BLOQUE TEMÁTICO 8 Alquenos Problemas

Transcripción

1 1 BLQUE TEMÁTIC 8 Problemas Problema 8.1. Deduzca la estructura de los compuestos que se obtendrán en las siguientes reacciones: Apartado a. El mecanismo de hidratación del 1-metilciclohexen-1-eno se inicia con la protonación regioselectiva del doble enlace. Esta reacción forma un carbocatión terciario que es atacado nucleofilicamente por el agua. El ataque se produce desde ambos lados del carbocatión pero en este caso el producto de la reacción es el mismo compuesto. El paso final de desprotonación proporciona el 1-metilciclohexan-1-ol, tal y como se indica en el siguiente esquema: Mecanismo de la hidratación 1) Protonación regioselectiva del doble enlace C 3 C S 4 2) Ataque del 2 al carbocatión C 3 C 3 + S 4 3) Desprotonación C 3 C 3 + S S 4 Apartado b. El mecanismo de hidratación de este apartado se indica en el siguiente esquema:

2 2 El mecanismo de hidratación del apartado b es similar al del apartado a. La diferencia reside en el carbocatión ya que el ataque nucleofílico del agua a ambos lados del carbocatión forma, después de la desprotonación, la mezcla de alcoholes diastereisoméricos que se indica en el esquema anterior. Problema 8.2. La reacción del compuesto A con Br genera una mezcla de dos compuestos isoméricos B y C, de fórmula molecular C 7 12Br 2. El compuesto B es ópticamente activo mientras que el compuesto C es un compuesto ópticamente inactivo. Con estos datos deduzca las estructuras de B y C. El mecanismo de la adición de Br al doble enlace de A se inicia con la protonación regioselectiva del doble enlace. El ataque del anión bromuro desde ambos lados del carbocatión forma de una mezcla de compuestos diastereoisoméricos B y C. El compuesto B es ópticamente activo porque carece de plano de simetría, mientras que el compuesto C es ópticamente inactivo porque tiene plano de simetría (compuesto meso), tal y como se indica en el siguiente esquema: Problema 8.3. Cuando el compuesto A se trata con Cl se obtiene una mezcla racémica formada por el compuesto B (C 9 11Cl) y su enantiómero ent-b. Deduzca mecanísticamente las estructuras de B y ent-b. La formación de B y ent-b se inicia con la protonación regioselectiva del doble enlace. Esta reacción genera un carbocatión secundario bencílico estabilizado por deslocalización de la carga positiva por el anillo aromático. El anión cloruro ataca al carbocatión desde ambos lados originando la mezcla de B y de ent-b, tal y como se describe en el siguiente esquema:

3 3 Problema 8.4. La reacción del (E)-1,2-difenileteno (compuesto A) con Br 2 proporciona un compuesto B (C 14 12Br 2), ópticamente inactivo. Sin embargo, la reacción del (Z)-1,2- difenileteno (compuesto C) con Br 2 proporciona una mezcla racémica formada por D (C 14 12Br 2) y su enantiómero. Deduzca mecanísticamente las estructuras de B, D y ent-d. Formación de B a partir de A. El mecanismo de la bromación del compuesto A se inicia con la generación del catión bromonio cíclico, que es luego atacado por el anión bromuro mediante un mecanismo de tipo SN2. El ataque desde ambos lados forma el mismo compuesto B, que es el (1R,2S)-1,2-dibromo-1,2-difeniletano, ópticamente inactivo al ser un compuesto meso, tal y como se describe en el esquema que se da a continuación: Mecanismo de formación de B Ph A Br Br Ph Ph a Br Br Ph b a b Ph Br Br Ph (1R,2S)-1,2-dibromo-1,2-difeniletano meso Br Ph B B Ph Br Formación de D y ent-d a partir de C. El mecanismo de la bromación del compuesto C es similar al explicado en el esquema anterior. La diferencia radica en la configuración del doble enlace cuya bromación genera un catión bromonio cíclico simétrico. Cuando este catión es atacado desde ambos lados por el anión bromuro, mediante un mecanismo de tipo SN2, se forma una mezcla racémica constituida por los compuestos dibromados D (1S,2S)-1,2-dibromo- 1,2-difeniletano y ent-d (1R,2R)-1,2-dibromo-1,2-difeniletano, como se puede observar en el esquema que se da a continuación:

