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Halogenuros de alquilo y
alcoholes
Reacciones de Eliminación y sustitución
Halogenuros de alquilo. Estructura y usos.
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Solventes: el cloruro de metileno (CH2CI2) y el cloroformo (CHCI3) también son buenos
disolventes para la limpieza y desengrasado. El cloroformo es más tóxico y carcinógeno
que el cloruro de metileno, y ha sido reemplazado por éste último y otros disolventes en la
mayoría de los desengrasantes industriales y removedores de pinturas. Incluso los
disolventes halogenados más seguros, como el cloruro de metileno y el 1,1,1-tricloroetano,
deben utilizarse con cuidado. Todos son potencialmente tóxicos y carcinógenos, y
disuelven los ácidos grasos que protegen la piel.
Reactivos: muchas síntesis utilizan haluros de alquilo como materias primas para formar
moléculas más complejas.
Anestésicos: el cloroformo (CHCI3) fue la primera sustancia que se descubrió que producía
anestesia general, lo que trajo nuevas posibilidades para cirugías cuidadosas con
pacientes inconscientes y relajados. Sin embargo, el cloroformo es tóxico y cancerígeno y
pronto dejó de usarse.
Pesticidas: los haluros de alquilo han contribuido a la salud de los seres humanos por su
función como insecticidas.
Alcoholes. Estructura, propiedades y usos.
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El metanol es uno de los disolventes industriales más comunes. Es barato,
poco tóxico (comparado con disolventes halogenados) y disuelve una gran
variedad de sustancias polares y no polares. También es una materia prima
de muchos tipos de éteres metílicos, ésteres metílicos y otros compuestos que
se utilizan en plásticos, medicinas, combustibles y disolventes.
Tanto el etanol como el propan-2-ol son antisépticos tópicos efectivos. El
etanol también es un ingrediente de muchos enjuagues bucales.
Combustibles, bebidas, etc.
Un nucleófilo (amante de núcleos) es una especie que reacciona cediendo un
par de electrones libres a otra especie (el electrófilo), combinándose y
enlazándose covalentemente con ella. Un nucleófilo, es también por definición
una base de lewis. Un nucleófilo puede ser un anión o una molécula neutra con
un par de electrones libres.
Un electrófilo es un reactivo químico atraído hacia zonas ricas en electrones
que participa en una reacción química aceptando un par de electrones
formando un enlace con un nucleófilo. Ya que los electrófilos aceptan
electrones, ellos son ácidos de lewis. La mayoría de los electrófilos están
cargados positivamente, tienen un átomo que lleva una carga positiva parcial o
bien no posee un octeto de electrones.
Resultado del ataque con NaOH
al (R)-2-Bromooctano puro
Interpretación del
experimento
Estos resultados permiten hacer las siguientes deducciones lógicas:
•El halógeno se ha sustituido por un grupo OH en su mayor parte.
•El halógeno se ha eliminado en una pequeña parte. Este proceso parece
complejo porque se forma una mezcla de varios alquenos u olefinas.
•La configuración del alcohol es mayoritariamente S, la contraria del haluro
de alquilo de partida. Por tanto, la reacción de sustitución se ha producido
mayoritariamente con inversión de la configuración.
•Se ha obtenido una pequeña cantidad de alcohol R, lo que sugiere que ha
ocurrido un pequeño porcentaje de racemización.
•La velocidad de reacción depende de los dos reactivos, haluro de alquilo y
nucleófilo. Ambos deben intervenir en la etapa limitante de la velocidad.
SUSTITUCIÓN NUCLEOFÍLICA BIMOLECULAR SN2
Formación del producto mayoritario, (S)-2-octanol
El OH- (nucleófilo) ha atacado al carbono que soporta el halógeno (grupo
saliente) por el lado opuesto al que se va este último. Esta es la única
manera de producir inversión en la configuración
Cinética, mecanismo y estereoquímica de SN2
La cinética de la reacción de sustitución nucleófila del (R)-2bromooctano con hidróxido sódico es de segundo orden.
Velocidad = k[ C8H17Br ][ OH- ] mol·L-1·s-1
Una reacción que sigue tal cinética se dice que es bimolecular porque
sugiere que ambos, sustrato y reactivo nucleófilo, intervienen en el ET
de la reacción que da lugar a los productos.
