Quimica Organica Ejercicios Resueltos

December 14, 2017 | Author: Oscar Castro | Category: Alkene, Isomer, Alkane, Ester, Aromaticity
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QUÍMICA ORGÁNICA 250 EJERCICIOS RESUELTOS

CECILIO MÁRQUEZ SALAMANCA Profesor Titular UNIVERSIDAD DE ALICANTE, 2008

NOTA DEL AUTOR

Las páginas que siguen corresponden a los dos cursos de Química orgánica que he impartido en la Universidad de Alicante, a lo largo de los últimos 10 años. Cada curso tiene una duración de 70 horas, de modo que estos apuntes incluyen, aproximadamente, 90 horas lectivas de teoría y 50 de ejercicios prácticos que se discuten y resuelven en clase. El planteamiento general está basado en los diferentes tipos de reacciones entre compuestos orgánicos, en lugar del enfoque habitual que hace énfasis en los grupos funcionales. En cada uno de los temas aparecen ejercicios (incluidos en el texto) que permiten familiarizarse con los conceptos teóricos que se exponen. Al final de cada tema se han añadido una serie de ejercicios adicionales, con el fin de que los estudiantes los preparen (de forma individual o colectiva) para discutirlos después en clase. El contenido de los dos cursos se ciñe a lo que habitualmente puede designarse como Química Orgánica General, esto es, principios generales sobre estructura electrónica y reactividad. Sin embargo, se ha introducido una novedad metodológica: el tratamiento de los sistemas conjugados (acíclicos y cíclicos) mediante el modelo de Perturbaciones de los Orbitales Moleculares (PMO) Dicho modelo es una alternativa ventajosa a la teoría de la resonancia que, sin embargo, también se utiliza para evitar que los estudiantes se sientan desconectados de los textos normales de química orgánica. El método PMO permite, por ejemplo, dibujar fácilmente las estructuras resonantes de cualquier molécula (ver p.103 y siguientes) De forma análoga, la definición de Hidrocarburos alternantes impares (p.114) ayuda a incluir el concepto de Orbital Molecular no Enlazante (ONE) (p.117) El cálculo de los coeficientes del ONE conduce a identificar los átomos de carbono más reactivos en un determinado Hidrocarburo alternante impar (p.120) De todos modos, la aplicación más interesante de la metodología PMO está relacionada con las reacciones de sustitución electrófila del benceno y los hidrocarburos policíclicos bencenoides. En este caso, el método PMO muestra un poder predictivo que la teoría de la resonancia es incapaz de igualar. Utilizando el modelo de Perturbaciones de los Orbitales Moleculares es posible averiguar las reactividades relativas de todos los átomos, en cualquier hidrocarburo policíclico bencenoide (p.334) También se pueden realizar predicciones muy fiables cuando el hidrocarburo tiene sustituyentes de distintos tipos (p.363 y Apéndice IV) El lector que esté interesado en el fundamento teórico del modelo de Perturbaciones de los Orbitales Moleculares puede consultar el trabajo del mismo autor sobre Aromaticidad, que aparece en la página Web de la Universidad de Alicante.

Alicante, 2008

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ÍNDICE 1. HIDROCARBUROS SATURADOS ACÍCLICOS NOMENCLATURA DE ALCANOS................................................................................................................................ 1

Geometría de los alcanos acíclicos .................................................................................................................... 5 DEFINICIÓN Y CÁLCULO DE ENERGÍAS DE ENLACE

Entalpía de formación ............................................................................................................................................. 6 Energía de enlace................................................................................................................................... 7 Estabilidades relativas de radicales alquilo.........................................................................................9 CONCEPTO DE CONFORMACIÓN. PROYECCIONES DE NEWMAN ................................................................... 10

Conformaciones del propano y del butano........................................................................................ 11 MOLÉCULAS ACÍCLICAS CON UN ÁTOMO DE CARBONO ESTEREOGÉNICO ................................................ 12 PROYECCIONES DE FISCHER ............................................................................................................................... 12 CONFIGURACIÓN ABSOLUTA. NOMENCLATURA (R)/(S) DE CAHN, INGOLD Y PRELOG (CIP) .................... 15

Prioridades de los grupos unidos a un átomo de carbono asimétrico .......................................... 16 Orden de prioridad de radicales alquilo .......................................................................................... 16 MOLÉCULAS ACÍCLICAS CON DOS ÁTOMOS DE CARBONO ASIMÉTRICOS

Los dos átomos de carbono tienen sustituyentes distintos ........................................................... 18 Los dos átomos de carbono tienen los mismos sustituyentes ...................................................... 19 NÚMERO DE ISÓMEROS ÓPTICOS......................................................................................................................... 20

Conformaciones, proyecciones de Newman y proyecciones de Fischer ...................................... 22 EJERCICIOS ADICIONALES..................................................................................................................................... 23

2. HIDROCARBUROS SATURADOS CÍCLICOS NOMENCLATURA DE CICLOALCANOS MONOCÍCLICOS .................................................................................... 25 ESTEREOQUÍMICA DE CICLOALCANOS MONOCÍCLICOS

Equilibrio conformacional en el ciclohexano ................................................................................... 25 Isomería geométrica ........................................................................................................................... 28 Isomería óptica .................................................................................................................................... 29 NOMENCLATURA DE ESPIRANOS ......................................................................................................................... 31

Estereoquímica de espiranos............................................................................................................. 32 NOMENCLATURA DE HIDROCARBUROS CON PUENTES ................................................................................... 33 EJERCICIOS ADICIONALES..................................................................................................................................... 34

ii

3. HIDROCARBUROS CON ENLACES MÚLTIPLES ENTRE ÁTOMOS DE CARBONO GEOMETRÍA DE LOS ALQUENOS ........................................................................................................... 35 NOMENCLATURA DE ALQUENOS .......................................................................................................................... 35 ESTEREOISOMERÍA DE DOBLES ENLACES. ISOMERÍAS (Z)/(E) Y ÓPTICA

Monoolefinas ....................................................................................................................................... 40 Olefinas con dos dobles enlaces conjugados.................................................................................. 41 Olefinas con dobles enlaces acumulados (cumulenos) .................................................................. 41 Prioridades de los radicales con doble enlace................................................................................. 43 Estereoquímica de alquilidencicloalcanos ....................................................................................... 46 NOMENCLATURA DE ALQUINOS ........................................................................................................................... 46 NOMENCLATURA DE HIDROCARBUROS AROMÁTICOS .................................................................................... 47 EJERCICIOS ADICIONALES..................................................................................................................................... 49

4. NOMENCLATURA DE GRUPOS FUNCIONALES INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................................................ 50

Haluros de alquilo ............................................................................................................................... 50 Alcoholes y fenoles............................................................................................................................. 55 Éteres ................................................................................................................................................... 57 Aminas ................................................................................................................................................. 58 Aldehidos ............................................................................................................................................. 59 Cetonas ................................................................................................................................................ 60 Ácidos carboxílicos ............................................................................................................................ 62 Ésteres ................................................................................................................................................. 64 Amidas ................................................................................................................................................. 65 Haluros de ácido ................................................................................................................................. 65 Anhidridos de ácido............................................................................................................................ 66 Nitrilos.................................................................................................................................................. 67 Nitroderivados ..................................................................................................................................... 67 Moléculas heterocíclicas .................................................................................................................... 68 PRIORIDADES RELATIVAS DE GRUPOS CON HETEROÁTOMOS (NOMENCLATURA R/S) ......................... 69 EJERCICIOS ADICIONALES..................................................................................................................................... 70

iii

5. ENLACE QUÍMICO EN MOLÉCULAS ORGÁNICAS EL MODELO DE ENLACE LOCALIZADO ................................................................................................................ 77

Entalpía de atomización de parafinas ............................................................................................... 78 Parafinas acíclicas .............................................................................................................................. 78 Parafinas ciclicas ................................................................................................................................ 79 Monoolefinas acíclicas ....................................................................................................................... 80 Diolefinas acíclicas ............................................................................................................................. 81 Poliolefinas cíclicas ............................................................................................................................ 82 ESTRUCTURA ELECTRÓNICA DE LAS MOLÉCULAS ORGÁNICAS

Orbitales atómicos híbridos localizados del carbono ..................................................................... 84 ORBITALES MOLECULARES LOCALIZADOS

Orbitales moleculares localizados del acetileno .............................................................................. 85 Orbitales moleculares localizados del etileno .................................................................................. 86 Orbitales moleculares localizados del etano .................................................................................... 87 Tipos de hibridación y geometría molecular .................................................................................... 88 ESTRUCTURA ELECTRÓNICA DE GRUPOS FUNCIONALES

Alcoholes y éteres............................................................................................................................... 89 Aldehidos y cetonas ........................................................................................................................... 90 Ácidos carboxílicos ............................................................................................................................ 92 Ésteres ................................................................................................................................................. 94 Anhidridos de ácidos.......................................................................................................................... 95 Haluros de ácidos ............................................................................................................................... 95 Aminas ................................................................................................................................................. 96 Amidas ................................................................................................................................................. 97 Nitrilos.................................................................................................................................................. 98 Nitroderivados ..................................................................................................................................... 99 Cumulenos......................................................................................................................................... 100 Poliolefinas conjugadas ................................................................................................................... 102 EL MODELO DE ENLACE DESLOCALIZADO ...................................................................................................... 103

Moléculas acíclicas con un número impar de átomos de carbono .............................................. 105 Moléculas cíclicas con un número impar de átomos de carbono ................................................ 107 Moléculas cíclicas con un número par de átomos de carbono..................................................... 109 MODELO DE HÜCKEL

Moléculas no aromáticas, aromáticas y antiaromáticas................................................................ 111

iv

HIDROCARBUROS ALTERNANTES IMPARES.................................................................................................... 114

Cálculo de los coeficientes del orbital molecular no enlazante.................................................... 117 Cargas formales en cationes y aniones de hidrocarburos alternantes impares ......................... 119 Átomos de carbono reactivos y no reactivos ................................................................................. 120 Entalpía de atomización de anulenos.............................................................................................. 121 EJERCICIOS ADICIONALES.................................................................................................................................. 122

6. EQUILIBRIO QUÍMICO Y REACTIVIDAD ÁCIDOS Y BASES .................................................................................................................................................. 125

Modelo de Bronsted-Lowry .............................................................................................................. 125 Modelo de Lewis................................................................................................................................ 125 REACCIONES ÁCIDO – BASE ENTRE COMPUESTOS ORGÁNICOS................................................................ 126

Constantes de acidez y pKa ............................................................................................................. 126 Relación entre la energía libre estandar, la constante de equilibrio y el pKa.............................. 130 EQUILIBRIO QUÍMICO ........................................................................................................................................... 131

Insuficiencia de los conceptos termodinámicos............................................................................ 131 Entalpía y entropía ............................................................................................................................ 132 INTERMEDIOS DE REACCIÓN .............................................................................................................................. 136

Carbocationes ................................................................................................................................... 136 Estabilidades relativas de los cationes carbonio........................................................................... 137 Carbaniones....................................................................................................................................... 138 VELOCIDAD Y ORDEN DE UNA REACCIÓN........................................................................................................ 139

Orden de reacción............................................................................................................................. 139 Variación de la velocidad de reacción con la concentración........................................................ 139 Orden, molecularidad y mecanismo de una reacción.................................................................... 140 EL ESTADO DE TRANSICIÓN ............................................................................................................................... 141

Un sólo estado de transición y ningún intermedio de reacción ................................................... 142 Dos estados de transición y un intermedio de reacción ............................................................... 143 Control cinético y control termodinámico de una reacción .......................................................... 144 TIPOS DE PROCESOS DE RUPTURA Y FORMACIÓN DE ENLACES................................................................ 144 REACTIVOS NUCLEÓFILOS Y ELECTRÓFILOS ................................................................................................. 145 TIPOS DE REACCIONES ORGÁNICAS ................................................................................................................ 145

Reacciones de sustitución nucleófila en un átomo de carbono no saturado.............................. 146 Reacciones de sustitución nucleófila en un átomo de carbono saturado ................................... 146 Reacciones de sustitución electrófila en un átomo de carbono no saturado ............................. 147

v

Reacciones de adición nucleófila a grupos carbonilo ................................................................... 148 Reacciones de adición electrófila a un átomo de carbono no saturado ...................................... 148 Reacciones de eliminación en un átomo de carbono saturado o no saturado ........................... 149 EJERCICIOS ADICIONALES.................................................................................................................................. 149

7. REACCIONES DE OLEFINAS Y ALQUINOS ESTABILIDADES DE LOS ALQUENOS ................................................................................................................ 151 REACCIONES DE ADICIÓN ELECTRÓFILA......................................................................................................... 152

Reacciones con haluros de hidrógeno (HCl, HBr, HI) .................................................................... 152 Regioselectividad en la adición de ácidos próticos a olefinas. regla de Markovnikov............... 154 Reacciones de transposición en carbocationes ............................................................................ 155 Estereoquímica de las reacciones que transcurren a través de carbocationes.......................... 156 Reacción con agua en medio ácido fuerte...................................................................................... 157 Reacciones de los carbocationes con alquenos. Polimerización de olefinas ............................. 158 Reacción de los alquenos con halógenos ...................................................................................... 159 Reacción de los alquenos con ácidos hipohalosos (HOCl y HOBr) ............................................. 162 REACCIONES DE LOS ALQUENOS CON ELECTRÓFILOS OXIGENADOS ...................................................... 165

Oxidación de alquenos con peroxiácidos....................................................................................... 165 Oxidación de alquenos con tetraóxido de osmio........................................................................... 167 OLEFINAS CON DOBLES ENLACES CONJUGADOS ......................................................................................... 168

Reacción con haluros de hidrógeno y halógenos a través de carbocationes............................. 168 REACCIONES DE LOS ALQUINOS....................................................................................................................... 172

Acidez de los alquinos terminales................................................................................................... 172 Adición de haluros de hidrógeno .................................................................................................... 173 Adición de agua con catálisis ácida ................................................................................................ 174 Reducción de alquinos con sodio en amoníaco líquido................................................................ 175 SÍNTESIS DE COMPUESTOS ORGÁNICOS A PARTIR DE OLEFINAS Y ALQUINOS ...................................... 176 EJERCICIOS ADICIONALES.................................................................................................................................. 178

8. REACCIONES DE SUSTITUCIÓN NUCLEÓFILA EN GRUPOS CARBONILO INTRODUCCIÓN ..................................................................................................................................................... 182 CORRELACIONES ESTRUCTURA – REACTIVIDAD ........................................................................................... 182 APLICACIONES DE LA SUSTITUCIÓN NUCLEÓFILA EN SÍNTESIS ................................................................. 188 FORMACIÓN DE ENLACES C–X

Síntesis de cloruros de ácido........................................................................................................... 188

vi

FORMACIÓN DE ENLACES C–O

Síntesis de ésteres............................................................................................................................ 189 Hidrólisis de ésteres ......................................................................................................................... 192 Síntesis de anhidridos de ácido....................................................................................................... 194 FORMACIÓN DE ENLACES C–N

Síntesis de amidas ............................................................................................................................ 195 Hidrólisis de amidas ......................................................................................................................... 197 FORMACIÓN DE ENLACES C–H

Reducción de cloruros de ácido y amidas...................................................................................... 198 FORMACIÓN DE ENLACES C–C

Síntesis de cetonas a partir de ácidos carboxílicos ...................................................................... 199 Condensación de Claisen................................................................................................................. 200 Estrategia para la síntesis de β-cetoésteres ................................................................................... 205 Reacción de Claisen ......................................................................................................................... 206 Enolatos termodinámicos y enolatos cinéticos ............................................................................. 207 Reacción de Dieckmann ................................................................................................................... 208 EJERCICIOS ADICIONALES.................................................................................................................................. 211

9. REACCIONES DE SUSTITUCIÓN NUCLEÓFILA EN UN CARBONO SATURADO GENERALIDADES.................................................................................................................................................................216 MECANISMO DE LAS REACCIONES DE SUSTITUCIÓN NUCLEÓFILA......................................................................216

Estereoquímica de las reacciones de sustitución nucleófila ................................................................217 Reacciones de transposición carbocationes...........................................................................................219 Impedimento estéreo de los sustituyentes en el estado de transición................................................219 APLICACIONES DE LAS REACCIONES DE SUSTITUCIÓN NUCLEÓFILA EN SÍNTESIS FORMACIÓN DE ENLACES C–O

Síntesis de alcoholes, éteres y ésteres.....................................................................................................220 FORMACIÓN DE ENLACES C–X

Síntesis de haluros de alquilo a partir de alcoholes ...............................................................................225 Síntesis de haluros de alquilo a partir de tosilatos.................................................................................226 FORMACIÓN DE ENLACES C–N

Síntesis de aminas.......................................................................................................................................227 FORMACIÓN DE ENLACES C–C

Síntesis de nitrilos .......................................................................................................................................228 Síntesis de alquinos ....................................................................................................................................228

vii

Síntesis de alcoholes primarios a partir de oxiranos y compuestos organomagnésicos................229 ANIONES ENOLATO COMO INTERMEDIOS DE REACCIÓN (EQUILIBRIO CETO-ENÓLICO).................................229

Alquilación de cetonas................................................................................................................................232 Control termodinámico y control cinético de la reacción......................................................................233 Alquilación de ésteres .................................................................................................................................235 ALQUILACIÓN DE COMPUESTOS CON HIDRÓGENOS METILÉNICOS ÁCIDOS .....................................................236 ALQUILACIÓN DE β-CETOÉSTERES (SÍNTESIS ACETILACÉTICA)............................................................................237

1. Síntesis de metil alquil cetonas y ácidos monocarboxílicos ............................................................238 2. Síntesis de 1,4–dicetonas a partir de α–bromocetonas .....................................................................241 3. Síntesis de cetoácidos y ácidos dicarboxílicos a partir de α–bromoésteres .................................242 ALQUILACIÓN DE DIÉSTERES MALÓNICOS (SÍNTESIS MALÓNICA)

1. Síntesis de ácidos monocarboxílicos ...................................................................................................243 2. Síntesis de ácidos dicarboxílicos..........................................................................................................244 RESUMEN DE LAS REACCIONES DE SUSTITUCIÓN NUCLEÓFILA...........................................................................247 EJERCICIOS ADICIONALES ...............................................................................................................................................249

10. REACCIONES DE ELIMINACIÓN GENERALIDADES.................................................................................................................................................................254 MECANISMO DE LAS REACCIONES DE ELIMINACIÓN

Reacciones de eliminación E1 ...................................................................................................................254 Reacciones de eliminación E2 ...................................................................................................................255 REGIOSELECTIVIDAD EN LAS REACCIONES E1 Y E2

Reacciones E1 ..............................................................................................................................................257 Reacciones E2 ..............................................................................................................................................257 ESTEREOQUÍMICA DE LAS REACCIONES DE ELIMINACIÓN

Reacciones de eliminación monomoleculares (E1)................................................................................258 Reacciones de eliminación bimoleculares (E2).......................................................................................261 TIPOS DE LOS ESTEREOISÓMEROS OBTENIDOS EN LAS REACCIONES E1 Y E2....................................... 266 ESTEREOQUÍMICA Y REGIOSELECTIVIDAD EN LAS REACCIONES E1 Y E2

Reacciones E1 ................................................................................................................................... 268 Reacciones E2 ..............................................................................................................................................268 APLICACIONES DE LAS REACCIONES DE ELIMINACIÓN EN SÍNTESIS

Reacciones E1 ................................................................................................................................... 270 Reacciones E2 ................................................................................................................................... 271

viii

COMPETITIVIDAD ENTRE LAS REACCIONES DE SUSTITUCIÓN Y DE ELIMINACIÓN

Derivados alquílicos primarios sin impedimento estéreo .....................................................................274 Derivados alquílicos primarios con impedimento estéreo ....................................................................274 Derivados alquílicos primarios que originan carbocationes estabilizados ........................................275 Derivados alquílicos secundarios .............................................................................................................275 EJERCICIOS ADICIONALES.................................................................................................................................. 278

11. REACCIONES DE ADICIÓN NUCLEÓFILA A GRUPOS CARBONILO GENERALIDADES .................................................................................................................................................. 281 ESTEREOSELECTIVIDAD EN LA ADICIÓN NUCLEÓFILA. REGLA DE CRAM ................................................. 282 APLICACIONES DE LAS REACCIONES DE ADICIÓN NUCLÓFILA EN SÍNTESIS FORMACIÓN DE ENLACES C−H

Reducción con hidruros metálicos.................................................................................................. 284 Oxidación de alcoholes (oxidación de Swern) ............................................................................... 287 FORMACIÓN DE ENLACES C−O

Reacción con alcoholes ................................................................................................................... 288 Ejemplo de protección de una cetona en forma de acetal ............................................................ 290 Ejemplo de protección de un alcohol en forma de tetrahidropiranil éter..................................... 290 FORMACIÓN DE ENLACES C-N

Reacción con aminas primarias....................................................................................................... 292 Reacción con aminas secundarias.................................................................................................. 293 Reacción con hidrazina .................................................................................................................... 294 FORMACIÓN DE ENLACES C-C

Reacción con anión cianuro............................................................................................................. 295 Reacción con aniones acetiluro....................................................................................................... 296 Reacción con compuestos organomagnésicos:síntesis de alcoholes ........................................ 296 Síntesis de alcoholes acetilénicos a partir de magnesianos ........................................................ 299 Reactivos organoliticos.................................................................................................................... 300 Reactivos orgánicos de cinc ............................................................................................................ 301 EJERCICIOS ADICIONALES.................................................................................................................................. 302

12. REACCIONES DE ADICIÓN NUCLEÓFILA CON ANIONES ENOLATO INTRODUCCIÓN ..................................................................................................................................................... 307 REACCIÓN ALDÓLICA

Aldehidos como sustratos ............................................................................................................... 307 Cetonas como sustratos................................................................................................................... 308

ix

Reacción retroaldólica...................................................................................................................... 309 Reacciónes aldólicas mixtas............................................................................................................ 310 CONDENSACIÓN DE DARZENS ........................................................................................................................... 312 CONDENSACIÓN DE PERKIN ............................................................................................................................... 313 REACCIÓN DE MICHAEL....................................................................................................................................... 313

Método de Robinson para la síntesis de ciclos.......................................................................................318 EJERCICIOS ADICIONALES ...............................................................................................................................................319

13. REACCIONES DE SUSTITUCIÓN ELECTRÓFILA Y SALES DE DIAZONIO GENERALIDADES.................................................................................................................................................................332 ENERGÍA DE ENLACE DE CATIONES ARENIO POLICÍCLICOS .................................................................................334

Sustitución electrófila en el antraceno .....................................................................................................336 Sustitución electrófila en el fenantreno ....................................................................................................337 REACCIONES DE SUSTITUCIÓN ELECTRÓFILA REACCIONES CON ELECTRÓFILOS DE CARBONO

Alquilación con haluros de alquilo (alquilación de Friedel-Crafts)......................................................339 Alquilación con olefinas y alcoholes ........................................................................................................340 Acilación con cloruros y anhidridos de ácido (acilación de Friedel-Crafts) .......................................342 REACCIONES CON ELECTRÓFILOS DE NITRÓGENO..................................................................................................344 REACCIONES CON ELECTRÓFILOS DE AZUFRE..........................................................................................................345 REACCIONES CON ELECTRÓFILOS DE HALÓGENOS ................................................................................................347 EFECTO DE LOS SUSTITUYENTES EN LAS REACCIONES DE SUSTITUCIÓN ELECTRÓFILA ............................347 TIPOS DE SUSTITUYENTES.................................................................................................................................. 350

Sustituyentes inductivos +I (grupos alquilo) ..........................................................................................351 Sustituyentes inductivos −I .......................................................................................................................353 Efecto combinado de varios sustituyentes +I.........................................................................................354 Sustituyentes mesómeros ± M...................................................................................................................355 Sustituyentes mesómeros +M....................................................................................................................357 Sustituyentes mesómeros −M....................................................................................................................361 SUSTITUCIÓN ELECTRÓFILA EN HIDROCARBUROS POLICÍCLICOS CON SUSTITUYENTES..................... 363 SALES DE DIAZONIO ...........................................................................................................................................................368

Colorantes azoicos ......................................................................................................................................371 EJERCICIOS ADICIONALES.................................................................................................................................. 372

x

RESPUESTAS DE LOS EJERCICIOS INCLUIDOS EN EL TEXTO 6. EQUILIBRIO QUÍMICO Y REACTIVIDAD ........................................................................................................ 377 7. REACCIONES DE OLEFINAS Y ALQUINOS .................................................................................................. 378 8. REACCIONES DE SUSTITUCIÓN NUCLEÓFILA EN GRUPOS CARBONILO .............................................. 292 9. REACCIONES DE SUSTITUCIÓN NUCLEÓFILA EN UN CARBONO SATURADO ...................................... 401 10. REACCIONES DE ELIMINACIÓN .................................................................................................................... 410 11. REACCIONES DE ADICIÓN NUCLEÓFILA..................................................................................................... 415 12. REACCIONES DE ADICIÓN NUCLEÓFILA CON ANIONES ENOLATO........................................................ 424 13. REACCIONES DE SUSTITUCIÓN ELECTRÓFILA.......................................................................................... 436

RESPUESTAS DE LOS EJERCICIOS ADICIONALES 1. HIDROCARBUROS SATURADOS ACÍCLICOS .............................................................................................. 448 2. HIDROCARBUROS SATURADOS CÍCLICOS................................................................................................. 454 3. HIDROCARBUROS CON ENLACES MÚLTIPLES ENTRE ÁTOMOS DE CARBONO........................................ 456 4. NOMENCLATURA DE GRUPOS FUNCIONALES........................................................................................... 459 5. ENLACE QUÍMICO EN MOLÉCULAS ORGÁNICAS....................................................................................... 495 6. EQUILIBRIO QUÍMICO Y REACTIVIDAD ........................................................................................................ 501 7. REACCIONES DE OLEFINAS Y ALQUINOS .................................................................................................. 504 8. REACCIONES DE SUSTITUCIÓN NUCLEÓFILA EN GRUPOS CARBONILO .............................................. 536 9. REACCIONES DE SUSTITUCIÓN NUCLEÓFILA EN UN CARBONO SATURADO ...................................... 540 10. REACCIONES DE ELIMINACIÓN .................................................................................................................... 557 11. REACCIONES DE ADICIÓN NUCLEÓFILA A GRUPOS CARBONILO.......................................................... 573 12. REACCIONES DE ADICIÓN NUCLEÓFILA CON ANIONES ENOLATO........................................................ 586 13. REACCIONES DE SUSTITUCIÓN ELECTRÓFILA.......................................................................................... 606

APÉNDICE I VOCABULARIO DE TÉRMINOS EMPLEADOS EN ESTEREOQUÍMICA............................................................. 621 PRIORIDADES RELATIVAS DE GRUPOS CON ENLACES DOBLES O TRIPLES ............................................. 622 CRITERIOS EMPLEADOS PARA DEFINIR LAS PRIORIDADES RELATIVAS DE LOS RADICALES ............... 623 ORDEN DE PRIORIDAD CRECIENTE DE ALGUNOS RADICALES .................................................................... 625 NOMENCLATURA DE RADICALES ...................................................................................................................... 630 ISÓMEROS CONSTITUCIONALES Y ESTEREOISÓMEROS............................................................................... 631 RELACIÓN DE ISOMERÍA ENTRE DOS MOLÉCULAS........................................................................................ 635 CONFIGURACIÓN ABSOLUTA. NOMENCLATURA (R)−(S) DE CHAN, INGOLD Y PRELOG (CIP) ................. 636 CONFIGURACIONES DE MOLÉCULAS CON ÁTOMOS DE CARBONO ESTEREOGÉNICOS

Moleculas acíclicas ............................................................................................................................................ 637 Moleculas monocíclicas ................................................................................................................................... 640

xi

Espiranos .............................................................................................................................................................. 642 Cumulenos ........................................................................................................................................................... 642 Alquilidencicloalcanos ..................................................................................................................................... 645 APÉNDICE II TABLAS DE pKa...................................................................................................................................................... 646

APÉNDICE III REACCIONES DE OLEFINAS (ESTEREOQUÍMICA) 1 Reacciones con XH (X = Nu = Cl, Br, I, SO4H) (carbocationes) .................................................................... 650 2 Reacciones con halógenos (X = Cl, Br, I) (iones onio).................................................................................. 653 3 Reacciones con XOH (X = Cl, Br, I) (iones onio) ............................................................................................ 654 4 Reacciones con peroxiácidos (R-CO3H) ......................................................................................................... 655 5 Reacciones con tetraóxido de osmio (OsO4) ................................................................................................. 656

APÉNDICE IV SUSTITUCIÓN ELECTRÓFILA EN HIDROCARBUROS POLICÍCLICOS ESTABILIDADES RELATIVAS Y CARGAS FORMALES DE CATIONES ARENONIO POLICÍCLICOS Naftaleno ................................................................................................................................................................. 658 Antraceno ............................................................................................................................................................... 661 Fenantreno.............................................................................................................................................................. 662 Naftaceno................................................................................................................................................................ 663 Benzo [α] antraceno ............................................................................................................................................... 664 Criseno .................................................................................................................................................................... 665 Benzo [c] fenantreno .............................................................................................................................................. 666 Trifenileno ............................................................................................................................................................... 668 DERIVADOS DISUSTITUIDOS DE NAFTALENO Disustitución –1,8 .................................................................................................................................................. 669 Disustitución –2,3 ; disustitución –2,6................................................................................................................. 670 Disustitución –2,7 ; disustitución –1,5................................................................................................................. 671 Disustitución –1,4 ; disustitución –1,3................................................................................................................. 672 DERIVADOS DISUSTITUIDOS DE FENANTRENO Disustitución –4,5 ; disustitución –3,6 ................................................................................................................ 673 Disustitución –2,7 .................................................................................................................................................. 674 DERIVADOS TETRASUSTITUIDOS DE FENANTRENO Tetrasustitución –3,4,5,6 ....................................................................................................................................... 674 Tetrasustitución –2,4,5,7 ....................................................................................................................................... 675

1. HIDROCARBUROS SATURADOS ACÍCLICOS

NOMENCLATURA DE ALCANOS

Las reglas de nomenclatura de la IUPAC (Unión Internacional de Química Pura y Aplicada) son las siguientes: 1. Para nombrar un alcano se elige como base la cadena contínua más larga, que recibe el nombre de cadena principal. El compuesto se considera derivado del alcano que tiene el mismo número de átomos de carbono que la cadena principal. Por ejemplo, en el hidrocarburo siguiente

CH3 CH3 CH CH2 CH2 CH3 2

(1)

la cadena más larga tiene cinco carbonos; así pues, se nombra como un metil-pentano. 2. La cadena principal se numera de un extremo al otro, de acuerdo con la regla 3, y la posición de los sustituyentes se indica con números. Así, el hidrocarburo anterior se llama 2-Metilpentano y el otro isómero del hexano, derivado del pentano, se conoce por 3-Metilpentano:

CH3 CH3 CH2 CH CH2 CH3 3

3. La cadena principal se numera desde un extremo, de manera que el sustituyente adquiera el menor numeral posible. Por ejemplo, el hidrocarburo (1) se llama 2-Metilpentano y no 4-Metilpentano. Si hubiera dos o más sustituyentes, la numeración de la cadena principal se inicia por el extremo que asigne el numeral más bajo posible

al primer sustituyente que se encuentre. Por ejemplo:

8

CH3

CH3

CH3 CH2 CH CH CH2 CH2 CH2 CH2 CH CH 3 2 7 CH3

es el 2,7,8-Trimetildecano y no el 3,4,9-Trimetildecano. Si hay grupos idénticos a distancias idénticas de los extremos, la numeración la determinan los grupos que les sigan en la cadena. Por ejemplo:

CH3

CH3

CH3

CH3

CH CH2CH2

CH CH2

CH CH3

7

4

2

es el 2,4,7-Trimetiloctano y no el 2,5,7-Trimetiloctano.

I

2

4. Entre cadenas de igual longitud, se elige como cadena principal la que está más sustituida. Es decir:

CH3 4 CH3 CH3 CH3 CH2 CH CH CH CH CH3 5

3

2

CH2 CH2 CH3

se nombra 2,3,5-Trimetil-4-propilheptano(*) y no 4-sec-Butil-2,3-dimetilheptano o 4-(1,2-Dimetilpropil)-3metilheptano. 5. Si un grupo alquilo se repite varias veces como sustituyente, se indica la repetición con los prefijos di, tri, tetra, etc. Por ejemplo, el Neohexano,

CH3 CH3 C

2

CH2 CH3

CH3

se nombra 2,2-dimetilbutano. 6. Los sustituyentes se pueden expresar por los nombres comunes de los grupos alquilo cuando sea posible.

Sin embargo, estos sustituyentes se pueden nombrar de modo alternativo de acuerdo con las reglas anteriores. Por ejemplo, CH3 CH CH3 CH3 CH2 CH2 CH2 CH CH2 CH2 CH3 4

se puede llamar 4-Isopropiloctano o 4-(1-Metiletil)-octano. En el segundo de estos nombres, el grupo isopropilo se ha nombrado de acuerdo con las reglas de la IUPAC, considerando como cadena principal del sustituyente una cadena de dos átomos de carbono (etilo) y nombrándola de manera que al carbono unido directamente a la cadena principal le corresponda el primer numeral (1)

[1-Metiletilo] 1

CH3 CH CH3 CH3 CH2 CH2 CH2 CH CH2 CH2 CH3 4

7. Si se unen a la cadena principal dos o más grupos alquilo diferentes, se nombran en orden alfebético. Por ejemplo:

(*) Si no se indica lo contrario, los grupos alquilo de tres o más carbonos, se consideran en el sistema IUPAC como no ramificados (es decir, n-) Así pues, es suficiente con llamar al sustituyente en la posición 4 de este compuesto, mejor que

I

3

CH2 CH2 CH3 CH3 4 CH3 CH2 CH CH CH CH2 CH2 CH2 CH3 5

3

CH2 CH3

se llama 4-Etil-3-metil-5-propilnonano. Los sustituyentes se alfabetizan sin considerar el número que indica su repetición; así pues, dimetil, trimetil, etc., se ordenan con la letra m (de metil) y no con la letra d (de dimetil),t (de trimetil), etc. Sin embargo, el nombre de un grupo compuesto se considera entero; es decir, el sustituyente 1,2-Dimetilpropilo se alfabetiza por la d y no con la p. Por ejemplo, el compuesto CH3 CH2 CH3 CH3 CH2 C

3

5

CH CH CH2 CH2 CH2 CH3 4

CH3

CH CH3

1 CH

CH3

2 CH

CH3

3 CH3

CH CH3

1,2-Dimetilpropilo

CH3

se llama 5-(1,2-Dimetilpropil)-4-etil-3,3-dimetilnonano. Los grupos alquilo precedidos por los afijos n-, sec- o t- se alfabetizan por la primera letra del nombre del grupo alquilo. Por otro lado, los grupos iso alquilo y neoalquilo se consideran como palabras únicas y se ordenan por i y n respectivamente.

TIPOS DE ÁTOMOS DE CARBONO PRIMARIO : R-CH2_ SECUNDARIO : R2CH_ TERCIARIO : R3C _

CH3 iso- : un Me unido al penúltimo carbono:

CH3

PREFIJOS

C H

(CH2)n

CH3 neo- : dos Me unidos al penúltimo carbono:

CH3

C

(CH2)n

CH3

ISÓMEROS CONSTITUCIONALES: Son los isómeros que se diferencian en el tipo de ordenación de los enlaces

entre los átomos.

CH3 CH3

CH2

CH2

CH3

(p.f. = -1380C ; p.e. = -120C) n-Butano

CH3

CH

CH3

(p.f. = -1450C ; p.e. = 0.50C) 2-Metilpropano

I

4

FÓRMULA

CH4 C2H6 C3H8 C4H10 C5H12 C6H14 C7H16 C8H18 C15H32 C20H42

ISÓMEROS CONSTITUCIONALES

0 0 0 2 3 5 9 35 4347 366.319

RADICALES DE HIDROCARBUROS SATURADOS

Metano

CH4

Metilo

CH3

Etano

CH3 CH3

Etilo

CH3CH2

Propano

CH3 CH2 CH3

n-Propilo (Propilo)

CH3CH2CH2

Isopropilo

CH3 CH CH3

n-Butilo (Butilo)

CH3CH2CH2CH2

Isobutilo

CH3 CH CH2

sec-Butilo

CH3CH2

terc-Butilo

CH3 C

Butano

CH3CH2CH2CH3

CH3 (2-Metilpropilo)

CH3 CH

(1-Metilpropilo)

CH3 (1,1-Dimetiletilo)

CH3

Pentano

CH3CH2CH2CH2CH3

n-Pentilo (Pentilo)

CH3CH2CH2CH2CH2

Isopentilo

CH3 CH CH2CH2

Neopentilo

CH3 C

CH3 (3-Metilbutilo)

CH3 CH2

(2,2-Dimetilpropilo)

CH3 CH3 terc-Pentilo

CH3 CH2 C

(1,1-Dimetilpropilo)

CH3

I

5

CRUDO DE PETRÓLEO

destilación

gas de refineria (C1_C4)

(25 _ 950C)

gasóleo

queroseno (C12_C15)

(C15_C25)

(150 _ 2300C)

(230 _ 3400C)

(C5_C12)

< 250C

p.e.

nafta

gasolina ligera

(95 _ 1500C)

EJERCICIO RESUELTO

Escribe las estructuras y el nombre de los nueve hidrocarburos saturados que tienen la fórmula molecular C7H16.

RESPUESTA: CH3 CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH3

CH3

CH3 C

CH3

CH2CH2CH3

CH3 C

CH3

2,2-Dimetilpentano

CH3 CHCH2CH3

2,3-Dimetilpentano

CH3 CH3

CH3CH2CHCH2CH3

CH3

2,4-Dimetilpentano

CH3CH

3-Metilhexano

CH3

CH3CHCH2CHCH3

CH3

CH3CH2CH2CH2CH2CH3

2-Metilhexano

Heptano

CH3

CH3

CH3CHCH2CH2CH2CH3

CH2CH3

CHCH3

CH3CH2CHCH2CH3

CH3

3,3-Dimetilpentano

2,2,3-Trimetilbutano

3-Etilpentano

GEOMETRÍA DE LOS ALCANOS ACÍCLICOS H Metano:

H

H

H

H

H

H

H

1.091

H

H

110.9 H H

H

H

H

1.096

H

H

H H

1.526

H H

H

1.115

H Propano:

H

H H

H H

H 110.9 H H

1.536

Etano:

H

H

H

H

1.096

H H

H

111.8

H 109.5 H

112.4

H H

H H

I

6

DEFINICIÓN Y CÁLCULO DE ENERGÍAS DE ENLACE

ENTALPÍA DE FORMACIÓN

Es la variación de entalpía que tiene lugar cuando un mol de sustancia (en condiciones normales: 250C y 1 atm.) se forma a partir de los elementos que la constituyen (también en condiciones normales) Por convenio, la entalpía de formación de los elementos en condiciones normales es cero. 2C (grafito) + 3H2 (g)

ΔH0f (e tan o ) = −20.2 kcal/mol

CH3CH3 (g)

Las entalpías de formación se determinan a partir de los calores de combustión experimentales. En el caso de las parafinas: nC (grafito) + (n + 1) H2 (g)

Δ H0f (CnH2n+2 )

CnH2n+2 (g,l,s)

Calor de combustión de la parafina:

CnH2n+2 (g,l,s) + 1/2 (3n + 1) O2 (g)

nCO2 (g) + (n + 1) H2O (l)

ΔH0comb. (C nH 2n+ 2 )

Entalpía de combustión de la parafina:

[

]

⎡1 ⎤ ΔH0comb. (CnH2n+ 2 ) = n ΔH0f (CO2 ) + (n + 1) ΔH0f (H2O) − ⎢ (3n + 1) ΔH0f (O2 ) + ΔH0f (CnH2n+ 2 )⎥ ⎣2 ⎦

Teniendo en cuenta que ΔH0f (O 2 ) = 0 , la entalpía de formación de la parafina será:

ΔH0f (C nH 2n+ 2 ) = n ΔH0f (CO 2 ) + (n + 1) ΔH0f (H 2 O) − ΔH0comb. (C nH2n+2 )

[1]

Las entalpías de formación del CO2 y del H2O son las energías de combustión del carbono y del hidrógeno:

C (grafito) + O2 (g)

CO2 (g)

ΔH0f (CO 2 ) = −94.05 kcal/mol

H2 (g) + 1/2 O2 (g)

H2O (l)

ΔH0f (H 2 O ) = −68.32 kcal/mol

Sustituyendo estos valores en [1]: ΔH0f (C nH 2n+ 2 ) = −94.05n − 68.32(n + 1) − ΔH 0comb . (C nH 2n+ 2 )

0 ΔH0f (CnH2n+2 ) = _ ΔHcomb. (CnH2n+2 )

_

162.37n

_

68.32 kcal/mol

I

7

ENERGÍA DE ENLACE

Es la energía necesaria para disociar un enlace homolíticamente: H

H

H

H (g) +

CH3

D 0 (H2 ) =104.204 kcal/mol

2 H (g)

H

H (g) +

CH2CH3

D 0 (H − CH3 ) = 104.8 kcal/mol

CH3(g)

CH2CH3 (g)

D 0 (H − CH 2 CH3 ) =100.3 kcal/mol

Las energías de enlace se determinan utilizando las entalpías de formación de los radicales que surgen en la ruptura. ENERGÍA DE ENLACE H− C EN EL ETANO (ENERGÍA H− CH2CH3)

H

D0 (H − C)

CH2CH3 (g)

CH2CH3 (g) + H (g)

1 0 D (H2 ) + ΔH0f (• CH2CH3 ) 2

ΔH0f (CH3CH3 )

2C (grafito) + 3H2 (g)

ΔH 0f (CH 3 CH 3 ) + D 0 (H − C) =

1 0 D (H 2 ) + ΔH0f (•CH 2 CH 3 ) 2

1 0 D (H2 ) + ΔH0f (•CH2 CH3 ) = 2 = −( −20.2) + 104.2 / 2 + 28.0 = 100.3 kcal / mol

D 0 (H − CH2 CH3 ) = −ΔH0f (CH3 CH3 ) +

EN GENERAL: H

D0 (H − C)

CnH2n+1 (g,l,s)

H (g) +

CnH2n+1 (g)

1 0 D (H2 ) + ΔH0f (• CnH2n+1) 2

ΔH0f (CnH2n+2 )

nC (grafito) + (n+1)H2 (g)

{

}

D0 (H - R) = -ΔH0f (H - R) + ΔH0f (•R) + 52.1 kcal/mol

I

8

ENERGÍA DE ENLACE C−C EN EL ETANO (ENERGÍA CH3−CH3)

CH3

D0 (C − C)

CH3

CH3 (g) +

ΔH0f (CH3 CH3 )

CH3 (g)

2ΔH0f (• CH3 )

2C (grafito) + 3H2 (g)

D 0 (C − C) = −ΔH0f (CH3 CH3 ) + 2 ΔH0f (•CH3 ) = = −( −20.24 ) + 2 × 34.8 = 89.8 kcal / mol

EN GENERAL:

D0 (C − C)

CnH2n+2(g,l,s)

R (g) +

ΔH0f (CnH2n+2 )

R' (g)

ΔH0f (• R) + ΔH0f (• R' )

nC (grafito) + (n + 1)H2 (g)

[

]

D0 (R − R) = − ΔH0f (R − R' ) + ΔH0f (•R) + ΔH0f (•R' ) kcal / mol

Si la parafina se disocia, dando lugar a dos radicales iguales:

{

}

D0 (R − R) = − ΔH0f (R − R) + 2 ΔH0f (• R) kcal/ mol

En las tablas siguientes aparecen valores típicos de las energías de enlace C-H y C-C: ENERGÍAS DE ENLACE C −H

Hidrocarburo

ΔH0f (R•)∗

ΔH0f (H − R)∗

H−CH3 H−CH2CH3 H−CH2CH2CH3 H−CH2CH(CH3)2 H−CH(CH3)2 H−C(CH3)3

34.8 28.0 22.8 13.9 19.0 9.0

-17.89 -20.24 -24.82 -31.45 -24.82 -31.45

D 0 (H − R)∗

104.8 100.3 99.7 97.4 95.9 92.5

(*) (kcal/mol)

I

9

ENERGÍAS DE ENLACE C −C

Hidrocarburo

ΔH0f (R•)∗

ΔH0f (R' •)∗

CH3−CH3 CH3−CH2CH3 CH3−CH2CH2CH3 CH3−CH(CH3)2 CH3CH2−CH2CH3 CH3CH2−CH2CH2CH3

34.8 34.8 34.8 34.8 28.0 28.0

34.8 28.0 22.8 19.0 28.0 22.8

ΔH0f (C − R)∗

-20.2 -24.8 -29.8 -31.4 -29.8 -35.0

D 0 (C − R ) ∗

89.8 87.6 87.4 85.2 85.8 85.8

(*) (kcal/mol) ESTABILIDADES RELATIVAS DE RADICALES ALQUILO

Las estabilidades relativas de los radicales alquilo (primarios, secundarios y terciarios) puede estimarse utilizando las energías de enlace H−C. Estabilidad relativa de los radicales propilo e i-propilo:

CH3CH2CH2

CH3CHCH3

H

CH3CH3CH2

CH3CHCH3

+

+

H

D0(Pr_H) = 99.7 kcal/mol

D0(i-Pr_H) = 95.9 kcal/mol

H

H

ΔD 0 = (99.7 − 95.9) = 3.8 kcal / mol

El radical isopropilo (secundario) es, aproximadamente, 3.8 kcal/mol más estable que el radical propilo (primario).

Estabilidad relativa de los radicales isobutilo y terc-butilo:

CH3 CH3CHCH2 H

CH3 CH3CCH3

CH3 CH3CCH2

+

H

D0(i-Bu_H) = 97.4 kcal/mol

CH3 CH3CCH3

+

H

D0(t-Bu_H) = 92.5 kcal/mol

H

ΔD 0 = (97.4 − 92.5) = 4.9 kcal / mol

El radical terc-Butilo (terciario) es, aproximadamente, 4.9 kcal/mol más estable que el radical isobutilo (primario).

I

10

CONCEPTO DE CONFORMACIÓN. PROYECCIONES DE NEWMAN

CONFORMACIÓN: Es el término utilizado para describir la disposición relativa de los átomos en una molécula.

Las conformaciones de una molécula son las distintas disposiciones que pueden adoptar sus átomos en el espacio, como consecuencia de la rotación alrededor de enlaces sencillos carbono-carbono.

H

H1

H

H1

H

H2

H

H

H

H

H

(conformación alternada) H2

600 (ángulo diedro)

H H

H 1800 H H1

H1(H2)

H2

H H

(conformación eclipsada) H

H

H

H

(H)H

H(H)

Existen interacciones electrostáticas de repulsión (van der Waals) entre los H unidos a átomos de carbono contiguos. El giro en torno del enlace C-C ocasiona variaciones en el contenido energético de una conformación dada:

H H

H

H

120

180

H

H

H

H

H

H

(H)H

H(H)

300

240 H

H

H

H

H

H

H(H)

_

_

60

0

(H)H

H(H)

_

(H)H

H(H)

H(H)

H(H)

_

(H)H

_

_

H(H)

_

2.8

H(H)

_

ΔG (kcal/mol)

360 H H

Temperatura ambiente: Giro rápido; las conformaciones son indistinguibles (no se pueden aislar ni identificar confórmeros de la misma molécula. Vida media: 10-6 segundos) 0

Temperaturas bajas (≈ -100 C):Giro perezoso. Posibilidad de identificar confórmeros y estudiarlos, bien juntos

(equilibrio) o por separado.

I

11

CONFORMACIONES DEL PROPANO Y DEL BUTANO H

H

H

H

H

H

H

H

H H

1800

H

H

H

H

H

Me

H(Me)

(H)H

H

H

H

H

H(H)

H H

ΔG

H(Me) (H)H

H(H) (H)H

H H

(H)H

_

_

_

H(H)

_

0

(Me)H

H(Me)

_

_

H(H)

H(Me)

H(H)

60

120

180

240

300

H

H

Me

H

H

H

H

H

Me

H

H

Me

360 H

H

H

Me(Me)

Me(Me)

ΔG

H

H(H)

_

(kcal/mol)

(kcal/mol) _

(H)H

(H)H

H(H) Me(H) H(Me)

(Me)H

H(H)

_

0

60

180

120 H

Me

240

Me

H

300

H H

_

H

H _

H

Me

Me

_

H

Me

_

H

_

0.9

(H)H

_

_

3.3

H(H)

Me(H)

_

5.7

360

H H

H Me

I

12

MOLÉCULAS ACÍCLICAS CON UN ÁTOMO DE CARBONO ESTEREOGÉNICO

ÁTOMO ESTEREOGÉNICO: Cualquier átomo que de lugar a estereoisomería ÁTOMO DE CARBONO ASIMÉTRICO: Átomo de carbono unido a cuatro sustituyentes distintos. Un átomo de

carbono asimétrico es estereogénico.

Me

CH3 CH3CH2

CH CH2CH2CH3

Et

C

Pr

H

3-Metilhexano Me

Me

Et Pr

H

Et Pr

H

pareja de enantiómeros

ENANTIÓMEROS: Estereoisómeros que son imágenes especulares entre sí.

PROYECCIONES DE FISCHER

Para hacer una proyección de Fischer, la molécula debe mirarse con los enlaces horizontales dirigidos hacia el observador. En el ejemplo, son los enlaces a los que están unidos los grupos Et y Pr: Me

Me Et Pr

Et

Pr

H

H Proyección de Fischer

A partir de una proyección de Fischer se puede dibujar fácilmente una representación tridimensional de la molécula. La forma de hacerlo es la siguiente:

Me grupo izquierdo

Et

Me Pr

Me

grupo derecho H

H

Et grupo izquierdo

Pr

Et

H Pr

grupo derecho

Los grupos situados arriba, a la izquierda y a la derecha en la proyección de Fischer se colocan en la misma posición en la representación tridimensional. El grupo que está situado en la parte inferior de la proyección de Fischer se sitúa detrás (enlace punteado) en la representación tridimensional.

I

13

Giros de 600 en la representación tridimensional: Me

Me 60

Et Pr

60

H

0

60

Et H

Pr

Pr

Me 60

0

Pr Et

H

Et

H

Me

Me

0

60 H Et

Me

Me

0

0

60

Pr

0

Et Pr

H Pr

Et

H

Si en la representación tridimensional de un enantiómero se intercambian dos sustituyentes cualquiera, se obtiene la representación tridimensional del otro enantiómero:

Me Et Pr

Me

H

Et Pr

H

(1)

(2) pareja de enantiómeros

Me

H

Me

vuelco Et Pr

H (2)

Et Pr

Et Pr

Me

H (1)

(1)

Cuando se hace lo mismo con la proyección de Fischer se obtiene un resultado idéntico: Me Pr

Me H

Pr

H

Et

Et

(1)

(2) pareja de enantiómeros

Me H

H

H Pr

Me

Pr

Et

Et

(2)

(1)

Et Pr

Me

(1)

I

14

Dos intercambios en la representación tridimensional o en la proyección de Fischer conducen al mismo estereoisómero:

Me

Me H

Et Pr

H

(2)

H Pr

Me

H Pr

Pr

H Me

Et

Et

Et

(2)

(1)

(2)

Et Me

Pr

(2)

EJERCICIO RESUELTO

¿Son iguales (1) y (2)?

Me

Pr Et

Me

H

Pr

Et

H (2)

(1)

RESPUESTA:

H

Et

Me

H

Me

(1)

Me

Me H Et

H (2)

H

Et

(1)

Pr

Me

Pr

Pr

Pr Et

Las moléculas (1) y (2) son iguales. Me Et

H

Et

Pr

Pr

(2)

(2)

MOLÉCULA QUIRAL: Molécula ópticamente activa que no es idéntica a su imagen especular. MOLÉCULA AQUIRAL: Molécula ópticamente inactiva que es idéntica a su imagen especular.

CONFORMACIÓN: Es el término utilizado para describir la disposición relativa de los átomos en una molécula.

Las conformaciones de una molécula son las distintas disposiciones que pueden adoptar sus átomos en el espacio, como consecuencia de la rotación alrededor de enlaces sencillos carbono-carbono.

CONFIGURACIÓN: Es el término utilizado para describir la disposición absoluta de los átomos de una molécula,

con independencia de las disposiciones relativas que puedan adoptar como consecuencia de la rotación alrededor de enlaces sencillos.

I

15

CONFIGURACIÓN ABSOLUTA. NOMENCLATURA (R)/(S) DE CAHN, INGOLD Y PRELOG (CIP)

Prioridades relativas de los grupos: 1 > 2 > 3 > 4 1

1 4 3

proyección

configuración (R)

en el plano

3

2

1

1 3

proyección

2

en el plano

2

3

4

configuración (R)

4

1

1 4 2

2

proyección

configuración (S)

en el plano

3

2

3

1

1 2

proyección

3

en el plano

3

2

4

configuración (S)

4

En una proyección de Fischer, el grupo de menor prioridad debe quedar situado arriba o abajo; si aparece a la izquierda o a la derecha, la configuración real de la molécula es la inversa de la obtenida. Si una proyección de Fischer se gira 1800 en el plano del papel, se obtiene otra proyección de Fischer de la misma molécula:

2

4

4

3

2

3 1

[configuración (R)]

1 1800 (en el plano)

1

1 3 2

3 4

2

[configuración (R)]

4

I

16

PRIORIDADES DE LOS GRUPOS UNIDOS A UN ÁTOMO DE CARBONO ASIMÉTRICO

La prioridad de los átomos aumenta con su masa atómica: Prioridades de los átomos:

127

I > 80Br > 35Cl > 32S > 31P > 28Si > 19F > 16O > 14N > 12C > 1H

I[1]

I[1]

[3]Cl

Br[2]

[2]Br

Cl[3]

H[4]

H[4]

(R)

(S)

Prioridades de los grupos: I > Br > Cl > H

PRIORIDADES RELATIVAS DE RADICALES ALQUILO

Elegimos como ejemplo la molécula de 2,3-dimetilhexano. En esta molécula el átomo de carbono 3 es estereogénico (está unido a cuatro radicales distintos: isopropilo, propilo, metilo e hidrógeno) Todos los radicales están unidos al átomo estereogénico a través de átomos de carbono. Por consiguiente, no puede utilizarse el criterio de la masa atómica para decidir la prioridad de cada grupo.

CH3CH2CH2

CH3

CH3

C

C

H

H

CH3

2,3-Dimetilhexano

Para establecer las prioridades relativas de los radicales isopropilo, propilo y metilo se procede del modo siguiente: 1. Primero se dibuja cualquier representación tridimensional de uno de los enantiómeros y a continuación su

proyección de Fischer: i-Pr CH3

CH 3

CH3

3

Pr

CH3

H

CH3 CH2CH2CH3

H

2. Después se observa qué átomos están unidos al carbono C1 de cada uno de los tres radicales (isopropilo,

propilo y metilo):

2

CH3 2

CH3

C

2

1

1

C1(C2C2 H)

el átomo C1 está unido a dos carbonos y un hidrógeno

C1(C2HH)

el átomo C1 está unido a un carbono y a dos hidrógenos

C1(HHH)

el átomo C1 está unido a tres hidrógenos

H CH3

CH2

CH2 1

CH3

I

17

3. Los átomos a los que está unido C1 en cada radical deciden la prioridad del radical. En el radical isopropilo

C1 está unido a dos carbonos y un hidrógeno; este radical tiene mayor prioridad que el propilo (C1 unido a un carbono y dos hidrógenos) El radical metilo tiene menor prioridad que los anteriores, ya que C1 está unido a tres hidrógenos (menor prioridad que el carbono) Finalmente el átomo de H unido al carbono estereogénico C3 es el grupo de menor prioridad. Prioridades relativas de los cuatro grupos: isopropilo [1] > propilo [2] > metilo [3] > hidrógeno [4] 4. Ahora ya se puede averiguar la configuración del estereoisómero:

1

2

i-Pr

CH3

3

CH3

CH3 Pr

CH3

CH 3

C2(CCH)[1]

CH2CH2CH3 4

[3](HHH)C

H

H

3

C4(C5HH)[2]

5

H[4] (3R)

EJERCICIO RESUELTO i-Pr

Averigua la configuración absoluta del siguiente estereoisómero: Pr

H

CH3

RESPUESTA: CH3

i-Pr Pr

3

CH3CH2CH2

3

CH3

CH

C2(CCH)[1]

CH3 CH3

[2](C5HH)C4

C(HHH)[3]

H[4]

H

H

3

(3S)

EJERCICIO RESUELTO

Ordena los radicales siguientes de menor a mayor prioridad: 2-Metilpropilo, 3-Metilbutilo, Propilo, Hexilo, Pentilo y Butilo. RESPUESTA:

Los átomos que deciden la prioridad de un radical están escritos con negrita 1. CH3CH2CH2

C1(CHH)

C2(CHH)

C3(HHH)

2. CH3CH2CH2CH2

C1(CHH)

C2(CHH)

C3(CHH)

C4(HHH)

3. CH3(CH2)3CH2

C1(CHH)

C2(CHH)

C3(CHH)

C4(CHH)

C5(HHH)

4. CH3(CH2)4CH2

C1(CHH)

C2(CHH)

C3(CHH)

C4(CHH)

C5(CHH)

C1(CHH)

C2(CHH)

C3(CCH)

C1(CHH)

C2(CCH)

CH3 5. H3C

CH CH2CH2

CH3 6. CH CH CH 3 2

I

18

EJERCICIO RESUELTO

El 3-Metilhexano tiene un átomo de carbono asimétrico (estereogénico) Dibuja una representación tridimensional de cada enantiómero y averigua su configuración absoluta.

RESPUESTA:

CH2CH3

Et

Pr

3

CH3CH2CH2

H Me

C2(C1HH)(HHH)[2]

CH3

[1](HHC)(C5HH)C4

H

CH3

C(HHH)[3]

3

H[4] (3R)

CH3CH2CH2 C CH2CH3 H

CH2CH3

Et

3-Metilhexano Me

3

H3C

H Pr

C2(C1HH)(HHH)[2]

CH2CH2CH3

[3](HHH)C

H

C4(C5HH)(CHH)[1]

3

H[4] (3S)

MOLÉCULAS ACÍCLICAS CON DOS ÁTOMOS DE CARBONO ASIMÉTRICOS

LOS DOS ÁTOMOS DE CARBONO TIENEN SUSTITUYENTES DISTINTOS

CH3 CH3 CH3CH2

Me Me

CH CH CH2CH2CH3

Et

C

C Pr

H

H

3,4-Dimetilheptano H Et

Me

Et

H

3

Me 3

3

4

4

4

H Pr

Me

Me Me

H Me

Et

H Pr

Me

H Me

Et 3 4

H Pr

Me

H Pr

Me

(1)

(2)

(3)

(4)

H

H

H

H

3 4

Et

Et

Pr

Pr

3 4

Me

Et

Me

Me

3 4

Me

Me

Pr

Pr

Et

3 4

H

H

H

H

(1)

(2)

(3)

(4)

(3S,4R)

(3R,4S)

(3R,4R)

(3S,4S)

Me

Enantiómeros: (1) y (2) ; (3) y (4) Diastereoisómeros: (1) y (3) ; (1) y (4) ; (2) y (3) ; (2) y (4)

DIASTEREOISÓMEROS: Estereoisómeros que no son imágenes especulares entre sí.

I

19

LOS DOS ÁTOMOS DE CARBONO TIENEN LOS MISMOS SUSTITUYENTES

CH3 CH3 CH3CH2

Me Me

CH CH CH2CH3

Et

C

C

H

H

Et

3,4-Dimetilhexano

Et

H

Me

H Et

Me

Me

H

Et

H Me

Et

3

3

3

3

4

4

4

4

H Me

Et

H Me

Et

H Me

Et

H Me

Et

(1)

(2)

(3)

(4)

H

H

H

H

Et

3 4

Me

Me

Me

Et

Et

3 4

Et

Me

Me

Me

3 4

Et

Et

Et

Et

3 4

Me Me

H

H

H

H

(1)

(2)

(3)

(4)

(3R,4R)

(3S,4S)

(3S,4R)

(3R,4S)

Enantiómeros: (1) y (2) Diastereoisómeros: (1) y (3) ; (2) y (3) Iguales: (3) y (4)

Las moléculas (3) y (4) son la misma forma MESO, ópticamente inactiva:

Me

H

Et giro de 1800

3 4

H Me

Me Me

H Me

Et

3

4 3

en el plano Et

H Me

Et 4

H Me

Et

H Me

Et

(3)

(3)

(4)

H

H

H

3 4

Et

giro de 1800

Et

Et

en el plano

Et

4 3

Me

Et

Me

Et

3 4

H

H

H

(3)

(3)

(4)

(3S,4R)

(3S,4R)

(3R,4S)

Me Me

I

20

H Me

H Me

Et

Et

3

3

[plano de simetría]

4

4

H Me

H Me

Et

Et

(4)

(3)

EJERCICIO RESUELTO

¿Es la molécula A una forma meso? Et H

Me

Me

Et H (A)

RESPUESTA:

H Me

3

4

H

H

Et Me Et

intercambio

Et Me

H

3

Me

intercambio

Et

4

Me

3

Et [plano de simetría]

Me

H

4

Et

H

(A) (3R,4S)

NÚMERO DE ISÓMEROS ÓPTICOS (*)

Tipo de compuesto: n átomos de carbono estereogénicos (la fórmula del compuesto no se puede dividir en

dos mitades iguales) Pr MOLÉCULAS ÓPTICAMENTE ACTIVAS:

N = 2n

CHMe

CH3

CH2CH3

EJEMPLOS: MOLÉCULAS ÓPTICAMENTE INACTIVAS: N' = 0

CHMe Et (n=2 ; N=4 ; N'=0)

(n=2 ; N=4 ; N'=0)

(*) Es indiferente que la molécula sea acíclica o cíclica.

I

21

CONFIGURACIONES DE LOS ISÓMEROS ÓPTICOS n=2;N=4

(RR)/(SS)

;

(RS)/(SR)

n=3;N=8

(RRR)/(SSS) (RSR)/(SRS)

; ;

(SRR)/(RSS) (RRS)/(SSR)

(RRRR)/(SSSS) (RRRS)/(SSSR) (RRSR)/(SSRS) (RSSR)/(SRRS)

; ; ; ;

(SRRR)/(RSSS) (RSRR)/(SRSS) (RRSS)/(SSRR) (RSRS)/(SRSR)

n = 4 ; N = 16

Tipo de compuesto: número par (n) de carbonos estereogénicos (la fórmula del compuesto se puede dividir en

dos mitades iguales) Pr MOLÉCULAS ÓPTICAMENTE ACTIVAS:

N = 2(n-1)

CHMe EJEMPLOS:

MOLÉCULAS ÓPTICAMENTE INACTIVAS: N' = 2(n-2)/2

CH3

CHMe

CH3

Et (n=2 ; N=2 ; N'=1)

(n=2 ; N=2 ; N'=1)

CONFIGURACIONES DE LOS ISÓMEROS ÓPTICOS n=2;N=2

N' = 1

n=4;N=8

N' = 2

(RR)/(SS)

(RS)=(SR) [forma MESO]

(RRRR)/(SSSS) (RSRR)/(SRSS)

(SRSR) (RRSS)

; ;

(SRRR)/(RSSS) (SRRS)/(RSSR)

[forma MESO] [forma MESO]

I

22

CONFORMACIONES, PROYECCIONES DE NEWMAN Y PROYECCIONES DE FISCHER

Et Me H

Et

Me Pr

H

Me Pr

Me H

Et H

Me

Me H

Et H

3 4

Pr H

Me

Me

3

4

Et H

Me H

Et 3

Me H

4

Pr H

Me

Pr

4

H Pr

Me proyecciones laterales

proyección frontal

(conformación alternada )

3

(3R,4S)

(3R,4S)

Me

Me(Me)

Me

Et H

3 4

H Et

Pr

H

(H)H

Et(Pr)

Me H

Et

Me

Me H

Pr

H

3

4

Et Pr

Me H

Me Me

4

Me

Me (conformación eclipsada)

Et 3

H

Pr

3 4

H H

Pr proyecciones laterales

proyección frontal

(3R,4S)

(3R,4S)

Para dibujar una proyección de Fischer a partir de una representación tridimensional: lo más sencillo es mirar esta última de frente (proyección frontal) Haciéndolo así no es necesario preocuparse de si la representación tridimensional es eclipsada o alternada.

I

23

EJERCICIOS ADICIONALES

1.1 Dibuja dos representaciones tridimensionales del enantiómero de las siguientes moléculas:

H Me

Et Pr

Bu

Me Me

Pr

Pr Et

Bu

H

Et

H

Bu

Me

(1)

(2)

(3)

(4)

1.2 ¿Qué relación de estereoisomería existe entre las siguientes moléculas?

Me

H

H

Et

Et

Me

Pr

Et

Me

Et

Pr

Me

Me

H

Et

Me

H

Me

Pr

Et

Et

Et

Pr

Me

(1)

(2)

(3)

(4)

1.3 Averigua si alguna de las siguientes moléculas es un estereoisómero MESO ópticamente inactivo:

H

Me

Bu

Pr

Et

H

Et

Me

Me

Pr

Bu

Me

Et

Me

Me

H

Bu

Pr

Me

Pr

Et (2)

H (1)

Me (3)

Bu (4)

1.4 Dibuja las proyecciones de Fischer correspondientes al enantiómero de (1) y a los diastereoisómeros de (2):

Pr

H

Me

H

Pr

Et

Et

H

H Me

Me (1)

Pr (2)

1.5 Utiliza proyecciones de Fischer para averiguar la relación de estereoisomería que existe entre las moléculas que aparecen a continuación.

H

Me

Et Me (1)

Me OH

HO

Cl

Et

H Me (2)

Cl

Et

OH

H Me (3)

H Cl

Cl

Me

Me

Et Me (4)

OH

I

24

1.6 Ordena los siguientes radicales de menor a mayor prioridad: CH3 CH3 C

CH3

CH3

CH3 CH

CH3CH2CH2

CH3

CH3 C CH2

CH3

CH3

CH3 CH3

CH3CH2

CH3CH2CH2CH2

CH 3

CH3

CH3 CH CH2 C

CH3CH 2CH2CH2CH2

CH

CH3 CH 3

CH CH2

1.7 Calcula las energías de enlace (C1−H) y (C1−C2) en la molécula de propano, empleando los siguientes datos: D0 (H2 ) = 104.2 kcal / mol

ΔH0f (C3H8 ) = −24.8 kcal / mol

ΔH0f (etilo) = 28.0 kcal / mol

ΔH0f (propilo) = 22.8 kcal / mol

ΔH0f (metilo) = 34.8 kcal / mol

1.8 Calcula las energías de enlace H-C2 y C1-C2 en el 2-metilpropano, empleando los datos siguientes: D0 (H2 ) = 104.2 kcal / mol

ΔH0f (2 − Metilpropano) = −31.4 kcal / mol

ΔH0f (i − Pr opilo) = 19.0 kcal / mol

ΔH0f (t-Butilo) = 9.0 kcal/mol

ΔH0f (Metilo) = 34.8 kcal / mol

I

2. HIDROCARBUROS SATURADOS CÍCLICOS

NOMENCLATURA DE CICLOALCANOS MONOCÍCLICOS

Ciclopropano

Ciclobutano

CH3

2

Ciclopentano

Ciclohexano

CH2CH3

1

1

CH3

CH3 1 CH2CH3 1-Etil-1-metilciclopropano

1-Etil-2-metilciclopropano

Cicloheptano

CH2CH3

CH3

CH2CH3

1

2

3

1-Etil-3-metilciclobutano

1-Etil-3-metilciclopentano

ESTEREOQUÍMICA DE CICLOALCANOS MONOCÍCLICOS

EQUILIBRIO CONFORMACIONAL EN EL CICLOHEXANO

Conformaciones de silla y bote. Enlaces axiales y ecuatoriales

Los enlaces de un átomo tetraédrico en un anillo hexagonal se denominan ecuatoriales o axiales, según formen un ángulo pequeño o grande con el plano que contiene la mayoría de los átomos del anillo. Los átomos o grupos unidos a través de dichos enlaces se denominan también ecuatoriales o axiales: a e e 1

a

e

a

3

6

2

4

e

e

e

e

5

e 1

a

a

"silla"

a

6

a

4

3

e

e a

a

a

a 2

e e

5

a

e

e e

a

a

1

6

a

"bote"

2

a

a 5

3

e e 4

e a

"silla"

Los términos ecuatorial y axial pueden abreviarse por e y a cuando se hallen unidos a fórmulas. Estas abreviaturas se pueden usar también con los nombres de los compuestos y, en este caso, se colocan entre paréntesis después de los localizadores apropiados. Por ejemplo: Cl 4

H

Br 1

H 1(e)-Bromo-4(a)-clorociclohexano

Conviene fijarse que, en el equilibrio entre las dos conformaciones de silla, se intercambian los enlaces axiales y ecuatoriales. Así mismo, en los derivados de ciclohexano existen configuraciones cis(X y Z situados en el mismo lado del plano medio de la molécula) y trans(X y Z situados en lados opuestos del plano medio de la molécula) que pueden ser axial-ecuatorial, axial-axial y ecuatorial-ecuatorial:

II

26

Z(a) X(a)

2

H X(e)

1

Z(e)

1

2

H

H

H

cis-1(a)-X-2(e)-Z

cis-1(e)-X-2(a)-Z

Z(a) H

2

H

1

H

Z(e)

1

X(e) H

X(a)

2

trans-1(e)-X-2(e)-Z

trans-1(a)-X-2(a)-Z

ΔG 41.8 _

18.6 _ H

H H

H

"bote"

0.0 _ H

H H

H H

H

"silla"

H

"silla" H curso

La diferencia de energía libre entre las conformaciones de silla y bote es, aproximadamente, 4.4 kcal/mol. Este valor permite calcular la concentración en el equilibrio de ambas conformaciones. H

H

H

H

H H

H H

ΔG 0298 = + 4.4 kcal / mol

"silla"

"bote"

ΔG0T = −2.3 R T log K eq log K = −

4400 = −3.2 2.3 × 1.987 × 298

a 250 C (2980 K) ,

K = 6.3 × 10 −4 =

% [silla] = 100 (1 − α ) = 99.940

ΔG0298 = + 4400 cal / mol

[bote] = α ; [silla] (1 − α)

α ≅ 6.3 × 10 −4

% [bote ] = 100 α = 0.060

II

27

En los ciclohexanos sustituidos, existen interacciones de van der Waals entre átomos de hidrógeno y los sustituyentes unidos a enlaces axiales:

2.33 A H

H

H

H H H

H

H H H

H 2.50 A

H

2.50 A

H

H

H H H H H

H

Por ejemplo, en el (a)-Clorociclohexano las interacciones 1,3 provocan un desplazamiento del equilibrio hacia la conformación ecuatorial: Cl(a) H

Cl(e)

ΔG 0298 = −502.4 cal / mol

H

α

(1-α)

log K = +

502 .4 = +0.37 2.3 × 1.987 × 298

% [Cl( e)] = 100 α = 70.2

K = 2.33 =

[Cl(e)] = α ; [Cl(a)] (1 − α)

α ≅ 0.702

% [Cl(a)] = 100 (1 − α ) = 29.8

Si existen dudas sobre la relación entre la variación de energía libre de una reacción y su constante de equilibrio, consultar el Tema 6.

En el Bromociclohexano se da una situación análoga: Br(a) H(e) 30%

Br(e) 70%

H(a)

II

28

En la tabla siguiente aparecen algunos valores significativos de ΔG, en función del tipo de sustituyentes: X(a) H(e)

X(e) H(a)

X

-ΔG(cal/mol)

Keq

%[X(e)]

%[X(a)]

CN

200

1.4

58.3

41.7

Cl, Br, I

500

2.3

69.7

30.3

OH

700

3.3

76.7

23.3

Me

1700

17.7

94.6

5.4

Et

1800

21.0

95.4

4.6

C6H5

3100

205

99.5

0.5

ISOMERÍA GEOMÉTRICA

Cuando a cada una de dos posiciones de un monociclo, se hallan unidos un sustituyente y un átomo de hidrógeno, las relaciones estéreas entre los dos sustituyentes prioritarios (CIP) se expresan como cis o trans, seguidos de un guión y colocados delante del nombre del compuesto: Pr Pr

1

Me

1

2

Me H

H

H

Me

Pr

H 3

H

Me

2

= 2

H Me

H Pr

H Pr

1

3

1

(cis)

(cis)

Me H

=

H Me

3

1

Pr H

Me

(trans)-3-Metil-1-propilciclopentano

3

H

1

H

(cis)-2-Metil-1-propilciclobutano

Pr

1

Pr

(cis)

1

Pr

1

2

(cis)

H 2

Me

=

H

(cis)- 2-Metil-1-propilciclobutano

H

H

2

H

Me

H

Pr 1

(trans)

(trans)

Me H

3

1

H Pr

=

Pr H

1

3

H Me

H

(trans)-3-Metil-1-propilciclopentano

(trans)

(trans)

II

29

Et

Et

Me

1

1

2

H

H

H

H

Me

Me

(trans)-1-Etil-2-metilciclobutano

Pr

1

H

Me(a)

4

1

H

(e)Me

4

H

Pr(e)

1

H

4

H

(cis)-1-Metil-4-propilciclohexano

H (cis)

(cis)

H Me

H

1

Me(a)

4

1

Pr(e)

(e)Me

4

H

H

(trans)-1,2-Dimetilciclopentano

Pr(a) Me

2

2

H

(cis)-1-Etil-2-metilciclobutano

Me

1

H

H

1

Pr

4

H

(cis)-1-Metil-4-propilciclohexano

Pr(a) (cis)

(cis)

Si existen dos posiciones con dos sustituyentes distintos cada una, también se emplea la regla de secuencia (CIP) para definir la estereoquímica: Et[1] Et[1] 1

H[2]

Me[2]

Et[1] 1

2

H[2]

Et[1]

(trans)-1,2-Dietil-2-metilciclobutano

Et[1]

1

Me[1] 2

2

Me[2]

Me[2]

(cis)-1,2-Dietil-2-metilciclobutano

H[2]

(cis)-1-Etil-1,2-dimetilciclopentano

ISOMERÍA ÓPTICA

Los compuestos cíclicos con sustituyentes, pueden presentar isomería óptica debido a la presencia de carbonos estereogénicos. En este sentido, conviene indicar que, en muchas ocasiones, los descriptores cis y trans son insuficientes para definir de forma inequívoca la estereoquímica de una molécula. Por ejemplo:

H

CH3

1

2

CH3

H (1)

(trans)-1,2-Dimetilciclopropano

CH3

H 1

2

H

CH3 (2)

(trans)-1,2-Dimetilciclopropano

Las moléculas (1) y (2) son trans, pero se trata de dos estereoisómeros distintos, ambos quirales y de configuraciones opuestas. De hecho, existen tres estereoisómeros diferentes del 1,2-dimetilciclopropano: una pareja de enantiómeros [(1) y (2)] y una forma meso (3):

II

30

H

CH3

1

CH3

2

CH3

H

CH3

H

H

CH3 2

1

1

2

CH3

(1)

(2)

(trans)-1,2-Dimetilciclopropano

(trans)-1,2-Dimetilciclopropano

H

H (3)

(cis)-1,2-Dimetilciclopropano (forma MESO)

(pareja de enantiómeros)

CH3[3]

H[4] H

CH3

1

[2](C3HH)C2

2

CH3

C2(C3CH)[1]

1

H

2

[1](C3CH)C1

CH3[3]

(1)

C3(C1HH)[2]

H[4]

(1S)

(2S)

(trans)(1S,2S)-1,2-Dimetilciclopropano

H[4] CH3

H

2

[1](C3CH)C2

1

H

C3(C2HH)[2]

1

CH3

CH3[3] 2

[2](C1HH)C3

CH3[3]

(2)

C1(C3CH)[1]

H[4]

(1R)

(2R)

(trans)(1R,2R)-1,2-Dimetilciclopropano

CH3[3] CH3

CH3

1

H

1

[2](C2HH)C3

2

H

CH3[3]

C2(C3CH)[1]

2

[1](C3CH)C1

H[4]

(3)

C3(C1HH)[2]

H[4]

(1R)

(2S)

(cis)(1R,2S)-1,2-Dimetilciclopropano (forma MESO)

Derivados de ciclobutano: Me

H

1

2

Me

H 4

3

H

Me

Me

Me

1

2

Me

1

H

4

3

(1)

(2)

(trans)(1R,2R)-1,2-Dimetilciclobutano

(trans)(1S,2S)-1,2-Dimetilciclobutano

4

2

H 3

H

(3) (cis)(1R,2S)-1,2-Dimetilciclobutano (forma MESO)

Me

Me[3]

H

1

2

Me

H 4

3

(1)

[2](C3HH)C4

1

H[4] (1R)

C2(C3CH)[1]

H[4] [1](C4CH)C1

2

C3(C4HH)[2]

Me[3] (2R)

(trans)(1R,2R)-1,2-Dimetilciclobutano

II

31

H

Me

H[4]

Me[3]

Me 1

2

1

[1](C3CH)C2

H 4

3

C4(C3HH)[2]

[2](C4HH)C3

2

H[4]

(2)

C1(C4CH)[1]

Me[3]

(1S)

(2S)

(trans)(1S,2S)-1,2-Dimetilciclobutano

Me

Me

1 4

Me[3]

2

[2](C3HH)C4

H

H

1

Me[3]

C2(C3CH)[1]

[1](C4CH)C1

2

C3(C4HH)[2]

3

H[4]

(3)

H[4]

(1R)

(2S)

(cis)(1R,2S)-1,2-Dimetilciclobutano (forma MESO)

NOMENCLATURA DE ESPIRANOS

Los compuestos monoespiránicos están formados por dos anillos que tienen un átomo de carbono común:

C

C

C

C

C

C

C

C

Los compuestos monoespiránicos se nombran anteponiendo el prefijo “espiro” al nombre del hidrocarburo acíclico que tenga el mismo número total de átomos de carbono. El número de átomos de carbono unidos al átomo espiránico (átomo común a los dos ciclos) en cada uno de los dos anillos, se indica mediante números, en orden ascendente, situados entre corchetes entre el prefijo “espiro” y el nombre del hidrocarburo: [átomo espiránico]

[átomo espiránico]

[átomo espiránico]

C

C

C

Espiro[3,4]octano

Espiro[4,5]decano

Espiro[5,5]undecano

II

32

Los átomos de carbono se numeran consecutivamente, a partir de uno de los átomos contiguos al espiránico, numerando primero el anillo más pequeño (si existe) continuando por el átomo espiránico, y finalmente por el segundo anillo. 5

1

7

4

C

2

6

1 5

6

C

8

8

9

1

2

6

C

9 3

7

3

7

8 2

10 4

10

3 4

5

11

Los átomos de carbono se numeran de modo que los sustituyentes tengan los numeros más bajos posibles: CH3 1

CH3

5

4

6

C

2

3

y no

1-Metil espiro[3,4]octano

CH3

6

7

1 5

2

9

8

3-Metil espiro[3,4]octano

CH3

CH3

9

y no

C

8

7

1

8

6

C

2

7

3

5

4

10

CH3

3

C

8

3 7

10 4

2,7-Dimetil espiro[4,5]decano

4 5

6

2

1

3,9-Dimetil espiro[4,5]decano

ESTEREOQUÍMICA DE ESPIRANOS

R3 R R

2

1

C

C

C

[eje estereogénico]

R4

R

R3

R3

1

R1

R2

R4

R2 R4

Los espiranos pueden ser ópticamente activos: 1

H 9

Me

6

Cl 3

H

H Me

Cl

Cl

H

H Cl[3]

Cl[3]

3-Cloro-9-metilespiro[5,5]undecano [2]H

H Me

Me[1]

[1]Me

H[2]

H[4]

H[4]

(R)

(S)

Los átomos de carbono 3 y 9 son los que definen la quiralidad de la molécula (eje quiral) Los sustituyentes del carbono situados en el plano perpendicular a la página tienen prioridad sobre los que están en el plano de la página. El Me de la derecha tiene prioridad sobre el H (prioridades 1 y 2) El cloro superior tiene prioridad sobre el H inferior (prioridades 3 y 4)

II

33

Cl[3]

Cl

H Me

[2]H

Me[1]

H

H[4] (R)

Comprueba que si en el cumuleno anterior se intercambian cualquier par de sustituyentes de los carbonos 3 o 9, se obtiene el estereoisómero (S)

NOMENCLATURA DE HIDROCARBUROS CON PUENTES

Los sistemas cíclicos saturados, formados por dos anillos que comparten dos o más átomos, se nombran mediante la combinación del prefijo “biciclo” y el nombre del hidrocarburo lineal que tenga el mismo número de átomos de carbono. Para poder distinguir entre isómeros, se escribe el número de átomos de cada puente que unen los átomos comunes, en orden decreciente, entre corchetes y separados por puntos: [átomo común]

[átomo común]

[átomo común]

[átomo común]

Biciclo[4.3.0]nonano

[átomo común]

[átomo común]

Biciclo[6.1.0]nonano

Biciclo[3.3.1]nonano

Para la numeración de los sistemas bicíclicos con puentes, se procede según las siguientes reglas: 1 Se designa como 1 una de las posiciones cabeza de puente (átomos comunes a dos anillos)

2 Se prosigue la numeración por el puente más largo, hasta alcanzar la segunda cabeza de puente, que tam-

bién se numera: [primera cabeza de puente] 2 3

1

[puente más largo: 4 átomos] 6

4 5

[segunda cabeza de puente]

3 Se continúa por el siguiente puente más largo, hasta regresar al átomo 1: 2 9

[siguiente puente más largo: 3 átomos]

1

3

8 7

4 6 5

II

34

4 Se numera el puente menor (si existe) desde la primera hasta la segunda cabeza de puente:

[primera cabeza de puente] 2 1

9

3

10

8

11 7

4

6 5

[segunda cabeza de puente]

Los sustituyentes se sitúan de tal modo que tengan los números más bajos posibles: 2

5

1

9

y no

11 7

6

7-Etil-3-metil biciclo[4.3.2]undecano

2

1

6

5

8

1 9

5

Biciclo[6.1.0]nonano

3

9 6

7

2

1

7

8 6

Biciclo[4.3.0]nonano

2

2

4

7

3

1

9-Etil-4-metil biciclo[4.3.2]undecano

3

9 8

4

11 9

Et

Me

4 10

8

4

5

3

6

7

10

8

Et

Me

3

5

4

Biciclo[3.3.1]nonano

EJERCICIOS ADICIONALES 2.1 Averigua la configuración absoluta de las moléculas que aparecen a continuación, e indica cuál es la

relación de estereoisomería entre ellas: Me

4

Me

1

3

H

H

Me

H

H

Me

H

Me

Me

Me

2

H

H cis (1)

Me

cis (2)

Me

1

Me

trans (3)

H

trans (4)

Me

H

H

Me

H

H

H

Me

Me

H

Me

Me

2 3

5

H

4

cis (5)

H

trans (6)

trans (7)

cis (8)

2.2 Dibuja las representaciones tridimensionales, y asigna las configuraciones absolutas, de los estereoisómeros de los siguientes compuestos: 1,2-Diclorociclohexano, 1,3-Diclorociclohexano, 1,4-Diclorociclohexano, 1Bromo-2-cloro ciclohexano, 1-Bromo-3-clorociclohexano y 1-Bromo-4-clorociclohexano.

II

3. HIDROCARBUROS CON ENLACES MÚLTIPLES ENTRE ÁTOMOS DE CARBONO

GEOMETRÍA

H

121.50

H

F

1170

H

H

Cl

F

CH2

1230

H

1140

1100

H

CH2

1250

H

F 2C

Cl

CH2

H

Cl2C

CH2

Ángulos de enlace promedios: R

1190

H

R

CH2

R 122-1250 CH3

CH3

110.50

R

R

R

R

R

R

NOMENCLATURA DE ALQUENOS 1. Se elige como referencia la cadena más larga que contenga el doble enlace y el compuesto se nombra de acuerdo con la nomenclatura de los alcanos, reemplazando el sufijo ano por eno. 2. La posición del doble enlace en la cadena principal, se indica numerándola a partir del extremo que de lugar

al menor numeral posible: CH2

CH2

CH3 CH

Eteno

Propeno

Etileno

Propileno

1

CH CH2 CH2

CH2

CH3

CH3 CH CH CH3 2-Buteno

1-Buteno

1

CH2

CH3 CH2 CH CH2

CH2

1

2

CH3

CH CH CH2

1-Hexeno

CH2

CH3

CH3

2

3

CH2

CH CH CH2

CH3

3-Hexeno

2-Hexeno

3. Después de establecer la numeración de la cadena principal, se especifican los sustituyentes mediante sus

nombres y números asignados, y se ordenan aplicando las mismas reglas que para los alcanos: CH3 CH3 C CH2 2-Metilpropeno

CH3 CH3 CH2 C

CH2

2-Metil-1-buteno

CH3 CH3 CH CH

CH3 CH2

3-Metil-1-buteno

CH3 C

CH CH3

2-Metil-2-buteno

III

36

CH3

1

CH2

C CH2CH2CH2CH3

CH3 CH CH CH

2

2

3

4

1

5

3

3

2

CH2 CH

CH3CH2

4

4

1

5

CH CH CH2CH2CH3

3

CH2 CH

4

C 1

CH CH CH2CH3 3

1-Etil-3-metil-1-pentenilo

CH2CH3 CH3

5

C

CH CH2CH3

1

2-Pentenilo

1-Pentenilo

3

CH2CH3 CH3

5

CH CH2CH3

2

1

CH C CH2CH3

3-Metil-3-hexeno

2-Pentenilo

1-Pentenilo

2

CH3

4-Etil-2-hexeno

CH CH CH2CH2CH3

1

2

CH2

4

2-Metil-1-hexeno

1

3

2

CH3

CH2CH3

1

CH CH CH2CH3 3

1-Etil-3-metil-1-pentenilo

1

2

1

CH CH CH2CH2CH3

CH2 CH CH CH2CH3

1-Ciclohexil-1-penteno

1-Ciclohexil-2-penteno

(1-Pentenil)ciclohexano

(2-Pentenil)ciclohexano

CH3

CH3

CH3

1

4

3

3

2

2

1 1

Ciclohexeno

3-Metilciclohexeno

1-Metilciclohexeno

4-Metilciclohexeno

CH3

CH3

CH3

CH2 CH CH3

CH2 CH CH3

CH2 CH CH3

1

4

3

3

2

2

1 1

1-Isobutilciclohexeno

3-Isobutilciclohexeno

1

1-Ciclohexenilo

4-Isobutilciclohexeno

1

1 2

2

3

3

2-Ciclohexenilo

3-Ciclohexenilo

III

37

CH3

1

CH3

1

CH2 CH CH3

2

1

2

1

CH3

1

CH2 CH CH3

CH2 CH CH3

2

1

2

2 3

1-(1-Ciclohexenil)-2-metilpropano

CH

1

CH2CH2

1

1

CH2

2

1

Ciclohexilidenetano

2

CH CH2Cl

(2-Cloroetiliden)ciclohexano

1

C

2

2-Metilpropilideno

CH2CH3

CH3

1

CH CH CH3

(1-Metilpropiliden)ciclohexano

Ciclopentilideno

2

CH3

C

(2-Metilpropiliden)ciclohexano

Ciclohexilideno

1

CH2CH3

CH3

CH CH CH3 2

2-Ciclohexilidenbutano

CH3

2

2

Ciclobutilideno

CH CH3

CH CH CH3

1-Metilpropilideno

CH3

Etilidenciclohexano

Metilenciclohexano

1

CH3

1

C CH2 CH3

Propilideno

CH CH3

CH2

CH2CH2

CH3

CH CH2 CH3

Etilideno

1

1-(2-Ciclohexenil)-2-(3-ciclohexenil)etano

2

1

CH CH3

Metileno

1

1

1,2-(1-Ciclohexenil)etano

1,1-(1-Ciclohexenil)etano

1

3

2

CH3 1

1-(3-Ciclohexenil)-2-metilpropano

1-(2-Ciclohexenil)-2-metilpropano

1-Ciclohexiliden-2-metilpropano

CH2Cl

Cl

3 1

C 1

CH3

1-(1-Cloroetiliden)-3-metilciclohexano

Cl

4

1

C 1

CH3 2

1-(1-Clorometiletiliden)-4-clorociclohexano

III

38

CH3 1

2

1

CH CH2Cl

C 1

1-Ciclohexiliden-2-cloroetano

CH2Cl

Cl

3

1-(3-Metilciclohexiliden)-1-cloroetano

1' 1

1,1'-Biciclohexilideno

1

2

H 3C

3

1

3'

3-Metil-1,1'-biciclohexilideno

4

CH 3

1

CH CH3

2,4-Hexadieno

2'

CH3 2

CH3

2

3

1' 1

CH3

CH3 4

2-Metil-2,4-hexadieno

2

2,4-Dimetil-2,4-hexadieno

CH3 CH3 CH C CH CH CH CH3

CH C CH3

CH3 CH C

CH CH CH3

2

1

3,3'-Dimetil-1,1'-biciclohexilideno

4

CH3 C CH

C

1-(4-Clorociclohexiliden)-1-clorometiletano

CH3

2

CH3 CH CH CH

Cl

CH3

1

4

CH3 C C

CH3 CH C

CH CH3

2,5-Dimetil-2,3,5-heptatrieno

2,3,5-Heptatrieno

CH2

CH2

CH2

4

3

4 2

1

3-Metilenciclohexeno

4-Metilenciclohexeno

CH3

1

CH3

1

1

2-Metil-4-metilenciclohexeno

CH3

1

CH3 1

5 2 1

3

3

3 4

1,3-Ciclohexadieno

5-Metil-1,3-ciclohexadieno

1-Metil-1,3-ciclohexadieno

1-Metil-1,4-ciclohexadieno

CH3

CH3

CH3

CH2 CH CH3

CH2 CH CH3

CH2 CH CH3

1

5

6

2 3 4

1-Isobutil-1,3-ciclohexadieno

1

4

5

3

4

2

5-Isobutil-1,3-ciclohexadieno

1 2 3

6-Isobutil-1,4-ciclohexadieno

III

39

1

1

1 2

2

3

3

2 3

5 4

4

1,3-Ciclohexadienilo

2,4-Ciclohexadienilo

2,5-Ciclohexadienilo

CH3

1

4

CH3

3

1

1

1

2

2

3

3 4

1-(1,3-Ciclohexadienil)-3-metilciclohexano

1-(2,4-Ciclohexadienil)-4-metilciclohexano

1

1

2

2

3

3

3

2

3-Ciclohexenilideno

CH3

4

CH3

1'-(3-Etil-2-ciclohexeniliden)-3'-metilciclohexano

3

2

3'

4 5

1'-(4-Metil-3,5-ciclohexadieniliden)-3'-metilciclohexano

2

1' 4

4'

1

4-(4'-Metilciclohexiliden)-1-etilciclohexeno

CH3

1 1'

CH2CH3

3

CH3

3-(3'-Metilciclohexiliden)-1-etilciclohexeno

3

1'-(3-Etil-3-ciclohexeniliden)-4'-metilciclohexano

1

1' 3

CH2CH3

1' 1

4'

CH3CH2

2

3'

2,5-Ciclohexadienilideno

2

3

1' 1

CH3

2,4-Ciclohexadienilideno

CH3CH2

2

3'

3

5

4

2-Ciclohexenilideno

CH3

1

1 2

3

CH3

3'

2 1

4

CH3

1'

5

1'-(4-Metil-2,4-ciclohexadieniliden)-3'-metilciclohexano

III

40

ESTEREOISOMERÍA DE DOBLES ENLACES. ISOMERÍAS (Z)/(E) Y ÓPTICA MONOOLEFINAS

Los sustituyentes unidos a los carbonos de un enlace C=C permanecen fijos en su posición relativa, ya que la energía requerida para que tenga lugar la rotación alrededor del enlace C=C (45 kcal/mol) es mucho mayor que la disponible a temperatura ambiente. Así pues, los alquenos con distintos sustituyentes en los dos carbonos del doble enlace, pueden existir en dos formas estereoisómeras, denominadas (Z) y (E): CH3

CH3

CH3 CH3

H

CH3 H

H

H

H CH3

H

CH3

(Z)-2-buteno

(E)-2-buteno

(p.e. = 40C)

(p.e. = 10C)

H CH3

H

DIASTEREOISÓMEROS: Estereoisómeros que no son imágenes especulares entre sí

4

1

[1] CH3

[2] H CH2CH3 2

4

6

3

2

1

5

CH2CH2CH3[1] CH2CH3 [2]

(Z)-3-Etil-2-hexeno 5

6

CH3 CH C CH CH CH 2 2 3 3

3-Etil-2-hexeno

1

[1] CH3 2

CH2CH3 [2] 3 6

5

[2] H

CH2CH2CH3 [1] 4

(E)-3-Etil-2-hexeno

Los radicales con un doble enlace pueden presentar isomería (Z)/(E): H

CH2

H

H

CH3

CH3

CH2

(Z)-2-Butenilo

H

(E)-2-Butenilo

H

CH2

H

H

CH2CH3

CH2

(Z)-2-Pentenilo

2

H 1

CH3

[(Z)-2-Butenil]ciclohexano

CH2CH3 H

(E)-2-Pentenilo

H

1

CH2

H

CH3

2

CH2

H

[(E)-2-Butenil]ciclohexano

III

41

H

H

H

2

1

1

CH2

CH3

CH2

CH3

H 1

2

H

CH3

2

CH2

3

1-[(E)-2-Butenil]ciclohexeno

1-[(Z)-2-Butenil]ciclohexeno

2

H

3-[(Z)-2-Butenil]ciclohexeno

OLEFINAS CON DOS DOBLES ENLACES CONJUGADOS

2,4-Heptadieno: H Me

H

H

Et

H

H

Et

H

(2Z,4Z)

Et

H

H

H

H

H

Et

2

H

H

Me

4

Me

H

H

Me

H

(2E,4Z)

(2Z,4E)

(2E,4E)

EJERCICIO RESUELTO

¿Cuántos diastereoisómeros tiene el 2,4-Hexadieno?

RESPUESTA: H Me

H

Me

H

H

H

Me

H

(2Z,4Z)

Me

H

H

H

H

H

Me

2

H

H Me

4

Me

H

H

Me

H

(2E,4Z)

(2Z,4E)

(2E,4E)

Los estereoisómeros (2Z,4E) y (2E,4Z) son iguales (superponibles)

OLEFINAS CON DOBLES ENLACES ACUMULADOS (CUMULENOS)

R3 R

R3

1

C

C

R2

[eje quiral]

C

R1

R2 R4

R4

Los cumulenos con un número par de dobles enlaces pueden ser ópticamente activos: H C

C

C Et

Et

()

Me

C

H

()

H

C

C

H Me

III

42

Los átomos de carbono con doble enlace son los que definen la quiralidad de la molécula (eje quiral) Los sustituyentes perpendiculares al plano del papel (más próximos al observador: H, Me) tienen prioridad sobre los más alejados (los situados en el plano: H, Et): H[4]

H H

C

()

C

Me

[2]H

C

C(HHH)[1]

Et

(2)

C(CHH)[3] (S) C(CHH)[3]

Et H

C

()

C

Me

[2]H

C

C(HHH)[1]

H

(1)

H[4] (R)

Lo más cómodo es mirar la molécula desde el lado en el que los sustituyentes son perpendiculares al plano del papel (desde la izquierda en el ejemplo anterior) H[4]

H C

C

()

¡ ASÍ NO ! Et

C

H

[2]H

C(HHH)[1]

Me

(1)

C(CHH)[3]

Si la molécula se mira al contrario, se btiene la confogurción opuesta a la real.

(S)

Si en un cumuleno se intercambian los sustituyentes de uno de los carbonos con doble enlace, se obtiene su enantiómero: H[4]

H C

Me

C

()

H

C

[2]H

C(HHH)[1]

Et

C(CHH)[3] (S)

[intercambio]

C(CHH)[3]

Et C

C

[2]H

C

()

H Me

C(HHH)[1]

H

H[4] (R)

Los cumulenos con un número impar de dobles enlaces pueden presentar isomería (Z)/(E): C

C

C

(Z)-2,3,4-Hexatrieno

H

H

Me

Me

C

C

C

()

Me

C

()

H

C

Me H

(E)-2,3,4-Hexatrieno

III

43

PRIORIDADES DE LOS RADICALES CON DOBLE ENLACE

Los átomos subrayados son átomos "extra", que se añaden porque existe un doble enlace.

2

C

1

C

2

C

1

C

C1(CC)

C2(C)

(C) (C)

En el ejemplo siguiente, los átomos de carbono del doble enlace que se duplican aparecen subrayados; la prioridad de los radicales aumenta de arriba hacia abajo: 1.

CH2=C-CH2CH2-

C1(CHH)

C2(CHH)

C1(CHH)

C2(CCH)

C3(CCH)

C4(CHH)

C4(CHH)

Me

2.

CH2=CH-CH-CH2Me

3.

Et-CH=CH-CH 2-

C1(CHH)

C2(CCH)

C3(CCH)

4.

Me 2 C=CH-CH 2 -

C1(CHH)

C2(CCH)

C3(CCC)

5.

Me-CH=C-CH2-

C1(CHH)

C2(CCC)

C1(CCH)

C2(CHH)

C5(HHH)

Me

6.

CH2=CH-CH2-CHMe

7.

Et-CH=CH-

C1(CCH)

C2(CCH)

C3(CHH)

8.

Me-CH=CH-CH-

C1(CCH)

C2(CCH)

C3(CCH)

Me

III

44

Si resulta imposible establecer las prioridades de dos radicales, se recurre a la regla siguiente: tienen prioridad los átomos de carbono reales sobre los duplicados. En el 3,4-dimetilciclobuteno se plantea este problema: Me

Me

4

3

H 1

H 2

Átomo de carbono 3 (prioridades): C4(C1CH)[1] > C2(C1CH)[2]

Átomo de carbono 4 (prioridades): C3(C2CH)[1] > C1(C2CH)[2]

Me[3] [1](C1CH)C4

3

Me[3]

C2(C1CH)[2]

4

[2](C2CH)C1

H[4]

C3(C2CH)[1]

H[4]

(3S)

(4R)

EJERCICIO RESUELTO

¿Cuántos estereoisómeros tiene el 2,3,5-Heptatrieno?

RESPUESTA: CH3 CH

C

CH CH CH CH3

2,3,5-Heptatrieno

H

H C

C

CH3

H3C

C

H

H

H

H

(Z)(S)-2,3,5-Heptatrieno

C(HHH)[1]

H[2]

C(CCH)[3]

(S)

(R)

H

C

H

H

CH3

(E)(S)-2,3,5-Heptatrieno

H

C

CH3

H

C

()

()

Me

C

H

C(HHH)[1]

C(CCH)[3]

C

Me

H[4]

H H

C

(Z)(R)-2,3,5-Heptatrieno

H[4] H[2]

C

()

Me

C

()

H

C

Me H

(E)(R)-2,3,5-Heptatrieno

III

45

RESPUESTA (continúa)

H[4]

H[4] [2]H

[2]H

C(HHH)[1]

C(HHH)[1] C(CCH)[3]

C(CCH)[3]

(R)

(S)

El compuesto tiene cuatro estereoisómeros (dos parejas de enantiómeros): Pareja de enantiómeros: (S)(Z) y (R)(Z) Pareja de enantiómeros: (S)(E) y (R)(E)

EJERCICIO RESUELTO

¿Cuántos estereoisómeros tiene el 5-Metil-2,3-heptadieno?

