QUÍMICA ORGÁNICA I (QU0915) BLOQUE TEMÁTICO V HALUROS DE ALQUILO

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1 QUÍMIA ORGÁNIA I (QU0915) BLOQUE TEMÁTIO V ALUROS DE ALQUILO

2 Bloque Temático 5: haluros de alquilo 5.1. aluros de alquilo 5.2. Reacciones de los haluros de alquilo Reacciones de Sustitución Nucleofílica Bimolecular (S N 2) Reacciones de Sustitución Nucleofílica Unimolecular (S N 1) Reacciones de Eliminación Unimolecular (E1) Reacciones de Eliminación Bimolecular (E2) Formación de compuestos organometálicos

3 5.1. aluros de alquilo 1) Los haluros de alquilo son derivados hidrocarbonados en los que uno, o más enlaces -, han sido sustituidos por enlaces -X (X= F, l, Br, I). 2) El enlace sigma -X (X= F, l, Br, I) se forma por solapamiento de un orbital sp 3 del carbono con un orbital híbrido del halógeno, como se indica en la siguiente figura: Enlace σ de los haluros de alquilo X = X 3) Los estudios basados en la teoría de orbitales moleculares indican que el híbrido correspondiente al orbital del halógeno tiene principalmente carácter p y una pequeña proporción de carácter s. Por ejemplo, en el fluoruro de metilo el orbital del flúor, en el enlace -F, se calcula que tiene, aproximadamente, un 15% de carácter s y un 85% de carácter p.

4 5.1. aluros de alquilo Longitudes de enlace, energías de enlace y momentos dipolares en los haluros de alquilo F l Br I Longitud (Å) Energía del enlace -X (kcal/mol) Momento dipolar (en Debyes) 1.64 Mayor solapamiento orbitálico Enlace -X más corto Enlace -X más fuerte Menor solapamiento orbitálico Enlace -X más largo Enlace -X más débil

5 5.2. Reacciones de los haluros de alquilo Reacciones de los haluros de alquilo

6 Reacciones de Sustitución Nucleófílica Bimolecular (S N 2) Formulación general de una reacción S N 2 Nuc + R 2 X R 2 Nuc + X Nuc = Nucleófilo R 2 X = Sustrato X = Grupo saliente Ejemplos de reacciones S N 2 Na O 3 l + O + Na l K I + 2 Br 2 I + K Br

7 Reacciones de Sustitución Nucleofílica Bimolecular (S N 2) Nucleófilo: especie química que contiene, al menos, un par electrónico libre y que participa en una reacción compartiendo el par de electrones con otra especie química denominada electrófilo. 1) La nucleofilia es un concepto cinético que está relacionado con la velocidad con la que se produce un determinado tipo de reacción. 2) Los nucleófilos pueden ser especies cargadas o neutras. Algunas especies nucleofílicas se indican a continuación:

8 Reacciones de Sustitución Nucleofílica Bimolecular (S N 2) Electrófilo: especie química que participa en una reacción química aceptando un par de electrones de un nucleófilo. 1) La electrofilia, al igual que la nucleofília, es un concepto cinético que está relacionado con la velocidad con que se produce un determinado tipo de reacción. 2) Los electrófilos pueden ser especies cargadas o neutras. Algunas especies electrofílicas se indican a continuación: Electrófilos neutros All 3 BF 3 Electrófilos catiónicos

9 Reacciones de Sustitución Nucleofílica Bimolecular (S N 2) Mecanismo de la reacción S N 2 La reacción S N 2 se produce como consecuencia del ataque del nucleófilo al carbono del sustrato que soporta el grupo saliente Reacción S N 2 entre el anión hidróxido y el cloruro de metilo δ δ O + l O l O + l Estado de transición

10 Reacciones de Sustitución Nucleofílica Bimolecular (S N 2) aracterísticas de la reacción S N 2 1) La ley de velocidad de la reacción S N 2 es de segundo orden (1 er orden con respecto al nucleófilo Nuc - y 1 er orden con respecto al sustrato RX). En una reacción S N 2, la velocidad es directamente proporcional a la concentración de nucleófilo y a la concentración de sustrato. Ley de velocidad de la reacción S N 2 velocidad =k Nuc RX 2) La reacción S N 2 es bimolecular: en el estado de transición se produce la colisión de dos especies: el nucleófilo y el sustrato. 3) La reacción S N 2 es concertada y transcurre en una sola etapa: al mismo tiempo que se va formando el enlace entre el nucleófilo y el sustrato se va rompiendo el enlace entre el grupo saliente y el sustrato. 4) En una reacción S N 2 el ataque del nucleófilo se produce desde el lado opuesto al que ocupa el grupo saliente.

