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LECCIÓN 6 HALUROS DE ALQUILO

Química Orgánica 2º

Antonio Galindo Brito 1

Objetivos Conocer la estructura electrónica de los haluros de alquilo, el carácter polar del enlace carbonohalógeno y las consecuencias que esto acarrea tanto en las propiedades físicas como químicas. Deducir que la reacción de sustitución nucleófila alifática (SN) es la reactividad típica de los haluros de alquilo y saber diferenc diferenciar iar entre las reacciones reacciones uni- y bi-molecul bi-moleculares ares (SN1 y SN2). Conocer con detalle los mecanismos por los que transcurren estos dos tipos de reacción, las consecuencias estereoquímicas que implican y aprender a distinguir por cuál de los dos mecanismos transcurre la reacción en función de los diferentes factores que influyen tales como (tipo de haluro, nucleofilia del reactivo, estructura del grupo saliente y disolvente disolvente en que se efectúa la reacción). Apreciar la importancia sintética de las reacciones SN2 en la síntesis orgánica como herramienta para efectuar la preparación de una gran diversidad de compuestos, sin más más que elegir adecuadamente adecuadamente el reactivo y las condiciones experimentales. experimentales. Finalmente, conocer la utilidad industrial de este tipo de compuestos y la incidencia que han tenido y tienen sobre el medio ambiente.

LECCIÓN 6 HALUROS DE ALQUILO

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Antonio Galindo Brito 2

Haluros de alquilo H R

C

X

C

R

H Primario

F

R

H R

X

C

Br

X

CH2Cl2

CHI3

Br

F

H Cl

R

R

F

  Derivado   Derivado   Derivado   Derivado Terciario monohalogenado  dihalogenado   trihalogenado   polihalogenado

Secundario

1 Cl

1 2

1-Cloro-2-metil-propano Cloruro de isobutilo

Cl

I

1

1-Iodo-2,2-dimetil-propano Yoduro de neopentilo 1

Br

2

R R

C

C

C

H

sp3

Br

2-Bromo-2-metil-propano Bromuro de terc-but terc-butilo ilo

R

R X

 1-Iodo-etano Yoduro de etilo

2

1-Bromo-butano Bromuro de butilo

 2-Cloro-propano Cloruro de isopropilo

X

X

H Haluro de alquilo

Haluro de vinilo

I

Haluro de arilo

LECCI N 6

Química Orgánica 2º

Antonio Galindo Brito 3

Estructura y propiedades físicas de los haluros de alquilo sp3 del carbono

p del halógeno

Enlace C-F Muy fuerte

Enlace C-Cl Menos fuerte

Enlace C-I Muy débil

Enlace C-Br Enlace más débil

TABLA I

Halometano

Energía enlace (kcal/mol)

µ (Debyes)

Electronegatividad halógeno

H3C - F

Longitud enlace 1, 39

110

1, 51

4, 10

H3C – Cl

1, 78

84

1, 56

2, 83

H3C – Br

1, 93

70

1, 48

2, 74

H3C - I

2, 14

57

1, 29

2, 21

LECCI N 6

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Antonio Galindo Brito 4

Propiedades físicas Presentan mayor punto de ebullición (PE) que los alcanos correspondientes por poseer un mayor momento dipolar. El PE crece con el aumento de la masa molecular. Los fluoruros y cloruros suelen ser menos densos que el agua, mientras que los bromuros y yoduros son más densos.

Métodos de obtención de los haluros de alquilo por reacciones de sustitución 1º.- Halogenación de alcanos

+

Cl2

Cl

h ν ν

2

1 Cl

Cl + HCl 1-cloro-propano (43:57)

+

2-cloro-propano

propano

Cl

+

Cl2

+

Cl2

ν h ν

2-metilbutano

+

Cl2

1-cloro-butano

2

Cl

+ 2-cloro-2-metil-propano

2-metilpropano 2

2

ν h ν

3

Cl

+

(+- )-2-cloro-butano

butano

2

1

2

ν h ν

1 1

1 Cl

+

HCl (30:70)

+

HCl

1-cloro-2-metil-propano 2

Cl Cl + 1-cloro-3-metil- (+ ) -1-cloro-2-metil-   butano butano (14%) (27%)

3

+

2

(35:65)

+

Cl -2-cloro-3-metil+ ( )

-

  butano (23%)

2

Cl

2-cloro-2-metilbutano (36%)

LECCIÓN 6

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Antonio Galindo Brito 5 Br

h  ν ν

Br 2

+

+

Br 2

2-metilpropano

h  ν ν

1

3

+

ν h ν

(X = Cl, Br)

ciclohexeno

X

+  haluro de ciclopentilo

HX

;

