REACCIONES DE ELIMINACIÓN

Transcripción

1 Química Orgánica º LEIÓN 7 Antonio Galindo ito REAIONES DE ELIMINAIÓN Objetivos ompletar el examen de la reactividad de los haluros de alquilo estudiando la segunda reacción que pueden experimentar conocida como βeliminación o (,)eliminación. onocer dos de los posibles mecanismos (E y E) por los que se llevan a cabo las eliminaciones, sus requisitos estereoquímicos aplicados tanto a sustratos acíclicos como cíclicos, particularmente a los derivados del ciclohexano y de los ciclos más pequeños. Saber predecir el tipo de mecanismo por el que progresará la reacción en función de los factores influyentes en la velocidad (tipo de sustrato, fuerza y concentración de la base, disolvente). Predecir cuál será el producto dominante en la reacción cuando puedan formarse dos alquenos diferentes, tanto en sustratos acíclicos como cíclicos. onocer la competición entre las reacciones S N y E y saber predecir cuál será el producto mayoritario que se forme en función de los factores influyentes en las velocidades de ambas reacciones competitivas (tipo de sustrato, basicidad y nucleofilia del reactivo, temperatura y disolvente). Identificar en qué situaciones pueden formarse productos de reagrupamiento en ciertas eliminaciones. Extender las reacciones de eliminación a otros derivados como tosilatos o mesilatos de alquilo examinando como pueden formarse y las ventajas que presentan respecto de los haluros. Llegar a comprender la utilidad sintética de las reacciones de βeliminación para la formación de compuestos insaturados y conocer los problemas que quedan planteados y sin resolver con este tipo de reacciones.

2 Química Orgánica º LEIÓN 7 Antonio Galindo ito REAIONES DE ELIMINAIÓN Eliminaciones (,) B B base nucleófilo Reacción Eliminación. ligeramente ácido Reacción Sustitución grupo saliente alqueno ácido conjugado anión haluro (b) OEt Ruta (a) Ruta (b) OEt (a) EPenteno Alqueno más sustituido Penteno Alqueno menos sustituido bromometilpentano O O base tilpenteno Alqueno Saytzeff Etilbuteno Alqueno ofmann

3 Química Orgánica º LEIÓN 7 Antonio Galindo ito Eliminaciones E inética. Segundo orden v = K [Base] [aluro]. canismo. Proceso concertado (una etapa). En el estado de transición se están rompiendo los enlaces, y se están formando los enlaces B y el pi: δ * B δ B B urso Estereoquímico. Requisito geométrico, el, los dos y deben hallarse en el mismo plano (coplanares). ay dos maneras, y coplanares y a diferente lado (antiperiplanares) o y coplanares y al mismo lado (synperiplanares): onformación antiperiplanar (onformación alternada de menor energía) onformación sinperiplanar (onformación eclipsada de mayor energía)

4 Química Orgánica º LEIÓN 7 Antonio Galindo ito 4 La E cursa con una estereoquímica anti y es estereoespecífica, es decir, se obtienen dos alquenos diastereómeros empleando dos haluros diastereómeros. Así, cuando los diastereómeros eritro y treo se tratan con potasa alcohólica se obtienen los alquenos metilepenteno y metilzpenteno, respectivamente, lo que prueba la total estereoespecificidad de las eliminaciones E y además demuestra que la reacción marcha a través de un curso estereoquímico anti: O: Et O: (S, S))bromo(metilpentano Una forma eritro O metilepenteno KO O K (S, S))bromometilpentano Una forma eritro metilepenteno

5 Química Orgánica º LEIÓN 7 Antonio Galindo ito 5 O: Orientación. uando se pueden formar dos alquenos diferentes, en la mayoría de los casos se forma mayoritariamente el alqueno más sustituido (alqueno Saytzeff) frente al menos sustituido (alqueno ofmann): bromobutano Et O: (R, S)bromometilpentano Una forma treo (R, S)bromometilpentano Una forma treo : metilzpenteno KO metilzpenteno O A. Saytzeff A. ofmann K O buteno (9%) buteno (8%) O