11 Reacciones de Sustitución Nucleofílica Bimolecular (S N 2) Perfil de energía de la reacción S N 2 entre el anión hidróxido y el cloruro de metilo δ O δ l E a Estado de transición Energía O + l O + l Progreso de la reacción

12 Reacciones de Sustitución Nucleofílica Bimolecular (S N 2) Estado de transición de una reacción S N 2 Nuc δ δ + X Nuc X Nuc + X sp 3 sp 2 sp 3 1) La aproximación del nucleófilo al sustrato se produce desde el lado opuesto al que ocupa el grupo saliente. 2) A medida que el nucleófilo se aproxima al sustrato el enlace de éste con el grupo saliente se va debilitando (se va alargando). 3) En el estado de transición el enlace con el nucleófilo es débil, porque el enlace no está todavía completamente formado. 4) En el estado de transición el enlace con el grupo saliente es débil, porque el enlace se está rompiendo. 5) En el estado de transición los dos enlaces (el que se está formando y el que se está rompiendo) resultan del solapamiento con los dos lóbulos del orbital p correspondiente al átomo de carbono central, que presenta hibridación sp 2. 6) uando la reacción ha acabado el enlace con el nucleófilo está completamente formado, el enlace con el grupo saliente está completamente roto y el carbono adquiere de nuevo la hibridación sp 3.

13 Reacciones de Sustitución Nucleoofílica Bimolecular (S N 2) Variables de la reacción S N 2: efecto de la estructura del sustrato Los mejores sustratos para la reacción S N 2 son los que no tienen impedimento estérico l 3 l l l Tipo de sustrato aluro terciario aluro secundario aluro primario aluro de metilo Velocidad relativa De izquierda a derecha: Disminuye el impedimento estérico del sustrato Aumenta la velocidad de la reacción S N 2

14 Reacciones de Sustitución Nucleofílica Bimolecular (S N 2) Variables de la reacción S N 2: efecto de la estructura del sustrato aluros de metilo: son los sustratos más reactivos en S N 2 porque no tienen impedimento estérico O + l aluros terciarios: no reaccionan en S N 2 por su gran impedimento estérico O + l No hay reacción!

15 Reacciones de Sustitución Nucleofílica Bimolecular (S N 2) Variables de la reacción S N 2: efecto de la estructura del sustrato La ramificación en el carbono β dificulta la reacción S N 2 porque aumenta el impedimento estérico al ataque del nucleófilo 3 β 3 l 3 β 3 l β l Tipo de sustrato 1-cloro-2,2- dimetilpropano 1-cloro-2-metilpropano loroetano Velocidad relativa De izquierda a derecha: Disminuye el impedimento estérico del sustrato en el carbono β Aumenta la velocidad de la reacción S N 2

16 Reacciones de Sustitución Nucleofílica Bimolecular (S N 2) Variables de la reacción S N 2: efecto del nucleófilo Los mejores nucleófilos para la reacción S N 2 son los nucleófilos fuertes 1) La nucleofília y la basicidad no correlacionan cuando se comparan átomos de una misma familia (columna) del Sistema Periódico: al bajar en una columna disminuye la basicidad pero aumenta la nucleofília. b) Al bajar en una columna del Sistema Periódico aumenta el número atómico, los átomos son más grandesy los electrones de valencia están más lejos del núcleo y, en consecuencia, los electrones son más fácilmente polarizables: su nube electrónica de valencia se puede deformar con más facilidad por la acción de una carga externa. a) La mayor movilidad de los electrones aumenta la capacidad del nucleófilo para comenzar a formar el enlace a una distancia relativamente grande lo que se traduce en un aumento de la velocidad de la reacción. 2) En una fila del Sistema Periódico la basicidad y la nucleofília disminuyen de izquierda a derecha. a) En una fila del Sistema Periódico la electronegatividad aumenta de izquierda a derecha. b) Los elementos más electronegativostienen los pares de electrones solitarios sujetos con más fuerza al núcleo, son menos polarizables, y por tanto son menos reactivos (menos nucleofílicos) en la formación de nuevos enlaces.