El ataque del nucleófilo y la expulsión del grupo saliente tienen que
estar sincronizados de algún modo.
Estado de
Transición
En el estado de transición de SN2 el carbono que sufre el ataque está
momentáneamente pentacoordinado, en hibridación sp2
Se inicia el ataque. El nucleófilo debe aproximarse
por el lado contrario del grupo saliente. Un orbital
del nucleófilo interacciona con el lóbulo pequeño
del orbital sp3 del carbono al que se une el grupo
saliente. Sólamente esta aproximaxión da lugar a
un choque efectivo.
Se llega al estado de transición (ET), máximo de
energía en el curso de la reacción. El carbono
atacado está pentacoordinado, en hibridación sp2.
Su orbital p remanente mantiene enlaces
transitorios con el nucleófilo y el grupo saliente.
Los grupos R están en un plano.
La tensión del ET se libera al desprenderse el
grupo saliente. El carbono recupera la hibridación
sp3 inicial. La configuración del carbono que ha
sufrido la reacción se ha invertido.
Grupo saliente
La reacción SN2 será más fácil si se efectúa sobre un sustrato que
contiene un buen grupo saliente
Un buen grupo saliente debe poseer una basicidad baja
(mientras mas alto el pKb menos básica la sustancia)
Buenos
Grupo
pKb
Grupo
pKb
I-
19.2
CN-
4.8
RSO3-
16-19
CH3S-
4.0
Br-
18.7
CH3O-
-1.5
Cl-
16.2
HO-
-1.7
H2O
15.7
NH2-
-21
F-
10.8
CH3-
-36
CH3COO-
9.3
Malos
Muy malos
¿Por qué un grupo es más o menos básico?.
Un grupo que sea capaz de acomodar su densidad electrónica será poco básico
y, por tanto, buen grupo saliente
Los factores que aumentan la estabilidad electrónica de una especie son:
•El tamaño
•La electronegatividad
•La deslocalización por resonancia
Cuanto mayor es el tamaño del átomo que soporta la carga negativa, más
dispersada y estable se encuentra ésta y menos básica es la especie. Este es
el factor que predomina en los haluros:
mayor tamaño I- > Br- > Cl- > F- menor tamaño
base débil I- < Br- < Cl- < F- base fuerte
mejor saliente I- > Br- > Cl- > F- peor saliente
Comparando átomos de la misma fila del sistema periódico, cuanto mayor es
la electronegatividad del átomo que soporta la carga negativa, menos básico y
mejor grupo saliente (en los haluros predomina el efecto de tamaño porque de
uno a otro cambiamos de fila del sistema periódico).
mal saliente F- > HO- > NH2- > CH3- pésimo saliente
La resonancia permite la deslocalización de la carga y su estabilización. Por
ello los sulfonatos son bases muy débiles y buenos grupos salientes.
La reacción SN2 será más fácil si se efectúa con un buen nucleófilo
atacante. ¿Qué hace que un nucleófilo sea bueno?.
En general, el nucleófilo mas básico es el mas reactivo..
•La carga
Entre un par de nucleófilos que contienen el mismo átomo reactivo,
la especie con carga negativa neta es la más reactiva:
La nucleofilia aumenta al disminuir la electronegatividad del átomo
reactivo*:
•La electronegatividad
*esto se cumple solo si seguimos el mismo renglón de la tabla periódica,
La solvatación, es decir, la interacción entre el nucleófilo y el
disolvente, modifica e invierte incluso la relación aparente
nucleofilia-basicidad.
•La solvatación
En los iones halogenuros, el factor que determina la relación
inversa entre basicidad y nucleofilicidad es la solvatación. Los
aniones mas pequeños, debido a su alta proporción de cargatamaño, son solvatados con mas fuerza que los mas grandes. Por
lo tanto,
mayor tamaño I > Br- > Cl- > F- menor tamaño
base débil I- < Br- < Cl- < F- base fuerte
Nucleófilo mas fuerte I- > Br- > Cl- > F- Nucleófilo mas débil
Resonancia - La resonancia
disminuye la nucleofilia.
El ión acetato es peor nucleófilo
que el ión hidróxido debido a la
deslocalización de la carga
sobre ambos oxígenos.
