cetena se puede considerar como el análogo oxigenado del aleno, CH2=C=CH2, o como el análogo con metileno del dióxido de carbono, O=C=O. Las propiedades de estos compuestos se verán con detalle en la sección 19.9. ~

19.5. Esteres. Nomenclatura y propiedades físicas Los ésteres son los derivados más importantes de los ácidos carboxílicos; resultan de la condensación entre una molécula de ácido y otra de alcohol con pérdida de una de agua. Se nombran con dos palabras, la primera resulta de cambiar la terminación -ico del ácido carboxílico por -ato y la segunda se refiere al alcohol nombrado como radical alquilo. Por ejemplo:

o 11

COCH(CH:Jl2

COCH(CH:Jl2 11

o Etanoato de metilo

2-Metilpropanoato de etilo

Isoftalato de diisopropilo

Cuando haya que nombrarlos como sustituyentes hay que tener en cuenta la estructura fundamental del compuesto. Si se considera como fórmula general para un éster RlCQQR2, cuando Rl es la estructura fundamental, la parte -COQR2 se nombra como sustituyente -alcoxicarbonil o -arlloxicarbonil, si por el contrario es R2 la principal, RlCQO- actúa como sustituyente y se nombra como -aciloxi. A continuación se muestran algunos ejemplos.

602

QUíMICA ORGÁNICA

o e 11

CH3CH2CH2

HO/

OEt

yºO O

e/

OH

11

o Ácido 3-etoxicarbonilciclopentanocarboxílico

Ácido 4-propilcarboniloxiciclohexanocarboxílico

Se conserva la forma abreviada de acetoxi para CH3COO-. Están ampliamente difundidos en la naturaleza; muchos ésteres de bajo peso molecular son líquidos de olores agradables que imparten sus aromas a flores y frutos. Por ejemplo. el acetato de isopentilo es el responsable del olor del plátano. y el butanoato de metilo se ha aislado del aceite de piña. Los ésteres derivados de ácidos y alcoholes de cadena larga son los componentes mayoritarios de las ceras; los biésteres del 1,2,3-propanobiol (glicerina) con ácidos no ramificados de 16 a 18 átomos de carbono, constituyen los aceites y las grasas que se encuentran en los animales y en las plantas (ver Tema 24). Los ésteres tienen puntos de ebullición más bajos que los correspondientes ácidos carboxilicos. debido a la ausencia de puentes de hidrógeno (ver Tabla 19.1). Son insolubles en agua; los términos inferiores de la serie se utilizan como disolventes.

19.5. 1. Reactividad y métodos de obtención Los ésteres presentan el mismo comportamiento químico que los anhídridos y los halogenuros de ácido, pero son menos reactivos frente a los nucleófilos. Las reacciones más caracteristicas son las siguientes: Reacción de hidrólisis

A diferencia de otros derivados, para llevar a cabo esta reacción es necesaria la presencia de catalizadores ácidos o básicos. El mecanismo de la hidrólisis en medio básico es el siguiente:

eº 11

..

~

¡·

( ?= -F'L

R1CQR2 + HO : =~ Rl '-..____./

/

'

e- OR2 =~ 1

: OH


º !'"\ ~· 11

RICO- H + R20:

-


603

o 11 .. -

-

.•

RlCQ: + R20 H Ion carboxilato

Al contrario de lo que ocurre en la hidrólisis catalizada por ácidos, cuyo mecanismo es el inverso al de la esterificación (sección 18.4.1), la catalizada por bases no es reversible; la formación del carboxilato es totalmente irreversible. El proceso de hidrólisis de un éster se denomina saponiflcacl6n. Una prueba en favor de este mecanismo lo constituye el marcaje isotópico. Cuando el butanoato de metilo se marca con 18Q en el oxigeno de tipo éter y se hidroliza con hidróxido sódico acuoso, el 18 O se encuentra en el metano! formado y no en el ácido butanoico, lo que indica que la saponificación tiene lugar por rotura del enlace oxigeno-acilo (R1CQ-QR2) y no por el oxígeno-alquilo (R1CQQ-R2). Reacción con alcoholes. Transesterificación

Los ésteres reaccionan con alcoholes en presencia de ácidos o bases para dar lugar a otros ésteres, sin necesidad de aislar el ácido intermedio. El proceso se conoce con el nombre de transesteriflcaci6n. Es necesario utilizar un exceso de alcohol para desplaz.ar el equilibrio.

Butanoato de dodecilo

o -

CH3CH2CH2

~OCH3 + HO(CH2)11CH3

Butanoato de metilo

Dodecanol

Esta reacción se emplea, preferentemente, para la obtención del componente alcohólico de los ésteres de alcoholes superiores. Reacción con amoníaco y aminas

Los ésteres reaccionan con amoníaco y aminas, en ausencia de catali:zador y a través de un proceso de adición-eliminación, para dar amidas. Por ejemplo:

604

QUíMICA ORGÁNICA

4-Hexenoato de metilo

Dibutilarnina

N,N-Dibutil-4-hexenarnida

Reacción con reactivos de Grignard

Los ésteres reaccionan con dos equivalentes de reactivo de Grignard para dar lugar a alcoholes terciarios, dos de cuyos sustituyentes son iguales; los ésteres del ácido metanoico conducen a alcoholes secundarios (ver sección 7.7).

o 11

R1C - QR2

OH 1

R1C-R3 + R2QH 1

R3


Por reducción de los ésteres con LiAIH4 o con hidruros modificados (reductores más suaves), como hidruro de bis(2-metilpropil) aluminio, se obtienen alcoholes o aldehídos, respectivamente. En la reducción con LiAlH4 se requieren 0,5 equivalentes de éste para llevar a cabo la reacción. l. LiAIH,i/Et20

2. H+, H20

3-Metilbutanoato de metilo

3-Metil-1-butanol

Si se utiliza hidruro de bis(2-metilpropil)aluminio se obtiene, después de hidrolizar el alcoxialuminio formado inicialmente, el hemiacetal del aldehído que se descompone rápidamente para dar el aldehído como se indica a continuación:

605


O

OAIR2

11

OH

1

RlCQCH3 + R~ AlH-

Rlb QCH3 -HOCH3

R1CQCH3

11

RlCH

1

1

H R2 = -CH2CHCH3 Al 'al

H . .

Herniacetal

cox1 um1mo

1

o

Aldehído

CH3

Reacciones de enolización. Condensación de Claisen

Los hidrógenos en posición a de los ésteres presentan carácter ácido, y pueden formarse enolatos por tratamiento con una base fuerte a baja temperatura. Las reacciones a que dan lugar estos intermedios son las mismas que en el caso de los aldehídos y las cetonas.

/

o-

Rl-CH=C '-OR2

t

_ ~ r;o

Rt-é"0c~

O / \ Li+ H2C-CH2 2. HOH

'-OR2

Ion enolato del éster R3By /

-LiBr

"'"!· R4COH ~ H+, H20

o 11

Rl-CH-C-QR2 1

R3

o 11

Rl-CH-C-OR2 1

R4CHOH

El p1
606

QUíMICA ORGÁNICA

ción no es necesario que los enolatos estén en cantidades estequiométricas y, además, es conveniente que tanto el alcóxido como el éster empleado sean derivados del mismo alcohol para evitar la transesterificación. El mecanismo de la reacción, que transcurre en varias etapas, es el que se indica a continuación: a) Formación del enolato del éster

.-;:-=\

t

~o

b) Adición nucleófila

.. o·

C11~~

o·¡

/ ...

~~

Rl-CH-C '-OR2

Rl-CH=C Na++R20H '-OR2

:o:-

~º

1

Rl-CH2- C-OR2 +Rl- CH-C ==~Rl-CHz- C -OR2 ""-OR2 1 Rl-CHCOOR2

e) Eliminación

o 1

..

Rl - CH 2 - C + R20 :1 .. Rl-CHCOOR2

/3-Cetoéster

d) Desprotonación

o 11

Rl-CH2 -C + R2:Q:- 1

Rl-CHCOOR2

o C11

a

o 1

R1 -CH2-C- C -COR2 1

Rl

:o:-

~1 ~

o 11)

R1-CH2-C=C-COR2 1

t

Rl

o 1

:Q:1

R1 -CH2-C-C= COR2 1

Rl

+R20H

607


e) Protonación

o Rl -

11

o :-;

CH2-C- C -

11

COR2

o H+ H o ' 2

Rl -

o

11

CH2-C-CH -

1

11

COR2

1

Rl

Rl /3-Cetoéster

Como puede observarse, la condensación de Claisen es análoga a la aldólica y además es reversible en la etapa de eliminación; sin embargo está desplazada hacia los productos finales porque la acidez de los protones contiguos a los dos grupos carbonilo es muy elevada (pKa::::::: 11), debido a la estabilización del ion por resonancia. Como consecuencia de esto, los P-cetoésteres son compuestos muy útiles en síntesis orgánica como se verá en el Tema 20. Métodos de obtención

Los ésteres se pueden obtener a partir de ácidos, anhídridos y cloruros de ácido por métodos que ya se han visto en la sección 18.4.1 y en este mismo tema. Así, los ácidos carboxílicos pueden transformarse en ésteres por reacción con alcoholes en presencia de un ácido mineral, o bien por tratamiento de su sal sódica con un halogenuro de alquilo. También pueden conducir a ésteres metílicos por reacción con diazometano.

o 11

R1CQR2 + H20 Rl coo-Na+ + R2 Cl -

Rl COQR2 + NaCl

19.6. Amidas. Nomenclatura y propiedades físicas Las amidas resultan de la sustitución del grupo -OH de los ácidos carboxílicos por el -NH 2 o por un -NH2 sustituido (-NHR, -NR1R2), es decir que además de las amidas sencillas se deben considerar también las amidas alquiladas o ariladas en el nitrógeno a las que se denomina mono o dialquil(aril)amidas; no se debe confundir con las amidas secundarias y terciarias que son las que poseen dos o tres restos acilo, respectivamente, unidos al mismo átomo de nitrógeno.

608

QUíMICA ORGÁNICA

Las amidas se nombran utilizando como base el nombre del ácido carboxílico correspondiente y cambiando la terminación -oico o -ico por -amida o carbmdlico por carboumida si se utiliza la nomenclatura común o la sistemática, respectivamente. Los sustituyentes en el nitrógeno se indican por el prefijo N- o N,N. Por ejemplo:

o 11

CH3CH2CH2CNHCH2CH3 Acetamida

N-Etilbutanamida

N-Fenilacetamida

Ciclohexanocarboxamida

N-Isopropil-N-metilbenzamida

Las amidas secundarias y terciarias se nombran como diacll- y triadlaminas, respectivamente. Cuando en una molécula hay grupos con mayor prioridad que el amido, a dicho grupo se le nombra como radical. Los radicales resultantes de las amidas, RCONH- y RCONR1-, se deducen del nombre sistemático cambiando la terminación -amida por -amido, también se pueden nombrar como -acilamino. Por ejemplo:

O

N/ coctt ctt3ctt2ctt2cttcooH Oco-"~cooH "cocoHs 1 ~ NHCOCH3 CH3

.N-Acetil -N-Benzoilanilina

3

1

Ácido 2-acetamidopentanoico o Ácido 4-(N-metilciclohexaÁcido 2-acetilaminopentanoico nocarbo:xamido)ciclohexanoico

Las amidas cíclicas se denominan Iactamas y se nombran añadiendo al nombre del hidrocarburo con el mismo número de átomos de carbono el sufijo -Iactama, introduciendo localizadores para definir la posición por la que tiene lugar la ciclación. Se puede utilizar el nombre de e-caprolactama para el compuesto que se indica a continuación.

609


CH3 4-Butanolactama

3-IVIetil-5-pentanolactama

6-Hexanolactama e-Caprolactama

La estructura de las amidas puede representarse por dos formas resonantes:

Debido a que el par de electrones no compartido del átomo de nitrógeno se encuentran deslocalizado en el grupo carbonilo, las amidas son compuestos menos básicos que las aminas. Como puede verse en la Tabla 19.1, las amidas presentan elevados puntos de ebullición debido a la asociacion intermolecular por puentes de hidrógeno. Son compuestos bastante solubles en agua. H2N-C= O --- H -NH-C= O

H-NH-C= 0 ---

1

1

1

R

R

R

19.6. 1. Reactividad y métodos de obtención Las amidas son los derivados de los ácidos carboxílicos menos reactivos, debido a la deslocalización del par de electrones del átomo de nitrógeno; esto hace que las reacciones de adición-eliminación requieran condiciones más enérgicas que para los otros derivados. Las reacciones más características son las siguientes: Reacción de hidrólisis

La hidrólisis de amidas para obtener ácidos tiene lugar únicamente por calefacción con disoluciones fuertemente ácidas o básicas. El mecanismo de la reacción en medio ácido se muestra a continuación:

610

QUíMICA ORGÁNICA

o=~ 11

+H+ - H+

..

R-C-NH2 H-0:

H-?) +

H-0:

1

R-C-NH2 1

- H+

1

+H+

R-C- NH2 1

+H+ - H+

R-C- NH3

OH

+OH2

'--->

1

OH

1l r H- B

o +

11

..

11

H4N+R-C-OH----H3N + R-C-OH

Como puede observarse, en la hidrólisis en medio ácido se libera la amina en forma de la correspondiente sal de amonio. La hidrólisis en medio básico se muestra en el ejercicio de autocomprobación n. 0 5. Reacciones de reducción

tos.

La reacción de amidas con LiAlH4 da lugar a aminas con buenos rendimien-

CH CH CH CONHCH 3

2

2

l. LiAIUi/Et20

3 2. H+, H20

CH3CH2CH2CH2NHCH3

N-Metllbutanamida

Butilrnetilamina

Transposición de Hofmann

El tratamiento de amidas primarias con halógenos en medio alcalino conduce a aminas con un átomo de carbono menos que el producto de partida, a dicha reacción se la conoce como Transposición de Hofmann. Por ejemplo:

~NH2 \__)

Ciclopentanocarboxamida

Ciclopentllamina

+ O= C=O

611


CH3CH2CH2CHCONH2

Brz, NaOH

CH3CH2CH2CHNH2 + O=C =O

1

1

CH3

CH3

1-Metilbutilamina

2-Metilpentanamida

La reacción se lleva a cabo adicionando a la amida una disolución acuosa de un hipoalito (XOH), originado por reacción del halógeno con la base. El mecanismo de esta reacción se describe en el ejercicio de autocomprobación n. 0 5. Métodos de obtención

Las amidas pueden prepararse por reacción de ésteres, anhídridos y halogenuros de ácido con amoníaco o aminas. #o

Rl-Cv

"z

#o

Rl-Cv

" NH2

Z = -OR2, OCOR3, halógeno

La hidrólisis de nitrilos, en medio ácido o básico, conduce a amidas.

R- C==N

Es necesario llevar a cabo la reacción con precaución, ya que si transcurre la hidrólisis total se obtiene el ácido carboxílico (ver sección 19.7). Las poliamidas, productos de interés industrial, pueden obtenerse por calefacción de ácidos dicarboxílicos con diaminas (ver sección 18.5.3)

19 .7. Nitrilos. Nomenclatura y propiedades físicas Los nitrilos son compuestos que contienen en su molécula el grupo dano, -C ==N. Se suelen considerar también como derivados de ácido, ya que pueden hidrolizarse a amidas y a ácidos carboxílicos. Los nitrilos se nombran, sistemáticamente, añadiendo el sufijo -nibilo al nombre del hidrocarburo con el mismo número de átomos de carbono; si el grupo ciano está unido a un cicloalcano se utiliza el sufijo -carbonitrllo. En la nomenclatu-

612

QUíMICA ORGÁNICA

ra común se sustituye el sufijo -ico del ácido carboxílico, al que van a dar lugar por hidrólisis, por -nibilo. Por ejemplo:

@-cN Etanonitrilo (Acetonitrilo)

Propanonitrilo (Propionitrilo)

Benzonitrilo

CN

3, 5-Dirnetilhexanonitrilo

m-Metoxibenzonitrilo

2-Vinilciclopentanocarbonitrilo

Si en la molécula hay presentes otros grupos con mayor prioridad el sustituyente -CN se indica con el prefijo ciano.

NC~COOCH3 Ácido 3-cianopentanoico

p-Cianobenzoato de metilo

En los nitrilos tanto el átomo de carbono como el de nitrógeno tienen hibridación sp y están unidos entre sí por un enlace a y dos enlaces n. El par de electrones no enlazantes del átomo de nitrógeno se encuentran en un orbital sp, situado en el eje del enlace C-N. En la Figura 19.1 se representa la estructura del grupo ciano, así como los parámetros fisicos del acetonitrilo.

l,462Á

1.095A~~og,s¿

~C==N:

1-:Ji.1~

~1.157Á

Figura 19.1. &tructura del grupo ciano y parámetros fisicos del acetonitrilo.

613


El enlace - C == N se puede considerar análogo al -C == C, pero bastante más polarizado, pudiéndose representar por dos estructuras resonantes: A R-C==N:

+ .. R-C= N:

El par de electrones del átomo de nitrógeno hace que los nitrilos sean compuestos ligeramente básicos aunque mucho menos que las aminas e iminas. Poseen elevados puntos de ebullición.

19.7. 1. Reactividad y métodos de obtención Los nitrilos presentan una reactividad mayor que la de las amidas. Las reacciones a que pueden dar lugar son las siguientes: Reacción de hidrólisis

Como se mencionó en la sección 18.6, los nitritos se hid.rolizan en medio ácido o básico para dar los correspondientes ácidos carboxilicos. La reacción transcurre en dos etapas: en la primera se forma la amida que posteriormente se hidroliza al ácido carboxilico.

El mecanismo de la reacción se muestra con detalle en el ejercicio de autocomprobación n. 0 5. Reacción con compuestos organometálicos

Los nucleófilos fuertes, tales como los reactivos organometálicos, se adicionan a los nitrilos originando cetonas. ("\.

R1- C~2 - MgBr - - R1-1 = N- +MgBr

R2 Rl-r = NH [

R2 Imina

Rl- C= O 1

R2

HOH

614

QUíMICA ORGÁNICA

La reacción transcurre por adición nucleófila del compuesto organometálico al nitrilo que por hidrólisis se obtiene la cetona, a través de una imina como intennedio. Reacciones de reducción

Los nitrilos adicionan nucleófilos tales como hidruro de litio y aluminio e hidruro de litio y aluminio modificado [LiAlH(OCH2CH3)s], dando lugar a aminas y aldehídos, respectivamente. CH3CH2CH2CH2NH2 Butilamina

l. LiAIH4

CH CH CH C==N l. LiAIH(OCH2CH3)3 3 2 2 2. H+, H20 2. H+, H20 Butanonitrilo

La hidrogenación catalítica conduce, asimismo, a aminas. O

Ciclohexanocarbonitrilo

CH2- NH2

Ciclohexilmetanamina

Reacciones de alquilación

=

El triple enlace -C N ejerce sobre los átomos de hidrógeno en posición a un efecto análogo al del grupo carbonilo de los ésteres; por ello dichos hidrógenos presentan carácter ácido, y pueden dar lugar a reacciones de condensación pennitiendo la introdución de sustituyentes en dicha posición. CH3CH2CH2CHCN + LiBr 1

Pentanonitrilo

CH2CH3 2-Etilpentanonitrilo


Los procedimientos generales para la obtención de nitrilos son:

615


• Sustitudón nudeóflla en tosilatos o derivados halogenados

X

R-CN + XNa

¡

=

HsC-OS02-(Tosilo o p-metilbencenosulfonilo)

Cl, Br, 1

La reacción transcurre con facilidad con derivados primarios; con secundarios hay dificultad; los derivados terciarios no reaccionan. Los nitrilos aromáticos pueden obtenerse por reacción de Sandmeyer (sección 17.5.2) entre una sal de diazonio y cianuro cuproso.

~ N± c1H3c-o2

Cu+cN-

Cloruro de frmetilbencenodiazonio

H C - 0 CN N 3 ~ + 2

¡}

fr Metilbenzonitrilo

• Deshidratación de amidas Por tratamiento de amidas con agentes deshidratantes tales como SOC12, PC15, P20 5 o POC13 se obtienen nitrilos con buenos rendimientos.

o 11

CH3CH2CH2CH2CH2C- NH2 Hexanamida

POCl3

CH3CH2CH2CH2CH2C==N + H20

Hexanonitrilo

19.8. Peroxiácidos. Estructura, propiedades y métodos de obtención Los peroxiácidos son derivados de los ácidos carboxílicos que presentan en su molécula un átomo de oxígeno más que estos. También se les puede considerar derivados del peróxido de hidrógeno (H-0-0-H), donde un átomo de hidrógeno se ha sustituido por R-CO-. Se nombran anteponiendo el prefijo permdal nombre del ácido del que deriven, excepto en el caso del fórmico, el ácetico y el benzoico que pueden nombrarse como perfórmico, peracético y perbenzoico, respectivamente. Por ejemplo:

616

QUíMICA ORGÁNICA

~º

CH3- C........_

~º F3c-c,

0-0H

Ácido peroxietanoico (Ácido peroxiacético o peracético)

0-0H

Ácido peroxibenzoico (Ácido perbenzoico)

Ácido trifluoroperoxietanoico (Ácido trifluoroperoxiacético)

Son compuestos solubles en agua, inestables y explosivos. Su acidez es considerablemente inferior a la de los ácidos carboxilicos. La reacción más interesante de estos compuestos es la adición a olefinas para dar epóxidos (sección 10.6.2).

~º

CHCl3

CH3- C........_

O-OH Ciclohexeno

Óxido de ciclohexeno

Los peroxiácidos se utilizan como fuente de radicales libres en la adición de hidrácidos a olefinas (sección 10.6.2). El mejor procedimiento para la obtención de los peroxiácidos es el tratamiento de un ácido carboxílico con peróxido de hidrógeno en presencia de ácido sulfúrico concentrado.

R-C~º ' o -OH

19.9. Cetenas. Estructura, propiedades y métodos de obtención Las cetenas son compuestos en los que el grupo carbonilo está unido al resto de la molécula por un doble enlace; la fórmula general es: Rl........_ C=C=O R2/

Se nombran tomando los nombres de los dos radicales unidos al grupo funcional con el sufijo cetena. Por ejemplo: CaHs . . . . _ CH2 =C=O

C =C=O

(CH3CH2)2C=C=O

H3C/ Cetena

Fenilmetilcetena

Dietilcetena

617


La estructura de la molécula de cetena se representa en la figura 19.2. El carbono central presenta hibridación sp, mientras que el terminal tiene hibridación s¡I-. Las dos nubes 1t que constituyen los dobles enlaces se encuentran en planos perpendiculares.

Figura 19.2. Estructura de la molécula de cetena.

La presencia de dobles enlaces acumulados en la molécula de una cetena, hace a estos compuestos muy sensibles a las reacciones de adición tanto electrófila como nucleófila.

Reacciones de adición electrófila La adición de reactivos electrófilos tales como, halógenos y halogenoácidos da lugar a halogenuros de a-halogenoácido y halogenuros de ácido, respectivamente. ~o

CH2H- C,

HCl

" Cl Cloruro de acetilo

Cl- Cl Cetena

~o

CH2Cl- C,

" Cl Cloruro de a -cloroacetilo

Reacciones de adición nucleófila Las cetenas adicionan reactivos nucleófilos tales como, agua, aminas, alcoholes y ácidos para dar lugar a ácidos, amidas, ésteres y anhídridos, respectivamente.

618

QUíMICA ORGÁNICA

~º

CH2H - c,

OCH3

Acetato de metilo

tCH30H CH2H -

~º

HOH CH2= C= O CH3HNH

C "'-OH

CH2H - ¿-O

Cetena

Ácido acético

"'-NHCH3

NMetilacetamida

!

CH3COOH

CH2H -

~º

C "'-ooccH3

Anhídrido acético


Los procedimientos existentes para la preparación de cetenas son:

• Deshidrohalogenación de halogenuros de ácido El tratamiento de halogenuros de acilo con una amina terciaria conduce a cetenas. R2 1

R2

~º "'-c1

1 + Rl-C =C=O + R~NHCl-

Rl-C-C 1

H

• Deshalogenación de halogenuros de a-halogenoacilo La reacción se lleva a cabo con zinc o trifenilfosfina. R2 1

~º

1

'-c1

Rl-C-C

R2 Zn

1

Rl-C =C=O

+ ZnCI2

Cl

• Pirólisis de ácidos carboxíUcos

~º

RCH-C, 1 " OH H

RCH =C=O + HOH


619

Resumen de conceptos importantes 1. El carbono carbonílico de los derivados de los ácidos carboxílicos es menos reactivo frente a los nucleófilos debido al efecto +M del sustituyente, siendo el orden de reactividad: halogenuros de acilo > anhidridos > ésteres > amidas. 2. Los derivados de los ácidos carboxílicos reaccionan con agua (catalizada con ácidos o bases), alcoholes y aminas para dar ácidos, ésteres y amidas, respectivamente. Asimismo, la reacción con compuestos organometálicos conduce a cetonas; si hay un exceso del nucleófilo se obtienen alcoholes. La reducción catalítica o con hidruros metálicos da lugar a compuestos tales como, aldehídos, alcoholes o aminas. 3. La transesterificadón es una reacción que permite la conversión de un éster en otro. 4. Los hidrógenos en posición a de los ésteres presentan carácter ácido, por lo que pueden formar enolatos con facilidad, los cuales pueden reaccionar con el grupo carbonilo de otro éster a través de un proceso de adición-eliminación conocido como condensación de Claisen, los productos resultantes son ,8-cetoésteres. 5. El enlace-C=N es similar al-C=C pero está bastante más polarizado, pudiéndose representar por dos estructuras resonantes. El par de electrones del átomo de nitrógeno hace que los nitritos sean compuestos ligeramente básicos aunque mucho menos que las aminas e iminas. 6. La presencia de dobles enlaces acumulados en las cetenas hace que éstas adicionen reactivos tanto electrófilos como nucleófilos originando una gran variedad de compuestos.

620

QUíMICA ORGÁNICA

Eiercicios de autocomprobación 1. Nombrar o dibujar la estructura de los siguientes compuestos: a)

0-coooc-O

c)

b)

~COOCH(CHg)2 ~COOCH(CHg)2

d)

f) Anhídrido 2,3-dimetilmaleico

g) Succinonitrilo h) Bromuro de 2,3-dibromo-1-naftoílo i) N,N-Dietilpentanamida j) Cloruro de 3-isopropilciclohexanoilo

2. Indicar los productos que se originan por acción del etóxido sódico sobre una mezcla de: a) Acetato de etilo y butirato de etilo b) Oxalato de dietilo y propionato de etilo (1:1) c) Dos moles de ciclopentanoato de metilo d) Isobutirato de etilo y acetonitrilo e) Formiato de metilo y acetato de metilo 3. Formular las siguientes reacciones:

a) Butanoato sódico con cloruro de acetilo b) Cetena con ácido cloroacético


621

c) Pentanoato de metilo con alcohol isopropílico y H2S04 d) Anhídrido succínico con amoníaco acuoso e) Cloruro de benzoílo con metilamina f) 3-Metilciclopentanoato de etilo con un equivalente de yoduro

de etlhnagnesio g) Isobutanonitrilo con hidrógeno sobre paladio

h) Ciclohexilcarboxamida con hipobromito sódico 4. Los derivados de algunos hidrocarburos bicíclicos tienen actividad farmacológica. La slntesis de uno de estos derivados, X, se puede llevar a cabo según se indica en el esquema siguiente. Establecer su estructura así como la de los compuestos intermedios.

~

H20

5. Formular los mecanismos de las siguientes reacciones:

a) Ciclopentanocarboxamida con cloro en medio básico b) Butanonitrilo con agua en medio ácido c) Benzonitrilo con agua en medio básico d) Propanamida con agua en medio básico 6. Sugerir un procedimiento para llevar a cabo las siguientes transformaciones:

a) 3-Metil-1-butanol en ácido 4-metilpentanoico b) Ácido fenilacético en 2-feniletanol c) Benzoato de etilo en fenilmetilcetona d) Tolueno en fenilacetamida e) Acetato de etilo en trimetlcarbinol f) Ácido isobutírico en isobutanal

622

QUíMICA ORGÁNICA

7. Utilizando metanol, etanol o propano} como únicos productos orgánicos, sugerir una síntesis para los siguientes compuestos: a) Cloruro de 3-metil-2-butenoílo b) Anhídrido isobutírico c) 2-Metilbutanoato de etilo d) Z-2-Butenoato de metilo e) Cloruro de 2,2-dimetilpropanoilo 8. Completar los siguientes esquemas de reacciones: E

a) l. NaH (! eq.)

