Solucionario Morrison

QUIMICA ORGANICA PROBLEMAS RESUELTOS

QUIMICA ORGANICA PROBLEMAS RESUELTOS Quinta edición

Robert Thornton Morrison Robert Neilson Boyd New York University Versión en español de

José Manuel Méndez Stivalet

Universidad NacionalAutónoma de México Y Fernando León CedeÍí0 Universidad NacionalAutónoma de México Con la colaboración de Rosa Zugazagoitia Herranz Universidad Autónoma Metropolitana, UnidadXochimilco, México

* Addison-Wesley Iberoamericana vv Argentina o Chile O Colombiao Españao Estados Unidos MBxicoo Puerto RicooVenezuela

Versión en español de la obra titulada Study Guide to Organic Chemistry, Fifth Edition, de Roberth Thornton Morrison y Robert Neilson Boyd, publicada originalmenteen inglés porAllynandBacon,Inc.,Boston,Massachusetts,E.U.A.CopyrightO1987,1983,1975. Esta edición en españolcs la cínica autorizada. La inclusión en la obra delos espectros pertcnecicntes a Sadtler Standard Spectra@ por Dcrccortesía de Sadtler Research Laboratories, división de Bio-Rad Labcratories, Inc. chos reservados.

O 1992por Addison - Wesley Iberoamericana,S.A. Wilmington, Delaware,E.U.A.

Impreso enEstados Unidos. Printed in U.S.A. ISBN 0-201- 62933-X 4 5 6 7 8 9 10-CRS-99 98 97 96

Indice general Agradecimientos vii Al estudiante ix Advertencia x 1 2 3 4 5 6 7 8

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29

30

Estructura y propiedades 1 Metano Energía de activación. Estado de transición 13 AIcanos Sustitución por radicales libres 25 Estereoquímica I. Estereoisómeros 47 Halogenuros de alquilo Sustitución nucleofilica alifática 77 Función del disolvente Enlace secundario 91 Alquenos I. Estructura y preparación Eliminación 97 Alquenos 11. Reacciones del doble enlace carbono-carbono Adición electrofilica y de radicales libres 1I 7 Estereoquímica 11. Reacciones estereoselectivas y estereoespecíficas 133 Conjugación y resonancia Dienos 151 Alquinos 169 Hidrocarburosalicíclicos 177 Aromaticidad Benceno 211 Sustitución electrofílica aromática 2 19 Compuestos aromáticos-alifáticos Arenos y sus derivados 229 Espectroscopia y estructura 249 Alcoholes I. Preparación y propiedades físicas 283 Alcoholes 11. Reacciones295 Eteres y epóxidos 323 Sinforia Efectos de grupos vecinos. Catálisis por complejos de metales de transición 345 Aldehídos y cetonas Adición nucleofilica 353 Estereoquímica 111. Ligantes y caras enantiotópicas y diastereotópicas 373 Acidoscarboxílicos 385 Derivados funcionalesde los ácidos carboxílicos Sustitución nucleofílica del acilo 41 1 Carbaniones I Condensaciones aldólicas y de Claisen 437 Aminas I. Preparación y propiedades físicas 465 Aminas 11. Reacciones 473 Fenoles S05 Halogenuros de aril0 Sustitución nucleofílica aromática 535 Carbaniones I1 Síntesis malónica y acetoacética 553 V

31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41

Compuestoscarbonílicos a,p - nosaturados Adición conjugada Transposiciones Carbono como vecino. Iones no clásicos 611 Orbitales moleculares. Simem'a Orbital. 637 Compuestos aromáticos polinucleares 663 Compuestosheterocíclicos 697 Macromoléculas. Polímeros y polimerización 725 Grasas 741 Carbohidratos I. Monosacátidos 751 CarbohidratosIT. Disacáridos y polisacáridos 789 Aminoácidos y proteínas 813 Procesos bioquímicos Biología molecular 833

Análisis de espectros 835 Fórmulas estereoquímicas de compuestos cíclicos 882 Síntesis: trabajo retroactivo 882 Análisis de espectros 883 Síntesis: un enfoque sistemático 884

581

Agradecimientos Nuestro agradecimiento a Sadtler Research Laboratories por los espectros de infrarrojo marcados “Sadtler” y al Infrared Data Committee del Japón por aquellos marcados VRDC”, así como al doctor David Kritchevsky, del Wistarlnstitute, por habernos permitido citarla letra de su canción, ‘%amesol”.

Al estudiante En este momento, frente al cúmulo de material desconocido que contiene su libro, seguramente se estará preguntando:iqué se supone que deboextraer de todo esto? La mejor manera de descubrirlo es resolviendo problemas: primero, para ver si ha y principios acerca de los cuales ha estado leyendo; segundo, comprendido los hechos y lo que es más importante, para aprender autilizarestosmétodos químicos del mismo modo práctico como lo hace un químico orgánico. Dése una oportunidad honesta para trabajar cada problema; no lo abandone con a leer la parte pertinente del ytexto piénseZa. Use papel demasiada premura. Vuelva y lápiz y realmente trabajeen ella. Sólo cuandoha realizado todo esto, compare su respuesta con la que se da en esta Guía de Estudio. Si estuvo en la senda correcta, enhorabuena. se desvió del Si camino, trate de averiguar ddnde sucedió. Siga cuidadosamente la explicación para darse cuenta de cómo debe enfrentar este tipo de problemas la próxima vez. Debe aprender a utilizar su química orgánica aún sin estrenar y, para lograrlo, es preciso esforzarse. Debe tratar de resolver problemas difíciles, y no siempre lo logrará; pero puede aprender de sus fracasos tanto como de sus éxitos. Con algunas de las respuestas hemos indicado referencias a textos químicos.No será necesario leer todos estos trabajos "-0 incluso, quizás ninguno de ellos-; sin su interés, ahonde en él. En todo caso, lea embargo, si alguno de los temas despierta una -o dos, o tres- de estas publicaciones, de manera que pueda apreciar con detalles tangibles el tipo de trabajo experimental que subyace a toda ciencia. Robert Thornton Morrison Robert Neilson Boyd

Advertencia Las referencias a una página de esta Guía de Estudio se indicarán como "página O00 deestaGuíade Estudio". Se entenderá que toda otra referencia corresponde a una página de Química Orgánica, quinta edicio'n, de R. T. Morrison y R. N. Boyd.

Estructura y propiedades

1.1

Iónicos: a, e, f. En general, esperamosla transferencia electrónica“enlace iónico“ entre átomos que se o hacia la derecha, en la tabla periódica típicamente hallan muy separados, hacia la izquierda entre metales del extremo izquierdo y no metales ubicados a la derecha. Esperamos el compartimiento de electrones -enlace covalente-entre átomos que no están tan separados: entre S y O, por ejemplo, o entre N y C; y también entreH y casi todo átomo perteneciente a los grupos111a VII. (Véanse también los compuestos covalentes en el problema 1.2.)

(a)

H (b) H : S :

K’ : B r :

..

(c)

. . : F: . . ..

:F:N:F:

H H .. .. (e) c a z + : .O.. .: S. :. ~ : ” ( f ) H : N : H - : ~ I : - (g) H : P : H :

o

:

,

:O:

1.2

H

,

H

:o:

(a) H : O . . .: O : H

(b) : N : : : N :

(e)

(f) - : O : : C : : O : (g) H:O ..:C ....: O : H

H:C:::N:

H (d) : C..i : C..: c.l. : ..a :

(c) H : O : N : : O :

o:

(h) H:C :O:H .. .. H

:O:

(d) :O .. : N : : O : H H (h) H : C :C:H .. .. H H

CAPITULO 1

13

ESTRUCTURA Y PROPIEDADES

(a)

1S

2P

2s

Na

Mg

todos son semejantes al Ne

Al

si P S

1

CI

8

Ar

@)Loselementos dela misma familia tienen igual configuraci6n electrónica su para nivel energCtico miis elevado. (c)Los elementos metAlicos a la izquierda de la tabla peri6dica pierden electrones para adquirir una configuración 2,8; los elementos nometlicos situados a la derecha ganan una configuración 2,8,8. electrones para adoptar

1.4

Para alcanzarla forma de cada molkula, vemos cuántos orbitales necesita el átomo central para sujetar no s610 los 6tomos unidos a 61, sino tambi6n todo par de electrones no sp3si necesita tres, sp2;si dos, compartido. Si precisa de cuatro orbitales, utilizarh orbitales sp. A continuación se indica la forma en cada caso: primero, si se incluyen pares no compartidos; luego, entreparhtesis, si S610 se consideran los núcleos atómicos. (a)Tetraédrica, comoCH, en la figura 1.10, piigina 16. (Tetraédrica.) (b)Tem&ica, comoNH,en la figura l.12, pAgina 18.(Piramidal,con rfngulostetruédricos.) (c)Tetra&ca, como %O en la figura1.14, phgina 19. (Plana,con un ángulo retraédrico.) (d)Tetra&lrica, como

9. (Piramidal,con ángulos tetruédricos.) H.

I

NH4 +

2

HIO'

CH,OH

I

"'y

5

H

"

H

CH,NHZ

ESTRUCTURA Y PROPIEDADES

1.S

CAPITULO 1

La estructura (a), no la (b), puesto que en (a) se anularían mutuamcnte los dipolos.

c1

c1 1.6

Lineal. Esta la es única forma que permite la anulación los dos de dipolos carbono-oxígeno.

AI igual queen BeCI, (Fig. 1.6, pág. 13), esta linealidad resulta de la hibridación sp en el átomo central; en COZhay traslapo adicional para generar enlaces dobles (Sec. 7.2). 1.7

(a) Esperaríamosun momento dipolar nulo. Si el nitrógeno presentara hibridación sp2,la molécula sería plana y simCtrica (como BF,, se anulm'an mutuamente. De hecho, N%, Fig. 1.8,pág. 15), y los tres dipolos de los enlaces tiene p = 1.46 D. Por tanto, la molécula no es plana, ni hibridadasp2. (b) Esperaríamos queNF, tuviese un dipolo mucho mayor que NH,.

Si el nitrógeno usara orbitales p para enlazar,NH, y NF, serían piramidales, como se indica en la página 25, excepto que los Bngulosde enlace serían de 90" en lugar de lspáginas 24 a 25, en tanto, se tome tetraédricos. El razonamiento es el mismo que el dea se en consideración el par de electrones no compartido. Ahora el par no compartido encontraría en un orbital 2s simétrico en torno al N , y no proporciom'a un dipolo que se los grandes dipolos N-F darían alNF, opusiera alos dipolos delos enlaces. Sin oposición un momento dipolar mucho mayor que elN,. delDe hecho,NF,tiene un momento dipolar mucho menor queNH,;por tanto, el par no compartido no se encuentraun en orbital 2s, y la molécula nose halla p-hibridada. 1.8

Asociados: d, e. Simplemente dibujamos la estructura de cada molécula y buscamos H ligado aO o a N. Sólo si encontramos O-H o N-H esperamos que el compuesto se halle asociado. los H de los grupos recurrentes CH, no se pueden hallar implicados (Podemos observar que en puentes de hidrógeno.)

"I

Y

H

H

(a) H-C-0-6

I

I

No asociado

H -H

I I

(b) H"C--F H No asociado

H

I I

(c) H-C--CI

H No asociado

CAPITULO 1

ESTRUCTURA Y PROPIEDADES

J

( f ) CH,

N

I

C'H No asociado

1.9

.,

En cada caso, enfocamos nuestra atención sobreel átomo que tiene el prodn que se va a perder, es decir,el átomo que se quedará con el par electrónico no compartido en labase conjugada que se va a formar. Cuanto mejor acomoda este átomo dichos electrones, tanto mayor será la can tidad de base conjugada que y, sepor formará consiguiente, por definición, tanto m's fuerre será el úcid0 conjugado. H:L

t-

Acido

Sujeta al protdn

:H ' e :Z

+

H:B

Base conjugada Mantiene al par de

electrones no compartidos

Consideraremos dos factores que determinan la capacidad un átomo de para acomodar los electrones: (i) Su electronegatividad, puesto que, por definición, un átomo más electronegativo tiene mayor avidez de electrones. Entre los átomos del mismo pcriodode la tabla periódica, la electronegatividad aumenta a medida que nos desplazamoshacia la derecha. (ii) Su tamaño, puesto queun átomo más grande permite una mayor dispersión dela carga de los electrones y, como veremos( S a . 5.21),esto tiendea estabilizar a una partícula tamaño aumenta a medidaque nos cargada.Entreátomosde lamismafamilia,el desplazamos hacia abajo en la tabla. (a) CH,NH, < CH,OH

El oxígeno y el nitrógeno se encuentran en el mismo periodo de la tabla periódica, y el oxígeno esel mds electronegativo. (b) CH,OH < CH,SH

El azufre y el oxígeno pertenecena la mismafamilia de la tabla periódica, y el azufre es el m's grande de los dos. 4

CAPITULO 1

ESTRUCTURA Y PROPIEDADES

(c) NH,

’

< H,O

’

Una vez más, el oxígenoy el nitrógeno se encuentranen el mismoperiodo de la tabla periódica, y el oxígeno es el mbs electronegativo. 1.10

Apelando a nuestros conocimientos generales de química, llegamos los a siguientes 6rdenes de acidez. (Sabemos, por ejemplo, que %O+, y no H20.es el ácido fuerte en soluciones acuosas de compuestos como el ácido sulfúrico.) (b) NH,’

> NH3

(d) HzO > OH

(c) H2S > HS

(e) Observamos que, entre moléculas estrechamente relacionadas en las cuales el mismo átomo pierde el protón, cargapositiva

--”+

acidezincrementada

carganegativa

+ acidezdisminuida

¿Cómojustificamosesto?Siguiendo el planteamientodelproblemaprecedente, se van consideramos las diversas bases conjugadas queformandoy la habilidadde cada una cargados negativamente- que queda al para acomodarel par de electrones -recordemos, perderse el protón. Este acomodoes m& fácil para la base conjugada neutra se genera que de un kid0 cargado positivamente,

Neutro

H,O’ + : B e . H z 0 Positivo

+

H:B

más difícil parala base conjugada cargada negativamenteseque genera de un ácido neutro, H,O Negativa

+

:B

Z=Z

OH

+

H:B

Neutro

y aún más difícil para la base conjugada con doble carga, la cual proviene de un ácido cargado negativamente. OH- + :B Negativo

02- + H:B Doblemente negativa

ESTRUCTURA Y PROPIEDADES

CAPITULO 1

1.1 1

Utilizando nuevamente el planteamiento del problema 1.9, centramos nuestra atención en Cuanto mejor acomoda el átomo que tiene el par de electrones no compartido en la base. el átomo estos electrones, tanto menos disponibles están para ser compartidos y tanto mris débil será la base. Un orden de basicidad relativaes necesariamente opuesto al orden de acidez relativa de los ácidos conjugados.

(a) CH,- > NH,- > O H - > F.

(b) NH, > H 2 0 > HF

(c) SH" > C1-

En (a), (b) y (c), los átomos de cada serie se encuentran en el mismo periodo de la tabla periódica, por lo que el acomodo del par electrónico depende de la electronegatividad: cuanto más electronegativo es el elemento, tanto más débil la base. es (d) F - > C1- > Br- > 1-

(e) OH- > S H - > SeH-

En (d) y (e), los átomos de cada serie se encuentran en la misma familia de la tabla periMca, por lo que el acomodo depende deltamaíio: cuando más grande sea el átomo, tanto más débil será la base.

1.12

CH,NH2 > CH30H > CH,F Aplicamos el mismo planteamiento del problema anterior. En esta serie, la basicidad varia inversamente con la electronegatividad: cuanto más electronegativo sea el átomo, tanto más débilserá la base.

1.13

Planteamos este problema como lo hicimos antes con el problema 1.10. Nuevamente apelamos a nuestros conocimientos generales de química, y llegamos a los siguientes órdenes de basicidad. (Sabemos, por ejemplo, que es el OH-, y no H20, el que hace fuertemente básica la solución acuosa de NaOH.)

(d)Observamos que, entre moléculas estrechamente relacionadas en las que el mismo á tiene el par no compartido, carganegativa

+ basicidadaumentada,

cargapositiva

+ basicidaddisminuida

'Para explicar esto, consideremos el par electrónico no compartido en cada base y cuán disponible se encuentra para ser compartido. Para un átomo dado, es evidente que la disponibilidad de electronesesmayoren una molécularicaenelectrones,cargada negativamente, y menor en UM molécula pobre en electrones y cargada positivamente. 6

CAPITULO 1

ESTRUCTURA Y PROPIEDADES

(a)

Mg" 2 : 61:

~

. . .H. . . (b) :CI:C:CI: ...... H

: o :

(e) K + : .o .: .c. ~. :. o :

(f)

:O:

:CI :

:Cl:S1:C¡ ...... :CI: ..

. .: .O. :. . (b) H : O . .:.S. :.O. : H :O:

(e) H : O : N : : O :

(f)

:O:N::o:

(i)

(j)

H:C::O:

H:C:::C:H

H

. . . .

(c) :'i: . . C. .I :

(E) Ba"

(d) N a ' :O:CI ....

. .: .O. :. . :O:S:O:'-

H

(h) H:C . .:.N. : H

:o

H H

..

. .: .O. :. . (c) H : O . . :. S. .: .O : ~

:o:

..

:CI:

(d)

H

H

(h) H:C::C:H

(k) H:C . .:.O. : H

(I)

o :

3.

:CI:F::b:

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

Para llegar a la forma de cada molécula, seguimos el procedimiento del problema 1.4 y vemos cuántos orbitales necesita el átomo central para retener tanto átomos como pares A continuaciónse indica la forma para cada caso: primero, si electrónicos no compartidos. se incluyen pares no compartidos; luego, entre parkntesis, si solamente se consideran núcleos atómicos. (a)Trigonal, comoBF, en la figura 1.8,página 15.(Trigonal.) (b)Tetraédrica, como N 5 en la figura l. página 12, 18. (Pirumidal, con cíngulos tetruédricos.) (c)Trigonal, comoBF,. (Trigonal.) (d)Tetraédnca, comoH20 en lafigura 1.14,página 19.(Plana,con un úngulo tetraédrico.) (e)Tetraédrica, comoH20. (Plana, con un úngulo tetraédrico.)

(0 Tetraédrica, comoH20. (Plana, con un úngulo fefraédrico.) (g)Tetraédrico, comoCH, en la figura 1.10,página 16.(Tetraédrica.) 7

ESTRUCTURA Y PROPIEDADES

CAPITULO 1

(h)Tetraédrica, comoNH,. (Piramidal,con úngulos tetraédricos.)

CH, :

N

F

4.

Octakdnca, es decir, dos pirámides cuadradas base con base.

5.

(a) Hacia el Br (el átomo más electronegativo). (b)Hacia elC1 (el átomomás electronegativo). (c)No p o a lr (se anulan). (d)Se alejade los átomos de H, bisecandoel ángulo entrelos átomos de C1 (vectores). (e) A 180" del enlaceC-H

(compárese con lafig. 1.16, pág.24).

(f) Similar a la molécula de H,O (Fig. 1.17, pág.25).

(g)Similar a la molécula de H,O (Fig. 1.17, pág.25). (h)Hacia el par no compartido en el N (Fig. 1.17, pág.25). (i) Se aleja delos átomos deC1, bisecando el ángulo entre los átomos de F. 8 .

,

~

'

_

"

y

(

_

~

~

~

~

~

~

_

.

I

_

"

~

u

"

"

I

~

~

~

~

"

-

~

ESTRUCTURA CAPITULO Y PROPIEDADES

6.

1

(a)El F es más electronegativo que el C1, y atrae más a los electrones; e para HF es más e más grande evidentemente desplaza al menor d, resultando así grande que para HCl. Esta un mayor p. (b)Esd claro que ladireccióndeldipoloes,en ambos casos,hacia el Faltamente electronegativo. Puestoquedes en esencia el mismo endos las moléculas,el mayor p para elatrae electrones del D con másfacilidad que del CD$ indica un mayor e. Desde luego, F en relación con H; es decir, el D libera electrones más fácilmente que H. elPor consiguiente, C. el enlaceC-H, la unión C-D tiene un dipolo del D al

7.

El compuesto de Li es iónico, comoUM sal; el compuesto deBe es no-iónico, covalente.

8.

El punto de ebullición se eleva mediante puentesde hidrógeno (asociación)enue las mismas moléculasde un compuesto; la solubilidad se aumenta mediante puentes de hidrógeno entre moléculas de soluto y moléculas de disolvente. Las moléculas del alcohol forman y con lasmolkulas de agua, aumentando puentes entresí, elevando el punto de ebullición, de hidrógeno con el la solubilidad.Las moléculas del éter sólo pueden establecer puentes agua, la que proporciona H unido a O; esto eleva la solubilidad pero, en ausencia de asociación, el bajo punto de ebullición es “normal” para peso el molecular.

H?O+ Acido más fuerte

+

HCO3HlCO? Base más fuerte

c

+

OHHC03Base más Acido más fuerte fuerte NH3 + HjO+ Base másAcidomás fuerte fuerte

CN + H20 Base másAcidomás débil débil

+

>

__ > c

__

HHZ0 Base másAcido más fuerte fuerte C,*+ Hz0 Base másAcidomás fuerte fuerte

Acido más débil

+

+

CO,” Base más débil

NH,’ Acidomás débil

HCN Acido más fuerte

+

+

HzO Base más débil Hz0 Acido más débil

H20 Base más dCbil

OHBase más fuerte

Hz. + O H Acido más Base más débil débil 20HBase más débil

+

C,H2 Acido más dkbil

CAPITULO 1

10.

ESTRUCTURA Y PROPIEDADES

(a) Y O ' , puestoque HCi

+

H,O

z--z

Acido más fuerte

H 30'+

c]

Acido más dkbil

(b)HCI. (c)La solución en bencenolaesmás fuertemente ácida; contiene HC1 no disociado, el cual se observa en la reacción en(a). es más fuerte que H3@, como

11.

La protonación reversible de un par electrónicono compartido enun átomo de oxígeno (pág. 34) convierte el compuesto orgánico en un compuesto iónico "una sal-, el cual es soluble en el disolvente fuertemente polar, ácido sulfúrico concentrado.

I

---O:

+

Compuesto Compuesto orgánico

12.

H2S04

*

I

--O:H'

+

HSO,

iónico soluble en H,SO,

Dentro deuna serie de oxiácidos relacionados, a mayor número de oxígenos, más fuerte el ácido.

Para interpretar esto, seguimos el planteamientodel problema 1.9recién visto. Centram nuestra atenciónen la base conjugada quese forma cuando cada ácido pierde un protón: la base conjugada el par de electronesqueda, que tanto más débil es cuanto mejor acomoda la basey, en consecuencia, tantomás fuerte es el ácido. Con un ácido sin carga, como en este caso, la base conjugada es un anión, y el acomodo del parde electrones implica la dispersión de la carga negativa que confiere a la base. Esta carga negativa " e l par de electrones adicional- se dispersa sobre los oxígenos de la base; cuanto mayor sea el nlimero de oxígenos, tanto mayor será la dispersión de carga,tanto más débil será la base y, en consecuencia, tanto más fuerte será el ácido.

13.

Lo que aquí se le pide que haga es algo que debe realizar muchísimas veces, como todo

químico orgánico. Se necesita práctica para escribir fórmulas como éstas, y estar segurode Al principio es particularmente fácil escribir que se han considerado todas las posibilidades. dos fórmulas que parecen ser dferentes y no darse cuenta de que representan a la misma molécula -simplemente invertidas, quizás, o dobladas en alguna parte. La manera más usar modelos mofeculures.Si cree que dos estructuras son segura de evitar esta trampa es distintas, construya sus modelosy tratede hacerlos coincidirtodas en sus partes. Inviértalos,

ESTRUCTURA CAPITULO Y PROPIEDADES

1

dóblelos, tuCnalos, girelos átomos entomo a sus enlaces: haga cualquier cosa con ellos, dos excepto romper uniones; ahora, aún si no coinciden los modelos, tiene entre manos estructuras diferentes que representan dos molkulas distintas. H H H (a)

/

¡

I

1

H-C-C-N-H

H H H

y ? ? H-C-N-C-H

I

H H

H

(b)

I

I

H

H-L-Cd-H

I

l

l

H H H

H H-C-H

" I H

H H H H

(c)

1

1

1

1

I

l

l

1

H-C-C-C-C-H H-C-C-C-H

H H HH H H

I

I

H H H H

l

l

H H H

I l l (d) H-C-C-C-CI H-C-C-C-H l i l H H H

I

H ~

l

l 1

C I H

H H H 1 1 1 H-C-.O-C-C-H

'

H

(f)

H H 1 1 H-C-C=O 1

H

14.

Y ?

H--C=C-O-H

1

1

H H

H H H-C-C-H \ /

O

Para minimizar la descomposición de un compuesto inestable. El calor rompe enlaces, por lo que ocasiona descomposición. Prácticamente todo compuesto orgánico sufre alguna descomposición al ser calentado, lo que se puede apreciar UM destilación.Un compuesto inestable por el oscurecimiento gradual del residuo durante contiene enlaces relativamente débiles y es muy propenso a descomponerse; la destilación flush minimiza el tiempo de calentamiento y, por lo tanto, la descomposición.

Metano Energía de activación. Estado de transición

2.1

Escribimos cada ecuación e identificamos los enlaces que se rompen (lado izquierdo de la ecuación) y losque se generan(ladoderecho).Consultandolatabladeenergíasde disociación homolítica de enlaces (Tabla 1.2 de la pAg. 21, o en la parte final del libro) vemos cuánta energía se absorbe o libera cuando cada uno de estos enlaces se rompe o se forma, y escribimos este valor debajo de la unión. Ahora, siguiendo el esquema determinamos el cambio global del contenido calórico, de cálculos ilustrado en la 50, página H , del sistema. Si se libera más calor que el que seH decrece, absorbe,AH es negativo y la se libera, H crece, AH espositivo reacción esexotérm'ca. Si se absorbe más calor que el que y la reacciónes endotérm'ca. (a) CH3-H

70

46

+

Br-Br

"f

+

CH3-Br

88

104

I58

I50

(b) CHj-H

+

1-1

"--f

+

CH3-l

36

56

F-F

CH3-F

104 38 244 142

I08

104 140

(C)

CH3-H

H-Br

+

AH

=

- 8 kcal

H-I 71

I27

+

A H = + I 3 kcal

H-F 136

A H = - 102 kcal

CAPITULO 2

METANO

2.2

Para cada halógeno escribirnos ecuaciones que correspondan (l), (2) a y (3) de la pagina5 l.

2.3

Puesto que cada una de estas reacciones solamente implican una ruptura de enlaces, sin formación de uniones, esperamos que E , sea igual aAH (véase la pág.55).

Luego seguimosel procedimiento recién descrito para el problema 2.1.

Como es fácil calcular,la hornólisis de la unión C l - C l tiene una E , mucho más baja que la homólisis del enlace C%-H, y ocurre contanto mayor rapidez que es, con mucho, el paso preferible para iniciar la cadena. Al igual que en el paso (2) de esta reacción (Sec. 2.21), la naturaleza del paso (1) queda determinada, en definitiva,por las fuerzas relativas de los dos enlaces.En la primera etapade la cloracih (tkrmica), la unión que se rompe es mús & M . CI-41, ya que es el enlace 2.4

El curso de nuestro razonamiento es al igual que aplicamos a la cloración en la seccidn 2.21. El mecanismo que efectivamentese sigue implica a( 2 a ) y (3a).

+ CH, CH,. + BrZ Br.

~--+

HBr

+

CH3Br

CH,.

+

Br.

CAPITULO 2

METANO

Como alternativase podría recurrir a (2b) y (3b).

+ CH, H . + Brz

Br.

---+CH,Br -+

HBr

+

+

H.

Br.

Nuevamente fijamos nuestra atención en el paso (2),esya aquí que donde se dividen las dos vías; lo que sucede en (2) determina lo que debeocurrir en (3). Usando energías de ls reacciones correspondientes (2a) disociación homolítica de enlaces, calculamos a AHpara y (2b). Para (2a), AH es + 16 kcal; Ela, debe seral menos de esa magnitud y, como sabemos, es realmente de18 kcal.

Para (2b),AH es +34 kcal; Elcfdebe seral menos de 34 kcal, y probablemente es mucho mayor.

Cuando un átomo de bromo choca con una molécula de metano, es concebible que pueda ocurrir cualesquiera de las dos reacciones, pero solamente si la colisión proporciona 34que suficiente energía.Es muchísimo más probable que el choque proporcione 18 kcal kcal. (Sucede que aquí la diferencia en E , 16 kcal, es la misma que entre los pasos que de vecesm4s compiten en la cloración; también aquí podemos calcular i2.5 quemillones es probable que ocurra (2a) que (2b)!) Apreciamos U M vez más que las moléculas hacenlo que les es m4s fácil. 2.5

En el catión metilo,C y , el carbono tiene el mismo número de electrones que el boro en a átomos. Como el boro,aquí el carbono BF, (Sec. l. 10) y análogamentese halla unido tres de enlace de 120”. La podríamos presenta hibridaciónsp2;la molécula es plana, con ángulos el en (b)se encuentra representar como enla figura 2.10 (pág. 65), excepto que orbitalp vacw. En el anión metilo, C%:-, el carbono no sólo liga tres htomos, sino tambi6n un par en (Sec.l. 12). Como el electrónico no compartido,por lo quese asemeja al nitrógeno NH, sp3;hay una disposición tetraédrica, (que nitrógeno, el carbono aquí presenta hibridación no compartidoen uno de los vértices del tetraedm. (Compare contiene) un par de electrones con la Fig.l.12, pág. 18.) Si sólo consideramos núcleos atómicos, esperamos que C%:- sea piramidal, con hngulos tetraédricos. (También suponemos que, como el N€& el anión metilo -y sus homólogos más grandes- sufrid UM inversión rápida (pág. 19).)

Las formas delas tres partículas metilo dependen, por lo tanto, del número de electrones sin electrones no compartidos, es trigonal; el no compartidos sobre el carbono: catwn, el anión, con un par no Compartido,es tetraédrico; y el radical libre,con un solo electrón no compartido, es trigonal,o bien intermedio entre trigonal y tetraédrico. 15

CAPITULO 2

2.6

METANO

(a)Forma halogenuro de plata insoluble en presencia de ácido nítrico. @)El hervor elimina HCN y H2S, volátiles, que de lo contrario interferirían la prueba del halogenuro (puesse formm'an AgCN y Ag,S).

2.7

(a)Porqueel %C y %H suman bastante menos de 100%.En ausencia de cualesquieraotros elementos, se considera quela parte faltante es oxígeno.

(b) 100% - (52.1 % C + 13. lo/; H) = 34.8"/, O peso C1 = 20.68 x

c1

---; =

AgC 1

35.45 20.68 + ~mg 143.32

%C1= peso CVpeso muestra x 100 = 20.68 x

35.45 1 x-x 143.32 7.36

_____

100

%Cl = 69.504

2.9

(c)

2AgCI peso AgCl = peso muestra x - 84.93 CHZCl,

(4

429.96 3AgC1 peso AgCl = peso muestra x ____ = 7.36 CHCI,

(e)

peso AgCl = peso muestra

(a)

X

4AgCI _____

CCI,

peso C = 8.86 x

C COZ

~

~ = 7.36

= 7.36

286.64

x

~

- 24.84 mg -

_ _ - 26.51 mg 19,37

X

+ 573.28 153,83= 27.43

= 8.86 x

% c =peso c/peso muestra x 100 = 8.86 x

~

mg

12.01 44.01 mg ~

1 12.01 x x 100 44.01 3.02 ~.

~

%C = 80.1% peso H = 5.43

%H =peso H/peso muestra

X

2H H,O

5.43 X

__

2.016 18.02 mg ~

2.016 18.02

1 3.02

x 100 = 5.43 x -x __ x 100

%H

= 20.1%

80.1 20.1 = 19.9 átomo-gramos C: ~- - 6.67 átomo-gramos H : 1 .O08 12.01 ~

C : 6.67/6.67 = 1.0

H : 20.1/6.67 = 3.0 Fórmula empírica = CH,

METANO

CAPITULO 2

(b) Como en (a) %Cy %H. utilizando lospesos apropiados para la muestra, COZ y 30, obtenemos C : 2.67 átomo-gramos H : 5.38 átomo-gramos PCSO

c1

C1= 13.49 X

AgCl ~

=

13.49 X

~

35.45 143.32 mg

1 35.45 y&= peso Cl/peso muestra x 1O0 = 13.49 x _ _ x - x 100 143.32 5.32 %Cl = 62.7% c1:

62.7 35.45

~- -

1.77 átomo-gramos

Pero no podemos aceptarC,,5YCl, de modoque multiplicamos por 2 a fin de obtenerun número entero para cada clase de átomo; esto da una fórmula empírica de C,H,CI,. 2.10

CH = 13; 78/13 = 6 unidades ( 0 ; la fórmulamolecular es C,H,.

2.11

peso C = 10.32 X

C

coz

~

12.01

= 10.32 X __

%C =peso C/peso muestra x 100 = 10.32 x

44.01 mg

12.01 1 x-x100 44.01 5.17 ~

%C = 54.5

2.016 1 %H =peso H/peso muestra x 100 = 4.23 x __ x - x 18.02 5.17

100

%H = 9.2

La deficiencia de36.3% (100 - (54.5 + 9.2)) se debe al oxígeno. 54.5 9.2 c: ~- 4.53 átomo-gramos H : - = 9.2 átomo-gramos O: 12.01 1.o

c: 4.53 = 2.0 2.27 ~

H:

9.2 = 4.0 2.21

~

36.3 = 2.27 átomo-gramos 16.0

~

2.27 o: -= 2.27

Fórmula empírica= CzH40;cada unidad pesa 44. 88/44 = 2C2H40unidades; entoncesla fórmula molecular esC4qOz

1

CAPITULO 2

1.

METANO

Siguiendo los procedimientos de los problemas 2.7,Z.g y 2.9, obtenemos X : 93.97; C,6.3%H. Y : 64.0% C,4.57,,H , 31.4% C1. 2 : 62.0%C, 10.30/, H, 27.701~ O. Para el compuesto Z, se calcula 27.7%O de 100 - (62.004 C + 10.3% H).

C3H,CI = 78.54 p.m. %C=-

%H=-

3c

x loo="--

C,H,CI

3 x 12.01 78.54

x 100 = 45.9% C

7H 7 x 1.008 x loo=C,H,CI 78.54

%a=

CI C?H,CI

~

x loo="

100 = 8.904 H

X

35.45 X 100 = 45.1% C1 78.54

aplicaci6n deeste procedimiento noslleva alo siguiente: (b) 52.1%C 13.1% H 34.8%O

3.

(c) 54.5% C (d) 41.8%C (e) 20.0% C (f) 55.6%C 9.2%H 4.7%H 6.7%H 6.2%H 10.8%N 36.3%O 18.6%O 26.6%O 16.3%N 46.7%N 27.4%C1 18.6%S

Seguimos el procedimiento del problema2.9. En (c), (d) y (0,se determina el oxígenopor diferencia. (4

85.6 c: 12.01 = 7.13 átomo-gramos ~

C: 7.13/7.13 = 1.0

H:

~

14.4 = 14.29 átomo-gramos 1.008

H : 14.29/7.13 = 2.0

Fórmula empírica C H 2 92.2 c: 12.01 = 7.68 ~

C: 7.68/7.68 = 1 .O

H:

7.8 ~

1 .O08

=

7.74

H: 7.74/7.68 = 1.O

Fórmula empírica C H 40.0 c: 12.01 = 3.33 ~

C : 3.33/3.33 = 1.0

H:

~

6.7 = 6.65 1.O08

H:6.65/3.33 = 2.0 Fórmula empírica CHzO

18

53.3 O : ~16.00 - 3'33

O : 3.33/3.33 = 1.0

CAPITULO 2

METANO

(4

29.8 c : -- - 2.48 12.01 C : 2.48/1.24= 2.0

H:

~

6.3 = 6.25 1.O08

H : 6.25/1.24= 5.0

C1:

44.0 = 1.24 35.45

O:

~

~

19.9 16.00

O: 1.24/1.24 = 1.0

CI: 1.24/1.24= 1.0

Fórmula empírica C2H,0CI 13.6

48.7 c : ~- - 4.05 12.01 C : 4.05/2.70 = 1.5

H:

~

1.O08

=

13.49

H : 13.49/2.70 = 5.0

N:

~

37.8 = 2.70 14.01

N : 2.70/2.70 = 1.0

Esto da CI5H,N, de modo que multiplicamos por 2 para obtener números enteros. Fórmula empírica C3H,0N2 c:

25.2

~- -

12.01

C : 2.10/1.40 = 1.5

2.10

H:

~

2.8 = 2.78 C1: 1.O08

H: 2.78p.40 = 2.0

49.6 35.45

~- -

1.40

C1: 1.40/1.40 = 1.0

O:

22.4 16.0

-=

O : 1.40/1.40 = 1.0

Multiplicamos C,,H,OCI por 2 para obtener números enteros. Fórmula empírica C3H,02CI,

4.

Se calcula 18.9%O pordiferencia.

C : 5.9/0.3 = 20 H : 6.2/0.3 = 21 O: 1.2/0.3 = 4

Fórmula empírica de la papaverina = C,%,,O,N.

5.

De maneraanáloga (14.7%O calculadopordiferencia): C = 4 .H 3 =4.3

0=0.9

N = 0 .S9 = 0 .N 3a=0.3

Fórmula empírica del anaranjado demetilo = C,,H,J03N3SNa.

1.40

N : 0.3/0.3 = 1

CAPITULO 2 6.

METANO

(a)Como enelproblema 2.9: 85.8*/, C, 14.3% H 14.3

85.8 c: "-7.1 12.0

H:

Fórmula empírica

=

14.3

-=

I .o

C H 2 ; peso unitario = 14

84/14 = 6 unidades CH,. Fórmula molecular = C,H,

7.

-

53.3% O se calcula por diferencia.

-

C: 40.0% del p.m. de 60

-"-f

24 g C/rnol

H : 6.7% del p.m. de 60 -+ 4.0 g H/mol

O : 53.3Xdelp.m.de60

~

32gO/mol

2 C por molécula

-+ 4

---+

H por molécula

2 0 por molécula

Fórmula molecular = C2H,02

8.

Tiene la mitad de los átomos que en el problema7 = CH,O.

9.

Comoenelproblema

7:

12.2% O se calcula por diferencia.

C: 0.733 x 262 = 192 g C/mol

16 C por molécula

---f

H : 0.038 x 262 = 10.0 g H/mol

~

1 0 H por molécula

->

O : 0. 122 x 262 = 32.0 g O/mol

+2

N : 0. 107 x 262

--+

=

28.0 g Njmol

O por molécula

2 N por molécula

Fórmula molecular de indigo = C, 6 H ,oOzN

10.

(a)La molécula más pequeiia posible debe contener al menos un átorno de azufre. %S =

IS p. mol. mín

3.4 x 100

=

p. mol. mín = 942

(b)5734/942 = aprox. 6 de las unidades mínimas.

Por lo tanto, hay 6 S p o r molécula. 20

32.06 p. mol. mín

x 100

CAPITULO 2

METANO

11.

Seguimoselprocedimientodelproblema 2.l . (a) H-H

38

+

-

F-F

104

272

142

(b) H-H 58

+

Cl-Cl

104 ~~

206

162

(c) H-H 46

+

Br-Br

104

176

2H-F 2 x 136

AH

+

2 x 103

I04 142

2H-Br 2 x 88

2 x 71

-

140

46

+

Br-Br

98

46

+ Br-Br

85 131

(8) H2C=CHCH2-H 46

+

A H = -2

Br-Br

88

+

C2H,-Br

-

144

( f ) C6HsCH2-H

H-Br

AH= -13

+ H-Br

C,H,CH,-Br

-

51

88

A H = -8

139

+

H2C=CHCH2-Br

H-Br

47

88 I35

134

AH= -I

(h) Seguimos el procedimiento del problema2.2. la paso: Br-Br

"-+

2Br.

AH

=

+46 kcal

C6HSCH, C2H, H2C=CHCH,

2 0 p a ~ 0 : AH = 3er paso: AH =

12.

(a)

-26

2H"I

36

(e) C2H,-H

I30

AH = -44

AH 1-1

-

2H"Cl

150

(d) H-H

=

+ 10 kcal -

23 kcal

- 3 kcal - 5 kcal

O kcal

- 1 kcal

CAPITULO 2

METANO

Para la reacción endotérmica (ii), EsI debe seral menos de la magnitud del AH, o sea, 16 kcal; para la reacci6n(i), Elctpodria ser cero. (En realidad esde 13 kcal.) La reacciónde menor E , es la que sucede. En ambas reaccionesse rompe el mismo enlace (CH,-H); lo que difierees el enlace que se forma. En el análisis final, la reacción sigue el curso sugerido porque un enlace C-H es más fuerte queun enlace C - C . (b)Altamente improbable, puesto que Eact para la reacción que compite C1, escon mucho menor. En una mezcla50:50 de CH, y CI,, la colisi6nde CH, con cualquier clase de molécula C1, tiene tiene la misma probabilidad. Sin embargo, la reacción altamente exotérmica con una Eat, muy pequefía, viéndosc favorecida en gran medida frente a la reacciónEact con una de 13 kcal.

CHjCI

13.

+

C1.

AH =

-

26

E,,,, rnuypequeh

(a) CH, no solamente puede reaccionar con Brz para generar producto, sino también con HBr para regenerar CH,, conlo que retardala reacción. (Esta última es el inverso del paso propagador de la cadena.)

CH,Br

+

Br.

A H = -24

E,,, rnuypequerin

Como vimos en la página 54, la EacIpara la reacción con HBr es de 2 kcal. Esta es más grande que la pequeñísima ESIpara la reacción conBr,, pero por supuesto es lo suficientemente pequeña para que parte de la reacción siga esta ruta competitiva cuando la de concentración HBr es elevaday la colisión es probable.

METANO

CAPITULO 2

(%)En este caso, la competencia implicaría la reacción C q . yentre HC 1,reacción que tiene una Eaude3 kcal (pág.54). Esta esUM reacción más difícil que la que implica HBr (E,= 2 kcal) y, desde luego,no puede competir contxito con la reacción entreCH; y Cl,.

+

CH,CI

+

CH,

CI.

AH

CI.

AH

=

-26

= -

E,,, muypequeh

E:,,, = 3

1

(c)A medida que avanza la reacción,se acumula HBr como uno de SUS productos. Este comienza a competir con Brz (2%. por ,como en la parte (a) y a invertirasí el proceso de la halogenación.

14.

(a)Las pruebas apuntan a una reacción en cadena por radicales libres, análoga a la de la cloración del metano. El razonamiento es igual al descrito en la sección 2.12. luz

CI-CI CI.

H.

+

+ 2CI.

H-H

+ Cl-Cl

-+ "-----f

HCI HCI

+ H. + C1.

etc.

(b)Un mecanismo similar contendría un paso propagador de la cadenaunacon E,,al menos de átomos deI . para de 33 kcal, demasiado elevada para competir con la recombinación regenerar I,.

15.

(4

(CH3)IPb + Pb + 4CH3. Espejo nuevo calor

I' h +

Espejo antiguo

(CHI)JP~ Efluente

(b)Cuanto más lejos hayan de difundirse los radicales CY.,tanto más tiempo hay para que se combinen entresí, CHJ.

+

'CH,

+ CH,~-CH3

y tanto más baja será su concentración cuando alcancen el espejo antiguo. Cuanto más baja es su concentración, tanto más lenta es su reacciijn con el espejo. 23

CAPITULO 2

METANO

Tal combinación esun proceso poco probabledebido a la baja concentraci6n de estas partículas; en una mezcla de cloración, por ejemplo, s610 sucede raras veces porque tienen una oportunidad mucho mayor de chocar con molkulas de Cl,.y, en consecuencia, de 48). Sin embargo, a l s en condiciones especlales de los experimentos reaccionar con ellas (pág. de Paneth -arrastre de las partículas a lo largo de un tubo de cuarzo mediante un gas inerte- no hay ningunaotra cosa con la cual pudieran reaccionar, de modo que reaccionan (lentamente) entresí.

(Este trabajo se encuentra resumidoen WhelandG.W., Advanced Organic Chemism, 3a. ed., Wiley, Nueva York, 1960, págs. 733-737 y. más detalladamente, en SteacieE. W. 1, págs. R., Atom and Free RadicalReactions, 2a. ed., Reinhold, Nueva York, 1954; Vol. 37-53. Para conocer un desarrollo fascinante de esta química, véase Rice F. O., “The Chemistry of Jupiter”, Sei. Am.Junio de 1956.) Este esun ejemplo de algo que sucede muy a menudo en química orgánica: un avance en la teoría sólo es posible gracias la invención a de una nuevatécnica experimental” e n este caso, el método del espejo, de Paneth-. Como veremos, los carbocationes se pueden estudiar sin gran dificultad porque George Olah bág. 193) descubrióun nuevo medio en pesarade que, como los radicales libres, el cud no pueden hallar nada con qué reaccionar, se trata de partículas usualmentemuy reactivas. Emil Fischer (pág. 1265) develó el vasto campo de los carbohidratos mediante el empleo de una sencilla reacción que había descubierto: la conversi6n de azúcares en osazonas “reacci6n que, entre otras cosas, transforma los azúcares quese presentan como jarabesde dificil manejoen compuestos cristalinos, fácilmente idcntificables-.La secuencia de los centenares de aminoácidos que conforman la gigantesca cadena de una proteína se determina ahora automáticamente en por computador, desarrollado por Pehr Edman forma rutinaria, en un analizador controlado (pág. 1337) a partirsude descubrimiento de una reacción entre isotiocianatode fenilo y uno de los extremos de UM cadena proteínica.Y esta listapodría continuar indefinidamente.

Esperamos que C,H,. el producido de este modo reaccione C1, con de la misma manera que C Y . ,para generar cloruro de etilo y CI ., por la vía

Luego elC1. generado en esta forma puede iniciar una cadena de halogenación que incluya al metano.

3 Alcanos Sustitución por radicales libres

Observación:En todos los problemas este de capítulo quese relacionan con la isomería, por el momento desdeñaremos la existencia de estereoisómeros.Una vezque el lector haya 4, sería instructivo que retomara algunos de estos problemas para ver estudiado el capítulo sus respuestas. cómo podría modificar 3.1

Dentro de algunas semanas el lector estará escribiendo estructurasidmeras con rapidez y facilidad; quizá le resulte difícil recordar en un principio, que, estees un trabajo que requiere esfuerzo. Esd aprendiendo un nuevo idioma, el de la química orgánica, y uno de los a Su primera prhctica en este sentido la tuvo con el primeros pasos es aprender escribirlo. problema 13(pág. 38),yahoraleconvendriareleerlarespuestaparaesteproblemadelapág. 10de estaGuía de Estudio. Considere con particular seriedad la recomendaciónde utilizar modelos moleculares: esta es la única manerade asegurarse realmente de que dos fórmulas en verdad representan moléculasidmeras distintas. En estos momentos quizá lo m b adecuado sea quitar los hidrógenos de las moléculasy concentrar nuestra atención en los esqueletosde carbono y en los átomos de cloro ligados a estos esqueletos.

Al igual que con todos los problemas de este t i p o , seremos sistemáticos. Primero dibujamos una cadena recta de carbonos correspondiente a n-butano.

c-c-c-c

CAPITULO 3

ALCANOS

(La anotamos en la línea recta. Podríamos doblarla o escribirla en zig-zag y seguiría representando el mismo compuesto; sin embargo, hacemos las cosas tan fáciles para nosotros comosea posible.) Ligamos un C1 a un extremo de la cadena @or ejemplo al C-1) y, dejhndolo allí, agregamos el segundoC1 sucesivamente a cadauno de los carbonos: al C-1, C-2, C-3 y C-4.

Tenemos ahora cuatro estructuras y hemos agotados las posibles estructuras que contienen Cl sobreun carbono terminal. Podemos aseguramos con facilidad de que todas ellas son diferentes entre si: es imposible interconvertirlas sin romper enlaces y formar otros nuevos. A continuación, colocamos nuestro primer C1 en el C-2 y repetimos el procedimiento, recordando queya hemos empleado las posiciones terminales. Esto nos da dos idmeros adicionales, para darun total de seis.

c1 I c c c c I c1

c

C--C--C

I

1

c1 c1

Seguimos el procedimiento de (a), comenzando esta vez con la cadenade carbonos ramificada del isobutano.Los modelos nos revelarán una característica particularmente importante de la molCcula del isobutano:los tresgrupos metilo son equivalentes, aunque dibujemos dos de ellos en sentido horizontaly el tercero hacia arriba(o hacia abajo). 3.2

No. Cada uno de ellos puededar origen a dos compuestos monoclomdos.

3.3

Por la repulsión devan der Waals entre metilos “grandes”. aglomeración de metilos

CH 3 A %

C‘H i

CAPITULO 3

ALCANOS

Rotación

-+

Rotación -+

CAPITULO 3

ALCASOS

(c)

(d)Suponiendo 0.8 kcal por interacciónoblicua metilo-metilo, y 3.0 kcal por energía torsional m k 0.4 kcalpara dos eclipsamientos metilo-hidrdgeno y 2.2 a 3.9 kcal por eclipsamientometilo-metilo(delaFig. 3.8), llegamosa l a s siguientespredicciones tentativas:

b > 4.4-6.1 > a > 3.4

c

> 4.4-6.1 > d > 3.4 > e

La magnitud defdepende del valor del eclipsamiento metilo-metilo. 3.5

Aplicamoselenfoquesistemáticoexpuestoen

el problema 3.1.

Br

CAPITULO 3

ALCANOS

Br

(c) C-C-C--C-Br Br

Br

C- C--C ~C

I

Br ~

C

C -C-C-C 1

Br Br

3.6

1

1

C--C

I

C

I

I I

C-C--C-Br

C-C--C

Br

BrBr

I

C - - C -C--C

C ~C

C

/

C -C-C Br

Br

(b) Orden de losidmeros como en el (a)Orden de los isómeros problema 3.5(a): como en la página 85:

n-hexano2,4-dimetilpentano n-heptano 3,3-dimetilpentano 2-metilhexano 2-metilpentano 3-etilpentano 3-metilhexano 3-metilpentano 2,2-dimetilpentano 2,2,3-trimetilbutano 2,2-dimetilbutano 23-dimetilpentano 2,3-dimetilbutano

3.7

(b) Orden de los isómeros como (a)Orden delosisómeros comoenelproblema3.5(b):enelproblema3.5(c):

1 -cloropentano 2-cloropentano 3-cloropcntano 1-cloro-2-metilbutano 2-cloro-2-metilbutano 3-cloro-2-metilbutano 1-cloro-3-metilbutano l-cloro-2,2-dimetilpropano

1,l-dibromobutano 1,2-dibromobutano 1,3-dibromobutano 1,4-dibromobutano 2,2-dibromobutano 2,3-dibromobutano l,l-dibromo-2-metilpropano 1,2-dibrom0-2-metilpropano 1,3-dibromo-2-metilpropano

I

C C C

C

Br

CAPITULO 3

ALCANOS

3.8

Las tres gráficas presentan unatasade aumento que se amortiguacon el aumento del número de carbonos.

3.9

Se liga hidrógeno (H o D) al mismo carbono que estaba unido a Mg.

Cloruro de n-propilmagnesio

CHJCHLCH2D Propano-1-d

C H J C H K H J Propano

CHJYHCHJ MyCl

CHjCHCH, I D

Cloruro de isopropilmagnesio

3.10

(a) Todos los que tienen el esqueleto de carbono del n-pentano:

c--c-c"c-c Br

Propano-2-d

Br

I

C

c- c ~-c--C c-c- q "C-C ,

I

Br

(b) Todos los que tienen el esqueleto de carbono del 2-metilbutano (isopentano):

Br

Br

I

Br

I

(c) Todos los quetienen el esqueleto de carbono del 2,3-dimetilbutano:

c Br

c c

q c c - c -c c

I 1 - C - - C -c

I

1

Br

(d) Sólo el bromuro de neopentilo tiene el esqueleto de carbono apropiado:

C-C-C

I

C

1

Br

CAPITULO 3

ALCANOS

@)Utilicela primera, ya que en esta síntesis R'X es primario. (Corey, E. J. y Posner, G. H., "Carbon-Carbon Bond Formation by Selective Coupling of n-Alkylcopper Reagents with Organic Halides",J. Am. Chem. Soc., 90,5615 (1968); House, H. O., et al., "Reaction of Lithium Dialkyl-and Diarylcuprates with Organic Halides", J. Am. Chem. Soc., 91,4871 (1969).)

C

(b) C-C

1

C

C-C

I

CI

3.13

C

C

I

C-C --C-C I

CI

I

I

C-C-C--C 1

C-C---C-C

I CI

CI

Los productos son:

c c

C (a) C---C--C

I c1

C-c-c I

CI

(b) C---&C

I

I c1

~

I c1

~

c c

C

I c- c-c I c1

1

(c) C C C C

I

I

C C-C-C ~

I

(d) C-C-C-C-C

I

c1

c-c

-C--c-~c

I

CI

CI

C--C-C--C-

I

C

CI

31

CAPITULO 3

ALCANOS

c

c

c

c'

'

c

Las proporciones de los productos son:

(a) 4470 I-CI 56:( 2-CI

(c) 55

(b) 64",{, 1 36:; 3 '

I('

(d) 21

45".,, 3

1-CI

531;, 2-C1

2636 3-C1

(e) 28% l-Cl-2-Me

(f) 45,'

23:/; 2-Cl-2-Me 250',

l-C1-2,2,3-triMe

(8) 33q{ I-C1-2,2,4-triMe

3-CI-2,2,3-triMe

28% 3-C1-2,2,4-triMe

2-CI-3-Me 35% I-C1-2,3,3-triMe 30°/,

18% 4-C1-2,2,4-triMe

149{ 1-Cl-3-Me

22%I-C1-2,4,4-triMe

Estas proporcionesde productos anticipadasse pueden calcular con método el indicado en de 5.0:3.8: 1 dadas allí. Para (a), sería: la página106, usando las reactividades relativas 1.0 6.0 n-PrCIno. d c 1'' H reactividadde H 1" 6 =x -- x i-PrC1 no. d e 2 ' H reactividadde H 2" 2 3.8 7.6 ~"

~~

~"

Luego,

" " 1" = _ _6.0 __- x 6.0

%" 2'

=

+ 7.6

7.6 6.0

+ 7.6 X

100 = 44"D

100 = 5604,

ALCANOS

Para (d):

1-C1:6H, cada uno con reactividad 1.0 2-C1:4H, cada uno con reactividad3.8 3-C1:2H, cada uno con reactividad 3.8

CAPITULO 3

--

6.0

15.2

7.6 -

"-f

total número X reactividad = 28.8 reactividad 1-C1

I-c1=

0'"

reactividad total

6.0

x 100 = __ x 100 = 21%

de molécula

28.8

q',2-c1= 15.2 x

100 = 53%

"3-ci = __ 7.6 28.8

100 = 26%

28.8

~

X

Las demás se calculan del mismo modo. 3.14

Las proporciones predichasse calculan conel metodo expuesto enla respuesta al problema 3.13anterior,utilizandolasreactividadesrelativasde1600:82:1,indicadasenlapí5gina107. (a) 4% 1-Br 96% 99.4% 2-Br

(b) 0.6%(c)1" 3"

(e) 0.3% 1-Br-2-Me 90% 2-Br-2-Me 9% 2-Br-3-Me 0.2% 1-Br-3-Me

0.3% 1" 99.7% 3"

(d) 1% 1-Br 66% 2-Br 33% 3-Br

(g) 0.5% l-Br-2,2,4-triMe 9% 3-Br-2,2,4-triMe 90% 4-Br-2,2,4-triMe 0.3% l-Br-2,4,4-triMe

(f) 0.6% l-Br-2,2,3-triMe 99% 3-Br-2,2,3-triMe 0.4% l-Br-2,3,3-triMe

3.15

En lugar de 400/1, la proporción de productos sería4004 de 1 x 10)= 40: 1, una proporci6n mucho más fácil de medir exactamente.

3.16

Tomamos en consideraciónel número relativode hidrdgenos en cada compuesto,C2H, y C,H,,, como hicimos en la página 107. Cada compuesto contiene, por supuesto, sblo hidrógenos primarios. nro-PeC] no. de H neopentílicosreactividad -

"

EtCl

no. de H. etílicosreactividad

2.3 =

12

- X

6

de H neopentííicos de H etílicos

A

reactividad de H neopentííicos reactividad de H etilicos

reactividad de H neopentííicos reactividad de H etflicos

=

2.3 X

6

-=

12

1.15

CAPITULO 3

3.17

ALCANOS

(a)Se habría formado algo de cloruro de ter-butilo en dos pasos a partir de radicales isobutilo,generadosinicialmenteporseparación de protiodelhidrocarburo y, por consiguiente,con formación de HCI,y no de DCl.L a proporción t-BuCI:iso-BuCl habría a hechos. sido mayor quel a proporción DCl:HCl,lo que es contrario los

(b)Los mismos que para (a). (Brown, H.C. y Russell, G . A. "Photochlorination of 2-Methylpropane-2-dand a-dl-Toluene; the Question of Free Radical Rearrangementof Exchange in Substitution Reactions", J. Am. Chem. Soc., 74, 3995 (1952).) 3.18

3.19

Agregando DBr e investigando si el metano no consumido contiene deuterio.

3.20

Hay que ver si en el espectro de masas apareccn 3sCl 36cl (masa 71). 36c137C1 (masa 73). o ambos.

otros valores (normales), de masa serían 70 (35C1-35C1), 72 (35C1-37C1) y 74C7C1--"cl). 3.21

El alcano era 2,2-dimetilhexano.(Véase la Sec. 3.17.) CH,

CH3

I CH3CHZCH2CHZ---Br+ (CH,C-~)LCuLi I Bromuro de n-butilo CH, di-ter-butilcuprato de litio

1.

~

f

I I

C H 3 C H 2 C H 2 C H --CCH, 2

2,2-Dimetilhexano

CAPITULO 3

ALCANOS

...pentanoCadenamáslarga: ...metilpentanoSustituida

cinco carbonos.

por un metilo.

2-metilpentanoSobreC-2. (La numeracibndesdeelotroextremo daría (2-4, un número mayor.) Br

I I

(b) CH,--C--CH, Br 3

?

I

...propanoCadenamáslarga:trescarbonos.

...dibromopropanoDisustituida

por bromos.

2,2-dibromopropano Ambos en el C-2. (Podríasernumerada desde el otro extremo.)

CAPITULO 3

ALCANOS

...pentano Cadena más larga: cinco carbonos. ...dimetilpentano Disustituida por metilos. 3,3-dimetilpentano Ambos en C-3. (Podría ser numerada desde el otro extremo.)

...pentano Cadena más larga: cinco carbonos. ...etil...metilpentano Sustituida por etilo y metilo. 3-etil-3-metilpentano Ambos enC-3. (podría ser numerada desde el otro extremo.) L o s grupos se nombran en orden alfabético

...hexano Cadena más larga: seis carbonos.

...trimetilhexano Trisustituida por metilos. 2,3,4-trimetilhexano En C-2, C-3 y C-4. (Numerando desde el otro extremo daría C-3, C 4 y C-5, un conjunto de números mayor.)

CAPITULO 3

ALCANOS

...octano Cadena más larga:

ocho carbonos.

...etil...metiloctano Sustituida por etilo y metilo. 5-etil-3-metiloctano EnC-5 y C-3. (Numerando desde elotro extremo daría C-4 y C-6, un conjunto de números mayor.)

...pentano Cadena más larga: cinco carbonos. tetrametilpentanoTetrasustituidapormetilos.

2,2,4,4-tetrametilpentano Sobre C-2 y C-4. (Podría ser numerada desde el otro extremo.)

CH3

I I

1

2

3

(h) CH3-C--CH"CH3 CI CH, I

4

...butano Cadena más larga: cuatro carbonos. ...cloro...dimetilbutano Sustituida por cloro y dos metilos. 2-cloro-2,3-dimetilbutano En C-2, y en C-2 y C-3. (Numerando desde el otro extremodaríac-3, C-2 y C-3, un conjunto de números mayor.)

CAPITULO 3

ALCANOS

...heptano Cadena más larga: siete carbonos.

...etil...metilheptano Sustituida

por etilo y metilo.

5-etil-2-metilheptano EnC-5 y C-2. (Numerando desdeel otro extremo daría C-3 y C-6, un conjunto de números mayor.)

CH, CH, I I (j) CH3"CH-CH-CH,-C-CH2"€H3

I

I

1

2

CH, 3

4

CHZCH, 5

6

1

...heptano Cadena

más larga: siete carbonos.

...etil...trimetilheptano Sustituida

por etilo y tres metilos.

5-etil-2,3,5-trimetilheptano En C-5 y en C-2, C-3 y C-5. (Conjunto de números másbajo, de acuerdoconelprimerpunto de diferencia: LC-2 o C-3?)

...hexano Cadena más larga: ...dietil..metilhexano Sustituida

seis carbonos.

por dos etilos y un metilo.

3,3-dietil-2-metilhexano EnC-3 y C-3, y en C-2.

Una cadena alternativade seis carbonosS610 tendría dos sustituyentes (más grandes). De dos cadenas iguales, elegimosla que tiene más sustituciones para mantener los sustituyentestansencilloscomoseaposible.

CAPITULO 3

ALCANOS

CH3

I

CL) C H 3 - C H 2 - C H - C H 2 ~ H - C H 2 - C H 2 ~ H 3 I YH\ CH3 CH3

1

3

2

4

5

6

...octano

1

8

Cadena m& larga: ocho carbonos.

...isopropil...metiloctano Sustituida

por isopmpilo y metilo.

5-isopropil-3-metiloctano EnC-5 y C-3. (Conjunto de números menor.) 3.

(a) la, 2c, 2d, 2g (c) lb, IC, lf, lg, 2f, 2i, 2j (e) 1 a, 1 h, 2e, 2g Por ejemplo:

I

3'

3"

H CH3 H I" 2" I I (c) CH3-CHL-C-C-(!-CH2"CH3

I

l

CH3 CH3 CH3

II' " I" IC: Dos H ' 3

CH.?CH3 1

'I

lh: Dos H 2'

I"

l

I,'

3" 3"

'

H H

I I

I I

(d) CH3"C"C"CH3 H3C CH3 I'

1

l b Ningún H 2'

CH3-CH2

I' 2' 2d:Se.isH2°ccmvadoceH1"

CAPITULO 3

4.

ALCANOS

(a) le, lg, l h , 2a, 2e, 2i, (d) I f (g) la, Ih 6 ) lh

(b) lb, I f (e) Id, 2e, 2f, 21 (h) 2g (k) Id, 2f, 21

2j, 2k, 21

(c) le, l h . 2a, 2i (f) I C

(i) 2e, 21

Por ejemplo:

lg: Un isopropilo

lb: Dos isopropilos

e-c

If: Dos isobutilos

2f: Un sec-butilo

c y c I

C IC: Dos sec-butilos

2e: Un isopropilo y un sec-butilo

5.

le: Un isobutilo

(8)

c c I I

c-c--c-c-c 1

1

c c

la: Un ter-butilo

lh: Un ter-butilo y un un isobutilo

c (h)

c

cJ---c-c!-c I c

c

2g: Dos ter-butilos

Id: Un metilo, etilo, un n-propilo y un sec-butilo

Podemos calcular fácilmente que, para tenerun peso molecular de 86, un alcano debe ser un hexuno, C,H,,. Como vimosen lapágina 85, hay cincodeellos.Siguiendola 3.1, hallamoslas respuestas siguientes. (Utilizamos nuevamente argumentación del problema fórmulas desprovistas de hidrógenos para revelar más adecuadamente el esqueleto.) (a) 2 monobromo derivados: 2,3-dimetilbutano (b) 3 monobromo derivados: n-hexano, 2,2-dimetilbutano (c) 4 monobromo derivados: 3-metilpentano (d) 5 monobromo derivados: 2-metilpentano (e) 6 dibromo derivados: 2,3-dimetilbutano (0 Vhse a continuación.

CAPITULO 3

ALCANOS

2-Metil-. pentano podría dar

n-Hexano podría dar

C

C

I

c"c-c-c-c

I

C--C--C

1

-

I

Br

C

I -c--c I

Br

C

I

c-C-C-C--C

Br

c"c-c-c-c-c

butano podría dar

c--c

Br

c-e-c

2.3-Dimetil -

3-Metilpentano podría dar

I

Br

I

Br

C

e-e-e-I e-c

Tres

I

I

1

fir

Br

C

Tres

C-Br

I

c--c-c-c-c Cuatro C C"C--C-C-C

I

I

Br Cinco

c c c - cI " c1 c 2,3-Dimetilbutano

Br 1.1-Dibroma-

2,34metilbutano

Br Br 1.2-Dibromo2,34imetilbutano

Br Br 1.3-Dibromo2,3-dimetilbutano

podría dar

I Br 1-Bromo-1-(bromometi1)1,4-Dibromo2,3-Dibrom2,3-dimetilbutano 2.3-dimetilbutano 2,3-dimetilbutano I Br

I

Br

Br

Br

CAPITULO 3

Mono

ALCANOS

,CHCI HzC' "CH2 ,s~ I

H2C

,

/

CHZ

H2C

,C$& 'CH2

H,d

Di CH2

CHCl CHCl

H,C

CH,

H2C

Tri CHCi H,C

CCl 2 \

i

/'

CHCl HZC

I

H,C

~

C'HCI

CIHC

1 J.3-

1.1.3-

~~

CH,

I ,2,4-

c, b, e, a, d. CH3

8.

C.lCl

,CHCl

HJ-CHCI

1,l.Z-

t

H,C I .3-

'CH,

,

H2C-CH,

7.

CFI,

'CHCI H,C H,C'

,

CHCl

'CH,

,

I .?-

1-1-

/'

,C.HCI

H2C'

1

(a) CH,--C-CH2-

-Br

I

+

éter

Mg

CHI + CH3--f?

I

H

CH,- -MgBr

H

Bromuro de isobutilmagnesio CH3

I I

(b) CH,-C-Br

+

Mg

CH3

CH,

(c) CH3-(1-CH2-MgBr

I

éter

+

y

I

CH3 Bromuro de ter-butilmagnesio

H20

H

+

CH, Mg(0H)Br

H Isobutano

3

(e) CH3-C-CH2-MgBr

I

I I

CH,"C-CH3

~d

H

y

3

CH,-C-MgBr

+

CH3

D20

-+

CH,-~-&-CH,D

I

Isobutano-1-d

+

Mg(0D)Br H

CAPITULO 3

ALCANOS CH.?

I

( f ) CH,-CHL ~ - C H CI CH,

I

CH,-CH2--CHLi

+

CH.?

I

(8) CH,-CH2-CH-)2CuLi

+

2Li

CUI

+

-

CH.?

I

C H I~ C H 2 - C H L i sec-Butil-litio

iLiCl

I

. "

CHI"CH2-CH )ZCuLi Di-sec-butilcuprato de litio Di-sec-butilcuprato de litio

3CH,---CH2-Br

---i

CH.!

I

2CH,-CH2-CH-CH2-CH3 3-Metilpentano

10.

+

CuBr

+

LiBr

Una vez más trabajamos con esqueletos de carbonos y utilizamos el enfoque sistemático empleado enel problema 3. l .

(c)

c c i I c-c-c---c-c I

C

CI

c c I c - c c C"C i c CI

c c I c-c-c-c-c I / c tl

c1 c c -c c- t. c 1 1 CI c ~

ALCANOS

CAPITULO 3

11.

El orden de los isómeros es como en el problema 10: (b) 21, 17, 26, 26, 10s; (d) 46, 39, 15:d

(a) 16, 42, 42? 3" > 2" > 1" > metilo,vinilo.

14.

Alílico,bcncílico > 3" > 2" > 1 > CH,, vinílico.

1s.

Trasposición,por m'gracio'nde Br, del radical1' formado inicialmente una radxal2" o 3', más estable:

r CHICHlCH.Br

CI.

