REACCIONES ORGANICAS COMPUESTOS AROMATICOS

Transcripción

1 REACCIONES ORGANICAS COMPUESTOS AROMATICOS QUIMICA ORGANICA INGENIERIA BIOMEDICA Dra. Ing. María Julia Barrionuevo

2 REACCIONES DE SUSTITUCION NUCLEOFILICA BIMOLECULAR Sustitución nucleófila bimolecular (S N 2) Es el ataque de un grupo con pares solitarios (nucleófilo) a un carbono polarizado positivamente con pérdida del grupo saliente. La velocidad de la reacción depende de la estructura del sustrato, naturaleza del nucleófilo, grupo saliente y disolvente.

3 MECANISMO DE LA SUSTITUCION Mecanismo de la S N 2 Reacción en un sólo paso. Se produce simultáneamente el ataque del nucleófilo y la pérdida del grupo saliente. La aproximación del nucleófilo al carbono se produce por el lado opuesto al grupo saliente, llamado ataque dorsal. CH 3 + Br: - HO C Br H D Nucleófilo electrófilo Estado de Producto Grupo transición saliente

4 MECANISMO DE LA SUSTITUCION En el producto el nucleófilo asume la posición estereoquímica opuesta a la posición que ocupaba el grupo saliente (inversión de Walden)

5 REACCIONES DE SUSTITUCION Estereoquímica En la reacción S N 2 el nucleófilo ataca por el lado opuesto al grupo saliente lo que supone inversión del centro quiral. Grupo saliente La reacción S N 2 requiere buenos grupos salientes, aumentando su velocidad al aumentar la aptitud de éste (haluros, agua, alcoholes, aminas) Influencia del sustrato Los RX primarios y secundarios dan reacciones S N 2. Los terciario no permiten el ataque del nucleófilo, por impedimentos estéricos. Velocidades relativas en las reacciones S N 2: CH 3 X > 1º > 2º > 3º

6 REACCIONES DE SUSTITUCION Influencia del nucleófilo La velocidad de la S N 2 aumenta por mayor nucleofilia del atacante. No transcurre con nucleófilos: agua, alcoholes, ácido acético. El disolvente Los disolventes apróticos S N 2 (alcohol, acetonitrilo, dimetil formamida, acetona)

7 REACCIONES DE SUSTITUCION

8 REACCIONES DE SUSTITUCION o Sustitución nucleófila unimolecular (S N 1) En S N 1 el sustrato se ioniza, formando un carbocatión, luego es atacado por el nucleófilo. La reacción sólo tiene lugar con sustratos secundarios o terciarios y su velocidad no depende del nucleófilo.

9 REACCIONES DE SUSTITUCION UNIMOLECULAR Mecanismo de la S N 1 Dos etapas; la primera pérdida del grupo saliente con formación del carbocatión; en la segunda ataca el nucleófilo. Paso 1: formación de un carbocatión (limitante de la velocidad) lento Paso 2: ataque nucleofilico en el carbocatión rápido Paso final: cesión de un protón al disolvente rápido

10 REACCIONES DE SUSTITUCION Estereoquímica En S N 1 el nucleófilo ataca al carbocatión formado por ambas caras, lo que genera mezcla de enantiómeros. Grupo saliente S N 1 requiere grupos salientes polarizables. Base débil, estable después de desprenderse, Influencia del sustrato RX secundarios y terciarios dan reacciones S N 1. Influencia del nucleófilo La velocidad de la S N 1 no es afectada por el tipo de nucleófilo. Paso determinante de velocidad es la pérdida del grupo saliente. Reactividad S N 1: 3º > 2º > 1º > CH 3 X El disolvente: Los disolventes polares estabilizan el carbocatión y favorecen la velocidad de la S N 1: agua y alcoholes.

11 REACCIONES DE SUSTITUCION Transposición de metilo en una reacción SN1

12 COMPETENCIA ENTRE LAS REACCIONES SUSTITUCIONES Competencia SN1 - SN2. Mecanismo esperado según el tipo de sustrato CH 3 Br Sustrato S N 1 S N 2 Primario Secundario No se observa (CH 3 + inestable) No se observa (inestables) Relativamente lenta, disolventes próticos: agua y alcoholes. No depende del nucleófilo. Rápida Rápida Relativamente lenta, mejora con disolventes apróticos (acetona, DMF) Terciario Rápida No se produce

13 ELIMINACION BIMOLECULAR Eliminación bimolecular (E2): Se requieren bases fuertes y disposición anti del hidrógeno con respecto al grupo saliente. Mecanismo de la E2: RX al ser tratados con bases fuertes generan alquenos (E2). i) ii) En i) el carbono que contiene el grupo saliente (alfa), los contiguos a él los beta que poseen los hidrógenos que arranca la base. En ii) hay dos carbonos beta lo que genera mezcla de dos alquenos.