RESPUESTA: 1

2

3

4

CH3

CH3 CH C CH CH CH2CH3 5-Metil-2,3-heptadieno H 5

Me

4

3

C

C

Me

H[4]

C(CCH)[3]

Et

C

[2]H

()

H

2

H

(1)

C(HHH)[1]

[2](HHC)C

(5R)

H[4]

H

3

4

C

C

C

()

2

[2]H

Me (2)

5

H

Me

C(CCH)[1] C(HHH)[1]

5

[2](HHC)C

C(CCH)[3]

Et

C(HHH)[3]

C(CCH)[1]

H[4] (R)

H

5

C(HHH)[3]

H[4]

(S)

(5S)

H 5

Me

C

3

4

C

C

Et [2]H

H

(3)

H[4]

C(CCH)[3]

Me

()

H

2

C(HHH)[1]

[3](HHH)C

4

C

C

C

[2]H

()

Me

3

(5S)

H[4]

H

2

C(CHH)[2]

C(CCH)[1]

H[4] (R)

H

5

C(CCH)[1] C(HHH)[1]

[3](HHH)C

5

C(CHH)[2]

Et (4)

5

H

Me

C(CCH)[3] (S)

H[4] (5R)

El 5-Metil-2,3-heptadieno tiene cuatro estereoisómeros (dos parejas de enantiómeros): Parejas de enantiómeros: (1) (R)(5R) y (2) (S)(5S) ; (3) (R)(5S) y (4) (S)(5R)

III

46

ESTEREOQUÍMICA DE ALQUILIDENCICLOALCANOS

Los alquilidencicloalcanos tienen una geometría semejante a los cumulenos con dos enlaces dobles:

R3 R1

C

C

R2

R3 [eje quiral]

C

R1

R2 R4

R4

H

H 1

4

Me

Et

1-(1-Propiliden)-4-metilciclohexano

H H Me

Et

H

H Me

Et H [4]

H [4] [2] H

Me [1]

[1]Me

H [2] Et [3]

Et [3]

(R)

(S)

NOMENCLATURA DE ALQUINOS

HC C CH2 CH3

CH3 C CH

HC CH

CH3 C C CH3

Etino Propino

Acetileno

1-Butino

CH3 HC C CH2 CH

2-Butino

CH3 CH3

CH3 C C CH

CH3 CH3

CH3 C C C CH3 CH3

4-Metil-1-pentino

1

C C CH2CH2CH3 1-Ciclohexil-1-pentino

4-Metil-2-pentino

CH3

1

CH2

4,4-Dimetil-2-pentino

C C CH2CH3

1-Ciclohexil-2-pentino

CH3

CH C C CH CH3 1

1-Ciclohexil-1,4-dimetil-2-pentino

III

47

2

CH3

CH3

CH C C C CH C CH3 1

2

3

5

4

CH3

CH3

CH C C C CH C CH3

6

1

2

3

1-(1-Ciclohexenil)-1,5-heptadien-2,6-dimetil-3-ino

CH3 C C

CH3 CH2 C

Etinilo

1-Propinilo

1-Butinilo

CH3 C

CH3 C

CH3 C

CH3

1-Metil-2-butinilo

1

1

1-Pentinilo

C C CH2

2-Metil-3-pentinilo

CH3

CH2 C

C CH2CH2CH3

C CH2

2-Butinilo

CH3 C

C CH

3-Metil-1-butinilo

C

C

CH3

CH3 CH C

6

1-(2,5-Ciclohexadienil)-1,5-heptadien-2,6-dimetil-3-ino

C

HC

5

4

5

C CH2CH3

CH3

CH C 1

2-Pentinilo

C CH CH3

1,4-Dimetil-2-pentinilo

NOMENCLATURA DE HIDROCARBUROS AROMÁTICOS

CH3

CH2

C6H5

C6H5 CH2

Fenilo

Benceno

Tolueno

CH3

CH3

CH3

1

1

1

CH3 2

Bencilo

3

CH3

4

CH3 1,2-Dimetilbenceno

1,3-Dimetilbenceno

1,4-Dimetilbenceno

o-Dimetilbenceno

m-Dimetilbenceno

p-Dimetilbenceno

o-Xileno

CH3 CH CH2

Feniletileno Vinilbenceno

p-Xileno

m-Xileno

C

CH2

2-Fenilpropeno

CH3 CH C CH3

CH3 C

CH CH3

1-Fenil-2-metilpropeno

2-Fenil-2-buteno

(2-Metil-1-propenil)benceno

(1-Metil-1-propenil)benceno

Estireno

III

48

2 1

1-Fenilciclohexeno

Ciclohexilbenceno

3-Fenilciclohexeno

2

2 1

Fenilciclohexano

1

3

1

(1-Ciclohexenil)benceno

(2-Ciclohexenil)benceno

CH3 C

C

CH

C CH3

CH2 C

CH

3-Fenil-1-propino

1-Fenilpropino

Fenilacetileno

C

CH2 C

C CH2CH3

C CH CH3

1-Fenil-4-metil-2-pentino

1-Fenil-1-butino

6 3'

2'

2 1' 1

4' 5'

6'

8

3 4

6

7

8a

1

8

6

5

5

4a

2

7

3

6 5

4

Naftaleno

Bifenilo

8a

10a

9

10

9a

4a

4

1 2

3

3

2

4

10a

10 10a 1

8 8a

8 8a 9

1

Antraceno

4b 4a

9

7

5

4b

7 6

10

4a

5

4

2 3

Fenantreno

Fenantreno

EJERCICIO RESUELTO

Dibuja todos los isómeros derivados del benceno, que tienen la fórmula molecular C9H12.

RESPUESTA: CH2CH2CH3

CH3 CH

CH3

CH2CH3

CH2CH3

1

1

CH3 2

3

CH3 Propilbenceno

Isopropilbenceno

2-Metiletilbenceno

3-Metiletilbenceno

1-Fenilpropano

2-Fenilpropano

o-Metiletilbenceno

m-Metiletilbenceno

o-Etilmetilbenceno

m-Etilmetilbenceno

CH2CH3

1

CH3 1

4

2

3

CH3 CH3

CH3 1

CH3 2

4

5

CH3

3

CH3

CH3

CH3 p-Etilmetilbenceno

CH3 1

1,2,3-Trimetilbenceno

1,2,4-Trimetilbenceno

1,3,5-Trimetilbenceno

III

49

EJERCICIOS ADICIONALES 3.1 Ordena los siguientes radicales de menor a mayor prioridad:

HC

C__CH2_ (1)

H2C

CH_CH2_

C_

HC

(2)

H2 C

(3)

C_

CH_

H2C (5)

(4)

CH3_C

C_

(6)

3.2 Indica cuántos estereoisómeros tiene cada uno de los siguientes compuestos: 1-Cloro-1-penteno, 3-Cloro-1-

penteno, 4-Cloro-1-penteno y 4-Cloro-2-penteno. Nombra de forma inequívoca cada uno de los estereoisómeros. 3.3 Asigna la configuración absoluta a los estereoisómeros de los siguientes compuestos: 2,3-Hexadieno, 2,4Dicloro-2,3-pentadieno y 2,3,4-Hexatrieno.

3.4 Dibuja los siguientes estereoisómeros del 2-Cloro-5-metil-2,4-heptadieno: (2Z,4Z), (2E,4E), (2Z,4E) y (2E,4Z)

3.5 Averigua la configuración absoluta del siguiente cumuleno:

6

3

Br

1'

1

C

C

C

()

4

H

4'

Et H

2

III

4. NOMENCLATURA DE GRUPOS FUNCIONALES

INTRODUCCIÓN

1 Haluros de alquilo:

R__X ; Ar__X (X = F, Cl, Br, I)

2 Alcoholes y fenoles:

R__OH ; Ar__OH

3 Éteres:

R__O__R ; R__O__R' ; R__O__Ar ; Ar__O__Ar

4 Aminas:

R__NH2 ; R__NH__R ; R N

R

5 Aldehidos y cetonas:

__ C H ; R C R ; R C Ar

R C__H ; Ar

O

__

C__OH

R C OH ; Ar

O

O __

7 Ésteres:

C__O_R

_

R C O R' ; Ar

__

R C NH2 ; Ar O

C__NR2

_

C NH R ; Ar

__

O

__

9 Haluros de ácido:

O

O

O 8 Amidas:

__

__

O 6 Ácidos carboxílicos:

O

O

O

O

R

C__X (X = Cl, Br, I)

R C X ; Ar O

O

O

__

10 Anhidridos de ácido:

R C O

11 Nitrilos:

R C

12 Nitrocompuestos:

R__NO2 ;

__

C H ; Ar

N ; Ar

C

__

C O

O C__Ar

N

Ar__NO2

HALUROS DE ALQUILO ACÍCLICOS SATURADOS

CH3CH2__X

(X = F, Cl, Br, I)

(Cloroetano, Bromuro de etilo, etc.)

X__CH2CH2__X

(X = F, Cl, Br, I)

(1,2-Dicloroetano, 1-Bromo-2-yodoetano, etc.)

(X = F, Cl, Br, I)

(1,1-Dibromoetano, 1-Cloro-1-yodoetano , etc.)

X X

CH CH3

IV

51

Cl

CH3 CH3

C CH2Br CH3

CH3

CH CH3

CH3CH2

Br

CHMe2

Cl

C CH2

CH CH2CH2

C CH3

CH3

1-Bromo-2,2-dimetilpropano

2-Cloropropano

Bromuro de neopentilo

Cloruro de isopropilo

CH3

7-Bromo-2-cloro-5-isopropil-2,7-dimetilnonano

CÍCLICOS SATURADOS

Cl (Clorociclohexano ; Cloruro de ciclohexilo)

H

Cl (a) H

(e) Cl

H

1

H

1

H

H

(e) Clorociclohexano

(a) Clorociclohexano

Cl (a)

I (a)

1

4

H

(e) I

H

Cl (e)

4

1

H

H

(cis) (1a)-Cloro-(4e)-yodociclohexano

(cis) (1e)-Cloro-(4a)-yodociclohexano

Br Br

Me

1

H

1

H

2

cis (1S,2R) 1-Bromo-2-metilciclobutano

Me H

H Br

2

H

1

(cis)(1R,2S) 1-Bromo-2-metilciclobutano

1

H cis (1S,2R)

Br

Me

H 2

=

1

H

2

Br

cis (1S,2R)

Me

Me

=

2

H

H

2

H Me

(cis)(1R,2S)

H Br

1

(cis)(1R,2S)

IV

52

Br

H H Br

3

1

1

Cl H

3

H Cl

=

3

Br H

1

Cl

H

(trans)(1S,3S)

(trans)(1S,3S) 1-Bromo-3-clorociclopentano

H

(trans)(1S,3S)

Br

3

Cl H

1

Cl

3

H Br

1

Br H

=

1

H Cl

3

H (trans) (1R,3R)

(trans) (1R,3R)

(trans)(1R,3R) 1-Bromo-3-clorociclopentano

INSATURADOS ALIFÁTICOS

H CHCl2

CH2Cl

CCl3

Cl C

C Cl

Clorometilo

Diclorometilo

Cl

Clorometileno

Triclorometilo

Diclorometileno

I Cl_CH

Br_CH2_CH

CH2

Cloroetileno Cloruro de vinilo

Cl H

4

3-Bromopropeno Bromuro de alilo

1

Me

3-Metil-2-yodo-2-hexeno

5

CH_Me

Br

4

Me

2

1

Cl

4-Bromo-1-clorociclohexeno

(E)-4-Cloro-3-metil-2-penteno

Br

C_CH2CH2CH3

Cl

5

Br

4

1

3

2

Cl

Me

CH3_CH

CH2

H

H 5

4

1

1

2

2

5

Cl

4

Br H

H

(trans)(4S,5S)

Cl H Br

(trans)(4R,5R)

2

4-Bromo-5-clorociclohexeno

5

4

1

1

2

2

Cl H

5

Br H

4

H

(cis)(4S,5R)

(cis)(4R,5S)

(4-Bromo-5-clorociclohexeno)

Br

H

H

Br Cl

1 3

H (1E,3Z)

4

H

H

H

H H

1 3

4

H

Cl

(1E,3E)

H

Br

H Cl

1 3

H (1Z,3Z)

4

H

H H

1

Br

3

H

4

Cl

(1Z,3E)

(1-Bromo-4-cloro-1,3-butadieno)

IV

53

Me Me ClCH2CH2 C

C_H

Br

4-Cloro-1-butino

CH C

3

C CH2

1

Cl

CH

(3-Metilciclohexil)acetileno

4-Bromo-1-cloro-2-pentino

H CH2Cl

C

Cl C

Clorometilciclohexano

Clorometilenciclohexano

HIDROCARBUROS AROMÁTICOS

X

X X

(X = F, Cl, Br, I)

(X = F, Cl, Br, I) (Clorobenceno, Bromobenceno, etc.)

(o-Diclorobenceno, o-Bromoclorobenceno, etc.) X

X

X X (X = F, Cl, Br, I)

(X = F, Cl, Br, I) (m-Dibromobenceno, m-Fluoroyodobenceno, etc.)

(p-Diyodobenceno, p-Bromoyodobenceno, etc.)

Bu (X = F, Cl, Br, I)

(p-Bromobutilbenceno, p-Butilclorobenceno etc.)

(X = F, Cl, Br, I)

(o-Clorotolueno, o-Bromotolueno etc.)

(X = F, Cl, Br, I)

(m-Etilyodobenceno, m-Etilfluorbenceno, etc.)

X Me X

Et

X

IV

54

Me 1

X 2

(X = F, Cl, Br, I)

4-Bromo-2-clorotolueno, 2-Bromo-4-yodotolueno etc.)

(X = F, Cl, Br, I)

(2,3,5-Tricloroetilbenceno, 2-Bromo-3,5-dicloroetilbenceno etc.)

(X = F, Cl, Br, I)

(4-Bromo-2,3-dicloro-5-metilbutilbenceno, 5-Metil-2,3,4-triyodobutilbenceno etc.)

4

X

Et 1

X 2

X

5

X

2

X

3

X

3

Bu 1 5

Me

4

X

Br Cl

Cl

4

4' 2

CH=CHCl

1

2'

Et

4

6

Me Br

6

3

Me

1

Et

Br

2'-Bromo-4-cloro-2-etil-4'-metilbifenilo

1-Bromo-4-(2-clorovinil)-6-etilnaftaleno

6-Bromo-1-cloro-3-metilnaftaleno

Cl Br

CH2C6H5 4

5

1

1

= Cl

1

C6H5 4-Bencil-5-bromo-1-fenilnaftaleno

Br

1-(m-Clorofenil)naftaleno

m-(1-Naftil)clorobenceno

Br 1

8

10

Me 1,8-Dibromo-10-metilantraceno

Br

6

3

1

Bu

C6H5

8

Cl

3-Bromo-1-butil-8-cloro-6-fenilantraceno

IV

55

ALCOHOLES Y FENOLES

R' R CH2 CH2OH

R'

R CH2 CH OH

R CH2 C OH R''

alcohol secundario

alcohol primario

CH3OH

alcohol terciario

(Metanol, Alcohol metílico)

CH3CH2OH

(Etanol, Alcohol etílico)

CH3CH2CH2OH

(1-Propanol, n-Propanol, Alcohol n-propílico)

OH CH3 CH CH3

(2-Propanol, Isopropanol, Alcohol isopropílico)

CH3CH2CH2CH2OH

(1-Butanol, n-Butanol, Alcohol n-butílico)

OH (2-Butanol, sec-Butanol, Alcohol sec-butílico)

CH3CH2 CH_CH3 _

CH3 CH3_CH_CH2OH

(2-Metil-1-propanol, Isobutanol, Alcohol isobutílico)

CH3 _ __

CH3 C OH

(2-Metil-2-propanol, Alcohol terc-butílico)

CH3

OH

OH CH3CH2CH2CH2CH2OH

CH3CH2 CH2 CH CH3

1-Pentanol

2-Pentanol

OH CH2

CH_CH2OH

2-Propen-1-ol

CH2

CH_CH_CH3

3-Buten-2-ol

CH3CH2 CH CH2CH3 3-Pentanol

CH3 CH3

C

CH_CH2OH

3-Metil-2-buten-1-ol

CH3

Cl

OH

C

CH_CH_CH3

4-Cloro-3-penten-2-ol

Alcohol alílico

IV

56

1

2

OH

2

CH2CH2OH

1

CH2CH2OH

CH_CH3

3 2

1

1

2-(1-Ciclohexenil)etanol

1-(1-Ciclohexenil)etanol

2-(2-Ciclohexenil)etanol

OH

Br

__

HOCH2 CH2OH

HOCH2 CH CH2OH

1,2-Etanodiol

1,2,3-Propanotriol

Etilenglicol

Glicerina

__

2

CH2OH

__

__

HOCH2 CH__CH2OH 2-Bromo-1,3-propanodiol

3

1

HO CH_CH3

CH2CH2OH

CH2CH2CH2OH

Cl Fenilmetanol

2-Feniletanol

3-(m-Clorofenil)-1-propanol

1-Feniletanol

Alcohol bencílico

3

CH2_CH CH CH2OH

CH CH CH2OH

I

1

OH CH CH CH2

3

4-Fenil-2-buten-1-ol

OH

3-[1-(3-Metilnaftil)]-2-propen-1-ol

1-(m-Yodofenil)-2-propen-1-ol

OH

Me

OH HO

Me

Me

Me Fenol

OH

o-Metilfenol

m-Metilfenol

p-Metilfenol

o-Cresol

m-Cresol

p-Cresol

OH

OH Me

OH Br

CH CH2 2-Meti-4-vinilfenol

1-Naftol

2-Naftol

α-Naftol

β-Naftol

3-Bromo-1-naftol

IV

57

OH

OH

OH

CH2CH2OH

CH_CH3

HO

CH3 CH C CH3 m-(2-Metil-1-propenil)fenol

o-(2-Hidroxietil)fenol

p-(1-Hidroxietil)fenol

2-(o-Hidroxifenil)etanol

1-(p-Hidroxifenil)etanol

ÉTERES

CH3_O_CH3

CH3_O_CH2CH3

CH3CH2_O_CH2CH3

Dimetil éter

Etil metil éter

Dietil éter

MeO_

EtO_

Metoxi

Etoxi

O_CH3 Ciclohexil metil éter

HO CH3CH2_O_CH2CH2Cl

CH3_O_CH=CH2

O_Et

(2-Cloroetil) etil éter

Ciclohexil etil éter

Metil vinil éter

1-Cloro-2-etoxietano

Etoxiciclohexano

Metoxietileno

OMe

HO

OEt

O_CH=CH_CH3 (3-Hidroxiciclohexil) (1-propenil) éter

CH=CH_CH3

MeO

Fenil metil éter

(p-Hidroxifenil) etil éter

Metil [p-(1-propenil) fenil] éter

Metoxibenceno

p-Etoxifenol

Anetol

Anisol

CH=CH2 5

H2C

ClCH2__CH

CH2

CH2 O

O 1

OMe

Oxirano

1-Metoxi-5-vinilnaftaleno

Clorometil oxirano 1-Cloro-2,3-epoxipropano

Oxido de etileno

C6H5O_

C6H5CH2O_

CH2=CH_CH2O_

Fenoxi

Benciloxi

Aliloxi

IV

58

AMINAS

H

R''

R'' + N R'

:

N R'

R CH2

N R'

R CH2

:

R CH2

:

NH2

R CH2

R''' amina primaria

amina terciaria

amina secundaria

sal de amonio

CH3 CH3 NH2

CH3 NH CH3

CH3 N CH3

CH3CH2_NH_CH2CH2CH3

Metilamina

Dimetilamina

Trimetilamina

Etilpropilamina

_

_

_

_ _

NH2

1

CH3 CH2 CH2 C H

CH3 CH2 CH2 CH2 CH2 NH2

NH2

CH3

1

CH3 CH2 CH CH2 CH3

1

1-Pentanamina

2-Pentanamina

3-Pentanamina

Pentilamina

1-Metilbutilamina

1-Etilpropilamina

CH3 CH3 C H

NH2 CH3

CH3

CH3 CH2 C H

CH2 C NH2 H

C H

CH3 NH2 CH3 CH3

1,3-dimetilbutanamina

2-Metil-3-pentanamina

1,3-Dimetilbutilamina

1-Isopropilpropilamina

H2N CH2CH2CH2CH2 NH2

N

C CH3 H

2,4-Dimetil-3-pentanamina

1,5-Pentanodiamina

(putrescina)

Me

C H

H2N CH2CH2CH2CH2CH2 NH 2

1,4-Butanodiamina

NH2

CH3 C H

(cadaverina)

Me

NH2 H

1 2

CH2 CH N CH3 Ciclohexilamina

Metilvinilamina

N,N-Dimetilciclohexilamina

NH2

2

H2N 1

4

Me

(3-Metil-2-ciclohexenil)amina

NH2 1

1 3

3

2

Me

(4-Metil-3-ciclohexenil)amina

5

(2,5-Ciclohexadienil)amina

3

(1,3-Ciclohexadienil)amina

IV

59

NH2

NH2

NH2

NH2

Me

Fenilamina

o-, m-, p- Metilanilina

Anilina

o-, m-, p-Toluidina

H2N p-(p-Aminofenil)anilina

o-, m-, p- Fenilendiamina

Bencidina

NH_Me

NH2

NH2

NH2 NH2

OMe OH Cl (m-Hidroxifenil)metilamina

4-Cloro-2-metoxianilina

1-Naftilamina

2-Naftilamina

α-Naftilamina

β-Naftilamina

Me _

2

_

CH2 CH_NH2

NH C6H5 1

1

CH2CH2NH2 1

1

2 3

4

OH

OH 2-(3,4-Dihidroxifenil) etilamina

2-Fenilisopropilamina

(N-Fenil)-1-naftilamina

Dopamina

Anfetamina

2

CH2CH2NH2

2

1

2

CH2_CH_CH3 2

5

MeO

NH2

OMe

1

1

4 4

3

OMe

O

OMe

5

H

O H

2-(3,4,5-Trimetoxifenil) etilamina

2-(2-Metoxi-4,5-metilendioxifenil)isopropilamina MDA ("Extasis")

Mescalina (alucinógeno)

ALDEHIDOS O H C__H

(H_CHO ; CH2O)

(Metanal, Formaldehido, Formol)

(CH3_CHO)

(Etanal, Acetaldehido)

O CH3 C__H

O CH3CH2 C__ H

(CH3CH2_CHO)

(Propanal, Propionaldehido)

IV

60

Cuando el grupo –CHO está unido directamente a un átomo de carbono de un sistema cíclico, el nombre del aldehido se forma añadiendo el sufijo “carbaldehido” al nombre del sistema cíclico: CHO

CHO

CHO

CHO

Ciclopentanocarbaldehido

Ciclohexanocarbaldehido

CH3 CH2

_

1,2-Naftalenodicarbaldehido

CH3

CH3

_

CH CH CHO

_

CH2

2-Metil-3-butenal

_

CH2

C CH2 CHO

4-Metil-4-pentenal

3-Metil-3-butenal

CHO

C_CH2CH2_CHO

CHO

CHO

1

1

1

1-Ciclohexeno-1-carbaldehido

2

2

3

3

2-Ciclohexeno-1-carbaldehido

CH=CH_CHO

CHO

Me

5

5-Metil-2-ciclohexeno-1-carbaldehido

CHO

CHO

OMe OH

OMe 3-Fenilpropenal

Benzaldehido

p-Metoxibenzaldehido

Cinamaldehido

4-Hidroxi-3-metoxibenzaldehido Vainillina

CETONAS O (CH3_CO _CH3)

CH3 C__CH3

(Dimetil cetona, Propanona, Acetona))

O CH3CH2

C__CH3

(CH3CH2_CO_CH3)

(Etil metil cetona, Butanona)

O CH3CH2CH2 C__ CH3

(CH3CH2CH2_CO _CH3)

(Metil propil cetona, 2-Pentanona)

(CH3CH2_CO_CH2CH3)

(Dietil cetona, 3-Pentanona)

O CH3CH2 C__ CH2CH3

IV

61

O

CH3 _

CH3 (CH3 CH_CH2_ CO__CH3) _

__

CH3CH CH2 C CH3

O CH3

( Isobutil metil cetona, 4-Metil-2-pentanona)

CH3

CH3CH2 C__CH_CH3

(CH3CH2 CO__CH_CH3)

O

(Etil isopropil cetona, 2-Metil-3-pentanona

O

O

CH3

O

CH2=CH C__CH3

CH2=CH_CH2 C__CH3

CH2=CH C__CH2CH3

CH3C=CH C__CH3

Metil vinil cetona

Alil metil cetona

Etil vinil cetona

(2-Metil-1-propenil) metil cetona

3-Buten-2-ona

4-Penten-2-ona

1-Penten-3-ona

4-Metil-3-penten-2-ona

2

_

1

_

CO CH2 CH2CH3

Ciclohexil propil cetona

1

2

_

1

_

CO CH2 CH2CH3

1

1-Ciclohexenil propil cetona

3

1

2

1-(2-Ciclohexenil)-2-butanona

1

4

CH3_CO_CO_CH2_CH2_CH3

CH3_CO_CH2_CO_CH2_CH3

2,3-Hexanodiona

2,4-Hexanodiona

2

1

2,5-Hexanodiona

O 1 2

2

O

3

OH

Me Et

2-Metilciclopentanona

Ciclobutanona

5

CH3_CO_CH2_CH2_CO_CH3

O

O

CH2_CO_CH2CH3

5

5-Etil-3-hidroxi-1,2-ciclohexanodiona

CO_CH3

Fenil metil cetona

CO

CO

Ciclohexil fenil cetona

Difenil cetona Benzofenona

Acetofenona

O

O

O

O

O

O

?

?

O

? O O o-Benzoquinona

p-Benzoquinona

O m-Benzoquinona (?)

1,4-Naftoquinona

1,8-Naftoquinona (?)

IV

62

ÁCIDOS CARBOXÍLICOS O C__OH

H

(H_CO2H)

(Ác. metanoico, Ác. fórmico)

(CH3_CO2H)

(Ác. etanoico, Ác. acético)

(CH3CH2_CO2H)

(Ác. propanoico, ác. Propiónico)

O C__OH

CH3

O C__OH

CH3CH2

O (CH3CH2CH2_CO 2H)

CH3CH2CH2 C__ OH

(Ác. butanoico, Ác. butírico)

O CH3CH2CH2CH2 C__OH

(CH3CH2CH2CH2_CO2H)

CH3

CH3 O __

__

CH3 CH

(Ác. pentanoico, Ác. valérico)

C OH

(CH3 CH_CO2H) _

(Ác. 2-metilpropanoico, Ác. isobutírico)

O

O

O

O

CH2=CH C__OH

CH3_CH=CH C__OH

CH2=CH_CH2 C__OH

CH3CH2_CH=CH C__OH

Ác. propenoico

Ác. 2-butenoico

Ác. 3-butenoico

Ác. 2-pentenoico

Ác. acrílico

CH3 CH3 O

CH3 O _

_

CH3 CH=CH CH

__

_

C OH

CH2=CH CH CH

Ác. 2-metil-3-pentenoico

H

CO2H

__

CH3

__

CH2=C_CH=CH_CO2H

C OH

Ác. 2,3-dimetil-4-pentenoico

CH3

CO2H

HO

Ác.4-metil-2,4-pentadienoico

OH HO2C_CH2_CO2H

CH3

H

H

H

O

O

Ác. (E) 2-butenoico

Ác. (Z) 2-butenoico

Ác. etanodioico

Ác. propanodioico

Ác. crotónico

Ác. isocrotónico

Ác. oxálico

Ác. malónico

HO2C_CH2CH2_CO2H

HO2C_(CH2)3_CO2H

HO2C_(CH2)4_CO2H

HO2C_(CH2)5_CO2H

Ác. butanodioico

Ác. pentanodioico

Ác. hexanodioico

Ác. heptanodioico

Ác. succinico

Ác. glutárico

Ác. adípico

Ác. pimélico

IV

63

H

CO2H

HO2C

CO2H

CO 2H

CO2H

1

3

5

H

HO2C

H

H

ác. (E) 2-Butenodioico

HO ác. Ciclohexanocarboxílico

ác. (Z) 2-Butenodioico

ác. Fumárico

NH2

ác. 3-Amino-5-hidtroxiciclohexanocarboxílico

ác. Maleico

CO2H

CO2H

1

CO2H 1

1 2

3

3

Ác. 2-ciclohexen-1-carboxílico

Ác. 1-ciclohexen-1-carboxílico

CO2H

CO2H

1 2

2

3

Me

3

ác. (3-Metil-1-ciclohexen)1-carboxílico

1

O

2

6

3

Me

ác. (3-Metil-2-ciclohexen)1-carboxílico

CO2H

CO2H

CO2H

1

1

Ác. 3-ciclohexen-1-carboxílico

ác. (2-Oxo-3-ciclohexen)1-carboxílico

O

ác. (3-Oxo-5-ciclohexen)1-carboxílico

3

1

CH=CH_CO2H

CO2H

CO2H

3

5

OH CH3

Ác. benzoico

Ác. o-, m-, p-metilbenzoico

Ác. o-hidroxibenzoico

Ác. o-, m-, p-toluico

Ác. 3-fenilpropenoico

Ác. salicílico

CO2H

Ác.cinámico

CO2H O C

HO

CO2H CO2H

OH OH

Ác. 3,4,5-trihidroxibenzoico

Ác. p-benzoilbenzoico

Ác. 1-naftalenocarboxílico

Ác. 2-naftalenocarboxílico

Ác. gálico

CO2H

CO2H

CO2H

CO2H CO2H CO2H Ác. ftálico

Ác. isoftálico

Ác. tereftálico

IV

64

ÉSTERES

O

O

H C__O

O

H C__O

CH3

Formiato de metilo

O

CH3 C__O

CH2CH3

CH3

CH3 C__O

Acetato de metilo

Formiato de etilo

O

Acetato de etilo

O

__

CH3CH2 C O

O

__

CH3

CH3 C__O

CH3CH2CH2 C O CH3

Propanoato de metilo

Butanoato de metilo

Propionato de metilo

Butirato de metilo

O

O __

CH3 O C

CH3 O C O CH3

O

O

C__O CH3

O __

C O

CH2CH2CH3

Acetato de propilo

O

CH3 O C

CH2

C__O CH3

Malonato de dimetilo

Oxalato de dimetilo

Carbonato de dimetilo

CH2CH3

O C__O

( CO2Me )

CH3

Metoxicarbonilo

CO2Me

CH2CH3

( CO2Et )

Etoxicarbonilo

CO2Me

CO2Et 1

1 2 3

Ciclohexanocarboxilato de metilo

1-Etoxicarbonilciclohexeno

1-Metoxicarbonil-2-ciclohexeno

Metoxicarbonilciclohexano

3

CO2Et

1

CH=CH_CO2Me

CO2CH2CH2CH3

1 2 3 4

1-Etoxicarbonil-3-ciclohexeno

Benzoato de propilo

3-Fenilpropenoato de metilo Cinamato de metilo

CO2Et

6

CO2Me

5

CH2OH

Cl

C CH

C CH2 CO2Et

CH3 1-Naftalenocarboxilato de etilo

2-Naftalenocarboxilato de metilo

1-Etoxicarbonilnaftaleno

2-Metoxicarbonilnaftaleno

1

3

3-Cloro-5-fenil-6-hidroxi-5-metil3-hexenoato de etilo

IV

65

AMIDAS

Las amidas se nombran sustituyendo la terminación ico de los ácidos, por la palabra amida (fórmico, formamida; acético, acetamida; propiónico, propionamida, etc.) O H

O

C__NH2

H

Formamida

O

C__NH_CH3

O

CH3 C__NH2

N-Metilformamida

CH3 C__NH_CH2CH3

Acetamida

N-Etilacetamida

CONH_Me

CONH2

CONH2

1

1

OMe

2

2 3

3 4

1-Carbamoil-2-ciclohexeno

Ciclohexanocarboxamida

1-(N-Metilcarbamoil)-2-metoxi-3-ciclohexeno

Carbamoilciclohexano

Me CON_Me

CONH_Me

CONH2

O C NH

Benzamida

N,N-Dimetilbenzamida

N-Metilbenzamida

Benzanilida (N-Benzoil) anilina

O

H N

H N

C__Me

Acetilamino

O C

Benzoilamino

NHCOMe 1

2

NHCOC6H5 CONH

1-(N-Acetilamino) naftaleno

(N-Ciclohexil) benzamida

2-(N-Benzoilamino) naftaleno

HALUROS DE ÁCIDO

Los haluros de ácido se nombran sustituyendo la terminación ico de los ácidos, por ilo (fórmico, formilo; acético, acetilo; propiónico, propionilo, etc.) O

O

H C__ Cl

CH3 C__ Br

Cloruro de formilo

Bromuro de acetilo

O __

CH3CH2 C

O I

Yoduro de propanoilo

C6H5 C__ Cl Cloruro de benzoilo

IV

66

O

O

O

H C__

CH3 C__

CH3CH2 C__

Formilo

Acetilo

Propionilo

O Cl

C

O C6H5

Benzoilo

O __

ClCH2 C

Cloroformilo

Cl __

CH3CH

Cloroacetilo

C__

O C__

2-Cloropropionilo

Cl CO2Et

COCH2Cl

COCHCH3

1

ClOC 7

1

2

3

COCl

COCl

m-Cloroformil benzoato de etilo

1-Cloroacetil-7-cloroformilnaftaleno

O O

O Cl

1-(2-Cloropropionil)-3-cloroformilnaftaleno

C Cl

Cl

Dicloruro del ácido carbónico

C C Cl

Dicloruro de oxalilo

Cl

O

O

C CH2

C Cl

Dicloruro de malonilo

Fosgeno (empleado en la Primera Guerra Mundial)

ANHIDRIDOS DE ÁCIDO

O

O

O

CH3 C__O C CH3 (MeCO)2O ; Ac2O Anhidrido acético

O O O Anhidrido Succínico

O

O

__

O

__

CH3CH2 C O C CH2CH3

C O C

(EtCO)2O

(C6H5CO)2O ; Bz2O

Anhidrido propiónico

O O O Anhidrido 1,2-Ciclohexanodicarboxílico

Anhidrido benzoico

O O O Anhidrido Ftálico

IV

67

NITRILOS

Los nitrilos se nombran sustituyendo la terminación ico de los ácidos, por nitrilo (propiónico, propionitrilo; butírico, butironitrilo; benzoico, benzonitrilo, etc.)

CH3 C N

CH3CH2 C N

Etanonitrilo

Propanonitrilo

Acetonitrilo

Propionitrilo

C N Benzonitrilo

CN

CN

CH2 C N Fenilacetonitrilo

CN

CN

1

1

1 2

3

3 4

Ciclohexanocarbonitrilo

2-Ciclohexen-1-carbonitrilo

1-Ciclohexen-1-carbonitrilo

CH3

CN

1 5

HO

3-Ciclohexen-1-carbonitrilo

OH

1

1

3

3

CN

5

HO

3-Ciano-5-hidroxitolueno

3

CH3

(5-amino-3-metoxifenil)

2-Metil-3-[...] propanonitrilo 3

O

2

1

1 4

H2N

CH3

3-Ciano-5-metilfenol

3-Hidroxi-5-metilbenzonitrilo

MeO

5

NC

3

CH3

CH2CH_CN 2

6

5

CO2Me (6-metoxicarbonil-2-oxociclohexil)

2-Metil-3-[4-(5-amino-3-metoxifenil)-6-metoxicarbonil-2-oxociclohexil]propanonitrilo

NITRODERIVADOS 1 _

CH3 NO2 Nitrometano

_

CH3CH2 NO2 Nitroetano

1

CH3 _

_

CH3CH2CH2 NO2

CH3CH2CH NO2

1-Nitropropano

2-Nitrobutano

2

CH3 CH3CHCH2_NO2 2

1

2-Metil-1-nitropropano

IV

68

NO2 CH3

3 2

CH3

1

1

CH 2=C_CH2_NO2

CH3C=CH_NO2

2

1

2

NO2

NO2 1

3

2-Metil-3-nitropropeno

2-Metil-1-nitropropeno

NO2

1-Nitrociclohexeno

Nitrociclohexano

CH3

3-Nitrociclohexeno

NO2 NO2

CHO NO2 O2N

Nitrobenceno

o-, m-, p-Nitrotolueno

COMe

CO2Et

o-, m-, p-Dinitrobenceno

NO2

3,5-Dinitrobenzaldehido

CH3

NO2

O2 N

NO2

NO2 NO2

NO2

NO2

m-Nitroacetofenona

o-Nitrobenzoato de etilo

1,3-Dinitronaftaleno

2,4,6-Trinitrotolueno TNT

MOLÉCULAS HETEROCÍCLICAS

4 5

4

3 5

2

O

4

3 5

2 1

Furano

Tiofeno

6

N1

S

1

5

2

6

7

2

6

1

N

4

H

2

N1

6

O

H

Isoquinoleina

N1

O

H

N

N

2

3

H NH2

Guanina

O 4

6

N

4

61

se encuentra en el ADN y en el ARN

NH2

4

9N

H

se encuentra en el ADN

9N

N

5

8

2

Citosina

8

3 4

O

se encuentra en el ADN y en el ARN

5

6

7

Timina

N

3

N2 5

3

H

7

7

Quinoleina

N

5

2

4

5

1

8

N

NH2 3

5

3

Piridina

O 4

CH3

N

H Pirrol

1

8

4

3

N1

5

2

6

3

3

N

H

2

N1

O

H

Adenina

Uracilo

se encuentra en el ADN y en el ARN

se encuentra en el ARN

IV

69

PRIORIDADES RELATIVAS DE GRUPOS CON HETEROÁTOMOS (NOMENCLATURA R/S)

Prioridades de los átomos: H < C < N < O < F < Cl < Br < I NITRILOS

1

C1(NNN)

N C

ALDEHIDOS Y CETONAS

O 2

H C

3

CH3 C

C1(OOC)

C2(HHH)

4

O CH3CH2 C

C1(OOC)

C2(CHH)

C3(HHH)

5

C6H5 CH2 CO

C1(OOC)

C2(CHH)

C3(CCC)

6

C6H5 CO

C1(OOC)

C2(CCC)

C1(OOH) O

AMIDAS

7

O H2N C

C1(OON)

N2(HH)

8

O CH3 NH C

C1(OON)

N2(CH)

C3(HHH)

C1(OON)

N2(CH)

C3(CHH)

C1(OON)

N2(CH)

C3(CCC)

O CH2 NH C

9

CH3

10

C6H5 NH CO CH3

11

CH3 N CO

C1(OON)

N2(CC)

C3(HHH)

12

Et Et N CO

C1(OON)

N2(CC)

C3(CHH)

C1(OON)

N2(CC)

C3(CCC)

C6H5 13

C6H5 N CO

ÁCIDOS Y ÉSTERES

14

O HO C

C1(OOO)

O2(H)

15

CH3 O CO

C1(OOO)

O2(C)

C3(HHH)

16

CH3 CH2 O CO

C1(OOO)

O2(C)

C3(CHH)

17

CH2 CH O CO

C1(OOO)

O2(C)

C3(CCH)

18

C6H5 O CO

C1(OOO)

O2(C)

C3(CCC)

IV

70

AMINAS

19

H2N

N1(HH)

20

CH3 NH

N1(CH)

C2(HHH)

21

C6H5 NH

N1(CH)

C2(CCC)

22

CH3 CH3 N

N1(CC)

C2(HHH)

23

C6H5 N

N1(CC)

C2(CCC)

C6H5

NITRODERIVADOS

O O N

24

N1(OOO)

ALCOHOLES, FENOLES Y ÉTERES

25

HO

O1(H)

26

CH3 O

O1(C)

C2(HHH)

27

CH3CH2 O

O1(C)

C2(CHH)

C3(HHH)

28

C6H5CH2 O

O1(C)

C2(CHH)

C3(CCC)

29

C6H5 O

O1(C)

C2(CCC)

PRIORIDADES DE LOS GRUPOS FUNCIONALES Éteres > Fenoles, Alcoholes > Nitroderivados > Aminas > Ésteres > Ácidos > Amidas > Cetonas > Aldehidos > Nitrilos

EJERCICIOS ADICIONALES

4.1 Ordena los siguientes radicales de menor a mayor prioridad:

O

O

O

CH3 C O

N C O

CH3 C NH

Cl C

CH3CH2 N CH2CH3

CH3 O CH3 C O C CH3

O H C

O O

C

O

H

CH3 C CH2 C

H N

O O

HO NH

+

O N

H

IV

71

4.2 ¿Qué relación de estereoisomería existe entre las siguientes parejas de moléculas? Nombra cada uno de los estereoisómeros e indica si son ópticamente activos.

Cl HO

H Cl

HO

H

OH

HO

H

Et

Y HO Me

H

Me H

HO

Me

H

Me

Me Et

H (6)

(3)

(4)

3 4

H

Cl

Cl

H

H

1

H Me

(9)

Cl (8)

(7)

Y

H

H

Y

2

2

5

H

Cl

H

H

Me

H H

1

Me

(5)

1

Me

H2N

HO

Et

Cl

Et

Y H

H

Et

(2)

(1)

NH2

OH

Y

H

H

Et

2

Me

Cl

Y

Cl

H

H

(10)

Cl

(11)

(12)

Cl

Cl 4

H

Cl

H

H

Y

1

Cl

H (13)

Me

(14)

CO2H

H

Me

Me

Y

H

CO2H

(15)

Me H

C C

Br Et

Y

C C

C

()

C C

(16)

()

Et Br

Me

H

C

Me

(18)

(17) H C

C

C

Y Et

(19)

Et Et Me

C

C

()

Me

()

Et

C H

(20)

4.3 Mediante representaciones tridimensionales o proyecciones de Fischer, dibuja los estereoisómeros de los siguientes compuestos: 3-cloro-2-butanamina, 3-Hexen-2-ol y 5-Metoxi-2,3-hexadieno. Nombra cada uno de los estereoisómeros e indica en cada caso cuál es la relación de estereoisomería entre ellos.

IV

72

4.4 Indica cuántos estereoisómeros existen de los siguientes compuestos:

1-Bromo-2-clorociclobutano 1,4-Dimetoxiciclohexano 1,1-Dihidroxiciclopropano 3-Penten-2-ona 1-(sec-Butil)-2-Metilciclohexeno 3-Cloro-2-metilbutanal 1-Bromo-3-cloro-1,2-butadieno 2-Amino-2,3,4-heptatrieno 2,6-Diamino-espiro[3.3]heptano 2,4-Hexadieno Nombra cada uno de los estereoisómeros utilizando la nomenclatura (R)-(S) y/o cis-trans (Z-E).

4.5 Indica cuántos estereoisómeros existen de los siguientes compuestos:

2-Clorociclopentanona 4-Amino-2-penteno Acido 4-Hidroxiciclohexanocarboxílico 3-Metilciclobuteno 5-Nitro-2,3-hexadieno 3-Metoxicarbonil espiro[5.5]undecano 1,6-Dibromo-2,4-hexadieno 2,3-Dimetilpentanal 5-Metil-1,3-ciclohexanodiona 1-Metil espiro[4.4]nonato

4.6 Dibuja los estereoisómeros de los compuestos que aparecen a continuación, indicando en cada caso su

configuración absoluta. 2-Cloro-1,3-ciclopentanodiona 1,3-Ciclohexanodiol 1,2-Dimetilciclobuteno 4-Amino-2,3-butadieno 2-Metil-1,3-butadieno 2-Metoxicarbonil-1,3-ciclohexanodiona 2-Metoxi espiro[3.3]heptano 3-Nitro-1-penteno 1,2,3-Pentatrieno Ciclohexilamina

4.7 Dibuja una representación tridimensional y asigna la configuración absoluta de los estereoisómeros de los

siguientes compuestos: a) 3-Nitrociclobuteno b) 3-Metilclorociclohexano c) ácido 1,3-Ciclopentanodioico d) espiro[2.3]2-Metoxicarbonil-6-formilheptano e) 5-Fenil-2,3-hexadieno f) 3-Metil-4-hexen-2-ona g) Metilciclopropano

IV

73

4.8 Apartado 1: Averigua la configuración absoluta de las siguientes moléculas:

1

Me 1

Cl

2

Et

MeO

OH

H

Et

O

Me

H 2

(1)

OH

CH2Cl

O

3

1

H

(3)

(2)

Apartado 2: Dibuja una representación tridimensional de los siguientes estereoisómeros: 1 (Z)(2R) 2,8-Dicloro espiro [4,5] decano 2 (2R) 2-Cloro-3-butenal 3 (3R) 3-Fenil-3-terc-butil-4-hexen-1-ino Apartado 3: Dibuja la representación tridimensional y asigna la configuración absoluta de todos los estereoisómeros correspondientes al 3-(Metilamino)-2-pentanol. Es imprescindible que numeres correctamente los átomos de carbono estereogénicos y que dicha numeración aparezca en la configuración absoluta de cada molécula y en su representación tridimensional 4.9 Utiliza representaciones tridimensionales para dibujar todos los estereoisómeros de los compuestos que

aparecen a continuación. Es imprescindible que numeres correctamente los átomos de cada estereoisómero y que dicha numeración aparezca en la representación tridimensional, en la proyección de Fischer y en la configuración absoluta. 1. (3-Metil-2-ciclohexenil)amina

4. 2-Cloro-1-etilidenciclohexano

2. 5-Metil-2-ciclohexeno-1-carbaldehido

5. (9-Acetil-3-ciano-2-hidroxi)espiro[5.5]undecano

3. Ácido 2-metil-3-pentenoico

6. 1,2,3-Trimetilciclobuteno

4.10 Asigna la configuración absoluta a cada uno de los estereoisómeros siguientes:

H

Me

Me

Cl

Et

H

H

H

H

H

CO2H

H

(1)

H H C

Me Me

CO2Et 2

(2)

1

1

C C

()

H2 N

H

(3)

(4)

H

CN H

1

H

Me

Cl

HO H

2

Me

H

Me

4

H

CH CH2 (5)

(6)

(7)

IV

74

C CH H 2N

Me

NO2

Me

H

Et

CH CH2 (8)

H

CO2H NH2

Cl

H

Me

(9)

Me

H

H Cl (10)

4.11 Ordena los radicales siguientes de menor a mayor prioridad.

MeCOCH2 CO

Acetoacetilo

N C O

Cianato

MeCOCH2

Acetonilo

N C

Ciano

CH2 CH CH2 O

Aliloxi

C6H5

H2N−CH=N−

Aminometilenamino

HO NH

Hidroxiamino

H2N−O−

Aminooxi

Me C

Tioacetilo

Feniltio

S

S C6H5 N=N−O−

Bencenoazoxi

C6H5 S

Bencenosulfinilo

Tiobenzoilo

C6H5 C S

O

Tiocarbamoilo

NH2 C S

O C6 H5

S NH

Bencenosulfonamido

CH2 C CH2 CH3

2-Metil-2-propenilo

Bencenosulfonilo

CH2

1-Metil-2-propenilo

O

O C6H5 S

CH CH CH3

O (C6H5)2CH

Difenilmetilo

CH 3CH 2 CH CH CH 2

2-Pentenilo

Br

Bromoformilo

CH2

1-Etiletenilo

C

C CH2CH3

O H2C=CH CH=CH

1,3-Butadienilo

CH3CH2 CH

CH3CH=CHCH2

2-Butenilo

CH2

CH

C CH2CH2

1-Butenilo 3-Metil-3-butenilo

CH3

NH2 C

Carbamoilo

CH3

CH C CH2

2-Metil-2-butenilo

CH3

O

H2C=CH CH=CH

1,3-Butadienilo

CH3CH2 CH

CH3CH=CHCH2

2-Butenilo

CH2

CH

C CH2CH2

1-Butenilo 3-Metil-3-butenilo

CH3

NH2 C O

Carbamoilo

CH3

CH C CH2

2-Metil-2-butenilo

CH3

IV

75

4.12 Dibuja las representaciones tridimensionales, y asigna las configuraciones absolutas, de los estereoisómeros de los siguientes compuestos: 1,2-ciclohexanodiol, 1,3-ciclohexanodiol, 1,4-ciclohexanodiol, 2-bromociclohexanol, 3-bromociclohexanol y 4-bromociclohexanol. 4.13 Asigna la configuración absoluta a los siguientes espiranos: NH2

H

CO2H

HO2C

H2N

H

H

H

(1)

(2)

H CO2H H

H

CH2OH

CO2H

H Me (3)

(4)

4.14 Averigua la configuración absoluta de los siguientes estereoisómeros: H

C6H5

C6H5

H Me

O

O

H

H

HO2C H Me

H H

Me

Me H

(3)

(2)

(1)

Me

4.15 Averigua la configuración absoluta de los siguientes estereoisómeros:

2

1

C

4

CH

Me

Me

H

H

Me

Me

()

H

4'

3'

H

H

3

Me

1' 1

4

H

5

5'

(1)

Me

Me

(2)

(3)

H 5 1

Me

4'

H

6

6

1

H

C

3

C

C

Me

H

4'

Me

2

C

4

C

C

4'

O

OMe

()

1

()

3

H Me

H

Me (6)

(5)

(4)

4.16 Asigna la configuración absoluta a las siguientes sustancias naturales: Me 1

Me

Me

7 8

H

2 3

Me 6

5 4

10

Me β−Vetivona

9

O

3 3'

Me

2

Me Me

Elemol

2

H 1

1

OH

1

OH

3

6

4

H

Me

5

4

H Me Grandisol

Me

H

6

N H

7 8

5

HO

2

3

O

4

H

Cocaina

IV

76

Me

Me Me H1

OH

2 3

9

10

5 4

6

Me

1

Me

H Me

OH Me

β−Acorenol

3

H Me

6

5

7

1

Me

HO

7

8 12

10 11

HO

H

H

H 13

6 14

16

H

Me

15

H

COMe

11

9

8

Me

12

Me

1

H

9

13

10

10

11

O

5

4

H

16

14

2

19

8

H

15

7 6

HO

H 5

6

N 1

1

H 11

9

N

Me

H

9

2

13 12

H

3

15

16

Esparteina

17

11 17

H

Me

12

8

H

10

Progesterona

Morfina

7 3

12

H

6

OH

Me 20

Prostaglandina PGF2α

2

N

16

13 7

6

HO H

4

H

14

H

1

16

14

Estrona

15

5

13

7

HO

Illudin-s

18

17

Me O

8

H

Me

H OH

Me

CO2H

3

5 15

Me

5

4

H

9

6 3

2

4

1

Cedreno

7

2

9

H

11

1

O 9

9

Me

2

Me H 10

H H

8

Me

7

O Me

Alcohol de Patchouli

HO

4 3

12

10

8

HH

Me

Agarospirol

Me Me

Me

8

6

5

H 7

9

OH

2

4

10

5 2

H

7

H

4

3

8

6

H HO

13

8

16

14

H

H

15

7 4

6

Colesterol

14

IV

5. ENLACE QUÍMICO EN MOLÉCULAS ORGÁNICAS

EL MODELO DE ENLACE LOCALIZADO

Los electrones pertenecientes a un átomo aislado están atraídos por un solo núcleo, es decir, están localizados (confinados) en el espacio que rodea al núcleo. La formación de un enlace covalente entre dos únicos átomos implica la deslocalización de los electrones en el espacio comprendido entre los dos núcleos. Los electrones de cualquier molécula poliatómica están deslocalizados, esto es, están sometidos todos ellos a la atracción simultánea de cada uno de los núcleos y su movimiento tiene lugar en todo el espacio molecular. Llegado el momento de elaborar un modelo sencillo, G. N. Lewis planteó la hipótesis de que el enlace químico podía describirse considerando únicamente los electrones de valencia. El resto de los electrones de cada átomo formarían, junto con su núcleo, un nuevo “núcleo” (core, corazón) con carga positiva. Así, en el átomo de carbono, cuya estructura electrónica es 1s22s2p2, el core estará constituido por el núcleo del átomo (6 protones) más los dos electrones del orbital atómico 1s. Su carga positiva será (6 - 2) = +4. Los cuatro electrones de valencia (2s2p2) estarán atraídos por un core con cuatro cargas positivas. En este modelo, se admite que un enlace sencillo entre dos átomos de carbono, se origina como consecuencia de la atracción simultánea de dos electrones (uno de cada átomo) por los dos cores (también de cada uno de los átomos) El resto de los enlaces (tres, para cada átomo de carbono) se describen de la misma forma. Esta descripción equivale a suponer que los enlaces son individualizados, es decir, formados por pares de electrones singulares que intervienen solo en ese enlace y no en los restantes enlaces que constituyen la molécula. Este tipo de enlace es esencialmente localizado, en el sentido de que muchas de las propiedades colectivas de la molécula (entalpía de atomización, momento dipolar, susceptibilidad diamagnética, etc.) pueden expresarse, con una aproximación aceptable, como la suma de las contribuciones de enlace a dichas propiedades. Por ejemplo, si se conocen las energías de enlace C-C y C-H, es posible calcular la energía de atomización de cualquier hidrocarburo saturado, sumando todas las energías de los enlaces presentes en la molécula. Naturalmente, las energías de dichos enlaces no son iguales en todas las parafinas; por este motivo, es necesario utilizar las energías medias de enlace, determinadas para una gran variedad de moléculas. En resumen: 1. Todos los electrones de enlace están sometidos a la atracción simultánea del conjunto de cores que constituyen la molécula, es decir, están deslocalizados. 2. Existen moléculas cuyas propiedades colectivas pueden describirse razonablemente bien, suponiendo que los pares de átomos están unidos entre sí por una o más parejas de electrones, que están sometidos solo a la atracción de dos cores. En este modelo, los electrones están localizados (entre cada pareja de cores) y los enlaces se definen como enlaces localizados de dos centros. 3. Muchas moléculas con dobles enlaces conjugados pueden describirse aceptablemente bien mediante el modelo de enlaces sencillos y dobles localizados.

V

78

ENTALPÍA DE ATOMIZACIÓN DE PARAFINAS

El modelo de enlace localizado implica que la entalpía de atomización de una molécula puede calcularse, con una aproximación aceptable, sumando las energías medias de todos sus enlaces.

PARAFINAS ACICLICAS

ΔH0a

CnH2n+2 (g,l,s)

nC(g) + (2n+2)H(g)

ΔH0f (CnH2n+2 )

n ΔH0a (C) + (2n + 2) ΔH0a (H)

n C(grafito) + (n + 1) H2(g)

C(grafito)

C(g)

ΔH0a (C) = 171.29 kcal / átomo gramo

1/2 H2(g)

H(g)

ΔH0a (H) = 52.10 kcal / átomo gramo

ΔH0a (CnH2n+2 ) = n ΔH0a (C) + (2n + 2) ΔH0a (H) − ΔH0f (CnH2n+2 )

ΔH0a (CnH2n+2 ) = [−ΔH0f (Cn H2n+2 ) + 275.49 n + 104.2] kcal / mol

Los valores medios, de las energías de enlace C-C y C-H son, respectivamente, 89 y 97 kcal/mol. Vamos a comprobar el grado de concordancia que se obtiene utilizando el modelo de enlace localizado. Lo haremos para las moléculas de propano, butano y pentano. CH3

CH2 CH3

CH3

CH2 CH2 CH3

CH3

CH2 CH2 CH2 CH2

ΔH 0f (propano ) = −24.82kcal / mol

ΔH0a (propano ) = −(−24.82) + 275.49 x 3 + 104.2 = + 955.49 kcal/mol

ΔH0f (bu tan o ) = −29.812 kcal / mol

ΔH0a (bu tan o) = −(−29.812) + 275.49 x 4 + 104.2 = + 1235.97 kcal/mol

ΔH0f (pen tan o ) = −35 .00 kcal / mol

ΔH0a (pen tan o ) = −(−35.00) + 275.49 x 5 + 104.2 = + 1516.65 kcal/mol

La suma de todas las energías medias de enlace para cada una de las parafinas es la siguiente:

∑D ∑D ∑D

0

0

0

(propano) = 2 x 89 + 8 x 97 = 954 kcal/mol

(butano) = 3 x 89 + 10 x 97 = 1237 kcal/mol

(pentano) = 4 x 89 + 12 x 97 = 1520 kcal/mol

V

79

∑D

ΔH0a (C nH2n+2 )

0

Δ

955.49

954

+ 1.49

1235.97

1237

- 1.03

1516.65

1520

- 3.35

PARAFINAS CICLICAS

ΔH 0a

CnH2n (g, l, s)

nC(g) + 2n H(g)

ΔH0f (C nH 2n )

nΔH0a (C) + 2nΔH0a (H) nC(grafito ) + nH 2 (g)

ΔH0a (CnH2n ) = n ΔH0a (C) + 2nΔH0a (H) − ΔH0f (CnH2n )

ΔH0a (CnH2n ) = −ΔH0f (CnH2n ) + 275.49 n

Veamos que resultados se obtienen para las moléculas de ciclopentano y ciclohexano:

ΔH 0f (ciclopentano) = - 18.46 kcal/mol

ΔH0f (ciclohexano) = - 29.43 kcal/mol

ΔH 0a (ciclopen tan o ) = −(−18.46) + 275.49 x 5 = + 1395.91 kcal/mol

ΔH0a (ciclohexano) = −(−29.43) + 275.49 x 6 = + 1682.37 kcal/mol

Ahora emplearemos las energías de enlace C-H reales (94.5 kcal/mol para el ciclopentano y 95.5 kcal/mol para el ciclohexano) y las energías medias de enlace C-C:

∑D

0

∑D

0

(ciclopentano) = 5 x 89 + 10 x 94.5 = 1390 kcal/mol

(ciclohexano) = 6 x 89 + 12 x 95.5 = 1680 kcal/mol

ΔH0a (CnH2n )

∑D

0

Δ

1395.91

1390

+ 5.91

1682.37

1680

+ 2.37

V

80

MONOOLEFINAS ACÍCLICAS (CnH2n)

Las monoolefinas acíclicas tienen la misma fórmula molecular que las cicloparafinas. La expresión que permite calcular la entalpía de atomización es la misma en los dos casos:

ΔH0a (CnH2n ) = −ΔH0f (CnH2n ) + 275.49 n

Realizamos el cálculo para las moléculas de propeno, (Z)-2-penteno y (E)-2-hexeno.

CH3

CH CH2

CH3

CH CH CH2

ΔH 0f (propeno) = + 4.879 kcal/mol

CH3

CH3

CH CH CH2

CH2 CH3

ΔH0a (propeno ) = 275.49 x 3 − 4.879 = 821.591 kcal/mol

ΔH 0f [(Z)-2-penteno] = -6.710 kcal/mol

ΔH0a [( Z ) − 2 − penteno ] = 275.49 x 5 + 6.711 = 1384.16 kcal/mol

ΔH 0f [(E)-2-hexeno] = -12.56 kcal/mol

ΔH0a [(E) − 2 − hexeno] = 275.49 x 6 + 12.56 = 1665.55 kcal/mol

La energía media del enlace C=C es 148 kcal/mol:

∑D

0

(propeno) = 148 + 89 + 6 x 97 = 819 kcal/mol

∑D

0

[(Z)-2-penteno] = 148 + 3 x 89 + 10 x 97 = 1385 kcal/mol

∑D

0

[(E)-2-hexeno] = 148 + 4 x 49 + 12 x 97 = 1668 kcal/mol

ΔH0a (CnH2n )

∑D

821.59

819

+ 2.59

1384.16

1385

- 0.84

1665.55

1668

- 2.45

(

En la tabla siguiente aparecen los valores de Δ = ΔH0a −

0

Δ

∑ D ) para una serie de olefinas acíclicas: 0

V

81

∑D (kcal / mol)

ΔH0a (kcal / mol)

Monoolefina 2-metilpropeno 1-penteno (Z)-2-penteno (E)-2-penteno 2-metil-1-buteno 3-metil-1-buteno 2-metil-2-buteno 1-hexeno (Z)-2-hexeno (E)-2-hexeno (Z)-3-hexeno (E)-3-hexeno 2-metil-1-penteno 3-metil-1-penteno 4-metil-1-penteno 2-metil-2-penteno (Z)-3-metil-2-penteno (E)-2-metil-2-penteno (Z)-4-metil-2-penteno (E)-4-metil-2-penteno 2-etil-1-buteno 2,3-dimetil-1-buteno 3,3-dimetil-1-buteno

0

1105.303 1382.45 1384.16 1385.04 1386.13 1384.37 1387.62 1662.90 1664.50 1665.50 1664.50 1665.50 1666.50 1663.96 1664.60 1667.90 1667.26 1667.90 1666.20 1667.20 1665.86 1667.72 1667.19

1102 1385

Δ +3.30 -2.55 -0.84 +0.04 +1.13 -0.63 +2.62 -5.10 -3.50 -2.50 -3.50 -2.50 -1.50 -4.04 -3.40 -0.10 -0.74 -0.10 -1.80 -0.80 -2.14 -0.28 -0.81

“ “ “ “ ”

1668 “ “ ” “ “ ” ” “ ” ” “ “ “ “ “

Δ(medio) = -1.32 kcal/mol

DIOLEFINAS ACÍCLICAS

ΔH0a

CnH2n-2 (g,l,s)

nC(g) + (2n-2)H(g)

ΔH0f (CnH2n−2 )

nΔH0a (C) + (2n − 2) ΔH0a (H)

n C(grafito) + 1/2(2n -2) H2(g)

ΔH0a (CnH2n − 2 ) = [−ΔH0f (CnH2n − 2 ) + 275.49 n − 104.2] kcal / mol

CH2

CH CH

CH 2

CH CH 2

CH3

CH

C

CH

CH 3

ΔH 0f (1,3 − pentadieno ) = + 18.70 kcal/mol

ΔH 0f (1,4 − pentadieno ) = + 25.20 kcal/mol

CH CH 2 CH

CH3

ΔH0f ( 2,3 − pentadieno ) = + 33.10 kcal/mol

Al tratarse de tres isómeros, la suma de las energías de enlace es la misma en los tres casos:

∑D

0 (pentadienos)

= 148 x 2 + 89 x 2 + 97 x 8 = 1250 kcal/mol

V

82

ΔH0a (1,4-pentadieno) = −25.20 + 275.49 x 5 − 104.2 = + 1248.05 kcal/mol ΔH0a (1,3-pentadieno) = −18.70 + 275.49 x 5 − 104.2 = + 1254.55 kcal/mol ΔH0a (2,3-pentadieno) = −33.10 + 275.49 x 5 − 104.2 = + 1240.15 kcal/mol

ΔH0a (C nH2n−2 )

∑D

0

Δ

1248.05

1250

- 1.95

1254.55

1250

+ 4.55

1240.15

1250

- 9.85

POLIOLEFINAS ACÍCLICAS

Hidrocarburo

ΔH0a (kcal / mol)

∑D (kcal / mol) 0

Δ

1248.05

1250

-1.95

1528.64

1533

-4.36

971.01

967

+4.01

1254.55

1250

+4.55

1254.45

1250

+4.45

1255.15

1250

+5.15

1537.94

1533

+4.94

CH2 C CH2

676.35

684

-7.65

CH2

958.21

967

-8.79

1240.15

1250

-9.85

1242.25

1250

-7.75

1238.45

1250

-11.55

CH2

CH CH2

CH CH2

CH2 CH CH2 CH2 CH CH2

CH2

CH CH

H2C HC

CH2

CH3

H

H

H2C HC

H CH3

H

CH3 CH2

C CH CH2

CH3 CH3 CH2

C

C

CH2

C CH CH3

CH3 CH

C CH CH3

CH3 CH2 C C CH2

CH3

C CH CH2

CH3

V

83

POLIOLEFINAS CÍCLICAS

(CnHn)

ΔH0a = ( − ΔH0f (C nHn ) + 223.39 n) kcal / mol

(CnHn+1)

ΔH0a = ( −ΔH0f (CnHn+1 ) + 223.39 n − 52.102) kcal / mol

(CnHn+2)

ΔH0a = ( − ΔH0f (C nHn ) + 223.39 n − 104.20) kcal / mol

Siguen algunos ejemplos. Poliolefina

ΔH0f (kcal / mol)

ΔH0a (kcal / mol)

∑D (kcal / mol) 0

Δ

32.1

1136.95

1145

-8.05

47.5

1292.84

1293

-0.16

25.4

1419.14

1428

-8.86

43.2

1572.63

1576

-3.37

V

84

ESTRUCTURA ELECTRÓNICA DE LAS MOLÉCULAS ORGÁNICAS ORBITALES ATÓMICOS HÍBRIDOS LOCALIZADOS DEL CARBONO

HIBRIDACIÓN sp: Los híbridos sp se obtienen por combinación lineal de un OA 2s y un OA 2p de carbono

_

+

.

.

dos OAs sp(C)

OA pz

OA pz

. .

+

sp(C)

2px(C)

OA sp

_

sp(C)

+ 2s(C)

+

. .

.

.

OA py

OA sp

OA py átomo de carbono con hibridación sp

átomo de carbono con hibridación sp

HIBRIDACIÓN sp2: Los híbridos sp2 se obtienen por combinación lineal de un OA 2s y dos OAs 2p de carbono

.

+ _ _

+

+

2s(C)

+

2px(C)

.

tres OAs sp2(C)

OA pz

OA pz OA sp2

. .

.

+

tres OAs sp2(C)

2py(C)

OA sp2

_

. .

.

sp2(C) +

OA sp2

_ átomo de carbono con hibridación sp2

átomo de carbono con hibridación sp2

_ + sp2(C) +

_ +

sp2(C)

V

85

HIBRIDACIÓN sp3: Los híbridos sp3 se obtienen por combinación lineal de un OA 2s y tres OAs 2p de carbono

. +

+

+

.

.

.

2px(C)

2s(C)

cuatro OAs sp3(C)

2py(C)

2pz(C)

sp3(C) + .

OA sp3

OA sp

3

OA sp3

.

.

_ _

3

sp (C) +

.

OA sp3 átomo de carbono con hibridación sp3

átomo de carbono con hibridación sp3

3 + sp (C)

_

+ _

+ sp3(C)

ORBITALES MOLECULARES LOCALIZADOS

Los OMs localizados se obtienen por combinación lineal de OAs localizados (OAs híbridos) entre sí o por combinación lineal de OAs localizados con otros OAs (p.e. un OA 1s del átomo de hidrógeno)

ORBITALES MOLECULARES LOCALIZADOS DEL ACETILENO H

C

C

C: 1s2 2s2 p2

H

1s2 2s1 px1py1pz1

electrones de valencia

1 Formación de dos OAs híbridos sp de carbono:

+ _

+ 2px(C)

2s(C)

_ +

dos OAs sp(C)

2 Formación de un OM localizado σ[C(sp)-C(sp)] por combinación lineal de dos OAs híbridos sp de C: C(sp) .

.

dos OAs sp(C)

+

.

.

.

C(sp) . .

.

dos OAs sp(C) σ [C(sp)-C(sp)]

V

86

La combinación lineal de dos OAs p, empleando el eje de simetria de ambos (interacción frontal), da lugar a orbitales moleculares σ (enlace σ)

3 Formación de dos OMs localizados π por combinación lineal de dos OAs (py ,pz) de C: 2pz

2pz

π

.

2py

.

.

. . .

. .

2py π

La combinación lineal de dos OAs p, de forma paralela (interacción lateral), da lugar a orbitales moleculares π (enlace π)

4 Formación de dos OMs σ por combinación lineal de un OA híbrido localizado sp del C y un OA 1s del H: C(sp) .

+

σ [C(sp)-C(sp)]

C(sp)

.

. .

.

.

.

+

1s(H)

1s(H)

.

. .

.

σ [H(1s)-C(sp)]

.

σ [H(1s)-C(sp)]

ORBITALES MOLECULARES LOCALIZADOS DEL ACETILENO

π [C(2py)-C(2py)]

H

C

σ [C(sp)-H(1s)] C

H

σ [C(sp)-C(sp)] π [C(2pz)-C(2pz)]

ORBITALES MOLECULARES LOCALIZADOS DEL ETILENO H

H C H

C: 1s2 2s2 p2

C

1s2 2s1 px1py1pz1

electrones de valencia

H

Formación de tres OAs híbridos sp2 de carbono: .

+ + 2s(C)

_ _

+ +

2px(C) 2py(C)

_

+

tres OAs sp2(C)

.

.

tres OAs sp2(C)

V

87

2 Formación de un OM localizado σ[C(sp2)-C(sp2)] por combinación lineal de dos OAs híbridos sp2 de C: .

. .

+

.

.

.

. .

.

.

. C(sp2)

.

C(sp2)

σ [C(sp2)-C(sp2)]

3 Formación de un OM localizado π[C(pz)-C(pz)] por combinación lineal de OAs pz del C: 2pz

2pz

.

.

. .

.

. . .

. .

. .

. .

π [C(2pz)-C(2pz)]

Formación de cuatro OMs localizados σ[C(sp2)-H(1s)] por combinación lineal de híbridos C(sp2) e H(1s):

. . .

.

.

. . .

..

. . . .

.

+

. . . .

..

H(1s)

ORBITALES MOLECULARES LOCALIZADOS DEL ETILENO

π [C(2pz)-C(2pz)] H

H C

C

H

σ [H(1s)-C(sp2)] H

2

2

σ [C(sp )-C(sp )]

ORBITALES MOLECULARES LOCALIZADOS DEL ETANO

HH

H C H

H

C: 1s2 2s2 p2

C

1s2 2s1 px1py1pz1

electrones de valencia

H

1 Formación de cuatro OAs híbridos sp3 de C: .

2s(C)

+

+

+

.

2px(C) 2pz(C)

2py(C)

.

.

cuatro OAs sp3(C)

V

88

2 Formación de un OM localizado σ[C(sp3)-C(sp3)] por combinación lineal de dos OAs híbridos sp3 de C:

. .

.

.

.

.

. .

.

+

.

. C(sp3)

.

.

.

.

.

σ [C(sp3)-C(sp3)]

C(sp3)

3 Formación de seis OMs localizados σ[C(sp3)-H(1s)] por combinación lineal de híbridos C(sp3) e H(1s): . . . .

.

. .

+

.

.

.

.

.

. .

.

. .

H(1s)

.

.

.

.

σ [C(sp3)-C(sp3)] ORBITALES MOLECULARES LOCALIZADOS DEL ETANO

σ [C(sp3)-C(sp3)] H

H C

H

H

σ [H(1s)-C(sp3)]

C H

H

TIPOS DE HIBRIDACIÓN Y GEOMETRÍA MOLECULAR

C(2s1px1py1pz1)

geometría

grupo funcional

tipo de enlace

sp

σ [C(sp)-C(sp)]

C

C

C

C

(alquinos)

sp2

σ [C(sp2)-C(sp2)]

C

C

C

C

(alquenos)

sp3

σ [C(sp3)-C(sp3)]

C

C

C

C

(alcanos)

sp3

σ [C(sp3)-O(sp3)]

C

O

C

O:

(alcoholes, éteres)

sp2

σ [C(sp2)-O(sp2)]

C

O

sp3

σ [C(sp3)-N(sp3)]

C

N

sp

σ [C(sp)-N(sp)]

C

N

:

híbrido

O(2s1px1py2pz1)

:

átomo

O:

(aldehidos, cetonas)

C

N:

(aminas)

:

:

:

: :

:

N(2s2px1py1pz1)

C

C

N : (nitrilos)

V

89

ESTRUCTURA ELECTRÓNICA DE GRUPOS FUNCIONALES

ALCOHOLES Y ÉTERES

. .

C: 1s2 2s1 px1py1pz1

.

+

+

+

.

2pz(C)

.

.

+

.

. +

+

2px(O)

2s(O)

cuatro OAs sp3(C)

2py(C)

. ..

.

2px(C)

2s(C)

O: 1s2 2s2 px1py2pz1

.

.

..

. 2pz(O)

..

.

cuatro OAs sp3(O)

2py(O)

Orbitales moleculares localizados del metanol H Metanol:

C H

H

.

.

.

.

.

.

OH

. .

.

+

.. . .

.

.

σ [C(sp3)-O(sp3)]

O(sp3)

C(sp3)

.. . .

.

. .

. . . .

.

. . . .

.

+ .. . .

.

.

H(1s)

.

.

.. . .

.

σ [C(sp3)-O(sp3)]

ORBITALES MOLECULARES LOCALIZADOS DEL METANOL

σ [C(sp3)-O(sp3)] H

H H

C

σ [H(1s)-O(sp3)]

O

H σ [H(1s)-C(sp3)]

V

90

Orbitales moleculares localizados del dimetil éter CH3

: :

Dimetil éter:

O

:O:

H

CH3

H H

H H

H

. . . . .

2 .

.

.

. . .

.

+

.

.. . .

. C(sp3)

.

σ [C(sp3)-O(sp3)] .. . .

.

σ [C(sp3)-O(sp3)]

O(sp3)

.. . .

.. . .

O(sp3) . .

.

.

.

.

. .

.

.

.

.

+

.

.

C(sp3)

.

.

.

.

. .

.

.

C(sp3)

.

. .

.

.

ORBITALES MOLECULARES LOCALIZADOS DEL DIMETIL ÉTER

σ [H(1s)-C(sp3)]

σ [C(sp3)-O(sp3)] : O:

H

H

H

H H

H

ALDEHIDOS Y CETONAS

. .

C: 1s2 2s1 px1py1pz1

.

+

2s(C)

+

.

. +

.

.

.

2px(C) 2pz(C)

2py(C)

cuatro OAs sp3(C)

OA pz .

. C 1s2 2s1 px1py1pz1

. 2s(C)

.

+

. .

.

+

+

.

.

2px(C) 2py(C)

2pZ(C)

tres OAs sp2(C) + un OA pz(C)

V

91

.

. O: 1s2 2s2 px1py2pz1

..

.

+

. ..

..

+

+ .

2px(O)

2s(O)

.

2py(O)

tres OAs sp2(O) + un OA pz(O)

2pz(O)

Con el fin de no complicar los dibujos, primero aparece un diagrama con el esqueleto de enlaces σ, y después otro con los enlaces π. Orbitales moleculares localizados del acetaldehido O

..

. .

σ [C(sp2)-O(sp2)]

O σ [H(1s)-C(sp2)]

.

.

O

:

..

C

CH3

:

H

Acetaldehido: CH3 C H

.

.

.

C

H C

.

H

H

H

σ [C(sp3)-C(sp2)] . . . .

[H(1s)-C(sp3)] σ

.

.

. .

.

. . .

.

. .. ..

. .

H CH3

C

O

.

.

ORBITALES MOLECULARES LOCALIZADOS DEL ACETALDEHIDO

σ [C(sp2)-O(sp2)]

[C(pz)-O(pz)]π O

H

σ[H(1s)-C(sp2)]

C

H

H

[H(1s)-C(sp3)]σ H

σ [C(sp3)-C(sp2)]

V

92

Orbitales moleculares localizados de la dimetilcetona O O Dimetilcetona:

..

H

H

O σ [C(sp2)-C(sp3)]

.

.

.

.

.

.

.

. . . .

.

.

. .

CH3

H H

CH3

H H

σ [H(1s)-C(sp3)]

.. ..

. .

H

C

H

.

.

H

. .

[C(sp3)-C(sp2)] σ

[H(1s)-C(sp3)] σ

H

H

..

σ [C(sp2)-O(sp2)]

.

C

H

CH3 C CH3

CH3

C

O

CH3

ORBITALES MOLECULARES LOCALIZADOS DE LA DIMETILCETONA

[C(pz)-O(pz)]π

H

σ [C(sp2)-O(sp2)] O

H

H H

C

σ [H(1s)-C(sp3)] H

H 2

σ [C(sp )-C(sp3)]

ÁCIDOS CARBOXÍLICOS

. C: 1s2 2s1 px1py1pz1

. 2s(C)

.

+

+

.

. +

.

.

.

2px(C) 2pz(C)

2py(C)

cuatro OAs sp3(C)

V

93

OA pz .

. C 1s2 2s1 px1py1pz1

.

.

+

2s(C)

+

.

2px(C)

.

+

+

+

..

.

2pz(O)

..

.

+

.

. ..

. .

.

2px(O)

2s(O)

.

.

+

+

..

cuatro OAs sp3(O)

2py(O)

. O: 1s2 2s2 px1py2pz1

.

.

2px(O)

2s(O)

tres OAs sp2(C) + un OA pz(C)

2pZ(C)

. ..

. .

.

+

2py(C)

O: 1s2 2s2 px1py2pz1

.

2py(O)

tres OAs sp2(O) + un OA pz(O)

2pz(O)

Con el fin de no complicar los dibujos, primero aparece un diagrama con el esqueleto de enlaces σ, y después otro con los enlaces π. Orbitales moleculares localizados del ácido acético O O Ácido acético:

H

CH3 C OH

H

C O

H

H

..

. .

σ [C(sp2)-O(sp2)] 3

..

O

2

3

[C(sp )-C(sp )] σ

.

σ [O(sp )-C(sp )] .

.

.

. .

. . . .

C

H

.

[H(1s)-C(sp3)] σ

2

.

H O

H H

.. ..

V

94

.

. CH3

.. ..

. .

HO

CH3

C

O

HO

ORBITALES MOLECULARES LOCALIZADOS DEL ÁCIDO ACÉTICO

σ [C(sp2)-O(sp2)]

[C(pz)-O(pz)]π O

H

C

H [H(1s)-C(sp2)]σ

σ [H(1s)-O(sp3)] O

H σ [O(sp3)-C(sp2)]

H

σ [C(sp3)-C(sp2)]

ÉSTERES

Orbitales moleculares localizados del acetato de metilo O O Acetato de metilo:

H

CH3 C OCH3

H

H

C

H

H

..

..

. .

σ [C(sp2)-O(sp2)]

σ [O(sp3)-C(sp2)]

.

.

.

.

. .

.

[H(1s)-C(sp3)] σ

C

H .

.. . .

. . . .

CH3 O

H H

.

σ [O(sp3)-C(sp3)]

.

. CH3

O

. . . .

[C(sp3)-C(sp2)] σ .

H

O

.. ..

. .

CH3O

CH3

C

O

CH3O

ORBITALES MOLECULARES LOCALIZADOS DEL ACETATO DE METILO

σ [C(sp2)-O(sp2)]

[C(pz)-O(pz)]π O H

H

σ [C(sp3)-O(sp3)]

C O

[H(1s)-C(sp2)]σ H

CH3 σ [O(sp3)-C(sp2)]

σ [C(sp3)-C(sp2)]

V

95

ANHIDRIDOS DE ÁCIDOS

Orbitales moleculares localizados del anhidrido acético H

H O

O Anhidrido acético:

..

CH3 C O

..

.

C

C

O

O

O

. . H

[C(sp3)-C(sp2)] σ

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

[H(1s)-C(sp3)] σ

H H

.

. .

σ [C(sp2)-O(sp2)]

O

H H

C CH3

.. ..

. . . .

2

σ [C(sp )-O(sp )]

H

H H

.

CH3

.. ..

. .

CH3

.

.

O

H H

.

C O

. . . .

3

.

C

O

.. ..

. . CH3

C

O

O C

O

CH3

ORBITALES MOLECULARES LOCALIZADOS DEL ANHIDRIDO ACÉTICO

σ[O(sp2)-C(sp2)]

[O(2pz)-C(2pz)]π

H

H

O

O

C

C

σ [C(sp3)-C(sp2)] H

O

H σ [H(1s)-C(sp3)]

H

H 2

σ [C(sp )-O(sp3)]

HALUROS DE ÁCIDOS

Orbitales moleculares localizados de un haluro de acetilo O O Haluro de acetilo:

CH3 C X

H

H

C X H

V

96

..

..

. . [C(sp3)-C(sp2)] σ .

.

H

..

.

.

.

. .

H

. . ..

. .

[H(1s)-C(sp3)] σ

X

C

.

.

..

C

H

σ [X(sp3)-C(sp2)] .

.

O

σ [C(sp2)-O(sp2)]

.. ..

. . .

H

C

X

O

. . ..

ORBITALES MOLECULARES LOCALIZADOS DE UN HALURO DE ÁCIDO

σ [C(sp2)-O(sp2)]

[C(pz)-O(pz)]π

H

O

H

C X

[H(1s)-C(sp2)]σ

σ [X(sp3)-C(sp2)]

σ [C(sp3)-C(sp2)]

H

AMINAS

Orbitales moleculares localizados de la dimetilamina H H CH3 N CH3

N

H

H

:

Dimetilamina:

:

H

H

H

H

. . .. .

. .

2 .

. C(sp3)

+

.

. . .

. .

..

N(sp3)

.

.

. σ [C(sp3)-N(sp3)]

.

..

σ [C(sp3)-N(sp3)]

V

97

. . ..

. ..

N(sp3) .

.

.

.

.

. .

.

.

.

.

+

.

C(sp3)

.

.

. .

.

.

. .

.

. .

. .

C(sp3)

. .

ORBITALES MOLECULARES LOCALIZADOS DE LA DIMETILAMINA

H

H

σ [C(sp3)-N(sp3)]

H

: N H

H

σ [H(1s)-N(sp3)]

[H(1s)-C(sp3)] σ H

H

AMIDAS

Orbitales moleculares localizados de la N-metilacetamida O O H

CH3 C NH CH3

H

C

N

..

. .

[C(sp2)-O(sp2)] σ

σ [N(sp3)-C(sp2)]

[C(sp3)-C(sp2)] σ .

3

.

.

.

.

. .

.

[H(1s)-C(sp )] σ

.. . .

. . .

.

CH3 NH

O . . . .

C

H

.

H H C

C

N

H H

H

H

.

σ [N(sp3)-C(sp3)]

.

. CH3

H

H

H

..

:

N-Metilacetamida:

H H

. .

.. ..

CH3 CH3

H N

C

O

V

98

ORBITALES MOLECULARES LOCALIZADOS DE LA N-METILACETAMIDA

σ [C(sp2)-O(sp2)]

[C(pz)-O(pz)]π O H

H

H

C N H

3

[H(1s)-C(sp )]σ H H

σ [H(1s)-C(sp3)]

H

σ [N(sp3)-C(sp3)]

σ [C(sp2)-N(sp3)]

[C(sp3)-C(sp2)] σ

NITRILOS

Orbitales moleculares localizados del etanonitrilo H Etanonitrilo: CH3 C N :

C

C

N

H H

σ [C(sp3)-c(sp)] .

. . .

.

+

.

.

+

..

.

sp(C)

. . .

sp(N)

. .

.

3

sp (C)

σ [C(sp)-N(sp)] .

. . . .

. .

..

. .

. . .

.

+

.

.

2pz

.

. .

..

.

.

2pz

π

2py

H

H H

2py π

ORBITALES MOLECULARES LOCALIZADOS DEL ACETONITRILO

σ [C(sp3)-C(sp3)] π [C(py)-N(py)]

H

3

[H(1s)-C(sp )] σ

C

C

N:

H H

π [C(pz)-N(pz)] σ [C(sp)-N(sp)]

V

99

NITRODERIVADOS

. .

C: 1s2 2s1 px1py1pz1

.

+

2s(C)

.

.

+

+

.

.

.

2px(C) 2pz(C)

2py(C)

cuatro OAs sp3(C)

OA pz .

. N 1s2 2s2 px1py1pz1

..

.

+

2s(N)

+

. . ..

.

+

2px(N) 2py(N)

2pz(N)

tres OAs sp2(N) + un OA pz(N)

[ OA sp3 vacio ]

. 2

O: 1s

2s

2

px1py2pz1

. .

.

+

. +

+

2px(O)

2s(O)

2pz(O)

.. 2s(O)

.

+

+

2px(O)

cuatro OAs sp3(O)

2py(O)

.

.

.

..

+

. ..

.

2py(O)

2pz(O)

tres OAs sp2(O) + un OA pz(O)

H Nitrometano: CH3 NO2

H H

:

Orbitales moleculares localizados del nitrometano : + O N _ O: : :

O: 1s2 2s2 px1py2pz1

. .. .

..

.

V

100

..

..

. .

[N(sp2)-O(sp2)] σ

O

σ [N(sp2)-O(sp3)] (enlace dativo)

[C(sp3)-N(sp2)] σ .

. .

H H

.. .. ..

. .

[H(1s)-C(sp3)] σ

.

O

C

..

.

N

H

.

.

. O

O

.. ..

. .

CH3

N

H3C

O

ORBITALES MOLECULARES LOCALIZADOS DEL NITROMETANO

[N(sp2)-C(sp3)] σ

π [N(pz)-O(pz)] :

H [H(1s)-C(sp3)]σ

O:

+ N

C

σ [N(sp2)-O(sp2)]

H

_ O : : :

H

σ [N(sp2)-O(sp3)] (enlace dativo)

CUMULENOS

Orbitales moleculares localizados del 1,2-propadieno H CH2

σ [C(sp2)-C(sp)] . . .

. .

. .

. .

[H(1s)-C(sp )]σ

2

[C(sp )-C(sp)] σ

C

H

C

C H

.

H σ [H(1s)-C(sp2)]

. 2

H

()

C

()

1,2-Propadieno: H2C

.

H H

C

C

C H

V

101

π [pz(C)-pz(C)] H .

.

.

H

.

H H H

H

C C

C H

H [py(C)-py(C)] π

ORBITALES MOLECULARES LOCALIZADOS DEL 1,2-PROPADIENO

π [py(C)-py(C)] [pz(C)-pz(C)] π

H σ[H(1s)-C(sp2)]

C

C

()

H

C

H H

[C(sp2)-C(sp)] σ

σ[C(sp2)-C(sp)]

Orbitales moleculares localizados del 1,2,3-butatrieno H

C CH2

H

H C C

C C

()

H2C C

()

1,2,3-Butatrieno:

H

σ [C(sp2)-C(sp)] . .

. .

. .

[H(1s)-C(sp2)]σ

. .

H

.

H

C C C

C

H H

π [pz(C)-pz(C)]

π [pz(C)-pz(C)] .

H

σ [C(sp)-C(sp2)]

[C(sp)-C(sp)] σ

.

. . . .

. .

.

.

.

H

H H

H

H

C C

C C

H H

[py(C)-py(C)] π

ORBITALES MOLECULARES LOCALIZADOS DEL 1,2,3-BUTATRIENO

π[py(C)-py(C)] π [pz(C)-pz(C)]

[pz(C)-pz(C)] π

H [C(sp2)-C(sp)] σ

C

C

()

H

C

C

H H

σ [C(sp)-C(sp2)] σ [C(sp)-C(sp)]

V

102

POLIOLEFINAS CONJUGADAS

Orbitales moleculares localizados del1,3-butadieno 1,3-Butadieno:

H

CH2 CH CH CH2

C

C

H

H C

H

C

H

H

σ [C(sp2)-C(sp2)] .

.

. [H(1s)-C(sp2)]σ

.

H

H

σ [C(sp2)-C(sp2)]

. . .

.

.

H

. .

H

.

H

H

. .

[C(sp2)-C(sp2)] σ

.

. .

.

π [C(pz)-C(pz)] .

.

H

H H

.

.

H H

H

π [C(pz)-C(pz)]

ORBITALES MOLECULARES LOCALIZADOS DEL 1,3-BUTADIENO

π [C(pz)-C(pz)]

[H(1s)-C(sp2)]σ

σ [C(sp2)-C(sp2)] H C

H

C

H [C(sp2)-C(sp2)] σ

H

C

C

H

H

π [C(pz)-C(pz)]

[C(sp2)-C(sp2)] σ

Orbitales moleculares localizados del 1,3-ciclohexadieno H

H 1,3-Ciclohexadieno:

H

H

H

H

H

H

V

103

. 2

2

.

.

σ [C(sp2)-C(sp3)]

.

[C(sp )-C(sp )] σ

.

.

. .

. .

. .

H H

. .

[H(1s)-C(sp2)]σ

. .

σ [C(sp3)-C(sp3)]

H H

.

.

. .

. .

.

.

.

H H H H

. .

σ [H(1s)-C(sp3)]

.

π [C(pz)-C(pz)]

[C(pz)-C(pz)]π .

.

.

. H

H

H

H

ORBITALES MOLECULARES LOCALIZADOS DEL 1,3-CICLOHEXADIENO

[C(sp2)-C(sp2)]σ

π [C(pz)-C(pz)] H H

σ [H(1s)-C(sp3)] H

[C(sp2)-C(sp3)]σ

H σ [C(sp3)-C(sp3)]

EL MODELO DE ENLACE DESLOCALIZADO

ADVERTENCIA IMPORTANTE

La flecha de doble sentido se utiliza cuando una molécula no puede representarse de forma inequívoca con un sólo dibujo. Las distintas formas de dibujarla reciben el nombre de estructuras resonantes, y se relacionan entre sí mediante dicho símbolo.

Las estructuras resonantes se utilizan para dibujar las moléculas que aparecen en los tres apartados siguientes. APARTADO 1

Radicales, cationes y aniones de moléculas acíclicas y cíclicas con dobles enlaces conjugados, y número impar de átomos de carbono (alilo, pentadienilo, bencilo, etc.) Esta clase de moléculas reciben el nombre de hidrocarburos alternantes impares (ver más adelante, p. 114)

V

104

Para dibujar una estructura resonante de este tipo de moléculas se procede de la siguiente forma: a) Se marca con un asterisco el átomo de carbono que tiene la carga (o el electrón impar):

+ H2C CH CH2 *

H2C CH CH

+ CH2 *

+ CH CH2 *

b) Después se continúa marcando los átomos de forma que cada átomo marcado esté sólo unido a átomos sin marcar. Análogamente, cada átomo sin marcar sólo estará unido a átomos con asterisco. En definitiva, se trata de marcar un átomo de carbono si y otro no, comenzando por el que tiene la carga. + H2C CH CH2 * *

H2C CH CH * *

*

*

+ CH CH2 *

*

*

+ CH2 *

*

Cualquier estructura resonante que se dibuje tiene la carga (o el electrón impar) en un átomo con asterisco. El resto de los átomos (los que no tienen carga, o un electrón impar) están unidos entre sí por dobles enlaces.

H2C CH CH * *

H2C *

CH CH *

+ H2C CH CH2 * *

+ H2C CH CH2

H2C *

CH CH2 * _

H2C CH CH2

H2C CH CH2 * *

H2C CH CH2

+ CH CH2 *

. CH CH2 *

_

+ H2C CH CH

CH CH2

+ H2C CH CH

CH CH2

. H2C CH CH

CH CH2

. H2C CH CH

CH CH2

APARTADO 2

Cationes y aniones monocíclicos con número impar de carbonos. Estas moléculas no son hidrocarburos alternantes impares. Por consiguiente, no pueden marcarse con asteriscos. + H

H + + H

H _

H _

_ H

V

105

+

+ H

H

+ H

+ H

APARTADO 3

Moléculas cíclicas neutras con (4n+2) átomos de carbono (el benceno y todos sus derivados):

MOLÉCULAS ACÍCLICAS Y CÍCLICAS CON UN NÚMERO IMPAR DE ÁTOMOS DE CARBONO

Cualquier átomo de carbono perteneciente a un sistema de enlaces conjugados π se describe mediante hibridación sp2: pz (vacio)

. .

pz

pz (lleno)

.

.

. .

.

. .

.

. .

catión

radical

anión

MOLÉCULAS ACÍCLICAS

Todos los átomos de carbono están implicados en el sistema conjugado, pero únicamente se pueden dibujar estructuras resonantes con la carga (o el electrón impar) situada en los átomos marcados con asterisco. Alilo (catión)

El número de átomos de carbono del sistema conjugado es tres y el número de electrones π es dos: + H2C CH CH 2 * *

.

.

.

H

H

+

H H

+ H2C CH CH 2

H

H H

H

+ H

. H

V

106

Alilo (radical)

El número de átomos de carbono del sistema conjugado es tres y el número de electrones π es tres: H 2C

H2C CH CH2 * *

.

.

H

H

CH CH2

.

.

.

H

H

H

H

H

. H

H

H

Alilo (anión)

El número de átomos de carbono del sistema conjugado es tres y el número de electrones π es cuatro: _

_

H2C CH CH 2

H2C CH CH 2 * *

.

.

.

H .

H

_

H H

.

H

H

H

H

.

.

. _

H

H

Pentadienilo (catión)

El número de átomos de carbono del sistema conjugado es cinco y el número de electrones π es cuatro: .

.

.

H .

H

.

H

H

+

H

H

H2C CH CH * *

.

.

.

H

H

H .

+

H H

H

+ CH CH2 *

H

H .

+

H

+ H2C CH CH CH CH2

H .

H

H

H

.

+ H2C CH CH

H

H

CH CH2

Pentadienilo (radical)

El número de átomos de carbono del sistema conjugado es cinco y el número de electrones π es cinco: .

.

H .

H

.

.

H .

H H

H 2C *

CH CH *

H

CH CH3 *

.

H .

H H

H2C CH CH

H

CH

CH2

.

H

H .

H H

.

.

H

H . H

H

H2C CH

.

H . H

H

CH CH CH2

V

107

Pentadienilo (anión)

El número de átomos de carbono del sistema conjugado es cinco y el número de electrones π es seis: .

.

.

H .

H

.

H .

H

H

H.

. _

H

_

H

.

.

H H

H

.

H . H

.

H

.

H

.

H .

H

H

H

:

:

:

H2C CH CH CH CH2

H2C CH CH CH CH2

H2C CH CH CH CH2 * * *

H .

_

_

_

. _

H

MOLÉCULAS ACÍCLICAS (n = 1,2... ; n' = 0,1,2...) Tipo de sistema π

nc

H2C ( CH CH ) CH2 n

H2C

CH ( CH

CH)

H2C

CH ( CH

CH)

H2 C

CH ( CH

CH)

n'

n'

+ CH2 CH2 _ CH2

Especie

Tipo de enlace π

(2n + 2)

(2n + 2)

polieno

localizado

(2n'+ 3)

(2n'+ 2)

catión

no localizado

(2n'+ 3)

(2n'+ 3)

radical

no localizado

(2n' + 3)

(2n'+ 4)

anión

no localizado

: n'

n0 e(π)

Siguen algunos ejemplos: n = 1 ; nc = (2n + 2) = 4 ; n0 e(π) = (2n + 2) = 4:

1,3-butadieno

H2C

n = 1 ; nc = (2n' + 3) = 5 ; n0 e(π) = (2n' + 2) = 4:

catión pentadienilo

H2C CH CH * *

CH CH

CH2 + CH CH2 *

radical pentadienilo

H2C CH CH * *

. CH CH2 * _

n' = 1 ; nc = (2n' + 3) = 5 ; n0 e(π) = (2n' + 4) = 6:

anión pentadienilo

H2C CH CH * *

CH CH2 *

:

n' = 1 ; nc = (2n' + 3) = 5 ; n0 e(π) = (2n' + 3) = 5:

MOLÉCULAS CÍCLICAS MOLÉCULAS CÍCLICAS CON UN NÚMERO IMPAR DE ÁTOMOS DE CARBONO

Ciclopropenilo (catión)

El número de átomos de carbono del sistema conjugado es tres y el número de electrones π es dos: H +

+ H

+ H

V

108

.

.

.

.

.

+

.

+

+

Ciclopropenuro (anión)

El número de átomos de carbono del sistema conjugado es tres y el número de electrones π es cuatro: _

H

_

H

_ H

.

. .

.

. _

_

.

.

.

_

.

.

.

.

Ciclopentadienilo (catión)

El número de átomos de carbono del sistema conjugado es cinco y el número de electrones π es cuatro:

+

H

H

+

+ H

.

.

. .

.

.

+ .

+

+

Ciclopentadienuro (anión)

El número de átomos de carbono del sistema conjugado es cinco y el número de electrones π es seis: H _

H _

_ H

V

109

. .

. .

_.

. .

.

_.

.

.

_ .

.

Cicloheptatrienilo (catión)

El número de átomos de carbono del sistema conjugado es siete y el número de electrones π es seis: H +

+ H + H

+ H

Cicloheptatrienuro (anión) El número de átomos de carbono del sistema conjugado es siete y el número de electrones π es ocho: H _ _ H

_

_

H

H

MOLÉCULAS CÍCLICAS CON UN NÚMERO PAR DE ÁTOMOS DE CARBONO

Ciclobutadieno

El número de átomos de carbono del sistema conjugado es cuatro y el número de electrones π es cuatro:

Benceno

El número de átomos de carbono del sistema conjugado es seis y el número de electrones π es seis: ORBITALES MOLECULARES LOCALIZADOS DEL BENCENO

H Benceno:

H

H

H H

H

V

110

. .

.

.

. .

.

. .

2

[H(1s)-C(sp )]σ

.

.

.

H

. .

2

H

H

H

H

2

σ [C(sp )-C(sp )]

H .

.

. .

.

.

.

.

. .

π [C(pz)-C(pz)] .

.

.

.

.

.