~

CIi,CttBrCH,

CI

CH,CHCH2Br trasp. CH3CHBrCHz CH3CHCH2Br radical 1"

~~~~

-

1_ [I?

CH 3CHCIC'HzB~

-

radical 2"

'

Aun cuando los radicales libres alquilo raras veces se por trasponen migración de hidrógeno o alquilo, parece claro que lo pueden hacer por migración de halógeno. 44

ALCANOS

CAPITULO

3

La tabla 3.3 indica que el n-C,,H,, @.m. 198) tiene una densidad de 0.764 g/mL. Un litro 764 g moles. Esta cantidadde de kerodn pesa, por tanto, 764 g, y representa 198 g/mol 43 764 kerosén requiere x - moles de oxígeno, el cual pesa X - X 32 g, O 2650 g. 198 2 198 2 ~

(b)

~

-

CH3(CH2)12CH3: 12-CH22 CH3-

12 x 157 kcal = 1884 kcal 2 x 186 kcal =327 kcal 2256 kcalimol

Un litro de kerosén: 764 mol x 2256 kcal/mol 198

-

(c>

H.

+

.H

-

Hz

-

8710 kcal

A H = -104kcal/mol

Para producir 87 10 kcal, se necesitan

8710 kcal = 84 mol H, = 169 g 104 kcalimol

17.

Carius;mono,45.3% C1; di,62.8% C1. Determinar. peso molecular: mono, 78.5; di, 113.

18.

Trate de sintetizarlomedianteelmétododeCorey-House,partiendo isopentilo.

19.

(a)Metano,formadopor

CH30H

+

1.O4 mL gas es

CH,MgI +CH,

+

de bromuro de

CH,OMgI.

1.O4 mL 1.O4 o -~ mmol CH,, 22.4 m L / m z 22.4

CAPITULO 3

ALCANOS

desprendidos del mismo número de milimoles deC&OH, p.m. 32. 1.O4 peso CH@H = __ mmol x 32 mg/mmol

22.4

(no. de moles)

x

=

1.49 mg C H 3 0 H

(peso pormol)

1.57 mL no. mmol alcohol = _ _ _ ~ 22.4mL/tnmol

59 = C,,H2,,+,0H= 12n + (2n n =3

---i

+ 1)(1) + 16 + I = 14n + 18

C 3 H 7 0 H , quees n-PrOH o iso-PrOH.

mmol de alcohol

=

0.02 mmol alcohol

-

1.79 mg = 0.02 mmol alcohol aprox. 90 mg/mmol

cada mol de alcohol

1.34mL .= 0.06mmol H 2 22.4mL/mmol 3 moles H,

f

el alcohol contiene 3 grupos -OH p.m. 90 = C,LH,,- ,(OH), = 12n n = 3 da

-

+ (311

-

90 = l4n + 50

CH,-CH-CH,, i

OH

1

1

1)(1!

+ (3 x

16) + (3 x 1)

glicerol (pág.622).

OH OH

(Podríamos dibujar estructuras alternativas que contengan de un "OH más por carbono, pero tales compuestos son, en general, altamente inestables.)

46

4 Estereoquímica I. Estereoisómeros

4.1

Si el metano fuese una pirámide con base rectangular: dos estereoisómeros.

Imágenes especulares

Estas son imágenes especularespero, como podemos apreciar,no son superponibles.

4.2

(a) Si elmetanofuerarectangular:

tres estereoisómeros.

(b) Si el metano fuese cuadrado: dos estereoisómeros.

CAPITULO 4

ESTEREOISOMEROS ESTEREOQUIMICA I.

(c) Si el metano fuerauna pirámide con base cuadrada: tresestereoidmeros.

I d g e n e s especulares

Dos de Cstos son imdgenes especulares entresí, pero no superponibles. (d) Si el metano fuese tetraédrico: S610 es posibleuna estructura. H

Z

(La imagen especular dela estructura indicadase puede superponer a la original.)

4.3

=

(a>

U

=-

-

1.2:.

"

Ixd

6, I -

-

39.0'

0.5 dm x __ 100

(c)

-

39.0" =

U --__

0.5 x

6.15

~

Mitad conc. mitad no. moléculas

200 a

-0.6"

-+

mitad rotac.

ESTEREOQUIMICA I. ESTEREOISOMEROS

4.4

CAPITULO 4

Use un tubo más largo o más corto y vuelva a medir la rotación. Por ejemplo, si[a]fuese realmente +45", un tubo de2.5 cm "-+ ct ob de +11.25". Otros valores de [a]darían los aobsiguientes:

-

-315"

4.5

-78.75"; +101.25"; +405"

$765"

--f

+191.25"

Quirales:b, d, f, g, h. Primero tratamos de localizar centros quirales:

Si localizamosun centro quiral"y si estamos seguros de que úesn ielc e podemos tener la certeza de quemolkula la es quiral. (Sihay m k de un centro quiral,la molkula puede o no ser quiral, como veremosen la S e c . 4.17.) En esta etapa,lo m& seguro es verificar o, lo nuestra conclusión dibujando fórmulas en cruz o, mejor aun, construyendo fórmulas (h), por ejemplo: mejor de todo, haciendo modelos. Para el compuesto espejo

CH,CI H+Br

C2H5

espejo

j

CH,CI

CH,CI

j

Bi-)H C,H,

H-C-

o

Br

CLHF

j

CH,CI

Br-C-H C,H,

No superponible: la moldcula es quiral

4.6

*

*

(a) CH,CH2CHDCI CH,CHDCH2CI DCH2CH2CH2C1

*

CH,CHCICH,D (CH,),CDCl

*

(b) Todos los que contienenun centro quiral(C) son quirales.

Después de identificar los centros quirales, seguimos el procedimiento del problema 4.5. para CH,CHz~E~DCI:,poreJemPlo: 49

CAPITULO 4

4.7

(a)"(c)Trabajeconmodelos;

ESTEREOQUIMICA I. ESTEREOISOMEROS

(d) imhgenes especulares: a, b.

CAPITULO 4

ESTEREOQUIMICA I. ESTEREOISOMEROS

4.11

CI

( 4

CH ;H (t,C ;H2

C H 2 = = C H T C2H5 H S

R

C1 > C-C

> C-C

> H

CAPITULO 4

ESTEREOQUIMICA I. ESTEREOISOMEROS

ESTEREOQUIMICA I. ESTEREOISOMEROS

4.12

CAPITULO 4

(a), (g): dosenantiómeros,ambosactivos (b), (c), (e): dos enantiómeros, ambos activos; 1 compuesto meso inactivo (f), (h): dos pares de enantiómeros, todos activos (d): cuatro pares de enantiómeros, todos activos

Todoenantiómero, unavez separadode todoslosdemfisestercoisómeros,seráópticamente meso será ópticamente inactivo. Todos los estereoisómeros que no activo. Todo compuesto son enantiómeros son diastereómeros. (a) CHzBr CHzBr H t BB rr I H CH,

I

1

CH.?

Enantiómeros

CH, Br

Br-"H

Br

Br-"H

Br

H-"Br

CLH,

C>H,

Enantiómeros

CAPITULO 4

4.13

ESTEREOQUIMICA I. ESTEREOISOMEROS

El orden de los isómeros es el mismo que el dado antes en el problema 4.12.

(d) (2S,3S,4R);(2R,3R,4S);(2R,3S,4R);(2S,3R,4S);(2S,3R,4R);(2R,3S,4S); (2S,3S,4S);(2R,3R,4R).

CAPITULO 4

(f) (2S,3S); (2R,3R); (2S,3R); (2R,3S).

4.14

Refiérase alas curvas indicadas en las páginas 26 a 27 de esta Guíade Estudio. (a) tres confórmeros: A, B, C; B y C son enantiómeros (b) tres confórmeros:D, E, F; D y F son enantiómeros (c) un confórmero: G En (a), B y C son menos abundantes (más interacciones Me-Me oblicuas). En (b), D y F son más abundantes (menos interacciones Me-Meoblicuas).

4.15

H

H

H

H

Br

Br

II

Ill

I

B Br :r*

I

Las dos formas se componen deI, y de I1 más 111. (b) Ninguna de las dos formas es activa: I es aquiral, y II más 111 es UM modificación racémica.

4.16

(a) La abstracción de cualesquiera de los dos hidrógenos 2" es igualmente probable y resultan cantidades iguales de radicales piramidales enantiómeros; cada uno de ellos reacciona con igual facilidad con cloro, generando a s í cantidades igualesde moléculas de sec-BuC1 enantiómeras (es decir, la modificación rackmica). En todo caso, es probable que un radical piramidal sufra inversión rápida y pierda su configuración. (b) El desplazamiento de cualesquiera de los dos hidrógenos2" es igualmente probable,

dando cantidades iguales de moléculas de sec-BuC1 enantiómras (modificación racémica). 55

CAPITULO 4

4.17

ESTEREOQUEMICA I. ESTEREOISOMEROS

(a)Cuatro fracciones. C'H, I CH,CH,CHCH3

CH 1

CH,

-512 + CH;CH?CHCHZCI

lsopentano

1-Cloro-2metilbutano

-t

I

+

CHACH??CH, I

('I

2-Cloro-2metilbutano y

3

CH3CHCHCH3

+

C'H,

I

CICH2CHZCHCH3

C'I 2-cloro-3metilbutano

l-Cloro-3metilbutano

(c) Ninguna fracciónes ópticamente activa: cada fracción es un compuesto aquiralÚnico, o bien una modificación racémica. (Reactivos inactivos dan productos inactivos). (d) El reemplazo de uno u otro H en 4 H 2 - para generar 1-cloro-2-metilbutano es los uno u otro 4% para dar igualmente probable,y el reemplazo de cualesquiera deHen 2-cloro-3-metilbutano es igualmente probable, dando origen a la modificación en racémica ambos casos. 4.18

En respuesta a la cuestión enla página 151: puede ocurrir una (mono) cloración adicional del cloruro de sec-butilo en cualesquiera de cuatro carbonos: CI

CH,CH2CHCH\

I c1

%

I

CH3CHLCH ~ ~ - C H + Z CHACH2"C "CH,

I

C1

I

1

+

CI

('1

1,2-Diclorobutano 2,2-Diclorobutano CH,CH-~CHCH,

I

1

+

CH2CH:CHCH7

I

Cl CI C1 2,3-Diclorobutano 1,3-Diclorobutano 56

I

CI

ESTEREOQUIMICA I. ESTEREOISOMEROS

CAPITULO 4

Analizaremos la naturaleza estereoquímica del 2,3-diclorobutano en la sección 4.26. En este momento se nos pregunta acerca de la composición estequímica de los otros productos si la materia prima es el compuesto ópticamente activo de (S)-sec-butilo. cloruro

Durante la formación del 1,3-diclorobutano, como la del en compuesto 1,2 (Sec.4.23). no se rompe ningúnenlace con el centro quiral, por lo quese retiene la configuración en tomo a dicho centro. (El productola tiene misma especificación,S, como material de partida, pero esto es puramente accidental: sucede--C%-CH,Cl que tiene la misma prioridad relativa que --C,H,.En efecto, observamos que el 1,2-diclorobutano obtenido tiene la especificación opuesta -y, sin embargo, al generarse también éste retiene su configuración.) Durante la formación del 2,2diclorobutano se destruye el centro quiral - a h o r a el carbono tiene dos ligandos idénticos- y el compuestoes quiral. (b)Tanto el 1,2- como el 1,3-diclorobutano son ópticamente activos; el 2,2-diclorobutano aquiral será ópticamente inactivo. 4.19

c, d, e, g. En las demás se rompe un enlace en el carbono quiral. Para responder así, debemos escribir las estructuras de los reactivos identificar los centros quirales.

4.20

Se rompe el enlace C-0

y productos e

y se vuelve a formar.

Químicamente el material de partida y el producto sonlo mismo: alcoholsec-butííco. la materia prima es ópticamente activa Estereoquímicamente,sin embargo, son diferentes: y debe consistir predominantemente en un enantiómero; el producto es ópticamente por partes igualesde ambos enantiómeros. Por tanto, algunas inactivo y debe estar formado su configuración, lo que sólo pueden lograr mediante la de las moléculas deben cambiar ruptura de un enlace en el centro quiral. Pero el producto, como la materia es alcohol prima, por cada enlace roto debe formarse un nuevo enlace con el sec-butííco y, en consecuencia, centro quiral. CH,

H-C-OH

CH, *.+

C,H,

(o su enantiómero) Opticamente activo

H-C-OH C2H5

CHS

HO-C-H C?Hs

Modificación racémica Opticamente inactivo

ESTEREOQUIMICA I. ESTEREOISOMEROS

CAPITULO 4

Dibujando la estructura, nosdamos cuenta de que el centro quiral es el carbono unido al "OH. Este carbono posee tres enlaces más, pero sabemos que los alcanos son inertes frente sea un enlace a ácidos acuosos (Sec.3.18), por lo que parece altamente improbable que C-H o C - C el quese estárompiendo-y regenerando-en las condicionesexperimentales indicadas. Porotraparte,podemos visualizar, un demodo general,lamaneraenque un ácido acuoso puede lograr la ruptura y regeneración de la unión C-0. El " O H de un alcohol es básico y acepta un protón para generar el alcohol protonado (Sec. 1.22). Ahora, sise rompiera el enlace C 4 de &te, uno de los productos sería R OH Agua

Alcohol

Alcohol

+

H i c-~" R ~ - ~ O H , 'L - H 2 0 + 'i protonado

H20.Puesto que40 es el disolvente,se encuentra en gran cantidad, por lo quela unión CO se podría reformar-sea después de la ruptura, sea simultáneamente-por la reacci6n de alguna de estas abundantes moléculas. Concluimos quelo más probablees que sea el enlace C - 0 el que se rompe y regenera bajo la influencia de ácido. (Como veremos más adelante(Sec. 5.25), esto es exactamentelo que esperariamos de un alcohol en estas condiciones.) (b)Se rompe la uniónC-I

y se regenera.

Nuestro razonamiento es aquí similar al de la parte (a). ('H

CH \

H"c-I

I L i

('H

1

H-C-1

I-C-H

t'6H : 1

;

1

(',,f+!,

Modificación racémica Opticamente activa

(o el enanti6mero) Opticamente activo

De los cuatro enlaces del centro quiral, el que tiene más probabilidades de romperse es el la especie familiar que es el ion yoduro, C-I, y seguramentelo hará detal manera que forme I-. Aunquepor ahora no podemos sugerirun modo especifico (como la protonación en la parte (a)de cómo elI- lleva a cabo la reacción, es claro quesu presencia dala oportunidad para la regeneración del enlaceC-I. R -1 ~

..

I

1-

~--+

Yoduro de alquilo

.. .

+

?

Ion yoduro

(c)Podríamos realizar cadauno de estos experimentos como 5'80o con I- radiactivo. Si nuestra interpretación es correcta, debemos hallar '80 o I- radiactivo en los productos. Comencemos con la parte (a). Se rompe la unión C 4 y el grupo " O H abandona el se separa comoH,O y, aun cuando no fuese así, ciertamente centro quiral. Probablemente

4

ESTEREOQUIMICA I. ESTEREOISOMEROS CAPITULO

se convertirh con gran rapidez en H 2 0 por la acción del medio.(Un OH- no puede durar Y así,de una manerau otra, elgrupo " O H termina mucho tiempo en una solución ácida.)

en la solución en forma de H20. En seguidase lleva a cabo la otra mitad del proceso. un Seenlace formaC " O y un grupo " O H se une al carbono quiral,ya sea despues dela ruptura de la uniónC - 0 o en forma simultánea. Este" O H debe provenir, nuevamente deun modo u otro, del H20. Pero el disolvente es agua, y en el experimento que proponemos Hesi 8 0 . El " O H que se une al carbono no tiene que ser el mismo ---esto e s , el " O H que sale y, de hecho, es muy improbable que sea el mismo.Es mucho más factible que provenga de una delas abundantes por consiguiente-ISOH. moléculas del disolvente, siendo Si todo esto es correcto, y la pérdida de la actividad óptica implica la ruptura y regeneración de enlaces C 4 , entonces esta ptkdida de actividad debería ir acompafiada por el intercambio deun isótopo de oxígeno por otro. Para el experimento del yoduro de alquilo con el ion yoduro, nuestro razonamiento es exactamente análogo.Lo más probable es que el yodo que seal une carbono sea uno de los y no uno de los relativamente abundantes ionesI- radiactivos que provienen del reactivo, pocos iones I- ordinarios que proporciona el compuesto orgánico. Esperamos una vez más por el intercambio isotópico. que la pérdida dela actividad óptica vaya acompafiada Ambos experimentos realmente se han llevado a cabo,y con los resultados esperados. Como veremos más adelante (problema 5.5, pág. 184,se considera que el trabajo con el yoduro de alquilo, realizado en1935 de una manera particularmente refinada, estableció uno de los mecanismos para la que qui7ás sea la clase más importante de reacciones orgánicas, la sustitución nucleofílica alifática. 4.21

La pureza del producto es igual a la del material de partida

4.22

Como siempre, al analizarla estereoquímica de tales reacciones seguimos las guías dadas al pie dela página 154: (1) mientras nose rompa un enlace en el centro quiral original se retiene la configuración; y (2) si se genera un nuevo centro quiral, resultan las dos configuraciones posiblesen tomo a Cste. (a)Habrá cinco fracciones diastereoméricas: dos ópticamente inactivas y tres activas.

('HI

S Activa

Aquiral Activa Inactiva Activa

RS Meso Aquiral Inactiva

C'H,

RR

R

CAPITULO 4

ESTEREOQUIMICA I. ESTEREOISOMEROS

(b) HabrA cincofraccionesdiastereom6ricas, todas ópticamenteinactivas. Serh las mismasqueen(a),salvoquecadaestructuraquiralestCtacompa~adaahoraporunacantidad igual de su enantiómero. (c) HabrA seis fracciones diastereomCricas, todas ópticamente inactivas. C'H('1,

CH:(.I

C'H2C.I

I

('H R

2R.3R

R

+ enantiómero (S) + enantiómero (S) Inactivo

Inactivo

3

+enantiómero (2s. 3s) Inactivo

C-H1

2R,3S

R

+ enantiórnero + enantiórnero (S)

(2s.3R)

Inactivo

Aquiral Inactivo

Inactivo

Formación de enantiómerosy diastereómeros: un acercamiento Si el lector trabajó con sumo cuidado los modelos moleculares de las secciones 4.22 a 4.26 y el problema 4.22, quids haya hecho observaciones que lo llevaron a plantearse algunas preguntas. Para entender mejor la diferenciala formación entre de diastereómeros y la formación de enantiómeros, comparemos la reacción del radical quiral3-cloro-2-butilo mostrado en la figura 4.4 con la reacción del radical aquiral sec-butilo. En la sección 4.22se mencionó que la unión del cloro con cualquierdelcara radicalsecbutilo es igualmente probable.En efecto, esto es cierto, perose debe examinar con m6s detalle. Consideremos cualquier conformación del radical libre: por ejemplo I. Esd claro que el ataque del cloro por la parte de arriba de I y el ataquepor la parte de abajo no tienen la misma probabilidad de ocurrir.Pero una rotación de 180" alrededor del enlace /, ".\,

I1

1

Radical sec-butilo Aquiral

60

CAPITULO 4

ESTEREOQUIMICA I.ESTEREOISOMEROS

sencillo C " C convierte a I en 11; Cstas son dos conformaciones del mismo radical libre y, Son imilgenes especulares y, portanto, lo desde luego, están, en equilibrio una con la otra. tienen la misma energía y se presentan en la misma abundancia. Cualquier ataque, digamos por la parte inferior deI para dar el productoR , seril exactamente contrarrestado por el ataque porla parte inferior deI1 para dar el producto S. La"a1eatoriedad del ataque" que da lugar a la modificación rackmica de a reactivos partir aquirales no se debe necesariamente a la simetría de alguna molécula individual del reactivo, sinomás biena la distribución aleatoria de tales moléculas entre conformaciones (o a una selección aleatoria entre estados de transición del tipo del tipo de imagen especular de imagen especular). Ahora regresemos a la reacción del radical quiral 3-cloro-2-butilo 4.4). (Fig. Aquí, el radical libre que estamos considerando ya contiene un centro quiral, el cual tiene la configuración S; en este radical el ataque no es aleatorio debido a que no se presentan tipo de imagen especular (éstas podrían provenir de los radicales libres conformaciones del R , pero no hay ningunode ellos). El ataque quese elija, digamos desdela parte inferiorde la conformaciónI11 "y ésta es la elección de preferencia porque mantendrá a los dos átomos de cloro tan apartados como sea posible en el estado de transición- daría el meso-2,3-diclorobutano. Una rotaci6n de 180" alrededor del enlace sencillo C-C convertiril a 111 en N.El ataque IV daría el isómero S,S. Pero I11 y IV ni son imágenes especulares, por la parte inferior de

CI

C1

Ill

IV

I

Radical 3-cloro-2-butilo Quiral

ni tienen la misma energíaseniencuentran enla misma abundancia. En particular, debido a lamenor interacción entre los grupos metilo (conformación oblicua en IV), se esperaría y que el producto meso que I11 fuera más establey, por lo tanto, más abundante que IV, predominara sobre el isómeroS,S(que eslo que ocurre en realidad). Podríamos haber hecho una suposición diferente sobre la dirección del ataque preferible deconformaciones, pero aun e incluso distintos cAlculossobre las estabilidades relativas las así llegaríamos a la misma conclusión básica: excepto por mera coincidencia, los dos diastereómeros no se formarán en cantidades iguales. (Para probar si entendió lo que se acaba de decir, trate el lector de resolver el problema su respuesta enla página 75 de esta Guía 4.25 quese enuncia en seguida. Puede verificar de Estudio.) En este análisis se ha considerado que l a s velocidades relativas de lasreacciones que compiten dependen delas poblaciones relativas delas conformaciones de los reactivos. Esta consideración es correcta aquí si, como pareceser, la reacción delos radicales librescon el cloro es más fácily rápida que la rotación que interconviertel a s conformaciones. Si, por el contrario, la reacción con el cloro fuera una reacciónrelativamente difícil y mucho más lentaquelainterconversióndeconformaciones,en~nceslasvelocidadesrelativasde~~determinarse 61

ESTEREOQUIMICA I. ESTEREOISOMEROS

CAPITULO 4

porlasestabilidadesrelativasdelosestadosdetransición.Sinembargo,podríamosllegaralasmismas conclusiones generales. En la reacción del radical aquiral sec-butilo. los estados de transición son imágenes especulares y, por lo tanto, de la misma estabilidad, y la velocidad de formación de los dos productos deberá ser exactamente la misma. En la reacción del radical quiral3cloro-2-butil0, los estadas de transición no sonimAgenes especulares, de modo que no poseen la misma estabilidad, y las velocidades de formación de los dos productos deberán ser diferentes. (En el último caso, aún podríamos hacer la misma pTedicción de que el producto meso predominará, puesto que la misma relaciónentrelosgruposmetiloqueharíaalaconfo~aciónIIIm~establetambiénh~'aqueelestado de transición que seasemeja a la conformación III fuera más estable.)

Problema4.25 Contestelas siguientes preguntas sobre laformacióndel2,3-diclorobutanoapartir y VI) del cloruro de (R)-sec-butilo. (a) Dibuje las conformaciones (Vde los radicales intermediarios que corresponden a los anteriores III y IV. (b) ¿Cuál es la relación entre V y VI? (c) ¿Cómo compararía la relación de V:VI con la relación de IIIIV? (d) Suponiendo la misma dirección preferible de ataque para el cloro que en 111 y IV. ¿cuál producto estereoisomérico deberá formarse a partir de V? ¿A partir de VI? (e) ¿Cuál producto se esperm'aque predominara? (0 En vista de la relaciónde productos que seobtiene en realidad a partir del cloruro de (S)-sec-butilo, ¿cuál sería la relación de productos que se debe obtener a partir del cloruro de (I?)-sec-butilo?

4.23

La racemización también es consistente conun radical libre piramidal que sufre inversión (como el amoniaco, pág.19) con mayor rapidez que su reacción con el cloro, dandoasí cantidades igualesde los enantiómeros. Lo importante de este indicioes que es consistente con el mecanismo que implica un radical libre intermediario-ya sea éste plano o una pirámide- que se invierte y no es congruente con el mecanismo alternativo.

4.24

Una vez más, seguimos las guías ya resumidas en el problema 4.22. En cada fracción activa hay un solo compuesto, quees quiral.

S

S

4

ESTEREOISOMEROS CAPITULO ESTEREOQUIMICA I.

CH2Cl

I

CICHZ-C-H

I

CHzCHl

Aquiral

L a otra fracci6n inactiva es una modificación rackmica.

Cuando se ataca al C-2, el radical libre plano resultanteda igual número de ~016cUlas enantiómems como producto. (Brown, H. C., Kharasch,M. S . y Chao, T.H., J. Am. Chem. Soc., 62,3435 (1940).)

1.

(a) Secs. 4.3 y 4.4 (e) S e c . 4.9 (i)Secs.4.7y4.11 (m) S e c . 4.14 (S) sec. 4.4

(b) Sec.4.4

(0 sec. 4.9

(j)Secs.4.7y4.17 (n) Sec. 3.3 (r) Sec.4.4

(c) sec.4.4 (g) S e c . 4.10 (k)Sec.4.18 (o) S e c . 4.15 (S) S e c . 4.20

(d) S e c . 4.5 (h) Sec. 4.2 (l)Sec.4.12 (p) Sec.4.15 (t) S e c . 4.20

2.

(a)Quiralidad. (b) Quiralidad.(c) Lo usual es ciertoexceso de un enantiómeroque persista lo suficiente como para permitir la medición. (d) Tiene una imagen especular que el original. (e)Las restricciones para fórmulas planas se no se puede hacer coincidir con estudian en la sección 4.10. Cuando se utilizan modelos, no se debe romper ningún enlace de un carbono quiral.(f) Dibujamos una fórmula o construimosun modelode la molkula, y luego seguimos lospasos indicados en la sección 4.15 y las reglas secuenciales de la sección 4.16.

3.

Rotacionesespecíficasiguales,peroopuestas;especificaciones demás propiedades son iguales.

RIS opuestas; todas las

63

CAPITULO 4

ESTEREOQUIMICA I. ESTEREOISOMEROS

4.

(a)Tornillo,tijeras,carretede hilo (b)Guante, zapato, chaqueta, bufandaamarrada al cuello. (c) Hklice, doble hélice. (d)Pelota de fútbol (acordonada), raqueta de tenis (cuerdas entrelazadas),palo de golf, cafi6n de fusil. (e)Mano, pie, oreja,nariz, usted mismo.

5.

(a)Serrarunatabla.

(b) Destaparunalataderefresco.

(c) Lanzar una pelota.

CH,

CAPITULO 4

ESTEREOQUIMICA I. ESTEREOISOMEROS

7.

CH,

3-Metilhexanoy 2,3-dimetilpentano.

(a) Y (b)

Hf-Br CH3 2S.3 R

BrfH 2R,3S

BrfH

HfBr

2S,3S

Enantiómeros

Enantiómeros CHzBr CHzBr (b) CHzBr CHzBr

CH3

HBr H$r

Br

CH3 2 x 3R

Br-fZ 2R,3S

Enantiómeros

Enantiómeros

2R,3R

$:

Br

H $:

2S,3S

2R.3R

Enantiómeros

Enantiómeros

CAPITULO 4

ESTEREOQUIMICA I. ESTEREOISOMEROS

(1')

":. T iH "7"

CH,OH

C H ,OH

CH,OH

H.-/OH

HO CH.?

CH,

?S,3 R,4R

2K,3S.4S

I

H

CH3

CH,

ZR.3S.4R

ZSV3R,4S

Enantiómeros

Enantiómeros

CH,OH H

F

H : CTH 2 0 H

HO H--

CH,OH

HO OH

OH

Hi$:

H

HO

-

CH,

CH,

H;$! '

OH CH.3

CH,

2S,3S.4.Y

2R33R,4S2S,3S,4R

2R,3R,4R

Enantiómeros

E&iómeros

(g) En el primeroy cuarto isómeros,C-3 es un carbono pseudoasim'trico: tiene cuatro grupos diferentes, pero dos de ellos sólo difieren en la configuración. Especificamosla configuraciónen tomoa este carbono como r o S, asignando arbitrariamente al sustituyente R (C4) una prioridad más alta que alS (C-2).

CH,OH

CHIOH

CH,OH

'IoH".rT;

CHzOH

CH,OH

CHzOH

H

-OH

H

OH

HO

--H

CHzOH

Hl:f

OH

CHzOH

2S.4.Y

2S,3s,4R

H

H

s.S

Enantiómeros

c1

Cl

Cl SR)

R,S(o

Meso

2S,3r,4R Meso

Enan!iómeros

Meso

R.R

2R,4R

4

ESTEREOQUIMICA I. ESTEREOISOMEROS CAPITULO

(i) En cada estructura observamos el que plano vertical de simetría corta la molkula desde el vkrticeizquierdodelfrente hacia elv6rticederechoposterior.Comoalternativa, simplemente invertimos la imagen especular (idmero trans), o la rotamos en un hngulo de 180" (idmero cis). CI

CI

trans (Sec. 12.13) Aquiral

(k)

C2Hs

H

C1

cis (Sw.12.13) Aquiral

C2HS

C2HS

C2H5

CH3H-CCH,-C-H H-C-CH, HCH3-C-

IO

C2H5-N-IO CH,CH,SI!d-C2HsCH3-N-CzHs

c1-

C,H,-n

:

c1- :

C,H,-n

CS,NS CS,N R

CR,NS

Enmtiómeros

9.

c1-

:

C,H,-n

C,H,dJ-

c1-

:

CH,

C,H,-n

CR,NR Enmti6meros

A , CH3CCl2CH3; B, ClCHzCH2CHzCl; C, CH3CHCICHZC1, quiral; D,

CH3CHzCHClZ.

c activo da: CH3CHC1CHClz, p i r a l CH3CC12CH2C1y CICHzCHCICHzCl, ambas aquirales. (a) y (b) Los posibles productos diclorados son1,l-, 1,2-, 1,3-y 2,2-dicloropropano. 67

ESTEREOQUIMICA I. ESTEREOISOMEROS

CAPITULO 4

C"C~~-CLCi

I

C1 l. 1-Dicloro-

I

C1

1,2-Dicloropropano podría dar C1

propano podría dar CI

c- C

-~c" c-CI

C

I -c c1 I

('

~

('I

c-7-C I

CI

C1

c1 I

c1 I

C1 2,2-Dicloropropano podrio dar -~ C:I

I I

C"C"C

C1

CI

C1

c-C"-C-CI

CI CI Un0

I

"CI

C--c-C

"CI

1

I

C1 1.3-Dicloropropano podría dar

I I

c-C-C

C-c-C-CI

c-C-C I i.1

c1

"res

C- -C. -C "~c']

c- c-CI I

I

c1

CI

I

CI

1

I

I

I

C1 CI

Dos

1

CI Tres

De esta información deducimos queA es 2,2-dicloropropanoy B es 1,3-dicloropropano. Los compuestosC y D son los isómeros 1,l- y 1,2-, perolos datos que tenemos hasta ahora no nos permiten decidir cuál es cuál. (c) C debe ser 1,2-dicloropropano,ya que éste es el Único de los dos compuestos no asignados capaz de presentar actividad óptica. Por Consiguiente,D es 1,l -dicloropropano.

*

CH.) -CH

I

-CH,Cl

CH3--CH,--CHCl2

CI -Dicloropropano 1, 1 1,2-Dicloropropano Aquiral Quiral

(dl

*

C H , -CH-~CH:CI

I

CI Activo

---f

CH,

*

CH-CHCI,

I c1

1, 2, 2-Tricloro propano Quiral Activo

+

C1

CH,-C

I -CHzCl + CICH,-CH--CH2C1 I I

CI 1, 2, 2-Tricloro-

l. 2, 3-Tricloro

propano Aquiral Inactivo

propano Aquiral Inactivo

CI

CAPITULO 4

ESTEREOQUIMICA I. ESTEREOISOMEROS

10.

(a)Ninguno.

(b) Un par de enantiómeros configuracionales.

*

CHz-CHz

I

CH,"CH-CH,CI

I

Br CI 1-Bromo-2-cloroetano: 2-BromoAquiral

I

Br 1 cloropropano Quiral

(c) I y I1 sonenantiómerosconformacionales.IV,V y VIsonconf6rmerosdeun enantiómero configuracional; VII,VI11 y IX son confórmeros del otro.

CI

CI

CI

H

H

Br

I

I1

I11

c1

H

H

V

VI

CI

H

H

VI1

VI11

IX

IV

11.

Interacción dipolo-dipolo atractiva entre 4 1 y "CH.,. Los grupos puedensepararse lo suficiente para evitar la repulsión de Van der Waals, y reposar ala distancia de estabilidad máxima en la que hay atracción. 69

CAPITULO 4

12.

ESTEREOQUIMICA I. ESTEREOISOMEROS

(a)Cero.

c1 p=o

Los dipolos de enlaces secnulan

(b) Deben estar presentes los confómeros oblicuos.

H,J

'"t-

1 A H

H H Los dipolos de enlaces no se anulan

(c) 12% oblicuo (como modificación racémicaque no se puede resolver),88% anti.

/I'= N+\'

(1.12)' = N,,,, Nobllc

13.

=

0.12

+ NYp-,' X

O

+ Noblic

N,,,,, = I

(3.2)'

- NObjlc

=

0.88

Se puede colocar la solución un enpolarimefro,y ver si la muscarina es ópticamente activa o inactiva. Sies activa, lo más probable es que se trate de la sustancia natural, proveniente es muy posible y, de hecho, lo más probable. de un agárico de la mosca; la muerte accidental

Pero si es ópticamente inactiva, tieneserque material sintético que no pudo ser producido por una seta; la muerteno pudo ser un accidente, siendo casi con certeza... un asesinato.

Como casi todo alcaloide (pág. 156),la muscarina es suficientemente compleja para ser quiral, y unos pocos minutos de trabajo con modelos demostrará que la estructura ilustrada en la página 161 noes superponible consu imagen especular.Al igual quela mayoría de las sustancias quirales, cuando se produce enun sistema biológico" e s dccir, mediantela acción de enzimas ópticamente activasse genera en forma ópticamente activa: un enantiómero se produce selectivamente (estereoselectividad, Sec. 9.2) con preferencia sobreelotro. Pero cuando se sintetizaen el laboratorio con reactivos ordinarios, ópticamente inactivos, evidentemente se obtiene muscarina en su forma racémica, ópticamente inactiva. (Véase la Sec. 4.1 1.) La estructura dela muscarina estuvo envuelta en un misterio aúnmás profundo que la dedujo muerte de George Harrison; sólo al cabo de 150 aiios de investigación ense1957 finalmente su estructura.La estereoquímica de este compuesto ilustra gran parte de lo que hemos aprendido en este capítulo. La molkula contiene tres centros quirales ( s u e d e

CAPITULO 4

ESTEREOQUIMICA I. ESTEREOISOMEROS

localizarlos?), de modo que hay 23 y ocho formas estereoisomCricas: cuatro pares de enantiómeros. Las ocho han sido preparadas y se les ha asignado sus configuraciones. Solamenteuna,elisómero(2S,3R,5R),correspondealamuscarinanatural.(Lanumeración de las posiciones comienza en el O y prosigue en elsentido dextrógiro.) En forma de cloruro (X-=Cl-), este isómero tiene [a], una de +8. l.Su configuración absoluta ha sido establecida se correlaciona con el ácid0 (+)-tartárico estudiado por mediante una síntesis que, de hecho, Bijvoet (pág. 138). Así como la formación de (+)-muscarha en un sistema biológicoes estereoselectiva, así su acción biológica es estereoespecíjica (Sec. 9.3): el (-)idmero enantiómero es fisiológicamente inactivo.

(Wilkinson,S.,“TheHistoryandChemisUyofMuscarine”,Q.Rev.,Chem. SOC.,15,153

(1961).)

El caso de George Hanisonha sido narrado detalladamentepor Dorothy L. Sayers y Robert Eustaceen su novelaThe Documents in the Case (Gollancz, Londres,1930;Avon Books, Nueva York, 1971). AI ail0 de la publicación The de Documents, la seiiorita Sayers confesó haber hecho“un soberano ridículo” con el libro: al pensarlo mejor, concluyó que la muscarina natural sería, al igual que la sustancia sintética, ópticamente inactiva.En se basó en una realidad, no debería haber cambiado de parwer: su confesión fue yinexacta La base del libro es sólida: estructura incorrecta que había sido propuesta para el alcaloide. como quedó claro algunosailos más tarde, la muscarina natural es ópticamente activa y puede distinguirse del material sintético usando un polm’metro. Ahora bien,¿la muscarina en el estofado de George Harrison era ópticamente activa o inactiva? ¿Quiénlo hizo, si es que fue alguien? Ah, i s a b e eso sí que sería interesante! 14.

Seguimoslasguíasestablecidasparaelproblema

4.22.

(a)Tres fracciones, todas inactivas (aquirales o racémicas).

H CHICH2C‘HLC‘H,“C--CHI i

H

CHLCH:CH> R

+ enantiómero (S)

(b)Cincofracciones,todasinactivas(aquirales

o racémicas).

I

CI

Aquiral

ESTEREOQUIMICA I. ESTEREOISOMEROS

CAPITULO 4

I CHI R

H

H

Aquiral

+ enanti6mero (S)

(c)Siete fracciones: cinco activas, dos inactivas (ambas aquirales). Observamos que se mantiene la configuración en tomo al centro quiral original (el inferior en estas fórmulas) "aunque puede cambiar laespeciJicación (como sucede enla última fórmula). CHZCHICH, C+H CH3 (S)-2-Cloropentano daría

CH~CHZCH~

1

cI-c-cI I

CH3 Aquiral

Inactivo

CHzCHZCH3

+I". CHzCl

R Activo

(d)Siete fracciones: seis activas, una inactiva (racemica). Nuevamente observamos aquí se que mantiene la configuración en tomo al centro quiral originaí (C-3), excepto cuandose rompe un enlace, por supuesto. En este caso particular, su configuración, con la rupturade un enlace da un radical libre intermediario que pierde lo que se genera una modificación racemica.

CAPITULO 4

ESTEREOQUIMICA I. ESTEREOISOMEROS

CH2CH3 (I?) -2- Cloro -2,3-&metilpentano

daría

1

CH 3

S Activo

3R,4R

Activo

I

R Activo

CH3 3 R,4S

Activo

EtoH

(e)Una fracción inactiva (racémica). (Oxidación uno de u otro -CH,OH.) CHZOH CHzOH '$OH H

daría OH

OH

CHzOH meso-1,2,3,4-Butanetetraol

COOH

COOH

:!TOH

OH

CHZOH CHzOH 2R,3R

-

COOH

Modificación racémica

2S,3S

(f) Dos fracciones: una activa, una inactiva (compuesto meso).

CAPITULO 4

ESTEREOQUIMICA ESTEREOISOMEROS I.

(g) Dos fracciones, ambas inactivas (una racémica, una meso). Ph

I

C- 0

t OH

H

Ph

HOf:H H

Hlf:H

EIHtH H

Ph

Ph

Ph

Ph

R,S Meso

RR SS Modificación racémica

RS Meso

(igual a la primera estructura)

CHzCl

CH.,+.

-+

CzH, ( S ) -1- Cloro -2-metilbutano

CH,

I C2H, S,S G

CAPITULO 4

ESTEREOQUIMICA I. ESTEREOISOMEROS

C2Hs

(C)

H+H, CHI

CH2Cl

G C2HS

+

C H , t H

-

CH2

I

CH,$-H

C2HS (S) -1- Cloro -2-metilbutano

S,S

H

(d) Cualquiera que sea --CH,OH el que reaccione conHBr, el productoes el mismo.

R J

Activo

Activo

16.

4.25

2R,3S

L

Idéruicos: girado sobre

sí mismo

I

Los ácidos enantioméricos reaccionan con diferentes velocidades con el reactivo ópticamente activo,el alcoho1,paragenerarésteresdiastereomkricos. Seconsumencantidades desiguales dar cantidades desiguales de bsteres, y quedan cantidades distintas de los de los ácidos para ácidos enantioméricos sin consumir. Entonces los tres productos son: los dos ésteres diastereoméricos,y ácid0 no consumido que contiene ahora un exceso de uno de los enantiómeros, por lo que es ópticamente activo.

(En la pág. 61 de esta Guía de Estudio.)

ESTEREOQUIMICA I. ESTEREOISOMEROS

CAPITULO 4

(a)V es la imagen especular In; de VI es la imagen especular deIV.

VI

V

Radical 3 - Cloro -2- butilo a partir del cloruro de (R)-sec-butilo

(b) V y VI son diastereómeros

(c) Larelaciónde V:VI será la mismaque la relaci6n de111a IV, puesto que existe la misma interacci6n metilo-metilo. (d)V

-

meso; VI

__f

idmero RR.

C I

C1

Estado de transici6n

i

(e) El productomeso predominar&por la misma razónpor la que predomina en la reacción con el cloruro de (S)-sec-butilo. (f)

RR: meso = 29:71.

5 Halogenuros dealquilo Sustitución nucleofi'lica alij¿ítica

5.2

(a)CH,CH20H

+

(b) C H 3 C H 2 0 N a ( c ) CH,OH

+

(d) (CH,),COH

5.3 CH3CH2CH2-X

CH,CH2CH2MgBr

+

HCl

+

K

+

Halogenuro de alquilo Sustrato

-

H2S0,

"-f

CH3CI

-+

CH3CH20H

+

Alcohol Nucleójilo

-

+

+

CH3CH2CH,

NaHSO,

H20

(CH,),COK

CH,OH

CH3CH20MgBr

+

tH2

H

i@

CH3CH,CH2-0"CH,

Eter protonado

+

X-

Ion halogenuro Grupo saliente

CAPITULO 5

HALOGENUROS DE ALQUILO

H 1 0 CH,CH2CH2-0-CH,

+

Eter protonado

5.4

C- CH,CH2CH2"O"CH3 Alcohol Eter

CH,OH

+

CH30H2+ Alcohol protonado

(a)EstA claro que los dos &eres tienen configuraciones opuestas, por lo que ambos no pueden tener la misma configuraci6n del alcohol a-feniletílico. Uno de ellos debe tener la se deriva, de manera que de una a l srutas de configuraci6n opuestaa la del alcohol del cual reacci6n debehaber ocasionado una inversi6nde la configuraci6n. ¿En cuál reacción sucedi6 la inversibn? Para hallar la respuesta, examinemos pasos los individuales de cada ruta. (La configuracih absoluta del alcohol (+)-a-feniletííicoindicada la correcta, pero esto en realidad no es importante; desde luego, en 1923 a continuación es no se conocía, y podríamos haber trabajado el problema igualmente bien suponiendo de partida.) cualcsquicra de lasdos configuraciones para el material Hay cuatro reacciones en total. Como indica la naturaleza de los productos,en tres de ellas no se rompe ningún enlace del carbono quiral: estas reacciones se debieron realizar reteniendo la configuraci6n. C'H,

H-C-O$H C'hH 5

Alcohol (+)-a-feniletííico

C'H,

+

K

--+

+

H"C'-O~K'

+Hz

C6H5

Sin ruptura de enlaces delC* Retenci6n

C,H,

Sin ruptura de enlaces del C* Retenci6n (+)-Etilafeniletil Bter

Alcohol (+)-a-feniletííico

Sin ruptura enlaces delC* Retencibn

HALOGENUROS CAPITULODE ALQUILO

5

Por lo tanto, la inversi6n debi6 haber ocurrido en la otra reacci6n: aquella entre el tosilato de a-feniletilo y el et6xido de potasio. En ella, la ruptura un enlace de del centro quiral es del todo consistente con natura1e;ra la del producto:un ani6n desplaza a otro.

(b) No importa cuálsea la pureza 6ptica del alcohol de partida. Lo que importaes que la pureza 6ptica de los Cteres formados por ambas rutas es la misma, como indican sus rotacionesiguales(aunqueopuestas).Dadoqueel(+)-Cter se gener6conretención completa, el (-)-Cter tiene que haberse formado con inversi6n completa.

(c) Este es un ejemplo claro de inversi6n completa de la configuración que ocurre en un pasofácilmente identificable, paso en el cual un ani6n desplazaotro a en un tipo de reacci6n que pronto se conoce^ como sustituci6n nucleofílica. El reconocimientode que la inversi6n se llev6 a cabo, y de que fue completa, no dependidde conocer la purezaÓptica ni del y tampoco del conocimiento (previo) de sus material de partida ni de los productos; configuraciones relativas. El axiomade que la configuraci6n no puede cambiar en una reacci6n que no implique ruptura de uniones del centro quiral no ha sido establecido firmemente ni antes ni ahora,y Phillips mismo tan S610 dice de tal reacci6n que “el cambio de configuraci6n ... es improbable”. Phillips, Henry, “ANew Type of Walden Inversion”, J. Chem. Soc., 44 (1923). 5.5

Cuando una molkula de halogenuro sufre intercambio e inversidn,se pierde la actividad 6ptica de dos moléculas, puesto quela rotaci6n 6pticade la molkula invertida anula la rotaci6n deUM molécula que no ha reaccionado. En esta reacción participa un halogenurode alquilo, el sustrato ckisicola sustitucidn para nucleofílica.No era posible saber con seg&dad cud es la configuraci6n relativa o la pureza su preparaci6n tenía que suponer la ruptura 6ptica de un halogenurode alquilo, puesto que de un enlace del carbono que recibe al hal6geno. Sin embargo, tenemos aquíun experimento la delcual se puedededucir una conclusi6nquenodependedelconocimientode configuraci6n relativa deun halogenuro de alquilo,o de su pureza 6ptica:toda molkula sometida a sustitución sufreuna inversidn de la configuracibn. Además, estose observó para una reacci6n que presenta una cinCtica de segundo orden, por lo que es claramente del tipo que, en el mismoatlo, ya había sido denominada como S$ (pág. 182).

Hughes, E. D., Juliusberger, F., Masterman, S., Topley, B., y Weiss, J., “Aliphatic Substitution aild the Walden Inversion. Part I”, J. Chem. Soc., 1525 (1935). Para la publicacidn que por primera vez expone la teoria completala de sustituci6n nucleofílica alifática, v& Hughes, E. D., e Ingold,C. K., “Mechanism of Substitutionat a Saturated Carbon Atom”,J. Chem. Soc., 244 (1935). 79

CAPITULO S 5.6

HALOGENUROS DE ALQUILO

Esperamos obtenerel(R)-2-octanolde [a]-6.5". CbH I

C,H

Br-c-H

\ 1

H-C-OH

s,2

CH,

CH,

(S)-(+)-2-Brornooctano

(I?)-(-)-Z-Octanol [a]= -6.5" Pureza 6ptica 63%

[a]= +24.9"

Pureza cjptica 63%

Nos referimos a las configuraciones asignadas y rotaciones dadas en la pitgina 183. Puesto que nuestro reactivo es (+)-2-bmmooctano, tiene la configuración opuesta a la indicada para el (-)bromuro. Si el 2-bromooctano ópticamente puro tiene una rotación óptica del 63%. específica de39.6O, nuestro reactivo tiene una pureza Pureza 6ptica

24.9 39.6"

= _ _ x 100 = 63:"

L a reacciiin es S,2, por lo que debe llevarse a cabo con inversión completa: el 2-octano1 tendr6 la configuración opuesta ala del bromuro inicialy tendrh la misma pureza óptica, 63%. (Resulta que tiene la especificaciónopuesta, R.) 63 I O0

-X -

5.7

(a) Se nosdanlasconfiguraciones iipticamente puros:

10.3'

= -

6.5

y rotacionesespecíficasdelcloruro

Ct,H,

CfJS

H-C-Cl

H-C-OH

CH 3

CH,

Cloruro de @)-(-)-a -feniletilo

Alcohol (I?)-(-)-a-feniletilico

[a]= - 109

[a]=

-42.3"

Puesto que nuestro reactivo tiene [a]- 3 4 O , es ~

34" x 100 109'

=

31% 6pticamentepuro

y delalcohol

CAPITULO 5

HALOGENUROS DE ALQUILO

y tiene la misma configuraci6n que la reciCn indicada. Dado que nuestro producto tiene[a]+1.7', es 1.I" 42.3" ~

X

100 = 4.0% 6pticamentepuro

y tiene (un exceso de) la configuraci6n opuesta a la seque indic6 antes.

(b) y (c) Puesto que el producto tiene la configuraci6n opuesta del material de partida y es de pureza 6ptica inferior, Pureza 6ptica producto 4.0 -~ = 13% Pureza 6ptica reactivo 3 1.O

la reacci6nha procedido con inversi6n(13%)m& racemizaci6n (87%). Por cadamolkula que sufre ataque porparte la de atrh, se genera un par radmico y se pierde así la actividad 6pticade dos molkulas. Por consiguiente, 43.5%de las molkulas sufren ataque frontal (retencih), y 56.5%son atacadas poratrds (inversi6n).43.5% Los con retenci6n de laconfiguraci6n anulanla actividadde otro43.5%con configuraci6n invertida para dar 87% de producto radmico, dejando así la pureza 6ptica en un 13% del valor original. 5.8

La reacci6nSN1es lenta, porque el cati6n neopentilo es primario y, por lo tanto, se forma despacio. La reacci6n SN2 es lenta debido al factor estbrico: aun cuando s610hay un sustituyente unido --CH,X, a se trata de uno muy voluminoso, el1-Bu. ( V h s e las phgs. 188-189.)

5.9

Parece probable una transposici6n de un cati6n secundario a uno terciario. V h s e las ecuaciones en las @ginas 3 10-31 l .

5.10

La expresi6n dela velocidad consta de dos partes. SN1y S,2: S N2

SN1

r " 7

velocidad = 4.7

x

IO-5[RX][OH-I

+ 0.24

x IO-S[RX]

HALOGENUROS DE ALQUILO

CAPITULO 5

De aquí podemos establecer el porcentaje debido SN2: a

o/s /o

N

2

=

_

-1

4.7[OH

_ _ x 100 ~ 4.7[OH. ] + 0.24

~

Finalmente, podemos calcular el porcentaje debido S,2 apara &versos valores de [OH-]:

(a) Cuando [ O H - ]

=

0.001, " / , S N ~=

4.7 4.7

x

0.001

x

0.001

--

+ 0.24

X

100 = 1.9%

Análogamente: (c) [ O H - ] = O.I,yiSN2 = 66.2 (e) [OH-] = 5.0. %SN2 = 99.0

(b) [OH-] = 0.01,%S,2 = 16.4 (d) [OH-] = 1.0, %S,2 = 95.1

5.11

Cloracióndel neopentano por radicales libres.Los sencillosradicales libres alquilo exhiben (Nora:Este es uno de lospocos casos en donde la una escasa tendencia a la transposición. halogenación deun alcano es susceptible de prepararse en el laboratorio.)

5.12

(a)

ROH

+ HC1

t- R O H z t

+ C1

(b) La formación de R'. (c) R O T . (d) ROH y HC1. (e) También en la concentración de kido. No siempre, evidentemente.

cH

CH,

1.

I I

(a) CH, -C -CHzBr

3

C'H,

C'H, CH,CH, (d) CH,-CH,--

(c) CH, CH2 CH I

(b) C'H,-- C - C H 2 0 H

I

'

CH-C-CH, CI

Br

1

OH

CH,

(e) CH,

C'H,

1

CH C'H- C H , OH

(f) C'H,CH20-Kt

CAPITULO 5

HALOGENUROS DE ALQUILO

F H

CHS

I I (g) F-C--C-OH I 1

I

(h) CH, --CH-CH,-O-Ts

F H

y ,

CH,

2. CH, (a)

(b)

-CH--CHz

I

CH,-CH

I 1-Yodo-2-metilpropano 2-Cloro-3-metilbutano

CHCH,

I

CI

CH, (c)

I 1

CH,"CH-C-CH,"CH,

1

Br

CH,

2-Bromo-3,3-dimetiI pentano

H,C

(e) CH,---CH?--CH-CH--CH,

1

3.

3-Cloro-2-pentanol

(a)

CH,CHZCH,OH

+

o bien 6CH,CH?CH,OH

(b) CH,CH2CH,Br

4.

C1 Br

OH

C1

2-Bromo-3-cloro-2,3-

(f)

1

+ +

CH,CH,CH20Ts

(a)

CH,CH2CH2CH,0H Alcohol n-butílico n-Butano

-~

2P

+

+

31,

CH3CH2CH21+ H z O ----+

6CH3CHzCHzI

-aE!5+ CH,CHZCH21

Nal

(C)

(c) CHSCH2CH2CH,

dmetilbutano

HI

+

CH,

I 1 CH,-C-C-CH, I 1

Nal

+

acetonya + CH,CH,CH21

+

2H3P0,

NaBr

+

(b) no hay reacci6n (d) CH,CH2CH2CH2-CH,CH3

NaOTs

HALOGENUROS DE ALQUILO

CAPITULO 5

( e ) CH3CH,CH2CH2MgBr

(f) CH,CH2CH,CH2D

Bromuro de n-butilmagnesio

n-Butano-1-d

(h) CH3CH2CH2CH21

(g) no hayreacci6n

(i)

no hay reacci6n

Yoduro de n-butilo

5.

(a) ~ - B U N H ?

(b) n-BuNH

(c) n-BuCN

I

Ph

(e) n-BuO---C-CHi

(d) n-BuOEt

(f) n-BuSCH3

I1

O

6.

7.

acetona NaI,(a) NaOH(ac) KCN (d)(e) (g) Mg,

(b) NaCl

(h) Li; luego CUI

(c) CqONa (f) NHj (exceso)

Se controlan los factores est6ricos. El orden SN2usual es 1" > 2" > 3", y lento para un G voluminoso enG--C€$X. ?HI > CH3CH2-C-CH,

(a) CH3CH2CH2CH2-CH2 > CH,CH,CH,-CH-CH, Br

I

I

I CH3&H--CH-CH3

I

> CH3-&-CH2CH3

2

I

Br 3'

CH, (C)

G

84

CH3CH2CH2-CH2Br > CH,(!HCH2-CH,Br =

n-Pr-

;SO-BU-

CH3

I

> CH3CH,CH-CH2Br > sec-Bu

HALOGENUROS CAPITULODE ALQUILO

8.

5

Se controlan los factores polares: cuanto más estable sea el cati6n que se genera en la ionizaci6n inicial,tanto más rápido serála reacci6n. El ordenusual es 3" > 2" > 1" CH,

I I

> CH,CH,CH,-CH-CH,

(a) CH3CH2-C-CH,

> CH3CH2CH2CH2-CH2

I

Br

I

Br

Br 2"

3"

CH3

I"

CH3

I (b) CH,"C"CH,CH3 I

CH3

I

i > CH3CHCHZ-CH2

> CH3CH"CH"CH,

I

I

Br

Br

Br

3 ('

2"

1"

9.

SN2 ~~~~

~

(a) Estereoquímica (b) Orden cmético (c) Transposiciones (d) Velocidadesrelativas (e) Velocidades relativas (f) Incremento en la temperatura (g) Aumentar al doble [RX] (h) Aumentar al doble [OH-]

10.

SN1 ~~

~

~~~~~

Inversi6n 20.orden

Racemizaci6n ler.orden

Me >Et >i-Pr >t-Bu RI >RBr >RCl

t-Bu >i-Pr >Et >Me RI >RBr >RCl

Mayor velocidad La velocidad se duplica La velocidad se duplica

Mayor velocidad La velocidad se duplica La velocidad no seve afectada

No

sí

Engeneral, el ordendereactividad es 3" > 2" > 1" < MeOH

L o s factores electr6nicos son importantes excepto para alcoholes primarios, en cuyo caso

los factores est6ricos ejercen el control. CH,

I

(a) CH,-C-CH,

I

OH 3"

> CH,CH2-CH-CH,

I

CH,

I

> CH,-CH-CH,

2"

I

OH

OH 1"

HALOGENUROS DE ALQUILO

CAPITULO S

> CH3CH2-CH--CH2"CH2

(b) CH,CH,-CH-CH,CH,

I

OH

I

I

OH

>

F

1

FI

> CH,CH~-CH-C-CH,

CH,CH,-CH-CH-CH,

I

1

OH F

I

OH F

Todos son 2' (la velocidad disminuye con la cercaníay el número de fluoros que atraen electrones).

(b)

CzH5

CZH,

C2H5

H-C-O+H

?%&

H-C+O-TS

CH3

C,H50~K+

+

C2H,0-C-H CH,

CH,

Alcohol (R)-sec-butiliw

(S)-sec-Butiletiléter

Retención de la configuración(a);en inversidnde la configuraciijn en el últirno paso de (b). (Compárese, esta respuesta con la del problema 5.4 recién vista.)

13.

Hay dos posibilidades extremas. EnU M de ellas, (1) el alcohol protonadose disocia para dar un carkatión plano, cuya hidratación puede ocurrir en cualquier cara para dar el alcohol racémico; (la)

ROH

(lb)

R'

+

+

H'

H20

e ROH2+ -+

ROH ROH,'

-+

R'

+

H,O

+

H'

DE

5

HALOGENUROS

en la otra, (2) el alcohol protonado sufre un ataque SN2por el agua, con inversión y @rdida 5.5 reciCn vista.) de actividad óptica.(Vhsela respuesta del problema

De hecho, estudios realizados q con 180 dieron resultados similares a los del problema

5.5: cada reemplazo de oxígeno es acompfiado por inversi6n. Obviamente la reacción es

SN2.(O tiene una gran proporci6n de curúcter SN2.Si estd implicado un intermediario catiónico -un carbocatión impedido(Sec.6.9)-, Cste no durara lo suficiente como para %O del disolvente,ya que, en este intercambiar su %O por el lado frontal (saliente) por un intercambio sin inversión, lo que caso, la recombinación de H,O por el lado frontal daría sería contrario a los hechos.) 14.

(a) Sustituci6n nucleofílica con el alcohol protonado como sustrato y una segunda molécula de alcohol comonucldfilo. (b) Primero

+

ROH

e

H'

Alcohol

en seguida, cualesquiera delos dos, SN2 ROH

+

R"OH2'

ROH2' Alcohol Protonado

H IO -+ R 4 - R

-

Alcohol Alcohol Nucleóflo protonadoprotonado Sustrato o bien, S,1

+

HzO Agua Grupo Saliente

Eter

(I)

(2)

R-€)H2+ Alcohol protonado

ROH Alcohol

+

--

+ Rt + Carbocatión

-

R+ Carbocati6n

y, finalmente, H

IO

R-O-R Eter protonado

R4-R Eter

Hz0

H

10

R-O-R Eter protonado

+

H'

HALOGENUROS DE ALQUILO

CAPITULO 5

15.

(a) L a transposiciónde un carbocatión intermediario.V b s e el mecanismoE 1 en la página 267; para la transposición, vhse las pdginas280 y 281. o>) Véase el mecanismoE2 en la página 266. El único alqueno que se puede formar por pérdlda simultánea de Hy Br es 111.

(c)Lo que aquí apreciamos como eliminación es una competencia entre mecanismos lasustituci6n nucleofílica en la sección 5.24. Nuevamente, alternativos,tal como vimos para E2) (el es bimolecular: efecto, en el primer uno (elEl) es unimolecular, mientras que el otro paso -y el que controlala velocidad- del El es el mismoque el primer pasode S,1. Seguimos aquíun razonamiento semejante al del tercerpárrafode la página2 11, excepto un reactivo que actúa como base, más que como nucledfilo. En (a), que ahora nos preocupa la base es el disolvente débilmente básico, el etanol, el cual espera hasta que el carbocat se haya generado antes de separar un protón: la formaci6n de un carbocatión da, por supuesto, la oportunidad una de transposición.En (b), la base es ion el etóxido, fuertemente básico, el cual ataca al propio sustrato en unareacción de un solopaso queno da oportunidad para que ocurra una transposición. (Aquí, la situación es estrictamente análoga a la descrita en la página 206 para la sustitución en el bromuro de neopentilo; en efecto, incluso los reactivos son los mismos "etanol, por una parte, ion etóxido, por otra- pero en ese caso actúan como nucleófilos, y no como bases.) (d) En (a), los productos S$: IV (y probablementeun poco de V).

YH3

CH,--&CH--CH,

I

t

H3C OC2H5 3-Etoxi-2,2-dimetilbutano V

En (b), el producto S,2: solamente V.

16.

(a)CH,I, CH,Cl,, y posiblemente C,H,Br. (b) C y 1 (El color violetase debe al IJ (c)Br "+Br,, el cual tieneun color café rojizo en CCI,; el C1- no se ve afectado.

17.

(a) CH,CH2CH2Br

+rBri

CH,CH2CH20H

(b) CH,CHzCH21 ~ " d CH,CHZCH20H (c) CH,CH2CH20Na

f

CH,CH?CH,OH

N'1

(d) CH,CH2CH2CN N ~ ' N CH3CH,CH2Br -

+--

(a)

(e)

+-

(a)

C H ~ C H ~ C H , N HE~

1

CH,CH,CH,Br

HALOGENUROS DE ALQUILO

(f)

CAPITULO 5 CH3CH2CH2Br

H

t-

(a)

, I

CH,CH~CH,?N--CH~CH~CH, + L"CH3CH,CH2NH, CH,CH,CH,Br

I

1

+

t-

CH3CH2CH20Na

(h) CH,CH2CH, CH,CH2CH2MgBr

(i) CH,CH2CH2D @ CH3CH2CH2MgBr CH,CH2CH2Br

(a)

t-

+MACH,CH2CH2Br

(e)

(c)

t-

t-

(a)

(a)

CH~CH~CH~+CH~CH,CH,

4

I CH3CH2CH2Br t- (a)

I ( C H , CCHH, C 3C HH , )2, C uHl ,. L ii

18.

(a) CH,CHCH,

I

4°C'

CI

CH,CHCH,

I

OH

(b) C H , C H 2 0 T s +Lsg-~ CH,CH20H

(d) C H J C H 2 C N

f

-C=C---H (2

C H ,"c=C"c

I

H H

I

I

CH2CH2-C-C-H

I

CI

I

H

CAPITULO 7

ESTRUCTURA ALQUENOS I.

Y PREPARACION

Veamos ahora cuáles de éstos pueden existir comoun par de isómeros geornétricos. cadasiuno Como estudiamosen la página 253, sólo pueden existir isómeros geométricos de los carbonos del enlace doble contienen dos grupos diferentes: si uno de ellosestá unido a dosgrupos identicos, no hay isómeros geométricos. Podemosverificarnuestrasconclusionesdibujando los posiblesisómeros tan simétricamente como nos sea posible (igual que en a s l p6gs. 253-254) y tratando de superponerlos. Recuerde: estasfórmulasrepresentanmoléculasplanas, y se pueden manipular (mentalmente) como lo hm'amos con modelos reales "podemos rotarlas y volterlas" Si no logramos superponerlas, representan un par de isómeros geomémcos.

7.3

98

El orden de los isómeros es el de la respuestaal problema 7.1. Los isómeros geomémcos se especifican como Z o E en la segundaparte del problema7.1. (a> 1-Penteno 2-metil-1-buteno (b) (2)-lcloropropeno 2-metil-2-buteno (E)- 1cloropropeno (Z)-2-penteno 3-metil-1-buteno (E)-2-penteno 2-cloropropeno 3-cloropropeno

ALQUENOS I. ESTRUCTURA Y PREPARACION CAPITULO

7.4

7

(a) Eltrans- 1 ,2-dicloroeteno no es polar; en 1,l- y en cis- 1 ,2-dicloroeteno, el dipolo se halla en el plano de la moltkula a lo largo de la bisectriz del Angulo entre losh m o s de cloro. CI

H

\c/s II

CI &c\H dipolo neto

p = o

++

(b) El compuestoC, tiene el mayor momento dipolar debido a la liberaci6n de electrones grupos 2% en la misma direcci6n quela del dipoloC - C l . por parte de los dos H

CI

\cP II

H

QC$

CH,

CI

C1

(c) El dipolo neto se halla en direccidn de los &tomos del C1, pero es menor porque los dipolos C-Br se oponen a los dipolosC - C l . Br

CI

II Br

C1

dipolo neto

*

7.5

Se trata de eliminaci6n- 1,2: para generarun enlace doble se debe perder un hidr6geno del carbono vecino al que pierdeel halógeno, es decir,se debe perderun hidr6geno-/3.

CT I H L B

-

/c=c\/ +

\

H:B

+

X-

Para predecir los productos que se formardn en cada uno de estos cs~sos,seguimos el procedimiento de la página 263. Simplemente escribimos la estructura del halogenuro de todos los hidr6genos-P. Podemos esperar un alquenoque corresponda alquiloe identificamos pero ningún otro alqueno. al p6rdida decualesquiera de estos hidr6genos-P, (a) 1-Penteno. El 1-cloropentanos610 puede perder un hidr6geno del C-2, por lo queS610 puede dar 1-penteno. H

I I

CH3CH,CH2"C"CH,

I

H C1 1-Cloropentano

-+

CH,CHZCH,CH=CH2 1-Penteno Producto Único 99

CAPITULO 7

ALQUENOS I. ESTRUCTURA Y PREPARACION

(b) 1-Pentenoy 2-penteno (Z y E).

El 2-cloropentano puede perder hidrógeno tantoC-1 del,para dar 1-penteno, H H

I

/

CH,CH?CH? PC C- H

I

CH,CH,CHZCH=CHZ

---+

I

1-Pentcno

CI H 2-Cloropentano

Como delC-2, para dar 2-penteno. H H

I

CH,CH,

/

lo, sugiere un mecanismo concarhationes, y esta idea tiene un f m e apoyo en la transposición del esqueleto de carbono. Si el 3,3dimetil-2butanol formase un carbocatión,éstesería el catión 3,3-dimetil-2-butilo, el cual es el mismo que se formadel 2-bromo-3,3-dimetilbutanoen la eliminaciónEl, y se espera que dé los mismos alquenos transpuestos (vhse la pág. 28 1). Ya vimos(Sec.5.25) cómoun ácid0 cataliza la formación de carbocationes pamendode alcoholes, mediante la protonación del grupo "OH. Reuniendo los primeros pasos de la conversión S,1 de alcoholes en halogenuros de alquilo (pág. 21 3) con el segundo paso de la reacciónE 1 de halogenuros de alquilo (pág. 267), llegamosal siguiente mecanismo probable paraladeshidratación de alcoholes: un tipo de eliminaciónEl a partir del alcohol protonado. (Véase la Sec. 7.25.)

CH

CAPITULO 7

ALQUENOS I. ESTRUCTURA Y PREPARACION

I

1

I

I

-C-C-

(1)

+

H:B a

H OH

B:

I

I

"c--C-- + 9 : I 1 H OHz'

f

I

CH3"C"CH"CHzCH3

G//@

CH,

I

CH,CH-CH=CH"CH, 4-Metil-2-penteno Alqueno disustituido 11%

CH,

I

-

tramp.

I

CH,"C"CH2CHzCH3

o

CH3

I

CH3--C=CH"CHzCH, CHz=C+HzCHzCH3 2-Metil-1 -penteno 2-Metil-2-penteno Alqueno Alqueno disustituido trisustituido 9% 80%

El 2-metil-1-penteno debeser uno delos productos de la transposici6n.como rambih lo es el productoprincipal (2-metil-2-penteno), el cual se puede obtener a partirdel carbocatión 2' o del 3', resultante deesa misma transposici6n.La naturaleza delsusttato (2') y las condiciones dereacci6n (sin agregar una base fuerte) favorecen lareacci6n tipo del monomolecular. 105

ALQUENOS I. ESTRUCTURA Y PREPARACION

CAPITULO 7

7.13

El t-BuO- en DMSO no está solvatado mediante puentes de hidrógeno: por consiguiente, es una base más fuerte que OHel fuertemente solvatadoen alcohol.

7.14

Como comentamos en la sección 5.25, lo importanteno es laclasificación como 1O, 2" o 3" como tales. Lo que intercsa son los factores que ahora están funcionando: aquí son el impedimento esférico, que determinala reactividad porSN2,y la estabilidad del alqueno, la cual determina principalmente lareactividad por E2. Estos factores dan lugar a la relación sustitución-eliminación. Pero hacen más que esto, entre lo,2" y 3" y a lacompetencia entre carbono-Pno cambia la como inhcan los ejemplos aquí mostrados. La ramificaciónelen clasificación del sustrato. Sin embargo, &te (a) incrementa el impedimento estérico y así retrasa laSN2(Sec.5.15), y (b) incrementa la ramificación del alqueno se que está formando y así aumenta la velocidad de la E2. El resultado netounescambio drásticoen el curso de la reacción. De los tres sustratos, el bromuro de etilo es el menos impedidoy da el alqueno menos estable, y el bromuro de isobutilo es el más impedido y da el alqueno más estable.

7.15

Aquí se trata de la solvólisis de sustratos2",y 3" "esto es, reacciones en las que no se añadieron conuna baseo un nucleófilopoderoso-; por consiguiente,es muy probable que se compitan reacciones S,1 y E l. Una vez formado, ¿puede un carbocatión combinarse con un nucleófilo para formar el producto de sustituci6n, o perder un protón para formar el alqueno? Los carhationes generadosa partir de cada conjunto de sustratos son de la mismaclase y, por lo tanto, probablemente -ambos secundariosen (a) y (b), y ambos terciarios en (c>no deberían diferir mucho suenvelocidad de combinación con un nucldfilo. La velocidad un protón depende, sin embargo, de la estabilidad del alqueno en formación, con que pierden y es aquí donde debemos buscar alguna diferencia. (a)

CH,

C'H C H ,

I

*

Br Cf1,C'H.