A (C1H110CI) 2.

~;

1

(1 O t N H 2

LiAI~

Br2/NaOH H20

j

C CH3COCI

b)

F

(CH3)iCHOH Piridina

1

CH2COCI

6j

C5H5 AICl3

(CH3CHzl2CuLI

H

1

D

B


623

Soluciones a los eiercicios de autocomprobación l.

a) Anhídrido benzoico b) Ftalato de diisopropilo e) Anhídrido 1,2-ciclohexanodicarboxilico d) N-Etil-N-metilciclopentanocarboxamida e) Fenilvinilcetena f)

g)

h)

NC-CH2-CH2-CN

COBr Br Br

j)

COCI

6CH(Clfa)2

a) Se forman los carbaniones en los dos ésteres, por lo que habrá una mezcla de productos. CH3COOEt 1

Na+E10-

CH3CH2CH2COOEt Na+ Eto-

111

CH3CH2CHCOOEt

IV

624

QUíMICA ORGÁNICA

1 + 11

CH3COCH2COOEt

1 + IV

CH3COCHCOOEt 1

CH2CH3

11 + 111

CH3CH2CH2COCH2COOEt

111 +IV - - - CH3CH2CH2COCHCOOEt 1

CH2CH3

CH3CHCOOEt 1

COCOOEt

e) /"y'COOCH3 2 \_) Na+ Eto-

d) (CH3}2CHCOOEt + CH3CN Na+ Eto-

(CH3)2CHCOCH2CN + (CH3)2CCOCH(CH3)2 1

COOEt e) HCOOCH3 + CH3COOCH3 Na+ Eto-

---- HCOCH2COOCH3 + CH3COCH2COOCH3

3. a) CH3CH2CH2Coo-Na+ + CH3COCI - -

- - CH3CH2CH2COOCOCH3


625

626

QUíMICA ORGÁNICA

5. a) Se trata de una transposición de Hofmann en la que se obtiene la amina de un átomo de carbono menos.

.. . . . . u CON \>-u

: : ÜCONH

uo:- -

+

··

'-./º

Ü

n

A........-CON~ \_j .. + :~1-~l:

A........-CONHCI

\_j

-

+ :~1:

.. ........-c1

:--:

CON

ÜCONCI

.\>u + uo:- '-./'

Ü

+ H20

-

ÜCO'Ñ\)íl -

··

ücoN

+

+ H20

:~1:

Acilnitreno

ÜN=C=O Isocianato

A........-N=C=O

A........-NHCOOH

\_j

\_j

+ H20 -

Ácido carbámico

o

C\11~

ÜNH-C-0-H

"u0a-u

-

627


b)

~NH

CH3CH2CH2C + 'OH2

c:~H2

CH3CH2CH2C

tp.H

-H+ :i.. +H+ -H+ +H+

~NH

CH3CH2CH2C 'oH _.......NH2 CH3CH2CH2C~

~o

+H+ -H+ H+ Hz O

CH3CH2CH2COOH

e) Como la anterior, es una hidrólisis de un nitrilo pero en este caso cataliz.ada por una base.

d)

628

QUíMICA ORGÁNICA

8. a)

CH3

CH3

CH3tHCH2CH2MgBr C0 2 CH3tHCH2CH2COOMgBr H20

~COCH3

e) CJCOOEt l. CH3Mgl/Et20 (1 eq) 2. H20

ÁCOOH1.SOCl 2 2.H3N

u

V

ó,... CH2 CONH2 ""-.-. . . .

1

e)

(CHa)2CHCOCl

H2/Pd, BaS04 quinolina

629


7. a)

b)

H2S04

HOCH2CH2CH3 CH3CHBrCH3

NaCN

CH2=CHCH3 H20 u+

CH3CHCH3

tN CH3CHCOOH

SOCl2

HBr

CH3CHCOCI

1

1

CH3

CH3

CH3CHCOOH NaOH

CH3CHC00- Na+

tu3

tu3

CH3CHCOCI + CH3CHC00- Na+ -CH3CHCOOCOCHCH3 tu3

tu3

e) CH3CH20H l. HBr CrOg 2. Mg/Et20

tu3

tu3

CH3CH2MgBr

j

H+

CH3C~~.O

l. CH3CH2MgBr~ CH3CHOHCH2CH3 l. HBr '-.. H 2. H20 2. Mg/Et20

l. C02 CH3CH2lHMgBr 2. H 0 2 CH3 CH3CH2CHCOOEt 1

CH3

CH3CH2lHCOOH CH3

EtOH H+

630

QUíMICA ORGÁNICA

NaNH2

CH== CCH3 l. NaOH HOOCC == CCH3 H2/Pd 2. C02/H+

Si la esterificación se realiza con metanol en presencia de un ácido mineral, puede haber isomerización al ácido E ~

00 CH3CHOHCH3 Cr0 3 CH3COCH3 Na/Hg H+ H+

(CH3)3CCOCH3

(CH3)3CCOCI

8. a)

12 NaOH

(CH3)2t-C(CH3)2

bH

Pinacol (CH3)3CCOOH SOCl2

631


b)

~OCH(CH3)2

\_JF

8

(CH3)2CHOH

1Piridina o

o

Cl

NHCsHs CaHsNH2

l

G

C6Hs J\lCl3

~CaHs

(CH3CH:i)2CuLI

o

H

8

\_) I

Tema 20

Compuestos difuncionales

1

SUMARIO 1

1

20.1. Introducción 20.2. Halogenoácidos

20.2.1. Nomenclatura y propiedades químicas 20.2.2. Métodos de obtención 20.3. Hidroxiácidos 20.3.1. Nomenclatura y propiedades químicas 20.3.2. Métodos de obtención 20.4. Ácidos insaturados 20.4.1. Nomenclatura y propiedades químicas 20.4.2. Métodos de obtención 20.5. Compuestos dicarbonilicos 20.5.1. Compuestos a-dicarbonílicos 20.5.2. Compuestos /J-dicarbonílicos 20.5.3. Compuestos /'dicarbonílicos 20.6. Síntesis malónica y síntesis acetilacética 20.6.1. Síntesis malónica 20.6.2. Síntesis acetilacética Resumen de conceptos importantes Ejercicios de autocomprobación Soluciones a los ejercicios de autocomprobación.

OBJETIVOS _ 1

1

_ _ _ _ _ _ _ _ _ __

1

1. Clasificar los compuestos según los grupos funcionales presentes en su molécula, conocer la estructura y su nomenclatura. 2. &coger el método sintético más adecuado para preparar, en base a su estructura, un determinado compuesto difuncional. 3. Aplicar a los compuestos tratados en este Tema, los conocimientos adquiridos en los Temas 15 y 16 sobre el grupo carbonilo.

4. Determinar a qué es debida la reactividad característica de los compuestos dicarbonílicos. 5. Explicar la utilidad sintética de los compuestos /j-dicarbonílicos para la obtención de nuevos compuestos funcionalizados.

635

COMPUESTOS DIFUNCIONALES

20. 1. Introducción Cuando en una molécula orgánica existen diferentes grupos funcionales en la misma, ésta puede reaccionar de acuerdo a las propiedades individuales de los centros reactivos (particularmente si los grupos están suficientemente separados) o puede que la reactividad se encuentre muy influenciada debido a la presencia de un segundo grupo funcional. En este Tema se van a tratar los compuestos que presentan dos funciones como

los hidroxiácidos, los ácidos insaturados, los compuestos dicarbomlicos como las dicetonas, los cetoácidos, los cetoésteres, etc. Se incluyen también los halogenoácidos ya que, aunque el halógeno no es un grupo funcional, la proximidad a un grupo ácido le confiere un reactividad característica.

20.2. Halogenoácidos Los halogenoácidos son ácidos carboxílicos, en los que uno o más átomos de hidrógeno están sustituidos por halógenos.

20.2. 1. Nomenclatura y propiedades químicas Se nombran como ácidos carboxilicos pero anteponiendo el nombre del halógeno con un número que indica la posición en la que se encuentra: Br 1

CICH2-COOH

Br -CH-CH2-CH2-COOH

Ácido cloroacético

Ácido 4,4-dibromobutanoico 1

F-0-COOH

ÓCOOH

Ácido p-fluorobenzoico

Ácido 2-yodociclohexanoico

Dependiendo de la posición del átomo o átomos de halógeno respecto del grupo carboxilo, se clasifican como a-, f3-, y, etc. halogenoácidos. R-CH2-CH2-CH2-COOH r f3 a

636

QUíMICA ORGÁNICA

Propiedades químicas

Una de las propiedades químicas más notable de estos compuestos es que son mucho más ácidos que sus análogos no sustituidos (ver sección 18.3.1). La reactividad de estos compuestos es, en su mayor parte, análoga a la de los derivados halogenados y a la de los ácidos, aunque la reactividad del halógeno depende de su distancia al grupo carboxilo. Así, mientras que los a-halogenoácidos al ser tratados con una base diluida dan lugar a los a-hidroxiácidos correpondientes, los /3-. y-, y 5-halogenoácidos originan ácidos a,f3-insaturados y lactonas, respectivamente, en las mismas condiciones de reacción: HOR-CH-COOH - - - - R-CH-COOH 1 diluida 1 X OH a-Halogenoácido a -Hidroxiácido

HoR-y H-CH2-COOH diluida

R- CH= CH-COOH

X

/3-Halogenoácido

Ácido a, /3-insaturado

HoR-y H-CH2-CH2 -COOH diluida

Ryºyo

\_j

X y-Halogenoácido

Lactona

Los a-halogenoácidos son intermedios de síntesis muy importantes porque son capaces de reaccionar con una amplia gama de nucleófilos: R20Rl-CH-COOH - - - Rl-CH-COOH ÓR2 a-Alcoxiácido

*

a-Halogenoácido

NH 3

•

Rl-CH-COOH 1

NH2 a-Aminoácido

Jcw Rl-CH-COOH l. H20, HO- Rl-CH-COOH 1 2.H+,H20 1 CN COOH Ácido dicarboxllico


637

20.2.2. Métodos de obtención Los métodos generales de obtención de halogenoácidos son: Reacción de Hell-Volhard-Zelinskii

Permite la obtención de a-halogenoácidos por acción de cloro o bromo sobre un ácido en presencia de un catalizador como fósforo o un halogenuro de fósforo: R-CH2-COOH l. X -X, p o PX3

2. H20

*

R-CH-COOH + HX

a-Halogenoácido

La halogenación ocurre de forma especifica en el carbono a y no es aplicable para yodo o flúor. Si en la reacción se utiliza más de un equivalente molar del halógeno, es posible obtener a,a,a-trihalogenoácidos. El mecanismo de esta reacción se indica en la sección 18.4.3. Los /j-halogenoácidos se pueden obtener mediante la adidón de hidrácidos a un áddo a,/j-insaturado, como se verá en la sección 20.4.1.

A partir de dihalogenuros Los 8-, y-, etc. halogenoácidos se pueden preparar a partir de dihalogenuros mediante una reacción de sustitución nucleófila:

Por ser el bromo mejor grupo saliente, se puede conseguir la formación de un mononitrilo. Si el derivado halogenado posee dos átomos de halógeno iguales, los rendimientos son más bajos ya que se formarán dinitrilos.

20.3. Hidroxiácidos Los hidro:xiácidos, conocidos también con el nombre de oxiácidos, son ácidos carboxílicos que presentan uno o varios grupos hidroxilo en su molécula.

638

QUíMICA ORGÁNICA

20.3.1. Nomenclatura y propiedades químicas Se nombran anteponiendo el prefijo hidroxi- al nombre del ácido carboxílico del que derivan. La numeración se lleva a cabo asignando el número 1 al grupo carboxilo y los localizadores más bajos posibles a los grupos hidroxilo. Muchos de estos compuestos son conocidos por su nombre común como se muestra en los siguientes ejemplos:

?H CH2 -COOH

Ácido hidroxietanoico (ácido glicólico)

OH 1

Ácido 2-hidroxipropanoico (ácido láctico)

CH3 -CH-COOH

?H HOOC-CH2-CH-COOH OH 1

Ácido hidrox:ibutanodioico (ácido málico)

OH 1

HOOC-CH-CH-COOH

Ácido 2,3-dihidroxibutanodioico (ácido tartárico)

COOH OH

Ácido o-hidroxibenzoico (ácido salicilico)

Al igual que los halogenoácidos se clasifican como a-, f3-, '}',etc. -hidroxiácidos, dependiendo de la posición relativa de los grupos. Propiedades químicas

Son compuestos más ácidos que sus homólogos no sustituidos. Se comportan como alcoholes y como ácidos dando las correspondientes reacciones de ambos grupos funcionales. Pero, además, presentan unas reacciones características que dependen de la proximidad entre los dos grupos. Así, mientras que los a-hidroxiácidos frente al calor forman lactidas, los /3-hidroxiácidos pierden agua para dar un ácido a,f3-insaturado y los'}' y 8-derivados forman lactonas en las mismas condiciones:

639


R XºXº

2 R-CH-COOH _A_

+ 2 H20

1

O

OH

a-Hidroxiácido

O

R

Lactida

H 1

R-CH-CH-COOH

A

R-CH= CH-COOH + H20

Ótt Ácido a, {3-insaturado

{3-Hidroxiácido R-CH-CH2-CH2- COOH

A

Ótt y-Hidroxiácido

Lactona

20.3.2. Métodos de obtención

El método general de preparación de hidroxiácidos es la reducción catalítica del cetoéster correspondiente y posterior hidrólisis: R-CO-(CH2) 0 -COOEt

H2, Ni 100 ºC

R-CHOH-(CH2) 0 -COOEt

l. H20. HO- EtOH 2. ff+, A

j

R-CHOH-(CH2) 0 -COOH

Además existen métodos específicos para la preparación de los a- y /j-hidroxiácidos:

Síntesis de a-hidro:xiácidos • Hidrólisis de un a-halogenoácido l. HOH, K2C03, A 2. H+, H20 R-CH-COOH - - - - - - - R-CH-COOH -HCI

¿1

Ótt

640

QUíMICA ORGÁNICA

• Hidrólisis de cianhidrinas

o R-C~ +

HCN

'\.H

-~--

R-CH-CN

R-CH-COOH

ÓH

Ótt

Síntesis de fi-hidroxiácidos • Adición de agua a un ácido a,f3-insaturado La adición de agua a una ácido a,f3-insaturado transcurre con mayor facilidad que en las olefinas, debido a la conjugación del doble enlace olefinico: H R-CH = CH-COOH

HOH, H+

1

R-CH-CH-COOH

¿H

• Síntesis de Reformatsky La reacción entre un aldehído o una cetona con un a-hC!-1ogenoéster, en presencia de zinc, conduce a la formación de /3-hidroxiácidos. Esta se conoce como reacción de Reformatsky y es muy similar a la adición de un compuesto organometálico a un aldehído o cetona.

~O

Rl-C

'-w

R2 Zn 1 + X -CH2-COOEt - - - - Rl-C-CH2-COOEt 1

OZnX l. H20, Ho-

j

- EtOH 2. H+, A

R2 1

Rl-C-CH2-COOH

Ótt ;

20.4. Acidos insaturados Son aquellos ácidos que poseen una o varias insaturaciones en la cadena hidrocarbonada.

641


20.4. 1. Nomenclatura y propiedades químicas Se nombran como los ácidos carboxílicos, indicando con números las posiciones de las insaturaciones; muchos de ellos tienen nombres comunes: H3C'\, /H C= C H/ "-cooH

Ácido á"ans-2-butenoico (Ácido crotónico)

Ácido propenoico (Ácido acrílico) HOOC'\, /COOH C= C

H/

HOOC'\, /H C= C H/ "-cooH

'\.H

Ácido c.is-butenodioico (Ácido maleico)

Ácido á"ans-butenodioico (Ácido fumárico)

Son los compuestos predominantes de los aceites y las grasas. En esta sección sólo se van a tratar los ácidos a,/j-insaturados debido a que son los más importantes, ya que se pueden obtener fácilmente y son muy reactivos.

Ácidos a,/Hnsaturados La reactividad del doble enlace en estos compuestos está exaltada por su conjugación con el grupo carbonilo. En las reacciones de adición electrófila, se observa que el hidrógeno se adiciona al carbono a, mientras que la parte electronegativa del reactivo se une al carbono /j, como se observa en la reacción de adición de agua y ácido clorhidrico: H R-CH = CH-COOH

HOH,H+

1

R-CH-CH-COOH

¿H

H R-CH = CH-COOH _ _H_C_I _

R-CH-tH-COOH

t1 Una reacción interesante de adición que dan los ácidos a,/j-insaturados es la reacción de Michael:

642

QUíMICA ORGÁNICA

v

~CH==CH-COOH

base (cat)

+ CH2(C00Et}i

O ~

CH-CH2-COOH t H(COOEt)2

En este caso el ácido a.P-insaturado hace de aceptor de Michael y se requiere únicamente el uso de cantidades cataliticas de una base.

20.4.2. Métodos de obtención Se pueden aislar de los productos naturales pero existen varios métodos para su preparación: Deshidrohalogenación o deshidratación de un halogenoácido o de un hidroxiácido, respectivamente

H

*

1

H A

R-CH-CH-COOH HX - R-CH = CH-COOH

A -HOH

1

R-CH-CH-COOH

Ótt

A partir de compuestos carbonílicos: RCOH o R1COR2

Se pueden obtener también ácidos a,j3-insaturados, mediante la reacción de un compuestos carbonílico (aldehído o cetona) y malonato de dietilo, condensación de Knoevenagel (sección 16.3.1). #O /COOEt R-C r + CH2 '\.H '\.coOEt

(Et)2NH

benceno, A

R-HC== CH-COOH + H20

Ácido a ,/j-insaturado

En esta reacción el compuesto /J-dicarbonílico se trata con una cantidad catalítica de una base, por ejemplo dietilamina, para dar el producto de condensación aldólica. Condensación de Perkin

La reacción entre un aldehído aromático y un anhídrido, en presencia de una base, conduce también a la obtención de un ácido a,/J-insaturado:

643



Cuando el anhídrido tiene dos hidrógenos en a, como en el ejemplo mostrado, siempre tiene lugar la deshidratación y no es posible aislar la sal del /J-hidroxiácido.

20.5. Compuestos dicarbonílicos Los compuestos dicarbonílicos son los que presentan dos grupos carbonilo en la molécula. Dependiendo de la posición relativa de los dos grupos se clasifican en: Compuestos 1,2-dicarbonilicos o a-dicarbonilicos Compuestos 1,3-dicarbonílicos o /J-dicarbonilicos Compuestos 1,4-dicarbonílicos o y-dicarbonilícos A continuación se muestran algunos ejemplos:

Compuestos a-dicarhonUicos:

~c-c~

0

H/ 2,3-Butanodiona

0

'\.H

Etanodial

Compuestos /J-dicarbonílicos: ó

Propanodial

2, 4-Pentanodiona

-CH¡-COOH

Ácido /3-oxociclohexanopropiónico

Compuestos r-dicarbonílicos:

º~C-CH2-CH2-CO-CH3

ó

-CH2-CH2-COOH

H/ 4-0xo-pentanal

Ácido r-oxobencenobutirico

644

QUíMICA ORGÁNICA

20.5. 1. Compuestos a-dicarbonílicos Además de las reacciones propias del grupo carbonilo (ver Tema 15), los compuestos 1,2- o a-dicarbonílicos dan otro tipo de reacciones debido a la proximidad de los dos grupos carbonilo; ambos grupos se encuentran activados frente al ataque nucleófilo: :o: :o: 11

11

e-e R/

'\.R

Así, la reacción del etanodial (glioxal) con hidróxido sódico y calor, conduce a la formación de la sal sódica del ácido hidroxietanoico (ácido glicólico):

o o

H~-~H

NaOH, A

Esta reacción es general para otros derivados a-dicarbonílicos, tales como las a-dicetonas y los a-cetoácidos y se conoce como transposición bencUica (en el ejercicio de autocomprobación n. 0 2 se indica el mecanismo por el que transcurre esta reacción). Por otro lado, la presencia de grupos electronegativos en los dos carbonos contiguos labiliza mucho el enlace C- C y puede romperse con facilidad cuando se trata con un agente oxidante débil, como el agua oxigenada, para formar ácidos carboxílicos:

o o 11

11

Rl-C-C-R2

o 11

Rl-C

o 11

+ R2-C

"-oH

"-oH

Existen varios métodos para la preparación de los compuestos a-dicarbonílicos: Oxidación de metilenos contiguos a grupos carbonilo

Los grupos metilo o metilenos en a, respecto a un grupo carbonilo, se pueden oxidar con dióxido de selenio para dar a-cetoaldehídos y a-dicetonas:

645


ww

w

CH3-C-CH2-CH3

CH3-C-C-CH3

Oxidación de compuestos a-hidroxicarbonílicos La oxidación de los compuestos a-hidroxicarbonilicos conduce a a-dicetonas y a-cetoaldehídos; en este caso los reactivos oxidantes son KMn0 4, Bi20 3 o Cu(OCOCH3}i en ácido acético:

H?

w

CH3-C-C-CH3

ww

CH3-C-C-CH3

1

H

Las a-hidroxicetonas (aciloínas) utilizadas en esta reacción se obtienen por reacción de los ésteres con sodio metálico y tratamiento acuoso posterior; esta reacción se conoce como condensación aciloínica.

o

HO l. Na, éter 2. H+, H20

11

2Rl-C-QR2

1

O 11

Rl-CH-CRl + 2 R2QH

Aciloína

20.5.2. Compuestos /j·dicarbonílicos Los compuestos j3-dicarbonílicos, tales como las j3-dicetonas y los /j-cetoésteres, son intermedios de síntesis muy útiles para la preparación de nuevas moléculas funcionalizadas, tal como se va a ver en la siguiente sección. Estos compuestos, además de las reacciones propias del grupo carbonilo, presentan unas reacciones típicas entre las que se pueden destacar: Formación de compuestos cíclicos Esta reacción tiene lugar cuando los ciclos que se formen tengan cinco o seis eslabones, y éste es un buen método para realizar la síntesis de compuestos heterociclicos (ver Tema 21). R1- C =O 1

CH2 1

R2- C =O

+

646

QUíMICA ORGÁNICA

Tautomería ceto-enólica

Mientras que los compuestos carbonílicos no se tautomerizan, en proporción apreciable, a los correspondientes enoles, en estos compuestos la enolización de uno de sus grupos carbonilo da lugar a un sistema de dobles enlaces conjugados, por formación de puentes de hidrógeno:

:o:

·o·

R-~

·~·-R

"-cH/ 1

H

Debido a este equilibrio denominado tautomeria ceto-enólica, los compuestos ,B-dicarbonílicos presentan, además de las reacciones del grupo carbonilo, las típicas de un enol. Reactividad del grupo metileno contiguo a los dos grupos carbonilo

Los hidrógenos metilénicos de los compuestos ,8-dicarbonílicos son muy ácidos y, por lo tanto, al ser tratados con una base forman un carbanión que es muy nucleófilo, y puede dar reacciones de alquilación y acilación como las que se describen en la sección 20.6. Ruptura de enlaces carbono-carbono

Los compuestos ,8-dicarbonílicos se rompen por tratamiento con soluciones concentradas de bases, para dar un ácido y una cetona. Si el compuesto es asimétrico, hay dos posibilidades de ruptura, pero normalmente la fisión ocurre en el sentido de dar el ácido más fuerte:

o

o

11

11

~

~-Rl-C-CH3

HO-

Rl-C-CH2-C-R2 concentrada

O

.____.Rl-~

o

~-R2

+

HO/

o 11

"-oH

+ CH3-C-R2

Los compuestos ,B-dicarbonílicos se preparan normalmente por medio de condensaciones üpo Claisen (ver sección 19.5.1) y mediante la síntesis aceülacéüca (sección 20.6.2).

647


Para preparar los ,B-cetoésteres cíclicos, se utiliza la condensación de Dieckmann.

o

Esta reacción es una versión intramolecular de la condensación de Claisen.

20.5.3. Compuestos r-dicarbonílicos La reactividad de los compuestos )'-dicarbonílicos no se diferencia apreciablemente de la de los compuestos monocarbonílicos, debido a que la influencia que ejercen entre sí los dos grupos es pequeña. Aquí, la reacción más interesante es la gran tendencia a la formación de compuestos cíclicos: R3NH2 o P20 5 o P2S5 R1 /

0"-x / c

'-R2

X = NR3, O o S

El método general de preparación de estos compuestos es la síntesis acetilacética, que se verá en la siguiente sección.

20.6. Síntesis malónica y síntesis acetilacética En esta sección se tratan dos estrategias de síntesis muy valiosas para la obtención de compuestos funcionalizados.

20.6.1 Síntesis malónica El método general para la preparación de ácidos acéticos sustituidos es la síntesis malónica. &ta síntesis utiliza como material de partida el malonato de dietilo (propanodioato de etilo) o éster malónico. Existen dos propiedades de este éster que lo hacen muy útil en síntesis orgánica:

648

QUíMICA ORGÁNICA

l. Acidez de Jos hidrógenos meti/énicos

El carácter ácido de estos hidrógenos se debe a que el carbanión resultante puede ser estabilizado por resonancia: H

-

1

EtOOC-CH-COOEt

EtO-C-CH-C-OEt

Malonato de dietilo

11

o

EtO-C=CH-C-OEt I _

:O:

l

11

o

EtO-C-CH=C-OEt

11

11

O

O

I _

:O:

El carbanión formado es básico y nucleófilo, por lo que puede experimentar fácilmente reacciones de eliminación o de sustitución nucleófila. 2. Facilidad para Ja descarhoxilación después de su hidrólisis HOOC-CH2-COOH + 2 EtOH

i11 H -CH2-COOH + O=C= O

La pérdida de C02 sólo puede ocurrir fácilmente a partir del ácido carboxilico; la descarboxilación transcurre por un mecanismo concertado e incluye un estado de transición cíclico: :O: 11

e 11

:O:

La sal sódica del malonato de dietilo puede ser alquilada con diferentes agentes: Con halogenuros de alquilo: RCH2X

La reacción de la sal sódica del malonato de dietilo con un halogenuro de alquilo conduce a un éster malónico, que puede originar un ácido carboxílico o


649

generar un nuevo carbanión que permita la entrada de un segundo grupo igual o diferente al primero, tal como se observa en el siguiente esquema: -

HCH(COOEt)z + NaOEt -.....--

CH(C00Et) 2Na+ + EtOH

-

CH(COOEt)2Na+ + Rl- X - - Rl - CH(COOEt)2 + NaX

Éster alquihnalónico Rl-CH(COOEt)2 + NaOEt -....-

j

-EtOH l. Hidrólisis 2.A Rl-CH2COOH + C02 Ácido acético monosustituido

Rl- C(COOEt)zNa+ + EtOH

R2 JR2- X RI- t (COOEt)2 + NaX Éster dialquilmalónico l. Hidrólisis -EtOH 2.A R2

1

RI-tHCOOH + C02 Ácido acético disustituido

Una vez formado el éster malónico alquilado, se puede hidrolizar y descarboxilar para formar los ácidos. Esta reacción es útil con halogenuros de alquilo primarios y secundarios, también con alílicos y bencílicos, pero falla con halogenuros de alquilo terciarios ya que estos conducen a productos de eliminación en las condiciones de reacción. Con derivados dihalogenados: X(CH~JC

Cuando se utilizan derivados dihalogenados, es posible la formación de anillos: / CH2X (CH2)n + '\.CH2X

/COOEt CH2

base

"-cooEt

Este método se utiliza para cerrar anillos desde tres (n =O) hasta siete miembros, aunque es la formación del anillo de cinco miembros la que procede con mayor rendimiento. Otro método que permite el cierre de anillos, implica una alquilación interna: base

650

QUíMICA ORGÁNICA

Éste método se puede aplicar para la formación de anillos de tamaño medio (de 10 a 14 miembros) con el uso de técnicas de alta dilución. Ejemplo: Br -CH2- CH2-Br + CH(COOEt)2Na+ -

4

l. Hidrólisis 2. A COOH

A_

COOEt COOEt

/COOEt Br -CH2- CH2-CH 'cooEt + NaOEt n ;-;/COOEt Br -CH2-CH2-C

¡

~'cooEt

Con a-halogenoésteres: RCHXCOOEt

El uso de un a-halogenoéster como agente alquilante, permite obtener un ácido butanodioico sustituido: X

1 /COOEt CH(COOEt)2Na+ + R- CH-COOEt - - R- CH- CH 1 'cooEt - XNa X = CloBr COOEt -

¡

-EtOH 1. Hidrólisis -C02 2. A R-CH-CH2-COOH 1

COOH Ácido butanodioico sustituido

Con halogenuros de ácido: RCOX

Permite la obtención de un /3-cetoácido:

o 11

R- C - NaX

- EtOH

/COOEt CH 'coOEt

1~: ~drólisis

o 11

R-C-CH2-COOH + C02 /3-Cetoácido

651


Con a-halogenocetonas: R1COCHXR2

La reacción de la sal sódica del malonato de dietilo con una a-halogenocetona conduce a la formación de un y-cetoácido: X

1 /COOEt CH(COOEt)2Na+ + R1-CO- CH-R2 - - Rl-CO-CH- CH - XNa 1 "'-coOEt R2 -EtOH 1. Hidrólisis -C02 2. A Rl-CQ-CH-CH2-COOH :--:

¡

1

R2 y-Cetoácido

20.6.2. Síntesis acetilacética El éster acetilacético (3-oxobutanoato de etilo) es uno de los fJ-cetoésteres más importantes, debido a su utilidad sintética; se prepara por tratamiento del acetato de etilo con etóxido sódico por medio de una condensación de Claisen (ver sección 19.5.1):

o 11 CH3- e-

OCH2CH3 + CH3-

o 11

o 11 e- OCH2CH3 o

EtONa

11

CH3- C- CH2-C-OCH2CH3 &ter acetilacético

La síntesis acetilacética utiliza como material de partida este éster y es muy similar a la síntesis malónica anteriormente vista. La sal sódica del éster acetilacético reacciona con halogenuros de alquilo para dar fJ-cetoésteres, que por hidrólisis conducen a /j-cetoácidos que pueden descarboxilarse fácilmente para dar una metilcetona: H 1

-

CH3CO-CH-COOEt + NaOEt - - CH3CO-e H-COOEtNa+ + EtOH Rl -

1

CH3CO- e H- COOEtNa+ + Rl- X - - - CH3CO-CH- COOEt + NaX fj-Cetoéster

652

QUíMICA ORGÁNICA

Rl

Rl

1 Ho1 H20 o H+ CH3CO-CH-COOEt -EtOH CH3CO-CH-coo-

-~

Rl CH3CO-tH-COOH /3-Cetoácido

A

CH3CO-CH2 -Rl Acetona monosustituida

La etapa de descarboxilación de los /J-cetoácidos obtenidos, transcurre del mismo modo al ya visto para el malonato de dietilo. Si se hace reaccionar el {J-cetoéster obtenido, después de la primera alquilación, con base se forma un nuevo carbanión que puede ser de nuevo alquilado para obtener una acetona a,a-disustituida: Rl

Rl

CH3CO-tH-COOEt NaOEt CH3CO- t -coOEtNa+ + EtOH Rl

Rl

CH3CO- t -coOEtNa+ + R2 - X - - CH3CO-t-coOEt + NaX 1

R2

Rl 1

l. Hidrólisis

1

2.A

CH3CO-C-COOEt

CH3CO-CH-Rl + EtOH + C02 1

R2

R2 Acetona disustituida

La secuencia en tres pasos: formación del carbanión, alquilación, hidrólisis y descarboxilación, es aplicable a todos los /J-cetoésteres con hidrógenos en a y no sólo al éster acetilacético. Cuando la descarboxilación del {J-cetoéster se lleva a cabo con un ácido o una base diluida se forma una cetona, pero en cambio, si se trata con una base concentrada se obtiene un éster y una sal del ácido acético: R

Hidrólisis y A

CH3CO- H-COOEt

H+ o Ho-dil. ....___ _ __

¿

-1

Ho-conc.