ORBITALES MOLECULARES LOCALIZADOS DEL BENCENO

π [C(pz)-C(pz)] H

H σ [H(1s)-C(sp2)]

H

H H

H σ [C(sp2)-C(sp2)]

Ciclooctatetraeno

El número de átomos de carbono del sistema conjugado es ocho y el número de electrones π es ocho:

V

111

[10] anuleno

El número de átomos de carbono del sistema conjugado es diez y el número de electrones π es diez:

MODELO DE HÜCKEL MOLÉCULAS NO AROMÁTICAS, AROMÁTICAS Y ANTIAROMÁTICAS

Molécula cíclica no aromática: aquella cuya energía de enlace π es la misma que la de su homóloga acíclica. Sus enlaces son localizados, es decir, tienen diferente longitud y distinta energía. Molécula cíclica aromática: aquella cuya energía de enlace π es mayor que la de su homóloga acíclica. Sus enlaces no son localizados, y tienen la misma longitud e idéntica energía. Molécula cíclica antiaromática: aquella cuya energía de enlace π es menor que la de su homóloga acíclica. Sus enlaces no son localizados, pero tienen diferente longitud y distinta energía. A continuación aparecen algunos ejemplos de radicales, cationes y aniones de moléculas monocíclicas con un número impar de átomos de carbono: Radicales

Todos los radicales monocíclicos con (2n + 1) átomos de carbono y (2n + 1) electrones π en el ciclo son no aromáticos: HC

CH comparada con C H

H2C

CH

H2C

Cationes

Los cationes monocíclicos con (4n-1) átomos de carbono y (4n-2) electrones π son aromáticos: HC

CH C+ H

comparada con

H2C

CH

H2C +

Los cationes monocíclicos con (4n + 1) átomos de carbono y 4n electrones π son antiaromáticos:

V

112

HC comparada con

CH CH

H2C

H2C +

+

Aniones

Los aniones monocíclicos con (4n + 1) átomos de carbono y (4n + 2) electrones π son aromáticos: HC comparada con

CH

H2C

_

H2C

CH _

Los aniones monocíclicos con (4n-1) átomos de carbono y 4n electrones π son antiaromáticos: HC

CH C H

comparada con

_

H2C H2C

CH _

EJEMPLOS

n = 1 ; 4n = 4 ; n0 e(π) = 4n = 4 ;

CICLOBUTADIENO

(antiaromático) :

n = 1 ; (4n + 2) = 6 ; n0 e(π) = (4n + 2) = 6 ;

BENCENO

n = 1 ; (2n + 1) = 3 ; n0 e(π) = (2n + 1) = 3 ;

CICLOPROPENILO

(aromático) :

(radical: no aromático) :

H

n = 1 ; (4n - 1) = 3 ; n0 e(π) = (4n - 2) = 2 ;

CICLOPROPENILO

H

+

(catión: aromático) :

+

H

+ H

V

113

n = 1 ; (4n - 1) = 3 ; n0 e(π) = 4n = 4 ;

CICLOPROPENILO

(anión: antiaromático) : _

_

:

:

H

H

:

_ H

n = 1 ; (4n + 1) = 5 ; n0 e(π) = (4n + 2) = 6 ;

CICLOPENTADIENILO

(anión: aromático) :

H _

H :_

:

:

_

H

n = 1 ; (4n + 1) = 5 ; n0 e(π) = 4n = 4 ;

CICLOPENTADIENILO

+

(catión: antiaromático) : H

H

+

+ H

En las tablas siguientes se resume el carácter no aromático, aromático o antiaromático de las moléculas monocíclicas:

MOLÉCULAS NEUTRAS (anulenos)

nc =

4 (antiaromático)

6 (aromático)

8 (antiaromático)

10... (aromático)

CATIONES MONOCÍCLICOS + +

+ H nc =

H

H

+ H

3

5

7

(aromático)

(antiaromático)

(aromático)

9... (antiaromático)

ANIONES MONOCÍCLICOS

_

_ H nc =

3 (antiaromático)

H 5 (aromático)

_

H

_ H 7 (antiaromático)

9... (aromático)

V

114

MOLÉCULAS MONOCÍCLICAS (n = 1,2...) Átomos del ciclo

n0 e(π )

Especie

Carácter

Tipo de enlace

4n

4n

anuleno

antiaromático

no localizado

(4n + 2)

(4n + 2)

anuleno

aromático

no localizado

(2n + 1)

(2n + 1)

radical

no aromático

localizado

(4n - 1)

(4n - 2)

monocatión

(4n - 1)

4n

monoanión

(4n + 1)

(4n + 2)

monoanión

aromático

no localizado

(4n + 1)

4n

monocatión

antiaromático

no localizado

aromático

no localizado

antiaromático

no localizado

HIDROCARBUROS ALTERNANTES IMPARES

Son hidrocarburos con un número impar de carbonos, que tienen un sistema de dobles enlaces conjugados, unido directamente a un átomo de carbono con carga o con un electrón impar:

H2C CH CH

+ CH2

+ CH CH2

En los hidrocarburos alternantes impares existen dos tipos de átomos de carbono. Con el fin de diferenciarlos, se comienza marcando con un asterisco el átomo de carbono que tiene la carga (cationes o aniones) o el electrón impar (radicales) Después se continúa marcando los átomos de forma que cada átomo marcado esté sólo unido a átomos sin marcar. Análogamente, cada átomo sin marcar sólo estará unido a átomos con asterisco. En definitiva, se trata de marcar un átomo de carbono si y otro no, comenzando por el que tiene la carga. *

* *

*

+ CH2 *

*

Los hidrocarburos alternantes impares pueden ser acíclicos o cíclicos. Estos últimos son derivados de benceno con una cadena en la que existen dobles enlaces conjugados y/o un átomo de carbono con carga o con un electrón impar. Cualquier estructura resonante que se dibuje de un hidrocarburo alternante impar tiene la carga (o el electrón impar) en un átomo con asterisco. El resto de los átomos (los que no tienen carga, o un electrón impar) están unidos entre sí por dobles enlaces. Ejemplos de hidrocarburos alternantes impares acíclicos: + H2 C CH CH 2 * *

H2C CH CH * *

_ CH CH2 *

_ H2C CH CH

+ H2 C CH CH 2

CH CH2

_ H2C CH CH

CH CH2

V

115

Ejemplos de hidrocarburos alternantes impares derivados de benceno: _ CH2 *

* *

*

+ CH2 *

*

* *

*

*

Catión 3-fenilpropenilo

Anión bencilo

+ CH2 *

*

*

* *

Catión 5-fenil 2,4-pentadienilo

Todos los átomos de carbono están implicados en el sistema conjugado, pero únicamente se pueden dibujar estructuras resonantes con la carga (o el electrón impar) situada en los átomos marcados con asterisco:

Anión bencilo:

El número de átomos del sistema conjugado es siete y el número de electrones π es ocho: _ CH2 *

*

_*

*

*

* CH2 _ *

*

*

* CH2

*

*

*

*

*

H *

*

*

*

H *

*

H *

*

H

*

*

H

*

*

_

H *

*

H

* CH2

*

*

H

Catión 3-fenilpropenilo:

El número de átomos del sistema conjugado es nueve y el número de electrones π es ocho:

*

* *

+ CH2 *

+ *

*

*

*

* *

* CH2

* *

* CH2

*

*

*

* *+

+ *

* CH2

*

*

* CH2

+*

V

116

Catión 5-fenil-2,4-pentadienilo:

El número de átomos del sistema conjugado es once y el número de electrones π es diez:

*

+ CH2 *

*

*

*

*

*

+* *

*

*

* +

*

* *

*

*+

*

*

*

*

CH2 *

+*

*

CH2 *

CH2 *

*

CH2 *

*

*

* *

*

*

CH2 *

+*

Existen moléculas en las que no todos los átomos de carbono pertenecen al sistema conjugado. En cualquier sistema conjugado, el átomo de carbono con carga (o con un electrón impar) está directamente unido a un átomo de carbono con doble enlace. C(sp3) [no pertenece al sistema conjugado] H 2C *

+

CH

CH *

CH3

[sistema conjugado de tres carbonos sp2]

En el catión 3-butenilo el átomo de carbono 1 (con carga positiva) no está unido directamente al átomo de carbono 3 (con doble enlace) Por consiguiente, no se trata de un sistema conjugado: C(sp3) H2C CH CH2

+ CH2

El catión que aparece a continuación es un sistema conjugado de nueve átomos de carbono: C(sp3)

* CH

* *

*

CH3 + C CH *

C(sp3) 3 3 CH3 C(sp ) C(sp )

CH CH2

CH3

C(sp3)

sistema conjugado de 9 carbonos

V

117

CÁLCULO DE LOS COEFICIENTES DEL ORBITAL MOLECULAR NO ENLAZANTE

Todos los hidrocarburos alternantes impares tienen un ORBITAL MOLECULAR NO ENLAZANTE (ONE) Los coeficientes de dicho orbital tienen unas propiedades muy interesantes y se pueden calcular de forma sencilla. El valor de estos coeficientes es cero en los átomos que no tienen asterisco. En los átomos con asterisco su valor es distinto de cero. Este hecho permite realizar su cálculo sin problemas. Primero se marcan con asteriscos todos los átomos del sistema conjugado (comenzando por el que tiene la carga): + * CH2 *

* *

A continuación llamamos “a” al valor del coeficiente del ONE en un átomo que esté alejado del carbono que tiene la carga: + * CH2 *

* * a

La primera propiedad de los coeficientes del ONE es la siguiente: la suma de los coeficientes de todos los átomos con asterisco que estén unidos a un átomo sin asterisco es igual a cero: + * CH2 -a

-a *

* átomo sin asterisco

* a

[(a)+(−a)=0]

átomo sin asterisco [(a)+(−a)=0]

Finalmente, se utiliza esta primera propiedad para calcular el valor relativo del coeficiente en el carbono con carga: 2a + * CH2

átomo sin [(−a)+(−a)+2a=0] asterisco

* -a

-a * * a

La segunda propiedad de los coeficientes del ONE es esta: la suma de los cuadrados de todos los coeficientes de los átomos con asterisco es igual a la unidad:

V

118

+ 2a * CH2 * -a

-a * a* 2

2

(a) + (-a) + (-a)2+ (2a)2 = 1

7a2 = 1

1

a=

7

Los coeficientes del ONE en el radical bencilo serán los siguientes:

+ 2 CH2 7 * −

1 7

*−

*

1 7

*

1 7

El orbital molecular no enlazante será de la forma: Ψ ONE = 1

7

Φ1 − 1

7

Φ2 − 1

7

Φ3 + 2

7

Φ4

O su equivalente: Ψ ONE = − 1

7

Φ1 + 1

7

Φ2 + 1

7

Φ3 − 2

7

Φ4

Donde Φ1, Φ 2 , Φ 3 y Φ 4 son los orbitales atómicos que se han empleado en hacer la combinación lineal que da lugar a los orbitales moleculares. Como los signos de los coeficientes son intercambiables, existen dos formas de expresarlos que son equivalentes: + 2a * CH2 -a *

+ -2a * CH2 * -a

*a

a*

a*

* -a

2 + CH2 7 * −

1 7



*−

*

1 7

2 + CH2 7*

1 7 *

*

*

1 7

1 7

*



1 7

V

119

Siguen algunos ejemplos: + 2a * CH CH_CH2 * -2a -a * * -a

(-2a)2+ (2a)2+ (-a)2+ (a)2+ (-a)2 = 1 ; a =

1 11

a*

a*

-a * 2a *

-2a *

-a*

* -2a

-2a *

a * -a *

-a *

-2a *

a*

-a*

-a * + * 2a

-a*

a*

(4a)2+ (-2a)2+ (2a)2+ (-a)2+ (a)2+ (-a)2+ (-2a)2 = 1 ; a =

3a * CH2 + *

* -a

a*

a*

4a * CH _ 2

(-3a)2+ (3a)2+ (-2a)2+ a2+ (-a)2+ a2+ (-a)2 = 1 ; a =

1 31

1 26

-3a *a

(2a)2+ (-a)2+ a2+ (-a)2+ (-a)2+ a2+ (-a)2 = 1 ;

a=

(3a)2+ (-3a)2+ a2+ (-a)2+ a2+ (-2a)2+ (2a)2 = 1

a=

1 10

* -a

2a 3a + * * CH2

1 29

* -3a

CARGAS FORMALES EN CATIONES Y ANIONES DE HIDROCARBUROS ALTERNANTES IMPARES

La carga formal (Q) de un átomo de carbono, en un hidrocarburo alternante impar, es igual al cuadrado del coeficiente del orbital molecular no enlazante en dicho átomo de carbono. En los átomos de carbono sin asterisco el coeficiente del orbital molecular no enlazante es cero y, por consiguiente, su carga formal es también cero. (Q = + 0,57) + * CH2

+ 2 * CH2 (Q = + 4a ) (Q = + a2) *

2 * (Q = + a )

* (Q = + a2)

a = 1/

7

(Q = + 0,14) *

* (Q = + 0,14) * (Q = + 0,14)

V

120

(Q = + 0,36) + (Q = + 0,36) * CH=CH-CH2 *

(Q = + 4a 2) + (Q = + 4a2) * CH=CH-CH2 * 2 * (Q = + a )

(Q = + a2) *

a = 1/

* (Q = + 0,09)

(Q = + 0,09) *

11

* (Q = + 0,09)

* (Q = + a2)

a2 *

a2 * 4a2 *

4a2 16a2 * _* CH2

*2 a

* 4a2

4a2 *

a2 * a2 *

- 0,13 - 0,03 *

31

a = 1/

*a

2

*

- 0,03 * * - 0,03

* - 0,13

+ 0,04 + 0,15 + 0,35 * * *

9a2 *

* a2

a = 1/

26 + 0,04 *

* CH2 + 9a2

*

* + 0,04

2

a *

a *

a2*

2

+ 0,1 *

*a

a = 1/

* + 4a2

* a2

* CH2 + 0,35 +

+ 0,04

+ 0,1 2

- 0,13 * _* - 0,52 CH2

10

*

+ 0,1 *

* + 0,1

* + * * + 0,1 + 0,4 + 0,1

* a2

ÁTOMOS DE CARBONO REACTIVOS Y NO REACTIVOS

Los cationes y aniones de los hidrocarburos alternantes impares, reaccionan con otros aniones y cationes a través del átomo de carbono con más carga Q: -a *

a* + -a *

-a * + a*

Br

2

-3a * + CH2

-3a * CH2 * 2a * -2a

_ Br *+ 2a

-a *

* 2a

Q(max.) = 4a

a *

-a *

a*

a *

-a * a*

CH2Br * 2a

Br

_

* -2a

Q(max.) = 9a2

V

121

+ * -a

* -a

CH2 a*

H2C a* Br

+ CH2 a*

H2C a*

_

Br

_

Br

a

*+ -a

-2a * *a

a

CH2 * 2a

CH2Br

H2C

CH2

H2C

*-a

Q(max.) = 4a2

-2a +* *a

a

* -a

CH2 * 2a

Br

_

-2a * *a + CH 2 * 2a Br

_

Br

CH2

CH2Br

ENTALPÍA DE ATOMIZACIÓN DE ANULENOS CnHn(n = 4, 6, 8…)

El número de carbonos es par: 4, 6, 8, etc.: CnHn(l,s)

nC(g) + nH(g)

ΔH0f (C nHn )

n ΔH 0a (C) + n ΔH 0a (H)

nC ( grafito ) +

n H2 ( g) 2

ΔH0a (CnHn ) = − Δ H0f (CnHn ) + 223 .39 n kcal / mol

Ejemplo: benceno ΔH0f (benceno) = +19.820 kcal/mol ΔH0a (benceno) = -19.820 + 223.39 x 6 = +1320.52 kcal/mol



Δ = 27.52 kcal/mol D 0 (benceno) = 3 x 148 + 3 x 89 + 6 x 97 = 1293 kcal/mol

V

122

La molécula de benceno (aromática) no puede describirse de acuerdo con el modelo de enlace localizado. La diferencia entre su entalpía de atomización y la suma de las energías de enlace es demasiado grande (Δ=27.52 kcal/mol) Empleando la misma metodología se puede calcular la entalpía de atomización de cualquier hidrocarburo bencenoide. HIDROCARBUROS AROMÁTICOS

Hidrocarburo

ΔH0f (kcal / mol)

ΔH0a (kcal / mol)

∑D (kcal / mol)

Δ

benceno tolueno etilbenceno o-xileno m-xileno p-xileno propilbenceno isopropilbenceno 1,3,5-trimetilbenceno butilbenceno α-metilestireno o-metilestireno m-metilestireno naftaleno antraceno fenantreno

19.82 11.95 7.12 4.54 4.12 4.29 1.87 0.94 -3.84 -3.30 27.00 28.30 27.60 ⎯ ⎯ ⎯

1320.52 1603.88 1883.20 1886.78 1887.20 1887.03 2164.94 2165.87 2170.65 2445.60 2035.61 2034.31 2035.01 2093.60 2863.86 2869.56

1293 1576 1859 “ “ “ 2142 “ “ 2425 2007 “ “ 2050 2807 “

27.52 27.88 24.20 27.78 28.20 28.03 22.94 23.87 28.65 20.06 28.61 27.31 28.01 43.6 56.86 62.56

0

EJERCICIOS ADICIONALES

5.1 Apartado 1: Ordena las moléculas de los siguientes apartados de acuerdo con su estabilidad relativa (mayor energía de enlace π) Indica en cada caso si la molécula es no aromática, aromática o antiaromática. 1.1)

+ H2C CH CH CH CH2

+ H2C CH CH CH CH2

(1)

(2)

+ H (3)

CH CH3 CH2

+

1.2)

+ (4)

1.3)

+ (6)

(5)

H2C CH CH CH CH CH CH2 (7)

_ (8)

(9)

V

123

Apartado 2: ¿Cuál será el producto principal que se obtendrá cuando cada uno de los carbocationes siguientes reacciona con anión bromuro? CH CH3

CH2

+ + +

+

CH2

(1)

H2C

CH2

+

(3)

(2)

(4)

(5)

5.2 Apartado 1: Averigua si el anión (1) puede describirse empleando el modelo de enlace localizado. CH2

_

ΔHa(H2)

D0(C=C) = 148 kcal/mol

= 104,2 kcal/mol

ΔHa (grafito) = 171,3 kcal/mol

D0(C-C) = 89 kcal/mol

ΔHf (1)

D0(C-H) = 97 kcal/mol

= 60,4 Kcal/mol

(1)

Apartado 2: ¿Qué producto se obtendrá cuando el anión (1) reacciona con agua? 5.3 ¿Qué productos se obtendrán en las siguientes reacciones:

Reacción 1: Cl

_

CH2 +

Reacción 2: _ CH2 H 3O +

5.4 Apartado 1: Ordena las moléculas de los siguientes subapartados de acuerdo con su estabilidad relativa (energía de enlace π) Indica en cada caso si la molécula es no aromática, aromática o antiaromática.

Subapartado a): Me CH3 CH CH CH2

CH3 CH CH CH2

(1)

(2)

H (3)

Subapartado b): CH3

+ H2C C CH CH CH CO2Et (4)

CO2Et

CH3 H2C C CH CH CH CO2Et + (5)

CH3

+ H (6)

V

124

Subapartado c): + CH2

CH2

Me + H H

+ + H

H (7)

H

Me

H

H (9)

(8)

(10)

Apartado 2: ¿Qué productos se obtendrán cuando cada uno de los carbocationes siguientes reacciona con anión cloruro? CH2

+ H (1)

H +

H

CH2 +

H

Me (2)

(3)

5.5 Averigua si la molécula de etilbenceno puede describirse de acuerdo con el modelo de enlace localizado.

ΔHa(H2) = 104.2 kcal/mol ; ΔHa (grafito) = 171.3 kcal/mol ; ΔHf (etilbenceno) = 7.12 kcal/mol D0(C=C) = 148 kcal/mol ; D0(C_C) = 89 kcal/mol ; D0(C_H) = 97 kcal/mol

V

6. EQUILIBRIO QUÍMICO Y REACTIVIDAD

ÁCIDOS Y BASES

MODELO DE BRONSTED-LOWRY

ÁCIDO: Molécula que puede perder un protón. BASE: Molécula que puede extraer un protón de un ácido

O

: :

:O H :

H

:

C O

+ H OH2

+

:

O _ CH3 C O :

H :

CH3

ác. acético

agua

anión acetato

catión hidronio

(ácido)

(base)

base conjugada del ac. acético

ácido conjugado del agua

HO H

+

CH3CH2

agua (ácido)

NH2

HO

Etilamina (base)

H

_

+

CH3CH2

NH2 +

anión hidroxilo

catión etilamonio

base conjugada del agua

ácido conjugado de la Etilamina

MODELO DE LEWIS

ÁCIDO: Molécula o ión con un orbital vacío que puede aceptar un par de electrones. BASE: Molécula o ión con un par de electrones no enlazantes (situados en un orbital que no interviene en ningún

enlace) que puede cederlos a otra molécula o ión con otro orbital vacío (ácido)

CH3

CH3

Cl

O:

B Cl Cl

Éter dimetílico (base de Lewis)

Tricloruro de boro (ácido de Lewis)

CH3 Cl _ + B Cl CH3 O Cl complejo del Éter dietílico con Tricloruro de boro

2+

H :

Zn2+

Etanol (base de Lewis)

CH3CH2 O

:

:

CH3CH2 OH

Catión cinc (ácido de Lewis)

Zn

complejo de catión cinc y Etanol

VI

126

REACCIONES ÁCIDO – BASE ENTRE COMPUESTOS ORGÁNICOS CONSTANTES DE ACIDEZ Y pKa

O

O

CH3__C__OH

CH3__C__O

H2O

+

_

+

H3O

+

Keq =

_ [CH3CO2 ] [H3O+] [CH3CO2H ] [H2O]

Cuando la disolución es diluida, la concentración de agua es mucho mayor que las concentraciones del resto de las sustancias que intervienen en el equilibrio. Si la concentración de agua se considera constante el error que se comete es despreciable:

[H2O] = cte.

Keq [H2O] = Ka =

_ [CH3CO2 ] [H3O+] [CH3CO2H ]

= 1,75 x 10-5

La constante de equilibrio de cualquier reacción ácido-base puede expresarse en función de las constantes de acidez de los ácidos que intervienen en la reacción. Considera la siguiente reacción entre ácido acético y anión terbutóxido:

CH3__CO2H

_

_

_

CH3__CO2

+ Me3C O

_ [CH3CO2 ] [Me3C_OH] _ Keq = [CH3CO2H ] [Me3CO ]

_

+ Me3C OH ácido (2)

ácido (1)

La constante de equilibrio de dicha reacción puede expresarse en función de Ka(1) y Ka(2): _ CH3 CO2 + H3O+

__

__

CH3 CO2H + H2O

Keq(1) =

ácido (1)

_ Me3C O + H3O+

_

_

Me3C OH + H2O

Keq(2) =

ácido (2)

REACCIÓN GLOBAL: CH3__CO2H + Me3C_O

_

_

CH3__CO2 + Me3C_OH

Keq(1) Keq(2)

=

_ [CH3CO2 ] [Me3C_OH] _ [CH3CO2H ] [Me3CO ]

En este caso: Ka (ácido acético) = 1,75 x 10–5 _ CH3__CO2H + Me3C_O ácido (1)

[CH3CO2H ] [H2O]

=

_ [Me3CO ] [H3O+]

=

[Me3COH] [H2O]

Ka(1) [H2O]

Ka(2) [H2O]

_ [CH3CO2 ] [Me3C_OH] _ Keq(3) = [CH3CO2H ] [Me3CO ]

ácido (2)

ácido (1)

Keq(3) =

_ [CH3CO2 ] [H3O+]

=

Ka(1) Ka(2)

=

Ka (ácido de partida) Ka (ácido obtenido)

Ka (alcohol ter-butilico) = 10–19 _ CH3__CO2 + Me3C_OH ácido (2)

Keq(3) =

1,7 x 10-5 10-19

14 = 1,7 x 10

VI

127

El concepto de pKa se define de la forma siguiente: pKa = − log Ka

log Keq(3) = log Ka (ácido de partida) - log Ka (ácido obtenido) = = - pKa (ácido de partida) + pKa (ácido obtenido)

K eq = antlog [pKa(ácido obtenido) − pKa(ácido de partida)] = antlog ΔpK a

_ CH3__CO2H + Me3C_O pKa 4,8

_ CH3__CO2 + Me3C_OH pKa 19

14 Keq = antlog (19 - 4,8) = 1,6 x 10

Siguen algunos ejemplos (ver Tabla de pKa en el Apéndice II): _ H2 O +

_

NC

HO

+

Keq = 2,5 x 10-7

NCH pKa 9,1

pKa 15,7

C6H5_CO2H +

_ C6H5_CO2

C6H5_NH2

+

+ C6H6_NH3 pKa 4,6

pKa 4,2

C6H5_OH +

Keq = 2,5

MeO

_

C6H5_O

_ +

Keq = 1,6 x 105

MeOH pKa 15,2

pKa 10

CH3_CO_CH2_CO_CH3

+

_ EtO

_ CH3_CO_CH_CO_CH3

+

pKa 9 _

O2N_CH2_CO2Et

+

HO

_ O2N_CH_CO2Et

+

pKa 5,8

H

_

_ CH2_CO_CH3 +

pKa 19

pKa 17

H2O

Keq = 108

Keq = 8 x 109

pKa 15,7

CH3_CO_CH3 +

CH3_CH2OH

EtOH pKa 17

1/2 H2

Keq = 1016

pKa 35

+

_ NH2

_ CH3_CH2O +

NH3

Keq = 1019

pKa 36

VI

128

1 Una molécula es tanto más ácida cuanto menor es el valor del pKa 2 Una molécula es tanto más básica cuanto mayor es el valor del pKa de su ácido conjugado 3 Cuanto más ácida es una molécula, menos básica es su base conjugada 4 Cuanto menos ácida es una molécula, más básica es su base conjugada 5 La reacción en equilibrio entre un ácido (1) y una base (2) está muy desplazada hacia la derecha cuando se cumple: [pKa (2) - pKa (1)] >> 1

Un ácido (1) reacciona con cualquier base (2) que esté situada por debajo de él en la tabla dando lugar al ácido (2) y a la base conjugada del ácido (1) (ver tabla de pKa en los apéndices)

ÁCIDO (1)

BASE CONJUGADA (1)

ÁCIDO (2)

BASE CONJUGADA (2)

ácido (1) + base (2)

ácido (2) + base (1)

pKa (1)

pKa (2)

El equilibrio estará tanto más desplazado hacia la derecha cuanto mayor sea la diferencia [pKa (2) – pKa (1)] Siguen algunos ejemplos: +

_ CH3_CO2

pKa (1) -1,7

base (2)

H3O+

CH3_CO2H pKa (1) 4,8

CH3_CO2H pKa (2) 4,8

_ HO

+

H2O

base (2)

+

pKa (2) 15,7

+

Keq = 3 x 106

H2O base (1)

_ CH3_CO2

Keq = 8 x 1010

base (1)

Una base (2) reacciona con cualquier ácido (1) que esté situado por encima de ella en la tabla, dando lugar a la base conjugada del ácido (1) y al ácido conjugado de la base (2)

ÁCIDO (1)

BASE CONJUGADA (1)

ÁCIDO (2)

BASE CONJUGADA (2)

base (2)

+

ácido (1) pKa (1)

base (1)

+

ácido (2) pKa (2)

El equilibrio estará tanto más desplazado hacia la derecha cuanto mayor sea la diferencia [pKa (2) – pKa (1)]

VI

129

A continuación aparecen dos ejemplos: CH3_NO2

_ CH2_NO2

pKa (1) 10,2

base (1)

_ Me3CO + base (2) _ NH2 +

pKa (1) 23

Keq = 6 x 108

Me3COH pKa (2) 19

_ CH2_CO2Et

CH3_CO2Et

base (2)

+

+

Keq = 1013

NH3 pKa (2) 36

base (1)

Las especies mayoritarias en el equilibrio son el ácido más débil y la base más débil:

base más fuerte

ácido más fuerte

_ Me3CO +

_ Me3CO + (1-α)

H2O

Me3COH

pKa 15,7

pKa 19

H2 O

Me3COH

(1-α)

α

α = 0,98

;

base más débil

ácido más débil

+

+

HO

HO

_

_

Keq = 1995

Keq =

α

α2 (1-α)2

= 1995

_ [Me3COH] = [HO ] = 0,98 moles / l

en el equilibrio

_ [Me3CO ] = [H2O] = 0,02 moles / l

Si [pKa (2) - pKa (1)] = 0 la constante de equilibrio es la unidad (Keq = 1)

Cuando la constante de equilibrio es la unidad: Keq = 1 _ CH3_CO_CH3 + Me3CO

α2 (1-α)2

=1

α = 0,5

_ CH2_CO_CH3 + Me3COH

pKa 19

Keq 1

pKa 19

_ _ En el equilibrio: [CH3COCH3] = [Me3CO ] = [CH2COCH3] = [MeCOH] = 0,5 moles / I

El valor α = 0,5 significa que el 50 % de acetona se transforma en su carbanión y el 50 % del anión terbutóxido se transforma en alcohol terbutílico.

EJERCICIO 6.1

¿Cuál debe ser la diferencia entre los pKa de los ácidos que intervienen en una reacción para que los reactivos se transformen en los productos en un 90 % ? A(1) + B(2)

B(1) + A(2)

VI

130

EJERCICIO 6.2

Se pretende obtener anión fenóxido a partir de fenol con un rendimiento elevado. Indica cuál de las bases siguientes es la más adecuada: metóxido sódico, dimetilamina, agua, acetato sódico, amoniaco, terc-butóxido potásico, amiduro sódico.

EJERCICIO 6.3

Calcula la constante de equilibrio de las reacciones del catión hidronio con los siguientes compuestos alifáticos: una amida, un ácido carboxílico, un éster, una cetona, un aldehido.

RELACIÓN ENTRE LA ENERGÍA LIBRE ESTANDAR, LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO Y EL pKa

La relación entre la variación de energía libre de una reacción y su constante de equilibrio es la siguiente: ΔG 0T = −2.303 R T log K eq

El superíndice indica que la presión es de 1 atmósfera y el subíndice es la temperatura absoluta a la que tiene lugar la reacción. Si la reacción transcurre a 1 atm. de presión y 250C (condiciones estandar): R = 1.987 × 10 −3 kcal / grado ⋅ mol ; T = (273 + 25) = 2980 K

ΔG 0298 = −2.303 × 1.987 × 10 −3 × 298 × log K eq = −1.36 × log K eq

⎛ ΔG0298 ⎞ ⎟ K eq = ant log ⎜ − ⎜ 1.36 ⎟ ⎠ ⎝ ΔG0298 = −1.36 [pK a (ácido obtenido) − pK a (ácido de partida)] kcal / mol

ΔG0298 = −1.36 ΔpKa

Si ΔG0298 = 0 Keq = 1 : 50 % de conversión de los reactivos en productos Si ΔG0298 > 0 Keq < 1 : el equilibrio está desplazado hacia la izquierda (la reacción no es útil en síntesis) Si ΔG0298 < 0 K eq > 1 : el equilibrio está desplazado hacia la derecha (la reacción si es útil en síntesis)

EJERCICIO 6.4

Calcula la variación de energía libre estándar de las reacciones que aparecen a continuación y decide si son útiles para obtener los productos situados a la derecha. _

Reacción 1: CH3_NO2 + CH3_CO2 Na+ _

Reacción 2: CH3_CO2Et + NH2 Na+

_ CH2_NO2 + CH3_CO2H + Na+ _ CH2_CO2Et + NH3 + Na+

VI

131

EQUILIBRIO QUÍMICO

La ley de reversibilidad microscópica implica que todas las reacciones son reversibles. Esto significa que el

mecanismo de una reacción, escrito de izquierda a derecha, es el mismo que si la reacción se escribe de derecha a izquierda, con el movimiento de electrones invertido.

EJERCICIO RESUELTO

Escribe el mecanismo de la siguiente reacción, cuando el proceso tiene lugar de derecha a izquierda: Br CH3

CH3

CH CH3

_

CH CH CH3

:

:

HO H

H

:

_ HO :

CH

: Br

:

RESPUESTA: : Br

_ Br

CH3 CH CH CH3 H

CH CH3

: :

: :

HO

CH3 CH _ HO : H

INSUFICIENCIA DE LOS CONCEPTOS TERMODINÁMICOS

Según el Segundo Principio de la Termodinámica, si una reacción tiene lugar es porque, al tener lugar, aumenta la entropía (desorden) del universo de la reacción. A

C

B

Si la molécula A puede transformarse en B o en C, a través de procesos que transcurren con la misma velocidad, una vez alcanzado el equilibrio, el producto mayoritario (B o C) será aquél que implique mayor aumento de entropía. Sin embargo, las situaciones de “vigencia plena” del Segundo Principio, no son excesivamente frecuentes, debido a que la velocidad de reacción puede ser muy lenta.

CH3

CH2

CH3 (g)

2CH4 (g)

+ C (grafito)

Keq = 1014

Si la reacción fuese muy rápida el propano no existiría. molécula orgánica + oxígeno

productos de combustión

La reacción tiene una constante de equilibrio muy alta (está “totalmente desplazada” hacia los productos de combustión) ¿Por qué no han ardido ya todos los bosques, toda la materia viva? La velocidad del proceso, a temperatura ambiente, es muy lenta.

VI

132

ENTALPÍA Y ENTROPÍA

ΔG0T = ΔH0T − TΔS0T

El superíndice indica que la presión es de 1 atmósfera y el subíndice es la temperatura absoluta a la que tiene lugar la reacción aA + bB

[

][

ΔG 0T (neta ) = c ΔG 0T (C) + d ΔG 0T (D) − a ΔG 0T ( A ) + b ΔG 0T (B)

cC + dD

]

Si ΔG0T (neta) < 0

aA + bB

cC + dD

hasta que la reacción alcance el estado de equilibrio

Si ΔG0T (neta) > 0

cC + dD

aA + bB

hasta que la reacción alcance el estado de equilibrio

Si ΔG0T (neta) = 0

aA + bB

cC + dD

la reacción está en estado de equilibrio

EJERCICIO RESUELTO

Explica en qué sentido tendrá lugar la siguiente reacción, cuando se realiza a 250 C y 1 atm.de presión: CH3CH2OH (l) + 3O2

ΔG0298 (C2H5OH , l) = -40.2 kcal/mol

2CO2(g) + 3H2O(l)

ΔG0298 (CO2 , g) = -94.26 kcal/mol

ΔG0298 (H2O , l) = -56.70 kcal/mol

RESPUESTA:

ΔG0298 (neta) = -3 × 56.7 + (-2× 94.26) - (-40.2) = -318.42 kcal/mol

Un valor negativo tan alto de GT(neta) indica que el proceso tiene lugar de izquierda a derecha. Esto es, una mezcla de un mol de etanol y tres moles de oxígeno a 250 C y 1 atm. de presión, se transformarán (si reaccionan) en dos moles de CO2 y tres moles de H2O. El equilibrio estará desplazado hacia la derecha de forma prácticamente total,es decir, las concentraciones de etanol y oxígeno serán despreciables.

Si

ΔH0T < 0

Si

ΔH0T

la reacción es exotérmica S = R lnp (p = número de estados posibles del sistema)

>0

la reacción es endotérmica A+B

C+D

ΔS 0T ≈ 0

(no hay variación del desorden)

A

C+D

ΔS 0T > 0

(aumenta el desorden)

C

ΔS 0T < 0

(disminuye el desorden)

A+B

Cuando es necesario calcular la variación de energía libre de una reacción, a la presión de 1 atm., pero a una 0 temperatura T distinta de 25 C, puede utilizarse la siguiente aproximación: ΔG0T = ΔH0298 − TΔS0298

VI

133

Por otra parte, ΔG 0T = −2.303 R T log K eq ΔG 0T = −2.303 R T log K eq = −2.303 × 1.987 × 10 −3 T log K eq = − 4.6 × 10 −3 T log K eq kcal / mol = − 4.6 T log K eq cal/mol

0 0 ⎛ ⎛ ΔG0T ⎞ ⎟ = ant log ⎜ − ΔH298 − T ΔS 298 K eq = ant log ⎜ − ⎜ 4.6 T ⎟ ⎜ 4.6 T ⎝ ⎠ ⎝

⎞ ⎟ ⎟ ⎠

Por ejemplo, la siguiente reacción es exotérmica cuando tiene lugar de izquierda a derecha:

ΔHT < 0

+ 3H2

ΔST < 0 , ya que cuatro moléculas se trasforman en una y, en consecuencia, disminuye el desorden. A temperatura ambiente (250C) se cumple que ΔH0298 > TΔS0298 y entonces:

ΔG 0298 = ( ΔH0298 − TΔS 0298 ) = −ΔH0298 − ( −TΔS 0298 ) = −ΔH0298 + TΔS 0298 < 0

Tendrá lugar la reacción:

+

[

ΔG 0298 < 0

3H2

] [

]

Si la temperatura se eleva hasta 300 0 C ΔH0298 < TΔS 0298 y se cumplirá :

ΔG 0573 = ( ΔH0298 − TΔS 0298 ) = −ΔH0298 − ( −TΔS 0298 ) = −ΔH0298 + TΔS 0298 > 0

Ahora, la reacción que tiene lugar es la inversa:

3H2

+

ΔG0573 > 0

Todo esto significa que a temperaturas elevadas no es posible hidrogenar el benceno a ciclohexano. O dicho de otro modo: a temperaturas elevadas el equilibrio estará muy desplazado hacia la izquierda.

134

EJERCICIO RESUELTO

A 250C, la proporción de ciclohexano en conformación de "silla", es superior al 99%. Teniendo en cuenta que la energía libre de dicha conformación es 5 kcal/mol menor que la correspondiente a la conformación de "bote". ¿Cuál es el valor de la constante de equilibrio para el siguiente proceso?

RESPUESTA:

ΔG0298 (bote − silla) = 5000 cal / mol

bote

silla

⎛ ΔG0298 ⎞ ⎛ 5000 ⎞ -4 K eq = antlog ⎜ = antlog ⎜ ⎟ = 2.24×10 ⎜ 4.6 T ⎟⎟ ⎝ 4.6× 298 ⎠ ⎝ ⎠

silla

bote

(1-α)

α

Keq =

[bote] [silla]

=

α = 0.000224 (1-α)

[bote] = 100α = 0.02239 %

α = 0.0002239

[silla] = 100 (1-α) = 99.9776 %

EJERCICIO RESUELTO

Considera el equilibrio entre las conformaciones anti y sesgada del n-Butano: CH3

CH3

H

H

CH3

H

H

H

CH3

H H

ΔH0298 = 0.8 kcal/ mol ΔS0298 = 1.4 u.e.

H

anti

sesgada

a) Calcula el porcentaje de n-Butano sesgado a 250 C b) Repite el cálculo para 5000 C c) ¿Cómo influye la temperatura en el porcentaje de ambas conformaciones, cuando el sistema está en equilibrio? d) ¿A qué temperatura serán iguales los porcentajes de ambas conformaciones?

RESPUESTA:

a)

A 250 C (2980 K):

anti

sesgada

(1-α)

α

ΔG0T = ΔH0298 − TΔS0298

ΔG0298 = 800 - 298 ×1.4 = 382.8 cal/mol

logK eq = -ΔG0298 /4.6 T = -382.8/1370.8 = -0.279

Keq = 0.5257

Keq =

[sesgada] [anti]

=

α = 0.5257 (1-α)

α = 0.344

VI

135

RESPUESTA (continúa) [sesgada] = 100 α = 34.4 %

b) A 5000 C (7730 K):

[anti] = 100 (1-α) = 65.6 %

ΔG0T = ΔH0298 - TΔS0298 = -

ΔG0773 = 800 - 773 ×1.4 = -282.2 cal/mol

logK eq 4.6T

0 logKeq = -ΔG773 /4.6T = +282.2/3555.8 = +0.079

K eq = antlog (+0.079) = 1.1995

Keq =

[sesgada] [anti]

=

α = 1.1995 (1-α)

[sesgada] = 100α = 54.5 %

α = 0.545

[anti] = 100 (1-α) = 45.5 %

c) Al aumentar la temperatura, el equilibrio se desplaza hacia la derecha, es decir, aumenta el porcentaje de la conformación menos estable (sesgada). d)

[sesgada] = [anti] ; α = 0.5 ;

logK eq = -ΔG0T /4.6T = -

Keq =

[sesgada] [anti]

=

α (1−α)

=

0.5 (1−0.5)

= 1

ΔH0298 -TΔS0298 -800 +1.4T = = 0 ; T = 571.430 K = 298.40 C 4.6T 4.6T

EJERCICIO RESUELTO

Bajo condiciones experimentales adecuadas, es posible transformar un alqueno en un alcohol:

R CH CH2

+

H OH

H 3O +

OH R CH CH3

ΔS 0T < 0

ΔH0T < 0

¿Qué condiciones experimentales elegirías para que la reacción transcurra en el sentido de dar alcohol? ¿y cuáles para que transcurra en sentido inverso, dando alqueno?

RESPUESTA:

Obtención del alcohol: R CH CH2

+ H OH

H 3O +

OH R CH CH3

ΔS 0T < 0

ΔH0T < 0

Si la temperatura no es muy alta se cumple [ H] > [TΔS] y entonces: ΔG0T = (ΔH0T - TΔS0T ) = -ΔH0T - (-TΔS0T ) = -ΔH0T + TΔS0T < 0

VI

136

RESPUESTA (continúa)

Por otra parte:

Keq =

[alcohol] [alqueno] [H2O]

Para que el equilibrio se desplace hacia la formación del alcohol, se aumenta la concentración de agua antes de comenzar la reacción. Si la temperatura se eleva demasiado: [ H] < [TΔS] y se cumplirá, ΔG0T = (ΔH0T - TΔS0T ) = -ΔH0T - (-TΔS0T ) = -ΔH0T + TΔS0T > 0

La formación de alcohol estará favorecida trabajando a temperaturas no muy altas y empleando exceso de agua. Obtención de la olefina: OH R CH CH3

H3O+

R CH CH2 + H OH

+

ΔST >0 + ΔHT > 0

Ahora sucede lo contrario. Si la temperatura no es alta se cumple que [Δ HT] > [TΔS] y entonces: ΔG0T = (ΔH0T - TΔS0T ) > 0

Si la temperatura se eleva lo suficiente: [ ΔH] < [TΔS] y se cumplirá, ΔG0T = (ΔH0T - TΔS0T ) < 0

La constante de equilibrio de la reacción es: K'eq =

[alqueno] [H2O] [alcohol]

Para que el equilibrio se desplace hacia la formación de la olefina, se debe eliminar agua del medio de reacción. La formación de olefina estará favorecida trabajando a temperaturas altas y eliminando agua del medio de reacción. OH R CH CH3

H3O+ Q

R CH CH2 + H2O

INTERMEDIOS DE REACCIÓN

CARBOCATIONES

Los haluros de alquilo reaccionan con NaOH acuoso, dando lugar a alcoholes: CH3 CH3 C Cl

CH3

+

NaOH

CH3

CH3 C OH

+ Cl

_

+

+ Na

CH3

La reacción transcurre del modo siguiente:

VI

137

CH3 CH3 C

CH3

CH3

+

Cl

CH3 (carbocatión)

CH3 CH3 C +

_

CH3 C +

Cl

CH3

_ HO

+

CH3 C OH CH3

CH3

Los carbocationes tienen una geometría triangular y plana: CH3 CH3 C +

+

CH3

CH3

C

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

(carbocatión) [OA vacio]

Una prueba indirecta de la existencia de cationes carbonio planos es la racemización de sustratos ópticamente activos: H

H

NaOH H 2O

C6H5 C Cl CH3

50 % (R)

C6H5 C OH

50 % (S)

CH3

estereoisómero puro ópticamente activo

OH

OH 1

C6H5

H CH3

1

Cl C 6H5

Cl C6H5

CH3 H

+

C6H5

H CH3

_ HO

H

C6H5

CH3 H (S)

CH3

H

2

(S) 2

estereoisómero puro ópticamente activo

H

CH3

C6H5

C6H5

CH3

OH

OH (R)

ESTABILIDADES RELATIVAS DE LOS CATIONES CARBONIO

+ Ar CH2

_ ~

R R C+

>

R + CH2 C

R C R

R

_ ~

R C+

R

H >

H

R C+

>

+ R C CH2

H >

H C+ H

H

Las reacciones de transposición que transcurren a través de cationes carbonio, se deben a las estabilidades relativas de estos intermedios: CH3 CH3 C CH2OH CH3 2,2-Dimetil-1-propanol

HCl

CH3

Cl CH3 C CH2 CH3 CH3 2-Cloro-2-metilbutano

y no

CH3 C CH2 Cl CH3

1-Cloro-2,2-dimetilbutano

VI

138

CH3

CH3

H+

H

CH3 C CH2

CH3

_H O 2

+

CH2

CH3 C

+

CH3

CH3

O H

:

: :

CH3 C CH2 OH

CH3 (carbocatión primario)

CH3 CH3 C

+ CH3 C

transposición

+ CH2

Cl

CH2 CH3

Cl

_

CH3 C

CH3

CH3

CH2 CH3

CH3 2-Cloro-2-metilbutano

(carbocatión terciario)

CARBANIONES

Los carbaniones se forman a partir de compuestos que tienen hidrógenos ácidos unidos a átomos de carbono: α

O

O

O _ O EtO C CH C OEt

+ Et3N:

EtO C CH2 C OEt

+

+ Et3N H

Malonato de dietilo

Keq = 103

pKa 10

pKa 13

α O

O

H3C C CH2 C OEt

+

HO

O _ H3C C CH

_

O C OEt

+

H2O

Keq = 5,0 x 104

pKa 15,7

Acetilacetato de etilo pKa 11,0

Los carbaniones, lo mismo que los cationes carbonio, tienen geometría triangular y plana: [OA lleno] O _ O EtO C CH C OMe

_ H

CO2Me

CO2Me

H

CO2Et

CO2Et

Este hecho explica que, en algunas reacciones en las que intervienen carbaniones, tengan lugar procesos de racemización. Un ejemplo es la reacción del malonato de dietilo con un haluro de alquilo en medio básico: CO2Et

_ 1)HO

CH2 CO2Me

EtO2C CH2

+

2)ICH3

CH3 CH CO2Me

EtO2C _ CH

_ HO

MeO2C

+ H2O

MeO2C

EtO2C _ CH MeO2C

CO2Et

EtO2C CH3

_ CH CH3 + I

I MeO2C

VI

139

CH3 1

CH3 1

H

CH3 H

CO2Me

I

CO2Me

CO2Et

(S)

CO2Me

H

CO2Et

CO2Et

2

CH3

CO2Me

I

CO2Et

CO2Et H

H

2

CH3 CO2Me

CH3

(R)

VELOCIDAD Y ORDEN DE UNA REACCIÓN

CH3Br

+

CH3CH2O

_

+ Na

CH3 CH3 C Br

+

CH3CH2O

_

Na

CH3

CH3 CH3 C CH2 Br + CH3CH2O

_

Na

+

CH3

velocidad moderada: 4h

CH3 O CH2CH3

+

CH3

velocidad moderada: 4h

CH3 C O CH2CH3 CH3

CH3 CH3 C CH2 O CH2CH3

107 veces más lenta:

_ 4500 años ~

CH3

ORDEN DE REACCIÓN

v = k [concentración] k es la velocidad específica de reacción, es decir, la velocidad de reacción cuando la concentración es la

unidad. VARIACIÓN DE LA VELOCIDAD DE REACCIÓN CON LA CONCENTRACIÓN

CH3Br

_

+

+ CH3CH2O Na

CH3 O CH2CH3

(velocidad de formación) [BrCH3]i

[C2H5O−]i

0.1

0.1

v

0.2

0.1

2v

0.1

0.1

v

0.1

0.2

2v

CH3-O-CH2CH3

v = k [BrCH3]

v = k [C2H5O−]

VI

140

La reacción del CH3Br con C2H5O− es de primer orden con respecto al CH3Br y de primer orden en relación al C2H5O−; globalmente es una reacción de segundo orden, porque la velocidad de reacción depende de las concentraciones de dos reactivos. CH3Br

CH3CH2O

+

_

+ Na

CH3 CH3CH2O

CH3 C Br +

_ v = k[CH3Br][C2H5O ]

CH3 O CH2CH3

_

CH3

+ Na

CH3 C O CH2CH3

CH3

CH3

(velocidad de formación) [C2H5O−]i

[Me3CBr]i

Me3C-O-CH2CH3

0.1

0.1

v

0.2

0.1

2v

0.1

0.1

v

0.1

1

v

v = k [(Me3)3CBr]I

v = cte.

La reacción del (Me3)3CBr con C2H5O− es de primer orden respecto a la concentración del derivado halogenado y de orden cero para al anión etóxido. Globalmente es una reacción de primer orden: CH3 CH3CH2O

CH3 C Br +

_

CH3

+ Na

CH3 C O CH2CH3

CH3

v = k [Me3CBr]

CH3

ORDEN, MOLECULARIDAD Y MECANISMO DE UNA REACCIÓN

Se llama molecularidad de una reacción, el número de moléculas que participan en el paso que determina la velocidad global de dicha reacción (es decir, el paso más lento)

Los aniones alcóxido reaccionan con haluros de alquilo originando éteres: CH3Br

+

CH3CH2O

_

+ Na

CH3 O CH2CH3

_ v = k[CH3Br][C2H5O ]

La estereoquímica de la reacción se puede visualizar del modo siguiente: H CH3CH2O

_

_ δ CH3CH2O

Br H

H

H

H

_ δ Br H

H CH3CH2_O

H H

_ + Br

La reacción transcurre en un solo paso y su velocidad depende de las concentraciones de los dos compuestos que intervienen en la reacción. Se trata de una reacción bimolecular de segundo orden. CH3 CH3 C Br +

CH3CH2O

_

Na

CH3

+

CH3 CH3 C O CH2CH3

v = k [Me3CBr]

CH3

La reacción transcurre de la forma siguiente:

VI

141

Me

Me

δ+

Br

Me Me

Me

_ δ Br

lenta

+

Me Me

Me

+

_ Br

Me

catión carbonio Me _

Me rápida

+

CH3CH2O Me

CH3CH2O

Me

Me Me

La reacción entre Me3CBr y C2H5O− es monomolecular, de primer orden y transcurre en dos pasos. El orden global de cualquier reacción es el mismo que el orden correspondiente a la etapa más lenta

EL ESTADO DE TRANSICIÓN

La velocidad de cualquier reacción viene determinada por el paso del sistema a través de un estado de energía máxima, llamado estado de transición, en el que un enlace comienza a romperse y, en algunos casos, otro enlace inicia su formación. [estado de transición]

reactivos

productos

[estado de transición]

K =

[reactivos]

Mediante la mecánica estadística, puede demostrarse que todos los estados de transición se transforman en sus productos respectivos con la misma velocidad: KBT/h (KB es la cte. de Bolztmann; h es la cte. de Planck) B

A 250C, TKB / h = 6x1012 seg. La velocidad de cualquier reacción puede expresarse entonces como: v=

K =

TKB [estado de transición] h

[estado de transición] [reactivos] v=

[estado de transición] = K [reactivos]

KB T [estado de transición] = h

La velocidad específica de cualquier reacción será:

Como

ΔG = ΔH − TΔS ; ΔG = ΔH − TΔS

k=

;

K BT h

K

[reactivos]

[reactivos] = 1 ;

v= k=

KB T h

K

en el equilibrio: ΔG = −RT lnK

KBT ΔGT exp _ h RT

(ecuación de Eyring)

Esta ecuación dice que la velocidad específica de cualquier reacción (k) es proporcional a ΔGT (no a ΔGT )

VI

142

UN SÓLO ESTADO DE TRANSICIÓN Y NINGÚN INTERMEDIO DE REACCIÓN A

B

ΔG

ΔG > 0

A

ΔG < 0 B

curso de la reacción

Reacción entre BrCH3 y EtO−: un estado de transición y ningún intermedio de reacción: _ H δ CH3CH2O

ΔG

_ δ Br

H H

ΔG > 0

H H

_ Br + CH3CH2O

ΔG < 0

H H CH3CH2_O

+ Br

_

H H

curso de la reacción

VI

143

DOS ESTADOS DE TRANSICIÓN Y UN INTERMEDIO DE REACCIÓN

A + B

lenta

rápida

I

ΔG (1) > ΔG (2)

C

(1)

ΔG

(2)

ΔG (2) I

ΔG (1) intermedio de reacción

ΔG

A + B

C

curso

Reacción entre Me3CBr y C2H5O−: dos estados de transición y un compuesto intermedio.

Me δ+

ΔG

_ δ Br

Me Me Me _ δ δ+ CH3CH2O Me Me

ΔG2

ΔG1

Me + Me

Me

catión carbonio

ΔG < 0

Me Me Me

Br

Me CH3CH2O

Me Me

curso

VI

144

CONTROL CINÉTICO Y CONTROL TERMODINÁMICO DE UNA REACCIÓN

⎯ Una reacción está controlada termodinámicamente cuando los productos se aislan después de alcanzado el equilibrio. En estas condiciones, el producto mayoritario es el más estable. ⎯ Una reacción está controlada cinéticamente cuando los productos se aislan antes de que se alcance el equilibrio. En estas condiciones, el producto mayoritario es el que se forma más rápidamente y no tiene por qué ser el más estable. Imaginemos un compuesto A capaz de transformarse en dos productos distintos B y C, a través de dos reacciones diferentes con constantes de equilibrio KB y KC, y constantes específicas de velocidad idénticas: B

KC =

[C] [A]

KC

C

Supongamos que KB = 100KC

KB

A

[B]

;

[A]

= 100

[B]

KB =

B

[C] [A]

[A]

[B] = 100 [C]

Una vez alcanzado el equilibrio entre A, B y C, la concentración de B será 100 veces mayor que la de C. De los dos compuestos (B y C) B es el más estable. Supongamos ahora que las constantes específicas de velocidad, para la transformación de A en B o C son significativamente distintas:

C

k(C) = 100000 seg-1 A

k(-C) = 10000 seg-1

k(B) = 1000 seg-1

B

k(-B) = 1 seg-1

La constante de equilibrio de cada reacción, es igual a la relación que existe entre las constantes específicas de velocidad de las reacciones directa e inversa:

KC =

k(C) k(-C)

=

100000 = 10 10000

KB =

k(B) k(-B)

=

1000 1

= 1000

KB KC

= 100 (de acuerdo con el supuesto inicial)

Ahora el producto mayoritario será el C, porque es el que se forma más deprisa y la reacción no ha tenido tiempo de alcanzar el equilibrio.

TIPOS DE PROCESOS DE RUPTURA Y FORMACIÓN DE ENLACES Reacciones heterolíticas:

Reacciones homolíticas:

A

B

A

B

+

A (catión)

+

_

:B (anión)

A (radical) + B (radical)

VI

145

REACTIVOS NUCLEÓFILOS Y ELECTRÓFILOS

Un reactivo nucleófilo es un anión o una molécula con pares de electrones libres, que se une a un átomo de carbono con densidad electrónica baja (base de Lewis): :

_ C:

: NH3

H 2O

:

:

N

:

_ R O:

:

:

_ H O: :

:

_ :Cl :

Un reactivo electrófilo es un catión que se une a un par de electrones de un átomo de carbono con densidad electrónica alta (ácido de Lewis): + H 3O :

+ NO2

+ RCH2

+ Br

Ejemplo de reacción nucleófila (el reactivo que provoca la reacción es un nucleófilo): NCK + C6H5CH2_Br

_ N C:

C6H5CH2_CN + KBr

Br :

CH2

N C CH2

C6H5

+

_ : Br :

C6H5

Ejemplo de reacción electrófila (el reactivo que provoca la reacción es un electrófilo): NO2

H H2SO4

+ HO3N

+ NO2

HNO3 + H2SO4

H

SO4H

+ NO2

_

H

+

SO4H

_

+ H2O

NO2 +

NO2

+

H2SO4

TIPOS DE REACCIONES ORGÁNICAS REACCIONES DE SUSTITUCIÓN REACCIONES DE ELIMINACIÓN REACCIONES DE ADICIÓN

En las reacciones de sustitución y adición, el reactivo que interviene puede ser electrófilo o nuclófilo: REACCIONES DE SUSTITUCIÓN

REACCIONES DE ADICIÓN

El reactivo es electrófilo: SUSTITUCIÓN ELECTRÓFILA El reactivo es nucleófilo: SUSTITUCIÓN NUCLEÓFILA El reactivo es electrófilo: ADICIÓN ELECTRÓFILA El reactivo es nucleófilo: ADICIÓN NUCLEÓFILA

VI

146

Por otra parte, en las reacciones orgánicas intervienen átomos de carbono saturados o átomos de carbono no saturados. Existen seis tipos básicos de procesos: Sustitución nucleófila en un átomo de carbono no saturado Sustitución nucleófila en un átomo de carbono saturado Sustitución electrófila en un átomo de carbono no saturado Adición nucleófila a un átomo de carbono no saturado Adición electrófila a un átomo de carbono no saturado Reacciones de eliminación en un átomo de carbono saturado o no saturado

REACCIONES DE SUSTITUCIÓN NUCLEÓFILA EN UN ÁTOMO DE CARBONO NO SATURADO

O Nu

_

O

C

Z

Nu

R

C

+ Z

_

R

Los grupos salientes Z más comunes son: Cl−, R-CO-O−, HO−, RO−, NH2−, RNH−. Es decir, son reacciones en las que están implicados los siguientes compuestos: cloruros de ácido, anhidridos de ácido, ácidos, ésteres y amidas.

_ HO

_ :O :

:O C

adición

Cl

HO C

CH3

Cl

eliminación

:O: HO C

CH3

CH3

+

Cl

+

Cl

_

Ácido acético

Cloruro de acetilo _ : O:

:O H3N:

C

+ H3N C

adición

Cl

CH3

Cl

eliminación

+ H3N

: O: C

CH3

+

+ B

_

CH3

Cloruro de acetilo

B:

H

+ NH2

O C

O CH3

H2N

C

CH3

H

acetamida

REACCIONES DE SUSTITUCIÓN NUCLEÓFILA EN UN ÁTOMO DE CARBONO SATURADO

_ Nu

_ Nu___CH2__R + Z:

CH 2____Z R

_ _ Br C6H5O

_ R-CO2

R-OH :

_ _ RO HO

:

_

:

Los reactivos nucleófilos más empleados son: NC

H2O:

R3N:

VI

147

Los sustratos (RCH2 ⎯ Z) más comunes en estas reacciones son los derivados halogenados (Z= Cl, Br, I) La reacción entre un haluro de alquilo y amoníaco o anión cianuro son dos ejemplos: CH3 H3N:

CH2

+ H3N

Cl

CH3 CH2 +

Cl

_

Cloruro de etilo

HO

_

H

CH2 CH CH2 I

+ NH2

+

CH3 CH3 CH2 NH2 + H2O Etilamina

CH2

NC

_

CH2 CH CH2 CN

Yoduro de alilo

+

I

_

3-Butenonitrilo

3-Yodo-1-propeno

REACCIONES DE SUSTITUCIÓN ELECTRÓFILA EN UN ÁTOMO DE CARBONO NO SATURADO

El benceno y la mayoría los hidrocarburos bencenoides reaccionan con electrófilos (E+) dando lugar a hidrocarburos aromáticos en los que el reactivo electrófilo sustituye a un átomo de hidrógeno: E

H + E+

+

H+

Los reactivos (E) implicados normalmente en las reacciones de sustitución electrófila son los siguientes: O E=

R+

+ NO2

R C+

X+

SO3

COR RCOCl

+ HCl

AlCl3

O

O R_ C

Cl :

H O R C+

R_ C

AlCl3

_ Cl3Al

Cl

H +

+ Cl

_ AlCl3

CO_R

O R_ C +

_ AlCl4

CO_R + HCl + AlCl3

VI

148

REACCIONES DE ADICIÓN NUCLEÓFILA A GRUPOS CARBONILO

Los sustratos más comunes en este tipo de reacciones son los aldehidos y las cetonas: δ− O

δ− O C

δ+

+

Cδ H

Me

Me

μ = 2,73 D

Me

μ = 2,84 D

Los nucleófilos que se utilizan son, entre otros, los siguientes: :

:

_ _ Nu = H : R_OH :

R_NH2

NC

_

R_C

_ C

Esquema general de la reacción:

Nu

R

R

_

C

Nu

O

R

_ O

C

R HB

Nu

OH

C R'

R'

Los aldehidos y las cetonas reaccionan, por ejemplo, con anión cianuro (NaCN o KCN), dando lugar a un ión alcóxido que en medio ácido se transforma en una cianhidrina:

N C

_

O

R N C

O

+ H___OH2

_

OH

C__R

C__R

N C

+

H2O

R R

R ión alcóxido

cianhidrina

_ O _ CH2CHO

+

CN

CH2__CH__CN

OH H3O+

CH2__CH__CN (67 %)

Fenilacetaldehido

2-Hidroxi-3-fenilpropanonitrilo

REACCIONES DE ADICIÓN ELECTRÓFILA A UN ÁTOMO DE CARBONO NO SATURADO

En este tipo de reacciones, el enlace π de una olefina se transforma en dos enlaces σ: E+ R CH CH R

E R C H

H C R + _ Nu

E R C H

Nu C R H

VI

149

δ+ H

δ− Br

+ R CH

lenta

R CH CH2

CH3

+

Br

_

[carbocatión secundario] + R CH

CH3 + Br

_

Br

rápida

R CH

CH3

2-Bromopropano

REACCIONES DE ELIMINACIÓN EN UN ÁTOMO DE CARBONO SATURADO O NO SATURADO

Las reacciones de eliminación son, esencialmente, lo contrario de las reacciones de adición electrófila: formación de un enlace π a partir de dos enlaces σ. El desencadenante de la reacción es una base (nucleófilo):

HO

_ HO

Br

R

_

H

CH

CH3 H

CH

R

CH R

Br

CH3 CH CH CH3

CH CH3

CH3 Br

_ HO

H

C

C

_ H2O + Br

+

CH CH R

+

H2O

+

CH3 CH3

C

C CH3

+

H2O

+ Br

Br

_

_

EJERCICIOS ADICIONALES 6.1 Los aniones alcóxido, empleados en la síntesis de éteres, se obtienen a partir del alcohol correspondiente

por reacción con un metal (Na o K) o una base. Explica si las siguientes reacciones son adecuadas para la obtención de los alcóxidos que se indican, calculando en cada caso la variación de energía libre estandar y la constante de equilibrio (utiliza la tabla de pKa que aparece en los apéndices) 1.

CH3CH2OH + NaOH

2.

2CH3OH + 2Na

3.

Me3C-OH + NH3(liq.)

4.

Me2CH-OH + Na+H

_ CH3CH2O Na+ + H2O _ 2CH3O Na+ + H2

_

_ Me3CO NH4+ _ Me2CHO Na+ + H2

6.2 Los carbaniones son intermedios de reacción muy útiles en la síntesis de compuestos orgánicos. Explica si

las siguientes reacciones son adecuadas para la obtención de los carbaniones que se indican, calculando en cada caso la constante de equilibrio.

VI

150

C CH2 C H

2.

CH4 + CH3CH2O

3.

_ CH3 CN + CH3O

+ _

:

_ 4.

CH3 NO2 +

5.

CH3 C

O _

_ HO

: NH2

O CH2 CO2C2H5 +

H

C CH

O C H + H2O

_ : CH3 + CH3CH2OH _ : CH2 _ : CH2

CN + CH3OH

NO2 +

: NH3 O _ CH3 C CH CO2C2H5 + H2CO3

_ HCO3

:

O

H

:

O 1.

6.3 Considera el siguiente equilibrio conformacional: CH3(a) H

CH3(e)

ΔG0298 = −1700 cal / mol

H

Apartado 1: Calcula la constante de equilibrio a 250 C y una atmósfera de presión. Apartado 2: Averigua los porcentajes molares de las dos conformaciones, una vez que el sistema alcanza el equilibrio. Apartado 3: Explica brevemente (sin realizar ningún cálculo) qué sucederá si, una vez alcanzado el equilibrio a 250C y una atmósfera de presión, la temperatura se eleva hasta 1500C manteniendo la presión constante

VI

7. REACCIONES DE OLEFINAS Y ALQUINOS

ESTABILIDADES DE LOS ALQUENOS

REACCIONES DE HIDROGENACIÓN

CH3CH2 CH CH2

H2 [Pt]

CH3CH2CH2CH3

ΔH0 = -30.3 kcal/mol

Butano

Me

Me C

C H

H

H2 [Pt]

CH3CH2CH2CH3

ΔH0 = -28.6 kcal/mol

Butano

(Z)-2-Buteno

Me

H C

H

C Me

H2 [Pt]

CH3CH2CH2CH3

ΔH0 = -27.6 kcal/mol

Butano

(E)-2-Buteno

El alqueno con el doble enlace al final de la cadena (1-buteno, alqueno terminal) es menos estable que cualquiera de los dos alquenos con el doble enlace en el interior de la cadena (2-buteno) El alqueno (E) con los grupos más voluminosos del doble enlace alejados entre sí, es más estable que el alqueno (Z) en el que dichos grupos están próximos. CH3 CH3CH CH CH2

H2 [Pt]

3-Metil-1-buteno

CH3 CH3CHCH2CH3

ΔH0 = -30.3 kcal/mol

2-Metilbutano

alqueno terminal con un sustituyente (i-Pr) en el doble enlace CH3 CH3CH2 C

CH2

H2 [Pt]

2-Metil-1-buteno

CH3 CH3CH2CHCH3

ΔH0 = -28.5 kcal/mol

2-Metilbutano

alqueno terminal con dos sustituyentes (Me, Et) en el doble enlace

CH3 CH3CH C CH3 2-Metil-2-buteno

H2 [Pt]

CH3 CH3CH2CHCH3

ΔH0 = -26.9 kcal/mol

2-Metilbutano

alqueno con tres sustituyentes (Me) en el doble enlace

VII

152

Los alquenos con el doble enlace en el interior de la cadena son más estables que los alquenos terminales. La estabilidad de un alqueno aumenta con el número de grupos alquilo que están unidos a los átomos de carbono del doble enlace. Los alquenos con los sustituyentes más voluminosos en posición trans, son más estables que los correspondientes diastereoisómeros cis.

En los alquenos, los términos cis y trans se utilizan para describir la posición relativa de dos grupos cualquiera unidos a átomos distintos del doble enlace. La terminología (Z) / (E) hace referencia a la configuración absoluta del alqueno.

REACCIONES DE ADICIÓN ELECTRÓFILA

REACCIONES CON HALUROS DE HIDRÓGENO (HCl, HBr, HI)

Las adiciones electrófilas a enlaces múltiples implican la conversión de un enlace π en dos enlaces σ. El átomo de hidrógeno es el electrófilo más común en estas reacciones. En general, este tipo de reacciones es energéticamente favorable, es decir, son exotérmicas. Las olefinas sustituidas simétricamente sólo pueden dar lugar a un producto de reacción:

CH3

H

HX

CH CH CH3

CH3

C6H5 CH CH C6H5

CH CH CH3 H

HX

X

X

C6H5 CH CH C6H5

En general: R2 R2 R1 C

C

R1

HX

R1

R2

R2

C

C

H

X

R1

Sin embargo, cuando el doble enlace del alqueno no tiene los mismos sustituyentes, existe la posibilidad de que se formen dos productos diferentes: H CH3 CH CH3 CH CH2

Cl (CH3CH2CH2Cl ; 1-Cloropropano)

CH2

HCl Cl CH3 CH

Cl

H CH2

(CH3_CH_CH3 ; 2-Cloropropano)

La adición electrófila de haluros de hidrógeno al doble enlace de una olefina transcurre a través de carbocationes (Tema 6): Primer paso: reacción del alqueno con el protón procedente de H-X: δ− Br

CH3

δ+ H CH CH2

δ− Br

CH3

δ+ H CH CH2

lenta

CH3

+ CH

CH3

+

Br

_

[carbocatión secundario] lenta

CH3

+ CH2 CH2

+

Br

_

[carbocatión primario]

VII

153

Segundo paso: reacción del catión carbonio con el anión bromuro (nucleófilo):

CH3

+ CH

CH3

Br

+

_

Br

rápida

CH3 CH

+ CH3 CH2 CH2

CH3

2-Bromopropano

[carbocatión secundario]

+

Br

rápida

_

CH3

[carbocatión primario]

CH2 CH2Br

1-Bromopropano

EJERCICIO 7.1

La reacción del propeno con HBr da lugar únicamente a bromuro de isopropilo. 1. ¿Cuál de los dos equilibrios estará más desplazado hacia la derecha? : Br CH3 CH CH2 (g) + HBr (g)

CH3 C CH3 (g) H

CH3 CH CH2 (g) + HBr (g)

CH3 CH2 CH2Br (g)

2. Calcula las constantes de equilibrio correspondientes a las dos reacciones. 3. Calcula los porcentajes de 1-bromopropano y 2-bromopropano una vez alcanzado el equilibrio. 4. ¿Por qué no se obtiene nada de 1-bromopropano? _ Datos: ΔG(1-propeno)= +14,99 kcal/mol; ΔG(1-bromopropano)= 5,37 kcal/mol _ _ ΔG(2-bromopropano)= 6,51 kcal/mol; ΔG(1-bromopropano)= 12,73 kcal/mol

En la reacción entre propeno y HBr, el 2-bromopropano se forma más rápidamente que el 1-bromopropano (ver la respuesta del Ejercicio 1) ¿Por qué?

lenta

CH3

+ CH

CH3

+

Br

_

rápida

[carbocatión secundario] CH3

CH CH2

lenta

+ CH2 CH2

[carbocatión primario]

+

CH

CH3

2-Bromopropano

HBr

CH3

Br CH3

Br

_

rápida

CH3

CH2 CH2Br

1-Bromopropano

La velocidad total de reacción es proporcional a la energía libre de activación del paso más lento que, en este caso, corresponde a la formación de los dos carbocationes (ecuación de Eyring, Tema 6) El carbocatión isopropilo (secundario) es más estable que el catión propilo (primario) y la energía de activación necesaria para su formación (ΔG1≠) es bastante menor que la correspondiente al primario (ΔG2≠) Por consiguiente, el carbocatión secundario se forma más rápidamente que el primario y esto se refleja en el resultado final: no se obtiene nada de 1-bromopropano, que proviene del carbocatión primario. La reacción está sometida a control cinético.

VII

154

+ CH3CH2CH2 +_ Br

ΔG

≅ 16 kcal/mol ΔG2

ΔG1

+ CH3CHCH3 + _ Br

CH3 CH CH2 +

-7.63 kcal/mol

HBr

-8.77 kcal/mol

CH3CH2CH2Br ≅ 1 kcal/mol CH3 CH CH3 Br

curso

REGIOSELECTIVIDAD EN LA ADICIÓN DE ÁCIDOS PRÓTICOS A OLEFINAS. REGLA DE MARKOVNIKOV

En este caso, el término regioselectividad hace referencia al hecho de que el reactivo electrófilo (H+) se une preferentemente al átomo de carbono del doble enlace que tiene más hidrógenos. O dicho de otro modo: el reactivo electrófilo se une al doble enlace dando lugar con preferencia al carbocatión más estable.

R2 1

R2 R1 C 2

CH2

1

C CH3 + [terciario]

R

Br

R2

_ 1

R

C

CH3

(producto mayoritario)

Br

HBr R2

1 2

+ R1 CH CH2

Br

_

R2 R1 CH CH2Br

(producto minoritario)

[primario]

VII

155

R2 1

R1 C CH2 + [terciario]

R2 R1 C 2

CH R3

Br

R3

R2

_

R1 C

CH2

R3

(producto mayoritario)

Br

HBr R2

1 1

R

2

+ CH CH

R

R2

_

Br

3

Br

CH CH R3

1

R

(producto minoritario)

[secundario]

Las olefinas que no tienen átomos de hidrógeno unidos a los carbonos del doble enlace, dan lugar siempre a dos carbocationes terciarios: R2 R3 1

R2 R3 R1 C

C

2

1

R4

R1 C CH R4 + [terciario]

X

3 R2 R

_

R1 C

CH

R4 (1)

X

HX R2 1

R

2

R3 4

CH C R + [terciario]

X

R2

_ 1

R

R3

CH C

R4

(2)

Br

En una situación así, resulta muy difícil (si no imposible) predecir cuál de los dos productos obtenidos (1) o (2) será el mayoritario. Lo habitual es que se obtenga una mezcla que contiene aproximadamente el 50 % de (1) y el 50 % de (2) REACCIONES DE TRANSPOSICIÓN EN CARBOCATIONES

Hay ocasiones en las que una reacción de adición electrófila da lugar a productos inesperados, en los que la estructura de la molécula inicial cambia de forma sustancial (Tema 6) Por ejemplo: CH3 CH3

CH CH CH2

HCl 250C

CH3 CH3

C CH2 CH3 Cl

CH3 CH3

+

2-Cloro-2-metilbutano

CH CH CH3 Cl

2-Cloro-3-metilbutano

50 %

50 %

En principio, no debería obtenerse 2-cloro-2-metilbutano: 1

CH3

+ CH CH CH3

Cl

_

CH CH CH2 2

CH3 Cl CH3

CH CH CH3

2-Cloro-3-metilbutano

[secundario]

CH3 CH3

CH3

HCl 250C

1

CH3 2

CH3

+ CH CH2 CH2 [primario]

Cl

CH3

_ CH3

CH CH2 CH2Cl

1- Cloro-3-metilbutano (no se obtiene)

VII

156

¿De dónde procede el 2-cloro-2-metilbutano? H

CH3 CH3

CH3

Cl CH3

CH CH CH2

+ CH CH CH3 [secundario]

En el carbocatión secundario tiene lugar una transposición de anión hidruro (H:−):

CH3 CH3

C

+ CH CH3

CH3

transposición

CH3

H [secundario]

C +

Cl

CH CH3

_

CH3 CH3

H

C

CH2 CH3

Cl 2-Cloro-2-metilbutano

[terciario; más estable]

En estas reacciones de transposición pueden estar implicados, además del anión hidruro, grupos alquilo. El ejemplo siguiente es un “anión” metilo el que se desplaza: CH3 CH3

CH3 CH3

HCl

C CH CH2

CH3

-780C

CH3 3,3-Dimetil-1-buteno

C

CH3 Cl

CH CH3

+

CH3

Cl

C

CH CH3

CH3

2-Cloro-2,3-dimetilbutano

2-Cloro-3,3-dimetilbutano

61 %

37 %

EJERCICIO 7.2

Escribe un mecanismo de la reacción anterior que permita explicar la formación de los dos haluros de alquilo.

ESTEREOQUÍMICA DE LAS REACCIONES QUE TRANSCURREN A TRAVÉS DE CARBOCATIONES

Ya se ha dicho que los carbocationes tienen geometría plana (Tema 6) Este hecho da lugar a la aparición de mezclas racémicas en muchas reacciones de adición electrófila.

C6H5

H C6H5

CH CH2

Br

HBr

CH CH2

*

Br *

C6H5

CH CH3 * mezcla de dos estereoisómeros

+

CH CH3 *

C6H5

+

H CH3

* carbocatión estabilizado

VII

157

Br

Br 1

C6H 5

HBr

C6H5 CH CH 2

+

C6H5

H

Br

C 6H 5

H CH3

1

_

CH3 H (S)

CH3

H

2

H

CH3

C 6H 5

2

C 6H 5 Br

CH3 Br (R)

EJERCICIO 7.3

Escribe el mecanismo de la reacción que tiene lugar entre (Z)-3,4-dimetil-3-hexeno y HCl. Utiliza representaciones tridimensionales y comprueba que se obtiene una mezcla equimolecular de los cuatro estereoisómeros posibles del 3-cloro-3,4-dimetilhexano.

REACCIÓN CON AGUA EN MEDIO ÁCIDO FUERTE

CH3 CH3 CH3 C

C CH3

CH3 CH3

H2SO4

CH3

H2O

OH 2,3-Dimetil-2-butanol

2,3-Dimetil-2-buteno

O H2O :

H

CH3

CH C

+ H3O

O S OH

+

_ : O SO3H

O

CH3 CH3

CH3 CH3 CH3 C

CH3

C CH3

+ H2O

C

C

+

H

H2O :

+

CH3

H

CH3

CH3 CH3 C C CH3 H

CH3

+

H

: OH2

CH3 CH3 CH3

CH C

: OH 2

+

CH3 CH3 CH3

CH3

CH C

+ : OH H

CH3 CH3 C C CH3

CH3

+

+ H3O

OH : OH2

2,3-Dimetil-2-butanol

El carbocatión que se forma, además de reaccionar con una molécula de agua, puede hacerlo con el anión hidrogenosulfato presente en el medio:

CH3

CH3 CH3 C C CH3 + _ H : O SO3H

CH3

CH3 CH3 C C CH3 O SO3H H

hidrogenosulfato de alquilo éster de un alcohol y ácido sulfúrico

VII

158

Estos hidrogenosulfatos de alquilo reaccionan con agua dando lugar al mismo alcohol:

CH3

O

CH3 CH3 C C O H

S OH

H OH

+

CH3

O

CH3

hidrogenosulfato de alquilo

O

CH3 CH3 CH C CH3 OH

HO S OH

+

O

2,3-Dimetil-2-butanol

EJERCICIO 7.4

Averigua que olefinas se deben utilizar para obtener los siguientes alcoholes: alcohol terc-butílico, 1-feniletanol, 1-metilciclobutanol y 2-metil-2-butanol.

La reacción de olefinas cíclicas, con haluros de hidrógeno o con agua en medio ácido fuerte, transcurre también a través de carbocationes: Cl

Me

HCl

Me

Me

Me HBr H Et

Br

H

Et

Me

Me

H2O H2SO4

Me H

OH Me H

EJERCICIO 7.5

Escribe el mecanismo de las tres reacciones anteriores utilizando representaciones tridimensionales y averigua la configuración absoluta de los estereoisómeros que se obtienen.

REACCIONES DE LOS CARBOCATIONES CON ALQUENOS. POLIMERIZACIÓN CATIÓNICA DE OLEFINAS

Los carbocationes son reactivos electrófilos, capaces de reaccionar con las olefinas: CH3 CH3

C

CH2

+

+

H B

CH3 CH3

C

+

CH3

+

:B

VII

159

CH3 CH3

C

CH3 CH2

C

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

C

CH2

+

C CH3 CH3

catión dímero

El proceso puede continuar indefinidamente, mientras existan moléculas de alqueno en el medio de reacción: CH3 CH3

C

C

CH3

CH3

CH3 CH2

CH3

CH2 C CH3

CH3

C

CH2

+

CH3

catión dímero

CH3 CH3

C

CH3

CH3 CH2

+C CH3

C

CH3

CH3

C CH2

C

CH3

CH3

CH3

catión trímero

CH3

CH2 C CH2

CH3

CH3 CH3

CH3

C

+

CH3

CH2

CH3

CH3

C CH2

C

CH3

CH3

CH3 CH2

C

CH3

CH3

catión tetrámero

catión trímero

La reacción se detiene cuando la base (:B) sustrae un protón del átomo contiguo al carbono con carga: CH3 CH3

C

+

B:

CH

CH3

CH3

C CH2

C

CH3

CH3

CH3 CH2

C

CH3

CH3

CH3

C

CH

CH3

H

CH3

CH3

C CH2 CH3

C

CH3 CH2

CH3

C

+

CH3 + H B

CH3

Si se permite que la reacción avance, se obtiene un polímero (“plástico”) es decir, un compuesto de peso molecular elevado en el que se repite la estructura carbonada de la olefina de partida: CH3 CH3 C

CH2

polimerización H B

CH3

CH3

CH3 C CH

C CH2 CH3

n

polímero del metilpropeno

EJERCICIO 7.6

Escribe la reacción de polimerización del etileno cuando se emplea un catalizador ácido, p.ej. H2SO4.

REACCIÓN DE LOS ALQUENOS CON HALÓGENOS

Las olefinas reaccionan con cloro o bromo dando lugar a derivados dihalogenados: CH3 CH CH CH3 2-Buteno

Cl2

Cl

Cl

CH3 CH CH CH3 2,3-Diclorobutano

VII

160

CH2 CH2

+

NaCl / H2O

Br2

disolución saturada

BrCH2CH2Br

BrCH2CH2Cl

+

1,2-Dibromoetano

1-Bromo-2-cloroetano 46 %

54 %

CH2 CH2

+

H2O

Br2

BrCH2CH2Br

00 C

BrCH2CH2OH

+

1,2-Dibromoetano

2-Bromoetanol 54 %

37 %

Cuando se hace reaccionar el (E)-2-buteno con bromo se obtiene únicamente la forma meso del 1,2dibromobutano:

Me

H

H

Me

Br2

Me H

Br

Me H

Br

H Me

Br

(E)-2-Buteno

Me H 2

3

Br (2R,3S)

Si la reacción se lleva a cabo con el (Z)-2-buteno se obtiene una mezcla equimolecular de dos enantiómeros (racémico): H Me

Me

Br2

H Me

H

Br

(Z)-2-Buteno

Br 2

H

Br

3

2

+

H Me

H Me

3

Me

Br (2R,3R)

(2S,3S)

EJERCICIO 7.7

Comprueba que si las dos reacciones anteriores transcurrieran a través de carbocationes, se obtendrían los mismos productos partiendo del estereoisómero (Z) o del (E)

Para poder explicar la estereoquímica de estas reacciones se planteó la siguiente hipótesis: la reacción con la olefina debe dar lugar a un catión en el que el halógeno está unido simultáneamente a los dos átomos de carbono del doble enlace (catión halogenonio):

3 1

_ :X :

:X : :X :

R CH

+ :X :

2

CH R'

R C

C R'

H

H

(catión halogenonio)

El catión halogenonio reacciona posteriormente con el anión del halógeno (nucleófilo) por el lado menos impedido estéricamente (adición anti): +

:X: H R _ :X :

X

R H H R'

H R'

X (1)

VII

161

+

:X: H R

X H R'

_ : X:

H R'

H R

X (2 )

Se obtiene una mezcla de dos enantiómeros: (1) y (2) Veamos si la hipótesis del catión halogenonio, permite dar cuenta de los resultados que se obtienen en la reacción del bromo con los dos estereoisómeros del 2-buteno: (Z)-2-buteno: Me

H

1

Br 2

3

H Me

Br + Br H Me

H

Br2

H

H

Me

Me

Br

H

Me

3

Me Br

H

(1) (2S,3S)

_

2

Br

Me 2

1

H Me

Br 2 2

3

H Me

Br

H 2

Me Br

3

Br Me

H

(2) (2R,3R)

Se obtiene una mezcla equimolecular (racémico) de la pareja de enantiómeros del 2,3-dibromobutano. (E)-2-buteno: Me

H

1

Br 2

3

Me H

Br + Br H Me

Me H

Br2

H

Me

Me

Br

H

H

3

Me Br

Me

(1) (2S,3R)

_

2

Br

H 1

2

Br 2 2

H Me

3

Me H Br

(2) (2R,3S)

H Me Br

2

3

Br H

Me

Ahora se obtiene únicamente la forma meso: (1) = (2) Si la reacción de una molécula da lugar a un solo estereoisómero, se dice que la reacción es estereoespecífica. Cuando el sustrato conduce a una mezcla de estereoisómeros en la que predomina uno de ellos, la reacción recibe el nombre de estereoselectiva.

La reacción del (E)-2-buteno con bromo es estereoespecífica, ya que se obtiene un solo estereoisómero: la forma meso.

VII

162

EJERCICIO 7.8

Para averiguar qué estereoisómeros se forman al reaccionar cualquier olefina con cloro o bromo, sólo es preciso trabajar con uno de los dos cationes halogenonio posibles: (1) o (2)

X2

R'

H R

+ X

H R

H

R'

H

o

R

H

(1)

R' X + (2)

H

Comprueba que esto es cierto utilizando el catión bromonio (2) del (E)-2-buteno. REACCIÓN DE LOS ALQUENOS CON ÁCIDOS HIPOHALOSOS (HOCl Y HOBr)

Los ácidos hipohalosos se obtienen haciendo reaccionar sus sales sódicas con un ácido fuerte disuelto en agua: NaOCl +

H 3 O+

Na+ + H2O

HOCl + ácido hipocloroso

hipoclorito sódico

+

δ−

δ

En los ácidos hipohalosos el enlace que une el oxígeno y el halógeno está polarizado: HO

X

La baja densidad electrónica sobre el átomo de halógeno hace que se comporte como un electrófilo potencial. El resultado de la interacción entre el par de electrones del doble enlace y el halógeno electrófilo, conduce también a un catión halogenonio, igual que en la reacción de halógenos con una olefina: : OH

3

:X :

1

H R

+ : X:

2

C

C (Z)

H

H

R

R

C

H

C

R

+

_ HO (nucleófilo)

(catión halogenonio)

Ahora, el catión halogenonio reacciona en anti con el anión hidroxilo. Si la olefina tiene los mismos sustituyentes en los dos carbonos del doble enlace, el catión halogenonio que se forma es simétrico. En una situación como ésta, la reacción posterior con el nucleófilo tiene la misma probabilidad de ocurrir por cualquiera de los dos carbonos. R

H

X

1

(halogenohidrina) H R

HO + X

(1)

H

H

R

HO

_

R 2

1

(Z)

H R

X

(halogenohidrina) 2

H R

OH (2)

En este caso se obtiene un racémico de las halogenohidrinas (1) y (2)

VII

163

EJERCICIO 7.9

Dibuja los estereoisómeros que se obtienen en las siguientes reacciones: + X

H

H

R H

H R

X-OH

R (Z)

1

2

1

2

H

H

R

R

X + + X

R

X-OH

H (E)

HO

R

R R

_ ....

(dos estereoisómeros)

....

(dos estereoisómeros)

....

(dos estereoisómeros)

....

(dos estereoisómeros)

R

H H

HO

_

HO

_

H 1

2

1

2

H

R

R

H

X +

HO

_

Cuando los sustituyentes son distintos, en particular si uno de los carbonos del doble enlace tiene unidos dos átomos de hidrógeno, el catión halogenonio deja de ser simétrico: + X R

H

R

H

X-OH

H

R R

H 1

2

Ahora, la reacción por 1 o 2 con el nucleófilo (HO−) no tiene lugar con la misma facilidad. Veamos dos ejemplos concretos: CH3 CH3CH2

C

CH2

Cl-OH H2O

2-Metil-1-buteno

C6H5

CH CH2

Feniletileno (Estireno)

CH3 CH3CH2 C

CH2Cl

OH 1-Cloro-2-metil-2-butanol

Cl2, H2O Na2CO3

OH C6H5

CH CH2Cl

2-Cloro-1-feniletanol 72 %

El átomo de halógeno se une al carbono con más hidrógenos (el menos sustituido) y el grupo HO− al carbono más sustituido. ¿Por qué la reacción tiene una regioselectividad de tipo Markovnikov, cuando no existe ningún carbocatión como intermedio?

VII

164

Supongamos que el catión halogenonio no simétrico reacciona con el nucleófilo por el átomo de carbono al que están unidos los dos hidrógenos: + X H

R R

HO

δ+ X

_

R

H 1

X

H H

R R

OH

H

R

H

δ−OH

carbocatión incipiente

(minoritario)

La aproximación del HO− al átomo de carbono debilita el enlace C-X, que comienza a romperse. Este hecho da lugar a la aparición de un carbocatión primario incipiente, que no llega a formarse porque el nucleófilo (HO−) se une a él. Si por el contrario, la reacción transcurre por el otro átomo de carbono, el carbocatión incipiente será terciario y más estable: + X H

R R

HO

δ+ X

_

R

H 2

R

H

R

H

δ−OH

R

X H H

HO

carbocatión incipiente

(mayoritario)

Una consideración importante: el hecho de que los grupos alquilo unidos a un carbono con carga positiva estabilicen el carbocatión, significa que son cesores de electrones. Cualquier carbocatión es inestable debido a la carga positiva; si un grupo cede electrones al carbono con carga, disminuye su inestabilidad, ya que hace aumentar la densidad electrónica sobre él.

La reacción entre ácidos hipohalosos y olefinas no simétricas, como la que se muestra a continuación, da lugar a una mezcla de estereoisómeros de dos compuestos diferentes:

R CH CH R'

OH X

XOH

X

R CH CH R'

+

OH

R CH CH R'

(Z) o (E)

Para obtener los estereoisómeros de los dos compuestos es necesario trabajar con los dos cationes halogenonio posibles: + X Estereoisómero (Z):

H

H

R

y

R' 1

R

R' X +

3

H

R'

R

H 1

H

2

+ X Estereoisómero (E):

4

3

H

2

y

4

H

R'

R

H X +

VII

165

EJERCICIO 7.10

Utiliza representaciones tridimensionales para escribir la reacción entre ácido hipobromoso y 1-etil-2-metilciclohexeno. Nombra todos los compuestos que se obtienen y averigua la configuración absoluta de los estereoisómeros

REACCIONES DE LOS ALQUENOS CON ELECTRÓFILOS OXIGENADOS OXIDACIÓN DE ALQUENOS CON PEROXIÁCIDOS

O

O

R C OH

R C O OH

ácido carboxílico

ácido peroxicarboxílico

Ácidos peroxicarboxílicos empleados habitualmente: O O

O

H C O OH

O OH C

O

CH3 C O OH

C6H5 C O OH Cl

Ác. peroxifórmico

Ác. peroxiacético

Ác. m-cloroperoxibenzoico Ác. m-cloroperbenzoico

Ác. peroxibenzoico

La reacción de las olefinas con peroxiácidos da lugar a derivados de oxirano: R R

O

C O O

C O H

H O

H

H

H

R

R

R

O

H R

Siguen un par de ejemplos:

C6H5 H

H C6 H5

CH3CO3H

C6H5

CH2Cl, 30-350C

2

H

3

O

H C 6H 5

1

(2S,3S)-2,3-Difeniloxirano

1,2-Difeniletileno

HCO3H

H

H O

Ciclohexeno

Epoxiciclohexeno

VII

166

El anillo de oxirano se abre fácilmente en medio ácido: H

C6H5 H

H

C6H5

:O :

H

C6H5

C6H5

:O + H

+ H2O

H

+

: OH2

H

H2O H

C6H5 H

O :+

C6H5

C6H5

C6H5

OH

H

H

+ OH

:

: H2O :

H

C 6H 5

H

1

C 6H 5

OH

H

H

HO

C6 H5

2

C 6H 5 H 3O

+

+

OH

H

(1S,2R)-1,2-Difenil-1,2-etanodiol (forma meso)

El proceso completo da lugar a una adición neta anti de los dos grupos OH al doble enlace de la olefina. Es decir, permite obtener 1,2-dioles a partir de olefinas: HO

H

R

1

H

H H

H R

R (Z)

RCO3H

H R

O

H R

H3O

+

O+

H

H

R

R

H 2O

R 1

OH

2

R

H

OH

2

HO

R

H

La reacción de la olefina con el peroxiácido transcurre con una estereoselectividad superior al 99 % (si lo hiciese con un 100 % sería estereoespecífica) ya que la geometría de los grupos R y H unidos a C1 y C2 en el 1,2diol es la misma que la del oxirano de partida.

Comprueba que cuando en la reacción anterior se parte del estereoisómero (E) se obtiene la forma meso.

Igual que sucede con los cationes halogenonio la apertura de los oxiranos no simétricos, catalizada por ácidos, tiene lugar con regioselectividad Markovnikov. En este sentido, la reacción es parecida a una SN1 (ver Tema 9), en la que el carbocatión intermedio más estable reacciona con el nucleófilo antes de que tenga lugar su rotación interna:

VII

167

H 1)RCO3H

H

Me Et

+

H

Et

2)H3O

Me

O+

Me

Me

3-Metil-2-penteno

Me

H

H

O+

O

Et

H

Me

Me

Et

+

Me Et

H Me

OH H 2O H Me

:

H2O +

H 2O :

Me Et

HO

OH 3

2

H Me

(1) (2S,3S) 3-Metil-2,3-pentanodiol

H2O : :

+ H 2O

Me Et

O+

H

Me

Me

Et

H

+ O

H

H

Me Et

Me

Me

H2O

HO

H

Me Et

OH

H

Me

OH

(1') (2R,3R) 3-Metil-2,3-pentanodiol

En esta reacción se obtendrá una mezcla mayoritaria de (1) y (1’), ya que la reacción transcurre preferentemente a través del carbocatión incipiente más estable (en este caso el carbocatión terciario).

EJERCICIO 7.11

Emplea representaciones tridimensionales para escribir la reacción entre propilidenciclohexano y un peroxiácido, seguida de acidificación. Indica cuáles serán los productos mayoritarios y averigua la configuración absoluta de los estereoisómeros.

OXIDACIÓN DE ALQUENOS CON TETRAÓXIDO DE OSMIO

El tetraóxido de osmio (OsO4) reacciona con las olefinas, dando lugar a ésteres del ácido osmico: O

O Os H

H

OsO4

H

R

R'

Et2O, piridina

R

O

O

H R'

(adición syn)

La descomposición en medio básico del éster da lugar a un glicol en el que los dos grupos OH están en posición syn (al contrario de lo que sucede en la reacción con peroxiácidos, que sitúa los dos grupos OH en posición anti)

VII

168

Para averiguar eriguar el número total de estereoisómeros que se obtienen en la reacción hay que trabajar con los dos ésteres posibles: (1) y (2): O

O Os

H

O

O

H

R

R'

H R

(1)

H R

O

O

H R'

R

KOH H2O

(1')

H

H R' H R'

HO

OH (2')

Os O

OH

HO

KOH H2O

O (2)

En la reacción del OsO4 con cada estereoisómero de la olefina se obtiene una pareja de enantiómeros. En el ejemplo los enantiómeros son (1’) y (2’). EJERCICIO 7.12

Utiliza representaciones tridimensionales para escribir la reacción entre OsO4 y 1-etil-2-metilciclohexeno. Nombra todos los compuestos que se obtienen y averigua la configuración absoluta de sus estereoisómeros.

EJERCICIO 7.13

Averigua la estereoquímica de los productos que se obtienen en las siguientes reacciones:

CH3

CH CH

CH2CH3

(Z)

CH3

CH CH CH2CH3

(E)

HO HO

1)RCO3H

CH3

2)H3O+

CH CH CH2CH3

HO HO

1)OsO4

CH3

2)KOH, H2O

CH CH CH2CH3

OLEFINAS CON DOBLES ENLACES CONJUGADOS CH2 CH CH CH2

CH3 CH CH CH CH CH3

1,3-Butadieno

2,4-Hexadieno

1,3-Ciclohexadieno

REACCIÓN CON HALUROS DE HIDRÓGENO Y HALÓGENOS A TRAVÉS DE CARBOCATIONES 1

2

4

CH2 CH CH CH2 1,3-Butadieno

HCl AcOH, 00C

Cl CH3 CH CH CH2

+

CH3 CH CH CH2Cl

3-Cloro-1-buteno

1-Cloro-2-buteno

(adición 1,2 ; 80 %)

(adición 1,4 ; 20 %)

VII

169

HIDROXILACIÓN DE OLEFINAS CON PEROXIÁCIDOS Y TATRAÓXIDO DE OSMIO

1 2

RCO3H

H

anti

R

1

R

H

1 2

H R'

HO [1]

H O

OH

R'

H

HO 2

H

R'

R

H

R'

OsO4 syn

1 2

H

R

[2]

OH

H

H

H

R'

R

R'

R

H

(Z) HO

OH

1 1

syn OsO4

H

1

H

R

H

R

[3]

H R'

R

2

H

H

2

H R

R'

R'

R' H

O

2

2

HO

Enantiómeros: [1] y [2] ; [3] y [4]

1

[4]

OH

Cuando R = R´

enantiómeros: [1] y [2] forma meso: [3] = [4]

VII

anti RCO3H

(E)

170

+

Primer paso: reacción del electrófilo (H ) con el par de electrones del doble enlace.

1 1

CH3

2

CH2

CH CH CH2

+ CH CH CH2

+ CH3 CH CH CH2

(carbocatión estabilizado por deslocalización de la carga)

HCl

1,3-Butadieno 2

+ CH2

CH2 CH

CH2

(carbocatión no estabilizado)

La reacción transcurre a través del carbocatión estabilizado. El carbocatión primario no estabilizado carece de importancia, ya que se forma en cantidades tan pequeñas que no es preciso tenerlo en cuenta. Segundo paso: reacción del nucleófilo (Cl−) con el carbocatión estabilizado: CH3

+ CH CH CH2 Cl

+ CH3 CH CH CH2

_

Cl

_

Cl CH3

CH CH CH2

CH3 CH CH CH2Cl

3-Cloro-1-buteno

1-Cloro-2-buteno

(adición 1,2 ; 80 %)

(adición 1,4 ; 20 %)

Cuando la reacción se realiza a baja temperatura el producto mayoritario es la olefina menos sustituida (olefina terminal) esto es, la menos estable: CH2 CH CH CH2

HBr Et2O, -800C

Br CH3 CH CH CH2

CH3

CH CH CH2Br (20 %)

(80 %)

1,3-Butadieno CH3 CH2 C

+

CH CH2

HCl -150C

2-Metil-1,3-Butadieno (Isopreno)

CH3 CH3 C

CH3 CH CH2

+

CH3

C

CH CH2Cl

Cl (73 %)

(27 %)

Estos resultados experimentales indican que, en el carbocatión estabilizado, la carga positiva no está distribuida simétricamente entre los dos carbonos, es decir, cada carbono no tiene la misma carga (+1/2) Si el átomo de carbono con mayor carga está unido al metilo (cesor de electrones) el carbocatión es más estable que cuando la carga máxima está en el carbono terminal. + CH3 CH CH CH2 mayor carga; catión estabilizado por CH3

CH3

+ CH CH CH2 mayor carga; catión no estabilizado

La energía de activación es menor en el primer caso que en el segundo:

VII

171

+

CH3

+ X

CH CH CH2

X δ−

_

CH3

CH CH CH2 δ+

Δ G (1,2)

Δ G (1,2) < Δ G (1,4)

+

CH3

+ X

CH CH CH2

X δ−

_

CH3

CH CH CH2 δ+

Δ G (1,4)

Es importante fijarse que el producto obtenido a través del estado de transición de menor energía no tiene por qué ser el más estable. De hecho no lo es, ya que se trata de la olefina menos sustituida en el doble enlace. Cuando la reacción se realiza a temperaturas bajas, el producto mayoritario es el que proviene del estado de transición de menor energía y el proceso está sometido a control cinético. Se obtiene la olefina que se forma más rápidamente, a través del estado de transición de menor energía, es decir, la olefina menos estable (olefina terminal: CH3-CHX-CH=CH2) En esta situación, el sistema no ha tenido tiempo de alcanzar el equilibrio, y por este motivo se dice que la reacción está controlada cinéticamente. Sin embargo, cuando la reacción se hace a temperatura elevada está sometida a control termodinámico, es decir, se alcanza el equilibrio. Los porcentajes de los productos de reacción se invierten: la olefina mayoritaria es la más estable (adición 1,4) y la minoritaria la menos estable (adición 1,2): 1

2

4

Cl

HCl

CH2 CH CH CH2

CH3

1000 C

1,3-Butadieno

CH CH CH2Cl

+

CH3 CH CH CH2

(adición 1,4)

(adición 1,2)

75 %

25 %

Ahora, la mezcla de isómeros refleja sus estabilidades termodinámicas relativas. Al aumentar la temperatura, aumenta el número de moléculas capaces de alcanzar el estado de transición de mayor energía y, si se prolonga el tiempo de reacción, el sistema alcanza el equilibrio (control termodinámico) H

δ+ δ+ CH2 CH CH CH2

X δ− CH3 CH CH CH 2 δ+

ΔG

X δ− CH3 CH CH CH 2 δ+

ΔG (1,4) ΔG (1,2)

+ CH3 CH CH CH 2 + CH3 CH CH CH 2

CH2 CH CH CH 2 + HX

ΔG(1,2) ΔG(1,4)

X CH3 CH CH CH 2 (menos estable) CH3 CH CH CH X 2 (más estable) curso

VII

172

EJERCICIO 7.15

En la reacción del 1-fenil-4-metoxi-1,3-ciclopentadieno con HBr pueden formarse cuatro carbocationes diferentes. Elige el menos inestable de los cuatro para averiguar los estereoisómeros que se obtienen, cuando el proceso está sometido a control termodinámico o a control cinético.

REACCIONES DE LOS ALQUINOS ACIDEZ DE LOS ALQUINOS TERMINALES

Los alquinos con un triple enlace terminal tienen valores de pKa ≈ 26 (Apéndice II): R

C

C

H

R

ácido

C

C:

_

H+

+

pK a 26

base

Son compuestos poco ácidos que sólo se desprotonan en presencia de bases muy fuertes, por ejemplo el anión amiduro (NH2−) cuyo ácido conjugado (NH3) tiene un pKa ≈ 36. El anión amiduro se obtiene por reacción entre NH3 líquido (¡no NH3 disuelto en agua!) y sodio metálico; se trata de una reacción de oxidación-reducción: 2NH3 (liq.) + 2Na

_ 2Na+ :NH2

-330 C

+ H2

Amiduro sódico

R C

_ :NH2

C H +

R C

pKa 26

C:

_

+

Keq. 1010

:NH3 (liq.) pKa 36

anión acetiluro

El equilibrio está desplazado a la derecha de forma prácticamente total. Los aniones acetiluro son nucleófilos muy efectivos, que dan lugar a reacciones de sustitución nucleófila cuando se utilizan haluros de alquilo como sustratos (Tema 6):

H C

C

H

Acetileno

H C

C:

_

CH2

_ Na+:NH2

H C

0

-33 C

X

H C

C:

_

+

C CH2 R

X

_

alquino con triple enlace terminal

R

Si se parte de acetileno, esta reacción permite obtener alquinos terminales con mayor número de carbonos: H C

C

H

+

CH3

Br

_ Na+:NH2 -330 C

CH3

C CH

Propino

H C

C

H

+

CH3CH2

Cl

_ Na+:NH2 -330 C

CH3CH2

C CH

1-Butino

VII

173

H C

C H

CH3CH2CH2

+

_ Na+:NH2

Br

-330 C

CH3CH2CH2

C CH

1-Pentino

Cuando se utiliza cualquier alquino terminal que no sea el acetileno, el triple enlace queda situado en el interior de la cadena: CH3CH2

CH3CH2

C C:

_

_ Na+:NH2

C CH

CH2

CH3CH2

0

-33 C

Br

CH3CH2

CH3

C C:

_

C C CH2CH3

_ Br

+

3-Hexino

REACCIONES DE ADICIÓN ELECTRÓFILA

ADICIÓN DE HALUROS DE HIDRÓGENO

HBr

C CH

CH3CH2

150 C

Br

Br

C CH2

CH3CH2

+

CH3CH2

C CH3 Br

2-Bromobuteno

2,2-Dibromobutano

La reacción transcurre a través de carbocationes con regioselectividad Markovnikov:

CH3CH2

C CH

CH3CH2

H

CH3CH2

_ Br

Br

Br CH3CH2

Br

+ C CH2

2-Bromopenteno

Br

C CH2

CH3CH2

H

Br

C CH2

Br

C CH3 +

CH3CH2

_ Br

C CH3 Br

2,2-Dibromopentano

La interpretación de estos resultados no es evidente. Observa qué sucede cuando la reacción se hace con acetileno: H C

HCl, ZnCl2

C H

1000 C

CH2

CHCl

HCl, HgCl2 250 C

Cl CH3

CH Cl

1,1-Dicloroetano

Cloruro de vinilo

Reacción 1: HC CH H

CH2 Cl

+ CH Cl

_

CH2

CHCl

Cloruro de vinilo

VII

174

Reacción 2: 1 1

CH2

CH3

2

CH Cl

+ CH Cl

+ Cl

Cl

_

CH3

(1)

HCl + CH2

2

CH Cl

1,1-Dicloroetano

CH2Cl

+ Cl

_

Cl

(2)

CH2

CH2

Cl

1,2-Dicloroetano

En el carbocatión (1) el cloro está unido al átomo de carbono con carga. El átomo de cloro es más electronegativo que el de carbono y cabría esperar que su efecto electroatrayente disminuyera la carga del carbono, desestabilizando aún más el carbocatión. Sin embargo, esto no sucede, puesto que el carbocatión (2) que no tiene el cloro unido al carbono con carga, es menos estable que (1) La estabilización de (1) puede explicarse admitiendo que existe una interacción entre el OA pz lleno del cloro y el OA pz vacío del carbono: enlace π de dos electrones aportados por el cloro

pz vacio pz lleno CH3

+

CH3 H

Cl

H

CH3 H

+

(1)

+

(1)

Si esta interpretación se realiza utilizando enlaces de valencia, es necesario dibujar dos estructuras del carbocatión (1): CH3

+

CH3

Cl :

H

+ Cl :

H

(1)

(1)

La deslocalización de la carga entre los átomos de carbono y cloro estabiliza el carbocatión (1) EJERCICIO 7.16

Considera las siguientes reacciones sucesivas: Cl R

C

C

H

HCl

R

C

CH2

HBr

Cl R

C

CH3

Br

Haz un esquema en el que aparezcan todos los carbocationes posibles y justifica la formación de los productos, empleando un razonamiento semejante al utilizado en el caso del acetileno. ADICIÓN DE AGUA CON CATÁLISIS ÁCIDA

El acetileno reacciona con agua, en presencia de un ácido fuerte y sales mercúricas (Hg2+) dando lugar a acetaldehído:

HC CH

H2O, H2SO4 HgSO4

O CH3

C H

Acetaldehido

VII

175

La reacción transcurre del modo siguiente (ver equilibrio ceto-enólico, Tema 9, p. 229): HC CH H

OH

+ H2C CH

+ OH2

HO +

: OH2

H

O

CH2

CH

CH2

H2C CH : OH2

H

CH

+

H3O+

enol del acetaldehido

O (equilibrio ceto-enólico)

C H

CH3

Acetaldehido

El resto de los alquinos se transforman en cetonas; los que están sustituidos en los dos carbonos del triple enlace son bastante reactivos y no se necesita utilizar catalizadores de mercurio para que tenga lugar la reacción: CH3CH2CH2CH2

C CH

O

H2O, H2SO4

CH3CH2CH2CH2 C CH3

HgSO4

1-Hexino

2-Hexanona 80 %

CH3

H2O, H2SO4

C C CH2CH3

00 C, 10 min.

O

O CH3

CH2 C CH2CH3

+

CH3CH2CH2 C CH3

3-Pentanona 50 %

2-Pentino

2-Pentanona 50 %

REDUCCIÓN DE ALQUINOS CON SODIO EN AMONÍACO LÍQUIDO

Los alquinos se reducen a olefinas cuando reaccionan con sodio o litio metálicos en amoníaco líquido. La reacción es estereoselectiva, ya que conduce mayoritariamente al estereoisómero (E) del alqueno:

R

C

C R'

H

R

Na, NH3(liq.) -330 C

H

R' (E)

En la reacción están implicados radicales libres, debido a la ruptura homolítica del triple enlace: 1. Reacción de oxidación-reducción: Na R C

_

C R'

R C

C R'

+

Na+

anión radical

2. Reacción del anión radical con amoníaco: R' R C

C R' _ H

NH2

R

C radical

+

C

_ :NH2 (anión amiduro)

H

VII

176

3. Reacción de oxidación-reducción: Na R' R

C

R'

_

C

R

C

+

C

H

radical

Na+

H

carbanión

4. La reacción del carbanión con amoníaco da lugar a la olefina (E): _

: H

C

C H

R

R (E)

carbanión

+

C

_ :NH2 :

C

R'

H

R'

:

H 2N

H

Por ejemplo:

CH3CH2

C

Na, NH3 (liq.)