5% alqueno

CC HH , ~-CH? Alqucno monosustituido

-

CH CH,

I

C H , CH C'H CH, ~

Alqueno Br

+

Alqueno disustituido Producto principal

(b) C'IHjC'H2C'H2 CH I ~

('H;

~

C H J C H ,C H ~ - C H : monosustituido

Y% alqueno

+

~ - *C H , C H : - ~ C H - - ~ C ' H ~ - C H ,

Alqueno disustituido

Br

CH,CH,CH?~--CH-CH2 7% alqueno Alqueno monosustituido ~

C'H,('H,

C'H C'H2CH,

I

Br

~

7

CH,CH,

C'H C H ~CH,

15% alqueno

Alqueno disustituido

En el 3-bromopentanose puede perder cualesquiera de los cuatro H para dar el 2-penteno, quees más estable; en el 2-bromopentano sólo hay dos de tales H. 106

CAPITULO 7

ALQUENOS I. ESTRUCTURA Y PREPARACION

19% alqueno I

Br

CH,

I

C'H,--C"C'H,C'H,

I

Alqueno Br

Alqueno disustituido

-

CH,

I

CH,-C"C'H"CH,

+

Alqueno disustituido trisustituido Producto principal

CH3

1

('Hz C'- CH,CH,

36% alqueno

7.16

El F- en DMSO no se encuentra solvatado mediante puentes de hidrdgeno, por lo que es una base fuerte.

7.17

La principal base que se halla presente es el disolvente, t-BuOH; el principal hcido es el alcohol protonado,t-BuOY+. Cuando se disuelve H,SO, en t-BuOH, se disocia totalmente:

Para este paso, entonces,H:B es H,SO,, y :B es HS0,Sigue ahora el resto del mecanismo:

CAPITULO 7

ALQUESOS I. ESTRUCTURA Y PREPARACION

Por mucho, la base más abundante-y por mucho, la más fuerte-es disolvente, el t-BuOH; y éSta es la base que separa el protón en el paso (3). Por consiguiente, en esta etapa :B es t-BuOH, y H:B es t-BuOH,'. Pero el I-BuOH,' generadoen el paso(3) como H:B es el sustrato para el paso(2); hemos generado una nueva molécula de alcohol protonado en forma directa, sin tener que recurrir (1) es el que inicia la cadena y, una vez que haya al paso(1). En estas condiciones, el paso (2) y (3). ocurrido esto, se suceden una y otra vez los pasos propagadores de la cadena, (A medidaque se acumula HzO,ésta, por supuesto, comienza a competir con t-BuOH como la base del paso(3), formando %O+. Ahora comienza a cobrar importancia la etapa (l),donde %O+ como H:B transfiereun protón ai r-BuOH como base.)

7.18

Siguiendo el principio de reversibilidad microscópica (pág. 288), simplemente escribimos los tres pasos de la página 287 al revés, con HzO como base la :B y H30+comoel ácido H:B.

Observemos que, como en la deshidratación, todos los pasos son reversibles.

ALQUENOS I. ESTRUCTURA Y PREPARACION

CAPITULO 7

El carbocatión intermediariose recombina con el agua para regenerar el alcohol (el inverso delos pasos (2) y (1)) considerablemente más rápido delo que pierdeun protón (paso(3)) para la formación del alqueno.Es decir,.k-2es bastante mayor k3; quesin embargo, la mayor parte del agua circundante no es %O ordinaria quese pierde, sino el disolvente H,'*O marcado, por lo que el alcohol regeneradoenessu mayor parte el alcohol marcado, t-Bu'SOH. De esto resulta claro que aquí (en contraste con una verdadera 1)lareacción formación E (paso (2)) no es la etapa determinante de la velocidad la eliminación; en para del carbocatión que eso fuera cierto, k3 debería ser mucho mayor quek-, de modo que cada carbocatión un alqueno. El paso (2) contribuye a la velocidad total, pero generado formam rápidamente (3). también lo hace el paso

7.20

Nuevamenteobservamosun esquema familiar:la transposición deun carbocatión, generado y luego la pkrdida deun protón deeste nuevo catión-y, iridmente, a otro más estable, en algunoscasos, posiblemente también del catión original-para dar alquenos, siendo los más establesde ellos los productos preferibles.

CH,

CH,

I

1

CH3CH2CHCH20H2

11-

H :O

1 -

CH3CH2--C--CH2@

^I

CH,CH2CHCH20H 2-Metil-1-butanol

+

uansp. +

f

2-Metil-1-buteno Alqueno disustituido

1 -

CH,CH?-C"CH,

o

2-Metil-2-buteno Alqueno trisustituido Producto principal

CAPITULO 7

ALQUENOS I. ESTRUCTURA Y PREPARACION

r-""

.i

CH,

CH3

I

CHj--C=C-CH,

I

CH, 2,3-Dimetil-2-buteno Alqueno tetrasustituido Producto principal

7.21

1 I

CH?=C

3-Metil-2-penteno

E

Z

í H3

4-Metil-2-penteno

(c) Los únicos compuestos quirales son(R) - y (S) -metil-2-penteno.

5.

Difieren en todo, menos (h); lo diría el momento dipolar.

(C)

CH3CHCICHj

+

KOH

(d) CH,CH(OTs)CH,

->

+ t-BuOK

(e) CH3CHBrCH2Br + Zn

"z

CH,CH-CHZ "~u""

+

catalizador

7.

CH,CH=CHZ

CH3CH"CH2

( f ) CH3C=CH + CH3CH=CH2 Hz (Véaselasec.

+ KC1 + H z 0 + KOTS + t-BuOH

+ ZnBrz 11.8)

Seguimoselprocedimientodelproblema 7.5. (a)1-hexeno

(b) 1-hexeno (Z) -2-hexeno ( E ) -2-hexeno (c) 2-metil-1-penteno (d)2-metil-2-penteno 2-metil-1-penteno (e)2-metil-2-penteno (Z) -4-metil-Zpenteno ( E ) -4-dimetil-2-penteno 113

ALQUENOS I. ESTRUCTURA Y PREPARACION

CAPITULO 7

(f) 4-metil-1-penteno

(2)-4-metil-2-penteno Q-4-rnetil-2-penteno

(g)4-metil-1-penteno (h)2.3-dimetil-2-penteno (Z) -3,4-dimetil-2-penteno (,5')-3,4-dimeti1-2-penteno 2-etil-3-metil- 1 -buteno 8.

Seguimos el procedimiento del problema 7.9, ya visto. Paraestas deshidrohalogenaciones, y que se forme predominantemente esperamos que la orientación siga la regla de Saytzeff, el alquenomAs estable: elmás sustituido.

(b) 2-hexeno (predominantementeE ) (e)2-metil-2-penteno (h) 2,3-dimetil-2-penteno

9.

Como vimos en la sección 7.25, el orden de reactividades generalmente 3" > 2" > lo.

(a) CH3CH2CH,CHOHCH,

10.

(d) 2-metil-2-penteno (f) 4-metil-2-penteno (predominantementeE )

(b) (CH3)2C(OH)CH2CH3

Seguimoselprocedimientodelproblema7.10,analizadoantes, y suponemosque la reactividad depende principalmente de la estabilidad del alqueno que se forma. (a)

CH 3

I I

CHJCHICCH,; > CH,CHICHCHlCH, > CHjCHzCHICHCH, Br

114

I

Br

I

Br

ALQUENOS I. ESTRUCTURA Y PREPARACION

11.

La primeraetapa es la formaciónde un carbocatión,

a partir del cual se derivan todos los otros productos:

12.

(a)

CAPITULO 7

CAPITULO 7

ALQUENOS I. ESTRUCTURA Y PREPARACION

o>) La ruta (ir] es inútil. Implica la reacción entre un halogenuro de alquilo terciarioy una base fuerte, la que da casi completamente el producto eliminación, de o sea isobutileno.

13.

(a) El primer paso es la formación de un carbocatión lo.Este se transpone mediante un desplazamiento de metilo al catión 3", más estable, del cuallossealquenos. obtienenComo más ramificado. siempre, predomina el alqueno

14.

La formación del segundo producto implicacon claridad una transposición,y exactamente S,1 de los sustratos3,3dimetil-2-butilo(pág. 205). Esto del tipo observado en la reacción un mecanismo porcartmationes, con rearreglo del catión secundario sugiereen gran medida

3,3-dimetil-2-butilo para convertirse en el catión terciario2,3-dimetil-Zbutilo,como se muestra en laspiginas 206 a 208. Para el mecanismo m h probable seguimos la secuencia de reacciones mostrada en la sección 8.9, la cual lleva específicamente a las transposic mostradas en lapigina 3 1l.

Alquenos 11. Reaccionesdeldoble enlace carbono - carbono Adición electrofi7ica y de radicales libres 8.1

(a) C4H8

+

602

d

4c02

+

4Hz0

649.8 648.1 647.1

(c) 1-buteno cis-2-buteno trans-2-buteno

(b) Igual alade(a).

(d) 806.9 1-penteno cis-Zpenteno trans-Zpenteno

805.3

804.3

El alqueno más ramificado es generalmente el más estable (de contenido energktico mh bajo); un isómero rrans es generalmente más estable (de contenido energctico más bajo) que un isómero cis. 8.2

(a) H,Of; HBr. (b) HBr. (c)

HBr.

En solución acuosa,HBr reacciona para generar el &ido más dhbil, \O+. el (Compárese con el problema1 O, cap. 1 .) 8.3

La eliminacióndehidrógenosucede

8.4

(a) Sustitución nuclcofílica alifática, con agua como nucleófilo y el ionHSO,-, débilmente básico, comogrupo saliente.

en elcarbonoquecontienemenosátomosde hidrógeno. (“A aquel queno posee se le quitará, incluso aquello que poseía.”)

R+OSO,H Nucleófilo Sustrato

+

H,O

--->

R--OH,+ Producto

+

HSO, Grupo saliente

CAPITULO 8

ALQUENOS II. REACCIONES DE DOBLE ENLACECARBONO-CARBONO

(b) Esperaríamos S2 ,.

(c) Esperaríamos S$.

8.5

(a) Estabilidad de carbocationes Véase la figura 8.5, a continuación.

+ Hi

1 I CH,=CH2

CH3CH=CH,

+ H'(CH3)2C=CH2

1" -

i

160.6

- 180.4

CH3CH,@

I

-

+ H+

193.5

1

Figura 8 5 . Estabilidades de los carbocationes en relación con los alquenos.

(Las gráficas están alineadas enResí para facilitar la comparación.)

CAPITULO 8

ALQUENOS II. REACCIONES DE DOBLE ENLACECARBONO-CARBONO

Las diferencias son esencialmente las mismas, cualquiera que alqueno o halogenuro de alquilo.

(b) y (c)

energía, kcal/mol Diferencia Patrón en

Et'

alqueno RBr RCI RI

-

i-Pr+

Et+ - t-Bu'

32.9 35 34 36

19.8

20 21

20

HH*

CH,CH2CHCH3

I

&

CH3CH=CHCH,

OH

Orientación Saytzeff

Orientación Markovnikov

8.7

sea el patrón,

En vista de laquímicaquehemosaprendido,lacombinación parecería requerir la generación un de catión t-butilo,

de isobutano con etileno

seguida desu adición al etileno.

El esqueleto del producto de laalquilación requiere la transposición de este catión primario: primero medianteun desplazamiento dehidruro para dar un catión secundario,y luego por medio de un desplazamiento de alquilo para generar un catión terciario, el cualposee el esqueleto de carbono requerido.

C'H 1

Catión lo

Catión 2'

C'H 1

Cati6n 3"

CAPITULO 8

ALQUENOS II. REACCIONES DE DOBLE ENLACE CARBONO-CARBONO

Finalmente, el catión terciario separa hidruro del isobutano para dar el producto de la alquilación y un nuevo catión t-butilo, el cual continúa la cadena.

8.8

El mismo mecanismo indicadoen las phginas 328 y 329, con radicales enlos pasos (2) y (4) separando (a)H, (b) Br, (c) Br, (d)H del S, (e) H. En (e), por ejemplo:

( L o s pasos claves en eldesarrollo de la teoría de la adicih de radicales libres se describen en: Kharasch M.S. y Mayo, F.R.,J. Am. Chem. Soc., 55, 2468 (1933); Kharasch, M.S., Engelmann, H. y Mayo, F.R., J. Org. Chem., 2,288 (1937); Kharasch M.S., JensenE.V. y Urry, W.H., Science Washington, D.C., 102,128 (1945). Paraconocer un relato personal sobre el descubrimiento del efecto peróxido, vCase MayoF.R., en Vistas in Free Radical York, 1959: phgs. 139-142.) Chemistry, W.A. Waters, Ed: Pergamon, Nueva

8.9

El radical generado en el paso (3) de la secuencia delCCl,, en la phgina 329, se adiciona al RCH=CH,, el nuevo radical formado de esta manera ataca continuacih a al CCl, a la manera del paso (4).

R

120

ALQUENOS TI.REACCIONESDEDOBLEENLACECARBONO-CARBONOCAPITULO

8

Existe entoncesUM competencia entre dos reacciones familiares de radicales libres (en este caso, del radical RCHCH,CClJ: adición al doble enlace o separación de un átomo. Dicha competencia existe en todas las reacciones detipo; estela importancia relativade las dos rutas depende de cuán reactivos sean el alqueno CX,, (y y deel cuán selectivo sea el radical RCHCH,CCI, . (Véase el problema 8, pág. 1235.)

8.10

(a) En la obscuridad, nose generan radicales libresy la reacción electrofílicaes demasiado lenta con tetracloroetileno desactivado.

El oxígeno detienela cadena al reaccionar con el radical libre o con el C1.

8.11

(a)Orlón,CH,=CH".CN,acrilonitrilo (b) Sarán, CH,=CCh, 1,l-dicloroeteno (cloruro de vinilideno) (c) Teflón, CF,= CF,, tetrafluoroetileno

8.12

Si el radicalmás estable se forma con mayor rapidez en cada paso "digamos un radical 2" más que un radical lo- la orientación siempreserá la misma.

CAPITULO 8

ALQUENOS II. REACCIONES DE DOBLE ENLACE CARBONO-CARBONO

L a ozonólisis o la ruptura con KMnO,/NaIO, reemplazan efectivamenteun doble enlace con carbono por un doble enlace con oxígeno. El KMnO,, oxida adicionalmente los aldehídos a ácidos carboxílicos,

-0

R-C Acidos

R ~ - C-0

I

H Aldehídos

OH

carboxílicos

y específicamente, el formaldehído es oxidado a dióxido de carbono.

H carbono

C-=O I H

--f

Formaldehído Acido carbónico

H ~--C"0

I

--f

OH Acido fórmico

HO-C

I

0

OH

a o-c:-o

Dióxido de

Inestable

8.14

(a)Br,/CCl,, o KMnO,, o H,SO, conc.:alquenopositivo. (b) Br,/CCl,, o KMnO,, o H,SO, conc.: alqueno positivoo bien, AgNO,: halogenuro de alquilo positivo. (c) Br2/CC1,, o KMnO,: alqueno positivo.O bien, CrO,&SO,: alcohol 2" positivo. (d) Sólo el alqueno da una prueba positiva con BrJCCl,; sólo el halogenuro de alquilo da una prueba de halógeno positiva; sólo el alcohol 2" da la prueba de CrO,/H,SO, positiva.

8.15

A, alcano D, alqueno

B, alcohol 2" E, alcohol 3".

C, halogenuro

de alquilo

ALQUENOS II. REACCIONES DE DOBLEENLACECARBONO-CARBONOCAPITULO

8-16

1.

8

(a) Cr03/H2S0, (b) Br2/CCI,, o KMnO, (c> Br,/CCl,, o KMnO,, o Cr03/H2S0, (d) H,SO, conc.

(a)isobutano (c) 1,2-dibrom0-2-metilpropano (e) bromuro de t-butilo (g) yoduro de t-butilo (i) sulfato de kido de t-butilo (k) l-bromo-2-metil-2-propanol (m) 2,4,4-trimetil-l-penteno y 2,4,4-trimetil-2-penteno (o) 2-metil- 1,2-propanodiol (9) igual que (0)

2.etileno (cpropileno (b) (a)

cloruro (e)vinilo de (h)propileno

(b) 1,2-dicloro-2-metilpropano (d) no hay reacción (f) bromurodeisobutilo (h) yoduro de t-butilo alcoholt-butííico (1) 1-bromo-2-cloro-2metilpropano y productos (c)y (k) (n)2,2,4-trimetilpentano

u)

(p) acetona y dióxido de carbono

(r) acetona y formaldehído

(f) 2-metil-buteno etileno (g)

)isobutileno 2-buteno (d)

Las reactividades relativas siguen la secuencia dada en la página 3 15. Los oxígenos electronegativos del"COOH hacen que este grupo sea un fuerte atractorde electrones, como los halógenos (Véase la pág. 3 15). 3-yodopentanO 3. 2-yodobutano (b) (a) (c) yoduro de t-pentilo (e) 2-yodo-3-metilbutanoy 2-yodo 2-metilbutano (g) 2-yodo-2,3-dimetilbutano

y 2-yodopentano (d) yoduro de t-pentilo (f) 1-bromo-1-yodoetano (h) 4-yodo-2,2,4-trimetilpentano

En todos estos casosla orientación sigue la regla de Markovnikov (Secs. 8.5 y 8.12). En (b) la reglano indica preferencia " d e cualquier manerase forma un catión 2"- y se obtienen ambos productos.En (e), algo del catión2" intermediario se transpone al catión3", mAs estable. 4.

El radical 3" es más estable que el 2" y se forma con mSrs rapidez.

CAPITULO 8

5.

ALQUENOS II. REACCIONES DE DOBLE ENLACECARBONO-CARBONO

(a) El alcohol metílico (ynoel agua) reacciona con el ion bromonio intermediario para formar el Cter protonado; la subsecuentepklida de un protón da elCter. CHZ=CH2 ?'+

B',O C6--CH,

C'H OH

CH,-- C H ZC H 2 - - C H ,

I

I

Br GO-CH,

I

I

Br

H Un Cter protonado

(b) CH,-

I

OCH,

Un éter

1-Bromo-2-metoxipropano FOH---CH2Br, W!

El paso de apertura del anillo -ataque al ion bromonio por el alcoholmetílico" sucede al carácter S,1 del estadode transición. en la segunda posición (no en la primera), debido (Véasela Sec. 8.15.) OB.

CAPITULO 9

ESTEREOQUIMICA I1

(c) Vea la figura 9.9. Ataque por arriba

.Ataque por abajo H

\

H trans-2-Buteno

CI-CI rcl

“I

H

tram-2-Buteno

;x(

H+H3

Enantiómeros: formados en cantidades iguales

CH h$!f-H ’,! CI

o

OH

CI H.

OH

CI Idénticas

Idénticas

HO c$

Enantiómeros

CH, eritro-3-Cloro-2-butanol Modificación racdmica

Figura 9.9 Reacción del trms-2-buteno para el problema 3 (c).

(d) En (a) se abre el ion cloronio cíclico(a traves de iii o iv, con la misma probabilidad), da lugar al producto racCmico. En(b)es la formaci6n del ion cloronio cíclico (a travQ lo cual de v o vi, con la misma probabilidad) que la da lugar aun producto rackmico.

ESTEREOQUIMICA 11

CAPITULO 9

4.

Esperariamos que la eliminación El sea esencialmente no estereoselectiva y no estereoespecífica,ya que los grupos salientes se pierden enerapusdiferentes.El carbocatión sea cuando formadoen el primer paso podría existir en varias conformaciones -ya se forma de enlace carbono -carbono inicialmente o a travdsde una rotación posterior alrededor un (pág. 350)" y a partir de él sepodría perder un prodn-P.

5.

(a) Adición heterolítica a través de un ion yodonio cíclico.

El mecanismo es análogo al de la adición de X, y HOX, y tiene lugar con la misma orientación (Sec. 8.15). (b) Los disolventes polares favorecenuna reacción heterolítica, con formaciónde iones

intermediarios, al igual queIN3en la parte (a). La luz y los peróxidos promueven una adición por radicales libres, reacción en cadena HBr (Sec. 8.18). análoga a la del Rad.

+

BrN,

RCHCH2N,

+

+

BrN,

RadBr

+

N,

RCHCH2N,

~ ~ - - - f

I

+

N,.

Br y así sucesivamente

El oxígeno interrumpe la cadena al combinarsecon los radicales libres orgánicos(Sec. 2.14). En disolventes no polares (donde la reacción heterolítica no es rápida), la lenta formación espontáneade radicales libres BrN,

se hace evidente. BrN,

+ RCH=CH,

"-f

Br.

-

+ N,

RCHCH,Br

+

N,

(Hassner Alfred, "Regiospecific and Stereospecific Introduction of Azide Function into Organic Molecules",Acc.Chem. Res., 4, 9 (1971).)

CAPITULO 9

ESTEREOQUIMICA I1

6.

(a) Hidrogenaciónsyn (problema 1,en pdginas anteriores). Una fracción: inactiva (racémica).

D

H

r

I

CH,

Enantiómeros Racémicos Inactivos

(b) Hidroxilación syn (problema 9.1 (b)). Dos fracciones: una activa, una inactiva (meso).

H H

CAPITULO 9

ESTEREOQUIMICA

(c) Hidroxilaci6nanti (problema 9.1 (c)). Dos fracciones: unaactiva, una inactiva (meso).

Meso Inactivo

(d) Adición anti de bromo. Dos fracciones: ambas inactivas (ambas rac6micas).

y su enantiómero

CH,

y su enantiómero Racém'cos Inactivos

ESTEREOQUIMICA I1

CAPITULO 9

(e) Hidroxilación.Dos fracciones: una inactiva, unaactiva. (El de hecho que la hidroxilación sea syn o anti no tiene importancia aquí,ya que 6 1 0 se esd generando un nuevo centro se genera este centro quiral, se forman las dos quiral; lo que es importante es que, cuando configuraciones posibles.)

I CHzOH

I

I

CH,OH Quiral

CHzOH Meso inactivo

Activo

(0 Dos fracciones: una inactiva, una activa. (Nuevamente se genera uncentro quiral,y con las dos configuraciones posibles.)

C,H,

C'LH,

I

C -CHz

H+, C2H,

H$cH.\ 11:. N I

H

C2H, y H $:C

CH,

CH.!

C,H,

C2H5

Meso inactivo

7.

Quiral Activo

(a) Lo que estamos viendo aquí, sobrepuesto al patrón básico de la eliminación anti para los efectos conformucionales.Examinemos la reacciónE2, es otro factor estereoquímico: estos efectos más de cerca, ya que son característicos de los resultados que podríamos esperar de una amplia variedad de reacciones. Vimos en a lssecciones7.6 y 8.4 que el trans-2-butenomás es estable que el isómero cis. Atribuimos esta diferencia de estabilidad auna diferencia en la tensión de van der Waals: en el isómero cis, los dos voluminosos grupos metilo se encuentran aglomerados en el mismo lado CH.,, Aglomeración entre metilos CHI

,H

c ÍI c / \

C'H,

\e/

H

II

H

cis-2-Ruteno

H'

c

'CH.,

trans-2-Buteno Menor tensión de van der Waals: mcis estable

de la molécula; en el isómero trans, Cstos se encuentran en lados opuestos (vbse Fig. 7.7, pág. 252). Así, en este caso comoen la orientacih, el producto preferible de la eliminación es el alquenomás estable: en este caso, más estable no debido a la posición del doble enlace molécula. en la cadena, sino a causa de la geometríalade Ahora, el hecho de que predomine el alqueno trans en el producto significa que este se forma con más rapidez que el alqueno cis. Estamos tratando una vezmás con las velocidades relativas dereaccih, y debemos comparar nuevamente los estados de transición para las reacciones que compiten. 143

CAPITULO 9

ESTEREOQUIMICA I1

La eliminación es anti. Para obtener el alqueno cis, la reacción debepasar a travb del estado de transición I $, el cualse deriva dela conformaciónI del sustrato; tanto Ien $como I, los metilos estánen el mismo lado de la molécula "como estarán en en la conformación trans, la reacción debepasar por el estado el producto (Fig.9.10). Para obtener el alqueno de transición113, el cualse deriva de la conformaciónI1 del sustrato; tanto en I1 $como en la molécula la conformación 11, los grupos metilo se encuentran en lados opuestos de nuevamente, comose encontrarh en el producto. Entonces tenemosla siguiente situación. El reactivo existe como varios confórmeros; dar lugar a distintos productos travCs a de diferentes estados de dos de los cuales pueden transición. La E, para la reacción,la eliminación,es muy alta (20-25 kcal) comparada con la cual sólo requiere la rotación alrededor la E,* para la interconversión de los confórmeros, de un enlace sencillo.En situaciones comoCsta, puede demostrarse matemáticamente que las velocidades relativas de formación de los dos productos son independientes de a l s poblaciones relativas de los dos confórmeros, y s610 dependen de las estabífidades relativas de los estados de transición.

I

H

H"-B

I

c1 I

trans-2-Buteno

CI 11:

I1

conformacionales la eneliminación anti: deshidrohalogenación E2 del cloruro desec-butilo.Laaglomeracióndelosgruposmetiloenelmismoladodelamoléculahacequeelestado de transición I$ sea menos estable que el estado de transición II $.

Figura 9.10 Efectos

Comparemos, pues los estados de transición I$ y I1 $ .En el I $ ,los voluminososgrupos metilo están aglomerados en el mismo lado de la molécula: al menos tan cercanos entresí como en el confórmero I e inclusomás juntos, hasta grado el en que se forma el doble enlace y la molCcula comienza a ser plana, como en el mismo cis. En alqueno contraste,en elI1 $ los metilos se encuentran en posicionesholgadas en lados opuestos de la molécula. Debido a 11%.La E , para la formación del la gran tensión de van der Waals, I$ es menos estable que trans;el isómero cis se forma isómero cis es más grande que para la formación del isómero factor que determinalas esm& lentamentey, por tanto, en una cantidad menor. El mismo tabilidades relativas de los productos, la tensión de van derWaals, tambikn determinaa ls estabilidades relativasde los estados de transición que dan lugar asu formación. Ya comentamos la situación alternativa (pág. 61 de esta Guía de Estudio, donde la reacción es mucho más fácil y rápida que la interconversión de confórmeros. Vimos que las velocidades relativas de las reacciones en competencia "y por ende la proporción de 144 ~~IWY_l_II~~"i"-*l..~l.l..~-"'~.i.., AL 1.

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CAPITULO 9

ESTEREOQUIMICA II

productos- se determinaban s610 porlas poblaciones relativasde los conf6rmeros. Cse Si fuera el caso en la eliminaci6n E2, aunpodríamos esperar la formacidn preferencial del idmero rruns. puesto que I1 es m k estable queI por la misma raz6n bhica por la que 11s es m k estable queIS. Pero la preferencia por frum el deberh sermenos marcada, ya que la aglomeraci6n Ien es menor que en I$ ,en donde ha comenzado el aplanamiento de la molCcula. (b) Debido a quees m k dCbil elenlace [email protected]),el bromuro de alquilo es m8s reactivo que el cloruro. En consecuencia,se llega al estado de transici6nm& rApidamente conel bromuro (Sec. 2.24), y tiene menoscarkter de producto; es decir, & te serh menos parecido al alqueno que se formarh.Los grupos metiloen el estadode transici6n quedarb lugar al alqueno cis no e s t h tan cercanos entresí como en el caso del clorurode 9. IO), y hay menos aglomeraci6n entreellos.Ladiferenciadeestabilidadentre alquilo (Fig. IS y 11s es menor para el bromuro que para el ycloruro, la preferencia para el alqueno trans es menos marcada.

(y su enantiómero) eritro-2,3-Dicloropentano

H

\

\

(c>

OH

OH

I

meso-3,4-Hexanodiol

I

OH

H

\

\H

trans-2-Hexeno

145

CAPITULO 9

Hv

Br

ESTEREOQUIMICA II

H

\

-

CH, (y su enantiómero) treo-3-Bromo-2-butanol Modificación racémica

(y su enantiómero)

rac-Butano-2,3-d2

9.

<

H tram-2-Ruteno

En el problema 9.5 (pág. 357), vimos los resultados del estudio de una eliminación E2 a partir del halogenuro de alquilo marcado con deuterio, 2-bromobutano-3-d. Hay dos hidrógenos en el C-3 del halogenuro, un H y un D, y cualquiera puede perderse en la formación del 2-buteno. Si se pierde H, el 2-buteno aun contendrá al D; si se pierde D, el 2-buteno no tendrá marca. C H 3 -CH-~C CH,

H

I

CH,-CHC-CH,

I

I

D 2-Rromobutano-3-d eritro o treo Br

~~

I

D 2-Buteno-2-d cis o tram

CHj-CH==C"CHj

I

H 2-Buteno cis o trans

El halogenuro marcado existe en formas diastereoméricas: eritro (V y su enantidmero, pág. 357)y el marcado o sin marcar, existe como idmeros geomCtricos, cis y trans. Como vimos (problema 9.5 recién estudiado), se encontrd que se pierde H o D en la eliminación dependiendo de si se comenzaba conel bromuroeritro o treo, y de si se formaba el alquenocis o tram. Los resultados apropiados caen dentroundepatrdn muy simple: la elimución es anti. Hay otro aspecto en la formacidn del 2-buteno a partir de un halogenuro de butilo secundario: la proporción trans: cis. El trans excede alcis por un factor de alrededor de 6 para el cloruro de sec-butilo, y alrededor de 3 para el bromuro (problema de esta 7sección). Como vimos estose atribuye a efectos conformacionales. La parte (a) del presente problema contiene ambos aspectos de la estereoquímicade la de factor reacción -la pérdida de H o D, y la proporción trans.-cis- y revela el trabajo otro adicional. La parte (b) c o n f i i a los resultadosde (a). 146

CAPITULO 9

ESTEREOQUIMICA I1

(a) Resumamos losdatos: sustrato sin marca

eritro treo

"--f

-

--f

(- H) trans = 2.84 ( - H) cis ( - D) trans = 0.82 ( - H)cis

(- H) trans = 10.6 ( - D) cis

Claramente, el porcentaje del 2-buteno es quetrans o cis depedende de si el idmero será formado por la périda de H o D. Ademits, es obvio que favorece más la pérdida de H que la pérdida de D. Cuandose formanambos alquenospor la p6rdida de H (a partir un bromuro no marcado),la proporción detram:cis es de2.84. Cuando se forma el isómerotram por pérdidadeD(apartirdelbromuroeritro),laproporcióndetrans:ciscaea~lo0.82.Cuando de forma el isómero cis por pérdida de D (a partir del bromuro treo), la proporción de tram:cis sube a 10.6. Por supuesto, lo que vemos aquí es un efecto isotópico (Sec. 7.17): el enlace C-D se rompre más lentamente que el enlace C-H, y esto se refleja en la proporción de tram:cis. ¿Cómo podríamos calcularmagnitud la de este efecto isotópico? Queremos comparar la velocidad de ruptura del enlaceC-H con la velocidadde ruptura del enlaceC-D; es el mismo enlace, el mismo compuesto, la misma reacción: sóloel isótopoes diferente. ¿Qué usaremos como medida? Usaremos la velocidad de formación delotro alqueno isomérico. Veamos lo queesto significa. El efecto isotópico para la formación del alqueno trans es kH 2.84 = 3.46 k D - 0.82

Estamos comparando la velocidad de formación del alqueno trans por la rupturade C-H (P) con la velocidad de formación del alqueno trans por la ruptura deC-D (k"). En ambos casos nuestra referencia es la velocidad de formación del isómero cis por pérdida de H;kH es 2.84 veces esta velocidad,y kD es 0.82 veces esta velocidad. El mismo sentido, el efecto isotópico para la formación del alquenocis es kH 10.6 kD - 2.84

=

3.73

Esta vez nuestro estándar es la velocidad de formación del tram alqueno por p6rdida deH. (Aunque cercanos, estos valores noson idénticos. Esta diferencia ser simplemente puede un error experimental. Por otra parte, los valores son para reacciones diferentes -la formación de isómeros diferentes- y podría esperarse que sean un poco diferentes. Por un lado, la formación del isómero cis "sin los efectos isotópicos- es m& difícil que la formación deltram, y deberá llegarse al estado de transición un poco después (Sec. 2.24). En los resultadosde la parte(b) se indica que las diferencias entre los efectos isotópicos probablemente sean reales.) 147

CAPITULO 9

ESTEREOQUIMICA I1

(b) Por supuesto,el otro alqueno quese obtiene en estas reaccioneses I-buteno:

CH,CHCHDCHI

I

Br 2-Brornobutano-3-d

~~

tCH,CH

CDCH,

+

2-Buteno-2-d cis o tram

CH3CH C H C ' H , 2-Buteno cis o trans

+

CH2 CHCHDC'H, 1-Buteno-3-d

Para cada una de esta reaccionesse determinaron los valores adicionales:la proporción trans-Zbuteno: I-buteno, y la proporción del cis-2-buteno: 1-buteno. Resumamoslosdatos. Para la formación delidmero trans. sustrato sin marca

( - H) trans

--__

--S

1-buteno

- 2.82

( - D) trans --+ -___ = 0.82 1-buteno

eritro

-+

treo

( - H) trans

1 -buteno

=

2.82

y para la formación del isómero cis: sustrato sin marca eritro tree

~"-f

-

( - H) cis _ _ _ ~ - 0.99

1-butcno

( - H) cis

= 0.98 ____-

"-f

1-buteno

( - D) cis

. --f

1-buteno

=

0.27

Vemos un patrón muy parecido al de laparte (a). La cantidad del isómero trans o cis formado "esta vez en relación con la cantidad de 1-buteno, no conla cantidad del otro estereoisómem- depende de si idmero el se forma por pérdida de H o de D. También aquí sefavorecemblapér~da~Hquela~rdidadeD.Cuandoseformaunidmeropor~rdida

deH,laproporci6neslamismaqueparaelsustratosinmarca:2.82comparadacon2.82para el idmero trans; 0.98 comparada con0.99 para el isómerocis. Pero cuandoel isómero se forma porpérdida de D, la proporción caede 2.82 a 0.82 para elidmero trans, y de 0.99 a 0.27 para el is6mero cis. Nuevamente estamos observando un efecto isotópico y, como en el caso anterior, podemos calcularsu magnitud. Para la formación del alqueno trans, esta es k" - __ 2.82 k D - 0.82

=

3.44

0.99 0.27

=

3.70

"

y para la formación del isómero cis: kt' k"

"~

--

ESTEREOQUIMICA II

CAPITULO 9

En esta ocasi6n nuestroestandar es la velocidadde fmacidn del 1-buteno. Finalmente, comparamos los valores de estos efectos isot6picos con los que calculamos en laparte (a). Si midieron lo que pensamos que deberían medir, es que midieron la misma muy pr6ximos: 3.46 cosa, y deberían concordar.Y efectivamente concuerdan, con valores contra 3.44,y 3.73 contra 3.70.Los resultadosde la parte(b) confirman la conclusi6n de la parte (a) noS610 cualitativamente, sino tambitn cuantitativamente.

10.

(a)-(c) Vea la seccidn 20.2 (Winstein,S. y Lucas H. J., "Retention of Configuration theReaction in of the 3-Bromo2-butanols with Hydrogen Bromide",J. Am. Chern. Soc., 61,1576(1939).)

11.

(a) (i) Eliminaci6n anti, con I- como base. cBr I

-C-C-

I VI

--f

I

-C=C-

/

+ IBr + Br-

Br

t1-

(ii) Ataque nucleofílico intermolecular, con inversi6n, seguido de un ataque nucleofílico intramolecular, tambitn con inversidn; y finalmente UM eliminaci6n, la cual es syn. necesariamentesyn. El resultado neto: una eliminacidn global

(b) S610 la eliminaci6nsin neta (mecanismo ii) puede dar el cis-CHD=CHD obtenido a partir delmeso"CHDBr2HDBr.

meso

XDaH>D H

L

H

I

I

I

D cis

S610 la eliminaci6n anti neta (mecanismo i) puede dar los resultados observados para los dibromobutanos.

CAPITULO 9

ESTEREOQUIMICA I l

Br

H .CHI

H-8"-

H mesa

/runs

c'

Br

H

I

/

L'IBr

"--,

_S \

y su enantiórnero Racdmicos

cis

L o s dos ataques nucleofílicos del mecanismo (ii)son m h difíciles en los &tomos de carbono 2" de los dibromobutanos que en elAtomo de carbono 1" del dibromoetano.Al mismo tiempo, grupos los metilode los dibromobutanos ayudan a estabilizar el doble enlace incipiente del mecanismo (i). El resultado es un desplazamientoen el mecanismo desde(ii) para el dibromoetano,hasta (i) paralos dibromobutanos.

12.

(a) ~1 dibromwo racémico sufre ladeshidrohalogenaci6n anti usual, dondela piridha ataca al H.

c:"

Ph

H

Ph

y su enantiómero Racémicos

trans-1-Bromo 1.2-difenileteno

El dibromuromeso sufre una eliminaci6nanti por el mecanismo (i) del problema anterior, y la piñdina (en lugar del ion yoduro) ataca al Br. Ph

I

Ph .Meso

trans- 1.2-Difenileteno

(b) Cada reacci6n prosigue a travQ estado del de transici6n en el cual los grupos salientes son anti-periplanares y los voluminososgrupos fenilo esth tan apartados comoes posible.

10 Conjugación y resonancia Dienos

10.1

(a) El radical alilo debería reaccionar con HCl para separar un Ammo de hidr6geno.

(b) Como se ilustra, la E , debería seral menos de15 kcal, y probablemente es m& elevada. la de hal6geno Esto esta en marcada contraposici6n a la reacci6n exot6rmica con molkula para completar la adici6n.

10.2

El radical libre mhs estable que se puede generar de cada alqueno es un ,dííico,que es el intermediario preferible. Mediante una transposici6n alílica, este intermediario da dos ambos productos (despreciando la estereoisomería) que son los mismos en casos: 3-cloro1-buteno y lcloro-Zbuteno. CH,CH,CH=CH,

+

t-BuO.

+

r-BuO.

A

CH3CH=CHCH,

CH3CHCH=CH2

2-Buteno

-

/-BuOCI

CH,CHCH=CH2

I

+

t-BuOH

CH,CH=CHCH,.

+

r-BuOH

Un radical alílico Producto preferible

1-Buteno

Un

CH,CHCH=CH,

"----f

radical alílico Producto preferible

+

CI

CH3CH=CHCH,

I

/-BuOH

CH,CH=CHCH2.

C1

3-Cloro-1-buteno 1-Cloro-2-buteno 151

CONJUGACION Y RESONANCIA

CAPITULO 10

Como veremos pronto, los dos alquenos dan los mismos productos porque generan el mismo intermediario alílico,un híbrido dea l smismas dos estructuras.

Este radical híbrido reacciona en cualesquierade dos posiciones, para generar cualesquiera de dos productos.

CI 3-Cloro-l-buteno

CH3-

CH3-CH=CH-CH,

I

C1

1-Cloro-2-buteno

103

Utilice, por ejemplo, propileno isot6picamente marcado, "THJH=C$,y vea si la marca aparece en dos posiciones diferentes en el producto.

En la ozon6lisis, espemíamos que el carbono isotdpico bromoacetaldehído, O

BrI4CH2CH=CH2 A

Br"CH,CH=O

+

no S610 apareciese en el

O-CH,

Bromoacetaldehído Formaldehido

sino tambiénen el formaldehído. I4CH2=CHCH2Br

equivalente a 'O

-

O

H2"C=0 + O=CHCH,Br Formaldehido Bromoacctaldehído

01,

+/

-N

\. O

CAPITULO 10

CONJUGACION Y RESONANCIA

H

10.6

Vea las piginas 371 - 372.

10.7

Los sesquienlaces en los radicales alílicos intermediarios evitan efectivamente la rotaci6n necesaria para convertirun radical estereoisomCrico en el otro.

-

H

H\

,c=c \/

/-Bu0

CH3CH3

>.& LCH~

H\ / C;C.;t CH<

cis-2-Buteno CH, CH3

CH3\

H /

,c=c \

CHzClCH3

/-BuO.

\+C / H' \\Hz

_ j

H

H/c=c

+

\

3-Cloro-1-buteno

cis-1-Cloro-2-buteno

Radical cis

trans-2-Buteno

10.8

t-BuOCI

_cf

I-BuOCI

-

H

CH3\

/

\

CHzCI

+

3-Cloro-1-buteno

trans-1-Cloro-2-buteno Radical trans

(a) No. El calor de hidrogenación medido (49.8 kcal/mol) es 36.0 kcal/mol menor que el ( 3 ~ 2 8 . 6 8 5 8kcdmol). Con base en la estructura de calculado para tres enlaces dobles KekulC, esperm'amostres enlaces simples largos y tres dobles cortos -10 que es contrario a loshechos. (b) Una representaciónmis adecuada es:

Como híbrido de dos estructuras equivalentes, todos los enlaces serían iguales e intermedios entreenlacessimples y dobles. La resonanciaseríaimportante y conduciríaa una considerable estabilizaciónde la molkula. Y así sucede, efectivamente.

10.9

Mediantehiperconjugacióndeltiposiguiente: H H

I

H+

I

H H H H H H

10.10

I I C=C I I

'H H H-C=C

I

H

I I

H H

I

H-C=C 'H

I

I

Suponemos reacciones S,1 que prosiguen mediante los cations alílicos siguientes: CHZ=CH"CHZCI I

4

CH2"CH-CH*

6 I+

CONJUGACION Y RESONANCIA

CAPITULO 10

CH,"CH=CH"CH2CI

-

CH,"CH=CH"CH2

IV

IV

+

o

En los cationes1' y IV', el metilo esd unido a uno de los carbonos terminales del sistema portan la mayor parte de la carga positiva; mediante una liberaci6n alííco, los carbonos que de electrones, el metilo ayuda a dispersar la carga y, por consiguiente, a estabilizar y el estado de transici6n que permitese forme. que Enel cati6n II', poderosamente el cati6n el metiloesd unido al carbono central del sistema alnico,el cual tienemuy poco de la carga

positiva;laliberacidnelectrdnicapormediodelmetiloesdepocaayudaparalaestabilizaci6n del cati6no del estado de transicidn y, de hecho, puede interferir est6ricamente la asistencia del disolvente.

10.11

' i

CH,--CH-CH=CH2

I

H CH2=CH"CH=CH2

I

CI 3-cloro-1-buteno

% CH2"CH-CH"CH2 1 H

o

CH2"CH=CH"CH2

I

H

I

C1

1-Cloro-2-buteno

En el primer paso de la adici6n electrofílica,el prot6n se une a uno de los carbonos & origen al carbocati6n intermediario m k estable: un cati6n terminales, puesto que esto alííco. Este, como aquellos generados mediante hetdlisis, se combina conel nucldfilo en cualesquiera de dos posicionespara dar uno de dos productos. (Esto se a n a l i z a r A en detalle en la S e c . 10.26.) 10.12

En la solv6lisis SJ, un metilo acelera la reacci6n liberando electrones y estabilizando así al carbocati6n que se esta formando (problema 10.10, recih estudiado). En presencia del ion et6xid0, fuertemente nucleofílico, la reacci6n se desplaza a S,2 - c o m o lo atestigua la cinetica de segundo orden- y el metilo retarda la reaccih por medio del impedimento estérico.

10.13

Mediante la @rdi& del ion triflato, I da un cati6n vinílico que: (i) se combina con el disolventepara dar el &ter 11; (ii) pierdeun prot6n delC-1 para dar el alquino 111;

154

CAPITULO 10

CONJUGACION Y RESONANCIA

(iii) pierde un prot6n delC-3 para dar el aleno IV; y (iv) se transpone medianteun desplazamiento de hidruroa un cati6n m k estable, alííco, el cual despuh genera el 6terV.

I

CH,-CH-C=CH?

I

OTf

1

I

a CH,-CH-C=CH? o Un cati6n vir3ico

CHJ-C=C==CH2

,

yb

Un cati6n alílico

10.14

(a)Suponiendo un valor de 28-30 kcal para cada doble enlace, calculamosun valor de 56 a 60 kcal. CH*=C=CHz

+ 2H2

+ CHjCH2CHj

AH =

(2

-56 x

a

28) ( 2

-60 kcal x 30)

(b) El valor real (71 kcal) es considerablementem k alto que el estimado, lo que indica que 1 0 s dobles enlaces acumulados son inestables con respecto a los dobles enlaces conjugados

o aislados. 10.15

H

H

I I CH3"C"CH"C"CH=CH, I I I H Br

H

- HBr

CH3CH,"CH=CH"CH=CH,

1,3-Hexadieno

+

Conjugado: m h estable Productoprincipal CH3CH=CH"CHI"CH=CH2

1.4-Hexadieno

10.16

(a)La uni6n inicial del prot6n debe ser con C-1, ya que sólo así se pueden formar los de la adición-1,2 y - 1,4. productos observados, por medio La unión del prot6n a cualquier extremo del sistema conjugado genera el catión alílico. Sin embargo,se ve favorecida la uni6n con el extremo C-1,del puesto que este cati6n alílico se desarrolla sobre el es tambien un cati6n 3'. Esto significa que parte de la carga positiva 155

CAPITULO 10

CONJUGACION Y RESONANCIA

carbono (C-2) al queesd unido el grupo metilo, y la liberaci6n de electrones por el metilo ayuda a estabilizar al carbocati6n incipiente.

CH

equivalentea

J 3

CH>--C~--CH:--CH>

'

H

-1

v

(b) Similar a (a), con uni6n inicial de Br+al extremo delC-1 del sistema conjugado.

10.17

(a) S í , un catidndoblementealnico.

CH?"CH--CH-CH

I

Br

Br

I

-CH-:CH,

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

Br

~

CH,

I

Br

5.6-Dibromo-1.3-hexadieno 1,6-Dibromo-2,4-hexadieno Unicosproductos

CHZ-CHyCH - - C H

Br

I

~

C H - CHZ

B 1-

3,6-Dibromo-l,4-hexadieno No se forma

(b) 3,6-Dibromo-l,4-hexadieno.

(c) Control del equilibrio, el cual favorece los productos más estables que son los dos conjugados.

10.18

Escualeno

(b) En el centro; probablemente la molécula se genera por combinacidn cabeza con cabeza de dos unidadesC,, idknticas.

(c) Cuatro cierresde anillos, y una migraciiin de metilo. Pkrdidade tres grupos metilo.

CONJUGACION CAPITULO Y RESONANCIA

10.19

10

(a) CH,CH=CH-CH=CH, (b) CH2=CH-CH2-CH=CH2

(c) CH2=C-CH=CH2

+ HCHO

I

CH3

10.20

12

(a) nCH2==CH

CH=CH2

5(-CH~-CH=CH--CH~-CH~-CH=CH-CH~-).p H

H

I

nO=C-CH2-CH2-C=O

10.21

+ nHCHO

I

I

CH=CH2

(b) nCH,=CH--CH===CH2

CH,

(-CH,-CH-), (-CH2"CH-),

"l-t

I

+ OHC-CH2"CHO + HCHO

+ O=C-CHO + HCHO

HCHO

"+

I

+ OHC-CHO + HCHO

CH,CHO

"+

I

En el caucho natural, las unidades de isopreno se combinan principalmente como fueran si cabeza con cola, adici6n1.4. CH3

I

O=CH-CH~"CH~"C~O

"to]

CH3

I

CH 3

CH3

I

-CH*-C=CH-CH2-CH2- C=CH-CHZ-CH2-C=CH-CH2-

Unidad de isopreno

Unidad de isopreno H3C

/

1.

H H H

/

I

l

I

Unidad de isopreno

H

l

CH3-C"C-C-C=C-CH3

I

l

l

3

4

1

H H H 5

6

6

2

ordende reactividad

El H que es tanto 2" como alilico,es m& reactivo que el H que es 1" y alnico. 2*

(atW

c-c-c=c-c=c

1.3-Hexadieno Conjugado I s h . geom.

Da

c-c=c-c-c=c

1,4-Hexadieno Isbm. geom.

C - C - C H O + O H C - C H O + H C -HCOH O + O H C - C - C H O + H C H O

c=c-c-c-c=c

1.5-Hexadieno

c-c=c-c=c-c

2.4-Hexadieno Conjugado Isbm. geom.

157

CAPITULO 10

CONJUGACION Y RESONANCIA

Da H C H O + O H C - C - C - C H O + H C H O

C-c~c-c-c

C

I

2-Metil-l,3-pentadieno Conjugado Isóm. geom. C-CHO

+ O H C - C = OH + CHO

HCHO

I

C

c=c- C:C--

I

+ OHC-C--C

I

+

HCHO

I

C 3-Metil-1.3-pentadieno Conjugado Isóm. geom.

HCHO+OHC-CHO+O=C-C

C-CHO+O=C-CHO+HCHO

I

I

C

C

c=c-c--C =c

c "C -c-=c I

I

I

C C

C

2,3-Dimetil-l,3-butadieno

3-Metil-1,4-pentadieno

Da

-0

I

C C"c-C--C=C

c

C 4-Metil-1.3-pentadieno Conjugado

DQ

-c--c- C"-C

C 2-Metil-1.4-pentadieno

C

Da

+ OHC"-CHO + OHC-C

C-CHO

1

c

c=c"c

Conjugado

+ HCHO

HCHO t OHC-C-CHO

HCHO

+ O - C-- C--0 + I I c c

HCHO

-C

I C I C

2-Etil-l,3-butadieno Conjugado

Da

HCHO

+ OHC-

C--0

I C I

+

HCHO

C

(f) No se pueden distinguirel 2-metil-13-pentadieno y el 3-metil-l,3-pentadieno porsus respectivos productosde ozon6lisis.

3.

Esperamos los productos tanto de la adici6n-1,2 comode la -1,4. (Indicamos la existencia de is6meros geomCtricos,pero no de. oms diastereom6ros o enanti6meros.) (a)

H

CH2CHCH=CH2

I

I

+

HH H 1-Buteno

(c) CH2CHCH=CH2 Br

*I

I

Br 3Q-Dibromo-lbuteno

CH2CH=CHCH2

I

I

H

2-Buteno (cisy trans)

+

CH2CH=CHCH2

8,

I

1,4-Dibromo-2-buteno (cisy trans)

(b) CH,CHCHCH,

I

I

l

l

H H H nButano

(d) BrCH,CH-CHCH2Br

I

1

1,2,3,4-Tetrabromobutano

CAPITULO 10

CONJUGACION Y RESONANCIA

(e)

+

CH2CHCH=CH2

I

I

CH2CH=CHCH2

I

+

(f) CH3CH-CHCH3

I

I c1

H

H C1 3-Cloro-1-buteno

I

1 -Cloro-2-buteno (Z Y E )

CH3CHCH2CH3

I

I

CI CI CI CI 2,3-Diclorobutano 1,3-Diclorobutano

(g) 2HCHO

+

(h) 2 C 0 2

OHC-CHO

+

HOOC-COOH

La parte (f) merece atenci6n especial. Cadauno de los productos de (e) reacciona con otro mol de HCl a travQ del carbocati6nm& estable: el 2' en lugar del1'. CH3CHCH=CH2 CH3CH-CHCH2

I

C1

y

I

CI

% CH3CH-CH-CH2

I

l

l

H

en lugar de

CH~CH-CHCH~~

I

/

CI

H

y, de los dos carbocationessecundarios posibles, aquel que tenga la carga positiva m&

alejada del" c 1 atractor de electrones. CH3CH=CHCH2CI

m

% CH3CH-CHCH2CI

@A

CH3CHCHCH2C1

I

CI

I

H

en lugar de CH3CHCHCH2CI

I O

H

4.

Tratamosestosdoblesenlacescomosi se hallaranen molkulas diferentes;pueden la cantidad de reactivo empleado. reaccionar ambos, o uno solo, lo cual depende de

n-Pentano

H H

I

I

'

(b) CH2CHCH2CHCH2

(a) CH2=CHCH2CHCH2 H H

1-Penteno

(c) CH2ZCHCH2CH-CH2

I

I

I

H CI

I

H

4-cloro-1-penteno

(g) 2HCHO

+

OHCCH,CHO

I

H H

(d) CH2CHCH2CH-CH2

I

I

I

I

Br Br Br Br 1,2,4,5-Tetrabromopentano

Br Br 4,5-Dribromo-l-penteno

(e) CH2=CHCH2CH-CH,

I

I

(f) CH2CHCH2CH-CH2 CI

I

I

C1

I

I

H

2,4-Diclorobutano

(h) 2 C 0 2

+

HOOCCH,COOH 159

CONJUGACION Y RESONANCIA

CAPITULO 10

5.

En cada caso esperamos que el producto principalsea el alquenom& estable: aquel queest4 más sustituido o que es conjugado. (a) CH3CH2CHICH2CI CH3CHZCHCH3

I

C1

-

-+

CH,CH,CH=CH, 1-Buteno

+

CH,CH=CHCH, 2-Buteno (cis y tram) Producto principal

CH,CH,CH=CH2 I-Buteno

(b) CH3CH2CH2CH2CI -+ CH3CH2CH=CH2 1-Buteno

CICH2CHCH=CH,

ZH3

CH3

(c) CH3CH,&H3

+

-----+ CH3CH= CH,

I

CH3 CH3CH2C=CH, I

2-Metil-2-buteno Producto principal

Br CH3 I CH3CHCHCH3

I

--+

CH3 I CH,CH=C"CH,

2-Metil-1-buteno

+

CH3 CHZ=CHCHCH, I

2-Metil-2-buteno Producto principal

Br

CH3

CH2=CHCH=CH2 1,3-Butadieno

-+

CH,

(d) CH3CH,AHCH2Br

3-Metil-I-buteno:

--

CH3CH2C=CH2 I 2-Metil-1-buteno

CH3 I BrCH2CH2CHCH3

CH3 CH2=CHCHCH3 I 3-Metil-1-buteno CH3CH,

CH3CH3

I

I

(e) CH,CH"CHCH,CI CH3 CH3 I I CH3CH"CCHJ CH,

I

CI

(f) CICH2CH2CH=CH,

4

-

I

CH3 I CH,C=CCH3

I

+

CH, 2.3-Dimetil-2-buteno Producto principal

-

CICHZCH,CH2CH=CH2

I

CH,CH-C=CH, 2,3-Dimetil-l-buteno CH, CH,CH"C=CH2 I

I

2.3-Dimetil-1-buteno

CH,=CHCH=CH2 1,3-Butadieno CH*=CHCH2CH=CH2 1,4-Pentadieno

CONJUGACION Y RESONANCIA

6.

CAPITULO 10

Comparamos las estructuras de los alquenos quese forman. El halogenurode alquilo más reactivo es aquel que da el alqueno o los alquenos más estables: los más sustituidos,o conjugados. (a) 2clorobutano (c) 2-bromo-2-metilbutano (e) 2-cloro-2,3-dimetilbutano

7.

(b) 4-Cloro-1-buteno

(d) 1-bromo-2-metilbutano (0 4-cloro-1-buteno

En cadacaso, el ataque inicial es medianteH', para generar el carbocatidn intermediario más estable (regla de Markovnikov). Enel caso de los dienos conjugados, tiene mhs preferencia un catión alííco que uno que noes, loun alííco 3" que un alílico 2", y un alilico 2" que un alííco 1". (Revise otra vez la respuesta al problema 10.16.) 1.3-Butadieno

-

Los otros productos son:

CH2 -CH=CH"CH2

(C)

C I

H

8.

CHI-

CH"CH=CHz

H

CI

1

CI

H.

CH,

I C H z ~ ~ - C - - C H " C H >y I I

y

I

CHI CHz H

I

C-CH

CH2

I

(d) CH2CH=CHCH--CH,

I

CI

1

CI

H

En cada caso, el ataque inicial es mediante .CC2 para generar el radical libre intermediario más estable. Seguimosun planteamiento similar al del problema precedente. 1.3-Butadieno + CH2"CH=CH-CH2 I I CI,C

y

CHL-CH -CHL-CHL

I

I

I

Cl,C

Br

Br

Los otros productos son: (a)

!

C13C

9.

(b)

CH C CZ H H2-CH3

CH2"CH"CHr--CH=CH2

CI,C

Br

I

HI.

El compuesto más reactivo es aquel que generael radical libre más estable.En el caso de un dieno conjugado,se forma con mayor rapidez un radical libre alnico que uno no alílico, un alílico 3" que un alílico 2", y un alílico 2" que un aliíco 1". (a) 1,3-butadieno (c) 2-metil-l,3-butadieno

(b) 1,3-butadieno

(d) 13-pentadieno

CAPITULO 10

10.

CONJUGACION Y RESONANCIA

Esperamos que la reactividad dependa de la estabilidad del carbocatión se genera que en (a)grupo saliente,en (e).Escribimos y examinamos la estructura (d), y de la capacidad como de cada catión; para los alílicos, anotamos las estructuras contribuyentes a fin de recordar dónde es más fuerte la carga positiva. (Repasela respuesta del problema 10.10.) (a) 3-cloropropeno> cloruro de n-propilo> 1-cloropropeno (b) 3-bromo-1-buteno> 2-bromobutano> 2-bromo-1-buteno (c) 4-bromo-2-metil-2-penteno> 4-bromo-2-penteno,4-bromo-3-metil-2-penteno (d) tosilato de 4-metil-2-penten-4-ilo> tosilato 2-penten4ilo de > tosilato de 2-buten-1-ilo (e) triflato> tosilato > bromuro > cloruro

11.

En (a)”(d), esperamos que la reactividad dependaprincipalmente del impedimento estkrico, con el factor adicional del enlace desusadamente fuerte a carbonos vinílicos. En (e), suponemos que la capacidad como grupo saliente es la que determinala reactividad. (a) 3-cloropropeno, cloruro de n-propilo > 1-cloropropeno (b) 3-bromo-l-buteno, 2-bromobutano > 2-bromo- 1-buteno (c) 4-bromo-2-penteno> 4-bromo-2-metil-2-penteno> 4-bromo-3-metil-2-penteno (d) tosilato de 2-buten- >1-ilo tosilato de 2-penten-4-ilo> tosilato de 4-metil-2-penten-4-ilo (e) triflato>tosilato>bromuro cloruro

12.

Vea la sección 23.13

13.

(a) Los planos que pasan por los CH, son perpendiculares entresí. (b) Si; aunque no hay carbonos quirales, lasmolkulas sí lo son.

(c) Carbono centralsp, lineal; carbonos terminalessp2, trigonales; los planosde los dos dobles enlacesson perpendiculares. Esto da lugar a la misma forma que eny (b), (a)

Aleno

(VhseEliel, E. L., Stereochemistry of Carbon Compounds, McGraw-Hill: NuevaYork, 1962, págs. 307-3 .)11

CONJUCACION Y RESONANCIA

14.

CAPITULO 10

(a) El alcohol alílico generaun cati6n alílico híbrido,el cual da dos productos: CHJCHCH-CH2

I

CHjCHOHCH X H ?

Br

CH ~C -j CHH 2

v '5)

CHJCH-CHCH2Br

(b) Este alcohol da el mismo cati6n alílico y, por consiguiente, los mismos productos que en (a): CH,CH-CHCHzOH

15.

F3C\

C-C

Ph/

F CI F2C

/F

\

\

F

+ OEt-

/

ph/c=c\

F

x H'

C H 3 " C H = =C H - CH2

>\

-

+ OEt-

-

OEt

0.3I

' G'

F,C-C-C-F

Ph F

OEt

c.01 CI-F,C-C-C-F b q

I

Ph F

/

-

hC\

-

los mismos productos que en (a):

,OEt + F -

\

F2C Ph'

F

OEt

+ CI-

'C-L-F

La formaci6n del carbani6n es el paso determinante de la velocidad, que es casi idhtico para los dos alquenos parecidos. En seguida se rompe el enlace C-X m h debil, pero la velocidad de este paso no afecta la velocidad global; esto es, hayno "efecto del elemento" (vhse la Sec. 7.19). De esta forma, la reacci6n globales un tipo de sustituci6n nucleofílica, pero mediante lo que podríamos denominar un mecanismo de adición-eliminación. (Koch, H. F y Kielbanian, A.J., Jr.,"Nucleophilic Reactions of Fluoroolefins. Evidence J. Am. Chem. for a Carbanion Intermediate in Vinyl and Allyl Displacement Reactions", Soc., 92,729 (1970).)

'I

Dieno

Catión 3"

Catión 3"

Alqueno

163

CONJUGACION Y RESONANCIA

CAPITULO 10

Esta reacci6n es simplemente una versi6n intramolecular de la dimerizaci6n de los -10s dos alquenos catalizada por ácido (Sec. 8.16). Ya que los dos dobles enlaces molkula, la reacci6n da lugar a UM ciclización, esto "alquenos"- son parte de la misma es, a la formaci6nde un anillo (vdasela Sec. 124). 17.

(a) KMnO,, o BrJCCl,: dienopositivo. (b) AgNO,: bromuro de dilo positivo. (c) AgNO,: 1-cloro-2-buteno (alilico) positivo; 2-cloro-2-buteno (vinílico) negativo.

19.

Podemos resolver el problema de la siguiente manera: mmoles de H, consumidos = mmoles de compuesto mmoles de H, consumido mmoles de compuesto

-

8.40 mL 22.4 mL/mmole

~

10.02 mg X0 mgjmmole

(incertidumbre en elp.m.)

8.40122.4

- ____-

10.02jXO

-3

Por lo tanto, el hidrocarburo contiene tres dobles enlaces,o un doble enlace y un triple enlace. Los resultados de la ozon6lisis sólo muestran tres carbonos,pero un p.m. en el intervalo de 80-85 indica seis átomos de carbono (6 x 12= 72). Es evidente quese obtienen dos moles de cada producto de ozonólisis por mol de hidrocarburo.elYa HCHO que sólo y el dialdehídos610 deun segmento interno de puede provenir de una insaturaci6n terminal la cadena, no hay sino una forma de colocar las piezas el juntas: hidrocarburo es el 1,3,5hexatrieno. H H H,C=O

H H 1

1

O=C-C=O

I

I

O=C-C=O

O=CH2

O , J

H2C=CH-CH=CH-C.H=CH, 1,3,5-Hexatrieno

Al comprobar, encontramos que la estructura propuesta para el trieno concuerda con todos los datosanalíticos. (Se encontrará que un alquino u otra estructura cíclica es incongruente con estos datos.) 20.

El mirceno contiene diez carbonos, pero los productos dela ozon6lisis solamente presentan debe hallar en una segunda molkula de HCHO.Esto da cuatro nueve; el carbono que sefalta moléculas como productos de ozonólisis, lo cual concuerda con los tres dobles enlaces que muestra lahidrogenacih (la ruptura en tressitios da cuatro productos).

CONJUGACION Y RESONANCIA

CAPITULO 10

(a) Los fragmentos pueden reunirse dems maneras:

(b) El mirceno está constituidopor dos unidades iwprthicas, unidas cabeza con cola.

21.

(a)Partiendodelesqueletodecarbonodelmirceno(problema 20 mien analizado), observamos que los diez carbonos de los fragmentos de la oxidaci6n deben reunirse de la siguiente manera:

(b) En consecuencia, el dihidromirceno es el resultado de una adici6n-1,4 del hidr6geno al sistema conjugado del mirceno.

CONJUGACION Y RESONANCIA

CAPITULO 10

22.

(a) Pérdidade O P P para generar el catión dimetilalilo, el cual atacaal carbono terminalno un catión 3", que, asu vez, pierdeun saturado del pirofosfato de isopentenilo, generando protón paradar el pirofosfato de geranilo.

(,.H

CH\

!

C H : C~- ROH > H C " C H > NH3 > RH

Basicidad

O H " < RO- < HCIC-

(a) n-PrC"CH

"----f

(b) EtC"CCH3

(c) i-PrC"CH

--i

+

n-PrCOOH

+

HOOCCH,

i-PrCOOH

+

HOOCH

(e) CH2=CH"CH2-CH=CH2

"-----f

< NH,- < R

HOOCH

EtCOOH

(d) CH,CH=CH"CH-CH2

170

CH,C=-C-H

I

OH

Acetona Ceto

11.6

- Ht "CH3-C-CH,

CH,CHO

+

OHC-CHO

HCHO

+

OHC-CH2"CH0

--j

+

HCHO

+

HCHO

ALQUINOS

CAPITULO 11

C-C-C-C-C-CH 1-Hexino (n-Butilacetileno)

1.

C-c-c-c~c-c 2-Hexino (n-F'ropilmetilacetileno)

Forma sales

Da:

n-BuCOOH

c-c-c~c-c-c

3-Hexino (Dietilacetileno)

+ HOOCCHJ 2EtCOOH

+ HOOCH n-PrCOOH

c

C1

c-C-c~c-c 4-Metil-2-pentino (Isopropilmetilacetileno)

C-k-C-C-CH 4-Metil-1-pentino (Isobutilacetileno) Forma sales Da:

iso-BuCOOH

+ HOOCH

i-PrCOOH

+ HOOCCH,

C

Da: 2.

I I

C-C-C"CH

C I C-C-C-C-CH 3-Metil- 1-pentino (sec-Butilacetileno)

C 3.3-Dimetil-1-butino (t-Butilacetileno)

Forma sales

Forma sales

sec-BuCOOH

+t-BuCOOH HOOCH

+ HOOCH

(a) Elimine 2HBr:KOH(alc), calor (b) Br2/CC1,; KOH(alc), calor (c) KOH(alc), calor; luego como en (b) (d) Acido, calor; luego como en (b) (e) Elimine 2HCl:KOH(alc), calor; o bien, KOH(alc), calor, seguido deN-. (f) Airada un grupo metilo CH~CEZCH < CH,I

3.

(a) lH,, cat. (c) CH3-CHBr2

(h) C2H5-C-CH (i) CH,-C=C--CH,

(b) Como en

&

-

C,H,Br

CH,I

NaC-CH

+ NaNH2

HCECH

(a); luego,exceso de &,Ni, calor, presi6n

CH2=CHBr

t "

NaC-CH

(d) HCI, CuCl

,HBr HC7:CH

NaNH,

NaC=C-CH3

HC-+CH <

NaNH,

HC-C-CH,

t-

(g)

ALQmOS

CAPITULO 11

4. 1-buteno (a)

(b) n-butano (c)

(d) 1,1,2,2-tetrabromobutano

(e) 2cloro- 1-buteno

(f) 2,2-diclorobutano

(g) metil etil cetona(2-butanona)

(h) AgCCC,H,

(i)1-butino

u) LiCECC,H,

(k) 3-hexino

(1)isobutileno 1-butino e

(m) C,H,CCMgBr

(o) CH,Ch,COOH 5.

1,2-dibromo-1-buteno

(a) Reducción

y etano

+ HCOOH

(n) 1-butino (p) CH,CH,COOH + COZ

syn. CH 1, H cat. L~ndlar

CH3-CEC"CH3

2-Butino

CAPITULO 11

ALQUINOS

"EH

tH

(d) Ya que la formaci6n de la halohidrina es anti, debemos usar la reducci6n syn en el primer paso. H

~

CH3#H

CH,

(a)

-,y

(f) trans-4-Clorociclohexanol: aquiral, y no contiene carbonos quirales. (Existe como un

par de diastereómeros conformacionales.)

H O= 'H

L

Aquiral

HO

H

12.14

i

1

OH

conformacionales Diastereómeros

La baja velocidad de la eliminación aumenta la sospecha de quees imposible que en un isó"Hy el "€1 en unarelación anti-periplanar. Solamente un isómero. mero se encuentren el

CI

Todos los átomos de "€1 ecuatoriales; todos los 2 1 anfi a los --H

H

H

llena esterequisito. (Dibújese alguna a lsde otras estructuras para verificares un queisómero Único.)

12.15

En ausencia de base, la reacciónE2 del cloruro de mentilo disminuye taal grado que se convierte m unareacción El. No hay restricciones estereoquímicas en esta reacción,ya que los grupos salientes se pierden en diferentes etapas. El carbocatión pierde un protón de los dos alquenos, predominando el más estable. cualesquiera de las dos posicionesdar para

12.16

(a) La orientación de la eliminaciónesa sumamente controlado por el grupo fenilo, el cual estabiliza al doble enlace incipienteen el estado de transición. Con la naturaleza del producto así ordenada, cada tosilato reacciona con la única eliminación periplanar que esd abierta a61: anti para elidmero cis, y syn para el isómero trans.