6 Química Orgánica º LEIÓN 7 Antonio Galindo ito 6 Así, el ciscloro4tercbutilciclohexano reacciona con el KOBu t proporcionando 4tercbutilciclohexeno a través de una conformación en la que el voluminoso tercbutilo se dispone ecuatorialmente. El diastereómero trans suministra muy lentamente (en la práctica no hay reacción) el mismo compuesto, pues para que la reacción progrese el voluminoso grupo tercbutilo debe situarse mente: KOBut tbu ecuatorial 4 4 But l But l 4 tbu ecuatorial ecuatorial tbu 4 4 Kl OBut ecuatorial l Se forma muy lentamente Kl OBut KOBut No hay reacción en esta conformación

7 Química Orgánica º LEIÓN 7 Antonio Galindo ito 7 transdi Et l Et l Et OBut ( )transcloroetil ciclohexano ecuatorial cis (ecuatorial) l ( )ciscloroetil ciclohexano Et Et Kl KOBut OBut transdiecuatorial ( )etilciclohexeno KOBut No hay reacción en esta conformación OBut ( )etilciclohexeno etilciclohexeno KOBut OBut Kl OBut Et ecuatorial KOBut No hay reacción l en esta conformación OBut cis (ecuatorial) Et

8 Química Orgánica º LEIÓN 7 Antonio Galindo ito 8 El transcloroetilciclohexano tratado con KOBu t en OBu t da etilciclohexeno, pero el diastereómero ciscloroetilciclohexano en las mismas condiciones, suministra una mezcla de etilciclohexeno y etilciclohexeno. En los ciclos de pequeño tamaño (, 4y 5 eslabones) se alcanza la disposición anti pero los grupos no se hallan coplanares y la reacción progresa más fácilmente por una eliminación syn : Reacción muy lenta l Reacción rápida NaO NaO ; l ( ) isclorometilciclobutano. ( )Transclorometilciclobutano. El l y el se hallan en anti pero l y se hallan syn coplanares no se hallan coplanares Igual situación se presenta en ciertos compuestos tales como los biciclos[,,]heptano y al igual que antes, la eliminación más rápida es la syn y no la anti, pues los grupos no son coplanares en la disposición anti pero si en la syn: exo l NaO l exo mesoexoexodicloro Biciclo[,,]heptano El l y el están anti pero no coplanares Reacción muy lenta l ; ( ) exo l NaO exo l endo endoexodicloro Biciclo[,,]heptano El l y el están sin y se hallan coplanares l Reacción rápida

9 Química Orgánica º LEIÓN 7 Antonio Galindo ito 9 ( ) exo NaO exo D endo exobromodendo Biciclo[,,]heptano El y el están syn y se hallan coplanares NaO D eliminación syn eliminación anti (no se forma) D En este sustrato, la eliminación anti llevaría a un alqueno sin D, mientras que la eliminación syn conduciría a un alqueno con D. Experimentalmente se ve que el único alqueno que se forma contiene D, lo que prueba que la eliminación ha sido syn. No obstante, en haluros de cadena abierta las reacciones E siempre marchan a través de una anti eliminación. uando el producto pueda formarse como dos diastereómeros cistrans, en general siempre está favorecida la formación del alqueno trans, porque el estado de transición que conduce a este alqueno es de menor contenido energético que el que conduce al cis. Así, cuando se trata el (±)bromobutano con KOBu t se genera una mezcla de buteno (0%) y buteno (80%). Este último es una mezcla de cisbuteno y transbuteno en la que existe mucho más trans que cis. Para explicarlo recurriremos a visualizar los estados de transición de las dos reacciones en proyecciones de Newmann:

10 Química Orgánica º. LEIÓN 7 Antonio Galindo ito 0 O NaO buteno (0%) transbuteno bromobutano mayoritario racémico onformación anti, δ butenos (80%) más estable * δ O Alqueno trans, O más estable onformación alternada, menos estable Estado de transición que conduce al alqueno trans Más estable; alejados δ O δ * cisbuteno, minoritario Alqueno cis, menos estable Na O O O

11 Química Orgánica º. LEIÓN 7 Antonio Galindo ito Et bromobutano racémico O NaO tóxido sódico Et δ buteno (0%) minoritario * Na O Et Buteno O δ O Estado de transición Las reacciones en las que se pierde un átomo de y un átomo de halógeno (formalmente ) se conocen como deshidrohalogenaciones y se llevan a cabo tratando un haluro de alquilo con una base. Existen otras eliminaciones en las que se pierden dos átomos de halógeno sobre carbonos vecinos que son conocidas como deshalogenaciones y que se efectúan casi siempre por la acción de una base de Lewis que casi siempre es zinc metálico: Derivado,dihalogenado :Zn Base de Lewis Alcohol, calor Zn Alqueno aluro de zinc

12 Química Orgánica º. LEIÓN 7 Antonio Galindo ito Las deshalogenaciones (pérdida de una molécula de halógeno), también son estereoespecíficas y transcurren por una anti eliminación a través de un proceso E: Zn: Zn Zn ( )treo,dibromobutano Alcohol, calor Alcohol, calor meso,dibromobutano Alcohol, calor cisbuteno transbuteno Zn Zn Zn Zn Zn Zn

13 Química Orgánica º. LEIÓN 7 Antonio Galindo ito Eliminaciones E. inética. uando un haluro terciario se trata con una base fuerte como el KOBu t se obtiene un alqueno pero la cinética del proceso es de primer orden en haluro, v = k [haluro], siendo v no dependiente de la concentración de la base. canismo. El proceso ocurre en dos etapas, la primera de las cuales es lenta e idéntica a la S N y por tanto conduce a la formación de un catión. En la segunda etapa, rápida, el catión pierde un protón por la acción de la base para originar el alqueno. urso estereoquímico. Al contrario que en la E los procesos E no son estereoespecíficos y por ello habitualmente cuando el alqueno puede presentarse en dos formas diastereómeras se genera una mezcla de ellas. R R lenta R R R R B: B R R zcla de alquenos E y Z

14 Química Orgánica º. LEIÓN 7 Antonio Galindo ito 4 R R El y el se hallan en anti B: lenta R R rotación alrededor del enlace rápida Eliminación anti R R Alqueno Z B B: R R El y el se hallan en syn rápida Eliminación syn R R Alqueno E B Transposiciones en las E omo los procesos E implican carbocationes como especies intermedias, es frecuente que en las reacciones tipo E puedan ocurrir transposiciones de manera completamente análoga a como ocurría con las S N. Así, al calentar el bromo,dimetilbutano con KO en metanol, se obtiene en pequeña proporción el alqueno normal, el,dimetilbuteno, pero el alqueno mayoritario es el,dimetilbuteno, que evidentemente se ha formado por transposición con migración (,) de un grupo metilo:

15 Química Orgánica º. LEIÓN 7 Antonio Galindo ito 5 ( )bromo, dimetilbutano ompetición EE O catión,dimetilbutilo Transposición (,) catión,dimetilbutilo,dimetilbuteno (minoritario) º. La reacción E ocurre preferentemente sobre sustratos primarios y la E sobre terciarios. O,dimetilbuteno (mayoritario) º. Un aumento en la polaridad del disolvente favorece la E sobre la E. Las E van mejor con disolventes dipolares y apróticos (ver Lección 6) y las E con disolventes próticos (agua, ácidos carboxílicos, fenoles, alcoholes, etc.). º. Una base fuerte y en buena concentración favorece la E sobre la E. onclusión. Sustratos primarios o secundarios, elevadas concentraciones de bases fuertes y el empleo de disolventes dipolares apróticos favorecen la E, mientras que sustratos terciarios con bases muy débiles y poco concentradas, disolventes polares y próticos favorecen la E. No obstante, incluso los terciarios marchan por la E usando bases fuertes concentradas. En general, se prefiere que las reacciones marchen por la E porque son estereoespecíficas y es posible controlar la estereoquímica del alqueno eligiendo adecuadamente la estereoquímica del sustrato y las condiciones de reacción.