C CH2CH2CH2CH3

CH3CH2

-330 C

H

3-Octino

H CH2CH2CH2CH3

(E)-3-Octeno

SÍNTESIS DE COMPUESTOS ORGÁNICOS A PARTIR DE OLEFINAS Y ALQUINOS

Los alquenos y los alquinos se utilizan como sustancias de partida para la obtención de otros compuestos orgánicos. A continuación aparece una síntesis de la 2-butanona empleando acetileno como único producto orgánico. Retrosíntesis de la 2-butanona:

CH3CH2

CH3CH2

OH

O CH3CH2

C CH3

C

CH2

CH3CH2

C CH

+ H C

C:

X _

CH2

CH2

HC CH

Síntesis de la 2-butanona: HC CH

H2

HBr

CH2

[Pt]

:

_ Na+:NH2

HC CH

HC

C:

HC

0

-33 C

CH3CH2Br

CH2

C:

_

_ CH2

HC C CH2CH3

Br

CH3

HC C CH2CH3

H2O H3O+

OH CH3CH2 C

CH2

O CH3CH2 C CH 3 2-Butanona

VII

177

EJERCICIO 7.17

Utiliza acetileno como único producto orgánico para obtener 3,4-hexanodiol y (E)-3-hexeno

ESQUEMA GENERAL DE LAS REACCIONES DE OLEFINAS H2

R CH2CH2 R

[Pt]

X

HX

R CH2CH R

OH

H2O H3O

R CH2CH R

+

X

X2

R CH CH R

X __

R CH CH

X

XOH

R

OH

R CH__CH

R

OH

RCO3H

R CH__CH

R

OH OH OH

OsO4

R CH__CH

R

ESQUEMA GENERAL DE LAS REACCIONES DE ALQUINOS H2 [Pt] _ 1)Na+NH2 2)R'-X R C

R CH CH2

H2 [Pt]

R CH2 CH3

R C C R'

CH HX

X R C

CH2

HX

X R C

CH3

X

H 2O H 3 O+

OH R C

O CH2

R C CH3

VII

178

EJERCICIOS ADICIONALES

7.1 La reacción de un compuesto A(C4H8) con ácido hipocloroso, da lugar a una mezcla de (2S,3R) y (2R,3S)-3-

cloro-2-butanol. Averigua la estructura de A y escribe el mecanismo a través del que discurre el proceso.

7.2 En el esquema siguiente se muestran los productos a los que da lugar una olefina A, cuando reacciona con ácido peroxifórmico o tetraóxido de osmio:

1)HCO3H

[(2R,3R) + (2S,3S)] 2,3-pentanodiol

2)H2O A 1)OsO4

[(2R,3S) + (2S,3R)] 2,3-pentanodiol (racémico)

2)H2O

Averigua la estereoquímica de A, e indica qué productos se obtendrán cuando dicha olefina reacciona con ácido hipocloroso a través de iones onio. 7.3 Escribe las reacciones del 1,2-dimetilciclohexeno con tetraóxido de osmio, ácido peroxibenzoico y ácido clorhídrico (vía carbocationes). Averigua la configuración absoluta de todos los productos que se obtienen y nombra cada uno de ellos.

7.4 El (E)-1-fenil-2-penteno reacciona con HBr dando lugar a una mezcla de dos racémicos. Uno de ellos corresponde al 1-bromo-1-fenilpentano y el otro al 3-bromo-1-fenil pentano.

Apartado 1: Averigua si la reacción transcurre a través de carbocationes o de iones onio y haz un esquema con todas las reacciones. Apartado 2: Escribe las reacciones del (E)-1-fenil-2-penteno con ácido peroxibenzoico y con tetraóxido de osmio, indicando en cada caso la configuración absoluta de los productos que se obtienen. 7.5 La reacción del (4S)-4-fenil-2-penteno con HBr da lugar a los siguientes resultados: 2-bromo-4-fenilpentano (mezcla de dos estereoisómeros) (4S)-4-fenil-2-penteno

HBr 1-bromo-1-fenil-2-metilbutano (mezcla de cuatro estereoisómeros)

Averigua si la reacción transcurre a través de carbocationes o de iones onio y haz un esquema con todas las reacciones. 7.6 La reacción de una olefina A(C6H9OCl) con ácido hipocloroso, da lugar a la siguiente mezcla de cuatro este-

reoisómeros:

[(1S,2R) + (1S,2S)] 3,3-dicloro-1,2-ciclohexanodiol + [(1R,2S,3S) + (1S,2R,3S)] 1,2-dicloro-1,3-ciclohexanodiol

Averigua la estereoquímica de la olefina A y escribe el mecanismo de todas las reacciones.

VII

179

7.7 El estereoisómero ópticamente activo de una olefina A(C12H13Cl) reacciona con HOCl, dando lugar a cuatro productos distintos. Uno de ellos es el (1S,2S,3R) 1,3-Dicloro-1-fenil-2-hidroxiciclohexano.

Apartado 1: Averigua la estructura de la olefina A y escribe únicamente la reacción que conduce al producto indicado. Apartado 2: La olefina A se somete a una reacción de eliminación en medio básico, obteniéndose un compuesto B(C12H12) El tratamiento de B con HCl origina una mezcla de dos racémicos, uno de cuyos componentes es el compuesto de partida A. Escribe el mecanismo de la reacción entre B y HCl utilizando representaciones tridimensionales. 7.8 La reacción del 1,3-Ciclohexadieno con HCl, a través del carbocatión más estable, da lugar a un racémico. Utiliza representaciones tridimensionales para averiguar la estereoquímica de los productos resultantes y explica por qué se obtienen los mismos productos cuando la reacción está sometida a control termodinámico o a control cinético.

7.9 Averigua la estructura de la olefina A: A

1)OsO 4 2)H3O+

[(1R,3S) + (1R,3R)]-3-hidroximetil-1,3-ciclohexanodiol

1. Escribe el mecanismo de la reacción empleando representaciones tridimensionales y asigna la configuración a los estereoisómeros que se obtienen. 2. ¿Se llegaría al mismo resultado si la olefina A se trata con ácido peroxibenzoico, seguida de hidrólisis en medio ácido? 7.10 Averigua la estructura de la olefina A, teniendo en cuenta que la reacción transcurre a través del carbocatión incipiente más estable: A

ClOH

[(1R,3R) + (1R,3S)]-3-clorometil-1,3-ciclohexanodiol

7.11 Se hace reaccionar 3-metilenciclohexeno con HCl, dejando que la reacción alcance el equilibrio. Escribe el mecanismo de la reacción utilizando representaciones tridimensionales y averigua la estereoquímica de las olefinas monocloradas que se obtienen.

7.12 Averigua la estereoquímica del compuesto A(C5H10) y escribe el mecanismo de todas las reacciones que

aparecen en el esquema.

HOCl

A

1)HCO3H 2)H3O+ / H2O 1)OsO4 2)H2O

3-cloro-2-pentanol (racémico) + 2-cloro-3-pentanol (racémico)

2,3-pentanodiol (racémico)

[(2R,3S) + (2S,3R)] 2,3-pentanodiol

7.13 El 1,4-difenil-1,3-butadieno reacciona con HBr a través del carbocatión más estable, dando lugar a una mezcla de dos racémicos. Uno de ellos corresponde al (E)-3-bromo-1,4-difenil-1-buteno y el otro al (E)-1-bromo1,4-difenil-2-buteno.

VII

180

Apartado 1: Averigua si la configuración del 1,4-difenil-1,3-butadieno de partida es (1E,3E) o (1E,3Z) y escribe el mecanismo a través del que transcurren todas las reacciones. Apartado 2: El racémico del (E)-1-bromo-1,4-difenil-2-buteno se hace reaccionar con HCl acuoso, obteniéndose una mezcla de 1-bromo-1,4-difenil-4-hidroxibutano y 1-bromo-1,4-difenil-4-clorobutano. Explica mediante qué tipo de mecanismo tiene lugar la reacción, indicando la configuración absoluta de todos los estereoisómeros que se obtienen. 7.14 Las reacciones que aparecen a continuación transcurren a través de carbocationes y están sometidas a control termodinámico (equilibrio) Indica en cada caso la estereoquímica absoluta de los productos que se obtienen y ordénalos de acuerdo con su abundancia relativa (los estereoisómeros del mismo compuesto están colocados entre corchetes)

Reacción 1: 3-Fenilpropeno + Cl2

[A + B ]

Reacción 2: 1-Fenilpropeno + HBr

[A + B ] + [ C + D]

Reacción 3: 1,3-Ciclopentadieno + Br2

[A + B + C + D] + [E + F + G]

7.15 Apartado 1: Utiliza el esquema que aparece a continuación para identificar los estereoisómeros A y B del 2-buteno: A(¿Z o E?)

1)C6H5CO3H 2)H3O+ [(2R,3R) + (2S,3S)] 2,3-butanodiol

B(¿Z o E?)

1)OsO4 2)H3O+

Escribe el mecanismo de todas las reacciones Apartado 2: Escribe el mecanismo de la reacción del estereoisómero A con HCl acuoso y asigna la configuración absoluta a los compuestos que se obtienen. 7.16 Averigua la configuración absoluta de los estereoisómeros que se forman en los siguientes procesos y escribe el mecanismo de todas las reacciones: Reacción 1:(E)-2-hexeno

Reacción 2: feniletileno

1)OsO4 2)H3O+ HBr

Reacción 3: 1,2-dimetilciclohexeno Reacción 4: 1-metilciclopenteno

(1) + (2)

(3) + (4) HCl 1) HCO3H 2) H3O+

(5) + (6) + (7) + (8)

(9) + (10)

7.17 Uno de los estereoisómeros del 1-metil-3-hidroxiciclohexeno (A) se somete a una reacción de hidroxilación con ácido peroxibenzoico, obteniéndose una mezcla de (1R,2R,3S) y (1S,2S,3S)-1-metil-1,2,3-ciclohexanotriol.

VII

181

Apartado 1: Averigua la configuración absoluta del estereoisómero de partida (A) y escribe el mecanismo de la reacción utilizando representaciones tridimensionales. Apartado 2: Escribe la reacción del enantiómero de (A) con bromuro de hidrógeno acuoso utilizando de nuevo representaciones tridimensionales y asigna la configuración absoluta de todas las moléculas. 7.18 Averigua la configuración absoluta de los estereoisómeros que se forman en los siguientes procesos y escribe el mecanismo de todas las reacciones Reacción 1:(E) 2-hepteno

Reacción 2: 1-fenilpropeno

1) OsO4

HBr

Reacción 3:1,2-dietilciclohexeno

Reacción 4:1-etilciclopenteno

(1) + (2)

2) H3O+

(3) + (4) HCl

1) HCO3H 2) H3O+

(5) + (6) + (7) + (8)

(9) + (10)

7.19 Uno de los estereoisómeros del 3-fenil-1-buteno se hace reaccionar, primero con ácido mcloroperoxibenzoico, y el compuesto que resulta se trata con HCl acuoso. El producto final es una mezcla de estereoisómeros del (3R)-3-fenil-1,2-butanodiol.

Apartado 1: Averigua la configuración absoluta del 3-fenil-1-buteno de partida y escribe el mecanismo de las reacciones empleando representaciones tridimensionales. Apartado 2: La reacción del estereoisómero del Apartado 1 (3-fenil-1-buteno) con HBr, da lugar a una mezcla de estereoisómeros de dos compuestos distintos: el 2-bromo-3-fenilbutano y el 1-bromo-1-fenil-2-metilpropano. Escribe el mecanismo de las reacciones empleando representaciones tridimensionales y averigua la configuración absoluta de los estereoisómeros que se obtienen. 7.20 Uno de los estereoisómeros del 4-fenil-2-penteno se hace reaccionar con tetraóxido de osmio, y el compuesto que resulta se trata con KOH acuoso. El producto final es una mezcla de los estereoisómeros (2S,3R,4S) y (2R,3S,4S) del 4-fenil-2,3-pentanodiol.

Apartado 1: Averigua la configuración absoluta del 4-fenil-2-penteno de partida. Apartado 2: La reacción del estereoisómero del 4-fenil-2-penteno con bromo da lugar a una mezcla de diastereoisómeros del 2,3-dibromo-4-fenilpentano. Escribe el mecanismo de las reacciones empleando representaciones tridimensionales y averigua la configuración absoluta de los productos que se obtienen.

VII

8. REACCIONES DE SUSTITUCIÓN NUCLEÓFILA EN GRUPOS CARBONILO

INTRODUCCIÓN

Las reacciones de sustitución nucleófila en moléculas con grupos carbonilo (C=O) transcurren de acuerdo con el siguiente esquema general: O R C Z +

Nu

O

_

R C Nu + Z

_

Los grupos salientes Z más comunes son: Cl−, R–CO–O−, HO−, RO−, NH2−, RNH−. Es decir, son reacciones en las que están implicados los siguientes compuestos: cloruros de ácido, anhidridos de ácido, ácidos, ésteres y amidas. Estas reacciones transcurren en dos pasos: en el primero, el nucleófilo (Nu) se adiciona al grupo carbonilo, y en el segundo se elimina el grupo saliente Z:

Nu

_

:O

_

C Z

adición

R

: O: Nu C

Z

eliminación

:O: Nu C

R +

_

Z:

R

Por ejemplo: :O H3N:

C Cl

_

adición

: O:

+ H3N C

CH3

_

eliminación

Cl

_

:O : + + H3N C CH3

:B

:O : H2N C CH3 + HB

CH3

Cloruro de acetilo

HO

Cl

Acetamida _

:O C Cl

adición

CH3 Cloruro de acetilo

:O: HO C

Cl

CH3

eliminación

Cl

_

:O : +

HO C CH3 Ácido acético

CORRELACIONES ESTRUCTURA – REACTIVIDAD

En el proceso adición-eliminación, la constante de equilibrio global está determinada por las constantes de equilibrio correspondientes a las reacciones individuales de adición y de eliminación. El valor de dichas constantes depende de las características estructurales del grupo carbonilo, del tipo de nucleófilo (Nu) y de la naturaleza del grupo saliente Z. Con respecto al grupo carbonilo, su interacción electrónica con el grupo saliente Z, es el factor determinante del valor de la constante de equilibrio en el paso de la adición. Un grupo Z que sea atractor de electrones, a través de un efecto inductivo -I, hace disminuir la densidad electrónica en el átomo de carbono, aumentando su

reactividad. Debido a que todos los grupos Z tienen pares de electrones sin compartir, existe un efecto mesómero +M, opuesto al efecto inductivo -I, que provoca la deslocalización de dichos electrones, estabilizando la molécula, es decir, disminuyendo su reactividad.

VIII

183

Disminución de la densidad electrónica sobre el carbono del C=O: :O :

δ Z

R C δ+

_

efecto inductivo −I la reactividad aumenta

Deslocalización de los pares de electrones de Z: :

_ :O :

C

Z

R

:

R

C

+ Z

:

:

:O :

efecto mesómero +M la reactividad disminuye

Cuanto más electronegativo es el átomo del grupo Z que está unido al carbonilo, menor será la densidad electrónica sobre el carbono del C=O, y mayor su reactividad frente a los nucleófilos: O

O

O

O

O

R C Cl : (cloruro de ácido) > R C O C R (anhidrido de ácido) > R C

O R' (éster) >

R C

NH: R' (amida)

átomo menos electronegativo

átomo más electronegativo

Por otra parte, la deslocalización de los pares de electrones presentes en Z, estabiliza la molécula, disminuyendo la reactividad del C=O. El efecto +M será tanto mayor cuanto menor sea la electronegatividad de Z: _ :O :

:O : R :O: R

C

Cl : _ :O :

O

C

O

R

C R

R

C

C

+ O

C

_ :O:

:O :

C R

R

C

+ O

C R

_ :O: O R'

R

C

+ O R'

_ : O:

:O: R

+ Cl :

O

: O: R

C

NH R'

R

C

+ N

R'

La combinación de los efectos -I y +M varia de un grupo a otro, como puede apreciarse en la tabla siguiente: sustrato

combinación de efectos

reactividad del C=O

-I > +M

muy grande

-I > +M

muy grande

_ +M -I ~

semejante a

-I < +M

pequeña

O R C Cl O

O

R C O C R O R C O R'

O R C R'

O R C NH2

VIII

184

Orden de reactividad en la etapa de adición O

O

R C O CO R'

R C Cl

+ Nu

O

_

+ Nu

_

O

Nu

R C NHR'

R C OR'

_

+ Nu

_

O

R C O CO R'

R C Cl

O

O

_

+ Nu

_

O

_

R C NHR'

R C OR'

Nu

Nu

Nu

_

Con respecto al grupo saliente Z, su facilidad de eliminación está directamente relacionada con la basicidad: cuanto menor sea su basicidad más fácilmente es eliminado: O R C Z

grupo saliente (Z)

O R C Cl O

Cl

O

pKa

_

-7

O

R C O C R

_ R C O

5

_ R'O

15-19

_ NH2

36

O R C O R' O R C NH2

Orden de reactividad en la etapa de eliminación: O

_

R C

O Nu

_

R C

>

O >

Nu

R C

O CO R'

Cl

_ Cl _

_

O R C Nu

R'CO_O

_

O Nu

>

R C

OR'

_

_ Nu

NHR'

_ R'O

_

_ R'NH

2

O

O

O

R C Nu

R C Nu

R C Nu

Combinando las constantes de equilibrio de las etapas de adición y eliminación, es evidente que la constante del equilibrio global disminuye en el mismo orden: O R C Cl [cloruro de ácido]

O >

O

O

R C O C R [anhidrido de ácido]

>

R C OR' [éster]

O >

R C NHR' [amida]

[disminución de la reactividad]

VIII

185

Este orden de reactividad implica que cada uno de los cuatro compuestos se transforma fácilmente en cualquiera de los que están situados a su derecha, pero no al revés. Por ejemplo, a partir de un cloruro de ácido se pueden obtener un anhidrido, un éster o una amida; sin embargo, no es posible sintetizar directamente un anhidrido partiendo de un éster o una amida. Los nucleófilos implicados en este tipo de reacciones son los siguientes: Nucleófilos de halógenos: Cl

_

(generado a partir de SOCl2, PCl3 Y PCl5)

Nucleófilos de oxígeno: H2O:

(agua)

_ HO:

(anion hidroxilo)

R__OH

(alcoholes)

_ R__O:

(aniones alcóxido)

O R C OH O

_

R C O:

(ácidos carboxílicos)

(aniones carboxilato)

Nucleófilos de nitrógeno: H3N:

(amoniaco)

R__NH2

(aminas primarias)

Nucleófilos de ésteres y cetonas: _ R__CH__CO2Et

(aniones enolato de ésteres)

_ R__CH__CO__R

(aniones enolato de cetonas)

Nucleófilos de hidrocarburos (aniones alquilo y arilo): _ RCH2

(aniones de radicales alquilo; generados a partir de RCH2Li) _ :

(aniones de radicales arilo; generados a partir de C6H5Li)

Anión hidruro: H:

_

(generado a partir de LiAlH(OCMe3)3 y LiAlH(OEt)3)

VIII

186

Las reacciones de sustitución nucleófila en compuestos carbonílicos, tienen lugar entre los nucleófilos mencionados y cada uno de los siguientes sustratos: cloruros de ácido, anhidridos de ácido, ésteres y amidas. La adición del nucleófilo (Nu) es el primer paso y la eliminación del grupo saliente (Z) el segundo:

Nu

_

:O C Z

_

adición

R

: O: Nu C

Z

eliminación

:O: Nu C

Z +

_

Z:

R

R

Conviene aclarar que los grupos liberados Z no siempre tienen carga negativa; el mecanismo general de adición-eliminación transcurre con frecuencia en presencia de ácidos, y este hecho da lugar a la liberación de moléculas neutras, que son mejores grupos salientes. Si la reacción se hace en medio básico lo más frecuente es que el grupo Z tenga carga negativa, pero el anión amiduro (NH2−) es una excepción. Se trata de una base muy fuerte (pKa 36) y el mecanismo de la reacción transcurre de tal modo que el grupo realmente liberado es amoníaco o una amina primaria. En la tabla siguiente aparecen las reacciones más comunes de cloruros de ácido, anhidridos de ácido, esteres y amidas, con los nucleófilos que se utilizan habitualmente en este tipo de procesos. O

nucleófilo

R C Z

producto obtenido O

:

O

H2 O :

R C Cl

grupo liberado (Z)

R C OH

_ Cl

O R'

OH

: :

R C OR'

R'

_ O:

R C OR'

O

: : O

O

_ C O

R'

R C

C OH

R C

_ Cl

O O C R'

O

O R'

_ Cl

_ Cl

O O C R'

N

N

O H3N:

R C NH2

_ Cl

O :

R NH2 _

H

:

R'

CH CO2R''

_

R C NHR'

O R C

_ Cl

R' CH CO2R''

_ Cl

O R C H

_ Cl

VIII

187

O

nucleófilo

R C Z

:

O

H2O: (H3O+)

producto obtenido O

O

O

R C OH

R C O C R

O

_

_ R C O

OH (H3O+)

R C OR'

HO

grupo liberado (Z)

R C OH O

_ R C O

O

O

: :

R'

O

: :

_

O:

R'

R C OR' O R C NH2

H3N:

O :

R C NHR'

R NH2

:

HO

R C OR''

R C OH

O

_

R C O

_

O

O :

+ OH (H3O )

:

R'

R C OR'

R C OR''

O H3N:

R C NH2 O

:

R'

NH2

R C NHR'

_

R C

CH CO2R'' O

Li

R' (Ar)

OH

R''

OH

R''

OH

R''

_ O

R''

O

R''

O

_

O R' (Ar)

O R C OH

O R C O

_

O R C

H2O

R'

NH2

R'

NH2

:

H

_

R C NHR'

CH CO2R''

R C

R''

:

HO

_

O

O _ R C O

:

:

H2O : (H3O+)

R C OH

O _ R C O

_

R'

O

:

R'

O _ R C O

O

O

H2O : (H3O+)

R C OH

H

R'

NH2

VIII

188

APLICACIONES DE LA SUSTITUCIÓN NUCLEÓFILA EN SÍNTESIS

FORMACIÓN DE ENLACES C–X

SÍNTESIS DE CLORUROS DE ÁCIDO

Los reactivos que se utilizan habitualmente son: cloruro de tionilo (SOCl2), tricloruro de fósforo (PCl3) y pentacloruro de fósforo (PCl5): O

O

R C OH

+

R C Cl

SOCl2

O

SO2

+

+ HCl

O

3 R C OH

+

3 R C Cl

PCl3

O

+

PO3H3

O

R C OH

+

R C Cl

PCl5

+

POCl3 + HCl

Esquema de la reacción con cloruro de tionilo:

O

O R C O: H

O O + _ R C O S Cl + Cl

S Cl

H

Cl _

adición del nucleófilo:

Cl

O

H O

C

O S Cl +

R

eliminación :

Cl

O

H

O

C

O

S

O H O Cl

R

O Cl

C O S Cl

R C Cl

_ + SO2 + (Cl + H+) [HCl]

R

EJERCICIO 8.1

Cuando se utiliza PCl3 para sintetizar un cloruro de ácido, se obtiene ácido fosforoso (PO3H3) como subproducto de la reacción. Su estructura no es (1) como podría pensarse, sino (2): OH

O

HO P OH

HO P OH

(1)

(2)

H

Escribe el mecanismo completo de la reacción que tiene lugar entre un ácido carboxílico y el tricloruro de fósforo utilizando como ayuda la reacción con SOCl2. Idea un mecanismo que explique la transformación de (1) (éste es el compuesto que se obtiene inicialmente) en ácido fosforoso (2)

El empleo de cada uno de los tres reactivos, en la preparación de cloruros de ácido, depende de los puntos de ebullición de las sustancias que están presentes en el medio. Se elige aquél que permita separar más fácilmente el cloruro de ácido de la mezcla de reacción:

VIII

189

3CH3CH2CO2H +

PCl3

3 CH3CH2COCl 0

+

(p.e. = 180 C)

(p.e. = 80 C)

CO2H

H3PO3

(p.e. = 2000C)

0

COCl +

+

PCl5

(p.s. = 1620 C)

(p.e. = 3040 C)

CO2H

POCl3

+ HCl

(p.e. = 1070 C)

COCl +

SOCl2

+ SO2

(p.e. = 770 C)

+ HCl

(p.e. = 1840 C)

FORMACIÓN DE ENLACES C–O SÍNTESIS DE ÉSTERES

La reacción entre un ácido carboxílico y un alcohol, catalizada por ácidos fuertes, se conoce como esterificación de Fischer: O R C OH

+ R'OH

O

H3 O +

R C OR'

+ H 2O

Keq =

[R-CO2R'][H2O] [R-CO2H][R'OH]

Para desplazar el equilibrio hacia la formación del éster se pueden hacer dos cosas: utilizar exceso de alcohol (los alcoholes etílico y metílico son más baratos que los ácidos) o eliminar de forma aceotrópica el agua que se origina en la reacción. Esquema del proceso:

OH2

:

: O R'

R C

H

OH

R C

R C

O R'

O R'

O R'

+ H OH2

: O:

:

R C

: OH2

:OH2

: :

6:

H

HO H +

R C O R' [éster]

:

HO H

O R'

R C :

:

:

HO H +

+ O

+ O H

R C

H

HO :

OH2 +

:

[eliminación]

+ OH2

:

O R'

O R'

:

R C

H

:

5:

R C

:

:

:O H

4:

:O H

:

: OH2

O R'

OH

:

H

:O H

:

OH

H

:

+:

3:

:O H

:O H + O R' R C OH

:

:

:

:O H +

[adición]

:

2:

R C OH

R C OH

:

1:

+ :O H

:

+ :O H

:

+ H___OH2 :

:O :

El orden de reactividad de los alcoholes que se observa en las reacciones de estirificación, se debe básicamente al impedimento estéreo en el segundo paso del mecanismo:

VIII

190

R R CH2OH (primario)

R

R CHOH (secundario)

>

> R C OH (terciario) R

El impedimento estéreo en el carbono α, es el factor que determina la reactividad de los ácidos carboxílicos: α

α

R

CH3

>

CO2H

R CH2

CO2H

>

R

R CH CO2H

R C

>

CO2H

R

α

El método más utilizado en el laboratorio para sintetizar ésteres , es la acilación de alcoholes con cloruros o anhidridos de ácido:

Con cloruros de ácido: O R C Cl +

R'

OH + HO

_

NaOH, H2O 10 %

O R C O

R' + Cl

_

+ H2O

Esquema de la reacción con un cloruro de ácido: R R'

OH

[adición]

C

Cl

R'

R'

H

_ HO

H

C

R'

Cl

O

_ O

C

Cl

OH

[eliminación]

O R'

O

Cl _

R

R

O

R C

C

H

O + O

R

+ O

O R C O R'

Cl

+

_

+

H2O

Cl

Con anhidridos de ácido: O R

O

C O C R +

R'

OH

H3O + (trazas)

O

O

R C O R'

+

R

+

H2O

C OH

Esquema de la reacción con un anhidrido de ácido + H2O

H

:O:

O

+ H O:

O

C O C R

C O C R

R

R

VIII

191

+ H O: R'

OH

O

[adición] R'

C O C R R

R'

H O

+ :O H

O: C

O

:O:

+ H OH2

: OH

C O C R

R'

O

+ :O H

C O C R

R

H

H2O :

H2O :

: OH

+ O

+

H2O

R

:O H

O

[eliminación] R'

C R

R

+

O C R

O C R

+

H3O+

ácido del anhidrido

éster

EJERCICIO 8.2

Cuando la esterificación se realiza con un anhidrido de ácido, se suele utilizar piridina como catalizador; la piridina reac-ciona con el anhidrido dando lugar a una sal de acilamonio muy reactiva. Escribe el mecanismo completo de la siguiente reacción: O OH

O C CH3 O

N

+ CH3 CO O CO CH3

+

_ CH3 C O

+ +N H

Si se trabaja con cantidades muy pequeñas de un ácido, su éster metílico se sintetiza habitualmente empleando Diazometano (CH2N2); esta reacción no es una sustitución nucleófila en el grupo carbonilo: O R C OH

Et2O

+ CH2N2

O R C O CH3 + N2

Esquema de la reacción: _ H2C

+ N

N:

+ N

H2C

_ N:

[diazometano]

O R C O

_ H H2C

+ N

O _ R C O

N:

+

+ N

CH3

N:

+ CH3 +

O _ R C O

+

+ CH3

:N N : (N2)

O R C O CH3 [éster metílico]

VIII

192

HIDRÓLISIS DE ÉSTERES

Los ésteres pueden hidrolizarse en medio ácido o básico: O

O

R C OH +

R C O R' + H OH O R C O R' + HO

O



R C O



+

R'

OH

R'

OH

En medio ácido el equilibrio está parcialmente desplazado hacia la derecha, pero en medio básico la hidrólisis del éster es prácticamente total: O CH3CH2CH2

C OEt

O CH3

C OEt

O

H3O+(50-700C)

CH3CH2CH2

+

C OH

CH3CH2OH

O

NaOH (20%)

CH3

_ + C O Na

+

CH3CH2OH

(100 %) O CH2 O

C

(CH2)16_CH3

O CH O

C

(CH2)7_CH CH

NaOH / H2O

(CH2)7_CH3

Q

O CH2 O C

(CH2)7_CH CH CH2

CH CH

(CH2)4_CH3

triglicérido (éster de la glicerina con los ácidos Esteárico, Oleico y Linoleico)

O _

CH2 OH

CH3 (CH2)16 C O

_

[sal sódica del ácido Esteárico]

Na+ O

CH OH

+

CH3_(CH2)7 CH CH

(CH2)7

_ C O Na+

[sal sódica del ácido Oleico (Z)] O

CH2 OH

CH3_(CH2)4 CH CH CH

CH

(CH2)7

_ C O Na+

[sal sódica del ácido Linoleico (Z,Z)]

JABÓN

ceras:

ésteres derivados de ácidos grasos de 24 a 28 átomos de carbono y alcoholes primarios de 16 a 36 átomos de carbono.

aceites: ésteres de glicerina y ácidos carboxílicos (la mayoría insaturados) con 12 o más átomos de carbono. grasas: ésteres de glicerina y ácidos carboxílicos (la mayoría saturados) con 12 o más átomos de carbono.

VIII

193

Observa que el mecanismo de la reacción de hidrólisis es exactamente el mismo que el de la esterificación, pero escrito al revés. Esto es cierto para cualquier reacción en equilibrio. Esquema de la hidrólisis en medio ácido:

O

H3O+

R C O R'

O R C OH +

R'

OH

Primer paso: H___OH2

:O :

:O H

R C O R'

OH2

R C O R'

[éster]

Segundo paso: :O H R C O R'

[adición]

:O H R C O R' H O H

HO__H

Tercer paso: :O H

:O H

R C O R'

R C O R'

H O

: OH2

H

H O:

Cuarto paso: :O H

:O H R C

O R'

H O:

R C

O R'

H O: H H

OH2

OH2

Quinto paso: :O H

O H

R C

O R'

H O:

H

[eliminación]

R C H O:

: O R' [alcohol] H

Sexto paso: :O

H

R C OH

: OH2

:O:

H OH2

R C OH [ácido]

VIII

194

Mecanismo de la reacción en medio básico: O

O

__ __

R C OR'

_ R__C__O Na+ +

NaOH H2O

O HO

_

O

[adición]

C OR'

R

_

O

[eliminación]

HO C

_

HO C OR'

R

O

R'OH

OR'

HO C

_ R + R'O

R

O

_ R'O

H

O _ R C O

O C

O

R

R' OH + [alcohol]

_ R C O [anión del ácido]

O H3O + (ácido fuerte: HCl)

+

R C OH

+

H2O

[ácido] SÍNTESIS DE ANHIDRIDOS DE ÁCIDO

El anhidrido acético es el más empleado de todos los anhidridos de ácido. Su síntesis industrial se realiza por deshidratación directa del ácido acético; la reacción se lleva a cabo haciendo pasar una corriente gaseosa de ácido acético por un tubo de cuarzo calentado a 8000 C que contiene porcelana pulverizada como catalizador: O CH3

O

C OH H O C CH3

8000C

O

O

CH3 C O C CH3 + H O H

Los anhidridos cíclicos que tienen un anillo de cinco o seis eslabones, se forman muy fácilmente por simple calefacción del ácido dicarboxilico correspondiente O H H

C OH

O Q

O

+ H2O

C OH O

O Ácido maleico

Ánhidrido maleico (89%) O

CO2H CO2H Ácido ftálico

Q

O

+ H2O

O Anhidrido ftálico

VIII

195

Los anhidridos se sintetizan también a partir de cloruros de ácido, por reacción con la sal sódica del ácido o con el mismo ácido libre: O

O

_ + C O Na

C Cl

O

O + NaCl

C O C

+ Cloruro de benzoilo

Benzoato sódico

Anhidrido benzoico

Esquema de la reacción con la sal sódica del ácido: O

O

_ R C O

O

O

R C O

C

[adición]

C Cl R

_ O

O

R C O

C

[eliminación] Cl

R + Cl

_

R

EJERCICIO 8.3 Cuando se utilizan un cloruro de ácido y el ácido libre para obtener un anhidrido, la reacción se lleva a cabo empleando piridina como catalizador. La Piridina reacciona con el cloruro de ácido dando lugar a un catión acilamonio muy reactivo. Escribe el mecanismo completo de la siguiente reacción: COCl

CO2H O

N

+

O +

C O C

Cl

_

N+ H

FORMACIÓN DE ENLACES C–N SÍNTESIS DE AMIDAS

Las amidas se pueden sintetizar a partir de cloruros de ácido, anhidridos o ésteres: O R C Cl O

NH3 O

R C NH2

O

R C O C R O R'__NH2

O

R C NH R'

R C OR'

Mecanismo de la reacción con cloruros de ácido:

:O H3N:

C Cl R

[adición]

H H2N +

_ :O : C R

:O Cl

H2N

C

H Cl

:NH3

:O :

[eliminación] H2N

C

_ + R + Cl + NH4

R

VIII

196

Mecanismo de la reacción con anhidridos de ácido:

:O R2N :

[adición]

C O C R'

H

_ :O:

H

O

R2N +

R'

H O:

O

C O C R'

R2N

R'

O

C O C R' R'

H H

R2N : R2N

O:

O

C

O C R'

:O:

[eliminación] R2N

C

O R' + R'

_ C O +

H R2N H +

R' EJERCICIO 8.4

Escribe el mecanismo completo de la siguiente reacción: O :NH2

HN C CH2CH3 O +

CH3CH2 C O Me

+ MeOH

A continuación aparecen algunos ejemplos concretos de síntesis de amidas: CH3 CH3

NH3 / H2O

CH COCl

CH3 CH3

CH CONH2 (83 %)

CH2CH3 CH3CH2

CH2CH3

C6H6

CH COCl + NH3

CH3CH2

CH CONH2

CH2CH3 +

CH3CH2

Dietilacetamida (91 %)

Cl

CH2 CO2Et

NH3 / H2O

CH2CH3

CH CO NH CO CH CH2CH3 bis-Dietilacetamida (9 %)

Cl

CH2 CONH2

Cloroacetamida (84 %)

+ 2Me2NH

COCl

C6H6

CO NMe2 N,N-Dimetilciclohexanocarboxamida (89 %)

CO O CO2Et

CO2H O +

Cl

C OEt

Biciclo[2,2,2]octano1,4-dicarboxilato de metilo

NH3 / H2O

-HCl

CO2Et

CO2Et

CONH2

CO2Et

Cloroformiato de etilo

VIII

197

HIDRÓLISIS DE AMIDAS

Las amidas se hidrolizan en medio ácido o básico, transformándose en ácidos carboxílicos: O

O

R C NH2

H3O

+

O R C NH2

HO

+

+

NH4+

R C OH + O

_

_

R C O

NH3

+

Mecanismo de la hidrólisis en medio ácido:

R C O:

+ H__OH2

NH2 + R C OH

[base]1

[ácido]2

[ácido]1

NH2

+ HO : H2O:

+ H2O

[adición]

C NH2

[base]2

HO : C NH2

R

H2O:

R

+ OH O C NH2

H

H2O

+

OH

+ H3O :

+

HO C R

H R [base]1

[ácido]2

OH HO C

NH2

NH2

___

H

[base]2

[ácido]1

+ OH2

OH HO C

R

+ NH3

+ H2O:

R

[base]1

[ácido]2

: OH

[base]2

+ O H

[eliminación]

+ NH3

HO C

[ácido]1

R

C

OH

+ :NH3

R

OH

OH R

+ C O

H

:OH2

R

C

O

+ H3O+

[ácido]

H3N:

+ H___OH2

NH4+ + H2O:

VIII

198

EJERCICIO 8.5

Escribe el mecanismo completo de la hidrólisis de una amida en medio básico: O

O _ R C O + NH3

_

R C NH2 + HO

Las lactonas y las lactamas son ésteres y amidas cíclicas que pueden obtenerse a partir de hidroxiácidos y aminoácidos: α β γ

O

-H2O

CO2H

O

δ OH

δ -Valerolactona

Ác. 5-hidroxipentanoico (ác. Valérico) γ

β

δ

α

ε

NH2

-H2O

CO2H

N

O

H ε -Caprolactama

Ác. 6-aminohexanoico (ác. Caproico) EJERCICIO 8.6

Escribe el mecanismo de las siguientes reacciones de hidrólisis: _

H3O+

O

HO

H2O

O

_

CH2CH2CH2_CO2H

O N

γ-butirolactona

ác. γ-hidroxibutírico

_ H2N_CH2CH2CH2CH2_CO2

HO H2O

anión del ácido δ-aminopentanoico

H δvalerolactama

FORMACIÓN DE ENLACES C–H

REDUCCIÓN DE CLORUROS DE ÁCIDO Y AMIDAS

Los cloruros de ácido y las amidas se pueden reducir a aldehidos utilizando hidruro de litio y triterbutoxialuminio o de litio y trietoxialuminio: O __

C Cl

+

H

+ Li _ Al( OCMe3)3

O

-780C (MeOCH2CH2)2O

C__H + LiCl + Al(OCMe3)3

Hidruro de litio y triterbutoxialuminio

(73 %)

Los hidruros metálicos actúan como dadores de anión hidruro (H−): O: C Cl H

+ Li _ Al( OCMe3)3

_ :O : [adición]

C__H + Al( OCMe3)3 + Li + Cl

VIII

199

O

[eliminación]

C H + LiCl + Al(OCMe3)3

O CH3CH2CH2

O

C NMe2

+ LiAlH(OCH2CH3)3

CH3CH2CH2

Hidruro de litio y trietoxialuminio

N,N-Dimetilbutiramida

C H

Butanal (85 %)

FORMACIÓN DE ENLACES C–C

SÍNTESIS DE CETONAS A PARTIR DE ÁCIDOS CARBOXÍLICOS

El litio reacciona con los derivados halogenados de alquilo o de arilo, dando lugar a compuestos organolíticos: [R__X:]

R__X: + Li [R__X:]

R

+

_ R

_ +

Li+

_ + :X:

R__Li (organolítico)

Li

Tetrahidrofurano

CH3CH2CH2CH2_Br + 2Li

CH3CH2CH2CH2_Li + LiBr 1-Butil-litio

00C Tetrahidrofurano

Cl + 2Li

Li + LiCl

00C Fenil-litio

Los compuestos organolíticos reaccionan con los ácidos carboxílicos dando lugar a cetonas: 1)CH3Li (2 eq.)

CH3_(CH2)4_CO2H

CH3_(CH2)4_CO_CH3

2)H3O+

(83 %) 2-Heptanona

Ác. hexanoico

Mecanismo de la reacción: O R C O H

δ+ Li H3C δ−

O C

[adición] R

O Li

O

δ+ Li

R C O Li + CH4

CH3 δ−

Li

O

CH3 C R O Li

2H3O+

H O CH3 C R

+ H2O + 2Li

+

O H

VIII

200

:OH2

O H

H O CH3 C R H

H O:

+ OH2

H O +

O

[eliminación]

CH3 C R

CH3 C R

+ H3O+ + H2O

cetona

H

EJERCICIO 8.7

Escribe el mecanismo de las siguientes reacciones: O O O

+ H2O

C__OH

H3O+

C__OH

O

O

Anhidrido ftálico

O O O + MeOH

C__OMe

H3 O +

C__OH

O

O O

O O + 2MeNH2

C__NHMe

H3O+

C__O

O

_

+

+ MeNH3

O

CONDENSACIÓN DE CLAISEN

La condensación de Claisen es una reacción entre dos ésteres con hidrógenos en α, catalizada por bases, que conduce a β-cetoésteres: α O

β

R

R CH2 C OEt + H C H

O R

R CH2 C C CO2Et + EtOH H β -cetoéster

CO2Et

Los hidrógenos en α de los ésteres son ácidos y pueden ser extraídos por una base, originando aniones enolato: α O R CH2

C OEt

+

:B

_ R CH *

_ :O:

* : O: C OEt

R CH

C OEt

+ + H_B

(2)

(1) [anión enolato]

De las dos formas resonantes dibujadas para representar el anión enolato, (2) es la que más se aproxima a la estructura electrónica de la molécula, ya que la carga está situada sobre el oxígeno, un átomo más electronegativo que el carbono.

VIII

201

Sin embargo, con el fin de simplificar los dibujos, utilizaremos normalmente la estructura (1) para escribir los mecanismos de reacción. Mecanismo simplificado: O R CH2

C OEt

:B

+

[ácido]1

O

_ R CH

[base]2

C OEt

R CH

CO2Et CH2R

C OEt

+ H_B

+

[ácido]2

[base]1 _ O

[adición]

:O :

_ R CH

O

[eliminación]

C

R CH

OEt

_ C CH2R + EtO

CO2Et

CO2Et CH2R

β -cetoéster

Él mecanismo completo de la reacción es el siguiente: Formación del anión enolato: CH3_CO2Et + EtO

[ácido]1

_ CH2_CO2Et + EtOH

_

[base]2

[base]1

Keq = 10-6

[ácido]2

pKa 23

pKa 17

Adición del enolato (nucleófilo) al grupo carbonilo de otra molécula de éster, eliminación de un anión alcóxido y

formación del β-cetoéster:

_ EtO2C CH2

O

_ O

[adición]

C OEt

EtO2C CH2 C

CH3

[eliminación] OEt

O EtO2C CH2 C CH3

_ + EtO

Keq = 1

CH3

Formación del enolato del β-cetoéster por reacción con la base. Este último paso es crucial, porque de todos los

equilibrios es el único que está desplazado hacia la derecha: O

_

EtO2C CH2 C CH3 [ácido]1

+ EtO [base]2

_ EtO2C CH

O C CH3 + EtOH

[base]1

pKa 11

Keq = 106

[ácido]2 pKa 17

Para recuperar el éster se añade un ácido fuerte a la mezcla de reacción: _ EtO2C CH

O

O

+ C CH3 + H3O

[base]1

EtO2C CH2 C CH3 + H2O

[ácido]2

[ácido]1

pKa -1,7

pKa 11

Keq = 5 x 1012

[base]2

La formación del enolato del β-cetoéster determina el rendimiento global de la secuencia de reacciones. Si el éster empleado en la reacción tiene únicamente un átomo de hidrógeno en el carbonio α, no se puede formar el enolato final y la condensación de Claisen sólo tiene lugar si se utilizan bases muy fuertes:

VIII

202

CH3 CH3

x

CH CO2Et

no hay reacción

[un sólo Hα]

Para aumentar el rendimiento de la reacción se puede eliminar el alcohol según se va formando, ya que el equilibrio se desplaza entonces a la derecha. 1)EtO-Na+ ; EtOH

CH3_CO2Et

2)AcOH ; H2O

(75 %)

1)i-BuO-Na+ ; i-BuOH

CH3_CO2CH2CHMe2

CH3_CO_CH2_CO2Et + EtOH

2)AcOH ; H2O

CH3_CO_CH2_CO2CHMe2 + Me2CHCH2OH (71 %)

Acetato de isobutilo

CO2Et

1)EtO-Na+ ; EtOH

CH3_(CH2)4_CO2Et

CH3 (CH2)4

2)AcOH ; H2O

CO CH

(CH2)3

CH3 +

EtOH

(80 %) 3-Oxooctanoato de etilo

Existe una forma alternativa de mejorar el rendimiento de la condensación de Claisen. Consiste en utilizar bases muy fuertes, de modo que el primer paso de la reacción (la formación del enolato del éster) sea prácticamente irreversible. _ + Na NH2

_ + Na H

_ + N Li

CHMe2 CHMe2

Amiduro sódico

Hidruro sódico

Diisopropilamiduro de litio (LDA)

El amiduro sódico se obtiene por reacción entre sodio metálico y amoniaco líquido (no amoniaco disuelto en agua): 2 NH3(liq.) + Na

-330C

_ + 2 Na NH2 + H2

El diisopropilamiduro de litio se sintetiza a partir de n-butil-litio (ver p. 22): CHMe2 _

CH3CH2CH2CH2 Li +

H N

Li CHMe2

+

_ CHMe2 N

+ CH3CH2CH2CH3 CHMe2

(LDA)

Empleando cualquiera de estas bases la constante de equilibrio del primer paso es mucho mayor que uno: CH3_CO2Et pKa 23

+

+ Na H

_

Hidruro sódico

_ CH2_CO2Et + H2

Keq = 1012

pKa 35

VIII

203

pKa 23

CH3 CO2Et +

Li

+

CHMe2

_ CH2_CO2Et +

N CHMe2

pKa 23

Keq = 1012

pKa 35

Amiduro sódico

_ _

_ CH2-CO2Et + NH3

_ Na+ NH2

CH3_CO2Et +

CHMe2 H

Keq = 1013

N CHMe2

Diisopropilamiduro de litio (LDA)

pKa 36

El diisopropilamiduro de litio (LDA) tiene la ventaja añadida de ser muy poco nucleófilo; debido a su gran volumen no reacciona con el átomo de carbono del C=O, más impedido estéricamente que los hidrógenos del Cα. Además, permite realizar la condensación de Claisen con ésteres que tienen un sólo átomo de hidrógeno en el carbono α: CH3 CH3

LDA

CH CO2Et

sí hay reacción

[un sólo Hα]

Las reacciones de condensación entre dos ésteres diferentes que tengan hidrógenos en α (condensaciones mixtas) dan lugar a mezclas de los cuatro β-cetoésteres posibles: R_CH2_CO2Et + R'_CH2_CO2Et :B O R R CH2

_

O R'

C CH CO2Et

CH2

+ R'

C CH CO2Et

O R' +

R CH2

O R

C CH CO2Et

+

R'

CH2

C CH CO2Et

EJERCICIO 8.8

Escribe el mecanismo simplificado de las reacciones que tienen lugar cuando se mezclan antidades equimoleculares de acetato de etilo y fenilacetato de etilo con etóxido sódico en etanol. Mecanismo simplificado: O R CH2 C OEt + :B

_ R CH CO2Et

_ :O : R CH C OEt + O

O C

OEt

R CH C CH2 R

+ H_ B

_ + EtO

CO2Et

CH2R

β -cetoéster

Las condensaciones mixtas son útiles en síntesis cuando uno de los ésteres carece de hidrógenos en α: O

O O

H C OR

O

RO C OR

RO C C OR

Formiato

Carbonato

Oxalato

O C OR Benzoato

VIII

204

Para minimizar la autocondensación del éster que sí tiene hidrógenos en α, se mezclan primero la base y el éster que no tiene hidrógenos en α y a continuación se añade lentamente el otro éster. Estos son algunos ejemplos de condensaciones mixtas con un éster sin hidrógenos en α: α O O EtO C C OEt

+

Oxalato de dietilo

O CH3

1)EtONa ; EtOH

CH3CH2CO2Et

EtO2C C CH CO2Et

2)AcOH ; H2O

Propanoato de etilo

+

EtOH

3-Metil-2-oxobutanodioato de dietilo (70 %)

α O C6H5

C OMe

+

Benzoato de metilo

O CH3

1)NaH ; C6H6

CH3CH2CO2Et

C6H5

2)AcOH ; H2O

Propanoato de etilo

C CH CO2Et

+

MeOH

3-Fenil-2-metil-3-oxo propanoato de etilo (56 %)

α

Formiato de etilo

CO2Et

1)EtONa ; EtOH

H_CO2Et + C6H5_CH2_CO2Et

C6H5

2)H3O+

Fenilacetato de etilo

CH CHO

2-Fenil-2-formilacetato de etilo (90 %)

En las condensaciones mixtas se puede utilizar LDA para preparar el enolato del éster (reacción totalmente desplazada a la derecha Keq >> 1) y a continuación añadir un cloruro de ácido: _

CH3 CO2Et

O

1) LDA

CH3CH2 C CH2 CO2Et

2) CH3CH2COCl

3-Oxopentanoato de etilo (60 %) _ O Li +

0

CH3_CO2Et

_ O EtO C

O CH2

LDA ; -78 C Tetrahidrofurano

O

O

EtO C CH2

C

[adición]

C Cl

H2C C OEt

Et

Keq = 1013

_ O

[eliminación] CH3CH2

Et

C CH2

CO2Et

Cl

EJERCICIO 8.9

Escribe el mecanismo simplificado de las reacciones que aparecen a continuación, empleando la estructura resonante del enolato que tiene la carga en el átomo de oxígeno. 1. C6H5_CH2_CO2Et + H_CO2Et

1)EtO

_

2)H3O+ CH3

3. C6H5

CH CO2Et

CH3 2. CH3 CH CO2Et

LDA

B

_ Na+ NH2 NH3 (liq.)

O A

EtO C OEt

CH3COCl

VIII

205

ESTRATEGIA PARA LA SÍNTESIS DE β-CETOÉSTERES

esta parte de la molécula proviene del ataque nucleófilo al grupo C=O en el éster RCH2CO2Et o en el cloruro de ácido RCH2COCl

R' RCH2

CO

CH CO2Et esta parte de la molécula proviene del enolato del éster R'CH2CO2Et

EJERCICIO RESUELTO

¿A partir de qué compuestos se puede sintetizar el 4-Fenil-2-metil-3-oxobutanoato de etilo?

RESPUESTA

resto acilo en el fenilacetato de etilo o en el cloruro del ácido fenilacético CH3 C6H5CH2CO

CH CO2Et

enolato del propanoato de etilo Alternativa 1: propanoato de etilo + fenilacetato de etilo CH3CH2_CO2Et

CH3

_ CH3CH_CO2Et

NaH

O

_ CH

C

O CH3 OEt

C6H5 CH2 C CH CO2Et

CO2Et CH2C6H5

Alternativa 2: propanoato de etilo + cloruro del ácido fenilacético _ + O Li CH3CH2_CO2Et _ O

OEt C

CH3 CH

O C

LDA

CH3 CH

C OEt

CO2Et Cl

_

CH3 CH CO CH2 C6H5

+ Cl

CH2C6H5

Los β-cetoésteres, como cualquier éster, se hidrolizan en medio ácido dando lugar a β-cetoácidos: β C6H5_CO_CH2_CO2Et

H3O

+

C6H5_CO_CH2_CO2H β−cetoácido

VIII

206

Los β-cetoácidos se descarboxilan (pierden CO2) fácilmente por calefacción: H O

O

C

C O

C6 H 5

O Q C6 H 5

C H2

H

C

+ O=C=O (CO 2) CH2

forma enólica de una cetona

β-cetoácido

Las cetonas están en equilibrio con sus correspondientes formas enólicas (ver detalles en Tema 9, p. 229):

C6H5

O

H

C

CH2

O C6H5

C

CH3

cetona

enol

Estas dos reacciones (hidrólisis del β-cetoéster y descarboxilación del β-cetoácido) permiten sintetizar cetonas a partir de β-cetoésteres: C6H5_CH2_CO2Et

CO 2Et

1)LDA

C6 H 5

2)CH3CO2Et

H3 O +

CH CO CH3

CO 2H C6 H 5

β -cetoéster

CH CO CH3

β -cetoácido

Q -CO2

C6H5_CH2_CO_CH3 Bencil metil cetona

REACCIÓN DE CLAISEN

Los átomos de hidrógeno unidos al carbono α de las cetonas son algo más ácidos (pKa 19) que los de un éster (pKa 23) Este hecho permite realizar condensaciones mixtas empleando como nucleófilo el enolato de una cetona; el resultado de la reacción son 1,3-dicetonas: 1)NaH ; Et2O

CH3_CO2Et + CH3_CO_CH3

2)H3O+

CH3_CO_CH2_CO_CH3 2,4-Pentanodiona (85 %)

_ O CH3 CO CH3 + NaH

O

_ CH3 C CH2

O

CH3 C CH2

[adición] CH3

C OEt

O

_

O

_ O

C CH2

C

CH3

CH3 C

+ CH2 Na + 1/2 H2

[eliminación] OEt

CH3 CO CH2 CO

CH3 + EtO

_

CH3

O α

O H + H__CO2Et

CHO

1)EtONa ; EtOH 2)H3O+

2-Formilciclohexanona (59 %)

VIII

207

O α

O H

CO2Et

O +

1)NaH ; Et2O

EtO C OEt

2)H3O+

Carbonato de dietilo

(2-Oxocicloheptano)carboxilato de etilo (91-94 %)

Los γ- o δ-cetoésteres dan lugar a reacciones de Claisen intramoleculares en las que el enolato de la cetona reacciona con el grupo carbonilo del éster, originando 1,3-dicetonas cíclicas con cinco o seis eslabones: γ 1)NaOMe ; MeOH

CH3CH2_CO_CH2CH2_CO2Et

O

2)H3O+

O Me

α

2-Metil-1,3-ciclopentanodiona (70-71 %)

O

O α

MeO

_

[adición] O

EtO

_

O

O

_

_

[eliminación] O + EtO

O

OEt

OEt

Me

Me

Me

Me

O

δ 1)NaH ; Et2O

CH3CH2_CO_CH2CH2CH2_CO2Et

2)H3O+

O

α

O Me

2-Metil-1,3-ciclohexanodiona

ENOLATOS TERMODINÁMICOS Y ENOLATOS CINÉTICOS

Las cetonas que tienen dos tipos diferentes de hidrógenos en alfa pueden dar lugar a dos clases distintas de aniones enolato, dependiendo de cuál sea el hidrógeno extraído por la base. (ver detalles en Tema 9, p. 232) Cuando la base elimina el hidrógeno unido al carbono más sustituido, se obtiene el enolato más estable, ya que su doble enlace es también el más sustituido. Por el contrario, si la base extrae el hidrógeno del carbono menos sustituido se forma el enolato con el doble enlace también menos sustituido, es decir, el menos estable. Al enolato más estable se le llama enolato termodinámico y al menos estable enolato cinético. α1

CH3

α2

_ O CH3

O CH3 CH3

C C _

CH3

CH3

C

C

CH3

+ HB

enolato con el doble enlace más sustituido / más estable

O CH3 _ C CH CH3 + B

enolato termodinámico

α1 α2

_ CH2

_ O CH3

O CH3 C CH CH3

CH2

C

CH CH3 + HB

enolato con el doble enlace menos sustituido / menos estable enolato cinético

VIII

208

El enolato termodinámico es el mayoritario cuando se deja que la reacción alcance el equilibrio (temperatura alta y bases moderadamente fuertes) El enolato cinético se forma más rápidamente que el termodinámico (menor impedimento estéreo), y es el mayoritario si los productos se aíslan antes que la reacción alcance el equilibrio, la temperatura es baja y la base muy fuerte e impedida estéricamente (LDA). El siguiente ejemplo es una reacción sometida a control cinético (se forma el enolato menos sustituido a partir del Hα del grupo metilo de la cetona, no del Hα del grupo isopropilo):

CH3

O CH3 C CH CH3

CH3 +

CH3

CH3

LDA

CH CO2Et

CH3

CO CH CH3

2,6-Dimetil-3,5-heptanodiona

Isobutirato de etilo

3-Metil-2-butanona

CH3

CH CO CH2

(70 %)

REACCIÓN DE DIECKMANN

La reacción de Dieckmann es una condensación de Claisen intramolecular que tiene lugar cuando un diéster reacciona consigo mismo, originando β-cetoésteres cíclicos con anillos de cinco a siete eslabones. O EtO C

O (CH2)4

O

1)KH ; Et2O

C OEt

2)H3O+

CO2Et

Hexanodioato de dietilo

2-Oxociclopentanocarboxilato de etilo (86 %)

Mecanismo de la reacción: O

O OEt

α O

OEt

KH

O

[adición]

OEt

_

CO2Et

CO2Et

CO2Et

_ OEt

H CO2Et

O

O

O

[eliminación]

_ OEt

CO2Et

CH3CO2H (10 %) 00 C

_ + EtOH

CO2Et

CO2Et

_

_

O H

O

CO2Et

CO2Et

enol

Puede suceder que el diéster sometido a la reacción de Dieckmann tenga dos tipos diferentes de Hα: CH3 EtO2C CH CH2CH2CH2 α

CH2

CO2Et

α

VIII

209

En un caso así, con independencia del tipo de base utilizada, siempre se forma el enolato correspondiente al carbono menos sustituido:

O C__OEt

Me

_ EtO

CO2Et

O

Me

Me

C _ OEt HC CO2Et

O CO2Et

2-Etoxicarbonil-6-metilciclohexanona

O

O

C OEt CO2Et

HC

_ EtO

C _

Me

O

OEt C

X

CO2Et

CO2Et

Me

Me 2-Etoxicarbonil-2-metilciclohexanona (no se forma)

Este resultado puede deberse a las interacciones estéricas entre los sustituyentes situados en enlaces axiales en el estado de transición del anión enolato.

EJERCICIO 8.10

Escribe el mecanismo simplificado de las siguientes reacciones de Dieckmann: Reacción 1: H

H

CO2Et Me

_ EtO

Me CH2_CO2Et

EtOH

O H 3 O+

A

Me

Me

+ CO2

(68 %)

Reacción 2: MeO2C

O

CH

CH2CH2

CH

CH2CH2 CO Me 2

CO2Me

MeONa MeOH

MeO2C

CO2Me O

MeO2C (60 %)

Reacción 3: CO2Et N

(CH2)4__CO2Et

O 1)EtO

_

2)H3O+

N (27 %)

VIII

210

REACCIONES DE SUSTITUCIÓN NUCLEÓFILA EN UN CARBONO NO SATURADO

R'OH

RCH2_CO_Cl

LiAlH(t-BuO)3

RCH2_CHO

RCH2_CO_R' SOCl2

R'Li CO2R' RCH2

CO CHR

R'NH2

1)LiAlH(OEt)3 2)H+/ H2O

:B RCH2_CO_OR'

MeCOCH2_CO_CH2R

H_OH

1):B

R'OH _ HO /H2O

RCH2_COOH

H_OH/H+

2)MeCOMe RCH2COCl

R'OH

H_OH

RCH2_CO_O_COCH2R

R'NH2

VIII

RCH2_CO_NHR'

211

EJERCICIOS ADICIONALES

8.1 Averigua la estructura de los compuestos que aparecen en las siguientes secuencias de reacciones.

Secuencia 1: O Me

CH2N2

OH

C2H5NH2

A(C3H6O2)

B(C4H9ON)

HLiAl(OEt)3

C(C2H4O)

Secuencia 2:

PCl3

OH

Me

CO2H

Me

A

B(C6H10O 3)

C6H5

NH 2

O

C(C10H13ON)

H 3O + H 2O

D(C3H6O2) + E(C7H9N)

Secuencia 3: O C6 H5

H 3O + Cl

H 2O

C6H5Li

A

B

Secuencia 4: O O

NH3

A(C5H11O2N)

H 2O

H 3O + H 2O

B(C5H10O3)

H 3O + H 2O

C(C5H8O 2)

Secuencia 5: O C 6H 5

O O

C6H5

C6 H5

H 3O + H 2O

OH

C(C7H6O2)

MeNH2

A(C14H12O2)

Me

Li

B(C8H9ON)

D(C11H14O)

VIII

212

8.2 Completa las reacciones siguientes, escribiendo la fórmula de los compuestos que intervienen y, en los casos no indicados, diciendo los reactivos necesarios para efectuar cada transformación. CH3

Q

1)

CH3 CH CO CH2

CO CH3

2)

_ 1) HO (dil.) + 2)H3O

CO2Et

CH3Li

1)

CH3 CH COCH3

1)LDA

CH3 CH2 CO2Et

+

2)ICH3

2)

1)HO

H 3O

_ H3 O

+ 2)H3O

NH3

CH3 CH2 CHO

CH3CH2CO2H CH3NH2

CH3 CH2 CO O CO CH2

CH3 CH3 CH CHO

CH3

VIII

+

CH3 CH3 CH CONH2

213

8.3 Escribe un mecanismo razonable para las siguientes reacciones: O

O

OH O + CO2Et

Cl

O

O

O

H 2O

C OEt

OEt

NH2

NH3 H2O

Cloroformiato de etilo

CO2Et

CO2Et

8.4 Averigua la estructura de los compuestos que aparecen en las siguientes secuencias de reacciones.

Secuencia 1: O C6H5

1)HNa Me

2)H CO2Et

A(C9H8O2)

Secuencia 2: O C 6H 5

Me

1)HNa OEt

A(C11H12O3)

2) O OEt

Secuencia 3: O C 6H 5

1)HNa

Me

2) EtO2C_CO2Et

A(C12H12O4)

Secuencia 4: O C 6H5

Me

1)HNa 2) C6H5CO2Et

A(C15H12O2)

8.5 Averigua la estructura de los compuestos que aparecen en las siguientes secuencias de reacciones.

Secuencia 1: CH3CO2Et

1)LDA

A(C8H14O3)

2) Me

H 3O + Q

B(C5H10O)

COCl

Secuencia 2: CH3CH2CH2CO2Et

1)LDA 2)CH3COCl

A(C 8H14O3)

H3O+ Q

B(C5H10O)

Secuencia 3: CH3CO 2Et

1)LDA 2) Me

A(C9H 16O3) COCl

H3O + Q

B(C6H12O)

VIII

214

Secuencia 4: 1)LDA

CH3CH2CH2CO2Et

A(C9H16O3)

2)CH3CH2COCl

H 3O + Q

B(C6H12O)

8.6 Averigua la estructura de los compuestos que aparecen en las siguientes secuencias de reacciones.

Secuencia 1: O Me

1)HNa

Me

2)CH3CO2Et

A(C5H 8O2)

Secuencia 2: O 1)HNa

Me

Me

2)CH3CH2CO2Et

A(C6H 10O2)

Secuencia 3: O C6H5

Me

1)HNa 2)C6H5CO2Et

A(C15H12O2)

Secuencia 4: O

1)HNa

Me

C6 H5

2)C6H5CO2Et

A(C16H 14O2)

Secuencia 5: O C 6H5

Me

1)HNa 2)C6H5CH2CO 2Et

A(C16H14O2)

Secuencia 6: O C6H5

Me

1)HNa 2)C6H5CH2CO2Et

A(C17H16O2)

8.7 Averigua la estructura de los compuestos que aparecen en las siguientes secuencias de reacciones.

Secuencia 1:

A(C8H8O)

_ EtO

+ B(C9H10O2)

O

O

C6 H5

C6H5

Secuencia 2:

2 A(C10H12O2)

_ EtO

C 6H 5 C 6 H5

CO2Et O

VIII

215

Secuencia 3:

C6H5

A(C5H10O3) +

CO2Et

_ EtO

CO2Et C6H5 CO2Et

Secuencia 4: O

O Me +

A(C3H6O2)

_ EtO

Me

CHO

VIII

9. REACCIONES DE SUSTITUCIÓN NUCLEÓFILA EN UN CARBONO SATURADO

GENERALIDADES

Los métodos más usados en el estudio de los mecanismos de este tipo de reacciones son los cinéticos (medida de las velocidades de reacción) y los estereoquímicos. Los estudios cinéticos muestran el tiempo que tarda la reacción en transcurrir y los estereoquímicos la relación que existe entre las configuraciones de las sustancias reaccionantes y los productos. La combinación de ambos tipos de información puede dar una idea detallada de cómo el reactivo y el sustrato interaccionan durante la reacción:

Nu

_

_ Nu___CH2__R + Z:

CH2____Z R

Los reactivos nucleófilos (Nu) son especies que tienen un par de electrones no compartido (bases de Lewis): _ _ _ _ _ _ NC , RO , HO , Br , C6H5O , R-CO2 , R_OH , H2O: , R3N:

Los sustratos (R-Z) más comunes en las reacciones de sustitución nucleófila son los derivados halogenados (R-X; X=Cl, Br, I) R_X + Nu:

R_Nu+ + X

_ R_X + Nu

R_Nu + X

Por ejemplo: CH2

CH CH2I + CN

_

+ _ CH3CH2NH3 + Cl

CH3CH2Cl + :NH3

CH2 HO

_

_

CH CH2 CN + I _

_

_ CH3CH2NH2 + Cl + H2O

MECANISMO DE LAS REACCIONES DE SUSTITUCIÓN NUCLEÓFILA

En general, estas reacciones transcurren mediante dos tipos de mecanismos distintos. 1. El proceso transcurre en un solo paso, de una manera concertada, de forma que la ruptura del enlace R-Z es simultánea a la formación del enlace R-Nu; la cinética de estas reacciones es de primer orden respecto del sustrato y del nucleófilo, es decir, de segundo orden total. Durante la reacción, dos moléculas experimentan cambio de valencia, por consiguiente, se trata de una reacción bimolecular y se representa por SN2. La reacción pasa por un estado de transición intermedio en el que ambos grupos, entrante y saliente, están unidos al mismo átomo de carbono: HO

_

+

CH3_Br

SN2

δ− δ− [HO...CH3...Br]

HO_CH3 + Br

_

_ v = k2 [CH3Br][HO ]

IX

217

2. El proceso transcurre en dos pasos: en el primero se produce la ionización de R-Z y se libera el catión carbonio R+ que, en la segunda fase, se une al nucleófilo: δ+ δ− [R....Z]

lenta

_

R Z

R+ + Nu

_

rápida

R+ + Z

_

v = k1 [R_X]

+

δ δ− [R....Nu]

R_Nu

La velocidad y la naturaleza de los productos quedan determinadas en fases diferentes: la fase determinante de la velocidad es la primera, que es relativamente lenta, pues supone la ionización de un compuesto covalente; su estado de transición será el punto de máximo contenido energético en el progresivo debilitamiento del enlace entre R y Z, y por ello, se considera el estado de transición del proceso total. La segunda fase fija la naturaleza de los productos y es rápida, ya que supone la neutralización de un carbocatión. Como en la fase limitante de la velocidad sólo una molécula experimenta cambio de valencia, la reacción se llama unimolecular y se representa por SN1.

Por ejemplo: CH3 CH3

C

Br

HO

+

CH3

_

SN 1

CH3

CH3

C

OH +

Br

_

v = k1[t-BuBr]

CH3

ESTEREOQUÍMICA DE LAS REACCIONES DE SUSTITUCIÓN

Las reacciones de sustitución nucleófila bimoleculares SN2 tienen lugar con una inversión completa de la geometría

del sustrato:

2

Et

Me

Me

Me Cl

_ HO

H

2

HO

Cl

H Et

2

H Et

+ Cl

_

Me HO

2

Et

H (2S)

(2R)

Si la reacción se lleva a cabo en un compuesto con dos átomos de carbono asimétricos, el proceso de inversión conduce a un diastereoisómero del sustrato: Br (CHH)C4

1

H

Me C3(CCH)

4

3

H

(1R,3S)

Br

5 1 2

(cis)

_H NC

_ Br _

Me

H

H

3

CN

H

(trans)

C3(CCH)

(CHH)C4 CN

(1S,3S)

La inversión de la configuración en las reacciones de sustitución nucleófila se denomina frecuentemente Inversión de Walden, debido a su descubridor.

IX

218

El que una reacción SN2 transcurra con inversión de la configuración, no significa necesariamente que cuando tiene lugar una inversión de la configuración el proceso transcurra mediante un mecanismo SN2. Esto lleva a suponer que el estado de transición de una reacción SN2 tiene la forma de bipirámide trigonal, con los grupos entrante (Nu) y saliente (Z) ocupando los extremos del eje principal de la bipirámide:

Nu

R1

R1

_

R1

Nu..... C..... Z

Z

Nu

+Z R2

R2 R2

R3

_

R3

R3

El hecho de que la inversión de la configuración acompañe necesariamente a las reacciones SN2, es debido a que este tipo de reacciones son concertadas. Las reacciones de sustitución nucleófila monomoleculares SN1 transcurren en dos etapas:

Cl C6H5

C6H5

+ CH CH3

CH CH3

C6H5

+ OH2 + H2O

C6H5

CH CH3

+ CH CH3

H2O

+ Cl

_

OH C6H5

CH CH3

+ + H3O

Si el producto de partida es ópticamente activo, el producto final es un racémico:

OH

HO 1

C6H5

H

Me Cl

(1R)

_

Cl

H

+

Me

Me H C 6H 5

1

H_OH

C 6H 5

H

H

C 6H 5 H

2

Me 2

HO

Me (1S)

C6H5

Me (1R)

C 6H 5 OH

Cuando el sustrato tiene varios átomos de carbono asimétricos, el producto formado será una mezcla de diastereoisómeros.

EJERCICIO 9.1

El tratamiento del (2R)2-Yodooctano con anión yoduro radioactivo produce [(2R) + (2S)] 2-Yodooctano radioactivo. La velocidad de racemización es el doble que la de incorporación de iodo radioactivo. Explica mediante qué tipo de mecanismo transcurre la reacción.

IX

219

REACCIONES DE TRANSPOSICIÓN CARBOCATIONES

En las reacciones SN1 pueden tener lugar transposiciones de Wagner-Meerwein en el catión carbonio intermedio:

CH3 CH3

C CH2

Br

CH3

lenta

CH3

CH3

C Me

CH2 +

+ CH2

Br

+

_

CH3

Me CH3

C

rápida

CH3

Me + C CH2 Me

OH

H_OH

CH3

C CH2 Me Me

2-Metil-2-butanol

El carbocatión formado inicialmente es primario, menos estable que uno terciario; la emigración (transposición) de un grupo metilo permite que se origine el carbocatión más estable. Este carbocatión reacciona posteriormente con agua para dar un alcohol con un esqueleto carbonado isómero del que poseía el sustrato inicial. Puesto que un carbocatión saturado es tanto más estable cuanto mayor número de grupos alquilo están unidos a él, el orden de reactividad será: terciarios > secundarios > primarios. Velocidades relativas de reacciones SN1 R+ + Z

R_Z

CH3CH2

Br

CH3 CH3CH Br CH3 CH3C Br CH3

_

(en H-CO2H a 1000 C)

_ + CH3CH2 + Br CH3 CH3CH +

+ Br

CH3 CH3C +

+ Br

_

_

v = 1,00

v = 26,1

v = 108

CH3

IMPEDIMENTO ESTÉREO DE LOS SUSTITUYENTES EN EL ESTADO DE TRANSICIÓN

En las reacciones SN1 el carbocatión intermedio plano contiene un carbono unido a tres radicales, mientras que el sustrato posee un carbono tetraédrico. En el estado de transición entre ambos, los sustituyentes unidos a dicho carbono están menos comprimidos unos contra otros; por consiguiente, el paso del sustrato al estado de transición está energéticamente favorecido, y lo estará tanto más cuanto más voluminosos sean los sustituyentes del carbocatión. Como el hidrógeno es muy poco voluminoso, el proceso será tanto más fácil cuanto mayor sea el volumen de los sustituyentes unidos al carbono que da origen al carbocatión. Es decir: terciario > secundario > primario.

IX

220

R δ+ δ− C Z

R Z

H R

H

R

R

H

_

+ Z

+

(SN1)

R

estado de transición favorecido energéticamente (grupos menos comprimidos)

Por el contrario, en las reacciones SN2, el carbono en el que tiene lugar la sustitución está unido a cinco átomos, mientras que el sustrato lo está a cuatro. En el estado de transición la aglomeración crece y la velocidad de reacción debe disminuir cuando aumenta el tamaño de los sustituyentes unidos al carbono en el que ocurre la sustitución: R Nu

_

R

δ−

R

δ−

Nu..... C..... Z

Z

+Z

Nu R

R R

R

_

(SN2)

R

R

estado de transición desfavorecido energéticamente (grupos más comprimidos)

Velocidades relativas de reacciones SN2 0 R_I + BrK (en acetona a 25 C)

R_Br + IK CH3_Br

12.500.000

_

CH3 CH Br

85.000

CH3CH2 Br 85.000

CH3

CH3CH2_Br

CH3CH2CH2_Br

CH3 C

Br

CH3

CH3

650

50 CH3

CH3 CH CH2 Br CH3

70.000

CH3 C

CH2 Br

CH3

3.000

1

APLICACIONES DE LAS REACCIONES DE SUSTITUCIÓN NUCLEÓFILA EN SÍNTESIS FORMACIÓN DE ENLACES C-O SÍNTESIS DE ALCOHOLES, ÉTERES Y ÉSTERES

Las reacciones de solvolisis (el nucleófilo es el disolvente) transcurren a través de un mecanismo SN1: CH3

_ CH Br + H OH

CH3

Q SN1

CH3

CH OH

+

HBr

(1)

CH3 2-Propanol

IX

221

CH3CH2_OH

N SN1

+ (CH3)3C_Cl

(CH3)3C_O_CH2CH3 + N + Cl

terc-Butil etil éter

O CH3

C OH +

(2)

H

O

Q SN 1

CH3(CH2)3_Br

_

CH3

C O

CH3 + HBr

(CH2)3

(3)

Acetato de butilo

Si se emplea agua como disolvente (1) el producto obtenido es un alcohol; si el disolvente es un alcohol (etanol en el ejemplo) (2) se llega a un éter y cuando se trata de un ácido (acético en el ejemplo) (3) el producto final es un éster. En la etanolisis del cloruro de t-butilo se añade al medio de reacción piridina (una amina, básica) con el fin de eliminar el HCl que se desprende y desplazar el equilibrio en el sentido de la formación del éter. Otro método consiste en utilizar oxianiones como reactivos nucleófilos; este procedimiento se utiliza con preferencia al anterior y transcurre mediante un mecanismo SN2: _ Na+HO +

CH3

H2O

CH Br

C2H5OH

CH3

CH3

CH OH

+ NaBr

CH3 2-Propanol

_ (CH3)3CO K+ +

C6H6

CH3CH2_Br

(CH3)3C_O_CH2CH3 + BrK terc-Butil etil éter

O CH3CH2CH2

_ + _ C O Na + CH3(CH2)3 Br

C2H5OH

O CH3CH2CH2

C O

(CH2)3

CH3 + BrNa

Butanoato de butilo

EJERCICIO 9.2

La reacción de un estereoisómero ópticamente activo del 1,3-Dibromociclohexano con NaOH transcurre a través de un mecanismo SN2 y da lugar a (1S,3S) 1,3-Ciclohexanodiol. Dibuja una representación tridimensional del 1,3Dibromociclohexano de partida.

La reacción SN2 se puede utilizar para provocar la inversión de la configuración en un determinado centro asimétrico: CH3 SN 2 H Br

CH3

_ CH3CO2 HCONMe2

H

HO

H2O

O H OCH3C

H

CH3

_

_ + CH3CO2 HO H

H

La ventaja fundamental de las reacciones SN2 frente a las SN1 (cuando ambas se emplean con fines sintéticos) es que en los procesos SN1 tienen lugar con cierta frecuencia transposiciones moleculares que dan lugar a mezclas de productos:

IX

222

CH3 C

CH3

CH CH2Cl

+

H OH

acetona SN 1

CH3 C

CH3

CH3

CH CH2OH +

C

CH CH2

OH 3-Metil-2-buten-1-ol

1-Cloro-3-metil-2-buteno

CH3

2-Metil-3-buten-2-ol

En este caso se trata de una transposición alílica: el catión alilo formado inicialmente puede reaccionar con el nucleófilo (H2O) en dos posiciones distintas, obteniéndose dos productos de sustitución: CH3 CH3

C

CH CH2Cl

SN 1

CH3 CH3

C

CH3

+ CH CH2

CH3

C +

CH CH2

EJERCICIO 9.3

La reacción del 3Fenil-1-cloro-2-buteno en acetona acuosa origina una mezcla de 3-Fenil-2-buten-1-ol y 2-Fenil3-buten-2-ol ópticamente activo. Escribe el mecanismo de las reacciones que tienen lugar.

La competición entre las reacciones de sustitución y eliminación es un factor a tener en cuenta a la hora de idear la

síntesis concreta de un compuesto. Por ejemplo, en la síntesis de éteres de Williamson, el empleo de halogenuros terciarios, junto con nucleófilos fuertes, suele dar lugar casi exclusivamente a reacciones de eliminación:

_ CH3CH2O

CH3

CH3

H__CH2___C____Br

CH2

C CH3

+

_ Br + CH3CH2OH

CH3 Bromuro de terc-butilo

(100 %)

Si se recurre a una reacción de solvolisis (el alcohol como nucleófilo) entonces el haluro de etilo es muy poco reactivo y el proceso es demasiado lento para tener aplicación en síntesis: CH3CH2Cl + (CH3)3C_OH

X

(CH3)3C_O_CH2CH3 + HCl

(muy lenta)

La única solución sería emplear un alcóxido terciario y un halogenuro primario: _ CH3CH2Cl + (CH3)3C_O K+

(CH3)3C_O_CH2CH3 +

KCl

EJERCICIO 9.4

Los aniones alcóxido empleados en la síntesis de éteres se obtienen a partir del alcohol correspondiente, por reacción con un metal (Na o K) o una base muy fuerte. Explica si las siguientes reacciones son adecuadas para la síntesis de los alcóxidos que se indican. 1.

CH3CH2OH + NaOH

2.

2CH3OH + 2Na

3.

Me3C-OH + NH3(liq.)

4.

Me2CH-OH + Na+H

_

_ CH3CH2O Na+ + H2O 2CH3O Na+ + H2 _ Me3CO NH4+ _ Me2CHO Na+ + H2

IX

223

La síntesis de Williamson también permite obtener éteres cíclicos a partir de halogenohidrinas: H2C CH2

HOCl

HO CH2

CH2

Cl

K2CO3 S N2

H2C

CH2

+

Cl

_

O Oxido de etileno (Oxirano)

NaOH, H2O

HO _CH2_CH2_CH2_CH2_Cl

+ H2O + NaCl O Tetrahidrofurano

SN2

(95 %)

Se trata de una reacción de sustitución nucleófila intramolecular: K2CO 3

HO_CH2_CH2_Cl

_ _ O CH2_CH2_Cl

Cl SN2

CH2 CH2 _ O

CH2

+ Cl

_

O NaOH

HO_CH2_CH2_CH2_CH2_Cl

O _

H2C

H2O

CH2___Cl

_ O_CH2_CH2_CH2_CH2_Cl

_

SN 2

+ Cl O

Normalmente los éteres no son suficientemente reactivos como sustratos para hidrolizarse con facilidad. Sin embargo, el óxido de etileno y sus derivados son muy reactivos debido a la tensión del anillo. Estos compuestos se hidrolizan en presencia de cualquier ácido o base. También reaccionan con nucleófilos, en ausencia de ácidos: reacción con nucleófilos con catálisis ácida

reacción con nucleófilos sin catálisis ácida H

H

H O

R

La reacción con nucleófilos sin catálisis ácida tiene lugar en el átomo de carbono menos sustituido del oxirano. Por el contrario, la reacción con catálisis ácida ocurre en el átomo de carbono más sustituido del oxirano. Reacción catalizada por ácidos: H2C

CH2

H2SO4

O

: O:

H___OH2 +

H2O

HOCH2__CH2OH

:O+

+ H2O

H

IX

224

+ H2C_____CH2OH :O+ H

HO_CH2___CH2_OH + H3O+

H2C_____CH2OH ___ H__ O H +

OH2

Etilenglicol

:OH2

La apertura de los oxiranos no simétricos, catalizada por ácidos, tiene lugar con regioselectividad Markovnikov. En este sentido, la reacción es parecida a una SN1, en la que el carbocatión incipiente más estable reacciona con el nucleófilo antes de que tenga lugar su rotación interna:

Me

H

H

O+

O

Et

H

Me

Me

Et

Me Et

H

+

Me

:

H 2O +

H2O :

Me Et

OH H2O

OH 2 3

H Me

HO

H Me

(1) (2S,3S) 3-Metil-2,3-pentanodiol

H 2O : :

+ H 2O

Me Et

O+

H

Me

Me

Et

H

H

+

Me Et

Me

O

H

Me

HO

H2O

Me Et

OH

H

H

Me

OH

(1') (2R,3R) 3-Metil-2,3-pentanodiol

En esta reacción se obtendrá una mezcla mayoritaria de (1) y (1’), ya que la reacción transcurre preferentemente a través del carbocatión incipiente más estable (en este caso el carbocatión terciario). EJERCICIO 9.5

Escribe el mecanismo de la siguiente reacción (el Metanol es el nucleófilo): O

Me Me C

CH Me

R C O_OH

Me

_ _

Me

C

CH3OH

CH Me

H2SO4, H2O

O 2,2,3-Trimetiloxirano

Me OH Me

C

CH Me

OMe 3-Metil-3-metoxi-2-butanol

El anillo de los oxiranos también se abre fácilmente con reactivos nucleófilos en ausencia de ácidos; la reacción SN2 tiene lugar sobre el carbono menos sustituido del anillo oxiranico (menor impedimento estéreo) MeO___H

: O: H

_ : O:

H

Me

_ MeO

H

H Me

H

H

HO

OMe

H Me

H

H

_ + MeO

OMe

IX

225

EJERCICIO 9.6

Escribe el mecanismo de la siguiente reacción: Me Me

Me

CH

C

_ CH3O Na+

OH OMe Me

MeOH

C

CH Me

Me

O 2,2,3-Trimetiloxirano

2-Metil-3-metoxi-2-butanol

FORMACIÓN DE ENLACES C-X SÍNTESIS DE HALUROS DE ALQUILO A PARTIR DE ALCOHOLES

Los alcoholes reaccionan con haluros de hidrógeno dando lugar a haluros de alquilo: HBr SN2

R_CH2__CH2OH alcohol primario Me R CH2

R_CH2__CH2Br + H2O

Me

HBr SN 1 / SN 2

CH OH

R CH2

CH Br + H2O

alcohol secundario Me R CH2

C

OH

Me

Me

HBr

R CH2

SN 1

Br + H2O

C Me

alcohol terciario

Mecanismo de la reacción SN2: R__CH2OH

+ _ R__CH2OH2 + Br

H____Br pKa -9

Keq = 107

pKa -2

+ OH2 _ Br

CH2

R__CH2Br + H2O

R

Si la reacción es SN1 pueden tener lugar transposiciones de Wagner-Meerwein: OH CH3CH2

HBr

CH CH2CH3

SN1

Br CH3CH2

Br

CH CH2CH3

+

CH3CH2 CH2 CHCH3

3-Bromopentano

3-Pentanol

2-Bromopentano

Mecanismo de la reacción SN1: H CH3CH2

CH O : Et

H____Br

CH3CH2

+ CH OH 2

+

Br

_

Et

IX

226

_ CH3CH2

CH CH2CH3

H2O

CH3CH2

H + CH CHCH3

OH2 +

Br

Br

_ CH3CH2

CH CH2CH3

transposición

CH3CH2

+ CH2 CH CH3

Br

_

Br CH3CH2 CH2 CH CH3

SÍNTESIS DE HALUROS DE ALQUILO A PARTIR DE TOSILATOS

Otra forma de convertir un alcohol en un haluro de alquilo es a través del tosilato del alcohol (éster del ácido ptoluensulfónico) OH

O S Cl

Me

+

R'

O

R CH R'

S O CH R + HCl

Me

O

O

(tosilato)

Cloruro del ácido p-toluensulfónico

O S_

Me

O p-toluensulfonilo (tosilo

Ts)

El tosilato se transforma en el haluro de alquilo por reacción con el anión del halógeno:

_ Br

R CH R'

O O S

Me

BrNa

R'

O

R CH Br

_ S O Na+ O

Me

+

O

La reacción se escribe normalmente de forma abreviada:

OH R CH R' + TsCl

_

HCl

OTs R CH R'

Na+Br

_

Br R CH R'

+

_ TsO

+ + Na

EJERCICIO 9.7

Los haluros de alquilo pueden obtenerse por tratamiento del alcohol con SOCl2, PCl3 o PCl5. La reacción se parece mucho a la síntesis de cloruros de ácido. Utiliza como ayuda aquella síntesis para escribir el mecanismo de la reacción entre el 2-Butanol y Cloruro de tionilo (en este caso, la Piridina es simplemente una base)

IX

227

FORMACIÓN DE ENLACES C–N SÍNTESIS DE AMINAS

El amoníaco y las aminas reaccionan con los haluros a través de un mecanismo SN2: _ H2N_CH2_CO2H + Cl NH4+

Cl_CH2_CO2H + 2NH3

La reacción de alquilación del amoniaco y las aminas da lugar a mezclas de productos, dependiendo de la proporción relativa entre el derivado halogenado y el sustrato.

EJERCICIO 9.8

Averigua la estructura de los compuestos que aparecen en la siguiente secuencia de reacciones: CH3 CH3

CH CH2

IMe

NH2

A

IMe

B

IMe

_ HO Q

C

D(C4H8) + H2O + NMe3

La síntesis de Gabriel es un proceso especial que, en la preparación de aminas primarias, evita la aparición de productos más alquilados (aminas secundarias, terciarias y sales de amonio):

O O + NH3

O

O calor

N_H

O

O

O Ftalimida

Anhidrido ftálico

_ N K+

KOH

Ftalimida potásica

El reactivo nucleófilo es el anión ftalimido:

N

_ + CO2 K

O

O _

CH2

Br

C2H5

N CH2CH2CH3

KOH calor

CH3CH2CH2_NH2 +

_ + CO2 K

O

O

EJERCICIO 9.9

Utiliza el Ejercicio 5 del Tema 1 para escribir el mecanismo de la hidrólisis en medio básico de la imida N-sustituida que aparece en el último pasop de la síntesis de Gabriel: _ + CO2 K

O N_CH2CH2CH3 O

KOH calor

CH3CH2CH2_NH2 +

_ + CO2 K

IX

228

FORMACIÓN DE ENLACES C–C SÍNTESIS DE NITRILOS

Un tipo de reacción muy útil es la que tiene lugar entre un halogenuro y un carbanión; los carbaniones alquilo sencillos no son satisfactorios, pero pueden emplearse muchas clases de carbaniones relativamente estables; el anión cianuro es un ejemplo: CH3CH2CH2CH2_Br + Na+ NC

_

CH3CH2CH2CH2_CN +

Na+Br

_

Esta reacción (SN2) brinda un método fácil, para añadir un átomo de carbono más a una cadena carbonada: C6H5_CH2_Cl +

Na+NC

_

Cl_CH2CH2CH2CH2_Cl + 2Na+ NC

EtOH SN2

_

C6H5_CH2_CN +

acetona

Na+Cl

_

NC_CH2CH2CH2_CN + 2Na+Cl

SN2

_

La hidrólisis de nitrilos conduce a ácidos carboxílicos; su reducción con hidruro de litio y aluminio (H4AlLi) da lugar a aminas: H3O+

C6H5_CH2_CO2H

C6H5_CH2_CN C6H5_CH2_CH2_NH2

H4AlLi

EJERCICIO 9.10

La reacción del (R)(1-Bromoetil) metil éter con cianuro sódico conduce a (1-Cianoetil) metil éter ópticamente activo. Su configuración absoluta es la misma que la del producto de partida. Explica esta anomalía aparente.

SÍNTESIS DE ALQUINOS

Los átomos de hidrógeno unidos a carbonos con triple enlace son lo suficientemente ácidos (pKa 25) para reaccionar con bases fuertes. El anión amiduro (pKa 35) es capaz de extraer este tipo de hidrógenos originando carbaniones: R C

C

H

_ :NH2

NH3 (liq.) Na

_ R C

+ NH3

C:

Estos carbaniones pueden reaccionar con derivados halogenados, dando lugar a alquinos: R C

_ C:

_ CH2

X

R C

C CH2

R'

+ X

R'

IX

229

SÍNTESIS DE ALCOHOLES PRIMARIOS A PARTIR DE OXIRANOS Y COMPUESTOS ORGANOMAGNÉSICOS

El magnesio reacciona con los haluros de alquilo, dando lugar a compuestos organometálicos de magnesio (magnesianos, reactivos de Grignard) RCH2__I + Mg

Et2O

RCH2__Mg__I magnesiano reactivo de Grignard

Se trata de una reacción de oxidación-reducción en la que el magnesio cede un par de electrones al carbono unido al halógeno: δ+ RCH2

_

δ− I + Mg:

RCH2 + Mg2+ +

I

_

(carbanión)

El resultado es un carbanión que puede actuar como nucleófilo en una gran variedad de reacciones. Una de ellas es la reacción con oxiranos, que conduce a alcoholes primarios con dos átomos de carbono más que el haluro de partida: Et2O

RCH2__X + Mg

RCH2__Mg__X

O

RCH2__CH2CH2OH dos átomos de carbono más que RCH2X

Mecanismo de la reacción: RCH2 X Mg

RCH2

Et2O O

XMg

H3O+ O

RCH2

CH2

CH2OH

+ Mg2+ + X

_ + H2O

EJERCICIO 9.11

Diseña una síntesis de la Pentilamina, empleando Etileno como único producto orgánico.

ANIONES ENOLATO COMO INTERMEDIOS DE REACCIÓN

La tautomería se refiere a una interconversión entre dos estructuras que se diferencian en la posición de un átomo o grupo (isómeros constitucionales) Los compuestos con grupos carbonilo están en equilibrio con sus formas enólicas correspondientes (tautomería ceto-enólica): O CH3

C CH3

OH H2O

(99,999 %)

CH2

C CH3

(0,001 %) (forma enólica)

CH3

O

O

C CH2

C CH3

(83 %)

OH H2O

CH3

C

O CH C CH3

(17 %)

IX

230

O

O

O

OH

H2O

H

H

(50 %)

(50 %)

H O

O

Me

OH

O

H2O

Me

Me

Me

(95 %)

(5 %)

La formación del enol está catalizada por bases:

CO Me

_

H

HO

H2O

CH

O _ O Me C CH C Me

+

Keq = 5,0 x 106

pKa 15,7

CO Me pKa 9,0

El anión enolato está estabilizado por deslocalización de la carga negativa: O: Me C

_ CH

_ :O:

: O:

Me C

C Me

CH

_ : O:

:O:

: O: C Me

Me C

CH

C Me

enolato

HO___H

_ :O:

Me C

: O: CH

OH

C Me

Me

C

enolato

: O: CH

C Me + HO

_

enol

Reacción global: _ :O: :

O

O

Me C CH2 C cetona

Me

+ HO

_

Me C

: O: CH

enolato

C Me

OH + H2 O

Me

C

: O: CH

_ C Me + HO

enol

EJERCICIO 9.12

Cuando la (2S)2-Metilciclohexanona se trata con cantidades catalíticas de NaOH se transforma en una mezcla de (2S) y (2R)2-Metilciclohexanona. Cómo puedes explicar la formación del estereoisómero R.

IX

231

Al aumentar la fuerza de la base en relación con el pKa del compuesto carbonílico, la concentración en el equilibrio del anión enolato también aumenta: O

O

H

H _

_ H

Keq = 0,3

+ MeOH

+ CH3O

pKa 15,5 pKa 16

O

O

H H

+ HO

H _

_

Keq = 0,5

+ H2O pKa 15,7

pKa 16

O

O

H

H _

_ H

Keq = 10

+ EtOH

+ EtO

pKa 17 pKa 16

O

O

H H

+ Me3CO

H _

_

+ Me3COH

Keq = 103

pKa 19 pKa 16

O

O

H H

+ Na+ H

_

H _

pKa 35

pKa 16

O

O

H H

+ Na+ NH2

_

H _

H

pKa 36

O _ H + [Me2C N CMe2] Li + _ _

pKa 16

Keq = 1020

+ NH3

pKa 16

O

Keq = 1019

+ H2

(LDA)

H _

H +

Me2C N CMe2

Keq = 1020

pKa 36

IX

232

ALQUILACIÓN DE CETONAS

Los compuestos carbonílicos que no son simétricos, como es el caso de la 2-metilciclohexanona, pueden dar lugar a dos aniones enolato diferentes, dependiendo del átomo de hidrógeno extraído por la base:

O Me _

1

H

O

:B

H

O

O

2

H

Me

:B

H

_ H

Me

_

O H

Me

_

Me

H

(2)

(1)

La reacción de cada uno de los aniones enolato (nucleófilo) con un átomo de carbono electrófilo origina dos productos distintos: _ O

H

O

H CH2

_

SN2

Br

Me R

CH2 R

+ Br

CH2

+ Br

Me

(1)

_ O

Me

CH2 H

O

Me SN2

Br

R

R

_

H

(2)

Los aniones enolato son nucleófilos ambidentes que pueden reaccionar con un carbono electrófilo (de baja densidad electrónica) de dos formas distintas:

O

O

O

H H O

CH3O

_

CH3OH

_

_ O

O

[nucleófilo ambidente]

IX

233

Reacción con el átomo de carbono (C-alquilación): O _

O

(CH2)2CH3 CH2 δ+

SN 2

Br

CH2CH2CH2CH3

O

O

(15 %)

Reacción con el átomo de oxígeno (O-alquilación): (CH2)2CH3 O

_

O CH2CH2CH2CH3

Br

CH2 δ+

SN 2

(37 %) O

O

En general, los electrófilos de carbono reaccionan con preferencia a través del átomo de carbono del enolato y los electrófilos de silicio lo hacen exclusivamente por el átomo de oxígeno. Este hecho permitió estudiar las condiciones experimentales más adecuadas para controlar la regioselectividad de las reacciones de alquilación en moléculas no simétricas con grupos carbonilo: O

O

Me

Et3N, Q

_

O

_

Me

Me

O SiMe3

SiMe3 Me

Me3SiCl

+

Dimetilformamida

O Me

+

(78 %)

(22 %)

Me

_ O Li+

_ O Li+

O _ (MeCH)2N Li+ 00 C

Me

Me +

O_SiMe3 Me3SiCl

Me

O_SiMe3 Me

+

Et3N (99 %)

(1 %)

CONTROL TERMODINÁMICO Y CONTROL CINÉTICO DE LA REACCIÓN

Cuando la reacción se hace a una temperatura elevada, la 2-metilciclohexanona se transforma más rápidamente en el enolato con el doble enlace menos sustituido (menor energía de activación) El enolato más sustituido se forma más lentamente porque la energía de activación es más alta. Sin embargo, conforme pasa el tiempo, la cantidad de enolato más sustituido va aumentando mientras que el enolato menos sustituido comienza a transformarse cada vez más rápido en la cetona, ya que la energía de activación ΔG (inversa) es menor que ΔG‡ (termodinámico) Si se deja que la reacción alcance el equilibrio, la concentración del enolato más sustituido será mayor que la del enolato menos sustituido. Por el contrario, si la reacción se lleva a cabo a temperatura baja, el número de moléculas de cetona con energía suficiente para pasar la barrera que conduce al enolato más sustituido [ΔG‡ (termodinámico)] es muy pequeño, comparado con el de moléculas capaces de traspasar la barrera que da lugar al enolato menos sustituido. Ahora, el tiempo requerido para que el sistema alcance el equilibrio es comparativamente mucho mayor que a temperatura elevada. En consecuencia, el enolato mayoritario será el menos sustituido.

IX

234

ΔG (termod.)

ΔG (cinético) ΔG (inversa)

O + :B

_

Me _ O + HB

diferencia de energía entre los dos enolatos

Me enolato menos sustituido

_ O + HB Me enolato más sustituido

enolato cinético

enolato termodinámico

Control termodinámico: la reacción alcanza el equilibrio y el producto mayoritario es el que se obtiene a partir del enolato más estable, es decir, el que tiene el doble enlace más sustituido (1): O

O

Me

Et3N: H

Me _

+ Et3NH

O CH2____X

SN2

Me CH2__R

+ X

_

R

O

_ Me

(1)

Condiciones experimentales: temperatura elevada y base no muy fuerte (p.e. trietilamina)

IX

235

Control cinético: los productos se aíslan antes que la reacción alcance el equilibrio. El producto mayoritario es el que se forma más rápidamente y proviene del anión enolato menos estable, esto es, el que tiene el doble enlace menos sustituido (2):

O Me

H H

O

_ (Me2CH)2N Li+

O

H _

Me

CH2

____

X

Me

SN2

H CH2__R + X

_

R

O

_

Me

H

(2)

Condiciones experimentales: temperatura baja y base muy fuerte e impedida estéricamente (diisopropilamiduro de

litio: LDA)

EJERCICIO 9.13

Escribe el mecanismo de las reacciones que aparecen a continuación: Reacción 1: O _ (Me2CH)2N Li+

CH2

0

0 C

A+B

ICH3

Me

(76 %) O

Me CH2_C6H5

+

250C

Reacción 2:

(6 %)

CO_Me

_ Me3CO K+

C__Me

O

O C6H5 CH2

Q CH2CH2CH2Br

(90 %)

Reacción 3: O C_Me

O _ (Me2CH)2N Li+ -600C

C

Q

CH2CH2CH2Br

(80 %)

ALQUILACIÓN DE ÉSTERES

En la condensación de Claisen (Tema 8, p. 200) se dijo que el diisopropilamiduro de litio (LDA) permite obtener el enolato de un éster de forma cuantitativa, es decir, la reacción entre el éster y la base está totalmente desplazada hacia la formación del enolato:

IX

236

CH3CH2

O CH3CH2

CH2

C OMe

O

_ CH

C OMe

_

+ (MeCH)2N Li+ O

pKa 22

CH3CH2

Li+ + (MeCH)2NH

_

Keq = 1014

pKa 36

CH C OMe

Utilizando derivados halogenados y LDA se pueden realizar reacciones de sustitución nucleófila con rendimientos muy elevados: CH3 CH2 CH3CH2

I

SN2

CH C OMe _

CH2CH3 CH3CH2

CH CO2Me

+ I

_

(92 %)

:O :

2-Etilbutanoato de metilo

CH3 CH3

CH3 CH3

1)LDA, THF

CH CH2 CO2Et

CH3

2)CH3I

CH CH CO2Et (95 %)

2,3-Dimetilbutanoato de etilo

CH2

CH3

1)LDA, THF

CO2Me

CH CO2Me

2)CH3I

2-Fenilpropanoato de metilo

EJERCICIO 9.14

Escribe el mecanismo de las siguientes reacciones: Reacción 1: O 1)LDA, THF

O

-780C

A

H2C=CH-CH2Br -780C

B

Reacción 2: O O

1)LDA, THF -780C

C

HC

C_CH2Br -780C

D

ALQUILACIÓN DE COMPUESTOS CON HIDRÓGENOS METILÉNICOS ÁCIDOS

La presencia de ciertas funciones insaturadas como sustituyentes en un átomo de carbono saturado, tales como NO2, -CO- o -CN, provocan que los hidrógenos unidos a dicho átomo sean relativamente ácidos. En la tabla siguiente aparecen algunos ejemplos.

IX

237

COMPUESTOS CON HIDRÓGENOS ÁCIDOS Y OTROS REACTIVOS COMUNES Compuesto

pKa

Compuesto

pKa

CH3CO2H

4,8

H2C(CN)2

11

O2N-CH2−CO2Et

5,8

NC-CH2−CO2Et

H2C(CO2Et)2

13

9

CH3CH2OH

17

9

CH3−CO−CH3

19

H2C(CO2Me)2

9

CH3−CO2Et

23

CH3−NO2

10

CH3−CN

25

CH3CO−CH2−CO2Et

11

CH3−CONH2

25

CH3−CO−CH2−CO-CH3

Todos los compuestos con metilenos activos forman aniones enolato en medio básico: O

O

O

EtO C CH2

C OEt

+ Et3N:

O

_ EtO C CH

+ + Et3NH

C OEt

pKa 13

Keq = 103

pKa 10

Malonato de dietilo O

O

CH3 C CH2

C OEt

+ HO

_

O _ CH3 C CH

O C OEt

+ H2O

Keq = 5,0 x 104

pKa 15,7

pKa 11.0 Acetilacetato de etilo

O N

C CH2

C OEt

+ MeO

_

N

_ C CH

O C OEt

pKa 9

+ MeOH

Keq = 3 x 106

pKa 15,5

Cianoacetato de etilo O O _ :O N CH2 C OEt + pKa 5,8

_ + EtO

_ O2N CH

O C OEt

+ EtOH

Keq = 1,6 x 1011

pKa 17

Nitroacetato de etilo

ALQUILACIÓN DE β-CETOÉSTERES (SÍNTESIS ACETILACÉTICA)

Los sustratos más utilizados son los siguientes: 1. Derivados halogenados alifáticos (síntesis de metil alquil cetonas y ácidos monocarboxílicos) 2. α-Halocetonas (síntesis de 1,4-dicetonas) 3. α-Haloésteres (síntesis de cetoácidos y ácidos dicarboxílicos)

IX

238

1. SÍNTESIS DE METIL ALQUIL CETONAS Y ÁCIDOS MONOCARBOXÍLICOS H _

R−CO C

_

H

_ R−CO_CH_CO2Et + EtOH

OEt

CO2Et

_ R−CO CH

SN2

X

CH2

R−CO CH CH2R'

R'

CO2Et

CO2Et β−cetoéster

El β-cetoéster formado puede someterse a dos tipos de hidrólisis.