CH3CO-CH2-R

:

CH3Coo- + R-CH2-COOEt

653


Es posible también hacer reaccionar la sal sódica del éster acetilacético con cloruros de ácido, con a-halógenoésteres, con a-halogenocetonas y con oxaciclopropanos. A continuación se indican algunos ejemplos: COR CH3C0- 2H-COOEtNa+ + R- COX -

CH3CO- t H-COOEt + NaX-

1. Hidrólisis - - - - CH3CO-CH2-COR + EtOH + C02 2.A Compuesto (3 -dicarbonílico CH2COOEt

~

CH3CO- CH-COOEtNa+ + X - CH2-COOEt -

1

CH3CO- CH-COOEt-

l. Hidrólisis - - - - CH3CO-CH2-CH2-COOH + EtOH + C02

2.A

r-Cetoácido

o

11~

CH3CO -CH-C-OEt 1

CH2

\

~:O·/"

CH2

Lactona

Resumen de conceptos importantes 1. Cuando en las moléculas orgánicas existen diferentes grupos funcionales, éstas pueden reaccionar de acuerdo a las propiedades individuales de los centros reactivos (particularmente si los grupos están suficientemente separados), o presentar una reactividad que sea combinación de las distintas propiedades de los grupos. 2. Los halogenoáddos son ácidos carboxílicos, en los que uno o más átomos de hidrógeno están sustituidos por halógenos; son intermedios de síntesis muy importantes porque son capaces de reaccionar con una amplia gama de nucleófilos. 3. Los hidrmiáddos, conocidos también con el nombre de oxiácidos, son ácidos carboxílicos que presentan uno o varios grupos hidroxilo en su molécula. Se nombran anteponiendo el prefijo hidrmi- al nombre del ácido carboxílico del que derivan y se clasifican, al igual que los halogenoácidos, como a-, /3-, y-, etc., dependiendo de la posición relativa de los grupos.

654

QUíMICA ORGÁNICA

4. Los ácidos insaturados son aquellos ácidos que poseen una o varias insaturaciones en la cadena hidrocarbonada. Los más importantes son los ácidos a,/j-insaturados que tienen una reactividad característica, como consecuencia de la conjugación con el grupo carbonilo. 5. Los compuestos dicarbonílicos son los que presentan dos grupos carbonilo en la molécula. Dependiendo de la posición relativa de los dos grupos, se clasifican en: 1,2-dicarbonílicos o a-dicarbonilícos, 1,3-dicarbonílicos o j3-dicarbonilicos y 1,4-dicarbonilicos o r-dicarbonilicos. 6. Los /j-cetoácidos son inestables, se descarboxilan mediante un proceso concertado a través de un estado de transición aromático; esta propiedad, junto con la reactividad nucleófila de los aniones de los j3-cetoésteres, constituye una buena base para preparar cetonas y ácidos sustituidos por medio de la sintesis malónica y síntesis acetilacética.

655


Eiercicios de autocomprobación 1. Nombrar los siguientes compuestos y clasificarlos como a,

f3, y;

etc. a) 3-Etil-2, 4-pentanodiona b) Ácido propiónico e) Ácido 2,3-dihidroxibutanodioico o ácido tartárico d) Ácido 5,5-diclorohexanoico e) Ácido 2-oxociclohexanocarboxilico f) 5-Hidroxi-4-octanona

g) Ácido trans-3-fenilpropenoico o ácido cinámico

h) Ácido 2-oxopropanoico o ácido pinívico i) 3-Hidroxiciclopentanona j) 2-Butil-3-oxobutanoato de etilo 2. a) Formular el mecanismo de la reacción de la difeniletanodiona

(bencilo) con hidroxido sódico y calor. b) ¿Qué compuesto se obtiene cuando se somete a la 1,2-ciclohexanodiona a las mismas condiciones de reacción? 3. Emparejar los siguientes valores de pKa con el ácido apropiado:

pKa: 0,7, 1,3, 2,8, 2,9, 3,1y4,8 Ácidos: tricloroacético, bromoacético, cloroacético, dicloroacético, yodoacético y acético. 4. ¿Qué ocurre cuando se trata con Wla disolución de sosa a los áci-

dos a-, /3- y '}'clorobutíricos? Formular y nombrar los compuestos obtenidos.

5. Escribir los productos que se obtienen en las siguientes reacciones:

(Condensadón de Knoevenagel) a) Ciclopentanona + NCCH2CN b) Propanal + NCCH2C0 2CH 2CH3

656

QUíMICA ORGÁNICA

c) Formaldehido + C6H5COCH2COC6H5 d) Benzaldehído + CH3COCH2C02CH 2CH3 e) Pentanal + malonato de dietilo 6. Formular el mecanismo de la descarboxilación de los ,8-cetoácidos.

7. Cuando tiene lugar una síntesis malónica entre el 1,2-dibromoetano y el malonato de dietilo se obtienen dos productos diferentes según se lleve a cabo la reacción: • La adición de 1 mol de 1,2-dibromoetano a un gran exceso del éster sodiomalónico conduce a ácido adipico. • La adición de 1 mol de éster sodiomalónico a dos moles de 1,2dibromoetano seguida de la adición de 1 mol de etóxido sódico conduce al áddo dclopropano carboxíl.ico. a) Formular las reacciones indicadas y explicar por qué se obtienen productos diferentes en ambas sintesis. b) Describir con detalle como debe procederse para sintetizar el áddo dclopentano carboxíl.ico. 8. Desarrollar la síntesis de cada uno de los siguientes compuestos,

utilizando la síntesis malónica o acetilacética: a) Ácido butanoico b) Ácido glutárico c) 2,5-Hexanodiol d) 3-Metil-2-hexanol e) Ácido 4-oxo-2-metilpentanoico

657


Soluciones a los eiercicios de autocomprobación 1. a)

o

o

CH3-~-CH-~-CH3

/3-Dicetona

1

CH2CH3

b) HC==C-COOH

Ácido a,f3-insaturado

e) HOOC-CHOH-CHOH-COOH d)

a-Hidroxiácido

Cl

CH3-t-CH2-CH2-CH2-COOH

S-Halogenoácido

1

Cl

e)Q

COOH

/3-Cetoácido cíclico

o f)

o

CH3CH2CH2-~ -CH-CH2CH2CH3

¿H

a-Hidroxicetona


o

h)

11

CH3-C-COOH

i)

a-Cetoácido

o

6

OH

/3-Hidroxicetona cíclica

658

QUíMICA ORGÁNICA

j)

o

o

CH3-~-CH-~-OCH2CH3

/3-Cetoéster

tH2CH2CH2CH3

2. a) La difeniletanodiona (bencilo), se convierte en el el ácido difenilhidroxietanoico (ácido bencilico) por tratamiento con base:

a D O

O

~-~

0-1 f_, ó OH

NaOH,H20. 100 ºC

coo-Na+

El mecanismo por el que transcurre esta reacción es el siguiente:

Transposidón bencílíca

Adición nucleófila del ion hidroxido a uno de los carbonos carbonílicos, luego ocurre la transposición de un grupo fenilo y finalmente la transferencia de un protón completa la reacción. b) La 1,2-ciclohexanodiona es una a-dicetona cíclica que en esas condiciones de reacción, hidroxido sódico y calor, experimenta también una transposición bencUica y el anillo se contrae para dar lugar al ácido-1-hidroxiciclopentanocarboxílico:

CX:

Co=-

o NaOH¡ H20,

~H

H+, H2Q

()<~~OH

El mecanismo es similar al descrito anteriormente.

659


3. Los halogenoácidos son más ácidos que sus análogos no sustituidos. Esta ácidez es tanto mayor cuantos más átomos de halógeno estén presentes en la molécula y cuanto más próximos se encuentren al grupo carbonilo.

Así mismo, los cloroácidos son más ácidos que los yodoácidos, ya que la electronegatividad varia segun F>Cl>Br>l. Ácido Tricloroacético Dicloroacético Cloroacético Bromoacético Yodoacético Acético

p.Ka

0,7

1,3

2,9

2,8

3,1

4,8

4. Los halogenoácidos, al ser tratados con una disolución de sosa, reaccionan de modo distinto dependiendo de la posición en la que se encuentra el halógeno. CH3-cH2- CHCl-COOH

Ácido a-clorobutírico CH3-CHC1-CH2-COOH

Ácido /j-clorobutírico CH2Cl- CH2-CH2-COOH

Hodiluida

Hodiluida

CH3-CH2- CHOH-COOH

Ácido a-hidroxibutirico CH3-CH=CH-COOH

Ho-

Ácido 2-butenoico

CH3LJOO

diluida

Ácido y-clorobutirico

3-Metil-2-oxaciclopentanona (Lactona)

5. La condensación de aldehídos o cetonas, en presencia de una base, con compuestos del tipo z1-cu2-z2, como los indicados en este ejercicio, se conoce como reacción de Knoevenagel:

o

Rl-~-R2

+ Zl-CH 2 -Z2

base

Rl-C-R2 11

Zl-C-Z2

a)

660

QUíMICA ORGÁNICA

b) CH3CH2CHO + N==CCH2C02CH2CH3 - -

/CN CH3CH2CH=C, C02CH2CH3 c)

o

~

W

)-caHs

CH2=0 + C5H5CCH2CCsHs - - H2C=C, C-CaHs

&

8.

O

o

R2

Rl-~-tH-COOH

A

Rl-~-CH2-R2

/3-Cetoácido

HA

=f!) C?= Rl/C'-?"~b: H/ '-R2 ..

+ C02

Cetona

:OH

:O:

1

e Rl / '\:HR2

11

+

e 11

:O:

O 11

e

+ co2

Rl/ '-cH R2 2

La descarboxilación transcurre por un mecanismo concertado mediante un estado de transición cíclico.

661


7. a) Br-CH2-CH 2-Br + H2C(COOEth - - - HOOC-CH2-CH2-CH2-CH2-COOH

Ácido adípico H'¡(COOH

o bien

Ü

Ácido ciclopropanocarboxilico

Cuando la reacción se lleva a cabo con un gran exceso del éster sodiomalónico, se produce el desplaz.amiento de los dos átomos de bromo del 1,2-dibromoetano: -cu(COOEt)iNa+ + BrCH2CH2Br + -cu(COOEt)2Na+ -

(EtOOC)iCH-CH2-CH2-CH(COOEth + 2NaBr

1. Hidrólisis

2.A

1

HOOC-CH2-CH2-CH2-CH2-COOH

Por el contrario en la síntesis del ácido cíclico, el exceso constante de halogenuro asegura la monosustitución: -cH(COOEt)2Na+ + BrCH2CH2Brexceso -

(EtOOC)iCH-CH2CH2Br + NaBr

Luego la adición de un segundo mol de etóxido sódico genera un carbanión que cierra el anillo mediante un ataque nucleófilo intramolecular: (EtOOC)2CH-CH2-CH2Br + EtO- -

...______....

(EtOOC)2C-CH2-CH2J)r-

/CH2 -(EtOOC)2-C 1 '-CH2

1 H"dróli · .

2· A

l

SIS

/CH2 HOOC-HC 1 '-CH2

662

QUíMICA ORGÁNICA

b) Del mismo modo que se ha descrito para el ácido ciclopropanocarboxílico sólo que hay que emplear BrCH2CH2CH2CH2Br /CH2x_,,,-H2C :' CH-COOH

" ·7 •. H2C-CH;~· 8.. a)

CH2-COOH

Síntesis malónica

1

CH2CH3 HCH(COOEt)2 + NaOEt --

-cH(COOEt)2 Na+ + EtOH

-cH(COOEt) 2 Na+ + CH3CH2Br CH3CH2CH(COOEt)i + NaBr l. Hidrólisis CH3CH2CH(COOEt)2 CH3CH2CH2COOH 2.A

-

b) HOOCCH2-+-cH 2-i CH2COOH 1

Síntesis malónica

1

HC(COOEth + BrCH2Br + HC(COOEt)i - - (COOEt)iCH-CH2-CH(COOEth l. Hidrólisis 2.A - - Ácido glutárico e)

CH 3-CH-CH2-CH 2-CH-CH3 1

Síntesis acetilacética

1

OH OH CH3COCH2COOEt + EtONa - - CH3COCHCOOEtNa+ + EtOH CH3COCHCOOEtNa+ + CH3COCH2Cl -CH3COCH-CH2-COCH3 1

1. Hidrólisis 2. A

COOEt -

CH3COCH2CH2COCH3 H2, Pd-C

-

CH3CH-CH2 -CH2-CH-CH3

¿H

¿H

663


Este compuesto se puede preparar también del siguiente modo: 2 [ CH3COCHCOOEtNa+] + 12 -

COOEt COOEt -

1

1

CH3C-CH-CH-C-CH3 + 2Nal

~

~

l. Hidrólisis 2. A

CH C-CH -CH -C-CH

3~

H'd ., 1 rogenacmn

2

2

~

2,5-Hexanodiol

d) CH3-CH-CH +cH2 -CH2-CH3

ÓH

3

-tu3


La primera alquilación con CH3CH2CH2Br y la segunda con CH3Br y finalmente reducción. LiAIH4 CH3-C-CH-CH2-CH2-CH3 - - - 11

O

1

CH3

---CH3-CH-CH-CH2-CH2-CH3 1

OH e)

1

CH3

O

HOOC-CH-CH2-~-CH3


1

CH3

Se utiliza un a-halogenoéster como agente alquilante CH3COCHCOOEtNa+ + CH3-CH-COOEt 1

Br COOEt

COOH l. Hidrólisis 1 -CH3COCHCH-CH3 - - - - CH3COCH2CHCH3 1

1

COOEt

2.A

#

UNIDAD DIDACTICA VI

Tema 21

Compuestos aromáticos policíclicos y heterocíclicos 1

SUMARIO 1

1

21.1. Compuestos aromáticos policíclicos

21.1.1. Enlaces en los compuestos aromáticos pollciclicos 21.1.2. Reactividad de los compuestos aromáticos policíclicos 21.1.3. Síntesis de naftaleno, antraceno y fenantreno 21.1.4. Otros compuestos policíclicos de interés 21.2. Heterociclos 21.3. Heterociclos aromáticos pentagonales con un heteroátomo. Pirrol, furano y tiofeno 21.3.1. Estructura y aromaticidad 21.3.2. Sustitución electrófila en el anillo 21.3.3. Hidrogenación y reacciones de adición 21.3.4. Métodos de síntesis 21.4. Heterociclos aromáticos pentagonales con varios heteroátomos. Azo les 21.4.1. Estructura y aromaticidad 21.5. Heterociclos aromáticos hexagonales con un heteroátomo. Piridina 21.5.1. Estructura y aromaticidad 21.5.2. Reactividad 21.5.3. Métodos de síntesis 21.6. Heterociclos de anillos condensados. Indol, quinolina e isoquinolina 21. 7. Alcaloides Resumen de conceptos importantes Ejercicios de autocomprobación Soluciones a los ejercicios de autocomprobación

OBJETIVOS _ 1

1

_ _ _ _ _ _ _ _ _ __

1

1. Conocer distintas estructuras tanto cíclicas como policíclicas y su nomenclatura. 2. Ampliar el concepto de aromaticidad aplicado al benceno a otros

hidrocarburos aromáticos policiclicos y heterociclicos. 3. Relacionar las estructuras resonantes de diferentes compuestos aromáticos policíclicos y heterocíclicos con la reactividad de los mismos.

4. Aplicar diversas estrategias de síntesis orgánica en la obtención de hidrocarburos policíclicos aromáticos y heterociclos. 5. Conocer la importancia de los heterociclos en la naturaleza.

COMPUE.5TOS AROMÁTICOS POLICÍCLICOS Y HEI'EROCÍCLICOS

669

21. 1. Compuestos aromáticos policíclicos En el Tema 13 se ha estudiado el benceno como representante de un gran número de compuestos aromáticos que pueden agruparse en dos clases: policíclicos y heterocíclicos.

Los compuestos aromáticos policíclicos también se denominan compuestos aromáticos polinucleares de anillos condensados o de anillos fusionados, o hidrocarburos policíclicos bencenoides, y se caracterizan por tener anillos con átomos de carbono compartidos y una nube aromática ~ común. Solamente hay una forma de unirse dos anillos de benceno con átomos de carbono compartidos, y el compuesto resultante es el naftaleno. Pueden seguir fusionándose otros anillos en forma lineal, dando lugar al antraceno, tetraceno, pentaceno, etc., formando la serie de los acenos. Si se produce una fusión angular, llamada peri-fusión, da lugar al fenantreno, el cual puede fusionarse con otros anillos obteniéndose una gran variedad de policiclos bencenoides (Figura 21.1). Los policiclos aromáticos bencenoides conservan nombres vulgares, y la forma de numerar los carbonos no sigue una regla fija, sino que se ha establecido por conveniencia.

7CT) i ~2 8

6~

1

4

#

5 ª 4 Naftaleno

3

¿6 1

Trifenileno Pireno Figura Zl.1. Algunos compuestos aromáticos policíclicos.

670

QUíMICA ORGÁNICA

Como se observa, los carbonos cuaternarios se numeran como el carbono precedente seguido de las letras a o h dependiendo de si sólo hay un carbono o dos. En este Tema no se aborda la nomenclatura de la IUPAC ni la de compuestos con más anillos, ya que será estudiada en cursos superiores.

21. 1. 1. Enlaces en los compuestos aromáticos policíclicos Cabe recordar que para que un anillo monocíclico sea aromático ha de cumplir los siguientes requisitos: a) Cada átomo de carbono del anillo tiene que tener un orbital p libre para formar el enlace Tr. b) El sistema del anillo ha de ser plano o aproximadamente plano. c) Debe tener (4n + 2) electrones 'Ir en el sistema anular (regla de Hückel). El sistema aromático policíclico ha de cumplir, salvo excepciones, los mismos criterios aplicándose la regla de Hückel a los carbonos s¡I- periféricos. Así pues, el número de electrones se puede contar fácilmente. Por ejemplo:

14 electrones 1t (n = 3)

1Oelectrones n (n= 2)

14 electrones

1t

(n= 3)

En cuanto a las longitudes de los enlaces entre los carbonos no son iguales, como ocurría en el benceno. En el naftaleno, por ejemplo, la distancia entre los carbonos 1 y 2 es menor que entre el 2 y el 3.

C-C en el etano 1,54 A C=C en el eteno 1,34 A C-C en el benceno 1,39 A

4 1,39Á

671


De estas medidas se desprende que la distribución de los electrones no es igual en todos los enlaces del naftaleno. Hay enlaces con mayor carácter de doble enlace que otros. El naftaleno presenta varias formas resonantes.

El fenantreno muestra diferencias shnilares entre sus enlaces. El carácter de doble enlace entre los carbonos 9 y 10 es particularmente evidente en su reactividad, como se verá en las siguientes secciones.

21. 1.2. Reactividad de los compuestos aromáticos policíclicos Los compuestos aromáticos policiclicos son más reactivos frente a la oxidación, reducción y sustitución electrófila que el benceno. La razón se debe a que en los compuestos policíclicos la reacción se lleva a cabo en un solo anillo dejando el resto de anillos bencenoides intactos, y, por tanto, se requiere menor energía para romper la aromaticidad en un solo anillo de un compuesto policíclico aromático, que la que se requiere en el benceno.

Oxidación El benceno no se oxida fácilmente, sin embargo, el naftaleno puede dar productos de oxidación. Por ejemplo el anhídrido ftálico se prepara comercialmente a partir de naftaleno.

o:

~OH

'coH

Naftaleno

~

Ácido ftálico

-H20

o Anhídrido ftálico

Bajo condiciones controladas la 1,4-naftoquinona puede aislarse por oxidación del naftaleno.

672

QUíMICA ORGÁNICA

o

Naftaleno

1,4-Naftoquinona

Así mismo, el antraceno y fenantreno se oxidan a quinonas:

9, 10-Antraquinona

Antraceno

Fenantreno

9, 10-Fenantraquinona

Reducción

Los compuestos policíclicos pueden reducirse parcialmente en condiciones suaves, por ejemplo con sodio y etanol.

o

Na, EtOH A

No hay reacción

Na, EtOH A

Tetralina


673

Na, EtOH A 9, 10-Dihidroantraceno

Si se quiere continuar la reducción del resto de los anillos aromáticos, habría que utilizar condiciones de hidrogenación más drásticas como en el benceno.

Naftaleno

Pt 225 ºC, 35 atm.

De calina Tetralina

Reacciones de sustitución electrófila

Los sistemas de anillos aromáticos policiclicos son más reactivos que el benceno frente a un ataque electrófilo. El naftaleno es atacado por electrófilos predominantemente en la posición 1. En el esquema siguiente se resumen las reacciones de sustitución electrófila más importantes del naftaleno. Br Br-Br, CCl4 A

Ácido 1-naftalenosulfónico

1-Bromonaftaleno

1-Acetilnaftaleno

1-Nitronaftaleno

674

QUíMICA ORGÁNICA

El mecanismo de la reacción es el siguiente: E

H E+

lento

+

- ff+

+ ff +

rápido

El intermedio que se forma presenta varias estructuras de resonancia:

Mayor contribución

Como puede verse, el intermedio formado está estabilizado por resonancia (siendo las estructuras 1, 11, 111 y IV las de mayor contribución, ya que mantienen la estructura aromática de uno de los anillos), y ésta es la razón por la que el naftaleno da reacciones de sustitución electrófila con más facilidad que el benceno. La energía requerida para que se forme el intermedio en el benceno es mayor que la que se requiere para el naftaleno.

o

Requiere 36 Kcal rno1-1 para destruir la aromaticidad

+

Requiere sólo 25 Kcal rno1-1

675


Se plantea ahora la siguiente pregunta: ¿por qué la posición 1 del naftaleno está favorecida frente a la posición 2? La respuesta se deduce de la formulación de las estructuras resonantes del intermedio correspondiente a la segunda posibilidad. +

E+ lento

E

- H+

rápido Intermedio

El intermedio que se forma presenta varias estructuras de resonancia: +

E

-:?"

E

-:?" ~

~

+

IV

I

1+ 11

E

+

V

VI

Mayor contribución

Como se observa en la sustitución en la posición 2 sólo hay dos estructuras, la 1yla11, con mayor contribución (mantienen la estructura bencenoide en un anillo), frente a cuatro en la sustitución en la posición l. Por tanto, el intermedio 1-sustituido está más estabilizado por resonancia. La reacción de sulfonación es algo más compleja, ya que es reversible y dependiendo de la temperatura se obtiene el naftaleno 1- o 2-sustituido. A 80 ºC se obtiene el ácido 1-naftalenosulfónico que es el producto de control cinético, y a temperaturas más elevadas se obtiene el ácido 2-naftalenosulfónico, aunque en ambos casos también se forma algo del otro isómero.

676

QUíMICA ORGÁNICA

~(\ºC

~

+ S03

lBo ºC

~

A pesar de que el ácido 1-naftalenosulfónico se forma a bajas temperaturas, es menos estable que su isómero 2 debido a la repulsión entre el grupo -S03H y el hidrógeno de la posición 8. Por eso, en este caso, predomina el producto de control cinético.

H~ayor repulsión

H~~Menor ~

§

03H

repulsión

~~

H

Así pues, a temperaturas superiores, aunque el ácido 1-sustituido se forme más rápidamente también se convertirá en naftaleno con mayor rápidez, y el ácido 2-sustituido se formará con mayor lentitud, pero una vez formado, el proceso reversible también es más lento. Es obvio, por tanto, que en este caso predomine el producto de control termodinámico. En la Figura 21.2 se muestra el diagrama de energía de la sulfonación del naftaleno. A80ºC

cxSH ro50sH

1

.ú

E

co

+ S03

.ú

Progreso de la reacción - - - - Figura 21.2. Diagrama de energía de la sulfonación del naftaleno.

677


El antraceno, el fenantreno y compuestos con mayor número de anillos fusionados, son incluso más reactivos frente a la sustitución electrófila. Sin embargo, estas reacciones no son tan importantes ya que dan mezclas de isómeros y son díficiles de separar. Por ejemplo, en la mononitración del fenantreno se obtienen los cinco isómeros posibles.

+

Reacciones de adición

Además de adicionar hidrógeno, los compuestos policíclicos también adicionan halógenos. Por ejemplo: Cl

Naftaleno

Cl

Cl

Cl Br

Br

Br-Br CCl4 Fenantreno

Reacción de Diels-Alder

El antraceno, así como derivados superiores (los acenos), dan fácilmente la reacción de Diels-Alder debido al carácter de dieno conjugado del anillo o anillos centrales.

678

QUíMICA ORGÁNICA

+

21.1.3. Síntesis de naftaleno, antraceno y fenantreno Aunque la fuente principal de hidrocarburos aromáticos es el alquitrán de hulla, también se sintetizan en el laboratorio. La síntesis general de estos derivados policíclicos se lleva acabo por medio de reacciones bien conocidas: a) Reacción de Friedel-Crafts del benceno con un anhídrido. b) Reducción de Clemmensen de la cetona resultante. c) Reacción de Friedel-Crafts, intramolecular, para formar el nuevo anillo. d) Adición, en su caso, de un reactivo de Grignard. e) Deshidratación. f) Deshidrogenación.