16 Química Orgánica º. LEIÓN 7 Antonio Galindo ito 6 ompetición S N E º. on nucleófilos poco voluminosos se favorece la sustitución. Los voluminosos favorecen la eliminación. Si se quiere hacer una eliminación en lugar de usar KO es preferible usar KOBut. º. Un aumento en la polaridad del disolvente favorece la sustitución. Si se quiere hacer una sustitución con KO se debe usar agua como disolvente, mientras que si se quiere hacer una eliminación es mejor usar KO en metanol o etanol como disolventes. º. Un temperatura moderada o baja favorece la sustitución. Si se quiere efectuar una eliminación es mejor hacer la reacción a reflujo. onclusión. Nucleófilos poco voluminosos, disolvente muy polares y apróticos y temperaturas moderadas favorecen la sustitución. Bases voluminosas, disolvente menos polares y temperaturas elevadas favorecen la eliminación. Reactividad de los diferentes haluros de alquilo. aluros primarios. Los haluros primarios no impedidos generalmente experimentan reacciones S N si el reactivo es buen nucleófilo o E si el reactivo es una base fuerte no impedida. Es posible forzar a un haluro primario a dar reacciones E empleando como catalizador AgNO, aunque es estos casos es frecuente que se observen muy mayoritariamente productos de transposición. Vamos a precisar el término impedido y no impedido con algunos ejemplos: R aluros de alquilo no impedidos aluros de alquilo impedidos

17 Química Orgánica º. LEIÓN 7 Antonio Galindo ito 7 bromobutano (S N ) (E) (E) AgNO O O Ag Ag Ag O : metanol O O metil, secbutil, éter metoxibutano buteno transbuteno cisbuteno : O O, O O NO, () : O metil, secbutil, éter transbuteno buteno catión butilo ( O ) cisbuteno (NO ) Los productos que pueden obtenerse a partir de un haluro primario dependen de las condiciones experimentales y así, cuando el bromuro de propilo se trata con diferentes reactivos que pueden comportarse como nucleófilos o bases, según sea su carácter y su tamaño, se obtienen diferentes productos, como se aprecia a continuación:

18 Química Orgánica º. LEIÓN 7 Antonio Galindo ito 8 omuro de propilo aluro primario no impedido Base fuerte impedida Mal nucleófilo ( ) OK ( ) O Base fuerte no impedida Buen nucleófilo ONa O > 80% propeno Buen nucleófilo NaN Base muy mala (0%) Eliminación E Sustitución S N < 0% O tercbutil, propil, éter (< 0%) O metil, propil, éter (>90%) N Propanonitrilo (00%) Los haluros primarios con bases fuertes impedidas (malos nucleófilos) dan productos S N, con bases fuertes no impedidas (buenos nucleófilos) compiten la S N y la E casi siempre de modo favorable a la S N y finalmente, con muy buenos nucleófilos (malas bases) se obtienen exclusivamente productos S N.. aluros secundarios Las reacciones de los haluros secundarios son difíciles de predecir pues varían mucho en función de las condiciones experimentales. on bases muy fuertes y en buena concentración se pueden dar tanto la S N como la E. on bases débiles y disolventes próticos son posibles tanto la S N como la E obteniéndose en general, mezclas de producto derivados de ambas reacciones.