1

CO2Et

HIDRÓLISIS CETÓNICA

R CO CH2

base diluida o ácido diluido

1

CH2R'

(CETONA)

CH CH2R'

R CO 2

base concentrada

β-cetoéster 2

R CO2H + R'−CH2CH2−CO2H (ÁCIDO)

HIDRÓLISIS ÁCIDA

La hidrólisis cetónica da lugar a cetonas y se realiza con bases o ácidos fuertes diluidos en agua. La hidrólisis ácida origina ácidos carboxílicos y se lleva acabo empleando disoluciones acuosas concentradas de una base fuerte. HIDRÓLISIS CETÓNICA

a) Con disoluciones diluidas de una base:

O R CO CH

C

_

[adición]

OH

_ O R

CO CH

CH2R' OEt

OH

C

CH2R'

β-cetoéster

O

[eliminación] _ _ EtO

R CO CH C OH CH2R'

OEt

β-cetoácido

Como el medio de reacción es básico, el β-cetoácido se transforma en un anión carboxilato que pierde fácilmente CO2, transformándose en una cetona: O CH3

CO CH C O

H

_ OH

O

_H O 2

CH3

CH2R

C

O CH

C

_ CO

_ O

_ O 2

CH3

CH2R

H___OH

C CH CH2R

β-cetoácido

enolato de la cetona

_

_ HO

OH CH3

O

C CH

CH3

C CH2CH2R

CH2R enol de la cetona

cetona

IX

239

b) Con disoluciones diluidas de un ácido fuerte:

O R CO CH C OEt

_

CH2R'

CH2R'

CH2R'

H 3O +

R

C

R CO CH CO2H

EtOH

O

β-cetoácido

_ CO

H

CH2R' 2

R

C

O

O

O R

CH

O

C CH2

CH2R'

cetona

H enol de la cetona

HIDRÓLISIS ÁCIDA

La reacción del β-cetoéster con la disolución concentrada de una base es una retrocondensación de Claisen, es decir, el proceso contrario a la condensación de Claisen (Tema 8, p. 200)) La hidrólisis ácida da lugar a ácidos carboxílicos: O O CO2Et

[adición]

R C CH CH2R' _ β-cetoéster HO

R C OH

_ O R

CO2Et

[eliminación]

CH CH2R'

C

CO2Et _ : CH CH2R'

OH

El medio de reacción es básico: O R

C OH

_ HO _H O 2

CO2Et HO

___

H

O R C O

(ac. fuerte: HCl)

O

: CH CH2R' _

R'CH2CH2 C

O R'CH2CH2 C O

_

O

H3O+

_

OEt + HO

H3O+ (ac. fuerte: HCl)

R C OH

O

_

_ R'CH2CH2 C O + EtOH

O R'CH2CH2 C OH

Ruptura de un β−cetoéster (hidrólisis cetónica y ácida)

1

2

CH3CO

1 _ HO dil. o H3O+

CH

CH3CO_CH2

(cetona)

R

CO2Et

R Ácetilacetato de etilo alquilado (R)

_ HO (conc.) 2

CH2

CO2H

(ácido monocarboxílico)

R

IX

240

_ 1)EtO /EtOH

CH3COCH2CO2Et

CO2Et

Ácetilacetato de etilo

CH COCH3

C 4H 9

2)C4H9Br/EtOH

1)NaOH

C4H9 CH2 COCH3

2)H3O+

(52-61%)

(69-72%)

Estas reacciones de alquilación pueden aplicarse con éxito a la síntesis de compuestos cíclicos; en general, las velocidades relativas de cierre de anillos de diferente tamaño sigue el orden: ciclos de 3, 5 y 6 eslabones > ciclos de 7 > ciclos de 4 = ciclos mayores de 7 = compuestos no cíclicos Producto secundario

Producto principal R

R_X

CH3CO-CH-CO2Et CO2Et

BrCH2_CH2Br n=0

CH3CO

n=1

CH3COCH2CO2Et

_

CO2Et

BrCH2_(CH2)2_CH2Br

CO2Et

BrCH2_(CH2)3_CH2Br

CO2Et

BrCH2_(CH2)4_CH2Br

CH3CO CH

CO2Et

BrCH2_(CH2)n_CH2Br

CH3CO CH

_ EtO /EtOH 1000C

CO2Et

_

CO2Et

(CH2)6 CH COCH3

CO2Et

(CH2)n+2 CH COCH3

CH2 CH2 CH2

CH3CO HC CO2Et

CH3CO C

CO2Et

(CH2)5 CH COCH3

CO2Et

CH3CO

n=4

CH2CH2CH2CH2Br

CH3CO CH

CO2Et

(CH2)4 CH COCH3

CO2Et

CH3CO

n=3

Br

CH3CO CH

CO2Et

(CH3)3 CH COCH3

CO2Et

CH3CO

n=2

_ CH3COCH

CH3CO CH

CO2Et

(CH2)2 CH COCH3

CO2Et

CO2Et

BrCH2_(CH2)_CH2Br

EtO

CO2Et CH3CO CH

CH3CO

_ EtO

CH2Br

CH3CO

EtO2C H2C Br

CO2Et

IX

241

EJERCICIO 9.15

Sintetiza la Ciclopentil fenil cetona empleando Benzoilacetato de etilo y el derivado halogenado que creas conveniente.

2. SÍNTESIS DE 1,4–DICETONAS A PARTIR DE α–BROMOCETONAS

Las α-bromocetonas se obtienen por reacción de la cetona con bromo en medio básico: O C R'

R CH2

HO

+ Br2

_

O R CH Br

cetona

α−bromocetona O

R−CH2

C R'

OH

:B

R CH

:

:

: OH C

_

Br____Br

R'

CH Br

C

+ Br

R

R

:O :

H O+ R'

C

CH Br

R'

C

CH R

+ H_B

Br

R

_ 1)HO (dil) 2)H3O+ _ CH3CO CH

COR CH2

Br

_

:

B:

+ OH HC

enol

C R' enol

cetona

R'

C R'

SN2

CO2Et

CH3CO CH CH2 CO2Et

CO2H CH3CO CH CH2 COR

COR 1)EtO

CO2Et

_

2)R'-X

CH3CO C

COR

R' CO2H CH3CO CH CH2

CO2Et CH3CO C R'

COR

_ COR

_ HO (dil.)

CO2

CH3CO CH2 CH2

Q

CO2H CH3CO C R'

COR

_

CO2 Q

COR

CH3CO CH COR R'

Los β-cetoésteres pueden utilizarse también como precursores de aniones enolato en reacciones de sustitución nucleófila de moléculas con grupos carbonilo. El ejercicio 16 es un ejemplo de ello.

IX

242

EJERCICIO 9.16

1. Idea una síntesis de la 4-Metil-3,5-heptanodiona partiendo de Ácido propiónico como producto base. 2. Diseña una síntesis de la Dibencil cetona empleando Fenilacetato de etilo como único producto orgánico. 3. Realiza la síntesis de la Etil fenil cetona utilizando Acetato de etilo y Benzoato de etilo como sustancias de partida. 3. SÍNTESIS DE CETOÁCIDOS Y ÁCIDOS DICARBOXÍLICOS A PARTIR DE α–BROMOÉSTERES

La bromación en Cα de los ácidos carboxílicos (reacción de Hell-Volhard-Zelinsky) se realiza empleando tricloruro de fósforo como catalizador:

R CH2

Br

Br2

CO2H

R CH

PCl3

CO2H

Los α-bromoésteres se obtienen por esterificación del correspondiente α-bromoácido: Br

Br

EtOH

R CH CO 2H

R CH CO 2Et

H3 O +

1)HO-(conc.) CO2Et

_ CH3CO CH CH2 CO2Et

2)H3O+

SN 2

Br

CH3CO CH CH2 CO2Et

HO2C_CH2_CH2_CO2H

CO2Et 1)HO-(dil.)

CH3COCH2_CH2_CO2H

2)H3O+ _ 1)EtO /EtOH 2)R_X _ 1)HO (conc.) 2)H3O+

R CH3CO C

CH2

CO2Et

_ 1)HO (dil.)

CO2Et

2)H3O+

R HO2C CH_CH2_CO2H _

R CH3COCH CH CO2H

EJERCICIO 9.17

Averigua la estructura del β -cetoéster F y escribe el mecanismo simplificado de las reacciones que aparecen en los esquemas. _ 1)HO (dil.)

E(C7H10O2)

2)H3O+ F(C10H14O4) _ 1)HO (conc.) 2)H3O+ C2H5OH

Ác. 3-metilpentanodioico

H3O

+

A(C10H18O4)

_ A(C10H18O4)

1)EtO 2)B(C3H2O2Cl2)

Q

G(C8H12O5)

C(C13H18O6)

;

Ácido 5-ceto-3-metilhexanoico

Ác. propanodioico

_ 1)HO (dil.) 2)H3O+

D

Q

SOCl2

B(C3H2O2Cl2)

E(C7H10O2)

IX

243

ALQUILACIÓN DE DIÉSTERES MALÓNICOS (SÍNTESIS MALÓNICA)

Los sustratos más empleados son los siguientes: 1. Derivados halogenados alifáticos (síntesis de ácidos monocarboxílicos) 2. Derivados dihalogenados alifáticos y α-haloésteres (síntesis de ácidos dicarboxílicos)

1. SÍNTESIS DE ÁCIDOS MONOCARBOXÍLICOS

La síntesis malónica abre un camino, teóricamente inagotable, para la obtención de ácidos alifáticos. No obstante, presenta una limitación: no es posible obtener ácidos trisustituidos en el átomo de carbono α.

CO2Et CH2 CO2Et

_ EtO EtOH

CO2Et _ CH CO2Et

CO2Et

n-C4H9Br

C4H9 CH

EtOH

KOH/H2O

_ CO2 K+ C4H9 CH

_ CO2 K+

CO2Et (80-90%)

CO2Et CH2 CO2Et

_ EtO EtOH

CO2Et _ CH CO2Et

n-C4H9Br EtOH

CO2Et C4H9 CH

_ CO2 K+

KOH/H2O

C4H9 CH

_ CO2 K+

CO2Et (80-90%)

H2SO 4 H2O

H2C(CO2Et)2

_ 1)EtO /EtOH 2)C2H5CHBr Me

CO2H

_

C4H9 CH

CO2

C4H9

CH2

CO 2H

CO2H

Me CO2Et

KOH

C2H5 CH CH CO2Et

H2O

_ Me CO2 K+ _ C2H5 CH CH CO2 K+

(83-84%)

H2SO4/H2O _ CO 2

Me C2H5 CH CH2 CO2H (62-65%)

Se pueden utilizar con éxito tanto los haluros primarios como los secundarios, y también haluros de alilo y bencilo primarios y secundarios. Sin embargo, los haluros de alquilo terciarios que tienen al menos un Hα son de poco valor, ya que se produce mayoritariamente una reacción de eliminación E2:

IX

244

(CH3)3C_Br + H2C(CO2Et)2

EtO

_ (CH3)3C_CH(CO2Et)2 + CH3

EtOH

CH3 C

CH2

(6%)

CH(CO2Et)2

Br EtO

+ H2C(CO2Et)2

_ +

EtOH (60%)

Si la reacción de alquilación se realiza con un derivado dihalogenado, se llega a compuestos cíclicos; en tal caso, valen las mismas generalizaciones hechas en el caso de la síntesis acetilacética.

2H2C(CO2Et)2

CO2Et

_ 1)EtO /EtOH

CO2Et

2)Br(CH2)3Br

CO2Et +

EtO2C CH

(55-56%)

_

2H2C(CO2Et)2 + BrCH2 CH2Br

CO2Et

(CH2)3 CH CO2Et (10%)

_ EtO EtOH

CO2Et

CO2Et

Síntesis de un ácido espiroheptanocarboxílico:

CH2Br CH2 CH2Br

+

H2C(CO2Et)2

_ EtO EtOH

CO2Et CO2Et

CO2Et CO2Et

_ 1)HO /H2O 2)H3O

+

H4AlLi

CH2OH

HBr

CH2Br

CH2OH

CO2H CO2H

CH2Br

_

Q CO2

H2C(CO2Et)2 _ EtO

CO2H

2. SÍNTESIS DE ÁCIDOS DICARBOXÍLICOS

Reacción del anión enolato con derivados halogenados que tengan los átomos de halógeno suficientemente alejados:

IX

245

CO2Et _ CH

CH2

CO2Et

(CH2)n CH2

CO2Et _ CH

CO2Et

CO2Et

CO2Et

Br

Br

CO2H

H3O+

CH CH2

CO2H

CH CH2

(CH2)n CH2 CH

CO2H

CO2Et

_

CO2H

Q CO2

(CH2)n CH2 CH CO2Et

HO2C CH2 CH2

(CH2)n CH2 CH2 CO2H

Dependiendo del valor de n se pueden obtener ácidos dicarboxílicos cíclicos, como sucede en la síntesis acetilacética:

CO2Et 2 CH2 CO2Et

1)EtO

CO2Et

_

CH CH2

2)BrCH2CH2Br

CO2Et CH2 CH

CO2Et

CO2Et

CO2Et

1)EtO

CO2Et

CO2Et

2)BrCH2CH2Br

EtO2C CO2Et

CO2H

CO2H

_ 1)HO

CO2H +

EtO2C

CO2Et

_

HO2C

2)H3O CO2Et

_

Q CO2

CO2H

CO2H

Los α-haloésteres también pueden dar lugar a ácidos dicarboxílicos:

CO2Et _ CH

Br

CO2Et

CH2

CH CH2

CO2Et

CO2Et

H3O+

CO2Et

CO2Et

CO2H CH CH2

CO2H

Q _ CO

CO2H

2

HO2C CH2CH2

CO2H

El anión enolato del malonato de dietilo se utiliza también para sintetizar metil cetonas mediante reacciones de sustitución nucleófila en moléculas con grupos carbonilo:

CO2Et _ CH CO2Et

Cl

CO2Et O

C O

CH

R

CO2Et

C

R

H3O+

CO2H O CH CO2H

C

R

Q _ CO

2

R CO CH3

IX

246

Efectividad de algunos nucleófilos habituales

(reacciones SN2) reactividad

nucleófilo

nucleófilos muy activos nucleófilos activos nucleófilos aceptables nucleófilos débiles

reactividad relativa

>105

I¯ HS¯ RS¯ Br¯ HO¯ RO¯ NC¯

104

:NH3 Cl¯ F ¯ RCO2¯

103 1

H2O ROH

nucleófilos mediocres

10-2

RCO2H

(*) reactividades relativas respecto al metanol

Efecto del grupo saliente

Grupos salientes en orden creciente de facilidad para ser eliminados (reacciones SN2) Clase de compuesto

Grupo saliente *

R-OR'

Dialquiéteres

R'O−

Alcóxido

R-OH

Alcoholes

HO−

Hidróxido

R-O-Ar

Alquilariléteres

ArO−

Fenóxido

R-OCOR'

Ésteres

R'CO-O−

Anión carboxilato

R-F

Fluoruros de alquilo

F−

Fluoruro (v.r.= 0,001)

R-Cl

Cloruros de alquilo

Cl−

Cloruro (v.r.= 0,02)

Éteres O-protonados

R'OH

Alcohol

Alcoholes protonados

H2O

Agua (v.r.= 1)

R-Br

Bromuros de alquilo

Br−

Bromuro (v.r.= 1)

R-I

Ioduros de alquilo

I−

Ioduro (v.r.= 3)

+ R_OH(R') + R-OH2

**

*Los grupos fuertemente básicos (RO-, HO-, H2N-, F-) no pueden ser desplazados en condiciones ordinarias de reacción. Esta es la razón por la que se usan catalizadores ácidos en reacciones de sustitución de alcoholes, éteres y aminas. **(v.r.) = velocidad relativa de eliminación

IX

247

REACCIONES DE SUSTITUCIÓN NUCLEÓFILA EN UN ÁTOMO DE CARBONO SATURADO ENLACE FORMADO

R_Z + Nu:

_

_ R__Nu + Z:

_ Nu:

R_Z

_ HO ; H2O

Me

R__OH

_ R'O ; R'OH _ R'CO2

R_X

O

R CH O S OH

HO

_ Z:

R_Nu

R__OR'

X

_

R__O_COR' Me

_

R CH

O _ O S OH

OH

O

O

[RCH=CH2 + H2SO4]

O

R_CH2__OH

H2O

R CH2 O S

Me

O

R'_CO_O

_

_

R_CH2__O-COR'

O O S

Me

O

(tosilato) * O C__O

MeO S OMe

_ ArO Na+

O _ MeO S O Na+

ArO__Me

O

O

sulfato de dimetilo H2O ; H3O+

HOCH2CH2__OH

; H3O+

O

O

O

O

Cl_CH2CH2_OH [Z_CH2CH2_Nu]

Cl

O

Cl_CH2CH2CH2CH2_OH [Z_CH2CH2CH2CH2_Nu]

O

O

R C OH + Me N N (diazometano)

Cl

O

R C O__Me

_

_

N2

O _ O R C CH C R O

_ O

R C CH C R

O

O Me

R C CH C R

N2

*éster del ácido p-toluensulfónico

IX

248

ENLACE FORMADO

R_Z + Nu: R_Z

Nu:

_

_

NH3 R'NH2

R_X

_ R__Nu + Z: R_Nu

_ Z:

R__NH2 R__NH_R' X

X = (Cl, Br, I)

R2'NH

R__NR2'

R3'N

+ R__NR3'

_

C−−N

O

NH3

HO_CH2CH2__NH2

RNH2

HO_CH2CH2__NHR

NH3 O

RNH2

O

C−−X

R_OH

_ _X _ _ (X = Cl , Br , I )

R_OH

SOCl2, PCl3, PCl5

HO2C_CH2CH2__NH2 HO2C_CH2CH2__NHR

R__X

HI

R__I

R _X

_ LiAlH4 (H )

R__H

_ LiAlH4 (H )

R CH CH R

R O

_ LiAlH4 (H )

MeO

X

_

_

OH

H

R_OTs

_

R__Cl

R_OMe

R

HO

R__H

TsO

_

(tosilato) C−−H R _X

R

R

_ LiAlH4 (H )

R__H

_ LiAlH4 (H )

R CH CH R

O

R_OTs

H _ LiAlH4 (H )

X

_

OH

R__H

TsO

_

(tosilato)

IX

249

ENLACE FORMADO

R_Z + Nu: R_Z

Nu:

_

_ R__Nu + Z:

_

_ NC

R__CN

_ C C Na+

R'

R'

_ HC(CO2Et)2 C__C

R_X (X = Cl, Br, I)

_ Z:

R_Nu

R

C C R CH(CO2Et)2 R

_ R'CO_CH_COR'

R'

_ X

CO CH COR' R

_ CH3CO CH_CO2Et _

CH3 CO CH CO2Et

_ X_Mg_R (R )

R__CH2CH2OH

O

EJERCICIOS ADICIONALES

9.1 Considera la siguiente secuencia de reacciones: 2-Bromo-3-metil-3-pentanol

NaOH, H2O

MeOH, H3O +

A(C6H12O)

S N2

B(C7H16O2)

Utiliza representaciones tridimensionales para escribir la secuencia de reacciones con cada uno de los estereoisómeros del 2-Bromo-3-metil-3-pentanol. Asigna la configuración absoluta a todos los compuestos que intervienen. 9.2 Averigua la configuración absoluta de los compuestos A y B. (2S,3R)-3-Cloro-2-butanol

NaOH, H2O S N2

A(C4H8O)

H2SO4 H 2O

B (C4H10O2)

9.3 Averigua la configuración absoluta de los compuestos A y B.

(2S,3R)-3-Cloro-2-butanol

NaOH, H2O SN2

A(C4H8O)

HBr (48 %) 0 0C

B(C4H9OBr)

9.4 Averigua la configuración absoluta de los compuestos A y B:

A(C4H 9OBr)

HO

_

SN2

B(C4H8O)

NH3, H2O S N2

(2R,3S)-3-Amino-2-butanol

IX

250

9.5 Dos compuestos isómeros A(C6H11OBr) y B(C6H11OBr) reaccionan con NaOH acuoso, a través de un

mecanismo SN2, dando lugar a la misma sustancia ópticamente inactiva C(C6H10O). La reacción SN2 de C con metóxido sódico en metanol, conduce a una mezcla de (1R,2R) y (1S,2S)-2-Metoxiciclohexanol. Averigua la configuración absoluta de los compuestos A, B y C. 9.6 Utiliza representaciones tridimensionales para averiguar la configuración absoluta de todos los compuestos

que aparecen en las siguientes secuencias de reacciones: NaOH, H2O

(1R,2R)-2-Bromo-1-metilciclohexanol

A(C7H12O)

SN2

_ MeO Na+, MeOH

B(C8H16O2)

SN2

MeOH H 3O + C(C8H16O2)

9.7 Empleando Éster acetilacético o Malonato de dietilo, y cualquier otro compuesto orgánico o inorgánico que

precises, diseña una síntesis de las siguientes sustancias: O

CO2H

Me

O

CO2H

Me

(1)

(2)

(4)

(3) CO2H

CO2Et CO2Et CO2H

CO2Et

EtO2C

(5)

CO2H (7)

(6)

(8)

9.8 Averigua la configuración absoluta del compuesto A:

A(C8H9Br) + B(C5H7O2N)

D(C11H12O4)

B

H 3O +

E(C3H4O4)

EtOH H3O+

F

_ EtO SN2 Q

C(C13H15O2N)[(2S,3R) + (2R,3R)]

H 3O +

Ácido (3R)-3-Fenilbutanoico

_ EtO + BrCH2CH2Br

G(C9H14O4)

H 3O + Q

Ácido ciclopropanocarboxílico

9.9 Apartado 1: Teniendo en cuenta las reacciones que aparecen a continuación, averigua la estructura de los βcetoésteres A, B, C, D, y E. A(C8H14O3)

B(C13H14O4)

1)HO -(conc.) 2)H3O+ 1)HO-(dil.) 2)H3O +

CH3CO 2H + CH3CH2CH 2CO2H

C6H5COCH2COCH3 + CO2

IX

251

1)HO-(conc.)

C(C 11H18O5)

2)H3O +

1)HO-(dil.)

D(C 9H14O4)

CH3COCH2CH2COCH3 + CO2

2)H3O + 1)HO-(dil.)

E(C5H8O3)

CH3CH2CO 2H + HO 2C-CH2CH2-CO 2H

CH3CHO + CO2

2)H3O +

Apartado 2: Una vez conocida la estructura de los cinco β-cetoésteres, realiza su síntesis utilizando reacciones de sustitución nucleófila. Puedes emplear cualquier producto inorgánico, pero únicamente los siguientes productos orgánicos: Etanol

Cloroacetona

Formiato de etilo Acetato de etilo Bromoacetato de etilo Acetilacetato de etilo Propionilacetato de etilo

Cloruro de benzoilo

9.10 Averigua la estructura del β-cetoéster E y escribe el mecanismo de las reacciones que aparecen en los esquemas. _ 1)HO (dil.)

D(C6H8O2)

2)H3O+ E(C9H12O4) _ 1)HO (conc.) 2)H3O+

MeCH2CO2Et

_ 1)EtO 2)MeCOCl

[F(C7H10O5) + G(C7H10O5)]

1)EtO

A

Q -2CO2

Ac. 4-ceto-3-metilpentanoico + Ac. 4-ceto-2-metilpentanoico

_

2)BrCH2CO2Et

B

NaOH H 2O

C(C9H12O4)

H 3O + Q

D(C6H8O2)

9.11 Apartado1: Empleando como sustancias de partida Heptanodioato de dietilo y Formiato de etilo, diseña

una síntesis de la 2-Formilciclohexanona, Apartado2: Utiliza Acetilacetato de etilo y Acetona como reactivos para sintetizar 3-Metil-2,5-hexadiona. Apartado3: Emplea Malonato de dietilo y Etilenglicol como reactivos para sintetizar ácido 1,4-Cicloexanodicarboxílico. NOTA: Además de las sustancias de partida indicadas en cada apartado, puedes utilizar cualquier reactivo orgánico o inorgánico que necesites. 9.12 Indica cómo llevarías a cabo las siguientes reacciones estereoespecíficas: H H

(2S)-1,2-Propanodiol

H Me

(2R)-1,2-Propanodiol

O

H H

H Me

O

9.13 Averigua la configuración absoluta del compuesto A: A(C4H8O)

NaCN EtOH, H2O

[(2R,3R) + (2S,3S)] 3-Ciano-2-butanol

IX

252

9.14 Averigua la configuración absoluta de los compuestos A, B y C: A(C3H6O)

1)C6H5MgBr

HBr

B(C 9H12O)

2)H3O+

Me

C(C9H 11Br)

S N2

CH , NH2Na

C

(4R)-5-Fenil-4-metil-2-pentino

S N2

9.15 Averigua la estructura de los compuestos que aparecen en las siguientes secuencias de reacciones.

Secuencia 1: A(C13H16O4) + C6H5

_ EtO

Br

CO2H H3O+

B(C20H22O4)

C6H5

C 6H 5

Q

CO2H

EtOH

C(C15H14O2)

D(C17H18O2)

H3O+

Secuencia 2: O

O

Me

CHO A(C3H5Br)

+

HO

_

CH2

Me

Secuencia 3:

A(C7H12O4)

+

_ EtO

B(C7H7Br)

_ 1)EtO

CO2Et

C6H5

2)C6H5COCl

CO2Et

C

9.16 Idea un mecanismo razonable que justifique la siguiente transformación: Me

H 3O +

Me

Me

Me

OH

OH

9.17 Averigua la estructura de los compuestos que aparecen en las siguientes secuencias de reacciones.

Secuencia 1: O

O C 6H 5

Me

Br2 HO

_

A

Me

_ O Na+

B(C10H10O3)

Secuencia 2:

Me2NH +

A

OH

Me2N

_ 1)EtO 2) ?

B(C6H15NO2)

C6H5CH2Cl

+ N

C 6H 5 Me

O

OH Cl

_

Me

Secuencia 3:

Me

Me O

Br2 HBr

A

_ ? + EtO

O

Me Me

Me CO2Et

O

IX

253

Secuencia 4:

O

O

_ 1)EtO

Me CO2Et

A(C6H8O3)(lactona)

2)

H3O+ Q

?

B(C5H10O2)

Br

Me

O

Secuencia 5: CO2Et (CH2)4

_ EtO

A(C8H12O3)

C6H5

HCl

B(C16H20O4)

C6H 5

2)

CO2Et

O

_ 1)EtO

H 2O

Cl

O

Secuencia 6: H2C(CO2Et)2

O

_ 1)EtO

A(C10H14O4)

2) BrCH2 C CH

H 3 O+ Q

B(C5H6O2)

H 3O + , H 2O Hg2+

Me

CO2H

9.18 Averigua la estructura de los compuestos que aparecen en la siguiente secuencia de reacciones.

O Me

CO2Et

_ EtO Me

_ EtO

A I

[D(C14H17O3Br)]

C6H5

[B(C16H 21O4)](anión)

C(C 14H16O3)

O

E(C13H17OBr)

HO

O

_

HBr H3O+, Q

Me

Me

C6 H5

IX

10. REACCIONES DE ELIMINACIÓN

GENERALIDADES

En un sustrato saturado, el esquema general de cualquier reacción de eliminación es el siguiente: _

:B

H

C

C

Z

C

C

BH +

+

_

Z

π

[:B- es una base (nucleófilo) que puede no llevar carga] Si la reacción ocurre en un sustrato insaturado: :B

_

H

C

C

Z

C

BH +

+

C

Z

_

π

Los sustratos más comunes en las reacciones de eliminación son los haluros de alquilo y los alcoholes: Br CH3 _ B

CH3 CH3 C OH

CH

CH CH3

CH3

CH CH CH3

+ HB

+

Br

_

H

H3O+

CH3 H CH2

CH3

C

CH3

+ OH2

CH2

C CH3

+

H3O+ + H2O

CH3 H2O:

MECANISMO DE LAS REACCIONES DE ELIMINACIÓN

De forma semejante a las reacciones SN, las reacciones de eliminación transcurren normalmente a través de dos tipos diferentes de mecanismos. REACCIONES DE ELIMINACIÓN E1

El proceso transcurre en dos pasos: en el primero se produce la ionización del sustrato y se libera un catión carbonio que, en la segunda fase, reacciona con la base originando el producto no saturado. La reacción responde a una cinética de primer orden:

H C C

Z

lenta

B

_

δ+ H C C

H C C+

δ− Z

rápida

+ H C C

C

C

+

+

Z

_

v = k1[R-Z]

HB

X

255

Resulta evidente que la etapa lenta es la misma que en las reacciones SN1; todas las consideraciones con respecto a la influencia de Z, R y el disolvente sobre el mecanismo SN1 son aplicables al mecanismo E1. En cambio, la naturaleza de la base influye sobre el producto obtenido. Por ejemplo, el bromuro de t-butilo reacciona en etanol originando el 81% de t-butil etil éter (SN1) y el 19% de isobutileno (E1): CH3

CH3

lenta

CH3 C Br

CH3

CH3

CH3 SN1:

C2H5 OH

+ C CH3 CH3

C+

+

Br

_

CH3

H CH3

rápida

O C CH3 + CH 3

C2H5

CH3

_ + H

C2H5 O C CH3

(81%)

CH3 t-Butil etil éter

CH3 E1:

C2H5 OH

H CH2

C+

rápida

C2H5

+ OH2

CH3 +

C CH3

CH2

CH3

(19%)

Isobutileno

La formación del carbocatión, por ionización del bromuro de t-butilo, es la etapa determinante de la velocidad en ambas reacciones. El etanol puede actuar como nucleófilo o como base; en el primer caso reacciona con el carbono cargado positivamente, dando lugar al producto de sustitución, y en el segundo lo hace con el hidrógeno en β, originando el alqueno. Puesto que las reacciones E1 y SN1 tienen lugar a partir del mismo catión carbonio, el tipo de estructura carbonada influye de igual forma en ambos tipos de procesos. El grupo saliente (Z) no suele jugar ningún papel en las cantidades relativas de productos E1 o SN1, ya que todos ellos se forman después de que Z se ha desprendido del sustrato. La temperatura es el factor que suele determinar la proporción relativa de productos de eliminación o sustitución. En general, una temperatura elevada favorece la reacción de eliminación. Los halogenuros terciarios reaccionan más fácilmente que los secundarios a través de reacciones E1, ya que dan lugar a olefinas más sustituidas y, por consiguiente, más estables (control termodinámico) Sin embargo, un disolvente polar y nucleófilo, y la ausencia de bases fuertes, favorecen la formación de productos de sustitución en vez de los de eliminación. La ruta E1 está favorecida por los reactivos fuertemente básicos y débilmente nucleófilos, y también por los sustituyentes atractores de electrones que aumentan la acidez del hidrógeno en β. REACCIONES DE ELIMINACIÓN E2

El proceso transcurre en un solo paso de una manera concertada, es decir, la ruptura de los dos enlaces σ y la formación del enlace π son simultáneas. La reacción pasa por un estado de transición del tipo: _ B:

H C C Z

δ− B

δ+ H C

C

δ− Z

HB +

C

C

+ Z

_

La cinética de la reacción es de segundo orden: v = k2[R-Z][:B- ]

X

256

Lo mismo que la reacción E1 es competitiva con la SN1, las reacciones de sustitución SN2 pueden competir con las de eliminación E2. En este sentido, es importante la naturaleza primaria, secundaria o terciaria del carbono al que está unido Z. La formación de un alqueno mediante un mecanismo E2 va acompañada de una disminución de la aglomeración alrededor del átomo de carbono que contiene el grupo saliente Z, mientras que en el estado de transición que conduce a la sustitución SN2, la aglomeración en torno a este átomo aumenta.

Nu

_

R' R'

H

E2: R

R

δ− Nu ..... H E2

R R

........

Z

Z

R' − R' δ

R R

R' R'

+ H_Nu +

Z

_

[la aglomeración disminuye]

Nu H

_ R' R'

SN2: R

R

δ− Nu

H

SN 2

R

Z

R

Z

H

R' R' δ−

R

Nu

R

R' R'

+

Z

_

[la aglomeración aumenta]

La reacción E2 está favorecida si existe considerable impedimento estéreo en el carbono α y si la base (nucleófilo) es grande y fuertemente básica. Inversamente, la reacción SN2 está favorecida si el impedimento estéreo es mínimo en el carbono α y el nucleófilo (base) es pequeño y muy polarizable. Finalmente, la reacción E2 prevalece sobre la SN2 en disolventes que no sean muy polares (p.e. un alcohol)

Se comprende fácilmente que los dos factores actúan en el mismo sentido, para favorecer considerablemente la eliminación en los derivados terciarios y para entorpecerla en los primarios. En resumen, la competencia entre los caminos SN2 y E2 está gobernada por: 1

La magnitud del impedimento estereo en el carbono al que está unido el grupo saliente Z.

2

La basicidad, el tamaño y la polarizabilidad del nucleófilo.

3

La temperatura a la que se realiza la reacción.

Por ejemplo, el bromuro de etilo (carbono en posición α no impedido estéricamente) reacciona con el metiltiolato sódico (nucleófilo pequeño y muy polarizable), dando lugar a sulfuro de etilo y metilo (SN2):

CH3CH2Br + CH3_S_Na

SN2

CH3CH2_S_CH3 + NaBr

Sin embargo, el bromuro de t-butilo (carbono en α muy impedido) reacciona con el t-butóxido potásico (base nucleófila grande y poco polarizable) para dar como producto más abundante el isobuteno (E2): _ (CH3)3C_Br + (CH3)3CO K+

E2

CH3 CH3

C CH2

+

(CH3)3C_OH

+

KBr

X

257

REGIOSELECTIVIDAD EN LAS REACCIONES E1 Y E2

REACCIONES E1

Si la base puede reaccionar con dos hidrógenos en β que no son equivalentes, se obtiene una mezcla de olefinas. El alqueno más sustituido (producto Saytzev) suele predominar sobre el menos sustituido (producto Hofmann): CH3 CH3CH2

CH3

:B E1

C Br CH3

CH3

CH3

CH C CH3

+

CH3 CH2 C

[Hofmann](8%)

[Saytzev] (32%)

CH3

1

CH3 CH3CH2

C

:B E1

Br

CH3

CH3

CH3 CH3CH2

C+ CH3

CH3

CH C CH3 [Saytzev] (32%)

E1

CH C CH2 + B: 1 H H 2 :B CH3

=

CH2

CH3 CH3

2

CH2

C CH2

[Hofmann] (8%)

_ EtO E1

Br CH3CH2

CH CH3

CH3

CH CH CH3

+

CH3

[Saytzev] (81%)

CH2

CH CH2

[Hofmann] (19%)

REACCIONES E2

La extensión en la que se cumple la regioselectividad Saytzev, en las reacciones E2, depende de la estructura de la cadena carbonada, de la naturaleza del grupo saliente y de la base que desencadena la eliminación. A medida que crece el impedimento estéreo del hidrógeno en β y el tamaño de la base, el producto Saytzev va siendo menos abundante: _ EtO Br CH3CH2

CH CH3

C CH3

CH3

CH2

CH CH2

[Hofmann] (19%)

[Saytzev] (81%)

_ EtO

Me3C CH2

CH CH CH3 +

E2

_ Me3CO

Br

CH3

CH3

CH CH CH3 +

CH3

CH2

CH CH2

[Hofmann] (53%)

[Saytzev] (47%)

CH3

CH3 Me3C CH C CH3

+

[Saytzev] (14%)

Me3C CH2

C CH2

[Hofmann] (86%)

E2

CH3 CH3

CH3 _ Me3CO

Me3C CH C CH3 [Saytzev] (2%)

+

Me3C CH2

C CH2

[Hofmann] (98%)

X

258

ESTEREOQUÍMICA DE LAS REACCIONES DE ELIMINACIÓN REACCIONES DE ELIMINACIÓN MONOMOLECULARES (E1)

Con independencia del tipo de molécula de partida, ninguna reacción E1 es estereoespecífica. El giro libre del enlace en el carbocatión intermedio da lugar a dos conformaciones distintas: una de ellas origina el estereoisómero Z de la olefina, y la otra el estereoisómero E. No obstante, la interacción entre los grupos de carbonos contiguos hace que uno de los estereoisómeros predomine sobre el otro. El mayoritario será aquél que surja del carbocatión con menor impedimento estéreo: H

H Me

H Me

H

H

:B E1

+

H Me

H Me

I

H

=

H

Me

Me

(Z) (minoritario)

Me

H

H

:B

H

H

Me

+

Me H

H Me

Me

=

H

H

Me

Me

H

Me (E) (mayoritario)

H

Los ejemplos que siguen son todos reales, pero es probable que los tipos de moléculas que aparecen en ellos se transformen en olefinas a través de mecanismos E1 o E2, dependiendo de las siguientes variables: la naturaleza del grupo saliente (Z), la base concreta que desencadena la reacción, el impedimento estéreo en el hidrógeno β, el disolvente y la temperatura a la que tiene lugar el proceso. Por los mismos motivos, además de la reacción de eliminación (E1 o E2), pueden producirse reacciones de sustitución nucleófila competitivas (SN1 o SN2) EJEMPLO 1 Z

H

E1

RCH2 CH CH2R

H

H R

RCH2

RCH2

(Z)

H H R

H CH R 2

:B

+

Z

:B

H

=

CH2R

R

H

R

H R

H CH2R

(Z)

H +

R

CH2R

H

H H

H (E)

H

H

E1 H

R

+

CH2R H

=

RCH2 H

H R

H R

CH2R H (E)

Se obtiene una mezcla de los estereoisómeros (Z) y (E) de la olefina. El impedimento estéreo en el carbocatión que da lugar al isómero (Z) (interacción entre los grupos R / RCH2 y H / H) es mayor que el existente en el otro carbocatión (interacción entre los grupos R / H y RCH2 / H) Cabe esperar que el producto mayoritario sea el estereoisómero (E)

X

259

EJEMPLO 2

Z

Z

Z

R

H

E1

R CH CH R

H

+ Z

R

R

R

(Z)

(E)

Prioridades de los grupos: Z > C(R, R’) > H

H

R

H

H E1

Z

R

R H

Z

R

H

:B

+

=

Z

H

R

R

Z

R

Z

H

R (Z)

(R,R)

H H

+

=

R R

R

H

H

Z

Z

H

Z

H

=

R

Z

Z

H

R

R (E)

H

:B

+

R

R

R R

Z

H E1

H

:B

R

H

Z

R

R

H

Z

R (Z)

(S,S)

H R

+

=

H Z

H

R

H

Z

Z

R

R

Z

R

=

R

R

R

R

Z

H (E)

H

:B

+

H

H Z

R

H E1

H

:B

H

R

Z

R

R

R

Z

H (E)

(R,S)

H H

+

H

:B =

R Z

R

R Z

H R

R

H

Z

R (Z)

Si el radical R es de mayor tamaño que el grupo saliente Z, el estereoisómero (Z) será el mayoritario cuando la pareja de enantiómeros (R,R) / (S,S) o la forma meso (R,S) se someten a una reacción de eliminación E1.

X

260

EJEMPLO 3

Z RCH2

H

E1

CH CH2R'

H

H R'

RCH2

H

H R'

:B

CH2R

+ R

R'CH2

R H

R'CH2

(Z)

(E)

(E)

H

H

E1

+

H CH2R

H R'

Z

H

H +

H

RCH2

(Z)

H

H

R'

+

H

=

Z

H

H

CH2R

CH2R

R'

R'

(Z)

(R) o (S)

:B

H

H +

H

H

R

:B

CH2R'

RCH2

H

R'

R'

(E)

H +

H

CH2R

H

H

H

H

E1

Z

=

H

H R'

H

CH2R

H CH2R'

H

=

Z

R

H

H

CH2R'

CH2R'

R

R

(Z)

(R) o (S)

:B

H

H + H

CH2R'

=

R'CH2

H

H

CH2R'

H

H

H

R

R

(E)

R

El estereoisómero (E) será el mayoritario en ambos casos, con independencia de los tamaños relativos de los grupos R, R', RCH2 y R'CH2 . EJEMPLO 4 Z

Z

R CH CH R'

E1

H

R'

R

Z

H

Z

R

R'

+ (Z)

Z

R'

R

H

H

+

+ (E)

Z

(Z)

R'

R (E)

Prioridades de los grupos: Z > C(R, R’) > H Si los radicales R y R' son de mayor tamaño que el grupo saliente Z, el estereoisómero (Z) será el mayoritario en los dos casos.

X

261

H2

R

H1

Z

R'

+

H

Z

H

:B

H R

E1

R'

H

=

Z

R

R'

Z

R

Z

H

R' (Z)

(R,R) (S,S) (R,S) (S,R)

H

+ R'

R

Z

H1 R'

:B

H

=

R'

R'

R

Z

Z

R

H

Z

R' (Z)

H

H R'

+ R

(E)

H H

+

:B

R'

R

Z

H R

Z

H

H

R'

Z

E1

Z

R

=

R

H2

H

:B

H

R'

=

H

R

R'

R

H

Z

Z

H (E)

Z

EJERCICIO 10.1

La deshidratación del 4-Metil-3-hexanol en medio ácido transcurre a través de un proceso E1. Escribe el mecanismo de la reacción que aparece seguidamente para cada uno de los cuatro estereoisómeros del alcohol. Me OH

Me

H 3 O+

CH3CH2 CH CH CH2CH3

CH3CH2 C CH CH2CH3

E1

REACCIONES DE ELIMINACIÓN BIMOLECULARES (E2)

En las reacciones E2 asume enorme importancia la disposición relativa que adoptan los grupos eliminados. Normalmente, las reacciones E2 transcurren con mayor facilidad cuando dichos grupos están en relación antiperiplanar; por este motivo, el proceso se denomina anti-eliminación. Si son posibles dos o más conformaciones antiperiplanares, la más favorecida será la de menor contenido energético (interacción mínima entre grupos de carbonos contiguos): 1

B:

H

Me

2

H

2

B:

H

1

H Me

H

Me

I

Me

Me

2

E2

Me

Me 2

H I [antiperiplanar] (menos impedida)

I

H

H1 H

H

H

Me (E) [mayoritario]

H2 Me

H 1

H I

Me

[antiperiplanar] (más impedida)

E2

1

H

H

Me

Me (Z) [mayoritario]

X

262

En los ejemplos que siguen se utilizan los mismos tipos de moléculas que en las reacciones E1 (ver p.6-9) Así se pueden apreciar mejor las diferencias y semejanzas entre ambas clases de procesos (E1 y E2). EJEMPLO 1 Z RCH2

H

E2

CH CH2R

H

H

R

+ R

RCH2

RCH2

H

(Z) Br CH3CH2

E2

CH CH2CH3

(E)

CH3CH

CH CH2CH3

[(Z) + (E)] 1

B: 2

H

H

H Me

H1

Et

Et

H 2

Br

H

2

E2

H

H

Me

Me

Et

Br

(Z) [minoritario]

B:

2

Me

H

H

1

H2

Et

Me

Br

H

Et

H Br

H

E2

Me 1

1

H

H

Et (E) [mayoritario]

EJEMPLO 2 Z

Z

H

E2

R CH CH R

R

Z

H R

R

(Z)

Br

Z

E2

Z

R (R,R) o (S,S)

CH3

Z

R CH CH R (R,S)

Br

E2

CH CH CH3

(E)

Br CH3

CH C CH3

La reacción es estereoespecífica: B:

H

H

H

Me

H

3

Me Br

2

Me

Br

Me

E2

Me

H

Br

Br

Me (Z)

Br

(2R,3R)

Me H

H

Br

B:

H Me

H

2 3

Br Me

Me Br

Br

E2

Me

Br

H

Me (Z)

(2R,3R)

X

263

B:

Me H

H

H

2

Br Me

Br

Br

Br

(2S,3S)

Me

H

Br

Me Br

Br

Me H

Br

(2R,3S)

B:

Br

H

Me

Me

Br (Z)

E2

Me

Me

Br

Br

H (E)

H Me

H

2 3

E2

H

Me

Br

H

H (Z)

Me

H

2

Me H

Me

Me

3

Me Br

Me

Br

(2S,3S)

H

Br Me

H

Me 3

E2

H

B:

H 2

B:

H

Me

3

Me Br

Br Br

(2R,3S)

E2

Me

Me

H

Br

Me

(E)

EJEMPLO 3

Z

H

E2

RCH2 CH CH2R'

H

H

(R) o (S)

R'

RCH2

Cl

E2

CH CH2CH3

H

R

R'CH2

+

(E)

CH3CH2CH2

3-Hexeno

H

R'CH2

(Z)

CH CH CH2CH3

R

+

(E)

CH3CH2

H

H

+ H

RCH2

(Z)

CH3CH2CH2

R'

+

CH CH CH3

2-Hexeno

[1]

[2]

3-Hexeno [1]: Et H

1

Cl

Et

2

H2

H Cl

(3R)

Et H

2

Cl

H Et

1

Et

Et H2

H

Et

(Z) [minoritario]

Et

H

3

E2

H2

B:

H

2

Et

H

3 2

H1

B:

H

Et Cl

H1

E2

H1

Et H

Et (E) [mayoritario]

X

264

Et

H

1

Et

3 2

Et

Cl

H1

B:

H

2

H2

H

H

E2

H

Et Cl

(3S)

Et H2

Et (E) [mayoritario]

Et

H

2

Cl

Et

Et H1

2

H2

B:

H

3

Et

Et

Cl

E2

H1

H Et

H1

Et (Z) [minoritario]

2-Hexeno [2]: Pr

H

1

Pr

3 2

Me

Cl

H1

B:

H

2

H

H2

Cl

(3R)

H

E2

H

Me H2

Pr

Me

(E) [mayoritario]

Pr

H

2

Cl

H

Pr

3 2

H2

B:

H

H Me

1

Me Cl

E2

H1

H Pr

H1

Me (Z) [minoritario]

Pr H

1 3 2

Cl

H1

B:

H Me

H2

H

Pr

2

Me

H Cl

(3S)

E2

Pr

Me

H

H2 (Z) [minoritario]

Pr H

2

Cl

H Me

Pr

H

3 2

H2

B:

H 1

Me Cl

H1

E2

H1

Pr H

Me (E) [mayoritario]

X

265

EJEMPLO 4

Z

Z

H

E2

R CH CH R'

Z

R' Z

R

(R,R) o (S,S)

CH3

Z

Br

E2

H

Z

H

R

R'

+

(Z)

CH3

Z R'

R

(R,S) o (S,R)

(E)

(E)

Br

E2

CH CH CH2CH3

Z

R CH CH R'

H

R

(Z)

Br

R'

+

Br

Br

C CH CH2CH3 + CH3

CH C CH2CH3 + CH3 CH CH CH CH3

[1]

[2]

[3]

2-Bromo-2-penteno [1] y 3-Bromo-2-penteno [2]: Br Me

Et

H

Br

Me

3

1

B:

Br

Br 2

2

H2

H

1

H

E2

Br

Et

Me H

2

(Z)

B:

H

2 3

Br

Br

Me Br 1

B:

H2 Me

H Br

H

E2

Me 1

Br

H

Me

Br 2

Et

Et

H

1

H

Me Et

3

1

Br

E2

Br

H2

H

H1

E2

1

H

Me

2

Et

Et

Me H

Br

1

H

E2

H2

Br Me

H2

Et [1] (E)

2

B:

H

2 3

Br

Et [2] (Z)

(2R,3S)

1

Et [1]

Et

Br

Me

3

H

H2

Me

Br

Br 2

B:

Br

Br

Br Me

H2

B:

H

2

Br

Et

(Z)

2

Me

[2] (Z)

(2S,3S)

1

Br

Br

Br 3

H

1

Et

Et

2

H2 [1]

(2R,3R)

1

Et

Me

Et Br

1

H2 Me

H

Br Br

Et

E2

Me 1

H

Et [2]

Br

(E)

X

266

Me Br 2

B:

Br

Br 3

Et

1

H

Me

Br 2

H2

H

1

E2

Me

Et

H

Et H2

Br [1]

(2S,3R)

1

H

2

Me

(E)

H2

B:

H

2 3

Br

H1

Me

Br

Et

Et

1

E2

Br

Me

Br

Br

H [2]

Et

(E)

EJERCICIO 10.2

Escribe el mecanismo de formación de los estereoisómeros del compuesto [3] (Ejemplo 4) utilizando los cuatro estereoisómeros del 2,3-Dibromopentano. Br

Br

Br

E2

CH3 CH CH CH2CH3

CH3

CH CH CH CH3 [3]

TIPOS DE ESTEREOISÓMEROS OBTENIDOS EN LAS REACCIONES E1 Y E2

EJEMPLO 1

E1

H

R

H

H

RCH2

(Z)

RCH2 CH CH2R

E2

R

+ RCH2

Z

H

H

(E)

H

H

R [estereoselectiva]

+ R

RCH2

H

RCH2

(Z)

(E)

EJEMPLO 2

E1

H

Z

Z (Z)

R CH CH R * * (R,R) o (S,S)

H

+ R

Z

Z

R

H

R

R (E)

R [estereoespecífica]

E2

Z

R (Z)

X

267

H

E1

H

+ Z

R Z

Z

R

Z

R

R

(Z)

R CH CH R * * (R,S)

Z

(E)

H [estereoespecífica]

(meso)

E2

R

R (E)

EJEMPLO 3

H

H

H

E1

R'

+

R

+

H

RCH2

(Z)

Z

H

H

+

R'

RCH2

H

R

R'CH2

(E)

H

R'CH2

(Z)

(E)

RCH2

CH CH2R' * (R) o (S) H

H

H

R'

H

+

E2

H

RCH2

(Z)

R

+

+

R'

RCH2

H

H R

R'CH2

(E)

H

R'CH2

(Z)

(E)

EJEMPLO 4

H

H

R'

E1

R'

Z

R'

R

H

R

R'

R

(Z)

(E)

(Z)

H

+

+

Z

R Z

Z

Z

+

(E)

Z 1

R CH CH2 R' * * (R,R) o (S,S)

E2

H1

R'

R

Z

Z

R'

R

H2

+ (Z)

(Z)

H

R

CH CH2 * * (R,S) o (S,R)

R'

Z

H

+ H

R (Z)

(E)

(Z)

Z 1

R'

+ R

Z

Z

Z

+ R

Z

H

R'

E1

R'

R (E)

R'

E2

H1

Z

R

R'

Z

H2

R

R'

+ (E)

(E)

X

268

ESTEREOQUÍMICA Y REGIOSELECTIVIDAD EN LAS REACCIONES E1 Y E2

REACCIONES E1

Si la base puede extraer dos hidrógenos en β que no son equivalentes, se pierde preferentemente el que da lugar al alqueno más sustituido: 1 1

Br CH3CH2

E1

CH CH3

H

CH3

2

H

+ CH CH CH2

CH3 CH

_ EtO

CH CH3 (Saytzev)

(Z) + (E) (Hofmann)

CH3CH2 CH CH2

2

Productos Saytzev: H

H

B:

+ H Me

B:

Me H

Me H

H Me

H Me

Me Me

H Me

(E)

Me H

(may.)

H Me

(min.)

H

H + H Me

H Me

H H

(Z)

Producto Hofmann: B:

H

H + H H

Et H

Et

H H

H

Et H

H H

REACCIONES E2

La extensión en la que se cumple la regioselectividad Saytzev en las reacciones E2, depende de la estructura de la cadena carbonada, de la naturaleza del grupo saliente y de la base que desencadena la eliminación. A medida que crecen el impedimento estéreo del hidrógeno en β y el tamaño de la base, el producto Saytzev va siendo menos abundante: EtO Br CH3CH2

CH CH3

_ CH3

CH CH CH3 +

[Saytzev] (81%)

CH3

CH2

CH CH2

[Hofmann] (19%)

E2

Me3CO

_

CH3

CH CH CH3 +

[Saytzev] (47%)

CH3

CH2

CH CH2

[Hofmann] (53%)

X

269

Productos Saytzev: H1

B:

Me H

2

H Me

2

Me

1

Me

H

H

2

H

Me

Me

H

Br

H2

B:

H1

Me

(E)

Me H

(may.)

Me H

(min.)

Br

H

H2

Me

H

Me

Br

H

Me 1

1

H

(Z)

Br

Producto Hofmann: B:

H

H Et

H H

H

H H

Br

Et H

Br

H

H

H

Et

H H

H 1

Saytzev

2

Hofmann

_ EtO

C

H Br

H H H

H

CH3 Me3C CH

C

CH3 CH3

+

Me3C CH2

[Saytzev] (14%)

Br Me3C CH2

H

CH3

C

CH2

[Hofmann] (86%)

E2

CH3 CH3 Me3CO

Me3C CH

_

C

CH3 CH3

+

Me3C CH2

[Saytzev] (2%)

C

CH2

[Hofmann] (98%)

Producto Hofmann: B:

H H H

Me CH2CMe3 Br

Me

H

H

CH2CMe3 H

Br

H

H H

CH2CMe3 (Hofmann)

X

270

Productos Saytzev: H1

B:

Me Me

Me

2

H Me3C

2

Br

H2

B:

Me3C

1

Me

2

Me

Me3C

CMe3

H

Me

H (Saytzev)

Br

Me Me

Me Me3C

Br

H

H1

H2

Me

Me

Me3C 1

H1

H

Br

Me H

H 1

H

Saytzev

H Br

2

H

Hofmann

Me

(Saytzev)

H H

H

APLICACIONES DE LAS REACCIONES DE ELIMINACIÓN EN SÍNTESIS REACCIONES E1

Los cationes carbonio que se forman en las reacciones de solvolisis dan lugar con frecuencia a mezclas de productos E1 y SN1. La proporción relativa de unos y otros está determinada en parte por la basicidad del disolvente y también por la presencia de otros nucleófilos en la disolución.

SN 1 Br CH3CH2

C CH3

CH3

EtOH 25

0

CH3CH2

+ C CH3 CH3

CH3 CH3CH2

C O CH2CH3 CH3

(66 %)

C2H5OH

CH3 E1

CH3

CH C CH3 (27 %)

CH3 +

CH3CH2

C

CH2

(7 %)

Por ejemplo, la solvolisis en piridina (básica) conduce en general a reacciones en las que predomina la eliminación E1, mientras que la solvolisis en presencia de tiosulfato (S2O32-) da lugar normalmente a reacciones SN1. Cuando aumenta la sustitución en el carbono β o se eleva la temperatura se incrementa la proporción del producto de eliminación. Las reacciones E1 tienden a originar productos en los que predomina la olefina más sustituida (producto Saytzev). Ya que el grupo saliente no interviene en el paso final que da lugar a los productos, sus porcentajes relativos son independientes de los sustratos de partida:

X

271

CH3 C

CH3

CH3

C2H5OH / H2O (80:20)

Br

650

CH3

CH3

CH3

H2C C CH3

+

CH3

C OH

CH3

C O CH2CH3 CH3

(64 %)

CH3

C2H5OH / H2O (80:20)

CH3

CH3

H2C C CH3

650

CH3 CH3

+

CH3 (36 %)

CH3 + C S CH3

CH3

+

CH3

C OH

+

CH3

(36 %)

(catión sulfonio)

C O CH2CH3 CH3

CH3 (64 %)

La deshidratación de alcoholes, catalizada por ácidos, sólo tiene aplicación en síntesis cuando no hay transposiciones de Wagner-Meerwein que den lugar a productos indeseables: CH3

CH2OH

H2SO4

+ CH2 OH2

CH3

1800

_H O 2

CH3

+ CH2

SO4H

_ CH2

CH2

OH H3PO4

OH CH3

C CH2CH3

I2 (trazas) 90-100

CH3

CH3

0

(85 %)

+ C CH2CH3 CH3

E1

CH3

C CH2CH3 + CH3

CH3 (15 %)

(85 %)

OH

H2SO 4

C

E1

CH3

C CH2CH3

CH2

+ C

C

CH3

CH2 (80 %)

REACCIONES E2

Las reacciones E2 se favorecen cuando la temperatura y la basicidad del reactivo nucleófilo son altas y el impedimento estéreo en el carbono β del sustrato es elevado. Si existen sustituyentes electronegativos unidos a dicho carbono, aumenta la acidez del hidrógeno susceptible de eliminación y la reacción E2 transcurre con mayor facilidad. Las bases (nucleófilos) empleados en las reacciones de eliminación son, entre otras, las siguientes: _ _ _ _ _ H2O ; R3N ; CH3CO2 ; HO ; RO ; H2N ; CO32

Los grupos eliminados son los mismos que en las reacciones SN2: Cl

_

; Br

_

; I

_

_ ; RSO 3

_ _ _ ; RCO2 ; R3N: ; R2S ; HO ; RO

La reactividad de los nucleófilos en las reacciones E2 es paralela a la basicidad de dichos nucleófilos en las reacciones de trasferencia protónica. En consecuencia, nucleófilos tales como RS¯ , que deben la mayor parte de su reactividad a una polarizabilidad elevada, tienden a producir reacciones de sustitución en lugar de eliminación. Las bases muy fuertes, como el anión amiduro H2N¯ provocan predominantemente reacciones de eliminación en sustratos primarios.

X

272

Algunas de estas tendencias aparecen en los ejemplos siguientes: _ EtO

+

CH3CH2Br

CH3 CH3

+

CH Br

EtO

EtOH

_

+

CH Br

CH2

+

(10 %)

CH O CH2CH3

+

CH2

(21 %)

(79 %)

CH3

CH O CH2CH3

+

CH2

(97 %)

C

CH3

+

Br

CH CH3

CH3

550

CH3

CH2

CH3 CH3

550

EtOH

O CH2CH3 (90 %)

EtOH

CH3 CH3

CH3CH2

550

_ EtO

(3 %) CH3

EtOH

CH2

550

CH3

CH CH3

C CH3

(100 %)

Las reacciones de eliminación en haluros de alquilo tiene escaso valor en síntesis, ya que dichos sustratos se obtienen normalmente a partir de alcoholes, y éstos son fácilmente deshidratables a olefinas: Br

HBr

R CH2

CH R

OH R CH2

CH R

R CH CH R

H3O+

Sin embargo, hay situaciones en las que la deshidrohalogenación es útil: CH 2

CH3CH2CH2

CH 2 +

CO2H

Cl2

ClCH 2

NaOH

CH 2Cl

EtOH

Br

Br2

CH3CH2

PBr3

N

CH CO2H

CH 2

CHCl

CH3CH CH CO2H

La mayor parte de las reacciones E2 son estereoespecíficas: Me C6 H5 _ HO

Br 2

1

H C 6H 5

H

EtOH KOH

Me C6H5

H (Z)

C 6H 5

(1R,2R)

C6H5

HO

_

Me

Br 2

1

H

H

C6H5

EtOH

Me

KOH

C 6H 5

C6H5 H (E)

(1S,2R)

X

273

Las reacciones de eliminación son muy rápidas en los ésteres β-sustituidos, ácidos, cetonas, aldehidos y nitrocompuestos. Los grupos electronegativos unidos al mismo carbono que el hidrógeno eliminado aumentan la acidez de dicho hidrógeno, facilitando la reacción. O C6H5 HO

C CH _

O

NaOH

N

CH2

C6 H 5

H2O

H

C CH CH2

+

N

_

H2O

N-H

CH(CO2Et)2 C6H5

CH

EtO

_

CH

EtONa / H2O

CO2Et

C6H5 CH

CH CO2Et +

_ Na+ CH(CO2Et)2

H

La reacción de dihaluros vecinales con Zn da lugar a olefinas:

Me Zn

H

Br 2

Me2CO

3

H Me

Br

H

H

Me

Me

+ ZnBr2

(Z)

(2S,3S)

Me

H

Br 2

Zn

Br

Me2CO

3

H

Me

H

Me

Me

H

+ ZnBr2

(E)

(2S,3R)

EJERCICIO 10.3

Apartado 1: ¿Qué estereoisómeros de A y B son coherentes con las reacciones del esquema? B(C5H10Br2)

Br

_

SN 2

A(C5H10I2)

E2

(Z) 2-Penteno

Zn

Apartado 2: ¿Cuáles son los estereoisómeros del 3-Metil-2-pentanol que conducen a los compuestos siguientes?

3-Metil-2-pentanol

HBr SN 1

[A(C6H13Br) +

B(C6H13Br)]

NH3 SN2

(2R,3S) +

2-Amino-3-metilpentano

(2S,3S)

Apartado 3: ¿Qué estereoisómeros del 2,3-Dibromobutano darán lugar a reacciones de eliminación estereoespecíficas?

X

274

COMPETITIVIDAD ENTRE LAS REACCIONES DE SUSTITUCIÓN Y DE ELIMINACIÓN DERIVADOS ALQUÍLICOS PRIMARIOS SIN IMPEDIMENTO ESTÉREO

Nucleófilo básico con impedimento estéreo: normalmente E2:

_ Me3CO

R

O

H CH CH2

O S

_ O R CH CH2 + Me3C OH + O S

Me

O

Me3CO

R

_

Me

O

H CH CH2

+ NMe3

R CH CH2 +

Me3COH

+ NMe3

Nucleófilo sin impedimento estéreo: normalmente SN2, con independencia de Nu, Z y disolvente. Estas tres variables influyen en la velocidad de reacción pero no en el tipo de mecanismo.

IK + RCH2Cl

Me2CO

RCH2I + ClK

_ OH + RCH2Br

RCH2OH + Br

+ H2S + RCH2NMe3

_

+ H2S_CH2R + NMe3

_ + Br + RCH2-OH2

RCH2Br + H2O + _ RCH2NMe3 + I

Me3N + RCH2I

Reactividad: MeCl >> MeCH2Cl > MeCH2CH2Cl ≅ Me(CH2)nCH2Cl

;

[modelo]: RCl

IK

RI

Me2CO

DERIVADOS ALQUÍLICOS PRIMARIOS CON IMPEDIMENTO ESTÉREO

Dos sustituyentes β (tipo neopentilo): Normalmente SN1 + E1 (transposiciones de Wagner-Meerwein) OH

SN 1

CH3 CH3

C CH2Br

H2O

CH3

CH3 CH3

C

+ CH2

transp. de W-M

CH3

C CH2CH3 CH3

CH3

C

+ CH3 C CH2 CH3

CH3

CH3 E1

CH CH3

CH3

Un sustituyente β o dos γ: Normalmente SN2 (mayoritario) + E2 (minoritario) CH3 CH3

CH CH2Br + EtO

_

CH3

CH3 CH3

CH CH2

O CH2CH3

+

CH3

C

CH2

X

275

CH3 CH3

C CH2CH2Br +

EtO

CH3

_

CH3

CH3

C CH2CH2

O CH2CH3

+ CH3

CH3

CH3

CH3

R' Reactividad: R CH2CH2CH2

Z

>

R CH CH2

C CH CH2

R' Z

R'

R C CH2CH2

Z

>>> R C CH2

R''

Z

R''

DERIVADOS ALQUÍLICOS PRIMARIOS QUE ORIGINAN CARBOCATIONES ESTABILIZADOS

Normalmente SN1 muy rápida:

CH2

CH CH2Cl

SN1

+ CH CH2

CH2

+ H2C HC H2C

Nu

_ CH2

CH CH2 Nu

Qmax C6H5

CH2Cl

SN1

*

+ CH2 *

* *

CH2

...

_ Nu

C6H5

CH2

+

DERIVADOS ALQUÍLICOS SECUNDARIOS

Normalmente:

Nu

_

poco reactivo y disolvente muy polar: SN1

_ Nu muy reactivo y disolvente poco polar: SN2

X

Nu

276

SUSTITUCIÓN – ELIMINACIÓN [I]

¿es Z un buen grupo saliente?

NO

NO HAY REACCIÓN

SI ¿qué tipo de sustitución presenta el C unido a Z?

H PRIMARIO sin impedimento estéreo

PRIMARIO con impedimento estéreo

R-C-Z H

se forma un alqueno por E2

SI

¿es Nu- una base fuerte impedida? (p.e. t-BuO-)

dos sustituyentes β (R' y R'') (tipo neopentilo)

R' R-C-CH2-Z R''

R'

R' un sustituyente β (R')

R-C-CH2-Z

R-C-CH2CH2-Z R''

H

dos sustituyentes γ (R' y R'')

carbocationes estabilizados del tipo: + R-CH-CH=CH2 + R-CH-C6H5

NO (SN1 + E1) SN2 lenta

transposiciones de Wagner-Meerwein en disolventes muy polares

SN2 (mayoritario) E2 (minoritario)

X

SN1 muy rápida (lo mismo para secundarios)

277

SUSTITUCIÓN – ELIMINACIÓN [ II ]

¿es Z un buen grupo saliente?

NO

NO HAY REACCIÓN

SI ¿qué tipo de sustitución presenta el C unido a Z?

R

H

se forma un alqueno por E1 o E2

SECUNDARIO R

R

R

R

Z

TERCIARIO

Z SI

¿es Nu- una base fuerte? (p.e. RO-)

SI

se forma un alqueno por E2

NO

¿el disolvente es polar?

SI

NO

SN2 moderadamente rápida

SI

NO

¿es Nu- un buen nucleófilo, débil o moderadamente básico? (p.e. : I-, Br-, RS-) NO

¿el disolvente es polar?

¿es Nu- una base fuerte? (p.e. RO-)

SN1 rápida

SN1 lenta

SI

¿el disolvente es polar?

NO

SI NO

reacción muy lenta (no útil en síntesis)

X

278

EJERCICIOS ADICIONALES

10.1 Cuando el estereoisómero ópticamente inactivo del 2,3-Dibromobutano se somete a una reacción de eliminación E2, con metóxido sódico en metanol, se obtienen varios compuestos de fórmula molecular C4H7Br. Haz un esquema de las reacciones que tienen lugar y nombra de forma inequívoca todos los compuestos que se obtienen.

10.2 La reacción del 3-Fenil-2-yodo-butanoato de etilo con nitrato de plata en etanol, da lugar a una mezcla de cuatro estereoisómeros de fórmula molecular C12H14O2. Sabiendo que la cinética de la reacción es de primer orden, averigua la estructura de dichos compuestos y explica cuáles de ellos serán mayoritarios. Teniendo en cuenta que la sustancia de partida tiene dos átomos de carbono asimétricos, indica si su configuración absoluta influye en la estereoquímica de los productos que se obtienen.

10.3 Averigua la configuración absoluta del compuesto A(C10H13Cl):

A + IK

(2S,3S) + (2R,3S)-3-Fenil-2-yodobutano

H 2O

2-Fenil-2-yodobutano (racémico)

A + EtONa

EtOH

(Z) 2-Fenil-2-buteno + (3R) 3-Fenil-1-buteno

Una vez conocida la estructura de A, escribe todas las reacciones que conducen a los compuestos indicados en los esquemas.

10.4 Averigua la configuración absoluta de las moléculas que constituyen el racémico A(C9H10ClBr):

(Z) B(C9H9Br)

A (racémico)

EtO

B

C

[Pd]

H2 [Pd]

D(C9H11Br)

F(C9H11Cl)

1-Fenilpropino

_

E2 (Z) C(C9H9Cl)

H2

_ HO H2O

MeCOCH2CO2Et + EtO

MeCOCH2CO2Et + EtO

_ E

_ H

_ HO H 2O

_ HO conc. _ HO conc.

1-Fenilpropino

Me C6H5CH2 CH CH CO H 2 2 C 6H 5 CH3CH2 CH CH CO H 2 2

X

279

10.5 Averigua la estereoquímica de los compuestos que aparecen en las siguientes secuencias de reacciones.

Secuencia 1: A

HOBr

B(C4H9OBr) (racémico)

IH

EtO

C(C4H8IBr) (racémico)

S N2

_ (Z) 2-Bromo-2-buteno + (Z) 2-Yodo-2-buteno

E2

Secuencia 2: _ HO (conc.) D(C6H10O3) + E(C4H9Br)

EtO

Ácido (3S) 3-Metilpentanoico

_ F(C10H18O3)

SN2

(4S) 4-Metil-2-hexanona

_ HO (dil.)

10.6 Averigua la estereoquímica de los compuestos que aparecen en las siguientes secuencias de reacciones (los

estereoisómeros de cada compuesto están colocados entre corchetes) Secuencia 1: NaOH, H2O(20%)

(Z) 1-Bromo-3-fenil-2-buteno

[A + B] + [C] (%A = %B = %C)

250C

Secuencia 2: _ EtO , EtOH

(3R,4R) 3-Cloro-4-metilhexano

650C

[A + B] + [C] (%A = %B

_%C) ~

Secuencia 3: 2,2-Dimetil-1-yodopentano

H 2O 500C

[A + B] + [C] (%A > B >> %C) + [D + E] (%D = %E)

10.7 Averigua la estereoquímica de los compuestos que aparecen en el esquema y explica cuál será la abundancia relativa de los compuestos B, D y F.

H2

B [(Z) + (E)]

[Pd]

E2

1-Bromobutano

D [(Z) + (E)] + F(C4H7I) A(C4H8BrI)

OH-(dil.) SN2

(2R)-1,2-Butanodiol

10.8 Apartado 1: Realiza la síntesis de los compuestos H y G: _ 1-Yodo-2-metilbutano

H2C(CO2Et)2 + EtO

H

1)HO2)H3O+, Q

G

X

280

Apartado 2: Una vez conocidas las estructuras de H y G, averigua las de D, E y F:

D(C5H11I)

_ MeCOCH2CO2Et + EtO F

E(C5H11Cl)

1)HO- (conc.) 2)H3O+, Q

G

_ MeCOCH2CO2Et + EtO

Apartado 3: ¿Qué estructura tienen los compuestos B y C?

(Z) B(C5H9I)

(E) C(C5H9Cl)

H2 [Pt] H2 [Pt]

D(C5H11I)

E(C5H11Cl)

Apartado 4: Finalmente, averigua la configuración absoluta de los enantiómeros que constituyen el racémico A.

(Z) B(C5H9I) A(C5H10ICl)

EtONa EtOH

(único producto de reacción)

(E) C(C5H9Cl) (único producto de reacción)

10.9 El tratamiento del (1S,2S)1-Fenil-1,2-propanodiol con HBr acuoso da lugar a un único producto de reacción (1) (C9H10Br2) Si (1) se somete a una reacción de eliminación bimolecular se obtienen dos compuestos ópticamente inactivos [(2) y (3)] y otro que presenta actividad óptica (4) Con estas tres sustancias

se llevan a cabo las siguientes trasformaciones:

(2)

(1) (C9H10Br2)

E2

(3)

(4)

H2 [Pd]

H2 [Pd]

_ HO SN1

[(5) + (6)]

[(9) + (10)]

_ HO E1

NH3 SN2

[(7) + (8)]

[(11) + (12)]

[(13) + (14)] + [(15) + (16)]

Apartado 1: Ordena los compuestos (2), (3) y (4) de acuerdo con su abundancia relativa. Apartado 2: Escribe el mecanismo de todas las reacciones utilizando representaciones tridimensionales, y asigna la configuración absoluta a cada uno de los estereoisómeros que aparecen.

X

11. REACCIONES DE ADICIÓN NUCLEÓFILA A GRUPOS CARBONILO

GENERALIDADES

Los sustratos más comunes en este tipo de reacciones son los aldehidos y las cetonas: δ− O + Cδ Me H

δ− O + Cδ Me Me

μ = 2,73 D

μ = 2,84 D

Los nucleófilos que se utilizan son, entre otros, los siguientes:

Nu

_

_ _ _ _ : H : ; R_OH ; R_NH2 ; R_NH_R ; H2N_NH2 ; NC: ; R C C : ; RCH2

Mecanismo general:

Nu

R

R

_

C

Nu C

O

R

R

_ O

HB

Nu C

OH

R'

R'

En el estado de transición la aglomeración de grupos en torno al átomo del C=O aumenta:

Nu

δ O

O

_

Nu

C R

_

_ O

+



Nu

R'

C R R'

R R'

Por este motivo, la velocidad de reacción sigue el orden: O H

C

O

O H

>

R

C

H

>

R

C

R'

Las cetonas son bastante menos reactivas que los aldehidos, y si existen grupos alquilo unidos al Cα la reactividad disminuye todavía más:

__

__

CH3 CO CH3

>

__

__

__

CH3 CO CH CH3 CH3

>

__

CH3 __ __

CH3 CO C CH3 CH3

CH3 >>

__ __

CH3 __ __

CH3 C CO C CH3 CH3

CH3

XI

282

Dependiendo del nucleófilo empleado se obtienen los siguientes tipos de compuestos: Nucleófilo

Producto

Sustrato

O H H

_

R'CH2

CH R'' OR

R OH

R'CH2

C

OR

R''

R'CH2 C

R NH2

(imina, base de Schiff)

NR

R''

R'CH

R NH R O R'CH2 C H2N

C

(enamina)

NR2

R'' R''

NH2

R'CH2

C

N NH2

(hidrazona)

CN

(cianhidrina)

R''

OH

_ R'CH2

NC

C R''

OH

_ CH :

R C

R'CH2

C

C

C R

(alcohol)

R''

_

OH

R CH2

R'CH2

C

(alcohol)

CH2R

R''

ESTEREOSELECTIVIDAD EN LA ADICIÓN NUCLEÓFILA. REGLA DE CRAM

En las reacciones de adición nucleófila, el átomo de carbono del grupo carbonilo puede transformarse en un átomo de carbono asimétrico, dependiendo del tipo de nucleófilo empleado y de los radicales alquilo que están unidos inicialmente al C=O. Me NC

_

C Et

Me

Me O

NC

C Et

O

_

HB

NC

C * OH Et

XI

283

Si el compuesto carbonílico y el nucleófilo no son quirales se obtiene una mezcla equimolecular de dos enantiómeros (racémico): NC Me Et

1

Me Et

C

_ NC

O

Me Et

2 2

NC

_ O

1

HB Me Et

_ O

Me Et

HB

OH

OH

NC

NC

Sin embargo, cuando el compuesto carbonílico es quiral, la probabilidad de que el nucleófilo reaccione por cada una de las dos caras del grupo carbonilo no es la misma. El impedimento estéreo hace que la reacción por una de las caras esté favorecida, y el resultado es una mezcla de diastereoisómeros en proporciones diferentes (inducción asimétrica): Nu

1 1

H Me

menor impedimento

2

OH

_ Nu

O

(producto mayoritario)

H Me

mayor impedimento

OH H

2

(producto minoritario) Nu

Me

El diastereoisómero mayoritario se forma cuando el nucleófilo reacciona con el grupo carbonilo por el lado menos impedido, y la conformación del sustrato es aquella en la que el grupo carbonilo está flanqueado por los grupos menos voluminosos unidos al Cα asimétrico.

[grupo grande]

C6H5

H

[grupo pequeño]

* Cα

COMe

Me

[grupo mediano]

Conformaciones más favorecidas en relación con el grupo carbonilo:

O H

Me

Me

C6H5 (Me)

H

Me H

O 3

C 6H 5

y Me

(3R)

O

O Me

H

3

C 6H 5

Me

C6H5 (Me)

(3S)

[grupo carbonilo flanqueado por los grupos menos voluminosos: H y Me]

XI

284

La regla de Cram se refiere a la reacción de uno de los estereoisómeros que forman la pareja de enantiómeros, no a la reacción del racémico con el nucleófilo. grupo de mayor tamaño

G

M

grupo mediano

O

M

_ OH

P

M

Nu

R

1

grupo de menor tamaño

P

HB

P

M

Nu

R

(mayoritario)

G

P

O

O

P

G

_ Nu

M

[1]

* G

1

R

G (R)

2

O

carbono asimétrico

_

P

OH M

HB

2

R

P

M (minoritario)

R

Nu

Nu G

G

[2]

El nucleófilo se aproxima por el lado en que están situados P y G:

P

G

1

R

_ Nu

O

M

G

P

Nu HB

M

O

_R

G

Nu

M

R OH

P

(mayoritario)

[1]

El nucleófilo se aproxima por el lado en que están situados M y G:

G

M

2

O P

R

_ Nu

G

M

P

Nu

R

_ O

HB

G

M

Nu

P

OH R

(minoritario)

[2]

La regla de Cram sólo es aplicable a reacciones sometidas a control cinético, en las que los complejos activados (estados de transición) tienen energías diferentes y los productos se forman a velocidades distintas. APLICACIONES DE LAS REACCIONES DE ADICIÓN NUCLÓFILA EN SÍNTESIS FORMACIÓN DE ENLACES C−H REDUCCIÓN CON HIDRUROS METÁLICOS

Los hidruros metálicos más utilizados en la reducción de moléculas con grupos carbonilo son el hidruro de litio y aluminio (LiAlH4) y el borohidruro sódico (NaBH4) El hidruro de litio y aluminio reacciona con compuestos que tienen hidrógenos ácidos (agua, alcoholes y ácidos carboxílicos, por ejemplo):

XI

285

rápida

LiAlH4 + 4H2O

_ + Li Al(OH)4

4H2

+

Para utilizarlo como agente reductor, el disolvente empleado en la reacción tiene que ser anhidro (exento de agua) El disolvente más común es el dietil éter. El borohidruro sódico también reacciona con el agua y los alcoholes: NaBH4 + 4CH3CH2OH

lenta

_ + Na B(OEt)4 + 4H2

En este caso la reacción es mucho más lenta y, de hecho, los alcoholes y el agua pueden utilizarse como disolventes. Ambos reactivos son fuentes de anión hidruro (H−), el nucléfilo que se adiciona al grupo carbonilo provocando su reducción: O CH3

C H

(CH2)5

1)LiAlH4, Et2O 2)H3O+

Heptanal

CH3__(CH2)5__CH2OH (86 %) 1-Heptanol

O

OH

1)LiAlH4, Et2O 2)H3O+ (90 %)

Ciclobutanona

Ciclobutanol

O CH2

C OH

1)LiAlH4, Et2O 2)H3O+

C OEt

(92 %) 2-Fenil-1-etanol

Ac. fenilacetico

O

CH2__CH2__OH

1)LiAlH4, Et2O 2)H3O+

CH2OH (90 %)

Benzoato de etilo

Alcohol bencilico

Me O N__C__Me

1)LiAlH4, Et2O 2)H3O+

Me OH N___CH__Me (91 %)

N-Metilacetanilida

N-(1-Hidroxietil)-N-metilanilina

CH3

(CH2)11

C N

Tridecanonitrilo

1)LiAlH4, Et2O 2)H3O+

CH3__(CH2)11__CH2NH2 (90 %) Tridecilamina

XI

286

Mecanismo de la reducción de un éster: O

_ 2 R__CH2O

Et2O

H4AlLi

2 R C OR' +

2 R__CH2OH

+

2R'OH

+ Al(OR')2

+ +

Li+

+

Al3+ +

+

4H3O+

Li+ 4H2O

Cada molécula de H4AlLi reduce dos moléculas de éster. Reducción de la primera molécula: O R

O

+

Li _ H__AlH3

C

_

R__C__H + H AlH

R__C__H

OR'

_ + : O : Li

Li+

:O :

Li+

OR' AlH3

R__C__H

+

R'O__AlH2

H

OR'

Reducción de la segunda molécula: O

O R__C

_

R__C__ H

H__AlH__OR'

OR'

OR'

:O:

_ :O:

R__C__H

R C H H

H__Al(OR')2

AlHOR'

+ + Al(OR')2

Una vez finalizada la reducción se añade un ácido mineral (H3O+):

2R__CH2__O

_

+ + Al(OR')2

+

Li+ + 4H3O+

2R__CH2OH

+ 2R'OH

+

Al3+ + Li+ + 4H2O

El borohidruro sódico (NaBH4) es menos reactivo que el H4AlLi y, por consiguiente, más selectivo. En condiciones ordinarias no reacciona con ésteres, amidas, nitrilos y nitrocompuestos: O __ __

__

__

CH3 C CH2 CH2 CO2Et

H4BNa H2O

4-Oxopentanoato de etilo

O CH2CH2__C__H

__

NC

CH3__CH2__C__CH3 2-Butanona

CH3 CH__CH2CH2__CO2Et 4-Hidroxipentanoato de etilo

H4BNa EtOH

3-Cianopropanal

O

OH __

NC__CH2CH2__CH2OH 4-Ciano-1-propanol

H4BNa H2O

OH CH3 CH2 CH_CH3 (87 %) _

_

2-Butanol

XI

287

OH

O

H4BNa

__ __

CH3CH2CH2 C H

__

CH3CH2CH2 CH__H

H2O

(85 %)

Butanal

1-Butanol

Compuesto

LiAlH4

NaBH4

Producto

R__CHO

+

+

R__CH2OH

R__CO__R'

+

+

R__CHOH__R'

R__CO2H

+

R__CO2R'

+

R__CH2OH R__CH2OH + R'__OH

R__CN

+

R__CH2NH2

R__NO2

+

R__NH2

+

R__H

Ar__NO2 R__X

OXIDACIÓN DE ALCOHOLES (OXIDACIÓN DE SWERN)

La oxidación de Swern transforma los alcoholes primarios en aldehidos y los secundarios en cetonas. Los reactivos empleados son: sulfóxido de dimetilo (Me2S=O), dicloruro de oxalilo (Cl-CO-CO-Cl) y una base tipo trietilamina (Et3N): OH __

O Swern

__

Me3C CH CH3

__ __

Me3C C CH3 (76 %)

3,3-Dimetil-2-butanol

terc-Butil metil cetona

La reacción transcurre en tres etapas. Etapa 1: Formación del catión clorodimetilsulfonio. _ Me :S

O

Me

O

O

C

C Cl

+ Me S

Cl

Cl

_

Me :S O + Me

Me

O C

O

O

O

C

C Cl

O

O

O

C

C Cl + Cl

_

Me

Cl

O

Me

C

__ __

Cl

+ Me S

Cl S Me +

+

O

C

O

+ C

O

+

Cl

_

Clorodimetilsulfonio

XI

288

Etapa 2: Reacción del alcohol con el catión clorodimetilsulfonio. Me +

RCH2 O :

:S

+ Me RCH2 O S Me + _ H Cl

Cl

Me

H

Me RCH2

O S Me + HCl +

Etapa 3: Reacción de oxidación-reducción. CH2 RH2

:NEt3

H

+ H__NEt3 +

O S Me +

H R C O

_ : CH2 + S Me

R C O

H

+

H

Me

S Me

Sulfuro de dimetilo

FORMACIÓN DE ENLACES C−O REACCIÓN CON ALCOHOLES

Los aldehidos y las cetonas reaccionan con los alcoholes originando acetales: O R C H +

CH3OH

H3O+

OH R CH OCH3 hemiacetal

O R C R' +

CH3OH

H3O+

OH R C

OCH3

R'

OCH3

CH3OH

R CH OCH3

H3O+

acetal

OCH3

CH3OH

R C

H3O+

OCH3

R'

hemiacetal

acetal

Mecanismo de formación de un acetal:

:O :

___

H

+ :O H

B

R C R

:B

_

R C R :B

HO__R'

_

:O H

:O H

R C R

R C R

+ O R'

:O R'

H

+

HB

hemiacetal

HO__R'

+ H O:

H___B

R C R :O R' hemiacetal

:B

_

OH2 + R C R :O R'

_

H2O

+ R C R :O R'

:B

_

H

+ O R'

R C R :O R'

: O R' R C R + HB :O R' acetal

XI

289

Si en lugar de emplear un alcohol con un solo grupo hidroxilo se utiliza un glicol, se obtienen acetales cíclicos. El glicol más utilizado es el etilenglicol (HOCH2-CH2OH): :O :

R

H3O+

+ HOCH2__CH2OH

R C H

O

R

H3O+

+ HOCH2__CH2OH

R C R'

O C O

R'

(acetal cíclico de un aldehido)

CH2

O

H

:O :

CH2

C

CH2 CH2

(acetal cíclico de una cetona)

EJERCICIO 11.1

Escribe el mecanismo de la reacción entre la ciclohexanona y el etilenglicol en medio ácido:

O

HOCH2__CH2OH

+

H3O+

O +

H2O

O

La reacción de formación de acetales es reversible; esto significa que, en medio ácido, los acetales se transforman en el alcohol y el aldehido o la cetona de partida: O

H3O+

O

+

O

O

HOCH2__CH2OH

O

H3O+

C__H

+

O

HOCH2__CH2OH

Por el contrario, los acetales son muy estables frente a las bases. Su fácil ruptura por los ácidos, combinada con la ausencia de reactividad frente a las bases, hace que sean muy útiles para proteger grupos carbonilo.

EJERCICIO 11.2

Escribe el mecanismo de la siguiente reacción de hidrólisis: O

H3O+

O

+

O

HOCH2__CH2OH

EJEMPLO DE PROTECCIÓN DE UNA CETONA EN FORMA DE ACETAL

Imagina que se pretende realizar la siguiente reacción: O

O CH2CH2__CN

2-(2-Cianoetil)-ciclohexanona

reducción

CH2CH2__CH2NH2

2-(3-Aminopropil)-ciclohexanona

XI

290

Se trata de convertir el nitrilo en una amina, dejando intacto el grupo carbonilo. Es una reducción que puede hacerse empleando hidruro de litio y aluminio; sin embargo, el H4AlLi también reducirá la cetona, convirtiéndola en un alcohol secundario. La estrategia a seguir es muy simple: primero se protege el grupo carbonilo en forma de acetal, a continuación se lleva a cabo la reducción y, finalmente, se regenera el grupo carbonilo hidrolizando el acetal:

O

O

CH2CH2__CN

O

__

HOCH2 CH2OH

O

CH2CH2CN

O

1)H4AlLi

H3O+

CH2CH2__CH2NH2

2)H3O+

O

__

O

_+

CH2CH2 CH2 NH3

H3O+

CH2CH2__CH2NH2

_

HO (dil.)

EJERCICIO 11.3

¿Cómo llevarías a cabo la siguiente transformación? CH3

CO CH2CH2

C CH

5-Hexin-2-ona

_ 1)Na+NH2

CH3 CO CH2CH2

2)CH3I

C C CH3

5-Heptin-2-ona

EJEMPLO DE PROTECCIÓN DE UN ALCOHOL EN FORMA DE TETRAHIDROPIRANIL ÉTER

Hay ocasiones en las que es necesario proteger el grupo hidroxilo de los alcoholes, para poder llevar a cabo transformaciones en otra parte de la molécula. Por ejemplo (Tema 9):

OH __

1)Mg

__

CH3 CH CH2CH2Br

2)

OH CH3 CH__CH2CH2__CH2CH2OH __

O

Ahora se plantea un problema distinto: los magnesianos reaccionan con los hidrógenos ácidos, dando lugar al hidrocarburo correspondiente: RO____H BrMg

___

OR +

R'

BrMg

R'__H

Si se pretende obtener el magnesiano de una molécula que tiene un grupo OH sucede lo siguiente: CH3 BrCH2CH2

CH O

H

CH3 BrCH2CH2

H

BrMg CH2CH2CHCH3

CH O MgBr

+

CH2CH2CHCH3 OH

OH

El magnesiano se destruye y no tiene lugar su reacción con el oxirano. La forma de evitar esta reacción, que impide llevar a cabo la síntesis, consiste en proteger el grupo OH.

XI

291

Una forma de hacerlo es preparar el tetrahidropiranil éter del alcohol: RCH2OH

TsOH

+

RCH2__O

250C

O

RCH2__O__THP O

tetrahidropiranil éter

Dihidropirano

THP O (tetrahidropiranilo)

Mecanismo de la reacción:

H___OTs

H

_ TsO_ O

O

+

H

:OR H

+

+ O__R

O _ TsO

O

H

TsOH

O__R

tetrahidropiranil éter

La síntesis que pretendemos realizar es la siguiente: OH CH3

OH

CH CH2CH2MgBr

+

CH3

O

CH CH2CH2 CH2CH2OH

Primer paso: Protección del alcohol.

OH CH3

CH CH2CH2Br

TsOH

+

O CH3

O

CH CH2CH2Br

O

Segundo paso: Formación del magnesiano.

O

O CH3

Mg

CH CH2CH2Br

Et2O

O THP CH3

CH CH2CH2MgBr

magnesiano con el OH protegido

Tercer paso: Reacción del magnesiano con el oxirano. O__THP

O__THP

CH3__CH__CH2CH2__MgBr

+

NH4 Cl H2 O

_

+ O

CH3__CH__CH2CH2__CH2CH2__OMgBr

O__THP CH3__CH__CH2CH2__CH2CH2__OH

+

_ Mg2+ + Br

XI

292

Cuarto paso: Hidrólisis del tetrahidropiranil éter del alcohol.

O

O __

CH3 CH

H3O+

__

CH2CH2__CH2CH2OH

OH CH3 CH__CH2CH2__CH2CH2OH __

+ O

EJERCICIO 11.4

Se pretende realizar la siguiente reacción de alquilación (Tema 9) O

O

CH3

_ 1)ter-BuO K+ 2)ICH3 HOCH2

HOCH2

CH2OH

CH2OH

Esta síntesis plantea un problema: el anión terc-butóxido que se utiliza para formar el enolato de la cetona es una base fuerte (pKa 19) que reaccionará con los grupos OH (pKa 16) dando lugar a un anión alcóxido: O

O _ ter-BuO K+

HOCH2

_

CH2OH

OCH2

_ CH2O

Este dianión reacciona con el yoduro de metilo: O

_ I___CH3 OCH2

O

CH2O

_

CH3___I

CH3 OCH2

CH2O__CH3

¿Cómo protegerías los dos grupos OH para impedir esta reacción secundaria? Ayuda: debes formar un acetal.

FORMACIÓN DE ENLACES C-N REACCIÓN CON AMINAS PRIMARIAS

Los aldehidos y las cetonas reaccionan con las aminas primarias en una secuencia de adición nucleófila seguida de eliminación; el resultado son unos compuestos conocidos como iminas o bases de Schiff: O C__H Benzaldehido

+

H2N__CH3

benceno Q

CH

N__CH3

+

H2O

(70 %) N-Bencilidenmetilamina

XI

293

O CH3 _

_

CH3 CH

+

benceno Q

CH2_NH2

__

N

CH3 __ CH2 CH__CH3

H2O

+

(79 %) N-Ciclohexilidenisobutilamina

Mecanismo de la reacción (catálisis ácida pH 3-5; tampón AcOH + AcONa)

H___OAc R O

R' _

R

H

AcO

___

: R'

NH C

H

R'

R

R

+ H2O

R

R'

R

R' _

NH C R

aminoalcohol

OAc

AcO

OH :

C

R _ H+ N C O

adición

:

R'__NH2

N

C

H

R

eliminación

R

R'

+ N

R C R

+ H2O

H

R + N C R

R R'

N C R

AcOH

+

imina

H

(base de Schiff)

REACCIÓN CON AMINAS SECUNDARIAS

Las aminas secundarias reaccionan con aldehidos y cetonas dando lugar a enaminas: O __ __

CH3CH2 C H

__

__

+ CH3 NH CH3

AcOH AcONa

__

CH3 __ __

CH3CH2 CH N CH3 OH

OH O

+

HN

AcOH AcONa

H2O

CH3 CH3CH CH N CH3 N-(1-Propenil)-dimetilamina

_ N

_

H2O

Pirrolidina

N N-(1-Ciclopentenil)-pirrolidina

EJERCICIO 11.5

Escribe el mecanismo de la reacción entre la Ciclohexanona y la Pirrolidina.

XI

294

EJERCICIO 11.6

G. Stork descubrió que las enaminas son compuestos análogos al enolato de la cetona de partida. Por ejemplo, se pueden llevar acabo reacciones de alquilación (Tema 9) en la enamina y recuperar la cetona alquilada mediante una reacción final de hidrólisis: O

AcOH AcONa

+ N H

Ciclohexanona

N

H2O

+

enamina R

+

N

R__X

+ N

benceno Q

+

X

_

O

R

R

H2 O

+ N

+

Q Ciclohexanona alquilada

N H

Escribe el mecanismo de todas las reacciones y comprueba que la enamina se comporta como el anión enolato de la Ciclohexanona.

REACCIÓN CON HIDRAZINA

Los aldehidos y las cetonas reaccionan con hidracina (H2N-NH2) y dan lugar a un tipo de compuestos llamados hidrazonas: OH

O CH3CH2

C H +

H2N__NH2

CH3CH2

Q

CH NH NH2

CH3CH2

CH N

NH2

hidrazona del Propanal

O

HO +

N__NH2

NH__NH2 Q

H2N__NH2

hidrazona de la Cicloexanona

Las hidrazonas se descomponen en medio básico; el grupo carbonilo del aldehido o de la cetona se transforma en un metileno:

O CH3

(CH2)5

C CH3

H2N__NH2

N NH2 CH3

(CH2)5

C CH3

NaOH Q

CH3__(CH2)5__CH2__CH3 (75 %) Octano

Se trata de la reducción más extrema de un grupo carbonilo, ya que el oxígeno es sustituido por dos átomos de hidrógeno. La reacción recibe el nombre de reducción de Wolff-Kishner y conduce al mismo resultado que la reducción de Clemennsen.

XI

295

FORMACIÓN DE ENLACES C-C REACCIÓN CON ANIÓN CIANURO

Los aldehidos y las cetonas reaccionan con anión cianuro (NaCN o KCN), dando lugar a un ión alcóxido que en medio ácido se transforma en una cianhidrina:

N

C

O

R

_

N

O R

C

+ H___OH2

_

OH

__

C R

N

C

C__R

+

H2O

R

R

cianhidrina

ión alcóxido

_ O

_ CH2CHO

+

__

CH2 CH CN

CN

OH

H3O+

__

__

CH2 CH__CN (67 %)

Fenilacetaldehido

2-Hidroxi-3-fenilpropanonitrilo

__

__

CH3 CO CH3

_ O

_ +

CH3

CN

H3O+

C CN

OH CH3

C CN

CH3

CH3 (78 %) 2-Hidroxi-2-metilpropanonitrilo

Las cianhidrinas son útiles en síntesis, debido a la presencia de los grupos HO y CN; el hidroxilo puede dar lugar a reacciones de eliminación (obtención de olefinas) y el CN es susceptible de transformarse en carboxilo (Tema 9): CH3__CO__CH3

1)NaCN 2)H3O+

OH CH3

C CN CH3

CH3OH H2SO 4

CH3 O CH2

1)NaCN 2)H3O+

OH CH3

CH CN

C OCH3

Metacrilato de metilo (90 %)

(78 %)

CH3__CHO

C

H3O+ Q

OH O CH3

CH C OH

Ác. 2-hidroxipropanoico (Ác. láctico)

EJERCICIO 11.7

¿Cuál será la configuración absoluta del ácido láctico obtenido mediante la reacción anterior?

XI

296

REACCIÓN CON ANIONES ACETILURO

Los alquinos con el triple enlace al final de la cadena reaccionan con sodio en amoniaco líquido, dando lugar al anión acetiluro correspondiente (Tema 9) _ Na

R C C H

+

+

NH3 (liq.)

_ NH2 Na+ + 1/2 H2

330

_ NH2

R C C:

_

anión acetiluro

pK 26

Keq 1010

NH3

+

pK 36

El anión acetiluro se adiciona al grupo carbonilo de aldehidos y cetonas, originando alcoholes acetilénicos: O R C

C:

_

O R C

C H

C

_ H3O+

C H H

H

CH2OH

R C C

alcohol primario

Formol

O R C

C:

_

O R C

C H

C

C H

O R C

C:

H3O+

R'

R'

_

_

O R C

C R'

C

OH R C C

CH

alcohol secundario

_ H3O+

C R'

OH R C C

C

R'

R''

R''

R''

R'

alcohol terciario

Reacción global:

R C

C H

Na NH3 (liq.)

R C

C:

_

Na+

R'_CO_R'' Et2O

_ + O Na R C

C C R'

H3O+

OH R C

C C R'

R''

R''

EJERCICIO 11.8

Escribe las reacciones que conducen a 1-Fenil-2-propin-1-ol y (1-Propinil)-1-ciclohexanol partiendo de Benzaldehido, Ciclohexanona y el hidrocarburo acetilénico que consideres conveniente.

REACCIÓN CON COMPUESTOS ORGANOMAGNÉSICOS

Reactivos organomagnésicos (magnesianos, reactivos de Grignard) (Tema 9, p. 229): R__X + Mg

R

CH2 CH

; CH2

R__Mg__X

CH CH2

; CH C

(haluro de alquil magnesio)

; ArCH2

; Ar

; R

(alquilo)

XI

297

Los magnesianos reaccionan con hidrógenos ácidos, oxígeno y CO2: Los compuestos con átomos de hidrógeno ácidos destruyen el magnesiano, transformándolo en el hidrocarburo correspondiente al haluro de alquilo de partida: Z___H

H

Z

X__Mg__CH2__R

X Mg + CH2

R

HO (agua) ; RO (alcohol) ; ArO (fenol) ; RCO2 (ácido) ; RCONH (amida)]

[Z

La reacción con oxígeno conduce a alcoholes primarios:

R__CH2__MgX

1)O2

R__CH2OH

2) H3O +

RCH2____MgX O

O____O

O

X__Mg__CH2R

XMg

MgX

RCH2

CH2R

O

+

H3O+

O

2 RCH2OH + 2 Mg2+ + 2X

_

RCH2

MgX

La reacción con CO2 origina ácidos carboxílicos:

R__CH2__MgX

R X__Mg

O

O

C

R C

O

O

1)CO2

R __CH2CO2H

2) H3O+

H3O+

O R C OH + Mg2+ + X

_

Mg X

SÍNTESIS DE ALCOHOLES

Los magnesianos reaccionan con aldehidos, cetonas y ésteres dando lugar a alcoholes:

XMg

O C H

R

O

XMg

R CH2

H3O+

R__CH2OH

+

Mg2+

+ X

_

alcohol primario

H Formol

XMg R

O C R' H aldehido

XMg R

O C R' H

H3O+

OH R C R'

+

Mg2+

_ + X

H alcohol secundario

XI

298

XMg R

XMg

O

O

R

C R'

C R'

OH

H3O+

R C

R''

R''

R'

_

Mg2+

+

+ X

R''

cetona

alcohol terciario

Conviene darse cuenta que los radicales R, R’ y R’’ son intercambiables. Es decir, la síntesis de cualquier alcohol secundario puede realizarse a partir de dos aldehidos y dos magnesianos distintos; análogamente, la obtención de un alcohol terciario se puede llevar a cabo utilizando tres cetonas y tres magnesianos diferentes. Síntesis de un alcohol secundario: O MgX

O 1

__

R MgX +

R'

C H

R'

O MgX

O 2

__

R' MgX

+

CH R

R C H

R CH R'

OH

H3O+

R'

CH R

OH

H3O+

R CH R'

Síntesis de un alcohol terciario: O MgX

O 1

__

R MgX +

R'

C R''

R'

C R''

OH

H3O+

R'

R

O MgX

O 2

__

R' MgX +

R C R''

R C R''

O MgX

O 3

R'' MgX +

R C R'

R C R'

R''

OH

H3O+

R C

R'

__

C R

R''

R'

H3O+

OH R C

R''

R'

R''

EJERCICIO 11.9

Utilizando magnesianos y aldehidos diseña dos síntesis del 2-Butanol. Emplea magnesianos y cetonas que den lugar al 3-Metil-3-hexanol.

Los ésteres también reaccionan con los magnesianos. Si se hace reaccionar un mol de magnesiano con un mol de éster tiene lugar una sustitución nucleófila en el grupo carbonilo y se obtiene una cetona:

XMg R

O C OR'' R'

_ [adición]

R

+ O MgX C

OR''

[eliminación]

O R C R'

+

R''__OMgX

R'

XI

299

Cuando se utilizan dos moles de magnesiano y un mol de éster, el segundo mol de magnesiano reacciona con la cetona formada inicialmente, dando lugar a un alcohol terciario con dos radicales iguales (los que provienen del magnesiano): O MgX

O R C R'

XMgR

+

R C R'

OH

H3O+

R C R'

R

R

Reacción global: O R'

1)2XMgR

C OR''

2)H3O

+

OH R'

C R

R''OH

+

+

Mg2+

_ + 2X

R

EJERCICIO 11.10

Las lactonas son ésteres cíclicos que reaccionan con los magnesianos. Escribe las reacciones correspondientes a la siguiente transformación: O O

1)2BrMgEt 2)H3O+

5-Etil-1,5-heptanodiol

EJERCICIO 11.11

1 Diseña una síntesis del Trifenilmetanol empleando como sustancias orgánicas Benceno y Etanol. 2 Haz lo mismo con el 1-Butanol, utilizando únicamente Etileno. 3 Idea una síntesis del 2,3-Dimetil-2-butanol a partir del Propino.

SÍNTESIS DE ALCOHOLES ACETILÉNICOS A PARTIR DE MAGNESIANOS

Los alquinos terminales reaccionan con magnesianos, originando haluros de alquinilmagnesio: RC CH

+ R'__CH2MgX

RC C MgX

pKa 26

+

R'CH3

Keq 1013

pKa 49

Los haluros de alquinilmagnesio se adicionan al grupo carbonilo de aldehidos y cetonas, dando lugar a alcoholes acetilénicos: O H C H

O MgX R C C CH2

H3O+

R C C CH2OH (alcohol primario)

O R C C MgX

R'

C H

O MgX R C C CH R'

H3O+

OH R C C CH R' (alcohol secundario)

O MgX O R'

C R''

R C C C R''

R'

H 3 O+

OH R C C C

R'

R'' (alcohol terciario)

XI

300

EJERCICIO 11.12

Las siguientes reacciones no se pueden llevar a cabo sin proteger adecuadamente determinados grupos funcionales. Escribe todos los pasos necesarios para que ambas síntesis sean viables. Síntesis 1: CH2OH

CH2OH

1)EtMgBr

HC C CH CH2OH

BrMg C

2)H3O+

C CH CH2OH

CH2OH

O H

1)CH3CHO

CH3 CH C

2)H3O+

Síntesis 2:

C CH CH2OH

OH

COMe

1) MeC

1)Li Br

2)CH3CHO

2)H3O

CH__CH3

3)H3O+

C__C

Me

COMe

C Me

CMgBr +

CH__CH3

OH

OH

REACTIVOS ORGANOLITICOS

El litio reacciona con los haluros de alquilo o de arilo, dando lugar a compuestos orgánicos de litio (Tema 8, p. 199)

CH3CH2CH2CH2_Br + 2Li

Cl

+

2Li

tetrahidrofurano 00 C

CH3CH2CH2CH2__Li

LiBr

+

1-Butil-litio

tetrahidrofurano

Li

00 C

+

LiCl

Fenil-litio

Los compuestos orgánicos de litio reaccionan con los aldehidos y las cetonas de la misma forma que los magnesianos. La única diferencia es que los organoliticos son más reactivos y, en ciertos casos, permiten la obtención de alcoholes terciarios a partir de cetonas que, al estar impedidas estéricamente, son poco reactivas frente a los magnesianos. _ O Li+

O CH2

CH Li

+

C6H5

C H

C6H5

CH CH CH2

H3O+

OH C6H5

CH CH CH2

1-Fenil-2-propen-1-ol (76 %)

_ O Li+

O C6H5__Li

C6H5

+

C H

C6H5

H3O+

CH C6H5

OH C6H5

CH C6H5

Difenilmetanol (100 %) _ O Li+

O CH3(CH2)4__CH2__ Li

+

H C H

CH3(CH2)4CH2

C H

H

H3O+

CH3(CH2)4_CH2_CH2OH 1-Heptanol (72 %)

XI

301

_ O Li+

O __

CH3CH2CH2CH2 Li

+ CH3(CH2)3

C

(CH2)3CH3

Bu C

H3O+

Bu

OH CH3(CH2)3

Bu

C

(CH2)3CH3

(CH2)3CH3 5-Butil-5-nonanol (91 %)

REACTIVOS ORGÁNICOS DE CINC

Los α-bromoésteres (Tema 9) reaccionan con cinc para dar compuestos organocincicos: BrCH 2__ CO 2Et

+

BrZn__CH2__CO2Et

Zn

Esta reacción (reacción de Reformatsky) es interesante porque permite trabajar con un compuesto organometálico que, a diferencia de los magnesianos y los organoliticos, no reacciona con el grupo éster:

C6H5

O

ZnBr

C

CH2

C6H5

CO2Et

Me

O

ZnBr

C

CH2 CO2Et

H3O+

OH C6H5

Me

CH2 CO2Et

C

HO BrCH2

CH CH CO2Et

Zn2+

+

Br

_

Me

O +

+

1)Zn

CO2Et

2)H3O+

EJERCICIO 11.13

La reacción del (2S)-2-Fenilpropanal con Yoduro de metilmagnesio, seguida de acidificación, da lugar a una mezcla de dos diastereoisómeros en la proporción 2:1. Teniendo en cuenta que la reacción está sometida a control cinético, averigua cuál es el estereoisómero mayoritario.

