QUÍMICA ORGÁNICA. III. Grupos funcionales y heterociclos

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1 QUÍMICA ORGÁNICA III. Grupos funcionales y heterociclos

2 PROYECTO EDITORIAL CIENCIAS QUÍMICAS COLECCIÓN: Química Básica Director: Carlos Seoane Prado Queda prohibida, salvo excepción prevista en la ley, cualquier forma de reproducción, distribución, comunicación pública y transformación de esta obra sin contar NO fotocopies el libro con autorización de los titulares de la propiedad intelectual. La infracción de los derechos mencionados puede ser constitutiva de delito contra la propiedad intelectual (arts. 270 y sigs. Código Penal). El Centro Español de Derechos Reprográficos ( vela por el respeto de los citados derechos.

3 QUÍMICA ORGÁNICA III. Grupos funcionales y heterociclos José Luis Soto Cámara EDITORIAL SINTESIS

4 Consulte nuestra página web: En ella encontrará el catálogo completo y comentado Diseño de cubierta: JV Diseño gráfico José Luis Soto Cámara EDITORIAL SÍNTESIS, S. A. Vallehermoso, Madrid Teléf.: Depósito Legal: M ISBN: ISBN Obra completa: Impreso en España - Printed in Spain Reservados todos los derechos. Está prohibido, bajo las sanciones penales y el resarcimiento civil previstos en las leyes, reproducir, registrar o transmitir esta publicación, íntegra o parcialmente, por cualquier sistema de recuperación y por cualquier medio, sea mecánico, electrónico, magnético, electroóptico, por fotocopia o por cualquier otro, sin la autorización previa por escrito de Editorial Síntesis, S. A.

5 ÍNDICE

6 6 Química Orgánica. Volumen III PRÓLOGO PARTE I: COMPUESTOS HIDROXILADOS Y DERIVADOS 1. ALCOHOLES Y FENOLES: PROPIEDADES GENERALES Introducción. Nomenclatura Propiedades físicas de alcoholes y fenoles Reactividad general de alcoholes y fenoles Basicidad de alcoholes y fenoles. Sales de oxonio Acidez de alcoholes y fenoles Discusión de la acidez relativa de los alcoholes Acidez de los fenoles. Efecto de los sustituyentes Formación de ésteres Identificación espectroscópica de alcoholes y fenoles ALCOHOLES: REACTIVIDAD Y SÍNTESIS Reacciones características de los alcoholes Deshidratación intramolecular de alcoholes Mecanismo de la deshidratación Reactividad relativa en la deshidratación Regioselectividad Transposiciones en la deshidratación de alcoholes Transposición pinacolínica Deshidratación intermolecular de alcoholes. Formación de éteres Formación de haluros de alquilo Empleo de haluros de hidrógeno o hidrácidos Empleo de haluros de fósforo y de azufre Reacciones de deshidrogenación y oxidación de alcoholes Oxidación de glicoles y polialcoholes Métodos de obtención de alcoholes Métodos industriales Métodos generales de obtención de alcoholes Métodos de obtención de dioles y polioles Hidroxilación de alquenos Hidrólisis de epóxidos Hidrólisis de halohidrinas, dihaluros y ésteres Reducción bimolecular de compuestos carbonílicos FENOLES: REACTIVIDAD Y SÍNTESIS Reacciones características de los fenoles Oxidación de fenoles Reacciones de sustitución electrófila en los fenoles Nitración y sulfonación Halogenación Alquilación y acilación de Friedel-Crafts... 76

7 Índice Transposición de Fries Reacciones de núcleos muy reactivos Nitrosación de fenoles Formilación de fenoles Reacción de Kolbe-Schmitt Otras reacciones de sustitución electrófila. Mercuriación Reacciones de sustitución nucleófila. Reacción de Bucherer Métodos de obtención de fenoles Hidrólisis de sales de diazonio Fusión de ácidos sulfónicos con álcalis Hidrólisis de haluros de arilo Oxidación de haluros de arilmagnesio y de otros organometálicos ÉTERES Y EPÓXIDOS Introducción. Tipos y nomenclatura Alifáticos saturados Insaturados Aromáticos Epóxidos Propiedades físicas. Características espectroscópicas Reactividad química general de los éteres Sales de oxonio Ruptura de la unión éter Oxidación y halogenación de éteres Éteres vinílicos Éteres aromáticos. Transposiciones [3,3] sigmatrópicas Epóxidos. Reactividad Mecanismos en la apertura de epóxidos Reacciones con alcoholes, fenoles y tioles Adición de amoniaco y aminas Adición de compuestos organometálicos Otras adiciones a los epóxidos Regioselectividad en la apertura de epóxidos Métodos de obtención de éteres Deshidratación intermolecular de alcoholes Síntesis de Williamson Reacción de alcoximercuriación-desmercuriación Empleo de diazometano Métodos de obtención de epóxidos Epoxidación de alquenos Deshidrohalogenación de halohidrinas TIOLES Y SULFUROS Introducción. Nomenclatura Propiedades físicas de tioles y sulfuros Reactividad general de tioles. Acidez

