QUÍMICA ORGÁNICA I (QU0915) BLOQUE TEMÁTICO VI ALCOHOLES, FENOLES Y ÉTERES

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1 QUÍMIA RGÁNIA I (QU0915) BLQUE TEMÁTI VI ALLES, FENLES Y ÉTERES

2 Bloque Temático 6: alcoholes, fenoles y éteres 6.1. Alcoholes Acidez de los alcoholes xidación de alcoholes Alcoholes como nucleófilos Alcoholes como sustratos electrofílicos en reacciones de sustitución Sulfonatos: derivados de alcoholes en reacciones de sustitución Deshidratación de alcoholes: síntesis de alquenos 6.2. Fenoles 6.3. Éteres Síntesis de éteres Epóxidos

3 6.1. Alcoholes Los alcoholes proceden de la sustitución formal de uno de los hidrógenos del agua por un grupo alquilo omparación de las distancias y ángulos de enlace en la molécula de agua y de metanol o 0.96A o 1.43A º 108.9º o 0.96A Agua Metanol

4 6.1. Alcoholes Tipos de alcoholes según su grado se sustitución Estructura Tipo Ejemplo R Alcohol primario 3 (Etanol) R R Alcohol secundario 3 3 (Propan-2-ol) R 3 R R Alcohol terciario 3 3 (2-Metilpropan-2-ol)

5 Acidez de los alcoholes Una base fuerte puede sustraer el protón del hidroxilo de un alcohol para generar su base conjugada, denominada genéricamente alcóxido R + B R + B Alcohol (ácido) Base Alcóxido (base conjugada) En medio acuoso la constante de disociación ácida de un alcohol (K a ) queda definida por el siguiente equilibrio: R + 2 R + Alcohol (ácido) Base K a Alcóxido (base conjugada) 3 K a = R 3 R

6 Acidez de los alcoholes En medio acuoso los alcoholes son tanto más ácidos cuanto menor es su grado de sustitución Variación de la acidez de los alcoholes con el grado se sustitución Nombre t -Butanol Isopropanol Etanol Metanol Tipo de alcohol Terciario Secundario Primario pk a De izquierda a derecha: Disminuye el grado de sustitución del alcohol Aumenta la acidez del alcohol

7 Acidez de los alcoholes 1) En medio acuoso la solvatación tiene un efecto estabilizante sobre el correspondiente ánión alcóxido. 2) uanto más solvatado esté el anión alcóxido más desplazado hacia la derecha estará el equilibrio ácido-base. 3) El anión metóxido, la base conjugada del metanol, es relativamente pequeño y se rodea de un número relativamente elevado de moléculas de agua de solvatación. De esta forma la densidad electrónica asociada al átomo de oxígeno se reparte entre las moléculas de agua de solvatación y la especie se estabiliza Metanol 2 Anión metóxido (fácil de solvatar)

8 Acidez de los alcoholes 1) En medio acuoso la solvatación tiene un efecto estabilizante sobre la base conjugada del alcohol (el anión alcóxido). 2) uanto más solvatado esté el anión alcóxido más desplazado hacia la derecha estará el equilibrio ácido-base. 3) El anión t-butóxido, la base conjugada del t-butanol, es relativamente grande y se rodea de un número relativamente bajo de moléculas de agua de solvatación. De esta forma la densidad electrónica asociada al átomo de oxígeno no se reparte adecuadamente entre las moléculas de agua de solvatación y la especie no se estabiliza tanto como lo hace el anión metóxido. 4) La consecuencia de la menor solvatación del anión t-butóxido es el menor desplazamiento hacia la derecha del equilibrio ácido-base, lo que explica la menor acidez del t-butanol. 2 t-butanol AniónI-butóxido (dificil de solvatar)

9 Acidez de los alcoholes La sustitución de átomos de hidrógeno por átomos de halógeno, que tienen efecto inductivo electrón-atrayente (-I), aumenta la acidez de los alcoholes Variación de la acidez de los alcoholes con la introducción de átomos de cloro 3 l 2 l 3 Nombre Etanol 2-loroetanol 2,2,2,-Tricloroetanol pk a De izquierda a derecha: Aumenta el número de átomos de cloro Aumenta el efecto inductivo electrón-atrayente (-I) debido a la presencia de átomos de cloro Aumenta la estabilización de la base conjugada por efecto inductivo electrón-atrayente (-) de los átomos de cloro