17 Reacciones de Sustitución Nucleofílica Bimolecular (S N 2) Variables de la reacción S N 2: efecto del nucleófilo Variación de la nucleofília y la basicidad en el Sistema Periódico Nucleófilos del grupo V Nucleófilos del grupo VI Nucleófilos del grupo VII R 3 N R 3 P RO RS F l Br Al bajar en una columna: Disminuye la basicidad Aumenta la nucleofília I De izquierda a derecha: Disminuye la basicidad Disminuye la nucleofília

18 Reacciones de Sustitución Nucleofílica Bimolecular (S N 2) Variables de la reacción S N 2: efecto del nucleófilo lasificación de nucleófilos según su grado de nucleofília Nucleófilo Nombre Nucleofília relativa Excelentes nucleófilos N - Anión cianuro S - Anión tiolato I - Anión yoduro Buenos nucleófilos O - Anión hidróxido Br - Anión bromuro N - 3 Anión azida N 3 Amoníaco Nucleófilos moderados l - Anión cloruro OO - Anión acetato 630 F - Anión fluoruro 80 O Alcohol metílico 1 2 O Agua 1

19 Reacciones de Sustitución Nucleofílica Bimolecular (S N 2) Variables de la reacción S N 2: efecto del grupo saliente Los buenos grupos salientes son bases débiles (las bases conjugadas de los ácidos fuertes) Muy buenos grupos salientes Buenos grupos salientes Malos grupos salientes Muy malos grupos salientes Grupo saliente pk a del ácido conjugado p- 6 4 SO - 3 <0 I -, Br -, l - <0 2 O <0 ( ) 2 S <0 F 3 OO PO OO N N O - 10 RN 2, R 3 N 10 2 S O -, O , 15 N

20 Reacciones de Sustitución NucleofílicaBimolecular (S N 2) Variables de la reacción S N 2: efecto del disolvente uando el nucleófilo es una especie cargada la velocidad de las reacciones S N 2 aumenta si se emplean disolventes polares apróticos. Por ejemplo, la reacción del anión acetato con el yoduro de metilo es 10 millones de veces más rápida en DMF (N,N-dimetilformamida, disolvente polar aprótico) que en metanol (disolvente polar prótico). O 3 O + 3 I S N 2 O 3 O + I Disolvente Velocidad relativa MeO 1 DMF (ON(Me 2 ) 10 7

21 Reacciones de Sustitución Nucleófila Bimolecular (S N 2) Disolventes próticos lasificación de los disolventes onstante dielétrica (Debye) a 25º 2 O 81 OO 59 O 33 2 O 24 ( ) 2 O 18 ( ) 3 O 11 OO 6 Disolvente apróticos 45 ( ) 2 SO (DMSO) 38 N (acetonitrilo) 37 ON( ) 2 (DMF) 30 (( ) 2 N) 3 PO (MPA) 23 ( ) 2 O (acetona) 7 Tetrahidrofurano (TF) 4 2 O 2 2 n- 5 5, 6 6, l 4

22 Reacciones de Sustitución Nucleofílica Bimolecular (S N 2) Variables de la reacción S N 2: efecto del disolvente 1. Los disolventes polares próticos ( 2 O, MeO, EtO, OO, etc) disuelven las sales solvatando al catión y al anión. 2. El nucleófilo aniónico es poco reactivo en los disolventes polares próticos porque se encuentra solvatado. Disolventes polares próticos: solvatan al catión y al anión O 3 O 2 O 3 O O Agua Metanol Etanol Ácido acético

23 Reacciones de Sustitución Nucleofílica Bimolecular (S N 2) Variables de la reacción S N 2: efecto del disolvente 1) Los disolventes polares apróticos (DMSO, N, DMF, MPA, etc) disuelven las sales solvatando sólo al catión. 2) El nucleófilo aniónico es muy reactivo en los disolventes polares apróticos porque no se encuentra solvatado. Disolventes polares apróticos: solvatan al catión y deján libre al anión (nucleófilo) O S 3 Dimetilsulfóxido (DMSO) 3 N Acetonitrilo O N N,N-fimetilformamida (DMF) O 3 N P N 3 N 3 exametilfosforamida (MPA)