+

HBr

1

Br

+

HBr

1-bromo-2-metil-propano 3

1

Br

+

( +- ) -2-bromobutano (98%)

+

1-bromo-2-metilbutano 1-Bromo-3-metil  butano

X2

+

2

(>99: > Primario >> Secundario >> Neopentilo >> Terciario CH3X (CH3CH2X) (Me2CHX) (Me3CCH2X) (Me3CX) 6 5 2 k relativa (3 . 10 ) (10 ) (2,5 . 10 ) (1) (>> (CH3)3CO:Los aniones de elevado tamaño y con la carga muy deslocalizada son de muy baja nucleofilia, tal como ocurre con los aniones derivados de los ácidos minerales, tales como nitrato, nitrito, fosfato, fosfito, sulfato, hidrógeno sulfato, sulfito e hidrógeno sulfito, perclorato y peryodato, carbonatos, hidrógeno carbonato, etc. La electronegatividad del átomo atacante es un factor negativo y se puede afirmar que cuanto más electronegativo es un átomo, peor será como nucleófilo. También influye la polarizabilidad y así cuanto más alejados estén los electrones del núcleo menos retenidos estarán y por ellos la especie será más nucleófila. Por esta razón dentro de una misma familia la nucleofilia aumenta al descender dentro de la familia, ya que disminuye la electronegatividad y aumenta la polarizabilidad: RSH > ROH; R 3P > R 3N, RSR >ROR. Finalmente, el disolvente influye marcadamente en la nucleofilia de modo que cuanto más solvatado esté el nucleófilo por el disolvente, peor nucleófilo será. Por esta razón, los disolventes próticos son pésimos para las SN2, pues disminuyen mucho la nucleofilia del reactivo y tanto más, cuanto más pequeño sea éste. Así, un anión fluoruro en un disolvente prótico es un pésimo nucleófilo por su elevada electronegatividad y su pequeño tamaño, mientras que el anión yoduro se ve menos afectado. De cualquier modo, los mejores disolventes para las SN2 son los apróticos dipolares, es decir, los que carecen de hidrógenos ácidos y presentan elevados momentos dipolares. Ejemplos de estos disolventes son la propanona, el dimetilsulfóxido (DMSO), la dimetilformamida (DMF), la hexametilfosforotriamida (HMPT), el tetrahidrofurano (THF), el 1,4-dioxano, etc.

LECCI N 6

Química Orgánica 2º O

S Propanona

O

O

O

H

Antonio Galindo Brito 15

NMe2

Dimetilsulfóxido Dimetilformamida (DMSO) (DMF)

Me2N

P

O

O

NMe2 O

NMe2 Hexametilfósforotriamida Tetrahidrofurano (THF) (HMPT)

1,4-dioxano

Influencia del grupo saliente en la velocidad de las reacciones S N2: Como la pérdida del grupo saliente ocurre en la única etapa del proceso, cuanto mejor sea el grupo saliente más rápida será la reacción. Para que un átomo o grupo de átomos actúen como buen grupo saliente, deben cumplirse ciertos requisitos entre los que mencionaremos: (a) que el átomo unido al C sea lo suficientemente electronegativo como para aceptar un par electrónico y los mejores átomos para ello son el N, O, S y los halógenos (b) que la base formada después de la expulsión del grupo saliente sea débil (c) que sea fácilmente polarizable, lo que se relaciona con lo alejado del núcleo que estén los electrones. TABLA III. Clasificación de Grupos Salientes

Grupos saliente buenos

Grupos salientes malos

Cloruro, Bromuro, Yoduro (X - )

HO - , RO - , NH2 -, R 2N -, RHN -,

Sulfonato (RSO2O- ) (R= Me; Mesilato; -OMs) (R= p-MePh; Tosilato; -OTs) Sulfato (ROSO2O- ) Fosfato (ROPO2O-2 ) H2O, ROH, NR 3, PR 3, SR 2

LECCIÓN 6

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-

Nu :

- OH + MalRgrupo saliente

+

R - OH

Mal grupo saliente

H3O

+

+

R - OH2

Mal grupo saliente

+

Nu :

R - OH2

Nu :

+ +

base

-

Mal grupo saliente (Base fuerte)

+

SN2

+ NR3

C

+

NHR2

C

R-X

H2O

Cationes amonio Buenos grupos salientes

haluro de alquilo

+

-

+

C

SN2

NHR2

+

+

Nu

C

+

NHR2

(Sólo es válido si el nucleófilo es poco básico)

-

Nu :