Efecto del disolvente en la SN2
Cuanto más concentrada esté la carga en el átomo reactivo, mayor
será en principio su nucleofilia, pero mayor su interacción con el
disolvente, y éste actúa como pantalla disminuyendo la nucleofilia
Por tanto, la naturaleza del disolvente es de
primordial importancia en una reacción de
sustitución nucleófila.
Hay dos tipos fundamentales de disolventes:
•Próticos
•Aproticos
Tienen hidrógenos unidos a oxígeno o nitrógeno y, por ello,
forman enlaces de hidrógeno con el nucleófilo. Dan lugar a
solvatación fuerte, enmascaran la nucleofilia y las
reacciones se ralentizan.
No tienen hidrógenos unidos a oxígeno o nitrógeno y, por
ello, no forman enlaces de hidrógeno. La solvatación
es débil y las reacciones se aceleran.
Disolvente
Carácter
Vel. relativa
CH3OH
metanol
prótico
1
HCONH2
formamida
prótico
12.5
HCONHCH3
N-metilformamida
prótico
45.3
HCON(CH3)2
N,N-dimetilformamida
(DMF)
aprótico
1.2·106
La reacción se produce mucho más rapidamente en DMF, disolvente que
no contiene hidrógenos que pueden asociarse con el disolvente. Los
hidrógenos de la formamida, su N-metilderivado y del metanol se asocian
fuertemente por enlace de hidrógeno al cloruro, retardando
considerablemente la reacción.
Efecto estéricos en la SN2
La reacción SN2 es muy
sensible a impedimentos
estéricos ya que su ET es una
bipirámide trigonal y hay, por
tanto, cinco grupos muy
próximos entre sí.
El aumento de los sutituyentes en el
carbono reaccionante ocasiona una
disminución drástica de la velocidad de
reacción.
El alargamiento lineal de la cadena de
uno de los sustituyentes del carbono
reaccionante disminuye sólo ligeramente
la velocidad.
La ramificación de una de las cadenas
sustituyentes en posición contigua al
centro reactivo disminuye severamente
la velocidad de reacción.
R1
R2
R3
krel
H
H
H
145
H
H
CH3
1
H
CH3
CH3
7.8·10-3
CH3 CH3
CH3
< 5·10-4
H
H
CH2CH3
0.80
H
H
CH2CH2CH3
0.82
H
H
CH(CH3)2
3.6·10-3
H
H
C(CH3)3
1.3·10-5
Resultado del ataque con NaOH
al (R)-2-Bromooctano puro
Interpretación del
experimento
SUSTITUCIÓN NUCLEOFÍLICA UNIMOLECULAR SN1
La sustitución nucleófila unimolecular (SN1) explica la formación de una
pequeña cantidad de (R)-2-octanol.
El enlace
C-Br del
esta
¿Cómo
se2-bromooctano
obtiene la pequeña
muy polarizado hacia el bromo, más
electronegativo. La presencia del
disolvente polar puede provocar la
ruptura de este enlace. Los iones
resultantes quedarán más o menos
separados por el disolvente.
El carbocatión formado es plano. El
carbono está hidridado sp2. El orbital p
vacío, perpendicular al plano del
carbocatión, puede ser atacado con igual
probabilidad por sus dos lóbulos.
El ataque del nucleófilo por un lado u
otro da lugar a los dos enantiómeros
posibles. Como el ataque a un lado u
otro tiene igual probabibilidad de darse,
los enantiómeros se producen en igual
proporción, obteniéndose una mezcla
racémica.
cantidad de (R)-2-octanol?
Las reacciones SN1 tienen una cinética de primer orden.
Velocidad = k[(CH3)3CCl] mol·L-1·s-1
Esto quiere decir que en la etapa limitante de la velocidad sólo
interviene el haluro y no el nucleófilo, al contrario de lo que
ocurría en el mecanismo SN2
Los perfiles de energía de ambos procesos SN1 y SN2 son:
La reacción SN1 carece de estereoespecificidad al transcurrir a
través de un intermedio carbocatiónico plano.
SN1
SN2
3.3.- COMPETENCIA ENTRE SN1 Y SN2
SN1
Los disolventes polares favorecen el
mecanismo SN1.
El intermedio carbocatión tiene una carga
neta y se estabiliza por solvatación.
SN2
Los disolventes polares dificultan el mecanismo
SN2.
El ET tiene un desarrollo de cargas mínimo y no
se favorece especialmente por la polaridad del
disolvente.