Ver ejercicio 1 del presente Tema.

21. 1.4. Otros compuestos policíclicos de interés Hexahelicenos Cuando se estudia el benzo[c]fenantreno, se observa interacción estérica entre los protones de las posiciones 1 y 12; para evitar esta interacción la molécula pierde la coplanaridad y los anillos bencénicos se disponen formando una espiral o hélice.

Benzo [e] fenantreno


679

Esta disposición helicoidal se observa mejor al aumentar el número de anillos, siendo el hexaheliceno el primero de la serie. La molécula se puede representar mediante tres planos, incorporando cada uno de ellos una unidad de naftaleno, siendo el ángulo entre los dos planos que contienen los bencenos terminales de 58,5º (Figura 21.3).

Figura 21.3. Hexaheliceno.

La familia de helicenos comprende todos los análogos superiores al hexaheliceno. La hélice puede ser de derecha o izquierda (a o fJJ dando lugar a dos formas enantioméricas o atropois6meros. Por ello, presentan unos valores del poder rotatorio muy elevados, superiores a los valores que presentan los enantiómeros que poseen un carbono asimétrico. Por ejemplo, la rotación específica del hexaheliceno es [aJ55 = 3640º. Grafito y fullerenos El grafito está formado por capas de anillos bencénicos hexagonales y planos cuya longitud de enlace carbono-carbono (1,42 Á) es similar a la que presenta el anillo de benceno (1,39 Á). Las capas presentan un número infinito de anillos aromáticos fusionados. No hay enlace covalentes entre los átomos de carbono de las diferentes capas y se mantienen unidas por fuerzas de van der Waals. Se cree que las propiedades lubricantes del grafito son debidas al desplazamiento de las capas entre sí (Figura 21.4).

680

t 3,4

QUíMICA ORGÁNICA

A

~

Benceno Grafito Figura 21.4. Estructura del grafito.

Hasta 1985 sólo se conocían dos formas alotrópicas del carbono: el grafito y el diamante. En dicho año se obtuvo el C60 a partir del grafito por la acción de pulsos de un rayo láser de alta energía. Ningún descubrimiento químico ha tenido la importancia, ni ha estimulado tanto la investigación como el descubrimiento del C60 , un compuesto de gran estabilidad. Pero ¿que es el C60 y por qué es tan estable? Si se analiza lo que sucedería a una capa de grafito si se le aplicara la cantidad de energía suficiente (como en el experimeto del rayo láser) para que liberase un átomo de carbono de uno de sus anillos, reduciendo este anillo de su forma hexagonal a pentagonal, se obtendría una estructura curva y no plana. Por ejemplo, el coranuleno, un hidrocarburo aromático conocido que tiene cinco anillos bencénicos alrededor de un pentágono, y consecuentemente no es plano.

Coranuleno

Si se supone que se van añadiendo anillos bencénicos se llega a una estructura en forma de esfera. La estructura propuesta iniciahnente para el C60, y que más tarde se comprobó, es igual que la de un balón de fútbol, como muestra la Figura 21.5.


681

Figura 21.5. Estructura del C80 o Buckminsterfullereno.

Como puede observarse el C60 tiene 32 caras, 12 de las cuales son pentágonos y el resto hexágonos, con 60 vértices poseyendo, cada uno de ellos, un átomo de carbono. Al C60 se le dio el nombre de «buckminsterfullereno» por R. Buckminster Fuller, arquitecto que utilizó una forma similar para construir cúpulas geodésicas. Coloquialmente a las moléculas del C60 se les denomina buckybolas. Los compuestos que derivan de él, con otros agrupamientos semejantes a ellos que encierran un espacio (como es el caso del C70 que tienen forma de balón de rugby), reciben el nombre de fullerenos.

Hidrocarburos aromáticos cancerígenos Algunos hidrocarburos policiclicos aromáticos son cancerígenos, es decir, producen cáncer. Estos hidrocarburos no sólo están presentes en el alquitrán de hulla, sino que también se encuentran en el hollín, en el humo del tabaco y se pueden formar a partir de la combustión de otros compuestos, como, por ejemplo, la carne a la barbacoa. Es bien conocido como estos compuestos producen cáncer. Para eliminar los hidrocarburos, el organismo los oxida para hacerlos más solubles en el agua, y de esta forma poder excretarlos. Los productos de oxidación metabólica parecen ser los verdaderos causantes del cáncer. Por ejemplo, uno de los cancerígenos más potentes de este tipo es el benzo[a]pireno, cuya oxidación enzimática lo convierte en el epoxidiol.

682

QUíMICA ORGÁNICA

enzima ..s.··

HO~

OH

Benzo [a] pireno

Epoxi-diol del benzo[a]pireno

21.2. Heterociclos Los heterociclos son los análogos de los compuestos carbocíclicos en los que uno o más átomos de carbono han sido reemplazados por heteroátomos como nitrógeno, oxígeno o azufre Oos más comunes), fósforo, silicio, un metal, etc. Más de la mitad de los productos naturales son heterociclos, y un pocentaje muy elevado de drogas y medicamentos, entre otros, poseen en su estructura un anillo heterocíclico, lo que da una idea de la importancia de este tipo de compuestos. Los heterociclos se clasifican en dos grandes grupos: a) Heteroddos alifáticos, que desde el punto de vista estructural pueden considerarse como los análogos cíclicos de éteres, aminas, amidas, enaminas, etc. Poseen muchas propiedades comunes a las de sus análogos acíclicos. Sin embargo poseen características especificas, ya que el grupo funcional queda modificado. b) Heteroddos aromáticos, que poseen propiedades típicas de los compuestos aromáticos. Aunque frecuentemente los heterociclos tienen nombres vulgares, la nomenclatura sistemática puede resumirse en las siguientes reglas: a) Un compuesto monociclico con un heteroátomo se nombra con un prefijo que indica la naturaleza del heteroátomo existente (oxa para el oxígeno, aza para el nitrógeno y tia para el azufre) y un sufijo de la Tabla 21.1. b) Cuando hay dos o más heteroátomos iguales se antepone el prefijo di, tri, tetra, etc.; si los heteroátomos son distintos, se citan los prefijos oxa, tia, aza, fosfa, sucesivamente según el orden indicado. Tiene preferencia el heteroátomo perteneciente al grupo más alto del sistema periódico y dentro de cada grupo el que tenga mayor número atómico. c) La numeración se inicia por el heteroátomo preferente, de forma que a los demás heteroátomos y sustituyentes correspondan los números más bajos.

683


Tabla 21.1. Sufijo utilizado en la nomenclatura de heterociclos Ciclos nitrogenados

3 4

iridina etidina olidina perhidro+ina perhidro+epina

irina

eto ol ina epina

5

6 7

ireno eto ol ino epino

irano etano alano ano epano

d) El estado de hidrogenación se indica con los prefijos, d.ihidro, tetrahidro, perhidro, o bien con el símbolo H precedido de un número que indique el lugar de la insaturación. e) Para nombrar los heterociclos con núcleos condensados, se utiliza el nombre de compuesto carbociclico y el prefijo oxa, tia, etc., con un número que indique la posición del heteroátomo. Los ejemplos expuestos a continuación siguen las mencionadas reglas:

o

OH

H

Azolidina (Pirrolidina) (Azaciclopentano)

n

Azetidina (Azaciclobutano)

N

(J o

º"'-/º 1, 3-Dioxolano

V

1,3-0xazol

Oxirano (Óxido de etileno) (Oxaciclopropano) N

() s 1,3-Tiazol

o

H Perhidroazina (Piperidina)

co N H

1,2-Dihidro-1-azanaftaleno

1, 5-Diazabiciclo [3.2.0]heptano

9, 1O-Dihidro-9-oxantraceno

684

QUíMICA ORGÁNICA

A continuación se van a estudiar los heterociclos aromáticos más representativos. Pueden considerarse dos tipos de sistemas heterocíclicos que poseen propiedades aromáticas: • Grupo a o n-scedentes: Sistemas en los que el heteroátomo sustituye a una unidad de doble enlace carbono-carbono (-C = C-) en el compuesto carbocíclico aromático y contribuye con dos electrones al sistema n. Ejemplos de éstos son: pirrol, furano y tiofeno.

o N H

Pirrol

o R

Furano

Tiofeno

• Grupo b o n-defidentes: Sistemas en los que el heteroátomo reemplaza a un átomo de carbono y aporta un electrón al sistema n. Ejemplo de este grupo es la piridina.

o N

Piridina

Los heterociclos pentagonales (n-excedentes) solamente presentan una fórmula de Kekulé, sin embargo, presentan otras formas resonantes:

v ,.-;-_ Q-co~00 X +X +X

o +X

Para X= O, S, NH

En el caso de los heterociclos de seis eslabones (n-deficientes), como la piridina, las fórmulas de Kekulé son análogas a las del benceno.

o N

685


Pero la piridina, debido a la gran electronegatividad del nitrógeno, en relación con la del carbono, presenta formas iónicas, que contribuyen a su estructura:

(] ------+~ N

N

+

o

G N

N

Existen compuestos como el imidazol y el pirazol, que poseen un nitrógeno del tipo de la piridina y otro del tipo del pirrol en un anillo de cinco eslabones.

cJN H

Los heterociclos aromáticos también se presentan en forma de anillos condensados como, por ejemplo, el indol o la quinolina.

Quinolina

Indol

21.3. Heterociclos aromáticos pentagonales con un heteroátomo. Pirrol, furano y tiofeno

Un heterociclo de cinco miembros con un solo heteroátomo, dependiendo de que éste sea N, O o S, recibe el nombre de pirrol furano o tiofeno. Son en realidad l-hetero-2,4-dclopentadienos.

o N H

Pirrol

o R

Furano

Tiofeno

686

QUíMICA ORGÁNICA

Para numerar las distintas posiciones se comienza por el heteroátomo.

A las posiciones más próximas 2 y 5 también se les denomina a, y a las más alejadas, 3 y 4. {3.

21.3. 1. Estructura y aromaticidad El heteroátomo contiene pares de electrones no enlazantes. Uno de los pares se deslocaliza en el anillo para que se cumpla la regla de Hückel (4n + 2). Para conseguir el máximo solapamiento, la hibridación de los heteroátomos es del tipo s¡j, y el par deslocalizado se asigna al orbital prestante (Figura 21.6). Orbital híbrido s¡il-

Pirrol

Furano (X = O) Tiofeno (X = S)

Figura 21.6. Orbitales moleculares del pirrol, furano y tiofeno.

En el pirrol, el nitrógeno con hibridación s¡j tiene un sustituyente de hidrógeno en el plano de la molécula. En el furano y tiofeno. el segundo par de electrones se localiza en uno de los orbitales híbridos s¡j también en el plano y. por tanto, sin posiblidad de solapamiento. La deslocalización del par de electrones no enlazante en los 1-hetero-2,4-ciclopentadienos puede describirse mediante formas de resonancia con separación de carga. como se muestra a continuación:

687


Pirrol

,.-;-_

G- co- ~o N H

+N H

o

F\1 -

~N).

+N H

+N H

H

Furano y tiofeno

,--:-._

o

G- co- ~a x

+X

+X

+X

X=O,S

Como se observa los carbonos presentan una cierta densidad electrónica, por lo que la reactividad de los compuestos vendrá condicionada por ello, como se verá más adelante. 21.3.2. Sustitución electrófila en el anillo

Hay dos posiciones posibles para el ataque por electrófilos en el pirrol, furano y tiofeno, la a y la [3. La posición preferente de ataque en la sustitución electrófila es la a. Ello se debe a que el ion formado como intermedio es más estable que el que se forma si el ataque fuera en la posición /J.

Ataque ena

GH oH oH-H+°' X

E-

X

Ataque en j3

ó: X

IV

X

}x

E-

11

1

ºª E+

+

+

E -

X

E

111

ÓH +X

IV

E

E-ó

Como se observa el intermedio tiene tres estructuras resonantes cuando el ataque es en posición a, frente a dos cuando es en [3. Sin embargo, como la posición [3 también está activada frente al ataque electrófilo, se pueden obtener mezclas de

688

QUíMICA ORGÁNICA

productos, dependiendo de las condiciones, sustrato y electrófilo. Por ejemplo, en la nitración del pirrol, según los reactivos y las condiciones de reacción, se obtienen diferentes rendimientos y productos.

°'N02

HN03 (CH3C0)20 5°C

o N H

H 80%

°'

CH3COON02 Ac20 -lOºC

N N02 H 50%

ON02 +

N H 13%

El pirrol es sumamente reactivo comparado con el benceno, debido a la contribución de la estructura 111 relativamente estable, en la que cada átomo tiene un octete de electrones y el nitrógeno simplemente acomoda la carga positiva para compartir cuatro pares de electrones. De forma similar se explica la elevada reactividad del furano y tiofeno. Los 1-hetero-2,4-ciclopentadienos están más activados frente a la sustitución electrófila que el benceno en el siguiente orden: pirrol > furano > tiofeno >> benceno En el caso del pirrol, la sustitución electrófila también puede ocurrir en el átomo de nitrógeno. El pirrol presenta propiedades anfóteras. El pirrol es un ácido débil (p.T
ºNa,K N H

O -O - -:O -0 -' N ..

N ..

N ..

.. N

El anión pirrolato resultante reacciona fácilmente con electrófilos:

o N

t oCH3

CH3COCI

O N

Na•

Na+,K+


689

21.3.3. Hidrogenación y reacciones de adición Los 1-hetero-2,4-ciclopentadienos se pueden hidrogenar por reducción catalítica. Así, a partir de furano se obtiene el tetrahidrofurano (THF), muy empleado como disolvente.

o

o

Ni, 2H2

o

Tetrahidrofurano Así mismo, el pirrol se reduce con mucha facilidad:

o

o

Hz/cat.

N H

H

PirroJidina

También se pueden reducir parcialmente:

o o o

N H

Zn HOAc

o o o

2, 5-Dihidrofurano Zn HOAc

N H

Pirrolina

El furano, debido a su bajo grado de aromaticidad puede actuar como dieno en la reacción de Diels-Alder. Esta reacción es común para los furanos que no posean grupos atractores de electrones.

CH3

690

QUíMICA ORGÁNICA

21.3.4. Métodos de síntesis

La síntesis de 1-hetero-2,4-ciclopentadienos requiere estrategias de ciclación. Un método general es la síntesis de Paal-Knorr. Se parte de un compuesto '¡'-dicarbonílico, enolizable por tratamiento con una amina, para pirroles, o P20 5 y P2S5 para furanos y tiofenos respectivamente. El proceso sería una deshidratación de un enol intermedio.

~

Rl-\

7-Rl

OHHO

21.4. Heterociclos aromáticos pentagonales con varios heteroátomos. Azoles Los azoles son compuestos derivados del pirrol, furano y tiofeno, en el que se ha sustituido uno o varios grupos -CH- por un átomo de nitrógeno. Por ejemplo:

o

fJ

¡-~T

s

(o)

1,3-Tiazol

1,3-0xazol

1,2,3,5-Tetrazol

s

1,2-Tiazol

'N/~ H

21.4. 1. Estructura y aromaticidad

Los azoles son compuestos aromáticos, siendo el orden de aromaticidad: tiazoles > d.iazoles > oxazoles. En el caso de los diazoles las formas canónicas que representan su estructura son análogas a las del furano, pirrol y tiofeno.

CN: C) X

X

0 :- -:0 : +X~

+X

N-

C> +X

-:

CN) +X

Q :-

e>=-

CN: +X

-· N

C>


691

Es importante tener en cuenta que el pirazol y el imidazol presentan tautomería por transferencia del protón en posición 1 a la posición 2 ó 3, respectivamente.

Pirazol

21.5. Heterociclos aromáticos hexagonales con un heteroátomo. Piridina

21.5. 1. Estructura y aromaticidad La piridina resulta de la sustitución en el anillo de benceno de un carbono por un átomo de nitrógeno. Es un compuesto aromático, como lo demuestran sus propiedades, es plana, los ángulos de enlace son de 120º, los cuatro enlaces C-C tienen igual longitud 1,4 A, intermedia entre un enlace sencillo y uno doble, como la tienen también los enlaces C-N, 1,34 A. Es resistente a las reacciones de adición, y puede someterse a las reacciones de sustitución eletrófila. Debido a la electronegatividad del átomo de nitrógeno, puede presentar, además de las formas de Kekulé, formas resonantes que dejan la carga negativa en el átomo de nitrógeno y la positiva en el carbono (sección 21.6). La estructura electrónica de la piridina es análoga a la del benceno, cada átomo de carbono aporta un electrón al sistema n, siendo el nitrógeno el que aporta el electrón restante (Figura 21. 7).

H

~

Orbital sp.

Figura 21. 7. Orbitales moleculares de la piridina.

692

QUíMICA ORGÁNICA

21.5.2. Reactividad Las reacciones de la piridina se clasifican en dos grupos:

-

Reacciones debidas al heteroátomo

-

Reacciones debidas al anillo aromático

Al igual que se vio en los azoles, la piridina presenta carácter básico debido a que el par de electrones del orbital s¡I- del átomo de nitrógeno, que no pertenece al sistema n, le confiere a la piridina cierta basicidad. Esta propiedad se pone de manifiesto cuando se trata la piridina con ácido, formándose el catión piridinio por protonación.

o

o

H+

N

1+

H Ion piridinio

La basicidad de la piridina es menor que la de las aminas alifáticas (pKa piridina = 5,2; pKa amina alifática= 10). En ocasiones es utilizada como disolvente. La basicidad y nucleofilia de la piridina se pone de manifiesto también frente a ácidos de Lewis y a otros reactivos electrófilos para dar sales de .N-alquilpiridinio.

o N

CH3CH2I

Or+

I

CH2CH3 Yoduro de N-etllpiridinio

Uno de los derivados de la piridina de mayor interés es el .N-óxido ya que presenta mayor reactividad que la propia piridina, tanto frente a los electrófilos como nucleófilos. Su síntesis se hace a partir de piridina con peróxido de hidrógeno en medio ácido.

o N

Or+I

o-

N-Óxido de piridina

693


El N-óxido de piridina presenta las siguientes estructuras de resonancia:

o - -0 N

o º ·-

N

+1

..

:o :-

N

+ 11

O: ..

¡

N

+11 .O:.

+ 11

O: ..

+O ó

etc.

N 1

1

:o :-

:o :-

Así, por ejemplo, la nitración del N-óxido de piridina se consigue con buen ren-

dimiento, mientras que la piridina se nitra con dificultad.

o

HNO:YJl2S04 lOOºC

N

ó

ó

PCl3

N 80%

N

+I

+I

o-

o-

o N

HNO:YJl2S04 300ºC

O N02 1

N 8%

El anillo de la piridina va a poder experimentar tanto sustituciones electrófilas como nucleófilas. La sustitución electrófila en la piridina sucede con dificultad y transcurre varios órdenes de magnitud más lentamente que en el benceno. Las posiciones 2, 4 y 6 son las más desactivadas, y las 3 y 5 las menos desactivadas.

694

QUíMICA ORGÁNICA

Así pues, la nitración de la piridina tiene lugar en las posiciones p, y en condiciones muy enérgicas como se ha visto anteriormente. Al ser las posiciones 2, 4 y 6 deficientes en electrones, reaccionan muy fácilmente con nucleófilos. La reacción de la pirtdina con un nucleófilo fuerte, como el amiduro sódico, se la conoce con el nombre de reacción de Chichibabin, y mediante ella se obtiene la 2-aminopiridina.

Q N

Q

NaNH2

N

H

NH2

2-Aminopiridina

21.5.3. Métodos de síntesis

Una de las síntesis más extendida de la piridina es la síntesis de Hantzsch, la cual consiste en el tratamiento de un ,B-cetoéster con un aldehído en presencia de amoníaco.

H

HNOg CH3CH202C H2S04 HgC 2,6-Dimetil3,5-piridindicarboxilato de dietilo

H l. KOH, H20 2. CaO, ll

HgC 2,6-Dimetilpiridina

695


21.6. Heterociclos de anillos condensados. lndol, quinolina e isoquinolina En la naturaleza existen numerosos heterociclos formando parte de un sistema de anillos condensados. Entre los más sencillos que estén condensados con un anillo de benceno se encuentran el indol la quino6na y la isoquino6na, derivados del pirrol y la piridina respectivamente.

Indol

N...-92 8 1 Quinolina

8 Isoquinolina

lndol

El indol es un compuesto heterocíclico aromático que puede representarse mediante varias formas canónicas.

b

N+

-

H

-

-

-

etc.

El indol da con facilidad sustituciones electrófilas en el carbono 3, al ser la posición más favorecida. Por ejemplo:

696

QUíMICA ORGÁNICA

Al igual que el pirrol tiene cierto carácter de ácido, y en presencia de bases fuertes forma sales de indolilo.

-

base fuerte

La forma más general de obtención de indoles es la síntesis de Fischer, la cual consiste en tratar una arilhidrazona de un aldehído o cetona con ácido polifosfórico (PPA), o un ácido mineral o de Lewis; causa el cierre del anillo para dar el heterociclo deseado.

PPA,A

R + NH3

Quinolina e isoquinolina

La piridina puede fusionarse con el benceno de formas diferentes para dar los dos azanaftalenos: quinolina e isoquinolina. La quinolina e isoquinolina son compuestos aromáticos que presentan las siguientes formas resonantes: +

-etc. ~ N

-

'-

etc.

·N:-

+

La quinolina e isoquinolina son compuestos tan básicos como la piridina, y también, al igual que ella, pueden formar fácilmente sales cuaternarias y N-óxidos.

697


Como el anillo de piridina es deficiente en electrones y puede protonarse fácilmente, las sustitución electrófila va a tener lugar en el anillo de benceno. Por ejemplo: N02 HN03 H2S04

+

N~ N02

HN03 HzS04

+

Al igual que la piridina, la qmnolina y la isoqmnolina experimentan reacciones de sustitución nucleófila en la posición 2 de la qmnolina y en la posición 1 de la isoquinolina. Por ejemplo:

La preparación de derivados de quinolina puede llevarse a cabo por slntesis de Skraup. Los pasos implicados son los siguientes: a) Deshidratación del glicerol con ácido sulfúrico concentrado para dar el aldehído no saturado acroleína. CH2-CH2-CH2 1

OH

1

OH

CH2==CH-CHO + 2 HOH

1

Acroleína

OH

b) Adición nucleófila de anilina a acroleína para generar /3-(fenilamino)propionaldehído.

-

698

QUíMICA ORGÁNICA

c) Ataque electrófilo del carbono carbonílico deficiente en electrones del aldehído protonado sobre el anillo aromático.

-

+ H+

+ H20

d) Oxidación con nitrobenceno, que aromatiza el anillo recién formado.

3

21.7. Alcaloides Los alcaloides son compuestos naturales nitrogenados que se encuentran principalmente en las plantas. Reciben el nombre de alcaloides debido a su carácter básico (parecido a los álcalis), que deriva del par de electrones no enlazantes del nítrógeno. Muchos alcaloides tienen potentes propiedades farmacológicas, aunque generalmente poseen una alta toxicidad. En dosis adecuadas se utilizan como agentes terapéuticos. Los alcaloides son muy numerosos y una de las formas de clasificarlos se hace en función del núcleo heterocíclico, o estructura base, presente en la molécula. Así, pueden encuadrarse, a excepción de los que poseen estructuras muy complejas, en cada uno de los siguientes grupos: l. Grupo de la feniletilamina

2. 3. 4. 5. 6. 7.

Grupo de la pirrolidina y tropano Grupo de la piridina Grupo de la pirrolidina-piridina Grupo de la quinolina Grupo de la isoquinolina Grupo del fenantreno


699

A continuación se dan algunos ejemplos: Nicotina

Es un alcaloide que se encuentra en las hojas y raíces del tabaco. Su estructura posee un heterociclo de piridina y otro de pirrolidina.

Nicotina

Quinina

La quinina es un alcaloide que se utiliza como antipirético y antimalárico. Su estructura posee un heterociclo de quinolina.

Quinina

Alcaloides del opio

Del opio se aislan tres importantes alcaloides: moñma, codeina y tebafna. Sus estructuras derivan del fenantreno.

Morfma: Rl = R2 = H Codeína: Rl = CH3, R2 = H Tebaina: Rl = R2 = CH3

700

QUíMICA ORGÁNICA

Al acetilar los grupos -OH de la morfina se obtiene un alcaloide sintético, la heroina.

La mayoría de este grupo de alcaloides producen hábito y poseen diversas acciones sobre el sistema nervioso. Son utilizados en medicina. Resumen de conceptos importantes

1. Los compuestos policíclicos aromáticos más comunes son naftaleno, antraceno y fenantreno. Tienen menor energía de resonancia que el benceno, y ciertos enlaces carbono-carbono tienen más carácter de doble enlace que el resto. Pueden ser oxidados a quinonas o pueden hidrogenarse parcialmente. También son atacados por reactivos electrófilos. 2. Los heterodclos son compuestos que resultan de sustituir un átomo de carbono por un heteroátomo en un compuesto cíclico. Los heterociclos aromáticos además cumplen la regla de Hückel. 3. El pirrol el furano y el tiofeno son 1-hetero-2,4-ciclopentadienos. Su anillo tiene alta densidad eletrónica y está activado frente a la sustitución electrófila, y desactivado frente a la sustitución nucleófila. 4. La piridina es una base débil y tiene un anillo con baja densidad electrónica. Comparada con el benceno está desactivada frente a la sustitución electrófila. 5. La sustitución electrófila en la quinolina e isoquinolina tiene lugar en el anillo de benceno, pero la sustitución nucleófila se efectúa en el anillo nitrogenado. 6. El orden de reactividad de los heterociclos y del benceno frente a la sustitución electrófila es la siguiente: Piridina < Benceno < Tiofeno < Furano < Pirrol.


701

Eiercicios de autocomprobación 1. Siguiendo los pasos mencionados en la sección 21.1.3, para la síntesis de naftalenos, antracenos y fanantrenos, elaborar un esquema

de síntesis en cada caso. 2. Formular los siguientes compuestos:

a) 3-Metil-1-nitroantraceno b) 1,8-Diaminonaftaleno c) 9,10-Dioxofenantreno d) 1,4-Dioxonaftaleno o naftoquinona e) 9,10-Dioxoantraceno o antraquinona 3. Escribir las estructuras de resonancia del intermedio de la siguiente reacción:

y conjugativos de los diferentes grupos, predecir los productos mayoritarios que se obtienen al nitrar los compuestos que se indican a continuación:

4. Teniendo en cuenta los efectos inductivos

b)

d)

702

QUíMICA ORGÁNICA

5. Formular los siguientes compuestos: a) 5-Metil-1,2-oxazol b) 2-Etiloxirano c) 3-Fenil-1,2,4-triazol d) 5-Nitro-1,2,4-tiadiazol

e) Perhidroazepin-2-ona f) N-Metilpiperidina

g) 2-Etil-4-nitroindol h) Ácido 2-amino-3-(indol-3-il)propanoico i) 6-Cloroquinolina j) 1-Aminoisoquinolina 8. Formular y nombrar el producto principal de cada una de las reac-

ciones siguientes: a) Tiofeno + cloruro de acetilo + Cl4Ti b) Pirrol + S03 en piridina c) 2-Fenilpirrol + NaNH2 + ICH3 d) 2,5-Dimetilfurano +anhídrido maleico

e) 3-Metilpiridina + KMn04'HOf) 4-Metilpiridina + ICH3

g) 4-Cloropiridina + H4LiAl h) 4-Metilquinolina + fenil-litio i) Quinolina + agua oxigenada 7. Proponer una síntesis para cada uno de los siguientes compuestos:

a) 3-(Furan-2-il)propenal b) 2,5-Dimetil-3-feniltiofeno c) 2,5-Dimetilfurano d) 1-Fenil-3-metil-5-pirazolona

e) 3,5-Dimetilpirazol

703



Síntesis de los naftalenos:

~

Rl~ (Rl activante)

-

-

o

o

+

r
Zn(Hg), HCI

AICl3

L-...(

HO

Rl

o

Anhídrido succlnico

Ácido 4-aril-4-oxobutanoico

HO

-

HF

Rl

Rl

Pd/C, A

Rl R2 Dihidronaftaleno sustituido

-H2

Rl R2 Naftaleno 1,7-disustituido

Síntesis de Jos fenantrenos:

Zn-Hg, HCI A

704

QUíMICA ORGÁNICA

AICl3.