0

eliminación a d

I

Ph

TsO

cis-

c'j TsO

H

trans-

eliminación syn

+o +e H'

\

H'

'Ph

Ph

HIDROCARBUROS ALICICLICOS

CAPITULO 12

Si bien la eliminación anti requiere algo de torsión del anillo, éstaes aun más rápida que syn ocurre tan rápido la eliminaciónsyn. Lo más significativo aquí es que la eliminación como es posible; requiere que los grupos estén eclipsados, pero en los compuestos del ciclopentano los grupos estánmuy mal eclipsados. (Los compuestos correspondientes del ciclohexano dan resultados análogos, pero aquí, el isómero cis reacciona alrededor de 10 O00 veces más rápido que el trans.) (b) I debe reaccionar por una eliminación anti, y I1 por una eliminación syn. Aquí, la la torsión quese requiere eliminación syn es la más rápida. En este sistema bicíclico rígido, en I para la eliminación anti periplanar es más difícil que en el caso deun derivado simple del ciclopentano, mientras que 11,enlos grupos salientes ya se encuentransyn periplanares. (Ademis, en I los dos CI se metenen un doblez de la molécula, haciendo difícil la solvatación de un C1- saliente.) 12.17

El oxígeno reacciona con el metileno triplete ocon un dirradical intermediario, dejando que sólo se adicione el metileno singulete. (Comphrese la acción del oxígeno un inhibidor como de la cloración por radicales libres,Sec. 2.14.)

12.18

CI endo (“adentro”) Br ex0 (“afuera”)

Br endo (“adentro”) C1 exo (“afuera”)

12.19

(a) ElCHC1, no tiene carbono-p.(b) La atracción delos electrones por los cloros estabiliza al anión,y aumenta la velocidad sudeformación, desplaza el equilibrio (1) (en la pág. 461) a la derecha,o ambas cosas. (Moss,RobertA., “CarbeneChemistry”,Che. Eng. News, 16 dejunio de1969,págs.6068; 30 de junio de 1969, págs.50-58.)

12.20

(a) C,H,,, C,H,,. (b) CSH12,C,H,,. (C) C,Hlz C,H1,. (d) C12H,,C1@,,C&,. (e) Para el mismo grado de insaturación, hay dos hidrógenos menos por cada anillo que est6 presente.

12.21

Todos son C,H,,; no hay información sobre el tamalio del anillo.

12.22

a -Caroteno: C4,HT9saturado 42,,H5, polieno 22 H que se consumen para saturar

C,,H,, alcano -c4058

4 H faltantes

11 dobles enlaces

Los 4 H faltantes indicandos anillos. p-Caroteno: de manera similar,11 dobles enlacesy dos anillos. y-Caroteno: C4,H8, saturado -C,,H,, polieno

24 H que seconsumen para saturar 12 dobles enlaces

C,,H,, alcano

-C40H80

12 H faltantes

CAPITULO 12

HIDROCARBUROS ALICICLICOS

Los 2 H faltantes seiialan la existencia deun anillo. Licopeno: C,,H,, saturado -C,,H,, polieno

26 H que se consumen

C,,H,, alcano

-C,#H,* para saturar

No hay H faltantes

13 dobles enlaces

Ningún H faltante: significa queno hay anillos.

12.24

Eldienoconsumedosmolesde ciclohexeno no.

H,, elciclohexeno sólo uno.Eldieno

da HCHO,el

Fcirmulas estereoquímicas de compuestos cíclicos Por conveniencia, los químicos orgánicos utilizan varias formas paraindicar la estereoquímica de los compuestos cíclicos. Una línea continua (a menudo engrosada) indica un enlacequesale del plano del papel: atrás del plano. una línea punteada representaun enlace que se encuentra un círculo lleno representa un átomo de hidrógeno que sale del plano Como alternativa, del papel; se sobreentiende que el otro enlace con esese encuentra carbono detrás del plano. Donde el círculo está ausente, el hidrógeno se encuentra detrhs del plano, entendiéndose queel enlace indicado sale fuera del plano. Es por eso que podemos encontrar las siguientes representaciones para transel 1,2dibromociclopentano:

0 a:,BraBraBr o bien

H

Br

o bien

‘Br

o bien

Br

Br

y para el isómerocis,

189

CAPITULO 12

HIDROCARBUROS ALICICLICOS

reacción (d) hayno

(e)

cidy '

(g) Adición anti

reacción (f) hayno alfiica (h) Sustitución

Q

Br

Br

H

(j) Adición anti a través de un ion bromonio cíclico

w CH, br + enantiómero

(k) Laadiciónpor radcales libresde HBr frecuentemente es estereoselectiva(unti) como aquí

w CH,

190

,

Br

CH, Br + enantiómero

(1) Sustituciónalílica

CAPITULO 12

HIDROCARBUROS ALICICLICOS

(o)

OH

OH

Hidroxilación syn

OH

H

+ enantiómero

(r) Sustituci6n alílica (9) HOOC(CHJ,COOH

(p) Hidroxilaci6n anti

(0

(S)

4

Br

(u) Dimerización del alqueno

-.

CI

6,6-Diclorobiciclo [3.1.0]-hexano

3-

(a) H,SO,, calor

Biciclo [3.1.0] hexano

(b) Producto (a), cat. Hz

191

CAPITULO 12

HIDROCARBUROS ALICICLICOS

CH,

Br

CAPITULO 12

HIDROCARBUROS ALICICLICOS

4.

Seguimoselplanteamientomamdoanteriormenteenlosproblemas1 2 . 6 12.1 ~ 1: dibujamos y dibujamos fórmulas de las fónnulas planasde las molkulas,buscamos planos de simetría se puedensuperponergirando las fórmulas y im6genesespeculares;verificamossi desplaz¿índolas una sobre la otra; si estamos inseguros, utilizamos modelos. Como siempre, tratamos de ser sistemáticos.

I

CI

Aquiral

C

(b)

CI

CI

CI

CI

CI Aquiral

y

7

H

H ( T (

CI Aquiral

CI

{

(c)

G^,

CI

c1

CI

CI

H H Enantiómeros

CI

CI

CI



Tres

Por lo tanto, (i) es para, (ii) es orto y (iii) esmeta. (c) No, puesto que el idmero orto es quiral, siendo factibles estructuras enantiomb

ricas:

x

Enantiómeros

x

CAPITULO13

AROMATICIDAD

8.

Los seis posiblesAcidos diaminobenzoicosy lasesmcturasde las diaminas quese pudieron obtener de ellosson: &Hz

G N H 2

COOH

COOH

P.f. 104 "C Orto

COOH

NH2

I

NH2 P.f. 142 "C

P.f. 63 "C Meta

Diaminobencenos

9.

Para

(a) Para ser aromáticos, los anulenos deberían cumplir con la regla 4n + 2 de Hiickel para los electronesIF:6 paran = 1 , l O paran = 2,14 paran = 3,18 paran = 4. Los anulenos (con el número de electrones IF indicado entre corchetes en cada nombre) supuestamente aromáticos serían: [6] anuleno (benceno); [lo] anuleno, [14] anuleno, [181 anuleno. (En realidad, la geometría es desfavorable para los anulenos[lo] y [14]: la acumulaci6n de hidr6genos dentro del anillo impide la planaridad y, en consecuencia, interfiere con el traslapo IC.) H H

G HC9H9IO

8 electrones IF

C9H9+

8 electrones IF

1O electrones IF Sigue la regla de Hiickel (n= 2) Aromático

AROMATICIDAD

CAPITULO 13

10.

Tiene seis electronesA (vCase la Sec. 35.2): cuatro de los carbonos, dos del N.

11.

(a)

Peso unidad pe.so/molécula peso/unidad

CHCl = 12 + 1 + 35.5 = 48.5 -"291 -

48.5

- 6 unidades CHCl por molt?cula

;fórmulamolecular = C6H6Cl,

(b) Un compuesto posible es1,2,3,4,5,6

- hexaclorociclohexano.

(c) Se formó por una reacción de adición CI

A

C

luz

I

P

El I ,2.3.4,5,6-

Hexaclorociclohcxano

(d) No es aromático: no dispone de electrones A. (e)-(f) Estos son esteroisómeros, con varias combinaciones de C1 cis y trans. De hecho, Dos deellos forman un par de enantiómeros: son nueveen total estereoisómerosposibles. los CI

CI

CI I

CI

H

Cl

CI Enantiómeros

H

I

I

I

Los otros sieteson aquirales. 12.

El argumentoes una extensión del indicado en la sección 1l. 1l. En el anión fenilo,C,H;, sp3 el par no compartidoocupa un orbital sp2,cuyo carácterS es intermedio entre el orbital del anión pentilo y el sp del anión acetiluro. Los electrones en el orbital sp" están más sujetos que los que ocupanun orbital sp3,pero no tan firmemente como losde un orbital sp; en consecuencia, el anión fenilo se encuentra entre los aniones pentilo y acetiluro, en cuanto a su carácter básico.

13.

(a) y (b) Vea la sección 34.3.

14 Sustitución electrofílica aromática

14.1

HON02

Hz0

+ ONOz-

+ H O NH0 2 6 N 0 2

+

e

+ ONO2a + N 0 2 + 2NO3- + H 3 0 +

HONO2

3HONO2

H,O+

El primer paso es un equilibrio kido-base en el sentido Lowry-Bronsted, en el cual una molkda de Acido nítrico sirve como Acido,y otra, como base. O

14.2

1

HOSOH

I

+

O

O

I

HOSOH

I

O

O

I d HOSOH2+ + I O

O

I HOSOHz' I

O

I I

J

HOS+

O

O

I

HOS'

I

O

143

(a) n-Pr+

I

OSOH

I

O

Hz0

O

O

i + OSOHe I

O

A

+

O

O 0

I I

HOSOSOH

¡ I

O 0

(b) iso-Bu'

iso-Pr'

(c) (CH3)3CCH2+

"+

catión t-pentilo

"--j

t-Bu'

(d) mecanismo por carbocationes

CAPITULO 14

14.4

SUSTITUCION ELECTROALICA AROMATICA

(a) r-BuOH

H+

r-BuOH2+

He ”-+

(b) CH3CHzCHZ

14.5

PhH

14.6

- Hz0

CH3CHCHJ

o

+

[-Bu@ PkH

”-+

”-+

+H

Ph-Bu-t

Ph-CH(CH,)Z

+

+ Hi

o quizás Cl’, generado dela manera siguiente:

El agente clorante es3-1,

HOC1

-

+H

+

+

I

H20-C1

I _ H,O

+

CI ’

Se formaun complejo &ido-base que transfiere hal6genosussin electrones, comoel II de un anillo aromático sustituidomás la página502 .Debido a su tamaiio, este reactivo ataca fácilmente en la posici6n menos i m @ b para con respectoa un sustituyente. (AcO),TI

+ Br2

0 %

(A~0)~TlkBr”Br

14.7

Br

14.8

(a) R-c=O:

I

c1

+ AICI~

(b) (Ar’-N=N

(c) H-O-N==O:

”+

:) CI+

+ H+

”+

Er

(R-C-O:)+AICL-

+ .. .. H-o-N=O:

I

H

-

(:N=o:)+

+H~O

En cada caso, el cati6n cumple el papel deY’en una sustituci6n electrofílica aromática tipica.

CAPITULO 14

SUSTITUCION ELECTROFILICA AROMATICA

ArH

+ (R-C=O:)+

3 /H

Ar

"+

Ion acilio

\

- H+

-"+ "

I

ArH

+ (Ar'-N=N:)+

" +

E/ Ar

\

Ion diazonio

ArH

+ (:NEO:)+ Ion

nitrosonio

14.9

\

R cetona

Aril

.. ..

H

Ar-N=N-Ar'

!=N-Ar..

3/ H

Ar

" +

Acilación de Friedel-Craps

I

c=.o:

R

..

Ar-C=O

N = O:

Azo compuesto

'

- H+ "-+

Acopla

....

Ar-N=O: Nitroso compuesto

mieU0

Nitrosación

(a) El ion bencenonio intermediario es (ArHD)', que puedeperder H.o bien D. (b) El ion hidrógeno del anillo es desplazado por otro ion hidr6geno (deuterio), en una sustitución electmfílica aromática típica(deuterodesprotonaci6n),la cual es rápida con fenol(activado;PhOH),lentaconbenceno(PhH),eimperceptiblecon~i~bencenosulfónico (desactivado; PhS0,H).

14.10

@/

Demuestra que H

Ar

\

H

H

H o/ ,puedenrealmente

y posiblemente, Ar

H

Y

existir como intermediarios. 1.

0 bBr0 $,"

Más rápida (activada): a,c,d,g,h,k.Mas lenta (desactivada): b,e,f,ij. I

&OCH3 Br (muy poco isómeroorto)

(b)

eCH'

Br (muy pocoo-isómero orto)

$'"'

+

+

Bu-sec

(c)

Br

(f)

gH3 Br

@'

Br

221

CAPITULO 14

SUSTITUCION ELECTROFILICA AROMATICA

COOH

(Todas las posiciones iguales)

NH,

(Vdasc l a pig. 951)

3.

Cuando está presenteun grupo directororlo, para (como sucede en todos los casos, salvo a grupo. Todos los productos b y d), predomina lasulfonaciónpara(y orto) con respecto tal se denominan como ácidos sulfónicos, considerando que -SO,H se ubica en C-1; (d) es el ácido m-bencenodisulfónico.

4.

Los grupos directoresmeta son desactivantes; cuantos másde ellos hay, tanto más baja es

la reactividad. La mayoria de los directores orto,para (excepto halógenos) son activantes; cuantos más deéstos haya, y cuantos más de ellos activen una misma posición, tanto más - 4 %del mesitileno activan reactivo será el compuesto. En (a), por ejemplo, los tres grupos (iriplemente) las mismas posiciones; los dos 4% gruposdel m-xilenoactivan (doblemente) las mismas posiciones,pero los dos 2% del p-xileno activan posiciones distintas. (a) mesitileno> m-xileno > p-xileno > tolueno > benceno (b) tolueno > benceno > bromobenceno > nitrobenceno (c) anilina> acetanilida > benceno > acetofenona (d) p-xileno> tolueno > ácido p-tolúico> ácido tereftálico (e) C,H,Cl> p-O$W,H,Cl> 2,4-(O$),C6H,C1 ( f ) 2,4-dinitrofenol>2,4-dinitroclorobenceno (g) 2,4-dinitrotolueno> m-dinitrobenceno

5.

(a) La sustitución es más rápida en el anillo no desactivado por "NO,. La orientación es

o,p con respecto al otro anillo (véase la Tabla 14.3,495). pág.

Anillo (icsactivado

CAPITULO 14

ELECTROFILICA SUSTITUCION AROMATICA

(b) L a sustituci6n esm& rApida en elanillo no desactivado por-NO,.

o g con respecto al sustituyente,

-C&Ar.

La orientaci6n es

1 activado

(c) La sustituci6nes m k rApida enel anillo activado por el oxígeno fen6lico (similar a un "OR). El otro anilloesd desactivado realmente por grupo el "COOAr.

desactivado

6.

Anillo activado

Cuanto m& alejado del anillose encuentre un grupo desactivante -m,' o -NO,, tanto menos efectivo ser& En (c), la desactivaci6n es tanto m& grande cuanto mayor sea el número degrupos atractores de electrones. (a) Ph(CH2)3NMe3f> Ph(CH2)2NMe3+ > PhCH2NMe3+> PhNMe,'

(b) Ph(CH2)2N02 > PhCHzNO2 > PhNO2 (c) PhCH3 > PhCH2COOEt > PhCH(COOEt),

> PhC(COOEt),

El compuestom L activo de cada serie da el porcentajem& bajo deidmero meta;el menos activo da el porcentajem k elevado. 7.

El segundo grupo fenilo puede dispersar (a traves de tres estructuras adicionales) la carga positiva del intermediario cuando el ataque es orto o cuando es para, pero no cuando es meta. Por ejemplo:

8.

HONO2

-

+ HzS04 e

+ H 2 0 N 0 2+ HS04-

H26N02

H20

+

+NO2

Leda

El Acid0 nítrico protonado genera NO,' por p6rdida del buen grupo saliente %O; el kid0 nítrico no protonado tendría que perder OH-, el ion mucho m&fuertemente basico. (Vhse la Sec. 5.25.)

CAPITULO 14

9.

ELECTROFILICA SUSTITUCION AROMATICA

L a s reacciones son sustituciones electrofílicas, con la activaci6n usual por-y "OH. Los electr6filos atacantesson los familiares Br'(osu equivalente)y NO;. Sin embargo, en cada caso, elgrupo desplazado no es el H' usual (desprotonaci6n), sinoSO,,como en la desulfonaci6n. Así, so @' J\ Br

ArSOJAr,

N02+

ArS0,-

-

'so,

@

Ar

/ \

BromodesulfoMcibn

ArBr

-

NO2

ArNO,

-'O3

so, -

NitrodesuIfoMcibn

en comparaci6n con, digamos,

Ar,

ArH

3 /Br

-H+ "-+

ArBr

Bromodesprotonacibn

'H O

ArS03-

10.

3 ,H

%- Ar \

-so,

"-+

so, -

Estees un ejemplode bromodesalquilucwn. Br,

+ AlBr,

j -

ArH

Protodesulfomibn

o%\

Br,Al-Br-Br

(CH3)3C+ + AIBr4- + (CH3)2C=CH2 + HBr

11.

El sustituyente en cada caso, -N(CHJ,+ o "CF,, es fuertemente atractorde electrones y favorece (en ausenciade un efecto de resonancia opuestoy m k poderoso) la formaci6n de un cati6n conla carga sobre el carbono m8s remoto. +

Me,N

+

H

I

(a) Me3N + C " C H 2

H

I

+ C-CH,@

I

H Catión más estable

+

H

I

Me3N+C-CH2

@ I

224

+ AIBr,

H

I-\ MejN-CH2CH21

Producto obtenido

CAPITULO 14

SUSTITUCION ELECTROFILICA AROMATICA

H "+

I

@CH2"C+CF3 BrCH2CHiCF3

Producto obtenido

I

H Catión m& estable

-

H

I

CH2"C"CFj

I

H

O

(c) Se usaALBr, para proporcionar el Acid0 m6s fuerte (HAlBrJ, necesario para el ataque al alqueno fuertemente desactivado. 12.

(a) Mediría velocidades relativas dereaccib, y esperaría que fuera mls lenta con C,D,. (b) Mediría cantidades relativas de C,H,Y y C,D,Y por especuometriade masas; e s p e d mayor cantidadde C,H,Y.

(c) Haría una sustitución con anisol ordinario,

OH- O H + O Y OCH,

OCH, OCH,

H

Y

H

y determinm'a (mediante cromotografía gases, de y por ejemplo) la proporci6n de producto en condicionesidhticas, pero orto a productopara (proporción olp).Luego haríalo mismo comenzando con anisol-4-d.

OH= OH+OY OCH,

OCH,

OCH,

D

Y

D

Si hay un efecto isotópico,se formará menos delproductop (hay que romper un enlace CD), por lo que la proporción olp ser6 mayor que antes. (d) Haría UM reacci6nde sustitución,y determinaria la proporción D/H del producto. Si hay un efecto isodpico, se romperfin menos enlacesC-D que C-H, C,%D,Y exceded a C6&D,Y, y la proporci6nD/H del producto será mayor que en el reactante.

CAPITULO 14

SUSTITUCION ELECTROFILICA AROMATICA

13.

Veala pAg. 1191.

14.

Veala Sec. 34.9.

(b) p-BrC,H4N02

( f ) p-BrC,H,COOH

HNO,, H ~ S O J

KMn04

i

8 r 2 Fe

BrChH5 t-- C6H,

p-BrC,H4CH3

Br

Fe

A

C,H5CH,

a: HNO, fumante, %SO, fumante, 100-110°C. 5 días, rendimiento 45%. 6: HNO, fumante, H,SO, conc., 95"C,rendmiento 84%. c: HNO, conc., €$SO, conc., 55-60°C, rendimiento 99%.

COOH

COOH

CH 1

COOH Br

Br

CAPITULO 14

SUSTITUCION ELECTROFILICA AROMATICA

(c) B r G 2Br

+3Brz(ac)

Br

6'

COOH

CHI

NOz

NO2

(5%. COOH

&o2 CH3

-1 6

t

0 H COOH

(h) La nitracih delp-xileno (ruta superior) aprovechael efecto activantede los dos grupos 4,. La nitraci6n de unanillo desactivadopor dos grupos "COOH sería muy difícil. 227

Compuestos aromáticos-alifáticos Arenos y sus derivados

15.1

(a) %SO4, calor (b) Zn(Hg), HCI (c)%, Pt, calor,presi6n(d) 3 SO,, calor; luego como en (c). (e) KOH (alc); luego como en (c).O bien: Mg,EGO anhidro; 50.

15.2

Resulta t-pentilbenceno en cadacaso por el ataque del cati6n t-pentilo al benceno: CH3

I CH3CHZ"CO + I

CH3

C6H6

CH3

-

CH3

I

CHC"CHzCH3 5~

+ H+

Este cati6nse genera de la manera siguiente: CH3

I I

CH~CH~-C--CH~OH H 2-Metil-1-butanol y

+ catión l o

3

CH,-CH-C-CH,

I

I

OH H 3-Metil-2-butanol

catión 2"

CH3

CHI

I

HOCH2--CH--C-CH,

@CH,--CH-k-cH,

L B

"+

I

cH,-cH-c-cH,

-

CH,-CH~-C-CH, Q cation 3"

@

3-Metil-1-butanol y

CH3

catión 1'

3

HO-CH,-C-CH,

I

CH3

Alcohol neopentilico

+ &-

catión 2a

CH, I @cH~--c-cH,

L2

catiónl'

229

CAPITULO 15

AROMATICOS-ALIFATICOS COMPUESTOS

15.3

Debido a su carga positiva, el sustituyente I debe ser fuertemente desactivante, comparable con el-M,+.

15.4

La situaci6n nos recuerda la competencia entre las adiciones-1,2y 1,4 (Sec. 10.27), por lo que formulamos la siguiente hipdtesis.

p-XiIefio

o-Xileno Productos principales

1

I

Tolueno

AICIJ. HCI. 80°C

e C H 3 m-Xileno Producto principal

A O"C, observamos el control ejercido la porvelocidad: se forman m k rhpidamenteoy p-xileno. A 80°C, observamos el control ejercido por el equilibrio: es elm-xileno producto más estable. El metilo activa m k fuertemente en las posiciones orto y pura. Esto favorece la alquilaci6n en estas posiciones, pero tambi6n ayuda a la desalquilaci6n "mediante un ataque electrofílicopor un prot6n- en e s t a s mismas posiciones.Los idmeros orto y para se generan con mayor rápidez, pero tambibn son desalquilados m k nipidamente; el idmem meta aparece más lentamente pero, UM vez formado, tiende a persistir.

/\

H

R

R

El cloruro de hidr6geno proporcionaH' para la inversi6n de la alquilaci6n: HCI

+ AIC13

H i AIC1,

La investigacidn experimental ha indicado que esta hipdtesis es correcta en líneas generales, pero que necesita alguna modificaci6n. Consideremos la conversi6ndep-xileno como una transposici6n que implica migracih la de un grupo alquilo. Tal como lo hemos imaginado, el grupo alquilo abandonala (1) posici6n para "como cati6n- y. en seguida se liga (2) a la posici6n meta, con mayor probabilidad en otra molbcula de tolueno. De esta intermolecular (entre molkulas). manera, la reacci6n sería

t 2)

COMPUESTOS AROMATICOS-ALIFATICOS

CAPITULO 15

Con grupos alquilo m k grandes que metilo, parece que es esto lo que sucede. Pero con metilo, hay indicios parauna transposición intramolecular (dentro de una molkula). Un cati6n metilo libre se nosepara. En cambio, el metilo migra de una posici6n la a adyacente un desplazamiento- 1.2 exactamente del mismo en el carbocatión intermediario mediante tipo que ya hemos descrito(Sec.5.23).

(Para un análisis general, v h s e Roberts, R. M., "Friedel-CraftS Chemistry" Chem. Eng. News, 25 de enero de 1965,Pág. %, o bien Norman,R. O. C. y Taylor, R.,Electrophilic Substitution in Benzenoid CompoundsElsevier, Nueva York, 1965, págs. 160-168.)

15.5

El grupo alquilo recien introducido activa al aromAtico anillo para nuevas sustituciones; en las demás reacciones,el grupo nuevo agregado lo desactiva.

15.6

Para permitir el traslapo de la nube ~t con el orbitalp. (Vhse la Fig. 15.4, pág.542.)

15.7

La hiperconjugación estabiliza al o- o p-C4C6CH,C$., mediante la contribución estructuras comolas siguientes: '

H

H-C

I

H

de

H

H-C

I

H

Tales estructuras no son posibles para m-CH.$,H,CK,.

15.8

(a) Es similar la a figura 2.4, página 5 4 , con E, = 19 kcal,y AH = +11 kcal. (b) 8 kcal (diferencia entreE , de 19 kcaly AH de +11 kcal). deradicales. (c) Es un impedimento estérico a la combinaciónlos

15.9

El puntode congelaciónde una solución1 molal (un mol de solutoen lo00 g del disolvente, o bien un milimol por gramo de disolvente)en benceno es 5" C inferioral del benceno puro. Si el punto de congelaciónuna desoluciónes deprimidopor S610 undkimo (0.5/5.0)de ese valor, su concentraciónes sólo la décima parte de aquella, o sea, es O.1 molal. molalidad = 0.1 =

mmoles soluto - mg soluto/p.m. g disolvente g disolvente

1500 mg/p.m. 50

p.m. = 300

Un peso molecular observado de300, comparado con uno esperado de 542 para C42%8, indica una disociación considerable en radicales libres. 231

CAPITULO 15

15-10

(a) Ph\[:(':]:

COMPUESTOS AROMATICOS-ALIFATICOS

-+

Pt13C@

+ :61

El ion Ph,C+se estabiliza por dispersión de carga sobre tres anillos, siendo la ionización promovida por disolventes polares.

+ Air14

Ph3C@

+

no hay reacción

AlCld

El PhC' esdemasiado estable para reaccionar con C,H, en la etapa final.

15.12

La estabilización del anión por resonancia, con dispersión de la carga negativa,es mfkima para Ph,C-, y mínima paraC,H,,-.

15.13

Como es usual, la reactividadpor SN1es controlada porla estabilidad del carbocatidn que se forma,y la reactividad por SN2se controla principalmente por impedimento estérico. Los efectosde los grupos metilo son los acostumbrados, superpuestos al efecto C,H,. del

15.14

La primera reacción procede mediante SN1,mientras que la segunda por SN2, por una combinación de razones. Una reacciónSN1de un sustrato neutro, como hemos visto (Sec.6.5), implica un estado polar que los reactantes y contiene un grupo saliente aniónico. Tal de transición que es más a los reactantes, por un &solvente quesea estado de transición es estabilizado, con relación polar y, lo más importante, que pueda unir hidrógeno congrupo el saliente. Aquí, la reacción S,1 se favorece con el ácido fórmico, el cual sólo es nomás polar que de hidrógenode mayor fuerza (pág. el etanol, sino tambiCn que es más ácidoy forma puentes 222). Al mismo tiempo, el etanol, menos polar, favorece la reacción en competenciaSN2, la cual tiene un estadode transición menospolar que los reactantes (Sec. 6.6).La naturaleza

CAPITULO 1s

AROMATICOS-ALIFATICOS COMPUESTOS

del nucldfilo refuerza el efecto del disolvente: el nucledfilodeb& a g u a ; y el nucledfdo fuerte, elion edxido (Sec. 5.24). La reacci6n S,1 es acelerada fuertemente por la presencia grupo delmetilo, comoes de esperar, porque su efecto inductivo liberador de electrones ayuda a dispersar la carga positiva en desarrollo, en el estado de transici6n. Puesto queun grupo metilo en posici6n para no ejerce ningún impedimento est&ico, y puesto que nose desarrolla ninguna carga en el carbono central el estado en de transici6n S2,, esperamos, a lo mk, un efecto muy dbbil. Por supuesto, esto es lo quese observa. El hechode quehay UM activaci6n &bil sugeriría que el carbono se hace ligeramente positivo en el estado de transici6n de esta reacci6n S$ en particular, pero no podrirnos haber previsto esta situaci6n. 15.15

Los sustituyentes en posicionesmera y para de sustratos bencílicos afectan la reactividad en S,1 mediante su liberaci6n o atracci6n de electrones (pags. 548-549). Lo que observamos en este caso es cuin intimamente estos efectos corren en paralelo con aquellos de la sustituci6n electrofílica aromdtica, otro tipo de reacci6n en la cual se desarrolla una carga positiva en el anillo. De particular importancia es el hecho de que ambos tipos de reacciones desarrollan cargas positivas m& intensas en posiciones orto y para con respecto al punto de "ataque": la posici6n a la cual se unir& el electr6fil0,

o bien, la posici6n que sostieneal carbono bencílico.

L

H

(a) La carga positiva en el anillo es m k fuerte en posici6n para que en meta, y el efecto liberador de electrones del"CH, es m k efectivo desdealli (Sec. 14.17). (b) Desde la posici6n mera, el -Br ejerce solamente su efecto inductivo atractor de electrones; desde la posici6n para, Cste es contrarrestado parcialmente por su efecto resonante liberador de electrones (Sec. 14.19).

(c) Desde laposici6n mera, el "OCI-L, s610 ejerce un efectoinductivoatractorde electrones; desde la posici6n para, Cste es contrarrestado fuertemente por su poderoso efecto resonante liberador de electrones(Sec. 14.18). 233

CAPITULO 15

15.16

AROMATICOS-ALIFATICOS COMPUESTOS

Para estos alcoholes,la reactividad queda determinada,en gran medida, por la estabilidad de los carbwationesque se forman. Estase ve afectada entre otras cosas, por la liberación o la atracción de electrones,de acuerdo con los sustituyentes quese encuentren sobre el anillo aromático.

(a) Ph-CH"CH2CHj

OH

I

OH bencílico

> Ph-CH2"CH-CH3

I

OH

> Ph-CH2CH2-CH2 1

2"

1

j )

(c) PhJCOH > PhZCHOH > PhCHlOH

(b) El mismo argumento empleado para dienos conjugados (Sec. 10.24).

15.18

La base extraeun protón para generarun cmknibn alílico-bencílico. Este, como un híbrido, puede recuperar el protiin en cualesquiera de dos posiciones, regenerando así el materialde y& t efavorece al hidrocarburo partida o formandoel 1 -fenilpropeno. Se llega al equilibrio más conjugado, que es el más estable.

*

.*

I CH?

CH1

8.

Esperamosquepredominenlosalquenos más ramificados; Cstos se puedenformar por transportación de los carbocationes generados inicialmente,otms, a más estables. (a) principal, PhCH-CHCH2CH3 (predominante E )

(c) como en (b)

9.

(d) Principal, PhCH=CHCH,CH, (predominante E )

Esperamos que el alcohol que generael cart>ocatión más estable se deshidrate con mayor rapidez. (a) c > a > e , d > b

(c) p-CH,C,H,CHOHCH,

10.

(e) como en (b)

( b ) Ph,C(OH)CH, > PhCHOHCH, > PhCHzCH,OH

> C,H,CHOHCH,

> p-BrC,H,CHOHCH3

En (a)-(d), la reactividad es determinada principalmentepor la estabilidad del carbocatión que se forma. Esta se ve afectada, entre otras cosas, por la liberacióno atracción electrónica ejercida por sustituyentes en el anillo. En (e), se forma con mayor rapidez el alqueno conjugado más estable.

CAPITULO 15

AROMATICOS-ALIFATICOS COMPUESTOS

(d) PhCHCH3 > PhCH2Br > PhCH,CH2Br I

Br Bencílico 2"

r

bencílico

I"

Br

11.

(a) PhCHCH-CHCt-12 I I Br

Br

PhCH-CHCHY-CHl PhCH-CHCH-CH2

I

Br

1

Br

I

Br

1

Br

(b)h primera y la tercera estructuras, que se forman adetravés una adición inicial al C-4. (c)Se forma el producto más estable (tercera estructura), lo que sugiere un control por el equilibrio. (Compárese conel problema 10.17, pág. 401.)

12.

(a) El is6mero truns es más estable por 5.7 kcal(26.3 -20.6). H

\

Ph

H

/4Ph

cis-Estilbeno

H tmnr-Estilbeno

El agente esBr, el formado porUM de dos posibilidades familiares.BrElse adicionaal cisestilbeno paradar un radical libre quegira hacia otraconfomaci6n (de hechoa una más estable, con los fenilos más apartados).Antes de que puedaocurrir el segundo pasode la adici6n (la reacci6n con cscusos HBr o BrJ, se pierde Br,para obtener el trans-estilbeno. (c) El equilibrio favoreceal estereoidmero más estable.

CAPITULO 15

COMPUESTOS AROMATICOS-ALIFATICOS

13.

La ionización delPkCOH en H,SO, (para dar P\C+) produce una doble cantidadde iones por mol que elMeOH (el cual produce M e O q ) , por lo que deprimeal doble el punto de congelación.

+ H$04

MeOH

MeOH,'

+ HzS04 PhJCOH2'

Ph3COH

+ HlS04 + 2H2SO4

Ph3COH

-

H S 0 4 - dos ioms

+

HSO4

+ Hz0

PhjCOH>+ Ph,C+ Hz0

+

+ HSOJj PhJC' + H,O+ + 2HS04j HAO'

cuatroiones

Por tanto (2), (3), (2), (3),etc. (b) (4)

Br

+ PhCH,

PhCH2.

+ HBr

Se forma elC,C1, en la etapta de terminación de la cadena (5). Cada vezque ocurre(I), no solamentese forma CCl,, sino tambiénBr. Al igual queel CCL,,el Br separa al hidrógeno del tolueno (4) para dar PhCH, ,iniciando así UM cadena: (4), (3), (2), (3), (2), etc. Por cada (l),hay entonces dos cadenas similares y paralelas: una iniciada por la secuencia (I), (2), y la otrapor la secuencia (I), (4). Se forma CHCL, en cada combinación (2), (3). El HBr sólo se forma en (4),lo que constituye, por tanto, una medida de cuántasveces ocurre (1) (un HBr por cada Br, y un Br por cada fotón de luz absorbido). La proporción de 20:l muestra que la longitudde cadena en promedio (recuerde, son dos cadenas) es de 10. 15.

2-, 3-,4-, 5 , y 6-fenildodecanos,apartir de latransposici6nde un catitjn secundarioinicial, que tienela carga en el C-2, a otros cationes secundarios con la carga C-3, en C 4 , C-5, o bien C-6.

16.

La adición es predominante, perono exclusivamente,anti. Esta faltade estereoselectividad (completa) indica quela mayor parte dela reacción procede a través del catión bencílico abierto, el cual esth sujeto a en ataque cualesquierade sus dos caras, ya sea antes o después de la rotación. Por ejemplo, a partirundealqueno trans: 241

CAPITULO 15

AROMATICOS-ALIFATICOS COMPUESTOS

Catión bencílico abierto con rotación libre

Ion bromonio cíclico

@ Br B! I

Br I

”

I - “ .

”3

t-

‘\

Br

Br

L.

’

Br”

i

Br

Br

Br

Br

Br

Br

o bien

o bien

CH S

CH 1 I

H L B r H +Br I

Ar y su enantiómero Erifro

Ar

y su enantiórnero Eritro

H+

~r

Br+

H

Ar y su enantiórnero Treo

Predominan

A través de la resonancia, el carbono deficiente de electrones del catión bencílico abierto obtiene electrones del anillo, con lo que tiene menos necesidad de compartir un par extra y se rompe con facilidad. del bromo; el puente es débil,

El grupo “OC%, liberador de electrones, ayuda adicionalmente a estabilizar al catión bencílico, de ahí que incremente la importancia del cati6n abierto en el mecanismo de la reacción. (Fahey, R. C., y Schneider H. -J.,) J. Am. Chem. Soc., 90,4429 (1968.).

17.

(a) m-Xileno. Ambosgrupos “CH., en el m-xileno activanlas mismas posiciones hacia la Así, el m-xilenose sulfona preferencialmente; el Acid0 sustituci6n electrofílica aromática. sulfónico resultantese disuelve en el ácido sulfúrico, mientras queo-el y elp-xileno que no han reaccionado permanecen insolubles. @)m-Xileno.La desulfonaciónes UM sustitución electrofílica aromática y, como en (a), el isómero mera es el más reactivo. Así, la desulfonación preferencial libera al m-xileno, Los ácidoso- yp-xilenosulfónicos no volátiles permanecen en el ácido insoluble (y volátil). acuoso.

242

COMPUESTOS AROMATICOS-ALIFATICOS

CAPITULO 15

(c)m-Xileno. La reacción con H+BF,- implica, en la primera etapa de la sustitución electrofílica aromática, la formación del ion bencenonio o el complejo sigma (compárese con el problema14.10).

@" H BF,

CH3

CH,

Por las razones dadas en (a), el complejo sigmadel m-xilenomás es estable, el de ahí que sea el favorecido en el equilibrio. El complejo sigma iónico se disuelve en el disolvente polar BF,/HF; el o- y el p-xileno permanecen insolubles. (d)m-Xileno. X es m-CYC,H,CEI-Na'. Estamos tratando aquí con un equilibrio en el que intervienen carbaniones:en este caso, grupos queliberanelectrones,loscualestiendena laestabilidaddisminuyeporlos intensificar la carga negativa. El equilibrio favorece a los aniones de los xilenos, más que a los del isopropilbenceno con los dos metilos unidos en el sitio negativo.

De los xilenos,el m-xileno da el anión m k estable, elm-CH.$,H,C%-. Al igual que los aniones bencílicos, está estabilizado por dispersión de la carga negativa sobre el anillo, Cuando dibujamos las estructuras particularmente enl a s posiciones orto ypara al X%-. que contribuyen para el m-CH&H4C13-, encontramos que en ninguna de ellas se localiza la carga negativaen el carbono al cual está unido elgrupo metilo (desestabilizante). Esto

es lo opuesto a lo que encontramos para el o- o elp-CH&H,CH;. (Dibújense estas lo menos posible alidmero meta. estructuras contribuyentes.)Así, el metilo desestabiliza La separación depende de la no-volatilidad relativa de los compuestos organosódicos. (Vhse Chem. Eng. News, 14 de junio de 1971, pAgs. 30-32.) 18.

(a) PhCHzCHi

CH2=CH2

+

C,H,

243

CAPITULO 15

AROMATICOS-ALIFATICOS COMPUESTOS

(f) PhCHzCH-CHz

P h'

\

HI

+ ClCHzCH -CH2

+

C6H6

H

( o ) rn-BrC6H4COOH

Br2. Fe

C6HSCOOH

KMnO4

f-"

C6HSCH3

CAPITULO 15

AROMATICOS-ALIFATICOS COMPUESTOS

19.

20.

(a)ácidosulfúricofumante o bienCHClJAlCl, (c) Br,/CCl,, H,SO,(d)fumante (e)cro, 4s0, (g)AgNO,despuésdelafusiónconsodio

(b) Br,/CCl,, o KMnO,

o KMnO, (f) Br,/CCl,, o KMnO,

(h) pruebaparanitrógeno o bromo después de la fusión con sodio.

(a)Ozonólisiseidentificacióndeproductos. (b) Oxidación y determinaciónde los p.f. de los ácidos resultantes para los uimetilbencenos

y los etiltoluenos isomkricos; la cloración en la cadena lateral seguida UM deshidrohade n- y el el logenacióny luego la ozonólisis de los alquenos resultantes permitirán distinguir isopropilbenceno. (c), (d), (e): Oxidación y determinación de los p.f. de los ácidos resultantes.

21.

El bromobenceno es el Único que dará UM prueba de Br. Los tres quedan una pruebade C1 se pueden distinguir entre ellos por oxidación a los ácidos correspondientesy determinación desus p.f. Los dos compuestos insaturados (prueba KMnO, de positiva) se pueden distinguirpor la ozonólisis e identificación de los productos. Los cinco arenosse pueden oxidar los a ácidos carboxílicos correspondientes, los cuales se pueden distinguir por sus p.f. Los ácidos con alto punto de fusión provenientes del por sus equivalentes de mesitileno y el m-etiltoluenose pueden distinguir posteriormente neutralización (Sec.23.21).

Indeno

Indano

La absorción de l\ indica un doble enlace reactivo. La absorción de3% adicionales indica otros tres "dobles enlaces, probablemente un anillo aromático.

CAPITULO 15

COMPUESTOS AROMATICOS-ALIFATICOS

La presencia de un anillo de bencenose confirma por la oxidación a COOH COOH

La determinación del número de anillos muestra dos:

C9H,, alcano

producto saturado

-C9H,,

4 H faltantes. lo que significa 2 anillos en el indeno y en el indano

Esto da lugar a alsestructuras mostradasun poco antes. (Las estructuras que contienen un anillo de cuatro miembros tienen menos probabilidadde encontrarse en el alquitrán de hulla.) 23.

Las fórmulas empíricas deA, B, y C indican que estA presente un grupo fenilo

lo cual sugiere

lo cual sugiere

H H

H H

I

1

!

I

Ph-C-C-H

O

I

1

I

I

Ph-C-C-

H

CH

CH3

i

Ph-C-CHI

O

I

H H

I

3

Ph---(-~CH* I

H

Los residuos alifáticos,C,H, y C,H,, son imposibles para unidades monosustituidas. Este las determinacionesde los p.m., las cuales muestran fórmulas predicamento se elimina por empíricas dobles, lo que hace posible que escribamos: H j C CH3

l ¡

l I

Ph-C-C-Ph

PhCHzCH2--CHzCHZPh

c

H H I1

1

1.4-Difenilbutano 2.3-Difenilbutano

Y H3C CH,

I

1

Ph-C-C-Ph I

/

,

CHI

o

I

H3C CH3 111

2.3-Difenil-2,3-dimetilbutano

I

?Y3

Ph---C---CH2-CH2-C--Ph

, I

I1

H

H IV

3.4-Difenilhexano

AROMATICOS-ALIFATICOS COMPUESTOS

CAPITULO 15

Ahora podemos revisar las reacciones químicas que dieron lugar A, B,ay C,. Parece ser muy probable el ataque porradicales libres en estas condiciones (viase el problema 20, pág. 122). Sabiendo que el hidrógeno bencflico es el que se separa más fácilmente, llegamos a las siguientes ecuaciones. Para el etilbenceno:

CH 1 2Ph

CH,

+

('H3 2/-Bu--O.

4

2Ph

CH

+

2f-BuOH

Entonces, la reacción global es:

Los rendimientos observadosse ajustan con esta ecuación: se obtuvieron 0.02 moles de alcohol t-butílico, y (1 + 1)/210 o alrededor de 0.01 moles de A más B. De una manera análoga, parael isopropilbenceno:

y nuevamente el rendimiento observadose ajusta con la ecuación. Ahora bien,¿por quC hay dos productos,A y B? Pod~5amos considerar primero que ellos son I y 11. Sin embargo, esto requeriría la formación de igual número de radicales libres bencílicos Ph(CH,)CH; y de los radicales libres primarios PhC%Ch;, lo que parece muy improbable. Por lo demás, ental caso esperariamos encontrar un tercer isómero, formado por la combinación de radicales libres poco probables y, de hecho,sólo se obtuvieron dos isómeros.

El examen de la fórmula para I muestra que son posibles tres estereoidmeros: un par de enantiómeros y una estructura meso. Entonces, parece muy probable que A y, B sean racémicos y el meso-2,3-difenilbuto. 247

CAPITULO 15

COMPUESTOS AROMATICOS-ALIFATICOS

Ph

Ph

Ph

Enantiómeros Unafiacción

.Meso

Esta conclusión está apoyada por el resultado del experimento con el isopropilbenceno. LaestructuradeIIInopermiteestereoisomeria;só1osepredijounproducto,ydloseobtuvo uno. 24.

El radical libre triciclopropilmetilo está estabilizado "a semejanza deltrifenilmetilo" por medio de la deslocalización del electrón impar sobre los anillos. Se cree que esto implica

RT)

ciclo-Pr Pr-ciclo

\

'.

"""*

/'

Radical libre triciclopropilmetilo

el traslapo del orbitalp con los enlaces C-C de los anillos de ciclopropano (Sec. 12.9), los cuales tienenun considerable carácterx. (Encontraremos pruebas de este tipo de traslapo en el problema16, pag. 677.)

14 Espectroscopia y estructura

16.1

(a) (CHI),C+ CH2=CH-CH2+ CH,CH2+ CHZ--CH'

P-Caroteno

163

(a) A , 1,4- pentadieno; B y C, (3y ( E ) - 1,3- pentadieno. (b) Calores de hidrogenacih, espectros de infrarrojo.

16s4

(a) CH,CHC12, dos señales; CH,ClCH,Cl, unaseñal.;

a

b

U

(b) CH,CBr,CH,, a

U

una señal; CH2BrCH2CH,Br, dos señales; CH3CH,CHBR2, tres señales; b a b a h c

a

b (o bien c).

H I

CH,CHBr-C-Br, a

l

H

d

c (o bien b)

(c) C6H5CH,CH,,

c

b

cuatro señales.

a

tres seña1es;p-CH,C,H,CH,, u b a

dos señales.

ESPECTROSCOPIA Y ESTRUCTURA

CAPITULO 16

(e) C H , C H 2 0 H . tres señales; C H I O C H , , una señal. a

c

h

u

u

(f) CH,CH20CH,CH,, dos señales ; CH,OCHZCH,CH,,cuatro señales; ha ah c d h a

h (o bien c ) .

a

(&)

b

H

(1

I_

H2C --CH, , dos señales; CH, HC I

1

C

,o/

[I

H2C 0

x' ,

H

, cuatro señales.

c (o bien b)

h

c

( h ) CH3C'H2CH0, tresseñales; CH1COCH3, unaseñal; CI

h

h

t'

tI

0

CH20H

H\ H' (i

e

,H

c\

,c'~

, cinco señales. h

(I

h

h

i,

H

H

H

CH3 U

1,l-Dimetilciclopropano Dos señales

a

H c

trans- 1,2-Dimetilciclopropao Tres señales

u

iI

cis- 1,2-Dimctilciclopropano Cuatro señales

16.6

Una señal, debido a la rápida interconversión delos protones ecuatoriales y axiales.

16.8

L a s posiciones relativas de los protones estAn indicadas por la secuencia de letras en la más alto, 6 es el que sigue, respuesta al problema 16.4; es decir, a es el desplazado a campo

y así sucesivamente.(El desplazamiento del" O H varía, Sec. 18.11.)

CAPITULO 16

ESPECTROSCOPIA Y ESTRUCTURA

(a) u

3H,h 1H;a.

(b) u;~2H,h4H;u3H,b2H,clH;a3H,blH,clH,dlH. (c)

u3H,h2H,c5H;a6H,h4H.

(d) u 9H,b 3H;a 3H,h 3H,c 2H,d4H;a 6H,h lH, c 5H. (e) u 3H, h 2H,c 1H;a. (f) a6H,h4H;a3H,b2H,c3H,d2H;a6H,h3H,elH;u3H,h2H,c2H,~2H,~lH. (8) ~2H,h4H;a3H,blH,clH,dlH. (h) u3H,h2H,1.1H;u;a2H,hlH,c,d,elHcadauna.

I""

Análisis de espectros

Agote toda la información que pueda dar de la fórmula molecular: utilice la aritmética o ambos, pudiesen estar química y decida, dondele sea posible, cuántos anillos, dobles enlaces, los valores de 6, el conte0 presentcs. Combine esto con las bandas características del infrarrojo, de protones y el desdoblamiento de las diversas seilales de RMN, todos los cuales pueden (o lacombinación de espectros) no presenta proporcionarle unidades estructurales. Si el espectro ambigüedades, el lector sólo deberá tener una posible estructura final; vuelva atrhs y compare la información que tiene. esta estructura contra toda Para los problemas basados en espectros, las respuestas se presentan en dosetapas: se dan los nombresde los compuestosdesconocidosen su secuenciapropia, junto conlas demk se reproducen los espectros conlas bandas del respuestas; luego, al final ladeGuía de Estudio, RMN que se asignaron. Sugerimos que el lector también infrarrojo identificadasy las seilales de en dos etapas. Primero revise el nombre; si su respuestaesd verifique cadauna de sus respuestas equivocada, o si no pudo trabajar todo el problema, regreseal espectro del libro de texto y, conociendo la estructura correcta, vuelva a tratar de solucionarlo: vea si ahora es capaz de y analizar acoplamientosespínespín. Finalmente, vuelva a identificar bandas, asignar seilales la Guía de Estudioy compare su respuesta conel espectro analizado.

16.9

(a) neopentilbenceno (b)

1,2- dibromo- 2- metilpropano (c) alcohol bencílico

Trate de encontrar estas respuestas en los espectros, siguiendo el planteamiento general vea los espectros seilalados en la página 836 de esta Guía recién delineado. Posteriormente, de Estudio, e inténtelo una vez más. Por último, estudie losiguiente. (a) Las alturas relativas de los picos a,son: 9H; b, 2H; c, 5H. El pico a campo bajo c se debe claramente a 5 protones aromáticos: C6H5- . El pico a claramente consiste en nueve protones alifáticos1' equivalentes: 3C&- . Haremos un poco de aritmética químicaen este punto.

ESPECTROSCOPIA Y ESTRUCTURA

CAPITULO 16

y al final tenemos un residuo de- CH,- .Este correspondeal pico b, el cual tiene un valor 6alrededor del de un H bencílico. Sólo hayUM forma de colocar estas piezas juntas:

(b) L a s alturas relativas de los picos son a:b = 3: l. En vista de la fórmula molecular, esto significa: a 6H; b 2H. La moldcula es saturada, de cadena abierta (C4&Br2 corresponde a C,H,J, y debe tener un esqueleto de carbonode n- butano, o bien de isobutano.Los seis protones de la seiral a son equivalentes, y probablemente se encuentran en dos grupos

"CH,, desplazados a campo bajo por el -Br. Luego, la seiral b se debe al"CH,Br. Con base en esta suposición (apoyada por la ausencia de cualquier desdoblamiento en las senales debido a protonesen carbonos adyacentes, Sec 16. lo), llegamos ala siguiente estructura: y

CH3-p

3

(1

C-

CH,-

I

(I

CH, I

--Br- lo queda C H , C C H ? - ~Br Rr

i

I)

2-mctilpropano 1.2-Dibromo-

Rr

(c) Las alturas relativasde los picos son: a, 1H; b, 2H; c , 5H. La seiral ancha a indica un hidrógeno ácido;en vistade la fórmula molecular, éste debe estar unido a oxígeno: "OH. La seiial c indica claramente protones aromáticos: C,H,-. Algo más de aritmética química,

nos dejaun residuo de"CH,".

Las piezas se unen sólo deuna manera: h

C~HS-~

~~

CH2

O H loqueda C ,C HH , -z - - O H

(I

Alcohol bencílico

ESPECTROSCOPIA Y ESTRUCTURA

16.10

CAPITULO 16

El orden de los compuestos es igual que en la respuesta al problema 16.4. (a) a, doblete,3H b, cuarteto,lH a, singulete

(b) a, singulete (c)

a, triplete, 3H

b, cuarteto.2H c, complejo, 5H

a, quinteto, 2H

6 , triplete, 4H

a, singulete, 6H

6, singulete,4H

a, triplete, 3H

b, rnultiplete, 2H c , triplete, 1H a, doblete, 3H b, par de dobletes, 1H c , par de dobletes, 1H d , complejo, 1H

(d) a, singulete, 9H b, singulete, 3H a, triplete,

3H b, singulete, 3H c , cuarteto, 2H d , complejo, 4H a, doblete, 6H 6 , hepteto, 1H c , complejo, 5H

(e) a, triplete, 3H b, cuarteto, 2H c , singulete, 1H a, singulete

(0 a, triplete, 6H

b, cuarteto, 4H

a, triplete, 3H

6, multiplete, 2H c , singulete, 3H d , triplete, 2H a, doblete,

6H b, singulete, 3H c , hepteto, 1H a, triplete,

(h) a, triplete, 3H b, rnultiplete, 2H c , triplete,

1H

3H b, multiplete, 2H c , multiplete, 2H d , triplete, 2H e , singulete, 1H

(g) a, quinteto, 2H 6 , triplete, 4H a, doblete, 3H

b, par de dobletes, 1H c , par de dobletes, 1H d , cornplejo,lH

ESPECTROSCOPIA Y ESTRUCTURA

a, singulete a, multiplete, 2H

b, singulete, 1H c,d y e, multipletes, 1H c,ada uno

16.11

No; los mismos compuestos que en la respuesta del problema 16.9.

16.12

(a) etilbenceno

(b) 1,3- dibromopropano (c) bromuro de

n- propilo

Trate de ajustar estas respuestas al espectro, siguiendo el planteamiento general dede Estudio. Luego, vea el espectro señalado en la págilineado en la página25 l de esta Guía lo siguiente. na 837 de esta Guíade Estudio, e inténtelouna vez más. Finalmente, estudie (a)La combinación cuarteto-triplcte de las seriales a y b es caractcríslica de un grupo C\C\,como en laFigura16.&, página 581: el tripletea campo alto,con acoplamiento por -CHz; el cuarteto a campo bajo, con acoplamientode -C%por del CH,CH,"; los valores deJ idénticos. SustrayendoC2Hs- de la fórmula molecular, queda C,H,---,

el cual da la sella1c en la región aromática.El compuesto es:

Las alturas relativas de los picos corroboran esto:a, 3H; b, 2H; c, 5H.

(b) A partir dc su fórmula, es claramente de cadena abierta, ysaturado uno de CUatrQposibh dibromopropanos isoméricos.La combinación triplete-quinteto indica cuatro H acoplados (serial b), y dos H acoplados con cuatro protones (señal a). Sólo uno de con "€Hzlos posibles isómerossc ajustaa este esquema, y no se necesita mucha imaginación para unir h

(1



tlg?

+ C'I1;

Cli

('ti;

m,

+

II,OII + -- (

~

i

('tIj

-cti

CfI,

i

t k 2

'

ti+

'

t

O < H ' :

I

('H; -CH NJBII,

CH2Hg'

II

4

oc ti , ( ' I { ,--~'H--cH?

La reacciónes exactamentc análogaa la oximercuración, excepto que el ion mercurinio por el metano1y no por el agua. El ataque tiene mucho carácter sufre un ataque nuclcofílico S,1 (Sec. 8.15), y resulta una orientación Markovnikov. (Brown, H. C. y Geoghegan, P., Jr., "TheOxymercuration-Demercuration of Representative Olefins.A Convenient, MildProcedure for the Markovnikov Hydration of the Carbon-Carbon Double Bond", J. Am. Chem.Soc., 89,1522 (1967.) (Olah,G. A. y Clifford, P. R., "OrganometallicChemistry. I. TheEthylene-and NorbornylenemercuriniumIons", J. Am. Chem. Soc., 93, 1261 (1971); "Organometallic Chemistry. 11. Direct Mercurationof Olefins to Stable Mercurium Ions",J. Am. Chem. Soc., 93,2320 (1971).) 17.8

ALCOHOLES I. PREPARACION Y PROPIEDADES FISICAS

H

H

OH

CAPITULO 17

CHI

H

Enantiómeros

(Brown, H. C., Ifidroboration,W. A. Benjamin: Nueva York, 1962; especialmente los Caps. 6-8 Brown, H. C. Boranes in Organic Chemistry; Cornel1 University Press Ithaca, NY, 1972; págs. 255-280. Este último libro contiene una fascinante explicación personal no sólo del descubrimiento de los organoboranos y su química, sino también de la carrera de uno de los químicos orgánicos más productivos.)

17.9

La adición globalsyn, podría serapriori, el resultado de cualesquiera de dos combinaciones: o bien, la adición anti en la la adiciónsyn en la hidroboración,y retención en la oxidación; hidroboración, e inversión en la oxidación. Puesto que se ha demostrado que la adición es syn, la oxidación debe implicar la retencidn. (Como veremosen el problema 12, Cap. 32, el mecanismo de la oxidación es del tipo del que esperaríamos que diera la retención.)

ALCOHOLES I. PREPARACIONY PROPIEDADES HSICAS

CAPITULO 17

17.10

17-11

(d)

(a)

(b)

Acido:

H20

Et,B

(BH3)2

(BH3)2

Base:

H-

NH,

Me,N

H-

(c)

(a) CH,CH2CH2CH2Li + H 2 0

+

D20

+

C2HsOH

(b)

CH3CH2CH2CH2Li

(c)

CH3CH2CH2CH,Li

CH3CH2CH2CH,

- - -+

-+ C H , C H 2 C H 2 C H 2 D

(d) C H 3 C H 2 C H 2 C H 2 L i+ CH,NH,

I

CH,CH?CH(CH,)CHZOH 2-Metil-1-butanol I

(CH,),CHCH,CH,OH 3-Metil-1-butanol

CH,CH2CH2CH3

+

CH,NH-Li'

---+

"----,

CH,CH,CH,CH,

CH,CH>CH,CHOHCH, 2-Pentanol 2CH,CH,C(OHj(CH,), 2-Metil-2-butanol 3

'>

(CH3)3CCH,OH 2,2-Dimetilpropanol

(d) ( C H , ) Z C H C H 2 C H 2 0 H

CH3CH,CH2CH2CHzOH Alcohol n-pentfiico

(e) Los ejemplos son: I'

Li'OD-

C2H50-Li+

I

n-CSH,,CH,OH

+

+

1

Alcohol isopentilico

Li'OH

----+ CH,CH2CH2CH3

(e) CH3CH2CH2CH2Li + C 2 H 5 C " C H

CH,CH2CH2CH,CH20H 1-Pentanol

+

n-C,H,CHOHCH, 2"

+

C2H5C-C-Li+

CH3CH2CHOHCH2CH3 3-Pentanol 2'.

CH,CHOHCH(CH,), 3-Metil-2-butanol 2"

CAPITULO 17

ALCOHOLES I. PREPARACION Y PROPIEDADES FISICAS

(f) Los ejemplos son:

2'

I

2.

d (el más alto P.e.),e, a, c,b.

3.

(a) alcoholes (Caps. 17y 18) ácidos (Cap.23) amidas (enel Cap. 24) aminas (Caps. 26y 27) fenoles (Cap. 28) carbohidratos (Caps.38 y 39) compuestos heterocíclicos con-N-" aminoácidos (Cap.40) proteínas (Cap.40)

3

(Cap. 35)

(b)Todos, exceptolos hidrocarburos y los halogenuros. 4.

(a)p-cresol

(b) ácido propiónico (c) ácido propiónico Oximercuracióndcsmercuración

5.

(b) CH,CH,CH,CHCH,

I

Hidroboraciónoxidaci6n

CH,CH,CH,CH-CH,

OH Hidroboraciónoxidación

Oximercuraci6ndcsmercuración Ninguno

CAPITULO 17

ALCOHOLES I. PREPARACION Y PROPIEDADES FISICAS

CH,

I

(g) CH,CHCH,CHIOH

Ninguno

(a) n-Bu j C H 2 0 H

a

t-

n-BuMgBr

f

i

+

HCHO

n-PrMgBr

+

OHCCH3

mPrCHO

+

CHjMgBr

(b) rr-PriCHOH C H 3 h

(c) EtCHOHGEt -+- EtCHO

(d) ,s(.pc-Bu C H z O H

t-

+

EtMgBr

sec-BuMgBr

(h) r-BufCH20F-1 .- t - B u M g R r

+

+

HCHO

HCHO

ALCOHOLES I. PREPARACIONY PROPIEDADES FISICAS

22 PhMgBr

'1

(i) Ph/CHOH+CH2CH3

c-

PhCHO

h

(k) P h C H z C H O H f C H , + P h C H L H O

+

CAPITULO 17

+

OHCCH2CH3

+

CH,CH2MgBr

CH3MgBr

(El PhCH,MgX reacciona anormalmente conel CH,CHO y muchos otros aldehídos.) (1)

P h C H 2 C H 2 & C H 2 0 H t- PhCHzCHzMgBr

(p) i - P r - CHOH! Pr-i

c-

i-PrCHO

+

+-

HCHO

i-PrMgBr

a p-CH3C6H4MgBr+ OHCCH3

?

(4) P - C H ~ C , H + H O H + C H ~

(r) CH,CH,CH+C=CH

I

OH (S)

:

CH,CH+C=CCH,

I

OH

'

-

p - C H 3 C h H 4 C H 0+ CH3MgBr

C H , C H ~ C H O + HC-CLI

CH,CHO

+

CH3C"CLi

CAPITULO 17

7.

ALCOHOLES PREPARACION I.

Y PROPIEDADES FISICAS

Un puente de hidrógeno intramolecular entre el " O H y 4 estabiliza la conformación oblicua.

H

8.

(a) La hidratación syn puede ocumr de cualesquierade dos maneras:por "abajo" para dar el colestano-3P,6a-diol,opor "arriba"paradare1 coprostano-3P,6P-diol, estereoisomérico. El ataque por "abajo" está menos impedido que el ataquepor "arriba", debido a que los sustituycntes se proyectan "hacia arriba", particularmente el"CH, en C-10.

I

F1

I H

H Colestano-3P, 6a-diol Predomina fuertemente

Coprostano3P, 6P-diol

(b) La hidrataciónsyn por abajo da un " O H a en C-1 I , y un -H

ti

01

en C-9.

CAPITULO 17

ALCOHOLES I. PREPARACION Y PROPIEDADES FISICAS OH I

9.

H H

H

Ambos OH ecuatoriales Ambos

OH axiales

(b) A juzgar por la interacción 1,3,se debería pronosticar que la conformación mAs estable es la ecuatorial.

(c) El puente de hidrógeno intramolecular, siendo un factor que estabiliza, sólo eS posible cuando los dosOH son axiales.

H L o s OH axiales son estabilizados por el puente de H intramolecular

10.

L a conformación deboteretorcido: ambosgrupos t-Bu son ''ecuatoriales'', y ambos grupos " O H están como "asta de bandera" con un puente de hidrógeno intramolecular.

H

H

2,5-Di-t-butil-1,4-ciclohexmodiol Conformación de bote retorcido

11.

El alil-litio debe ser iónico. En el anión híbrido

w son equivalentes los dos carbonos terminales,y así los cuatro hidrógenos están unidos a ellos. La considerable estabilización por resonancia favorece la existencia del grupo alilo como un carbanión,en contraste conel n-propilo, el cual estA unido covalentemente con el litio. 291

ALCOHOLES I. PREPARACIOK Y PROPIEDADES FISICAS

CAPITULO 17

12.

(a) CH,CH2CH2Br E

(b) CHACH2CH2Li

+ +

N

CH.,

I

(d) CH,CHMgBr

+

N

(e) HC"%:

~

Na'

+

CNN HCHO E

CH3CH,CH2CH2-CN

---+

+

Br

CH,CH2CH,-CH,0Li

CHS CO? E

+

CH,CH,Br

CH1CH--C02MgBr

-

+

CH,CH,--C=CH

E

N

(f) C H , C H ~ - C H 2+ :CCI, N

13.

-

~+ CH,CH CH,

'C~' 'Cl

4

E

(a)

HO.

f1

Compuesto 5P, Cia-dibromo

ALCOHOLES I. PREPARACION Y PROPIEDADES FISICAS

Br

CAPITULO 17

Compuesto 2p, 3a-dibromo Predomina fuertemente

H

Compuesto 2a, 3P-dibromo

(b) Se forma preferentementeel ion bromoniodebidoal ataquepor el lado menos impedido, que es el de abajo. Entonces, el ion bromonio se abre medianteun estado de transición anti para dar el dibromuro diaxial.

(y su enantiómero) treo-2,3-Dimetil1-pentanol

15.

(y (E)-3-Metil-2-penteno su enantiómero)

Dos combinaciones estereoquímicaspodrían dar los resultados observados: (i) Adición anti de bromo, seguida de una eliminación anti; (ii) adiciónsyn seguida deuna eliminaciónsyn. Debido a que se conoce que la adición (estereoselectiva) del bromo es anti (Sec. 9 . 9 , también la eliminación debe ser anti.

CAPITULO 17

ALCOHOLES I. PREPARACTON Y PROPIEDADES FISTCAS

(RO),BCH,CH?Br

+

3H20

--~>

CH2=CH2

+ HBr

+ 2ROH + H 3 B 0 j

18 Alcoholes 1I.Reacciones

18.1

Los sustituyentes que atraen electrones( 2 1 , -F. "OH, -NO2) incrementan la fuerza del ácidoal estabilizar los aniones. (a) ClCH2CH20H> CH3CH,0H (b) F3CCHOHCF3 > CH3CHOHCH3

(c) HOCHlCHOHCHzOH > CH3CHZCHZOH (d) p-O2NC,H,CH,OH > C6HSCHZOH (e) En cada caso, el ácidomás débil es el nucleófilom k fuerte.

18.2

(a)

t-BuOH t-BuO-Na+

EtOH EtO-Na+

+

+

+

Na

EtBr

+

Na

r-BuBr

-

+ fH,

+

r-BuO-Na+

t-BuOEt

+

+

"-f

fH,

--j

(CH,),C=CH,

NaBr

EtO-Na+

+

EtOH

+

NaBr

(b) En el primer caso, la sustitución nucleofílica, con el 1-BuO-actuando como nucleófilo. En el segundo caso, la eliminación, con el Et@ actuando como base. (c) Como es usual(Sec. 7.24), lasustituciónpredominaconelhalogenuro 3". eliminación predomina con el halogenuro

18.3

pCH3C,H,S020Bu-sec

+*

p-CH,C,H,SO,CI PCI,

c--.

p-CH3C6H4S03H C6H5CH,

lo, y la

CAPTTULO 18

ALCOHOLES 11. REACCIONES

Alternativamente, se prepara un cloruro de sulfonilo de manera conveniente mediante el tratamiento del sustrato aromático con excesoúcid0 de clorosulfónico,ClS0,H.

18.4

ArH

+

CIS0,H

-+

ArS0,H

+

HCI

ArS0,H

+

CIS0,H

-"-+

ArSOzCl

+

H,SO,

Claramente, hay una inversión globalde la configuración del alcohol. Sólo hay dos pasos en la secuencia de la reacción. EL primero, la preparación del tosilato de sec-budlo, debe de ahí que no pueda implicar la ruptura del enlaceO - H del alcohol (véasela pág. m), cambiar la configuración del carbono quiral. En consecuencia, la inversión debe haber ocurrido en la única otraetapa, la hidrólisis del tosilato.

18.5 Alcanos Alquenos Alquinos Halogenuros de alquilo Alquilbencenos Alcoholes 1 Alcoholes 2" Alcoholes 3" Se disuelve. decolora. Se f Decolora al KMnO, caliente.

18.6

Cambia de color.

Dan la prueba los 1-alquinos.

Burbujas dc hidr6geno.

En el sitio de ruptura: (1) Reemplaza el enlace con carbono por un enlace con"OH. Cada una de tales rupturas requiere un HIO,. (2) Si un fragmento resultantees un gem-diol (inestable). i

-C~&OH OH

-

H20 +

I

--C

-O

Un compuesto carbonilico

Un gen-diol inestable

elimina H20para dar un compuesto carbonílico, estable. Por ejemplo: H H2C: C H i C H 2

OH

/ ' I

HO

# I

I

HzC-OH + H O - C--OH

--2H%

1

OH

OH

I

+

HO CH2

OH

OH

Un glicol

O

H2C O

O CH2

f3-C'

\

OH

Productos de ruptura

(b) C H 3 C H O H f C H 0 296

I ti IO4

*

CH3CHO i- HCOOH

18

ALCOHOLES CAPITULO 11. REACCIONES

(f) CH20H+CHOH+CHOH+CHOHi CHO 4HIO

"-4 HCHO

+ HCOOH + HCOOH + HCOOH + HCOOH

(g) C H 2 0 H ~ C H O H ~ C H O H ~ C H O H ~ C H 2 0 H 4HIO4

18.7

H C H O + HCOOH + H C O O H + H C O O H +

+

HCHO

Para reconstruir (mentalmente) el compuesto a partir de los fragmentosde ruptura, invierta el proceso del problema precedente. (1) Reemplace ungrupo carbonilo enel producto de ruptura por dos " O H (un gem-diol inestable).(2) Ahora elimine los"OH por pares, uno a partir de cadados fragmentos,y una los carbonos.Por ejemplo: O

4

H2C=O H-C

\

t

t

OH

O=CH2

H

I

H2C"OH HO--C-OH HO"CH2

I

I

OH IH1041

(Productos de ruptura)

OH [HI041

I

HO

t-

H2C-CH~-CH2

I

1

HO OH OH

I

CAPITULO 18

ALCOHOLES 11. REACCIONES

18.8

Cambia la concentración.

18.9

(a) I

? ,

~~

¿' tl

2

,

.

OH da un triplete (acoplamiento con 2H en el C adyacente);

I

--C -OH da un doblete (acoplamiento con 1H en el C adyacente); 1 H

3

C' OH ~

,

daunsingulete(nohayacoplamiento,nohayHenCadyacente).

ALCOHOLES II. REACCIONES

CAPITULO 18

Base :

R*OH* R*ORO-

1.

+

+

+

:B j

ROH

a

[H*:B]'

R*O-

+

[H*:B]+

R*OH

+

RO-

ROH*

+

:B

(a) 2-Pentanol y 3-metil-2-butanoldan yodoformo; todos los otros negativos. (b) El 2-Metil-2-butanol(3") reaccionarzipidamente elcon reactivo de Lucas; el 2-pentanol, el 3-pentanol, y el 3-metil-2-butanol (todos 2") reaccionan lentamente; no reaccionan los otros (1").