8 8 Química Orgánica. Volumen III 5.4. Oxidación de tioles Reactividad de los sulfuros Formación de sales de sulfonio Oxidación a sulfóxidos y sulfonas. Sulfóxido de dimetilo Desulfuración de compuestos de azufre Métodos de obtención de tioles A partir de haluros de alquilo e hidrogenosulfuros Empleo de sales de alquilisotiouronio Adición de sulfuro de hidrógeno a alquenos Reducción de cloruros de sulfonilo Empleo de sales de diazonio Métodos de obtención de sulfuros A partir de haluros de alquilo y tiolatos A partir de haluros de alquilo y sulfuro sódico Adición de tioles a alquenos PARTE II: COMPUESTOS NITROGENADOS 6. AMINAS Introducción. Nomenclatura Estructura de las aminas Propiedades físicas de las aminas Reactividad general de las aminas Basicidad de las aminas Diferencias de basicidad en las aminas alifáticas Basicidad de las aminas aromáticas Influencia de los sustituyentes sobre la basicidad Acidez de las aminas Alquilación y acilación del amoniaco y las aminas Oxidación de aminas. N-óxidos Reacciones de sustitución electrófila en las aminas aromáticas Halogenación Nitración Sulfonación Reacciones de núcleos muy reactivos Reacciones de las aminas con ácido nitroso Aminas primarias aromáticas Aminas primarias alifáticas Aminas secundarias Aminas terciarias aromáticas Aminas terciarias alifáticas Identificación espectroscópica de aminas Métodos de obtención de aminas Métodos generales Métodos de obtención de aminas primarias Métodos de obtención de aminas secundarias y terciarias

9 Índice 9 7. COMPUESTOS DE AMONIO CUATERNARIO. SALES DE DIAZONIO Sales de amonio cuaternario. Transferencia de fase Hidróxidos de amonio cuaternario Eliminación de Hofmann Regioselectividad en la eliminación de Hofmann Eliminación de Cope Sales de diazonio. Reactividad Reacciones de sustitución nucleófila Nucleófilos oxigenados. Reducción Nucleófilos halogenados Nucleófilos carbonados Nucleófilos nitrogenados Nucleófilos azufrados y otros nucleófilos Las sales de diazonio como electrófilos. Reacciones de copulación Influencia del medio Formación de diazoaminoderivados Influencia de los sustituyentes en la reacción de copulación Colorantes e indicadores azoicos OTROS COMPUESTOS NITROGENADOS. NITROCOMPUESTOS Introducción Hidrazinas. Transposición bencidínica Azocompuestos Nitrocompuestos. Introducción Estructura y propiedades físicas de los nitrocompuestos Tautomería nitro-aci. Acidez de nitroalcanos Reactividad de los nitroalcanos Halogenación Alquilación Reacción con ácido nitroso Hidrólisis. Reacción de Nef Reacciones de los nitroarenos Reducción de nitrocompuestos Métodos de obtención de nitrocompuestos Nitración de hidrocarburos Reacción de haluros de alquilo con nitritos Empleo de sales de diazonio Oxidación de aminas primarias Oxidación de oximas PARTE III: COMPUESTOS CARBONÍLICOS 9. ALDEHÍDOS Y CETONAS. REACCIONES DE ADICIÓN NUCLEÓFILA I Introducción