+

a

Síntesis de los antra.cenos:

o

~o + ~

O

ol ~

o AICis.

a Ácido 2-benzoilbenzoico ~ l. RMgBr

#

o Antrona

R 9-Alquilantraceno

2.H+,H20


2.

b)

a)

e)

O

o

e)

o

o

3. CH2CH3 + HN03

CH2CH3 H2S04

N02 CH2CH3

CH2CH3

CH2CH3

N02+ H N02 CH2CH3

CH2CH3

CH2CH3

705

706

QUíMICA ORGÁNICA

4. a) El metilo es un grupo activante y, por tanto, el grupo nitro entrará en el mismo anillo.

b) Igual que el caso anterior. CH3

c) El grupo sulfonilo es desactivante y, por tanto, el grupo nitro entrará en el otro anillo.

+

d) Igual que el caso anterior. N02 +

707


5. a)

ºO

e)

1

CH3

g)

h)

N02

NH2 1

ó:)CH2CHCOOH ~ N H

CH2CH3

i)

Clú)

~

1

j)

¿

N NH2

6. a)

Gs

b)

COCH3

N S03H H Ácido 2-pirrolsulfónico

2-Acetiltiofeno e)

D

CsHs

G

d)

N 1

CH3 N-Metil-2-fenilpirrol

CH3

708

QUíMICA ORGÁNICA

f)

e)

e).

~COOH

~-TJ N

N

+1

CH3 Yoduro de 1,4-dimetilpiridinio

Ácido 3-piridincarboxílico h)

g)

o N H

2-Fenil-4-metilquinolina

4-Cloro-1, 2,3, 6-tetrahidropiridina i)

00 ~ I+

o-

N-Óxido de quinolina

7.

ª>G o

+ CH3-CHO Ho-

CHO

n ~o~CH=CH-CHO

b) CH2-COCH3 1

H5C5-CH-COCH3

H3C

~ O CH3


d)

DCH3

CH3

é'b=o H2 'C=O

NH2 +

1

O

NH-CaHs

N

1

OEt e)

taHs

CH3

/t=O

H2C 'C=O 1

CH3

NH2 +

1

NH2

DCH3 ~

H C 3

N 1

H

709

Tema 22

Carbohidratos

1

SUMARIO 1

1

22.1. Carbohidratos 22.2. Monosacáridos. Clasificación 22.3. Configuración de los monosacáridos. Series D y L 22.4. Reacciones generales de los monosacáridos 22.4.1. Alargamiento de la cadena de una aldosa. Síntesis de Kiliani-Fischer 22.4.2. Acortamiento de la cadena de una aldosa. Degradación de Ruff

22.5. Estructura ciclica de los azúcares 22.6. Determinación del tamaño del anillo 22. 7. Azúcares naturales: disacáridos. trisacáridos y polisacáridos 22. 7.1. Disacáridos: maltosa, celobiosa. lactosa y sacarosa 22. 7.2. Trisacáridos: rafinosa 22. 7.3. Polisacáridos: celulosa. ahnidón y glucógeno

22.8. Azúcares naturales modificados Resumen de conceptos importantes Ejercicios de autocomprobación Soluciones a los ejercicios de autocomprobación

OBJETIVOS _ 1

1

_ _ _ _ _ _ _ _ _ __

1

1. Deducir la estructura de los monosacáridos a partir del gliceradehído y establecer las series D y L. 2. Conocer la reactividad de los monosacáridos que al poseer grupos hidroxilo y carbonilo darán reacciones propias de estos grupos, y reconocer con nomenclatura propia los derivados obtenidos. 3. Formular los monosacáridos con estructuras cíclicas derivadas de furano y pirano, y representarlos en distintas proyecciones.

4. Distinguir azúcares reductores y no reductores. 5. Elucidar la estructura de un disacárido a partir de su comportamiento frente a diversos reactivos.

CARBOHIDRATOS

713

22.1. Carbohidratos Históricamente los carbohidratos fueron considerados hidratos de carbono porque su fórmula molecular, en muchos casos, corresponde a la fórmula empírica C0 (H20) 0 • Sin embargo, actualmente no es aplicable dicho concepto, ya que entre los carbohidratos se incluyen además todas las sustancias que están en íntima relación con ellos, es decir, sus derivados sencillos (desoxiazúcares, aminoazúcares, etc.), y no así otros compuestos como, por ejemplo, el ácido acético que responde a la fórmula citada [C 2(H 20h]. Por ello se define un carbohidrato como un polihidroxialdehído o una polihidroxícetona. Los carbohid.ratos también son llamados azúcares o glúddos. Son productos naturales que se hallan ampliamente difundidos en la naturaleza. Su producción se efectúa en las plantas verdes por un proceso denominado fotosíntesis. La clorofila de las plantas cataliza la conversión del dióxido de carbono atmosférico en moléculas de carbohidratos, con ayuda de la luz solar que proporciona la energía necesaria. Los animales, por el contrario, degradan los azúcares que ingieren en los alimentos, y los convierten en C02 y H20, para lo cual utilizan oxígeno atmosférico. De dicha degradación obtienen energía necesaria para mantener la vida, al mismo tiempo que se regenera C02• También pueden convertir ciertos hidratos de carbono en glucosa para utilizarla como fuente de energía o almacenarla como glucógeno.

22.2. Monosacáridos. Clasificación Los monosacáridos (también llamados osas) son las unidades de carbohidratos más sencillas. Los monosacáridos que presentan en su estructura grupos aldehido son llamados aldosas y los que poseen grupos cetona son denominados cetosas. El sufijo -osa es utilizado en la nomenclatura sistemática de los polihidroxialdehídos y el sufijo -ulosa para las polihidroxicetonas. El número de átomos de carbono en un monosacárido varía de tres a siete, y se designan como triosas, tetrosas, etc. A cada una de ellas le corresponde un nombre propio como se verá a lo largo del Tema. Así, por ejemplo, la glucosa es una aldohexosa y la ribosa una aldopentosa. Su clasificación queda resumida en el siguiente cuadro: Aldosas Monosacáridos Celosas

¡ ¡

Aldotriosas (3 átomos de carbono) Aldotetrosas (4 átomos de carbono) Aldopentosas (5 átomos de carbono) Aldohexosas (6 átomos de carbono) Cetotriosas (3 átomos de carbono) Cetotetrosas (4 átomos de carbono) Cetopentosas (5 átomos de carbono) Cetohexosas (6 átomos de carbono)

714

QUíMICA ORGÁNICA

22.3. Configuración de monosacáridos. Series D y L Para establecer la configuración relativa de los azúcares, se toma como referencia estereoquímica al gliceraldehído, ya que a finales del siglo XIX se determinó que la configuración del último carbono quiral de los monosacáridos naturales era la misma que la del carbono quiral del (+)-gliceraldehído. Hoy se denomina a dicha configuración, configuración R, pero en aquella época los químicos no tenían medios para determinar la configuración absoluta, y, por ello, aplicaron el sistema de designación D y L para designar la configuración relativa. Hoy en día se sigue utilizando esa nomenclatura en lugar de Ry S(verTema 4). CHO

CHO

H + OH CH20H D-(+)-Gliceraldehído (Hidroxilo a la derecha) (R)-( +)-2,3-Dihidroxipropanal

OH+ H CH20H L-(-)-Gliceraldehído (Hidroxilo a la izquierda) (5)-(-)-2,3-Dihidroxipropanal

Para abreviar se puede escribir su fórmula de la siguiente forma: CHO

CHO

~CH20H

f-

CH20H D-(+)-Gliceraldehido

L-(-)-Gliceraldehído

Partiendo del aldehído glicérico puede alargarse la cadena estableciendo las series D y L de las aldosas o de las cetosas (Figuras 22.1 y 22.2). En un azúcar, el carbono asimétrico más alejado del grupo carbonilo es el que va a determinar la configuración. Por ejemplo: CHO H HO H

OH H

* OH

CH20H D-Xilosa

CHO HO H HO

H OH

*H CH20H L-Xilosa

CHO H +OH CH20H

D-(+)-Gliceraldeído CHO

CHO

H+OH

H

HO+H

OH

H

CH20H D-(-)-Eritrosa

CH20H D-(-)-Treosa

CHO

CHO

CHO

H

OH

HO

H

OH

H

OH

HO

H

OH

H

OH

H

CH20H D-{-)-Ribosa

OH

H

H

CH20H D-{-)-Arabinosa

CHO

~

OH

HO

H

H

HO

H

H

OH

CH20H D-(+)-Xilosa

~

o

s=

~

OH

CH20H D-(-)-Lixosa

tll

l

l

l

l

l

l

l

l

CHO

CHO

CHO

CHO

CHO

CHO

CHO

CHO

H

OH

HO

H

OH

H

OH

HO

H

OH

H

OH

H

OH

H

OH

HO

H

OH

H

OH

H

OH

H

OH

H

CH20H D-(+)-Alosa

H

CH20H D-(+)-Altrosa

H

OH HO

H

H

OH

HO

H

H

H

OH

H

HO

H OH

CH20H CH20H CH20H D-(+)-Glucosa D-(+)-Manosa D-(-)-Gulosa

HO H

H

H

OH

HO

H

OH

HO

H

HO

H

H

HO

H

HO

H

OH

H

OH

H

OH

CH20H CH20H CH20H D-(-)-Idosa D-(+)-Galactosa D-(+)-Talosa

.....:¡

Figura 22.1. Serie D de las aldosas.

c.n

716

QUíMICA ORGÁNICA

CH20H

H+~H

CH20H

D-(-)-Eritrulosa CH20H

CH20H

o

o

H

OH

HO

H

OH

H

CH20H

H OH CH20H

D-(+)-Ribulosa

D-(+)-Xilulosa

!

¡

!

¡

CH20H

CH20H

CH20H

CH20H

o

o

H

OH

HO

H

OH

H

OH

HO

H

OH

H

OH

H

CH20H

D-(+)-Psicosa

H

o

CH20H

D-(-)-Fructosa

H

o

OH

HO

H

H

HO

H

OH CH20H

D-(+)-Sorbosa

H

OH CH20H

D-(-)-Tagatosa

Figura 22.2. Serie D de las cetosas.

22.4. Reacciones generales de los monosacáridos Los monosacáridos por poseer un su molécula grupos funcionales, tales como hidroxilo y carbonilo, darán reacciones propias de estos grupos. A continuación se verán las más representativas. Formación de oximas

Los monosacáridos reaccionan con hidroxilamina para formar oximas. Éstas a su vez pueden reducirse a aminas o a hidroxilaminas.

717

CARBOHIDRATOS

CH2NH2 OH

H H2/cat. CH=O H

OH

HO

H

HO

H

H

CH= NOH H H2NOH

CH20H O-Galactosa

H

HO

H

H

OH

HO

H

HO

H

H

OH

HO

OH CH20H

Amina

OH

CH2NHOH

CH20H Oxima

H H2/cat. BH3-THF

OH

HO

H

HO

H

H

OH

CH20H Hidroxilarnina

Formación

de osazonas

Al reaccionar los monosacáridos con exceso de fenilhidrazina se forman osazonas, que son moléculas que contienen dos restos de fenilhidrazina sobre carbo-

nos adyacentes. HC=O H HO

CH=N-NH-CsHs

OH H

H

OH

H

OH

CH20H O-Glucosa

N-NH-CaHs

3 CsH5-NH-NH2 EtOH,A

HO

H

H

OH

H

OH

CH20H 0-Glucosazona

La formación de osazonas no sólo es útil para la identificación de carbohidratos, sino también para la determinación de su configuración. Así, por ejemplo, la manosa da la misma osazona que la glucosa, cuya formación destruye la configuración del C-2, pero no afecta a la configuración del resto de la molécula.

718

QUíMICA ORGÁNICA

HC=O H

OH H

HO H

OH

H

OH

CH=N-NH-CsHs N-NH-CsHs

CH20H

O-Glucosa

3 CsHs-NH-NH2

HO

OH

HC=O HO

H

HO

H

H

OH

H

OH

H OH CH20H

D-Glucosazona

CH20H

D-Manosa

En general, los monosacáridos diastereoisómeros, que sólo difieren en la configuración de un único centro estereogénico, se denominan epimeros. Por ejemplo, la glucosa y la manosa son epímeros, ya que difieren únicamente en la configuración del carbono 2. Las cetosas también dan osazonas. La fructosa, por ejemplo, daría también la misma osazona que la glucosa: CH=N-NH-CsHs

CH20H

o HO

H

H

OH

H

OH CH20H

D-Fructosa

N -NH-C6Hs 3 CsHs-NH-NH2 C2HsOH, .A

HO

H

H

OH

H

OH CH20H

D-Glucosazona

Epimerización

En presencia de álcalis muy diluidos, la glucosa, por ejemplo, se convierte en una mezcla de glucosa, manosa y fructosa. Se explica por la presencia de un eno-

719

CARBOHIDRATOS

diol intermedio, y se denomina también epimerizadón, ya que se obtiene una mezcla de epímeros. HC-OH

HC=O H HO

HC=O

11

C-OH

OH H

HO

H

OH

H

HO

H

H

OH

H

OH

H

OH

H

OH

H

OH

H

OH

CH20H

CH20H

D-Glucosa

CH20H

D-Enodiol

D-Manosa

1l H2C-OH 1

C=O H

HO H

OH

H

OH CH20H

D-Fructosa

Oxidación de monosacáridos Con agua de bromo (HOBr), en condiciones suaves, las aldosas se oxidan por la función - CH= O a áddos aldónicos, que son ácidos monocarbo.xílicos. Por ejemplo: CHO HO

H

HO

H

COOH

Br2, H20

HO

H

HO

H

H

OH

H

OH

H

OH

H

OH

CH20H

D-Manosa

CH20H

Ácido D-Manónico

720

QUíMICA ORGÁNICA

Esta reacción se utiliza para diferenciar las aldosas de las cetosas, ya que éstas últimas no dan la reacción. Todos los monosacáridos se oxidan con los reactivos de Benedict, Fehling y Tollens, dando también ácidos aldónicos. Dichas reacciones no sirven para distinguir aldosas de cetosas, como ocurría con aldehídos y cetonas (Tema 15), ya que estas últimas también reducen a los anteriores reactivos, puesto que, bajo las condiciones de los ensayos, las cetosas se equilibran con las aldosas a través de un enodio!, como se acaba de ver. Los carbohidratos que dan positivas estas pruebas son denominados azúcares reductores. CHO H HO

COOH

OH

H

H

H

OH

H

OH

Complejo azul de Cu++ Reactivo de Fehling o de Benedict

CH20H O-Glucosa

HO

OH H

H

OH

H

OH

+ Cu20 Precipitado rojo-ladrillo

CH20H Ácido D-glucónico

Las aldosas por oxidación con ácido nítrico se oxidan por la función -CH=O y el grupo -CH20H terminal, formando los ácidos aldáricos, que son ácidos dicarboxílicos. Por ejemplo: CHO H HO

COOH

OH H

H HN03

HO

OH H

H

OH

H

OH

H

OH

H

OH

CH20H D-Glucosa

COOH Ácido D-glucárico

Reducción de monosacáridos. Alditoles El grupo carbonilo de una aldosa o de una cetosa se reduce con borohidruro sódico o por hidrogenación catalítica. El producto resultante es un polihidroxialcohol que recibe el nombre de alditol Por ejemplo:

721

CARBOHIDRATOS

CHO OH H H HO H OH H OH CH20H D-Glucosa

NaBH4 CH30H

CHHOH H OH HO H H OH H OH CH20H D-Glucitol (D-Sorbitol)

Acetilación y metilación

Los grupos hidroxilo, tanto de las aldosas como de las cetosas, reaccionan con anhídrido acético para formar derivados acetilados, y reaccionan con (CH:J 2S04Na0H ó CH3I-Ag20 para originar derivados metilados (en la sección 22.6 podrán verse ejemplos de estas reacciones). 22.4. 1. Alargamiento de la cadena de una aldosa. Síntesis de Kiliani-Fischer

El grupo carbonilo de una aldosa puede reaccionar con cianuro de hidrógeno para dar una cianhidrina. Debido a que esta transformación crea un nuevo centro quiral, aparecen dos diastereoisómeros. La reducción parcial del grupo nitrilo por reducción catalítica, en presencia de agua y medio ácido para dar un aldehído, proporciona los dos azúcares con un átomo de carbono más. CN 1 HO- C-H

HC=NH HC=O HO HO H H H H HO - NH2H HO H2/Pd-BaS04 H OH H OH H OH H+, H20 , 4 atin. H OH H OH H OH CH20H CH20H CH20H Cianhidrina hnina Manosa

H0$H CHO

HO$H

OH HCN OH CH20H D-Arabinosa H H

CN H-t - OH

HC=O H HO H H

H0$H

OH

H OH OH CH20H D-Glucosa

H H

OH OH CH20H Cianhidrina

Sfntesis de Kiliani-Fischer

722

QUíMICA ORGÁNICA

Lógicamente el alargamiento de la cadena da como resultado la obtención de epímeros. 22.4.2. Acortamiento de la cadena de una aldosa. Degradación de Ruff

Una aldosa se puede oxidar con agua de bromo al ácido aldónico correspondiente; la oxidación de la sal cálcica de este ácido con peróxido de hidrógeno en presencia de sales férricas produce ion carbonato y una aldosa con un átomo de carbono menos. Por ejemplo: CHO H OH HO H H OH H OH CH20H D-Glucosa

Br2 + H20 -2HBr

COOH H OH HO H CaC03 H OH H OH CH20H Ácido glucónico

coo H HO H H

Ca++

OH H OH OH CH20H 2

-

CHO

H202. Fe3+

HO$H H H

OH OH CH20H D-Arabinosa

+ C032-

Degradación de Ruff

22.5. Estructura cíclica de los azúcares La glucosa y los demás monosacáridos no se comportan estrictamente como aldehídos o cetonas sencillas. sino que se encuentran en equilibrio con formas hel11Íacetálicas cíclicas. Cabe recordar las estructuras siguientes (sección 15.4.1): Ri........_ /OR3

Ri........_ /OH

R2/ '--OR4

R2/ "-OR3

A cetales

Hemiacetales

c

c

723

CARBOHIDRATOS

Estas estructuras cíclicas se representan mediante las fórmulas de proyección de Fischer con los átomos de carbono en línea recta, o mediante las fórmulas de proyección de Haworth, dibujando un anillo plano de cinco o seis eslabones. Por ejemplo, hasta ahora hemos representado la O-glucosa mediante la siguiente fórmula: CHO H HO H H

Si consideramos que es un hemiacetal cíclico, se tendrá:

H-1 H

HO H

OH

1

u t---oH

OH H

HO-C~

O

OH

HO H

H---___,

H

1

O

OH

H--+------'

D-Glucopiranosas

Hay que tener en cuenta que los -OH situados a la derecha están situados por debajo del plano del papel, y los situados a la izquierda por encima. La O-glucosa en proyección de Haworth tendrá la estructura siguiente:

H

OH

D-Glucopiranosas

Como puede observarse aparecen dos nuevos isómeros denominados anómeros, que difieren en la posición -OH del carbono 1, y serán estudiados en el apar-

tado siguiente.

724

QUíMICA ORGÁNICA

Por otro lado, el anillo puede cerrarse sobre los átomos de carbono 1 y 5, como se ha indicado antes, o bien entre el 1 y el 4. En este último supuesto se tendrá: H-U: OH

1

OH H

O

2 H HO 3 H 4

OH H 5 6 CH20H Proyección de Fischer

Proyección de Harworth D-Glucofuranosa

Las aldohexosas, por tanto, pueden tener estructuras cíclicas de 5 o de 6 eslabones, denominándose en cada caso furanosas o piranosas, recordando los anillos de furano y pirano respectivamente. Las cetohexosas presentarán igualmente anillos de 5 ó 6 eslabones. Por ejemplo: 1 CH20H

CH20H

2 O 3 HO 4 H H OH H S OH 6CH20H D-Fructosa

CH20H

HO-t

HO-t

HO$JÓ H OH H

HO$H H O~H H OH

CH20H D-Fructofuranosa

CH2 D-Fructopiranosa

¿

Anómeros. Series a y /J. Mutarrotación

Las nuevas estructuras cíclicas contienen un nuevo centro asimétrico en el carbono que porta la función aldehído o cetona, y a dicho carbono se le denomina carbono anomérlco. Por tanto, existirán dos nuevos isómeros que se les denominará anómeros. Por ejemplo: 6 CH20H

---o 1

H

OH

a-D-Galactopiranosa (-OH del carbono anomérico en posición trans respecto al C-6)

1

H

OH

/3-D-Galactopiranosa (-OH del carbono anomérico en posición cis respecto al C-6)

725

CARBOHIDRATOS

Así pues, existen dos formas en un azúcar denominadas a y f3. Cada una de ellas desviará el plano de la luz polarizada un ángulo diferente. Debe comprenderse bién que la imagen especular de D es L, pero la imagen de a es a y no f3, y viceversa. Por ejemplo:

H

OH

/3-D-Galactopiranosa

/3-L-Galactopiranosa

Si una de las formas ao f3 de un azúcar (cristalizado) se prepara en disolución y se mide su poder rotatorio, se observa que al cabo del tiempo varia; ello se debe a la interconversión de los hemiacetales del aldehído intermedio. Este cambio lento de rotación óptica en disolución se llama mutarrotad6n.

OH

H

H

OH

H

OH

Conformación de los azúcares

Para el estudio de las conformaciones de los azúcares se han aplicado los criterios de análisis conformacional utilizados para los derivados del ciclohexano (Tema 3). De acuerdo con dichos criterios, aunque en principio son posibles dos conformaciones de silla para la /3-D-glucosa, por ejemplo, sólo es importante la que posee todos los grupos voluminosos en posición ecuatorial: H H

HO 1

H

H

/3-D-Glucopiranosa

726

QUíMICA ORGÁNICA

Será fácil contrastar la fórmula en proyección de Haworth con esta última, pudiendo comprobar que los grupos -OH de los carbonos 2 y 4 están por debajo del plano del anillo y los de los carbonos 1y3,junto con el grupo hidroximetilo del carbono 5, están por encima. Glicósidos

Se recordará que los aldehídos pueden reaccionar con alcoholes o fenoles en presencia de ácido clorhídrico anhidro para formar acetales: H

H

1

H 1

1

-C= O

-C- OCH3

Aldehído

OH Hemiacetal

-C- OCH3 1

1

OCH3 Acetal

Al tratar un azúcar con metanol y ácido clorhídrico se obtiene un acetal cíclico llamado glic6sido. Los glicósidos son, en general, derivados de carbohidratos en los que el grupo hidroxilo del carbono anomérico ha sido reemplazado por otro sustituyente. Estos compuestos son estables en medio neutro y no experimentan mutarrotación. Por ejemplo:

HO-C~ H HO

H

~OH

H OH

H3CO-C~

1

O

H

~OH

HO H

H OH

1

O

H-------'

H-------'

CH20H

CH20H

¡3-D-Glucopiranosa (hemiacetal ciclico)

/3-Metil-D-Glucopiranósido (acetal ciclico) Glicósido

Como los glicósidos tienen bloqueado el carbono anomérico, no presentan mutarrotación en ausencia de ácido, dan negativos los ensayos de Benedict, Fehling y Tollens (son azúcares no reductores), y son inertes a las reacciones que implican un ataque al grupo carbonilo. Esta protección puede ser útil tanto en aplicaciones sintéticas como para el análisis estructural.

22.6. Determinación del tamaño del anillo Es obvio que hoy en dia con los métodos espectroscópicos existentes (Tema 9), la elucidación de la estructura de un compuesto orgánico resulta relativamente sen-

727

CARBOHIDRATOS

cilla. Sin embargo, para la formación de un químico se hace necesario profundizar en la reactividad de los compuestos, y, por ello, de aquí en adelante se van a aplicar los conceptos y reacciones estudiados hasta el momento. Para la determinación del tamaño de un anillo hay dos métodos generales. El primero consiste en utilizar primero una metilación parcial seguida de una oxidación con ácido peryódico para romper uniones de a-dioles (reacción de Malaprade). Por ejemplo, el esquema para elucidar el tamaño del anillo de la glucosa sería el siguiente:

A su vez se rompería

Se observará que entre los productos se obtiene ácido fórmico, lo que denota que es un piranósido. Si fuese un anillo de cinco eslabones:

H0-1 H H HO H H

1

OH CH30H, H+ H O OH CH20H

H3C01;'¡1 ---~----~!! HO H

H H OH ------- -----CH20H

H3co-1 H HI04

O

¡(C~

H

,}J

1

O + HCOH

Hp H/e~ ~ A su vez se rompería

En esta ocasión no aparece ácido fórmico entre los productos, sino formaldehido, lo que indica que se trata de un furanósido. Otro método se basa en los experimentos de metilación exhaustiva y posterior oxidación con ácido nítrico. El esquema para la glucosa sería el siguiente:

728

QUíMICA ORGÁNICA

Ho-1 H H HO H

1

OH H O OH

H3CO-~ t-ocH3 I H O OCH3

H H3CO H

H--~

HO-~ H HgCO

t-ocH3 I HN03 H O

-- ~--- __ Q~H3

H---~

H----~

CH20H

D-Glucopiranosa COOH H HgCO H

OCH3 H OCH3 COOH

Trimeto:xiglutárico

COOH +

H+OCH3 H3CO

H COOH

Dimetoxisucctnico

La presencia de ácido trimetoxiglutárico sólo puede provenir de una estructura de seis eslabones. Hay que observar que el grupo -OCH3 acetálico es fácilmente hidrolizable por ácidos diluidos, no así los grupos metoxi restantes.

22.7. Azúcares naturales: disacáridos, trisacáridos y polisacáridos Además de los monosacáridos existen otras estructuras que son asociaciones entre ellos mismos, o bien entre ellos y otra parte no glucídica. Los primeros pueden estar compuestos por dos o más unidades de monosacáridos, tomando el nombre de disacáridos, trisacárldos o poUsacárldos según estén formados por dos, tres o más unidades, estando unidos entre sí mediante un enlace glicosidico. Enlace glicosídico. Unión a y

f3

La unión entre dos monosacáridos deriva formalmente de la deshidratación intermolecular.

La unión entre los monosacáridos no es del tipo éter sino gDcosídica y puede romperse por hidrólisis. En el apartado anterior se ha visto que el grupo - OH del carbono anomérico de un monosacárido podía ser a o f3, por lo que la unión se denominará de igual manera, a o f3. Por ejemplo:

729

CARBOHIDRATOS

O-Monosacárido 0 -Monosacárido H

OH

Unión a

H

OH

Unión {3

Hay determinadas enzimas que rompen selectivamente uniones a o /l Así, la maltasa desdobla rápidamente los a-glicósidos y la emulsina únicamente los Pglicósidos. Azúcares reductores y no reductores

De lo anteriormente expuesto se desprende que algunos azúcares tendrán un grupo aldehído latente capaz de reducir las soluciones de Benedict, Fehling o Tollens. A éstos se les denomina azúcares reductores (ver sección 22.4). Los que tienen unión C-1-C-1 (C-2 en caso de ser cetosa), no podrán por tanto reducir dichos reactivos y serán no reductores. Metodología para la determinación estructural de disacáridos y trisacáridos

La determinación de la estructura de los disacáridos y trisacáridos es un problema complejo, ya que se trata de responder a las siguientes cuestiones: l. ¿Cuáles son los monosacáridos que lo componen?

2. ¿Qué átomos de carbono están implicados en la unión glicosídica? 3. ¿Cuál es la estereoquímica de la unión glicosídica? 4. ¿Cuál es la estructura cíclica de cada componente? A lo largo del Tema se ilustrará con ejemplos la resolución de las cuestiones anteriores, para lo que será necesario utilizar adecuadamente las reacciones de los carbohidratos estudiadas hasta el momento.