4 4 Problema 8.5. Cuando el vinilbenceno (estireno) se trata con Br2 en medio acuoso se obtiene una mezcla racémica formada por el (R)-2-bromo-1-feniletan-1-ol y su enantiómero. En la reacción no se forma el 2-bromo-2-feniletanol. Explique mecanísticamente la reacción del estireno con Br 2 Por qué no se forma el 2- bromo-2-feniletanol? El mecanismo de la bromación del estireno se inicia con la generación del catión bromonio cíclico. A continuación, el catión bromonio cíclico es atacado nucleofílicamente por el agua. Para entender la regioselectividad en el ataque del nucleófilo se puede representar al catión bromonio cíclico con las tres estructuras resonantes que se dan en el esquema de más abajo. La estructura I es la convencional para el catión bromonio cíclico. En las estructuras II y III se aprecia cómo los átomos de carbono del ciclo comparten parte de la carga positiva que está sobre el bromo. Sin embargo, la contribución al híbrido de la resonancia de la estructura resonante III es mucho mayor que la de la II porque ésta es de tipo carbocatión primario y contribuye mucho menos al híbrido de resonancia que la estructura III, que es de tipo carbocatión secundario bencílico. Por tanto, el ataque nucleofílico al catión bromonio cíclico se produce sobre el átomo de carbono con más carga positiva (estructura III) pero el ataque es de tipo SN2 y tiene lugar con inversión de la configuración del estereocentro atacado, tal y como se indica en el etapa 2 del esquema. La etapa final de desprotonación conduce al (S)-2-bromo-1- feniletan-1-ol:

5 5 Cómo se forma el (R)-2-bromo-1-feniletan-1-ol? Este compuesto se forma mediante el ataque nucleofílico regioselectivo del agua al catión bromonio enantiomérico del dibujado en el esquema anterior, tal y como se indica a continuación: Los dos cationes bromonio cíclicos son enantioméricos y se generan en igual proporción en la mezcla de reacción. El resultado es la formación de una mezcla racémica constituida por el (R)- 2-bromo-1-feniletan-1-ol y el (S)-2-bromo-1-feniletan-1-ol: En la reacción no se forma el 2-bromo-2-feniletan-1-ol porque ello implicaría el ataque nucleofílico del agua al átomo de carbono del catión bromonio cíclico que soporta menos carga positiva. Problema 8.6. La reacción del (R)-3-bromociclohexen-1-eno con Br proporciona una mezcla racémica formada por los dos trans-1,2-dibromociclohexanos. Explique mecanísticamente esta reacción El mecanismo que explica la reacción anterior se inicia con la protonación regioselectiva del doble enlace. Aparentemente la protonación en cada uno de los carbonos olefínicos daría lugar a un carbocatión secundario pero la protonación en C-1 genera un carbocatión que es estabilizado por la asistencia vecinal del átomo de bromo para generar un catión bromonio cíclico. De las dos estructuras resonantes la más importante (la que contribuye más al híbrido de resonancia) es la de catión bromonio cíclico porque en ella todos los átomos tienen el octeto completo. En la segunda etapa del mecanismo se produce el ataque nucleofílico SN2 del bromuro desde ambos lados del catión bromonio. El resultado es la formación de una mezcla racémica constituida por el (R,R)-1,2-dibromociclohexano y por el (S,S)-1,2- dibromociclohexano, tal y como se puede ver en el siguiente esquema:

6 6 Problema 8.7. Cuando el compuesto A se hace reaccionar con Me en presencia de una cantidad catalítica de ácido se obtiene únicamente el compuesto B. El compuesto C no se forma en absoluto. Proponga una explicación para este hecho. El mecanismo que explica la formación del compuesto B se inicia con la protonación regioselectiva del doble enlace. El protón se adiciona al carbono numerado como C3 en el esquema que se da más abajo. La presencia del átomo de oxígeno es vital para estabilizar la especie catiónica ya que el proceso de protonación genera un carbocatión que se estabiliza mediante deslocalización de la carga positiva sobre el átomo de oxígeno. De las dos estructuras resonantes que explican la deslocalización de la carga positiva, la de catión oxonio II es más importante (contribuye más al híbrido de resonancia) que la de carbocatión I, porque en aquella el y todos los átomos de C tienen el octeto completo. La protonación en C-2 generaría un carbocatión que no podría deslocalizar la carga por resonancia sobre el átomo de oxígeno, por lo que esta protonación no puede competir con la protonación en C-3 (véase el siguiente esquema): Después de la protonación se produce el ataque nucleofílico del metanol al catión oxonio, que va seguido de una etapa de desprotonación que proporciona el compuesto B. El compuesto C no se forma porque para ello debería generarse el carbocatión que resultaría de la protonación en C-2, lo que no tiene lugar por las razones explicadas más arriba.