H2O

H2N

+

ácido

nucleófilo

Nu :

+

Nu - R

H3O

+

H2O

Buen grupo saliente

R - NH2

NR2 :

C

+

Nu - R

Buen grupo saliente

-

+

Catión oxonio

+

-

HO

+

Nu - R

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-

C

SN2

NR3

Nu

C

Válido con carácter general

+

NR3

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Conclusión Las reacciones SN2 se ven favorecidas cuando el sustrato es primario o metílico, con poco impedimento estérico (con sustituyentes poco voluminosos sobre el carbono β), dotado de un buen grupo saliente y cuando se usan nucleófilos potentes no muy voluminosos, en concentraciones no bajas y se emplean disolventes apróticos.

Mecanismo SN1 v = k [MeBr] [NaOH] hidróxido metanol   sódico

 bromuro de metilo

NaOH

+

bromuro de  terc-butilo

NaOH

CH3

hidróxido   sódico

+

(CH3)3 C

CH3OH

Br v = k [Me3Br]

Br

bromuro sódico

+

terc-butanol

(CH3)3OH

NaBr bromuro sódico

+

NaBr

Las características más acusadas que presentan las reacciones SN1 son: (a) cinética de primer orden v = k . [Haluro], por lo que la velocidad no depende de la concentración del nucleófilo (b) transcurren en dos etapas y por ello no son concertadas (c) implica carbocationes como especies intermedias (d) transcurren con mezclas de retención e inversión y por ello no son estereoespecíficas (e) son típicas de haluros terciarios aunque los secundarios pueden presentarlas en ciertas ocasiones y también los primarios muy impedidos. Un ejemplo típico es la reacción anterior del bromuro de terc-butilo y el hidróxido sódico acuoso para dar terc-butanol y bromuro sódico.

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(2ª Etapa)

(1ª Etapa) lenta

+

I

(CH3)3 C - Br

Br

;

+ - OH

I

rápida

Productos

I = intermedio Manera Heterolítica

Manera Homolítica lenta

(CH3)3 C - Br

I

bromuro de terc-butilo

. I + . I

=

.

+

. Br

Radical intermedio

- OH

rápida

. (CH ) C 3 3

lenta

(CH3)3 C - Br bromuro de terc-butilo

I

¿ Productos? = radical terc-butilo

I

+

+

I

+

+

Br

-

Carbocatión intermedio

+ - OH

+

= (CH3)3C

rápida

Productos

= radical terc-butilo

La ruptura homolítica para formar el radical terc-butilo sólo requiere 63 kcal/mol, mientras que la ruptura heterolítica para formar el anión bromuro y el catión terc-butilo exige 157 kcal/mol. Por lógica, el proceso debería transcurrir de manera homolítica pero realmente transcurre de modo heterolítico y la explicación hay que buscarla en el papel que juega el disolvente solvatando de manera preferencial el estado de transición frente a los reactivos, lo que rebaja sustancialmente la energía libre de activación de la reacción y permite que esta discurra fácilmente. Si eliminamos el disolvente la reacción marcharía de modo homolítico y los productos serían muy diferentes.

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(∆G*)2 >> (∆G*)1

Energía

k2 < (Estado de transición sin solvatar)

(∆G*)1

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(∆G*)3 > k1

(Estado de transición muy solvatado)

(∆G*)3 (Reactivos sin solvatar) (Reactivos solvatados) Productos Productos

Productos

Coordenada de reacción

bromuro de terc-butilo lenta

(CH3)3 C

Br

Par Iónico íntimo

+

(CH )  C . Br 3 3

Par Iónico separado por el disolvente

+ (CH3)3C

Br

Iones separados solvatados

+ (CH3)3C

catión terc-butilo solvatado

+ solv

Br

solv

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El curso estereoquímico es mezcla de retención e inversión y si se parte de un enantiómero puro con un solo centro quiral se llega a una mezcla racémica: (50 : 50) Mezcla racémica

Lóbulo orbital p

CH3CH2

2

Lóbulo orbital p

C

+

Nucleófilo

OH

CH3

H

2C

CH3

CH3CH2

H

CH3CH2

Nucleófilo

H

-

Catión 2-butilo

OH

OH

CH3

(2S)-Butanol

C

+ (2R)-Butanol

2

OH

Si el sustrato es un enantiómero puro pero posee varios centros quirales de los que sólo uno interviene en la reacción, entonces se genera una mezcla de dos diastereómeros en igual proporción: Mezcla de dos diastereómeros (50:50)