24 Reacciones de Sustitución Nucleofílica Bimolecular (S N 2) onsecuencias estereoquímicas de la reacción S N 2: inversión de la configuración 1) Si el carbono que soporta el grupo saliente es estereogénico, el ataque S N 2 del nucléofilo provoca la inversión de la configuración en dicho carbono. 2) El proceso de inversión de la configuración en la reacción S N 2 se denomina inversión de Walden. Inversión de la configuración en la reacción S N 2 3 δ δ N 3 + l N 3 l N 3 + l Ph Ph Ph (R)-1-loro-1-feniletano (S)-1-Azido-1-feniletano

25 Reacciones de Sustitución Nucleofílica Unimolecular (S N 1) 1) El bromuro de t-butilo es un sustrato terciario, por tanto con gran impedimento estérico. Este sustrato no es reactivo bajo el mecanismo S N 2. Por ejemplo, la reacción del bromuro de t-butilo con hidróxido sódico (anión hidróxido= nucleófilo fuerte) no proporciona t-butanol. No hay reacción S N 2 NaO + 3 Br 3 O + NaBr 2) uando el bromuro de t-butilo se hace reaccionar con agua (nucleófilo débil) se forma el t-butanol (producto de sustitución), a pesar de que el agua es un nucleófilo más débil que el anión hidróxido. La formación del t-butanol por reacción del bromuro de t-butilo con agua se explica mediante el mecanismo de Sustitución Nucleófila Unimolecular (S N 1). Sustitución mediante el mecanismo S N 1 2 O + 3 Br 3 O + Br

26 Reacciones de Sustitución Nucleofílica Unimolecular (S N 1) aracterísticas de la reacción S N 1 1) La velocidad de la reacción S N 1 es de primer orden (1 er orden con respecto al sustrato RX). Ley de velocidad de la reacción S N 1 velocidad =k RX 2) La reacción es unimolecular: en el estado de transición del paso clave de la reacción sólo interviene una especie química. 3) La reacción transcurre en dos pasos. En el primer paso se forma un carbocatión mediante la ruptura heterolítica del enlace -X. En el segundo paso el carbocatión reacciona con la especie nucleofílica y forma el producto de sustitución. 4) El primer paso del mecanismo S N 1 (formación del carbocatión) es el paso lento, determinante de la velocidad global de la reacción. 5) El segundo paso (reacción del carbocatión con el nucleófilo) es un paso rápido.

27 Reacciones de Sustitución Nucleofílica Unimolecular (S N 1) Mecanismo S N 1 para la reacción del bromuro de t-butilo con el agua Paso 1: Formación del carbocatión (paso lento determinante de la velocidad) 3 lenta 3 Br + Br Paso 2: Ataque del nucleófilo al carbocatión 3 O 3 3 rápida 3 O 3 Paso 3: Pérdida de protón O + Br rápida O + Br

28 Reacciones de Sustitución Nucleofílica Unimolecular (S N 1) Perfil de energía de la reacción S N 1 (reacción del bromuro de t-butilo con agua) Etapa lenta determinante de la velocidad global de la reacción Energía 3 Br + 2 O O + Br 3 O 2 + Br 3 O + Br Progreso de la reacción

29 Reacciones de Sustitución Nucleofílica Unimolecular (S N 1) Variables de la reacción S N 1: efecto de la estructura del sustrato Los mejores sustratos para la reacción S N 1 son los que generan carbocationes relativamente estables l l 3 l 3 3 l Tipo de sustrato aluro de metilo aluro primario aluro secundario aluro terciario Velocidad relativa S N x10 6 arbocatión De izquierda a derecha: Aumenta la estabilidad del carbocatión Aumenta la velocidad de la reacción S N 1

30 Reacciones de Sustitución Nucleofílica Unimolecular (S N 1) Variables de la reacción S N 1: efecto del nucleófilo Ley de velocidad de la reacción S N 1 velocidad =k RX La velocidad de la reacción S N 1 es insensible a la naturaleza del nucleófilo, porque éste no participa en la etapa de formación del carbocatión, que es la etapa lenta determinante de la velocidad global de la reacción.