Sin embargo, el nucleófilo puede estar solvatado
por un disolvente polar y dificultarse el
mecanismo SN2.
La presencia de grupos salientes buenos
favorece el mecanismo SN1.
La presencia de grupos salientes buenos
favorece el mecanismo SN2.
La fortaleza del nucleófilo no afecta a la
velocidad del mecanismo SN1.
La fortaleza del nucleófilo aumenta la velocidad
del mecanismo SN2.
La sustitución en el carbono reaccionante
favorece el mecanismo SN1.
La sustitución en el carbono reaccionante impide
el mecanismo SN2.
Los carbocationes, tienen mayor estabilidad a medida que son más sustituídos.
Transposicion de carbocationes en SN1
La proporción de moléculas que reaccionarán según los mecanismos
SN1 ó SN2, con las implicaciones estereoquímicas que ello conlleva
(racemización o inversión), depende de su estructura:
R-X
SN1
SN2
Nunca se da en disolución.
Muy rápida con buenos
nucleófilos y buenos grupos
salientes.
primario
Nunca se da en disolución.
Igual al anterior. Difícil
cuando el carbono contiguo
está ramificado.
secundario
Lenta. Se acelera con un
buen grupo saliente y en
disolventes próticos.
Lenta. Se acelera con una
concentración alta de un
buen nucleófilo y en
disolventes apróticos.
terciario
Muy rápida, sobre todo en
disolventes polares próticos
y con buenos grupos
salientes.
Extremadamente lenta.
metil
Resultado del ataque con NaOH
al (R)-2-Bromooctano puro
Interpretación del
experimento
Formación de alquenos: eliminación
Regioselectividad de la eliminación
La deshidratación de este alcohol es selectiva con respecto a su dirección. La eliminación ocurre en la
dirección que conduce al enlace doble entre C-2 y C-3 más que entre C-2 y C-1. Se dice que las
reacciones pueden proceder en más de una dirección, pero en las que se prefiere una, son
regioselectivas.
la regla de Zaitsev
estereoselectividad de la eliminación
¿Por qué se trasponen los carbocationes? La respuesta es sencilla una vez que se recuerda que los
carbocationes terciarios son más estables que los carbocationes secundarios. La transposición de un
carbocatión secundario a terciario es energéticamente favorable.
Muchas transposiciones de carbocationes implican la migración de un hidrógeno. Éstos se llaman
desplazamientos de hidruro. Se aplican los mismos requerimientos a los desplazamientos de
hidruro que a las migraciones de grupos alquilo; proceden en la dirección que conduce a un
carbocatión más estable; el origen y destino del hidrógeno que migra son carbonos adyacentes, uno
de los cuales debe tener carga positiva; el hidrógeno migra con un par de electrones.
Los desplazamientos de hidruro ocurren con frecuencia durante la deshidratación de alcoholes
primarios. Por lo tanto, aunque se esperaría que el 1-buteno fuera el único alqueno formado por
deshidratación del 1-butanol, de hecho está acompañado de una mezcla de cis- y trans-2-buteno.
Eliminación de halogenuros de alquilo
ELIMINACIÓN UNIMOLECULAR E1
¿Cómo se produjeron los alquenos en el experimento que venimos comentando?
El carbocatión puede sufrir otro proceso alternativo:
El nucleófilo, actuando como base, puede extraer un protón del carbono
adyacente al carbocatión, dando lugar a un alqueno.
Cualquier hidrógeno contiguo al carbono que soporta el grupo saliente
puede participar en la reacción E1. Por tanto, en el carbocatión generado a
partir del 2-bromooctano se pueden obtener dos olefinas, el 1- y el 2-octeno
Mayor
proporción
ELIMINACIÓN BIMOLECULAR E2
La eliminación bimolecular E2
transcurre sin intermedios y consta
de un único ET, en el que la base
abstrae el protón, el grupo saliente se
va y los dos carbonos implicados se
rehibridan desde la sp3 a la sp2.
La cinética depende del haluro y
de la base/nucleófilo y es, por
tanto, de segundo orden. La
reacción E2 es bimolecular
La reacción E2 tiene lugar con una
estereoquímica definida: el grupo
saliente y el hidrógeno sobre el
carbono en posición contigua han
de estar en disposición
antiperiplanar