(c) El 2-Metil-2-butanol(3") da una prueba negativa conCrOfi2SOo; todos losotros (loa, 2") dan una prueba positiva.

(d) n-Bu+CH20H

n-Pr-i-CHSCH, I

/

8

OH b

Et-CHOHiEt sec-Bu-\CHzOH

t-

t-1

n-BuMgBr(apartir de n-BuOH)

+ HCHO(apartirdeMeOH)

n-PrMgBr (a partir de n-PrOH)

+ OHCCH, (apartir de EtOH)

n-PrCHO (a partir de n-BuOH)

+ CH3MgBr (a partk de MeOH)

EtCHO(apartirden-PrOH)

+ EtMgBr(apartirdeEtOH)

sec-BuMgBr (a partir de sec-BuOH) EtMgBr (apartir de EtOH) Et-C-O

I

+ HCHO (a partir de MeOH)

+ O = Z C ( C H ~(apartirde )~ i-PrOH)

(apartirde sec-BuOH)

+

CH.\MgBr (apartirde MeOH)

CH3 i-PrMgBr (a partir de i-PrOH)

+

OHCCH, (a partir de EtOH)

I

i-Pr+C2" >lo Ph-CHz-CH-CH, I

OH

bencílico

> PhbCHzCHz --CHI

1

2

I

(c> H O ~ C H ~ O >H (Q,)cH,oH

> N=C(O)CH,OH

i

(Comphrese conla respuesta al problema10 (c), Cap. 15.) (d) CH,CH

~

CHCHZOH > CH2

alílico

3'

(f)

~

CHCH~CHZOH 1"

CH, 2"

I"

Ph,COH > Ph2CHOH > PhCHzOH > CH,OH bencilico 2 O bencílico 1' MeOH

bencílico3'

ALCOHOLES 11. REACCIONES

CAPITULO 18

ciclohexanol

(b)

( f ) CH3CHO1 H

CHKHO

BrMg-

'3

KMnOI

CHIOH

-

B r i \

-

(h)

MgBr (como en f)

t-

(b)

CAPITULO 18

ALCOHOLES II. REACCIONES

H

H

Ph "+"

(b) CH,-C-CH,

1

c-

+ CH,--C-CH,(a

PhMgBr (apartir

It

O

OH

+-

CH3

I ( e ) CH3CH2CHCH3

CH3

I

(f) CH,CH2C-CH2 I 1 BrBr

partir dc i-PrOH)

sec-BuMgBr

+ HCHO (a partir de MeOH)

CH3

I

C H , C H 2 C = r C ~ 2t- (d)

Br?. CC14 t -

CH3 CH3CH2d=CH2

c-

(d)

ALCOHOLES H. REACCIONES

CAPITULO 18

(1

n-PrMgBr

I

(g) n-Pr [ C H ~ !Et 8

(h) n-Pr -C-Et

o

Et I ,

(i) n-Pr--C+n-Pr I '

KLCr207. H '

I

CI

CH3

~

n-Pr-CH Et I OH

+ (8)

Et t-

n-Pr-6

HC'I f -

(apartirde f) n-PrMgBr (apartir dc n-PrOH)

o

OH

(m) PhCHCH3

O H C Et (ambos apartirden-PrOH)

u-PrCHO (a partir de n-BuOH) + EtMgBr (a partir de EtOH)

a

1

OHh

+

PhiCHCH, ' I OH

AlCl,

(n) C ~ H & ~ H C H ~ C H ~

-

producto (k)

PhMgBr

C h H h + ser- BuCl

(a

+

NaNHz

+ MeC-CNa

OHCCH, (apartirdeEtOH)

partir de sec-BuOH)

ALCOHOLES D. REACCIONES

CAPITULO 18

CH3

CH3 I

N

+-" CrO CH3CH-i~CH-CH,

(o) CH,&H-C"CH,

/I

1

O

OH

t-

i-PrMgBr

1

+

(a

OHCCH,

partir de EtOH)

(i-Pr)2CuLi ( a parlir de i-PrBr) + n-BuBr ( a partir de n-RuOH)

(PI CHICHzCtIzCH2 jCHCH3 ' I

OH

O C-CHJ + n-BuMgBr (a partir de i-PrOH) (a partir de n-BuOH)

PhCHzCHO

ti,( r 2 0 7

PhiCHzCH20H

PhMgBr

t-

+

H2C-CH2

'O' (Sec. 19.15)

CH3 I

1

(r) CH3CH2CH2CH2+C-CH3 CH3 (S)

I'hCH2CHCH3 1

Br

t PBr: -

+

(r-Bu)2CuLi rz-BuBr (a partir de t-BuOH) (a partir de n-BuOH)

c-

PhCHzCHCH.i (hechoenq)

oH

KOH

YH,-CH Br

-Et

Br

CH2 "CH -Et (a partir de n-BuBr)

ALCOHOLES II.REACCIONES

CAPITULO 18

(U)

CH3CH,C"OEt

I1

O

EtOH 7 CHJCHzCOOH

e KMnO

CH3

9.

(a) CH3-AH--14CH20H

4

CH3 (C)

I

L4CH3-CH-CH20H

HCHO

f-"

CH3 I CHsCHO I4CH,OH< l4CH3"CHOH

(d) C H ~ - - C H E ' ~ C H ~ < CH3CH2-"4CH20H

KOH

4

H14CH0

i-PrMgBr

CSH,NHCrO,CI

I4CH30H

3

CH3 1 14CH3-CHMgBr

CH3 +Mg

,PBr3

l4CHJ-CHOH

I4CH3MgBr

HBr

CH3-CH2-I4CH2Br

cn,cH,MgBr

Hi calor (e) CH3--'4CH=CH2 CH3-14CH-CHJ

CH,CHlCH20H

+ "

H14CH0 x

I

OH

CH3CH2-I4CH20H

C,HSNHCrO,CI

(hecho en b)

I4CH30H

ALCOHOLES 11. REACCIONES

CAPITULO 18

(f) 1 4 C H 3 " C H " C H 2 <

10.

KOH(alc)

13CH3CH2CH2Br

(a) Anti. Vea la respuesta al problema 13, capítulo

I H

U n 3-alquilciclopenteno

I

i

+ enantiómero

I4CH3CH2CH20H

12.

I

\

o tl

H

OTs

PBri t "

ti

+ enantiómeuo

Ciclopentanona

(c) L a inversión enC-2 durante el reemplazo del" O H por -X debcría darel cis-2-haloanti para dar principalmente el 11-alquil-ciclopentano, el cual sufriría una eliminación alquilciclopenteno, el alqueno más estable. Pero estotan sólo nos Ilevm'a de regreso al mismo alqueno que habíamos sometido a la hidroboración-oxidación (Hl3/0).

\.""'(r"cp H

OH

H

H

Producto principal

T

base

- HX

ALCOHOLES D. REACCIONES

CAPITULO 18

11.

Estas no son síntesis terriblemente difíciles, si advertimos que la mayor parte demolCcula la no es sino una acompañante silenciosa. (a) El paso clavees la introducción anti-Markovnikov de" O H .

Androstan-1 la-o1

Androstan-l I-ona

Androst-9( I I)-eno

(b) Nuevamentees necesario introducir" O H anti-Markovnikov. I

CrO,

t "

H

O 3P-Dimetilaminoconanin-6-ona

;

OH

Conesina (3P-Dimetilaminocon-5-enina)

(c) La transformación enC-3 se hace al final:

3-Colestanona

C CrOi-

f l-

H O" del

OH

calor

&.I

CH3COO"

Colestan-3a-ol Acetato

colestan-3a-o1

R

ALCOHOLES CAPITULO II. REACCIONES

18

Antes, para obtener el acetato del colestan-3a-01, construimos la cadena saturadade ocho

carbonos, R:

Acetato del colestan-3a-ol

Acetato de la 5a-pregnar-3a-ol-20-ona

+

BrMgCH2CH2CH,CH(CH,)? Bromuro de isohexilmagnesio

I

No sería operante ninguna secuencia alternativa. No podemos introducir grupa el cetbnigrupa ese también reaccionaria con el reacco C-3 antes de construir la cadena, puesto que tivo de Grignard. Un " O H libre en C-3 descompondría al reactivo de Grignard"obien, 3". Estos prosi las cosas llegarantan lejos, sufriríauna deshidratacidn junto con el alcohol laproteccidn del " O H como un tster. Los ésteres reaccionan blemas se resuelven mediante con los reactivosde Grignard, pero notan dpidamente como las cetonas. Una vez que se ha construido la cadena lateral, el éster se puede convertir convenientemente en el alcohol.

12.

H2C COOH 3 HzC--COOH I

I

CI

(c)

6HCOOH

-

OH D

C

H

H HO -{-OH

OH

HO

-!~' I

-OH HO

OH

'!

H

H

C -OH HO

&OH

o HOH

OH

H 1 C OH

HO C OH HO

I

I

OH

SHIO,

H

H

H

H

H

H

I ' I ' I ' I ' I ' I HO-C+C-C+C+C+C -OH I I ' I ~ I ' I ' O H OH OH OH OH OH

,llo,

I

c-

HOCH

CHOH

'CHOH -.-l.. HOCH , CHOH CHOH

1

E

311

ALCOHOLES II.REACCIONES

CAPITULO 18

(e) CHCHzOH CH2

-%

CH2yHCH20f1 FHzCHCOOH I

Br

1

,

I

Br

Br H

I Ln

CHZ CHCOOH

J

H

( f ) H2C C-CHZ

'

KO11

H,CCH=-CH

I

I

I

Br

Br Br Br

11.0, O H

+ HZCCH --CH

I

Br

OH

K

Br

I. KOH

HIC -C

oH

M

(Obsérvcsc que se desplaza el Br alílico de K, no el Br vinílico.)

cI I

(g) C H 1 ~ ~CHI C

CI

%

[

OH

]

i CH3---C - C H I OH N

gem-Diol inestable

&

-"'O

CHI- C - - C H 3

o O

CH

CAPITULO 18

ALCOHOLES 11. REACCIONES

El que la orientación dela adición para dar P, Q y R sea como se indica, se demuestra por la ruptura de R a travCs de la reaccidn del halofonno(Sec. 18.9): CH,"C--CCll

'I

&OH*

HCCI,

+ CHjCOO-Na+

O

R

Cloroformo

S

Para cada " O H esterificado con Acido acético, la fórmula se incrementa conC&O. Por lo tanto, V tiene 3 grupos "OH. Ya que V es estable, no es un gem-diol, y cada grupo " O H debe estar en carbonos diferentes.V es glicerol; W su triacetato.

CHZ"CH"CH2

I

OH

l

l

O H OH V

H O A c H' ___f

I I

l l

c=o c-o CH,

l l

c-O

CH3 CH, W

CAPITULO 18

ALCOHOLES 11. REACCIONES

(I) Observamos la aplicación de nuestros principios generales pAgina de la 59 de esta Guía de Estudio: (1) debido a que no se rompe ningún enlace en el centro quiral original, se mantiene la configuración sobre ese centro; y (2) cada vez quese genera un nuevo centro quiral, se obtienen lasdos configuraciones posibles sobre este centro,como así también las mezclas de diastereómeros.

;-bui-Bu

;-BU

;-BU

BB

( R 1-

Mezcla de diastereótneros

cc

;-BU

c-o I

cc

CrO: _

_

_

I

f

CHiMgBr

Ii>O

___f+

CH2

CH 1 ;-BU

DD

i-Pr-C -H

EE

* HqCH, I calor

I

i-Bu~--C--CH3

CCHi

I1

H+%

i-BU Mezclade diastereómeros

i-BU

Mezclade diastereómeros

FF

FF

H r ' Ni

Hj:cH3 i-Bu

;-Bu

Opticamente activo GG

t I T C H , Opricamente inactivo (meso) HH

(4R.6.7)- O (4S.6Rb 2,4.6,X-Tetrametilnonano

(4R.6K)-

ALCOHOLES 11. REACCIONES

CAPITULO 18

13. CHICH-CHCH-CH-CH2

I

CH,-- CH=-~~H-CH=CH-CH, I

OH

OH

I .4-Hexadlen-3-01

2.4-Hexad1cn-I-ol

Material de partida

~H+[[+H'

-H*/i+H'

OH2+

OH 3.5-Hexadlen-2-01 Producto

En presencia de Acido, el alcohol de partida sufre una hetereólisis reversible para formar un híbrido,un catión doblemente alílico. Por la recombinación con agua, este catión puede esd en equilibrio, y el formar cualesquiera de los tres alcoholes isomkricos. El sistema equilibrio favorece alm h estable de los alcoholes: 3,5-hexadien-2-01, en el cual los dos enlaces están conjugados.(No podríamos haber pronosticado que este alcohol fuera más estable queel 2,4-hexadien-l-ol, pero no nos sorprende que el producto sea uno de los dos alcoholes conjugados.)

14.

CHK3 1,3,5,5-Tetrametil1,3-ciclohexadieno

CHJ,,CH,

n

Carbocatión bisulfato Una sal

Las dos partículasson iones: el carbocatión y el HSO;. En el medio fuertemente hcido, es estabilizadopor donación el dienose convierte por completo enel cati6n alílico, el cual de electrones de los dos grupos metilo, uno en cada extremo del sislerna alilico. Por la adición de agua, esta base separa un protón para regenerar el dieno conjugado. (Problema:¿En qud extremo del sistema conjugado se adicionael protón?¿Por qué aquí y no en el otro lado?) 3 15

CAPITULO 18

ALCOHOLES 11. REACCIONES

(Z)-6-Henicosen-ll-ona Atrayenre sexual de la poMa de[abeto de Douglas

16.

(a) R,C+

se forma en ácido

(i) R,COH + 2H2S0, -+ R,C' + H,O' + 2HS04(ii) Conjugacidn de la carga positiva conlos anillos de ciclopropilo. (iii) Desplazamientoa c a m p bajo dcbidoa la desproteccidn por la carga positiva.

El catión triciclopropilmetanol,R,C', está estabilizado-tanto como el catidn uifenilmetilo (proLlema15.10,pág. 547)- a travts de la dispersión de la carga positiva sobre los anillos. Se cree que esto implica el traslapo del vacíop orbital con los enlaces C - X de los anillos de ciclopropano,los cuales (Sec.12.9) tienen un considerable carácterK. (VCase la respuesta al problema 24, Cap. 15.)

Es claro que los dos grupos metilo nos son equivalentes, ya que dan diferentes seílalesde RMN, y por lo tanto deben estar situados asimttricamente.El plano de los metilos y el

CAPITULO 18

ALCOHOLES II. REACCIONES

carbono trigonal es perpendicularal anillo y lo biseca; esta geometría permite el traslapo descrito en (a):

Catión 2-ciclopropil-2-propilo

El anillo escis a un metilo y trans al otro:

Por supuesto,ambos metilos puedenser cis o trans al anillo; cuandoestá presente “CD,, el cual no da sefial en RMN, sólo la mitad de las moléculas que había antes tienen “4%el cis, y la otramitad tienen el “CH, trans. H

I H

Cada una de lasseliales de RMN se reduce ala mitad desu Area previa. (Deno, N.C., e? al., “Carbonium Ions. XIX. The Intense Conjugationin Cyclopropyl Carbonium Ions’’,J. Am. Chem. Soc., 87,4533 (1965); Pitman, C.U., Jr. y Olah, G. A., “Stable CarboniumIons. XVII. Cyclopropyl Carbonium Ions and Protonated Cyclopropyl Ketones”, J. Am. Chem. Soc., 87,5123 (1965).) 17.

( 4 CrO,/H,SO, (b) Br,/CCl,, o Cr0,/H2S0, (c> Cr03/H2S0, ( 4 Br,/CCl, (e)El reactivo de Lucasda una reacción inmediata con el alcohol alilico. (0 Reactivo Prueba Lucas (g) de del yodoformo (h)Análisis elemental paraBr (i) HIO,: luego AgNO,; el 1,2-diolda un pp. de AgNO, 0)Reactivo de Lucas,o bien CrOJHzSO,

CAPITULO 18

ALCOHOLES II. REACCIONES d

18.

C

d p h c Ph-C-CH-Ph

MM,

I

I

e

c

b

I

H OH b

r h c

NN, Ph-CH2-C"Ph

OH

a

a

Encuentre la diferencia entre los alcoholes 2" y 3" por la prueba delCrO, /€€$O4. CH3

19.

(a) CH3CH2CHCH3

I

I

(b) CH,-C-CH20H

I

OH Alcohol sec-butílico Alcohol

H

(c) CH3CH20CH2CH3

isobutilico

Eter dietílico

(Véanse los espectros rotuladosde la pág. 846de esta Guía de Estudio.) 20.

(a)

(b)

PhCHOHCH, Alcohol a-feniletílico

(c)

PhCH2CH20H Alcohol fl-feniletílico

PhCH,OCH, Eter bencilmetílico

(Véanse los espectros acotados de la pág. 847 de esta Guía de Estudio.) CH,CH,

CH3

21.

I

(a) CH,CHCH2CH20H

I

(b) CH3CH2CHCH20H

CH,

I

(c) CH3CHCH2CHOHCH,

2-Etil-4-Metil-2-pentanol 1-butanol

Alcohol isopentílico

(V&mselos espectros rotuladosla pág. 848 de esta Guía de Estudio.) CH3

22.

I

H2C-C-CH20H

2-Meta-2-propen-1-01 (Alcohol metalilo)

CH3

I

CH,"C"CH2OH

I

H Alcohol isobutííico PP

O0

(Vtfanse los espectros rotulados de la pAg. 849 de esta Guía de Estudio.) 23.

CH3

I

CH3-C-CH-CH, I I H3C O H 3,3-Dimetil-2-butano1

QQ

(Véanse los espectros con acotaciones de las pAgs. 849 y 850 de esta Guíade Estudio.)

ALCOHOLES II. REACCIONES

24.

CAPITULO 18

CH,C-CCH20H

2-Butil-1-01 RR

( V h s e los espectros indicados en la pág. 850 de estaGuía de Estudio.) 25.

(a) La ausenciadelafuerteabsorci6nabajode 900 cm-',queescaracterísticadelos compuestos aromiiticos, indica que el geraniol es alifático. La banda fuerte y ancha, centrada en alrededor3300 de cm', escaracterísticade un grupo " O H , la banda centrada en999 cm' indica un alcohol primario. La fórmula molecular C,,,Hl,OH es equivalente a C,$I,,, lo que indica insaturación y/o se confirma por las anillos. La presencia de al menos un doble enlace carbomycarbono bandas en 1680 y 840 cm-'. (b) Hay diez seííales en el espectro de RMC, para cada unacarbonode lafómula molecular. No hay dos carbonos equivalentesen el geraniol.

(c) A partir de las multiplicidades en elespectro de RMC. tenemos tres CH, (9H), tres CH, (6H), dos CH(2H), y dos C sinH. (d) El espectro de RMC justifica 17 hidrógenos. El hidr6geno faltante más el oxígenodan un grupo OH, como se indicó en el espectro de infrarrojoen la parte (a). El OH casi con certeza se encuentra en el carbono que da el pico f (S 59.0); este carbono tiene dos la parte (a). hidrógenos, haciendo4 3 O H y confiando nuestra conclusión de (e) Los cuatro picos a campo bajo en el espectro de RMC indican dos dobles enlaces carbono-carbono. Estos, como vimos en la parte (a), son consistentes con la f6rmula molecular y el espectrode infrarrojo. (f) Si nos movemos a campo bajo, observamos: nueve protones (jmetílicos, alílicos?), cuatro protones(LmetilCnicos, alílicos?), unprotón ("OH), dos protones (--CH,OH), dos protones (vinílicos). Los nueve protones sugieren tresgrupos metilo; los cuatro protones sugieren dos grupos metileno. Los valores de S son los que podríamos esperar si estos cinco grupos fueran ahícos.

(g) Hay un hidrógeno fácilmente intercambiable; por supuesto el que está en "OH. el (h) ElÚnico acoplamiento fuerte que vemos en el espectro deRMN es el doblete para dos es consistente con la unidad. protones a6 5.4 (uno de los protones vinílicos). Esto CH,OH

c=c/\

H

La ausencia de un desdoblamiento (fuerte) de los picos de los otros grupos dos metileno y de los tresgrupos metilo,junto con los valores Spara de Cstos, sugiere engran medida que todos ellosson alílicos. En particular, no hay triplete-cuarteto, deahí que no hay unión de CH, con C q . 319

CAPITULO 18

ALCOHOLES 11. REACCIONES

(ij Entonces,enestepunto,tenemoslassiguientesunidades(descartandolaestereoquímica):

A éstos podemos unir

de maneratal que cadauno de estosgrupos est6, conectado auno de los carbonos del doble enlace y que ningún CH, est6 unido a un C&. Llegamos a tres posibles estructuras (descartando la isomería geométrica).

En todas éstas,para llenar nuestros requisitos, hemos tenido unir quedos grupos metileno unocon elotro.En la seiral para cuatro protones en 62.05 vemos indicios de desdoblamiento, dos metileno no muy diferentes. como bienpodría ocurrir para el acoplamiento entregrupos En elespectro de RMC hay una grandiferencia de desplazamiento entre los dos grupos metileno (626.7 y 6 39.7). Estoes consistente coni y ii, en los cuales un metileno tiene un metilo p que el otrono tiene; estono es consistente coniii, en el cual cada metileno tiene un metilo p. Esto dejaa i y ii como nuestros candidatosmás probables. Pero el geraniol es un producto y para tomar nuestra decisión regresamos a la regla del isopreno natural con diez carbonos, (o bien ii en iiij no (Sec. 10.31). En i vemos dos unidades de isopreno cabeza con cola; en a ls vemos. Seleccionamosi como la estructura del geraniol. (No podemos especificar la estereoquímica sobre el doble enlace en la posición 2.) La estructura verdadera del geraniol estA dada en el espectro rotulado de la página 85 1 de esta Guía de Estudio. Sin embargo, antes de que la observemos ahí, tratemos el siguiente problema, para ver qué nos dice la experiencia química (mucha más antigua) sobre el geraniol.

ALCOHOLES II. REACCIONES

26.

CAPITULO 18

La oxidación a RCHO y RCOOH sin pérdida de carbono indica RC%OH. CH3

CH3

I

I

(a) CH,-C=O O=C-CH2-CHz-C=O

1

HO

o=c-c=o 1

1

f-

I

cH3-c=cH-cH2-

H O OH

cH2-L=CH-CH,OH

Geraniol

(b) Isómeros geométricos. (c) El nerol debe serel idmero Z, con el OH

CH3 R-C=CH-CH, < " \+

3

H+ + R-C -Hz0

I

=CH -CH20H

19 Eteres y epóxidos

(c) Puesto quen-BuOH da n-Bu,O sin transposición, puede suponerse que la reacción no por lo tanto, sigue laruta S,2. Era de esperarse: los incluye carbocationes intermediarios; alcoholes primarios son los menos capaces de generar carbocationes, pero son los más por at&. propensos a sufrir ataque

19.2

Alcohol

19.3

(a)Dietiléter,etiln-propiléter,di-n-propiléter. (b) Buen rendimiento en t-butil etil éter, porque 1-BuOH da un carbocatión mucho más rápidamente queEtOH.

I

+

alqueno, mAxima importanciaparaalcoholesterciarios.

ETERES Y EPOXIDOS

CAPITULO 19

19.4

(a)Los aniones, CYOSO; y SO4%,son bases muy dkbiles, de ahí que sean muy buenos grupos salientes. (b) Los ésteres de los &idos sulfónicos, comolos tosilatos (Secs. 5.9 y 18.5).

I !

I-

see-BuO-Na'

iso-BuBr

--

CH,Br

Na

+ see-BuOH

PHr3

+

PBr,

f"

;so-BuOH

CH,OH

tolueno

fenol

19.7 (a)"(%) No se rompe ningún enlace del carbono quiral en el 2-octano1 en la secuencia de reacción. YHI

-3

n - ~ e x .&-.o+H . E+ n - ~ e x - - & ~ - ~ - N a + (

-)-2-0ctanol

pureza óptica 80%

y

3

n-Hex-CH-O--Et (-)-2-Etoxioctano Pureza óptica80%

Comoresultado,el (-)-éter tiene la mismaconfiguracidn que el (-)-alcohol, y tiene la misma pureza óptica.

CAPITULO 19

ETERES Y EPOXIDOS

El alcohol de partidaes 8.24 x 100

"

10.3

=

80% Ópticamentepuro

El producto, el éter (-15.6"), también tiene80% de pureza ópticalo cual significa quesu rotación de-15.6' es el80% de la rotaciónmimima (para eléter puro). Esto es, - 15.6" = 0.80[~l] Y

19.8

[a]= - 19.5"

(a)Elbromuro de partidaes

30.3" x 39.6"

100 = 76.5% ópticamentepuro

15.3" x 19.5"

100

El producto, éter, es =

78,5%Ópticamentepuro

y de configuración opuesta. Dado que la configuración cambia sin un cambio significativo de la pureza óptima, la reacción prosigue con inversión completa. CH3

I

n-Hex-CH-Br (-)-2-Bromooctano Pureza óptica 76.5%

EtO-Na+

CH3

I

n-Hex-CH-OEt (+)-2-Etoxioctano Pureza óptica 78.5%

(b), (c) SN2,como podría esperarsede un disolvente de baja polaridad, y con un reactivo de alta basicidad.

(d) DesplazamientoSN2del -Bra partir de EtBr. (e) En uno hay ataque (con inversión) en el carbono quiral; el en otro hay retenci6n de la configuración, puesto queno hay ataque en el carbono quiral.

19.9

Lo queestamosobservandoes un ejemplo de una catdisis portransferencia de fases

se convierte en el ion alcóxido por la acción (Sec.6.7). En la fase acuosa, algo del alcohol del ion hidróxido: n-OctOH

+

OH-

t-

n-OctO-

+ H20

Luego, el ion alcóxido es transferido a la fase orgánica (la capa de halogenuro de alquilo) por el ion cuaternario (cuat) lipofílico. En la fase orghica, el ion alc6xido prActicamente liberado a partir tanto de la solvatación comode las fuerzas de apareamiento de ionesactúa comoun nucleófilo poderosoy reacciona con el halogenuro de alquilo. n-OctO-

+

wBuCI

-+

n-0ct-FO"Bu-n

+

CI 325

ETERES Y EPOXIDOS

CAPITULO 19

Si el ion alcóxido fuese acompafíadolaacapa orghica, se esperaría que convirtiera al halogenuro de alquilo en alcohol.Sin embargo, el alto rendimiento del 6ter indica que el alcóxido se transfiere de preferencia al hidróxido, evidentemente porque el grupo n-octilo confiere carácter lipofílico a este anión. Este método evita una operacidn separadade la síntesiscfiica: la reacción del alcohol (seco) con Na o K.

19.10

C - ~ ~ +C Hg2+ + -C-C-\ / / Hg'? Ion mercurinio cíclico (Sec. 17.9)

\

/

/

ROH

19.11

RO

El ion acetato (OAc-) compite con el alcohol (ROH)en el ataque sobre el ion mercurinio cíclico, F

Ad)

a

'

C

G

Ad)

1

C HE?

~

+

-f

1

1

-c~ c I

1

Hg +

particularmente cuando ROH es 2" o 3" y, por lo tanto, voluminoso. El ion ViflUOrOaCetato, menos básico, menos nucleofílico, no puede competir con éxito. (Brown,H. C. y Rei, M.-H., "The Solvomercuration-Demercuration ofRepresentative Olefins in the Presenceof Alcohols. Convenient Proceduresfor the Synthesis of Ethers", J. Am. Chem,. Soc., 91,5646 (1969))

ETERES Y EPOXIDOS

CAPITULO 19

19.13

Se esperaría quela reacción delCter protonado con el ion bromuro tomara cualesquiera de dos rutas:(a) sies SN2,por ataqueen elgrupo menos impedido, el metilo, para generar MeBr y sec-BuOH,o bien (b) si esSN1,por formaci6n del carbocatión más estable, sec-Bu+, para y MeOH. La experiencia indica que la reacción es realmente SN2.(Puesto generar sec-BuBr que el enlace s e c - B u 4 no se rompe, observamos retención de la configuración, sin @rdida de la pureza óptica.)

19.14

(a) " O C H ,

> "CH,

(b) -OCH3

> -NO2

(c)

"OR > "R

1.4-Dioxano

Tetrahidrofurano Furano

1.2-Etanodiol Dos moles

4-Cloro-1-butanol 1.4-Diclorobutano

ETERES Y EPOXIDOS

CAPITULO 19

19.17

(a)Adición electrofílica de los elementos del ROH al doble enlace.

0

+

01;

ROH

DHP

Un éter THP

1

Un éter THP

H

(c) Como en otros ejemplos de adición electrofílica que hemos encontrado ( S e c . 8.9), el primer paso "y que controla la velocidad-es la unión deun protón alquenopara formar un carbocatión (paso 1). Al haceresto, elprotón se podría enlazar con cualesquiera de los dos carbonos del doble enlace: de hecho, lo hace detal manera que genera el carbocatión mAs estable ( S e c . 8.12).

9 /,

-0

+

I

H '

I1

111

El producto observado indica que el I1catión se forma con más preferencia que el catión 111 y, si examinamos la estructura de 11, podemos damos cuenta de por que esasí. Hemos I. escrito su estructura como11, pero igualmente podríamos haberla escrito como

I1

I

Especialmente estable: cada á t o m tiene un octeto 328

CAPITULO ETERES Y EPOXIDOS

19

Como vimos en la sección 10.15, una estructura comola I deber4 ser especialmente estable, puesto que cada átomo tieneun octeto de electrones. En efecto,I debe representar muy adecuadamentela estructura del catión; este es un ion oxonio, y es mucho m& estable que un carbocatión ordinario. Tanto la orientación como la reactividad estfin determinadas porla estabilidad desusada del catión I: I se forma con más preferencia que el DI, y da, por último, el producto más rápido que un carkatión a partir de un alqueno simple y dalugar observado;I se forma a la reactividad desusadamentealta del DHP. Pero la estabilidad de I aun tieneotro efecto: propiciala facilidad extrema con la cual el éter THPse rompe por el ácid0 acuoso diluido "propiedad de la cual depende la utilidad de los pasos (1) a (3), y es la inversi6n del DHP. La ruptura implica exactamente el inverso la velocidad a la cual del paso(2) "una vez más,la inversión del catión- lo que determina ocurre esta ruptura. (d)

CHACHO

C'H ,CH

I

OH

i~ C H ~ C H ~ O+HC H , C H -I C H ~ C H ~ O T H P

+-

OMgBr

BrMgCH,CH,OTHP

BrMgCHzCH,OTHP

tMg

BrCH2CH20THP Br

H,O

9

BrCH,CH,OH H. 'cplor

CH2=CH2

~

CH,CH20H

n 2c-c H 2 \o/ H+

EtOH

(b) Como en (a), reemplezando EtOH por PhOH. (c) Como en (a), reemplezando EtOH por HOH. (d) HO-CH2CH2-O-CH2CH2-O~CH2CH~-OH HzC-CHz ~

'dH+

HO-CH2CH2-O-CH2CHZ-OH (A partir de c )

CAPITULO 19

ETERES Y EPOXIDOS

H 2 0 + CHz-CHzO

I

OH

+

CHl-CH?

I

OH

1

OHz'

- H+

+

CHz-CHz 1

OH

1

OH

S,2 como se muestraen la página 708.

19.20

(i) La unióndeloxígenopuedeocurrirconigualfacilidadenambas caras del alqueno. son idénticas y aquirales; lo mismo es cierto (b). para En (a), las dos estructuras (ep6xidos) En (c), (d)y (e) se forman cantidades iguales de epóxidos enantioméricos. (Compkese con la respuesta al problema 9.2,p5g. 352.) (ii) El ataquepor el lado de atxis del anillo del epóxido puede ocurrir con igual facilidad (es igualmente probable) en a m b o s carbonos en (a), en (b) y en (c), dando en(a) y en (b) can tidades iguales de enantiómeros, y en (c)el mismo compuesto meso,inactivo, cualquiera al que se ataca. (Veánsela Fig. 9.4 que seael enantiómeroo cualquiera que sea el carbono y la Fig. 9.5en la pág. 351.) (iii) Aun pensando que los ataques por las dosrutas " e n el extremo del metiloy en el extremo deletilo" no son igualmente probables eny en (d)(e), en a m b o s casos el producto es racémico. Cantidades iguales de epóxidos enantioméricos se someten al ataque. El producto a partir de un epóxido sin lugar a dudas consiste en cantidades desiguales de los dos posibles dioles enantioméricos; por ejemplo, el ataque en el extremo del metilo puede ser el preferible. Pero cualquier exceso, digamos, del (S,S)-diol a partir de un epóxido un exceso (RP)-diol apartir estereoisomérico debería estar exactamente equilibrado por del del ep6xido enantiomkrico. (Compárese con la respuesta al problema9.3, pág. 352.)

\

O/ Aquiral

Epóxido cis Aquiral

OH

H H 6H trans-1,2-Ciclopentanodiol Modificación racémica

OH

2,3-Butanodiol Rocémicos

PCH3y"

ETERES Y EPOXIDOS

CAPITULO 19

O

(c>

+ CH3 q

CH3

C

H

3

qcFi3

"--j

CH3

O

OH

Epóxido trans Enantiómeros

2.3-Butanodiol Meso

Hk.'. Hzc y

"-f

H

I

CzHS

C2HS

Epóxido cis Enantiómeros

C2HS

oH

.s. s-

2,3-Pentanodiol Modificación racémica

R. R-

OH

2R.3.Y-

1s.3 K -

- c:H?,F7": OH

CH3

C2H,

I

Y

H Epóxido tram Enantiómeros

C>H?/ O

OH

2s. 3 K -

2.3-Pentanodiol Modificación racémica

(0 Como se obtienen, ninguno delos productos será ópticamente activo.

F C H '

H

2R.35-

ETERES Y EPOXIDOS

CAPITULO 19

19.22

El ion fenóxido(C,H,O-) es más básico queel dxido de etileno,y deberá ganar el prodn de cualquier ácido adicionado.

[ FH3j

CH3

I

y así sucesivamente, "----f C H ~ C H O H C H ~ O C H ~ C H~OC H ~ C H OJ -%

[ CH3],z

CH3

C H ~ C H O H C H ~C OH ~ C H O C H ~ C H O H

ETERES Y EPOXIDOS

CAPITULO 19

19.25

Por la formación de HBr como un producto de la reacci6n de sustituci6n.

19.26

Airadaesterengl6n alatabla.

Eteres

frío KMn04 -

conc. HJO,

+

Br, -

CrO, -

fum. H,S04

+

CHCI, AICI, -

Nu -

19.27 (a)Lasolubilidaddel6ter en H,S04 conc. frío (b) Br,/CC14 o bienKMnO, mismo quelo (c) (b) (a) mismo quelo (d) por seguido caliente (0 &ido KMnO, (e) CrO3/H2SO4 (g)Br,, acompaílado por la prueba para HBr

diisobutílico 2.Eter (a) 4-metoxiheptano t-butileulico (d) Eter (c) p-bromofeniletííico Eter (e) (g) Eter2,4-dibromofenilmetílico 3.

(b) isopropilmetílico Eter (f)o-nitrobencilfenílico Eter

Cada alc6xid0, fen6xid0, halogenuroo alqueno se obtiene a partir del alcoholo del fenol correspondiente. (a) r-Bu-OSMe

(b) Ph-OiEt

c-

-

r-BuO-Na+

PhO-Na*

-

+

n-BuBr

+

MeBr

EtBr

+

Na' - 0

CAPITULO 19

ETERES Y EPOXIDOS

(e) i-Pr--O- fBu-i

4.

+--

Efectoactivante:-OH

i-PrCY N a

+

+

i-BuBr

> "-0Me > -CH,

> -H > -C1 > --NOz

(a) PhOH > PhOCH, > C,H, > PhCl> PhNO, (b) m-HOC,H,OMe > m-MeC,H,OMe > o-MeC,H,OMe > C,H,OMe (c) p-C,H,(OH)2 >p-MeOC,H,OH >p-C,H,(OMe)z 5.

Los productos son: (a) t-BuOEt

(c) (e) (g) (i) (k) 6,

EtzO Me1 + Et1 (Et20H)+HS0,- (véase la pág. 3 4 ) C,H,OH + EtBr p-CH,OC,H,COO-K'

El éter se rompe a isobutileno, el cual sufre una polimerizacidn caralizadapor &ida, una extensión de la dimerización (Sec.8.16). n-Bu - O - Bu-t

7.

(b) isobutileno reacción (d) no hay ( f ) no hay reacción (h) 2EtOS0,H (j) o- y p-02NC,H,0Et (I) o- y p-BrC,H,0CH2C,H,

H. -n-Bu

H -O--Bu-r

o

-+

n-BuOH

+

(CHl),C@

-- t l ' __f

( C H > ) l C CHZ

(a)Alcohol t-butííico. C'HICH CH2 ~

+

t-BuO--OH

Hidroperóxido de r-butilo

+

CH,CH

\ / ó

CH2

+

Z-BuOH

Alcohol f-butílico

ETERES Y EPOXIDOS

CAPITULO 19

(b) Una reacci6n en cadena por radicales libres, iniciada por el ataque al isobutano con oxígeno, un dirradical. (I)

(CH,),CH

+

0 2

-"-e

(CH,),C.

+

Hoz.

luego O ) , ( 3 ) . (2), ( 3 ) , etc

(c) En UM reacci6n anAloga a la de la parte o>).el oxígeno debería separar uno de los hidr6genosalílicosreactivosdelpropileno para dar, finalmente,elhidroper6xido Ch,=CHCH&)-OH. (El etilenos610 contiene hidr6genos vinílicos no reactivosy, en cambio, sufre adici6n.) 8.

(a) Cr03/H2S0, (d) Br2/CC1,o KMnO, (e) (g) H,S04 conc. frío

9.

(a) Eléter es solubleen H2S0, conc.

(b) BrJCCl, AgNO,(alC) (c) H,SO, conc. frío

n KMnO, (f) Br,/CCl, o KMnO,

(b) El éter alílico se oxida conKMnO,.

(c) La oxidaci6n al ácido carboxílicoy determinacih del p.f. (d) El MeOH reacciona con CrO,/H,SO,; el 1-hexeno reacciona con el KMnO,.

(e) El alcoholy el éter son solublesen %SO, conc. y frío; el alcohol reacciona con CrO,/ H,SO,; determinar los otros por análisis elemental. (f) El isopreno reacciona con Br,/CCl,o con KMnO,; el pentano es insoluble en %SO,

(g) Oxidar el éter metil o-tolúico al ácido carboxílico; ruptura fenetol a fenol, o bien, prueba para facilidadde la sustituciónpor el bromo.

10.

(a) HOCH,C%OH, 1,2-etanodiol (b) lo mismo que (a)

(c) HOCH,C%OEt, 2-etoxietanol (d) HOCH,CqWH,CH,OEt, Cter etílico deldietilCn glicol ( v k e) (e) HOCH,CH,WH,C~OH, dietilén glicol (f) HO(CH,CH,O),H,

trietilénglicol

(g) BrCH,CH,OH, 2-bromoetanol (h) N= CCH$H,OH,

2-cianoetanol

ETERES Y EPOXIDOS

CAPITULO 19

HCOOCH,C$OH,

monoformiato del1,Zetanodiol

CH,CH,C%CH,CH,OH, %NC$C%OH,

alcohol n-pentílico

2-aminoetanol (etanolamina)

Et,NC%CH,OH, 2-(N,NN-dietilamino) etanol C,H,OCH,CH,OH, 2-fenoxietanol lo mismo que(m) HC=COCI-I$H,OH,

2-etinoxietanol

La hidrólisis alcalina ocurre con retención de la configuración debido a que el ataque por 1'; no se rompe ningún enlace en el carbono La quiral. hidrólisis el OH-ocurre en el carbono ácida ocurre con inversión de la configuraci6n debido a que el ataque por el H,O ocurre sobre el epóxido protonado en el átomo de carbono2O (en este caso, quiral).

12.

(a) H

O

H

c

h

"

I

H la

Aquiral

CAPITULO 19

ETERES Y EPOXIDOS

-

(b) Ambos son aquiralesy, por lo tanto, 6pticamente inactivos.

(c) El Cteres un Cter interno, cíclico ( C , o H 2 , 0 2 - H 2 0 C,,11,80). Este sólo se puede formar cuando los dosgrupos " O H se encuentran en la misma cara de la molCcula, comoCstos se encuentran enIb.

Ib Conformación debote

Eter cíclico Bote puenteado

CH3&

OH I

-C"CH,

\

CH3

H Ib

Conformación de silla

13'

C12. H 2 0 ( + CI, +O, + H)'

(a) CH2=CH2

CH2"CH2

I

CI

ClCHzCHzOH

+

HOCHzCHzCl

A (dos moles)

A

1

OH

- H2O

KOH

CICIf2CH2-O-CH2CH2CI B

CH2=CH-O-CH=CHz C

Eter divinfiico

(b) CICH2HC-CH2 Y%. O

CH3OH. Hi ( + C . + 4 H . +O)+

CICH2CH-CH2

I

I

+ OCI-

OH OCH, D

HCCI,

+

HOOC"CH2 OCH, I E 337

ETERES Y EPOXIDOS

CAPITULO 19

La orientación de la metanólisis inicial está indicada por el hecho de que la reacción del haloformo (Sec.18.9 y 21.8) ocurre en el compuestoD para dar CHCL, y el compuesto E. La orientación alternativa habría producido un compuesto queno respondería ala reacción del haloformo. ClCHzHC\ , C H , x ,

--+

' O

NaOH

( - H . -Ci)

f

CICH2CH--CH2 No formado ,

I

CHjO OH No da la reaccirjn del haloformo (Sec. 18.9)

H:c

~

,x

Sintesis deWilliamsonintramolecular

C H C f 1:

/

b

OCHJ I

(c) Síntesis de Williamson intramolecular.

I

trans-2-Clorociclohexanol 1 Racémico

ETERES Y EPOXIDOS

CAPITULO 19

(g) Hidroxilaciónsyn del doble enlace, la cual produce un nuevo carbono quiral (en ambas configuraciones), seguida de la ruptura del ep6xido.

I

I

Enantiheros

Cualquiera quesea el mecanismo dela ruptura, se obtendrh una mezcla(IS) de productos meso y racémicos. (h) La formación de una clorohidrina atravh de un ion cloronio cíclico, seguida por una síntesis de Williamson intramolecular paradar un ep6xido, y finalmente la ruptura del epóxido aun diol. (VCase la Fig. 19.10, phg. 340 de esta Guía de Estudio.) (i) Similar a(h), pero comenzando con el trum-2-buten0,y terminando con el meso-2,3butanodiol. (Véase la Fig. 19.11, pAg. 341 de esta Guía de Estudio.)

14.

(a) HO(CH2),0H H % Br(CH,),OHN

Br(CH2),0THP O

HC"CLI

CzH5,

H

HC-C(CH,),OTHP P

/(CH,),OCOCW, C -C

/

\

H Acetato de (Z)-9-Dodecen-l-ilo Atrayente sexualde la polilla de la vid (pcíg. 343)

(b) En el paso de la hidrogenación, trate aS con Na en NH, liquido, y así se obtiene el idmero (E). 339

ETERES Y EPOXIDOS

CAPITULO 19 H

\

CHI cis-2-Buteno El ataque mediante Cl' desde abajo da el mismo ion cíclico

OH

'

H70

i ?H

OH Enantiómeros 2,3-Butanodiolracémico 1.

CAPITULO 19

ETERES Y EPOXIDOS

\

H trans-2-Buteno

I

CH,

Enantiómeros

FCH3 Enantiómeros

H

CH3

i-

1-

HCI

HCI

O

Enantiómeros

OH

I

CH3

ZCH' I

I

OH Idéruicos meso -2.3-Butanodiol

M

Figura 19.11

Reacción del trans-2-buteno para el problema 13 (i).

ETERES Y EPOXIDOS

CAPITULO 19

H

€4

H

H

2

AA

/z-C,H,

\

/

H

(

C"C

,,C'H,CH,

'\

(CH:),OCOC'H,

/'

\

H H/c=c \. H Acetato de (72.1 1Z)-Hexadecadien-1-ilo Atrayente sexual de la polilla delg u s m de maíz Gossyplure

(b) Utilice Na y N H 3 líquido en lugar del catalizador de Lindlar para cualquiera o ambas hidrogenaciones.

16.

m-Metilanisol, rn-CH,C,H,0CH3 (Véanse los espectros rotulados dela pág. 852 de esta Guía de Estudio.)

Las bandas en 692 y 771 cm-' indican claramente el idmero mera. Si sospechamosun benceno monosustituido en lugar de(pAg.608), ello el Único Cteranlico posible debería ser el Cter etil fenílico. Esto debería mostrar, otras entrecosas, un triplete-cuarteto para C,H, en el espectro deRMN (nada para el m-metilanisol), y solamente cuatro picos aromáticos en el espectrode RMC (seis para el m-metilanisol).

CAPITULO 19

ETERES Y EPOXIDOS

17.

BB, alcoholp-metoxibencílico, p-CH30C6H,CH20H.

(V&nse los espectros acotados de la pdg. 852de esta Guía de Estudio.)

18.

(a) (CH3)3C--O-CH2CH3 Eter t-butil etílico

(b) (CH3CH2CH2)20 Eter di-n-propílico

(c) (CH3)2CHuCH(CH3)2

Eter diisopropílico

(Véanse los espectros rotulados de la pdg. 853 de esa Guía de Estudio.)

19.

(a) CH,CH20CH2CH,0H 2-Etoxietanol

(b) CH,CHCH2CH20H

I

OCH, 3-Metoxi-1-butanol 2,s-Dihidrofurano

(c)

0 0

(Véanse los espectros con acotaciones de la pág. 854 de esta Guía de Estudio.)

20.

p-CH,C,H40CH2CH3 C6HsCH2OC2Hs Eter etil p-toiúico

cc

C6HSCH2CH2CH2OH Eter bencil etílico DD

3-fenil-l-pr0pan01 EE

(V&nse los espectros rotulados delas págs. 8'55 y 856 de esta Guía de Estudio.)

20 Sinforia Efectos de grupos vecinos. Catálisis por complejos de metales de transición

20.1

Br

I

meso-2.3-Dibromobutao Opticamente inactivo

Los ataques c y d dan el mismo producto: meso-2,3-dibromobutano. (Winstein,S.y Lucas, H. J., “Retentionof Configuration in the Reaction of the 3-Bromo2-butanols with Hydrogen Bromide”,J. Am. Chem. Soc, 61, 1576 (1939); “The Loss of Optical Activity in the Reactionof the Optically Active erythro- and threo-3-Bromo-2butanols with Hydrogen Bromide”,J. Am. Chem. Soc., 61,2845 (1939).)

20.2

Haydossustitucionesnucleofílicassucesivas:primero, un ataque intromolecular por el dar una a-lactona, y luego el ataque en esta lactona por el ion hidróxido. Cada “para una procedecon inversibn, paradar una retenci6n neta.

SINFORIA

CAPITULO 20

+

CH' 3 \

(Cowdrey, W. A., Hughes, E.D. e Ingold,C. K.,J. Chem. Soc., 1208 (1937).) ti

Ion amonio

Ion sulfonio

Epóxido protonado

Ion bromonio

Ion Bencenonio

-c-,'\q O

(d)

i

'

Epóxido

(Ion fenonio)

O

R,

/I

,H

C' 1

c t+

(i) Ion oxonio

20.4

Cetona (Dienona)

,' '~

C"C 1

1

Catión Ciclopropilmetílico

En la solvólisis concarkter S,1 (Sec.6.9), el halógeno en la posición 2 podría ejercer dos efectos opuestos. Por su efecto inductivo atractorde electrones, tendería a disminuirla velocidad de la reacción al intensificar la carga positivaseque desarrolla en el carbono. Por medio de una ayuda aquimérica, tendería a incrementar la velocidad de la reacción,-X y "OBs solamente en los isómerostrans pueden tomar la configuración diaxial requerida para la ayuda anquimérica.

SINFORIA

CAPITULO 20

Los datos indican que no hay ayuda anquimtrica ni por el C1-cis ni por el C1-trans, ni tampoco por el Br-cis; d l o hay una fuerte desactivacibn esperada a partir del efecto es mucho m& reactivo que el compuesto Br-cis, lo que inductivo. El compuesto Br-trans

indica la ayuda anquimérica -aunque no lo suficientemente fuerte para contrarrestar el efecto inductivo.Por último. el I-trans provee UM poderosa ayudaanquimtrica, mhs que compensar cualquier efecto inductivo, y produce una velocidad 18 O00 veces mayor que para el brosilato no sustituido. Claramente, la habilidad de los hal6genos paradar ayuda nucleofílica caeen el orden

El grupo -1 es elmhs nucleofílico:tste es el menos electronegativoy, por tanto, el menos renuente a mantener la carga positiva seque desarrolla en 61. (Otro factor que contribuye ser su tamaflo: &te es el m& “suave” y el m& fhcilmente a su carhcter nucleofílico puede que están deformableen elestadode transición;hay orbitales vacíosde no muy alta energía disponibles para formar enlaces.)

1.

(a) Sustituci6n nucleofílica en la cual tanto el nucldfilo como el sustrato son partede la misma moltcula.

inversih ___f

R- A

R

.

(c) En el idmero trans, es posible tanto para 4el como parael “ C 1 ser axialesy así permitir el desplazamiento (anti-petiplanar) por el ladode atrás.

O Epóxido cis

Isómero desplazamiento trans trans anti-periplanar

Esto no es posible para idmero el cis, y la reacci6n debe seguir otro curso.

CI

CI

0Is6mero cis

m es posible el desplazamiento ant-periplanar (por el lado de atrás) de -C1por -0-

CAPITULO 20

2.

SWFORIA

(a) El ataque por el nucleófílo fuerte OH- ocurre en la posici6n menos impedida.

(b) La formación del ion sulfonio puenteado puede ser parecido a SN1(dos pasos)O a SN2

(un paso).

La ruptura implica el ataque por le nucle6filo débil C1-, y toma lugar tanto por una al igual que en la etapa de apertura del anillo la formación en reacción SN1(dos pasos) como, de una halollidrina( S e c . 8.15), por un solo paso que tiene un considerable carácterS,1; en ambos casosse desarrolla una considerable carga positivaen el estadode transición, y la reacción ocurre en el carbono que mejor puede acomodar esa carga positiva, el carbono secundario. (c) En cada casohay un ataque nucleofílicopor el OH- en la posición menos impedida:en el -CH,Br en I para dar directamente 111:

CAPlTULO 20

SINFORIA

en C-I de I1 para formarIV,el cual más tarde reacciona intramolecularmente (pág. 701) para dar HI.

H . , I

\'I

"Br

I

OH

C'H,

C'H, C'H

OH

"Br

I

I

1

Br

I

Br

La adición de bromo no solamente da el ion bromonio V esperado, sino también ion el bromonio VI, formado a través del puente por el 82Brya presente en la molécula. VI es exactamente equivalente V, a excepto por la marca isotcipica,y sufre la apertura del anillo enlamismaformapara dar bromohidrinas. (No podemosdecircuántodelalcohol este se forma, secundario se forma a partir de cada ion bromonio, pero presumiblemente como el producto menor, a partir de ambos.) No podemos decir a partir de estas pruebas cómo se forma VI. Podría formarse deV a través deun ataque intramolecularpor el -82Br, en una maneraSN2o SN1.Podría ser que VI se formara inicialmente (en parte)a trav&.de un catión abiertodevidacorta, con un cierre del anillo que implique acualesquien de los bromos adyacentes. (b) El "€1,

más electronegativo, tiene menor tendencia aactuar como un nuclebfilo interno y acepta una carga positiva. 349

CAPITULO 20

4.

SINFORIA

truns-l,2-Dibromociclohexano. Ambos alcoholes, cis y truns, dan el mismo producto porque forman el mismo ion bromonio cíclicopor la pt5rdida de agua de un ion oxonio inicial: el alcohol trans quizA por una reaccióntipo SN2(reacción (1). pig. 722); el alcoholcis necesariamente atravCs de un carbocatión abierto. El ataque delB r por el ladode atds del ion puenteado da el dibromuro trans.

a::2+

(y

-

ris

Br

d

Br

H

trans

trans

"PR o

5.

H ~ O

AICII'

?JU*

-

-

-

"Se disuelve. bSe decolora. "Cambia decolor. "Jjurbujas de hidrógeno.'Lento. libera HRr.

1. 2-Pentanona

(a) CH,CH2CH2CH,CH0 CH,CH?CH?COCH, CH,CH,COCHICH, n-Valeraldehído Metil cetona n-propil Pentanal

CH,CH2CH(CH,)CH0 a-Mctilbutiraldehído 3-Metil-2-butanona 3-Metilbutanal 2-Metilbutanal

(CHJ2CHCH2CH0 Isovaleraldehído

cetona Etil

(CH,)2CHCOCH, Isopropil rnetil cetona

(CHACCHO Trimetilacetaldehído 2,2-Dirnetilpropanal

(b)

PhCOCH, Acetofenona

m-CHSC,H,CHO m-Tolualdchído

p-CH3C,H,CHO p-Tolualdehído

Feniletanal

2.

(a)

O-CH~C~H~CHO o-Tolualdehído

PhCH,CHO Fenilacetaldchído

CH,COCH,

(b) PhCHO

(c) CH,COCHzCH(CH,)2

(d) (CH,),CCHO

(e) PhCOCH,

(0 PhCH=CHCHO

(g) (CH,),CHCH?CH?CHO

(h) PhCH,CHO

(i)

( j ) C2H,CHCH2CHCH0

PhCOPh

-

ALDEHIDOS Y CETONAS

CAPITULO 21

(I)

CH,CH:=CHCHO

(m) (CH3)2C=CHCOCH3

(n) PhCH-CHCOPh

(o) CH,CH2CHCH2CH0 I

(p) PhCHzCOPh

(9) o - H O C ~ H ~ C H O

(r) (p-HOC6H4)2C=O

OH

(S)

3.

~TZ-CH~C~H~CHO

(a) PhCH2COO- + Ag (c) PhCHzCOOH (e) P h C H z C H 2 0 H

(b) PhCH,COOH (d) PhCOOH

(0

PhCH2CH20H (h) PhCH,CHOHPh 6) PhCH2CHOHC-CH (1) PhCH,CH=NOH (n) PhCH,CH=NNHAr (p) PhCH,CH(OEt)z

(g) PhCH,CH,OH

(i) PhCH,CHOHCH(CH,), (k) PhCHzCHOHCN (m) PhCH2CH=NNHPh

(o) PhCH2CH=NNHCONH2

4.

(a)hay no

reacción no (b)

hay reacción hay reacción no (c)

(d) HOOC(CH,),COOH

(8)

(0 ciclohexanol

ciclohexanol (e)

ciclohexanol

(p) Se podría predecir que no hay reacción; en realidad, se obtieneel cetal

5.

(a) Reacción de Cannizzaro: 2PhCHO

*

PhCHzOH

+

PhCOO-Na'

ALDEHIDOS Y CETONAS

CAPITULO 21 (b) Reacción de Cannizzaro cruzada: PhCHO (c)

+

% PhCH?OH

HCHO

PhCHOHCN. mandelonitrilo

HCOO-Na+

(d) PhCHOHCOOH. &ido mandélico

(e) PhCHOHCH,, alcohol a- fcniletilico

( f ) PhCHZCH,, estireno

(8) PhCHOH'4CH(CH3)2

(11)

(b) C H J C H ~ C O O H

H 2 0 ,H '

CH3CHzCHC ~N +-

OH

I

t

OH

(e) C H , C H 2 C H k P h 1 : OH

-

CH,CHzCHO

O

H*

OCH2CH2CH3

(h) C H 3 C H , C H k H ( C H , ) 2 OH

(a) PhCHzCHj

(b) PhCOOH

CHJCHzCHO

C H I C H z C H O + CH3MgBr

c-

/

1

CN-.H'

OH

(d) C H j C H 2 C H S C H j

(d CHjCH2C\

PhCHIxO

eC H J C H 2 C H 0

(c) CH,CH2CHCOOH

7.

+

:

f-

Zn(Hg). H+

NaOl

c-

+

PhMgBr

CH3CHzCOOH(from b) t

C H 3 C H 2 C H 0 + BrMgCH(CH3h

PhCOCHl

PhCOCH3

ALDEHIDOS Y CETONAS

CH.!

I , (e) P h - C i P h I ' OH

CAPITULO 21

-

CH.!

(f) Ph-(!-COOH

I

OH

8.

( a ) (CHdzCHCHO

PhCCHl

I1

+ PhMgBr

O

H20.H '

CH3

C',H,NHCrO,Cl f

I

Ph-C-C"N

I

CN-, H+

PhCCH3

I1

O

~so-BuOH

PhMgBr (apartirdeC,HJ

(b) PhCH2CHO

C5H,NtiC'rO)C'l

PhiCHzCHzOH -H2C"CH,

'd

(d) CH3CH2COCH3

43 o I '

sec-BuOH

(Sec. 19.11)

ALDEHIDOS Y CETONAS

CAPITULO 21

Me CuLi (a partir de MeBr) I - " ?

r

E I ~ C U L(a I partir de EtBr)

CAPITULO ALDEAIDOS Y CETONAS

9.

(a)

21

PhCH2CH2CH2CH3

Ph-CCH2CH2CH3

Zn(Hg) HCI

ClCCHzCHlCH,

C6H6

AIC,,

I1

I1

O

(b) n-PrCHCOOH

H+

I

n-PrCHC"N n-PrCHO

I

OH

O CN-

4

(c) CH3CH2CH2CH2iCH,CHCH3

:

Zn(Hg) HCI

(4

'

i

I

CH3

"

CH 3 CH3CH,CH2CH2SCCHCH, 0

I

1

I1

KzC~ZOI

(CH3CH2CH2CH,),CuLi (a partir de n-RuOH)

CHI I CH3CHCOCI (a partir de i-BuOh como en 8g)

O

"+" CH3

CH3CHCH2-C-CHCH3

I

I

n-PrCH,OH

i-BuzCuLi

I

CH3CHCH2+C-CHCH3 CHI HO CHj

I

CH3

I

/I

( a partir

I

O CHI

de i-BuOH)

CH3CHCOCI

I

CH3 (corno cn 8g)

(e) O2N @HCOOH

0 2 N o y H C = N

,C HN + o , N o CHO

OH (página 751)

Ph

# I

(f) PhCH2+C-CH3 1

+ "

PhCH,MgCl

+

PhCOCH3 (página752)

1

OH

Ph

EtMgBr

"1 -I

PhBr

Brl. Fe t "

AlCl,

PhCCl

PhCOH

O

O

I1

/I

363

ALDEHIDOS Y CETONAS

CAPITULO 21 CHI

1

CH,

I

calor

(h) CH3C"CHCOOH CH3CHCHCOOH

I OH CH 3

CH3

I

Hz0

I

C H ,CCH HK CH HC OH C N

I

OH

C',H.NH) El isómero trans tiene el fenilo axial; la unión por puentes de hidrógeno que incluyen al “ O H y a los oxígenos del anillo contribuyen a estabilizar esta conformaci6n.

ALDEHIDOS Y CETONAS

CAPITULO 21

Tollens reactivo deTollens 23. (b)reactivo de (a) (c) 2,4-dinitrofenilhidrazina yodoformo del prueba (d) (f) prueba de Tollens prueba (e) de Schiff o Tollens (g) ácido, luego la prueba de Schiff o Tollens(h)pruebadelyodoformo (i) 2,4-dinitrofenilhidzina,o bien, CrO,/H,SO, (i) Acido, luego la prueba (k) ácido y calor, luego la prueba de Schiff o Tollens de Schiff O Tollens

24.

(a)PhCOCH.,da la prueba del yodoformo positiva. PhCH,CHO da la prueba de Tollens positiva. Oxidar los tolualdehídos isoméricosa los ácidos mlúicoso ftdicos, e identificarlospor sus p.f. (b) La metial cetona da una prueba de yodoformo positiva. El hidrocarburo es insoluble en H,SO, conc. frío. El alcohol se pude oxidar aPhCOOH @.f. 122" C). (c) La cetona insaturada decolora BrJCCl,. al El alcano es insoluble en H,SO, conc. frío. El éterse disuelve enH,SO, conc. frío. El alcohol da inmediatamente un color verde conCrOJH,SO,. (d) p-C1C,H4CHzC1da AgCl con AgNO,. p-CIC,H,COCH, da la prueba del yodoformo positiva. EI compuesto nitroda prueba positiva paraN después de la fusión con Na.

25.

La prueba de Tollens indica que el citral es un aldehído; la ruptura en tres fragmentospor oxidación indica dos dobles enlaces. Reuniendo los fragmentos de acuerdo conla regla isoprénica

f

llegamos a:

El citral a, como el geraniol, tiene yHCH, trans; el citralb, como el nerol, tiene H y CH., cis.

ALDEHIDOS Y CETONAS

26.

CAPITULO 21

Evidentemente, el compuesto es insaturado (KMnO, positivo) y es una cetona (NH20H positivo, Tollens negativo). La primera hidrogenacih da una cetona saturada (KMnO, negativo, NH20Hpositivo); la segunda daun alcohol (Kh4n0,negativo,%OH negativo, CrOJH2S0,positivo). Laf6rmula del alcohol indicala presencia de un anillo. C l o H z z O alcohol saturado de cadena abierta C I O H 2 , 0 carvomentol 2H faltantes, significa 1 anillo

-

Si reunimos los fragmentos de oxidacidn, tomandoen cuenta la regla isoprhica, HOOC c\ c- C\

COOH

/,

C-- COOH

C ,'

O

~c-c

-

c\ c/

O

:"c,

C"C

O ,A

4

e-c

\C - c

c, e-c /,c "C '\ c-c

o

c/

/I

\

c-c

//

O

c\ C"C, C'

/

C-COOH

'C

c,

HOOC-C

t-

COOH

C-C

/,

:"-c, \

c-c

,5

c-c

//'

concluimos que la carvotanacetona es

Carvotanacetona

27.

(a> CH,CH>.CCHi

II

\

(b)

CH--CHO

(C)

CH,-CH"CH"CH3

I

CH3

O

OH

3-Buten-2-01 Isobutiraldehído2-Butanona

(V&nse los espectros acotados quese indican en la p4g.857 de esta Guíade Estudio.)

28.

(a) CH,C'H2CH,CCH2CH2CH, I1 O

(b) CH3CH,CH,CH,CCHCH3

It

O

3- Heptanona

4-Heptanona

(c) C H 3 C H 2 C H , C H 2 C H 2 C C H ,

II

O 2-Heptanona

( V h s e los espectros acotados que se indican en lap4g. 858 de esta Guía de Estudio.) 371

ALDEHIDOS Y CETONAS

CAPITULO 21 CHI

29.

(b)

(a) CH,CH,CH,CCH,

II

I

CH,"CH--C--CH,

,I

O

(c)

CH3CH2CCH, I

O

2-Pentanona Isopropil metil

cetona

O

metil Etil

cetona

(Véanse los espectros acotados que se indican en la pág. 859 de esta Guía de Estudio.)

30.

p-CHJOCbHdCHO p-CHJOC6H4CCHj

C~H~-C-CH(CHA)~

O

O

p-Metoxibenzaldehído

,p-Metoxiacetofenona

Q

P

Isobutirofenona (Isopropil fenil cetona) R

(Véanse los espectros con acotaciones de las págs. 860 y 861 de esta Guíade Estudio.)

31.

CH,, CH,

CH, ,CICH~~CH~~CH,~~CH~~CH~~CHO 3,7-Dirnetil-6-octenal Citronelal S

( V h s e los espectros con acotaciones dela phgina 862 de esta Guía de Estudio.)

22 Estereoquímica 111. Ligantes y caras enantiotópicasy diastereotópicas

Dos pares

373

d

ESTEREOQUIMICA 111

CAPITULO 22

Un par

22.3

Ninguno

Un par

En estos casos, la cspccificación se rcficre a la cara que se encuentra volteada hacia arriba y hacia nosotros. (a) C,H,

\(.’

oI

Kc

H

H

‘\ / C

C 2 H j

(b) cHi,

oI1

c

,,CHI

(C)

b

cH,$H

cH--/H

C

I

H

C

/ \

H

H

Dos pares de carasenantiotópicas

ESTEREOQUIMICA m

CAPITULO 22

(dl

Y$:.

w,

CH.3

SCH 3

+OH

+O CH,

H

OH

H T i H R

.,I*H

CH, diasterotópicos Ligantes enantiotópicos Ligantes Ligantes Ligantes (VCase la respuesta al problema 8(g), pág. 66 de esta Guia de Estudio)

CH,

CH3

CH,

H T O H RCH3

enantiotópicos enantiotópicos

diastereotópicas Caras

Ninguno

k

n

I

I

HS HK LigantesenantiotópicosLigantesenantiotópicos Ligantes diastereotópicos

Ligantes enantiotbpicos

Caras enantiotópicas Caras enantiotópicas Caras diastereotópicas

It

,í. Dos pares equivalentes de carasenantiotópicas

Ligantes diastereotópicos

Re

S1

Caras enanfiotópicm

CAPITULO 22

ESTEREOQUIMICA III

2. Alcohol (a)

OH

I.

(b) NADD.

OTs

OH

I1

I

La inversión en la hidr6lisis del tosilato da el etanolI, el cual, por supuesto, transfiere D al NAD+ paradar NADD. 3.

z

Z

Z

NADD(iv) NADD(i) NADH

El NADD(v)es una mezcla:44% de NADD(i) y 56%de NADD(iv). No es sorprendente sea (casi) no estereoespecífica. que la reducción química del NAD+ Resulta claro quela transferencia de hidruro es estereoespecífica, no sólo con respecto al etanol/acetaldehído(Sec.22.4) sino tambi6n con respectoal NAD+/NADH. El NADH contienedoshidrógenos,químicamenteequivalentesperoestereoquímicamente no equivalentes: enantiotópicoso diastereotópicos. (En realidad, debido ala quiralidad del resto de la mol6culade NADH, son diastereotópicos.) El NAD+ S610 contiene un hidrógeno en esta posición,y evidentementees no saturado; contieneun par de caras enantiotópicas o diastereotópicas.

Z

2

NAD

NADH

(i) Cuandose reduce (enzimáticamente) porCH$D,OH, el todo el D se transfiere justo a una de las caras delNAD'; el NADD(i) formado contieneD tan sólo en una de las dos posiciones estereoquímicas.

-1

Z NAD'

Z

NADD(I)

ESTEREOQUIMICA TI1

CAPITULO 22

(ii) Ahora, cuando se usa el NADD(i) para reducir el CH$HO, la reacci6n es la inversa de aquellaen la que se formó el NADD (i) +talizada por la misma enzimay pasando a través del mismo estadode transición- y el hidr6geno se transfiere de regreso desde la misma posición estereoquímica en la cual se había recibido; solamente se transfiere D, y el NAD+(ii) formado queda sin D.

z

NADD(1)

Z NAD'()]) No contiene D

(iii) En seguida, el NADD(i) se utiliza para reducir un compuesto diferente -un aldehído distinto (Sec. 38.3)-, la glucosa. Esta reacción también es completamente estereoespocífica,catalizada por unaenzima diferente; y, comosuelesuceder,tiene exactamente la estereoespecificidad opuesta de a la lareacción con el acetaldehído. Ahora solamente se transfiereprotio el del NADD(i),y todo el deuterio permanece en el NAD+ (iii).

2

NAD+(¡¡])

NADD(i)

Z Contiene un D por molécula

(iv) Cuandose reduce el NAD(iii)por el CH$$OH ordinario, recibe,por supuesto, un protio ordinario. La reacción (iv) tiene exactamente la misma estereoquímica que la la misma a caradel NAD+. Pero esta elvez D ya reacción (i),y el hidrógeno se llega a unir estaba presente en la molkula, y es el hidrógeno el que ahora se unid. El producto NADD(iv) es el estereoisómero de NADD(i).

(v) Comenzamos nuevamente con NAD+ ordinario y lo reducimos químicamente en un D por moltkula. Pero ahora presencia de D,O. Nuevamente el NADD formado contiene en la reacción participan reactivos químicos ordinarios, y esta es casi completamente no

ESTEREOQUIMICA III

CAPITULO 22

estereoespecífica. ElD se une a cualquier caradel NAD+,y el NADD(v) obtenidoes una mezcla de NADD(i) y NADD(iv).

Z NAD'

Z

2

NADD(¡) NADD(1v) (56'A (44 ;;) NADD(v)

(vi) Cuandose reoxida NADD(v) por el CH$$OH, el hidrógeno es transferido,por supuesto, pero a partir solamente de una posición estereoquímica: UM parte de & t e es se mantiene el deuterio (44%)que deuterio (56%),y el resto es protio. En el NAD+ (vi) ocupaba la posición opuesta. Así, el NAD+(vi) UM es mezcla 56:44 de NAD+ (ii)y NAD+ (iii).