22.7. 1. Disacáridos: maltosa, celobiosa, lactosa y sacarosa Se estudiarán algunos compuestos representativos de este grupo, maltosa, celobiosa, lactosa y sacarosa. Todos ellos poseen la fórmula común C12H22 0 11 •

730

QUíMICA ORGÁNICA

Maltosa Por hidrólisis ácida la maltosa da únicamente D-glucosa, lo que indica que ésta es la única unidad de monosacárido presente. La maltosa reduce el reactivo de Fehling, lo que indica la presencia de una función aldehído en una de sus unidades de monosacárido, es decir, de la glucosa. Por tratamiento con agua de bromo, el grupo aldehído latente de la maltosa se oxida a -COOH, lo que origina ácido maltobiónico. La metilación de este último con (CH:J 2S04 -NaOH da el derivado totalmente metilado, es decir, ácido octa0-metil-D-maltobiónico. Si se hidroliza este último derivado metilado se obtienen dos productos: el 2,3,4,6-tetra-O-metil-D-glucopiranosa (esto indica que el anillo es de seis eslabones por no haberse metilado en el C5) y el ácido 2,3,5,6-tetra-Ometil-D-glucónico, lo que confirma que este ácido metilado proviene de un monosacárido con el C1 libre y el C4 implicado en la unión glicosídica. l COOH 2 H OCH3 CH30 3 H 5 H

H OH OCH3

6 CH20CH3

2,3,4,6-Tetra-O-metilD-glucopiranosa

Ácido 2,3,5,6-tetra-O-metilD-glucónico

Por tanto, la maltosa tendrá unión C1-C4• La maltosa se hidroliza enzimáticamente por la enzima maltasa, lo que prueba que su unión es a. Por tanto, el derivado octa-metilado será:

H

H

H H3CO H H

OCH3 H

o OCH3 CH20CH3

Ácido octa-0-metil-D-maltobiónico

731

CARBOHIDRATOS

Como el C4 está implicado en la unión glicosídica, la única posibilidad para el otro monosacárido es que sea el C-1 el que participe en dicha unión. Por tanto, la estructura de la maltosa será:

HO

H H

~aoj3

Maltosa= 4-0-~-D-Glucopiranosil)-D-glucopiranosa

Celobiosa

La celobiosa tiene la misma fórmula molecular que la maltosa C12H22 0 11 ; es un azúcar reductor, forma osazona y es hidrolizable a dos moléculas de O-glucosa. La secuencia de oxidación, metilación e hidrólisis (como se ha descrito para la maltosa) demuestra que la celobiosa contiene dos anillos piranósicos y una unión glicosidica en un C4• La celobiosa difiere de la maltosa en que es hidrolizable por la enzima emulsina y no por la maltasa. Por tanto, la celobiosa sólo difiere de la maltosa en que las unidades de glucosa están unidas por un enlace f3 y no a, luego la estructura de la celobiosa es:

HO

H H

~aoj3

Celobiosa = 4- 0-(/3-D-Glucopiranosil)-D-glucopiranosa

Lactosa

La lactosa es un azúcar reductor, forma osazona y la hidrólisis ácida proporciona glucosa y galactosa, y se hidroliz.a por la enzima emulsina.

732

QUíMICA ORGÁNICA

Surge una pregunta: ¿Es un glucósido o un galactósido?. La secuencia oxidación, metilación e hidrólisis da los siguientes resultados: las unidades se hallan en forma piranósica y la unión es C1-C 4• En la oxidación se obtiene ácido lactobiónico, que da por hidrólisis ácido glucónico y galactosa. Luego se trata de un galactósido y no de un glucósido. Es, por tanto:

o

H

OH

H

") aofj

Lactosa =4-0-(/3-D-Galactopiranosil)-D-glucopiranosa

Sacarosa La sacarosa da por hidrólisis glucosa y fructosa en la misma proporción. No reduce el reactivo de Fehling, por lo que los carbonos C1 de la glucosa y C2 de la fructosa están implicados en la unión glicosídica. Por lo que respecta al tamaño de los anillos se ha demostrado por reacciones de degradación, por rayos X y por síntesis que se trata de un a-glucopiranósido y un ~fructofuranósido.

CH20H

Sacarosa = a-D-Glucopiranosil-fj-D-fructofuranósido o fj-D-fructofuranosil-a-D-Glucopiranósido

22.7.2. Trisacáridos: rafinosa Como representante de este grupo se estudiará la rafinosa.

733

CARBOHIDRATOS

Rafinosa

En general para determinar la estructura de wi trisacárido se procede primero a determinar los azúcares que lo componen por análisis cromatográfico, previa hidrólisis. También se llevan a cabo hidrólisis químicas y enzimáticas parciales, para llegar a ver en lo que se desdobla: monosacárido +disacárido. Por hidrólisis parcial de la rafinosa se obtiene: Galactosa + Sacarosa Melibiosa + Fructosa La rafinosa no es reductora, lo que significa que la galactosa está unida a la glucosa y ésta a la fructosa. Al final de aplicar diferentes métodos, se ha llegado a la conclusión de que la rafinosa tiene la siguiente estructura:

OH

o CH20H

Rafinosa = a-D-Galactopiranosa(l-6) a-D-glucopiranosa(l -2) /J-D-fructofuranosa

22.7.3. Polisacáridos: celulosa, almidón y glucógeno Los polisacáridos son los polímeros de los monosacáridos y poseen amplia diversidad estructural. Los tres polisacáridos más abundantes en la naturaleza son la celulosa, el almidón y el glucógeno. Celulosa

La celulosa es el componente principal de la fibras de la madera y de las plantas. El algodón, por ejemplo, es celulosa casi pura. Sus propiedades fisicas residen

734

QUíMICA ORGÁNICA

en el elevado peso molecular que posee (unas 3.000 unidades de glucosa) y en el hecho de que las cadenas no tienen ramificaciones. La celulosa se compone de unidades de glucosa con uniones 1-4. Por análisis de rayos X y microscopía electrónica se ha demostrado que las cadenas se agrupan en haces, mantenidos por medio de puentes de hidrógeno entre los grupos -OH. Estos haces se tuercen entre sí, formando estructuras semejantes a cuerdas, las cuales se agrupan a su vez formando fibras.

Celulosa

Cabe destacar algunos derivados de la celulosa como el nitrato de celulosa, el acetato de celulosa y el xantato de celulosa. La celulosa se puede nitrar con una mezcla de ácidos nítrico y sulfúrico, convirtiéndose sus grupos -OH en ésteres nítricos. Como resultado se obtienen dos tipos de compuestos, di-y tri-nitrocelulosa. La dinitrocelulosa es la piroxilina, que mezclada con alcanfor y alcohol se obtiene el celuloide, que fu~ el primer plástico que se empleó. La trinitrocelulosa origina el algodón pólvora. Este se emplea en la manufactura de pólvora sin humo. Si se le mezcla con nitroglicerina se obtiene la cordita, que es un explosivo. La celulosa se convierte en el triacetato de celulosa en presencia del anhídrido acético, ácido acético y ácido sulfúrico. Encuentra gran aplicación en la fabricación de fibras textiles y películas fotográficas. Si se bloquean los grupos -OH de la celulosa en forma de xantatos, se obtienen unos productos viscosos, que si se les hace pasar por hileras a un baño ácido se obtienen hilos muy resistentes que constituyen el rayon. Si en vez de hacerlo pasar por hileras se les hace pasar por ranuras muy estrechas, y se les suaviza con glicerol, se obtiene el celofán. Celulosa-ONa + S=C=S -

Celulosa-0-C-SNa 11

s Xantato de celulosa

CARBOHIDRATOS

735

Almidón

El almidón se encuentra en las plantas como reserva alimenticia. Los almidones son polímeros compuestos por muchas unidades de glucosa. El almidón contiene generalmente alrededor de un 20 por 100 de una fracción soluble en agua, llamada ami/osa, y un 80 por 100 de otra insoluble denominada amilopectina. La amilosa está compuesta de unas 250-300 unidades de glucosa, enlazadas por puentes glicosídicos C1-C4 , y la amilopectina contiene más de 1.000 unidades de glucosa y posee una estructura ramificada.

Amilosa

O-~

~-ci HO

Amilopectina

O-:

736

QUíMICA ORGÁNICA

Glucógeno

Otro polisacárido con una estructura parecida a la amilopectina, pero con una ramificación mayor y un peso molecular del orden de 100 millones, es el glucógeno. Este compuesto tiene una importancia biológica considerable, ya que es uno de los principales polisacáridos que almacenan energía en los seres humanos y en los animales. Tanto la celulosa como el ahnidón y el glucógeno tienen en común la unidad de monómero de glucosa, y por ello se les denomina glucanos. En la naturaleza existen otros polisacáridos basados en otras unidades de azúcar, como por ejemplo los froctanos (fructosa), xílanos (xilosa), mananos (manosa) y galactanos (galactosa).

22.8. Azúcares naturales modificados Existen otros azúcares naturales que están constituidos por la asociación de glúcidos y de sustancias de diversa naturaleza no glucídica denominada aglicón. También el glúcido puede tener una estructura modificada, como puede ser el intercambio de un grupo hidroxilo por un grupo amino, o estar ausente, y a veces presentar la configuración L. En estos casos se denominan glicosUaminas si el nitrógeno está unido al carbono anomérico, aminoazúcares si está localizado en cualquier otra parte, o desoxiazúcar si el grupo hidroxilo está ausente.

OH Glicosilamina

HO

Amino azúcar

H

Desoxiazúcar

El aglicón puede estar unido al glúcido bien sea por un átomo de oxígeno o de nitrógeno. La unión siempre es en el carbono anomérico. En la naturaleza hay una gran abundancia de este tipo de azúcares, tanto en el reino animal como en el vegetal. Ejemplos de ellos son los ácidos nucleicos, que se estudiarán en el Tema 23.

Base

1

Fragmento de una cadena de ADN (ácido desoxirribonucleico)

CARBOHIDRATOS

737

Resumen de conceptos importantes l. Los carbohidratos son productos naturales polihidro.xicarbonílicos que pueden existir como monómeros, dímeros o polímeros.

2. Un monosacárido es el carbohidrato más sencillo. 3. Los monosacáridos pueden ser clasificados por el número de átomos de carbono y por el grupo funcional. Si éste es aldehído se denominan aldosas y si es cetona cetosas. 4. La mayoría de los azúcares naturales pertenecen a la familia D; es decir; el centro quiral más alejado del grupo carbonilo tiene la misma configuración que el (R)-(+)-2,3-dihidroxipropanal [D-(+)-gliceraldehído]. 5. Las formas ceto de los azúcares existen en equilibrio con los hemiacetales cíclicos de cinco (furanosas) o seis miembros (piranosas). El nuevo centro quiral se denomina carbono anomérico y los distintos anómeros se designan como a y /j. 6. El fenómeno llamado mutarrotaclón se debe a los cambios en la rotación óptica observada en el equilibrio de anómeros en solución. 7. Las reacciones de los azúcares son las típicas de los grupos funcionales que presentan: alcohol y carbonilo, bien sean cetonas o aldehídos. 8. Los disacáridos y sacáridos superiores se obtienen por formación de un enlace denominado enlace glicosidico. 9. Muchos azúcares naturales contienen esqueletos modificados. Pueden observarse cambios de un grupo OH por NH 2, ausencia de un OH, o tener (raramente) la configuración L.

738

QUíMICA ORGÁNICA

Eiercicios de autocomprobación 1. Indicar los reactivos necesarios para lograr las siguientes transfor-

maciones: a) D-Eritrosa ~Ácido meso-tartárico b) D-Manosa ~Ácido manónico c) D-Manosa ~ Manitol d) D-Gulosa ~ D-Xilosa

2. La representación de Fischer de la D-glucosa es la siguiente: CHO H HO

OH H

H

OH

H

OH CH20H

La glucosa, un compuesto A, epimero de la glucosa, y una hexosa B reaccionan con exceso de fenilhidrazina para dar un mismo

compuesto C de fórmula molecular C1sH2204N4. a) ¿Cuál es el compuesto C? Escribir las estructuras de A y B en representación de Fischer. b) Formular la estructura piranósica hemiacetálica de ambas hexosas A y B. ¿Cuántas existen?

3. Cuando el metil-/J-arabinósido, o bien el metil-a-D-xilósido, se metila, hidroliz.a y se oxida con ácido nítrico se obtiene el ácido trimetoxiglutárico.

a) ¿Cuál es el tamaño anular de estos aldopentósidos? b) Indicar los productos de oxidación de cada uno de estos aldopentósidos con HI0 4.

739

CARBOHIDRATOS

4. Deducir la estructura de un compuesto A, teniendo presente el

siguiente esquema de reacciones:

°

CH 1 C11H220e H2 Ag20 H+

Br

C10H200e HN03 H02C(CHOCH3)3C02H

CsH1207

H20

A

HN03 CsH100s (ópticamente activo)

degradac. C H O dRff 5104

-<

HN:·

e u

~sHg07 (6pl activo) CH O HN03

de Ruff

4 8 4

Ácido meso-tartárico

5. Un disacárido, de fórmula molecular C12H 220 1 v reduce el reactivo

de Fehling y se hidroliza con maltasa. Por hidrólisis con ácidos se obtienen dos moléculas de D-glucopiranosa. Cuando se metila y a continuación se hidroliza el disacárido, se forman partes iguales de 2,3,4,6-tetra-O-metil-glucopiranosa y 2,3,4-tri-O-metil-D-glucopiranosa. Sugerir una estructura para el compuesto e indicar si hay alguna indeterminación. 8. La genciobiosa, de fórmula molecular C12H 22 0 11 , es un azúcar reductor. Se hidroliza con emulsina, puede formar osazona y experimenta mutarrotación. La metilación de la genciobiosa, seguida de hidrólisis, da 2,3,4,6-tetra-O-metil-D-glucosa y 2,3,4-tri-O-metilD-glucosa. ¿Cuál es la estructura y el nombre sistemático de la genciobiosa? 7. Un disacárido A da por hidrólisis O-glucosa y D-fructosa. No reduce el reactivo de Fehling, y no forma osazona. Si se metila y se hidroliza posteriormente se puede caracterizar 2.3.4,6-tetra-Ometil-glucosa y 1,3,4,6-tetra-O-metil-fructosa. Deducir la estructura de A sabiendo que la glucosa tiene configuración C1(a) y la fructosa C2(/J).

740

QUíMICA ORGÁNICA


COOH

~

COOH

b)

CHO

e)

CHO

d)

CHO

COOH

Ca++

COOH Ca(OH)2

-

741

CARBOHIDRATOS

2. a)

i=

CHO

HC=N-NH-CsHs 1

N-NH-CsHs

CH20H

e

C1sH2204N4

El epimero A será la D-manosa: CHO

CH20H

La hexosa B será la D-fructosa: CH20H

t=O

i=

CH20H

b)

o CHO

/

a-D-Manopiranosa

o fj-D-Manopiranosa

742

QUíMICA ORGÁNICA

a-D-Fructopiranosa

/j -D-Fructopiranosa

3. a)

3

CH 0

fl

O

Metilación

CH,J COOH HN03

~1 i-Jº

CH30i=

OCH3 OCH3 COOH Ácido trimetoxiglutárico

Metilación

CH2 COOH OCH3

HN03

CH30

-t

OCH3 COOH Ácido trimetoxiglutárico

El anillo es de seis miembros.

743

CARBOHIDRATOS

b) H3CO-Fl

:~~t2~z 1

Lo mismo darla la xilosa. 4. La oxidación con agua de bromo indica que se trata de un aldehído. Si se metila, se hidroliza y se oxida se obtiene el ácido trimetoxiglutárico; el anillo tendrá que ser de seis miembros:

o

CH20H

(En principio se desconoce la posición de los -OH). Con dos degradaciones sucesivas y posterior oxidación, se obtiene ácido meso-tartárico: COOH

=+~= COOH

Se conoce, pues, la posición de los -OH de los carbonos 4 y 5. CHO

744

QUíMICA ORGÁNICA

Con una degradación y posterior oxidación se obtiene un ácido ópticamente activo, que será: HO

COOH 3

*

OH OH COOH Se conoce, pues, la posición del -OH del carbono 3. CHO HO OH OH CH20H

Por oxidación con nítrico se obtiene un ácido ópticamente activo: COOH OH HO OH OH COOH

Luego el compuesto A es la glucosa: CHO OH HO OH OH CH20H

Queda indeterminado si es a o /J, al igual que si es D o L.

745

CARBOHIDRATOS

5. Los productos de hidrólisis son:

OH

Luego el compuesto metilado será:

OCH3 OCH3

o 1

CH20CH3

El disacárido es:

HO

OH OH

J aofj

6-0-(a -D-Glucopiranosil)-D-glucopiranosa

La unión es a, puesto que se hidroliza con maltasa. Queda la indeterminación de si el -OH del carbono anomérico es a o /J.

746

QUíMICA ORGÁNICA

6. Tendrá unión Cl-C6 {J. Siguiendo los pasos del problema anterior se llega a la estructura: CH20H

HO OH

OH H

~a o{i

6-0-(/3-D-Glucopiranosil)-D-glucopiranosa

7. Los productos que se caracterizan son:

Por tanto, la estructura tiene que ser la siguiente: CH20H

OH

o CH20H

a-D-Glucopiranosil-{i-D-fructofuranósido {i-D-Fructofuranosil-a-D-glucopiranósido (Sacarosa)

Tema 23

Aminoáci~os,

péptidos y proteínas. Acidos nucleicos

1

SUMARIO 1

1

23.1. Nomenclatura y clasificación de los aminoácidos 23.2. Estructura de ion dipolar de los aminoácidos. Punto isoeléctrico 23.3. Configuración de los aminoácidos 23.4. Reacciones de los aminoácidos 23.4.1. Reacciones debidas a uno de los grupos, amino o carboxilo 23.4.2. Reacciones debidas a la coexistencia de los grupos amino y carboxilo 23.5. Síntesis de aminoácidos 23.8. Péptidos y proteínas 23. 7. Estructura y conformación de las cadenas de péptidos y proteínas 23. 7.1. Estructura primaria 23. 7.2. Estructura secundaria, terciaria y cuaternaria 23.8. Síntesis de péptidos 23.9. Péptidos y proteínas de interés biológico

23.10. Ácidos nucleicos: ADN y ARN Resumen de conceptos importantes Ejercicios de autocomprobación Soluciones a los ejercicios de autocomprobación

OBJETIVOS _ 1

1

_ _ _ _ _ _ _ _ _ __

1

1. Relacionar la estructura de los aminoácidos con sus propiedades fisicas. 2. Aplicar los conocimientos sobre la reactividad de los grupos carboxilo y amino a los aminoácidos. 3. Conocer el papel que desempeñan los aminoácidos, péptidos y proteínas en la naturaleza.

4. Elucidar la estructura primaria de una proteína mediante diversas reacciones químicas. 5. Aplicar diversas estrategias de síntesis orgánica a la preparación de aminoácidos y péptidos. 6. Conocer la composición básica estructural de los ácidos nucleicos: desoxirribonucleico (ADN) y ribonucleico (ARN).

AMINOÁCIDOS, PÉPTIDOS Y PROTEINAS. ÁCIDOS NUCLEICOS

749

23. 1. Nomenclatura y clasificación de los aminoácidos Con el nombre de aminoácidos se conoce a aquellos compuestos orgánicos portadores de grupos carboxilo y amino conjuntamente. Los aminoácidos se pueden nombrar utilizando las letras griegas a, {J, y. .., para indicar la posición del grupo amino sobre la cadena del ácido carboxílico.

~H2

~H2

R-CHCOOH a-Aminoácido

~H2

R-CH-CH2COOH /3-Aminoácido

R-CH-CH2-CH2COOH y-Aminoácido

Las células vivientes requieren un suministro constante de aminoácidos para la síntesis de sus proteínas, lo que justifica la importancia bioquímica de estos compuestos. Aunque en la naturaleza existen más de quinientos aminoácidos, las proteínas de todas las especies, desde las bacterias a los seres humanos, están formadas por sólo 20 aminoácidos diferentes. Todos los que forman parte de las proteínas poseen un grupo -NH2 sobre el carbono a (a partir de ahora se hará referencia en particular a los a-aminoácidos). Ya que el aminoácido puede portar otras funciones orgánicas, o más de un grupo carboxilo, o más de un grupo amino, la clasificación química más extendida es la que hace referencia a dichas funciones (Tabla 23.1). Thbla 23.1. Clasificación de aminoácidos según la naturaleza de R Con R

=H

Glicina (Gly) Alanina (Ala)

Valina * (Val) Con cadena hidrocarbonada

Leucina* (Leu) Isoleucina* (lle)

Fenilalanina* (Phe) Prolina (Pro) Con grupos hidroxilo

Con grupos amino

¡

Serina (Ser) Treonina* (Thr) Tuosina (lyr)

Asparagina (Asn) Glutamina (Gln) Lisina* (Lys) Arginina (Arg) Triptófano (Trp) Histldina (His)

Con grupos conteniendo azufre

¡

Con grupos carboxilo

Ácído aspártico (Asp) { Ácido glutámico (Glu)

Cisteína* (Cys) Metionina* (Met)

* Aminoácidos esenciales.

Otra clasificación hace distinción entre aminoácidos esenciales o indispensables, que tienen que ser suministrados en la dieta humana, y los no esenciales o dispensables, que pueden ser sintetizados por nuestro propio organismo.

750

QUíMICA ORGÁNICA

Las estructuras de los distintos aminoácidos pueden verse en el ejercicio de autocomprobación n.0 l.

23.2. Estructura de ion dipolar de los aminoácidos. Punto isoeléctrico Los aminoácidos son sólidos, de alto punto de fusión, y por contener dos grupos polares son insolubles en disolventes orgánicos apolares y solubles en agua, y se comportan como anfolitos, es decir, tienen propiedades anfóteras. A los aminoácidos que contienen sólo una función ácida (grupo carboxilo) y otra básica (grupo amino) la forma más real de representarlos es como iones dipolares (zwitteriones-iones híbridos). En disolución acuosa se establecen varios equilibrios ácido-base en los que intervienen ambos grupos funcionales. Por ejemplo, la glicina presenta las formas siguientes dependiendo del pH de la disolución: + H3NCH2COOH

Ho-

ff +

Ho+ H2NCH2Coo-

ff +

1

H2NCH2Coo-

H

Predomina a pH< 1

Predomina a

Predomina a pH> 13

pH= 6

Los aminoácidos que no tengan cadenas laterales ioniza.bles presentan dos constantes de ionización, cuyos p~ son aproximadamente 2 y 9, correspondientes a los grupos carboxilo y amino respectivamente. Por ejemplo, las constantes de ionización de la glicina son las siguientes: +

..

+

H3N-CH2-C02H + H20:

pKal = 2,4 ; + .. H2N-CH2- C02 + H20: 1

H

-

+

H3N-CH2- C02 + H20H J(1 -

lQ-2,4

+ H2N-CH2- C02 + H20H

pKa2 = 9,8 ; !(l. = 1O-9,8

Es importante conocer a qué valor de pH la concentración de la forma zwitteriónica con cargas neutralizadas es máxima. Ello tiene lugar en un punto en el cual el grado de protonación es igual al de desprotonación. Dicho punto se denomina punto isoeléctrlco, pH1. El punto isoeléctrico es una caracteristica particular de cada aminoácido y es la media aritmética de la suma de los dos valores de pKª.

AMINOÁCIDOS, PÉPTIDOSY PROTEINAS. ÁCIDOS NUCLEICOS

751

Si se colocan dos electrodos, entre los que se establece una diferencia de potencial, en una disolución de un aminoácido, éste migrará hacia el ánodo o hacia el cátodo según sea el pH de la disolución. Es evidente que en el punto isoeléctrico el aminoácido es eléctricamente neutro y, por tanto, no se moverá. Está técnica, empleada para la separación de aminoácidos, se denomina electroforesis.

23.3. Configuración de los aminoácidos En todos los aminoácidos constituyentes de las proteínas, excepto en la glicocola o glicina (ácido aminoacético), el C-2 o carbono a es un centro quiral que generalmente adopta la configuración S. La antigua nomenclatura de aminoácidos emplea los prefijos D y L relacionando todos los (25)-aminoácidos con el (.s)-2,3dihidroxipropanal (L-gliceraldehído), de forma similar a los azúcares. COOH 1 1

(5)-2, 3-Dihidroxipropanal (L-Gliceraldehído)

(Notar que en los aminoácidos, como en otros compuestos de interés bioquímico, se sigue utilizando la nomenclatura D-L y no la R-5). También se suele asignar la configuración relativa de centros quirales de los aminoácidos por correlación con la L-serina, a la que se tomó como patrón cabeza de serie, ya que todos los aminoácidos naturales, salvo excepciones, presentan configuración L. COOH

H2N+H CH20H L-Serina Ácido (5)-2-amino-3-hidroxipropiónico

23.4. Reacciones de los aminoácidos Los aminoácidos presentan la reactividad propia de los grupos amino y carboxilo, que ha sido vista en los Temas 17 y 18, y de la interacción de ambos grupos cabe destacar las siguientes:

752

QUíMICA ORGÁNICA

23.4. 1. Reacciones debidas a uno de los grupos, amino o carboxilo Formación de betaínas

Las betaínas se forman por metilación del grupo amino del aminoácido: R-CH-C02H

XCH 3

1

:NH2 X

= Cl, Br

R-CH-COOH

x-

1

base ~H

CH3-+N-CH3

R-CH- C02 1

CH3-+N-CH3

1

1

CH3 Sal de la betaína

CH3 Betaina

Formación de derivados acetilados y benzoilados

El grupo amino del aminoácido reacciona con anhídridos de ácido para dar el correspondiente derivado: Rl-CH-C02H + R2COOH 1

:NH-

CO-R2

Los derivados acetilados y benzoilados de la glicina son los ácidos acetúrico e hipúrico respectivamente, y son productos fisiológicos. Esterificación

Los aminoácidos reaccionan con alcoholes para formar aminoésteres:

Formación de amidas

Por reacción de aminoácidos con amoníaco se forman aminoamidas no sustituidas: R-CH- CO-NH2 + HOH 1

:NH2

753


Con las aminas los aminoácidos originan amidas sustituidas, las cuales se conocen con el nombre de péptidos que se estudiarán en la sección 23.6. Rl-CH-COOH + R2-NHH -

Rl-CH- CO-NH-R2 + HOH

1

1

:NH2

:NH2

Formación de halogenuros de acilo

Se pueden formar también halogenuros de acilo con el reactivo correspondiente: R-CH- COOH 1

PCls o PCl3

R-CH- COCI

o SOCI2

1

:NH2

:NH2

23.4.2. Reacciones debidas a la coexistencia de los grupos amino y carboxilo Formación de quelatos

Los aminoácidos complejan a bastantes cationes metálicos formando verdaderos quelatos, en los que los hidrógenos del grupo carboxilo son reemplazados por el catión, que a su vez forma enlaces covalentes coordinados con los pares de electrones sin compartir de los grupos -NH2•

o

o

11

C- 0 CH2/

11

" "-·· 0 -C

""'-/ Cu

""'-NH2 ·· /

CH2

NH2/

Coloración con ninhidrina

La ninhidrina, 2,2-dihidroxi-1,3-indanodiona, adquiere un color azul-violeta con pequeñísimas concentraciones de aminoácido, lo que permite detectar la presencia de los mismos cualquiera que sea su estructura. Se emplea como revelador cromatográfico de aminoácidos en cromatografia de papel o en capa fina, ya que forma el producto denominado púrpura de Ruhermann.