10 xidación de alcoholes xidación de alcoholes según su grado se sustitución Alcohol Producto R Alcohol primario R Aldehído R Ácido carboxílico R R Alcohol secundario R R R Alcohol terciario R R etona No hay oxidación

11 Alcoholes como nucleófilos Un alcohol es un nucleófilo débil y sólo reacciona con electrófilos fuertes. Un ejemplo de este comportamiento se observa en las reacciones S N 1, en las cuales el alcohol (nucleófilo débil) reacciona con un carbocatión (electrófilo fuerte). 3 3 Br S N 1 Paso 1: Formación del carbocatión lenta 3 Br + Br Paso 2: Ataque del nucleófilo al carbocatión (Electrófilo fuerte) Paso 3: Pérdida de protón Br Mecanismo Br 3 3 rápida (Nucleófilo débil) rápida Br

12 Alcoholes como nucleófilos Al contrario que un alcohol, su base conjugada, el alcóxido, es un nucleófilo fuerte, y, puede participar en reacciones S N 2 S N l l Anión etóxido (nucleófilo fuerte)

13 Alcoholes como sustratos electrofílicos en reacciones de sustitución 1) Los alcoholes pueden participar como sustratos electrofílicos en reacciones de sustitución. 2) El mecanismo de la reacción depende de la estructura del alcohol: a) con un alcohol terciario, como el t-butanol, el mecanismo es de tipo S N 1. b) con un alcohol primario, como el n-butanol, el mecanismo es de tipo S N 2. Alcoholes como sustratos electrofílicos en reacciones de sustitución Br 2-Metilpropan-2-ol (t -Butanol) S N Br Bromo-2-metilpropano (bromuro de t-butilo ) Br S N Br + 2 Butan-1-ol 1-Bromobutano

14 Alcoholes como sustratos electrofílicos en reacciones de sustitución 1) Los alcoholes pueden, en medio ácido, reaccionar mediante el mecanismo S N 1. El primer paso del mecanismo es la protonación rápida y reversible del alcohol. 2) El segundo paso es la formación del carbocatión mediante deshidratación del alcohol protonado. 3) En el tercer paso el carbocatión experimenta el ataque rápido del nucleófilo. Alcoholes como sustratos electrofílicos en reacciones S N 1 3 S N Br 3 Br 3 3 Mecanismo Paso 1: Reacción de protonación del alcohol rápida 3 + Br Paso 2: Formación del carbocatión 3 lenta Paso 3: Ataque del nucleófilo al carbocatión 3 3 rápida + Br 3 Br Br

15 Alcoholes como sustratos electrofílicos en reacciones de sustitución 1) Los alcoholes pueden, en medio ácido, reaccionar mediante el mecanismo S N 2. 2) El primer paso del mecanismo es la protonación rápida y reversible del alcohol. 3) El segundo paso es el ataque del nucleófilo sobre el alcohol protonado. Alcoholes como sustratos electrofílicos en reacciones S N Br n-butanol S N 2 Mecanismo Br Bromobutano Paso 1: Reacción de protonación del alcohol Br rápida Br Paso 2: Ataque S N 2 al alcohol protonado Br lenta Br + 2

16 Alcoholes como sustratos electrofílicos en reacciones de sustitución 1) Los alcoholes experimentan, en medio ácido, reacciones de sustitución, porque el grupo saliente en medio ácido es el agua, que es muy buen grupo saliente. 2) Los alcoholes no experimentan, en medio básico o neutro, reacciones de sustitución, porque en este medio el grupo hidroxilo del alcohol no está protonado, y el grupo saliente debería ser el anión hidróxido ( - ), que es un mal grupo saliente por ser una base fuerte. Los alcoholes no experimentan reacción de sustitución en medio básico o neutro n-butanol + Na Br Br + Na Anión hidróxido (mal grupo saliente)

17 Sulfonatos: derivados de alcoholes en reacciones de sustitución Tipos de ésteres 3 S Ácido acético (ácido carboxílico) Ácido sulfúrico 3 Ácido S Ácido metanosulfónico 3 Éster Acetato de etilo (éster de ácido carboxílico) S 3 Sulfato de dimetilo (éster de ácido sulfúrico) 3 S 3 Metanosulfonato de metilo (éster de ácido alquilsulfónico)