Y

2

NADD(1v) (448,)

Y

D

Z NAD'(¡¡¡) (44"")

Para un análisis general,v h s e Levy, H. R., Talalay, P. y Vennesland, B., "The Steric Isotopes", Courseof Enzymatic Reaction at Meso Carbon Atoms; Application of Hydrogen Progress in Stereochemistry; Butterworths, Washington, 1962, Vol. 3, págs. 299-344. Véase tambiCn Loewus, F. A., Westheimer,F. H. y Vennesland B., "Enzymatic Synthesis Am,Chem. Soc., 75,5018 (1953);Westheimer,F. H., of Enantiomorphsof Ethano-1-d",J. Adv. Phys. Org. Chem., 21,1(1985). 4.

(a) La (S)-Alaninase deberá formar a partirde la amida V. No se rompe ningún enlace en el carbono quiral en este paso, y la reaccióndeberA ocurrir con retención.

CAPITULO 22

ESTEREOQUIMICA III

ti.

H Acido l-acetmid opropenoico

5.

Podemos usar la misma posición queen la figura 22.3 (pág. 799). Colocamos la molécula de etanolen la posiciónde enlace (u) de la única manera en que puede ajustarse: con H, el en el agujero pequeño y 4 apuntando haciaarriba. Solamente H este que apunta hacia arriba NAD+. se puede transferir al

6.

(a)Krebsconsideróquelamoléculadelácidocítrico era simétrica y quecontenía exactamente dos grupos“COOH terminales equivalentes. En la conversión al ácido acetoglutíirico,éI esperabaun “revoltijo” de la marca isotópica entre los dos grupos “COOH del producto. Este razonamiento fue aceptado por los dos grupos de investigadores que llevaron a cabo los experimentosde marcaje (en 1941y 1942). y ambos grupos concluyeron que el ácido cítrico no podía serun intermediario en la formación del ácido a-cetoglutárico. (b) La línea de razonamientono es válida. Reconocemoslos dos grupos “COOH como enantiotópicosy como estereoquímicamente no equivalentes; una enzima podría distinguir uno de otro y dar los resultados del marcaje observados. (El hecho de que una enzima pueda diferenciar tales grupos fue seilalado por A. G . Ogston en 1948; sus ideas, en última instancia, dieron lugar al conocimiento que tenemos hoy día sobrela discriminación estereoquímica.)

(c) EI ácid0 cítricopuede ser un intermediario en el proceso -y, en efecto, generalmente se acepta quelo es.

CAPITULO 22

ESTEREOQUIMICA I11

Si:a, b, d, e, f. No: c.

7.

(a) El carbono de carbonilo tiene caras queno son equivalentes, las cuales, debido ala quiralidad en C-2, sondiastereot6picas; la uni6ncon el hidruro podríasuceder la reducci6ndel preferencialmenteencualesquiera de estascaras.(Compáresecon acetaldehído en la Fig. 22,2. pág. 792.)

I

CH,

CH;

Reacción en caras diastereotópicas

(Los estudios con deuteriohan demostrado que, con alcohol-deshidrogenasa la como enzima, el hidruroen realidad se adicina solamente a m la a Re.) &)Los grupos-CH,OH en los dos extremoslade molkula son enantiot6picos; dependiendo de cuál de éstos reacciona,se formara unou otra de un par de enantiómeros.

CH20H C'H,0P0,H2 ,CH,OH +OH CH,0P03H2

CH,OH en

~~

f

+OH

.+-OH

JH,OH

Reacción ligandos enantiotópicos

Enantiómeros

(El trabajo realizado a base de marcado con 14' demostr6 que la glicerol quinasa solamente cataliza la fosforilación en los grupos pro-4.) (c) Los dos grupos "€$OH son estereoquímicamente equivalentes; cualquiera que sea el extremo que reaccione, el producto será el mismo.

CHzOH CH20POjH: CHzOH

H$: HO CHzOH

-

H$:ZHH$:ZH

CH,OH

CH20P0,H, Idédcos

CAPITULO 22

ESTEREOQUIMICA III

(d) Como en (b), los grupos C1 > Br > I. (b) Atractor de electrones.

Para el anih, una estructura como &a implicaría la separaci6n dea l scargas positiva y negativa doble.

23.9

(a) Se rompe elenlace C 4 H :

0)Se rompen el

enlaceC 4 H del ácido,y el CO-H

del alcohol:

E g n-CIIHZ3CH2Brt-(a)

(b) n-CI,HZ3CH2COOH n-CIIH,,CH2MgBr O bien, através del nitrilo:RBr

"+

RCN

"+

RCOOH

H2C"CHz

\o/

(c) n - C I I H z 3 C H 2 C H 2 C H 2 0 Hf-" n-CIIHZ3CH2MgBr

(d) n-CloH21CH=CHZ

(e) n-C,oH21CH2CH3

+KoH(a'c)

Pt

n-CIIHZ3CH2Br +" (a)

n-CloH21CH=CH2

t-

(d)

+ "

(b)

OS

23

ACIDOS

(i)

n-CloHzlCOOH n-CloH21C-CH3

c- ( 9 )

/I

(Sec. 18.9)

O

(j) n-C,,H25CHOH-CH, CH3

I I

(k) n-C12H25C"CH3

n-Cl2Hl5MgBr n-C12H2,Br

HOOCCH,CH,COOH

16.

CH,COOH

Cuanto más débil sea el ácido, tanto más fuertemente básico será su anión. NaCzH, > NaNH2 > NaC"CH

17.

j

> NaOEt > NaOH > NaOOCCH.3 > NaHSO,

La separaciónes aquíexactamente como se describe en la sección 23.4, en dondeel formiato porque de sodio toma el lugar del bicarbonato de sodio. Se elige el sodio formiato de cl ácido más débil que el o-clorobenzoico. fórmico es más fuerte que el benzoico, pero o-C'IC,H,COOH Acido más fuerte K , I20 * I O

+

HCOO Base más fuerte débil

T.+

o-ClChHeC00 Base más débil

t HCOOH

Acido m á s

K , 17.7

i

I O

CAPITULO 23

ACIDOS CARBOXILICOS

18.

Los factores estkricos controlan en la esterificación(o en su inverso, la hidrólisis): cuanto más impedido se halla un ácido o alcohol, tantomás lenta es la reacción. En particular, el orden usual para alcoholes es MeOH > 1 > 2" > 3'. (a) MeOH > n-PrOH > .crc,-BuOH > alcohol t-pentílico

19.

23.8 que se presenta a continuación.

(a)Vealafigura

COOH

COOH

1

CH3

COOH

COOH

COOH

COOH

I

1

I

1

I

I

CH 8

Acido eritro-2,3dibromobutanoico Racémico Ao B

CH 1

Acido treo-2,3dibromobutanoico Racémico BOA

Figura 23.8 Bromación a del ácido Pbromobutirico (problema 19a).

(b) Vea la figura 23.9 que se muestra a continuación. OH

I

COO H

COOH

Idénticos

Figura 23.9

Acido meso-tar&ico Aquiral C

Hidroxilación de k i d o fumárico con HC0,OH (problema 19.b).

CAPITULO 23

ACIDOS CARBOXILICOS

(c) C,H8Br, - C6Hs = CBr,, lo que indica queel metileno CBr, se agregaal dieno. (syn) de la adición delCBr,. La estructuracis de D, E y F se deduce de la estereoquímica

DBr

Y

Y

adcsyn.

;

\

H O O C C H BrZ ~H:, ~ N I ~ HOOCCHl-"

KM&,>

Br

~

HOOCCH2---,

HOOCCH,

H

H

H

E

D

F

Un compuesto meso

20.

HC-CH

-

+ CH,MgBr

Acido &S fuerte

CH,

+

Un compuesto meso

HCXMgBr

Acido m á s débil

c;

-

El compuesto I sufre hidratación,la que podría suceder con dos orientaciones, a o b:

CCOOH

HC

7 -~COOH

1

H~-C

;-c.+

H C-~C--COOH

I

1

HO H

%

t'Iu1om.

H-C

o

Enol

I

H

tautom.

___f

CHI-

CH,--COOH

Aldehído

C- -COOH

Noseform

o

OH t no1

Cetona

El hecho de que J se oxide aun ácid0 sin pérdida de carbono nos revela su estructura e indica que la orientación es como en a. H - C ~CH?--COOH

o 11

21.

(a)NaHCO,(ac) (d)AgNO,

KMnO

>-

HO-C -CH2~

O

J

(b) NaHCO,(ac) (e) NaHCO,(ac)

C~ OH

o

Acido malónico

(c) NaHCO,(ac)

(0 NaHCO,(ac)

Precipitado de AgCl en (d); desprendimiento de COZtodos en los demás.

ACIDOS CARBOXILICOS

CAPITULO 23

Acido benzoic0 p.e.bajo

Benzoato de sodio p.e.alto (desc.)

(a) (b)

p.f.bajo

p.f.alto (desc.)

(c)

insoluble H,O

soluble H,O

(4

soluble E$O

insoluble EGO

ionización (e)completa ionización completa

(0

ionización parcial

(g)

ácido más fuerte, base más débil base

ionización completa

ácido más débil, más fuerte

Esta comparación generalmente es válida para Acidos carboxílicos y sus sales. (por lo común, sólo son solubles en agua a ls sales de los metales alcalinos.) 23.

(a>

RCOOR' RCOOH,

(líquidos)

+ RCOOR' HzO

RCOO-Na+

7 HCi(aC)

Seque; destile.

RCOOH

Extraiga con éter; seque; destile

(b) El Acid0 n-butirico es demasiado soluble en agua para utilizar el procedimiento (a). RCOOH, ROR (líquidos)

RCOO - N a '

+

HzO

I1 H?O,evap.

RCOO - Na

+

H,SO, conc.

RCOOH Destile

ROR

__

Seque; destile

CAPITULO 23

CARBOXILICOS

ACIDOS

(c) Como en(b), pero quedando 1-hexanolen la capa orgánica. (d)

R C O O ~N a - , R,COH (sólidos) éter

RjCOH

+

Et20

i

RCOO N a '

I "

" "

I 1 , O c\.iip.

"~

.

Recoja sobre filtro

R {COH Recoja el rcsiduo

24.

(a) KMnO,.

(b) CrO,/H,SO,.

(c) El ácido mesotartárico reaccionaKMnO, con caliente; análisis elemental paraotros los tres ácidos. (d)Eláccidovaleri~micodapruebadel hal6genonegativa;utiliceequivalentesdeneutralización para los demás. (e) Equivalentes de neutralización; o bien, el kido 3-nitroftálicoda un anhidrid0 @.f. 162"C, compuesto neutro) cuando se le calienta. (f) El ácido cinámico reaccionacon KMnO,; análisis elemental para losotros.

(g) Ensaye las pruebas más sencillas primero; una si de ellas es negativa, asiga lapr6xima. (1) Sólo el ácido 4-metilpcntanoico reaccionará con NaHCO, (ac) con desprendimiento de CO,, y se disolved. (2) Solamente reaccionará con AgNO,, el cloruro a-feniletilo, de para dar un precipitado de AgCI.

( 3 ) Sólo la o-toluidina es suficientemente básica para que se disuelva en HCl (ac) diluido. (4) Linalool es el Único alcohol y el único compuesto que responderá con rapidez al reactivo CrO,NSO, (naranja rojizo"+verde).

(5) P-Cloroestireno es elÚnico alqueno; ensaye conKMnO,, frío (rojo-violeta)"+ MnO, (café). (6) Trate de disolver la sustancia desconocida en H,SO,, concentrado tibio. De las posibilidades que restan, sólo son insolublesen H,SO,, concentrado tibio la cis-decalina y el 2,4-diclorotolueno;y de Cstos, hicamente el 2,4-diclorotoluenodará una prueba

OS

23

ACIDOS

positiva para C1 en un adlisis elemental, al ser fundido con sodio. (El isodureno sc sulfona con facilidad medianteH2S04 concentrado los demás forman sales de oxonio solubles, R,OH+HSO;.) Si la sustancia incógnita se disuelve&SO, en concentrado tibio, siga a (7). (Restan tres posibilidades.) (7) Someta la sustanciadesconocida unaa fusión con sodio y a un analisis elemental para el se trata de o-cloroanisol. hal6geno. Si se observa prueba positiva para C1,

(8) Si la prueba (7) es negativa, la inc6gnita (reducida ahora a dos posibilidades) debe ser un éter o un hidrocarburo, p-cresil etil éter o isodureno. El éter podrá ser roto por HI concentrado y caliente, dando EtI, P.e. 72°C; si la prueba es negativa, la sustancia desconocida debe ser isodureno.

25.

K, m-C1C6H4COOH; confirmarmediante su amida(p.f.134"). tiene E.N. 201.)

(m-BrC6H4COOH

L, ácidoadípico o 2,4,6-Me3C,HzCOOH; ; se lferencia porelequivalentede la), o mediante el Csterp-nitrobencílico (106" C contra 188°C). neutralización (73 contra M, 2,5-Cl2C,H3COOHo p-C1C,H40CH2COOH; se diferencianporsusamidas (155OC contra133°C). N, trans-CH,CH=CHCOOH o PhCHzCOOH; se distingucnporlaacci6ndel KMnO,; o bien, mediante la oxidación delPhCH,COOH a ácido benzoic0 (p.f.122"C).

O, CH,CH2CHOHCOOH O ICHzCHzCOOH; s e distinguen medianteun análisis elemental. P,HOCH,COOH; confírmelo mediante su amida (120"C), o su éster p-nitrobencílico (107°C). (El &ido a-hidroxiisobutirico un es alcohol 3", negativo frente a CrOJIzSO,.)

12.4 x 0.098 equiv. de ácido = 0.201 g 1000 1 equiv. de ácido = 0.201 x

1000 ~~

12.4 ~

x

1 = 165 0.098

El ácido es o-02NC6H,COOH, E.N. calc. = 167) (El Acid0 antranílico, o-H,NC,H,COOH, tiene un E.N. de 137.)

27.

El punto de partida más adecuado para resolver este problemaes T, p.f. 121-122"C, E.N. 123 + 2. Un poco de arirmética química. 405

ACIDOS CARBOMLICOS

CAPITULO 23

-

I23 ? 2 T 45 PCOOH 78 k 2 da C,H,-, p.m.77

y una mirada ala tabla23.1,página 804,indican quese trata deAcid0 benzoico. Por lo tanto, S debe haber tenido una sola cadena lateral.( M A S cadenas laterales habrían dado, desde luego, un ácido con más de un grupo "COOH.)

Latabla15.l,página525,indicaquelaúnicaposibilidadparaSesetilbenceno(p.e. 136°C). Por lo tanto,Q es uno de ires isómeros: Et

Et

S

Q

Pero la oxidaci6n Qdedio R, que debe ser Acid0 isoftdico;puesto que éste es idmero el meta, también Q debe ser elidmero meta.

Q Acido m-etilbenzoico E.N. calc. 150

R

Acido isoftálico P.f. 348°C E.N. = p.m./2 = 83

La oxidaci6n deU da un ácido V, de p.f. muy elevado y que no aparece ni en la tabla, 23.1,ni en la 23.3.La aritmética química, Ensaye : E.N. = p.m./l

~

p.m. COOH

7

70 -~45 P

2s insuficiente para anillo bencénico

Ensaye : 2

E.N. = p.m./2

p.m. -COOH

140 - 90 -

Ensaye :

:

"

3

N.E. = p.m.13 p.m.

COOH

210

=~

insuficiente para anillo bencénico

C,,tlI

135 15

~~

50

:

75

indica queV debe serun ácido tricarboxílico,C,H,(COOH)I.. Por tanto, U debe ser un ácido dimetilbenzoico, (CH,),C,H,COOH. Tablas más extensas de constantes físicas demostmrán que V es 1,3,5-C6H,(COOH),, lo que significa que la orientación de grupos en U es

ACIDOS CARBOXILICOS

CAPITULO 23

COOH

28.

COOH

V

U

Acido trimésico P.f. 380°C E.N. calc. 70

Acido 3.5-dimetilbenzoico E.N. calc. 150

(a) El ácido trópico contiene"COOH y un grupo alcohol 1" o 2"; y, puesto queel kid0 a cadena deanillo trópico de ácido benzoico, todo esto debe encontrarsesolen una lateral un bencénico.

El Acid0 hidratrdpico tiene el mismo esqueleto; sin embargo, ya que el " O H ha sido om grupo funcional aparte del reemplazado por "H, su cadena lateral no contiene "COOH.

Hasta este punto, losAcidos podrían ser: Ph -CH--COOH

I

CHzOH

+ Ph-~CH-PCOOH CHI

O

Ph- CH- CH2 -COOH

I

O

OH PCOOH

Ph--~CH*--CH*

Ph- CH?-~~CH--COOH OH

Acido trópico: estructuras posibles

Acido hidratrópico: estructuras posibles

(b) Con base en la síntesis siguiente,

CHI

Acido hidratrópico 407

CAPITULO 23

ACIDOS CARBOXILICOS

podemos asignar las estructuras que siguen: Ph

CH COOH

Ph C--COOH i' CH?

CH~OH

Acido trópico Acido atrdpico

29.

Siguiendo el procedimiento general descrito en el cuadro de la página 251 de esta Guía de Estudio, se hace un poco de aritmktica química,se delinean las estructuras tentativas,se eliminan los isómeros imposibles y se intenta decidir considerando los idmeros posibles C,HSCIO2

(a) ~~

c-00~

c, H ?CI

~

~

(tentativo para señal 6 11.22) significa un gruposaturado equivalente a C,H,

Es posible escribir dos estructuras:

De ellas, S610 la primera puededar una seííal3H; el compuesto es 11

/I

C H I - C,-H

recién visto: formiat0 de n-butilo acetato de isopropilo propionato de formiato de isobutiloacetatoden-propilo formiato de sec-butilo formialo de t-butilo n-butirato de metilo isobutirado de metilo

DERIVADOS FUNCIONALES DE LOS ACIDOS CARBOXILICOS

CAPITULO 24

(b) Obviamente,Cstos contienen un anillo aromhtico.Por ejemplo, C,,%02- COOCH, =

C6HS

Benzoato de metilo Formiato

de bencilo Acetato

Formiato de o-cresilo

de fenilo

Formiato de p-cresilo

Formiato de m-cresilo

(c) Estos son diésteres (por eso hay cuatro oxígenos): -

C,H , 2 0 4 2 COOCHJ C?H6 lo que significa una cadena abierta sat.:

C

4-C-C--

,

-c-c-,

c

Las tres posibilidades son: y

?

CH30--C-CH2"CH--C-OCH,

CH,O-C-CHzCHzCHz"C--OCHi 11 I¡ O O

I1

Glutarato de metilo y

3

CH,O-C-C"C"OCH, 11

I

~1

O CH3 O Dimetilmalonato de metilo

2.

(a) n-C,H,COOH Acido n-butírico

(b) n-C3H,COOCH(CH3)2 n-Butirato de isopropilo

(d) n-C,H,CONH, nButirato dep-nitrofenilo

I:

O O a-Metilsuccinato de metilo

n-Butiramida

I

"C

C

CAPITULO 24

(e)

DERIVADOS FUNCIONALES DE LOS ACIDOS CARBOXILICOS

::

cH3O$xz~ - c 3 H 7 - n

(f 1 no hay reacwión

n-Propil p-toluil cetona (p-Metil-n-butirofcnona)

(8) n-C,H,COONa n-Rutirato de sodio

(h) n-C,H-COOEt Y AgCl n-Rutirato dc etilo

o (i)

I1

n-C3H7 C

NHCH,

N-Mctil-n-butiramida t

( C l 1 3 ) 2 N f 4 2' CI Cloruro de Dimetilamonio

CHINHJ'CI

Cloruro de mctilamonio

(I)

(k) no hay reacción

0 NHPh n-Butiranilida

~I-CIH:C

PhTuH3'CI Cloruro de anilinio

(m)

PI1

C

C ,H7-n

o

tr-C3H7

producto indicado.

Acetato de isopropilo

Acido acético (Dos moles)

o 'I

C

de kid0 acético junto con el

(b) CH,COOCH(CH,):

(a) 2C:H,COOH

CH,

PI1

1,l-Difenil-I-butanol

En (b), (c), (e), y (1) se forma una cantidad equimolecular

(C)

Ph OH

n-Butirofenona (Fenil n-propil cetona)

3.

(n)

C)(~)~O~ -~ i

Acctato de p-nitrofenilo

+ CH,COO N H , ' Acctamida Acetato de amonio

(d) CH,C'ONHI

CAPITULO 24

DERIVADOS FUNCIONALES DE LOS ACIDOS CARBOXILICOS

(f) no hay reacción O

Metil p-tolil cetona @-Metilacetofenona)

(g) CH,COO-Na+

(h) CH,COOEt

(i)

o

+

CH,COOAg Acetato de etilo Acetato de plata

Acetato de sodio

O

11

CH3-C-NHCH,

N-Metilacetamida

+

(j)

I"

CH,--C-N(CH,)~

N,N-Dimetilacetamida

+

CHlCOO"H3NCH3

Acetato de metilamonio

(k) no hay reacción

(1) CH,CONHPh Acetanilida

4.

(a) Na' - 0 0 C C H 2 C H , C 0 0 - N a ' Succinato de sodio

(c) HOOC(CHJ2CONH2 Acido succinámico

(b) NH,+ -0OCCHZCH2CONH2 Succinamato de amonio

H2C " /

II

O Succinimida

(e) HOOC(CHJ2COOCH2Ph Succinato ácid0 de bencilo

5.

(f) CHI a C ( C H I ,)2COOH

O Acido & @-toluil) propiónico

(a) PhCHzCOOH + NH,Cl

(b) PhCH,COO-Na+

(a) PhCH2COOH + NH,Cl

(b) P h C H 2 C O O - N a + + NH,

+ NH,

CAPITULO 24

7.

DE LOS ACIDOS CARBOXILICOS

DERIVADOS FUNCIONALES

En cada caso se forma una cantidad equimolar de metano1junto con el producto indicado.

(a) n-PrCOOH

(b)

Acido n-butírico

(c) n-PrCOOCH(CH,),3

(d) n-PrCOOCHzPh

n-Butirato de isopropilo

n-Butirato de bencilo

(f) Ph2C(OH)CH2CH2CH3

(e) n-PrCONH2

1,l -DifeniI-I-butanol

n-Butiramida

(h) n-PrCH20H

(g) ( ~ s o - B u ) , C ( O H ) C H ~ C H ~ C H ~ 2,6-Dimetil-4-n-prapil4-heptanol

(c) Ph-C

n-butílico

' 8 0

1 8 9 I'

IWCH

n-PrCOO-K+ n-Butirato de ptasio

..t-

¡I

Ph-C-CI

( d e a)

+

Alcohol

CHjt80H(deb)

Lahidrólisisde PhCO1*OCH, o de PhC'80180CH,da CH,l*OH; la hidrólisisde PhC"OOCH,da CH,OH.

CH.,"CH,Li

PBr\

C-

CH3"CH20H

+LiA'''4

CHI,14COOH

CH3MgBr t "

"TO2

14CH3fCH20H

(e) Ph14CH2CH3

HCHO



híbridoAnión Forma ceto

I

~C C

:B+ Base

OH 1 Forma enol

Tautomerización catalizada por ácido: H

-C-C-

Catión

I

OI' Forma ceto

+ H:B e Acido

H : B + -C-C11

3 OH

!

e

I

H:B+ Acido

I

C C OH I

Forma enol

(b) y (c) El enol esd estabilizado por: (i) la conjugaci6n delC= O restante con elC=C,

y (ii) el puente de hidrógeno intramolecular:

I

-c-c-cI1

I

~l

,yC \

PC

I

c-

/: OH O Forma enol Conjugación Quelación Compuestos 1,3- o Pdicarbonflicos O H 0 Forma ceto

24.

(a)

CI~H~OO material , partida de

- C1oH1402 compuestoA C2 H6 0 lo que significa p6rdida de EtOH

CAPITULO 25

CARBANIONES I

La pérdida deEtOH sugiere una condensación de Claisen interna entre grupo el &ter y un carbono a de la cetona. Dea ls dos posibilidades, escogemos la queda un anillo de seis miembros.

La pérdida de 2C,H,OH sugiere una doble condensación de Claisen.

.. + enantiómero M

o l

o

Las proporcionesde a:b, y de 2d:c son iguales;el valor de las mismas(5.6: 1) indica quehay aproximadamente un 85% de enol.

Todo es enol.La conjugación del doble enlace cubone-carbono con el anillo estabilizael enol y excluye a la forma ceto.

(Véanse los espectros rotulados la depág. 872 de esta Guía de Estudio.)

26 Aminas I. Preparación y propiedades fisicas

26.1

RNH2, RH, RCOOH HCO,-(ac)

4,

J.

RCOO H +(ac)

RCOOH

RNH2, R H Hi (ac)

'.

La mezcla sólida se puede tratar directamente colectando cada compuesto insolubre en un filtro. Los líquidos son más fáciles de manejar si previamentese disuelven en éter;los componentes de la mezcla se separan mediante un embudo de separación, considerando que las sales solubles en agua serán insolubles en éter, y que los compuestos insolubles en agua serán solubles en éter. 26.2

Al igual que el amoniaco, el carbanión tiene una barrera energética, ybaja fácil de superar, son imágenes especulares entre sí. La uniónde un cuarto entre los arreglos piramidales que grupo al carbanión puede ocurrir sobre cualquier arreglo, y dar así la modificación rackmica. 465

AMINAS 1. PREPARACION Y PROPIEDADES FISICAS

CAPITULO 26

26.3

A temperatura ambiente, la inversión sobre el nitrbgeno lo suficientemente es lenta para que cis y dos protonestrans al la RMN detecte dostipos de protones en el anillo: dos protones etilo. A 120°C,la inversión es tan rhpida que los cuatro protones se ven en posiciones

promedio: son equivalentes.

H

H

26.4

H

(a) IV existe comodos pares de enanti6meros,y cada par es diastereomkrico conrespecto al otro. En un par, el-CH,y el 2 1 esth cis, y en elotro par, trans.

La interconversiónde diastere6meros requiere la inversi6n sobre el nitrdgeno,-la cual probablemente debido a la rigidez deldeanillo tres miembros" es tan lenta a25°C que los diastere6meros se pueden separar.

(b) La peroxidación de un doble enlace carbono-nitr6gen0, al igual quela de un doble enlacecarbonmarbono, produce un anillo rígido de tres miembros, que contiene nitr6geno y oxígeno.

Este existeen formas enantiomkricas: Ph

Ph

1

Ph

Ph

Enantiómeros

El estado de transición para laepoxidaci6n contiene tanto elcentroquiraldel peroxiAcido

como el centro quid que se desarrolla en el ep6xido; en consecuencia, existen configuraciones

diastereoméricas de diferente energía. Puesto que el peroxiácido es ópticamente activo, predomina un diastere6meroen el estado de transicidn, lo cual hace que predomine de uno los epóxidos enantiomCricos"y, por lo tanto,el producto es 6pticamente activo". (Este

AMINAS I. PREPARACION Y PROPIEDADES FISICAS

CAPITULO 26

proceso se conoce, como inducción asimétrica.) La interconversión de los epóxidos se lleve acabo UM inversi6n sobreel nitrógeno, la cual, como enantiomCricos requiere que en (a), evidentementees muy lenta.

(Brois, S.J., “Aziridines. XII. Isolation of a Stable Nitrogen Pyramid”,J. Am. Chem. Soc., 90 508 (1968).)

26.5

(i)DegradacióndeHofmann:

(ii) A travCs del nitrilo: n-CSHIINH2

H?, N I

CN

n - C 4 H P C ” N + rl-BuBr

PRri t-

n-BuOH

(iii) A VavCs del halogenuro:

26.6

(a) PhCHzNHz

d NH PhCHzCl

PhCHj

+‘I2’

O

NH2

(C)

PhCHzCHzNHz

(d) C H ~ Q N H ~

(e) PhNHz

OBr f

4

Hz, Ni

Fe, H+

PhCH>C=PhCHzCl N

CH3@O2

PhCONHz

NHI

t-

(Como en a)

H NH O~I ,S O I

PCI‘

PhCOOH

PhCHj KMnO

J

PhCH?

AMINAS I. PREPARACION Y PROPIEDADES FISICAS

CAPITULO 26

1.

(a) I " CH,CH,CH,CH,NH2 CH3CH2CHCH3

I

NH2 sec-Sutilamina

nSutilamina

CHI H

H

!

!

H

I

2" CH,CH2CH2--N--CH, CH3CH-N-CH3 CHjCHZ"N--CH2CH-, Metil-n-propilamina Metilisopropilamina

1

Dietilamina

CHI

I

3" CHjCH2-N-CH3 Etildimetilamina

(b) 1'

PhCH2NH2, bencilamina;

o-,

m-, y p-CH,CeHJNHZ a ( lstohidinas)

H

I

2" Ph-N-CH,,

N-melilanilina

3" ninguna

3.

(a) N% en exceso (c) NH;. H z . Ni

( c ) Hz. Ni (g) K > C r 2 0 -: SOC'I, : N H.? ; O B r

(b) (d) (f) (h)

Anilina: de (y, en condiciones muyvigorosas, a) Bencilamina: todas (exceptola primera parte de h) 468

C5H5NHCr0,Cl; N H 3 , H ? , N i Fe. H ' . calor 8 r 2 , OH HBr. N a C N ; H , , N i ~

AMINAS I. PREPARACION Y PROPIEDADES FISICAS

(b) n-BuCH2NH2

CAPITULO 26

CN c-

rc-Bu-C-N

YI-BuOH

rl-BuBr

EtBr

CH

1

e EtOH EtNHz

(d) C H I C HN - ~ C H L C H J H

-

CHjCOCH,

t CrO, "

CHICHOHCHI

"

Anhídrido acético (prig. 852)

(e) PhCHCH,

Ph-CCH,

iN H ' ' H z '

NHz

C6H6

O ~

-I

EtCOCl

(i)

,,-Bu

~

CH-Et

I

+

H 2 , Ni

t7-BU-C -Et IN

N HZ

O

SOCI,

t-- EtCOOH

(de n-PrOH)

n-BuzCuLi s L

n-BuLi

(de -BuOH)

Et Br (de EtOH)

(j) PhNH-Et H N O I Fe , H'

H2.501

PhNHz t " ChHh PhNO2

(1)

PhCHzCHCHz

I

N Hz

N H J H2 Ni

t--"- PhCHzC-CH, I1 O

c

t-

Me,CuLi

+Gl MeLi (de MeOH)

PhCHzCOCl

SOCI2 t -

PhCHzCOOH (página 811)

469

AMINAS I. PREPARACION Y PROPIEDADES FISICAS

CAPITULO 26

H:. N I

(n) PhCH-CH2 I

PhCH

1

OH NH2

5.

C--N

+!$&

PhCHO

PhCHC12

OH

(de PhCH,)

(a) El mismonúmero de carbonos:

(b) Un carbono más:

(c) Un carbono menos:

(d) Dos unidades C;,

6.

(a) BrCH2CH2Br

2CN~

NCC2HdCN

Cadaverina

red

(+8H)r H2N(CH&NH2 Putrescina

AMINAS I. PREPARACION Y PROPIEDADES FISICAS

CAPITULO 26

O

I1

P

o Anhídrido succinic0

9.

(a)Par de enantiómeros:carbonoquiral. (b) Un compuesto inactivo: aquiral. (c) Par de enantiómeros: nitrógeno quid (d) Par cis-trans inactivo: comparecon los ciclohexanos 1,4-disustituidos (Cap. 12). (e) Par de enantiómeros: molkula quiral. Los planos de los anillos son perpendiculares entre sí. (Compárese con el problema6, Cap. 12, pág.465.) espejo N

x

x

N

" No superponibles (f) Par de enantiómeros; nitrógeno quiral.

10.

(a)

(b) La configuración electrónica sobre C=N es similar ala de C=C ( S e c . 7.2,7.5 y 7.6). Donde los dos orbitales sp2 del C= es& unidos a dos sustituyentes, un orbital sp2 del N= contiene unpar de electrones no compartido. Larotación impedida sobre el doble enlace carbono-nitrógeno permite aislar los estereoidmeros. 471

AMINAS 1. PREPARACION Y PROPIEDADES FISICAS

CAPITULO 26

Ph2C-NOH : no (los dos grupos sobre el carbono tienen que ser diferentes, Sec. 7.6). Los OLTOSdos, sí.

(c)

,CHI

Ph,

N

\~

OH

C

,CHI

N

HO'

Ph, N

N\

Ph \

I

N

Ph Ph'

trans

Oxima de l a acetofenona

O

O Ftalimida Ada

tI-PrNH2 c'

+

cis

Azobenceno

8

O

O

O

ocOo A

N

,

B

Sal de la irnida

COO

D

(b) Debido a que Nelsólo se puede alquilaruna vez, la síntesis de Gabriel produce minas primariaspuras, libres de la contaminación de minas secundarias y terciarias. La síntesis se basa en la acidez del enlace N-H de la irnida (en la cual dos haygrupos acilo presentes que aumentan la acidez de dicho enlace).

27 Aminas 11. Reacciones

27.1

orto o para al "NH, estabiliza la amina a travksde

(a) Un grupo nitroenposición estructuras como

(b) Tales estructuras noson posibles para el idmero mera. (Trate de dibujarlas, S610 para cerciorarse.)

27.2

(CH3)3A:BF3

27.3

(a) I I1

"+

CH,CH2CH2CH2CH2NMe2 CH3CH2CHCH2NMe2

I

CH3

+

(b) CH3CH2CH2CH2CH2Br Me2NH CH3CH2CHCH2Br

I

+ Me2N

" +

-

CH3CH2CHCHZNMe2

CHI

27.4

I

--f

CH2"CHCH2CH=CH2

I1

"-+

CH2=CH"C-=CH2

I

CH3

CH,CH2CH2CH2CH2NMe2

calor isom.'

I

CH3CH =CHCH

CH3

:CH2

Dienoconjugado más estable

CAPITULO 27

27.5

AMISAS 11. REACCIONES

La eliminaciónE2deiones-omis (amonio, sulfonio)procedeatravés de un estado de transición semejante aun cxbani6n. La orientación es de Hofmann: hay UM separación que mejor puede acomodar la carga negativa parcial, preferente deun protón de el carbono es decir, se separa el protónmás ácido; por ejemplo:

(a) En este caso sólo puede suceder la eliminación en el grupo 2-metil-3-pentilo. La pregunta es: ¿de cuál rama de esegrupo se pierde el protón?

Hi

CH3

CH, I CH-,"CH-CH"CH"CH\

-%=

I

principal: Producto

'ON Me,

protón

CH3 I CH3--CH2 -CH P C - -CHI I 1 MeiN H

a

+

CH-,--CH-CH -CH"CH,

CH,-CH,-CH secundario: Producto del protón

Me,N

del C 2"

!

~

&CH,

+

CH3 MeiN

C 3"

(b) En este caso, la eliminación puede ser en uno u otro de dos grupos: un etilo O un n-propilo. ¿De cud de ellosse pierde el protdn?

Producto principal: protón delC 1 O

C'HZ-CH?

H

CH2C-H

0,

I

CH,~- CH-CH?~ -N~-~C -CH2~-CHI H2 I

H

CH2 - C H j

% C H J C H - - C H I + n-PrNEt? Producto principal: protón delC2"

(c) Como en (b), siendo los grupos etiloy 2cl0roetil0. + I

CH I

1

C H I --CH2--N~-CHr--CHCI

I

CHx

i

H

3 CH2CHCl

+ EtNMe,

principal: Producto protón delZ H 2 C l

AMINAS 11. REACCIONES

CAPITULO 27

(d) Como en(b), siendo los dosgrupos etilo y n-propilo.

Producto principal: protón del C 1 CH3

CH, -CH2

27.6

i'

,

' N - CHz--CH CH, 1 CHI

C H 2 - ~ - CC HH ,

I

+

EtNMe:

Producto principal: protón delC2"

H

(a) El ion etóxido es una base fuerte y produce UM eliminación E2 con la orientación de dtbiles, y la principal Hofmann esperada. El ion yoduro y el disolvente, etanol, son bases reacción esla eliminación El; se forma el catión 1-pentilo, el cual pierde un protón con la orientación de Saytzeff esperada.

(c) Aquí, la sustitución en competencia con la eliminación es SN2,con ataque preferencial en el grupo metilo menos impedido.

27.7

En el bromurode 2-feniletilo, elgrupo fenilo que atrae electrones está unido al carbono que pierde H; al dispersaruna carga parcial negativa, el fenilo estabiliza un estado de transición semejante a un carbanión y acelera la reacción. Br

6.

C H , ~-~CH+Ph H -B

CAPITULO 27

AMINAS II. REACCIONES

(Este efecto es adicional al ejercido en los bromuros de 2- y I-feniletilo: mediante la conjugacib, el fenilo estabiliza el doble enlace incipiente del estado de transici6n.)

27.8

(a)"@) En el ani6n del amoniaco, la carga negativa se l o c a l i z a sobre el nitr6geno. En el anión deuna amida, la carga es acomodada por el nitr6genoy oxígeno. En el ani611 de la diacetamida, la carga se acomoda por el nitr6geno y dos oxígenos, tal como se encuentra

en el ani611de la ftalimida (problema 24.10, phg. 857) o en el ani6n de una sulfonamida, y tiene definitivamente el mismo efecto sobre la acidez.

27.9

(i) El ataque nucleofílico sobre el azufre del grupo sulfonilo es más dificil que el araque sobre el carbono delgrupo acilo. El carbono del grupo acilo es trigonal; el ataque nucleofílico noe s a impedido, e implicala fomaci6n de un intermediario tetratklrico. El azufredel grupo sulfonilo es tetraMco; elataquenucleofílico esd relativamente impedido, e implicala uni6n temporal deun quinto grupo. O 4

R-C

\

W

+

O:Z

I I

Ar---S--W

I

R-C-Z ~

C trigonal Ataque relativamente libre O

"--f

+

O S tctraédrico Atuque impedido

:Z

W C tctraédrico Octeto estable

+ S pentavalente Deceto inestable

Sustitución nucleofílica en el grupo acilo

Sustitución nucleofílica en el grupo sulfonilo

(ii) El ataque nucleofilicoen el carbono de un grupo alquilo de un éster sulfónico es más fácil queel ataque en el carbono de un grupo alquilo de un éster carboxilico. El desplazamiento del ion sulfonato, menos bhico, es m& fkil que el del ion carboxilato. Así como el ion sulfonato se separa con mayor facilidaddel hidr6geno con su par de electrones

AMINAS II. REACCIONES

CAPITULO 27

que el ion carboxilato (como lo indica la acidez relativa de los dos ácidos), dela misma se separa delgrupo alquilo consu par de electrones más fkilmente manera el ion sulfonato que el ion carboxilato. O 1 9 Ar-S-O-R

I

4

R-Z débil:

”+

Z:

O

R”C

7

O

‘0%

”+ &,,

Z:

27.10

+

ArS0,Base buen grupo salieue

R-Z + R COOfuerte: Base

Ocurre ocasionalmente

saliente pobre grupo

Una explicaci6n lógica seria la siguiente. Sihay bien muy poca anilina libre presente, la que hay es mucho más reactiva que elion anilinio y da el productopara. (La activaci6n por el grupo amino es enorme;en la halogenaci6n en donde la protonacidn de la amina no es importante, ila dimetilanilina 1019 es veces m k reactiva que el benceno!) Sin embargo, a juzgar por el trabajode J. H. Ridd (University College, Londres), parece ser que el ion aniliniopor sí mismo sufre una considerable sustituci6npara. Ridd propuso se encuentra muy que, en comparaci6n con el -NC(CHJ,’, la carga positiva en el dispersa debidoal puente de hidr6geno entre susmuy iicidos protonesy las molkulas del disolvente.

-NH;

Un grupo “NH,aromático (Ka - 1 W o ) es considerablementem b débil queun grupo NH,alifhtico (Ka -lW5), y no puede neutralizaren forma apreciable algrupo “COOH (Ka 10-3. Por supuesto, Io que sípuede es neutralizar el grupo -SO,H, fuertemente hcido, como en el hcido sulfanílico.

27.11

-

(a) Cati6n n-butíico

27.12 (b)

HONO

CH3CH2CH2CH2NH2 CH3CH2CH2CH2(t

11’ -H+>

transp.

CH3CH2CHCH3

‘3

25 y”

n-BuoH CHjCH2CH-CH2 CHzCH

.

sec-BuOH

sec-BuCI

1

CHCH, 13% 3

: / o

AMISAS 11. REACCIONES

CAPITULO 27

27.13

(a)

I I transp.

i

:But

---r 1-BuOH

""t

catión 2O

H

(h) A r H

-t

H O N O ->

f\?' -+ O H NO

muc1

CAPITULO 27

AMMAS II. REACCIONES

27.15

(a) Ninguno de ellos. (i) Los dos grupos, -N(CHJ2 y "NHCH,, liberan electrones al anillo, casicon la mismaI intensidad (ii) Además del efecto estérico modesto, el nitrógeno al ataque. en los dosgrupos debed ser casi igualmente susceptible (b)Por supuesto, hay algo en lo que "NHCH, difiere completamente de-N(CH,),: primero contieneun protón unido al nitrógeno.

el

En ambos casos es probable que el ataque electrofílicoocurra inicial en el mismo lugar, m k disponibles: en elnitrbgeno, para aquel en donde los electrones no compartidos están formar un ion amonio cuaternario inestable. En el caso dela amina secundaria, en este intermediario el nitrógeno puede perder un protón paradar el productoN-nitroso. EstaN-nitrosucibnunaessustitución electrofílica en dos pasos análoga a la sustitución electrofílica aromática. NO

+

+

p3

CH3

I

Ph---N I

01

Ph"N--N=O

"--j

I

H

H

- 11

CHl

I

Ph-N--N=O Compuesto N-nitroso

En elcaso de la amina terciaria, el ion cuaternario intermediario no tiene ya protones que pueda perder. En lugar de ello, pierde NO' y se regenera la amina, la cual en un momento Ph NO+

~

N

I

-

N -O

No puede perderun protón

CH?

+ Ph-N

Compuesto C-nitroso

dado sufre una sustituciónen el anillo(nitrosucih en el carbono).Así, la C-nitrosaciónes la N-nitrosación fracasa. una alternativa que adopta la reacci6n cuando

27.16

Vea la página487 de esta Guía de Estudio, en dondese plantean los procedimientos que se siguen para resolver los problemas de síntesis de compuestos aromAticos.

m-Nitrotolueno

N2 +

e3

ÑH>

NO? NHCOCH,

CH3

(página 962) v

NHCOCHl

479 ..

I

x ,

*.

.~ ""

CAPITULO 27

AMINAS 11. REACCIONES

6

Br

6

G

C

iHIP02

Br Br Br

HONO

Br

6

Br NH2

1,3,S-Tribromobenceno N2'

0

COOH

Acido o-tolúico

Acido m-tolúico

0 N2 /\CHj

0

+

H20. t i + calor

H

3

iCuCN

4pHONO

0

(página 921)

6

NH2

2CH3 (página 962)

AMINAS II. REACCIONES

CAPITULO 27

m-Dibromobenceno I

O B r

&Br

(como el anterior)

m-Bromoyodobenceno

27.18

B

CH, r o Br

26Dibromo tolueno

H,PO>

CHj B r O Br

+

HONO

N2 +

Br

6 0

Br

+B r 6 j B r + m +

NH2 NO2

6,

NO2 (página 498)

Br W B r 3,5-Dibromonitrobenceno

27.19

N2+

(a) La atracci6n de electrones por parte de los grupos nitro hace que los iones diazoniosean más electrofílicos. (b) Es menos reactivo debido a la liberación electrhica por parte delgrupo 4

4.

27.20

Para prevenir el acoplamiento del ion diazonio lacon amina queno se ha consumido. En exceso de ácido,la mayorparte de la mina se encuentra protonaday, por lo tanto,no se y su velocidadde acoplamiento son bajas. puede acoplar. Laconcentraci6n de la amina libre

27.2 1

(a) En una amina aromática hay dos posiciones ricas en electrones, propicias un ataque para y el anillo.Al igual que en el caso del NO' (problema electrofílico: el átomo de nitrógeno 27.15), al ArN,' encuentra que el ataque en el átomo de nitrógeno es más fácil, y así forma el intermediarioI. En elcaso deUM amina primariao secundaria,I puede perderun protón para dar 11, un compuesto dzuzoamino, el cual esun idmero del esperado compuesto azo IV. Sustitución en el nitrtigeno R

II

Un compuesto diazoamino

481

CAPITULO 27

AMINAS 11. REACCIONES Sustitucibn en el carbono

I I1

IL'

Un compuesto aminoazo

(b) La formación de I1 es fhcil, pero reversible; el ataque electrofílicopor parte del H+ regenera la amina y la &N,+. Estas reaccionan nuevamente,una y otra vez, hasta que se lleve a cabo el ataque sobre el anillo para formar el complejo sigma 111,y a partir de éste el compuesto azo IV. Una vez formado, IV persiste, ya que su formación no es reversible.

27.23

Me,N(ONH, +ArNH2

d SnCl M e , h . O N :NAr

" ,

p-Amino-Nfldimetilanilina

t-

Me,N

0+

ArN2+

(página 931)

Para ArN;, usualmente se escoge-O,SC,H,N;

(del Acid0 sulfanílico,pAg. 951); cuando se regeneraesteácido(como ArNHJ enel paso de la reducción, su característicade solubilidad (véase laSec.27.9) difieren bastantede las de la amina quese desea obtener, lo que permite una fácil separación.

27.24

(a) Sustitución nucleofílica.

(b) UM amina terciaria puede reaccionar comoen (a) para dar el derivadode una amina secundaria. Conclusión incorrecta: quela amina es secundaria.

CAPITULO 27

AMINAS II. REACCIONES

27.25

(a)Conclusiónincorrecta:quelaaminaesterciaria. (b) Filtrar (o separar) y acidular la solución acuosa.Se formará un precipitado si la amina era primaria.

(a) n-BuNH3+CI-

(b) ~ I - B u N HHSOl ~

(c) ~ I - B u N H J- 0 O C C H J

(d) no reacción hay

+

+

(e) CH,C-NH-Bu-n

¡I

y el producto

de (c)

O

(f) (CH3)2CHC--NH-Bu-n I1

y

(h) PhS02N-Bu-n c

Na'

O n-BuNH,' -0OCCH(CH1)2

(g) o ~ N ( O ) ~ - N H - B ~ - ~y

1 I

O H ' c 1 -

O Et

I

Et

Et

Et

Et

I (i) n-BuNHz'CI-, n-BuNH+CIF, n-BuN"Et+CII

I

CHlPh

1

(j) n-BuNH*+CI-, etc.

( k ) no hay reacción

( I ) u-BuNMe> 'OH

(m) CH,CH2CH=CH2

(n) ~I-BuNHCH(CHJ)Z

( Oel )

Vea

+

Me,N

problema 27.12, página 955

COOH C-NH-Bu-n

II

O

(r) 2,4,6-(02N)3CbH,NH-Bu-,r

2.

Las aminas alifáticas son más básicas que las aminas aromáticas (Sec.27.3). Los grupos queliberanelectronesincrementanlabasicidad;los grupos queatraenelectrones la disminuyen ( S e c . 27.4).

(a) ciclo- C,H,,NH,

> NH, > C,H5NH2

(b) CH,CH2NHZ > HOCH2CH,CH2NH2 > HOCH,CH,NH, (c) p-CH3oC6H4NH2 > C,H,NH, (d) m-EtC,H,CH,NH,

(e) p-CIC,H,NHMe

> p-O?NC,H,NHl

> C6HSCH,NH, > m-ClC,H,CH,NH,

> 2,4-Cl,C6H,NHMe > 2,4,6-Cl3C,H,NHMe

AMINAS II. REACCIONES

CAPITULO 27

3.

En una solución acuosade Me,N+OH-, la basees el OH-, que es mucho m k fuerte que la Me,N.

4.

(a) Las tres forman sales de amoniosolubles. (b)

PhNHz

HONO

A

CH3

I

PhN--H

HONO

"---+

-

PhN2+

Solución incolora

CH3 I PhN-NLO

compuesto nuetro, amarillo

(c) Las tres forman sales de amonio cuaternarias. ( d ) PhNH? CH 1

CH 1

Phr?- H

9 , Phl'j~-CH,

" +

-

CHI PhN--H

CH, I

PhN CH

,

ArS0,N"Ph

Es neutra: insolubleen&ido

o base

'no hay reacción Permanece básica: insoluble en base, soluble en &ido Si se hace con cuidado

(e) PhNHL -+ CHI

H

ArSO,N-~-Ph Es ácida: solubleenbaseacuosa

-

PhNHCOCHl Es neutra: insoluble en &ido o basediluidos

PhNCOCH3

Es neutra: insolubleen&ido

o basediluidos

No hay reacción Permanece básica: soluble en Cicido, insoluble en base

"COCY.

(f) Como en (e), con "COPh en lugar de

(g) Las tres sufren una rdpida bromaci6n enel anillo, para dar los productos mbromados.

5.

(a) Los tres forman sales de amonio (como en 4a). (b) La EtNH, da N,; la Et,NH da un compuestoN-nitroso neutro (amarillo);la Et,N da el

y, ademl, productos de r~paUa mismo compuesto N-nitroso

(c) Las tres forman sales de amonio cuaternarias.

AMINAS CAPITULO II. REACCIONES

27

(d) La EtNH, da una solución, laETJW da un dlido y la EGN no reacciona (como 4dj.en (e) Las amidas neutras de aminas 1" y 2"; no hay reacción con la amina 3" (como en 4e). (f) Lo mismo que en (e) (y como en40.

(g) Se podríano tener conocimiento de esto, pero las aminas 1" y 2" dan las N-bromoaminas (compárese con lapAg. 1083). No hay reacci6n con las aminas 3".

6.

(a) p-CH,C6H4N2 CI +

(b) /I-O =NChHJNEt?

(c) n-PrOH, iso-PrOH, CH3CH-CH2 (compare con el problema 27.12, pág. 955) CH3

I

(e) C6H5N-N=0 (f) 2-Meti1-2-buteno. t-PeOH

(g) C1- + N 2~

N

z

+

C

I

-

CAPITULO 27

8.

AMINAS 11. REACCIONES

(a) H , P 0 2 , H,O.

(b) $0, H’, calor, separando inmediatamente el cresol por destilación con arrastre de

vapor.

(c) CuC1. Calentar la solución de lasal de ArN;CuCl,-. (d) CuBr. Calentar la solución de lasal de ArN;CuBr;. (e) KI. (f) HBF,; aislar la salde ArN;BF;

calentar lasal seca.

(g) CuCN. Calentar la solución de la sal de ArN,’CU(CN);. (h) C H I ( @ N = - N - a N M e 2

fH’

C H 3 0 N 2 *

+

QNhle,

Resorcinol

9.

+

(a) n-PrC-NHCH3

‘I

Me MeNHItCI-

(b) PhN-CCH, I1

+ CH,COOH

O

O

(c) n-Pr3N

+ CH,CH -=CH2

(d) i.yo-BuC”NEt,

(e) MeOH

+ Me3N

( f ) Me3NH+ -OOCCH,

(g) M e 2 N H 2 ’ C I -

(i)

MeOH

+ CH,COOH

+ PhNH-CH O

I1 O

(h) P h N H l

+

EtZNHl’CI

+ PhCOO-Na’

(j) MeNHCNHMe (N,N’-dimetilurea) O

+

MeNH,+CI-

AMINAS CAPITULO II. REACCIONES

27

Síntesis: un enfoque sistemático Puesto que las síntesis que estamos planeando se vuelven másy más complicadas,ha llegado el momento de emplear un enfoque sistemático: quizás ya lo estamos haciendo aunque sin damos cuenta cabal de ello. Esbocemos formalmente los pasos que pueden pensarse para un enfoque comoCste. Se utilizará la síntesis de compuestos aromáticos como ejemplo, pero el enfoque es general y, con las modificaciones apropiadas, se puede aplicar a la síntesis de todo tipo de moléculas,por más complicadas que sean. Como ya es usual, vamos a comenzar conla molkula que deseamos obtener -la molécula Nos planteamosa lssiguientes preguntas en el orden objetivw y trabajamos retroactivamente. dado: Pregunta (1). ¿Se puede introducir cualesquiera de los sustituyentes de la molécula objetivo a travCs de una sustitución electrofílica aromática directa, y con la orientación adecuada? Si no, entonces: Pregunta (2). ¿Hay en la molécula objetivo algún sustituyente que se pueda formarpor la oxidación o reducción de algún grupo relacionado? Por ejemplo, “COOh c“. “CH, o -m2 +“ -NO,. Si no, entonces: Pregunta (3). ¿Hay en la molécula objetivo algún sustituyente que se pueda introducirpor desplazamiento de algún otro grupo? Por ejemplo, -CN t -N;, o bien, “ O H t“€1 (en anillos activados). Si no, entonces: Pregunta (4). ¿Hay en la molécula objetivo un hidrógeno que haya llegado a esa posición Por ejemplo,-H t--N; o --H t-S 0 , H . por desplazamiento de algún sustituyente? En todos los casos en que la respuesta a una dea ls preguntas sea“sí“, sacamos esegrupo (Pregunta 1); o lo transformamos (Pregunta 2) en su precursor (digamos“COH t-“CH.& o lo reemplazamos (Pregunta 3) por su precursor o precursores (p.ej., ArCn e “ ArN,+ e-“ArNH,); o bien (Pregunta4), sustituimos ese-H (o, quizás -D o -T, en compuestos marcados) por el grupo que ocupaba previamente esa posición. Ya que se han efectuado las transformaciones que implican las respuestas afirmativas, todas las preguntas connueva la estructura que acabamos de generar.Estos planteamos de nuevo pasos se repiten tantas veces como sea necesario hasta que, trabajando en retroceso, encontremos o tolueno. finalmente un material de partida como benceno Tenemos ahora un conjunto de pasos retroactivos conocidos como tranrformaciones, los cuales ponen de manifiesto las diferentes reacciones quese necesita llevar a cabo (como la nitración, lareduccióndelion diazonio, la reacción de Sandmeyer, pero etc.),no necesariamente antitético ordenando en el orden apropiado.A continuación revisamos nuestro procedimiento l a s transformaciones independientes en una secuencia sintética fácil de manipular y constituida por pasos progresivos(reacciones). Al hacer esto, debemos tener presente que con frecuencia es necesario elementos utilizar de la selectividad (la regio selectividad control: éstos son grupos que introducimos para asegurar o la estereoselectividad) enun paso posterior. Los elementos de control pueden protegerun grupo, o bien disminuirsu efecto activante (la acetilaciónUMdeamina, por ejemplo); también pueden bloquear UM posición o, a la inversa, aumentar la reactividad en algún punto en particular. La necesidad de utilizar estos elementos de control puedeno ser obvia mientrasse trabaja en las transformaciones antiteticas, pero suele hacerse evidente cuando tratamos de una serie de reacciones sintéticas. armar todo el conjunto para esclarecer modo particular en seque formulan estas preguntas puede tener algún de familiaridad, viso Y así debería ser. Este enfoquese deriva del quese ha desarrollado - e n forma especialmente destacada por E. J. Corey, de la Harvard University- para el uso de los computadores en el disefio de síntesis orgánicas. Véase Corey, E. J. y Wipke, W. T., Science (Washington,D . C), 166, 178 (1969). Corey, E. J., et al., J . Am Chem. Soc., 94,421,431,440,460 (1972). 487

CAPITULO 27

AMINAS H. REACCIONES

Br

Br

CH,

(o)

CH,

0

NMe3+I

Et

CH3

NO, H

O

Apliquemos nuestro procedimiento general ala síntesis de este compuesto y veamos cómo trabaja. (i) Pregunta(1): ninguno delos grupos se puede introducirpor sustitución directa (desde luego, con la orientación apropiada), de modo que proseguimos con la siguiente pregunta. Pregunta (2): El -N% se puede formar por reducción deun "NO,, así que escribimos este pasode la síntesis.

(ii) Hahiendo hecho esto, comenzamos nuevamente, planteando nuestras preguntas ahora con respectoal nuevo compuesto (el nitro). Pregunta (1): se podría introducir el -NO, por sustitucih directa: pero se podría hacer lo mismo conel -Br, y, m& aún, con regioselectividad. Asi que tratemos de probar un paso de bromación, retrocediendo hacia un compuesto m8s simple.

(iii) Despuksde esto comenzamos nuevamente, y contestamos las preguntas sobreeste nuevo compuesto.

AMINAS CAPITULO II. REACCIONES

27

Pregunta (1): El " N O , se puede introducir por nitracibn -y, casualmente, el is6mero parusepuedesepararconf~ilidaddelis6meroorfo-.Asi, hemostrabajadoretroactivamente un material de partida aceptable. hasta llegar al tolueno,

Reuniendo todoesto, tenemos lo siguiente:

Si revisamos esta secuencia de transformaciones nos encontramos con quef kes i l de manipular y constituye una síntesis aceptable del producto que queremos.

Aplicandonuestroprocedimientogeneral,llegamosa transformaciones.

la siguientesecuencia de

Ahora revisamos esta secuencia para ver si corresponde una rutaasintktica viable.Nos damos cuenta de que si bien podemos, en efecto, bromar la p-toluidina, con eso se introducirían dos -Br.Sin embargo, si primero acetilamos el 9 hacemos , que para que s61oocurra lamonobromacibn; disminuyala velocidadde la sustitucibn lo suficiente despuCs de eso podemos eliminar con facilidadgrupo el acetilo.

"6

Llegamos, pues, a la siguiente síntesis aceptable:

Br NH2

NHCOCH3 NHCOCH,

Br:

G3

(página962)

N H2

Se han agregadodos pasos, la acetilacióny la hidrblisis subsecuente, pero gracias a ellos se obtuvo el control en la parte m& crítica de toda la síntesis, la introducci6n del bromo.

489

AMINAS 11. REACCIONES

CAPITULO 27

Aqui,nuestroprocedjmientogeneraldalugaralasiguientesecuenciadetransformaciones.

Encontramos queesta es una ruta sintktica defectuosa.No podemos tener libres un grupo el mismo compuesto:estos dos grupos reaccionm'an entre sí. Como en (b), protegemos temporalmente al-N% por acetilación. En el paso final se no se elimina elgrupo acetilo mediante una hidrólisis en tales condiciones de reacción que hidrolice también el grupo sulfonamida, menos reactivo(v&se la pAg. 954).

-NH, y un grupo -SO,Cl en

ÑOl

Ñ o

(página 962)

AMINAS 11. REACCIONES

11.

CAPITULO 27

(a) De los seis isómeros, el más difícil de sintetizar es el 2,3-dibromotolueno. Utilice el enfoque antitético presentadoen el cuadro de la página495 de esta guía,y observe cuán limpiamente el procedimiento de preguntas y respuestas conduce hacia la obtención deuna materia prima fácil de conseguir.

Isómero 4 s difícil de hocer

t

I HoNo

Más o menos a la mitad del proceso retroactivo el lector se puede enfrentar a la siguiente alternativa: ¿cuál de los " B r se deberá introducir al último, el que está situado juntoal CH,, o el otro?

CAPITULO 27

AMINAS II. REACCIONES

La respuesta depende de otra pregunta: jcuál de las dos aminas recien mostradas es la m&

fAcil de hacer? Es la amina I, como se muestra en la respuesta completa esbozada antes, pero es conveniente tratar de disefiar una ruta sintktica para la mina I1 con el Único fin de verificar, cuál es la más fácil de hacer. El "NO, tiene una funci6n clave, pues debe se colocado temporalmente en el anillo para bloquear una de las dos posiciones activadas por el -N%.

(de o-CH,C,H,HN,, pág. 962)

Fe

6

3 (página 498)

NO?

AI hacer el isdmerose recorre todo el esquemahasta la pregunta4 ( v h e el cuadro de la pág.495 de esta guía),antes de contestar afiiativamente. La secuenciaes

492

CAPITULO 27

AMINAS II. REACCIONES

Al observar elidmero vi, podemos reconocer queambos " B r deben haber entrado al anillo bajo la influencia de un grupo, ya desaparecido,mucho más poderoso como orientador que 4%. el El grupo -N, es la opción lógica, ya que se trata de un orientador orto, para, que puede eliminarse con facilidad a travb de una desaminacidn reductiva (diazotación y reducción).

(página 962)

(O bien, comenzar con m-nitrotdueno, a partir del problema 27.16, pág. 963.)

(iii)

$,,

+ " -

c1

Comopara el isbmero orto,.exceptoque se comienza con elp-nitrotolueno (pág. 497)

(Separado del isómero pura)

(iii)

6 F

f-

como para el idmero orto que se acaba de mostrar, excepto que se comienza conel p-bromonitrobenceno.

493

CAPITULO 27

AMTNAS 11. REACCIONES

El m-nitroetilbenceno que sc necesita se elabora de la misma manera que el m-nitrotolueno (en el problema27.16), comenzando con etilbenceno(phg. 551).

AMINAS CAPITULO H. REACCIONES

27

(página 963)

N o2 (página 498)

13.

(a) HOOC(CH2),COOH

+

H,N(CH2)6NH2

---f

sal

I

calor - tf?o

-C(CH2)4C--NH(CH2)6NHC(CH2)4C-NH(CH2),NH-

I1

O

/I

O

I1

O Una poliamida

It

O

(b) Hidrólisis ácida delas uniones amida.

1193.

14.

(a)Vealapágina 1188. (b)Vealapágina

15.

Un mal grupo saliente (OH-) se convierte en un buen grupo saliente (OTs-).

AMINAS II.REACCIONES

CAPITULO 27

16.

(a) El ion halogenuro compite con el agua como nucledfilo:

LA reacción del Ph-N,' (1) Ph-NL!'

(2) P h +

+

"+

:Z

Ph

"+

es parecida auna S, 1:

+

+ N2+

Lento, determinante de la velocidad

Ph---Z

La concentracióny naturaleza de los nucleófilos no afectan la velocidadde la reacción @aso 1), pero si la composicidn de los productos, la está cual controlada en el paso (2): cuanto más ion halogenuro esté presente, tantomás halobenceno se formará. La atracción electrónicapor parte del"NO, abate la formación del catión aril0 a partir de p-NO,C,H,N,', y la reacción ocurrepor una sustitución semejantea una SN2:

En esta reacción un de solo paso, la concentracidn y la naturaleza de los nucleófilos afectan tanto la velocidad como la composicidn de los productos. (b) ElN,, que casino presente propiedades básica, un esgrupo saliente extraordinariamente bueno.

17.

(a) Prueba de Hinsberg

(b) HONO, luego Pnaftol

(c) Prueba de Hinsberg

(d) Prueba de Hinsberg

(e) Sal 3'

OH.

+ olor

(f)AgNQj (-+

o de vapores básicos de la m i n a .

AgCl del PhNH-j'CIW

(g) CrOJHZS04

( h ) HCl(ac)

(1) BaClz (d Baso4del sulfato)

(j) AgNO,

( k ) HCl(ac)disuelve PhNH?

(I)

(-->

AgCl del E t N H , + C I )

RaClz (--1 BaSO, del sulfato), O Hz0 (disuelve la sal), O NaOH (libera PhNH?)

AMINAS II. REACCIONES

18.

CAPITULO 27

Compare con la respuesta que se dio al problema 26.1. (a)-(d) Disuelva laamina bbica en kid0 acuoso.El compuesto neutro (alcano, Cter, a m i d a , ion dipolar) no se ve afectado y se puede aislarpor destilaci6n o filuaci6n. Luego la mina se regenera de su sal a partir de la solución hcidapor acci6n de una base fuerte. (e) Transforme a la amina 2' enuna a m i d a neutra con anhídrido acCtico; la mina 3" permanece sin acetilar. En seguida proceda con la separaci6n de la amina bhsica y la a m i d a neutra como en (c). Finalmente, recupere la mina 2' por hidrólisis bhsica de la amida P, y coléctela por destilaci6n.

(0 Separe primero el ácido, disolviendo en NaOHacuoso; en seguida proceda a separar la de su sal a partir de la amida insoluble,y el hidrocarburo como en (a). Regenere el hcido solución alcalina con el uso de un hcido fuerte. (g)-(h) Proceda como en (c).

19.

(a) HONO, luego p-naftol parala anilina; en seguida la prueba de Hinsberg (2' contra 3"). (b) HC1 (ac): la base contra la amida neutra. (c) Prueba de Hinsberg para distinguir las aminas 3' y 2;s610 una de las aminas 1' (la o-toluidina)dará una prueba de diazotaci6ny acoplamiento. (d) El NaOH (ac) caliente da14 9a partir del oxamato de etilo (RCONH,). (e) La HCONH, es solubleen H,O; lamina 3' bkica es soluble en HCl (ac), peroel nitrilo, neutro, es insoluble. (f) Só10 la amina básica es solubleHCl en (ac); el NaOH (ac) caliente sobre el nitrilo d a r A NH,;el PhNO, no reaccionará.

(g) Por medio deun andisis elementalse pueden distinguir el cloruro de tosilo ( S , Cl) y las (ac) a dos sulfonamidas(S,N), las cuales, posteriormente, pueden distinguirse con NaOH la manera de la prueba de Hinsberg. El análisis elemental distinguela p-cloroanilina a (Cl,N) y al cloruro dep-nitrobencilo AgNO, (Cl cadena lateral+ (CI,N), los cualesse pueden distinguir ulteriormente con AgCl). De loscompuestosquerestan, S610 laamina 3" es incolora;lao-nitroanilina (Kb6X1O"3es más soluble que la 2,4-dinitroanilina (K,de alrededorde en HCl (ac); y la 2,4-dinitroanilina, cuando secalientecon NaOH (ac). da NH,mediante una sustituci6n nucleofílica aromática( v h s e la Sec. 29.7).

20.

Ensaye la amina con el procedimiento de Hinsberg. Si es 3', pruebe para C1.

AMINAS 11. REACCIONES

CAPITULO 27

Si es 2*, haga cl derivado acetiladoy determine su p.f.; si el p.f.es de 5 4 - 5 5 O C haga la p-toluensulfonamida paradistinguir las posibilidad. Si es la,pruebe para Ci.

21.

(3)

El hislrcixido de amonio cuaternariio se encuentra completamente ionizado, por lo que da una solucicin fueemente bbica.

(b) La f6nnuh se ve incremenlada por CH,CQ--

N

cyt,H N CbH4

~-

-~

"~

NH?

NH?

/'

indica ChH4

COOH

El p.f. no deja otra alternativa para A que la delBcido paminobenzoico (Tabla 23.1, pág. 804). Regesernos a la Novocaína original. Dado que Csta es un derivado de Bcido, podemos restar el grupo x i l o de A.

AMINAS CAPITULO 11. REACCIONES

27

Aún tenemos un nitrógeno sin asignar; todavía no podemos decir se encuentra si en un grupo amida o en unoamino, ya que en cualquier caso la Novocaína sería soluble en ácido debido al grupo-NH, de A. Así que debemos investigar el residuode la mezcla de la hidr6lisis: la soluciónettrea de una amina (o posiblemente de un aminoalcohol). P h f o 4: B es una amina. La reacci6n con anhídrido acttico produce una sustancia C. que aun es básicay, por lo tanto, todavíaes una amina. Así,B sólo puede ser una mina Esto significa que la Novocaína un es terciaria. (las aminas terciarias no forman amidas.) éster, y no UM amida. Por consiguiente, C tiene que ser el tster acetato deun alcohol. -

CxH1702N

C

CzH20

se

adiciona un grupo éster

ChHlON = B

En consecuencia, la Novocaína es el &ter p-aminobenzoico del alcoholB;

Novocaína

Novocaína COCI

r- L

23.

COOH

C"

(página 498)

D es un compuesto neutro. Su lentadisoluci6n en NaOH caliente sellala quees un derivado D es una de ácido. La formaci6n E, deuna basey, por consiguiente, UM amina, indica que amida. E mismo es una amina 2' que da G , PhS0,N RR', una sulfonamida neutra. El Bcido F, libre de nitr6geno p.f.180°C. es kidop-tolúico (Tabla 23.1, pág, 804). Como de costumbre, laaritmética química es útil: CISHISON

- CH3C,H4C0

C;HxN

compuesto D grup6acilo de F porción amina de la amida

AMINAS II. REACCIONES

CAPITULO 27

E comienza a teneraspecto de UM mina aromdtica, -

C,HRN ChH,

____

CH,N

ysindudasetratadeN-metilmilinaC,H,NHCH,. Porlotanto,Ges PhSO,N(CH,)Ph.