19 Química Orgánica º. LEIÓN 7 Antonio Galindo ito 9 Así, el bromuro de isopropilo reacciona con diferentes especies obteniéndose diferentes productos en función de la nucleofilia y basicidad del reactivo, a través de diferentes mecanismos en función del disolvente utilizado: omuro de isopropilo aluro secundario Base débil no impedida Buen nucleófilo OOK ( ) O Base fuerte no impedida Buen nucleófilo ONa EtO Eliminación E Sustitución S N propeno (80%) ( 0%) O O Acetato de isopropilo (00%) O Etil, isopropil, éter (0%) O Nucleófilo débil, Base débil, medio polar y prótico O (50%) Etil, isopropil, éter (0%) Eliminación E Sustitución S N La importancia del reactivo utilizado se pone de relieve en las reacciones del (±)bromobutano frente a diversos reactivos. Así,frente al NaI (buen nucleófilo, mala base) da fundamentalmente (±)yodobutano (S N ) mientras que frente al KOBu t (mal nucleófilo, excelente base) da mayoritariamente buteno (E):

20 Química Orgánica º. LEIÓN 7 Antonio Galindo ito 0 ( ) O NaI ( )bromuro de anhidra ( ) secbutilo ( )bromuro de secbutilo KOBu t OBu t I S N yoduro de secbutilo (mayoritario) OBu butil, tercbutil, éter t E buteno buteno (mayoritario) Na K aluros terciarios Los haluros terciarios no dan reacciones S N por su gran impedimento estérico. on bases fuertes dan reacciones E y en ausencia de bases fuertes y en medios polares y próticos dan reacciones S N y E, en proporciones variables difíciles de predecir, pues varía mucho con las condiciones experimentales. Así, cuando el bromometilpropano reacciona con etóxido sódico en etanol da etil, tercbutil, éter (%; producto S N ) y metilpropeno (97%; producto E), mientras que por solvólisis en etanol se obtiene etil, tercbutil, éter (80%; producto S N ) y metilpropeno (0%; producto E). Esta experiencia nos permite apreciar la importancia de la elección de la base y el disolvente pues puede condicionar no sólo el mecanismo sino también el producto final.

21 Química Orgánica º. LEIÓN 7 Antonio Galindo ito Producto S N Producto E Producto E Base fuerte; disolvente prótico e ionizante metilbromopropano; haluro terciario Base débil; disolvente prótico e ionizante NaO O O O etil, tercbutil, éter (%) metilpropeno (97%) Isobutileno (80%) (0%) Es importante generalizar la reactividad de los haluros de alquilo, observando que también pueden dar reacciones de eliminación y sustitución otros sustratos alquílicos que portan un grupo saliente diferente del halógeno, muy particularmente los grupos mesilato (OMs) y tosilato (OTs): S mesilato de butilo cianuro potásico N pentanonitrilo mesilato potásico tosilato de butilo OMs KN N tercbutóxido potásico E penteno KOMs tosilato potásico OTs KOBut KOTs OMs OSO ; OTs OSO

22 Química Orgánica º. LEIÓN 7 Antonio Galindo ito Resumen reactividad haluros ALURO PRIMARIO ALURO SEUNDARIO ALURO TERIARIO S N No ocurre y si se efectúa siempre se lleva a cabo con transposición Ocurre con reactivos ni muy básicos ni muy nucleófilos y en medios próticos y muy polares Favorecida con nucleófilos poco básicos en medios polares y próticos. S N Muy favorecida; exclusiva con Nu poco básico. Mayoritaria con sustratos y Nu no impedidos Ocurre en competencia con la E. Exclusiva con buenos nucleófilos que sean poco básicos No ocurre E No ocurre y si se efectúa siempre se lleva a cabo con transposición Ocurre con reactivos ni muy básicos ni muy nucleófilos y en medios próticos y muy polares Ocurre de forma secundaria con bases débiles y con bases fuertes en bajas concentraciones E Se da con bases fuertes. Mayoritaria con haluros con impedimento estérico o/y bases muy impedidas Ocurre en competencia con la S N. Mayoritaria cuando se usan bases fuertes y muy impedidas Favorecida y exclusiva cuando se emplean bases fuertes e impedidas.