18 Sulfonatos: derivados de alcoholes en reacciones de sustitución Preparación de mesilatos: ésteres de ácido metanosulfónico 3 S l loruro del ácido metanosulfónico Etanol + N Base (piridina) 3 S Metanosulfonato de etilo (mesilato de etilo) N l lorhidrato de piridinio 3 S loruro del ácido p-toluensulfónico Preparación de tosilatos: ésteres de ácido p-toluensulfónico l Etanol + N Base (piridina) 3 S 2 3 p-toluensulfonato de etilo (tosilato de etilo) + N l lorhidrato de piridinio

19 Sulfonatos: derivados de alcoholes en reacciones de sustitución Los tosilatos y los mesilatos experimentan reacciones de sustitución S N 2 porque los grupos salientes (el anión metanosulfonato, o el anión p-toluensulfonato) son bases muy débiles Reacción S N 2 sobre mesilato de etilo Na N 3 Azida sódica (nucleófilo fuerte) S 3 Mesilato de etilo 3 2 N 3 Azida de etilo + Na S 3 Anión metanosulfonato (muy buen grupo saliente) Reacción S N 2 sobre tosilato de etilo Na N + ianuro sódico (nucleófilo fuerte) 3 2 S p-toluensulfonato de etilo (tosilato) N + Na S 3 ianuro de etilo Anión p-toluensulfonato (muy buen grupo saliente)

20 Deshidratación de alcoholes: síntesis de alquenos 1) El calentamiento de alcoholes con ácidos fuertes no nucleofílicos, como 2 S 4 o 3 P 4, proporciona alquenos. 2) La reacción de formación de alquenos a partir de alcoholes se explica mediante el mecanismo de eliminación, que puede ser de tipo E1 o E2. 3) La formación de alquenos a partir de alcoholes se denomina reacción de deshidratación porque, formalmente, se produce la eliminación de 2 en la molécula de alcohol. Deshidratación de alcoholes iclohexanol 3 P calor iclohexeno

21 Deshidratación de alcoholes: síntesis de alquenos 1) El mecanismo de deshidratación E1 del ciclohexanol se inicia con la protonación del grupo hidroxilo por reacción con el ácido fosfórico ( 3 P 4 ). 2) En el segundo paso se produce la pérdida de 2 y la formación del carbocatión ciclohexilo. 3) En el tercer paso el anión 2 P 3- captura un protón y forma el ciclohexeno. 4) Globalmente la reacción no consume ácido fosfórico ( 3 P 4 ). Paso 1: Protonación del alcohol + P Paso 2: Formación de carbocatión + P + 2 Paso 3: Formación del alqueno P + P

22 Deshidratación de alcoholes: síntesis de alquenos n-butanol Deshidratación E2 de alcoholes 2 S 4 calor Buteno + 2 1) El mecanismo de deshidratación de un alcohol puede seguir el mecanismo E2. En estos casos el mecanismo también se inicia con la protonación del grupo hidroxilo por reacción del alcohol con el ácido. 2) En el segundo paso se produce el ataque E2 de la base y la subsiguiente formación del alqueno. Globalmente, no hay consumo neto de ácido en la reacción. Paso 1: Protonación del alcohol S S n-butanol Paso 2: Ataque básico concertado (proceso E2) sobre el alcohol protonado S 1-Buteno S

23 6.2. Fenoles Los fenoles son compuestos orgánicos que contienen en su estructura, al menos, un grupo funcional hidroxilo () unido directamente a un anillo aromático Los fenoles se caracterizan por ser mucho más ácidos que los alcoholes omparación de la acidez de alcoholes y fenoles Nombre iclohexanol Fenol pk a 10 18

24 6.2. Fenoles Los fenoles son más ácidos que los alcoholes porque el anión fenóxido (base conjugada) se estabiliza por resonancia de la carga negativa sobre el anillo aromático, desplazándose el equilibrio hacia la base conjugada pk a = 18 + iclohexanol Base conjugada arga negativa localizada sobre el átomo de oxígeno Anión poco estable Equilibrio poco desplazado a la derecha pk a = 10 + Fenol Base conjugada (anión fenóxido) arga negativa deslocalizada por resonancia Anión relativamente estable Equilibrio desplazado a la derecha

25 6.2. Fenoles Los fenoles y los aniones fenóxido exhiben reactividades nucleofílicas similares a las de los alcoholes y aniones alcóxido, pudiendo participar en reacciones de sustitución omportamiento nucleofílico del anión fenóxido 3 I S N I