Combinando toda esta información obtenemosD:

H

I

J

N Me3 OH +

L

B;

M

~.3.5-Ciclooctatrieno

H O - +N,Mej

N Mez

/

N Me2 O

N

+NMe3

0

HOP

1,3,5,7-Ciclooctatetraeno

(véase el problema 13.7, pág. 484)

AMINAS CAPITULO II. REACCIONES

27

Esta síntesis del ciclooctatetraeno fue llevada a cabo en 1911-1913 por el gran químico ya habíamosvisto alemhn, y ganadordelPrimerNobel,RichardWillstlitter.Como anteriormente(prob1ema13.7,pBg.484),seencontr6queelproductoposeíalaspropiedades normales deun alqueno y,en consecuencia,no es aromtitico. Ella actualidad,un estudiante no se ajustan ala regla 4n + 2 que se inicia no lo encuentra sorprendente: diez electrones de Hiickel parala aromaticidad. Sin embargo, hace cincuenta aiíos este hallazgo fue una de las pruebas mas importantes de que la estructura del benceno era muy especial "aunque no se supo en quC estribaba este rasgo sino hasta1931, cuando Hiickel formulósu regla. Willstlitter hubieraobtenido realmente (Por diversos motivos, muchos químicos que dudaron ciclooctatetraeno; la síntesis fue repetidalaboriosamente "y el descubrimientofue confirmad-por otros investigadores en 1948.Si Willstlitter hubiese observado las propiedades que entoncesesperaban se del ciclooctatetraeno, podemos preguntamos, Lesas dudas hubieran sidotan trascendentes?

25.

ElBcido pantothico es un Bcidomonocarboxílico:daunamonosal y un mondster. TambiCn parece ser una amida: contiene nitdgeno no bhsico y se hidroliza al ticido paminopropiónicoy a V. Puesto queV no contiene nitdgeno, el Bcidop-aminopropiónico tiene que proporcionar el nitrógeno de la amida: R"C"NHCH2CH:COOH

II

La aritmética química,

O

pantotknico ácid0 C9H17O5N - CONHCH2CH,COOH

amida

C5H,,O2 indica que that V es (C5Hl ,02)--COONa

indica queV es saturadoy de cadena abierta,y que contiene oxígeno en uniones alcohol o Cter. La ruta de síntesisnos lleva al compuestoT. Este es un

IJ

Un y-lactona

CAPITULO 27

AMINAS II. REACCIONES

y-hidroxiácido que espontAneamente forma la y-lactona U. El tratamiento deU con basede V, la sal sódicade T. O NaOH

,

coo - N a '

U

Una lactona es un Cster. Los Csteres reaccionan con amoniaco paradar amidas ( S e c .

24.19) y, como erade esperar, con aminas para dar amidas sustituidas.U reacciona con el

grupo amino del kid0 P-aminopropi6nico paradar la amida sustituida que es el kid0 pantotknico. HO

O 11

H - P \ CH3-c

26.

I

C I'H, CH,

O

+

NHzCHzCH2COOH

"---,

/ fl-aminopropi6nico Acido

O H 3cI l~ HOCHz- - C-CH"C--NHCHLCH2COOH

I

H3C

1

OH Acido pantoténico La forma S-(+)- es biolbgicamente activa

Es evidente queW es el clorihidrato (soluble en agua, reacciona con NaOH paraCI) perder de una amina aromhtica1' (diazotación y acoplamiento conPnaftol). Suponiendo que es la sal de UM monoamina,ArNqCl-, podemos utilizar e1 equivalente de neuualizacidn para determinar la estructura. 131 -

+-

52.5

ArNH3+C1NH,'CI-

2

_____

78.5 k 2

equivalente a C,H5-

W es el clorurode anilinio, C6H,TC1-, y el líquido es la anilina, C6H,W.

m-Anisidina

27' (a) CH3CH2CH2CH2NH2 N-Metilformamida n-Butilamina

(b)

HCONHCH3

(C)

m-CH3OC,H,NHz

(V&nse los espectros rotulados dela phg. 873 de esta Guía de Estudio.)

CAPITULO 27

AMINAS II. REACCIONES

(Véanse los espectros acotados de la pág.874 de esta Guía de Estudio.)

4-Etilpiridina 4-MetilpipcridinaCiclohexilamina

(Véanse los espectros rotulados de la pág. 875de esta Guía de Estudio.)

Etilbencilamina

p-Fenetidina @-Etoxianilina) X

Cetona de Michler Y

Z

(Véanse los espectros con acotaciones de lasphgs. 876 y 877 de esta Guía de Estudio.)

28 Fenoles

28.1

Los puentes de hidrógeno intermoleculares en los is6meros meta y para disminuyen o desaparecen en la dilución con CHCl,; en el is6mero orto, los puentes de hidrógeno intramoleculares (pág.982) no se ven afectados.

28.2

Puentes de hidrógeno inuamoleculares:

8”

H

-C=

Para el nitrilo, la geometríano es la adecuada: grupo el N, con un carbono diagonal en el o-cresol (sp), es lineal, lo cual coloca al nitrógenomuy lejos del“OH. El grupo 2% no forma puentes de hidrógeno.

28.3

Vea la figura 28.8, página 506, de estaGuía de Estudio.

28.4

Alquilación de Friedel-Crafts: benceno, propileno (de la pirólisis), HF.

28.5

Debido a que los grupos nitro aumentan la acidez, estos fenoles sonlo bastante ácidos (valores deKa de 10-4 y otros “muy grandes”) para permitir la reacción con HCO; el que es una base débil. 505

FENOLES

CAPITULO 28 A r O H , ArCOOH, ArNH:, ArNOL (solución cdrca) T

I

~

.

NJtIC'O,(ac)

ArOH, ArNH2, ArNOz

i

Aro Na'

J. ArOH

capa acuosa

ArNH

+

i

\capa

&ma

ArNOz

CI

"

N d ) t 1 (ac)

ArNHl "-

Separación de la mezcla del problema28.3

Figura 28.8

28.6

O Na'

('I

CI

OH

(problcrna 28.12)

Pág. 985

(problema 28.4, poco antes)

FENOLES

CAPITULO 28

Compare con el problema5 (c), phgina518.

28.9

La volatilidad del idmero orro es mayor debido al puente de hidr6geno intramolecular. (CompArese con el problema28.2, phg. 984.)

28.11

(a) Esta es una nitrodesulfonucibn: el grupo-SO,H fílicos, en estecam por el"NO;. ArS03-

+ NO2+

'3,,so3 " +

Ar,

es desplazado por reactivos electro-

-

"-+

\

ArNO2

+ SO3

N02

(b) H a y menos oxidación destructiva por el agente nitrante.

28.12

La sulfonación es reversible. Se forma m k rhpidamente elidmero orto; el idmero pura

es m& estable. Entre15 y 20°C la velocidad ejerceel control y detemina la composición (V&se la Sec. 10.27.) del producto; al 100"C es el equilibrio el que ejerce el control.

FENOLES

CAPITULO 28

O

Aspirina

28.15

Salicilato salicílico Acido (a partir del fenol)

metilo

de

(a) La eliminación del protón es más fácil en CHCl,, que es más ácid0 que el CHCI,; es imposible en CCl,, pues no tiene protones.Confiia el paso (1). (b) La eliminación del protónen CHCL, genera un anión que puede adquirirD del D20, dando (2x4. Confirma el paso(1) y su reversibilidad.

(c) El paso (2) -y con él, el paso(1)" su reversibilidad.

se invierte,C1-en excesoconfirma el paso (2) y

(d) El paso -y(2) con é1, el paso (1)- se invierte,esta vez a causadel I-. Confirma los pasos (1) y (2), y su reversibilidad. (e) Elnucldfilo CI,C- se adiciona al grupo carbonilo. Confirma el paso (1). 28.16

ArONa, ClC%COONa, caliente, acidule. (Compárese con el problema 28.6, pág. 994.) Los equivalentes de neutralización de los ácidos ariloxiacéticossec. 23.21 serían útilesen la identificación de fenoles.

OH

OH

FENOLES

CAPITULO 28

OH

ONa

calor, preslon

S03Na

ONa

0N a

calor fuexte

o S 0 3 N a

NaOH t "

FENOLES

CAPITULO 28

6' 6' ~

NZ

+

(página 951)

HONO

NHI

6

(de PhCH,)

CH3

CAPITULO 28

FENOLES

(de PhCH,)

(problema 18d, pág. 557) CH(CH3 12

H C H OO. H -

6:cHj

~

Mel. OH-

@H

(página 998)

FENOLES

CAPITULO 28

( b ) no hay reacción

(c) no hay reacción

(dl

0::;'

8 (VCase la Sec. 23.16)

(n) no hay reacción

SO,H

COOH

(S)

igual que (r)

Br Todos los demás: no hay reacción

CHO

( u ) igual que (t)

FENOLES 7.

CAPITULO 28

(h) PhCH20CCH3

(c) PhCH2Br

II

(i) igualque (h)

O

(k)

OCHzPh COOH

O P h C H 2 I10 - C a NO2

(1) PhCH20-S-Ph

I

O

(n) PhCH2CI

O

Todos los demás: no hay reacci6n

8.

(a) PhS0,H

> PhCOOH > PhOH > PhCHzOH

(b) H2S04 > H2C03 > PhOH > H 2 0 (c) m-NO, > m-Br > nosustituido > m-CH, (d) 2,4,6- > 2,4- > p -

9.

NaOH(ac) (a) (b) NaOH(ac) para detectar el fenol. Luego,&SO, CrO, para distinguir el alcohol del 6ter.

(c) NaHCO, (ac) para detectar el ácido. En seguida, NaOH(ac) frio para distinguir el fenol del éster. (d) HCl diluido. (e) Los dos ácidos son solubles en NaHCO, (ac), pero S610 el &ido salicílico produce De los compuestosrestantes, S610 el salicilm de etilo("OH fen6lico coloraci6n con FeC4. libre) es solubleen NaOH (ac) frío.

(0 NaHCO, (ac)para detectar el&ido (desprendimiento deCO,; disolucih). En seguida, el NaOH(ac) disuelve el fenol. Luego, HCIeldiluido disuelvela mina.El dinitrobenceno, neutro, permanece inalterado,

FENOLES

CAPITULO 28

10.

PhOH, C6H4Me2

(a)

PhO- Na

o- xileno

+

1

Hi

PhOH Extraer con éter

ArOH, ArOOCPh, ArCOOH (en éter)

1

NaHCO,(ac)

J.

j.

ArCOO Na '

ArOH, ArOOCPh

I

H+

4,

ArCOOH

acuosa capa

-.

/\

1

1

v

ArOOCPh

A r o Na'

iH+

Destilar el éter

ArOH

PhOMe, CH3C6H4NH2(en éter)

4,

ArNH,'CI

I

OH

ArNH2

Y

PhOCHI Destilar el éter

FENOLES

CAPITULO 28 A r NA O rzN ,A H r2C, O O AH rO ,H

(f)

NaHCO,(ac)

ArCOO- N a

ArNO:, A r N H z , A r O H

+

NaOH(ac)

H'

ArO-Na+

ArNOz, ArNHz

-1 ArNO,

OH

HCI (ac)

ArNH3'C1-

ONH2 oNo2 OH

11.

(a)

c Sn.H+

NH2

t-

NO2

como en 4 (k) y 3 (d), antes vistos

FENOLES

CAPITULO 28

(g) BrCH2CHzOPh (h) CH,:=CH-O-Ph (1) C H 2 - CH-O-Ph

BrCH2CH2Br + NaOPh

t-

e

H'

BrCHzCH20Ph

NaOH(ac)

f-"

t-

PhOH

(9)

+

CH2-CH-O-Ph

I

H

Un hemiacetal CHlCHO

+ PhOH

(página 960)

FENOLES

CAPITULO G i I 3 C O O H

12. (a)

28

CH-CHCOOH

‘calor

‘ reacc. Perkin

O O C H ,

HBr

Ac2O. OAc-

OH

OH Acido

&CH3 OH

(Prob. 25 22e)

Aneto1

6C);CHzNHI

(c) OH Noradrenalina

13.

~

H z ,Ni

==N

&HC

OH

OH

CN-, t i +

6 OH

‘calor HBr

OH Vainillina

El ion fenóxido contiene dos sitios de reactividad nucleofílica: el a:-, y los electronesK del anillo. Este es un ejemplo delo que Nathan Kornblum @due University) llamó anión ambidenfado (L.: ambi, ambos; dens, diente). (a) Sustitución nucleofílica alifáticaen el carbono bencilico;el 4del fendxido es el nucle6filo PhCHlC1

+

-0Ph

-+

PhCHzOPh

+

C1

(b) Sustitución nucleofílica alifática, como antes, pero ahora el anillo del fenóxido compite como nucleófílo: con el4-

(Desde el punto de vista del anillo, la reacciónes una sustitución electrofílica aromática.) (c) En disolventes apróticos, el -0- se solvata sólo débilmente y, en consecuencia, es grado; en agua, la solvatación debido a enlaces de hidrógeno disminuye el reactivo en alto poder nucleofílico del “O-,de modo que el anillo comienza a competir conel éxito con él. (d) MeOH y EtOH son menos efectivos que HOH para establecer puentes de hidrógeno. Los protones Acidos del PhOH y delCF,C%OH se enlazan fuertemente por puentes de hidrógeno. 517

CAPITULO 28

FENOLES

(Komblum, N., Berrigan, P. J. y IeNoble, W. J., “Solvationas a factorin the Alkylation of Arnbident Anions: the Importance of the Hydrogen Bonding Capacity of the Solvent”, J. Am. Chem.Soc., 85, 1141, (1963).)

14.

o::.”

Un ácid0 fuerte convierte reversiblemente el fluoroglucinol (R = €3) y sus éteres (R = Me o Et) en especies protonadas híbridas en esta estructura +OR

b H,

R O’

R = H, Me, o Et

H

H

a

a

y de las estructuras correspondientes con la carga enlos otros oxígenos. Estas especies son los familiares iones bencenonio (complejos sigma), los cuales son los intermediarios en la sustitución electrofílica aromática ” e n esta ocasión con dos pmtones en el sitio del ataque (vhnse la Sec. 14.8; el problema 14.10, pág. 508, y el problema 4, Cap. 16). El espectro se debe a los protonesa (64.15) y b (66.12), que son protones alílicosy vinílicos desprotegidos por la carga positiva. Al diluir con aguase pierde un prot6n, por lo que se regeneranlos productos originales. En el D,SO, se reemplaan gradualmente todos los protones del anillopor deuterios a base de iones bencenonio gracias a una serie de sustituciones electrofnicas aromáticas similares. A partir de 1, 3, 5, -C,y(OCHJ, en D,SO,, se esperaría aislar el 1, 3, 5C6D3(OCH3) 3’

15.

(1) La protonación de un aldehído. (2) La sustitución electrofílica, conun aldehído protonado como electrófilo. (3) La protonación de un “ O H y la @dida de%O para formar un catión alnico. (4)La adición electrofílicade un catión alnico a un doble enlace para formar un catión 3” y generar un segundo anillo.(5) La combinaciónde un catión 3” con el “ O H de un fenol para formar un éter protonadoy generar un tercer anillo.(6) La pérdida de un protón para dar I.

(Taylor, E. C . , Lenard, K., y Shvo, Y., “Active Constituentsof Hashish. Synthesisof d -A6-3,4-trans- Tetrahydrocannabinol”,J. Am. Chem. Soc., 88,367 (1966).) 518

CAPITULO 28

FENOLES

HO e N = N a O E t

- 0m

N

=

N

a OEt

C

E t O o N = N a OEt D

Et0

==NG% OEt

H

2EtO(0)NHI

G

Et0 or!-c-cH3

I1

O Fenacetina

E

D

CH3CoC1

H

3-Cumaranona

FENOLES

CAPITULO 28

' Y ' Asignación incierta

p-Cimeno

I*

8

0

CH3 S03H

o

COOH

Carvacrol y timo1 Asignación incierta

O S 0 3 H

COOH K

Asignación incierta

COOH

EOOH K

Por consiguiente: 9 S 0 3 H

A J

I

Aneto1

M

L

L

HBr. calor

Hexestrol

111

IV

OCH2CHZOCH2CH20 HO

CAPITULO 28

FENOLES

VI

Q

,OCH,CH,OCH,CH>O

VI

El éter corona

OCH,CH,OCH,CH,CI VI1

(b) Por supuesto, un fenol podria ser soluble en NaOH acuoso.

(c) Se forma un complejo solubleen agua entreel Na' y el Cter corona. (d) De ordinario esperm'amos que la colisión "y la reacci6n- entre los dos extremos de una molécula comoVI1 fuera sumamente improbable. En cambio, esperm'amos que VI1 reaccionara conuna nueva molécula del cloroéter para alargar la cadena.

(e) El ion Na'o K' actúa comoun patr6n en la formaci6n del Cter corona. A medida quese forman las uniones éter, lamolkula gira en torno al cati6n; los dos extremos deVI1 se encuentran sujetos en la posición correcta para se que lleve a cabo el cierre del anillo. En realidad este esun efecto sinf6rico;los htomos que van a reaccionar se acercan y se mantienen en la relación espacial apropiada gracias al cati6n metAlico. De esta manera, el su efecto fundamentalmente en la misma forma que lo hace un metal catión metálico ejerce de transición o una enzima (véasela pág. 735).

18.

OH

CICH~COCI

G

o

H

o

POCl,

N?

C-CHZCI I O

/I

O N

Esta es la única posibilidad que podría dar CHX,

o

GO~-?-CH2Cl

CH2COCl

N?

N?

Por aciiación alquilacibn Por del anillo

C"CH2CI

60,

O

Por esterijicación del anillo

COONa

COOH Acido 3,4-dihidroxibenzoico

FENOLES

CAPITULO 28

o

o

o

N

19.

OH (+)-Adrenalina

(a) El felendral un esaldehído (prueba de Tollens) capaz deoxidarse aun Acido que contenga una insaturaci6n susceptible dereduccibn, indudablemente undobleenlacewbomxxrbono. Con esto en mente, hagamosun poco de aritmética química en kid0 el saturado. -

ClOHlBOZ COOH

~"

C9H I 7 significa R

C9H1 9 si R fuese cadena abierta -CgH17

2H faltantes signifcan 1 anillo

Sabemos ahora que el felendral tieneun anillo, un enlace dobley un grupo "CHO. La da su estructura. síntesis por un camino bien determinado nos

(b) El felendral sintético es la modificacidn racémica: i-Pr K->-CHO

H

OHC-( ? )- Felandral

H

La quiralidad que persiste en el felendral se genera en la conversi6n de U en V: el doble enlace se puede formar en una u otra direcci6n desde el carbono portador del "CN, dando un par de enanti6meros. Laeiiminaci6n es igualmente probable en cualesquiera cualquiera de dea l sdos direcciones, por lo quese obtiene la modificaci6n racémica.De esta etapa en adelante no hay más cambios estereoquímicos. 522

CAPITULO 28

FENOLES

Enantirjmeros Se forman en cantidades iguales

0

Ho

(c)Compare conlos problemas 12.13 (e) y (f), ptigina 455.

H~ COOH COOH

COOH CHO HZ.ca!.

Tollens

Pr-i (-

)-Felendral

Acido (-)-felfindrico

H

H

y

Pr-i

Acido dihidrofelándrico Diastereómros: ambos son aquirales

20.

Y es m-cresol, el único cresol que puededar un compuesto tribromado.

21.

(a)Z y AA son neutros: el oxígeno es "OH, OR o bien -C =O. Son no saturados. La oxidaci6n vigorosa kid0 a anísico indicalapresencia(y retención) de un enlace éter, pero Hasta aquí, podemos reconocer también la pérdida de dos carbonos de una cadena lateral. la presencia de los siguientes elementos estructurales: C H 3 0 G " C -

+ dos C adicionales en cadena lateral

La aritmética química

C3H5

cadena lateral

establece la cadena lateral comoC,H,;las pruebas químicas mostraron que ésta es no saturada, y no un anillo de ciclopropano. Por lo tanto, las estructuras posibles son: cis- o rrans-CH30 QCH-CHCH,

(:H30~CHZCH=CH2

C H , O o CI - C H : CH3 523

FENOLES

CAPITULO 28

(b) La hidrogenación al mismo compuesto, CIJ-Il,O,demuestra que el esqueleto de carbono de la cadena lateral insaturada es el mismo en Z que enAA; esto descarta la estructura de cadena ramificada, demodo que ahoraS610 quedan tres posibilidades: cis- O tmns-CHjO o c H = C H c H 3 C H , 0 ~ c ~ ~ 2 c ~ - - = C H 2

(c)Ozonólisis, o bien, isomerización deuno al otro mediante un calentamiento fuerte con KOH.

-

(d) La síntesis implica el acoplamiento de un reactivo de Grignard con un halogenuro de alilo. C H , O o B r

Mg\ C H j O

0

MgBr

+

BrCH,CHCH2

Bromuro de dilo

p-Bromoanisol

C H 3 0{ o C H 2 C H

=CH2

+

MgBrz

p-Alilanisol Z

-

(e) El calentamiento con base fuerte convierte el dilbenceno Z en el más estable AA, que tiene el enlace doble conjugado con el anillo. De los dos isómeros geomkuicos, de esperar es trans, más estable. la obtención del isómero p-CHIOChH4CH2CH- CH2

G-, - H+

t H

f

r \

p-CH30C,H4CH-CH-CH2

+ ti. H

17

- t{+

t

H +

H /’ c -:C ‘, /

H\

+xF p-CHjOChH4

---+

CH 1 cis-p-Propenilanisol

/CH,

,c-c ‘~ H \~

p-CH30ChHA tram-p-Propenilanisol AA

Isómro

mris estable

trans

f

NaNH2

Brl

c-

C H 3 0 0 C CH

CAPITULO 28

FENOLES

C H j a C H = C H 2

C H 3 O a C HI C H 3

- Hz0 H+

f-"

OH

c CHICHO -" C H , O o M g B r

22.

C H 3 0 0 B r

Evidentemente, BB es un fenol, lo que justificala presencia de un oxígeno @or lo menos). También parece ser un éster (lo que justificatía los otros dos oxígenos), por su lenta una prueba positiva de haloformo,esto es, la hidrólisis RCH a hidrólisis aun alcohol que da (OH)q . CIOJ312O3 BB -OH -C6H4 fenólico

CloH I 1 0 2

C6H 4

éster

C3H7

indica que el alcohol es iso-FWH.

OH

, /

- COZ

C4H702

ClOHllO2

Un residuo de C,H,

C4H702

anillo aromático

COOPr-i

OH-

2 2 i-PrOH

+ C6H4\

RD

/

0-

H+

coo

/

+

OH

CnH4 \

COOH

El Único kid0 hidroxibenzoico que es volhtil con vapor es el idmero orto el &ido salicílico; CC debe ser éste, y BB tiene que ser salicilato de isopropilo.

23.

Sus características de solubilidad indican que el chavibetol es un fenol. (a) La metilaci6n conMe,SO,/NaOH introduce un metilo, 'CII H , 4 0 2 DD CloH IZO* chavibetol

-

lo que indica que hay un grupo fenólico en el chavibetol. (b) La ruptura conHI caliente paradar CqI demuestra que el chavibetol es un metil Cter, lo que justificael segundo oxígeno. Al preversu conversih en vainillina, tentativamente C I , H I 2 O 2 chavibetol -OH fenólico ClOH I IO

C I O H1I 0 - OCH3 éter ___

CyHx

C9Ha - C,H3

__

aromático trisustituido

C~HS

525

CAPITULO 28

FENOLES

suponemos que, al igual que la vainillina, el chavibetol es un compuesto aromático trisustituido y que el oxígeno deltter se encuentra unidoal anillo. El residuo deC,H,de nuestra aritmttica química corresponde a una cadena lateral no 21 recien analizado). saturada (compárese con el problema (c) El tratamiento del chavibetol una base con fuerte caliente da por resultadola isomeración desiguiente manera: a EE; podemos explicar esta conversión la O\, /

CH3

C h H l ~C H I -CH-CH?

o\,

oH CH

0

Chavibetol

,C,HjCH=CHCH

,o'

3

EE CloH~zOz

ClOt~l202

Sin duda ocurre la misma isomerización cuando DD se trata de una manera similar. C H 10, 'C6HI CH2 CH CH2 C H3

/

0

DD

e,,HIJO'

oticalor-

C H 30, ChH ,CH=CHCH

CH,O

/

1

FF C I1 H 1 4 0 2

Ahora debemos encontrarla orientación de los compuestos. Este problema se simplifica mediante la ozonólisis.

OH

Vainillina

Es fácil interpretar el resultado de FF:

OH

OCHJ

OCH 1 FF

GCH, Uno de éstos es chavibetol

¿Cual dea l s dos posibilidades es el chavibetol? Sabemos que los grupos de EE (1carbono, 3-oxígeno, 4-oxígeno) tienen esencialmente la misma orientacidn los de que FF; por lo tanto, el Únicoisómero posible la devainillina quese puede formarpor ruptura deEE grupos --OH y " 2 % . es uno que tenga invertidos los

CAPITULO 28

FENOLES

ojOH CHO

-%

EE

OCH 3

Isórnero de l a vainillina

Finalmente, entonces, llegamos laa estructura del chavibetol:

OCH EE

24.

,

OCH, Chav~betol

(a) La piperina es una amida de la piperidina (Sec. 35.12) y de un ácido, llamado pipérico, RCOOH, en el queR = C,,H90,.

'

O R -C-N

3

HIO. O H ____f

H-

NC>

Piperidina

+

RCOOH

(R = CIIH~O?)

(b) El p.m. del ácido pipérico (C,,H,,,O,) es de 218; su E.N. es de 215It 6. Es evidente que el ácido pipéricoes monocarboxílico. A juzgar por el bajo contenidode hidrógeno en R, es evidente que contiene anillos, enlaces no saturados,o ambos. La bromación (sin sustitución) da C,,H,,04Br4; concluimos doce de que probablemente hay dos enlaces dobles activos, los cuales emplearían los cuatro carbonos.

El residuo indicaun anillo aromático (seis C), pero quedan un carbono y dos oxígenos sin asignar los cuales no se pueden hallar en otro"COOH porque el ácido pi@ricosólo tiene uno de estos grupos (recordemos que p.m. = E. N.), y ya lo tuvimos en cuenta. Pasando por alto este último problema por el momento, echemos un vistazo a la insaturación. LA degradación oxidativa del ácido pipérico nos da varios productos, dos de loscualesidentificande modo clarísimo todos los carbonos:elácidotartárico, HOOCCHOHCHOHCOOH,y otro ácido, C,H604, que resulta diferente de todos los ácidos ftálicos,C6H4(COOH),, y al que los investigadoresoriginalesdieronelnombredc piperonílico. Podemos relacionar los ácidos pipérico y piperonílico dela manera siguiente: C~H~OZ-COOH t HOOC--CH -CH -COOH

I

piperonílico Acidotartárico Acido

OH OH

1

¿mid t-

C7H:OZ- C H l C H

~

Cf1- CH

COOH

Acido pipérico Parcial 527

CAPITULO 28

FENOLES

No podemos postergar más el estudio del carbono y los dos oxígenos “que faltan”. Fenoles y alcoholes son imposibles, porque la oxidación los descompondría. Un grupo a conduciría aun ácido carbonilo deun carbono seríaun aldehído que, oxidado“COOH, Sólo nos quedanlas uniones éter como respuesta para los ftálico en lugar del pipcronílico. oxígenos. Pero,jcomo se obtienen dos enlaces elkricos para un solo carbono? La ruptura del éteres la clave: se generan formaldehídoy dos grupos fenólicos.

Acido piperonílico

Partiendo de esta estructura, tenemos el camino despejado hacia el ácido pi@rico y la piperina:

Piperina

(c) La secuencia sintética confirma nuestra estructura en todos los aspectos.

Catecol

GG

HH

Pipcronal

CAPITULO 28

FENOLES

piperonal

CHSHO 7

CH-CHCHO

%+

NaOAc

I[

CH=CHCH=CHCOOH

pipérico

acido

Acido pipérico

soc12

CH-:CHCH=CHCOCI

+-

piperidha

JJ

Piperina

25.

Sus características de solubilidad indican que la hordinena es un fenol y una mina. La prueba de Hinsberg revela que se trata de una amina terciaria; si bien el cloruro de al grupo benecenosulfonilo puede reaccionar con el grupo fen6lic0, deja sin modificaci6n amino, con sucarkter bAsico intacto. Una vez mAs, la degradaci6n oxidativa brinda mucha informaci6n; sin embargo, debido a la sensibilidad delos fenoles la hordinena debe metilarse primero. HOArR Hordinena

Me>SO4

OH-

CH30ArR LL

anísico

0

CH~O Acido

CooH

Sabemos ahora que la hordinena tiene un " O H fenólicopara con respecto auna cadena grupo es terciario(lo que requiere lateral, única, portadora del grupo amino. Puesto que este tres carbonos como mínimo), dicha cadena lateral no puede contenerm b de dos carbonos:

Esto queda confirmado por la generación dep-metoxiestireno a partir LL, probablemente de con eliminación de M e w . Me2NH

+ C H J O a C H = = C H 2 ccalor -p-Metoxiestireno

CH,OoC2H4NMe2 LL

FENOLES

CAPITULO 28

(a) Hasta este punto, hay dos estructuras que concuerdan conlos datos:

(b) Cualesquiera de las dos estructuras se puede obtener por aminación reductiva (Sec. 26.11). H

Acido p-tolúico

""

MM

NN

CHJ

O0

I

COOH PP

FENOLES

27.

CAPITULO 28

El alcohol conifenlicoes soluble en NaOH, pero no en NaHCO,, por lo que debeser un fenol. El tratamiento con cloruro de benzolio (paradar S S ) aumenta en 14 el número de carbonos, lo que indica quese agregaron dosgrupos benzoilo y, por consiguiente, quese han esterificado dos"OH. La reacci6n conHBr frío, para reemplazar" O H por " B r , demuestra que unode los " O H es alcohólico. La ruptura con HI paradar CH$ revela la presencia deun grupo metil éter. La aritmética química sugierela presencia de una cadena lateralno saturada: C l , , H I ?O3 alcohol coniferílico -OH fenólico

CIOHI 1

0 2

-OH

alcohólico

C' I OHI 00

Clo~lloz CI~JHIOO -OCH, Cter ____ CvH7

~

CQH7 C6H anillo aromático __

C,h

En formacongruentese halló queS S (con sus funciones fenol y alcohol protegidas) decolora tanto al KMnO, como al Br,/CCl,: es prueba de insaturación. Hasta aquí, a ls estructuras posibles son: OH CbHJ ~ - O C H j /

\

CH

~

OH ChHj --OCH, /

CHCHzOH

\\

C=CH2

I

CHzOH

Finalmente, la ozonólisisda resultados que no dejan margen para dudas acerca de las estructuras del alcohol conifenlico, S S y 'IT.

Mcl

OH-

28.

'

CH ,O CH 1

o]b==C I CH,OH H H

0

TT

(a) UU es un acetal(estrictamente, un cetal) y una lactona.Seforma por la captura la sustitución intramolecular (nucleofílica) del ion bencenonio que, de ordinario, conduce a electrofílica aromática.(Este parece ser el primer caso de este tipo que se ha descubierto.) 531

FENOLES

CAPITULO 28

g+

CHI

Br

xx (1) Sustitución nucleofílica con catálisis hci& (de Lewis) mediante Ag', que ayuda a extraer Br para permitirla entrada de-02%. (2) Reduccidn de dos enlaces dobles.(3) Hidrólisis alcalina de una lactona (un ester)da que un alcohol (un hemiacetal) y un anión carboxilato. (4) Como otros hemiacetales, tste es inestable y genera un compuesto carbonílico y un alcohol (un hidroxiácido).

Por ejemplo, la ruptura Ude M unión 6ter(ROCH,) en XX y la deshidratacidn del alcohol resultante darían origen a VIII, complethdose así la transformación de un fenol en un sistema alifático polifuncional. Con un grupo carbonilo enla molkcula- e l grupo funcional más importantede la químicaorghica- se abren docenas derutas de síntesis. S32

CAPITULO 28

FENOLES

VI11

X

IX

XI

Se pueden introducir otros grupos, aparte del - O C Y , en el paso (1): acetato. por ejemplo. La cetal-lactona se puede romper antes de la hidrogenacibn para producir estructuras comoIX. Se puede extender el proceso a sistemas aromáticas policíclicos (Cap. 34), con la formación de compuestos tales como X y XI. (Corey, E. J., Barcza, S . y Klounann, G., "A New Method for the Directed Conversion of the Phenoxy Grouping into a Variety of Cyclic Polyfunctional Systems", J. Am. Chem. Soc., 91,4782 (1969).)

29.

CHO Vainillina (pág. 986)

Piperonal (pág. 778)

BBB

AAA

(y HH en el problema 24, visto poco antes)

6

CH(CH 1

CHI

\j

h

Eugenol (pág. 986)

ccc

&OC", CHC HCIH CC HH - z,C H ? ~

Timo1 (pág.986) DDD

Isoeugenol (pág.986) EEE

Safrol (pág. 986) FFF

Primero revise sus respuestas comparándolas con las indicadas arriba. Tanto si estuvo en lo correcto como si no, trate de ajustar las estructuras correctas a los espectros. En seguida, consulte los espectros rotulados de las páginas879 a 881 de estaGuía de Estudio, y coteje sus asignaciones de sefiales las que con allíse indican. Finalmente, revise el análisis de estos espectros, expuesto en la página 883 de esta Guíade Estudio.

29 Halogenuros dearilo Sustitución nucleofi7ica aromática

0)Vea la sección 14.19

29.1

(a) Vea la sección

29.2

Hay un enlace &--Omás fuerte en los fenoles debidoal carácter de doble enlace parcial, de hibridación sp2o ambos, del carbonoaromkico.

29.3

(a)

10.15

O = - N O O H KOH\ O=N 0 0 - K ' p-Nitrosofenóxido de potasio

@)Sustitución nucleofílica aromática. de grupo (c) Atracciónelecrrónica-o, más apropiadamente, aceptación electrones"pore1 nitroso, lo cual estabiliza el estado de transición que conduce al intermediario I.

EtOH 535

HALOGENUROS DE ARIL0

CAPITULO 29 29.4

(a) Hay sustitución nucleofílica aromática de“ O H por “$, ambos grupos-NO,, ubicados orto y para respecto al

con activación debida a

44.

(b) El productolade hidrólisis, lap-nitroanilina, es activado hacia la sustitución nucleofílica aromática por el grupop-nitro. En medioalcalino,partedel producto sufre el desplazamiento de “ N H , por “OH, para dar p-nitrofenol, conlo que disminuye el rendimiento, además de que el fenoly sus productos de oxidación dificultan la purificaci6n del producto.

o’ o y (c) Ocurre que desplazamiento nucleofílico del“ C 1 por el ”S0,Na. Aquí el reactivo, SO,%, es un nucledfilo que poseeun par de electronesno compartidos sobreel azufre. En una sulfonaci6n ordinaria, el reactivoSO, es un electr6fil0, con un azufre deficientede electrones.

(d) No es un método general, puesto que requiere que el anillo esté activado por sustituye como -NO,, ubicados orto, para, o ambos, con respectoal punto de ataque. Además,no se puede utilizar este tipo de sustitución paradesplazar H-, sino quesólo resulta para grupos salientes débilmentebhicos, tales como C1-. No se podría emplear para preparar &ido bencenosulf6nico. (e) Comoen (c), hay sustitución nucleofílicaaromatics con SO,” como nucldfilo y, esta vez, NO; como grupo saliente. En los is6meros orto o para, cada NO, activa al otro, de sal de bencenosulfonato hidrosoluble: modo que se obtiene una

El isómerometa no reacciona, y permanece insoluble 536

HALOGENUROS DE ARIL0

29.5

CAPITULO 29

El -NO puede ayudar en la dispersión de cualquier tipo de carga, negativa o positiva, desarrollada en el estado de transición que llevahacia el intermediario en la sustitución aromhtica.

-E O :

Electrofilica

~

Y

29.6

-

La ariunCtica quimica indica la adición de edxido de sodio, C,H,,08N3Na -C7H507N3

C2H50Na

producto material de partida

equivale a etóxido de sodio

o bien, en el segundo caso, demedxido de sodio. El producto I1 es el mismo en ambas O z NG

koz

NO2

y

0 2 N6

Me0

OEt

0 2 IN .-.‘ o N o 2

0

2

NO2 +

NO2

LC

02N&2

I1

02N&Oz

NO2

NO2

Mezcla

reacciones,y es un ejemplo estable del intermediariolaen sustitución nucleofilicaaromitica por medio del mecanismo bimolecular.

29.7

Elaniónfenilo, C,H,-, es UM base mis fuertequeelanión 2-F-3-CqoC6q-,el cual contiene dos sustituyentes que atraen electrones y debilitan el carkter bhico: -F y 4%. Por el contrario, el o-fluoroanisol un es &ido m& fuerte queel benceno.

29.8

El compuesto organolítico reacciona como un reactivo de Grignard: (a) con CO,, para dar un Acido carboxílico:

HALOGENUROS DE A R E 0

CAPITULO 29

(b) con una cetona, para dar un alcohol terciario:

(c) El magnesio reaccionaen el enlace-Brparadar el reactivo de Grignard, que es andlogo al producto organolítico de la reacción (5). pzigina 1036, y reacciona como en (6) para generar bencino.

aBr+ F

29.9

Mg

(a) AgNO,

& B r:

"-j

MgBrF

+

0

Bencino

(b) &NO,

(c) Br,/CCI,, o KMnO, (d) prueba del yodoformo; o 0

, /H2S04

(e) prueba del yodoformo

29.10

(a) Oxidación a ácidos; luego determinación de sus p.f. (aunque ambos muyson elevados),

o de sus equivalentes de neutralización(201 contra 123).

(b) Ozonólisis e identificación de fragmentos (C&CHO contra o bien, HCHO), isomerización al otro (el idmeropropenílico) mediante KOH caliente de un isómero(el compuesto alílico) (véase problema 21, Cap. 28).

No hay reacción: b,c, d, e, f, g, k, 1, n, o. 2.

(a) n-BuMgBr

(b) n-BuOH

(c) CH,CH2CH=CH2

(d) n-BuC"CH

(e) n-Bu-+Et

(f) n-BuNHz

(g) n-BuCN

(1) Ph-Bu-n

No hay reacción: h,i, j, k,m, n, o.

y Ph-Bu-see

HALOGENUROS DE ARIL0

CAPITULO 29

(f) CHjCI, AICII

(Véase el problema 3b,poco antes)

(k) a - C H 2 C H = = C H ,

(m) NaNH,/NIl,(líq)

c-

MgBr (como en g)- BrCH2CH=CH2

CAPITULO 29

DE

(e) PhCHzOH

(f) PhCHOHCHi

HALOGENUROS

(g) PhCHOHPh

ARIL0

(h) p-CH,C,H,CHOHPh

Ph CH, (m) Ph3COH

I I

1

(o) C6H6 + HC=CMgBr

( n ) Ph--C -CH-CZHS OH Opticamente activo

Modificación racémica:f, h. k, (Opticamente inactivos.) n. Unico compuesto 6pticamente activo: Todos los demás: compuestos únicos, ópticamente inactivos.

6.

(a) 2.4.6-triNOJ > 7 , 4 - d i N 0 2 > o-NO, > m-NO:, no sustituido.

( b ) 1'hCH: > PhH > I'hCI > PhN02

(c) CHICHCH-CHJ

I

Br Alílico

> CH*CH?CH--CHZ > CH,CHLCH"CH

I

~

B I-

Alquilol"

Vinílico

Br

(d) I'hMe > p-BrC,H,Me > f'hBr > p-BrChHJBr (e) I'hCH2CI > EtCl > PhCl BencílicoAlquilo 1" Aril0 ( f ) PhCHCHj > PhCH2CHL > PhCH-CH

I

BI Bencílico

7.

I

Br Alquilo 1"

I

Br

Vinílico

NaHCO, acuoso, para reducir al mínimo la sustitución nucleofílica por OH-, que convertiría parte del producto en 2,4-dinitrofenol (comphrese elcon problema 29.4b).

HALOGENUROS DE ARIL0

CAPITULO 29

Arino

kin0

Anión más estable (Véase la Sec. 29.14)

Anión más estable (Véase la Sec. 29.14)

HALOGENUROS DE ARIL0

CAPITULO 29

Br

Br

Br

Br

(problcrna 27.16, pág. 963)

(corno en d)

CAPITULO 29

HALOGENUROS DE ARIL0

10.

Vea la sección 35.10

1 l.

En algunos de los pasos el tipo de reacción depende del punto de vista. Protonación del aldehido.

Protonación de un alcohol.

Sustitución electrofilica aromática: segundo paso de una reacción SN1 delalcohol protonado.

Segundo mol

CI DDT

Clorobenceno

Bencino

Bencino

Fen01

Ion fenóxido

HALOGENUROS DE ARIL0

CAPITULO 29

El ion fenóxido es un anión anbidentado que puede reaccionar en el oxígenoo en el anillo; compare con la respuesta al problema 13, capítulo 28. Reacción en el oxígeno

(=&+o*-i

Bencino

Difenil éter

Ion fenóxido

p-Fenilfenol

Reacción en el anillo

13.

El intercambio de hidrógeno sucede, como hemos visto, por la vía de un carbanión (págs. Esto, a 1034-1035). Su velocidaddepende de larapidez de formación del carbanión.su vez, depende del acomodo de la carga negativa desarrollada en el estado de transición que su efecto inductivo, el flúor contribuyeal conduce a la formación del carbani6n. Mediante acomodo de esta carga negativa. El efecto inductivo depende de la distancia al carbono orto que desde las posiciones meta negativo, siendomucho mds poderoso desde la posición o pura. (Véasela referenciadada en la respuesta al problema 23, más adelante.)

14.

Elgrupo -N; activa muy poderosamenteelanillohacia la sustituciónnucleofílica aromática. El ion cloruro desplaza cantidad gran de -Br antes de que ocurra la reducci6n.

15.

\

NR2 XI

HALOGENUROS DE ARIL0

CAPITULO 29

Bunnett (pag. 274), quien realizó este trabajo, ha ofrecido esencialmente la siguiente interpretación.(Haypruebasadicionalesquecontribuyenadescartarciertas interpretaciones alternativas.) Cuando X = F, el intermediario se forma reversiblemente (1). Una parte deX continúa por Nrdidas de X-, pero otra parte,se revierte aArX por Nrdida de R,NH, a productos (2) débilmente básica; esta inversión de (1) retarda la reacción global. Medianteruta la (3), la baseconvierte al intermediarioX en XI, que se transforma con rapidez en productos (4), por pérdida de X-, en lugar de volver a ArX por pérdida de la fuertemente básica especie aniónica R,N-. Cuando X = Br (2) es mucho más rápida porque el enlace C-Br es más débil. X se forma irreversiblemente,convirtihdose todo en producto ya sea con o sin la acciónde la base. (Bunnett, J. F. y Randall, J. J., “Base Catalysisof the Reaction ofN-Methylaniline with 2,4-Dinitrofluorobenzene.Proof of the Intermediate Complex Mechanism for Aromatic Nucleophilic Substitution”, J. Am. Chem. Soc., 80,6020 (1958).)

16.

(a) Hay un efecto isotbpico primario. Considere la respuestaal problema anterior,en que X = OPh, o bien, WPh. Los pasos (2)y (3) son mQ lentos para el is6topo m8s pesado y, mediante el paso (1) invertido, se revierte más del intermediario hacia elde partida. material (b) La piperidina aumenta la velocidad(3) deen relación con la reacción inversa de (l), de

manera que una fracción mayor del intermediario continúa hacia producto, independientemente de sise pierde OPh-o WPh-.

17.

En el disolvente aprótico, el ion azida se encuentra poco solvatado (no hay formación de puentes de hidrógeno) y, en consecuencia,es un nucleófilo más fuerte.

18.

(a) 28, N,; 44, CO,; 76, bencino; 152, bifenileno, un dímero del bencino que se forma gradualmente.

Bencino Dos moles

Bifenileno

Acido o-aminobenzoico (Acido antranílico) 545

HALOCENUROS DE ARIL0

CAPITULO 29

(La dimerización del bencinoen la parte (a)es una cicloadición tkrmica [2+21, y esd prohibidupor la sirnetria (Sec. 33.9). Seguramente,o bien la alta energía de las particulas que intervienen hace posible la difícil reaccidn o bien la reacción procede según un mecanismo no concertado por pasos.)

19.

Primerohagamos un poco dearitmkticaquímica: C,H & I

t CIPHISK . "

"

C,,H*OCIK

clorobcnccno PhJCK

C2,H2,,CIK ~~

C25H2o

reactantes productos

_____ KC1 se pierde; esto sugiere que el producto es

Si suponemos que el producto es tetrafenilmetano, podemos escribir la siguiente serie de reacciones:

Ph Bencino Clorobenceno

Tetrafenilmetanobase

La KNH, es necesaria para generar el bencino; el anidn Ph,C-, estabilizado por resonancia, y un nucle6fílo demasiado débil para es una base demasiado débil para formar el bencino, llevar a caboun desplazamiento bimolecular.

Un carbani6n bencílico, al igual que elion fendxido (problema 12 recién visto o una mina aromática (problema 27.15, pág. 956, y PPoblema 27.21, pdg. 9661, podría ser un reactivo ambidentado (véase la respuesta al problema 13,Cap. 28). Debemos considerar la -por razones estéricas- no reaccionara en el carbono de la posibilidad de que el bencino dar Ph,C, sino en el anillo para dar XII, una estructura que nos recuerda cadena lateral para al dimero del trifenilmetilo (I, pág. 545).

XI1

20.

(a) A 340°C,lareacciónprocede, al menosparcialmente,medianteelarino adiciona agua de dos maneras diferentes para dar tanto m- como p-cresol.

XI11 que

HALOGENUROS DE ARIL0

CAPITULO 29

A 250°C la reacción procede a traves de solamente p-cresol.

un desplazamiento bimolecular, dando

(b) Se forma el arino XIV (compare con el problema 18, poco antes), el cual adiciona

t-BuOH en las dos formas posibles.

XI v

(c) Se forma el arino XV, que no sólo adiciona NH, (como -q), sino tambienC q C N (como %€€$N). Aquí, los productos posibles son idmeros los orto y meta y. como en la de la carga página 1035 predomina el isómeromera: tiene gran preferencia la generación

5HcH c1

NaNH?,

COOH

NHI

xv

NH2

negativa sobre el carbono adyacente al sustituyentedeatractor electrones. (Enlas partes (a) y (b) de este problema, las opciones son los isómeros meta y pura, y se manifiesta escasa preferenciapor uno u otro.) 21.

Tanto 11,como III generan el mismo arino, XV1,el cual da XVII porreacción intramolecular. ,CH3 \

CH3

/

11

\

H

I

CH3 XVII

c1 111

H

XVI

1"etil2,3-dihidroindol

HALOGENUROS DE ARIL0

CAPITULO 29

22.

(a) Sólo Br(CH,),BrreaccionaconAgNO,. Só10 p-BrC,H,CH=CH, reacciona con KMnO,. (b) Se oxidan todos a ácido,BrC,H,COOH, y se determina el p.f. : o-, 148 C ;nz-, 1 56 C : p - , 254 P C.

(c) Sólo PhCH,Cl reacciona con AgNO,. o-C,H,CI, no reacciona conKMnO, caliente. (d) Sólo el alquino decolora el Br,/CCl,. Los alcoholes reaccionan con CrO,/H,SO,, y pueden distinguirse mediante el análisis elemental (para Cl). De los compuestos restantes, sólo el etilciclohexano no contiene C1, y sólo PhCl es soluble en ácido sulfúrico fumante. (e) El halogenuro de aril0es negativo frente al AgNO,. Los demás se deben oxidar a ácidos, los cuales se distinguen mcdiantesus p.f. (aunque ambos son muy elevados) o bien mediante sus equivalentes de neutralización(83 contra 162).

23.

(a) Un mecanismo basado en un bencino justificaalgunos de los hechos. Rr

Br

Br

1v

XVllI

Br

v

VI I

VI11

IX

(b) Se sabe quelos bencinos reaccionan con el ion halogenuro. Siel bencino XVIII es un intermediario, comose postula en(a), debería reaccionar conel yoduro agregado paradar VIII, lo que es contrario alos hechos. Br

O B r B:_ Br IV

o~r Br

XVllI

l b B r 8 : ~ \I O j B r Br

\

Br

vIII

No se obtienen en estascondiciones

HALOGENUROS DE ARIL0

CAPITULO 29

(c) Básicamente, la danza de los halógenos ocurre enpasos. dos (i) Ar-H

+

B:

e

Ar:3

+

B:H

El paso (i) es la familiar separación deun protón mediante U M base para generar un carbanión. El paso (ii) es un desplazamiento nucleofílico sobre un halbgeno, con un arilxarbanión como nucleófiloy otro aril-carbanión como grupo saliente.

Para explicartodos estos hechos, sólo necesitamos estos dos pasos, una más regla como son los que tienen la guía: los únicos carbaniones suficientemente estables para participar carga negativa orto respecto al halbgeno. Como se ha ejemplificado con los datos del es más poderoso desde la problema 13, antes visto,el efecto inductivo del halógenomucho meta y para, m& distantes. posición orto que desde las posiciones Según se sugiereen el problema, comencemos conV y la base,en presencia deVI, y veamos cómo se puede formar IV. Descubrimos que la clave es la transformación del uibromocarbanión XIX en su isómero XX, cuyos Br se distribuyen como enIV.

Br v

XIX

XIX

VI

VI

xx

xx

IV

Mediante lainversiónexactadelospasosreciénindicados,podernosexplicar conversión deIV en V, en presencia deVI.

oBr ’oBr Br

(4)

+

Br

B: I _

+ B:H

Br xx

Br IV

Br

xx

Br VI

VI

x IX

la

HALOGENUROS DE ARIL0

CAPITULO 29

Br

Br

XIX

V

Comenzamos a vislumbrar el papel especial que representa el compuesto tetrabromado VI: contiene Br con la misma distribución que tiene tanto IV como V y, por pérdida de uno u otro Br, puede convertirse conIV o en V. A continuación, comencemossolamente con 1V y la base, y veamos Cómo se f o m ~ n todos los productos. Br

Br

Br

Br

xx

IV

Br

-;o[O\ Br

Br Br

+

Br

Br

Br

/y”,’

Br

xx

6 1

r-:

1V

B

r

QBr Br

R:

QBr

Br m-Dibromobenceno

6 Br

Br

i r p-Dribromobenceno

VI

La secuencia (4), (7) de m- y p-dibromobencenos y genera el compuesto tetrabromado VI. Con VI ahora presente, puedeocurrir la secuencia(5), (6) para dar V. Los pasos de (7), (4) invertidos convierten los m-y p-dibromobencenos otra vez IV, en pero el bromo quese incorpora no tiene queser necesariamente el que antesse perdió del IV. El resultado neto, después de muchos ciclos,es UM distribución completade un Br marcado en IV. (Escriba una serie de ecuaciones para comprobarlo.) Las reacciones del compuesto dibromoyodado VI1son a d o g a s a (4) y a (7). Los compuestos mbromoy bromodiyodadosse obtienen por cierto tipo de “dismbución”, esta vez no con isótopos sino con diferentes halógenos, el Br y el I. (También escriba las ecuaciones que demuestran esto.) Finalmente, la parte más difícil:¿Por qué se debe adicionar VI para llevar a cabo la isomerización deV, pero nola de IV? Escribimos ecuaciones análogas(4)ay a (7), ahora comenzando conV en lugar deI V .

+

(I)

B:

e

o

Br

Br

V

XIX

+

B:H

HALOGENUROS DE ARIL0

Br XIX

CAPITULO 29

Br V

Br VI

Br XXI

ano es

respecto orto a X

Para que V genere el compuesto clave tetrabromado VI debe separar un Br de otra molécula deV; pero esto no puedeocurrir, ya que la reacción requeriría la formación del carbanión XXI, en el cualla carga negativa noorto respecto al halógeno. ¿Por que no es necesario adicionar V para llevar a cabo la isomerización de IV? La casi ante nuestrosojos": en la secuencia(4), (7),VI respuesta, como Bunnett señala, "está se genera a partir de la reacciónde la base conIV cínicamente. (Bunnett, J. F., "The Base-Catalyzed Halogen Dance, and Other Reactions of Aryl Halides", Ace. Chem. Res., 5, 139 (1972).)

30 Carbaniones I1 Síntesis malónica y acetoacética

30.1

Utilizamos el procedimiento general, tal como se describe en las páginas 1043-1045. Acido deseado: (a) CH,CH2CH2-CH2COOH

CH3 I CH3CH- CHZCOOH CH3

I

CH,CH>-CH COOH

Se necesita: Se

R

=

n-Pr-

alquila el éster malónico con.

n-PrBr

R iso-PrBr = ;so-Pr-

R = EtR'= Me-

EtBr MeBr

No se puede obtener ácidos acéticos trisustituidos mediante la síntesis malónica porque sólo es posible introducir dos grupos alquilo.

Síntesis malónica con R = iso-Bu-

(La bromación Y la amonólisis se reali~anmejor con el Acid0 libre que conel éstcr.)

CAPITULO 30

CARBANIONES I1

(c) CH,CH2CH- CHCOOH

I

f-

como en (b), apartir de C H $ . ~ ~ C HCH z~~~~

I'

NH2

Isoleucina

Síntesis malónica con R = sec-Bu-

30.2

(a) En lasíntesisdelácidoadípico,elexceso de ester sodiomalónicoocasiona el desplazamiento de ambosBr del bromuro de etileno.

En la síntesis del ácido cíclico, el exceso constante del halogenuro orgánico asegura la monosustitución: (EtO0C):CH-

+

+

BrCHzCHzBr (EtOOC),CH -~CH2CHzBr

Br

Luego, la adición de un segundo mol de etóxido generaun carbanión que cierra el anillo mediante un ataque nucleofflico intramolecular. Br

Acido ciclopropanocarboxflico

(b) Igual que para ácido ciclopropanocarboxflico

BrCH,CH$H,CH,Br.

en (a), salvo quehay que emplear

CH2

1,\ -

HLC _ _ C H COOH \

f

-

H2C ~ - -CH2 Acido ciclopentanocarboxflico

CAPITULO 30

CARBANIONES II

303

(a) La reacción de Kncevenageles unacondensación similar a la aldólica (problema 25.22f, pág. 904). CH,(COOEt), PhCH=C(COOE + PhCHO

(b) PhCH=C(COOEt)

OH-. H 2 0

calor

PhCH=C(COO-)Z

-

t)z

tí+

PhCH C(COOH)?

calor

co2

A

-

PhCH-CHCOOH Acido cinámico

(c) Mediantela condensación de Perkin (problema 25.22e, pág. 904).

30.4

(a) La reacción de Cope es una condensación similar ala aldólica (problema 25.228, pág. 904). --O

+

CH,-COOEt CN

(b) O = f - C O O E t CN

30.5

30.6

CN

H+ z

calor

=C"COOH

A O==CH-COOH

COOH

Acido ciclohexilidenoacético

CH,CHCH,COOEt

1

CH(COOEt), A

A se forma tal como se describe en la sección 31.7

~ustituciónnuc~eof~ica,cone~imi~cióncomoreacci6ncompetitiva(Sec.7.~4).Rendimien~ en producto de sustitución: 1" > 2" >> 3". No se puede usar halogenurosde aril0 (Sec.29.4).

CAPITULO 30

CARBANIONES I1

H CH,C-C-COOEt CHjC--C"COOH

11

I

-

I

I1

Y a 'X CH,C-CH?"CHZCOOH

co

A

11

O CH2COOH

O ¿!H*COOEt

O

Un ycctoácido

Observamos que, de los dos grupos carboxilo, el que se pierde es el que se halla beta con respecto al grupo ceto. El empleo del ácidobromoacético simplemente convertiría el derivado sodado nuevamente en éster acetoacético (b) [CH,COCHCOOEt]-Na'

+ CI-C-Ph

+

I1

O

H CH,C--C-COOEt ,¡ I O C-Ph

+

NaCl

il

O

H

H

I CH,C-C-COOEt !I I

"-3r

I I1

1,

O C-Ph

O C-Ph

O

O

II

[CH,COCHCOOEt]-Na+

-

H

I

CH,C--C--COOEt

I1

1

O CHZCCH, I1

II

O Una P-dicctona

o

H --f

CH,C-c"COOEt

II

I

+

NaCI

0 CHzCCH,

H i CH,C--C"COOH

1

O CHzCCHl

-coz

I1

O

30.8

CH,C-CH,-CPh

__f

O

+ CICHzCCHl

I1

P @ II

- CO-.

CH,C"C"COOH

o r a

CH3C"CH2"CH2"CCHj 3

/I

/I

O

O

Una ydicetona

O

Seguimoselprocedimientogeneraldelas páginas 1047-1048. Cetona deseada: (a) CH3CHzCH2~-CH2CCH,

I/

Se requiere:

Se alquilaéster elacetoacético

Rn-PrBr = n-Pr-

O CH, 1 (b) CH,CH--CHzCCH,

II

R = iso-Pr-

iso-PrBr

O CH3

I

(c) CH,CH~-CHCCHJ

II

O

R = Et-

R'

=

Me-

EtBr MeBr

con:

CARBANIONES 11

CAPITULO 30

(d) No se puede preparar acetonas trisustituidas mediante la síntesis acetoacCtica, puesto que sólose pueden introducirdos grupos alquilo.

(f) CPI3CCH2-CH2CCH3

I1

O

-

I1

O sintesis acetoacéticacon

R

=

(RX

CH3CCH2-

It

=

CH3COCH2C1)

O

O bien, sería m& conveniente proceder como sigue: 2Na+ -[CH,COCHCOOEt]

EtOOC COOEt

+ Iz

"+

2NaI

I t + CH3CCH-CHCCH3 It

O

-

//

" OH-+

O

- CO2

H'

CHjCCH2"CHZCCHJ

/I

11

O

O

(g) PhCCH2-CH2CCH3

/I

/I

O

O +"

síntesis acetoacética con

R

=

PhCCH2-

11

(RX = PhCCH,Br)

II

O

30.9

O Bromuro de fenacilo

Hay unacondensación de Claisencruzadapara dar A, seguidade la hidr6lisis y descarboxilación deun pcetodcido. (Como en el problema30.7 (a), vemos aquí que, de los dos gruposcarboxílo se pierde el que se halla beta con respecto algrupo ceto.) Un a-cetodcido CH3

EtOOC-C-OEt

I1

I

+ CH2COOEt

- EtOH

___f

O

A

H+

Hz0

CH3 E t 0 0 C " C " C HI C O O E t

11

O A

CH3

I

HOOC-C-CHCOOH HOOC-C-CH2CH3

ii

O

I1

O

Un a-cetoácido

CAPITULO 30

CARBANIONES I1 COOEt

30.10

S

"+

(a) HOOCC--CH2CH(CHh

!I

I

EtOOCCtCHCH(CH,)2 I1

O

O Acido a-cetoisocaproico

8

EtOOC-C~-OEt

I/

+ EtOOCCHlCH(CH3)2

O Oxalato de etilo

Isovalerianato de etilo

COOEt

(b) HOOCC-CH2Ph

!I

O Acido a-ceto-p- . fenilpropiónico

I

OH

B

Un P-hidroxiéster (b) Igual queen (a), excepto quese utiliza (r~-Pr)~c=O como compuesto carbonílico.

(c) Igual que en (a), excepto quese usan PhCHO y I

= Et).

Ph---CHSCHCOOEt I

OH

30.18

I

El anillo de oxazolina protege al grupo carboxilo, de manera que se pueden llevar a cabo reacciones de Grignarden otros sitios dela molécula.

C

D

CAPITULO 30

CARBANIONES II

P h ~ - C O O E t E O

I1

(b) P h i CCHzCHzCOOH 8

/I

AICI,

PhH

O

Ph Et

‘C--CHCH,COOH

’

H,C

1

H2C \ c ’

\

O AcilaciónFriedel-Craps de

I1 O Anhídrido succinic0

Un ycetoácido

(c)

+

/c

I

EI-C-CHZCH~COOH OH I

C

Et-C-CHZCHZI OH I

N

CH,

(Meyers,A. I., el al., “Oxazolines. XI. SynthesisofFunctionalizedAromaticand Aliphatic Acids. A Useful Protecting Group for Caboxylic Acids against Grignard and Hydride Reagents”,J. Org. Chem.,39,2787 (1974).)

30.19

Se fOrma un complejo Acido-base; dentro de Cste, se transfiere un prodn medianteun estado de transici6ncíclico.

CARBANIONES XI

CAPITULO 30

R

0

&'

R'

O=C

R'

($0

'2H RJ

/

-

R

\ /

O-C

B

/

R'

O \

R-H

R'

BrCHzCOOEt (de CH,COOH)

r-

isa-BU-B

3

9-URN

f--

I CH,C -CH2

CAPITULO 30

CARBANIONES I1

(Brown, H. C., Boranes in Organic Chemistry, Cornel1 UniversityPress, Ithaca, N.Y., 1972, págs. 372-391;o bien, Brown,H. C., Nambu, H. y Rogic, M. M. J. Am. Chem. Soc., 91,6852,6855 (1969).)

30.21

Seguimos el procedimiento general expuesto en la página 1056. Para sintetizar: Alquilar

e;

o acilarenumina la

Con:

de:

PhCH2Br

CH2 =CHCHzBr

o O

CH3

I

BrCHCOOEt

BrCH2CCH3

II

O

O

(i CH 3

: I

(f) C H 3 C t C " C H O

II : I

O CH,

CH3

I I

H--C-CHO CH3

CH ,-C-CI

I/

O

(House, H. O.,Modern Synthetic Reactions, W. A. Benjamin, NuevaYork, 24ed. 1972, págs. 766-772.)

30.22

(a) En U M condensaci6n tipo alddica, elcarbononucleofílico de la enmina ataca al carbono del grupo carbonilo del aldehído.

CARBANIONES I1

CAPITULO 30

A

(b) La iminaC es lo suficientemente ácida corno para descomponerel reactivo de GrignNd y formar la sal de magnesio; esta sal tiene un carbono nUdeOfík0, por 10 que se alquila con el cloruro de bencilo. H

I

(CH3)*C-C-=0 1 H

H

+

H2N -Bu-r

-

H20,

I

..

(CH3)2C-C N -Bu-{ ~

H C

Una imina

MgBr

H

3

D

C2H5--MgBr

1.

+

E

Seguimos el procedimiento general esquematizado en las páginas 1043-1045. Se alquila el Acido deseado

(a)

CH3CH2CH2CH2-CH2COOH

Requiere:

R

=

n-Bu-

con:

&et

malónico

n-BuBr

CH3

I

CH,Br

(b) CH3-CHCOOH

CW3Br

CH3

I

(c) CH,CH"CH,COOH

R = iso-Pr-

iso-PrBr

CAPITULO 30

CARBANIONES II CH3

I

(d) CH3CH"CHCOOH I CH,

R = iso-PrR' = Me-

( e ) C2H5-CHCOOH

R

I

C2H5

(f) PhCH2-CHCOOH CH2 Ph

H3C

Et-

EtBr

R' = Et-

EtBr

=

R' PhCH,Br = PhCHz-

(9) HOOCCH-CHCOOH COOEt

MeBr

RPhCH2Br = PhCH2-

I

I

iso-PrBr

R = CH3CH-

CH3CHBrCOOEt

R'

MeBr

I

/

CH3

=

Me-

O, lo que es más conveniente, oxidar dos moles de &ter sodiometilmdónico con (Compárese con el problema 30.8f, pág.1049.) 2Na+ -[CH,C(COOEt)21

+ I2

-

2NaI

+ (Et00C),C-c(c00Et), I

-

H',

I

H3C CH3 - co:.

I,.

HOOCCH-CHCOOH

I

H3C

I

CH3

(h) H O O C C H 2 + H 2 i C H 2 C O O H AAada un mol de C$Br,a dos molesde éster sodiomalónico; luego hidrolice y descarboxile como siempre(Véase el problema 30.2, pág. 1046.)

Airada un mol de éster sodiomalónico un a exceso deBrCH.$%CH,Br; luego agregueun mol de NaOEt y, finalmente, hidrolicey descarboxile como siempre.(Vhse el problema 30.2, pág. 1046.)

2.

Seguimos el procedimiento general indicado en las paginas 1047-1048. Cetona deseada: (a) CH3-CHzCOCH3

Requiere: R = Me-

(b) C2H,-CHCOCH3

R = Et-

I

C2H5

EtBr

R' = Et-

Alquile el ester acetoacktico con: MeBr EtBr

CARBANIONES Il

CAPITULO 30 (C)

R

CHjCH2CH2-CHCOCH3

I

R'

C2H5

(d) CHCHCHZ--CHzCOCHr

=

n-Pr-

n-PrBr Et Br

= Et-

R = EtCHCHz-

EtCHCHzBr

I

I

5l

Me

CH3

R

(e) (CH3)2CHCH2CH2-CHCOCH3

MeBr R'

CH3

=

iso-Pe--

=

Me-

iso-PeBr

CH3CHCOOEt

Br (g) HOOCCH2-CH2yHCH3

<

HOOCCHZ-CHZICH~

H?. N I

I

O

OH t-

a.a.e. síntesiscon RX

+"

=

CICH,COOEt

a.a.e síntesiscon R X

=

n-PrBr

y R'X = MeBr

(j) CH,CH2CH2CH"CHzCOOH

I

conc.OH-

Prob.

I,

a.a.e. alquilado con

2-PeBr

CH3

(k) CH,CH-CHzCOOH 1

f

conc. OH Prob, I ,

a.a.e. alquilado con

iso-PrBr

CH3

(I)

HOOCCH-CH,COOH

I

CH, 566

<

conc. OHProb. I I

a.a.e. alquilado con

CH3CHBrCOOEt

CARBANIONES I1

(m) CH3CHCH,--CH2CHCH3

I

I

L Hz N I CH3CCH2+CH2CCH3

II

OH

OH

O

o 3.

'

I/

O

-

CAPITULO 30 Problema 30.8 (0

O

,coo

-

__f

2-Carbetoxiciclopentanona Un p-cetoéster

Ciclopentanona

U

v

/I

ciclopentanona

NaCH(COOEt), ,CH,pCHCHzBr / HzC, + NaCH(COOEt), CH2Br

-

I

H2C\

NaOEt

CHz-CH

CHz-CNa 1

I

H2C\/

+

CHZ-CNa

1

(COOEt),

I

\

/CH2

(COOEt),

A

I (COOEt),

d o,o H COOH

C

I

I

CH

H2C-Br I H2C-Br H2C,

+

NaCH(COOEt)2 + I I NaCH(COOEt),

"

I

H2C

/

/

NaOEt

CNa

Br \ CH2

H2C

H2C, CH 1 (COOEt),

/

C Na

Br

l

(COOEt),

D

1 COOH F

(COOEt), E

CH2

CAPITULO 30

CARBAMONES II EtOOC

COOEt

EtOOC H&O

+

+ e&H I

Iz

1

HC--CH

d

COOEt

EtOOC

COOEt

1

+

21

EtOOC kOOEt G

HOOC COOH OH-

G G i 2

I

H'

1

calor

HC-CH

+

I

1

- 2c02

HOOCCHz-CHlCOOH

HOOC COOH

H

Acido succinic0

COOEt

COOEt

i

C -COOEt

C ' -COOEt I

COOEt

I

COOEt

9

I

H

COOH I

'calorT % OH-

HLC - ~ - C-COOH

1 C--COOH 1 H2C-

calor A

-''O'

H2C- C 1 1

CGOH

HzC--C -COOH

1

COOH

H J

COOH

Y I >CH ,b u.lL

\.

Acido 1,3-ciclopentmo dicarboxílico

Acido 1,2-ciclopentmo dicarboxílico

dicarboxílico

Aciab ciclopentano-1,j"dicarboxílico.Se afiade un mol de BrC$C%Br a un exceso de éster sodiomalónico (como en el problema 30.2). Luego se agregan 2NaOEt, seguidosde CHa,. Se hidroliza y se descarboxila. Acido ciclopentano-l,2-dicarboxílico. Se procede igual que parael compuesto 1,3-,pero usando BrCH,CH,CH,Br en lugar de BrCH2CH,Br, y I, en vez de CH,I,. (Compárese con el problema 4 (c), anterior.) Acido ciclopentano-1 ,I-dicarboxílico. Los mismo que en el problema 1 (i) recién visto, pero usando BrCH,CH2CH2CH2Br endevez BrCH2Ch,C$Br, y no hay que descarboxilar después de la hidrólisis.

CAPITULO 30

CARBANIONES 11

5.

2CH2=CHCH2Br+ M g + BrC H2CH-CH2

”+

CH2=CHCH2-CH2CH=CH2+MgBr2 K CH 3

K

2HBr ”--+

CH3CHCH2“CH2CHCH,

Br

I

Br

NaCH(COOEt)2

f

I

I

CH~CHCH~CH~CH-CH(COOE~)Z

1

L

M

CH3\./H

CH3 COOEt COOEt

N

” OH+

-%

COOH COOH

calor

__+

QCOOH

-‘O2

CH, O

6.