31 Reacciones de Sustitución Nucleofílica Unimolecular (S N 1) Variables de la reacción S N 1: efecto del grupo saliente 1) En las reacciones S N 1 el grupo saliente está siendo desplazado en la etapa de formación del carbocatión (etapa determinante de la velocidad global del proceso). 2) La reacción S N 1 necesita de un buen grupo saliente por las mismas razones que lo necesita la reacción S N 2: un buen grupo saliente ayuda a estabilizar la energía del estado de transición, estabilizando la carga negativa que se desarrolla en este punto del mecanismo. Paso clave del mecanismo S N 1 3 S 3 X N 1 + X 3 3 3) Los buenos grupos salientes en el mecanismo S N 1 son las bases débiles: los mismos grupos que son buenos grupos salientes en los procesos S N 2.

32 Reacciones de Sustitución Nucleofílica Unimolecular (S N 1) Variables de la reacción S N 1: efecto del disolvente 3 X S N X Disolvente ( 2 ) 4 2 O 2 O 2 O O 2 O Nombre exano Éter etílico Acetona Etanol Metanol Agua onstante dieléctrica (ε) Velocidad relativa < De izquierda a derecha: Aumenta la polaridad del disolvente Aumenta la velocidad de la reacción S N 1 1) En el paso determinante de la velocidad de la reacción S N 1 se forman iones. 2) La reacción S N 1 ocurre más rápidamente en disolventes polares próticos (agua y alcoholes) porque estos disolventes solvatan eficazmente a los iones, disminuyendo la energía de éstos y, en consecuencia, disminuyendo también la energía del estado de transición que los genera.

33 Reacciones de Sustitución Nucleofílica Unimolecular (S N 1) onsecuencias estereoquimicas de la reacción S N 1: racemización 1) El átomo de carbono de un carbocatión presenta hibridación sp 2, con los grupos enlazados a este átomo ordenados en un plano y con un orbital p vacío perpendicular a dicho plano. 2) El carbocatión puede ser atacado desde el lado que dejó el grupo saliente, lo que produce retención de la configuración, o desde el lado opuesto, lo que produce inversión de la configuración. 3) Si el ataque a ambos lados del carbocatión se produce con igual frecuencia se forma una mezcla racémica. Nuc 3 2 Br 1 Bromuro quiral 3 1 Nuc 2 arbocatión plano aquiral % retención Nuc 1 50% inversión Mezcla racémica

34 Reacciones de Sustitución Nucleofílica Unimolecular (S N 1) onsecuencias estereoquimicas de la reacción S N 1: racemización parcial 1) Si el carbocatión es muy reactivo el nucleófilo ataca rápidamente, sin dar tiempo a que el grupo saliente abandone la proximidad del sustrato. 2) En estos casos el nucleófilo encuentra uno de los lóbulos del orbital p del carbocatión parcialmente bloqueado por la presencia del grupo saliente y el ataque se produce preferentemente desde la cara opuesta a la del grupo saliente. 3) El resultado es la formación de una mayor proporción del producto de inversión de configuración. 3 2 Br 1 Bromuro quiral Vía de ataque bloqueada por la presencia del ión bromuro Br 3 1 Nuc 2 Vía de ataque no impedida 3 2 Nuc 1 < 50% retención Nuc 1 > 50% inversión

35 Reacciones de Sustitución Nucleofílica Unimolecular (S N 1) onsecuencias de la reacción S N 1: formación de productos de transposición 1) La reacción del 2-bromo-3-metilbutano, en etanol a reflujo, proporciona una mezcla formada por 2-etoxi-3-metilbutano y 2-etoxi-2-metilbutano. 3 Br 2-Bromo-3-metilbutano 2 O reflujo 3 O Etoxi-3-metilbutano O Etoxi-2-metilbutano 2) El 2-etoxi-3-metilbutano es el producto del mecanismo S N 1. 3) El 2-etoxi-2-metilbutano, no se puede explicar mediante el mecanismo S N 1 habitual. Este compuesto es el resultado de una reacción de transposición carbocatiónica. 4) La fuerza impulsora de la reacción de transposición es la formación de un carbocatión más estable a partir de uno menos estable.