10 10 Química Orgánica. Volumen III 9.2. Estructura del grupo carbonilo Propiedades físicas de aldehídos y cetonas Identificación espectroscópica de aldehídos y cetonas Espectroscopía UV y visible Espectroscopía IR Resonancia magnética nuclear Espectrometría de masas Reactividad de aldehídos y cetonas Reacciones de adición nucleófila: generalidades Adición de reactivos de Grignard y otros organometálicos Adición de bisulfito sódico Formación de cianhidrinas Adición de agua. Hidratos de aldehído Adición de alcoholes: hemiacetales. Acetales Reacciones con fenoles. Colorantes del trifenilmetano Polimerización de aldehídos Reacción de Wittig. Fosfinas e iluros de fósforo Fosfinas, sales de fosfonio e iluros de fósforo Reacción de Wittig Estereoquímica de la reacción de Wittig ALDEHÍDOS Y CETONAS. REACCIONES DE ADICIÓN NUCLEÓFILA II Introducción Reacciones con amoniaco Formación de bases de Schiff Formación de oximas, hidrazonas y otros productos análogos Oximas: nomenclatura, estructura, estereoisomería y tautomería Propiedades de las oximas Deshidratación de aldoximas Transposición de Beckmann Formación y reactividad de enaminas Alquilación y acilación de enaminas Reducción y oxidación de enaminas ALDEHÍDOS Y CETONAS. REACCIONES VÍA ENOL O ENOLATO Acidez de hidrógenos en α. Tautomería ceto-enólica Halogenación de cetonas Halogenación catalizada por ácidos Halogenación catalizada por bases Monohalogenación y regioselectividad Reacción del haloformo Sustitución del oxígeno carbonílico Alquilación de compuestos carbonílicos. Transposición de Favorskii Alquilación de enolatos de litio Alquilación de sililenoléteres Transposición de Favorskii

11 Índice Reacción de Mannich Nitrosación. Oxidaciones en α Sustituciones electrófilas aromáticas Reacciones de condensación aldólica Condensación aldólica cruzada y reacción de Claisen-Schmidt Aldolización en compuestos dicarbonílicos. Reacción de Knövenagel Otras condensaciones de tipo aldólico ALDEHÍDOS Y CETONAS. REACCIONES DE OXIDACIÓN-REDUCCIÓN Y SÍNTESIS Introducción Reducción a alcoholes Empleo de hidruros metálicos Hidrogenación catalítica Reducción con sodio y alcohol. Reducción bimolecular y reacción de McMurry Reducción de Meerwein-Ponndorf-Verlag y oxidación de Oppenauer Reducción a hidrocarburos Oxidación de aldehídos Oxidación de cetonas Reacción de Baeyer-Villiger Reacción de Cannizzaro Condensación benzoínica. Transposición bencílica Métodos generales de obtención de compuestos carbonílicos Hidratación e hidroboración-oxidación de alquinos Oxidación y deshidrogenación de alcoholes Oxidación de alquenos Oxidación de arenos Métodos específicos para la obtención de aldehídos Reducción de ácidos y compuestos afines Empleo de organometálicos Reacciones de formilación Métodos específicos para la obtención de cetonas Cetonas a partir de cloruros de ácido Cetonas a partir de nitrilos Empleo de organolíticos Descarboxilación de ácidos ALDEHÍDOS Y CETONAS NO SATURADOS. QUINONAS Introducción Estructura y reactividad Adición de reactivos electrófilos Adición de reactivos nucleófilos Adición 1,2 versus adición 1,

12 12 Química Orgánica. Volumen III Influencia de la temperatura Naturaleza del compuesto carbonílico Naturaleza del nucleófilo Adición de Michael y anelación de Robinson Principio de vinilogía y desplazamiento de la acidez Quinonas. Reactividad Potenciales de oxidación-reducción Complejos de transferencia de carga Quinonas polinucleares. Colorantes antraquinónicos Antraquinona. Propiedades Colorantes antraquinónicos PARTE IV: ÁCIDOS CARBOXÍLICOS Y DERIVADOS 14. ÁCIDOS CARBOXÍLICOS Introducción. Tipos y nomenclatura Estructura Propiedades físicas Características espectroscópicas Reactividad química Acidez. Acción de los sustituyentes El ion carboxilato como nucleófilo Formación de cloruros de ácido Formación de ésteres y amidas Reducción de ácidos carboxílicos Halogenación. Reacción de Hell-Volhard-Zelinskii Ácidos halogenados y no saturados Hidroxiácidos Aminoácidos Punto isoeléctrico de un aminoácido Reacciones características Ácidos aromáticos Métodos de obtención de ácidos carboxílicos Carbonatación de un reactivo de Grignard Hidrólisis de nitrilos Métodos especiales REACTIVIDAD GENERAL DE DERIVADOS DE ÁCIDO. CLORUROS Y ANHÍDRIDOS. CETENAS Introducción Estructura y propiedades físicas y espectroscópicas Reactividad química general Mecanismo del ataque nucleófilo Reactividad relativa. Catálisis ácida Comparación de acilderivados con alquilderivados