754

QUíMICA ORGÁNICA

o

~-J't:::OH ~el

OH

11

o Ninhidrina

o=

-

o

~

o-

)=N

e 11 o

Púrpura de Ruhermann

Reacciones frente

al calor

El comportamiento frente al calor de los distintos tipos de aminoácidos es análogo al de los hidroxiácidos. Los a-aminoácidos experimentan deshidratación intermolecular dando lugar a la formación de 2,5-d.icetopiperazinas: R'\. CH-e HN/

~O "-oH

1

H

¡fO

>-<

R

-

'e-<

HN

A

el

NH

+

2HOH

R

2,5-Dicetopiperazina (2,5-Diazaciclohexano-1, 4-diona)

Los />-aminoácidos pierden amoníaco: R-eH-eH2-eOOH

A_

R-eH= eH-eOOH + NH2H

1

:NH2

Ácido a,f3-no saturado

755


Los ry 8 aminoácidos se ciclan por pérdida de agua dando lugar a lactamas que son amidas cíclicas semejantes a las lactonas (ésteres cíclicos):

o HNH-CH2-CH2-CH2-COOH

c11

-

A

O

+ HOH

HN

r-Butirolactama (2-Pirrolidona)

o

HNH-CH2-CH2-CH2-CH2- COOH

-

A

~

H o

+ HOH

o-Valerolactama (2-Cetopiperidina)

23.5. Síntesis de aminoácidos Existen varios procedimientos para sintetizar aminoácidos. Cabe destacar los siguientes: Reacción de Hofmann

Se parte de un a-halogenoácido y se trata con amoníaco: R- CH-COOH + 2 :NH3 1

X

X=Cl, Br

R-CH-COOH

I

+ NH4+x-

:NH2

Los r y ó aminoácidos se pueden sintetizar del mismo modo por acción del amoníaco sobre el halogenoácido apropiado. Reacción de Gabriel

La síntesis de Gabriel estudiada como procedimiento de obtención de aminas, puede aplicarse para obtener aminoácidos combinada con una variación de la síntesis del éster malónico. El malonato de dietilo se puede monobromar para dar el bromuro que sigue una reacción SN2 con la sal protásica de la ftalimida dando el éster N-ftalimidomalónico, el cual puede alquilarse con una gran variedad de halogenu-

756

QUíMICA ORGÁNICA

ros de alquilo o con compuestos carbonílicos a,,8-insaturados. La hidrólisis ácida da como resultado el aminoácido correspondiente.

o

-KBr

l. Eto- Na+

N-CH (C02Et)2

2. RX

R 1

N-C(C02Et)2

H+, HzO, A - CH3CH20H

/ COOH N-C-R

"-cooH

o NH 1

-

+

3

RCHC02-

+

(J(

COOH

COOH

Síntesis de Strecker

Otro de los métodos para preparar a-aminoácidos consiste en la hidrólisis de los a-aminonitrilos que se obtienen al tratar los aldehídos con amoníaco y ácido cianhídrico. NH2 HCN

1

R-C- CN 1

H


757

Reacción de Michael Los ,B-aminoácidos se pueden sintetizar por reacción de Michael con ácidos

a, {3-insaturados:

R-CH= CH-COOH

Síntesis de aminoácidos ópticamente puros Los métodos anteriores originan aminoácidos en su forma recémica y muchas veces se precisa obtener aminoácidos enantioméricamente puros, como es el caso de la síntesis de péptidos y proteínas, que en la mayoría de los casos se requiere una configuración S. Para resolver este problema cabría la posibilidad de separar los dos enantiómeros, pero desafortunadamente en la práctica resulta tedioso y se obtienen rendimientos muy bajos. Por eso se llevan a cabo síntesis enanüoselecüvas. Los químicos han utilizado la actividad catalítica de las enzimas para preparar aminoácidos enantioméricamente puros por un procedimiento denominado resolu-

ción cínéüca. Un ejemplo de este método es la resolución cinética enzimática del racémico de alanina por la acilasa renal I de cerdo aislada del riñón. Esta enzima cataliza únicamente la hidrólisis del grupo amida de los (25)-aminoácidos N-alcanoilados. En la práctica el ácido recémico se acetila primero con anhídrido acético dando la N-acetilamina y posteriormente se expone al tratamiento con la enzima.

oo 11

o

HN~CH3

11

CH3COCCH3 CH3COOH, .A - CH3COOH (R, .s)-Alanina

1

CH3CHCOOH

(R, .s)-N-Acetilalanina

coo-

-

1. Acilasa renal porcina 2. CH3CH20H

HsÑ+H CH3

(.s)-Alanina (precipita)

COOH O

+

H+NH~CH3 CH3

(R)-N-Acetilalanina (permanece en solución)

La adición de etanol provoca la cristalización del (5)-aminoácido natural, mientras que la (~-N-acetilalanina permanece en disolución.

758

QUíMICA ORGÁNICA

23.6. Péptidos y proteínas Los péptidos son compuestos formados por dos o más L-aminoácidos unidos a través de los grupos amino y carboxilo dando lugar a grupos amida. Son por tanto poliamidas. En estos compuestos el grupo amida (-NUCO-) se denomina enlace peptidico o unión peptidica. Según sea el número de aminoácidos presentes en la molécula, se les denomina dipéptidos, bipéptidos, etc., hasta llegar a los polipéptidos. Convencionalmente se consideran como polipéptidos los que tienen pesos moleculares de hasta 10.000; por encima de este valor son denominados proteinas. Las proteinas pueden ser de origen animal o vegetal y se clasifican en sencillas y conjugadas. Las sencillas están compuestas sólo por a-aminoácidos y las conjugadas poseen además de protemas sencillas, grupos no proteicos. La parte no proteica se denomina grupo prostético y puede ser un hidrato de carbono (glicoproteína), ácido fosfórico (fosfoproteína), un fosfolípido (lipoproteína), un ácido nucleico (nudeoproteína), una porfirina (cromoproteína), etc.

23.7. Estructura y conformación de las cadenas de péptidos y proteínas La estructura de péptidos y proteínas es sumamente sencilla. Consiste en la condensación de numerosos L-aminoácidos, con unión peptídica. Un sector de la cadena peptídica presentaría por tanto la siguiente fórmula estructural:

23.7.1. Estructura primaria El número de las posibles combinaciones al azar de los 20 aminoácidos encontrados en las hormonas, enzimas y demás protemas es casi infinito. Sin embargo, la actividad biológica no se debe a una combinación fortuita, sino a un ordenamiento preciso de los aminoácidos. Por tanto, el primer problema que plantea la estructura de péptidos y protemas es la secuencia de aminoácidos en la cadena, es decir, su estructura primaria.

759


En una cadena peptídica el grupo amino libre se denomina N-terminal o extremo amino, escribiéndose a la izquierda. El grupo ácido libre se denomina e-terminal o extremo carboxi, situándose a la derecha. Los aminoácidos se enumeran de izquierda a derecha utilizando símbolos abreviados. Por ejemplo: H2N-CH2-CO-

NH-CH-CO- NH-CH-COOH 1

1

CH2

CH3

1

CH(CH:Jl2

Glicil-leucilalanina Gly-Leu-Ala

En términos generales, la composición de aminoácidos se determina por hidrólisis total de la proteína, bien sea química o enzimática, seguida de análisis cuantitativo y cualitativo de cada aminoácido presente en la hidrólisis, habiendo sido separados previamente por algún método comatográfico. Para conocer la secuencia de aminoácidos se han desarrollado diversos métodos consistentes en el análisis de residuos terminales, para lo cual es necesario aplicar reacciones químicas específicas. A continuación se presentan dos de estos métodos: Degradación de Sanger (Premio Nobel 1958 y 1980)

En este método el péptido se trata con 2,4-dinitro-1-fluorobenceno y el aminoácido .N-terminal reacciona con él; el producto obtenido se hidroliza y se identifica el .N-2,4-dinitrofenilderivado. Rl

R2

R3

F +H2N -tH-CO-NH-tH-CO-NH-tH-CO ... -HF

R1

R2

R3

1

1

1

NH-CH-CO-NH-CH-CO-NH-CH-CO ...

R1 1

NH-CH-COOH

R3 1

Aminoácido marcado

+ H2N-CH-COOH + ... etc.

R2 1

+ H2N-CH-COOH

+

HOH H+

760

QUíMICA ORGÁNICA

Como se observa este método únicamente caracteriza el aminoácido terminal e hidroliza el resto del péptido. Degradación de Edman

Este procedimiento tiene la ventaja de dejar el resto peptidico intacto. El procedimiento consiste en tratar el péptido, primeramente, con isotiocianato de fenilo (C6H5N = C= S) y el aminoácido N-terminal se adiciona al reactivo formándose un derivado de la tiourea. Por hidrólisis, en condiciones suaves para no hidrolizar los enlaces peptldicos, se obtiene la feniltiohidantoina del aminoácido y un péptido con un aminoácido menos. El ciclo se puede repetir varias veces. Este procedimiento se utiliza para péptidos relativamente pequeños.

..

..

Rl

R2

R3

1

1

1

CsHsN=C=S + H2N-CH-CO-NH-CH-CO-NH-CH-CO- ... -

Rl O

S

R2

R3

- CsHsNH~NHtH~-NH-tH-CO- NH-tH-CO-...

H+, H 20

s R2

11

-

/e, NH

CeHs-N

\

/

C-CH

~

R3

1 1 1 CsHsN=C=S + H2N-CH-CO- NH-CH-CO- ... - · - - - - 2. H+, H20

\1

Feniltiohidantoína R3 1

+ H2N-CH-CO- ... -

etc.

23.7.2. Estructura secundaria, terciaria y cuaternaria Con la determinación de la secuencia de los aminoácidos no se completa totalmente el conocimiento de la estructura de las proteínas. La larga cadena, que resulta al unirse varios cientos de aminoácidos, puede presentar distintas ordenaciones en el espacio. Esta disposición de las cadenas en el espacio se denomina conformación de las cadenas. Este nuevo concepto comprende las expresiones de estructura secundaria, terciaria y cuaternaria.


761

Por estmctura secundaria se entiende la torsión de las cadenas en forma de hélice o en hoja plegada, por ejemplo. Esto se debe a los puentes de hidrógeno entre los grupos -CO- y -NH- principalmente (Figura 23.1).

Figura 23.1. Estructura de hélice a y hoja {J plegada de una proteína.

La proteína puede aún plegarse más por unión de cadenas entre sí, originando formas globulares, elipsoidales, etc., lo que se denomina estructura terciaria de la proteína. Intervienen una variedad de fuerzas, que dependen de la naturaleza de los grupos R de las cadenas que interaccionan entre si, tales como puentes disulfuro, enlaces de hidrógeno, fuerzas London y atracciones y repulsiones electrostáticas (Figura 23.2).

762

QUíMICA ORGÁNICA

Figura 23.2. Estructura idealizada de una proteína (una hélice dentro de otra).

Las proteínas que se componen de dos o más cadenas polipeptídicas poseen estructura cuaternaria, que es la disposición que asumen las cadenas polipeptidicas, cada una con su propia estructura primaria, secundaria y terciaria, para formar la molécula biológicamente activa.

23.8. Síntesis de péptidos La síntesis de péptidos supone activar el grupo carboxilo o el amino que se desea que reaccione y bloquear aquellos que deban estar libres en el producto final. Para ello, haciendo uso de la reactividad de los grupos amino y carboxilo, se han desarrollado diversas técnicas de bloqueo y activación para la obtención de péptidos. Entre los grupos protectores del grupo -NH2 cabe destacar el benciloxicarbonilo o carbobenzoxi o Cbz, y el te.n:-butoxicarbonilo o Boc. Por otra parte, el grupo carboxilo se activa sustituyendo el -OH por otro que sea mejor grupo saliente (anhídridos, ésteres, etc.). Un reactivo muy empleado en sintesis de péptidos es la diciclohexilcarbodiimida:

Diciclohexilcarbodümida (DCC)

763

AMINOÁCIDOS, PÉPTIDOS Y PROTEÍNAS. ÁCIDOS NUCLEICOS

Su unión con el aminoácido sería la siguiente:

RO 1

RO

ND -O

~ NH2CHCOC

11

1

NH2CHCOH + DCC -

11

""-N H

A continuación se presenta un ejemplo del proceso de síntesis de péptidos:

o

o

RlCH~OH

Agente bloqueante del grupo amino

1

o Agente activante del grupo carboxilo

11

RlCHCOH 1

NH

NH2

11

RlCHC - * 1

NH

1

1

o

o Agente bloqueante del grupo carboxilo

11

R2CHCOH 1

NH2

11

R2CHC-

I

NH2

o

o

11

11

- - RlCHC- NHCHC 1

NH

1

R2

o Eliminación de agentes bloqueantes

11

RlCHC- NHCHC02H 1

1

NH2

1

R2 Péptido

El proceso podría seguir tantas veces como fuese necesario. Debido a que los grupos protectores son sensibles tanto a ácidos como a bases, la formación de enlaces peptídicos debe hacerse en las condiciones más suaves posibles.

Técnica de fase sólida de Merrifield (Premio Nobel en 1984) Es un método que permite efectuar las operaciones de activación y condensación en una sola fase. Se basa en el empleo de un soporte sólido de poliestireno. En este procedimiento un aminoácido, con su grupo amino convenientemente protegido, se une a través del grupo carboxilo al polímero de poliestireno. Seguidamente se desbloquea el -NH 2 del aminoácido y se vuelve a realizar la condensación de un segundo aminoácido con el grupo amino protegido y utilizando DCC

764

QUÍMICA ORGÁNICA

para activar su grupo carboxilo. Se puede continuar la operación cuantas veces se desee. El procesos se esquematiza a continuación: Rl NHdHcoo- + ClCH2 -

!

l. Unión del aminoácido

- Cl

protegido al poliestireno

RlO

NHlH~OCH2-

!

CF3C02H. CH2Cl2

2. Desprotección

Rlü

H2NlH~OCH2R2

ND D

3. Acoplamiento con el segundo aminoácido con el grupo amino protegido y el grupo carboxílico activado

~

1

NHCHCOOC

""-N H

R2

Rl O

1

1

11

NHCHCONHCHCOCH2-

¡

CF3C02H, CH2Cl2

R2

4. Desprotección

Rl O

1

1

11

H2NCHCONHCHCOCH2-

5. Desconexión del dipéptico del poliestireno

R2 +

Rl

1

1

H3NCHCONHCHCOo- +

FCH2 -

Dipéptido

o 11

(CH3)3COC- -

cadena de poliestireno


765

Obviamente no es necesario parar el proceso en el dipéptido ya que se puede continuar indefinidamente hasta la obtención del polipéptido deseado. De este modo, por ejemplo, ha sido sintetizada la insulina.

23.9. Péptidos y proteínas de interés biológico En esta sección se van a exponer algunos ejemplos de proteínas de interés biológico. A veces un sólo aminoácido puede exhibir actividad biológica; la tiroxina (no confundir con tirosina) es una hormona que actúa como principio activo en los animales que poseen glándula tiroides.

HO

o

CH2-CH-COOH 1

NH2 Tiroxina

Esta molécula, relativamente sencilla, ejerce una gran influencia sobre el metabolismo de casi todas las células del cuerpo. La oxítocina es una hormona compuesta por nueve aminoácidos. Es uno de los compuestos con más actividad biológica que se conocen. ¡S S I Cys. Tyr. lle. Gin. Asp. Cys. Pro. Len. Gly. NH2

Oxitocina

Es la responsable de las contracciones uterinas durante el parto y actúa sobre las glándulas mamarias estimulando la eyección de leche. Es producida por las hembras de cada especie. Los polipéptidos naturales más complejos pueden reali7.ar las mismas funciones en especies diferentes aunque no tengan estructura primaria idéntica. Un ejemplo lo constituye la insulina, hormona que controla el metabolismo de los hidratos de carbono, y que de unas especies a otras presenta diferencias en la disposición de cuatro de sus 51 aminoácidos.

766

QUíMICA ORGÁNICA

La hemoglobina, el pigmento rojo de la sangre, que interviene en el transporte de oxígeno, es un agregado de cuatro cadenas peptídicas, siendo iguales dos a dos. Cada cadena contiene un grupo prostético denominado hemo, el cual consiste en una molécula de porfirina que contiene un ion ferroso coordinado (si el ion ferroso se oxida a férrico el grupo se denomina entonces hemina). Las cadenas peptídicas tienen una secuencia de aminoácidos muy específica y la sustitución, eliminación o adicción de un aminoácido puede provocar serias enfermedades o incluso la muerte. La enfermedad denominada anemia celular falciforme es una enfermedad molecular propia de las personas cuya globina difiere únicamente de la normal, en que el sexto aminoácido de la serie es la valina en lugar del ácido glutámico. Esto da una idea de la importancia de la secuencia de aminoácidos. Las enzimas son materiales polipeptídicos todavía más complejos. Cada célula viva contiene miles de enzimas, cada una de los cuales cataliza una reacción química específica. Los anticuerpos también son proteínas, encargadas de eliminar toda sustancia extraña (anUgeno) que penetra en el organismo. Las principales proteínas de este tipo son las y-glohulinas de la sangre del huésped. Es importante señalar que la inmunidad contra un antígeno dado es altamente específica. Cada célula nueva que invade el cuerpo provoca la parición de anticuerpos específicos que se almacenan en la sangre en forma de y-globulinas.

23. 1O. Ácidos nucleicos: ADN y ARN Uno de los descubrimientos más fascinantes en la historia de la Ciencia ha sido el descifrar como es y como actúa el código genético. Toda la información hereditaria está contenida en el ácido desoxirribonucleico (ADN). La expresión de esta información, en la síntesis de muchas enzimas, se lleva a cabo mediante el áddo ribonucleico (ARN). Tanto el ADN como el ARN son denominados ácidos nucleicos.

Los ácidos nucleicos son biopolímeros y las unidades que los componen se denominan nucleótidos, los cuales están formados por un grupo fosfato unido por medio de un azúcar a una base heterocíclica nitrogenada, y son las unidades básicas estructurales del ADN y ARN (Figura 23.3).

767


vvvvvvv

vvvvvvv

-o-i=O 1 o 1 CH2

-o-i=O o CH2 1

.g 'º

·--

Base

~

1

Base

z=

o -o-i=O o 1 CH2 1

Base

o

.....

"l:I

OH o -o-i=O o1 1 CH2

Base

o

..... 'º ]

"l:I

~

~

-o Q,)

Q,)

]

z

z

OH -o-L o 1 o 1 CH2

Base

-o-L o 1 o 1 CH2

o

o

1 vvvvvvv

vvvvvvv

Base

OH

1

Figura !3.3. Cadena de ADN y ARN. En el ADN están presentes sólo cuatro bases nitrogenadas: Citosina (C), Timina (T), Adenina (A) y Guanina (G), y el azúcar es la 2-desoxirribosa, mientras que en el ARN el azúcar es la ribosa e incorpora Uracllo (U) en lugar de timina.

768

QUíMICA ORGÁNICA

o

NHz

)::N

)

>

lN~

N H

H

Adenina (A)

H Citosina (C)

Guanina (G)

~NH

lN~

H

Timina

m

H Uracilo (U)

HOH2C

H 2-Desoxirribosa

OH

Ribosa

Figura 23.4. Bases púricas, bases pirimidínicas y azúcares del ADN y del ARN.

Los nucleótidos se forman a partir de nucleósidos, los cuales están formados por una base nitrogenada unida al C-1 del azúcar. Éstos a su vez introducen un sustituyente de fosfato en el C-5 para dar el nucleótido. Por ejemplo: O

,..-H

CN~ N

o

o

11

11

HO-P-O-CH2

HO-P-O-CH2 1

1

OH

OH

OH

Ácido 2-desoxicitidilico

OH OH Ácido uridilico


769

Para originar la cadena se forma un puente de éster fosfórico entre el C-5 del azúcar de un nucleótido y el C-3 de otro (Figura 23.3). En este polímero las bases juegan el mismo papel que el sustituyente en posición 2 de los aminoácidos en las proteínas. La secuencia varía de un ácido nucleico a otro y tiene una importancia biológica fundamental. Estructura de los ácidos nucleicos Los ácidos nucleicos pueden formar cadenas extraordinariamente largas con pesos moleculares de billones. Como las proteinas pueden adoptar estructuras secundarias y terciarias. Watson y Crick (Premios Nobel en 1960) basándose en la estructura de rayos X resuelta por Rosalind Franklint establecieron que el ADN tiene una estructura de doble hélice compuesta por dos cadenas con una secuencia de bases complementaria. Por ejemplo: vvvvwv A-G-C-T-A-C-G-A-T-C vvvvwv 1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

vvvvwv T-C-G-A-T-G-C-T-A-G vvvvvvv

Ello se debe a que se forman puentes de hidrógeno entre la adenina y la timina y entre la guanina y la citosina.

(N

H

N-H---0

CH3

/N~N---H-N'.S NJ \

azúcar

N

t 7 'azucar , O

Adenina-Timina

(N

,

H O

H-N

/N=-<-<,-H---N ~ NJ )-N, ,

azucar

N- H---0 H

Guanina-Citosina

azucar

770

QUíMICA ORGÁNICA

Como consecuencia de maximizar los puentes de hidrógeno y minimizar las repulsiones estéricas, esta doble cadena se pliega en forma de hélice (Figura 23.5).

Figura 23.5. Cadena de doble hélice de ADN en proceso de replicación.


l. Los aminoácidos son compuestos que presentan en su estructura los grupos amino y carboxilo conjuntamente. Los aminoácidos naturales son aaminoácidos de configuración So L en el carbono a.


771

2. Los aminoácidos son compuestos anfóteros y dan lugar a una reacción interna ácido-base para originar iones dipolares, siendo el punto isoelédrico de un aminoácido el pH de la disolución en la cual el ion dipolar es eléctricamente neutro. 3. Los polipéptidos son poliaminoácidos unidos por enlaces amida denominados enlaces peptldicos. La mayoría de los polipéptidos naturales están compuestos por, sólamente, diecinueve (2.5)-aminoácidos y glicina. 4. La estructura primaria de una proteína es la secuencia de aminoácidos presentes en la cadena, y puede ser determinada por análisis de los aminoácidos que la componen. Dicha cadena puede presentar distintas ordenaciones en el espacio, debido a las interacciones entre los grupos -NH, -CO y los grupos R que portan, dando lugar a las estructuras secundaria y terciaria. Las proteínas que poseen más de una cadena presentan estructura cuaternaria. 5. La síntesis de péptidos requiere la protección o activación, según convenga, de los grupos amino y carboxilo. 6. Los ácidos nucleicos (ADN y ARN) son biopolímeros formados por una unidad de fósfato unido a un azúcar que contiene una base heterocíclica nitrogenada. Sólo cuatro bases diferentes y un azúcar están presentes en su estructura.

772

QUíMICA ORGÁNICA

Eiercicios de autocomprobación 1. Los aminoácidos más importantes encontrados en la hidrólisis de

las proteínas son los siguientes: Glicina o glicocola: ácido 2-aminoacético. Alanina: ácido a-aminopropanoico o 2-aminopropanoico. Valina: ácido a-amino-/J-metilbutanoico o 2-amino-3-metilbutanoico. Leucina: ácido a-amino-r-metilvalérico o 2-amino-4-metilpentanoico. Isoleucina: ácido a-amino-/J-metilvalérico o 2-amino-3-metilpentanoico. Fenilalanina: ácido a-amino-/J-fenilpropanoico o 2-amino-3-fenilpropanoico. Prolina: ácido a-pirrolidincarboxílico. Serina: ácido a-amino-/J-hidroxipropanoico o 2-amino-3-hidroxipropanoico. Treonina: ácido a-amino-/J-hidroxibutanoico o 2-amino-3-hidroxibutanoico. Trrosina: ácido a-amino-/J-(p-hidroxifenil)propanoico o 2-amino3-(p-hidroxifenil)propanoico. Glutamina: ácido a-aminoglutarámico. Lisina: ácido a, E-diaminocaproico o 2,6-d.iaminohexanoico. Arginina: ácido a-amino-c5-guanidinvalérico o 2-amino-5-guanidinpentanoico. Histidina: ácido a-amino-/J-(imidazol-4 o 5-il)propanoico o 2-amino-3-(imidazol-4 o 5-il)propanoico. Asparagina: ácido a-aminosuccinámico. Triptófano: ácido a-amino-/J-(indol-3-il)propanoico o 2-amino-3(indol-3-il)propanoico. Cisteína: ácido a-amino-/J-tiolpropanoico o 2-amino-3-tiolpropanoico. Metionina: ácido a-amino-y-metiltiolbutanoico o 2-amino-4-metiltiolbutanoico. Ácido aspártico: ácido a-aminosuccínico o 2-aminobutanodioico. Ácido glutámico: ácido a-aminoglutárico o 2-aminopentanodioico. Desarrollar sus estructuras.


773

2. Indicar una síntesis para la valina a partir de alcohol isobutllico.

3. Indicar los productos que resultarían si se somenten a la acción del calor los siguientes compuestos: a) glicina; b) alanina; c) ácido 8aminovalérico; d) ácido fJ-aminopropanoico; e) ácido y-aminobutanoico. 4. Indicar los productos que se obtienen al tratar los siguientes aminoácidos como se indica a continuación:

a) Glicina con metanol y cloruro de hidrógeno seco. b) Alanina con nitrito sódico y cloruro de hidrógeno c) Isoleucina con pentacloruro de fósforo. d) Prolina con yoduro de metilo en exceso. 5. El nombre de la treonina fue elegido debido a la relación estereográfica con la treosa. Representar la proyección de Fischer de la Ltreonina e indicar si los centros asimétricos son Ro S. 6. Un dipéptido da por hidrólisis valina y leucina. Si se le trata con ácido nitroso y a continuación se hidroliza, se aisla un hidroxiácido, cuyo peso molecular es 118. ¿Qué estructura corresponde al dipéptido?

7. Escribir las reacciones correspondientes a la obtención del dipéptido alanilglicina utilizando los reactivos que sean necesarios. 8. Un tetrapéptido A, de peso molecular 436, por hidrólisis total da lugar a cantidades equimoleculares de alanina, leucina, serina y fenilalanina. Por tratamiento con 2,4-dinitro-1-fluorobenceno y posterior hidrólisis parcial pudieron detectarse los aminoácidos alanina, leucina y serina; además de dos dipéptidos: (serilalanina y (seril-leucina), también se caracterizó dinitrofenilalanil-leucina. Indicar su estructura.

774

QUíMICA ORGÁNICA

Soluciones a los eiercicios de autocomprobación 1. Gly:

HzN-CH2-COOH

Ala:

CH3-CH-COOH 1

NH2

Val:

CH3-CH-CH-COOH 1

1

CH3 NH2

Leu: CH3-CH-CH2-CH-COOH

~Hz

tH3

lle:

CH3-CH2-CH-CH-COOH 1

1

CH3 NH2

Phe: o-CH2-1H-COOH NH2

Pro:

f\ "-.NAcooH 1

H Ser:

HOCH2-CH-COOH 1

NH2

Thr:

CH3-CH-CH-COOH 1

OH

Tyr:

1

NH2

H 0 - 0 - ' CH2-CH-COOH -

1

NH2 Gln:

HzNCOCH2-CH2-CH-COOH 1

NH2


Arg:

H2N-C-NH-CH2-CH2-CH2-CH-COOH 11

1

NH

NH2

H2N-C-NH2 11

(

NH

== Guanidina )

NJCH2-CH-COOH

His:

//

'-..N

kH

~

2

1

H

Asn: H2N-CO-CH2-CH-COOH 1

NH2 CH2-1H-COOH

Trp:

Oó

NH2

N H

Cys:

HS-CH2-CH-COOH 1

NH2

Asp:

HOOC-CH2 -CH-COOH 1

NH2

Glu:

HOOC-CH2-CH2-CH-COOH 1

NH2

775

776

QUíMICA ORGÁNICA

2. H3C........._ /CH-CH20H H3C

Cr03

piridina

H3C........._ CH-CH-CN H20 H+ H3C/ 1 NH2

H3C........._CH-CHO HCN/NH3 H3C/ S. Strecker H3C........._ CH-CH-COOH H3C/ 1 NH2

3. a)

/

HN

\

CH2-CO

\

NH / CO-CH2

b) CH3 "cH-CO

/

\

HN

NH

'co-cÍi 'CH3

e)

(\ 1

H

d) CH2 =CH- C02H e)

~ 1

H

4. a)

H2N-CH2-COOH

CH30H HCl

H2N-CH2-COOCH3


b) CH3-CH-COOH NaN02 HCI

1

CH3-CH-COOH 1

OH

NH2

e) CH3-CH2-CH-CH-COOH 1

CH3 -

1

NH2

CH3-CH2-CH-CH-COCI 1

CH3

d)

PCI5

1

NH2

11 '-N~COOH 1

H

5. El átomo C-2 tiene configuración S El átomo C-3 tiene configuración R

6. En principio podrá ser:

o bien

1

777

778

QUíMICA ORGÁNICA

Si se trata 1 con ácido nitroso, se tendrá: OH-CH-CO-NH-CH-COOH I HN02

tH2

tH

1 CH

hidrólisis

/ """ CH3 CH3

iH3tH3 OH-~H-COOH

CH2

H2N-CH-COOH tH

+

1

iH3tH3

CH iH3tH3

El hidroxiácido obtenido tiene un peso molecular de 132, que no corresponde a su estructura. Si se trata igualmente el 11, se tendrá: l. HN02 11---2. Hidrólisis

OH-CH-COOH

H2N-CH-COOH

1

1

CH

+

iH3tH3

CH2 tH iH3tH3

El hidroxiácido tiene un peso molecular de 118. Luego el péptido es valil-leucina. 7. Primero se bloquea el grupo amino de ambos aminoácidos con el grupo terr:-butoxicarbonilo («Boe>>) para evitar reacciones secundarias, y siguiendo el esquema de la síntesis de Merrifield se puede completar la síntesis de la alanilglicina.

o

(CH3)gCO~ -HN- CH2-Coo-

+ ClCH2

-Cl

1

resina

o -

11

(CH3)gCOC-HN-CH2-C02-CH2 1

resina -

H2N-CH2-C02-CH2

ksina

C~C~H CH2Cl2

779


o -

11

(CH3)aCOC-HN-CH-COHN-CH2-C02-CH2 1

1

resina

CH3

H2N-CH- COHN-CH2-C02-CH2

)esina

tH3

~ Ala-Gly

8. El aminoácido N-terminal será la fenilalanina, que estará unido a la leucina. La serina también tendrá que estar en el centro de la cadena entre la leucina y la alanina. Luego la estructura pedida será: H2N-CH-CO-NH-CH-CO-NH-CH-CO-NH-CH-COOH ¿H2 1

CsHs

tH2

¿H20H

1

CH fH3tH3

Phe-Leu-Ser-Ala

Su peso molecular es de 436.

tHs

Tema 24

Lípidos derivados de acetil coenzima

1

A

SUMARIO 1

1

24.1. Lípidos 24.2. Grasas y aceites 24.2.1. Jabones y detergentes 24.3. Fosfolípidos. Fosfoglicéridos: Lecitinas y cefalinas. Plasrnalógenos y esfingolipidos 24.4. Terpenos 24.5. F.steroides 24.5.1. Conformación de esteroides. Series 5ay 5/3 24.5.2. F.steroides de interés biológico 24.5.3. Síntesis de esteroides en la naturaleza 24.6. Prostaglandinas Resumen de conceptos importantes Ejercicios de autocomprobación Soluciones a los ejercicios de autocomprobación

OBJETIVOS _ 1

1

_ _ _ _ _ _ _ _ _ __

1

1. Reconocer y clasificar diversos productos naturales según su estructura. 2. Relacionar estructuras químicas con su papel biológico en la naturaleza. 3. Conocer el modo de acción de compuestos relacionados con las grasas. como jabones y detergentes. en función de su estructura.