XI

302

EJERCICIOS ADICIONALES

11.1 Realiza la síntesis de los compuestos a-i utilizando magnesianos.

a) 5-Metil-1,5-hexanodiol b) 3-Fenilpropanol c) 2-Hexanona d) 4-Metil-4-heptanol e) 3-Pentanol

f) 3-Hidroxi-3-metil-1,4-pentadieno g) 2-Fenil-2-butanol h) 1-Metilciclobutanol i) Ácido fenilacético

Puedes emplear cualquier producto inorgánico, pero únicamente los siguientes compuestos orgánicos: Propino Benceno Metanol Etanol

1-Propanol Alcohol bencílico Óxido de etileno Bromuro de vinilo

3-Buten-2-ona 5-Bromo-2-pentanona

Ác. propiónico Ác. 5-hidroxipentanoico Ác. fórmico Ác. acético

11.2 Utilizando Bromuro de fenilmagnesio y cualquier otro producto orgánico o inorgánico que precises, diseña una

síntesis de los siguientes compuestos: 1) Ac. benzoico 2) 1-Fenilpropino 3) Vinilbenceno 4) Trifenilmetanol 5) 2-Feniletanol

6) 1,1-Difeniletanol 7) 2-Fenilpropeno 8) Fenol 9) 1,1-Difenil-1,5-pentanodiol

11.3 La reacción de un compuesto A(C7H12O) con Bromuro de metilmagnesio, seguida de tratamiento con H2SO4 diluido, conduce a una mezcla de dos diastereoisómeros. Uno de ellos es el (1R,3S)1,3Dimetilciclohexanol.

Apartado 1: Averigua las configuraciones absolutas de A y del otro diastereoisómero del 1,3Dimetilciclohexanol. Explica si la mezcla de reacción es ópticamente activa. Apartado 2: ¿Qué resultado se obtendrá cuando el enantiómero de A se somete a la misma reacción? Explica si la mezcla de reacción carece ahora de actividad óptica.

11.4 Averigua la estructura de los compuestos que aparecen en la siguiente secuencia de reacciones:

O

2-Bromoetanol

TsOH

A

1)Mg Me

2)

B(C5H12O2)

HBr (1eq.)

C(C5H11OBr)

O

TsOH

D

O

3)H3O+ 1)Mg 2)CO2 3)H 3O

+

[E(C6H12O3)]

F(C6H10O2)

1)2CH 3Li 2)H3O+

4,5-Dimetil-1,5-hexanodiol

XI

303

11.5 Averigua la estructura de los compuestos que aparecen en las siguientes secuencias de reacciones.

Secuencia 1: CH3COCH2CO2Et +

_ EtO

HC C CH2Br

HCl H2O

C

HOCH2CH2OH

A(C9H12O3)

H3O

H2[Pd/C]

D(C7H10O)

BaSO4

1)NaNH2

B

+

2)IMe

E(C7H12O)

Secuencia 2: 1)Mg

1)Mg

2)EtCHO

CH3CH2CH2Br

PBr3

A

1)H3O+

2)CO2

B

C

1)H3O+

CH3

1)SOCl2 N

2) ?

CH3 O

11.6 Averigua la estructura de los compuestos que aparecen en las siguientes secuencias de reacciones.

Secuencia 1: Br

1)Mg 2)CH2O

Swern

A

1)H3O+

?

B

oxidación

C 6H 5 OH

Secuencia 2: O HC CH

1) ?

1) ?

A(C3H4O)

2) ?

H2[Pd/C]

B(C4H6O2)

2) ?

C(C4H 8O2)

BaSO4

O Me

Me

Me

H 3O +

O Me

Secuencia 3: O ?

CH3COCH2CO2Et

A(C8H14O4)

H 3O +

1)C6H5MgBr 2)H3O+

B(C18H20O3)

H 3 O+

Me

C6 H5 OH C6 H5

11.7 Averigua la estructura de los compuestos que aparecen en la siguiente secuencia de reacciones. C6H5CH2 CO H 2

1)P, Br2 2)EtOH

A

1)Zn 2)

EtO

O

+ O

HNMe2

C6H5

B(C15H20O3)

HO

_

CH CO O CH2CH2NMe2

transesterificación midriático (dilatador de la pupila)

C(C4H11NO)

11.8 Apartado 1: Escribe las reacciones que aparecen en la siguiente secuencia sin utilizar estereoquímica. Me CH3CH2 CH CHO

1)IMgEt 2)H3O

+

[A + B]

Swern oxidación

[C]

1)NaCN, EtOH 2)H3O+

XI

304

H3O+

[D + E]

H 3O +

[F + G]

E1

[H + I]

Q

[J + K]

Apartado 2: Utiliza representaciones tridimensionales y proyecciones de Newman, para averiguar la configuración absoluta de todos los compuestos que aparecen en la secuencia de reacciones. Ayuda: El primer paso está sometido a control cinético; el paso [C] termodinámico.

[D + E] está sometido a control

11.9 Averigua la estructura de los compuestos que aparecen en las siguientes secuencias de reacciones.

Secuencia 1: O C6H5

_ 1)CN

Me

2)H3O

A

+

MeOH H2O

B

Secuencia 2:

H2C(CO2Et)2

_ 1)EtO 2)Me2CHCH2Br

_ EtO HCO2Et

D(C9H16O3)

A(C11H20O4)

CN

H 3O + Q

B(C6H12O2)

EtOH

C(C8H16O2)

H 3O +

Me

_ E(C10H17O3N)

H3O

CO2H

+

CO2H

Me

OH

Secuencia 3: H C C H

1)Na, NH3(liq.) 2)Me2CO

A(C5H8O)

H3 O + , H 2 O

B(C5H10O2)

Hg2+

Secuencia 4: O 2H C C H

1)Na, NH3(liq.) 2)2Me2CO

A(C8H14O2)

H3O+, H2O Hg

2+

B(C8H16O3)

H 3O +

Me Me

Me O

Me

Secuencia 5: OH

HO 1)Br3P 2)Mg 3)CH2O

A(C7H14O)

H 3O +

B(C7H12)

R_CO3H

C(C7H12O)

CH2_O _CH2C6H5

C6H5CH2OH Na

11.10 Las α-bromocetonas se obtienen por reacción directa entre la cetona y bromo en medio básico (Tema 9, p. 241) Las γ-bromocetonas se sintetizan a partir de γ-hidroxicetonas (Tema 9, p. 253, Secuencia 4) Cómo sintetizarías la 4-Bromo-2-butanona, una β-bromocetona.

XI

305

11.11 Averigua la estructura de los compuestos que aparecen en las siguientes secuencias de reacciones.

Secuencia 1: _ EtO

EtO2C

A

IMe

EtO2C

_ EtO Br

B(C11H18O4)

H4AlLi

E

_ 1)HO

[C]

2)H3O+

Ac2O

F(C6H12O)

O

Me

piridina

EtOH

D(C6H10O2)

H 3 O+

Me

O

Secuencia 2: _ EtO

CH2(CO2Et)2

H 3O +

A(C10H16O4)

Br

PBr3

E

C(C5H8O 2)

[B]

Q

_ C6H5O Na+

F(C5H9Br)

EtOH H 3O +

D

H4AlLi

C 6H 5 O

Secuencia 3: O C6H5NH2

+

Me

Cl

A

H4AlLi

B

Secuencia 4: Br

1)Mg 2)CO2 1)H3O

SOCl2

A

+

Me2NH

B

C

H4AlLi

D

Secuencia 5:

H C

C H

1)Na, NH3(liq.) 2)

A(C4H6O)

_ EtO

B(C11H12O)

C6H5CH2Br

1)Na, NH3(liq.) 2) CH2O

C(C12H14O2)

O

Secuencia 6: O Me

CO2Et

_ EtO MeCOCH2Br

Cl

NH2

[B(C15H18O3NCl)]

A(C9H14O4)

C(C15H16O2NCl)

H3O+

CO2H Me

N

Me

Cl

XI

306

Secuencia 7: Me

O Me

H2N_NH2

CO2Et

[A(C6H 14O3N)]

O

N

N

11.12 ¿Cómo llevarías a cabo las síntesis que aparecen a continuación? Puedes utilizar todos los productos orgánicos o inorgánicos que necesites.

Síntesis 1: O Me

O

O

varios pasos OEt

OH

Me

C6H5 C 6H5

Síntesis 2: MeO2C

OH Me

varios pasos

Me

O

OH Me

XI

12. REACCIONES DE ADICIÓN NUCLEÓFILA CON ANIONES ENOLATO

INTRODUCCIÓN

Ya se ha dicho que los aniones enolato de cetonas se emplean habitualmente en reacciones de sustitución nucleófila sobre un grupo carbonilo (Tema 8) y en reacciones de sustitución nucleófila sobre un átomo de carbono saturado (Tema 9) La utilidad de los aniones enolato de ésteres se puso también de manifiesto en reacciones del mismo tipo. Los aniones enolato de aldehidos, cetonas y ésteres se emplean como nucleófilos en reacciones de adición, en las que el sustrato puede ser, entre otros, una cetona, un aldehido, un nitrilo α,β-insaturado o un nitrocompuesto α,β-insaturado. Estas reacciones de adición nucleófila transcurren mediante el siguiente mecanismo general (el ejemplo se refiere a una cetona que reacciona con ella misma): O R CH2

O

_ C CH

R'

R

C R'

+

O C CH2 R

R'

B

_ R CH

_

O

_ H___B O

C CH

C CH2 R

R'

O C R'

+

R'

O

OH

C CH

C CH2 R

R'

R

HB

R

+ B

_

R'

El producto de la reacción es un compuesto β-hidroxicarbonílico que, eventualmente, puede deshidratarse mediante una reacción de eliminación, dando lugar a un compuesto carbonílico α,β-insaturado: : OH H___B

O R'

C CH

C CH2 R

B

_

O R

C CH2 R

C C

R'

R'

R

+ : OH2

O R

C C

R'

+ H2O + HB

R'

R'

H

C CH2 R

REACCIÓN ALDÓLICA ALDEHIDOS COMO SUSTRATOS

CHO CH3CH2 + CH3CH2CHO

CHO OH

HO − HO H

CH3 CH *

CH CH2CH3 + HO H + HO − *

Mecanismo de la reacción: O Me2C _ HO

C H

Me O Me C

_

C H

Me O Me C _

C H

+ H2O

Keq = 1,7

H pKa 15,5

anión enolato

pKa 15,74

XII

308

O Me2CH C H

_

HO__H

Me :C CHO

_

O

Me

Me2CH C

Me

Me2CH CH C CHO

C CHO

+ HO

_

Me

Me

H

Me

HO

(aldol)

Si el aldehido tiene dos hidrógenos en Cα y la temperatura es alta, el aldol se convierte normalmente en un aldehido α,β-insaturado a través de una reacción de eliminación (el proceso completo recibe el nombre de condensación aldólica): OH

_ CH3CH2CH2 CH C

O C H

CH3CH2CH2

O

CH

C C H

CH2CH3 + HO

2 CH3CH2CH2CHO

CH2CH3

_

_

OH H

NaOH

CH3CH2CH2 CH C

H2O, 800

_

OH

-H2O

CHO

HO

_

O CH3CH2CH2

CH C C H

CH2CH3

CH2CH3

(no se aisla)

(86 %) (E)-2-Etil-2-hexanal

EJERCICIO 12.1

En la reacción aldólica de un aldehido con dos hidrógenos en el carbono α se origina un aldol con dos carbonos asimétricos. Escribe el mecanismo de la reacción utilizando representaciones tridimensionales y comprueba que se obtiene una mezcla equimolecular de dos racémicos. CHO OH 2 CH3CH2CHO

NaOH H2O

CH3 CH *

CH CH2CH3 *

CETONAS COMO SUSTRATOS

El átomo de carbono del grupo carbonilo de las cetonas es menos reactivo que el de los aldehidos. Por consiguiente, en la reacción aldólica de cetonas, el equilibrio está normalmente desplazado hacia la izquierda:

O CH 3 C CH3 +

O C CH3 CH3

HO − HO H

OH CH3 CO CH2 C

CH3 + HO H + HO −

CH3 4-Hidroxi-4-metil-2-pentanona (2 %)

Sin embargo, la deshidratación del aldol desplaza el equilibrio hacia la derecha, dando lugar a cetonas α,βinsaturadas con buenos rendimientos:

O CH2CH3

HO KOH ; H2O

CH3 H O

HO

_

O

XII

309

HO CH3

HO CH3 _

CH3 _ O

O

O

EJERCICIO 12.2

Escribe el mecanismo de las siguientes reacciones: CH3

CO2Et CH3

1)KOH

CO CH CH2COCH3

2)H3O+, Q O (60 %)

O KOH

CH2COCH3

O

Q (72 %) O

O Na2CO3 H2O O

(96 %) CO2Et

CO2Et

_

EtO Na EtOH

CH2CH2COCH3

+

O

O

(66 %)

REACCIÓN RETROALDÓLICA

El equilibrio de la reacción aldólica está normalmente desplazado hacia la izquierda. El hecho de que la reacción sea un equilibrio implica que el aldol puede transformarse en el aldehido o en la cetona de partida. Esta reacción recibe el nombre de reacción retroaldólica. Reacción aldólica: O R CH2

O R'

_ C CH R

C R'

O C CH2 R R'

R'

+ B

_ R CH

_

O

_ O

C CH

C CH2 R

R

R'

O C R'

H___B R'

+ HB

O

OH

C CH

C CH2 R

R

+ B

_

R'

XII

310

Reacción retroaldólica:

O

O R'

_

H

C CH C CH2 R

B R

R'

_

O

C CH

C CH2

R'

R

H___B

H___B

O

R

O _ C CH

R'

O C CH2 R

+

R'

R

R'

O

_ + B

C CH2 R

R'

Observa que el mecanismo de la reacción retroaldólica es exactamente el mismo que el de la reacción aldólica, pero escrito al revés. Esto es cierto para cualquier reacción.

EJERCICIO 12.3

Escribe el mecanismo de la siguiente reacción: _ O Li+

O

_ O Li+

CHO

CH CH C CMe3

O

CHO

CH CH C CMe3

Me

Me

+

+

MeO OMe

REACCIÓNES ALDÓLICAS MIXTAS

La reacción aldólica entre dos cetonas distintas, dos aldehidos diferentes o un aldehido y una cetona, puede dar lugar a cuatro productos. Reacción entre dos cetonas distintas: R CO CH3

+

R'

B

CO CH3

_

OH R CO CH2

OH

C R'

+

R'

CO CH2

CH3

C R CH3

Reacción entre dos aldehidos diferentes: R CH2 CHO

+

R'

CH2 CHO

B

_

CHO

CHO R CH

CH CH2 R'

+

R'

CH

CH CH2 R OH

OH

Reacción entre un aldehido y una cetona: R CH2

CHO + R'

CO

CH3

B

_

OH

CHO OH R CH

C R'

+

R'

CO CH2

CH CH2 R

CH3

EJERCICIO 12.4

En cada una de las tres reacciones anteriores faltan dos productos ¿Cuáles son?

XII

311

Este tipo de condensaciones mixtas no es útil en síntesis. Para obtener un sólo producto de reacción existen dos alternativas: 1 Preparación del enolato cinético de la cetona (Tema 9) y reacción posterior con un aldehido o una cetona

diferentes: O CH3CH2CH2

_ + + (Me2CH)2N Li

C CH3

-780C THF

CH3CH2CH2

C

CH2

(Me2CH)2NH

+

(LDA)

pKa 19

CH3CH2CH2

_ O Li+ Keq 1017

pKa 36

_ O

O

C CH2

C CH2CH2CH3

_ O

O CH3CH2CH2

C

CH2

CH CH2CH2CH3

HB

H Butanal

HB

OH

O CH3CH2CH2

C

CH2

O

TsOH Q

CH CH2CH2CH3

CH3CH2CH2

(65 %)

C

CH

CH CH2CH2CH3

(72 %)

6-Hidroxi-4-nonanona

5-Nonen-4-ona

2 Uno de los compuestos carbonílicos (el aldehido o la cetona) carece de hidrógenos en el Cα:

O MeO

O

C H +

CH3

OH

NaOH H2O

C CH3

MeO

MeO

CH CH2

CH CH

CO CH3

CO CH3

(83 %) 4-(p-Metoxifenil)-3-buten-2-ona

EJERCICIO 12.5

Escribe los productos que se obtienen en las siguientes reacciones: CH3 CH3

O

CH CH2CHO

+

CHO

+

CH3

K2CO3

O H C H

CO CH3

H2O 1)NaOH, H2O 2)H3O+

CHO

2

+

CH3

CO CH3

1)NaOH, H2O 2)H3O+

XII

312

EJERCICIO 12.6

Escribe el mecanismo de las siguientes reacciones: Reacción 1: Me

1)NaOH, H2O

3 CH3 CO CH3

Me

2)H3O+ Me

Reacción 2: O 1)NaOH, H2O

3

2)H3O+

Reacción 3: 2 CH3

O

1)NaOH, H2O

CO CO CH3

2)H3O+

CH3

CH3

O O

Reacción 4: O CH2

C CH2

+

O

O

C

C

1)NaOH, H2O 2)H3O+

OH

Reacción 5: CH3 CO CH2

CO2Et

+

CO2Et

1)EtO-, EtOH

CH3 CO CH2 CHO

2)H3O+

CH3

CONDENSACIÓN DE DARZENS

La condensación de Darzens transcurre entre cetonas y α-haloésteres; permite la obtención de aldehidos con un átomo de carbono más que la cetona de partida: O

CHO +

ClCH2__CO2Et

_ 1)NH2

Na+

2)H3O+ Ciclohexanocarbaldehido

Ciclohexanona

Mecanismo de la reacción: ClCH2__CO2Et

+

_ NH2

_ CH Cl

_ O CO2Et

Keq > 1013

+ NH3 pKa 36

pKa > 23

O

_ Cl__CH__CO2Et

O CH CO2Et Cl

O H CO2Et

+

H3O

H CO2H

XII

313

O

H

H

O

C O

O

H

O

H

H CO2H

C O (CO2) O

enol del eldehido

H

OH

H

O

enol

CONDENSACIÓN DE PERKIN

La reacción transcurre entre aldehidos aromáticos y anhidridos de ácido en presencia de aniones carboxilato (sal de un ácido carboxílico): CH CH CO2H

CHO O +

_

O

C O C CH3

CH3

1)CH3CO2 Na+ 2)H3O+ NO2

NO2

Ác. p-nitrocinámico

CHO

O

+

CH3

O

C O C CH3

OH

_

1)CH3CO2 Na+ 2)H3O+

O

O

Cumarina

EJERCICIO 12.7

Los hidrógenos metílicos del anhidrido acético son ácidos; partiendo de este hecho, escribe el mecanismo de la condensación de Perkin que conduce a Cumarina.

REACCIÓN DE MICHAEL

Una gran variedad de aniones enolato reaccionan con compuestos carbonílicos, nitrilos y nitrocompuestos α,βinsaturados a través del doble enlace C=C: Reacción 1: O EtO2C CH2

CO2Et

+

CH2

CH C CH3

N H

CO2Et EtO2C CH

CH2CH2

CO CH3

(71 %) 2-Etoxicarbonil-5-oxo-hexanoato de etilo

XII

314

EtO2C CH2 CO2Et

_ EtO2C CH CO2Et

+

+

N H

H

EtO2C

O

_ CH2

CH

CH

_ O

CO2Et

C CH3

+ N

HB+

CH C CH3

EtO2C CH CH2

H

EtO2C

CO2Et

CO2Et

OH

EtO2C CH CH2 CH C CH3

O

EtO2C CH CH2 CH2 C CH3 (71 %)

enol

Reacción 2: CH3

CO CH2

CO CH3

+

CH2 CH CN

CO CH3

Et3N

CH3

t-BuOH

CO CH

CH2 CH2

CN

(77 %) 4-Acetil-5-oxo-hexanonitrilo

CH3__CO__CH2__CO__CH3 + Et3N

CH3

COCH3 _ CO C CH2

_ + CH3__CO__CH__CO__CH3 + Et3N__H

COCH3 CH C

N:

CH3

_

CO C CH2 CH C

H

N:

H

+ Et3N H COCH3 CH3

CO C CH2

_ CH C N:

COCH3 CH3

CO C CH2

H

CH2 C N:

+

Et3N:

H

Reacción 3: O CH3

C CH2

CO2Et

CH CH NO2

+

Et3N t-BuOH

O CH3

C CH

CH CH2

NO2

CO2Et 3-Etoxicarbonil-2-fenil-4-oxonitropentano

CH3__CO__CH2__CO2Et

+

Et3N:

_ CH3__CO__CH__CO2Et

+ + Et3N_H

XII

315

CO2Et _ CO C

CH3

C6H5 CH

CH

+ O N

_

C6H5 CH3

CO CH CH CH

O

H

+ N

CO2Et

_ O _ O

+ NEt3 H _ C6H5 _ + O CO CH CH CH N O CO Et

CH3

C6H5 CH3

CO CH CH

+ :NEt3

CH2 NO2

CO2Et

2

EJERCICIO 12.8

Escribe el mecanismo de las siguientes reacciones de Michael: Reacción 1: O

NO2 _

CH3CH2__NO2

MeO Na MeOH

+

O

+

CH3

3-(1-Nitroetil) ciclohexanona

Reacción 2: MeO2C CH2

CO2Me +

CH3

CH

MeO

CH CH CH CO2Me

_

MeOH

CO2Me MeO2C CH CH CH Me

CH CH2

CO2Me

(72 %)

5-Metil-6-metoxicarbonil-3-heptanodioato de dimetilo

Reacción 3: OMe OMe _

CH3CH2

EtO EtOH

+

CO CH CH2

O

Me O OMe

1)EtO

Me

_

2)CH3_CO_CH=CH2

O

Las reacciones de Michael intramoleculares transcurren a través del mismo mecanismo que las intermoleculares: O _

EtO2C CH2

CO2Et

+

CH3

CH CH CO C

C OEt

t-BuO K+ t-BuOH

EtO

Me

EtO2C

CO2Et

(70 %)

XII

316

Mecanismo de la reacción: CO2Et _ C EtO2C C H

C

_ O

CO2Et

O C CH CH Me

EtO2C C C C C CH CH Me

t-BuOH

H OEt

OEt

CO2Et

CO2Et

OH

EtO2C C C C C CH CH Me

O

EtO2C CH C

CH C CH CH Me

t-BuO

_

OEt

H OEt enol

OEt EtO2C

EtO EtO2C

_

_ O

O EtO2C

EtO2C

Me

Me

O t-BuOH

EtO EtO2C

EtO

OH EtO2C

Me

EtO2C

Me

CO2Et

enol

EJERCICIO 12.9

Escribe el mecanismo de las siguientes reacciones de Michael intramoleculares: Reacción 1: O

O

O

+ CH2

CH CO CH CH2

O

HNa, DMF -300C O

Reacción 2:

(56 %) CO2Me O

O CO2Me

Me

CsCO3

O

Me O

(50 %)

Reacción 3: O Me OH

O CH2

NaOH (5 %) H2O

Me O (80 %)

XII

317

EJERCICIO 12.9 (continúa)

Escribe el mecanismo de las siguientes reacciones de Michael intramoleculares: Reacción 4: O

K2CO3

CO2Et

O

EtOH

O

O

(89 %)

CO2Et

Reacción 5: O

O CH3

2

LDA THF, -700 COCH3

Reacción 6: O

O

CH2_CN

_

t-BuO K+ t-BuOH, 700C

CN

Me2CH

Me2CH (90 %)

Reacción 7: O

Me 1)K2CO3, EtOH

O CO2Et

O

Me O

2)HCl, Q (45 %)

Reacción 8: O

1)LDA 2)

A(C10H14O3) CO2Me

_ EtO Na+ EtOH

O CO2Me

Reacción 9:

CH2 KH

OH

O

THF, -400 (68 %)

MÉTODO DE ROBINSON PARA LA SÍNTESIS DE CICLOS

Robinson fue el primer químico que tuvo la idea de utilizar la reacción de Michael y la condensación aldólica para obtener compuestos cíclicos. La originalidad de su planteamiento consistió en realizar el proceso en un solo paso, es decir, mezclando todos los reactivos para obtener un compuesto que, en realidad, es el resultado de dos reacciones sucesivas: O CH2 + O

CH3

_ EtO Na+ EtOH

O

XII

318

1 Reacción de Michael:

O _

_

EtO Na+ EtOH

H2C CH3

_ O O

O

H___OEt

OH O Me

Me

O Me

O

enol

2 Condensación aldólica intramolecular:

EtO O

Me

_ _ O H C 2

O

O EtO

____

H

O

O _

_H O 2 O

O

OH

cetona α,β-insaturada

EJERCICIO 12.10

Escribe el mecanismo de las siguientes reacciones, basadas en el método de Robinson para obtener ciclos: Reacción 1: CHO

O Me

Me

O

Ca(OH)2 MeOH

Me

Reacción 2: Me

Me

Et3N +

HC C CO Me

O

O

Reacción 3: CO2Et CO2Et + O

H2C CH CO CH3

O

CO2Et CH3

Et3N O (92 %)

1)Et3N 2)(t-BuO)3Al

O (34 %)

EJERCICIO 12.11

La síntesis de la vitamina A, realizada por un grupo de químicos suizos (Isler y colaboradores, 1947), incluye una serie de reacciones de condensación de grupos carbonilo. La vitamina se fabrica a partir del Citral, aldehido que se encuentra en el aceite esencial de limón. El primer compuesto intermedio, la β-Ionona, se obtiene como se describe a continuación:

XII

319

EJERCICIO 12.11 (continúa) CH3

CH3 CH3 C

EtO EtOH

CO CH3

CH CHO + CH3

CH CH2CH2 C

A

H3O

+

Me

(transposición) Me β-Ionona

Citral

La síntesis de la vitamina A, a partir de la β-Ionona, es como sigue: Me

O

Me

Me

EtO

+ ClCH2CO2Et

O

Me

Me

_

Me

Me

Me

_

CHO

(Darzens)

Me

Me

(B) O CH2 CH C CH3

_

1) HC C Na+ 2)H3O

+

CH2OH CH C C CH

H2O

Me

Me

Me

Me

Me

(transposición alílica)

(C)

C C CH C CH2OH

(B) + (D)

(D)

1)H2/Pd (selectiva) 2)(MeCO)2O 3)H3O+ (transp. alílica)

Me Me

Me

Me

2C6H5MgBr

O

Me CH2

O C CH3

Me acetato de vitamina A

Escribe el mecanismo de todas las reacciones.

EJERCICIOS ADICIONALES 12.1 Averigua la estructura de los compuestos que aparecen en cada secuencia y escribe el mecanismo

simplificado de todas las reacciones. Secuencia 1: _ EtO

CH3CO2Et + HCO2Et

MeCO2Et + EtO

_ D(C9H16O4)

NaBH4

A(C5H8O3)

1)EtO

B

H3O+ Q

C(C5H8O2) Me

_

2)MeCOCH2COMe

E(C14H24O6)

CO2Et

Q H3O+

Me CO2Et

Secuencia 2:

MeCO(CH2)5CHO

HO

_

_ A

MeCO2Et + EtO

B(C12H20O3)

HO

_

O

O

XII

320

Secuencia 3: 1)Mg

A(C6H10O) + B(C7H7Br)

C 6H 5

2)H3O+

OH

Secuencia 4: A(C3H4O)

1)HBr

B(C 5H9O 2Br)

2)HOCH2CH2OH

1)Mg 2)C6H5COMe

OH

H 3O +

C

C 6H 5

C CH2CH2 CHO CH3

Secuencia 5: _ EtO

A(C10H18O4)

1)HO

B

_ C(C5H8O)

2)H3O+, Q H2

H3O+

E

[Pd]

_ + HC CH + NH2 Na

D

CH2

Q

Secuencia 6: 1)EtO

A(C6H10O3)

_ [B]

2)

O

O

COMe O

Secuencia 7: Me A(C7H12O)

1)HNa

[B(C11H 16O2)]

2) HC C COMe

O

Secuencia 8: MeCOCH 2COMe + MeCOCH 2CO2Et

H 3N:

[A(C 11H 16O4)]

[B(C 11H 19O 4N)]

Me CO2Et [C(C11H17O3N)] Me

N

Me

Secuencia 9:

(EtO2C)2CH2

1)EtO

_ B(C10H 16O4)

2)A(C3H 5Br)

H4AlLi

D

H 3O +

H 2C

1)H3O+ 2)EtOH, H3O+

CH

CH2 CH

C(C7H12O2)

CH2

Q

Secuencia 10: A(C12H14O4) + MeCOCMe3

HO

O

_ [B]

CO CMe3 O

XII

321

12.2 Averigua la estructura de los compuestos (1)-(10) y escribe el mecanismo de las siguientes reacciones:

Secuencia 1: NaOH / H2O

(1) (C7H12O2)

COCH3

Secuencia 2:

(2) (C3H 4O4) +

CH3

N

CH CH CHO

CH CH CH CH CO2H

CH3

Secuencia 3: (3) (C5H 8O2) +

CH2

CH2

CN

COMe CH3 CO CH CH2CH 2 CN

NaOH / H2O

Secuencia 4: _ EtO

O (4) (C4H6O) +

EtOH

O

Secuencia 5: (5) (C4H8O2)

+

1)HNa

CH3 CO CH3

CH3COCH2COCH3

2)H3O+

Secuencia 6: O O (6) (C14H10O2)

+

C6H5 CH2 C CH2 C6H5

C 6H 5

1)NaOH/H2O 2)H3O

C6 H5

+

C 6H 5

C 6H 5

Secuencia 7: Me Me (7) (C6H10O4)

+

EtO2C

CH2

C CH2

EtONa

CO2Et

Me CO2Et

EtO2C

EtOH

Me

O

O

Secuencia 8: Me O (8) (C15H26O4)

Me

EtONa EtOH

Me

CO2Et

Secuencia 9: Me (9) (C4H4O)

+ O

Me LDA

CH CH CO CH3 O

XII

322

Secuencia 10: NaOH H 2O

2 (10) (C4H6O2)

O

Me

Me

O

12.3 Averigua la estructura de los productos que aparecen en las secuencias siguientes y escribe el mecanismo de

todas las reacciones. Secuencia 1: CHO

HNa

A(C11H14O2) + B(C3H6O2)

C 6H 5

C

CO2Et

Me

Secuencia 2: O

CH2 + B(C5H10O3)

:B

C(C9H14O3)

H4AlLi

H3O+ / H2O

D

Q

Secuencia 3: 1)MeMgI

(4S) 4-Metil-3-hexanona

2)H3O+

A(mayoritario) + B(minoritario)

Secuencia 4: Me :B A(C6H8N2) + B(C6H10O2)

H N

N

O

C 6H 5

Secuencia 5: A(C5H8O)

1)RMgBr 2)H3O +

CH3 C 6H 5

C H

CH

CH CH2OH

Secuencia 6:

A(C6H10O2)

1)2MeMgBr 2)H3O+

OH CH3

C

CH2CH2CH2CH2OH

Me

Secuencia 7: +

A(C4H6O)

:B

[B(C10H16O2)] O

O

XII

323

Secuencia 8: CO2Et :B

Acetilacetato de etilo + A(C4H6O2)

O

HO [B(C10H16O5)] Me

C(C 10H 12O 3)

OH

D(C 10H 12O 3)

12.4 Averigua la estructura de todos los compuestos que aparecen en las siguientes secuencias de reacciones:

Secuencia 1: Zn

Ciclohexanona + Bromoacetato de etilo

H3O+

A(C10H18O3)

Q

B(C 10H16O2) O

MeCOCH2CO2Et / EtO

-

HO-

C

1)HO

D(C 14H20O4)

-

2)H+, Q O

Secuencia 2: NH2−Na+

A(C6H 10O) + Cloroacetato de etilo

B(C 7H 12O)

[MeCO2Et + EtO -]

[C]

O D(C11H18O2)

Me2CO / HO

-

HO-

E

O

12.5 Averigua la estructura de todos los compuestos que aparecen en la siguiente secuencia de reacciones: O Me

Me

1)OH-

A

2)ClCO2Et

O

1)EtO-

[C]

[B]

D(C9H14O3)

2)MeCO(CH2)3Br 3)H3O+ Me

1)KOH 2)H3O

+

E(C9H14O3)

1)OH

-

2)H3O+

HO

Me

OH O

12.6 Averigua la estructura de todos los compuestos que aparecen en las siguientes secuencias de reacciones:

Secuencia 1: OMe 1)EtO- / EtOH O

2)MeCH2COCH=CH2

A(C16H20O3)

1)EtO- / EtOH 2)H3O+

B(C16H18O2)

XII

324

Me

OMe

1)H4AlLi 2)H3O+

Secuencia 2: 1)LDA 2)CH2=CHCO2Me O

O

1)EtO- / EtOH

A(C9H12O3)

2)H3O+

CO2Me

3)H3O+

12.7 Averigua la estructura de los compuestos A, B, C, y D. Escribe el mecanismo de las siguientes reacciones: O EtO

C6H5_CH=CH_CO_CH=CH_C6H5 + A

_ C 6H 5

C6 H5

EtO2C

CO2Et

O COMe +

B

NaOH

O

O

Me

Me + C

KOH

CH2CH2COCH3

O

O

OMe

Me + D

EtO-

OMe

O

O

12.8 Averigua la estructura de todos los compuestos que aparecen en las siguientes secuencias de reacciones.

Secuencia 1: O

O

Br LDA

A

1)CH2=C-CO2Me 2)H3O+

B(C10H13O3Br)

LDA

CO2Me

Secuencia 2: MeO2C_(CH2)5_CO2Me

1)EtO- / EtOH 2)H3O

+

A(C8H12O3)

1)EtO 2)BrCH2CO 2Me 3)H3O+

B(C11H 16O5)

XII

325

1)LDA

1)HNa

C(C17H24O7)

2)CH2=CH-CH=CH-CO2Me

1)EtO-

D(C17H24O7)

2)H3O+

CO2Me

O

2)H3O+

O CO2Me

12.9 Averigua la estructura de los productos que aparecen en las secuencias siguientes y escribe el mecanismo simplificado de las reaciones.

Secuencia 1: A(C3H3N)

EtNH2

B(C 5H10N2)

H 4AlLi

CH3CH2

NH CH 2CH 2CH2

NH 2

Secuencia 2: A(C7H6O2)

+

piridina

B(C3H4O4)

O

O

Secuencia 3:

A(C6H10O)

+

_ NH2 Na+

B(C4H7O2Cl)

C(C7H12O)

OH

1)C6H5MgBr

CH

2)H3O+

Secuencia 4:

A(C6H8O)

1)LDA 2)H2C

CH CO2Me

B(C10H14O3)

_ 1)EtO Na+

O

2)H3O+

CO2Me

Secuencia 5: CH3 A(C7H12O)

1)HNa 2)HC

[B(C11H16O2)]

C CO Me

O

12.10 Averigua la estructura de los compuestos que aparecen en las siguientes secuencias de reacciones.

Secuencia 1:

CH2O +

A

AcO

_

Me Me

H 2O

OH CHO

Secuencia 2:

A(C6H10O)

+

B(C14H10O2)

_ HO H 2O

O

HO

O C6H5

C 6H 5

XII

326

Secuencia 3:

A(C7H5O3N)

B(C2H4O)

+

CHO

KOH MeOH

O 2N

12.11 Averigua la estructura de los compuestos que aparecen en las siguientes secuencias de reacciones.

Secuencia 1: O A(C3H4O3) +

KOH, MeOH

B(C7H6O)

250C

C 6H 5

[C]

CO2H 80 %

Secuencia 2: HO

A(C6H10O2)

_ [B(C6H10O2)]

O

Me

Secuencia 3: Me H

Me

K2CO3 +

O CH2

A(C5H10O2)

O Me

Me CO2H A(C5H10O2)

+

NH3, EtOH 1000C

CO2H

[B(C8H14O6)]

[C(C8H12O5)]

Q O O

12.12 Averigua la estructura de los compuestos que aparecen en las siguientes secuencias de reacciones.

Secuencia 1: _ 1)EtO

O C6H5

C6H5

2) ?

O C6H5

C6H5 CHO

Secuencia 2:

A(C9H14O) +

B(C4H6O)

_ EtO

O CO Et 2

O Me

Secuencia 3:

HO A(C 7H6O) +

B(C3H6O)

O

_ [C(C10H12O 2)]

C 6H 5

Me

XII

327

O C6 H 5

+

Me

HO

D(C5H7O2N)

CN

_

Me

EtO2C C6H5 O

12.13 Averigua la estructura de los compuestos que aparecen en las siguientes secuencias de reacciones.

Secuencia 1:

CO2Et + A(C15H12O)

Me

O

_ EtO

O

O

C6 H5 O

CO 2Et

Me

[B(C21H22O4)]

C 6H 5

C 6H5

CO2Et

C6 H5

Secuencia 2: OMe

O

HO

O [A(C 11H14O3)]

_

CO2Et _ EtO

B(C11H12O2)

H 3O +

C(C17H22O5)

Q

CHO

OMe

O

O

Me

Me

Secuencia 3:

A(C6H10O3)

O

_ 1)EtO 2)ICHMe2

Me

Me

Me CO2Et

EtO ?

O CO2Et

_ Me

O Me

Me

O

HO

_ B(C13H22O4)

H3 O + Q

Me

Me Me

Me

12.14 Averigua la estructura de los compuestos que aparecen en las siguientes secuencias de reacciones.

Secuencia 1:

A(C3H6O) + B(C7H12O4)

NH4+AcO

Me

_ EtO2C

Me

H4AlLi

C(C6H12O2)

PBr3

D

CO2Et

CO2Et CH2(CO2Et)2, NaH

Me

EtO2C

Me Me

EtO2C

H3O Q

+

E

EtOH H 3O

+

F

HNa

EtO2C

Me

O

CO2Et

XII

328

Secuencia 2: O CO2Et

A(C4H6O) + Me

O

_ EtO

O

Me

Me

_ 1)EtO

B(C10H14O3)

2)CH2O

CO2Et

C(C11H16O4)

H3 O+

O CH2

Q

D(C9H12O4)

_ 1)EtO

Me

Me

2) ?

O

E(C15H22O4)

Me

H3O+

O

CO2Et

F(C12H16O)

Q

12.15 Averigua la estructura de los compuestos que aparecen en las siguientes secuencias de reacciones.

Secuencia 1: Me

Me

K2CO3 CH2O

CHO

CN

A(C5H10O2)

_

HO

B(C6H11O2N)

_

Me

Me

HO2C

H 2O

OH OH

EtOH H3O

? TsOH

C

+

1)C6H5MgBr

D

E

2)H3O+

Secuencia 2: Me 2 Me

O

HO

_

_

EtO2C

CH2(CO2Et)2 + EtO

A(C6H10O)

EtO2C

_ CN

B

H3 O

C

O

+

O

O

Me

H3O+ Q

Me

Me

Me CO2H

Q Me

Me

12.16 Utiliza enaminas para realizar las síntesis siguientes.

Síntesis 1: O

O CO2Me

Síntesis 2: O N H

H 3O +

O

Me

?

O

O

XII

329

Síntesis 3: O enamina

O

C6H5

1)

C6H5

O

2)H3O+

OH

12.17 Averigua la estructura de los compuestos que aparecen en las siguientes secuencias de reacciones.

Secuencia 1: Me Me

CH2O

CHO

K2CO 3

Me

CNK

A

HCl H 2O

B

OH

Me [C]

O

O

Secuencia 2: OCH2C6H5

HNa

_ t-BuO K+

A

OEt O C

CO2Et

NaBH4

B

O

C

Me

OEt

OCH2C6H5 1)NaOH, H2O

[D]

2)H3O+

E

Q Me

O

O

Secuencia 3: CO2Me 1)R2NH, H3O+

Me

2)

CHO

A(C8H14O3)

1)R2NH, H3O+ O

2)

CO2Me

B(C12H20O4)

Me

H3O+

O

Me

Secuencia 4: O C 6H 5

CO2Me

MeO

_ [A(C13H16O4)]

MeO

B(C17H22O6)

CO2Me (exceso)

CO2Me

_

C 6H5

CO2Me

12.18 Averigua la estructura de los compuestos que aparecen en las siguientes secuencias de reacciones.

Secuencia 1: O Me

Me

Ba(OH)2

_ A(C6H10O)

MeCOCH2CO2Et + EtO

B(C12H20O4)

HO

_ C(C12H18O3)

1)H3O+, Q 2)RCO3H

XII

330

Me

Me Me

O

O

Secuencia 2: _ EtO MeCHCO2Et

CO2Et

EtO2C

_ EtO

A(C12H20O6)

H 3O +

B(C15H23O6N)

CN

EtOH

Me O _ EtO

[C(C15H24O8)]

EtO2C

Me CO2Et CO2Et

Secuencia 3:

EtO2C

CO2Et

_ EtO C6H5CHO

H3O+

A(C14H18O5)

EtOH

B(C9H8O2)

H2 O

C

H3O+

C 6H 5 _ CH2(CO2Et)2 + EtO

CO2Et

C6H5NH2

D(C18H24O6)

O

N

O

C 6H 5

Secuencia 4: _ 1)EtO

CH2(CO2Et)2

2)IC2H5

_ 1)EtO

A 2)

B

NaBH4

HO

C(C12H22O5)

_

C6H5CH2Cl

CHO

D(C19H28O5)

Q

F(C14H20O3)

EtOH H 3O

+

G

1)(C6H5)3C Na+ 2) Br

2)H3O+

CO2Et

_

E(C15H20O5)

_ 1)HO

EtO2C

CO2Et

OCH2C6H5 Me

12.19 Averigua la estructura de los compuestos que aparecen en la siguiente secuencia de reacciones. O H

Me

Me2NH AcOH, AcONa

A(C6H13N)

CO2Et

B(C11H21O2N)

H 3O + H 2O

O C(C9H16O3)

Me2NH AcOH, AcONa

D(C11H21O2N)

Me

E(C15H28O3N)

H 3 O+ H 2O

XII

331

Me H

O Me

_ AcO

CO2Et

[F(C13H22O4)]

G(C13H20O3)

OH

HO H3O

+

H(C15H24O4)

NH3 H2O

:

O

HN I(C13H21O3N)

H4AlLi

J(C13H23O2N)

1) H3O+, H2O _ 2) HO , H2O

K(C11H19ON) O

Me

XII

13. REACCIONES DE SUSTITUCIÓN ELECTRÓFILA Y SALES DE DIAZONIO

GENERALIDADES

El Benceno y la mayoría los hidrocarburos bencenoides reaccionan con electrófilos (E+) dando lugar a hidrocarburos aromáticos en los que el reactivo electrófilo sustituye a un átomo de hidrógeno: E

H + E+

+ H+

H

E E

H + E+

+ H+

+

Las reacciones de sustitución electrófila transcurren a través de los pasos siguientes:

H

H

E

*

E+

H

H +*

E *

* + * H

*

E H + *

E

H *

+ H+

*

[catión arenio ; intermedio de Wheland ; complejo σ]

H

E +

E

H

E +

H

E +

[catión arenonio] H + E+

E + H+

curso

XIII

333

El paso más lento de estas reacciones, la formación del catión arenio, es el que determina la velocidad total de reacción. La formación de un catión arenio, a partir del hidrocarburo aromático correspondiente, supone siempre una disminución de la energía de enlace π. Es decir, cualquier catión arenio es menos estable que el hidrocarburo del que proviene, y su inestabilidad será tanto mayor cuanto más pequeña sea su energía de enlace π. Esto es así porque el sistema conjugado del catión arenio tiene siempre un átomo de carbono menos que el hidrocarburo del que deriva. Los reactivos (E) implicados normalmente en las reacciones de sustitución electrófila son los siguientes: O + E = R ; R C + ; NO2+ ; SO3 ; X +

Los carbocationes (R+) se obtienen por reacción entre un derivado halogenado y un ácido de Lewis:

Cl R CH R + AlCl3

_ + R_CH_R + AlCl4

Los cationes acilo (RCO+) resultan de la reacción entre un haluro de ácido y un ácido de Lewis:

O

O

R C Cl

+ AlCl3

R C +

_ + AlCl4

El cation nitronio (NO 2+) surge de la reacción entre los ácidos nítrico y sulfúrico:

HNO3 + 2H2SO4

_ NO2+ + H3O+ + 2HSO4

El carácter electrófilo del SO3 se debe a la carga parcial positiva del átomo de azufre:

:O : :O

S

O:

_ :O : S+ :O O:

_ :O

:O: + S

O:

:O

:O: S+

_ O:

Los cationes halogenonio (X+) se obtienen haciendo reaccionar el halógeno con hierro:

3Br2 + 2Fe 2FeBr3 + Br2

2FeBr3 _ Br+ + FeBr4

XIII

334

ENERGÍA DE ENLACE DE CATIONES ARENIO POLICÍCLICOS

La variación de energía π (δEπ) que tiene lugar cuando un hidrocarburo aromático se transforma en un catión arenio, se puede estimar utilizando los coeficientes del orbital molecular no enlazante (ONE) de los átomos unidos al carbono que ha reaccionado con el electrófilo (ver Tema 5):

H

H E

+

E H + *a

a*

δEπ = −2β(a + a) = −4aβ = −2,31β

-a * a =1/ 3

En el modelo de Hückel, 2β es la energía del enlace π del etileno

Todos los átomos de carbono del benceno son equivalentes; esto significa que cuando el benceno se transforma en el catión arenio, la variación de energía π es independiente del átomo de carbono al que se une el reactivo electrófilo. Sin embargo, en los hidrocarburos aromáticos policíclicos, existen posiciones que no son equivalentes, es decir, átomos de carbono distintos. Cuando el reactivo electrófilo se une a estos átomos no equivalentes, la variación de energía de enlace π no es siempre la misma, originándose cationes arenio de diferente inestabilidad.

H 1

+ E+

H a *

-a * a*

1

E

2a +*

(δEπ)1 = −2β(a + 2a) = −6aβ = −1,81β

* -2a

[1] a =1/ 11

Como los signos relativos de los coeficientes son arbitrarios, se eligen siempre positivos para calcular la variación de energía de enlace π:

2

-2b * + H

b *

H

2

+ E+

E * -b

* b

(δEπ)2 = −2β(b + 2b) = −6bβ = −2,12β

* -b

[2] b =1/ 8

En el naftaleno existen dos posiciones no equivalentes (átomos de carbono 1 y 2) Como el catión arenio [1] es menos inestable que el [2], el producto mayoritario de cualquier reacción de sustitución electrófila es el que surge de dicho catión:

XIII

335



+ H

(δEπ)2

2

> (δEπ)1

E

H 1 E

(δEπ)2

+ (δEπ)1

E E

2

+ H

+ E+

+

1

+ H

+

curso

curso

H

H 1

H 2

1

E

E +

1

[producto mayoritario]

(dEπ)1 = −1,81β [menos inestable]

+ H

2

2

E [producto minoritario]

E (dEπ)2 = −2,12β [más inestable]

Factor Parcial de Velocidad (FPV)

El factor parcial de velocidad expresa las velocidades relativas de reacción, determinadas experimentalmente, para las diferentes posiciones no equivalentes de un determinado hidrocarburo aromático. El benceno se elige como molécula de referencia (FPV = 1) y el resto de los hidrocarburos se comparan con él. La reacción empleada en la determinación de los diferentes factores parciales de velocidad suele ser la destritiación (sustitución electrófila de tritio por hidrógeno) en tetrahidrofurano a 700 C: Ar-T + H+

Ar-H + T+

XIII

336

Por ejemplo, en el naftaleno, la posición 1 es 7,7 (1160/151) veces más reactiva que la posición 2: (FPV)1 = 1160 (FPV)2 = 151

Existe una relación estrecha entre los distintos FPV de un determinado hidrocarburo aromático y la disminución de la energía de enlace π en los diferentes cationes arenio. Por este motivo, emplearemos con frecuencia los factores parciales de velocidad para comprobar si las predicciones que hacemos son acertadas. SUSTITUCIÓN ELECTRÓFILA EN EL ANTRACENO

En el antraceno existen tres posiciones no equivalentes, que dan lugar a tres productos de sustitución diferentes: H 9

E

H 1

E

1

H

9

E

+

+ E+

2

2

+

Las estabilidades relativas de los tres cationes arenio son las siguientes: H 1

+ E+

H a *

-a *

a* -a*

1

E + * 3a

(δEπ)1 = −2β(a + 3a) = −8aβ = −1,57β

* -3a

* 2a

a =1/ 26

2

b *

H + E+

-b *

3b * + H

-2b *

E *b

* -b

* b

2

(δEπ)2 = −2β(b + 3b) = −8bβ = −1,88β

b =1/ 18

H

H -c *

9

+ E+

c* -c*

9

E -c * +

* 2c

*c

(δEπ)9 = −2β(c + c) = −4cβ = −1,26β

-c*

c =1/ 10

Disminución de la energía de enlace π: (δEπ)2 > (δEπ)1 > (δEπ)9 Orden de reactividad que se predice: C9 > C1 > C2

Estos son los valores de los factores parciales de velocidad en el antraceno:

XIII

337

(FPV)9 = 127 x 105 (FPV)1 = 7900 (FPV)2 = 1135

Reactividades relativas (datos experimentales) : C9 > C1 > C2

H

9

C9

E

E +

9

[mayoritario]

(δEπ)9 = −1,26β H 9

E

H 1

H 1 E

H 2

+ E+

1

+

C1

[minoritario]

(δEπ)1 = −1,57β + H

2 E

2

C2

[minoritario]

E (δEπ)2 = −1,88β

SUSTITUCIÓN ELECTRÓFILA EN EL FENANTRENO

En el Fenantreno existen cinco posiciones no equivalentes, que dan lugar a cinco productos de sustitución diferentes: H

1

+

E E +

1

H

2

2

E

E H

9 1

H 2

4

3

H

H

H

E+ +

H

H

9

E

4

+

H

E

3

E

3

E

4

+

E E 9

XIII

338

Estabilidades relativas de los cinco cationes arenio: H 1

+

E

a*

-2a *

H 1

* 2a a*

-a *

E + * 3a

(δEπ)1 = −2β(2a + 3a ) = −10aβ = −1,86β

* -3a

a =1/ 29

2

H

E+

-b *

b * -b *

3

-c *

* 2b

(δEπ)2 = −2β(2b + 3b ) = −10bβ = -2,18β

E

b =1/ 21 2c * -2c * * -c

c*

H

H 2

* -2b

* b

E+

3b * +

+ 3c * H

3

* 2c E

(δEπ)3 = −2β(2c + 3c ) = −10cβ = -2,04β

c =1/ 24

E+ 4

d *

-d * d* * -d

H

H

*

-3d *

(δEπ)4 = −2β(2d + 3d ) = −10dβ = -1,96β

2d 4

E

+ * 3d

d =1/ 26

H

9

E+

H e*

9

-e * * e

E

+ * 4e

* -2e

* -2e

(δEπ)9 = −2β(e + 4e ) = −10eβ = -1,80β * 2e

e =1/ 31

Disminución de la energía de enlace π: (δEπ)2 > (δEπ)3 > (δEπ)4 > (δEπ)1 > (δEπ)9 Orden de reactividad que se predice: C9 > C1 > C4 > C3 > C2

Factores parciales de velocidad del fenantreno: (FPV)9 = 1630 (FPV)1 = 900 (FPV)2 = 173

Reactividades relativas (datos experimentales): C9 > C1 > C4 > C3 > C2

(FPV)3 = 385 (FPV)4 = 810

XIII

339

EJERCICIO 13.1

Ordena las posiciones 4, 4' y 5 del 1-Fenilnaftaleno, de acuerdo con su reactividad relativa en una reacción de sustitución electrófila. 4'

5

4

REACCIONES DE SUSTITUCIÓN ELECTRÓFILA REACCIONES CON ELECTRÓFILOS DE CARBONO ALQUILACIÓN DE HIDROCARBUROS AROMÁTICOS CON HALUROS DE ALQUILO (ALQUILACIÓN DE FRIEDEL-CRAFTS)

La reacción está catalizada por ácidos de Lewis: AlBr3 > AlCl3 > FeCl3 > SbCl5 > TiCl4 > ZnCl2 > BF3

H

CH3 CH3Cl AlCl3

δ+ CH3

Cl δ−

δ− δ+ .... .... AlCl3 CH3 Cl

AlCl3

H

Me + CH3

H Cl

_ AlCl3

_ + CH3 + Cl_AlCl3

Me

+

+ H_Cl + AlCl3

Cuando en las reacciones de alquilación se originan carbocationes primarios, pueden tener lugar reacciones de transposición de Wagner-Meerwein: CH2CH2CH3 CH3 CH CH3 + CH3_CH2_CH2Cl

AlCl3

+

5h t = -60C t = 350C

60 % 40 %

40 % 60 %

Si la temperatura se mantiene baja, la reacción está sometida a control cinético y se obtiene como producto mayoritario el que surge del carbocatión primario (este carbocatión es el que se forma más rápidamente) Por el contrario, a temperatura más elevada, el producto mayoritario es el que se obtiene a través del carbocatión más estable (control termodinámico), es decir, del carbocatión que resulta de la reacción de transposición.

XIII

340

CH2CH2CH3

δ+ CH3CH2CH2

Cl δ−

δ+ δ− CH3CH2CH2 .... Cl .... AlCl3

AlCl3

+ CH3CHCH2 +

_ AlCl4

H

[transp.]

CH3 CH CH3

CH3CHCH3 +

EJERCICIO 13.2

Escribe el mecanismo completo de la siguiente reacción: CH3 CH3 CH3

AlCl3

C CH2Cl

CH3 C CH2CH3

+

CH3

ALQUILACIÓN DE HIDROCARBUROS AROMÁTICOS CON OLEFINAS Y ALCOHOLES

Las olefinas y los alcoholes se protonan en medio ácido, dando lugar a carbocationes: Reacción con olefinas: CH3

CH3 _

_

_

CH3 CH CH CH3 CH3 CH3

CH CH CH2

+

H_Cl / AlCl3

_ _

CH3 C CH2_CH3

+

00 C (45 %)

(55 %)

CH3 CH3 CH CH CH3 CH3

_

_

CH3

___

CH3 CH CH CH2 H

Cl

+ CH3 CH_CH CH3 _

AlCl3

[Regla de Markownikoff] CH3 CH3

+ CH3_C___CH_CH3 H

CH3 transposición

CH3 C CH2CH3

CH3_C__CH2_CH3 + [carbocatión más estable]

XIII

341

Reacción con alcoholes: CH3

CH3

CH3 CH CH CH3 CH3 C CH2CH3 CH3

H2SO4

CH3_CH_CH_CH3 +

+

OH

CH3 _

_

_ _

CH3 CH CH CH3

SO4H

_

CH3 _

_

CH3 CH CH CH3

: OH H

_

_

CH3 + _ _ ___

H2O

CH3 C

OH +

CH CH3

CH3

transposición

CH3_C__CH2_CH3 +

H

O_SO3H

_ HO3S_O : H CH3 + CH

H

CH3

_ HO 3S_O :

CH3 +C

CH3

CH

CH CH3

CH3 CH CH CH3

+

CH CH3

H

CH3

CH3

HO3S_OH

+

Me H

Me

CH3 CH3 C

Me

CH2 CH3

+

CH2 CH3

+

HO3S_OH

CH3

Las cadenas hidrocarbonadas unidas a los anillos aromáticos pueden oxidarse fácilmente, dando lugar a ácidos carboxílicos: CH3

CH2CH3

CO 2H K2Cr2O7

CO 2H KMnO4 / H2O

H2O / H2SO4

EJERCICIO 13.3

Escribe el mecanismo completo de las siguientes reacciones: Me

H2SO4

Me

+

Me

Me

H2SO4

XIII

342

ACILACIÓN DE HIDROCARBUROS AROMÁTICOS CON CLORUROS Y ANHIDRIDOS DE ÁCIDO (ACILACIÓN DE FRIEDEL-CRAFTS)

Los cloruros y anhidridos de los ácidos carboxílicos reaccionan con ácidos de Lewis, dando lugar a un catión acilo: Reacción con haluros de ácido: H

COR RCOCl AlCl3

O

O R C Cl :

R C

AlCl3

+ Cl

O

_ AlCl3

_ + AlCl4

R C + [catión acilo]

_ Cl3Al

H O

Cl

R C +

CO_R

CO_R

H +

+ HCl + AlCl3

Reacción con anhidridos de ácido: H

O

COR

O

R C O C R AlCl3

O O

R C O

AlCl3

R C

R C

_

+ O

O

O

O

R C+

C R

AlCl3

[catión acilo]

O

:O C R _ AlCl3

_ R_CO_O___AlCl3 H

H +

O R C+

CO_R

CO_R O +

R C OH + AlCl3

Reactividades relativas en la acetilación y benzoilación del naftaleno: 1,0

COMe 0,31

+

MeCOCl

COMe

AlCl3

+

CHCl3

[minoritario]

[mayoritario] 1,0

CO_C6H5

0,4

+

_

C6H5 COCl

AlCl3

CO_C6H5 +

CHCl3 [mayoritario]

[minoritario]

XIII

343

Debido al impedimento estéreo de C4, en la acetilación del fenantreno se obtienen las siguientes reactividades relativas referidas al benceno (=1): 0,615 (C9) 0,293 (C1)

reactividades: C3 > C9 > C1 > C2 > C4

0,122 (C2)

0,0085 (C4)

0,643 (C3)

[acetilación en CHCl3]

La reacción de Gattermann - Koch permite introducir el grupo formilo en un hidrocarburo aromático; el cloruro de formilo se obtiene haciendo reaccionar monóxido de carbono y cloruro de hidrógeno en presencia de cloruro cuproso como catalizador:

AlCl3

ArH + CO + HCl

H

: C O:

CuCl

H

CuCl

O

AlCl3

C O

Cl

Ar_CHO

H C +

Cl

O

O

H

C H +

C H +

+ AlCl4

CHO _

AlCl4

+ HCl + AlCl3

El grupo carbonilo de los aldehidos y las cetonas se puede transformar en un grupo metileno mediante la reducción de Clemennsen. En esta reacción se emplean amalgama de cinc (Zn + Hg) y ácido clorhídrico. Los ácidos carboxílicos no se reducen, lo cual permite realizar reducciones selectivas: O

C

CH3

CH2-CH3 Zn-Hg / HCl

CO2H

CO2H

EJERCICIO 13.4

Escribe el mecanismo completo de las reacciones de Friedel - Crafts que aparecen a continuación: O

O +

O O

AlCl3

H CO2H

Zn-Hg / HCl Q

H CO2H

1)SOCl2 2)AlCl3 O

XIII

344

REACCIONES CON ELECTRÓFILOS DE NITRÓGENO (NITRACIÓN DE HIDROCARBUROS AROMÁTICOS)

Los hidrocarburos aromáticos reaccionan con el catión nitroílo (nitronio) dando lugar a derivados nitrados: NO2

H HNO3 + H2SO4

El catión nitronio se genera por reacción entre los ácidos nítrico y sulfúrico:

:O + H _ N O H :O

:O + _ N

O SO3H

+ O:

:O

_

H +

: O SO3H

H

O

+ N

O

+

H2O

[catión nitronio]

H

_ HO3S_O

:O

H

NO2

NO2 +

N+

+

HO3S_OH

:O :

Resultados experimentales obtenidos en la nitración del fenantreno:

(C9) 34 %

NO2

27 % (C1)

+ NO2

4 % (C2) 0 % (C4)

reactividades: C9 > C1 > C3 > C2

25 % (C3)

[impedimento estéreo]

La nitración de hidrocarburos abre un camino importante para la síntesis de aminas aromáticas; la reducción del grupo nitro puede realizarse de dos formas diferentes: a) Con estaño o hierro en medio ácido: NO 2

NH2 1)Sn / HCl 2)NaOH

XIII

345

_ + NH3 Cl

NO2 2

+ 3Sn + 14HCl

+ 3SnCl4 + 4H2O

2

[hidrocloruro] _ + NH3 Cl

NH2 NaOH

+ NaCl + H2O

b) Hidrogenación catalítica: NO2

NH2 H2 Pd / C

CO2H

CO2H

REACCIONES CON ELECTRÓFILOS DE AZUFRE (SULFONACIÓN DE HIDROCARBUROS AROMÁTICOS)

El Benceno reacciona con ácido sulfúrico originando ácido bencenosulfónico: SO3H 0

+ H2SO4

170-180 C + H2O (95 %)

Cuando se emplea ácido sulfúrico el electrófilo es el catión H3SO4+ : _ H3SO 4+ + HSO4

2H 2SO4

O O

S O

O

O

H HO S O

OH

O

OH

[ácido]

O

_

S O:

+

+ S OH2

OH

OH

[base]

:O : O S :O

+ OH2 H lenta

:O : + H S O :O : _

_ HSO4

O

:O : + H S O :O : _

rápida

+ H3O+

_ SO3 + H2SO4

XIII

346

_ SO3 + H3O+

SO3H

rápida

+ H2O

En las reacciones de sulfonación, el equilibrio está normalmente desplazado hacia la izquierda; por consiguiente,

para aumentar el rendimiento es necesario eliminar el agua del medio de reacción. La sulfonación puede realizarse también empleando trióxido de azufre como electrófilo:

:O : S :O

:O

O:

_ : O: + S

: O: _ :O

O:

S+

: O: O:

S+ :O

_ O:

El trióxido de azufre se utiliza disuelto en ácido sulfúrico exento de agua; la disolución recibe el nombre de oleum: :O : H

:O : H2SO4

S :O

:O S +

_ O: SO3H H

O:

Sulfonación del naftaleno: (FPV)1 = 1020 (FPV)2 = 180

H2SO4 H2O (79%)

SO3H

Si un ácido sulfónico se calienta en presencia de agua se produce la reacción inversa: H

SO3H + H2O

H2O + C6H5_SO 3H

: O: S

+ H2SO4

_ + H_OH2 + C6H 5_SO3

_ : :

+ H2O___H

Q

O:

H + H2O + SO3

:O :

SO 3 + H2O

SO 4H 2

XIII

347

REACCIONES CON ELECTRÓFILOS DE HALÓGENOS (HALOGENACIÓN DE HIDROCARBUROS AROMÁTICOS)

3Br2 + 2Fe

2FeBr3 _ Br+ + FeBr4

2FeBr3 + Br2

H

H Br +

Br Br+

_ FeBr3

Br + HBr + FeBr3

La cloración se puede llevar a cabo empleando SnCl4 o ZnCl2 como catalizadores: Cl2 + ZnCl2

_ Cl+ + ZnCl3

Cl2 + SnCl4

_ Cl+ + SnCl4

EFECTO DE LOS SUSTITUYENTES EN LAS REACCIONES DE SUSTITUCIÓN ELECTRÓFILA

Si un hidrocarburo aromático que tiene unido un sustituyente (Z) al núcleo, se somete a una reacción de sustitución electrófila ¿a qué posición se unirá el nuevo sustituyente? ¿Se obtendrá una mezcla de todos los productos posibles? Z

Z

Z

Z

E

E+

+

(?)

+ E E

Z

Z

Z

Z

Z

E

E+

+

+

+

+

E E

Z

E

Z E +

E

Z (?)

+

E

La respuesta a las dos preguntas está directamente relacionada con la naturaleza del sustituyente Z, pero es poco dependiente del tipo de reactivo electrófilo que se utilice.

XIII

348

Cuando el hidrocarburo es el benceno, hay sustituyentes que favorecen la entrada del electrófilo en las posiciones orto y para: CH3

CH3

CH3 Br

Br2 / Fe

+ Br

CH3 CH3COCl

o-Bromotolueno

p-Bromotolueno

CH3

CH3 COCH3 +

AlCl3

COCH3 o-Metilacetofenona

p-Metilacetofenona

Otros sustituyentes provocan la entrada del electrófilo en posición meta: CO2Et

CO2Et HNO3

m-Nitrobenzoato de etilo

H2SO4

NO2

CO2Et

CO2Et Br2 [Fe]

m-Bromobenzoato de etilo Br

SUSTITUYENTES QUE ORIENTAN LA ENTRADA DEL ELECTRÓFILO A LAS POSICIONES ORTO Y PARA _

O _NR2 _NH2 _OH _NHCOR _OR _OCOR _CH3 _CH2CH3 _CHMe2 _CMe3 _CH=CH2 _Arilo _CH2CO2R

SUSTITUYENTES QUE ORIENTAN LA ENTRADA DEL ELECTRÓFILO A LA POSICION META _

+ CH2Cl _CHCl2 _CCl3 _CONR2 _CO2R _CO2H _COR _CHO _SO3H _CN _CF3 _NO2 _NR3

Los sustituyentes que orientan a orto y para estabilizan el catión arenio intermedio; es decir, un compuesto que tenga uno de estos sustituyentes reaccionará con cualquier electrófilo más fácilmente que el benceno. Por el contrario, los sustituyentes que orientan a meta, desestabilizan el catión arenio intermedio, y el compuesto portador de dicho sustituyente reaccionará con más dificultad que el benceno. En general, los sustituyentes que ceden electrones estabilizan el catión arenio cuando están unidos a átomos de carbono que tienen carga (posiciones activas); y a la inversa: los sustituyentes aceptores de electrones desestabilizan el catión arenio si están unidos a carbonos con carga. Cualquier sustituyente que esté unido a una posición sin carga (inactiva) no tiene ningún efecto sobre la estabilidad del catión arenio.

XIII

349

δ+ CH3

a +*

* +*

* H

δ+ CH3 Q = a2 [posición activa]

NO2

Menos inestable que:

* -a NO2

-a * H

+ H

NO2

[catión arenonio estabilizado por el Me]

δ+ CH3 *

*

Q = 0 [posición inactiva] La misma inestabilidad que:

H

* + NO2

H + NO 2

[catión arenonio no estabilizado por el Me]

NO2

NO2

*

+ *a

Q = a2 [posición activa] Más inestable que:

+*

* H

* -a

-a*

Br

H

+ H

Br

Br

[catión arenonio desestabilizado por el NO2]

NO2 *

*

Q = 0 [posición inactiva] H

H

La misma inestabilidad que:

* + Br

+ Br

[catión arenonio no desestabilizado por el NO2]

Para los hidrocarburos aromáticos policíclicos son válidos los mismos principios: NO2 *

* *

Q = 0 [posición inactiva] *

H

La misma inestabilidad que:

H

+ Br

* + Br

[catión arenonio no desestabilizado por el NO2]

NO2 * *

-a *

* * H

+ * Br

a*

NO2 + * 2a -a

* H

* -2a Br

Q = 4a2 [posición activa] Más inestable que:

+ H

Br

[catión arenonio desestabilizado por el NO2]

XIII

350

TIPOS DE SUSTITUYENTES δ+ +I : Z

δ− C

(Me, Et, etc. ; cualquier grupo alquilo)

δ− I:Z

δ+ C

(-CX3, -CHX2, -CH2X, -CN)

Inductivos _

+ M : _CH=CH2, C6H5_ (en general: Ar_) _ Electrómeros (mesómeros)

_ + M : _NH2, _NHR, _OH, _OR, _O , _X (F, Cl, Br, I) _

M : _CHO, _COR, _CO2H, _CO2R, _CONH2, _CONHR, _NO2, _SO3H

Grupos estabilizantes del catión arenio (orientación o- y p- en el benceno)

−O−

máxima estabilización

Grupos desestabilizantes del catión arenio (orientación m- en el benceno) mínima desestabilización

−CH2Cl

−NR2

−I

−NHR

−Cl (*)

−NH2

−Br (*)

−OH

−CHCl2

−NHCOR

−CCl3

−OR

−CONR2

−OCOR

−CO2R

−CH3

−CO2H

−CH2CH3

−COR

−CHMe2

−CHO

−CMe3

−SO3H

−CH=CH2

−CN

−Arilo

−CF3

−CO2−

−NO2

−CH2CO2R

mínima estabilización

máxima desestabilización

(*)

+ NR3

(*) Los halógenos desestabilizan el catión arenio, pero orientan a o- y p-

XIII

351

SUSTITUYENTES INDUCTIVOS +I (GRUPOS ALQUILO)

Todos los grupos alquilo son cesores de electrones (el enlace σ que une el grupo al núcleo aromático está C) Estos sustituyentes estabilizan el catión arenio cuando están situados en polarizado en el sentido Z posiciones activas (con carga): Me

Me a* +

E+

Sustitución en o- :

Me

H

E

-a *

[mayoritario]

δEπ = −4aβ = −2,31β

E *a

a = 1/ 3 (Q = +1/3)

Me

Me E+

Sustitución en m- :

Me *a H

a*

[minoritario]

δEπ = −4aβ = −2,31β

E

-a * + E a =1/ 3 (Q = 0)

Me Sustitución en p- :

Me

Me

*a

E+ -a * H

[mayoritario]

δEπ = −4aβ = −2,31β

+ * -a E

E

a = 1/ 3 (Q = + 1/3)

Estos son algunos resultados experimentales: Alquilación: CH2CH2CH3

Pr + C6H5_CH2Cl

Pr

Pr CH2C6H5

AlCl3

+

+

MeNO2, 250C

CH2C6H5 CH2C6H5 (39,6 %)

(8,1 %)

(52,3 %)

Acilación: Me

CH3 + C6H5_COCl

Me

Me COC6H5

AlCl3

+

+ COC6H5 (FPV):

COC6H5 32,6

4,9

626

XIII

352

Nitración: Me

Me

Me

Me

NO2

HNO3-Ac2O

+

00 C

+ NO2 NO2

(FPV) : 49.7

Et

1.3

60

Et

Et

Et NO2

HNO3-Ac2O

+

00 C

+ NO2 NO2

(FPV) : 31.4

CHMe2

2.3

69.5

CHMe2

CHMe2

CHMe2

NO2

HNO3-Ac2O

+

00 C

+ NO2 NO2

(FPV) : 14.8

CMe3

2.4

71.6

CMe3

CMe3

CMe3

NO2

HNO3-Ac2O

+

00 C

+ NO2 NO2

(FPV) : 4.5

3.0

75.5

La disminución del FPV correspondiente a la posición o- ,se debe al aumento progresivo del impedimento estéreo. Halogenación: Et

Et

Et

Et Cl

Cl2 [Fe]

+

+

AcOH

Cl Cl (FPV):

450

___

840

XIII

353

SUSTITUYENTES INDUCTIVOS −I

Son grupos aceptores de electrones (el enlace σ que une el grupo al núcleo aromático está polarizado en el C) Estos sustituyentes desestabilizan el catión arenio cuando están situados en posiciones activas sentido Z (con carga): CCl3

CCl3 a* +H

E+

Sustitución en o- :

CCl3 E

E *a

-a *

δEπ = −4aβ = −2,31β

[minoritario]

δEπ = −4aβ = −2,31β

[mayoritario]

δEπ = −4aβ = −2,31β

[minoritario]

a = 1/ 3 (Q = +1/3)

CCl3

CCl3 E+

Sustitución en m- :

a*

CCl3

*a H E

-a * + E a =1/ 3 (Q = 0)

CCl3

CCl3 E+

Sustitución en p- :

CCl3

*a -a * H

+ * -a E

E

a = 1/ 3 (Q = + 1/3)

Algunos resultados experimentales: Nitración: CCl3

CCl3

CCl3

CCl3

NO2

HNO3−H2SO4

+

250 C

+ NO2 NO2

CF3

6,8 %

64,5 %

CF3

CF3

28,7 %

CF3

NO2

HNO3-H2SO4

+

00 C

+ NO2 NO2

6.0 %

91 %

3.0%

XIII

354

CN

CN

CN

CN

NO2

HNO3

+

00 C

+ NO2 NO2

16.8 %

80.8 %

1.95%

CN

CN

Halogenación: CN

CN Cl

HOCl

+

H3O+

+ Cl Cl

(23.2 %)

CF3

(73.9 %)

(2.9 %)

CF3

CF3

CF3

Cl

HOCl

+

+

H3O+

Cl Cl (15.7 %)

(4.1 %)

(80.2 %)

EFECTO COMBINADO DE VARIOS SUSTITUYENTES +I

Los grupos que en el catión arenio están en posiciones activas (con carga) aparecen en negrita: Me

Me *

* Me Me

98,4 %

(45,1 %)

H SO3H

_ SO3

*+

H2SO4 + H2O

Me

Me

Me

Me

Me

Me

*

(54,9 %)

+ *_

* H

SO3

SO3H Me

Me Me

*

Me Me

Me

* *+

Me

Me

Me

H

(90 %)

_ SO3

SO3H

H2SO4 + H2O 98,4 %

Me

Me Me

* * H

Me

Me

Me (10 %)

+*

_

SO3

SO3H

XIII

355

EJERCICIO 13.5

Ordena, de acuerdo con su abundancia relativa, los productos que se obtienen en las siguientes reacciones: Reacción 1: Me H2SO4 + H2O

(?)

98,4 %

Me

Reacción 2: Me Me

H2SO4 + H2O Me

(?)

98,4 %

SUSTITUYENTES MESÓMEROS ± M

Son grupos que tienen dobles enlaces C-C. Dichos enlaces pueden ser localizados o no localizados. Por ejemplo: dobles enlaces localizados: _CH=CH2 ; dobles enlaces no localizados:

;

_

CH=CH_CH=CH2

en general, cualquier grupo Ar-

Cuando este tipo de sustituyentes está unido a un núcleo aromático, el enlace es siempre un enlace σ esencial, es decir, un enlace que sólo se puede dibujar como sencillo:

[enlace σ esencial]

CH=CH2

[enlace σ esencial]

[enlace σ esencial]

CH=CH2

Si se dibuja como doble, aparecen átomos de carbono con electrones desapareados, que no forman enlace: CH_CH2

CH_CH2

Sin embargo, cuando se forma un catión arenio en un hidrocarburo que tiene alguno de estos sustituyentes, pueden darse dos situaciones diferentes. Una de ellas es que el sustituyente esté ocupando una posición inactiva (sin asterisco), en cuyo caso el enlace continúa siendo un enlace σ esencial y el número de carbonos del sistema conjugado disminuye: [enlace σ esencial]

CH=CH2

CH=CH2 [sistema conjugado de 6 carbonos]

E+

*

*

H

[sistema conjugado de 5 carbonos]

*+ E

XIII

356

La otra, es que el sustituyente ocupe una posición activa (con asterisco); entonces el enlace σ deja de ser esencial y el número de carbonos del sistema conjugado aumenta:

* + CH_CH2

CH=CH2

*

E+

[sistema conjugado de 6 carbonos]

[sistema conjugado de 7 carbonos] * H

* E

En cualquier reacción de sustitución electrófila que tenga lugar en el estireno, el electrófilo se unirá preferentemente a las posiciones o- y p-, ya que los cationes arenio son los menos inestables (mayor número de carbonos en el sistema conjugado):

CH=CH2 H

CH=CH2

*+

E

E *

*

[sistema conjugado de 7 carbonos] CH=CH2

CH=CH2

CH=CH2 *

+ E+

*

[minoritario]

H E

*+ E [sistema conjugado de 5 carbonos] * CH=CH2

CH=CH2

* +*

* H

E

E

[sistema conjugado de 7 carbonos]

EJERCICIO 13.6

Seguidamente aparecen los factores parciales de velocidad del bifenilo para una reacción de bromación y otra de nitración: (FPV) = 10,7

(FPV) = 41

(FPV) = 15,6

Bromación +

(FPV) = 0,28

[HOBr, H3O / dioxano]

(FPV) = 38

Nitración

(FPV) < 0,6 0

[HNO3, Ac2O / 0 C]

Explica estos resultados experimentales con el mismo tipo de razonamiento que el empleado en el caso del estireno.

XIII

357

EJERCICIO 13.7

Ordena, de acuerdo con su abundancia relativa, los 12 productos que pueden obtenerse cuando se lleva a cabo la siguiente reacción de sustitución electrófila: 4' 5'

3'

6'

2'

8 7 6 5

2

Br2

3

[Fe]

(?)

4

El Ejercicio 13.1 te servirá de ayuda. No es preciso que tengas en cuenta el impedimento estéreo.

SUSTITUYENTES MESÓMEROS +M

Son grupos en los que un heteroátomo, más electronegativo que el carbono y con pares de electrones no compartidos, está unido directamente al núcleo aromático:

_

NH2 ; _OH ; _NH_COR ; _OR ; _O_COR ; _X: (Cl, Br, I)

Siempre existen dos efectos electrónicos contrapuestos:

+M

:NH2 -I N

H H

+M > -I

Los sustituyentes +M son, como los sustituyentes +I, orto- y para- dirigentes, ya que estabilizan el catión arenio cuando están situados en posiciones activas:

:OH H *

:OH +E

E +*

*

:OH

:OH

*

+E

+*

*

E

H

:OH

:OH +E

*

*

H

*+ E

XIII

358

Los sustituyentes +M estabilizan el catión arenio cuando están situados en posiciones activas (con carga), y no tienen ningún efecto sobre dicha estabilidad cuando están unidos a carbonos sin carga: [posición activa] OMe H + *

:OMe +

E

sustitución en orto :

*

OMe E

[mayoritario]

E

*

[posición inactiva] OMe

:OMe E+

sustitución en meta :

*

OMe

*E

[minoritario] E

*+ H

[posición activa] OMe

: OMe E+

sustitución en para :

OMe

* [mayoritario]

+*

* H

E

E

Estos son algunos resultados experimentales:

Acilación: OMe

OMe + CH3COCl

OMe

OMe COMe

AlCl3

+

+ COMe

COMe (FPV):

___

___

1.8xI06

Nitración: :OMe

OMe

OMe NO2

HNO3 450C

OMe

+

+ NO2

NO2 (40 %)

(0.0 %)

(58 %)

XIII

359

:O_C6H5

O_C6H5

O_C6H5

O_C6H5

NO2

HNO3 - Ac2O

+

+

00C

NO2 NO2 (0,0 %)

(51 %)

: NH_C6H5

(49 %)

NH_C6H5

NH_C6H5

NH_C6H5

NO2

HNO3 - Ac2O

+

+

00 C

NO2 NO2 (0,0 %)

(24 %)

(76 %)

Sulfonación: :OH

OH

OH

OH SO3H

H2SO4 / H2O (77,8 %)

+

+

250C

SO3H SO3H

___

(FPV) : 3400

7300

Halogenación: : NMe2

NMe2

NMe2

NMe2

Br

Br2 / H2O - AcOH

+

+ Br

Br (FPV) :

:OMe

___

___

3x1019

OMe

OMe

OMe

Cl

Cl2 - AcOH

+

+ Cl

(FPV) :

: OCOMe

6.1x10

Cl

___

6

4.6x107

OCOMe

OCOMe

OCOMe

Cl

Cl2 - AcOH

+

250C

+ Cl Cl

(FPV) :

6.5

0.071

87

XIII

360

Los halógenos provocan la entrada de un nuevo sustituyente en posiciones orto y para; sin embargo, desestabilizan el catión arenio intermedio. No existe ninguna explicación sencilla que ayude a entender este hecho. Nitración: : Cl :

Cl (FPV)orto = 0,029

AcONO2

NO2

MeNO2

(FPV)meta = 0,0009 (FPV)para = 0,137

Br

: Br:

(FPV)orto = 0,033

AcONO2

NO2

MeNO2

(FPV)meta = 0,011 (FPV)para = 0,112

:I :

I

(FPV)orto = 0,252

AcONO2

NO2

MeNO2

(FPV)meta = 0,012 (FPV)para = 0,78

Acilación: Distribución de isómeros y reactividades relativas en la benzoilación de C6H5-X en nitrometano a 250C X

X C6H5-COCl

COC6H5

AlCl3

% X

orto

meta

para

reactividad relativa

H F Cl Br I

⎯ 14.7 33.0 32.5 30.6

⎯ 0.2 0.6 0.7 0.7

⎯ 85.1 66.4 66.8 68.7

1

0.46 0.24 0.18 0.28

Halogenación: Cl

Cl

Cl

Cl

Cl

Cl+

+

+ Cl Cl

36.4 %

1.3 %

62.3 %

XIII

361

Br

Br

Br

Br Cl

Cl+

+

+ Cl

Cl 39.7 %

56.9 %

3.4 %

SUSTITUYENTES MESÓMEROS −M

Son grupos que tienen enlaces polarizados en el sentido C δ− :O

δ− O δ+ OH C

δ+ R C

Z del enlace que les une al núcleo aromático:

δ− O δ+ OR C

O O

− δ+ δ O S

+ NR3

Son, como los sustituyentes -I, meta- dirigentes, ya que desestabilizan el catión arenio cuando están situados en posiciones activas (con asterisco): [posición activa] NO2 H + *

NO2 E+

sustitución en orto :

*

NO2 E E

[minoritario]

*

[posición inactiva] NO2

NO2 E+

sustitución en meta :

*

NO2 *E

[mayoritario] E

*+ H

[posición activa] NO2

NO2 sustitución en para :

NO2

*

E+

[minoritario]

+*

* H

E

E

Nitración: NO2

NO2

NO2

NO2

NO2

HNO3 + H2SO4

+

+ NO2

NO2 (6,1 %)

(91,8 %)

(2,1 %)

XIII

362

CO2H

CO2H

CO2H

CO2H

NO2

HNO3 + H2SO4

+

+ NO2 NO2

(18,5 %)

(80,2 %)

(1,3 %)

CHO

CHO HNO3 + H2SO4

NO2 (90,8 %)

COMe

COMe HNO3 + H2SO4 NO2 (90,0 %)

CONH2

CONH2

CONH2 HNO3

+ NO2 NO2 (70,0 %)

CO2Et

( C2 (40100) > C8 (11770) > C5 (2525) > C7 (468) > C3 (451) > C6 (265)

La nitración del 1-Metilnaftaleno da lugar a una mezcla de dos productos mayoritarios: el 1-Metil-4-nitronaftaleno (FPV = 95800) y el 1-Metil-2-nitronaftaleno (FPV = 40100): Me

Me

1

1-Metil-4-nitronaftaleno + Me

4

H

NO2

4

NO2

NO2+ Me +

Me

H

1

2

NO2

NO2 2

1-Metil-2-nitronaftaleno

XIII

366

Nitración del 1-Nitronaftaleno (el grupo nitro desestabiliza el catión arenio): Estos son los valores de (δEπ) y de la carga en C1 (átomo al que está unido el sustituyente) cuando el electrófilo (NO2+) se une a cada uno de los siete carbonos:

nitración del 1-nitronaftaleno posición C8 C5 C4

δEπ x (-β)

Q(1)

1.81

0.00

1.81 1.81

+0.09 +0.36

[C más reactivo]

8

C3 C6 C7 C2

2.12 2.12 2.12

0.00 0.00 +0.12 +0.50

2.12

NO2 2

[C menos reactivo]

La nitración del 1-Nitronaftaleno da lugar a una mezcla en la que son mayoritarios el 1,5- y el 1,8-Dinitronaftaleno:

NO2 +

8

H

NO2 NO2

NO2

1

8

1,8-Dinitronaftaleno

NO2 NO2+ NO2

NO2 1

1,5-Dinitronaftaleno

+ H

5

5

NO2

NO2

EJERCICIO 13.8

¿Cuáles son los dos productos mayoritarios que se obtienen en las siguientes reacciones?: Me

HNO3

Reacción 1:

H2SO4 NO2

HNO3

Reacción 2:

H2SO4

(?)

(?)

Cuando el hidrocarburo policíclico tiene más de un sustituyente se utiliza el mismo procedimiento. Por ejemplo, ¿cuál será el producto mayoritario que se obtiene en la siguiente reacción?: 8

1

Me

7

Me

3 5

E+

(?)

4

El método menos incómodo consiste en dibujar los ocho cationes arenio del Naftaleno, con la carga de los átomos de carbono en los que puede tener lugar la sustitución:

XIII

367

H *

0,09 *

* 0,09

E

1

0,12 *

* *+ H

5

3

*

(δEπ)2 = −2,12β

0,12

* 0,09

*

*

6

(δEπ)6 = −2,12β

(δEπ)5 = −1,81β

*

E

*

E

0,36

8

*+

* 0,12

*

+ * 0,36 4

E

(δEπ)4 = −1,81β

0,12

7

0,12

* 0,12 * E +0,50

* H

0,50

* H +

*

*

0,09 *

*+ H

(δEπ)3 = −2,12β

0,12

0,36

*

* 0,12 E

*

0,12 *

0,50

0,09

* * E

2

H * 0,12

*

H 0,36

0,09

E

0,12

(δEπ)1 = −1,81β

0,36

*+

*

+ * 0,36 * 0,36

0,50

0,12

0,36 *

H *

*

0,09

* 0,09

(δEπ)8 = −1,81β

(δEπ)7 = −2,12β

La ventaja de hacerlo así es que, una vez dibujados todos los cationes arenio, se puede averiguar fácilmente la influencia de los sustituyentes (da igual el número) en la reactividad relativa de los carbonos del hidrocarburo. A continuación, se hace una tabla como las que aparecen en las páginas 365 y 366, comenzando por los cationes arenio menos inestables (menor variación de δEπ) Como en el ejemplo del 2,6-Dimetilnaftaleno hay dos sustituyentes, en la columna de las cargas (Q) se escriben los valores que corresponden a cada uno de los dos metilos. sustitución electrófila en el 2,6-dimetilnaftaleno posición

(δEπ) x (-β)

C1

1,81

C5

1,81

C4

C8

Qx(Z)

Q2(Me) = +0,36 Q6(Me) = 0,00 Q2(Me) = +0,00 Q6(Me) = +0,36

1,81

[C más reactivo]

Q2(Me) = 0,00 Q6(Me) = +0,09

1,81

Q2(Me) = +0,09 Q6(Me) = 0,00

C3

2,12

C7

2,12

Q2(Me) = +0,12

8

1

5

4

Me

7

Me

3

[C menos reactivo]

carbonos equivalentes: C1 y C5 ; C3 y C7 C4 y C8

Q6(Me) = 0,00 Q2(Me) = 0,00 Q6(Me) = +0,12

Orden de reactividad que se predice: C1 = C5 > C4 = C8 > C3 = C7

(FPV): C1 = C5 (1010000) > C4 = C8 (31400) > C3 = C7 (8060)

XIII

368

EJERCICIO 13.9

Apartado 1: Averigua cuál de las dos posiciones marcadas en el 2,3-Dimetilnaftaleno es más reactiva. 1

Me

6

Me

Apartado 2: Ordena las tres posiciones indicadas en el 1-Metil-4-nitronaftaleno de acuerdo con su reactividad relativa. Me

8

2 3

NO2

SALES DE DIAZONIO

Las aminas aromáticas primarias reaccionan con ácido nitroso dando lugar a sales de diazonio. El ácido nitroso se obtiene haciendo reaccionar nitrito sódico (NaNO2) con ácido clorhídrico: _ _ ( O=N_O : + Na+ ) + ( Cl + H3O+ )

H2O

O=N_OH + H2O + Na+ + Cl

0

0 C

_

[ác. nitroso]

El ácido nitroso se protona en medio ácido fuerte, originando el catión nitrosonio (nitrosilo): H _

O=N OH H

OH2 +

O=N

OH + H2O +

+ O=N:

+ H2O:

[catión nitrosonio]

Reacción del catión nitrosonio con una amina aromática primaria:

NH2

+ N O

+ H2O:

N H

N

O

: OH2

H

+ OH2

H N N O

NH

H

N

N

N=O

+ H3O+

N-Nitrosoanilina

N

OH + OH2 H

+ OH2

+ N

N:

+

N

+ O H + OH2 H

H2O:

[catión fenildiazonio]

XIII

369

Las sales de diazonio se obtienen habitualmente de la forma siguiente: NO2 R

HNO3

reducción

R

H2SO 4

+ N

NH2 NaNO2

R

HCl, H2O

N Cl

_

R [sal de diazonio]

El grupo diazonio se sustituye con facilidad por otros grupos (F, Cl, Br, I, CN, OH, NO2, H) a través de reacciones que transcurren mediante mecanismos que no son bien conocidos:

HBF4

+ N

_ N BF4

Cu o CuCl

Cl

+ N2

Br

+ N2

I

+ N2

KBr

KI

Q

F + BF3

+ N2

_ + N2Cl CuCN

CN + N2

H2SO4

OH + N2

H2O (40-50%)

NaNO2

NO2 + N2

Cu+

H3PO2

H

+ N2

Las principales ventajas de las sales de diazonio en síntesis son las siguientes: 1

Permiten introducir grupos que no son asequibles mediante reacciones de sustitución electrófila (CN, OH y también F o I): CuCN

NH2

NaNO2 HCl

+ N2Cl

CN + N2

_ H2SO4 H2O (40-50%)

OH + N2

XIII

370

2

Sirven para obtener compuestos que no pueden sintetizarse a través de reacciones de sustitución electrófila con un rendimiento aceptable. Por ejemplo, el m-nitrofenol no se obtiene por nitración del fenol, ya que el grupo OH provoca la entrada de un nuevo sustituyente en posiciones o- y p-. NO2

NO2

HNO3

HNO3

H2SO4

H2SO4

_ + N2 SO4H

NH2 NaNO2

reducción NO2

NO2

OH

Q

H2SO4 / H2O

NO2

NO2 m-Nitrofenol

3

El grupo diazonio se puede utilizar para introducir un nuevo sustituyente en la posición adecuada, y eliminarlo al final de la secuencia de reacciones, tratando su sal de diazonio con ácido hipofosforoso: CO2H

CO2H

CO2H

HNO3

CO2H Br2(exceso)

reducción

H2SO4

NO2

Br

Br

NH2

NaNO2

NH2

H2SO4 / H2O

Br CO2H

CO2H Br

Br

Br

H3PO 2

Br

_ + N2 SO4H Br

Br

EJERCICIO 13.10

¿Cómo llevarías a cabo las siguientes transformaciones empleando reacciones de sustitución electrófila y sales de diazonio?: CO2H

NO2

NH2

(5 pasos)

1.

CO2H

2.

(5 pasos) CO2H

NO2 Cl

NH2 Br

Cl (6 pasos)

3.

4.

NO2 CMe3

Cl

Br (3 pasos)

NH2 CMe3

CH2NH2 CH2CH3

(5 pasos)

5.

6.

(5 pasos)

CO2H

OH

Br

OH (8 pasos)

7.

(8 pasos)

8.

Cl I

XIII

371

COLORANTES AZOICOS

Las agrupaciones de átomos que absorben radiación ultravioleta o visible son normalmente dobles enlaces conjugados (1), dobles enlaces conjugados con grupos carbonilo (2) o anillos aromáticos (3) Todas estas agrupaciones reciben el nombre de cromóforos.

Me

Me

Me

Me

Me Me

CH2OH

O

Me

N=N

Me Me

Me

(2) β -Irona

(1) vitamina A [amarillo pálido]

(3) (E) Azobenceno [color naranja]

[color violeta; fragancia de las violetas]

Los cationes arildiazonio son electrófilos; reaccionan con los hidrocarburos aromáticos que tienen algún

sustituyente activante (+M): + N

N

O

+

_

N B:

N

_ O

N

B

H

_ O

N H

N

N

OH + :B

p-Hidroxiazobenceno [compuesto azoico; azoderivado]

Los grupos OH y NH2, especialmente si están en orto o para respecto al doble enlace azo, intensifican el color de los compuestos azoicos. El colorante llamado amarillo de mantequilla se utilizaba para dar color a la margarina, hasta que se descubrió que producía cáncer:

_ + N2Cl

N N NMe2

+

NMe2 N,N-Dimetilanilina

p-Dimetilaminoazobenceno [amarillo de mantequilla]

EJERCICIO 13.11

El "rojo para" es un colorante azoico que se utiliza para teñir algodón. Su estructura es la siguiente: HO N

:

:

O2N

N

Idea una síntesis de este colorante a partir de Anilina y β -Naftol (2-Hidroxinaftaleno)

XIII

372

EJERCICIO 13.12

Para que un colorante azoico presente color azul, su molécula debe tener un número elevado de dobles enlaces conjugados. A continuación aparece la síntesis de un colorante de este tipo; averigua la estructura de los compuestos A y B. H2N

NH2 Me

NaNO2 (2 eq.)

A

HCl, H2O

Me

OH

NH2 SO3H

A

B (colorante azul)

(2 eq.)

+ SO3H

EJERCICIOS ADICIONALES

13.1 Predice cuál de las posiciones indicadas del Benzo[c]fenantreno (1) será la más reactiva en una reacción de

nitración electrófila. Haz lo mismo para el 1-Metoxi-4-nitronaftaleno (2) en una reacción de bromación. Desprecia en ambos casos los posibles efectos debidos a impedimentos estéreos. 6

OMe

5

2

6

(1)

NO2 (2)

13.2 Clasifica los compuestos que aparecen a continuación en orden decreciente de reactividad frente al catión

nitronio, en una reacción de sustitución electrófila que tenga lugar en C7. OH

CO2H

CO2H

7

OH

7

7

MeO (2)

(1)

(3)

MeO MeO

CO2Me

O 2N

CO2Me

7

7

NO2

7

MeO (4)

(5)

(6)

XIII

373

13.3 Los cloruros de ácido que aparecen a continuación se someten a una reacción de Friedel-Crafts

intramolecular empleando las mismas condiciones experimentales. Ordénalos de acuerdo con su reactividad relativa. CH2COCl

CH2COCl

CH2COCl

OMe

MeO MeO (2)

(1)

(3)

CH2COCl

CH2COCl OMe OMe

(4)

(5)

13.4 Empleando Naftaleno como producto inicial se pretende sintetizar los compuestos A y B:

NO2 COMe

CMe3

NO2

(A)

(B)

Explica cuál de las siguientes alternativas es la más razonable: Compuesto A: 1 Primero se realiza la acilación y después la nitración. 2 Primero se realiza la nitración y después la acilación. Compuesto B: 1 Primero se realiza la alquilación y después la nitración. 2 Primero se realiza la nitración y después la alquilación. 13.5 ¿Cuál de las siguientes reacciones tendrá lugar más fácilmente? :

Reacción 1: CH2Cl

CMe3

AlCl3

+

MeO

CH2

CMe3

OMe

Reacción 2: CH2Cl

OMe +

AlCl3

CMe3

MeO CH2

CMe3

XIII

374

Reacción 3: CH2Cl

CMe3

MeO

AlCl3

+

CH2

CMe3

OMe

Reacción 4: CH2Cl

OMe

CMe3

AlCl3

+

MeO

CH2

CMe3

13.6 Diseña una síntesis que permita obtener, con un rendimiento elevado, los compuestos que aparecen a

continuación. Utiliza Naftaleno, Antraceno o Fenantreno como sustancias de partida y cualquier reactivo orgánico o inorgánico que necesites. NO2 COMe

NO2

CH2CH3

CMe3

SO3H

(1)

(3)

(2)

MeOC

Me

CHO NO2

(4)

(5)

13.7 Explica cuál de los dos productos que aparecen en las reacciones siguientes será el mayoritario. Indica los reactivos que son necesarios en cada caso para llevar a cabo cada una de las transformaciones.

Secuencia 1: OMe

OMe

OMe + COMe

COMe

Secuencia 2: NO2 CO2Et

CO2Et

CO2Et + NO2

XIII

375

Secuencia 3: NMe2

NMe2

NMe2 + Br

Br

Secuencia 4: NHCOMe

NHCOMe

NHCOMe + SO3H

SO3H

Secuencia 5: COMe Et

COMe

COMe Et +

13.8 Diseña una síntesis que permita obtener, con un rendimiento aceptable, los productos que aparecen a

continuación: a) p-Nitroisopropilbenceno b) m-Bromoacetofenona c) 1-Etil-4-nitronaftaleno d) 1-Feniletanol e) Ácido 8-bromo-1-naftalensulfónico Puedes utilizar cualquier producto inorgánico, pero únicamente las siguientes sustancias orgánicas: Benceno Naftaleno

Metanol Etanol Isopropanol

Ácido acético

13.9 El 6-Metil-2-nitronaftaleno se somete a una reacción de sustitución electrófila con ácidos nítrico y sulfúrico.

Explica de forma clara y concisa cuál será el producto mayoritario que se obtiene: el 7-Metil-1,3dinitronaftaleno o el 3-Metil-1,7-dinitronaftaleno.

13.10 Averigua la estructura de los compuestos que aparecen en las siguientes secuencias de reacciones.

Secuencia 1: 1) Mg C6H6

Br2 [Fe]

2) A

O

3)H3O+

OH

1)Mg B

SOCl2

C

2)HCO2Et 1)H3O+

D

1) ? 2)H3O+

C6H5

C 6H 5

XIII

376

Secuencia 2: 1)Mg ?

Zn-Hg

?

HCl(conc.)

A

MeCOCl ?

B(C12H16O)

1)NaBH4

C

2)PBr3

2)CO2 1)H3O+

"Brufen" (antirreumático)

Me

O Me

13.11 La Difenadiona es un anticoagulante que ha sido utilizado en Suramérica para controlar la población del

murciélago vampiro.

O CO CH O Difenadiona

Diseña una síntesis de la Difenadiona empleando únicamente los siguientes compuestos orgánicos: Benceno, 1,2-Bencenodicarboxilato de dimetilo (éster dimetílico del ácido o-ftálico), Metil-litio y LDA. Puedes utilizar cualquier sustancia inorgánica. 13.12 ¿Cómo llevarías a cabo las síntesis que aparecen a continuación? Puedes utilizar todos los productos orgánicos o inorgánicos que necesites.

Síntesis 1: OH HO2C

varios pasos

HO

HO

H

HO

H N

Me Me

Me

salbutamol (fármaco para el tratamiento del asma)

Síntesis 2: CMe3

CMe3 varios pasos

Br

XIII

377

RESPUESTAS DE LOS EJERCICIOS INCLUIDOS EN EL TEXTO 6. EQUILIBRIO QUÍMICO Y REACTIVIDAD RESPUESTA 6.1

A(1)

+

(1−α) ΔpKa = log Keq = log

B(2)

B(1)

(1−α)

α

α2 2

(1−α)

= log

+

A(2) α

α2

0,92 = log = 1,9 (1−α)2 (1−0,9)2

RESPUESTA 6.2

_ C6H5_O + H3O+

C6H5_OH + H2O pKa 10

C6H5_OH + CH3_CO2

Keq = 2 x 10-12

pKa -1,7 _

_ C6H5_O + CH3_CO2H

Keq = 6,3 x 10-6

pKa 4,8 _ C6H5_O + NH4+

C6H5_OH + NH3

Keq = 0,2

pKa 9,24

_ C6H5_O + Me2NH2+

C6H5_OH + Me2NH

Keq = 5,0

pKa 10,7

C6H5_OH + MeO

C6H5_OH + Me3CO

_ C6H5_O + MeOH

_

pKa 15,2 _

C6H5_OH + NH2

_

RESPUESTA 6.3

_ C6H5_O + Me3COH pKa 19

Keq = 109

_ C6H5_O + NH3 pKa 36

Keq = 1026

+ O H

O R C NH2

+

H3O+ pKa 1,7

R C NH2

+

H2O

Keq = 16

pKa -0,5

+ O H

O R C OH

Keq = 1,6 x 105

+ H3O+

R C OH

+ H2O

Keq = 5 x 10-5

pKa -6

RT-6,7

378

+ O H

O R C OH

H 3O +

+

R C OH

+

H2O

Keq = 5 x 10-5

+

H2O

Keq = 5 x 10-6

pKa -6

+ O H

O R C OR'

+

H3O+

R C OR' pKa -7 + O H

O R C R

H 3O +

+

R C R

+

Keq = 2,5 x 10-6

H 2O

pKa -7,3

+ O H

O R C H

+

H 3O +

R C H

+

Keq = 5 x 10-9

H 2O

pKa -10

RESPUESTA 6.4

Reacción 1: _ CH3_NO2 + CH3_CO2 Na+

_ CH2_NO2 + CH3_CO2H + Na+ pKa 4,8

pKa 10,2 _ ΔG0 = 1,36 ΔpKa

= -1,36 (4,8 - 10,2) = 7,3 > 0

Keq = antlog

_

ΔG0 1,36

= 4,3 X 10-6

(la reacción no es útil)

Reacción 2: _ CH2_CO2Et + NH3 + Na+

_ CH3_CO2Et + NH2 Na+

pKa 36

pKa 23 _ ΔG0 = 1,36 ΔpKa

= -1,36 (36 - 23) = -17,7 < 0

Keq = antlog

_

ΔG0 1,36

= 1,0 X 1013

(la reacción sí es útil)

7. REACCIONES DE OLEFINAS Y ALQUINOS RESPUESTA 7.1

Apartado 1: Br CH3

CH CH2 (g) +

HBr (g)

CH3

CH CH3 (g)

ΔG 0T = −6.51 − [14.99 + ( −12.73 )] = −8.77 kcal / mol CH3

CH CH2 (g) +

HBr (g)

CH3

CH2 CH2Br (g)

ΔG 0T = −5.37 − [14.99 + ( −12.73)] = −7.63 kcal / mol

El primer equilibrio está más desplazado a la derecha que el segundo (mayor variación negativa de energía libre)

RT-6,7

379

Apartado 2: ⎛ ΔG 0 ⎞ ⎟ K eq. = ant log ⎜ − ⎜ 4.6 T ⎟ ⎝ ⎠

(Tema 7, p. 6, 22) Br

CH 3

CH CH 2 (g) +

HBr (g)

CH CH 3 (g)

CH 3

⎛ ΔG 0 ⎞ ⎟ = ant log ⎛⎜ 8770 ⎞⎟ = ant log 6.3977 = 2.50 × 10 6 K eq. (1) = ant log ⎜ ⎜ 4.6 T ⎟ ⎝ 4.6 × 298 ⎠ ⎝ ⎠ CH3 CH CH2 (g) +

HBr (g)

CH3 CH2 CH2Br (g)

⎛ ΔG0 ⎞ ⎟ = ant log ⎛⎜ 7630 ⎞⎟ = an log 5.5661 = 3.68 × 10 5 K eq. (2) = an log ⎜ ⎜ 4.6 T ⎟ ⎝ 4.6 × 298 ⎠ ⎝ ⎠

Apartado 3: K eq. (1) =

[2 − bromopropa no ] [propeno ][HBr ] K eq. (1)

K eq. (2)

=

K eq. (2) =

[2 − bromopropano] = 2.50 × 106 [1 − bromopropano] 3.68 × 105

[1 − bromopropa no ] [propeno ][HBr ]

= 6.79

[2 − bromopropa no] = 6.79 [1 − bromopropa no] % (2-Bromopropano) = 6.79 % (1-Bromopropano)

(1-bromopropano) = 12.83 % (2-bromopropano) = 87.17 % % (2-Bromopropano) + % (1-Bromopropano) = 100

Apartado 4: ¿Por qué no se obtiene nada de 1-bromopropano?