14 REACCION DE ELIMINACION oregla DE SAYTZEFF

15 ELIMINACION UNIMOLECULAR Eliminación unimolecular (E1): Se forma un carbocatión primero. Requieren bases débiles y pueden dar lugar a transposición de carbocationes. Mecanismo de la E1: desprotonación del carbocatión para formar alquenos, E1. Primer paso, lento es la disociación del sustrato para formar el carbocatión, y en la segunda etapa pierde protón.

16 ELIMINACION UNIMOLECULAR

17 COMPETENCIA ENTRE LAS REACCIONES DE ELIMINACION Competencia E1 - E2 E1 E2 Factores influyentes Base Bases débiles Bases fuertes Disolvente Disolventes ionizantes Amplia variedad de disolventes Sustrato 3º > 2º 1º > 2º Características Cinética Primer orden, k r [RX] Segundo orden, k r [RX][B: - ] Orientación Alquenos sustituidos más Alquenos más sustituidos Estereoquímica Sin geometría especial Estado de transición coplanar Reordenamiento frecuentes imposible

18 HIDROCARBUROS AROMATICOS: BENCENO Aromaticidad del benceno Es estable por deslocalización por resonancia de los electrones π que forman los dobles enlaces. Estructuras de Kekulé Representación por resonancia representación combinada Longitud C-C 1,39Å (equivaldría a un orden de enlace =1 ½ ) C=C 1,34 Å C-C 1,48 Å

19 HIDROCARBUROS AROMATICOS: BENCENO Regla de Hückel: Aromaticidad del benceno El benceno es un sistema cíclico de 6 electrones deslocalizados en hibridación sp 2 que deslocaliza los electrones p y confiere al benceno una gran estabilidad. La nube debe contener un total (4 n + 2) electrones Energía de estabilización aromaticidad, Regla 1.- Un sistema aromático debe ser cíclico y plano (sin carbonos sp 3 en el ciclo) Regla 2.- Existe conjugación cíclica de los dobles enlaces. Regla 3.- El número de electrones del sistema aromático cumple la fórmula 4n + 2, con n = 0, 1, 2, 3, etc. (n es el número de ciclos)

20 HIDROCARBUROS AROMATICOS: BENCENO Reacciones inusuales del benceno KMnO 4, H 2 O No reacciona Se oxida Br 2, CCl 4 No reacciona Adición rápida HI No reacciona Adición rápida H 2 /Ni Hidrogenación Hidrogenación Lenta Rápida ( º, 100 at) (25º, 1,3 at)

21 HIDROCARBUROS AROMATICOS: BENCENO Estabilidad inusual del benceno + H 2 Hº= 28,6 kcal + 2 H 2 catalizador presión alta Hº= -55,4 kcal + 3 H 2 Hº teórico= -85,8 kcal Hº medido= -49,8 kcal Energía de resonancia= 36 Kcal

22 HIDROCARBUROS AROMATICOS: BENCENO Propiedades físicas El benceno es un líquido incoloro de PE 80ºC, combustible, insoluble en agua y soluble en solventes orgánicos Reactividad del benceno SE del benceno tiene lugar por adición del electrófilo al anillo seguida de la pérdida de un protón que permite la recuperación de la aromaticidad. Mecanismo: Sustitución electrofílica aromática Paso 1: el ataque del electrófilo da lugar al complejo sigma H E H E H E + E complejo sigma (ión arenio)

23 HIDROCARBUROS AROMATICOS: BENCENO Paso 2: La pérdida de un protón da lugar al producto de sustitución Base: H E E + + Base-H Energia Potencial +E + E Coordenadas de Reacción

24 HIDROCARBUROS AROMATICOS: BENCENO Halogenación del Benceno Benceno reacciona con halógenos en presencia de ácidos de Lewis, sustituyendo uno de sus hidrógenos por el halógeno. Nitración del benceno La nitración utiliza como reactivo una mezcla de ácido nítrico y sulfúrico. El ácido sulfúrico protona el -OH del ácido nítrico y genera catión nitronio, NO 2 +

25 HIDROCARBUROS AROMATICOS: BENCENO Sulfonación del benceno La sulfonación utiliza como reactivo ácido sulfúrico fumante, (disolución al 8% de SO 3 en ácido sulfúrico concentrado). Alquilación de Friedel Crafts Añade cadenas carbonadas al anillo aromático. Reactivos: RX en presencia de un ácido de Lewis, que interacciona con el grupo saliente catalizando la reacción. Problemas: polialquilaciones y transposiciones de carbocatión.