4. Aplicar los conceptos de estereoquímica y de reactlvidad de los grupos funcionales a los compuestos lipídicos.

LÍPIDOS DERNADOS DE ACETIL COENZIMA A

783

24. 1. Lípidos Se define un lipido como un compuesto orgánico que se encuentra en la naturaleza, que es insoluble en agua y soluble en disolventes orgánicos no polares. Esta definición puede incluir muchos tipos de compuestos y realmente los lípidos se parecen en sus propiedades físicas, pero sus características químicas funcionales o estructurales, así como sus funciones biológicas, son diferentes. Por ello, en este Tema sólo se hará referencia a los lípidos derivados de acetil coenzima A: grasas y aceites, fosfolípidos, prostaglandinas, terpenos y esteroides. Los lípidos se sintetizan a partir de un determinado número de moléculas de ácido acético. El primer paso en la biosíntesis de lípidos comienza con la «activación» de una molécula de ácido acético, que de por sí es poco reactiva. Esta activación se consigue por esterificación con el grupo tiol de una molécula llamada coenzima A y abreviadamente HS-CoA. CH3COOH

HS-CoA

Ácido acético

CH3CO-S-CoA + HOH Acetil-CoA

Todas la reacciones implicadas en la biosíntesis de lípidos están catalizadas enzimáticamente, pero todas ellas son unívocas y análogas a las conocidas en el laboratorio. La biosintesis de un gran número de lipidos arranca con el acetato, en su forma de acetil coenzima A.

CH3CO-S-CoA Acetil coenzima A

Grasas Aceites FosfoUpidos Terpenos &teroides Prostaglandinas

24.2. Grasas y aceites Las grasas y aceites son triglicéridos o triacilgliceroles; ambos términos significan triésteres de glicerol. La distinción entre grasas y aceites es arbitraria: a temperatura ambiente las grasas son sólidos y los aceites líquidos. La mayoría de los glicéridos en animales son grasas mientras que en las plantas son aceites. Los ácidos carboxílicos obtenidos de la hidrólisis de una grasa o un aceite se denominan ácidos grasos. Generalmente poseen una cadena larga no ramificada.

784

QUíMICA ORGÁNICA

Por ejemplo, el triestearato de glicerilo: CH200 C (CH2) 16CH3 1

CHOOC (CH2hsCH3

CH20H + 3 HOH

-

ff+

1

1

cuou 1

CH200 C(CH2) 16CH3

CH20H

Triestearina

Glicerol

Ácido esteárico

Los ácidos grasos también se obtienen a partir de ceras que son ésteres cuyos grupos acilo y alquilo contienen 12 o más átomos de carbono sin ramificar. Por ejemplo: CH3(CH2)14COOCH2(CH2)14CH3

Hexadecanoato de hexadecilo (Cera de esperma de ballena)

CH3(CHvnCOOCH2(CHvmCH3 n = 24-26; m = 29-31

(Cera de abeja)

La cadena hidrocarbonada de un ácido graso puede ser saturada o contener dobles enlaces. A veces poseen varios dobles enlaces y son, por tanto, ácidos poliinsaturados, los cuales suelen encontrarse en aceites vegetales. Algunos ejemplos se muestran en la Tabla 24.1.

Tabla 24.1. Estructura de algunos ácidos grasos representativos.

Saturados Miristico

CH3 (CH2)¡2C02H

Palmitico

CH3 (CH2)¡4C0 2H

Esteárico

CH3(CH2)¡6C0 2H

Insaturados Palmitoleico

CH3(CH2)5CH=CH(CH 2)¡C02H

Oleico

CH3(CH2)¡CH=CH(CH 2)¡C02H

Linoleico*

CH3(CH2) 4CH=CHCH2CH=CH(CH2) 7C02H

Linolénico*

CH3CH2CH=CHCH2CH=CHCH2CH=CH(CH2) 7C0 2H

Araquidónico*

CH3(CH2) 4(CH=CHCH 2) 4 (CHv 2C02H

* Los dobles enlaces carbono-carbono de los ácidos grasos naturales son cis.


785

24.2. 1. Jabones y detergentes Los jabones son sales alcalinas de los ácidos grasos generalmente de 16 a 18 átomos de carbono. Los jabones se conocían en el antiguo Egipto hace miles de años, sin embargo, su uso no se extendió hasta el siglo XVIII. En la actualidad las técnicas de fabricación son prácticamente las mismas que las de aquella época, y consisten en la saponificación de una grasa con un álcali. Por ejemplo:

Triestearina

Glicerol

Estearato sódico

Una molécula de jabón contiene, por lo tanto, una larga cadena hidrocarbonada con una terminación iónica. La porción hidrocarbonada de la molécula es hidrofóbica y soluble en sustancias no polares, mientras que la terminación iónica es hidrofilica y soluble en agua. Así pues, una molécula aislada de jabón no es soluble en agua, sin embargo forma micelas, las cuales están formadas por 50-100 moléculas de jabón con sus cadenas hidrocarbonadas agrupadas y con sus terminaciones iónicas hacia fuera contactando con el agua, lo que hace que eljabón forme una suspensión inmediatamente (Figura 24.1).

~ co2- Na+

Na+ Co2- ~

co2-

Na+

Na+

Figura 24.1. Micela de jabón suspendida en agua.

786

QUíMICA ORGÁNICA

El valor del jabón radica en que puede emulsionar la suciedad de la grasa, y esto se produce por dos causas: primero, las moléculas de jabón se pueden disolver en sustancias no polares, como las gotas de aceite, y segundo, las terminaciones aniónicas, que son atraídas por el agua, se repelen por las terminaciones aniónicas de otras moléculas de jabón que están disueltas en las gotas de aceite. Debido a estas repulsiones el aceite no puede coalescer y permanece en suspensión. Los jabones pertenecen a wia clase de compuestos llamados surfactantes. Los surfactantes bajan la tensión superficial del agua por romper los enlaces de hidrógeno en la superficie. Lo hacen posicionando sus cabezas hidroftlicas en la superficie y las colas hidrofóbicas las extienden fuera del agua (Figura 24.2).

Figura 24.2. Swfactante en agua.

Las principales desventajas del jabón es que precipita con las aguas duras (agua que contiene iones Ca++, Mg++, Fe++, etc.), factor que influye en la degradación del medio ambiente. 2RC02- + Ca2+ -

(RC02)zCa

t

Después de la Segunda Guerra Mwidial se desarrollaron los detergentes que son sulfonatos de cadena larga, o sales de sulfato sódico (RS03Na y ROS03Na). Tienen la ventaja de no precipitar con los iones metálicos del agua y al igual que los jabones son agentes surfactantes. Uno de los primeros detergentes más ampliamente utili7.ado es un p-alquilbencenosulfonato con un grupo alquilo muy ramificado. Su síntesis se presenta en el esquema siguiente:

787


4CH2=CHCH3 Propileno

polimeriz.ación

--

~

-

S03- Na+ Detergente no biodegradable p-(4,6,8-trimetilnonano-2-il) bencenosulfonato sódico

Desafortunadamente los microorganismos no pueden degradar los hidrocarburos ramificados, y este tipo de detergentes conduce a serios problemas de contaminación en aguas. A partir de 1965 las industrias han tratado de sintetizar nuevos detergentes biodegradables como el p-dodecilbencenosulfonato sódico o el dodecilsulfato sódico (lauril sulfato sódico). CH3(CHz)u-O-So3-Na+

p-Dodecilbencenosulfonato sódico

Dodecilsulfato sódico

24.3. Fosfolípidos. Fosfoglicéridos: Lecitinas y cefalinas. Plasmalógenos y esfingolípidos Los fosfoHpidos son lípidos que contienen grupos de éster fosfato. La importancia de este grupo de compuestos reside en que aparecen en células nerviosas y en el cerebro. Los fosfoglicéridos son una clase de fosfolípidos que están íntimamente unidos a las grasas y los aceites. &tos compuestos generalmente contienen ésteres de ácidos grasos en dos posiciones contiguas del glicerol con un éster fosfato en la tercera posición, que a su vez lleva otro sustituyente éster, corno, por ejemplo, el que se deriva de la colina [HOCH2CH2N(CH3)g)]+ OH-. Estos fosfoglicéridos se distinguen porque contienen dos largas colas hidrofóbicas de ácido graso, y un grupo hidroffiico altamente polar (el fosfato y el sustituyente colina). Son, por tanto, surfactantes neutros y excelentes agentes emulsionantes, ya que, al igual que los jabones y detergentes, son capaces de formar rnicelas. En la mayonesa, por ejemplo, los fosfoglicéridos del huevo mantienen el aceite vegetal emulsionado en el vinagre.

788

QUíMICA ORGÁNICA

o

CH2-0-~-R2 Rl-~-o-t-H O O

1

±

11

CH2-0-1-0(CH2)2N(CH3)3

oFosfoglicérido

Los fosfoglicéridos también se pueden agregar de diferentes maneras: pueden formar micelas o bien una hoja unimolecular llamada hicapa lipídica. Ello los hace constituyentes ideales de las membranas celulares, que actúan como barreras de permeabilidad regulando el transporte electrónico a través de la célula (Figura 24.3). Colas hidrofóbicas

- - Cabeu dipolar hidroftlica

·~~· ·~~· ·~~· ·~~· ·~~· Figura 24.3. Fosfoglicérido: micela y bicapa lipídica.

Las ledtinas y las cefalinas son dos clases de fosfoglicéridos que se encuentran principalmente en el cerebro, células nerviosas e hígado de animales. También se encuentran en la clara del huevo, levaduras y otros alimentos. Las lecitinas son derivados del cloruro de colina, HOCH2CH2N+ (CH3h c1-, que está implicado en la transmisión de impulsos nerviosos.

o O

11

CH20CR2

Rt-~o..,.._t_.H

o-

1 1 + CH2-0-P-OCH2CH2NH3 11

o Fosfatidiletanolamina Cefalina


789

Fosfatidilcolina Lecitina

Otra clase de fosfolipidos son los plamal6genos que tienen, en el carbono 1 del glicerol, un grupo éter de vinilo en lugar de wi éster.

Otro grupo importante lo componen los esf"mgolipidos de los que la esflngomielina es un ejemplo. La esfingomielina es un éster fosfato, no del glicerol, sino de un alcohol alílico de cadena larga con una amida de cadena lateral.

Se conocen algwias de las funciones biológicas de los fosfolípidos. Por ejemplo, se conoce su función en la membrana celular, la cual posee una doble capa de fosfolípidos, cuya misión es impedir el paso del agua, de iones o de moléculas

790

QUíMICA ORGÁNICA

polares al interior de la célula. También se cree que intervienen en el aislamiento eléctrico de la célula y en otras muy diversas funciones.

24.4. Terpenos Los componentes olorosos de las plantas se pueden separar por destilación por arrastre de vapor y son denominados aceites esenciales. Muchos aceites esencialest como los de las flores son utilizados como perfumes. Al comienzo de la historia de la Química Orgánicat estos aceites esenciales atrajeron la atención, especialmente el aceite de terpentina, y se comprobó que la relación carbono/hidrógeno era de 5/8. Otros productos naturales con la misma relación fueron clasificados como terpenos. Más tarde los químicos se dieron cuenta que los terpenos contenían unidades de isopreno con uniones cabeza-cola. Esta definición de terpeno se extendió a todos los compuestos con esqueletos de isopreno. Por ello también se denominan isoprenoides. Las moléculas de los terpenos pueden ser de cadena abierta o ciclicas. Pueden contener dobles enlaces, grupo hidroxilo, carbonilo u otros grupos funcionales (Figura 24.4).

Geranio!

Citral

Limoneno

Alcanfor

Figura 24.4. Algunos terpenos representativos.

Los terpenos se clasifican según el número de unidades de isopreno que contengan.

Unidades Monoterpeno: Sesquiterpeno: Diterpeno: Triterpeno: Tetraterpeno:

2 3 4 6 8

Su nomenclatura deriva de la fuente original de estos compuestos. Muchos de ellos poseen estructuras bicíclicas, tricíclicas etc., como el caso del alcanfor con un esqueleto de biciclo [2.2.1] heptano.

791


Los ejemplos anteriores corresponden a monoterpenos. Otro terpeno de interés, de estructura más compleja, es el escualeno (hallado en levaduras, gérmen de trigo y aceite de tiburón), que es el precursor biosintético de los esteroides. -

Esteroides

&cualeno

24.5. Esferoides Los esteroides comprenden una gran variedad de productos naturales. Se clasifican en dos grandes grupos: Zoosteroles de origen animal y Fitosteroles de origen vegetal. En general, contienen el sistema cíclico ciclopentanoperhidrofenantreno. Los anillos se denominan A, B, C y D, y los átomos de carbono se empiezan a numerar del anillo A al D.

16

2 3

4

6

Ciclopentanoperhidrofenantreno

Además, los esteroides contienen generalmente funciones oxigenadas (con frecuencia en C-3) y muchos son portadores de grupos metilo en C-10 y C-13. Los esteroides se encuentran en casi todos los sistemas vivos. En animales muchos esteroides actúan como hormonas, y los esteroides sintéticos son empleados como compuestos farmacéuticos. En la sección siguiente, se verá brevemente la conformación del sistema de anillos, y se centrará la atención en algunos esteroides de importancia biológica.

24.5.1. Conformación de esferoides. Series 5a y 5{3 Recordando la conformación del ciclohexano (sección 3.3), cuando posee sustituyentes, la conformación más estable es aquella en la que ocupan la posición ecuatorial. Por ejemplo:

792

QUíMICA ORGÁNICA

H

H CH3

CH3

trans (e,e) Más estable

cis(a,e)

Menos estable

En los esteroides los ciclos de seis eslabones existen, fundamentalmente, en conformación de silla, y los sustituyentes en ellos situados podrán ser axiales (a) o ecuatoriales (e). En cada carbono hay dos sustituyentes, uno axial y otro ecuatorial. Ahora bien, ¿cómo se fusionan los anillos entre sí? En la naturaleza sólo se han encontrado dos modos de fusionarse los anillos: A/B unión trans y B/C y CID unión trans A/B unión cis y B/C y CID unión trans Una excepción la presentan los glicósidos cardíacos y los venenos de los sapos, en los que la unión CID es cis.

Uniones trans

A/B trans, B/C y CID trans Si se considera un plano que atraviese los anillos horizontalmente, se puede apreciar que los sustituyentes pueden estar situados por encima o por debajo de dicho plano. Los sustituyentes situados por debajo del plano se denominan sustituyentes a, y los que quedan por encima se denominan /3. Por ejemplo, considerando el anillo A se tiene:

a

a


793

Puede observarse que la nomenclatura a o pes independiente de que el sustituyente sea ecuatorial o axial. Cabe hacerse otra pregunta. El sustituyente del C-5, que está en posición axial respecto al anillo A, cuando A y B están en unión transes un sustituyente en a respecto de ambos anillos, pero ¿sigue siendo a cuando A y B tienen unión ds? Como puede apreciarse en la Figura siguiente, cuando A y B tienen unión cis este sustituyente es P(es conveniente utilizar modelos moleculares).

Uniones cis

Uniones trans

Así pues, existen dos series diferentes que se denominan series 5a y 5p, según que las uniones sean transo sean cis (también se denominan series del colestano y del coprostano respectivamente).

Nomenclatura y clasificación de esteroides La mayoría de los esteroides poseen nombres comunes, pero se les puede asignar una nomenclatura sistemática que deriva de ciertas estructuras fundamentales de hidrocarburos: l. Gonano. Esqueleto de ciclopentanoperhidrofenantreno:

H

5/3-Gonano

5a-Gonano

794

QUíMICA ORGÁNICA

2. Estrano. Esqueleto de gonano con un metilo en C-13:

H

5a-Estrano

5/j-Estrano

3. Esqueleto de gonano con dos grupos de metilo en C-10 y C-13 y una cadena hidrocarbonada en C-17:

H

5/j

Sa

Según sea la naturaleza de R, se tiene: R = -H Androstano R = -CH2-CH3 Pregnano R = -CH(CH3)-CH2-CH2-CH3 Colano R = -CH(CH3)-(CH2b-CH(CH3)2 Colestano R = -CH(CH3)-(CH2h-CH(CH3)-CH(CH3)2 Ergostano

Los sustituyentes que aparecen sobre estos esqueletos se nombran con los prefijos y sufijos habituales, indicando su posición con el número del átomo de carbono a que están unidos, asi como si son a o f3 (en la sección siguiente se verán algunos ejemplos).


795

24.5.2. Esteroides de interés biológico El cole..terol es el zoosterol más importante. Se encuentra en las membranas celulares, interviniendo en la estructura de las mismas. En ciertos estados patológicos se deposita en las paredes vasculares y en forma de cálculos en las vías biliares; además el organismo utiliza colesterol para elaborar numerosos esteroides.

Colesterol (3{3)-Colest-5-en-3-ol

Las uniones entre los tres anillos son trans. La molécula es casi plana con los tres anillos ciclohexánicos en conformación de silla. La cadena en C-17 es ecuatorial, al igual que el -OH del C-3 y los grupos metilos angulares son axiales.

HO H

Colesterol

Entre los fitosteroles destaca el ergosterol, que es una provitamina D. Por acción de la luz ultravioleta se convierte en la vitamina D2, con apertura del ciclo B:

luz ultravioleta

OH

Ergosterol (3/j. 22 E)-Ergost-5, 7,22-trien-3-ol

º"..('

Vitamina D2 (ergocalciferol)

796

QUíMICA ORGÁNICA

Numerosos ácidos esteroídicos, llamados ácidos biliares, aparecen combinados en la bilis del hombre y de los animales. Derivan del colesterol, que sufre en el hígado una serie de transformaciones. Los más abundantes son:

.,¡·

OH~

Ácido cólico Ácido (3a, 5f3, 1a, 12a)-3,7,12-

Ácido desoxicólico Ácido (3a, 5f3, 12a)-3,12-

trihidroxi-colan-24-oico

dihidroxi-colan-24-oico

Es común a todos los ácidos biliares la conformación cís de los anillos A y B, en lugar de la usual conformación trans, y la posición a de los grupos hidroxilo.

H Ácido cólico

Los ácidos biliares tienen una extraordinaria importancia fisiológica en la digestión y absorción de grasas. Las hormonas sexuales controlan las características y procesos sexuales en los organismos animales. Se originan en el organismo a partir del colesterol o de sus derivados. Se clasifican en «hormonas masculinas» o andrógenos y «hormonas femeninas» que pueden ser a su vez estrógenos (hormonas foliculares) y gestágenos (hormonas del cuerpo lúteo).

797


Andrógenos

Las hormonas andrógenas intervienen en el desarrollo de los caracteres sexuales secundarios. En el organismo adulto las hormonas andrógenas ayudan a la maduración de los espermatozoides. Los andrógenos más importantes son la testosterona y un producto relacionado con ella, la androsterona. Los cambios que acompañan a la pubertad se deben a la testosterona.

o Testosterona (17{3)-17-Hidroxiandrost-4-en-3-ona

Androsterona (3a, Sa)-3-Hidroxiandrostan-17-ona

Estrógenos y gestágenos

Los estrógenos se caracterizan químicamente por la presencia de un anillo aromático en su molécula. Por este motivo falta el grupo metilo en C-10 y la función oxigenada en C-3 es un hidroxilo fenólico. Los estrógenos más importantes son el estradiol y la estrona.

o

HO Estradiol (17¡3)-Estra-1,3,5(10)-trien-3,17-d.iol

HO Estrona 3-Hidroxiestra-1,3,5(10)-trien-17-ona

Su principal función fisiológica es el desarrollo de los caracteres sexuales secundarios y el crecimiento del sistema reproductor femenino.

798

QUíMICA ORGÁNICA

El principal gestágeno es la progesterona:

Progesterona (Pregn-4-en-3,20-diona)

La progesterona sólo se forma en determinadas fases del ciclo menstrual y durante el embarazo. Su función biológica consiste en regular la actividad de las glándulas germinales, radicando su importancia en el mantenimiento del embarazo. La progesterona es al mismo tiempo el precursor de los corticoides.

24.5.3. Síntesis de esteroides en la naturaleza En la ruta del esqueleto de los esteroides puede observarse una serie de reac-

ciones de acoplamiento intramolecular de alquenos. En este proceso, una molécula de escualeno se oxida enzimáticamente para dar óxido de escualeno, un oxaciclopropano. A la apertura del anillo de oxaciclopropano, catalizada enzimáticamente por ácidos, sigue la formación secuencial de cuatro enlaces carbono-carbono por un mecanismo relacionado con la oligomerización de alquenos. Una transformación bioquímica posterior conduce finalmente al lanosterol, un precursor sintético del colesterol (Figura 24.5).

24.6. Prostaglandinas Bengt Samuelsson recibió el Premio Nobel en 1982 por sus estudios sobre las prostaglandinas. Su primer descubrimiento fue en el semen, y por tanto, que eran sintetizados por la glándula de la próstata (de alú su nombre), aunque realmente se encuentran repartidas por todo el cuerpo. Se sabe que son reguladoras de la actividad hormonal en el cuerpo y poseen una vida media muy corta. Están implicadas en procesos tales como la hipertensión, trastornos gastrointestinales, asma, etc. Se han sintetizado miles de análogos para su uso como inhibidores de su síntesis o como análogos en terapias de sustitución.

799


o H+

CH3 ) CH3

Escualeno

Óxido de escualeno

H+, enzima

-H+ H

Colesterol Lanosterol

Figura 24.5. Ruta sintética de esteroides.

Los prostaglandinas son ácidos carboxilicos de 20 átomos de carbono y contienen anillos de ciclopentano. Por ejemplo:

o

qH

11 _ _--<

OH C02H ·~,~~

H

PGE1

800

QUíMICA ORGÁNICA

Las prostaglandinas son similares en su estructura y pueden diferir o bien en el número de dobles enlaces en la cadena o bien en el anillo de ciclopentano que puede llevar una función cetoalcohol o un diol. Son sintetizadas a partir de ácidos grasos de 20 átomos de carbono como el linolénico o al araquidónico. Prostaglandina Ácido araquidónico

Resumen de los conceptos importantes 1. Las grasas y los aceites son triglicéridos: triésteres de glicerol y ácidos grasos de cadena larga. Generalmente los aceites Oíquidos) son más insaturados que las grasas (sólidas). En la naturaleza existen ceras que son ésteres de ácidos grasos y alcoholes de cadena larga. 2. Unjab6n es la sal alcalina de un ácido graso. 3. Un detergente es la sal de un sulfonato que contiene una cadena larga hidrocarbonada. Estos compuestos son surfactantes. 4. Los fosfoglicéridos, tales como lecitlnas y cefalinas, generalmente contienen glicerol con dos ácidos grasos y fosfatidilamina. Otros pueden diferir de esta estructura, pero todos contienen cadenas largas hidrocarbonadas, un grupo fosfato y un grupo amino. 5. Los terpenos contienen unidades de isopreno con uniones cabeza-cola. Son percusores de los esteroides y pueden presentar diversos grupos funcionales. 6. Los esteroides se encuentran en casi todos los sistemas vivientes. El colesterol, la cortisona, las hormonas sexuales y los ácidos biliares son esteroides y contienen el sistema de anillos básico siguiente: 12 16 2

3 4

6

Ciclopentanoperhidrofenantreno

7. Las prostagland.inas son ácidos carboxílicos de 20 átomos de carbono conteniendo un anillo de ciclopentano y grupos hidroxilo, uno o más dobles enlaces y a veces un grupo ceto.

801

QUÍMICA ORGÁNICA

Eiercicios de autocomprobación l. ¿Qué ácidos grasos se producen en la hidrólisis del 1,3-diestearoil2-oleilglicerol? ¿Qué otro triacilgllcerol da los mismos ácidos grasos en la misma proporción que el triéster anterior? 2. La síntesis de un monoterpeno acíclico, E, fue llevada a cabo según

la ruta que se indica:

o CH3~cH2CH3

Na+-C===:CH

l. (CH3hCHCHO 2. H20. H+

A

C2H5MgBr

C H2/Pd D cat. Lindlar

H+

a

B _..,..

E

Indicar las estructuras de los intermedios. 3. Sugerir una síntesis para el a-terpineol a partir de compuestos de

cadena abierta. OH 1

ITYC(CH3)2

H3~ a-Terpineol

4. Muchos terpenos sufren transposiciones en presencia de ácidos. Sugerir un mecanismo para la siguiente transposición.

+

5. El estigmasterol, mediante la siguiente secuencia de reacciones, se convierte en un ácido que se utiliza como materia prima para la fabricación de esteroides de interés farmacéutico.

802

QUíMICA ORGÁNICA

HO Estigmasterol

Primero se trata con anhídrico acético en presencia de una base débil; a continuación se hace reaccionar con un mol de bromo para proteger el doble enlace del anillo. Posteriormente se ozonoliza y se le hace reaccionar con peróxido de hidrógeno en presencia de etanol, y después se trata el compuesto obtenido con polvo de cinc en acético. Formular todas las reacciones indicadas. 8. A partir del ácido obtenido en el problema anterior, se ha podido sintetizar la progesterona mediante la ruta sintética que se indica a continuación: Ácido

-

EtOH H+

A l. CsHsMgBr 2.H20

C (C H O ) l. Br2 36 44 2 2. Cr03, H+

Zn/CH3- COOH

-

E (C H 0 ) 23 34 3

D (C23H3403Br2) H20, H+ A

G (C21H3002Brv Zn/CH3-COOH

F _1._B_r2_ ___ 2. Cr03, H+

Progesterona

Indicar la estructura de todos los productos intermedios.

803

QUÍMICA ORGÁNICA

Soluciones a los eiercicios de autocomprobación l. En la hidrólisis se va a producir la mezcla de glicerol y de los ácidos correspondientes: Glicerol+ Ácido oléico + 2 Ácido esteárico

Dará los mismos ácidos grasos y en la misma proporción el ácido 1, 2-diestearoil-3-oleilglicerol. CH20CO(CH2hsCH3 1

CHOCO(CH2hoCH3 1

CH20CO(CH2hCH= CH(CH2hCH3 2.

:Q:l. (CH3)2CHCHO

1

- - CH3CH2CC==CMgBr

2.HzO,H+

1

B

CH3 OH

OH

--CH3CH2tc==ctHCH(CH3)2 Hz/Pd 1 cat. Lindlar C CH3 OH

OH

1

1

- - CH3CH2C CHCH(CH3h cff'c=c/ D

;.-

H

"

H

H+ A

804

QUíMICA ORGÁNICA

CH3 - - CH3CH=t

CH=C(CH3)2

"-c=c/

'\. H

/

H

E

o

o 11

CHCCH3 11

CH2

11

ITYCCH3

H3~A

a-Terpineol

4.

1l-w +

+

805

QUÍMICA ORGÁNICA

5.

HO

Estigmasterol

!

Base débil AczO

AeO 1 mol Br2

j

AeO

Br

Br l.

Os¡ 2. H202. EtOH COOH COOH

AeO Br AeO

806

QUíMICA ORGÁNICA

8. COOH

o

Progesterona

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Quimica Organica.pdf - Ma Del Pilar Cabilgo Miranda

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