36 Reacciones de Sustitución Nucleofílica Unimolecular (S N 1) onsecuencias de la reacción S N 1: formación de productos de transposición Paso 1: Formación del carbocatión (paso determinante de la velocidad) 3 Br Paso 2: Transposición del carbocatión secundario 3 migración 1,2 de Paso 3: Ataque nucleofílico al carbocatión terciario 3 2 Mecanismo de formación del 2-etoxi-2-metilbutano arbocatión secundario Paso 4: Pérdida de protón + O Br 3 2 arbocatión terciario 2 O O Br O Br

37 Reacciones de Sustitución Nucleofílica Unimolecular (S N 1) onsecuencias de la reacción S N 1: formación de productos de transposición La fuerza impulsora de la reacción de transpoción es la formación de un carbocatión más estable a partir de uno menos estable Estado de transición para la migración 1,2 de hidruro arbocatión secundario (menos estable) arbocatión terciario (más estable)

38 Reacciones de Sustitución Nucleófila Unimolecular (S N 1) omparación entre las reacciones S N 2 y S N 1 S N 2 S N 1 inética Segundo orden Primer orden Estereoquímica Inversión Mezcla de inversión y retención Sustrato X >1º > 2º 3º > 2º Nucleófilo Grupo saliente Se necesita un nucleófilo fuerte Se necesita un buen grupo saliente Los nucleófilos débiles son los adecuados Se necesita un buen grupo saliente Disolvente Polares apróticos Polares próticos Transposiciones No son posibles omunes

39 Reacciones de Eliminación Unimolecular (E1) El calentamiento del bromuro de t-butilo, en etanol a reflujo, proporciona una mezcla formada por t-butanol y 2-metilpropeno Br 2 O reflujo O + 2 t -Butanol 2-Metilpropeno (Producto S N 1) (Producto E1) 1) El t-butanol es el producto de la reacción S N 1. 2) El 2-metilpropeno es el producto de la reacción de Eliminación Unimolecular (E1). El término unimolecular significa que en el estado de transición de la reacción, del paso que determina la velocidad general del proceso, interviene una única especie química.

40 Reacciones de Eliminación Unimolecular (E1) Mecanismo de la reacción de eliminación E1 Paso 1: Formación del carbocatión Br + Br Paso 2: Ataque básico del agua (reacción E1) O O 1) El primer paso del mecanismo E1 es idéntico al del mecanismo S N 1, puesto que en este paso se forma el carbocatión. 2) En el segundo paso del mecanismo E1 una base, en este caso el agua, captura un protón del carbocatión, dando lugar a un alqueno.

41 Reacciones de Eliminación Unimolecular (E1) Mecanismo de la reacción de Eliminación Unimolecular (E1) 1) En el segundo paso del mecanismo E1 una base captura un protón del carbocatión. 2) Para que tenga lugar la captura del protón, el enlace σ - se tiene que colocar en paralelo al orbital p vacío del centro carbocatiónico. 3) El ataque de la base provoca el cambio de hibridación del carbono que soporta el enlace -, que pasa de sp 3 a sp 2, permitiendo así el solapamiento de orbitales y la formación del nuevo enlace π (véase la figura): O enlace σ ( sp 3-1 s) sp 2 O sp 3 arbocatión orbital p vacío sp 2 Alqueno

42 Reacciones de Eliminación Unimolecular (E1) 1) La reacción de eliminación E1 tiene un perfil de energía potencial similar al de una reacción S N 1. 2) El paso de formación del carbocatión es lento y endotérmico, con un estado de transición que es el que determina la velocidad de la reacción. 3) El segundo paso es una desprotonación rápida y exotérmica. La base no participa en el paso que determina la velocidad del proceso, por lo que ésta sólo depende de la concentración de halogenuro de alquilo. Perfil de energía de la reacción E1 (reacción del bromuro de t-butilo con agua) Etapa lenta determinante de la velocidad global de la reacción Energía 3 Br + 2 O O + Br O + Br Progreso de la reacción

43 Reacciones de Eliminación Bimolecular (E2) 1) uando el bromuro de t-butilo reacciona con hidróxido sódico (NaO) se obtiene el 2-metilpropeno. 2) La formación del 2-metilpropeno se explica mediante la intervención del denominado mecanismo de Eliminación Bimolecular (E2). Reacción de Eliminación Bimolecular (E2) NaO + calor 3 Br O + NaBr 3) En la reacción del bromuro de t-butilo con hidróxido sódico (NaO) no se observa la formación del t-butanol, que sería el producto resultante de la reacción S N 2. 4) El producto S N 2 no se forma porque el bromuro de t-butilo es un haluro terciario y está estéricamente bloqueado hacia un proceso de sustitución nucleófila bimolecular (S N 2).