13 Índice Cloruros de ácido Reacciones con nucleófilos oxigenados Reacciones con nucleófilos nitrogenados Reacciones con nucleófilos azufrados Reacciones con nucleófilos carbonados Reducción Anhídridos de ácido Reacción de Perkin Métodos de obtención de cloruros y anhídridos de ácido Cetenas Adiciones electrófilas Adiciones nucleófilas Otras reacciones Obtención de cetenas α-diazocetonas. Transposición de Wolff. Reacción de Arndt-Eistert ÉSTERES Y AMIDAS. NITRILOS Introducción Ésteres. Reacciones de sustitución nucleófila Hidrólisis y esterificación. Saponificación Reacción de transesterificación Reacción con nucleófilos nitrogenados Reacción con organometálicos Reducción de ésteres. Formación de aciloinas Condensación de Claisen Condensación de Dieckmann Condensaciones de Claisen cruzadas Condensaciones de Claisen con aldehídos y cetonas Reacción de Reformatsky Otras reacciones de los ésteres Pirólisis de ésteres Reacción de Chugaev Amidas. Estructura y tautomería Hidrólisis y deshidratación de amidas Reducción de amidas. Reacción con magnesianos Transposición de Hofmann y reacciones relacionadas Transposición de Hofmann Reacción de Curtius Reacción de Schmidt Transposición de Lossen Nitrilos. Estructura y reactividad Hidrólisis de nitrilos Derivados funcionales de los ácidos imídicos a partir de nitrilos Formación de imidoésteres y ortoésteres Formación de amidinas y cloruros de imidoilo Otras reacciones y obtención de nitrilos

14 14 Química Orgánica. Volumen III Reducción de nitrilos a aminas Reducción de nitrilos a aldehídos Reacción con magnesianos Alquilación de nitrilos. Reacción de Thorpe Métodos de obtención de nitrilos ÁCIDOS DICARBOXÍLICOS, OXOCARBOXÍLICOS Y DERIVADOS Introducción Derivados del ácido carbónico Fosgeno Urea Cianamida Derivados alénicos del ácido carbónico. Isocianatos Estructura y reactividad Principales reacciones de adición nucleófila Diisocianatos. Resinas poliuretánicas Obtención de isocianatos Ácidos dicarboxílicos y oxocarboxílicos. Características Comportamiento frente al calor de los ácidos carbonílicos y dicarboxílicos Compuestos 1,2-difuncionalizados Compuestos 1,3-difuncionalizados Compuestos 1,4- y 1,5-difuncionalizados Compuestos 1,6-difuncionalizados y superiores Polimerización por condensación Reacciones de ciclación Reacciones de alquilación. Síntesis malónica y acetilacética Síntesis malónica Síntesis acetilacética Otras síntesis análogas Reacciones de Knövenagel y adiciones de Michael PARTE V: COMPUESTOS HETEROCÍCLICOS 18. NOMENCLATURA Y HETEROCICLOS HEXAGONALES Introducción Clasificación y nomenclatura Método de Hantzsch-Widman Nomenclatura en a Nombres vulgares y semivulgares Nomenclatura de los heterociclos condensados Piridina y sus benzo y alquilderivados. Estructura y reactividad general