(

)

(

)

El 2-bromopropano ΔG0f = −6.51 kcal / mol es más estable que el 1-bromopropano ΔG0f = −5.37 kcal / mol Si se deja tiempo suficiente para que la reacción alcance el equilibrio, la mezcla resultante tendrá el 87.17 % de 2-bromopropano y el 12.83 % de 1-bromopropano (la reacción está sometida a control termodinámico) Cuando los productos se aíslan antes de alcanzarse el equilibrio, el producto mayoritario será el que se forma más rápidamente (la reacción está sometida a control cinético) ¿Por qué el 2-bromopropano se forma más deprisa que el 1-bromopropano? RESPUESTA 7.2 1

CH3 CH3

C

+ CH CH3

Cl

CH3 Cl

_ CH3

CH3 CH3 CH3

C CH3

CH CH2 2

1

CH3 2

CH3

C

CH CH3

CH3

[carbocatión secundario]

HCl

C

+ CH2 CH2

CH3 [carbocatión primario]

3-Cloro-2,2-dimetilbutano

Cl

CH3

_ CH3

C

CH2 CH2Cl

CH3 1-Cloro-3,3-dimetilbutano (no se obtiene)

RT-6,7

380

En el carbocatión secundario tiene lugar la transposición de un anión metilo: Me CH3

C

transposición

CH CH3 +

CH3

CH3

+ C

CH3

Cl

CH CH3

_ CH3

CH3

[carbocatión secundario]

Cl

CH3

C

CH CH3

CH3

[carbocatión terciario]

2-Cloro-2,3-dimetilbutano

RESPUESTA 7.3

Reacción del (Z)-3,4-dimetil-3-hexeno con HCl: Se obtiene una mezcla de dos racémicos del 3-cloro-3,4-dimetilhexano: (1) y (4) ; (2) y (3) Comprueba que partiendo del diastereoisómero (E) del 3,4-dimetil-3-hexeno se obtiene la misma mezcla de reacción. H

Cl

1

4

1

H 1

+

Me

Cl

_

Me Et

[1] (3S,4S)

Et

Me Et

Me Et

H

2

4 2

3

Me Et

1

Cl

[2] (3R,4S)

Me Et

3

Me Et

HCl

Me Et

(Z) 2

Me Et

1

+

Me

_

Me Et

[3] (3S,4R)

Cl

Et

2

H

3

H

1

Me Et

Cl 4

Me Et

2

Me Et 4

3

2

Cl

H

[4] (3R,4R) RESPUESTA 7.4

Alcohol terc-butílico CH3 CH3

C

CH3 CH2

C +

CH3

OH H

C

CH2

2-Metilpropano

CH3

C

+

H3O+

CH3

C +

CH3

CH2

H

CH3

CH3 CH3

CH3 CH2

CH3 + H2O

CH3

C

CH3 +

H3O+

OH Alcohol terc-butílico

RT-6,7

381

1-Metilciclobutanol H 2C

CH3

H 3C +

+

OH

CH3

CH3

H

Metilenciclobutano

CH3

+

CH3

CH3

H3O+

+

+

CH2

H2O

+

+

H3O+

1-Metilciclobutanol

CH2

+

OH

H2O

H

1-Metilciclobuteno

1-Metilciclobuteno

H3O+

CH3

H +

H2O

H2O

Metilenciclobutano

OH

+

H3O+

1-Metilciclobutanol

1-Feniletanol OH C6H5 CH CH3

C6H5

+ CH CH3

C6H5

CH CH2

Feniletileno (Estireno)

C6H5

CH CH2

H3O+

+

C6H5

+ CH CH3

+

H2O

H2O

OH C6H5

CH CH3

+

H3O+

Feniletileno

2-Metil-2-butanol CH3 CH3

CH3

CH3 CH3

C CHCH3

+

CH3

CH3

C CH2CH3 OH

H3O

+

CH3

C CHCH3 + H

2-Metil-2-buteno

CH3 H2O

C CHCH3 + + H

CH3

2-Metil-2-buteno

C CHCH3

H2O

CH3 CH3

C CHCH3

2-Metil-2-butanol

RESPUESTA 7.5

Reacción 1: H

Cl CH3 H

H

+

CH3

H (carbocatión terciario)

Cl

_

Cl CH3 1-Cloro-1-metilciclohexano

RT-6,7

382

Reacción 2: 5 1

4

6 1

Et

4

H

3

HCl

CH3

Et

H

+

H

H

2

Cl

CH3

(1R,3S)

1

3 1 5

Cl

6

Et

Me

2

(1)

_

3-Etil-1-metil-1clorociclohexano

2

H

5

(3S)-3-Etil-1-metilciclohexeno

Me

6

Et

4

(1S,3S)

1

2 3

Cl

2

H (2) 3-Etil-1-metil-1clorociclohexano

Se obtiene una mezcla de dos diastereoisómeros: (1) (1R,3S) y (2) (1S,3S) Reacción 3: H 1

5

6 1

4

Me

3

HOH

CH3

H2SO4

H

+

H

2

H

Me

2

3

2

Me

trans 1,4-Dimetilciclohexanol

H2O

CH3

OH 1

Me

H

6

4

1

H

5

6

Me 1

4

2

(4R)-1,4-Dimetilciclohexeno

5

Me

3

2

OH

cis 1,4-Dimetilciclohexanol

Se obtiene una pareja de diastereoisómeros cis / trans del 1,4-dimetilciclohexanol

RESPUESTA 7.6

CH2

CH2

CH2

+

+ CH2 CH2

+

H3O+

CH3 CH2

+ CH2

CH3

+

H2O

CH2CH2CH3 dímero

CH2

+ CH2 CH2

CH2CH2CH3

+ CH2

...

CH2CH2CH2CH2CH3 trímero

+ CH2

CH

B:

H

CH2 nCH3

CH2

CH

CH2 nCH3

+

HB+

Polietieno

RT-6,7

383

RESPUESTA 7.7

(E)-2-Buteno: Br

Br

1

Me

H Me [1] (2S,3S)

H

1

Br H

+

1

Me

Br

_

2

1

H

H Me

(E)

Br2

H Br [2] (2S,3R)

Me H

Br 2

1

2

3

H Me

Br Me H

1

Br

H

+

[3] (2R,3S)

_

Me H

Me

2

Br

Me

3

2

2

Me

Me

H

Br

Me H

3

2

H

Me

3

2

2 2

Br

Br [4] (2R,3R)

Enantiómeros: (1) y (4) ; Forma meso: (2) = (3) (Z)-2-Buteno:

Br

Br 2

1

H Me

1

Br 1

+

H Me

H

Br

_

H Me

[1] (2R,3S)

Me

H

Br

2

2 2

Me

3

H Me

1

Br

[2] (2R,3R)

H Me

3

(Z)

H Me

Br2 Me

2

H

H Me

1 +

H

Br

Br 2

1

3

H Me

Br

_

[3] (2S,3S)

Me

2

Br

2

Me

H

H 2

Me

3

2

Br

Br [4] (2S,3R)

Se llega al mismo resultado que con el estereoisómero (E) Enantiómeros: (2) y (3) ; Forma meso: (1) = (4)

RT-6,7

384

RESPUESTA 7.8

Br 1

3

2

H Me 2

1

Me

H Me

Br2

H Me

H

Me

Br

H

Me H

2

Me Br

Br

H

3

Me

(1) (2R,3S)

_

Br

H

Br +

H Me

H

Br 2

2

3

Br

2

Br H

Me H

3

Me Br

Me

(2) (2S,3R)

El resultado es el mismo que si se parte del otro catión bromonio: +

Br H

Me

Me

H

RESPUESTA 7.9

A continuación aparece un esquema de la reacción entre XOH y los estereoisómeros (Z) y (E) de una olefina que tiene los mismos sustituyentes unidos al doble enlace. R

H

X

1

H R

HO + X

A(1)

H

H

R

HO

_

R 1

2

X 2

H

H R

XOH

H R

H R

OH A(2)

R (Z)

H R

HO 1

H R 1

2

H

H

R

X A(2)

HO

_

R X + R

H

OH

2

H R

X

Enantiómeros: A(1) y A(2)

A(1)

RT-6,7

385

Para obtener una de las dos parejas de enantiómeros, a partir del estereoisómero (Z), sólo es necesario trabajar con uno de los dos cationes halogenonio posibles. Si la reacción se hace con el estereoisómero (E), hace falta emplear los dos cationes halogenonio, ya que cada uno de ellos sólo da lugar a uno de los estereoisómeros de la otra pareja de enantiómeros: H

R

X

1

R H

HO + X

A(3)

H

R

R

HO

_

H 1

2

X 2

R

H R

R H

H R

XOH

OH A(3)

H (E)

R H

HO 1

H R 1

2

H

R

R

X A(4)

HO

_

H X + R

H

OH

2

R H

X

Enantiómeros: A(3) y A(4)

A(4)

Si en los esquemas anteriores R ≡ Me, los resultados son los siguientes:

H

H

Me

Me

ClOH

Me

H 3

H Me

HO

(Z)

+

(2S,3S)-3-Cloro-2-butanol

Me

H Me

H (E)

ClOH

Me

H

HO

3

Me H

(2S,3R)-3-Cloro-2-butanol

3

2

H Me

OH

(2R,3R)-3-Cloro-2-butanol

Cl 2

H Me

Cl

Cl 2

Me

HO +

2

H Me

3

H

Cl

(2R,3S)-3-Cloro-2-butanol

RT-6,7

386

RESPUESTA 7.10

Et

Br

Me

Et

HOBr

2

OH Me 1

OH Br

1

Et

2

+

2-Bromo-2-etil1-metilciclohexanol

Me

2-Bromo-1-etil2-metilciclohexanol

1

Et

Br

+ Br

HO

_

OH

Me

(1)

Me

Et 1

2

Br

2

Me

2

(1S,2S)

1

Et

HOBr Et

(1R,2R)

2

1

OH (2)

Me 3

OH

Me

1 3

HO

4

Et

_

(1S,2S)

2

Et

Br (1)

Me Br +

4

Et

OH

2

(1R,2R)

1

Br

Me (2)

Se obtienen los siguientes productos: (1R,2R)

2-bromo-1-Etil-2-metilciclohexanol (1)

pareja de enantiómeros (1S,2S) (1S,2S)

2-bromo-2-Etil-1-metilciclohexanol (2)

pareja de enantiómeros (1R,2R)

RESPUESTA 7.11

CH CH2CH3

1)RCO3H 2)H3O+

OH CH CH2CH3 OH 1-(1-Hidroxipropil)ciclohexanol

RT-6,7

387

H O

RCO3H

H

H3O+

H

Et

O+

Et

Et

H

H + O

H

HO 1

O H

H Et

+

Et

H Et

H2O OH (1)(1S)

H 2O

H 2O +

H Et

O+

OH

H 2O

H Et

1

H

O

H

Et

HO (2)(1R)

H

RESPUESTA 7.12

O

O Os

O

O

KOH

OH

H 2O

Et

2

1

Me

Et

Et

OsO4

(1S,2R)

OH Me

(1)

Me KOH

Et

H 2O Et

O

O

1

Me

(1R,2S)

2

OH OH (2)

Os O

Me

O

Se obtiene una pareja de enantiómeros del 1-Etil-2-metil-1,2-ciclohexanodiol. RESPUESTA 7.13

Reacción del (Z)-2-Penteno: Me

H 2

1

H H Me

H Et (Z)-2-Penteno

RCO3H

H Me

O

H Et

H3O+

3

H Et

HO

O+

H

OH

H

Me

H2O

(1)(2S,3S)

Et 1

HO

2

H 2

2

H Me

Et

3

OH

(2)(2R,3R)

RT-6,7

388

Reacción del (E)-2-penteno: O

O Os

O

H Me H Me

Et

KOH

H

H 2O

2

3

H Me

OsO4

Et

OH

HO

O

H

Et

(2) (2R,3R)

H (E)-2-Penteno

H Me

O O

O

Et

KOH

H

H2O

Me

H

Et H 2

HO

Os

3

OH

(1) (2S,3S)

O

En los dos casos se obtiene la misma pareja de enantiómeros. RESPUESTA 7.14

Las reacciones que conducen a los dos isómeros son reversibles. Los dos haluros de alquilo se ionizan fácilmente, debido a que ambos originan un carbocatión estabilizado: Cl ClCH2

ClCH2

CH CH CH2

CH CH CH2Cl

2000C

2000C

ClCH2

+ _ CH CH CH2 + Cl

ClCH2

+ _ CH CH CH2 + Cl

Ahora, el carbocatión vuelve a reaccionar con el nucleófilo (Cl−) en condiciones de control termodinámico, ya que la temperatura se ha elevado hasta 2000C. El resultado final es el mismo que si la reacción entre 1,3-butadieno y cloro transcurre a 2000C. RESPUESTA 7.15 ÁTOMOS CONJUGADOS 1

*

+*

*

*

OMe

*

H

(1)

2

2

* H * *

4

9

H 7

+ *

OMe

(2) C6 H5

OMe 3

1 3

H+* 3 * OMe

(3)

H 4

H (4)

0

+ OMe

RT-6,7

389

Orden de estabilidad relativa: (1) > (2) >> (3) >>> (4) La reacción transcurre a través del carbocatión (1): + H 1

C 6H 5

C 6H 5

H

+

OMe 1

C6H5

OMe

OMe (adición 1,4)

(adición 1,2)

+ H

2

+ OMe 2

C 6H 5

C 6H 5

+

OMe H

H

(adición 1,4)

(adición 1,2)

Adición 1,2: se obtiene 3-Bromo-1-fenil-4-metoxiciclopenteno

2 1 1

+

H

C 6H 5 2

Br

C 6H 5

Br 3

H 4

1

H

_

(trans)

OMe

(1)(3R,4R)

OMe 2 2

C6H5

H

3

H 4

1

Br

(cis)

OMe

(2)(3S,4R)

Br 2 1 1 +

OMe

C6H5 2

Br

C 6H 5

3

4

1

H

_

OMe (cis)

H

(3)(3R,4S)

H 2 2

C 6H 5

H

3

OMe 4

1

Br

(trans)

H

(4)(3S,4S)

Se obtienen dos racémicos: (1) y (4) ; (2) y (3) Las cantidades de (1) y (4) son iguales porque ambos se obtienen en la reacción del anión bromuro por el lado menos impedido del carbocatión. Lo mismo sucede con (2) y (3) que surgen de la interacción por la cara más impedida. Por este motivo, el racémico [(1) + (4)] será mayoritario y el [(2) + (3)] minoritario.

RT-6,7

390

Adición 1,4: se obtiene 3-Bromo-3-fenil-5-metoxiciclopenteno Br 1 1

1

+

Br

H 5

C6H5 H

C6H5

2

3

_

(trans)

OMe

4

(5)(3R,5R)

OMe

C6H5

2

1

2

H 5

3 2

Br

(cis)

OMe

4

(6)(3S,5R)

Br 1 1

1

+

Br

OMe 5

3

C6 H5 OMe

C6H5

2

_

(cis)

H

4

(7)(3R,5S)

H

C 6H 5

2

1

2

OMe 5

3 2

Br

(trans)

H

4

(8)(3S,5S)

Ahora se obtiene una mezcla de otros dos racémicos: (5) y (8) ; (6) y (7) Por la misma razón que antes, el racémico [(5) + (8)] será el mayoritario. Si la reacción se realiza a temperatura alta, está sometida a control termodinámico.

Producto mayoritario: mezcla de estereoisómeros [(1), (2), (3) y (4)] de la olefina más sustituida: 3-Bromo-1-fenil-4Metoxiciclopenteno [adición 1,2] Si la reacción se realiza a temperatura baja, está sometida a control cinético.

Producto mayoritario: mezcla de estereoisómeros [(5), (6), (7) y (8)] de la olefina menos sustituida: 3-Bromo-3-fenil-5Metoxiciclopenteno [adición 1,4] RESPUESTA 7.16 Cl 1

+ R C CH2

_ Cl

Cl R C CH2

HBr

2

1 2

CH

C CH3 + (1') Cl

(1)

R C

R

+ R CH CH2

Cl

_ Br

R

C

CH3

Br _ Br

Cl R CH CH2Br

(1'')

HCl 1

+ R CH CH

_ Cl

Cl R CH CH

Br

+ R CH2 CH Cl

Br

Br R CH CH2Cl

HBr

(2) 2

_

Cl + R CH CH2

1 2

_

Br R CH2 CHCl

RT-6,7

391

El carbocatión (1) es menos inestable que el (2) debido al grupo alquilo R (cesor de electrones) unido a él. El carbocatión (2) no se forma o lo hará en cantidades insignificantes. En la reacción con HBr se originan los carbocationes (1’) y (1’’) De los dos, (1’) es más estable que (1’’) debido a la deslocalización de la carga entre los átomos de cloro y carbono. + : Cl :

: Cl :

R C CH3

R C CH3 +

El producto mayoritario de la reacción será el siguiente: : Cl : Br

R C CH3 +

_

Cl R C CH3 Br

RESPUESTA 7.17

3,4-Hexanodiol Retrosíntesis: OH OH CH3CH2

CH CH CH 2CH3

CH 3CH2

CH CH CH 2CH3

CH3CH2X

CH 3CH2

CH2

CH2

CH

CH

CH

C

C

CH 2CH3

CH

+ CH C :

_

Síntesis: HBr

CH

CH

CH3CH2

_ Na+:NH2 0

-33 C

C

C

CH C :

CH2CH3

H2 C

_ CH3CH2Br

H2

CH3CH2

CH3CH2

[Pt]

H2

CH2

[Pt]

CH

C CH

CH CH CH2CH3

CH

1)Na+NH2-

CH3CH2

2)CH3CH2Br

C

C

CH2CH3

OH OH

1)OsO4

CH3CH2

2)H3O+

CH CH CH2CH3

3,4-Hexanodiol

(E)-3-Hexeno

La síntesis es idéntica a la anterior hasta llegar al 3-Hexino. Este compuesto se transforma en (E)-3-Hexino por reducción con sodio en amoníaco líquido: :

_ Na+:NH2

CH3CH2

C

C

CH2CH3

-330 C

CH3CH2

H C

H

C CH2CH3

(E)-3-Hexeno

RT-6,7

392

8. REACCIONES DE SUSTITUCIÓN NUCLEÓFILA EN GRUPOS CARBONILO

RESPUESTA 8.1 O

Cl

O R C O: H

P

Cl

R C O:

P

+

R C

O

_

H

Cl

OH

R C O: H

P

OH

OH P Cl

_

H

OH O

OH

OH P OH

_

H

O P:

_

H O

OH

+

HO P OH

+

HO P OH

OH

R C Cl

OH +

P:

HO P

OH

OH

HO P Cl

O

+ O

OH H

+

Cl

R C Cl

O

Cl

HO P :

R C Cl

R C

Cl

Cl

O

+ O

Cl

PO3H3

PCl2

O

Cl

+

O

R C

OH

O

3 R C Cl

O

Cl

O H

Cl

O

PCl3

3 R C OH

OH

+

H

O P:

OH

OH

OH + P H

OH

OH

O P H

+

O P H

OH

OH

_

OH

RESPUESTA 8.2 O OH

O C CH3 +

O

N

CH3 CO O CO CH3

+

_ CH3 C O

+ +N H

Me N:

C O

Me O

O + N C Me +

C

O _ Me C O

O [catión acilamonio]

O

OH

+ C N Me

_ [adición]

+ O H

O C Me

+ N

[eliminación]

+

O

O

C + :N

H

Me

RT-8,9,10,11

393

O

O

Me C O +

:N

H

+

Me C O

+ N

H

[Acetato de fenilo]

RESPUESTA 8.3

COCl

CO2H O

N

+

O +

C O C

Cl

_

N+ H

_

O N:

+ N

C Cl C6H5

O C

+ O N C C6H5

Cl

C6H5

[catión acilamonio]

_ O

O

C OH

C

[adición]

+ N

O +

O

C O

C

H

+ N

C6H5

C6H5

_ O +

O

C O

C

H

C

H

C6H5

O +

O

O

C O

C

C

H

O

O + C O

[eliminación]

+ N

+

:N

C6H5

O O

C

+ N+

C6H5

H

N:

RESPUESTA 8.4 O :NH2

HN C CH2CH3 O +

CH3CH2 C O Me

:O NH2 C O Me CH2CH3

[adición]

+ MeOH

_ :O :

+ NH2 C O Me CH2CH3

RT-8,9,10,11

394

_ :O :

H +

O H

H O:

N

C O Me

N

C O Me

H

CH2CH3

H

CH2CH3

+ NH3

H2N

O NH C CH2CH3 +

[eliminación] NH C

O Me

+

+ MeO

_

CH2CH3

+ H2N

H

_ O_Me

NH2 +

MeOH

RESPUESTA 8.5 O

O

_

R C NH2 + HO

: O: HO

NH2

_

HO C NH2

R

R

NH2 H___OH

HO C R

[base]1

[ácido]1

[ácido]2

HO C

OH ___

NH2 H

OH

R

_

[base]2

+ NH3

+ HO

_

R

[base]1

H

HO C

+ HO

OH

R

OH

_ HO

+ NH3

_ :O:

[adición]

C NH2

_ O:

HO C

_

R C O

[ácido]2

[ácido]1

O:

HO C R

+ NH3

[eliminación]

[base]2

:O: HO C R

+ H2O + NH3

ácido

RT-8,9,10,11

395

:O : R

C OH

:O :

_ HO

+

R

C O

_ +

H2O

anión del ácido H3O+ (ácido fuerte: HCl)

:O : R

+

C OH

H2O

ácido libre RESPUESTA 8.6

Hidrólisis de la lactona: H 3O +

O

H 2O

O

Ác. γ −hidroxibutírico

γ −Butirolactona

O + H3O

O

OH2 + O H

H + O___H

[adición]

HO_CH2CH2CH2_CO2H

+ O H

+

O_ H

O_ H

:OH2

+ H___OH2

O_H O_ H

O_ H + O___H

[eliminación]

O_ H : OH2

C O:

O:

O: + H

+ H2O

_ O: O H + H

_ O: O H

O OH

O

+ H2O

O

H

O:

+ H3O+

H Ác. γ-hidroxipropiónico

Hidrólisis de la lactama:

O N

_ HO H2O

_ H2N_CH2CH2CH2CH2_CO2 anión del Ácido δ−aminopentanoico

H δ−Valerolactama

_

OH

OH

[adición]

O

O N

N H

_

OH

OH H___OH

OH NH

H

H___OH

+_ N H

OH

_ + HO

H

RT-8,9,10,11

396

N_H +

_

O___H

OH _

O__H

[eliminación]

O

C

OH

_ O

OH

C

NH2

O

+ H2O

NH2

H

anión del Ácido δ−aminopropiónico

RESPUESTA 8.7

1. Hidrólisis en medio ácido: O O O

C__OH

H 3 O+

+ H 2O

C__OH

O

O

Anhidrido ftálico

H O

+ O__H

+ H__OH2

O:

:OH2

H O

[adición]

H + O__H

O

O

O

O:

O:

O:

H + O___H

H O

:OH2

H O

O_H

O

O

O:

O:

O_H + H2O

O + H___OH2

_ +O H

H O H O

O___H

:OH2

C O

[eliminación]

+ + H3O

O C O _

+O H

O H

2. Reacción con metanol en medio ácido: O O O + MeOH

C__OMe

H3O+

C__OH O

O:

+ H OH2 __

O

Me

+ O__H

O

O

O:

O:

: OMe H

[adición]

H-O + O__H O O:

RT-8,9,10,11

397

Me H O + O___H

HO

:OH2

O

O

O:

O:

MeO

O___H

MeO

O_Me

O_ H O

+ H___OH2

+ H2O

_ +O H

OMe :OH2

C

[eliminación]

O + + H3O

O C _ +O H

O

OH

3. Reacción con metiIamina: O O

C__NHMe

H 3 O+

O + 2MeNH2

C__O O

H

_ : O:

:NMe O

+ MeNH3

O

H

O:

+

_

[adición]

+ N__Me

MeH_N

OH

H

O:

O O:

O:

O___ H

MeNH

O_H

NHMe

:NH2Me

C O

[eliminación] O

+ MeNH3

+ C O

:O

O_

RESPUESTA 8.8 O R CH2

C OEt + :B

O _

R CH

_

C___OEt

CO2Et

CH2R

_ :O : R CH C OEt +

H _B

O R CH C CH2

+

_ R + EtO

CO2Et β−cetoéster

Se pueden formar dos aniones enolato: CH 3_CO2Et

_ EtO EtOH

_ CH2_CO2Et (1) (anión enolato del acetato de etilo)

RT-8,9,10,11

398

C6H5CH2_CO2Et

_ EtO EtOH

_ C6H5_CH_CO2Et (2) (anión enolato del fenilacetato de etilo)

1. Reacción del enolato (1) con acetato de etilo:

O

_ EtO2C CH2

_ O

[adición]

C OEt

EtO2C CH2

CH3

O

[eliminación] CH3

C

CH3

_

C CH2 CO2Et

+ EtO

3-Oxobutanoato de etilo

OEt

2. Reacción del enolato (1) con fenilacetato de etilo:

O

_ EtO2C CH2

[adición]

EtO2C CH2 C CH2 C6H5

C OEt CH2

_ O

C6H5

O

[eliminación]

_

C6H5CH2 C CH2 CO2Et + EtO 4-Fenil-3-oxobutanoato de etilo

OEt

3. Reacción del enolato (2) con acetato de etilo:

O

_ EtO2C CH

_ O

[adición]

C OEt

EtO2C

CH3

C6H5

O C6H5

[eliminación] CH3

CH

C

C6H5

OEt

CH3

C CH

_ CO2Et

+ EtO

2-Fenil-3-oxobutanoato de etilo

4. Reacción del enolato (2) con fenilacetato de etilo: _ EtO2C CH C6H5

O

_ O

[adición] EtO2C CH

C OEt

C6H5

CH2C6H5

O C6H5

[eliminación]

OEt

_ CO2Et + EtO

C6H5CH2 C CH

CH2C6H5

C

2,4-Difenil-3-oxobutanoato de etilo

RESPUESTA 8.9

Reacción 1: _

C6H5 CH2_CO2Et

C6H5_CH2_CO2Et + EtO

_

+ H CO2Et

1)EtO

_

2)H3O+

O

O _ C6H5 CH C OEt

_

C6H5 CH C OEt

(1)

O

O

_

EtO

C

C6H5

CH

O C OEt H

[adición]

EtO

C

C6H5 CH

O C H

_ + EtOH

(2)

_ OEt

[eliminación]

O C6H5

CH C H

_ + EtO

CO2Et

(2)

RT-8,9,10,11

399

Reacción 2:

CH3 CH CO2Et

CH3 CH3

O

_ Na+ NH2

CH3

EtO C OEt

A

NH3 (liq.)

CH3 O

_

CH CO2Et + NH2

C _

CH3

CH3 O

C OEt

CH3

C

_ + NH3

C OEt

(A)

O

O

_ O

EtO C

[adición]

H3C C

C OEt

H3C C CH3

O

EtO C

OEt

_ CH3 O

[eliminación]

C

CH3

OEt

C

_

C OEt

+ EtO

CO2Et

CH3 OEt

(A)

Reacción 3: CH3 C 6H 5

Me C6H5

LDA

CH CO2Et

CH CO 2Et + LDA

C6H5

B

Me

O

C_

C OEt

CH3COCl

Me O C6H5

C

_

C OEt

+ HN(CHMe2)2

(B)

O EtO C C6H5

O

_

C Me

Cl C

O

Cl

EtO C

[adición]

C6H5

Me

C

C

Me

Me

O C6H5

[eliminación]

_ O

CH3

C C CO2Et

_ + Cl

Me

RESPUESTA 8.10

Reacción 1: H

H

CO2Et Me

_ EtO

Me CH2_CO2Et

EtOH

O A

H 3 O+

Me

Me

+ CO2

(68 %)

H Me H

H CO 2Et Me CH2__CO2Et

EtO

_

EtOH H

O

H

_ O

C__OEt

C___ OEt

_ CH__CO2Et

CH__CO2Et H

RT-8,9,10,11

400

O

H

H

H

C

O

+

H3O

CH__CO2Et

O

Q

+ CO2

CO2H

H

β-cetoácido

Reacción 2: CO2Me

O

CH

CH2CH2

CH

CH2CH2 CO Me 2

CO2Me

MeONa

MeO2C

MeOH

CO2Me O

CO2Me (60 %)

CO2Me 3 4

CH

5 CH

2

CH2CH2 6

MeO2C

CO2Me

7

MeO2C

CH2CH2 CO Me 2

7



CO2Me

MeO2C

_

CH

_ CO2Me ___

CH

C

6

MeO

OMe

MeONa MeOH

5

CO2Me

O HC

CO2Me

2

CH

O MeO C



3

4

MeO2C

C

_ CO2Me

HC

C___OMe

CH

O

O_

O MeO2C

CO2Me O

Reacción 3: CO2Et N

O

(CH2)4__CO2Et

1)EtO

_

2)H3O+

N (27 %)

O EtO C

N

O

CO2Et H2C

EtO C EtONa EtOH

N

CO Et _ 2 C H

O

_

EtO N

RT-8,9,10,11

401

O

O

CO2Et

O

CO2H

H3O+

Q

N

N

+ CO2

N

9. REACCIONES DE SUSTITUCIÓN NUCLEÓFILA EN UN CARBONO SATURADO RESPUESTA 9.1

Mecanismo SN1: I* 1 1

Me H

I

H C6H13

C6H13

+

*I

Me

_

2

Me

H

Me

C6H13

(2R)

(2S)

H C6H13

(2R)

2

I*

Supongamos: 100 moléculas (R) al principio 20 moléculas se sustituyen, dando [10(R) + 10(S)] Ahora existen 80(R) + [10(R) + 10(S)]; desde el punto de vista de la actividad óptica es como si quedaran 80 moléculas (R). El poder rotatorio aparente ha disminuido un 20 % después del 20 % de sustitución.

velocidad de sustitución = velocidad de racemización

Mecanismo SN2: Me

Me *I

_

* I ..... ..... I

I

H C6H13

Me

H

*I

C6H13

(2R)

C6H13 _ I

H C6H13

+ I

_

(2S)

H

H I*

Me (2S)

C6H13 + *I

I

_

.....

Me (2R)

Supongamos: 100 moléculas (R) al principio 20 moléculas se sustituyen, dando 20 (S)

RT-8,9,10,11

402

Ahora existen [80(R) + 20(S)]; desde el punto de vista de la actividad óptica es como si quedaran 60 moléculas (R). El poder rotatorio aparente ha disminuido un 40 % después del 20 % de sustitución. velocidad de sustitución = 2 velocidad de racemización RESPUESTA 9.2

H (BrCH)C3

1

C5(CHH)

Br

5

6

H

Br

1

(1R)

Br

2

OH

_ HO

4

5

6

H

1

SN2

H

3

2

3

H Br (CHH)C5

3

4

OH

trans (1R,3R)

trans (1S,3S)

C1(BrCH)

H (3R)

RESPUESTA 9.3

CH3 C 6H 5 C

CH CH2Cl

SN 1

CH3 C6 H5 C

+ CH CH2

HO

CH3

_

C6H5 C

CH CH2OH

3-Fenil-2-buten-1-ol

CH3 C6H5 C

CH CH2

_ HO

OH

CH3 C6H5 C +

HO

CH CH2

2-Fenil-3-buten-2-ol C6H 5

+

CH CH2

HO

C6H5 CH3

_

CH3

2

CH=CH2 (2R)

2

CH=CH2 (2S)

CH3 C6H5 HO

RESPUESTA 9.4

Reacción 1: La reacción no es válida; el equilibrio está desplazado hacia la izquierda:

CH3CH2OH + NaOH pKa 17

_ CH3CH2O Na+

+ H2O

Keq = 0,05

pKa 15,7

Reacción 2: La reacción es válida; el equilibrio está totalmente desplazado a la derecha (eliminación de H2): 2CH3OH + 2Na

_ 2CH3O Na+

+ H2

RT-8,9,10,11

403

Reacción 3: La reacción no es válida; el equilibrio está totalmente desplazado hacia la izquierda: _ Me3C_O + NH4+

Me3C_OH + NH3(liq.)

Keq = 1,7 x 10-10

pKa 9,24

pKa 19

Reacción 4: La reacción es válida; el equilibrio está totalmente desplazado hacia la derecha: _ 2Me2CH_O Na+ + H2

_ 2Me2CH_OH + 2Na+ H

Keq = 3 x 1018

pKa 35

pKa 16,5

RESPUESTA 9.5

H O+

O Me

H

Me

Me

Me

+ H3O+

H Me

Me

+ H2O

H O+ H

Me

Me

Me

Me Me

OH

Me Me

H Me

Me O +

+ Me_O_H

H2O

Me Me

OH H Me

OH + H3O+

H Me

MeO

H

RESPUESTA 9.6

MeO___H

: O: Me

_ : O:

H

H

Me

Me Me

Me

_ MeO

Me

HO

OMe

Me Me

H

Me

_ + MeO

OMe

RESPUESTA 9.7

CH3CH2

Me

Cl

CH O :

S

H

O

CH3CH2

Me + Cl CH O S

CH3CH2

+ CH O S

H Cl

Cl

Me CH3CH2

Me

_ O:

+ CH O S H

CH3CH2

+ Cl

H Cl

Me O

_ O

CH O S

Cl

O

+ N H

+

Cl

N:

Me CH3CH2

CH Cl

_

Cl O

S

O

CH3CH2

CH CH3

+

Cl

_

+ SO2

Cl

RT-8,9,10,11

404

Reacción global: OH CH3CH2

Cl +

+ SOCl2

CH CH3

CH CH3 +

CH3CH2

N + Cl

N

_ + SO2

H

RESPUESTA 9.8

Me CH3

CH CH2 NH2

Me

MeI

CH CH2 NH Me

CH3

MeI

Me CH3

Me

CH CH2 N Me

Me

MeI

CH3

Me + CH CH2 N Me Me

Me

Me + CH CH2 N Me Me

CH3

CH3 HO

_

C

CH2

Me CH3

Me _ + CH CH2 N Me HO Me

Me + N Me

Me

_ HO

_ I

Q

Me CH3

C

+

CH2

NMe3 + H2O

Me

H β

RESPUESTA 9.9

O

_

_ O

OH

_

HO

OH N Pr OH O_ H___OH

N Pr O

H___OH

OH

OH

HO

N Pr HO

_ + HO

H OH

HO

_ HO H O

O

OH

C_OH

Pr

+ N

NH__Pr

H OH

HO

+ H2O

OH

O

O

_ C_O

C_OH NH__Pr HO

OH

Pr

+ N

OH

HO

_ + 2HO

OH

HO

N Pr H___OH HO

OH

OH

NH2__Pr + HO

OH

RT-8,9,10,11

_ I

405

O

_ CO2

_ C O + NH2__Pr

_ HO H O

+

CH3CH2CH2__NH2

CO2H

OH _ CO2 + HO

_ CO2

_

+ H2O

_

CO2

CO2H

RESPUESTA 9.10 Me MeO N C

_

Me OMe

S N2

Br

_ Br

+

NC H

H Me

Me

MeO

Br

NC

H

OMe H (R)

(R)

La sustitución de Br por CN hace cambiar las prioridades relativas de los grupos. Hay inversión de la configuración, pero la configuración absoluta no varia. RESPUESTA 9.11

CH2

CH2

HOCl

K2CO3

HO_CH2_CH2-Cl

H2C

1)EtMgBr

CH2

2)H3O+

O

HCl

CN

CH3CH2_CH2CH2_Cl

_

H4AlLi

CH3CH2_CH2CH2_CN

CH3CH2_CH2CH2OH

CH3CH2__CH2CH2_CH2NH2 Pentilamina

Síntesis del bromuro de etilmagnesio: CH2

CH2

CH3_CH2Br

+ HBr

Mg

CH3_CH2_Mg_Br

Et2O

RESPUESTA 9.12 Me

H 2O +

O

_ HO

(2S) _ H

_ O

O

Me

Me enolato

La reacción es reversible; el agua reacciona con el anión enolato regenerando la cetona: O _

Me

Me

O

+ HO

_

H (2S)

RT-8,9,10,11

H___OH

406

HO___H H

O

_

Me

O

+ HO

_

Me (2R)

RESPUESTA 9.13

Reacción 1: La reacción está sometida a control cinético; el LDA extrae de forma preferente el hidrógeno del Cα menos sustituido: H

O

LDA

H

C6H5CH2

H 00 C

H

O

O _

H

C6H5CH2 +

C6H5CH2

H

O

_

+

H H

(enolato mayoritario)

(enolato minoritario)

(A)

(B)

H 250C

CH3____I

O

C6H5CH2

H

_ O

C6H5CH2

H

_

C6H5CH2

H

H

_

O

H

C6H5CH2

+ I

Me

(A)

_

(76 %) 2-Bencil-6-metilciclohexanona

_ O CH2C6H5 CH3

____

O 0

I

CH2C6H5

25 C

Me

(B)

+ I

_

(6 %) 2-Bencil-2-metilciclohexanona

Reacción 2: La reacción está sometida a control termodinámico; el anión terbutóxido (Me3CO¯) extrae preferentemente el hidrógeno del Cα más sustituido: H O C__Me CH2CH2CH2__Br

O

O _ Me3C_O

_

C__Me

_ C__Me CH2CH2CH2__Br

CH2CH2CH2__Br

enolato termodinámico (más estable)

RT-8,9,10,11

407

O

_ COMe

C__Me CH2

C

____

_

Br

+ Br (90 %)

Reacción 3: La reacción está sometida a control cinético; el LDA extrae preferentemente el hidrógeno del Cα menos sustituido:

O

O

O

C__Me

_ C__CH2

LDA -600C

CH2CH2CH2__Br

C

_ CH2

CH2CH2CH2__Br

CH2CH2CH2__Br enolato cinético (menos estable)

O

_ O

C CH2

_ + Br

Q

CH2____ Br (80 %)

RESPUESTA 9.14

Reacción 1: _

_ O Li+

O H

O

LDA 0

O

O CH2____Br

O

O

CH2_CH

O

CH2

THF ; -78 C CH CH2

enolato de la lactona

lactona del Ácido 4-hidroxibutanoico

(B) (90%)

Reacción 2: _

O O

O Li H

LDA

O

O

THF ; -780C lactona del Ácido 5-hidroxipentanoico

_ O

+

(C)

O CH2____Br C

CH

CH2_C

O

CH

(D)

enolato de la lactona

RT-8,9,10,11

408

RESPUESTA 9.15

_

CO CH2

EtO

Br

_ _

CO CH

EtOH

CO2Et

_

CO2Et __

__

_

CH2 (CH2)2 CH2 Br

CO__C_

CO2Et Br

CO2Et

CO2H

_ 1)HO (dil.)

CO

_ CO

2

CO

+

2)H3O , Q

CO

RESPUESTA 9.16

Reacción 1 CH3CH2__CO2H

EtOH H3O+

CH 3CH2__CO2H

CH3 CH3CH2

CO CH CO2Et

CH3 CH3CH2

CO C

_

CO2Et

EtO

CH3CH2__CO2Et

CH3 CH3CH2

EtOH

SOCl2

CO CH CO2Et

CH 3CH2__COCl

_ O CH3

O CH3

NaH ; Et2O

CH3CH2

C C _

CO2Et

CH3CH2

CH3 O

O C CH2CH3

CH3CH2

C CH2CH3

CO C

CO2Et

Cl

CH3 O CH3CH2

_

CO C

C CH2CH3

_

CO2H

Q CO2

C

C

CO2Et

1)HO- (dil.) 2)H3O+

CH3 CH3CH2

CO CH CO CH2CH3

Reacción 2 Retrosíntesis: β

β C6H5_CH2__CO__CH2_C6H5

α

C6H5_CH2__CO__CH_C6H5

β -cetoéster

Síntesis: C6H5_CH2_CO2Et

β

CO2Et

C6H5_CH2__CO2Et

α

_ EtO Na+ EtOH

+ C6H5_CH2__CO2Et

α

_ C6H5__CH__CO2Et

RT-8,9,10,11

409

CO2Et _ CH

C6H5

CO2Et

O C CH2

C6H5

C6H5

CH CO CH2

C6H5

_ CO2

_ HO (dil.)

C6H5

CH CO CH2

C6H5

OEt

H3O+

CO2H C6H5

CH CO CH2

Q _ CO

C6H5

C6H5

2

CH2 CO CH2

C6H5

Reacción 3 Retrosíntesis: β C6H5

CH3

CO CH

CO2Et

C6H5

β

α

CO

CH2 CO2Et

β C6H5__CO2Et + CH3_CO2Et

β-cetoéster

α

α

Síntesis: _ EtO Na+

CH3_CO2H

_ EtO2C CH2

EtOH

O

O

C C6H5

EtO2C CH2

C C6H5

_ CH2__CO2Et

_ 1)EtO

_ HO (dil.)

CH3 C6H5

2)IMe

CO CH CO2Et

OEt

C6H5

CH3 _ CO CH CO2

H3O+

CH3 C6H5

CO CH CO2H

_

Q CO2

C6H5

CO CH2

CH3

RESPUESTA 9.17

Síntesis de E: CO2H

CO2Et C2H5OH

Me

H3O+

CO2H

SOCl2

CH2

Me

CO2H

CO2H

CO2Et

Me

_ CO2Et

CH2 C O Cl

CH2 COCl

(A)

CO2Et Cl _ C O

COCl

(B)

β O

EtO2C

1)HO-(dil.)

Me

2)H3O+ O

EtO2C (C)

Q -2CO2

Me HO2C

O

O

HO2C

β (D)

Me O

O (E)

RT-8,9,10,11

410

El grupo éster del β-cetoéster F puede estar unido a C2 o C4 en E; en ambos casos se obtiene ácido 5-ceto-3metilhexanoico O 2

Me

CO2Et

CO2H

CO2H

_ 1)HO (conc.)

Me

2)H3O+

_

CO2H

O

Me

Me

O

O

β

(F)

Q CO2

Ác. 5-ceto-3-metilhexanoico

(G)

2-Etoxicarbonil-5-metil1,3-ciclohexadiona β O Me EtO2C

Me

+

2)H3O

4

O

O

_ 1)HO (conc.)

O

CO2H

Q

_

Me

CO2

CO2H

CO2H

β

(G)

(F)

Me

Ác. 5-ceto-3-metilhexanoico

4-Etoxicarbonil-5-metil1,3-ciclohexadiona

10. REACCIONES DE ELIMINACIÓN RESPUESTA 10.1 CH3 OH CH3CH2 CH CH CH CH 2 3

H3 O +

Me Et

+ OH2

Me

_H O 2

CH CH Et

Et

+ CH Et

C

Me Et

C

CH Et

:

H2O :

H

(Z) + (E)

Todos los estereoisómeros del sustrato (un alcohol en el ejercicio) originan una mezcla de las olefinas Z y E. Estereoisómeros (3R,4R) y (3S,4R)

:

Me Et

:OH 4

3

Et

H

Et

H

Me Et

_H O 2 H

Et

Et H

+ : OH2

:

H

H

H3O+

Me Et

Me

H2O:

H

+

Et

_ H O+ 3

H

(1)

Me

Et

Et

H

(E) (mayoritario)

(3R,4R) :

Me Et

:OH 4

3

H Et

H

+ : OH2 H Et

Me Et

_H O 2 :

H

H3O

+

Me Et

H2O :

+

H Et

(2)

H

_ H O+ 3

H

Me Et

(Z)

Et

(minoritario)

(3S,4R) Me

Et

H

Et H

RT-8,9,10,11

411

El carbocatión (1) origina el estereoisómero (E), que será el mayoritario, ya que las interacciones Et / Me y Et / H dan lugar a una conformación con menor contenido energético que (2) (impedimento estérico entre los grupos Et / Et y Me / H) Estereoisómeros (3S,4S) y (3R,4S) Et

Me

H

Et H

:

Et Me

: OH 3

H Et

H

H Et

H

Et Me

_ H2O

+

H Et

:

4

H3 O

+

+ : OH2

Et Me

H2 O :

H

(3)

_ H3O+

Et Me

(E) (mayoritario)

H Et

(3S,4S)

:

Et Me

: OH 3

4

Et

H

H

_

Et Me

H2O

Et

:

H

H

H3O+

+ : OH2

Et Me

H2O :

H

+

_ H 3O +

Et H

(4)

Et Me

(Z)

Et H

(minoritario)

(3R,4S) Et

Me

Et

H H

Cualquiera de los cuatro estereoisómeros del alcohol da lugar a la misma mezcla de diastereoisómeros de la olefina. RESPUESTA 10.2

Br

El radical CH3-CH- no interviene en la reacción y lo designamos por R; la configuración del carbono asimétrico en los productos * finales será la misma que en el estereoisómero de partida. Enantiómero (2R,3R) del 2,3-dibromopentano:

Me

H2

Br 4

1

B:

Br Me

3

R

H

H

R

(2R,3R)

H1

H2 H2

E2

H

2

H

H

Me

R (Z)

H

2

Me

3 4

Me

Br

H

(Z)(4R) [minoritario]

1

Me H

Br 4

B:

2

H

3

R

H

H

1

R

Br Me H2

H

E2

Me

H

1

R

H (E)

Me 2

H 3

H1

4

Me

H

Br

(2R,3R) (E)(4R) [mayoritario]

RT-8,9,10,11

412

Enantiómero (2R,3S): H2

Me

Br 4

1

B:

Me

Br

H2

Me

3

H

H

R

H

(2R,3S)

H1

E2

2

H

R

Me

R

H (E)

H

2

H2

3 4

Me

Br

H

(E)(4R) [mayoritario]

1

Me H

Br

2

H

H

B:

H1

3

4

R

H

H1

Br Me H2

E2

R

Me

R

1

H

H (Z)

2

H

Me

3 4

Me

Br

H

(2R,3S) (Z)(4R) [minoritario]

Enantiómero (2S,3S): Me

H2

Br 4

1

B:

Br Me

3

H

H

R

H

(2R,3S)

H1

Me H

2

E2

R

2

H

R

Me

H (E)

H

2

H2

3 4

H Me

Br

(E)(4S) [mayoritario]

1

Me H

Br 4

B:

2

3

H

H

R

H1 H

H1

Br Me H2

E2

R

Me

R

1

H

H (Z)

2

H

Me

3 4

Me

Br

H

(2R,3S) (Z)(4S) [minoritario]

Enantiómero (2S,3R): Me

H2

Br 4

1

B:

Me

3

R

H

Br

H

R

(2S,3R)

H1

H2 H

2

E2

H

2

H

H

Me

R (Z)

H

2

Me

3 4

H Me

Br

(Z)(4S) [minoritario]

Me H

1

Br 4

B:

3

2

H

R

H

H1 R

H1

Br Me H2

H

E2

Me

H

1

R

H (E)

2

H

Me

3 4

H Me

Br

(2S,3R) (E)(4S) [mayoritario]

RT-8,9,10,11

413

(2R,3R) 2,3-Dibromopentano o (2R,3S) 2,3-Dibromopentano

(E)(4R) 4-Bromo-2-penteno [mayoritario] + (Z)(4R) 4-Bromo-2-penteno [minoritario]

E2

(2S,3S) 2,3-Dibromopentano o (2S,3R) 2,3-Dibromopentano

(E)(4S) 4-Bromo-2-penteno [mayoritario] + (Z)(4S) 4-Bromo-2-penteno [minoritario]

E2

RESPUESTA 10.3

Apartado 1 La pareja de enantiómeros (2R,3R) y (2S,3S) : Me H

Zn

I 2

E2

3

Me

Et H

I

Me

Et

H

H

I 2

I

Zn

H

H

H Et

H

(Z)

E2

3

Me

A (2S,3S)

A (2R,3R)

E2

E2 Me H

I Br

3 2

Et H

I

_

Et H

Br

Me

3

SN2

H 2

Br

H

A (2R,3R)

I

Zn

Br

3

2

Me

3

H Me

A (2S,3S)

B (2S,3S)

H Et

Br

_

SN2

H Et

I

Et

(Z)

2

Br

Zn

B (2R,3R)

Apartado 2 La pareja de diastereoisómeros (2S,3S) y (2R,3S) : Me H

Me H

OH 3

1

2

H Me

Et (2S,3S)

H

Me H 3

Et

Br

+

3

2

H Me

Et

1

Me H

HBr SN1

3

Br

H

_

Me H

NH3

3

SN2

Me H

Me

3

2

2

H

Me

2

Et

OH

Br

Me H

NH3

NH2 3

SN2

2

H Me

Et (2S,3S)

B(2R,3S)

(2R,3S)

NH2 (2R,3S)

A(2S,3S)

2

Me

2

Et

Me

Et

H

Apartado 3 Los tres estereoisómeros dan lugar a reacciones E2 estereoespecíficas. Br CH3

Z

Z

R CH CH R

Br

CH CH CH3 H

R

E2

Br CH3

Z

CH

C CH3

Z

R CH CH R R

(R,R) o (S,S)

E2

Z (Z)

H

R

E2 R

(R,S)

Z (E)

RT-8,9,10,11

414

Estereoisómero (2R,3R): B:

H

H 2

Me Br

H

Me

Me

H

3

Br

(2R,3R)

H

Me Br

Br

Me

Br

E2

(Z)

Me

[estereoespecífica] Me H

:B

H

H Me

H 2

3

Br Me

Br

Me

E2

H

Br

Br

Me

Br (Z)

Me

(2R,3R)

Estereoisómero (2S,3S): B:

Me H

H 2

H H

Me

3

Br Br Me (2S,3S)

E2

Me

Me

Br

Me

Br

Br

(Z)

H

[estereoespecífica]

Me

H

:B

H

H H

Me 2

3

Me Br

Br

Br Br

E2

H Me

Me

Me (Z)

Br

(2S,3S)

Estereoisómero (2R,3S): B:

Me H

H 2

Me Br

H H

Me

3

Br

(2R,3S)

Me

Me Br

Br

Me

Br

E2

(E)

H

[estereoespecífica] Me H

H

H Me

H 2

Br

:B

3

Me Br

Br Br

Me

E2

Me H

Me (E)

Br

(2R,3S)

RT-8,9,10,11

415

11. REACCIONES DE ADICIÓN NUCLEÓFILA A GRUPOS CARBONILO

RESPUESTAS 11.1

y 11.2

El mecanismo de la reacción de hidrólisis de un acetal es el mismo que el de su formación, pero escrito al revés. La formación del acetal transcurre en los mismos pasos (1-7) que su hidrólisis (1’-7’) El primer paso de la formación (1) corresponde al último de la hidrólisis (7’) y el último de la formación (7) al primero de la hidrólisis (1’) 1 Formación: + H___OH2

O

+ O

OH2

H

7’ Hidrólisis: + O

H

: OH2

+ H___OH2

O

2 Formación: : O__H

+ O

H

+ __ : O CH2CH2OH

HO__CH2CH2OH

H

6’ Hidrólisis: : O__H

+ O

__ : O+ CH2CH2OH

H

HO__CH2CH2OH

H

3 Formación:

H2O:

: O__H

: O__H

+ : O__CH2CH2OH

__ : O CH2CH2OH

+ H2O

H

H

5’ Hidrólisis:

+ H2O

4

: O__H

:O__H

: O__CH2CH2OH

+ :O__CH2CH2OH H2O:

H

H

Formación: H : O:

H + H___OH2

: O__CH2CH2OH

+ :O H

OH2

: O__CH2CH2OH

RT-8,9,10,11

416

4’ Hidrólisis: H + :O H

H : OH2

: O:

: O__CH2CH2OH

+ H___OH2

: O__CH2CH2OH

5 Formación: + :OH2

: OH2

+

: O__CH2CH2OH

: O__CH2CH2OH

3’ Hidrólisis: OH2

+ OH2

+

:O__CH2CH2OH

: O__CH2CH2OH

6 Formación:

HO CH2

H + :O

CH2

O

CH2

+ O

CH2

2’ Hidrólisis: H + :O

HO CH2

CH2 +

O

O

CH2

CH2

7 Formación: H2O:

+ H2O

H

H

+ :O

CH2

:O

CH2

O

CH2

O

CH2

1’ Hidrólisis: + H2O

H2O

H

H

:O

CH2

+ :O

CH2

O

CH2

O

CH2

RT-8,9,10,11

417

RESPUESTA 11.1

+ H___ OH2

O

:O__H

OH2

+ O

1

2

H

3 + : O__CH2CH2OH

HO__CH2CH2OH

H2O:

H

H + H___OH2

: O:

3

+ : OH2

4

__

HO CH2

OH2

5

: O CH2CH2OH

O

: O CH2CH2OH

+ H2O

H

H2O: 6

+ :O

CH2

O

CH2

6

+

OH2 +

__

7

CH2

H :O

CH2

O

CH2

acetal RESPUESTA 11.2

H2O

H2O

H :O

CH2

O

CH2

1

H + :O

OH2 CH2

O

2

:O__CH2CH2OH

CH2

H + :O H 3

: OH2

: O__H

5

6 __ : O+ CH2CH2OH

__

__

: O CH2CH2OH

: O CH2CH2OH + H2O

6

+ H__OH2

:O__H

4

3

+

+ O

H

H2O:

H

: OH2

HO__CH2CH2OH

7

O

H

+ H___OH2

Ciclohexanona

Etilenglicol

RESPUESTA 11.3

Si no se protege el grupo carbonilo de la cetona (pKa 19) la reacción con amiduro sódico (pKa 36) dará lugar a una mezcla de su enolato y del carbanión alquinilo (R-C≡C:−) (pKa 26): _ NH 2

H

CH 2

CO CH2CH2

C CH

_ :CH 2

CO CH2CH2

C CH

+

NH3

RT-8,9,10,11

418

El enolato de la cetona reaccionará con otra molécula de cetona a través de una reacción de condensación (Tema 6, p. 1) Es necesario proteger previamente el grupo carbonilo. La secuencia de reacciones es la siguiente:

O CH3

CO CH2CH2

O

_ NH2

C CH

O C C:

CH2CH2

CH3

HOCH2CH2OH

H3O+

CH2CH2

CH3

H3O+

O

_

CH3

O

CH3___I

CO CH2CH2

CH3

C

C CH3

C CH

_ NH2

O CH2CH2

C C CH3

+ HOCH2CH2OH

RESPUESTA 11.4

En este caso se trata de proteger los dos grupos OH a la vez, formando el acetal con acetona:

CH2OH O

CH3 +

O

C

CH2OH

CH3

CH2__O O CH2__O

CH3

C CH3

1)t-BuO 2)ICH3

diol protegido

O O CH3 O

H3O+

O CH3

HOCH2

CH3

CH2OH

RESPUESTA 11.5

_ O

O N:

H___OAc

H O:

+ N

H AcO

_

H___OAc

N

H

+ : OH2 N

AcO

_

N

+

H2O + AcOH

H

RT-8,9,10,11

419

RESPUESTA 11.6

:B

O

_

_ O (enolato)

N

(enamina)

+

O

N

CH3___I

I___CH3

H

+ N

O

CH3

CH3

enamina alquilada

cetona alquilada

Hidrólisis de la enamina alquilada: + HO___H

: OH2 + N

:OH2

: OH

N CH3

+ H3O+

N CH3

Keq 2

pKa -1,7

CH3

pKa -2 : OH

: OH + N

N H2O__H +

N H

+

H

+ :O

CH3

CH3

CH3

:OH2

H

+ H O

O + H3O+

CH3

CH3

Keq 2x105

pKa -1,7

pKa -7 RESPUESTA 11.7

1

NC H Me

_ O

H 3O +

H Me

1 H Me

C

O

NC OH

H 3O +

HO2C OH

(2S)

OH

(2R)

H Me

_ NC

2 Me

H _ O

2 NC

H 3O +

Me

H OH

NC

H3O+

Me

H

HO2C

Se obtiene un racémico (mezcla equimolecular de los estereoisómeros 2R y 2S)

RT-8,9,10,11

420

RESPUESTA 11.8

HC

CHO

_ + C Na

HC

_ O Na+

_

NH3(liq.)

+ C Na

HC

+

Na NH3(liq.) ; -330 C

CH

__

CH

CH C

-330 C

OH

H3O+

CH__C

CH

1-Fenil-2-propin-1-ol (65 %)

+

O

_

+ C Na

CH3 C

_ O Na+

NH3(liq.) -330 C

C

OH

H3O+

C CH3

C

C CH3

(1-Propinil)-1-ciclohexanol

RESPUESTA 11.9

Síntesis del 2-Butanol:

Mg

CH3CH2Br

__

CH3__CHO

__

CH3CH2 Mg Br

O MgBr CH3

CH CH2

H3O+

CH3

OH CH3

CH CH2

CH3

2-Butanol

CH3Br

Mg

__

CH3CH2__CHO

__

CH3 Mg Br

O MgBr CH3 CH2

CH CH3

H3O+

OH CH3 CH2 CH

CH3

2-Butanol

Síntesis del 3-Metil-3-hexanol: O Mg

CH3CH2Br

__

Pr

__

Et Mg Br

C Me

O MgBr C

CH3CH2CH2

CH3

H3O+

OH CH3CH2CH2

CH2CH3

C

CH3

CH2CH3 3-Metil-3-hexanol

O CH3Br

Mg

__

Pr

__

Me Mg Br

O MgBr

C Et

CH3CH2CH2

C

CH2CH3

H3O+

OH CH3CH2CH2

CH3

C

CH2CH3

CH3 3-Metil-3-hexanol

O CH3CH2CH2Br

Mg

__

__

Pr Mg Br

Et C Me

O MgBr CH3CH2

C

CH3

CH2CH2CH3

H3O+

OH CH3CH2CH2

C

CH3

CH2CH2CH3 3-Metil-3-hexanol

RT-8,9,10,11

421

RESPUESTA 11.10

O

_ O

Et O MgBr

[adición]

O

Et O

+ MgBr

[eliminación]

O Et

Et

O MgBr

O MgBr O__MgBr

O O MgBr + Et__MgBr

Et

OH

Et

H3O+

O MgBr

Et

Et

OH Et

5-Etil-1,5-heptanodiol

RESPUESTA 11.11

Trifenilmetanol Retrosíntesis: C6H5 C6H5

O

C OH

C6 H 5

O

C C6H5

C6H5

O

C OEt

C6H5

C OH + EtOH

C6H5

O C6H5

C OH

C6H5__Br

C6H5 MgBr

C6H6 + Br2

Síntesis: C6H5__CO2H

EtOH, H3O+

CO2

C6H6

Br2 [Fe]

C6H5__Br

Mg

C6H5__MgBr

1)C6H5CO2Et 2)H3O+

O C6H5

C C6H5

OH

1)C6H5MgBr

C6H5 C C6H5

2)H3O+

C6H5 Trifenilmetanol

1-Butanol Retrosíntesis: O CH3CH2CH2CH2OH

CH3CH2MgBr

+

CH2

O

Mg + CH3CH2Br

CH2

+

R C O OH peroxiácido

CH2

CH2

+ BrH

Síntesis: O CH2

CH2

+

R C O OH peroxiácido

O

RT-8,9,10,11

422

CH2

HBr

CH2

Mg

CH3__CH2Br

H3O+

CH3CH2__CH2CH2__OMg

CH3CH2__CH2CH2__OH 1-Butanol

O

2,3-Dimetil-2-butanol Retrosíntesis: C CH + H2O

CH3

OH CH3 CH3

C

O

CH CH3

CH3

CH3 C CH3

CH3 CH MgBr

+

CH3

CH3 CH3 CH Br

CH3

CH CH2

CH3

C CH

Síntesis:

C CH

CH3

H2 [Pd]

CH3

O CH3

C CH

H2O

CH3

[Hg2+]

CH3

HBr

CH CH2

H

C

O

CH3 CH MgBr

OH CH3

1)Me2CHMgBr

CH3 C CH3

CH2

CH3

Mg

CH3 CH Br

CH3

2)H3O+

enol

C

CH CH3

CH3 2,3-Dimetil-2-butanol

RESPUESTA 11.12

Síntesis 1: CH2OH HC C CH CH2OH

O

O CH3 BrMg C

O CH3

H3O

H

O CH3

C

C

OH CH3

CH

O CH3

CH

H3O+

O CH3

OH CH3

EtMgBr

HC C

+

1)CH3CHO _ 2)Cl NH4+

C

O CH3

H2SO4

CH3 C CH3

+

O C

C CH2 CH2OH +

CH3

C CH3

Síntesis 2:

Me

COCH3 + Br

HOCH2__CH2OH

TsOH Q

O

O

Me

O

O 1)CH3CHO

Li Br

HTF

Li

2)H3O+

RT-8,9,10,11

423

Me

O

O

CO__Me

CO__Me H3O+

O

CH__CH3

CH__CH3

OH

OH

TsOH

CH__CH3 O O

OH

OH

__ __

__ __

C Me

Me C C

Me C C

1)MeC C MgBr 2)H3O

H3O

+

C Me

+

+

CH__CH3

CH__CH3

O

OH

THP

O

RESPUESTA 11.13

C6H5 CH3

1)MeMgI

CH CHO *

2)H3O+

C6H5 OH CH3

CH *

CH CH3 *

H

H C6H5

CHO

Me C6H5

CHO Me

(2S)

(2S)

Regla de Cram

Conformación más favorecida en relación con el grupo carbonilo: O

Me H

Me

O H

C6H5

H

el carbonilo está situado entre los grupos pequeño (H) y mediano (Me)

C6H5(H)

(2S)

1

Me H

O Me 2

H

OMgX H

OH H3O

+

H

Me C6H5

H

Me

(I) (mayoritario)

Me C6H5

IMgMe

1

C6H5(H)

2

Me

OMgX H

Me

H

C6H5

OH H3O

+

Me

H

Me

H

(II) (minoritario) C6H5

RT-8,9,10,11

424

H

Me

OH

H

3

H Me

C6H5

H

Me

Me OH

2

Me

OH

H

3

Me C6H5

C6H5

H

H

(2S,3S) (mayoritario)

H

Me OH

Me

OH

C6H5

(I)

H

3

Me Me

C6H5

2

H

2

Me

2

3

Me H

OH H

(2R,3S) (minoritario)

C6H5

(II)

Estereoisómero mayoritario: (2S,3S)-3-Fenil-2-butanol (I)

12. REACCIONES DE ADICIÓN NUCLEÓFILA CON ANIONES ENOLATO

RESPUESTA 12.1 _ H O H

Me

_

H

Et

O

H

carbanión del propanal

Me

O

Me

CHO H

Me

H _O

Et

_ H O

Et

H 2O

(2R,3S) CHO H CHO H

2

HO

(2S,3R)

3

H HO

Et

H

H 2O

Et 3

(2S,3S)

2

H CHO

H CHO

Me

H CHO

H

2

Me

Me _

Et 3

Me

Et

O

H

CHO H

CHO H

HO H 2O

Et

O carbanión del propanal

Et

Et

Me

H CHO

H

Me H 2O

CHO 2

(2R,3R)

3

H _O

Et

H HO

Et

RT-8,9,10,11

425

RESPUESTA 12.2

Reacción 1: Me O CH3

EtO2C

Me

_ HO

Me O

_O CH2

EtO2C

_

H____OH

EtO2C O

Me OH

Me

Me

_ HO

O

_ O C

EtO2C

H3O+

OH

O

O

_

HO C

Me CO2 Q

O

O

O (60 %)

Reacción 2: O

O C

_ HO

CH3

_ O

_ CH2

C

O

H___OH O

O

O H Q

O

O

+ H2O

(72 %)

Reacción 3: O

O

H

_ CO32

O _

_

O

O

O

O

_

_

HO

H____OH

O _H O 2 Q O_H

(96 %)

CO2Et

CO2Et

Reacción 4: CO2Et EtO O

Me

O

_ O

_ H2C

O

O O_

H____OC2H5

RT-12,13

426

CO2Et _EtO

CO2Et

_

_ O

Q H2O

O

O_H

(66 %)

RESPUESTA 12.3

Reacción retroaldólica: O

_

CH

CH

O

O

C CMe3

C

Me MeO

_ O H

+

Me

MeO

CH

C CMe3

anión enolato

El anión enolato de la cetona reacciona con el benzaldehido: O

_ O

O C

CH

H

Me

_ O

CH CH C CMe3

C CMe3

Me

RESPUESTA 12.4

Reacción entre dos cetonas distintas: OH R CO CH2

C

OH R

y

R'

CO CH2

CH3

C

R'

CH3

Reacción entre dos aldehidos diferentes: CHO

CHO

R CH CH CH2 R

y

R'

OH

CH CH CH2 R' OH

Reacción entre un aldehido y una cetona: OH

CHO R CH CH CH2 R OH

y

R'

CO CH2

C

R'

CH3

RESPUESTA 12.5

Reacción 1: CH3 CH3

CH CH CHO

2-Hidroximetil-3-metilbutanal

CH2OH (52 %)

RT-12,13

427

Reacción 2: OH CH CH2

O

H3O+

CO CH3

CH CH

O

CO CH3

4-(2-Furanil)-3-buten-2-ona

Reacción 3: OH

OH

CH CH2

CO CH2

H3O+

CH

CH CH

CO CH

CH

1,5-Difenil-1,4-pentadien-3-ona RESPUESTA 12.6

Reacción 1:

_ Me

_ O

Me

HO

_

O_

O

O

+ + H2O H OH2

_

_

Me

Me

O

H3O+

Me H Me

_

Me

Me

O

3H2O

Me

H OH2 +

Me

Me

Me

Reacción 2:

_

O _

O HO

_

+ H2O

_ O

_

_ O

O

H3O+

O _

OH2 +

3H2O

H2O +

Reacción 3: O

_

O

CH3

_ CH3

O

CH3 O

NaOH Q

_

O

O

_ O

CH3 H3O+

O

O + OH2

CH3

+ OH2

2H2O

O

CH3 O

CH3

O CH3

Reacción 4: O C6H5 C6H5 O

_

O

O _

C6H5 C6H5 O

NaOH

C6H5

C6H5 C6H5

C6H5 _O

O_

H3O+

O

C6H5 C6H5

C6H5

2H2O

C6H5

C6H5

C6H5 H2O OH2 + +

C6H5

C6H5

RT-12,13

428

Reacción 5: O H3C

_

_ EtO

CO2Et

H3C

H

H3C O

O

O CO2Et

H3C

O

EtO

_

H2C_ H3C

H2O

H O_

O

O CO2Et H

O H2C

H3O+

2H2O

OH

_ EtO

CO2Et

CH3

OH2 +

OH2 +

O

O H _

_O

H

H

H3C

H

O

H

CO2Et

H3C

OH

O

CO2Et

H2C

_

OH

H

CO2Et

CO2Et

CH3

CH3

CH3

CO2Et

H

H2O

¡anión enolato de un fenol!

RESPUESTA 12.7

O CH3

O

_

C O

H

O

CH2 C O C CH3

O O _ CH2 C O C CH3

CH3CO2H +

anión enolato del anhidrido

O

O

O

_ CH3 C O C CH2

O

_ O

O

CH3 C O C CH2

C H

HO

HO

O

_ CH3CO2

CH3CO2H

CH

O

OH

O

CH3CO2H

+ CH3 C O C CH2 CH

+ OH2

O

CH3 C O C CH2

CH HO

HO

O

+ OH2

O

CH3 C O C CH

_

CH

H

C O

CH3

_

H2O

O

O

CH3 C O C CH

CH HO

HO

O

Hidrólisis del anhidrido de ácido: O CH3 C O

O C CH

H3O+

CH HO

O CH3CO2H

+

HO C CH

CH HO

Ác. o-hidroxicinámico

RT-12,13

429

H3O+ C

O

[esterificación]

O

O__H OH

O

Cumarina Ác. o-hidroxiinámico

RESPUESTA 12.8

Reacción 1: CH3__CH2__NO2

CH3O

+

O

O _ CH3__CH

_

_ CH3__CH__NO2

_

H___OCH3

CH3OH

O

OH

H3C

H3C

H3C NO2

NO2

+

NO2

NO2 enol

Reacción 2: CH3

MeO2C _ CH

CH

CH

CH CH

*O

_

O

MeO2C

C OMe

CH CH CH CH CH C OMe * * MeO2C

MeO2C

CH3

MeO___H MeO2C

CH3

*

MeO2C

O

_

CH CH CH CH CH C OMe

*

MeO2C

O

CH3

CH CH CH CH CH2 C OMe

*

MeO2C

Reacción 3: OMe

OMe

OMe EtOH

O

_

Me

CH2

_

O

Me

O

O

HO enol

CH

CH3CH2 O

Me O

O

OMe

OMe

OMe

EtO

_ Me O

O

Me _ O

_ O

EtOH

430

Me HO Me

_

H2O

EtO

Me

O

O

OMe

OMe Me

Me

Me _

EtOH

_ O

HO

O

O

Me

Me _

_

O

OMe

H2C

Me

Me

O Me

Me

enol

O

OMe

OMe Me EtO O

OMe

Me

_

Me EtOH

C

O

O

_

Me

H2C

O

O

_

O

OMe

OMe

Me

Me _

EtOH

H2O

O

O OH

RESPUESTA 12.9

Reacción 1: _ O

O

OH

O HNa

_ O

O

O

O

O

O

O

O

enol

_

O

O

_

OH

O

O

O

O

O

O

O

O

O

enol

RT-12,13

431

Reacción 2: CO2Me Me _

O

CO2Me Me

O

O

CO2Me Me

_ O

O

O

Reacción 3: O

O

Me

Me _

O___H

O

OH

_

Keq 5x105

H2O

+

pKa 15,7

pKa 10

O

O

Me

_

Me O

O ___

H

_

Me

OH

H

_ +

H

O

HO

O

Reacción 4: O O

O

+

_

O__C__O

O

_

O

O

_

+

_

Keq 0,2

pKa 10,3

CO2Et

CO2Et

OH__C__O

pKa 11

O

_

_ O

O _

CO2Et

O C O

H

H

CO2Et

O

O

O

O

CO32

+

_

CO2Et

Reacción 5: O

O

_ CH2

O LDA

_

COMe

O

O

COMe

COMe

Me

Reacción 6:

O

_ Me2HC

Me2HC

* _ N

:

O

* C

N:

* C

:

C

O

*

_

* N:

*

Me2HC

RT-12,13

432

N:

C

H

O t-BuOH

Me2HC

Reacción 7: Me CO2Et _

O

Me CO2Et

_ O

Me CO2Et HO

O

O

HCl

O enol

Me CO2Et

Me CO2H

O

H3O

O

Me

O

+

O

[hidrólisis]

O

Q CO2

O

Reacción 8:

CO2Me O

CO2Me

_

O

EtO

O

_

_ CO2Me

A(C10H14O3)

_ O

H3O+

O

O

HO

CO2Me

CO2Me

CO2Me

CO2Me

enol

Reacción 9: C6H5

C6H5

C6H5 OH

_ O

HK

_

C6H5 C

O

_ O

C6H5

C6H5

C6H5 HK O

_

OH

O

enol

RT-12,13

433

RESPUESTA 12.10

Reacción 1:

O

_ HO

O Me

_

Me OHC

Me

CHO

H2 C Me

O

O

O _

O C

Me

HO

H

Me

Me

Reacción 2:

Me _ HC

C

_ O

Me

O

OH

CH C C Me

CH C C Me

O

O

C Me

O

Me

enol

Me

Me

Me

Me

LDA O

C

O Me

O

_

O

CH2

O

O

OH

Reacción 3: CO2Et

CO2Et

O

_

O

CH C Me

CH2

CH2 CH C Me O

_

CO2Et

+ Et3NH

OH

CH2

O

CH C Me

O enol

CO2Et

CO2Et

CO2Et

CO2Et

Et3NH O

C O

C

Me

_

O

O

O

CH2

O

OH

RESPUESTA 12.11

Obtención de la β-ionona:

Me

Me

O

Me

CH Me

_ CH2__CO__CH3

Me

O

_ __

CH CH2 COCH3 Me

Me

__

EtOH

Me

OH CH__CH2__COCH3

_

H2O

Me

Citral

RT-12,13

434

Me

Me

CH

Me

CH COCH3

H3O+

H

Me CH

+

Me

CH COCH3

Me

(A)

Me Me

O

H

transposición

Me

O

Me

H2O

Me

Me

+ Me

Me β-Ionona

Reacción de Darzens: Me

O

Me

Me

O

Me Me

CH__CO2Et

Me _ __ CH CO2Et

Me

_ O

Me Me

Me

Me

CH__CO2Et Me

Cl

Cl

Me EtO

Me

O

Me Me

_

O

Me

_

_

CH C O

H

Me *

*

CO2

Me

_ CH___O *

Me

Me Me

H _

Me

Me CHO

EtO

_

Me

Me H

H CHO

Me

Me (B)

Síntesis de D:

HC

C

_

O

O

C CH CH2 CH3

HC

+ OH2 HC

C

_

C CH CH2

H2O

C

* HC

_

C CH CH2 CH3

C

H3O+

* + * C CH CH2

OH HC

C

HC

CH3

CH3

C CH CH2 CH3

C

+ C CH CH2

H3O+

H2O

CH3

(C)

+ OH2 HC

C

C CH CH2 CH3

H2O _

+

H3O

HC

C

C CH CH2OH

2C6H5MgBr

CH3

RT-12,13

435

BrMg C

C

C CH CH2O MgBr CH3 (D)

Reacción entre B y D: Me Me

CH3

Me +

CHO

BrMg C

C

C CH CH2O MgBr

Me (D)

(B)

Me Me

CH3

Me C

CH

C CH CH2O MgBr

C

OMgBr

Me

Me Me

CH3

Me

H3O+

CH

C

C

H C

H C

C CH CH2OH

OH

Me

Me Me

Me

H2

CH

[Pd]

Me Me

(CH3CO)2O

H C

CH

H C

Me Me

H3O+

CH

O

C CH CH2O C CH3

H C

H C

CH3

O

C CH CH2O C CH3

_H O 2

OH2 +

Me

Me Me

CH3

OH

Me

Me

C CH CH2OH

OH

Me

Me

CH3

O

Me

Me

CH2O C CH3 +

Me

Me Me

Me

trasposición

Me

O CH2O C CH3

+ Me

RT-12,13

436

Me

O

Me

Me

H

Me

CH2O C CH3

H2O OH2 +

Me

Me

O

Me

Me

Me

CH2O C CH3

H2O Me

acetato de vitamina A

13. REACCIONES DE SUSTITUCIÓN ELECTRÓFILA Y SALES DE DIAZONIO RESPUESTA 13.1

H

4'

-3a *

E+

4'

+ * -3a * 3a

-a *

a*

E

E

4'

* -2a

-a*

_ + H

(δEπ)4' = −2β (3a +3a) = −12aβ = −1,95β

* 2a

a =1/ 38

b * * -b

-b * -b *

E+

* 2b -b

b*

4

* H

_ + H

(δEπ)4 = −2β(b + 2b) = −6bβ = −1,60β

+ * -2b E

4

4

E

b =1/ 14

-c * * E+ 5

4c * -4c * + H

-2c 5

* * -2c

* E

_ + H

(δEπ)5 = −2β(2c + 4c) = −12cβ = −1,75β

* 2c 5

E

c =1/ 47

Disminución de la energía de enlace π: (δEπ)4' > (δEπ)5 >

(δEπ)4

Reactividades relativas: C4 > C5 > C4'

RT-12,13

437

RESPUESTA 13.2

CH3

CH3 + δ C CH2

δ− Cl

CH3 + δ− δ δ− C CH2 .... Cl .... AlCl3

CH3

AlCl3

CH3

CH3 CH3

CH3

CH3 CH3

C

+ CH2

C

+ CH2

Cl

_ AlCl3

CH3

CH3

transposición

CH3

C +

CH2

[carbocatión más estable]

CH3

CH3

CH3

Me

+ CH CH2CH3

Me

H Cl

Me

CH3

_ AlCl3

CH3 C CH2CH3

+

CH3

+ HCl + AlCl3

RESPUESTA 13.3

Reacción 1: Me

Me +

+ HSO3_OH

_

O SO3H

H

+ Me

Me

Me

H

_ HSO3_O :

Me

Me

Me

Reacción 2: H H

H

_

O SO3H +

H

+

_ : O_SO3H

H

H

+ HSO3_OH _ HSO3_O :

H

RESPUESTA 13.4

O O:

O AlCl3

O

O

+ _ O AlCl3

_ C O AlCl3

O O

O

O +

O

+ C CH2CH2

O _ AlCl3

O + H

O O _ AlCl3

CO2H

+ AlCl3

RT-12,13

438

O

O

H

CO2H

C_Cl

CO2H

H SOCl2

Zn-Hg / HCl Q

Cl3Al

+ HCl + AlCl3

+

C=O

O

Cl

_ Cl3Al

+ H

O

O

Cl

RESPUESTA 13.5

Reacción 1:

H2SO4 + H2O 98,4 %

Me

Me

Me *

Me

(84,3 %)

+

*

Me

* Me _ SO3

H

SO3H

[dos Me en posiciones activas]

Me + * H

Me H2SO4 + H2O Me

98,4 %

*

Me SO3H

_ SO3

(14,5 %)

[impedimento estéreo]

Me

* Me

[dos Me en posiciones activas]

Me

Me

Me H2SO4 + H2O Me

*+ H

98,4 %

(1,2 %)

* SO3H

Me

Me

_* SO3

[ningún Me en posicion activa]

Reacción 2:

Me

H2SO4 + H2O Me

98,4 %

Me

Me *

Me Me * H

Me * + Me _ SO3

(75 %) Me SO3H

[dos Me en posiciones activas]

RT-12,13

439

Me Me

Me *+ H

H2SO4 + H2O 98,4 %

Me

Me

Me Me

*

(25 %) Me

_ * SO3

Me

HO3S

[un Me en posicion activa]

Me

Me Me

H2SO4 + H2O Me

Me * +

_ SO3

Me SO3H

Me

H

98,4 %

*

* Me

(0,0 %) [impedimento estéreo]

Me

[dos Me en posiciones activas]

RESPUESTA 13.6 [ σ esencial ]

[núcleo al que se une el electrófilo]

[sustituyente C6H5]

Br

* H

*

*

+ * * * [11 carbonos en el sistema conjugado] [ σ esencial ]

Br

H

*+

+

[mayoritario]

Br [minoritario]

* * [5 carbonos en el sistema conjugado]

+*

* *

H

[mayoritario]

*

Br * * [11 carbonos en el sistema conjugado]

Conviene fijarse en el catión arenonio resultante de la sustitución en m- está formado por dos sistemas conjugados independientes que no interaccionan entre sí, ya que el enlace que les une es σ esencial:

[σ esencial] *+

H *

* *

H

H

H Br

[no se puede dibujar como doble]

[σ esencial]

[σ esencial] Br +*

* [5 carbonos en el sistema conjugado]

*

Br *

+*

X

*

Br *

+* [estructura electrónica no válida] (dos electrones desapareados)

RT-12,13

440

El caso de la nitración es idéntico al anterior: NO2

* H * *

*

[mayoritario]

+ *

*

[11 carbonos en el sistema conjugado]

[σ esencial] *+

NO2+

H NO2

[minoritario]

* * [5 carbonos en el sistema conjugado]

+ * H

* *

* *

[mayoritario]

NO2

*

[11 carbonos en el sistema conjugado]

RESPUESTA 13.7

a * -a * -a *

E+

2

a*

* -a H 2a + 2 * Br *a * -a

_ + H

2

Br (δEπ)2 = − 2β(a + 2a) = −6aβ = −1,81β

a =1/ 11

E

+

[ σ esencial ]

-b *

b*

3

*b H

_ + H

-b *

(δEπ)3 = −2β(b + 2b) = −6bβ = −2,12β

3

* 3 2b + Br

Br

b =1/ 8

c * * -c

-c * -c *

E+ c* 4

* 2c -c * + -2c * H 4 Br

_ + H

(δEπ)4 = − 2β (c + 2c) = −6cβ = −1,60 β 4

Br

c =1/ 14

RT-12,13

441

-d * *d

d* 4d *

E+

* -2d

-4d -2d *+ * H 5 Br

5

_ + H

(δEπ)5 = -2β(2d + 4d) = −12dβ = −1,75β

* 2d 5

Br

d = 1/ 47

E+ 6

[ σ esencial ]

-e *

e* H 6

Br

*e

_ + H

* + 2e * -e

(δEπ)6 = −2β(e + 2e) = −6eβ = −2,12β Br

6

_ + Br H

7

e =1/ 8 f *

E+

7

Br

-f -4f * H + 7 * * -2f

* -f * 2f

(δEπ)7 = −2β(2f + 4f) = −12fβ = −2,03β

* -2f

2f* f =1/ 35

Br

8

E+

[ σ esencial ]

H * -g

8

*+ -2g

*g

_ + H

Br 8

(δEπ)8 = −2β(g + 2g) = −6gβ = −1,81β

* -g

* 2g

g =1/ 11

3h * Br

-3h * 2'

*

h*

E+

-h *

2'

2'

3h * +

Br

H * -2h

-h

_ + H

(δEπ)2' = −2β(3h + 3h) = −12hβ = −1,95β

* 2h

h =1/ 38

i Br *

3'

3'

3'

-i *

[ σ esencial ]

_ + H

+

E

Br

H +* i

(δEπ)3' = −2β(i + i) = −4iβ = −2,31β

i =1/ 3

RT-12,13

442

H

4'

Br

Br

4'

-3j *

4'

+ * -3j

-j * 3j E

j*

+

* -2j

* -j *

_ + H

(δEπ)4' = − 2β(3j + 3j) = −12jβ = −1,95β

* 2j

j =1/ 38

-k Br +*

Br

5'

5'

H

* k

-k* E

5'

[ σ esencial ]

_ + H

+

(δEπ)5' = −2β(k + k) = −4kβ = −2,31β

k =1/ 3

3l * + Br

6'

* -3l 6'

6'

E+

H -l *

l* -l *

Br

* 3l * -2l

_ + H

(δEπ)6' = −2β(3l + 3l) = −12lβ = −1.95β

* 2l

l =1/ 38

Cx [C más reactivo]

4' 5'

3'

6'

2'

8

(δEπ) x (-β)

4

1,60

5

1,75

2

1,81

8

1,81

2'

1,95

4'

1,95

7

2

6'

1,95

6

3

7

2,03

3

2,12

6

2,12

3'

2,31

5'

2,31

5

[mínima inestabilidad]

4

[C menos reactivo]

[FPV]4 = 18 400

[máxima inestabilidad]

RT-12,13

443

RESPUESTA 13.8

El sustituyente (Me o NO2) lo designamos por Z:

H -a *

a* -a *

1

NO2 Z + * -2a

b* -b *

* 2a

a = 1/ 11 ; Q(2) = 4a2 = + 0,36

b = 1/

H

b *

8

; Q(2) = b2 = + 0,12

2b H +*

b * Z

-b *

7

NO2

O2N + * -b * 2b

8

a*

3

+ 2b * NO2

6

b = 1/

-a *

b * Z H

(δEπ)3 = −6bβ = −2,12β

(δEπ)1 = −6aβ = −1,81β

-b *

-b *

; Q(2) = b2 = + 0,12

* b

b = 1/

(δEπ)6 = −6bβ = −2,12β

* -a H

4

2a *

Z + * -2a -2a * + NO2 H

(δEπ)5 = −6aβ = −1,81β

NO2

H a *

8

2a * +

(δEπ)7 = −6bβ = −2,12β

2.12 2.12 2.12

+0.12 +0.12 0.00

-a * Z a*

a = 1/ 11 ; Q(2) = a2 = + 0,09

8 ; Q(2) = 0,0

C3 C6 C7

* a

(δEπ)4 = −6aβ = −1,81β

* -2a

+0.36 +0.09 0.00 0.00

* -a NO2

Z

a = 1/ 11 ; Q(2) = 0,0

*b

δEπ x (-β) 1.81 1.81 1.81 1.81

5

-a *

11 ; Q(2) = 0,0

a = 1/

Z

* -b

C1 C8 C4 C5

posición

2a *

(δEπ)8 = −6aβ = −1,81β

Q(1)

8

1

5

4

Z

7 6

3

2-Metilnaftaleno (Z = CH3)

El sustituyente (Me) estabiliza el catión arenonio: ⎯ situación más favorable:

(δEπ) = -1,81β ; Q = +0,36 (sustitución en C1 ; producto mayoritario)

⎯ situación más desfavorable: (δEπ) = -2,12β ; Q = 0,0

(sustitución en C7 ; producto minoritario)

Estos son los factores parciales de velocidad en la nitración del 2-Metilnaftaleno: (FPV): C1 (347000) > C8 (3360) > C4 (3190) > C6 (2920) > C5 (1515) > C7 (240) La nitración del 2-Metilnaftaleno da lugar a una mezcla mayoritaria de 2-Metil-1-nitronaftaleno y 2-Metil-8-nitronaftaleno: NO2

Me

1

HNO3 H2SO4

2

NO2 8

Me

2

Me

+

RT-12,13

444

2-Nitronaftaleno (Z = NO2)

El sustituyente (NO2) desestabiliza el catión arenonio: ⎯ Situación más favorable:

(δEπ) = -1,81β ; Q = 0,0 (sustitución en C4 o C5 ; productos mayoritarios)

⎯ Situación más desfavorable: (δEπ) = -2,12β ; Q = +0,12 (sustitución en C3 o C6 ; productos minoritarios)

La nitración del 2-Nitronaftaleno da lugar a una mezcla mayoritaria de 2,5- y 2,8-Dinitronaftaleno: NO2 NO2

2

HNO3

8

NO2

2

Me

+

H2SO4 5

NO2

RESPUESTA 13.9

Apartado 1: Q = + 0,12 H

1

*

* *

*

E

+ Me Q = + 0,36 *

E

6

Me Q = 0,00

H +*

Me

*

Q = 0,00 (δEπ)6 = −2,12β

(δEπ)1 = −1,81β

posición

* Me

*

*

(δEπ) x (-β)

C1

1,81

C6

2,12

Qx(Z)

Q2(Me) = +0,36 Q6(Me) = 0,00 Q2(Me) = +0,12 Q6(Me) = 0,00

Orden de reactividad que se predice: C1 > C6

(FPV): C1 (1x106) > C6 (6970) Apartado 2: Q = + 0,50 Me

*

E

E *+ 2

*

H

*

* Q = 0,00 NO2

8

H

*

*+ *

Me

Me

* *

NO2

Q = 0,00

Q = + 0,09

Q = 0,00

*

* *

* +* H

E

3

NO2

Q = + 0,50 (δEπ)2 = −2,12β

(δEπ)8 = −1,81β

(δEπ)3 = −2,12β

RT-12,13

445

(δEπ) x (-β)

posición C2

2,12

C8

1,81

C3

2,12

Qx(Z) Q1(Me) = +0,50 Q4(NO2) = 0,00 Q1(Me) =

0,00

Q4(NO2) = +0,09 Q1(Me) =

0,00

Q4(NO2) = +0,50

Si el metilo está en una posición activa estabiliza el catión arenonio; con el grupo nitro sucede lo contrario. Orden de estabilidad que se predice: C2 > C8 > C3 Me 8 2

[ C más reactivo ]

3

[ C menos reactivo ]

NO2

RESPUESTA 13.10

Secuencia 1: NH2

HNO3

(MeCO)2O

N2+Cl

NH2

NHCOMe

NHCOMe

:B

H2SO 4

NO2

NaNO2

NaNO2

HCl

Cu NO2

NO2

NO2

_

NO2

Secuencia 2: CO2H

CO2H

CO2H HNO3

CO2H

H2

H2SO4

NO2

NaNO2

Pd / C

NH2

CO2H H3O

CuCN _ N2+Cl

HCl

CO2H +

CO2H

CN

Secuencia 3: NH2

N2+Cl

NH2 Br

Br2

Br

NaNO2

Br

Br

Cl CuCl

Br

Br

HCl

H2O NO2

NO2

NO2

Cl Sn HCl

_

Br

NO2

Cl

Cl Br

NaNO2

Br

Br

H3PO2

Br

Br

HCl NH2

N2+Cl

_

RT-12,13

446

Secuencia 4: Cl

Cl

Cl

NaNO2

Cl H2

CuCN

HCl

Pd / C N2+Cl

NH2

_ CN

CH2NH2

Secuencia 5: CMe3

CMe3

CMe3

CMe3 HNO3

H2

NaNO2

H2SO4

Pd / C

HCl

H3O+

CuCN N2+Cl

NH2

NO2

CMe3

CMe3

_

CO2H

CN

Secuencia 6: Et

Et CH3CH2Cl

HNO3

AlCl3

H2SO4

Et

Et

Et NaNO2

Sn HCl

H2O

H2SO4

NO2

N2+SO4H

NH2

_

OH

Secuencia 7: NO2

NO2

HNO3

HNO3

H2SO4

H2SO4

NO2

NO2

Sn HCl

Cl

NaNO2 HCl

NH2

Cl

_

Br

NaNO2

Sn HCl

N2+Cl

_

N2+Cl

NH2

CuCl

NO2

NO2

CuBr

HCl

Cl

Cl

Secuencia 8: NO2

N2+SO4H

NH2

HNO3

H2

NaNO2

H2SO4

Pd / C

H2SO4

OH HNO3

NO2

OH H2O

OH

OH H2

NaNO2

Pd / C

HCl NH2

_

OH CuI

N2+Cl

_ I

RT-12,13

447

RESPUESTA 13.11

[C más reactivo] + _ N2Cl

O2 N

HO

OH O2 N

+

N

N

cloruro de p-Nitrobencenodiazonio

Síntesis del cloruro de p-nitrobencenodiazonio:

NH_COMe

NH2

NH_COMe HNO3

(MeCO)2O

_ + N2Cl

NH2 NaNO2

:B

HCl, H2O Acetanilida

NO2

NO2

NO2

RESPUESTA 13.12

H2N Me

HCl, H2O

Me

Me

HO3S H2N

_ + N2Cl

_ + Cl N2

NaNO2 (2eq.)

NH2

(A)

Me

SO3H SO3H

HO N

HO3S + N

+ N Me

NH2 OH

N

Me

HO3S

SO3H

H2N

SO3H

HO

N

HO3S N

N Me

(B)

N

NH2 OH

Me

[colorante azul]

RT-12,13

448

RESPUESTAS DE LOS EJERCICIOS ADICIONALES

1. HIDROCARBUROS SATURADOS ACÍCLICOS

RESPUESTA 1.1

CH3 CH3CH2 CH__CH2CH2CH3 __

3-Metilhexano (1)

H Me

Pr

Pr

H

H

H 3

Me

Et

Et

(1)

(3S)

Et Pr

Me

Et Me

Pr

CH3 CH3CH2__CH__CH2CH2CH2CH3 3-Metilheptano (2)

Et Bu

Me

Me

3

H

H

(2)

(3S)

Et

Et

Et Bu

H Me

Bu

H Bu

Me

CH2CH3 CH3CH2CH2__C__CH2CH2CH2CH3 CH3 4-Etil-4-metiloctano (3)

Me Pr

Et Bu (3)

Et

4

Bu

Me

Me

Me Pr

Bu Et

Pr

Et

Bu Pr

(4S)

RA-1,2,3,4

449

CH3 CH3CH2CH2 CH__CH2CH2CH2CH3 __

4-Metiloctano (4)

Pr Bu

H

H

Bu

4

Me

Pr

Pr

Pr Me H

Me

Me Bu

H

Bu

(4R)

(4)

RESPUESTA 1.2

Me __

Me __ __

CH3CH2 CH C CH2CH2CH3 Et 4-Etil-3,4-dimetilheptano

Me

H Et Pr

3 4

Pr

Me

4

Me

Me

H

3

Et

Me

H

Et

3 4

Et Et

H

Me

Pr

3 4

Me

Et

Et

Pr

(3R,4R)

(3S,4R)

(3S,4S)

(3S,4S)

(2)

(3)

(4)

(1)

Et

Me

Iguales (superponibles): (3) y (4) Enantiómeros:

(1) y (3) ; (1) y (4)

Diastereoisómeros:

(1) y (2) ; (2) y (3) ; (2) y (4)

RESPUESTA 1.3

Me __

Me __

CH3CH2 CH CH__CH2CH3 3,4-Dimetilhexano

Me Et Et

3 4

H (3S,4S) (1)

H H Me

Et

3

Me

Me

4

H

Et (3R,4S) (2) MESO

RA-1,2,3,4

450

Me

Me __

CH3CH2CH2CH2 CH CH__CH2CH2CH2CH3 __

Pr

Pr

5,6-Dimetil-5,6-dipropildecano

Bu Me

5 6

Bu

Pr Pr

Bu

Pr

Me

5 6

Me

(5S,6R) (4) MESO

H

Me 3 4

Et

Pr

Bu

(5S,6S) (3)

Et

Me

Me

5

Pr [plano de simetria]

6

Pr

Me

Bu Bu

Me

H

(5S,6R)

(3R,4S) (2)

(4)

RESPUESTA 1.4

Me

Me __

CH3CH2 CH CH__CH2CH2CH3 __

3,4-Dimetilheptano (1) H Pr Me

H 3

H(H) H

Me

600 (Pr)Me

Et

3

Pr

Et(Me)

3 4

H Et

Et

Me

Me

H

Me

Pr

(3R,4R)

Et __

Me

H

(1)

(1)

3 4

Me __

CH3CH2CH2 CH CH__CH2CH2CH3 4-Etil-5-metiloctano (2) H Et H

Pr 5

H(H) H Me

Me

600 (Et)Me

5

Pr(Pr)

Et

5 4

Pr Pr

Pr

H

(2)

(4R,5S)

Diastereoisómeros de (2): (4R,5R) y (4S,5S)

RA-1,2,3,4

451

H

H Pr Et

5 4

Me

Me

4

Pr

Pr

Pr

5

H

H

(4R,5R)

(4S,5S)

Et

RESPUESTA 1.5 OH Cl CH3__CH__C__CH2CH3 Me 3-Cloro-2-hidroxi-3-metilpentano

Me H

Me

Et

Me(H)

OH

600

Cl

(Me)Et

Cl(OH)

3

Et Me

2

Cl OH

H

Me

(2S,3R)

(1)

Cl Me HO

H

Et

Cl

Me

600

(Et)HO

3

Et

H(Me)

HO

Me H

2

Me

Me(Cl)

(2S,3S)

(2)

H Et

OH

H

H(Me)

Cl

600

Me

(Cl)Me

2

Me Cl

OH(Et)

3

OH Et

Me

Me

(2R,3R)

(3)

H H Cl

Et

Me

OH

Me

600

(HO)Cl

Et(Me)

HO Cl

Me(H)

2

Me 3

Et

Me (2S,3R)

(4)

Iguales (superponibles): (1) y (4) Enantiómeros:

(2) y (3)

Diastereoisómeros:

(1) y (2) ; (1) y (3) ; (2) y (4) ; (3) y (4)

RA-1,2,3,4

452

RESPUESTA 1.6

Prioridades: radicales primarios < radicales secundarios < radicales terciarios Radicales primarios: 1.

CH3-

C1(HHH)

2.

CH3CH2-

C1(CHH)

C2(HHH)

3.

CH3CH2CH2-

C1(CHH)

C2(CHH)

C3(HHH)

4.

CH3CH2CH2CH2-

C1(CHH)

C2(CHH)

C3(CHH)

5.

(CH3)2CHCH2-

C1(CHH)

C2(CCH)

6.

(CH3)3CCH2-

C1(CHH)

C2(CCC)

Radicales secundarios: 7.

(CH3)2CH-

C1(CCH)

C2(HHH)

8.

CH3(CH2)4-CH(CH3)-

C1(CCH)

C2

C1(CCC)

C2(HHH)

C1(CCC)

C2

(HHH) (CHH)

Radicales terciarios: 9.

(CH3)3C-

(HHH) 10. (CH3)2CHCH2C(CH3)2-

(CHH)

RESPUESTA 1.7

Energía de enlace H−CMe3

H

CH2CH2CH3(g)

D0(H_C1)

CH2CH2CH3 (g) + H (g)

1/2D0(H2) + Δ H 0f ( CH2CH2CH3)

Δ H0f (CH3CH2CH3)

3C (grafito) + 4H2 (g)

Δ H 0f (CH3CH2CH3) + D0(H_C1) = 1/2D0(H2) + Δ H 0f ( CH2CH2CH3) D0(H_C1) = _ Δ H 0f (CH3CH2CH3) + 1/2D0(H2) + Δ H0f ( CH2CH2CH3) = = +24.8 + 104.2/2 + 22.8 = 99.7 kcal/mol

RA-1,2,3,4

453

Energía de enlace CH3−CH2CH3

CH3

CH2CH3 (g)

D0(C1_C2)

CH2CH3 (g) + CH3 (g)

Δ H 0f (CH3CH2CH3)

0 Δ H0f ( CH3) + Δ H f ( CH2CH3)

3C (grafito) + 4H2 (g)

0 Δ H0f (CH3CH2CH3) + D0(C1_C2) = Δ H 0f ( CH3) + Δ H f ( CH2CH3) 0 D0(C1_C2) = _ Δ H0f (CH3CH2CH3) + Δ H 0f ( CH3) + Δ H f ( CH2CH3) =

= +24.8 + 34.8 + 28.0 = 87.6 kcal/mol

RESPUESTA 1.8

Energía de enlace H−C2: CH3 C CH3

H

CH3

D 0 (H − C)

C CH3

CH3

+

H

CH3

1 0 D (H2 ) + ΔH0f ( CMe3 ) 2

ΔH0f (H − CMe 3 )

4C (grafito) + 5H2 (g)

ΔH0f (2 − Metilpropano) + D 0 (H − C1 ) = 1/ 2 D 0 (H2 ) + ΔH0f ( t − Butilo)

D 0 (H − C1 ) = − ΔH0f (2 − Metilpropa no ) + 1/ 2D 0 (H2 ) + ΔH0f ( t − Butilo ) = = 31.4 + 9.0 + 52.1 = 92.5 kcal / mol

Energía de enlace C1−C2: CH3 CH3

CH CH3

D 0 (C1 − C 2 )

H CH3 +

ΔH0f (H − CMe 3 )

CH3

C CH3

ΔH0f ( CH3 ) + ΔH0f ( CHMe 2 ) 4C (grafito) + 5H2 (g)

D 0 (C1 − C 2 ) = − ΔH 0f ( 2 − Metilpropa no ) + ΔH 0f (Metilo ) + ΔH 0f (i − Pr opilo ) = = 31.4 + 34.8 + 19 = 85.2 kcal / mol

RA-1,2,3,4

454

2. HIDROCARBUROS SATURADOS CÍCLICOS

RESPUESTA 2.1

Me

Me Me

4

3

Me

1

(CCH)C2

C4(CHH)

2

(CHH)C3

C1(CCH)

2

1

H

H

cis 1,2-Dimetilciclobutano (1)

H

H

(1S)

(2R)

Las configuraciones absolutas de (2), (3) y (4) se obtienen empleando como referencia la configuración absoluta de (1): (1): cis (1S,2R)

Enantiómeros:

(1) = (2) ; forma MESO (2): cis (1R,2S)

(3) y (4)

Diastereoisómeros:

(1) y (3) ; (1) y (4)

(3): trans (1S,2S) (4): trans (1R,2R)

Me

Me

Me 2

1

3

5

H

4

1

(CHH)C5

H

cis 1,2-Dimetilciclopentano (5)

Me 2

(CCH)C1

C2(CCH)

C3(CHH)

H

H

(1R)

(2S)

Las configuraciones absolutas de (6), (7) y (8) se obtienen empleando como referencia la configuración absoluta de (5): (5): cis (1R,2S) (6): trans (1R,2R) (7): trans (1S,2S)

Formas meso:

(5) y (8) (iguales)

Enantiómeros:

(6) y (7)

Diastereoisómeros:

(8): cis (1S,2R)

(5) y (6) ; (5) y (7)

RESPUESTA 2.2

1,2-Diclorociclohexano (3 estereoisómeros: una forma meso y una pareja de enantiómeros): plano de simetria 6

Cl

Cl 2

1

H

3

H

cis (1S,2R) (MESO)

Cl (CHH)C6

1

Cl C2(ClCH)

2

(ClCH)C1

H

H

(1S)

(2R)

C3(CHH)

RA-1,2,3,4

455

H

Cl

6

3

2

1

H

Cl

H

3

1

2

Cl

Cl

trans (1S,2S)

6

H

trans (1R,2R)

1,3-Diclorociclohexano (3 estereoisómeros: una forma meso y una pareja de enantiómeros): Cl 1

2

3

H

6

Cl

Cl 4

5

1

(CHH)C5

H

cis (1R,3S) (MESO)

Cl

2

1 6

Cl

H

H

(1R)

(3S)

H 3

5

Cl

4

1

3

H

Cl

trans (1R,2R)

C5(CHH)

Cl

2

H

H

3

(ClCH)C1

C3(ClCH)

4

6

5

trans (1S,2S)

1,4-Diclorociclohexano (2 estereoisómeros: una pareja de diastereoisómeros cis/trans): centro de simetria

plano de simetria Cl

Cl

Cl

1

4

H

H

1

4

H

H

Cl

cis

trans

Los carbonos C1 y C4 no son estereogénicos, ya que ambas moléculas tienen un elemento de simetría. No se puede asignar configuración absoluta a ninguno de los dos carbonos, puesto que cada uno de ellos tiene unidos dos sustituyentes iguales. No son formas meso.