44 Reacciones de Eliminación Bimolecular (E2) aracterísticas de la reacción de Eliminación Bimolecular E2 1) La ley de velocidad de la reacción E2 es de segundo orden (1 er orden con respecto a la base y 1 er orden con respecto al sustrato RX). La velocidad de la reacción es directamente proporcional a la concentración de base y a la concentración de sustrato. Ley de velocidad de la reacción E2 velocidad =k Base RX 2) La reacción es bimolecular: en el estado de transición se produce la colisión de dos especies, la base y el sustrato. 3) La reacción es concertada y transcurre en una sola etapa: al mismo tiempo que se va formando el enlace entre la base y el protón se va formando el doble enlace - y se va rompiendo el enlace con el grupo saliente.

45 Reacciones de Eliminación Bimolecular (E2) Estado de transición de la reacción de Eliminación Bimolecular E2 Para que se produzca la eliminación E2 el protón que va a capturar la base debe colocarse anti-coplanar con respecto al grupo saliente O Br Disposición anti-coplanar del protón con el grupo saliente Estado de transición de la reacción E2 δ O Brδ 2 O Br En el estado de transición de la reacción E2: 1) El enlace de la base con el protón no está completamente formado. 2) El enlace del protón con el carbono no está completamente roto. 3) El doble enlace - no está completamente formado. 4) El enlace del grupo saliente con el carbono no está completamente roto

46 Reacciones de Eliminación Bimolecular (E2) Estado de transición de la reacción de Eliminación Bimolecular E2 1) Para que se produzca la eliminación E2 el protón que va a capturar la base debe colocarse anti-coplanar con respecto al grupo saliente, 2) La disposición anti-coplanar del hidrógeno coloca el orbital σ - (sp 3-1s) en paralelo con el orbital σ -Br (sp 3 -Br4p). Estos orbitales se convertirán en los orbitales p, cuyo solapamiento en paralelo formará el enlace π del alqueno. Vista lateral de un proceso de eliminación E2 O Enlace σ Enlace σ Disposición paralela de los orbitales σ Br 2 O Enlace π (-) Br

47 Reacciones de Eliminación Bimolecular (E2) Reacciones de Eliminación Bimolecular E2 en sistemas de ciclohexano La reacción del bromociclohexano con NaO produce ciclohexeno Br + NaO + 2 O + NaBr 1) El bromociclohexano presenta dos conformaciones. La más estable es la que coloca al átomo de bromo en posición ecuatorial. Sin embargo, esta conformación no es reactiva en el proceso E2. 2) La conformación reactiva en el proceso E2 es la que coloca al átomo de bromo en posición axial. Equilibrio conformacional del bromociclohexano Br Br onformación no reactiva en E2 onformación reactiva en E2

48 Reacciones de Eliminación Bimolecular (E2) En la conformación axial del bromociclohexano, la eliminación E2 se produce por ataque de la base a base a cualquiera de los protones situados en posición transdiaxial con respecto átomo de bromo Reacción de eliminación E2 en el bromociclohexano Br onformación no reactiva en E2 O Br Ataque de la base a uno de los protones en tr ans-diaxial con respecto al átomo de bromo 2 O Br

49 Reacciones de Eliminación Bimolecular (E2) Orientación de la eliminación E2: reglas de Saytzeff y ofmann La eliminación E2 en el 2-bromo-2-metilbutano proporciona mayoritariamente el alqueno más estable (más sustituido) 2-metil-2-buteno. El 2-metil-1-buteno es el alqueno menos estable (menos sustituido) y es el producto minoritario de la reacción de eliminación E2 en el 2-bromo-2-metilbutano Br NaOMe, MeO Metil-2-buteno (81%) 2-Metil-1-Buteno (19%) 1) uando la reacción de eliminación E2 proporciona mayoritariamente el alqueno más sustituido (más estable) se dice que el proceso transcurre con orientación Saytzeff. 2) uando la reacción de eliminación E2 proporciona mayoritariamente el alqueno menos sustituido (menos estable) se dice que el proceso transcurre con orientación ofmann.