(1)

cI~c-coo-

Tricloroacetato

(2)

CI,C:-

calor

coz + CI3C:-

:CCl* Diclorocarbeno

+ c1-

La descarboxilación de C1,CCoO- (1) es relativamente fkil debido a la estabilidad del carbanión quese genera. (Compárese con los problemas 30.12y 30.15, págs. 1049 y 1050.) Una vez que seha formado C1,C-, siguen (2)y (3), comoen la pdgina461.

7.

(a) Muy similar al procedimiento del problema 30.2 (a), excepto que utilizamos dos moles de éster acetoacético en lugar de éster malónico.

CAPITULO 30

CARBANIONES I1 O

O

'!

!I

CHjCCHZSCH2CH2SCH2CCHj

t

O P I1 CHjCCH--CH2CH2-CHCCH,

I

COOEt

a

I

CH3COCH2

,

+ BrCHzCHzBr +

COOEt

COOEt

CHzCOCHi

I

COOEt

(b) Se realiza una condensación aldólica intramolecular. Dea l s dos posibilidades, la reacción sucedede modo que se forma el anillo de cinco Atornos, y no el de siete.

(c) Igual que en (a), pero empleandoCH&, en vez de C%BrCH,Br.

CHJCOCH2

I

+ CH212 + CHzCOCHl I

COOEt

COOEt

(d) Probablementeuna condensación aldólica intramolecular, y de manera que un dé anillo de seis Btomos y no uno de cuatro.

8.

(a) En el compuesto I, página 909, observamos dos"COOEt beta con respectoal C=O

y, por consiguiente, susceptibles de descarboxilarse con facilidad. calor - COI

tl'

O H - . H1O heat

EtOOC. cyrCooEt

o

'o

4

---

Como en el problema 25.33(b), página 909

CAPITULO 30

CARBAMONES II

(b) Seguimos el procedimiento general para la preparación de a-cetoácidos,como se ilustra en el problema 30.9 (pág. 1049).

COOEt CH3CH2CH2

+ EtOC --COO Et 11

o

nButirato de etilo

9.

Oxalato de

etilo

Todos ellos se preparan por reacci6n de la urea con el Cster malónico apropiadamenIte sustituido: H

O

,NH2

o =c \

NH2

+

/

C~HSO--C CzH50-C

'

\ C / \

\O U rea

disustituido

R

R'

\

N

OEt___, o=c¿ EtOH

Ester malónico disustituido

/ 3

\

/O

-7\ , R

I

b>c\R,

N -C,,

H' barbitúrico Acido

\\

O

Los Csteres malónicosse preparan mediante alquilaciones sucesivas con: (a) C,H,Br, dos veces. (b) CH,CH2CH,CHBrCH, ; CH,=CHCH2Br.

(c) (CH,),CHCH2CH2Br; C,H,Br.

10.

(a)La eliminación deun porrón enel C-5 del ácid0 barbitúrico da lugar aun anión aromático estabilizado por resonancia (seis electronesx: dos delC-5 y dos de cada uno de los dos nitrdgenos); el Veronal no tiene protones C-5, en por lo que no puede formarun anión como el anterior. (b)El Veronales una imida, con dosgrupos acilo por cada unode los grupos N-H.

11.

(a)Esta es UM condensación rem-Claisen: consiste enuna serie de pasos queson esencialmentelos inversos de aquellosen los que se forma el &ter acetoac6tico. Aquí, el equilibrio se encuentra desplazado en la direcci6n que produce los iones acetato no 571

CAPITULO 30

CARBAMONES II

reactivos, estabilizadospor resonancia. Esta reacción se conoce comoruptura ácida del Cstcr acetoacético,en contraste con la más familiar ruptura cetónica utilizada para producir cetonas.

+ OH- *

( 3 ) CHjCOOEt

CHjCOO-

+

EtOH

(b) Se debe alquilar éster el acetoacético dela manera usual, luego se calienta conUM base concentrada para originaruna condensación rerro-Claisen (ruptura ácida).

R

CH,C-CH,COOEt

I I

OH

+ CH,C-.C--COOEt

II

.I1

conc.

___f

CHJCOO-

O R'

O ic)

CH,COCHCOOEt-

+ CH3CH2CH2Br

+

RR'CHCOO

YOOEt I

--f

C H 3 C H 2 C H Z- C H C C H 3 /I

o

'0"

C H J C H ~ C HI ~ C H C C H ~ I1

O

t

"++ -

'

CHjCH2CH2CH2COCHj Ruptura cednica CHJCHrCH2CH2COOH+ CH3COOH Acido a-valeriánico

Acido acético Ruptura ácida: reacción colateral

La cetona cruda contiene agua, EtOH, ácid0 adtico y Acid0 n-valeriánico. Se eliminan y se aislan el agua, elEtOH y la los ácidos lavando con NaOH acuoso. Luego se destila cetona. Se eliminan el EtOH y algo de agua al agitar con CaC1, concentrado en solución acuosa. Al separar la cetona de la capa acuosa,se seca sobreMgSO, anhidro y se destila.

12.

(a) En el problema 25.32 (pág. 909), vimos quea ls cetonas sufren una condensación de Claisen cruzada con los Csteres paradar pdicetonas. Igual que la cocdensación de Claisen la cetona ordinaria (problema 11 recién visto) tambiénCsta se puede invertir para generar y un anión carboxilato (en vez del Cster original). Usando el ejemplo del problema 25.32

na

CAPITULO 30

CARBANIONES I1

G);

CH,"C"CH2CCH,

1

OH

II

O

-

CHJCOOH

+

-CH2COCH,

+ CHJCOO-

+ CHjCCH, O I1

Si esteretro-Claisen se aplica a &dicetonas ciclicasesposible obtener productos útiles, con grupos carboxilato y ceto en una mismamolkula.

Enamina

N?H,

Cctona

1

base

HOOC(CH2)bPh

(c) Como en (b), excepto que utilizamos ClCO(CHJ7COOEt en lugar de PhCOCl. (El hcido azelaico, HOOC(CH,),COOH, es asequible por la degradacidn oxidativa del Acid0 oleico, presenteen las grasas (pág. 802).)

13.

n-CbH,,CHO

+

BrCH2COOEt

n-C6H13CHCH2COOEt

Zn

I

__f

OH P

n-C6HI3CHCH2COOEt

I

OH P

3

n-C,H,,CCH,COOEt

o Q

Un p-cetoéster

CARBANIONES I1

CAPITULO 30

14.

Puro

Una mezcla

IOf*. HzO2.

U

T HrO?,

UZO?

"0 "0 >Oti

HO

1,4-di0l

OH

1,5-diol

La hidroboración deles enlaces dobles sucede en las dos formas posibles dar T, una para un equilibrio, posiblementepor mezcla de isómeros1,4-y 1,5-. El calentamiento ocasiona una hidroboración reversible, dando casi por completo el isómero 1 5 , U, m& estable, el U es 9-BBN (Sec.30.7). cual contiene dos anillos de seis átomos. Durantelaoxidación se retienelaconfiguraci6n(problema 17.9, pgg. 638). Por consiguiente, la formaciónlos decis-dioles indica que el puente es cis tanto en el 1,4-, como en el 1J-borano, lo que erade esperarse por consideraciones estkricas.

CAPITULO 30

CARBANIONES I1

(Knight,E. F. y Brown, H.C., "Cyclic Hydroboration of 1,5-Cyclooctadiene. A Simple Synthesis of 9-Borabicyclo [3.3.1] nonane, an Unusually Stable Dialkylborane", J. Am. Chem., Soc., 90,5280 (1968))

H

I

+ OH- e

Ar-C-O1

H

I

Ar-C-OI

0-

OH

Ar-

+ H20

+ H20

--3

ArH

+ OH-

(Bunnett, J. F., Miles, J. H. y Nahabedian,K. V., "Kinetics and Mechanism of the Alkali Cleavage of 2,6-Dihalobenzaldehydes",J. Am. Chem.Soc., 83,2512 (1961).)

16.

La aritméticaquímica,

indica la combinación de dos moles de lactona con pérdida de un 30, lo que sugiere una deshidratación: indudablemente una condensación detipo aldólica, seguida de O

yButirolactona Dos moles

V

V es una lactona (un éster) y un éter vindico. Ambosgrupos funcionales son rotos por HCl concentrado: el vinil éter da una cetona y un alcohol (véase la respuesta al problema 14, Cap. 21); la lactonada un alcohol y un &ido carboxílico.En este instante tenemosun

CAPITULO 30

CARBANIONES I1

"

H20

P

H2C

/

CH \2

I

H2C\

O\

' ' .\ HZC"CH2

' O

C-CH

C- OH OH

a -

co1

OH Cetona-alcohol Acido-alcohol Un dihidroxi-P-cetoácido

Eter-ester vinílico V

CH2 H,C' 'C--CH2

CI

II \ / O H2C-CH2

1

HZC\ CI

Diclorocetona W

dihidroxi-pcetodcido; la descarboxilacidn y el reemplazo de los dos "OH por el 2 1 da W. En presencia de ácido, la cetona W sufre UM alquilacih intramolecular en cada uno de los carbonos a para dar diciclopropil cetona.

Diciclopropil cetona

17.

(a) R X

+

COOEt

I

NaCHCCH,

I,

O

-

COOEt

I

RCHCCH,

I1

O

X

Nerolidol

coo -

I % RCHCCH, 1,

O

caliente

RCH2CCHj

o Y

CAPITULO 30

CARBANIONES II

18.

(a) En el primer paso se pierde C,H,OH (C, zH,20, - C,,H,,O, = C2H,0H) lo que sugiere una condensación de Claisen intramolecular (condensación de Dieckmann, problema 25.30, pág. 908). Esto podría ocurrir en una dedos formas:

COOEt

BB

Estructurac.posibles

Dependiendo de cuál sea la estructura correcta para BB, la mentona podría tener unau otra de dos estructuras:

CC ?

Mentona Estructurmposibles

( 1 ) OEt -

I

C

c' ' c

Más probable: dos unidades isoprénicas

(c) La reducci6n confirma la estructura indicada (b). en

4-Isopropil1-metilciclohexano

A

A

Mentona

TI

(2) i-Prl

CAPITULO 30

CARBANIONES I1 CH2COOH

CH2COOEt

I

CH3COCCH2COOEt

I

A - CO?

I

CHjCOCCH2COOH

I

z

H

I I

CHjCOCCH2COOEt

HlO

I I

1 /

CH,-C-CCH,COOEt H&

H

MM

LL

CH2COOH HO CHzCOOEt HO CHJMgl

CHlCOOEt

H

COOEt KK Un S-cetoéster

MM

2EtOH. Hi

OH-

NN

Hi

"+

I I

1 1

CH,--C"CCH2COOH H3C

H

O0

Un y-hidroxiácido

o

Acido terpenílico

Una y -lactonu

21.

-0oc

'

1-2 -c-c-

'

I 1 + -C=C-

+ COZ + HZP04'

'(!)PO3H2

Elion dihidrogenofosfato, H.$'O, es mucho mejor grupo saliente, que el OH-, mhs fuertementebhico. La pérdida de CO, no conduce al carbani6n inestable, sino un alqueno a el quese lleva los electrones. neutro, estable, siendo H2Po, el En todas estas biosíntesis se manifiesta la quimica de los carbaniones -o algo quele asemeja-. Las unidades acetato se combinan para formar acetoacetatomediante lo que viene aser una síntesis mal6nica(Sec. 4 1.7). EnUM condensaci6n detipo ald6licose alrade otro acetato al acetoacetato para dar 3-metil-3-hidroxiglutarato,un precursor de seis pMida carbonos del ácido mevalónico. Aquí apreciamos la de CO, que finalmente genera el esqueleto isoprenoide - c o n lo que queda claro el camino hacia geraniol, farnesol, escualeno, lanosteroly colesterol; o bien enun organismo diferenteal caucho-. (Vhsela referencia citadaen la respuesta al problema22, Cap. 10.)

Compuestos carbonílicos a, p -no saturados Adición conjugada

31.1

+ EtOH

(b) CH3CH=CHCOO-

(a) CH,CH,CH,COOH

(c) PhCH=CHCOO-

+ CHI,

( e ) CH,CH=CHCOO-

+ Ag

(d) CH,CH=CHCH=NNHPh (f) PhCHO + PhCOCHO

(h) meso-HOOCCHBrCHBrCOOH

(g) CH3CH2CH2CH20H

(i) racémico HOOCCHOHCHOHCOOH

31.2

A, PhCHZCHzCHO

(b) PhCH=CHCHO

(c) PhCH=CHCOOH

C, PhCH=CHCH,OH

B, PhCH2CH2CH20H

- Hz0

+

2tfi

(d) (CHJ,CHCH=CHCOOH

PhCHO

PhCHO

+

+ (CH3C0)20

+ CH3

HO

(Condensación de Perkin, problema 25.22e)

(CH&CHCH2CHCOOH

I

Br

-

como en el problema 30.1 (b)

581

CAPITULO 31

31.4

COMPUESTOS CARRONILICOS

(a) CH,=CHCN Acrilonitrilo OH

Acrilato de metilo

CH,

I

1.

<

HOC1

C H I - CH2

CI

-;io

CH2CHzCOOMe

I

M$H

CHzCH,CN + corno en (a) I

OH

CH3 (C)

CH2--CH2

OH

(b) CH2=CHCOOMe < OH

CHzCH2CN

- HHi zO

I

I

CH2=CCOOMe .Pd

trans-CHjCH- CHCHO (pág.892) coz

CHJC-CCOOH

CH3C=CMgBr

f"

* McMgBr

CH,C"CH

Acido metacníico: página761. Acido sórbico: CH3CH=-CHCH=CHCOOH

4

Ag(NH')2+

CHjCH-=CHCH=CHCHO m-

CH3CHO

+

1-

H20

CH3CH"CHCHO (página 892)

Acido cinámico: problema 25.22(e) (condensaci6n de Perkm), página904.

Acido maleico:

cis-HOOCCH-=CHCOOH

*

HC-CH

/

\

25lt300 C

cis-

HOOCCHZCHZCOOH HOOCCHrCHCOOH (problema 5a,pág. 836)

y trans-HOOCCH=CHCOOH

+I

KOH(alc)

I

Br

(En realidad se obtiene mediante anhídrico maleico por oxidaci6n catalítica del benceno.) Acido fumárico: rrans-HOOCCH=CHCOOH 4 trace'HBr luz (Veáse el problema12 pág. 556)

HC-CH Anhídrido rnaleico:

04

1

\C \()/ \o

calor +"-

c~s-HOOCCH=CHCOOH Acido maleico (véase un poco antes)

ácido maleico o fumáriico (véase un poco antes)

COMPUESTOS CARBONILICOS

CAPITULO 31

Acrilato de metilo: problema 31.4(b), pdgina 1063. Metacrilato de metilo: problema 31.4(c), página 1063.

+

Cinamato deetilo: PhCH XHCOOEt PhCHO

CH,COOEt

Acrilonitrilo: problema31.4(a), página 1063.

(C)

t CHI, (d) PhCHO

PhCH CHCOONa

+

CH3CCH0

/I

1

CI

(i)

O

I

I

O

CN

PhNH

II

I

O

NH2

I/

O

I

1

Ph

COCH,

Ph

I1

I

O

( n ) PhCHCH2CCH,

I

O

I1

NHOH O

I

Ph

(r) CH!CCH,CH-C(COOEt),

I1

CN

CH,CCH,CH"CHCOOEt

PhCHCH2CCH3 CHj-NH

11

O

(9) CH,$CH,yH-?HCOOEt

(S)

O

11

O

Ph

(k)

(p) CH,CCH2CHCH(COOEt),

(o) PhCH=CHCCH-CHPh

O

11

O

OH

(m) PhCHCH2CCHJ

PhCHCH2CCH3

I

1

O

(J) PhCHCH25CH3

ll

O

(h) PhCHCHlCCH,

'I

Br

PhCHCH2CCHl OCH,

(I)

(g) PhCHCHlCCH,

I

Br

Br

O

(f) PhCHCH2iCHj

(e) PhCH-CH-CCH3 I II I

O

(t)

I

Ph

9

PhCH,C-O

I

CH,

(") A

C

O \C Ph H

,

CAPITULO 31

3.

CARBONILICOSCOMPUESTOS

El enlace C-C formado en cada una de a lsadiciones de Michaelse indica mediantela línea punteada. El "€00- perdido en descarboxilacionesposteriores (ve& el problema 4, más adelante), se indica con letras en negrita en los incisos (aHi). H

Ph (a)

Ph--C-CH,CH

I

Ph

tC-CN

(b) EtOOCCH2CHi-C-CN

' I

I1

o

'

COOEt

COOEt

1

:

(c) EtOOCCH,CH+-CH

H

~- COOEt : I COOEt

HIC

H

O

HXC

COOEt

H3C

(g) EtOOCCH,CH+C-COOEt

(d) EtOOCCH -C+ CH-COOEt

: I

COOEt

1

COOEt

CH3

'

I

COOEt

O

I!

: I

I

: I

:

EtOOC

CH,-C-CH~CH+CH-C-CH~

II

Q

(h) E t O O C - C H i C H , i C H - - ~ C O O E t

I !

: I

COOEt

I :

I : (f) CH3~-C"CH2C+CH-C -CH3 I1 I : / 6 H3C COOEt

CH, : I

I

I

COOEt

3C

! : I ( e ) CH,--C---CH2C+C ~-COOEt ¡I I ; I

(i)

H

' i

I

: I

(j) M e O 0 C C H 2 C H 2 S C H 2 N O 2

O COOEt COOEt CHzCHzCN

CH3

H

H3C

: I ; I ( k ) EtOOCCH2CH+C+,CHCH,COOEt : I ' 1

(I)

,"-,

NCCH2CH2tCKH2CHZC N

: i

NO2

'-

NO2

(m) NCCH2CH2-CC13

Ph

4.

I

(a) Ph-C-CH2CH---CH2COOH

/I

Ph

I

(b) HOOCCHzCH--CH,COOH

O COOH

I

(c) HOOCCHzCH-CHZCOOH 590

COOH

I

(d) HOOCCH-C-CH2COOH

CARBONILICOS COMPUESTOS

31 CH3

CH3

I (e) CH~"C"CH2C-CH2COOH I I' CH, O H3C

I I

(f) C H ~ " C - C H 2 C - C H 2 " C " C H ~

I1

I1

O

CH3

O

CH3

I

1

(h) H O O C C H ~ - C H ~ " C H ~ C O O H

(g) HOOCCH2CH"CHCOOH

CH3

(i)

I

CHj-C-CHZ-

CH-CH2-C-CH3

II

I1

O

5.

(EtOOC),CH,

O

+ PhCH=CHCCH=CHPh +

HZC(COOEt),

I1

Doble

O Ph

H

I

1

I

I

H

Ph

I I

1 I

EtOOC-C-C-CH2CCHz-C-C-COOEt EtOOC H

II

O COOEt H A

O

O

c /I

HC/ I1 PhCH

I

,CHPh CH

COOEt EtOOC

/ \

B

,Michaelintemo

~

H2C' 'CH,

6

I

I

PhCH \

COOEt EtOOC

/

,,CHPh C

\

C

o

S91

COMPUESTOS CARBONILICOS

CAPITULO 31

o

,

O

O

O

,I

? CH 3 1,4-Dimetil-

Anhídrido maleic0

COMPUESTOS CARBONILICOS

CAPITULO 31

1,3-Butadieno Bexualacetona

COOH

I

C C

'S,

COOH 1,3-Butadieno

(e)

I

COOH Acido acetileno dicarboxílico

A

O

W-8 + o

O

1.3-Ciclopentadieno p-Benzoquinona

\

1.1'-Biciclohexenilo (I, pág. 1076)

O

1,4-Naftoquinona

(11, pág. 1076)

-o+

CHCHO I/ CHCH, 1,3-Ciclopentadieno Crotonaldehido

1,3-Ciclopentadieno dos moles

CAPITULO 31

8.

CARBONILICOSCOMPUESTOS

Si trabajamos este problema despreciando por el momento la estereoisomeria, llegamos a: O

O

I

o

O Anhídrido maleic0 H,,COCI C

II

C ClOC’ ‘H Cloruro de fumarilo

E

D

F

Acido 1.2-ciclohexanodicarboxilico

COCl

COOH

H2, NI

&

COOH

H

G

COOH

1

1.2-ciclohexano-

Acido

dicarboxílico

q”z$)

Los productosfinales F e I deben ser, por consiguiente, los &idos 1,2ciclohexanodicarboxílicos estereoisomCricos:

(!-?

$z:>

H

HOOC COOH H

COOH HOOC

F

I

Meso: m se puede resolver Acid0 cis-1,2-ciclohexanodicarboxílim

(7

Recémico: se puede resolver Acido tram-1,2-ciclohexanodicarboxíh

Trabajando retroactivamente a partir de estos últimos, podemos apreciar la reacción que de Diels-Alder implica una adición syn.

H

H

D

Producto cis

G

Producto trans

f-

Adición syn

CAPITULO 31

c Ho +

O

cis (meso)

O

OH KMnO, frio

H

610

IH

\

I1

O

O

Y

COOH

\

H

HO &O0

COOH

meso

meso O

H

H

H

H

KMnOl. calor

(a partir de (c),justo aqtes)

10.

COOH

-- COOH

FH rf.. H H

H

CHzCOOH

HOOCCHz

HOOCCH~

CHzCOOH

"

- - COOH

HO

0

COOH

COOH

meso

(a) Se produce el conocido desplazamiento-1,2 de metilo para generar un carbocati6n más estable, seguidode la eliminaci6n de un prot6n.

COMPUESTOS CARBONILICOS

CAPITULO 31

(b) Ya vimos en el problema 25.20 @ág. 903) que los hidrdgenos y de los compuestos carbonííicos a,pno saturados son kidos; el carbonidn que resulta de eliminar uno de esos

protones interviene enUM condensación de Claisen.

EtOOC-C-CHzCH=CHCOOEt

O

(c) El grupo fosfonio, atractor de electrones, activa el doble enlace hacia una adicidn nucleofílica porel ion fenóxido; el producto de adicidn XI1 sufre luego una reaccidnde Wittig intramolecular.

(d) El carbono del iluro tiene carhcter nucleofílico y, en el primer paso de la adición nucleofílica conjugada ataca al ester a,/%no saturado del C-3 para generarel ani6n XIII. A continuación, elPPh, se desplazaen UM reaccidn intramolecularde sustitucidn nucleofílica.

XI11

CH,"CH"CH"COOEt \ /

CH2

(e) Se forma bencino, que sufre una reaccidn de Diels-Alder con el furano. O

I\

Furano (Cap. 35)

Bencino

Br

+ PPhj

31

ARBOMLICOSCOMPUESTOS

11.

La adición nucleofílicade H20a un aldehído a,pno saturado genera el aldol, XIV.

1

CHjCHO

El equilibriose desplaza hacia la fragmentaciónal eliminaruno de los productos (acetaldehído) por destilación.

12.

(a> HOOC-CH=CH-CH=CH-COOH

4

KoH(a'c)

HOOCCHCH~CH~CHCOOH

!

Br

2Brl

i

I

Br

P

HOOCCHzCH2CHzCHzCOOH Acido adípico

(b) HCgC-CHO

+

HCzC"CH(OEt),

base

H H

I

i

I

!

HC-C-CH(OEt),

Br

I

Br Br

CH,TCH"CH(OEt), (L del problema 14a, que se verá enseguida) " C H O protegido

597

CAPITULO 31

COMPUESTOS CARBONILICOS

(d) CH3-C---CH=CH2-CH,

--C"CH

I;

I

O Ceto

-

CH2

+

H,O, Hg'.

HC=-C"CH=CHZ Vinilacetileno

H b

OH En0 I

EtOOC,

(e) HOOCCHz-CHCH2COOH

I

- co d&s

Ph

EtOOC

CH--CHCH,COOEt

/

I

Ph

1

Adic. de Michael

EtOOC, EtOOC

EtOOC

O bien, vía

+

\Hz EtOOé

PhCHO

+

/

,COOEt HzC, (Knoevenagel, seguida por Michael) COOEt

CH2

+

PhCH=CHCOOEt Cinamato de etilo (problema 1, visto antes)

un cw-

H2 0

( f ) HOOC---YH -CHzCOOH ~ N ~ ~ C - C H - C H z C O O E t f - - " h C H - C H C O O E t I Cinamato de etilo Ph Ph (problema 1 antcs visto)

T

H ti7

13. .Espermina

H

I

N C ~C H * C H 2 - N ( C H 2 ) ~ ~ - ~ C H * C H 2 C N

H?SOn, calor

14. (a) CH2"CH---CH2

-(~rob)~~yf CHl-CH-CHO

OH OH

J, acroleína

I

OH

I

I

Michael

CAPITULO 31

COMPUESTOS CARBONILICOS

HCI

"-+

CH,=CH--CHO

]

CH2-CH2-CHO

l

CI

.

J

H

::2-CH2-C-OEt

I

I OEt

K

Aldehído protegido por formación de acetal

CH~"CHz--CH(OEt)2 C1

-

K

CH2-CH-CH(OEt), OH

OH

(b)

I

H'

I

OH

CH,=:CH-CH(OEt),

OH-

I

OH M

K Mn o 4

OH

M

CH,-CH-CHO

I

Hidrólisisdel acetal a aldehído

1

+

(Prob31.IOf)

Mlchael

H2C-COOEt EtOOC-C-CH-COOEt

I

H+

-OOC-C -CH-COOI H-C-COO-

"-j

calor

HC-COOEt I

I

COOEt O calor

- coz

HOOC-C-CH-COOH

coo

P, ácido aconitic0

~

H+

-00C-CH-CH2-C00I H-C-COO-

I

coo Ph ( 4

\

c-c li I1 O

CHzPh PhCH2

0

/

Ph

C

I1

O

/

I

CHzCOOH

tricarbalilico R, ácido

-

Ph \

doble aldol \

calor

-c02 ' HOOC"CH"CH2-COOH

-

base

I

CHzCOOH

I

OH-

1

L

COOEt

Q

1

OH

N, gliceraldehído

EtOOC-C~-C-COOEt

O

CH2"CH--CH(OEt),

Ph'

/

P ic

c

C \'

/I

Ph El anillo se forma por la

Ph

O S, tetrafenilpentadienona ("Tetraciclona")

interacción dos base de moléculas bifuncionales

COMPUESTOS CARBONILICOS

CAPITULO 31

o

o

Ph

o//e ' ol

S

T

Anhídrido maleic0

Ph

O

Ph

O

calor -CO.

-

HI

Ph

U

Anhídrido tetrafenilftálico Aromatizacidn mediante la pérdida de CO t 11,

Aromatización por pérdida de CO

O PI

Ph

Ph

C

Dlels-Alder

Ph

H

Ph

(f) CH3-C

I 11

O

Ph

+

BrMgCzCOEt

__f

H

I I

CH,-C--C-COEt

Ph Ph

-calor CO

V

S

CH3

-6

"Ph

Ph

W

Pentafenilbenceno

H+

+

I

CH,-C-C=COEt

I

OH

OMgBr

X

i

Hz

Pd/CaCO,

CH 3

I I

CH,-C-CH=CHOEt OH Y

COMPUESTOS CARBONILICOS

CAPITULO 31

CH3

I

H2

CH,-C-CH-CHOEt

I

I

H+

OH Y Un iter vinílico

CHJ

H CH, CH,"C--CH2"C=O I I

0

éter vinílico (problema 1 4 , p á g . 777)

OH

H

I I CH3-C"CH2-C-O I

CH3 H CH,-C=CH"C"O I I

H' H2

OH

Fúcil ruptura de un

0

P-Metilcrotonaldehído (Tiene el esqueletodel isopreno: útil en síntesis)

CH 3

I (h) CH~-CC=CHCOCH~+ H2C-COOEt

I

CH3

3i%CH3-C-CH2COCH3 I I

COOEt H-C-COOEt

I

COOEt

cc

COOEt

+

CHBrJ

I

coo -

CAPITULO 31 H

(i)

I

+

CH3C=0

-

-:C--CCHJ

COMPUESTOS CARBONILICOS

-

H

I

H+

CH3-C-C-CCH3

!

O-

CH3-CH-C-CCH3

I

OH DD

YK2cr201

CH3-C-C~CCH3

11

O €E, 3-pentin-2-ona (,)

CH~-C-C-C-CHJ

H20 z H+,Hg'+

II

tautom. CH3-C-C-C-CH3 CH3-C-CH2-C-CH3

I1

I

O OH H

O

EE (inmediatamenteantes)

!

I/

!I

O O FF, acetilacetona (2,4-Pentanodiona)

Enoi

Hidratación de un alquino (Sec. 11.10)

CH3

(1)

I

~H~-C=CHI

HOC1

CH2-C-CH2

I

c1

I H20. H + C H , " C - C H 2 y I I 1

I

CI

I

!

CN HO CN

HO C1 HH

/CH2\COOEt (m> HZC, ,CH2 CH2 I COOEt

I1

O

OEL-

I

HC=C-CH2

I

I

COOH COOH JJ

Condensación de Claisenintramolecular (Dieckmann) (problema

COOEt

25.30, pág. 908)

KK

LI

KK

o a C EtOOC

CH3

c H 2/'H

LL

~

0

'

base -H20

,

Condensación aldólicaintramolecular no así los vinílicos COOH MM

COMPUESTOS CARBONILICOS

CAPITULO 31

Cl

Cl N N , un cetal

CI NN

O0

PP

1

H

La hidrólisis del cetal descubre la cetom

+

,I:1:::;

QQ, 7-cetonorborneno COOEt

(0)

COOEt H&H CHI-CHCN

I

COOEt

Mlchael

COOEt

COOEt I

COOEt

I

+

HC-CH2CH2CN COOEt

xx

YY

1

EtOOCQNH

O

zz

Una amida

CAPITULO 31

COMPUESTOS CARBONILICOS

o BBB

AAA

ccc

(

15.

)- Prolina

Al igual que otros reactivos nucleofílicos, el de Grignard puede adicionarse de manera conjugada a compuestoscarbonílicos a,p n o saturados.

p

-

I1

O

,I

PhCH=CH-C-CH3

H+

MgBr+

PhCH-CH=C-CH,

I

Et

O

/i

PhCH-CH2-C-CH3

I

'"

OH-,

CHI,

Et

CH,

16.

I

(a) Et00C-CH-CH-CH-COOEt I

I

+

Michael t "EtOOC-CH,

I

c?>

/

CH,

O

I11

Una Gdicetona

CH,CH:=C-COOEt I

c

O" \CH, Cetona a,p-no saturada aldol

HO,

,CHI C H2C' 'CHCOOEt

,

I

o""cH

CHCH,

I

COOEt IV

Una b-hidroxicetona 604

aldol

L

I COOEt Ill

t

-H,O

COMPUESTOS CARBONILICOS

CAPITULO 31

(b) IV es la estructura correcta. f

h

d

i

IV

El espectro deRMN es demasiado complejo para una moléculatan simCtrica como 111, de la cual sólo cabría esperar seis seilales.

f R

U

a

d

P

CH3CH2OC-CH-CH-CH-COCH,CH3

I

h

f

c

b

1

d e

f

111

doblete, 3H multiplete, 1H &iplete,6H doblete, 2H singulete, 6H cuarteto.4H

(Binns, T.D., y Brettle, R., “AnodicOxidation. Part I. TheElectrolysis of Ethyl Sodioacetoacetate in Ethanolic Solutions”,J. Chem. Soc., (C), 336 (1966).)

g+r:

COOH I

17.

C

COOH

Dlels Alder

I

CHzOH

DDD

H

EEE

CHzOH + CI-C-OMe

I/

EEE

-+

calor

O

‘O Me FFF

-co2. - MeOH

~

,Q,CH~ Tolueno

+

GGG

CAPITULO 31

COMPUESTOS CARRONILICOS

La estructura asignada a GGG se hace más patente por su fácil conversión en su isómer nu es 1,3,5-~icloheptatrieno, esta conversión limita tolueno; juntocon el hecho de que GGG severamentela cantidad de estructuras posibles. El espectro ultravioleta (Sec. 16.5) indica una conjugación extensa.(En realidad, la absorción se halla precisamenteen la longitud de onda pronosticada para esta estructura.) La conjugación también queda demostrada por la reacción de Diels-Alder. El espectrode infrarrojo (Sec. 16.18) indica un alargamientoC-H trigonal en 3020 cm", un alargamientoC= C conjugadoen 1595, y la flexión C-H fuera de plano esperada (pág.608) en 864 y 692 cm-'. Finalmente, la estructura concuerda con el método de síntesis. La conversión deEEE en GGG es de interés particular. EEE es un éster alílico,y se cree que sufreuna transpusicio'n alílicaa XV previa a la eliminación. Una transposición de este tipo pudria suceder por la ionización a un catión alílico y CH,OCOO-, seguida por una recombinaciónen un carbono diferente del catión híbrido; aquí lo que parece más razonable y una reformación concertadas de los enlaces,tal como se ilustra es que ocurran una ruptura a continuación.

La formación de GGG implica la pirólisisde un tster, un método suave y bien conocido base en la estereoquímicade las de eliminación, como queda demostrado en esteCon caso. pirólisis de ésteres (syn), parece probable que también aquí intervenga una reacción concertada.

c;-CHI

A -*"'O

1

H

a;)-CH, N H T

Un benzimidazol

C16H2306N

COOEt aN-H

I

H

EtOOC,

+ EtOOC

/

CH2

0

COOEt N-C-CH2-COOEt I (1 H O U

Insoluble en ácid0

Reacción en el-VH,

COMPUESTOS HETEROCICLICOS

CAPITULO 35

u

C14H1705N -C12HlIO4N v C,H,O opérdida deEtOH: "C-OEt

I1

O

+

H-C-CI

O H 0

I

-C-C-CI

"+

I

/I

1 I

H O

I/

Este paso pareceser una condensacih de Claisen intramolecular(Secs. 25.1 1 Y 25.12).

-ElOH

N-C-CI I1 I N O H

,

COOEt

&

COOEt

-EtOH

-coz

O

H

-

V Un p-cetoéster

d\o O

o

H

@OH

Celo

Enol W

2,4-Dihidroxiquinolia COOEt EtOOC N-H I H

EtOOC'

\

COOEt CH2 -E'oH

@N-C-CH2COOEt I I1

A 0

O

-EtOH

.1

-Cor

Un 15-diazanafaleno

CAPITULO 35

COMPUESTOS HETEROCICLICOS

OH PhCH-CH-6-Ph COOCHl-C-Ph PhCH:--CH

-3

-

CN

o

PhCH--CH2---C"Ph

I

'I

CN O X es uno de éstos

I -Ph

PhCH-CH--C

Adición conjugada Ph-CH-CHZ---C -Ph

I

I1

COOCHi O Y es uno de &os

Ph

l

-CH-C--Ph PhCH

PhCN-CH2-C-Ph

II

1

CN

O

H2C

MeOH

o

X

k\

o

I

PhC?

H2NI

tl N -Ph

C-OCH, i

O Y - H20

l-

MeOH

Ph I

Ceto

Enol

Z

(m)

C3H402 ácid0 acrílico

+ NzH4

hidracina

C 3 H s 0 2 N 2= A A Adición simple

H2N-NH2

-

C 3 H B 0 2 N ZA A CJH60N2 BB

+

H,Osepierde: "C-OH

11

H2N-

O

CHZ~--CH-COOH

+

6-Hidroxi-l,3,5-trifenil1,4-dihidro-1,2-dimina

"

I

H2C

CH2 C

-

-C-NHI1

O

o

/ \ / /

H N\

I

OH N-H

I

H AA

- H2 0 F

Hr N -t N -H BB

O

Una pirazolidona

Adición conjugada; formación de amida

COMPUESTOS HETEROCICLICOS

CAPITULO 35

cc 4.5-Diazafenantreno (Problema 3 5 . 2 3 ~ )

FF

Un indo1

O CG Dos unidades de indo1

fusionadas,2 3 a 3', 2'

@) El material de partida tiene10 carbonos, al igual que el producto HH. Así, la reacci6n es intramolecular y, considerando los reactantes (halogenuroy fenil-litio), sospechamos que en ella intervieneun arino. (Compárese con el problema 21, Cap. 29.)

HH

Un arino Una

tetrahidroquinolina

Un arino

O I1

Un benzoxaiol

I

CAPITULO 35

COMPUESTOS HETEROCICLICOS

o bien

JJ Una oxazoiina

d2

Los sistemas anulares paternos son: f b N

1,3-Diagina (Pirimidina)

1,2-Diazina (Piridazina)

@NN H

1,Z-Diazol (Pirazol)

1,4-Diaganaftaleno (Quinoxalina)

N

H

1,3-Dioxolan0

Indol (Benzopirrol)

1,4-Diazina (Pirazina)

N H

(Renzo-1,3-diazol (Bengimidazol)

4,5-Diazafenantreno (4.5-Fenantrolina)

1,3 -Diazo1 (Imidazol)

COMPUESTOS HETEROCICLICOS

H20. H ' calor

KK

' MeO

CAPITULO 35

CHZCOOH

PCI~

Me0

OM.2 MM

6Me NN

Un cloruro de ácid0

O0

PP

Una dihidroisoquinolina

Me0

9~ a OMe

CH2

12. CH2-CH2 \

O

RR

/

+

+

Et,NH

-

Papaverina Un alcaloide delopio

-

EtzNCH2CHzOH

[CHjCOCHCOOEtI-

" So c$ l Et2NCHzCH2CI

QQ

RR

CH,"C-CH"COOEt I! CH,CH,NEt, I O

H,O. H *

CH3CCH2CH2CH2NEt2

/I

O

SS

CHjCHCHzCHzC,H2NEt2

I

Br

+ xx

TT

HBr

vv

NI

CHJCHCH~CH~CH~NE~~

I

OH

uu

xx

ww

vv

OMe

OMe

"---f

H- N

I

CH

/

\

CH2

/

CH, CH2 CH2

\

/

NEt,

Plasmoquina

717

COMPUESTOS HETEROCICLICOS

CAPITULO 35

13.

N

‘N’

YY

zz

1 zz

CHI

H

HBr_ ( ? )-

AAA

Amina 2a

Nicotina

BBB y CCC son sales diastereomtricas.

14.

Cloruro de flavilio

(c)El oxígeno contribuye con un par de electrones para completar el sextet0 aromático, con lo cualse genera un sistema análogo al del naftaleno. 15.

(a)El nitrógeno “pirrolico” ” e l N del anillo con el -H unid+ contribuye con dos electronesx,y los otros átomos (incluso el N “piridínico”) contribuyen con uno cada Uno, para dar el sextet0 aromático(Sec.35.2). I

Histamina dfático

NH

> “piridínico”

N

> “pirrólico”

N

HETEROCICLICOS O COMPUESTOS

35

Los pares no compartidos se encuentran, respectivamente,en un orbital sp3.en unosp2, y en la nubeK. (Vbnse las Secs. 35.2 y 35.1 1.)

Histidina

El protón va hacia el nitr6geno más bhico.

(d) El ataque sobre el ep6xido se debe al nitr6geno más básico y, por lo tanto, el más nucleofílico de la guanina, -N%. el

16.

Elácidotropínico, C,H,,O,N, tieneunp.m.de187.PuestoquesuE.N.esde94+_1(= p.m. / 2), tiene que ser un diácido. Asimismo, esuna amina Y,no contiene funciones que se oxiden con facilidady es saturado. La aritmttica química, C6H15N

+ Cz04

aminasaturada de cadenaabierta dos grupos “COOH-

CaH I 504N

- CBH,,O,N

ácido tropínico

2H faltantes: esto signiJica un anillo

CBH1504N

indica que el ácido mpínico contiene un anillo. Regresemos ahora alos datos de la metilaci6n exhaustiva: CgH1604NI EEE -CsH,,O,N ácido tropínico CHJ significa la introducción de un Me EEE

FFF sinpérdida d e N

El ácido tropínico debe ser una amina3’. El N tiene queformar parte del anillo,ya que de otra manerase hubiera perdido comoMEM,. Una repetición del procedimiento descarta el Me,N, lo cual deja una molécula no saturada,HHH, que indudablemente contiene los dos “COOH. Sólo se pierde un carbono (C, +CJ, lo que indica con claridad una unidad -N“€% en el ácido tropínico.

I

C , H , *o4 diácido de cadenaabierta saturada -C,HXOd HHH 4 H faltan: csto significa dos enlaces dobles

HHH es un diácido doblemente insaturado; la hidrogenacidn a ácido heptanodioico indica que la cadena no tiene ramificaciones.

CAPITULO 35

HETEROCICLICOS COMPUESTOS

HHH puede ser, entonces, uno de los siguientes hcidos,

HOOC-CH-C"CH"CH2

-~CH2"COOH HOOC--CH~"CH-C-CH--CH2---COOH

aunque los compuestos alhicos son poco probables; ademh, damos por descontada la posibilidad de UM estructura acetilhica. (Para que surgiera una estructura alquímicao alCnica por metilacih exhaustiva, ¿de que tamallo debería ser el anillo?) (a) Por ahora, y dependiendode la estructura para HHH y el puntode apertura anular que el kid0 tropínico incluyen: postulemos, las estructuras que son posibles para

HOOC.

HOOCCHZ,

(Comenzando con cada una de ellas, indiquelas estructuras posibles paraFFF y HHH.)

o Tropinona

Acido tropínico

Las demás estructuras son:

GGG

FFF

!

I-CHCOOH HOOC(CH2)xCOOH

Acido heptanodioico

\ HHH

35

HETEROCICLICOS O COMPUESTOS

Q

0

GizzF metilación

N(CH3)Z

Tropilideno 1,3,5-Cicloheptat~ieno

18.

19.

(a) CH,=CHCOOEt

-% CH,CH,COOEt I

CH2-CHCOOEt

NHZ

CHzCHzCOOEt

HN’ ‘CH,CH,COOEt JJJ

111

COOEt

COOEt

(Prob. 21.30)

KKK

O

O LLL

NNN

Guvacina

(b) Guvacina Acido nicotínico

MMM

Arecaidina

CAPITULO 35

20.

HETEROCICLICOS COMPUESTOS

Elfenol(Sec.36.7),elfurano(problema35.4,pág. 1191),yelpiml(problema5,pág. 1206) contienen anillos lo suficientemente reactivos para reaccionar cone1 formaldehído: primero -CH,OH, y luego para conectarlos anillos mediante unionescon la introducción del

CH,-.

Aquítencmos otro anillo aromático reactivo y, además, si no formaldehído, otro compuesto carbonílico. La aritmética química, CgHBSz C14HzoOS2 2 tiofcno

+ C6H 20 I

3- hcxanona

CI~HZOOSZ

-CIqHlxS2

O00

H 2O faltante

indica quese combinan dos moles de tiofeno con uno de cetonay se pierde un mol de %O. Por lotanto, postulamos que:

-

Et

-Q ~~

'r O00

A continuación, se efectúa una acilación de Friedel-Cmfts en la posici6n 2, que es la usual, seguidade una reducción de Wolff-Kishner (Sec. 21.9):

000

QQQ

PPP

Nuncahabíamosvistoqueunaamidaactuaracomo agente acilante (aunque, por supuesto, una amida acila el agua en la hidrólisis), pero la sugerencia recien expresada y un recuento de los átomosnos reducen a una sola posibilidad para decidir ensitio queocurre la formilación: la única posición disponible es la 2. La oxidación con el reactivo de Tollens da S S S ; la parteAcida permite su resolución (v&se el problema 24.8, pág. 855).

RRR

sss

Resolución en sus enanlidmerm

Al final, después de una descarboxilación,se efectúa una hidrogenación, lacual elimina y obviamente abrelos anillos. De ahí resulta un alcano saturado azufre, adiciona hidrógeno de cadena abierta(C,H2,, J.

LO HETEROCICLICOS COMPUESTOS

35

UUU es un enanti6mero individual deun compuesto quiraly debería ser, por derecho propio, 6pticamente activo. Pero como aprendimos antes (Sec. 4.13), la quiralidad no siempre conduce auna actividad 6pticamedible. Se ha estimado que este compuesto en particular tendríauna rotaci6n específica imperceptible de únicamente O.ooOo1”. (Wynberg,H., et al., “The Optical Activity of Butylethylhexylpropylmethane”,J. Am. Chem. Soc., 87,2635 (1965).) En el últimopaso de esta síntesis se abren los anillos heterocíclicos e incluso se elimina el heteroátomo, el azufre. No obstante, la presencia de estos anillos fue vitalpara cada uno de los pasos precedentes, pues proporcionaron la regioselectividad necesaria para la construcci6n de la molécula deseada. (Para unarevisi6n del campo potencial del heterocíclico, véase Katritzky, A. R., “Heterocycles”, Chem. Eng. News, 13 de abril de 1970,80.)

H

H VI

VI1

El ion dipolar (VI) pierde CO, para formar un carbani611(VU), el cualest5 estabilizado por la carga positiva en el nitr6geno. La concentraci6n del se ionvedipolar reducida ya sea por un kid0 o por una base,y lo mismo sucede con la velocidad de la reacci6n. El derivado Nmetilado por fuerza existe completamente como ion dipolar, por lo que reacciona con m& rapidez. El carbani611 VII, como los otros,puede adicionase a un grupo carbonilo,y en presencia de la cetona queda (parcialmente) atrapado.

I

H

H VI11

IX

36 Macromoléculas. Polímeros y polimerización

36.1

(a)

Una amida (vCase la Sec. 36.7).

HOOC(CH,),COOH + H,N(CH,),NH, Acido adípico Hexametilendiamina

(b) Una amida. HOOC(CH 2)5 N H ,

(El monómero es en realidad la caprolactama, problema Acido c-aminocaproico 13, pág.1236.)

( c ) Unéter.

H,C'"CH,. 6xidodeetileno / / O

,

(d) Un cloroalqueno. C H =C- C H =C H

I

,

cloropreno

Cl

(e) Uncloroalcano.

CH,=C- CI, clorurode vinilideno

I

C'I

36.2

(a) Unaamida.

' H,NCHRCOO

H,PO, + Acido fOSfÓTiC0 HO-CH, H/O'\H

(b) Unéster.

~

H

HO

6; ,

unaminoácido

o

azúcarH

Un

H O - I b HO , -H ,

HO

6; OH

MACROMOLECULAS. POLIMEROS Y POLIMERIZACION

CAPITULO 36

a-u-Glucopiranosa

H

H

ti

/h-Glucopiranosa

36.4

36.5

Por combinación de los dos radicales libres en formación.

La efectividad deun agente propagador de la cadena dependede cuán fácil sea separar un átomo de él; entre otras cosas, esto depende de la estabilidad del radical que se esté formando.

(a)

H: arilo, lQ,bencílico I*, bencflico 2p,bencílico 3Q.

(b)

H: 2g, alílico.

(c)

X:C-Br

es másdébilque C-Cl.

MACROMOLECULAS. POLIMEROS Y POLIMERIZACION

36.6

CAPITULO 36

(a) El agente propagador dela cadena puede ser otra molkula de polímero. Por ejemplo:

(b) El agente propagador de la cadena puede ser la misma molkula de polímero en un hidrógeno de una posici6n cuatro o formacibn: el extremo generado separa ("muerde") cinco carbonosaths a lo largo de la cadena. Por ejemplo:

Radical en formación

G -CH

I

-('Hz

CHL CI - C H 2C H

Cki? C H 2

I

I

I

G G G Radical ramificado cn formación

1

polhero ramificado

36.7

(a)En el acrilonitrilo, elgrupo -€N es atractor de electrones. En el butadieno, el grupo CH -=( 'Hz cede electrones através de resonancia. ~

CAPITULO 36

MACROMOLECULAS. POLIMEROS Y POLIMERIZACION

(b) A través de la deslocalización del electrón impar en el estado de transicidn, el buradieno cualquier radical. es más reactivo que el acrilonimlo hacia

36.8

(a) El polibutadieno aún contiene dobles enlaces y en consecuencia tambiCn hidrógenos alííicos quese pueden separar con facilidad.Los radicales libres alílicosasí formados se adicionan al estireno para comenzaruna secuencia de reacciones que inserta poliestireno dentro de la cadena de polibutadieno.El proceso se asemeja ala ramificación del problema 36.6 (a).

Ph Ph Poliestireno insertado en la cadena de polibufadieno

Ph

(b) Similar a la parte (a),pero el hidrdgeno es separado del carbono que porta 4 1 .



n-C8H,7-CH-CH3

I

+

Na[CH(COOEt)J

-+

Br N

n-C8H 17, CHI/

CH"CH(CO0Et)z

CAPITULO 37

-L“C(% tK1

GRASAS

n - C d 17, ,CHCH,CH,CH,-(CH,),COOEt CH? U

10.

n-CsH,, sfx->

tuberculoesteáricn

\ CHCH2CH2CH2(CH2)sCOOH

CH( Acido Acido IO-metiloctadecanoico

C,,H53COOH cadena abierta saturada -C,,HSlCOOH 2H faltantes; esto significa un enlace doble (o un anillo)

Acido C,, ftienoico

CH3 H

l : l

“c

I

“c -COOMe >- ZPhMgBr

H

I

H

-

Ph

I

1

-c-C-Ph

I

OH H

V

1

- H +,

O ~

W

(C24H4802)

(C36H58O)

Y, una cetona y CH3

I

C21H43-C-0

(C23H460)

m 12

Cz,H,,COONa

+

CHI3

Y

Una metil cetona

A continuación:

H H

H Br

CH3 CH3 1 ’ -C“COOH 1 CH,(CH2),7CHC=CHR)

alargamiento ( 1 ROH)

I 1800

10 1

I O00

xnn 800 ."

Ann 600 1"

Frecuencia, c n - 1

I

1

400

Geraniol

300

b c Ci3, ,Ci2"OH CH3, /CH2, /C=C d ,C=C CH2 H \ CH3 H C E b f

I

1

200

1O0

1 OH

b

Observe que el acoplamiento másefectivo ocurre entre e (doblete)y g (triplete, con más desdoblamiento posteriormente)

L

Figura 18.9

Especeos deinfrarrojo, RMC y RMNprotónicapara el problema 25, página 678.

06

O

Longitud de onda, p

40

-

20 0 1 4000 3600

3200

,

I

,

1x00

2800 2400 2000

1604(j

1

I

1293

1400

1600

1 1 1 5 4 , 1040 j 1000

1200

,

m-disusrituido 800

600

Frecuencia, m”

I K D C 487

Espectro de infrarrojo para el problema 16, p6g.gina 713.

Figura 19.4

Longitud de onda, p

Frecuencia. m”

I R D C 1384

r

I

1

I

200

300

400

b

BB Alcohol p-metoxibencílico CH,”O+H~-OH b c

a

d c d

I a

1

100

I o Hl

I

I

1

300

400

I

100

200

I

OH

b

(u) t-Butil etil Cter

CH3

a

C ~ l l l I I I . l l l l , I I I , , , r , , , l , , , , , , ' , , ~ , , , , , , , I , , , , , ,

8

7

6

1

5

3

4

I

1

300

400

I

1

2

O6

I

I

OR

1o0

200

(6) Di-n-propil Cter

a

I

I

c

6

7

I

5

4

3

I

I

400

300

2

1

I

200

1 o0 U

I

1111

b 8

I

6

5

4

3

1 OH

h d h 61 6 t c 6661

11

I

_li

.

(u) 2-Etoxietanol u

c

CH,~CH:--

d h O- C H 2 CH,

OH

h

d

c

(b)3-Metoxi-1-butanol OCH, d

m h 126.4d

1 ( c ) ?,5-Dihidrofurano

u

1mo

160

140

I20

IW

no

M)

40

20

Frecuencia, cm" 50004000

3000 2500

2000

I500

I O0

80 60 40

2o

O Longitud de m&, p

2.5

3

2.5

3

Longitud de onda, II

Longitud de onda fl

IRDC 4325

4

5

T

e

::

3

g:

1

1

I

I

1

300

400

I 00

200

0

Hz

CC p-Metilfenetol CH~~-O--CH~--CH~ b - /

e

a

d

b

4

I

d

I

1

400

200

300

I

1O0

I

O Hz

~ H ~ - o - c H ~ - - c H ~

w d

h

c

n

c

I

1

1

400

300

200

1

1O0

I

0 H2

EE 3-Fenil-1-propanol ,(~~>-H~--IH~--cH,-oH *-

L-

b

a

d

c

C

La ubicación de c se deduce por el conteo protónico y el pico central demasiado alto del triplete d .

8

c (singulete) d (triplete)

06

7

Figura 19.9

Espectros deRMN protbnica parael problema 20. pagina 713.

3

2.5

60

Longitud de onda, p 1

-

40 20

-

O

4000 3600 3200 IRDC 7302

2800

2400 2000

1800

I600

1400

1200

Frecuencia. cm"

Longitud de onda, p

60

-

20

-

IRDC 3577

(CH,),CHCHO

Frecuencia, cm4

Longitud de onda. u

IRDC 7233

Frecuencia, cm"

1000

800

600

h

U

(u) 4-Heptanona

O

II! d



Longitud de onda,)L 2.5

3

5

4

6

I

I

7

9

8

12

10

I

I

I

I

15 I

1

17'00

60 40

-

20"

1

O.

1

I

0 2000 2400 2800 3200 3600 4000

1400

I O00

1200

aoo

600

Frecuencia. cm"

I R D C 323

Longitud de onda, )I

Longitud de o n d a , )L 2.5 I o0

3

4

S

6

7

X

Y

10

12

80

40

20 0 40

Figura 24.3

Espectros de infrarrojo para el problema 25, página 879.

15

r

400

n-propilo

de

200

300

L

1O0

(u) Formiato

a

o 11

H"C'-O"CH~--CH2--CH3 tl r h

o

C

l

d

7

8

5

6

400

3

4

300

1

2

200

O S

OH

1O0

1

(b)Propionato de metilo O

II

CH~"CH~"C"O"CH3 a

b

C

a b

I

I

I

I

300

400

200

1O0

>

(c) Acetam de etilo O

I/

CH~--C-O-CH~-CH~ b

c

a

C

Figura 24.4

Espectros de RMN prodnica para el problema 26, página 880.

I

O Hz

p-Metoxibenzoato de etilo ~

H

3

b

+ \

~

O -I1 ~

-

~

h

-

~

C

~

2

-

~

~

3

U

d U

1

Figura 24.5

Espectro de RMN protónicapara el problema 27. página 880. hl

(u) Acetato de isopropilo h

(6) y-Butirolactona

06

I

(u) Metacrilatode n-butilo

o

~~

(b)Acetato de ciclohexilo

d

h

I c

/

I N 1 I

h 6131

1

I

I

l

Figura 24.7

h

c I

1 I

(c) Fumarato dietilo de

I

EspecWos de RMC para el problema 29. página 880.

.1

Longitud de onda. )I 3

2.5

4000

5

4

3600 3200 24002800

2000

8

7

6

I600

1x00

1400

IO

9

1200

12

15

600

800 1000

Frecuencia. cm"

I K D ( ~6275

Lmgitud de onda, p 1O0

60 40

Frecuencia, cm-'

l R D C 413

Longitud de onda, p 3

2.5

o

4000

4

3600 3200

I

2800

5

2400 2000

7

6

I

1 1800

1700 1

1

1

1600

1 1400

1

I 1200

I2

IO

9

8

I

I

1O00

Frecuencia, m"

I K D C 63

Figura 24.8

Espectros de infrarrojo para el problema 30, pAgina 880.

IS

j 800

I

600

O

E.

I

I

1

300

400

I

200

1 00

I

OH

O a

c b

I

~T

400

~

~~

300

T

I

200

100

UU Acido hidrocinámico O

C

a.

Figura 24.9

b

Es~ecbosde R M N prodnica para el problema 30,página 880.

I

O Hz

Longitud de onda, )I 4

I ,

U

h 972t c 141.6d d I61 I S

V V Acetato de vinilo

d

(I

I

I

I

400

I

300

V V Acetato de vinilo i i

H CH3-C-Ó a

'

o

200

a

I

100

6

,H

c:=~.c' \

H c

Observe el desdoblamiento adicional dc b y c: J,, pequeña

Figura 24.10

Espectrosde infrarrojo, RMC y RMN prodnica para elproblema 3 1, página 880.

I

O Hz

-r

I

400

200

I

1

O Hz

1O0

( h ) Etilfcnilmalonato de etilo O-CH2-CH3

O,

"c'

I

b

O-CH2-CH3

Ov

I

d

d

h

b

I

I

400

I

300

(c) Acetamidomalonatode etilo O

\c'

C

O-CHz-CH3

I

I

I

O Hz

1O0

U

I1

b

e C

I

200

a

U

o

H-C-NH"C"CH3

d 1 ,

,

.d

U

C

d

1

Figura 24.11

Espectros de R M N protónicapara el problema 32, página 880.

06

I

1

1

400

300

200

((I)

e OH

II

II

100

O Hz

Acetilacetona

O

O

I

1

a

O

II

I

t- CH3"C=:CH"C-CH,

CH~-C-CH~"C-CH~

d

b

d 1

I

1

1

3 O0

400

200

(h) Benzoilacetona d

-d

OH

O

(~~"c-cH-c-cH, I I/ / 4

i - ~

.40

E.

P zB

.80

m

1

1

1

1

4000 3000

Srrdrirr

1

/

1

I

1

1

1

3500

1

1

I

1

I

/

2500

miento

m o

15466 K

1

I

.

,

.

1600 1200

IROO

Frccucncia, cm

4

3

1

1

I

I

1000

7

6

5

.

1400

z

xon

600

I

~

Longitud de onda, p 2.5

.

9

8

10

I2

15

.10 .90 p

5

.40

3

E.

.so 4000

3000

3500

?O00

2500

Sndrler 18061 K

1800 1400

1600

1200

1000

800

600

02

Frecuencia, cm"

Frecuencia. cm" 50004000

3000 2500

15OO1400 1000 I300 11001200

2000

800

900

700

100 80

ccc

c-c-

60

3

H C. e

40

20

2

3

4

Lmgitud Sodrler 3880

5

6

1

8

9

10

11

12

13

de onda, )I

Figura 28.4

Espectros de infrarrojo para el problema 29, página 1006.

14

1s

O

9

2

2.5:

AAA Piperonal

I

I

300

400

d

a

I

I

200

I OH

100

I

BBB Vainillina d

CHO OH b

a

I

1

1

400

b

300

I

I

1

OH

1O0

200

CCC Eugenol

f

c

H

H

a

8

7

6

5

4

111,/,,,,,1,,,,,,,,/~,,,,,,,,,

3

2

I

-,,

O6

300

400

200

100

DDD Timo1

I

Id

7

5

6

2

3

4

Longitud de onda, p

oj

--

LL

4000

3500

A 3000

2500

1

I I'

b

8

O Hz

U

,

1

1800

-

1600

1400

I

06

29.

(Cap. 28, pág. 1006) AAA y BBB presentan la banda de alargamiento C= O a 1700cm-', y deben ser piperonal y vainillina,respectivamente,que son los únicoscompuestoscarbonílicosdelconjunto; esto muy bajo del"CHO, en sus espectros de se confirmapor la absorción protónica a campo RMN. De los dos, BBB exhibe el alargamiento del O - H a 3200 cm-', por lo que es vainillina; en consecuencia, AAA es piperonal. Estas asignaciones quedan confirmadas por los espectros de RMN:el conteo protónico (referido al X H O ) revela un 4 % (más un "OH), en contraposición -OC\O-; al los dos oxígenos del 4 H , O - ocasionan un desplazamiento a campo mucho más bajo que el oxígeno Único del4 % . De los compuestos restantes, CCC y EEE exhibenel alargamiento del Ck-H, por lo que deben pertenecer algrupo de fenoles aún no asignados: eugenol, isoeugenoly timol. De aquellos dos, CCC presenta el alargamiento de C= C a 1650cm-' característico de un C = C no conjugado, por lo que debeser eugenol; esto queda confirmado pora l sbandas C-H,de cerca de915 y lo00 cm-', característicorrespondientes a flexión fuera del plano cas deun =CH, terminal. Por consiguiente, EEEes isoeugenol,o bien timol.A diferencia pero el alargamientoG=C en del timol, el isoeugenol tiene una cadena lateral insaturada, elsistemaconjugadobienpodriaestarocultoporlabandadealargamientoaromáticoa1600 cm-'. El espectro de R M N de DDD indicaque, delas siete posibilidades, sólo se puede tratar del timol.El grandoblete a1.25 se halla encampo demasiado alto como para corresponder o de alcoxi,por lo que sólo se puede deber a los seis protones a algún protón alílico, vinílico p de la cadena lateral isopropílica del timol. La inspección demuestra el espectro que entero se ajusta muy bien a esta estructura. Eliminado el timol, ahora EEE debe ser isoeugenol. La forma de la banda 1600acm-' apunta haciauna absorciónC = C oculta,y apreciamos una banda (alrededor de 965cm-l), donde cabe esperarUM flexión C-H para un " C H = CH- trans. Finalmente, FFF no exhibe ninguna bandaO - H , por lo que debeser, de las posibilidades que restan, ya seasafrol,o bien anetol.La banda de alargamientoC=C a 1650cm-' indica que la cadena lateral no está conjugada, por lo que FFF es safrol; esto queda C-H (alrededor de920y lo00cm-') quese espem'an confirmadopor las bandas de flexión para un =CH, terminal.

Fórmulas estereoquímicasde compuestos cíclicos Porconveniencia,losquimicosorgánicospuedenin~cardediversasmaneraslaestereoquímica de los compuestos cíclicos. Una línea continua (a menudo engrosada) indica un enlace quesubresufe del plano del papel; una línea punteada representaUM unión que se dirige hacia atrás del plano. Como alternativa,un círculo lleno representa un átomo de hidrógeno que sobresale del encuentra detrás del plano. plano del papel; se entiende que el otro enlace con ese se carbono Cuando no aparece el círculo,el hidrógeno se halla detrás del plano, entendiéndose que el enlace indicado sobresale del plano. Es asícomopodemosencontrarlassiguientesrepresentacionesparael rruns-1,2dibromociclopentano:

H

Br

ya ls siguientes para el isómero cis:

/ \.\, Br

y Br

obien obien

gr aBr obien

Br

r

Br

Síntesis: trabajo retroactivo Dando por sentado que conocemos la química de los pasos individuales, jcómo hemos de U M ruta hacia compuestos más complejos (alcoholes, por ejemplo)? proceder para planificar En casi todasa l s síntesis orgánicas, lo más adecuado es comenzar con la molécula que queremos -la molécula ubjetivu- y rrubujar hacia atrás. Por ejemplo, son pocas las maneras que hay de hacer un alcohol complicado: son escasos los modos de obtener un reactivode Grignard,o un aldehídoo una cetona,y así sucesivamente,hastaarribar por último a nuestros materiales de partida. Por otra parte, estos materiales pueden sufrir tantas reacciones diferentes que, si comenzamos nuestro problema al revés, nos hallaremos frente pocos nos a un número desconcertantemente grande de caminos, de los cuales sólo unos pueden llevar hacia donde queremos. Tratamos de limitar las síntesis menor a la cantidad posible de pasos, pero no sacrificamos la pureza en favor del tiempo. Para evitar una transposición en la preparación de un alqueno, por la vía del halogenuro en lugar del paso Únicode la por ejemplo, aceptamos dos pasos deshidratación.

882

Análisis de espectros Extraiga todalainformación que pueda de la f6rmulamolecular: utilice la ariUnCticaquímica y decida, donde lesea posible, cuántos anillos, enlaces dobles, o ambos, están presentes. Combine esto con bandas características del infrarrojo, valores S,conteo de protones y desdoblamiento dea l s diversas señales de RMN que le permitan reconocera l s unidades estructurales.Si el espectro(o combinaciónde espectros) no presentaambigüedades, debería encontrarse una sola estructura final; vuelva atrás y compare este resultado con toda la información de que disponga. Para los problemas basados en espectros, las respuestas se presentan en dos etapas: se dan los nombres de los compuestos desconocidos en su secuencia propia,junto con las demb respuestas; luego, al final deGuía la de Estudio, se reproducen los espectros con bandas de infrarrojo identificadas,y las sefiales deRMN asignadas. Sugerimos que el lector verifique cada una de sus respuestas también en dos etapas. Primero, coteje el nombre; si su respuesta está equivocada, o si noha podido trabajar nada y, conociendolaestructuracorrecta,vuelva a tratar del problema, retorne al espectro del libro de solucionarlo: vea si ahora es capaz de identificar bandas, asignar señales y analizar divisiones espín-espín. Finalmente, consulte la parte final dedelaEstudio Guía y compare su respuesta con el espectro analizado.

TABLA 33.1 REGLAS DE WOODWARD-HOFFMANN PARA REACCIONES ELXCl'RWfCLICAS

Número de electrones x

Reacción Movimiento

4n 4n

térmica fotoquímica

conrotatorio disrotatorio

4n + 2 4n+2

tkrmica fotoquímica

disrotatorio conrotatorio

Tabla 33.2 REGLAS DE WOODWARD-HOFTMANN PARA CICLOADICIONES [i + j ] i+ Fotoquímica j Térmica 4n 4n+2

antara supra, antara, supra

supra, supra antara, antara

supra supra, antara, antara

supra, antara antara, supra

Síntesis: un enfoque sistemático Pucsto que las síntesis que estamos planeando se vuelven y más complicadas, más ha llegado el momento de emplearu n enfoque sistemático: quizás ya lo estamos haciendo, aunque sin Esbocemos formalmente los pasos que pueden pensarse para un darnos cuenta cabal de ello. cnfoque como éste. Se utilizarála síntesis de compuestos aromáticos como ejemplo,el pero lsmodificaciones apropiadas,se puede aplicar a la síntesisde todo enfoquees general y, cona tipo de moléculas,por más complicadas que sean. Comoya es usual, vamos a comenzar con lamolécula que deseamos obtener "la mol~ulaobjetiv~ytrabajamosretroactivamente.Nosp1anteamoslassiguientespreguntas en el orden dado:

Pregunta (I). ¿Se puede introducircualquiera de los sustituyentes de la molécula objetivo a travésde una sustituciónelecmfílica aromática directa,y con la orientación adecuada? Si no, entonces: Pregunta (2). ¿Hay en la molécula objetivo algún sustituyente que se pueda formar por la oxidacióno reducción de algún grupo relacionado? Por ejemplo, "COOH t""CH, o " N H , +"NO,. Si no, entonces: Pregunta (3). ¿Hay en la moléculaobjetivo algún sustituyente se que pueda introducirpor dcsplazamiento de. algúnotro grupo? Por ejemplo," C N t--N,+, o bien, " O H +" " C I (cn anillos activados). Si no, entonces: Pregunta (4). ¿,Hay en la molécula objetivo en hidrógeno que haya llegadoa esa posición por desplazamiento de algún sustituyentc? Por ejemplo, -H t--N,+ o "H C" -SO,H. En todos los casos en que la respuesta a una de las preguntas sea "sí", sacamos ese grupo (Pregunta 1); o lo transformamos (Pregunta 2) en su precursor (digamos "COOH c" "CH,); o lo rccmplazamos (Pregunta3 ) por su precursor o precursores (p. ej. ArCN t" ArN,+ t"ArNH,); o bien (Pregunta 4), sustituimos ese -H (o, quizás "D o -T, en compuestos marcados)por el grupo que ocupaba previamente esa posición. Ya que se han cfcctuado las transformaciones que implican las respuestas afirmativas, planteamos de nucvo todas las preguntas con la estructura que acabamos dc gcncrar. nuevu Estos pasos se rcpit.cn tanta? veces como sea necesario hasta quc, trabajando enrctroceso, encontremos finalmenteun material de partida como benceno o tolucno. Tcnemos ahoraun conjunto depasos retroactivos conocidos como frunsformaciones, 10s cualcs ponende manificsto las difcrentes reacciones que se necesita llevar a cabo (como la nitración,larcduccióndeliondiazonio,larcaccióndeSandmeyer,etc.),perononeces~~~ntc en el orden apropiado. A continuación revisamos nuestro procedimientountirético ordenando demanipular y las tranfirnuciones indcpcndicntesenunasecuenciasintética,fácil constituida por pasos progresivos (reacciones). Al hacer esto, debemos tener presente que con frecuencia es necesario utilizarelementos decontrol:éstossongruposquein~oducimosparaasegurarlaselectividad(larcgio~el~tividad o la estereoselectividad) en un paso posterior. Los elementos de conuol pueden proteger un grupo, o bien disminuir su efecto activamente (la acetilación de una mina, por ejemplo); o, a la inversa, aumentar la reactividad en algún punto también puede.n bloquear una posición ser obvia no mientras en particular.La necesidad de utilizar estos elemcntos de control puede sc Fabaja en las transformaciones antitéticas, p r o suck hacerse evidente cuando tratamos de armar todo el conjunto para esclarecer una serie de reacciones sinleticas.