26 HIDROCARBUROS AROMATICOS: BENCENO Acilación de Friedel Crafts Añade grupos acilos al anillo aromático. Reactivos RCOX en presencia de un ácido de Lewis, que interacciona con el grupo saliente generando cationes acilo que son atacados por el benceno.

27 HIDROCARBUROS AROMATICOS: BENCENO Activantes y desactivantes: Activantes débiles (orto y para): -CH 3, -C6H5 Activantes fuertes (orto y para): -OH, -OR, -NH 2, -NR2 Desactivantes débiles (orto y para): -F, -Cl, -Br, -I Desactivantes fuertes (meta): -COR, -CO 2 H, -COOR, SO 3 H, -NO 2, -CN, - + NR3 Ejemplos

28 HIDROCARBUROS AROMATICOS: BENCENO Sustitución en la cadena lateral. Halogenación por radicales libres H 3 C ó luz (h*) Cl + Cl 2 H 3 C AlCl 3 C H 3 Cl H 3 C + Cl

29 HIDROCARBUROS AROMATICOS: BENCENO Oxidación de cadenas laterales El permanganato de potasio y el dicromato de potasio permiten oxidar grupos alquilo del benceno. La cadena rompe por la posición bencílica independientemente de su longitud, generando ácido benzoico.

30 HIDROCARBUROS AROMATICOS: BENCENO Heterociclos aromáticos Compuestos cíclicos con átomos distintos de carbono formando parte del ciclo. Se denomina heteroátomo. Los ciclos pueden ser de diferente tamaño; pueden contener uno o más heteroátomos diferentes oxigeno, nitrógeno ó azufre. La química de heterociclos tiene una enorme importancia. Ejemplo, las bases nitrogenadas de ADN son heterociclos, ejemplos: N N N O O H H PIRIDINA PIRROL IMIDAZOL FURANO PIRANO N

31 HIDROCARBUROS AROMATICOS: BENCENO Regla de Hückel Un heterociclo es aromático si cumple la regla de Hückel: (sin carbonos sp 3 que formen parte del ciclo) Debe contener 4n+2 electrones π conjugados cíclicamente. Clasificación heterociclos aromáticos: heterociclos con exceso electrónico o -excedentes y heterociclos con defecto electrónico o -deficientes.

32 HIDROCARBUROS AROMATICOS : BENCENO Hidrocarburos aromáticos polinucleares Formados por dos o más anillos bencénicos fusionados. Los anillos fusionados comparten dos átomos de carbono y el enlace entre ellos. Naftaleno Antraceno Fenantreno Hidrocarburos aromáticos polinucleares > Nº C (HAP) Los HAP se forman por combustión incompleta de los compuestos orgánicos, algunos cancerigenos. Ej en el humo del tabaco. pireno benzo[]pireno dibenzopireno

33 HIDROCARBUROS AROMATICOS : BENCENO REACCION DE NAFTALENO HIDROGENACION Ni + H 2 180ºC OXIDACION O O + O 2 H 2 O + 2 CO 2 + OH O H 2 O + O OH O

34 HIDROCARBUROS AROMATICOS : BENCENO Cl Cl 2 + H Cl O N + O- HNO 3 + H 2 O O OH S O H 2 SO ºC 170ºC O + H 2 O S O OH + H 2 O

35 HIDROCARBUROS AROMATICOS: BENCENO El benzo[]pireno se encuentra en el hollín de las chimeneas, en la carne a la brasa y en el humo del tabaco. Los efectos cancerigenos se deben a su epoxidación a óxidos de areno, los cuales pueden ser atacados por las bases nucleofilicas del ADN. oxidasa O benzo[]pireno oxaciclopropano hidratasa O oxidasa H O HO 7,8-dihidrobenzo[]pireno trans 7,8 diol HO HO carcinógeno

36 HIDROCARBUROS AROMATICOS: BENCENO Proceso carcinogénico O O N NH HO ADN ADN N N HO NH HO HO HO