50 Reacciones de Eliminación Bimolecular (E2) Orientación Saytzeff en las reacciones de eliminación E2 de haluros de alquilo 1) En las reacciones de eliminación E2 de halogenuros de alquilo el enlace - se está rompiendo de forma sincrónica con el enlace -X (X=halógeno), por tanto los estados de transición desarrollan un notable carácter de doble enlace, favoreciéndose el estado de transición más estable. 2) El estado de transición más estable es el que está formando el doble enlace más sustituido. 3) En la eliminación E2 en el 2-bromo-2-metilbutano se forma más rápidamente el alqueno más sustituido 2-metil-2-buteno (más estable), porque la energía de activación que se necesita para formar este compuesto es, comparativamente, mucho menor que la que se necesita para formar el alqueno menos sustituido 2-metil-1-buteno (menos estable).

51 Reacciones de Eliminación Bimolecular (E2) Br NaOMe, MeO Metil-2-buteno (81%) 2-Metil-1-Buteno (19%) MeO Formación del alqueno más sustituido en la reacción de eliminación E2 3 Br 3 δ MeO δ Br 3 2-Metil-2-buteno (81%) 2-Bromo-2-metilbutano Estado de transición más estable: carácter de enlace doble trisustituido Formación del alqueno menos sustituido en la reacción de eliminación E2 δ Br Br δ 2 MeO MeO 2-Metil-1-Buteno (19%) 2-Bromo-2-metilbutano Estado de transición menos estable: carácter de enlace doble disustituido

52 Reacciones de Eliminación Bimolecular (E2) Orientación de la eliminación E2: reglas de Saytzeff y ofmann El 2-metil-2-buteno se forma más rápidamente porque la energía de activación que se necesita para formar este compuesto es, comparativamente, mucho menor que la que se necesita para formar el 2-metil-1-buteno Perfil de energía en la eliminación E2 del 2-bromo2-metilbutano Energía Ea 2-metil-1-buteno Ea 2-metil-2-buteno NaO + Br (19%) + 2 O + NaBr 3 (81%) + 2 O + NaBr Progreso de la reacción

53 Reacciones de Eliminación Bimolecular (E2) omparación entre las reacciones E2 y E1 inética Segundo orden Primer orden Estereoquímica E2 Se necesita un estado de transición anti-coplanar Sustrato 3º > 2º > 1º 3º > 2º E1 Sin geometría especial Base Se necesita una base fuerte Las bases débiles son las adecuadas Grupo saliente Se necesita un buen grupo saliente Transposiciones No son posibles omunes Se necesita un buen grupo saliente

54 Formación de compuestos organometálicos 1) Los compuestos que poseen enlaces carbono-metal se denominan compuestos organometálicos. 2) La naturaleza del enlace carbono-metal depende, en gran medida, del tipo de metal, variando desde los enlaces sustancialmente iónicos a los esencialmente covalentes. Tipos extremos de enlace -Metal Enlace iónico Enlace covalente Metal Metal Porcentaje de carácter iónico de los enlaces carbono-metal -Li 43 -Mg 35 -Zn 18 -Al 22 -Sn 12 -Na 37 -a 43 -d 15 -Pb 12 -K 51 -g 9

55 Formación de compuestos organometálicos 1) La reactividad de los compuestos organometálicos aumenta con el carácter iónico del enlace carbono-metal. 2) Los compuestos muy iónicos, tales como los alquil-sodio y los alquil-potasio se inflaman y reaccionan explosivamente con el agua, no son volátiles y son insolubles en los disolventes no polares. Son bases muy fuertes y demasiado reactivos para aplicaciones prácticas. 3) Los reactivos de alquil-litio (43% de carácter iónico) pueden prepararse y emplearse en el seno de éteres o hidrocarburos y son de gran aplicabilidad sintética. Estos reactivos se pueden generar mediante la reacción de los haluros de alquilo con litio metálico Br + 2 Li Li + LiBr 1-Bromobutano n-butillitio 4) Los compuestos de alquilmagnesio, conocidos como reactivos de Grignard, se preparan por reacción entre un haluro de alquilo y magnesio metálico Br + Mg MgBr 1-Bromobutano Bromuro de butilmagnesio