26 6.3. Éteres Los éteres proceden de la sustitución formal de los dos hidrógenos de la molécula de agua por dos grupos alquilo omparación de las distancias y ángulos de enlace en las moléculas de agua, metanol y dimetil éter o 0.96A o 1.43A º 108.9º o 0.96A 1.43A o 3 110º 3 Agua Metanol Dimetil éter

27 6.3. Éteres Los éteres se caracterizan por su falta de reactividad química lo que les hace ser muy empleados como disolventes en un gran número de reacciones orgánicas Estructuras de algunos éteres empleados como disolventes Dietil éter Tetrahidrofurano (TF) 1,4-Dioxano 1,2-Dimetoxietano (DME)

28 Síntesis de éteres 1) Uno de los métodos más empleados en la preparación de éteres implica el ataque S N 2 de un anión alcóxido sobre un halogenuro o sulfonato de alquilo. A este método se le conoce como síntesis de Williamson. Síntesis de Williamson de éteres R + R X Alcóxido aluro de alquilo S N 2 R R + X Éter

29 Síntesis de éteres 2) Los éteres simples, como el dimetil éter ( ) o el dietil éter ( ), se obtienen de forma industrial mediante deshidratación bimolecular catalizada por ácidos Etanol 2 S 4, 140º Dietil éter + 2 1) 3 2 Mecanismo + S S 2) tipo S N ) S S

30 Síntesis de éteres 3) Los éteres experimentan ruptura mediante reacción con ácidos fuertes nucleofílicos (I, Br, l). 3 + Br + 3 Br a) El mecanismo de ruptura de un éter depende de su estructura y puede ser de tipo S N 1 o S N 2. b) Por ejemplo, el mecanismo de ruptura del fenil metil éter, por reacción con Br, tiene lugar mediante la intervención del mecanismo S N 2. En el primer paso se produce la protonación del éter. En el segundo paso tiene lugar la reacción S N 2. 1) 3 + Br Mecanismo 3 + Br 2) S N Br + 3 Br

31 Epóxidos 1) Los epóxidos son éteres cíclicos de tres eslabones. 2) La presencia del anillo tensionado de tres eslabones hace que los epóxidos sean mucho más reactivos que los éteres acíclicos o que los éteres cíclicos no tensionados. Estructuras de algunos epóxidos simples xirano (óxido de etileno) 2-Metiloxirano (óxido de propileno) 2-Etiloxirano (óxido de butileno)

32 Epóxidos Reacciones de los epóxidos Apertura de epóxidos mediante catálisis ácida: los epóxidos reaccionan con 2 en medio ácido para formar glicoles con estereoquímica anti.. 1) + 2 Óxido de ciclopenteno + Mecanismo tr ans-iclopentano-1,2-diol 2) tipo S N 2 3) +

33 Apertura de epóxidos en medio básico: Bloque Temático Epóxidos Reacciones de los epóxidos a) La gran mayoría de los éteres no participan en reacciones de sustitución nucleofílica porque el anión alcóxido (base fuerte) es un mal grupo saliente. La reacción S N 2 no funciona Nu + R R Nu R + R Mal grupo saliente b) Los epóxidos si que participan en reacciones S N 2 porque la apertura del anillo oxiránico libera la tensión de anillo (unas 25 kcal/mol). Esta liberación de energía compensa la inestabilización asociada a la formación del alcóxido. La reacción S N 2 si funciona Nu + Nu

34 Epóxidos Reacciones de los epóxidos En el diagrama de energía se comparan los perfiles de energía para los ataques nucleofílicos sobre un éter y un epóxido. El epóxido tiene aproximadamente 25 kcal/mol más de energía que el éter y, por tanto, la reacción S N 2 sobre el epóxido es más rápida al necesitar menor energía de activación. + Nu E a menor Energía Nu R + RNu E a mayor R R + Nu Progreso de la reacción

35 Epóxidos Reacciones de los epóxidos Apertura de epóxidos en medio básico: El óxido de ciclopenteno es capaz de reaccionar con Na acuoso para dar el transciclopentano-1,2-diol. La reacción se explica mediante el ataque S N 2 del ión hidróxido sobre el anillo oxiránico seguida de protonación del alcóxido. + 2 Óxido de ciclopenteno Na tr ans-iclopentano-1,2-diol 1) Mecanismo S N 2 Na Na 2) Na Na