(3R, 4R)-3-bromo-3,4-dimetilheptano

Br CH 3 3 C

*

*

Agua-Acetona 4

H Me

+

NaOH

H3C OH

HO CH3 3

*

*

4

H Me

+

3

* *4 H Me

(3R, 4R)-dimetil-3-heptanol (3S, 4R)-dimetil-heptanol Producto de Retención Producto de Inversión

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Estabilidad relativa de los carbocationes: Terciario > Secundario > Primario > Metilo (CH3)3C+ > (CH3)2CH+ > CH3CH2 + >> CH3+ 2

Cationes alílicos

3

CH2 +

+CH

1

+

2

1

4

1

+

Catión (2E, 4)-pentadien-1-ilo

+ 1

CH2

1 4

3

+ C

(b)

4

2

CH2 Catión (2E, 4)-pentadien-1-ilo

Catión 3-vinil-(2,4)  pentadien-1-ilo

(a) 2

2

1

Catión (1, 4)-pentadien-3-ilo

Catión 3-vinil-(2,4)  pentadien-1-ilo

Catión 2-propen-1-ilo

+

CH

1

3

2

2

3

CH2

4

2

+

(a) 4

3

3

2

CH2

1 Catión 3-vinil-(2,4)  pentadien-1-ilo 3

(b)

1

4 2

+ CH2

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Cationes bencílicos + CH2

CH

CH

+ +

CH2

CH

CH2

CH2

CH +

+

+ CH

+ CH

CH

etc.

CH

etc.

Terciario > Bencílico > Secundario > Alílico > Primario > Metilo

Factores que influyen en la velocidad de las reacciones SN1: 1º.- Estructura del sustrato Terciario > Bencílico > Secundario > Alílico > Primario > Metilo 2º.- Naturaleza y concentración del nucleófilo (No influye) 3º.- Naturaleza del grupo saliente (Idénticos comentarios que para la S N2) 4º.- Naturaleza del disolvente La SN1 está favorecida por el uso de disolventes próticos (H2O, ROH, ArOH, RCOOH, etc.) que estabilizan al catión por solvatación.

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Solvatación del catión y del grupo saliente por un disolvente tipo alcohol R

..

H

..

O:

R

R

:O

H

..

+

.. O

R

:

O

R

..

H

:O

R H

: H

.. -

..

:

H

:O

X

..

:

R

..

O:

H R

..

:O

H R

Transposiciones en las reacciones S N1 En ciertas ocasiones los carbocationes pueden sufrir profundos cambios estructurales conocidos como transposiciones para dar lugar a carbocationes más estables. Estos cambios pueden producirse después de haberse formado el carbocatión o incluso durante su formación. Aunque existen varios tipos de transposiciones nosotros sólo consideraremos las llamadas (1,2), es decir, aquellas en las que un grupo que se mueve con su par de enlace se halla contiguo al C catiónico.

LECCI N 6

Química Orgánica 2º

R

*

+  δδ

(1,2) H

Ph

R

Antonio Galindo Brito 24

C +δ

C

+ C

R

C

Ph

H Ph

H

C +

C

+δ

H

Ph

(1,2)R

R

*

R C

2  

1 Br

+

H2O

3-Bromo-2,2-dimetil-butano (Haluro secundario racémico)

2

3 Br

2-Metil-2-propanol  (Alcohol terciario)

2

OH

+ HBr

H2O

 

2-Bromo-3-metil-butano (Haluro secundario racémico)

;

2,3-Dimetil-2-butanol (Alcohol terciario)

OH

+

2

3

+

C

H

H Bromuro de isobutilo (Haluro primario)

+ C

Ph

C +δ

HBr

;

3

2

+

H2O

Br Bromuro de neo-pentilo (Haluro primario)

2-Metil-2-butanol  (Alcohol terciario)

2

OH

+

HBr

2,3-dimetil-2-butanol  (Alcohol terciario)

OH Br

2

1

+

H2O

2

3

+

HBr

LECCI N 6

Química Orgánica 2º  

3-Bromo-2,2-dimetil-butano (Haluro secundario racémico) 2

H C 3

Br

-

Br + .. HO H

 

2

3

+

+

2

CH

: Br 3

2

H C

Br

2

+

Br 2

.. + HO - H

3

2,3-Dimetil-2-butanol (Alcohol terciario)

Catión 2-metil-2-butilo

..

H

+

: OH2

3

OH

bromuro de hidrógeno

-

..