1-Bromo-2-clorociclohexano (4 estereoisómeros: dos parejas de enantiómeros): Cl

Br 6

Br

Cl

3

1

(CHH)C6

2

1

H

6

Br

Cl 2

1

H

H

cis (1S,2R)

3

3

Cl 2

H

2

(BrCH)C1

H

H

(1S)

(2R)

H

cis (1S,2R)

C2(ClCH)

Br 1

H

cis (1R,2S)

6

6

Br 1

H

H 2

Cl

trans (1S,2S)

3

3

H 2

Cl

C3(CHH)

Br

6

1

H

trans (1R,2R)

RA-1,2,3,4

456

1-Bromo-3-clorociclohexano (4 estereoisómeros: dos parejas de enantiómeros):

6

Br

Cl

1

H

1

(ClHH)C3

4

3

2

cis (1S,3R)

6

Cl

1

H

5

2

5 4

3

H

H

6

Br

1

5

H

1

H

H

5 4

3

Cl

cis (1R,3S)

6

Br

H

4

3

2

H

cis (1S,3R)

C1(BrCH)

(3R)

Br 2

(CHH)C5

H

Cl

4

3

6

C5(CHH)

3

(1S)

H

Br

Cl

Br

5

1 2

H

Cl

trans (1S,3S)

trans (1R,3R)

1-Bromo-4-clorociclohexano (2 estereoisómeros: una pareja de diastereoisómeros cis/trans): centro de simetria

plano de simetria Br

Br

Cl

1

H

H

1

4

4

H

H

Cl

cis

trans

Los carbonos C1 y C4 no son estereogénicos, ya que ambas moléculas tienen un elemento de simetría. No se puede asignar configuración absoluta a ninguno de los dos carbonos, puesto que cada uno de ellos tiene unidos dos sustituyentes iguales. No son formas meso.

3. HIDROCARBUROS CON ENLACES MÚLTIPLES ENTRE ÁTOMOS DE CARBONO RESPUESTA 3.1

Me HC

C__CH2_

CH_CH2_

H2C

2-propinilo

alilo

CH_CH2_

(2) H2C (1) HC

C__CH2_

CH_

(5) H2C

HC

C_

etinilo

H2C

C_

isopropenilo

H2C

CH_

vinilo

C1(CHH)

C2(CCH)

C1(CHH)

C2(CCC)

CH3_C

C_

1-propinilo

C1(CCH)

Me C_

(4) H2C (3) HC

C_

_ (6) CH3 C

C_

C1(CCC)

C2(CHH)

C1(CCC)

C2(CCH)

C1(CCC)

C2(CCC)

RA-1,2,3,4

457

RESPUESTA 3.2

Cl

Cl ClCH

CH_CH2CH2CH3

CH2

1-cloro-1-penteno

_

_

CH CH CH2CH3

3-cloro-1-penteno

Cl

CH_CH2CHCH3

CH2

_

CH3 CH

4-cloro-1-penteno

_

CH CH_CH3

4-cloro-2-penteno

1-Cloro-1-penteno (dos estereoisómeros: una pareja de diastereoisómeros Z / E): ClCH

CH_CH2CH2CH3

1-cloro-1-penteno

C3H7

Cl H

H

Cl

H

C 3H 7

H

(Z) 1-cloro-1-penteno

(E) 1-cloro-1-penteno

3-Cloro-1-penteno (dos estereoisómeros: una pareja de enantiómeros): Cl CH2

CH_CH_CH2CH3

3-cloro-1-penteno

CH=CH2

CH=CH2 Et

3

Cl

H Et

H

CH=CH2

Cl

Cl

H Et

(3S)

CH=CH2 Cl

Et

3

H (3R)

4-Cloro-1-penteno (dos estereoisómeros: una pareja de enantiómeros): Cl CH2

CH_CH2CHCH3

4-cloro-1-penteno

Me

4

H (4S)

Cl

CH2_CH=CH2

CH2_CH=CH2

CH2_CH=CH2 H Me

Cl

Cl

H Me

CH2_CH=CH2 Cl

4

Me

H (4R)

RA-1,2,3,4

458

4-Cloro-2-penteno (cuatro estereoisómeros: dos pareja de enantiómeros) Cl CH3 CH CH CH CH3 4-cloro-2-penteno

H H

Me

4

Cl

Me

4

Cl

Cl

Me

(4R)

(4S)

CH=CH_CH3 Cl

Cl

4

4

H

H

(4S)

(4R)

H

H

(E) (4R) 4-cloro-2-penteno

CH=CH_CH3

Me

4

H Me

Cl

Cl

CH=CH_CH3

CH=CH_CH3

4

4

(E) (4S) 4-cloro-2-penteno

(Z) (4R) 4-cloro-2-penteno

H

H

H

H Me

H Me

Cl

(Z) (4S) 4-cloro-2-penteno

H

H

Me

4

H Me

Me

Me

H

Me

RESPUESTA 3.3

2,3-Hexadieno (dos estereoisómeros: una pareja de enantiómeros) CH3_CH=C=CH_CH2CH3 2,3-hexadieno

Et C

Et

C

H

C H

C

()

C

()

Me

Me H

H

(S) 2,3-hexadieno

(R) 2,3-hexadieno

Et [3]

Et [3]

H [2]

[1] Me

C

Me [1]

[2] H

H [4]

H [4]

(S)

(R)

2,4-Dicloro-2,3-pentadieno (dos estereoisómeros: una pareja de enantiómeros): Cl

Cl

CH3_C=C=C_CH3 2,4-dicloro-2,3-pentadieno

Me [4]

Cl [3] (S)

Cl

C

C

Me

Me

Cl

Cl

C

[4] Me C

(S) 2,3-hexadieno

C

()

Cl [1]

()

[2] Me

Me

C

Me Cl

(R) 2,3-hexadieno

Me [2]

[1] Cl [3] Cl (R)

RA-1,2,3,4

459

2,3,4-Hexatrieno (dos estereoisómeros: una pareja de diastereoisómeros Z / E) CH3_CH=C=C=CH_CH3 2,3,4-hexatrieno

C

C

C

Me

H

H

C

C

()

C

()

H

C

Me

C

Me

Me (Z) 2,3,4-hexatrieno

H (E) 2,3,4-hexatrieno

RESPUESTA 3.4

Cl

Me

_

_

CH3 C

C_CH2CH3

CH CH

2-cloro-5-metil-2,4-heptadieno

Me

H Et

2

4

Cl H

Me

(2Z,4Z) 2-cloro-5-metil-2,4-heptadieno

Cl

Me

H Me

2

Me

2

4

Me

4

Cl H

Et

H

(2E,4E)

Cl

H

H Et

2

4

Me Et

H

Me

(2E,4Z)

(2Z,4E)

RESPUESTA 3.5 H [4] [2] (CCC)(CHH)C2

3

1

[2] (CHH)(CHH)C6

C4(CHH)(CHH) [3]

4'

C

C

[1] (BrCH)(CHH)C2

Br [1]

Et [1] H [2]

trans

(3R)

4. NOMENCLATURA DE GRUPOS FUNCIONALES RESPUESTA 4.1

O _ _

CH3 C O

O _

Acetoxi

N C O

_

Cianato

CH3_C_NH_

Acetilamino

O Cl C

_

Cloroformilo

O CH3CH2_N

CH2CH3

Dietilamino

_ Me3C O C _

_

ter-Butoxicarbonilo

O C_O_ RA-1,2,3,4

460

O

HO_NH_

H C_O_

Formiloxi O

Benzoiloxi O

Hidroxiamino

+

_

CH3 C CH2 C_

H 3N _

O=N_

Acetoacetilo

Amonio

Nitroso

Orden creciente de prioridad: O

O

_

CH3 C CH2 C_

C1(OOC)

O _ Me3C O C _

_

C1(OOO)

O Cl C_

C1(ClOO)

+

H 3N _

N1(HHH)

O _ _

CH3 C NH_

N1(CH)

CH3CH2_N CH2CH3

N1(CC)

HO_NH_

N1(OH)

O=N_

N1(OO)

N C O_

O1(C)

C2(NNN)

O1(C)

C2(OOH)

O1(C)

C2(OOC)

C3(HHH)

O1(C)

C2(OOC)

C3(CCC)

O H C_O_ O _ _ CH3_C O

O C_O_

RESPUESTA 4.2

RA-1,2,3,4

461

(1) y (2) son enantiómeros:

H Cl HO

H

1 2

OH

HO

Me

Me

H

1 2

Cl OH

(1)

H (2)

(1R,2R) 1-Cloro-1,2-propanodiol

(1S,2S)1-Cloro-1,2-propanodiol

(3) y (4) son iguales: H Et HO

H 3

4

OH

Et

Et

HO

H (3)

3

OH Et

4

H (4)

(3R,4R) 3,4-Hexanodiol

(3R,4R) 3,4-Hexanodiol

(5) y (6) son diastereoisómeros: H Me Et

H 2 3

NH2

H 2N

Me

Et

H (5)

2 3

Me Me

H (6)

(2R,3S) 3-Metil-2-pentanamina

(2S,3S) 3-Metil-2-pentanamina

(7) y (8) son iguales (forma MESO): Cl 1

(ClCH)C2

C4(C3HH)

H

Cl

Cl

1

(7) (1S)

2

H

H

H

H 1

2

Cl

Cl

(7)

(8)

cis (1S,2R) 1,2-diclorociclobutano

cis (1R,2S) 1,2-diclorociclobutano

Cl (CHH)C3

2

C1(ClCH)

H

(MESO)

(MESO)

(7) (2R)

(9) y (10) son diastereoisómeros:

RA-1,2,3,4

462

H

H (CHH)C5

Me

1

C2(CCH)

1

Me

2

5

3

Me (1S)

Me

4

(CCH)C1

H

2

C3(CHH)

H

(9)

(2S)

trans (1S,2S) 1,2-Dimetilciclopentano

H

H

1

2

5

3

Me

4

Me (10)

cis (1S,2R) 1,2-Dimetilciclopentano (MESO)

(11) y (12) son iguales (forma MESO): Cl

6

1

Cl

Cl

H

(CHH)C6

1

H

H (11)

Cl

1

H

2

3

2

Cl

Cl

C2(ClCH)

(ClCH)C1

2

H

H

(1R)

(2S)

H

H

C3(CHH)

(11)

cis (1R,2S)-1(a), 2(e)-Diclorociclohexano

H

6

1

2

H

H

Cl

2

3

H (CHH)C6

1

Cl

Cl

Cl (12)

C2(ClCH)

1

(ClCH)C1

2

Cl

Cl

(1S)

(2R)

C3(CHH)

(12)

cis (1S,2R)-1(e), 2(a)-Diclorociclohexano

(13) y (14) son iguales (no es una forma MESO): H

Cl

4

1

Cl

Cl

4

H

1

Cl

H Cl

H

H

4

H

Cl 4

1

H

Cl

1

H

Cl (13)

(13)

trans 1(e), 4(e)-Diclorociclohexano

(14)

(14)

trans 1(a), 4(a)-Diclorociclohexano

(15) y (16) son diastereoisómeros: Me H

(15)

CO2H

Me

Me

H

Ác. (Z) 2-Metil-2-butenoico

Me (16)

CO 2H

Ác. (E)2-Metil-2-butenoico

(17) y (18) son iguales:

RA-1,2,3,4

463

C

C

Me H

C

Br Et

C

C

C

H Me

C

()

C

()

Et Br

(17)

(18)

(E) 5-Bromo-2,3,4-heptatrieno

(E) 5-Bromo-2,3,4-heptatrieno

(19) y (20) son enantiómeros: H C

Et Et Me

C

C

C

C

()

C

()

Et Me

Et

H

(19)

(20)

(R) 3-Metil-3,4-heptadieno

(S) 3-Metil-3,4-heptadieno

Et [3]

H [4] [1] Et

Me [2]

Me [2]

[1]Et H [4] (S)

Et [3] (R)

RESPUESTA 4.3

3-Cloro-2-butanamina Cl NH2 CH3 CH_CH_CH3 * * _

Cuatro estereoisómeros: dos parejas de enantiómeros:

H Me Me

3

2

Cl NH2

Cl H2 N

2

H

H

H 3

Me

Cl

Me

Me

3

2

Me

Me

NH2

H2N

2

Cl Me

H

H

H

(1)

(2)

(3)

(4)

(2R,3S)

(2S,3S)

(2R,3R)

(2S,3R)

H

3

Enantiómeros: (1) y (2) ; (3) y (4) Diastereoisómeros: (1) y (3) ; (1) y (4) ; (2) y (3) ; (2) y (4) 3-Hexen-2-ol OH CH3_CH2_CH=CH_CH_CH3 *

Cuatro estereoisómeros: dos parejas de enantiómeros Z / E:

RA-1,2,3,4

464

C3(CCH) HO

2

C3(CCH)

Me

Me

C3(CCH)

OH

2

HO

2

C3(CCH)

Me

Me

OH

2

H

H

H

H

(2R)

(2S)

(2R)

(2S)

H H

H

3

Et

3

Et

2

H HO

Et

2

Me

Me

(1)

H

H

H OH

3

(Z)(2S) 3-Hexen-2-ol

H

3

H

2

H HO

2

Me

(2)

(Z) (2R)3-Hexen-2-ol

Et

Me

H

H OH

(3)

(4)

(E)(2R)3-Hexen-2-ol

(E)(2S) 3-Hexen-2-ol

Enantiómeros: (1) y (2) ; (3) y (4) Diastereoisómeros: (1) y (3) ; (1) y (4) ; (2) y (3) ; (2) y (4) 5-Metoxi-2,3-hexadieno OMe CH3 CH=C=CH CH_CH3 * _

_

Cuatro estereoisómeros: dos parejas de enantiómeros

2

4

C

(1)

H

H

C

MeO Me

H

5

H

(S)(5R) 5-Metoxi-2,3-hexadieno

H [4] MeO

C5 [3] (S)

2

(3)

4

C

OMe Me

Me

5

H

H

(5R)

(5S)

H

H

C

MeO Me

H

(R)(5R) 5-Metoxi-2,3-hexadieno

(2)

[4] H

H

5

[1] Me

OMe

H[2]

[3] C5 (R)

2

4

C 5

H Me

C

C4(CCH)

()

C

()

Me H

Me

5

5

C

(R)(5S) 5-Metoxi-2,3-hexadieno

C4(CCH)

Me [1]

[2]H

2

4

C

()

C

()

H Me

OMe Me

C

C

Me H

(4)

(S)(5S) 5-Metoxi-2,3-hexadieno

Enantiómeros: (1) y (2) ; (3) y (4) Diastereoisómeros: (1) y (3) ; (1) y (4) ; (2) y (3) ; (2) y (4)

RA-1,2,3,4

465

RESPUESTA 4.4

1-Bromo-2-clorociclobutano Br H H Cl

Cuatro estereoisómeros: dos parejas de enantiómeros:

Br 1

Cl

Cl

(1)

Br

1

H

H

H

Br

2

2

1

H

Br 1

2

Cl

H

(cis) (1S,2R)

H

2

(2)

(cis) (1R,2S)

H

Cl

H

(3)

(4)

(trans) (1R,2R)

(trans) (1S,2S)

Enantiómeros: (1) y (2) ; (3) y (4) Diastereoisómeros: (1) y (3) ; (1) y (4) ; (2) y (3) ; (2) y (4)

1,4-Dimetoxiciclohexano H

OMe

H

OMe

Dos estereoisómeros cis / trans ópticamente inactivos (no son formas MESO)

OMe

OMe

OMe

1

1

4

H

H 4

H

H

OMe (trans)

(cis)

1,1-Ciclopropanodiol

HO

OH

Ningún estereoisómero (plano de simetría): OH

OH

RA-1,2,3,4

466

3-Penten-2-ona 3

2

CH3_CH=CH_CO_CH3

Dos estereoisómeros Z / E: COCH3

H 3C H

H

H3 C H

H (Z)

COCH3 (E)

1-(sec-butil)-2-Metilciclohexeno 1 2

CH3 CHCH2CH3

CH3

Dos estereoisómeros: una pareja de enantiómeros

C(CCC)

C(CCC) 1

Me

Et

H

Me

Me H Me

1

H Me

1

Et

Et

1

Et

Me

H

(1S)

(1R)

3-Cloro-2-metilbutanal Cl

Me

O

CH3 CH CH C H

Cuatro estereoisómeros: dos parejas de enantiómeros H Me

H CHO

2

Me

3

Cl

OHC Cl

2 3

H Me

Me

Me

Cl

H CHO

2 3

Me

OHC Me

2 3

H

H

H

H

(1)

(2)

(3)

(4)

(2S,3S)

(2R,3R)

(2S,3R)

Me Cl

(2R,3S)

Enantiómeros: (1) y (2) ; (3) y (4) Diastereoisómeros: (1) y (3) ; (1) y (4) ; (2) y (3) ; (2) y (4) 1-Bromo-3-cloro-1,2-butadieno H Br

C

Cl C

C

Me

Dos estereoisómeros: una pareja de enantiómeros:

RA-1,2,3,4

467

Cl

Cl

C

H

C Me

(1)

()

C

C

()

Br

Br

C

H

Me

(2)

Cl [3] [1] Br

C

[3] Cl

H [2]

Br[1]

[2] H

Me [4]

Me[4]

(S)

(R)

2-Amino-2,3,4-heptatrieno NH2 CH3 C C C CH CH2CH3

Dos estereoisómeros Z / E: H Et

C C

Me H 2N

C C

()

C C

()

Me H 2N

C C

Me H

(E)

(Z)

2,6-Diamino-espiro[3.3]heptano 1

H2N

6

H

NH2 2

4

H

Dos estereoisómeros: una pareja de enantiómeros NH2

H H2N

H 2N

H

H NH2

H

(1)

(2)

[3] NH2

[3]NH2 NH2 [1]

[2] H

H [2]

[1] H2N [4] H

H [4]

(S)

(R)

2,4-Hexadieno H CH3

H

C CH C CH CH3

Tres estereoisómeros Z / E: H

Me 2

H

2

Me

4

H

H

H H

Me

2

Me

4

H

H

H Me H

2

H

4

H

H

Me H Me

Me 4

H

(1)

(2)

(3)

(3)

(2E,4E)

(2Z,4Z)

(2Z,4E)

(2E,4Z)

H

RA-1,2,3,4

468

RESPUESTA 4.5

2-Clorociclopentanona 1

O 2

Cl

Dos estereoisómeros: una pareja de enantiómeros

1

H

O

3

2

O

2

Cl

(CHH)C3

1

H

3

(1)

Cl (2)

H

H

2

C1(OOC)

(OOC)C1

(CHH)C3

2

Cl

Cl

(2S)

(2R)

4-Amino-2-penteno NH2 CH3 CH CH CH CH3

Cuatro estereoisómeros: dos parejas de enantiómeros

H

C3(CCH) Me

4

H

NH2

H

H Me

(4S)

3

4

H Me

NH2

Me

Me

4

NH2

H

H Me

(4S)

4

H2 N

4

Me

H

H Me

(4R)

(Z) (4R) 4-Amino-2-penteno

Me 3

H

(2)

(Z) (4S) 4-Amino-2-penteno

H

4

H 2N

(1)

C3(CCH)

C3(CCH) 3

Me H

NH2

(3) (E) (4S) 4-Amino-2-penteno

H

H 2N

C3(CCH) 3

4

H

H Me

H2 N

4

Me

H (4R)

(4) (E) (4R) 4-Amino-2-penteno

Enantiómeros: (1) y (2) ; (3) y (4) Diastereoisómeros: (1) y (3) ; (1) y (4) ; (2) y (3) ; (2) y (4)

RA-1,2,3,4

469

Acido 4-Hidroxiciclohexanocarboxílico CO2H

1

4

OH

Dos estereoisómeros cis / trans OH

CO2H

H

1

4

H

CO2H 1

4

H

H

OH (trans)

(cis)

3-Metilciclobuteno 2

3

Me

1

Dos estereoisómeros: una pareja de enantiómeros 2

Me 3

2

1

1 4

H

3

4

(1)

(CHH)C4

H

(2) Me

Me 3

Me

C2(CCH)

(CCH)C2

3

H

H

(3R)

(3S)

C4(CHH)

5-Nitro-2,3-hexadieno NO2 CH3 CH C CH CH CH3

Cuatro estereoisómeros: dos parejas de enantiómeros

C

C

4

4

H Me

O2N

NO2

5

5

C

H [4]

C5 [3] (S)

H Me

(2)

(S)(5S) 5-Nitro-2,3-hexadieno

[2]H

2

C

H Me

(1)

Me [1]

C

()

C

H

H ()

2

H Me

(R)(5R) 5-Nitro-2,3-hexadieno

C4(CCH) Me

5

NO2

C4(CCH) O2 N

5

H

H

(5S)

(5R)

Me

[4] H [1] Me

H[2] [3] C5 (R)

RA-1,2,3,4

470

H

H C

(3)

C

4

4

H Me

5

O 2N

NO2

(R)(5S) 5-Nitro-2,3-hexadieno

5

C

H Me

C

()

C

()

2

Me H

2

Me H

C

(4)

(S)(5R) 5-Nitro-2,3-hexadieno

3-Metoxicarbonil espiro[5.5]undecano CO2Me

Ningún estereoisómero (plano de simetría): CO2Me plano de simetria H

1,6-Dibromo-2,4-hexadieno BrCH 2 CH CH CH CH CH2Br

Tres estereoisómeros Z / E: H BrCH2

H CH2Br

2

H

H

H

CH2Br

4

H

4

H BrCH2

H

2

H H

H

2

H

H

BrCH2

CH2Br

4

H

H

4

CH2Br

2

H

BrCH2

(1)

(2)

(3)

(3)

(2Z,4Z)

(2E,4E)

(2Z,4E)

(2E,4Z)

2,3-Dimetilpentanal CH3 CH3 CH3 CH2 CH CH CHO

Cuatro estereoisómeros: dos parejas de enantiómeros

2

Me Me

3

Me

H

H CHO Et

OHC Et

2

Me 3

Me

2

H Me

3

Me CHO Et

OHC Et

2

H 3

Me

H (1)

H (2)

H (3)

H (4)

(2R,3R)

(2S,3S)

(2S,3R)

(2R,3S)

RA-1,2,3,4

471

5-Metil-1,3-ciclohexanodiona O

1

3

O

5

CH3

Ningún estereoisómero (plano de simetría): O

Me

O

H

plano de simetria

1-Metil espiro[4.4]nonano Me

Dos estereoisómeros: una pareja de enantiómeros

Me (CHH)C2

1

5

C5(CCC)

Me

Me 2

2

H

(1R)

(CCC)C5

1

1

H

Me 5

(1)

1

H

H

(2)

(1S)

C2(CHH)

RESPUESTA 4.6

2-Cloro-1,3-ciclopentanona

O

O Cl

Ningún estereoisómero (plano de simetria) 1,3-Ciclohexanodiol HO

OH

Tres estereoisómeros: una pareja de enantiómeros y una forma meso.

OH OH 1

H

3

H

(1) cis (1S,3R)

H

H OH 1

H

3

OH

(2) trans (1S,3S)

3

OH

OH 1

H (3) trans (1R,3R)

RA-1,2,3,4

472

1,2-Dimetilciclobuteno Me

Me

Ningún estereoisómero (plano de simetria) 4-Amino-2,3-butadieno CH3 CH

C

CH NH2

Dos estereoisómeros: una pareja de enantiómeros (eje quiral)

NH2 C

C

C

C

()

C

H 2N

()

H CH3

C

H

H (R)

H CH3

(S)

2-Metil-1,3,butadieno CH3 CH2

C

CH

CH2

Ningún estereoisómero: Me

H

H H H

H

2-Metoxicarbonil-1,3-ciclohexadiona

O

O CO2Me

Ningún estereoisómero (plano de simetria) 2-Metoxi espiro[3,3]heptano OMe

Ningún estereoisómero (plano de simetria) OMe

H

RA-1,2,3,4

473

3-Nitro-1-penteno NO2 CH3CH2 CH CH CH2

Dos estereoisómeros: una pareja de enantiómeros H

H

3

3

NO2 CH CH2

Et

O2N H2C CH

(3S)

Et (3R)

1,2,3-Pentatrieno CH2 C C CH CH3

Ningún estereoisómero:

H

C C

()

H

H

C C

CH3

Ciclohexilamina NH2

Ningún estereoisómero (plano de simetria): H

NH2

RESPUESTA 4.7

a) 3-Nitrociclobuteno

Dos estereoisómeros: una pareja de enentiómeros (3R)/(3S).

NO2 2

1

1

NO2

2

3

3

H

H (3R)

(3S)

b) 3-Metilclorociclohexano

Cuatro estereoisómeros: dos parejas de enantiómeros. Me 3

Cl 1

H

H cis (1S,3R)

H

H

1

3

Cl

Me cis (1R,3S)

Cl

H

1

3

H

Me trans (1S,3S)

Me 3

H 1

Cl H trans (1R,3R)

RA-1,2,3,4

474

c) Ácido 1,3-ciclopentanodioico

Tres estereoisómeros: una pareja de enantiómeros y una forma meso.

CO2H

H 1

3

CO2H

H

3

1

CO2H

trans (1S,3S)

CO2H

CO2H

CO2H

H

1

3

H

H

H

trans (1R,3R)

cis(1R,3S) (MESO)

d) Espiro [3.3] 2-metoxicarbonil-6-formilheptano

Dos estereoisómeros: una pareja de enantiómeros (eje quiral)

CO2Me H OHC

6

2

MeO2C 6

2

H

H

(R)

H CHO

(S)

e) 5-Fenil-2,3-hexadieno

Cuatro estereoisómeros: dos parejas de enantiómeros.

C

C

C

H 5

H

Me

C6 H 5

Me

C

5

C6H5

C

()

Me

H ()

H

H 5

H

Me

C6H5

Me

5

C 6H 5

C

C

()

C

()

H

C

Me

(R)(5S)

H C

H

H

(S)(5R)

Me

C

C

Me H

H

(R)(5R)

(S)(5S)

f) 3-Metil-4-hexen-2-ona

Cuatro estereoisómeros: dos parejas de enantiómeros (Z)/(E)

H

H H H MeCO

Me

Me H

Me

3

3

Me

(Z) (3R)

Me

H COMe

(Z) (3S)

H H Me

Me H

H

H

3

3

COMe

(E) (3S)

MeCO

H Me

(E) (3R)

RA-1,2,3,4

475

g) Metilciclopropano

Ningún estereoisómero. Me

H RESPUESTA 4.8

Apartado 1: C(CHH)[3] Me

Et 1

Cl

2

1

[4](HHH)C

OH

C(CHH)(ClCC)[3]

Cl[1]

2

[1](O)C

C(OCC)[2]

(1)

C(CHH)(HHH)[4]

C(ClCC)[2]

(1S)

(2R)

(1S,2R) 1-Cloro-2-etil-2-hidroxi-1-metilpropano

1

[1](ClHH)C

H

MeO 2

H

C(CHH)[3]

C(OOC)[2]

O

CH2Cl

2

[1](O)

H[4]

3

C(CCH)[2]

C(OCH)[3]

(2)

H[4]

(3R)

(2S)

(2S,3R) 2-Clorometil-3-metoxiciclobutanona

Et

Me

O

3

[4]H

OH H

3

1

C(CHH)(HHH)[3]

C(CHH)(CCC)[3]

5

OH[1]

[1](OOC)(CHH)C

C(CHH)(OCH)[2]

C(HHH)[4]

C(CHH)(OOC)[2]

(3)

5

(5S)

(3S)

(3S,5S) 4-Etil-3-hidroxi-5-metilciclohexanona

Apartado 2: Cl

Cl

1

H[4]

H 2

8

5

H

[2](CCC)(CHH)C

3

H2C

CH CH

C(CHH)(CHH)[3]

Cl[1] (2R)

(Z)(2R) 2,8-Dicloro espiro [4,5] decano

Cl

2

C H

H CHO

H2C=HC 2-Cloro-3-butenal

Cl[1]

Cl

O

(2R)

[3](CCH)C

2

C(OOH)[2]

Hl[4] (2R)

RA-1,2,3,4

476

C 6H 5

C6 H5 CH3 CH

CH C

C CH

CMe3

C(CCC)(CCH)(CCH)[1]

CH CH2 C CH

Me3C

[3](HHH)(CCC)C

3

C(CCC)(CCH)[2]

C(CCH)[4] (3R)

3-Fenil-3-t-butil-4-hexen-1-ino

Apartado 3: CH2NH2 CH3CH2 CH CH CH3 OH 3-Metilamino-2-pentanol

H NH2CH2

3

HO

2

NH2CH2

Et

H

Et

Et

3

3

H HO

H

Et

2

2

Me

H

H CH2NH2

Me

H OH

Me

Me

(2S,3S)

H

HO

OH

2

H

(2R,3R)

Et

CH2NH2

3

3

CH2NH2

2

Me

Et

H

CH2NH2 3

3

2

2

H HO

Me

H

H Et

NH2CH2

NH2CH2 Me

H OH

Me

Et

3 2

OH

H

H

(2S,3R)

(2R,3S)

RESPUESTA 4.9

1. (3-Metil-2-ciclohexenil)amina NH2 1 2 3

CH3

Dos estereoisómeros (una pareja de enantiómeros): 5

6

NH2 1

4

Me

3

2

H

NH2

6

5 4

1

H

2

3

Me

RA-1,2,3,4

477

NH2[1] [3](C5HH)C6

1

NH2[1]

C2(C3CH)[2]

1

[2](C3CH)C2

H[4]

C6(C5HH)[3]

H[4]

(1R)

(1S)

2. 5-Metil-2-ciclohexeno-1-carbaldehido CHO 1 2 3

CH3

5

Cuatro estereoisómeros (dos parejas de enantiómeros): Me 4

CHO[1]

CHO

6

5

H 3

1

[3](C5HH)C6

1

H

2

Me[3]

C2(C3CH)[2]

5

[2](C1 CH)(C2CH)C3

H[4]

H[4]

(1R)

Me 5 4

CHO

6

1

H 3

H

cis(1R,5R)

H

5

1

H

2

(5R)

Me

CHO 6

4

4

1

Me

3

H

2

3

cis(1S,5S)

CHO

6

5

H 2

C1(C2CH)(OOH)[1]

H

CHO 6

5

1

Me

H

trans(1R,5S)

4

3

2

trans(1S,5R)

3. Ácido 2-Metil-3-pentenoico CH3 CH3

CH CH CH CO2H

Cuatro estereoisómeros (dos parejas de enantiómeros): H 4

H

3

Me

H

C3[2]

H [4]H

2

Me

H

Me

CO2H

CH CO2H

Me[3]

Me (Z)

H 4

Me

H

2

Me

(2R)

H H

3

H

(Z)(2R)

3

Me 4

4

Me

H

HO2C

Me H

3

H

2

2

CO2H

CO2H[1]

2

H (Z)(2S)

Me

Me

H

(E)(2R)

3

4

H

2

CO2H

HO2C

H

Me

(E)(2S)

RA-1,2,3,4

478

4. 2-Cloro-1-etilidenciclohexano CH CH3 Cl

1

2

Cuatro estereoisómeros (dos parejas de enantiómeros) Cl

Cl Me

H

H

Me

(Z)

(E)

Cl

3

Cl[1]

2

1

Me

H

2

[3](C4HH)C3

H

C1(CCC)[2]

H[4] (Z)(2R)

3

(2R)

Cl

Cl

2

H

2

1

Me H

Me

1

3

Cl

3

H

H

(Z)(2R)

Cl

2

2

1

H

(Z)(2S)

H

1

H

Me

Me

(E)(2R)

3

H

(E)(2S)

5. (9-Acetil-3-ciano-2-hidroxi) espiro[5.5]undecano

10

MeCO

11

OH

1

2

6

9 8

CN

3

7

5

4

Ocho estereoisómeros (cuatro parejas de enantiómeros): OH

1

H MeCO

2

H

6

3

H

4

OH[1]

C1(C2HH)C 2(OC3H)[1]

[2]H [1]MeCO

6

C5(C4HH)C4(C 3HH)[2]

[3](C6HH)C1

2

H[4] trans

CN

(2R)

C3(C4CH)[2]

C(NNN)[2] [1](OC1 H)C2

3

C 4(C5HH)[3]

H[4] (3R)

RA-1,2,3,4

479

1

H MeCO

OH

OH 2

CN

H

6

H

4

H

3

3

1

2

CN H

6

4

trans- (2R,3R)

1

H MeCO

trans- (2S,3S)

OH

OH 2

H

H

6

3

H

3

CN

6

trans- (2S,3R)

OH

OH 2

CN

H

6

2

CN

H

H

6

6

COMe H

4

cis- (2R,3R)

MeCO H

1

H

3

3

4

1

H COMe

4

trans- (2R,3S)

MeCO H

1

2

H

CN

4

1

H COMe

cis- (2S,3S)

OH

OH 2

H 4

H

2

H 3

3

CN

CN

cis- (2R,3S)

H

1

6

COMe H

4

cis- (2S,3R)

Este espirano tiene un eje quiral, es decir, se puede emplear la nomenclatura (R)/(S) en lugar de los descriptores cis y trans: trans-(2R,3R) = (R)(2R,3R)

trans-(2R,3S) = (S)(2R,3S)

trans-(2S,3S) = (S)(2S,3S)

trans-(2S,3R) = (R)(2S,3R)

cis-(2R,3R) = (S)(2R,3R)

cis-(2R,3S) = (R)(2R,3S)

cis-(2S,3S) = (R)(2S,3S)

cis-(2S,3R) = (S)(2S,3R)

6. 1,2,3-Trimetilciclobuteno Me

Me

Me

Dos estereoisómeros (una pareja de enantiómeros):

RA-1,2,3,4

480

Me

Me

3

3

H 2

1

Me

H

Me

1

2

Me

Me

Me[3] 3

[2](C1HH)C4

Me[3]

C2(C1CC)[1]

3

[1](C1CC)C2

H[4]

C4(C1HH)[2]

H[4]

(3R)

(3S)

RESPUESTA 4.10

(1) Ácido 2-Amino-3-metilpentanoico

Me

H

H(Et)

NH2

H2 N

CH3CH2 CH CH CO2H (H)H2N

CO2H(Me)

H

CO2H

2 3

Me

Et (2R,3R)

(2) 1-Cloro-2-metil-1,3-butadieno Me

Cl

Cl

Me

H

CH CH2

H H H

H

(E)

(3) 1-Etoxicarbonil-1,2-propadieno H

H C

C C CO2Et

H

(ópticamente inactiva)

(4) 1,2-Dimetilciclohexano H 6

1

Me

Me Me 2

H

3

2

H trans (1S,2S)

H[4]

H 1

Me

[2](CHH)C6

1

Me[3] C2(CCH)[1]

Me[3] (1S)

[1](CCH)C1

2

C3(CHH)[2]

H[4] (2S)

RA-1,2,3,4

481

(5) 1-Ciano-2-metil-2-vinilciclobutano

1

CN H

CH2 CH

H

2 2

[3](CHH)C4

1

C(CCH)[2] C2(CCC)[2]

[1](CCH)C1

2

C3(CHH)[3]

1

Me

Me CH CH2

H[4]

4

3

C(NNN)[1]

CN

trans (1S,2R)

C(HHH)[4]

(1S)

(2R)

(6) 3-Cloro-9-hidroxi espiro[5,5]undecano Cl[3]

Cl HO H

[1]HO H

H[2] H[4] (R)

(7) 1,4-Dimetilciclohexano Me

H 1

H

Me

Me

H

4

Me

H trans (ópticamente inactiva; no es MESO)

(8) 3-Amino-4-metil-3-nitro-1-hexen-5-ino

C Me

NO2

1

HC C CH C CH CH2 NH2

H 2N

C

CH NO2

Me

H CH CH2

Me

CH H

4

H 2N

CH CH2

3

NO2 (3S,4R)

(9) Ácido 2-amino-3-metilpentanoico H Me CH3CH2

NH2

CO2H NH2

Me 3

C CH CH CO2H Et

H

2

H

HO2C

H

2

3

NH2 Et

Me (2S,3S)

RA-1,2,3,4

482

(10) 2,3-Diclorobutano

Cl

Cl

Me

Me H

Cl

Cl

2

CH3 CH CH CH3

3

Me

Me

H Cl

2

3

H Cl

H (2R,3S) (MESO)

RESPUESTA 4.11

Los radicales están ordenados de menor a mayor.prioridad:

CARBONO CH3 CH2

C CH2CH2

CH3−CH=CH−CH2−

C1(CHH)

C2(CHH)

C1(CHH)

C2(CCH)

C3(CCH)

C4(HHH)

C1(CHH)

C2(CCH)

C3(CCH)

C4(CHH)

C1(CHH)

C2(CCH)

C3(CCH)

C4(CHH)

C1(CHH)

C2(CCH)

C3(CCC)

C1(CHH)

C2(CCC)

C3(CHH)

C1(CHH)

C2(CCC)

C3(CCH)

C1(CHH)

C2(OOC)

C1(CCH)

C2(CHH)

C1(CCH)

C2(CCH)

C3(CHH)

C1(CCH)

C2(CCH)

C3(CHH)

CH3 CH2

CH CH CH2

CH3CH2 CH CH CH2

C5(HHH)

CH3 CH3

C

CHCH2

CH3 CH2

C CH2

CH 3 CH 3 CH

C

CH 2

CH3−CO−CH2− CH 3 CH2

CH CH 2 CH CH 3

CH 2

CH

CH

CH 3CH2 CH CH

C4(HHH)

RA-1,2,3,4

483

CH 3 CH 3 CH

CH

CH

H2C=CH−CH=CH−

C1(CCH)

C2(CCH)

C3(CCH)

C4(HHH)

C1(CCH)

C2(CCH)

C3(CCH)

C4(CHH)

C1(CCH)

C2(CCC)

C6H5 C6H5

CH

CH2CH3 CH2

C1(CCC)

C

N C

C1(NNN)

Me−CO−CH2−CO−

C1(OOC)

H2N C

C1(OON)

O Me C

C1(SSC)

C2(HHH)

C1(SSC)

C2(CCC)

S C6H5 C S H2N C

C1(SSN)

S

C1(BrOO)

Br C O

NITRÓGENO

H2N−CH=N−

N1(CC)

HO−NH−

N1(OH)

O C6H5

S NH

N1(SH)

O

OXÍGENO

H2C=CH−CH2−O−

O1(C)

C2(CHH)

N

O1(C)

C2(NNN)

H2N−O−

O1(N)

N2(HH)

C6H5−N=N−O−

O1(N)

N2(NN)

C O

RA-1,2,3,4

484

AZUFRE

C6H5 S

S1(C)

C6H5 S

S1(OOC)

O O

S1(OOOOC)

C6H5 S O

RESPUESTA 4.12

1,2-Ciclohexanodiol (3 estereoisómeros: una forma meso y una pareja de enantiómeros): plano de simetria OH

OH OH HO

6

1

H

3

(CHH)C6

2

H

1

(ClCH)C1

C2(ClCH)

2

H

H

(1S)

(2R)

C3(CHH)

cis-(1S,2R) (meso)

6

OH

H

3

3

2

1

H

H

HO

2

OH

1

OH

trans-(1S,2S)

6

H

trans-(1R,2R)

1,3-Ciclohexanodiol (3 estereoisómeros: una forma meso y una pareja de enantiómeros): plano de simetria OH

1 6

2

5

(CHH)C5

3

H 4

OH

OH

OH H

1

(ClCH)C1

C3(ClCH)

3

H

H

(1R)

(3S)

C5(CHH)

cis-(1R,3S) (meso)

OH 1 6

OH 2

H 3

H 5

4

OH

trans-(1R,2R)

H

2

3

1

H

OH 4

6

5

trans-(1S,2S)

RA-1,2,3,4

485

1,4-Ciclohexanodiol (2 estereoisómeros: una pareja de diastereoisómeros cis/trans): centro de simetria

plano de simetria OH

OH 1

4

1

H

H

H

HO

4

H

OH

cis

trans

Los carbonos C1 y C4 no son estereogénicos, ya que ambas moléculas tienen un elemento de simetría. No se puede asignar configuración absoluta a ninguno de los dos carbonos, puesto que cada uno de ellos tiene unidos dos sustituyentes iguales. No son formas meso. 2-Bromociclohexanol (4 estereoisómeros: dos parejas de enantiómeros): Br

OH OH

6

Br

1

3

1

(CHH)C6

2

H

H

C2(BrCH)

2

(OCH)C1

C3(CHH)

H

H

(1S)

(2R)

cis (1S,2R)

OH

6

Br

1

3

3

2

2

H

Br HO

cis-(1S,2R)

OH

6

1

H

H

6

H

1

H

2

H

cis-(1R,2S)

H

3

3

HO

2

Br

Br

trans-(1S,2S)

6

1

H

trans-(1R,2R)

3-Bromociclohexanol (4 estereoisómeros: dos parejas de enantiómeros):

OH 6 1

H 2

5

OH

Br

1

4

(BrCH)C3

3

Br 3

(OCH)C1

C5(CHH)

H

H

(1S)

(3R)

H

C5(CHH)

cis (1S,3R)

Br 6 H

5

Cl

1 2

5 4

3

6

Cl

4

Br 1

3

2

H

Br 6 H

cis (1S,3R)

4

3

Br 1

2

H

Cl

Cl

cis (1R,3S)

6

H

4

3

2

H

H

5

5

H

1

trans (1R,3R)

trans (1S,3S)

4-Bromociclohexanol (2 estereoisómeros: una pareja de diastereoisómeros cis/trans): plano de simetria

plano de simetria

OH

OH

Br

1

4

H

H cis

H

1

4

H

Br trans

RA-1,2,3,4

486

Los carbonos C1 y C4 no son estereogénicos, ya que ambas moléculas tienen un elemento de simetría. No se puede asignar configuración absoluta a ninguno de los dos carbonos, puesto que cada uno de ellos tiene unidos dos sustituyentes iguales. No son formas meso. RESPUESTA 4.13

NH2[3]

NH2

H

NH2[1]

[2]H

H2N

H

H[4]

(1)

(R)

(R)-2,6-Diamino espiro[3.3]heptano

HO2C

CO2H[3]

CO2H

6

[1]HO2C

2

H

H[2]

H

H[4]

(2)

(S)

Ác. (S)-espiro[3.3]Heptano-2,6-dicarboxílico

H[4]

H H

7

2

Me

[2]H

Me[1]

CH2OH

CH2OH[3]

(3)

(S)

(S)-2-Hidroximetil-7-metil espiro[3.5]nonano

En la molécula (4) C6 no es estereogénico, pero presenta isomería cis-tras respecto a C1 (en este caso, el estereoisómero es cis) H CO2H

CO2H[1]

H 1

6

[3]CH2

CO2H

1

C4[2]

H[4]

(4)

(1R)

Ác. cis-(1R)-espiro[3.3]heptano-1,6-dicarboxílico

RESPUESTA 4.14

Molécula (1) C6H5

H

C6H5

2

H O H

5 1

Me

Me (R)-(5S)-2-Benciliden-5-metilciclohexanona

H[4]

H[4]

H

3

O

[1]C6H5

H[2] Me[3] (R)

[2](CHH)C3

5

C1(OOC)[1]

C(HHH)[3] (5S)

(1)

RA-1,2,3,4

487

Molécula (2) C6H5

H

O H

2

Me

O

H

H

1

5

C1(OOC)[1]

H[4]

H[4]

(5R)

(R)

(R)-(5R)-2-Benciliden-5-metilciclohexanona

(2)

[2](CHH)C3

C6H5[1]

[2]H

5

C6H5

C(HHH)[3]

Me[3]

Me

Para nombrar las moléculas,(1) y (2) se puede emplear también la geometría del doble enlace:

C6H5

H

2

H O

H

5

C6H5

Me

1

Me

2

O

5

H

1

(1)

(2)

E-(5S)-2-Benciliden-5-metilciclohexanona

Z-(5R)-2-Benciliden-5-metilciclohexanona

Molécula (3) Me[3] CO2H[1]

[2]H H[4] (R)

H[4] [2]CH2

Me[3] C=C[1]

2

4

[1]MeCH

Me[3]

CH2[2]

H[4] (4S)

(2S)

Me[3] [2]CH2

5

CHMe[1]

H[4] (5R)

Me Me

5

H

1

HO2C

H

4

H

H

2

Me Ác. (R)-(2S,4S,5R)-2,4,5-trimetilciclohexilidenacético

RESPUESTA 4.15

H Me

1

C

4

2

CH

H Me

(1) (Z)-1-(4-Metilciclohexiliden)-1-propeno

H Me

4'

4

Me H

(2) (E)-4-Metil-1-(4-metilciclohexiliden) ciclohexano

RA-1,2,3,4

488

H

Me

H

3'

1' 1

5'

Me

3 5

(3)

(3S,3'R)-1-(3'-Metilciclohexiliden)-3-metilciclohexano

Me[3] [1](CCC)C1

3

Me[3]

C5(CHH)[2]

3'

[2](CHH)C'5

H[4]

C1'(CCC)[1]

H[4]

(3S)

(3R')

Me

H 3

1

1

4'

Me H

6

(4)

(R)(3R)-1-(3-Metilciclohexiliden)-4-metilciclohexano

C3(CCH)[3] [2]H

Me[3]

Me[1]

3

[2](CHH)C6

C6(CHH)[4]

C1(CCC)[1]

H[4]

(R)

(3R)

(eje quiral)

5

6 1

H 3

Me

2

C

C

4'

H Me

(5) (Z)-(3R)

H[4] [2](CHH)C5

C

C

H[2]

4'

[1](CCC)C1

Me[1]

[1](CCH)C3

Me[3] (Z)

(3R)

Me[3]

Me 4

H

C5(CHH)[2]

3

C

C

4'

H Me

[1]Me

H[2]

(6)

H[4]

(R)

(R) (eje quiral)

RA-1,2,3,4

489

RESPUESTA 4.16

Me 1

2'

Me

Me 6

7 8

H

2 5

3

10

4

O

9

Me β−Vetivona (5S,10S)

C1(CHH)C2(CCC)[3] 5

[2](CCH)C10

H[4]

C6(CCC)[1]

[2](CHH)C9

C5(CCC)[1]

10

C4(CHH)C3(CHH)[4]

C(HHH)[3]

(5R)

(10S)

Me 3 3'

Me

5

H

3'

6

4 2

Me Me

H 1

Me Me

2

OH

1

Me

3

OH

H

H 4

6

5

Elemol (1S,3R,4R)

C(OCC)[1] [2](CCH)C3 (CHH)C2

1

C3'(CCC)[2]

C6(CHH)C5(CHH)[3]

[1](CCC)C4

C2(CHH)[3]

3

H[4]

C(HHH)[4]

H[4]

(1S)

Me OH

H 4

4

(4R)

Me

3

2 1

C3(CCH)[1]

C(CCH)[2]

(3R)

3

4

[3](CHH)C5

1

2

CH2CH2OH

H Me Grandisol (1S,2R)

H[4] [1](CCC)C2

1

C(HHH)[4] C4(CHH)[3]

C(CCC)[2]

(1S)

[3](CHH)C4 (CHH)C3

2

C1(CCH)[1]

C(CHH)C(OHH)[2]

(2R)

RA-1,2,3,4

490

O 1

N

Me

6 2

H

OMe

H

5

HO

3

O

4

7

H

8

Cocaina (1S,2S,4S,5R,6R)

[4] [2](CHH)(CCH)C2

N

H [4]

C6(CCH)C5(CCH)[1]

2

[1]N

CH3[3]

O [1] C8(CHH)C7(CHH)[3]

C3(CHH)C4(OCH)[2]

(1S)

5

4

C3(CHH)[3]

H[4]

(2S)

(4S)

H [4]

C(OOO) [1] [3](NCH)C6

[2](CCH)C5

[1]N

C4(OCH)[2]

6

C5(CCH)[2]

C7(CHH)[3]

H[4]

(6R)

(5R)

Me Me H1

OH

2

5

3

4

10

9 8

6

Me

7

Me H β−Acorenol (1R,4R,5S)

C3(CHH)[2]

C(OCC)[1] [3](CHH)C2

1

C5(CCC)[2]

[3](HHH)C

C(OCC)[1]

H[4]

4

[3](CCH)C7 (CHH)C6

C5(CCC)[1]

H[4]

(5S)

Me

H

4

3

H

C10(CHH)C9(CHH)[4]

C4(CCH)[2]

(4R)

(1R)

5

10

5 2 1

OH Me

Me

9

Me 6

8 7

Agarospirol (2R,5R,10R)

RA-1,2,3,4

491

C3(CHH)C4(CHH)[3] 2

[4]H

C4(CHH)C3(CHH)[4]

C(OCC)[1]

[1](CCC)C6

C10(CCH)[2]

5

C1(CHH)C5(CCC)[2]

H[4] [1](CCC)C5

C1(CHH)C2(CCH)[3]

(2S)

C(HHH)[3]

(5R)

Me

(10R)

6

5 11

H 7

4 3

8

Me

H

2

Me H

9

Me

C9(CHH)[2]

10

1

10

Cedreno (2S,3S,7S,9R)

C4(CHH)C5(CCH)[4]

C3(CCC)[1] [3](HHH)C

2

[3](CCH)C7 (C7HH)C11

H[4]

C1(CHH)[2]

(3S)

C3(CCC)C11(CHH)[2]

C6(CCC)[2] 7

C2(CCH)C1(CHH)[2]

C9(CCH)C8(CCC)[1]

(2S)

[4]H

3

[1](CCH)C7 (CCC)C8

C11(CHH)[3]

C8(CCC)[1]

9

C10(CHH)[3]

H[4]

(7S)

(9R)

3

2

4

Me Me

Me 11 H Me

5

7

6

HH

OH

1 8

10 9

Alcohol de Patchouli (1S,2R,5S,6S,8R)

C2(OCC)[1] [2](CCH)C6

1

C10(CHH)[3]

C(HHH)[4] (1S)

C4(CHH)[2]

C3(CHH)[4] [3](CHH)C7 (CCH)C8 (CCC)C11

2

O[1]

C1(CCC)C6(CCH)C5(CCH)[2] (2R)

[4]H

5

C(HHH)[3]

C6(CCH)[1] (5S)

RA-1,2,3,4

492

C1(CCC)[1] [2](CCH)C5

6

H[4]

C7(CHH)[3]

[2](CCH)C6 (CHH)C7

C9(CHH)C10(CHH)[3]

8

C11(CCC)[1]

H[4] (6S)

(8R)

Me HO

O 7

1

6

2 3

Me

5

4

Me Me

H OH

Illudin-s

C(OO)[1] 1

[4](HHH)C

C4(CCC)[3] 5

[4]H

O[2]

C2(CCC)[3]

O[1]

C6(CCC)[2]

(1S)

(5S)

Me O 12

11

H

Me

O

13

12

11 13

H

9

H

16

14 8

H

15

7

HO

10 9

HO

8

14

16

15

H

5 6

7

H

6

Estrona (8R,9S,13S,14S)

C7(CHH)[3] 8

[2](CCC)C10 (CCH)C9

C14(CCH)C13(CCC)[1]

C11(CHH)[3] [1](CCC)C10

H[4]

(9S)

C12(CHH)[3] 13

C(HHH)[4]

C(OO)[1] (13S)

C8(CCH)[2]

H[4]

(8R)

[2](CCH)C14

9

C13(CCC)[1] [2](CCH)C8

14

C15(CHH)[3]

H[4] (14S)

RA-1,2,3,4

493

HO

H 9

7

8 12

10 11

HO

H

H

H 13

2

4 6 14

15

16

18

17

H

9

CO2H

3

5

H

1

8

C13

H

10

Me 20

12

11

OH OH C7

19

HO H

H

Prostaglandina PGF 2α (8R,9S,11R,12S,15S)

PG quiere decir prostaglandina; F denota el hidrógeno C9; α significa que el OH en C9 está hacia abajo; 2 indica que hay dos dobles enlaces H[4] [1](OCH)C9

H[4] C12(CCH)[2]

8

[3](CHH)C10

H[4] C8(CCH)[2]

9

C7(CHH)[3]

[2](CCH)C12

O[1]

(8R)

O[1] (11R)

(9S)

C13(CCH)[3] 12

[2](CCH)C8

C10(CHH)[3]

11

C14(CCH)[2] [1](HO)

C11(OCH)[1]

H[4]

15

C16(CHH)[3]

H[4]

(15S)

(12R)

5

O

H

15

H

14

H

7

6

N

16

13

8

12

H

Me

9 10

OH 11

HO Morfina (5R,6S,9R,13S,14R)

H[4] [2](OCH)C6

5

O[1] (5R)

H[4] C13(CCC)[3]

[3](CCH)C7

6

O[1] (6S)

N[1] C5(OCH)[2]

[2](CCH)C14

9

H[4]

C10(CHH)[3] (9R)

RA-1,2,3,4

494

C15(CHH)[4] 13

[1](OCH)C5

C8(CCH)[3]

C14(CCH)[3]

14

[2](CCC)C13

C12(CCC)[2]

H[4]

(13S)

Me

12

(14R)

H

11

Me

H

9

1

10

O

4

H 5

8

COMe 17

13

2

15

H

11

Me

16

14

2

C9(NCH)[1]

4

O

7

1

10

9 6

5

H

6

H 8

7

Me

COMe

13

12

17 14 15

H

16

H

Progesterona (8S,9S,10R,13R,14R,17S)

H[4] [3](CHH)C7

C11(CHH)[3] 9

[1](CCC)C10

C14(CCH)C15(CHH)[2]

8

C9(CCH)C10(CCC)[1]

C17(CCH)C16(CHH)[2]

(10R)

14

[3](CCH)C8

(13R)

H

4

5

6

2

N1

(14R)

(17S)

17 10

C6(CCH)C7(CCH)[2]

[4] (1S)

C16(CHH)[3]

8

H

H 11

9

H

15

N

(1S,6R,7S,9R,11R,16R)

C9(CCH)C11(NCH)[1]

17

H[4]

Esparteina

1

[2](CCC)C13

H[4]

16

N

COMe[1]

C15(CHH)[2]

7 3

C9(CCH)[2]

C(HHH)[4]

C13(CCC)[1]

C(HHH)[4]

[3](CHH)C3

10

[3](CHH)C1

(9S)

C14(CCH)C8(CCH)[1] 13

C8(CCH)[2]

H[4]

(8S)

[3](CHH)C12

C5(CCC)[1]

13 12 14

C17(CHH)(N)[2]

N[1] [3](CHH)C5

6

H[4] (6R)

C7(CCH)[2]

[4]H

7

C8(CHH)C9(CCH)[3]

C6(NCH)[1] (7S)

RA-1,2,3,4

495

C8(CHH)[3] 9

[2](NHH)C10

C11(NCH)[1]

[2](CCH)C9

11

H[4]

Me

17

13

H

16

C11(CCH)[1]

[4] (16R)

H 11

Me

16

14 8

H

2

15

3

4

5

14

7 6

18

13 17

12

10 9

1

H

6

H

Me

8

HO

7

5

4

H

9

10

3

N

H Me

Me

12

H HO

[2](CCH)C7 (CHH)C17

(11R)

11 2

C12(CHH)[3]

N[1]

(9R)

1

C15(CHH)C14(CHH)[3]

H[4]

16

15

H

H

H

Colesterol

(3S,8S,9S,10R,13R,14S,17R,18R)

C1(CHH)[3] 3

[4]H

O[1]

H[4] [3](CHH)C7

C5(CCC)[2]

8

C14(CCH)C15(CHH)[2]

[1](CCC)C10

C9(CCH)C10(CCC)[1]

(3S)

10

9

(9S)

C13(CCC)[1]

C14(CCH)C8(CCH)[1]

C9(CCH)[2]

[3](CHH)C12

C(HHH)[4]

13

[2](CCH)C8

C17(CCH)C16(CHH)[2]

(13R)

17

H[4] (17R)

C16(CHH)[3]

C15(CHH)[3]

(14S)

C18(CCH)[2] [1](CCC)C13

14

H[4]

C(HHH)[4]

(10R)

C8(CCH)[2]

H[4]

(8S)

C5(CCC)[1] [3](HHC)C1

C11(CHH)[3]

H[4] [1](CCH)C17

18

C(CHH)[2]

C(HHH)[3] (18R)

5. ENLACE QUÍMICO EN MOLÉCULAS ORGÁNICAS RESPUESTA 5.1

Apartado 1:

1.1) Los dos primeros dibujos son representaciones distintas (estructuras resonantes) del mismo catión pentadienilo. Este catión no es cíclico; por consiguiente, carece de sentido utilizar los términos aromático, no aromático o antiaromático.

RA-1,2,3,4

496

+ * * H2C CH CH CH CH2 * (1)

+ H2C CH CH CH CH2

+ H2C CH CH CH CH2

(2)

El catión ciclopentadienilo es antiaromático, con enlaces sencillos y dobles no localizados. Como el número de dobles enlaces conjugados del catión pentadienilo y del catión ciclopentadienilo es el mismo, la energía de enlace π del primero será mayor que la del segundo: > +

+

(2)

(3)

1.2) El catión (4) es un catión pentadienilo (ver 1.1) Los cationes (5) y (6) son aromáticos. Un sistema con dobles enlaces conjugados, unidos directamente a un átomo de carbono con carga positiva, es tanto más estable cuanto mayor es el número de átomos de carbono que lo constituyen. Un sustituyente que cede electrones (en este caso el Me) unido a una de las posiciones con carga, estabiliza el catión. Energía de enlace π: + * CHMe *

+ * CH2

*

*

>

*

*

*

(6)

(5)

>

+ H * H

*

* H (4)

1.3) El radical (7) es un radical heptatrienilo (ver 1.1) El radical (8) es no aromático y el anión (9) es antiaromático. Energía de enlace π:

(7)

>

=

(8)

(7)

(9)

Apartado 2: El anión bromuro se unirá al átomo de carbono del sistema conjugado que tenga mayor carga (Q = ai2): -a *

a* + -a *

Br

_

* 2a

Br

Q(max.) = 4a2

a * -a * +

Br

-2a * *a

Br CH2 * 2a

_ CH2

+

CH2Br

Q(max.) = 4a2

RA-1,2,3,4

497

-a +*

Br Br

H2C a*

_ +

CH2 a*

H2C

a*

H2C

-3a * CH2

a *

-a * +

CH2

CH2Br

CH2Br * 2a

Br

_

* -2a

Q(max.) = 9a2

a *

-a * + a*

-3a * CH Me

Br CH Me

* 2a

Br

_

* -2a

Q(max.) = 9a2

RESPUESTA 5.2

Apartado 1: (1) (C11H9)(g)

ΔHa

11C(g) + 9H(g)

11ΔHa(C) + 4.5 ΔHa(H2)

ΔHf (C11H9)

11C(grafito) + 9/2 H2(g)

ΔHa(C11H9) = 11ΔHa(grafito) + 4,5 ΔHa(H2) - ΔHf (C11H9) = = 11×171,3 + 4,5×104,2 - 60,4 = 2 292,8 Kcal/mol ∑D0(C11H9) = 5D0(C=C) + 7D0(C-C) + 9D0(C-H) = = 5×148 + 7×89 + 9×97 = 2 236 Kcal/mol

Δ = (ΔHa - ∑D0) = 56.8 Kcal/mol

El anión no se puede describir mediante el modelo de enlace localizado.

RA-5,6,7

498

Apartado 2: El protón del agua se unirá al átomo de carbono con mayor carga negativa: H3O+ (electrófilo) +

2H2O

-a *

a* _ -a*

3a * CH2

HO

_

(nucleófilo)

_ CH2

CH3

* -2a

H+

* 2a

Q(max.) = (3a)2 = 9a2

RESPUESTA 5.3

Reacción 1:

-a *

2a *

-2a *

a=

a*

+ * 2a

* -a

+0,07 *

Qi = a02i

1 15

+0,07 *

+0,27 *

+0,27 *

Σ Qi = 1 * +0,07

* +0,27

El anión cloruro se unirá a los átomos de carbono con mayor carga formal:

+0,07 * +0,07 *

+0,27 *

Cl

+0,27 *

+ Cl * +0,07

_

+

* +0,27

Cl

+

Cl

Reacción 2: 2a _* a *

-a * * a

-a *

-a * * 3a

* -2a

a * * -2a

* -a a*

Q(max.) = 9a2

Ni siquiera es necesario calcular el valor numérico de la carga, ya que ésta será máxima en el átomo de carbono con mayor coeficiente a0i. _ CH2

CH2

CH2

H3O+

_ H

H

H

RA-5,6,7

499

RESPUESTA 5.4

Apartado 1: Subapartado a): Los radicales (1) y (2) son representaciones distintas de la misma molécula (estructuras resonantes) Al ser una molécula no cíclica carece de sentido aplicarla los calificativos de no aromática aromática o antiaromática.

El radical (3) es no aromático y tiene tres enlaces localizados: dos sencillos y uno doble, de diferentes longitudes y energías. Debido a que ambas moléculas tienen un sistema conjugado de tres carbonos, es posible comparar sus energías de enlace π. Me CH CH CH2

CH3

CH3

CH CH CH2 H

(1)

(2)

(3)

Orden de estabilidad: (1) = (2) = (3) Subapartado b): A los cationes (4) y (5) les sucede los mismo que a los radicales (1) y (2) ; son representaciones diferentes de la misma molécula (estructuras resonantes) Sin embargo el catión (6) es antiaromático, con enlaces sencillos y dobles no localizados, pero de diferente longitud y distinta energía. Ahora, el sistema conjugado es de cinco carbonos en los tres casos:

CH3

CO2Et

CH3

+ H2C C CH CH CH CO2Et

H2C C CH CH CH CO2Et +

CH3

(6)

(5)

(4)

+ H

Orden de estabilidad: (4) = (5) > (6) Subapartado c): La molécula (7) es un catión pentadienilo (sistema conjugado de cinco carbonos no cíclico) De nuevo carece de sentido aplicarla los términos de aromática, no aromática o antiaromática. Los cationes (8), (9) y (10) son aromáticos y todos tienen mayor energía de enlace π que (7) La molécula (10) es un sistema conjugado de once carbonos, mientras que (9) y (8) tienen sistemas de 9 y 7 carbonos conjugados respectivamente.

+ CH2

CH2

Me + H H H (7)

+ + H (8)

Me

H (9)

H

H

(10)

Orden de estabilidad: (10) > (9) > (8) > (7)

RA-5,6,7

500

Apartado 2:

El anión cloruro se unirá al átomo o átomos de carbono que tengan la máxima carga positiva: 2a * CH2

Q(max.) -a *

+ CH2 * -a

Me

+ *a

CH2Cl

_ Cl

Me

Me

Q(max.) = 4a2

Q(max.)

a * +

-a *

+ H

* 2a

Cl

H

_

Cl

* -2a

* a

+

Q(max.) Q(max.) = 4a2

Cl

_

+ H

2a * CH2 -a * -a *

Q(max.) a*

-a*

* 2a

a *+

Cl

H

+ CH2

CH2Cl Cl

_

-a* +

Q(max.) Q(max.) = 4a2

CH2Cl

CH2 Cl

_

+ H

H

Cl

RESPUESTA 5.5

C6H5 CH2CH3

ΔH 0a ( etilbencen o)

8C(g) + 10H(g)

8ΔH0a (C) + 5ΔH0a (H 2 )

ΔH0f (etilbencen o) 8C(grafito) + 5H2(g)

ΔH0f ( etilbencen o) + ΔH0a (etilbencen o) = 8 ΔH0a (C) + 5 ΔH 0a ( etilbencen o )

RA-5,6,7

501

ΔH0a (etilbenceno) = 8ΔH0a (C) + 5ΔH0a (H2 ) − ΔH0f (etilbenceno) = = 8 × 171 .3 + 5 × 104 .2 − 7.12 = 1884 .3 kcal / mol

∑D

0

(etilbencen o) = 3 × 148 + 5 × 89 + 10 × 97 = 1859 kcal / mol

[

Δ = ΔH 0a (etilbencen o) −

∑D

0

]

(etilbencen o) = (1884 .3 − 1859 ) = 25.3 kcal / mol

La molécula de etilbenceno no se puede describir mediante el modelo de enlace localizado.

6. EQUILIBRIO QUÍMICO Y REACTIVIDAD RESPUESTA 6.1

Reacción 1: ΔG = -1,36 ΔpKa = -1,36 (15,7-17) = 1,8 Kcal/mol

Keq. = antlog ΔpKa = antlog (15,7 – 17) = 0,05

La reacción no es válida; el equilibrio está desplazado hacia la izquierda: CH3CH2OH + NaOH

_ CH3CH2O Na+

pKa 17

Keq = 0,05

+ H2O pKa 15,7

Reacción 2: Reacción de oxidación-reducción. No es aplicable el concepto de pKa; tampoco es posible calcular ΔG0 porque no se dispone de datos.

La reacción es válida; el equilibrio está totalmente desplazado a la derecha (eliminación de H2): 2CH3OH + 2Na

_ 2CH3O Na+

+ H2

Reacción 3: ΔG = -1,36 ΔpKa = -1,36 (9,24-19) = 13,3Kcal/mol

Keq. = antlog ΔpKa = antlog (9,24 – 19) = 1,7x10-10

La reacción no es válida; el equilibrio está totalmente desplazado hacia la izquierda:

Me3C_OH + NH3(liq.) pKa 19

_ Me3C_O + NH4+

Keq = 1,7 x 10-10

pKa 9,24

RA-5,6,7

502

Reacción 4: ΔG = -1,36 ΔpKa = -1,36 (35-16,5) = -25,2 Kcal/mol

Keq. = antlog ΔpKa = antlog (35-16,5) = 3,2x1018 La reacción es válida; el equilibrio está totalmente desplazado hacia la derecha:

2Me2CH_OH + 2Na+ H

_ 2Me2CH_O Na+ + H2

_

Keq = 3 x 1018

pKa 35

pKa 16,5

RESPUESTA 6.2

Reacción 1:

H

O

O

C CH2

C H

+

HO

_

O

_

H

C CH

O

pKa 5

Keq = antlog(15,7-5) = 5.01x10 10

H2O

C H +

pKa 15,7

La reacción si es útil en síntesis (equilibrio muy desplazado hacia la derecha) Reacción 2: _ CH4 + CH3CH2O

_ :CH3 + CH3CH2OH

pKa 49

Keq = antlog(17-49) = 10-32

pKa 17

La reacción no es útil en síntesis (equilibrio desplazado totalmente hacia la izquierda) Reacción 3: _ CH3

CN + CH3O

_ :CH2

CN + CH3OH

pKa 25

Keq = antlog(15.2-25) = 1.58x10-10

pKa 15.2

La reacción no es útil en síntesis (equilibrio desplazado totalmente hacia la izquierda) Reacción 4: _ CH3

:NH2

NO2 +

_ :CH2

:NH3

NO2 +

pKa 10.2

Keq = antlog(36-10.2) = 6.31x1025

pKa 36

La reacción si es útil en síntesis (equilibrio muy desplazado hacia la derecha) Reacción 5: CH3

CO CH2 pKa 11

CO2C2H5

+

_ HCO3

_ CH3

CO CH CO2C2H5

+ H2CO3

Keq = antlog(6.35-11) = 2.2x10-5

pKa 6.35

La reacción no es útil en síntesis (equilibrio desplazado totalmente hacia la izquierda)

RA-5,6,7

503

RESPUESTA 6.3

Apartado 1: CH3(a) H

ΔG 0298 = −1700 cal / mol

CH3(e) H

ΔG 0298 = −2.3 R T log K eq

log K eq = −

ΔG 0298 2. 3 R T

=−

ΔG 0298 2.3 × 1.987 T

=−

ΔG 0298 4.57 T

⎛ ΔG 0 ⎞ 1700 298 ⎟ K eq = ant log ⎜ − = ant log = 17.7 ⎜ 4.57 T ⎟ 4.57 × 298 ⎝ ⎠

Apartado 2: CH3(a) H

CH3(e)

(1_α)

α

K eq =

H

α = 17.7 ; α = 0.946 ; (1 − α ) = 0.054 (1 − α )

[(e)-Metilciclohexano] = 94.6 %

[(a)-Metilciclohexano] = 5.4 %

Apartado 3: En los ciclohexanos sustituidos existen interacciones de van der Waals entre los átomos de hidrógeno y los sustituyentes unidos a enlaces axiales (metilo en el ejemplo):

H

H

H H

H

H

H

H H

H

H H

Al aumentar la temperatura hasta 1500 C, el equilibrio se desplaza hacia la conformación menos estable, es decir, hacia la conformación en la que el metilo está en posición axial: CH3(a) H

1500 C

CH3(e) H

RA-5,6,7

504

7. REACCIONES DE OLEFINAS Y ALQUINOS RESPUESTA 7.1

La molécula A es una olefina. Después de la adición de HOCl, los grupos OH y Cl deben estar situados en los carbonos que en la olefina estaban unidos por el doble enlace: OH Cl

HOCl

CH3 CH CH CH3

CH3 CH CH CH3 3-Cloro-2-butanol

Como sólo se obtiene una pareja de enantiómeros, es razonable suponer que la reacción transcurre a través de cationes cloronio. Después de la adición, el Cl y el OH estarán situados en lados opuestos del plano molecular. Se trata de averiguar si el 2-Buteno de partida es Z o E. Me H Cl

Me OH

H

2

3

OH

2

Me

3

H 3

Me H

Cl

2

H Me

H Me

Cl

H

Cl

3

H Me

Me OH

Me HO Me

(2S,3R)

Me H

HO H

OH 3

3

Me

H

H

Me

OH 3

2

H Cl

H Cl

Me

H

Me

2

Cl

3

OH

(1)

(2S,3R)

2

2

2

Cl

H

(2)

(2R,3S)

Me

(2R,3S)

Fijándose en la pareja de enantiómeros, se ve bien que ambos provienen del (E) 2-Buteno:

1

+ Cl 1

H Me

Me H

H

Cl 2

Cl 2

Me H

Cl +

H Me

2

2

1

2

H Me

Cl +

3

H Me

_ Me

2

Me

Me H (2S,3R) OH

(1)

HO 1

(2S,3R) H

3

H Me

3

HO

_ HO

2

1

Me

Me H (2R,3S) Cl

HO

H Me

H

OH 2

3

(2R,3S)

2

Cl

(2)

H

Me

RA-5,6,7

505

RESPUESTA 7.2

H CH3 CH 2

HO

3

3

HO

Et

Et

2

Me OH

3

H

(2R,3R)

(2S,3S)

H

H

2

Et

3

OH

H

Me

OsO4

CH3 CH CH CH2 CH3 2

Me

HCO3H

CH CH2 CH3

H

2

3

OH

HO

OH

HO

2

Me Et

3

H

H

(2R,3S)

(2S,3R)

Con ácido peroxifórmico la adición al doble enlace es anti : H Me HO

H OH

Me

2

3

OH

2

Et

3

H Me

HO

Me

H Et

H Et

H OH

OH (2R,3R)

(2R,3R)

H 2

HO Et

H Me

HO Me

Et

OH

2

3

3

OH

3

2

3

2

3

H Et

HO

H

HO

H

H

Me

OH 2

3

2

H HO

H OH

Et

H

Et

HO

H

Me (2S,3S)

(2S,3S)

Fijándose en la pareja de enantiómeros, resulta obvio que la olefina de partida es el (Z)-2-Penteno: Et

H

OH 2

3

1

H O H

2

3

H Me

Et

1)RCO3H

+

H Et

2)H3O+

HO

HO

H Me

H2O

H Me 1

(Z) 2-Penteno

(2S,3S) H Me

anti

2

2

3 2

H Et

(2R,3R) OH

Con tetraóxido de osmio la adición al doble enlace es syn : H Me Et

H OH

Me

2

3

OH

2

OH

3

H (2R,3S)

Et

Et

Me 3

H OH

H HO

HO

OH 3

2

H OH

2

Et

Me H

H (2R,3S)

RA-5,6,7

506

H HO HO

H Me

HO

2

3

Me

2

Et

3

OH 2

3

H Et

H Et

HO

H

HO

H Me (2S,3R)

(2S,3R)

De nuevo es evidente que la olefina es el (Z)-2-Penteno: O

O Os O Et H Et H

3

O

3

2

HO

H 3O +

Me H

OH 2

3

Et H

(2R,3S) H

Me

Me OsO4 syn H

2

Et H

2

3

O

O

H

H3O+

Me H

Me H

Et 3

2

HO

(2S,3R)

OH

Os O

O

Reacción del (Z) 2-Penteno con ácido hipocloroso:

CH3 CH CH CH2 CH3

OH Cl

HOCl

Cl

CH3 CH CH CH2CH3

+

3-Cloro-2-pentanol

1

+ Cl 1

H Me

H Et 2

1

H Et

Me

H

Cl 2

3

H Et H

Cl 2

H Me

2-Cloro-3-pentanol

HO

_ HO

Cl +

H Me

(2R,3R) 2-Cloro-3-pentanol 2

3

OH

H Et

HO

2

H Me

2

Cl +

H Et

2

H Me

_ HO

Me

(2S,3S) 3-Cloro-2-pentanol

Et

1 1

OH

CH3 CH CH CH2CH3

(2R,3R) 3-Cloro-2-pentanol

3

Cl

H

2

Cl

OH 2

3

(2S,3S) 2-Cloro-3-pentanol H Et

RA-5,6,7

507

Se obtiene una mezcla de los siguientes estereoisómeros: (2S,3S) 3-Cloro-2-pentanol

(2R,3R) 2-Cloro-3-pentanol

(2R,3R) 3-Cloro-2-pentanol

(2S,3S) 2-Cloro-3-pentanol

Enantiómeros

Enantiómeros

RESPUESTA 7.3

Reacción con tetraóxido de osmio: Me

Me

OH

OsO4

OH

Me

Me

O

O Os

OsO4 syn Me

1

2

Me

O

O

1

2

H 3O +

OH

Me

H 3O + Me

1

2

O

O

2

1

Me

Me

Me

Me

Me

(2)(1R,2S)

2

1

Me

(1)(1S,2R)

OH

OH

OH

Os O

O

(1) cis (1S,2R) 1,2-Dimetil-1,2-Ciclohexanodiol (1) = (2) Forma MESO (2) cis (1R,2S) 1,2-Dimetil-1,2-Ciclohexanodiol Reacción con ácido peroxibenzoico: Me

Me

C6H5CO3H

OH OH

Me

Me

1

OH 1

1)R-CO3H 2)H3O Me

Me

H 2O

2

1

Me

(3) (1S,2S)

2

Me

OH

Me

OH

anti

+

Me

O+ H

Me 2 1

OH

(4) (1R,2R)

2

Me

Pareja de enantiómeros: (3) trans (1S,2S) 1,2-Dimetil-1,2-Ciclohexanodiol y (4) trans (1R,2R) 1,2-Dimetil-1,2-Ciclohexanodiol

RA-5,6,7

508

Reacción con ácido clorhídrico: Me

Me

HCl

Cl H

Me

Me

H

1

1

Cl

1

H

+

Me

Cl

1

_

2

Me

Me

H

Me

Me

2

2

1

Me

Me

1

2

2

1

Me

Cl

+

H

(6) (1R,2S)

2

H+

1

(5) (1R,2R)

Me

Cl

Me

Cl 2

1

_

(7) (1S,2R)

H

Me

Me

Me

Me

2

(8) (1S,2S)

2 2

1

H

Cl

(5) trans (1R,2R) 1,2-Dimetil-2-clorociclohexano Pareja de enantiómeros (8) trans (1S,2S) 1,2-Dimetil-2-clorociclohexano (6) trans (1R,2S) 1,2-Dimetil-2-clorociclohexano Pareja de enantiómeros (7) trans (1S,2R) 1,2-Dimetil-2-clorociclohexano RESPUESTA 7.4

Apartado 1: HBr

C6H5CH2 CH CH CH2CH3

H

Br

C6H5CH2 CH CH CH2CH3 3-Bromo-1-fenilpentano

Br +

H

C6H5 CH CH__CH2CH2CH3 1-Bromo-1-fenilpentano

Como se obtiene una mezcla de dos racémicos, la reacción debe transcurrir a través de carbocationes: 1 1

2

C6H5CH2 CH CH CH2CH3

H + C6H5CH2 CH CH CH2CH3 (1)

H+

2

H + C6H5CH2 CH CH CH2CH3 (2)

RA-5,6,7

509

Br 1 1

+ C6H5CH2 CH2 C (1)

H

Br

C6H5CH2 CH2

H Et

_

racémico del 3-Bromo-1fenilpentano

Et H Et

2 2

C6H5CH2 CH2 Br

En el carbocatión (2) tiene lugar una transposición, que conduce a otro carbocatión más estable (conjugado con con el núcleo bencénico): H C6H5CH

H + CH CH CH2CH3

+ C6H5 CH CH2CH2CH2CH3

(2)

(3)

El carbocatión (3) es el que da lugar al racémico del 1-Bromo-1-fenilpentano: Br 1

C 6H 5 H

1

C6H5

+ C

Bu

Br

_

Bu

racémico del 1-Bromo-1-fenilpentano

H C6 H5 H

2

Bu

2

Br

Apartado 2:

Reacción con ácido peroxibenzoico:

C6H5CH2

H

OH 2

1

3

H H C6H5CH2

Et H

1)RCO3H 2)H3O+

O

+

H C6H5CH2

Et H 1

Et

HO

H (2S,3R)

H 2O anti

2

Et H

HO 2 2

H C6H5CH2

3

OH (2R,3S)

RA-5,6,7

510

Reacción con tetraóxido de osmio: O

O Os O

HO

O

H C6H5CH2 H C6H5CH2

Et H

H 3O +

Et H

OH 2

3

H C6H5CH2

Et H (2R,3R)

OsO4 syn H C6H5CH2

O

O

2

H

3

OH

HO

Os O

Et

C6H5CH2 H

H 3O +

Et H

(2S,3S) O

RESPUESTA 7.5

C6H5 CH3 CH CH CH CH3

HBr

C6H5

C6H5

CH3 CH CH CH2 CH3

+

Br

CH3 CH CH2 CH CH3

Br 2-Bromo-4-fenilpentano

3-Bromo-2-fenilpentano

Durante la reacción tiene lugar un cambio en el esqueleto carbonado, ya que uno de los derivados halogenados que se obtiene no es el 3-Bromo-2-fenilpentano, sino el 1-Bromo-1-fenil-2-metilbutano:

Me

Br

C6H5 CH CH CH2CH3

Lo más razonable es pensar que en uno de los carbocationes formados tiene lugar una transposición:

C 6H 5

+ CH3 CH CH2 CH CH3 1

2

C 6H 5 CH3 CH

CH

CH CH3

Br

_

C 6H 5

Br

CH3 CH CH2 CH CH3

(1) H+ C6 H5

+ CH3 CH CH CH2 CH3

transp.

CH3 + C6H5 CH CH CH2 CH3 (2) _ Br Br

CH3

C6H5 CH CH CH2 CH3

RA-5,6,7

511

Estereoquímica de la reacción con el carbocatión (1): Me

Br

1

4

H C 6H 5

1

Me 4

H C6H5

Me

H___Br CH CH CH3

CH2

H C 6H 5

(4S)

H

+

Br

_

CH2

2

H CH3 (2S,4S)

CH3 2

H

Me 4 2

H C 6H 5

CH2

2

CH3

Br (2R,4S)

Estereoquímica de la reacción con el carbocatión (2): H Br

Me

1

H C 6H 5

1

Me H C6H5

+

Me

Et

H

H

C 6H 5

2

1

Br

+

Et H

C 6H 5

Br

1 2

H

Me

Et

_

(1S,2R)

Et H

2

H Me

C 6H 5 H 2

1 2

Et H

Br

Br

C 6H 5

1 2

H

Me

Et (1R,2R)

Br

Et H

1 1

C 6H 5 C 6H5 H

Me

Et H

C 6H 5

Me

H

1

+

2

Et

+

H

H

Br

C 6H 5 H Me

1 2

Br H

Et

_

(1R,2S)

Me

2

C 6H 5 H

Et H 1

2

Br

2

Me

C 6H 5 Br Me

1 2

H H

Et (1S,2S)

RESPUESTA 7.6

Teniendo en cuenta que la reacción transcurre a través de iones cloronio, la adición al doble enlace de los grupos HO y Cl (marcados en el dibujo con negrita) es anti : OH 1

H

H 2

OH

Cl 3

Cl

(1S,2R)-3,3-Dicloro-1,2-ciclohexanodiol

RA-5,6,7

512

La olefina se identifica también fácilmente en el resto de los estereoisómeros: OH

OH OH

1

H

Cl

H

2

H

Cl

3

Cl

2

OH

H

3

H

1

1

2

OH

H

(1S,2S)

OH

Cl

Cl

Cl

(1S,2R,3S)

(1R,2S,3S)

El compuesto A sólo puede ser: OH H H

Cl

(3S) 1-Cloro-3-hidroxiciclohexeno

OH 1

1

H 1

OH H H

+ Cl

1

HO

_

3 2

OH H H

2

(1S,2R)

3

OH

Cl

Cl

Cl

OH

Cl

2

Cl

H

H

Cl +

2

(1R,2S,3S)

1

H

OH

OH

Cl

OH

Cl 1

1

H OH 2

H H

2

1

HO

_

Cl

Cl +

(1S,2S)

2

H

Cl

H

OH

OH 2

3

H

2

Cl

(1S,2R,3S)

1

Cl

RESPUESTA 7.7

Apartado 1: Como la reacción transcurre a través de cationes cloronio, la adición al doble enlace de los grupos HO− y Cl+ (marcados en el dibujo con negrita) es anti: C6H5 1

H

Cl

2

OH

Cl 3

H

(1S,2S,3R) 1,3-Dicloro-1-fenil-2-hidroxiciclohexano

RA-5,6,7

513

La olefina A es: C6H5 3

Cl

2

1

A (3R) 3-Cloro-3-fenilciclohexeno

C6H5 Cl Cl

C6H5

+

C 6H 5

_ HO

+ Cl

Cl

Cl

A

H

1

2

OH

Cl 3

H

Apartado 2: La reacción de eliminación conduce a una olefina conjugada:

H

Cl

C6H5

C6H5 NaOH

+ HCl

H2O B(C12H12)

A

Esta olefina conjugada reacciona con HCl a través del carbocatión más estable:

C6H5

H H+

C6H5

C6H5

*+

H

+

* (2)

(1)

B

Cl

_

Cl

C6H5

Cl

_

C6H5 H Cl

(pareja de enantiómeros)

(pareja de enantiómeros)

Cl 1 1

C6H5

Cl

+ 2

_

3

(A) (3S)

C 6H 5

racémico I

C6H5 (1) 2

3

(3R)

Cl

RA-5,6,7

514

1

Cl

1

C 6H 5

+

C 6H 5

1

(3R)

Cl 3

_

H

H 2

2

C6H5

1

racémico II

H

(3S)

3

Cl

RESPUESTA 7.8

H

H

Cl

H +

+ H +

H (2)

(1)

carbocatión no estabilizado

carbocatión estabilizado

La reacción tiene lugar a través del carbocatión estabilizado (1): H

H +*

Cl

_

Cl (adición 1,2)

*

H

H Cl

_ (adición 1,4)

+

Cl

Las adiciones 1,2 y 1,4 conducen al mismo producto: el 3-Clorociclohexeno. Estereoquímica: Cl 1

1

3

_ +

(1)

H

H

Cl

H

2

H

3

2

1

1

(3R)-3-Clorociclohexeno

_

(3S)-3-Clorociclohexeno

Cl

Cl

(3R)-3-Clorociclohexeno

3

Cl

H

+ 2 2

H

(3S)-3-Clorociclohexeno

3

Cl

RA-5,6,7

515

La distinción entre control termodinámico y control cinético, hace referencia en este caso a que se obtiene la olefina más sustituida o la menos sustituida en el doble enlace. En el ejercicio, las adiciones 1,2 y 1,4 dan lugar al mismo producto. Esto quiere decir que, tanto si la reacción alcanza el equilibrio (control termodinámico) como si no (control cinético) se obtienen los mismos resultados. En consecuencia, no tiene sentido hablar de control cinético o termodinámico.

RESPUESTA 7.9

H

1

OH 3

H

CH2OH 3

CH2

1

OH

OH

3-Hidroximetil1,3-ciclohexanodiol

(1R)-3-Metilenciclohexanol

Apartado 1: O

O Os O

O

H

CH2

OH

H3O +

H

3

CH2OH

1 3

H 1

CH2

OsO4

OH

OH (1R,3R)

2

OH

H

(1R)-3-Metilenciclohexanol

CH2 O

OH

H3O +

O

3

OH

1

Os

OH

O

O

CH2OH

H

(1R,3S)

Se obtiene una mezcla de (1R,3R) y (1R,3S)-3-Hidroximetil-1,3-ciclohexanodiol. Apartado 2: 1

H

H 3

H 1

CH2

2

OH

1)RCO3H

1

O+ H

CH2

2)H3O+ OH

1

(1R)-3-Metilenciclohexanol

CH2OH 3

OH

OH

H2O

(1R,3S)

2

OH H 2 1

3

CH2OH

OH (1R,3R)

Se obtienen los mismos estereoisómeros que en la reacción con OsO4.

RA-5,6,7

516

RESPUESTA 7.10

H

1

OH 3

3

H

CH2Cl

CH2

1

OH

OH

3-Clorometil-1,3ciclohexanodiol

(1R)-3-Metilenciclohexanol

+ Cl 1

H

CH2

HO

_ H 1

3

1

CH2

OH

(1R,3S)

carbocatión terciario incipiente

ClOH

3

OH

OH

H

CH2Cl

2

OH (1R)-3-Metilenciclohexanol H

CH2

2

OH

HO

_

OH H 1

Cl +

3

CH2Cl

OH (1R,3R)

carbocatión terciario incipiente

La reacción también puede transcurrir a través del carbocatión primario incipiente, pero los productos sólo aparecerán en cantidades muy pequeñas: + Cl 1

H

CH2

HO

_

Cl H 1

3

1

CH2

ClOH

CH2OH

OH

OH H

3

(1R,3R)

carbocatión primario incipiente

2

OH (1R)-3-Metilenciclohexanol

H

CH2

2

OH

Cl +

carbocatión primario incipiente

HO

_ H 1

CH2OH 3

Cl

OH (1R,3S)

Ahora el resultado es diferente. Se trata de una mezcla de estereoisómeros del 3-cloro-3-Hidroximetilciclohexanol.

RA-5,6,7

517

RESPUESTA 7.11

Me

Cl

Me

(adición 1,4)

(adición 1,2) Cl _

Cl

_

Cl

Me +

Me

1

CH2

1

+ HCl + CH2

CH2

2

+

3-Metilenciclohexeno

2

Cl

_

Cl

CH2

_

CH2Cl Cl

(adición 1,2)

(adición 1,4)

La reacción está sometida a control termodinámico; se obtiene una mezcla mayoritaria de las olefinas sustituidas en el doble enlace: Me

CH2Cl y Cl

3-Cloro-1-metilciclohexeno

1-Clorometilciclohexeno

El átomo de carbono 3 del 3-Cloro-1-metilciclohexeno es estereogénico. Este compuesto procede de un carbocatión que puede dar lugar a dos estereoisómeros: Cl 1

3

Me

1

+ + Me

H

(3R)

1

Me

2

H

Cl

_

2

H 3 2

Me

1

2

Cl

(3S)

Resultado global: Productos mayoritarios: racémico del 3-cloro-1-metilciclohexeno y 1-clorometilciclohexeno.

RA-5,6,7

518

RESPUESTA 7.12

A(C5H10) es un alqueno. Su reacción con OsO4 da lugar a un diol en el que los grupos OH están en posición syn: OH OH CH3 CH CH CH2 CH3 2,3-Pentanodiol H 2

Me Et

OH

HO

OH

H Me

H Et

OH

3

H

(1)

H Me

(2R,3S)

(Z) 2-Penteno

H 2

HO HO

H Et

Me Et

3

Me H

H Et

HO

OH

H

A

(2)

(2S,3R)

O

O Os H Me H

H Et

Me

O

O

H3O+

H Et

OH

HO

(1) H Me

Et

H

H

H

OsO4

A H

H

Me

Et

O

O

H3O+

Me

Et (2) OH

HO

Os O

O

Enantiómeros: (1) y (2)

La reacción de A con ácido peroxifórmico conduce a una adición neta anti de los dos grupos OH: Me

H

OH

1

H + O H

H

1)HCO3H

Me

Et

2)H3O+

(3) HO

H

H Me

H2O

Et 1

Et

H

HO

2

H

Et (4)

2

H Me

OH

RA-5,6,7

519

H HO

H

2

Me

Me

2

OH

+ Et

OH

3

HO

3

Et

H

H

(2S,3S)

(2R,3R)

(racémico del 2,3-Pentanodiol)

La reacción de A con HOCl transcurre a través de cationes cloronio: Me

H

Cl

1

+ Cl

_ H

H Me

(5) HO

Et

Cl

H

HO

Et 1

H

2

Et (6)

2

H

H Et

Me

Cl

H Me

OH

HO

H

+

A

Et

1 2

1

H

H Me

(7) H Me

_ HO

Et X +

Me

H

Cl

OH (8)

2

Cl

H Et

Compuestos: (5) = (7) ; (6) = (8) Enantiómeros: (5) y (7) ; (6) y (8)

H

H 2

HO

Me

Me

2

OH (racémico del 3-Cloro-2-pentanol)

+ Et

3

Cl

Cl

3

Et

H

H

(5)(2S,3S)

(7)(2R,3R)

H

H 2

Me

Cl

Cl

2

Me (racémico del 2-Cloro-3-pentanol)

+ HO

3

Et

Et

3

OH

H

H

(6)(2R,3R)

(8)(2S,3S)

RA-5,6,7

520

RESPUESTA 7.13

Apartado 1:

C6H5

1

2

CH

CH CH

CH C6H5

H+

2

1

C6H5CH2

*

*

+ * CH CH CH *

* * *

*

(9 carbonos conjugados)

+ CH *

CH2 HC

CH C6H5

(7 carbonos conjugados)

[carbocatión más estable] + C6H5 CH2 CH CH CH C6H5

Br

H C6H5CH2 CH

+ C6H5 CH2 CH CH CH C6H5

_

Br

C6H5CH2

C6H5 H

H

Br

_

H CH C6H5 Br

(E)-1-Bromo-1,4-difenil-2-buteno

(E)-3-Bromo-1,4-difenil-1-buteno

Supongamos que la configuración del 1,4-Difenil-1,3-butadieno es (1E,3E): H C6H5CH2 H

C6H5 H

3

1

H

H

H+

+ *

C6H5CH2

C 6H 5

H

H *

Br

H

C 6H 5

3

H

H

H (2)

+ *

H

Br

Br (E) (1R) 1-Bromo

1

H C6H5

H

_

(E) (3S) 3-Bromo

H

H Br

C6H5CH2

*

(E) (3R) 3-Bromo

C 6H 5

H

_

C6H5CH2

C6H5CH2

H

3

C6H5

(1)

(1E,3E)

H

Br

C6H5 H

H C6H5

C6H5CH2

(E) (1S) 1-Bromo

1

H

Br

RA-5,6,7

521

Se obtiene una mezcla de dos racémicos. Uno corresponde al (E)-3-Bromo-1,4-difenil-2-buteno y el otro al (E)-1-Bromo-1,4difenil-2-buteno. Tal como indica el enunciado. Si la configuración del dieno fuese (1E,3Z) el resultado sería el siguiente: H Br C6H5CH2 H

C6H5 H

3

1

H

C6H5

H+

H

H

+ *

C6H5CH2 H

*

H

_ Br

(Z) (3R) 3-Bromo

H

H

(1)

(1E,3Z)

C 6H5

C6 H5

3

H C6H5CH2

H (Z) (3S) 3-Bromo

3

C6H5

H Br H

Br

C6H5CH2 H

*

C6H5CH2

H

(2)

+ *

C6 H5

1

C 6H 5 H

H

_ Br

(E) (1S) 1-Bromo

H H

C6 H5 H

C6H5CH2

(E) (1R) 1-Bromo

1

H

Br

Ahora también se obtiene el racémico del (E)-1-Bromo-1,4-difenil-2-buteno, pero el otro racémico corresponde al (Z)-3Bromo-1,4-difenil-2-buteno, y no al estereoisómero (E). Apartado 2 Br C6H 5

CH CH CH CH2 C6H5

HCl H 2O

Br C 6H 5

OH

Br

CH CH2 CH2 CH C6H5

+

C6H5

(reacción con Cl-)

(reacción con HO- del H2O)

(E) (racémico)

Cl

CH CH2 CH2 CH C6H5

La adición no tiene lugar en los dos carbonos del doble enlace. Hay un cambio en la estructura debido a la transposición de un átomo de hidrógeno. La reacción transcurre a través de carbocationes: Br 1

C6H5

Br C6H5

CH CH CH CH2

+ CH CH2 CH CH2 (1)

C6H5

C6H5 Br

1

2 2

C6H5

+ CH CH CH2 CH2

C6H5

(2)

RA-5,6,7

522

_ HO H

Br

+ C6H5 CH CH2 CH

Br

OH

C6H5 CH CH2 CH2 CH C6H5

Br + C6H5 CH CH2 CH2 CH C6H5

CH C6H5

(1)

Br

(carbocatión más estable) Cl

_

Cl

C6H5 CH CH2 CH2 CH C6H5

Configuración absoluta de los estereoisómeros: C 6H 5 H 1

H

C6H5

1

1

CH2CH2 Br

(1R)

OH CH2CH2

Br

+

HO

H

_

C 6H 5

C 6H 5 H

2

1 2

H C 6H 5

HC H 6 5 CH2CH2

OH

Br H

Br

1

CH2CH2 C6H5

(1R)

+

HO

H

OH 4

CH2CH2

C 6H5

Br H

HC H 6 5

_

C 6H 5 2

(1S,4R)

H C 6H 5

1

H

(1R,4S)

4

Br

1

(1R,4R)

4

1

2

CH2CH2

(1S,4S)

4

OH

C6H5

RESPUESTA 7.14

Reacción 1:

Se obtiene un racémico [A + B] del 1,2-Dicloro-3-fenilpropano: Cl 1

C6H5CH2

CH CH2 1

C6H5CH2

+ CH CH2

Cl +

Cl

2

2

C6H5CH2

Cl

_

CH CH2Cl * [(2R) + (2S)]

C6H5CH2

+ CH CH2Cl

RA-5,6,7

523

Cl

H

CH2Cl (2R)

H

H C6H5CH2

Cl+

H H

C6H5CH2

Cl

H

H C6H5CH2

1

Cl

_

+

1

2

H

C6H5CH2

H C6H5CH2

_ Cl

H

+

CH2Cl (2S)

H

2

Cl

Cl

Reacción 2: 1 1

+ CH2 CH CH3

C6H5

2

Br

Br

_ C6H5

CH2 CH CH3

(1)

[A + B]

+

C6H5

H3O

CH CH CH3

+ CH CH2 CH3

C6H5

2

Br

_

Br C6H5

(2)

CH CH2 CH3 [C + D]

(carbocatión estabilizado)

La reacción del carbocatión (1) con Br − dará lugar a un racémico [A + B] del 2-Bromo-1-fenilpropano. La reacción del carbocatión estabilizado (2) origina otro racémico [C + D] del 1-Bromo-1-fenilpropano. Abundancia relativa: (C = D) > (A = B) (control termodinámico) Reacción 3: H Br

1

Br

H

_

Br H

H

+

Br 1

[1]

(1) Br+

[(A + B) + (C + D)]

2

+ H H 2

Br

+

H

H

Br (3)

(2) Br

_

Br

_

H Br H Br

H

H Br

Br

[1]

[2]

[(A + B) + (C + D)]

[(E + F) + G]

RA-5,6,7

524

Estereoquímica de los carbocationes (1), (2) y (3): Br

H

+ Br

+ H

+

+

Br

H

(1)

Br

(2)

(1)

H

(2)

Br

H +

+

H

Br (3)

(3)

Los dos carbocationes (1) dan lugar a los cuatro estereoisómeros posibles del 3,4-Dibromociclopentano:

H

3

Br

Br

3

(A) trans (3S,4S)

3

Br H

3

4

4

H Br

Br Br

4

Br H

H

H

(B) trans (3R,4R)

Br 4

H H (D) cis (3R,4S)

(C) cis (3S,4R)

Abundancia relativa: (A = B) (racémico) > (C = D) (racémico)

Los dos carbocationes (2) originan los mismos estereoisómeros A, B, C y D. Los dos carbocationes (3) conducen a los tres estereoisómeros del 3,5-Dibromociclopentano:

Br 3

H

H

H 5

Br

(E) trans (3R,5R)

Br

Br

Br

3

H

(F) trans (3S,5S)

Br 5

3

5

H

H

(G) cis (3R,5S)(MESO)

Abundancia relativa: (E = F) (racémico) > (G) (MESO)

La abundancia relativa de los productos de adición 1,2 (A, B, C, D) respecto a los de adición 1,4 (E, F, G) será: (A = B) > (C = D) >> (E = F) > (G) (control termodinámico) RESPUESTA 7.15

Apartado 1: La reacción del estereoisómero A con ácido peroxibenzoico da lugar a una adición neta anti de los dos grupos HO al doble enlace: OH OH CH3 CH CH CH3

CH3 CH CH CH3

RA-5,6,7

525

H 2

Me HO

3

Me

OH

H

OH

2

3

Me

(2R,3R)

Me

3

Me

OH

Me (Z)

(2R,3R)

H 2

H

H

3

H Me

H Me

HO

H

HO

H Me

HO

2

H Me

HO

Me

Me H

2

OH 2

3

OH

H Me

H

HO

OH

(2S,3S)

H

H

3

Me

Me

H

Me (Z)

(2S,3S)

El compuesto A es el estereoisómero (Z) del 2-Buteno. Por consiguiente, el estereoisómero (E) debe ser el compuesto B: O

O Os O

H Me H

Me H

Me

O

OH

HO

H3O+

Me

(2R,3R)

H

H Me

H

Me

OsO4

(E)B H

Me

Me

H

O

O

Me

H3O+

Me H

H

(2S,3S) OH

HO

Os O

O

Apartado 2: La reacción del estereoisómero A(Z) con HCl transcurre a través de carbocationes: H Cl

H3O+ (electrófilo)

H2O

+

+ Cl

_

(nucleófilo) carbono asimétrico

CH3

CH CH CH3

H+

CH3

+ CH2 CH CH3

Cl

_

* CH2 CH CH3

CH3

Cl

1

1

H

H Me

Me 2

H

+

H + H Me

H

Cl

3

2

_

(1)

Me

H Me

H Me

1

Cl

Cl

H

2

H

C3 (2S)

Me

H

H

2

3 2

H Me

C3

Me

2

(2) Cl

Me

H

2

Cl (2R)

RA-5,6,7

526

RESPUESTA 7.16

Reacción 1: OH Me CH CH Pr

OH

Me CH *

OsO4

+

CH Pr *

2,3-Hexanodiol

Estereoisómeros: una pareja de enantiómeros: O

O Os O

H Me H

Pr H

Me

O

OH

HO

H3O+

Pr

(1)(2R,3R)

H

H Me

H

Pr

OsO4

B(E) H

Pr

Me

H

O

O

H3 O

Me

+

Pr

H

H (2)(2S,3S)

OH

HO

Os O

O

Reacción 2: Br H2C CH C6H5

+

CH3 CH C6H5 * 1-Bromo-1-feniletano

HBr

Estereoisómeros: una pareja de enantiómeros: Br 1 1

H H

H C6H5

+ H+

Me