15 Índice Formación de sales Reacciones de sustitución electrófila Reacciones de sustitución nucleófila Reacciones de oxidación-reducción. N-Óxidos Derivados de piridina y de benzopiridinas Alquilderivados Hidroxiderivados. Piridonas Aminoderivados Aldehídos, cetonas y ácidos Sales de piridinio y benzopiridinio N-alquilsustituidas Diazinas y benzodiazinas. Estructura y reactividad Basicidad Principales reacciones Derivados de las diazinas Otros heterociclos hexagonales aromáticos. Sales de pirilio y pironas Sales de pirilio Pironas y cromonas HETEROCICLOS PENTAGONALES Y SÍNTESIS DE HETEROCICLOS Furano, pirrol, tiofeno e indol. Estructura y reactividad general Reacciones de sustitución electrófila. Reactividad y regioselectividad Principales reacciones de sustitución electrófila Otras reacciones Derivados del furano, pirrol, tiofeno e indol Hidroximetil y aminometilderivados Compuestos carbonílicos y ácidos carboxílicos Hidroxi- y aminoderivados. Índigo Azoles, estructura y reactividad general Basicidad, acidez y tautomería en los azoles Alquilación y acilación de azoles Reacciones de sustitución electrófila Reacciones con nucleófilos. Apertura de isoxazoles Purinas. Reactividad Síntesis de heterociclos. Obtención de furanos, pirroles y tiofenos Obtención de azoles Obtención de oxazoles, imidazoles y tiazoles Obtención de pirazoles e isoxazoles Obtención de piridinas y de sales de pirilio Otras síntesis de piridinas Obtención de diazinas Piridazinas Pirimidinas Pirazinas

16 16 Química Orgánica. Volumen III Obtención de heterociclos condensados Obtención de indoles Obtención de quinolinas Obtención de isoquinolinas Obtención de purinas SOLUCIONARIO ÍNDICE ALFABÉTICO

17 PRÓLOGO En este tercer volumen, con el estudio de los principales grupos funcionales y de los sistemas heterocíclicos más frecuentes existentes en los compuestos orgánicos, se da por ultimada la presentación de los aspectos de mayor interés que, a juicio del autor, debe conocer un estudioso de la Química Orgánica. Este último volumen consta de 19 capítulos, agrupados en cinco partes, las cuatro primeras dedicadas a la presentación, análisis estructural, reactividad característica y formación de los principales grupos funcionales, y la última, a la consideración de la nomenclatura, propiedades y síntesis de los sistemas heterocíclicos. Los compuestos hidroxilados y derivados (alcoholes, fenoles y éteres), así como los análogos azufrados (sulfuros y tioéteres), se tratan en los cinco primeros capítulos, a los que siguen otros tres dedicados a las funciones nitrogenadas (aminas, sales de amonio y de diazonio, y nitrocompuestos). En los capítulos 9 a 13 se consideran los compuestos carbonílicos y productos relacionados, y finalmente el estudio de los grupos funcionales se completa en los capítulo 14 a 17 con el tratamiento de los ácidos carboxílicos, sus derivados funcionales (cloruros, anhídridos, ésteres y amidas) y algunos compuestos difuncionalizados de interés. Los compuestos heterocíclicos se desarrollan en los capítulos 18 y 19, el primero dedicado a su nomenclatura y a los heterociclos hexagonales y el último a los pentagonales y métodos de síntesis. Como en los volúmenes anteriores, se incluye al final de cada capítulo un total de unos 250 ejercicios y problemas, que se resuelven en el solucionario que se incluye al final de la obra. Es importante indicar que en todo momento se ha tratado de mantener la continuidad necesaria con los dos primeros volúmenes, así como su mismo nivel y carácter didáctico, siendo muy frecuentes las referencias a capítulos y apartados del mismo volumen o volúmenes anteriores en los que se desarrollan aspectos relacionados o ya tratados. Hay que indicar también que se han casi excluido o tratado muy superficialmente partes importantes de la Química Orgánica, especialmente las relacionadas con aspectos analíticos, industriales y biológicos, como pueden ser los productos naturales, por estimarse que son campos de carácter muy aplicado, especializado y disperso con una problemática cuya comprensión no debe ofrecer dificultad alguna a quienes dominan la reactividad general de los compuestos orgánicos. El conjunto de los tres volúmenes se considera adecuado y suficiente para adquirir un conocimiento integral de la Química Orgánica necesario no sólo en las licenciaturas de las Facultades de Química, sino también en las de Farmacia, Biología, Medicina y muchas de Ingeniería en las que se estudian uno o dos cursos de Química Orgánica. Finalmente, quiero una vez más expresar mi agradecimiento a la profesora D.ª Mercedes Pardo por la cuidadosa revisión del manuscrito y, al coincidir su terminación con el centenario del nacimiento de mi maestro, el prof. D. Manuel Lora-Tamayo ( ), dedicar la obra a su memoria por ser el principal responsable de que ella haya sido posible.