+C

2-Bromo-3-metil-butano (Haluro secundario racémico) Catión 3-metil-2-butilo 3

Catión 2,3-dimetil-2-butilo

Catión 3,3-dimetil-2-butilo

H Br 2

Antonio Galindo Brito 25

2

3

+

+

CH

2

-

Br

2

H Br bromuro de  hidrógeno

C

OH

+ 2-Metil-2-butanol  (Alcohol terciario)

: OH2

LECCI N 6

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.. +

.. H 2 1

Br

Br

-

+

1-bromo-2-metil-propano

+

: OH2

C

2 Catión 2-metil-2-propilo

1

Br

Bromuro de neo-pentilo (Haluro primario)

Br

-

+

+C

: OH2

2

Catión 2-metil-2-butilo

-

: Br

2

H Br 2

+ .. HO - H

.. 2

HO - H

Antonio Galindo Brito 26

bromuro de  hidrógeno

+ 2-Metil-2-propanol  (Alcohol terciario)

-

: Br

H Br

2 bromuro de  hidrógeno

OH

+

2

OH

2-Metil-2-butanol  (Alcohol terciario)

Conviene tener en cuenta que no deben postularse nunca cationes primarios y por ello en sustratos primarios impedidos como el bromuro de isobutilo y el de neopentilo, la transposición tiene lugar sin que se forme el catión primario. Para sustratos que puedan formar cationes secundarios, como ocurre con el 2bromo-3,3-dimetil-butano y el 2-bromo-3-metil-butano se generan cationes secundarios y luego sobre éstos ocurren las transposiciones. Finalmente, las transposiciones más favorecidas son la que forman cationes terciarios, bien directamente, bien a través de cationes secundarios.

Conclusión.-

Las reacciones SN1 se ven favorecidas por la naturaleza terciaria del haluro, por la presencia de un buen grupo saliente, por el uso de nucleófilos débiles y por la utilización de disolventes fuertemente polares y próticos.

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Competición entre SN2 y SN1 Las reacciones SN2 ocurren preferentemente sobre sustratos metílicos o primarios no impedidos, mientras que las SN1 ocurren sobre sustratos terciarios y primarios o secundarios muy impedidos. Los sustratos secundarios pueden reaccionar por uno u otro mecanismo en función de las condiciones experimentales y puede decirse que para estos sustratos las condiciones ideales para la SN2 son: un buen nucléofilo que no sea muy voluminoso y se halle en buena concentración y una disolvente aprótico dipolar. Si se quiere que la reacción progrese por el mecanismo S N1 las condiciones ideales para los sustratos secundarios son, un nucleófilo malo en baja concentración y un disolvente prótico.

Competición entre las S N2 y SN1 La cinética de la SN2 es de segundo orden y la de la SN1 es de primer orden. En la SN2 se requieren nucleófilos fuertes mientras que en la SN1 no es importante de modo que un nucleófilo fuerte favorece la SN2 mientras que uno débil lo hace con la S N1. El sustrato es importante y tal como dijimos anteriormente los metílicos y primarios no impedidos progresan por la S N2 con inversión de la configuración, mientras que los terciarios lo hacen a través de la S N1. El caso de los secundarios lo discutimos anteriormente. El disolvente es muy importante y los próticos polares favorecen la SN1 y los apróticos dipolares la SN2. Finalmente, en las SN1 pueden tener lugar transposiciones cosa que no ocurre en las SN2.

Competición entre Sustituciones y Eliminaciones Debe tenerse en cuenta que cada vez que ocurre una reacción SN puede tener lugar también una E, pero las mejores condiciones para que ocurra una u otra se verán en la próxima lección.

LECCIÓN 6

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Usos industriales de los Haluros de Alquilo 1.- Han sido utilizados como disolventes, particularmente los polihalogenados: Cl4C

Cl3CCH3

tetracloruro de carbono

1,1,1-tricloro  etano

Cl3CH

Cl2CH2 diclorometano

cloroformo

2.- Se han utilizado y alguno aún se utiliza como anestésicos: Cl3CH

CF3CHClBr

cloroformo

halotano

ClCH3 cloruro de metilo

3.- Como gases refrigerantes en la industria del frío (cloroflurorocarbonos; CFC): CF2Cl2

CHF2Cl

freón 12

freón 22

4.- Como insecticidas en la lucha contra las plagas dañinas para la agricultura y la salud: Cl Cl

1

Cl

2

CCl3 - CH Cl

  1,1,1-tricloro-2,2-bis(p-diclorofenil)-etano(DDT)

Cl Cl Cl lindano

Cl

Cl

Cl Cl

Cl Cl Cl

H Cl

kepona

aldrin

Cl

Cl Cl

Cl

H

H

Cl

O

Cl

Cl

Cl

Cl Cl Cl Cl

Cl

H

H Cl Cl clordano H Cl