7 7 Mecanismo de formación del compuesto B (continuación) 2) Adición de metanol 3) Desprotonación C 3 C 3 B C 3 C 3 Problema 8.8. Qué alcoholes se obtendrán en las reacciones de hidroboraciónoxidación del 2-metilprop-1-eno y del 1-metilciclohex-1-eno? Serán los alcoholes obtenidos ópticamente activos? Tendrán las mezclas de reacción actividad óptica? Por qué? Apartado a. La reacción de hibroboración es regioselectiva y se produce de manera concertada ya que los enlaces se forman y se rompen al mismo tiempo. En el siguiente esquema se indica la orientación de la molécula de borano en la reacción de hidroboración del 2-metilprop-1-eno. La oxidación del producto de hidroboración proporciona el 2-metilpropan-1-ol, que es ópticamente inactivo (en este mecanismo no se tiene en cuenta la estequiometría del proceso de hidroboración). Apartado b. El mecanismo de hidroboración del 1-metilciclohex-1-eno es similar al anterior. En este caso hay que tener en cuenta que la aproximación del hidroborano desde ambas caras del doble enlace genera una mezcla de alquilboranos enantioméricos que, a su vez, conducen a una mezcla racémica de alcoholes enantioméricos en el proceso de oxidación, como se puede apreciar en el esquema que se indica a continuación (igual que en el apartado anterior no se tiene en cuenta la estequiometría del proceso de hidroboración).

8 8 Problema 8.9. Qué productos se obtendrán en las siguientes reacciones de hidrogenación. Serán los productos obtenidos ópticamente activos? Por qué? Apartado a. La hidrogenación con hidrógeno molecular en presencia de Pd/C añade los dos átomos de hidrógeno desde la misma cara del doble enlace. En la hidrogenación del (Z)-2,3- dibromobut-2-eno la adición de los átomos de hidrógeno se produce desde ambos lados del doble enlace, pero sobre este sustrato las dos vías de adición conducen al mismo compuesto que es el (2R,3S)-2,3-dibromobutano, que es ópticamente inactivo (compuesto meso). Apartado b. La adición de los átomos de hidrógeno desde ambas caras del (E)-2,3-dibromobut- 2-eno proporciona una mezcla racémica formada el (2R,3R)-2,3-dibromobutano y el (2S,3S)- 2,3-dibromobutano, tal y como se indica a continuación: Problema Un hidrocarburo A, de fórmula molecular C 6 12, ópticamente activo se somete a una reacción de hidrogenación en presencia de Pd/C como catalizador. El producto de la reacción es otro hidrocarburo B, de fórmula molecular C 6 14, ópticamente inactivo. Con estos datos, y sabiendo además que la configuración del estereocentro del compuesto A es S, deduzca las estructuras de A y de B. De la fórmula molecular de A se deduce que este compuesto tiene 1 insaturación que podría deberse a 1 doble enlace o a 1 ciclo. El compuesto A se hidrogena para dar el compuesto B que ya no tiene insaturaciones, por tanto la insaturación de A se debe a la presencia de 1 doble enlace en su estructura. El compuesto A es ópticamente activo lo que se explicaría por la presencia de 1 estereocentro en su estructura. Con estos datos se indica a continuación el proceso de construcción de la estructura de A: 1ª Fase:.- Se dibuja 1 estereocentro..- Se unen al estereocentro los dos grupos más simples de todos los posibles que son el y el C3..- Se une al estereocentro el siguiente grupo en complejidad que es el etilo.

9 9 2 a Fase:.- La estructura inacabada de la fase 1 contiene 4 átomos de carbono y 9 átomos de hidrógeno..- Faltan otros 2 átomos de carbono y 3 átomos de hidrógeno para llegar a la fórmula molecular de A que es C Queda por introducir un doble enlace, puesto que A es un alqueno..- Por tanto, el grupo que habría introducir debería tener la fórmula C23 y corresponde al grupo vinilo. La estructura de A quedaría tal y como se indica en el siguiente esquema: La unión de los diferentes grupos al centro estereogénico ha sido totalmente arbitraria. Casualmente, al finalizar el proceso de adición de los grupos se ha generado una estructura de A que tiene la configuración S, que es la requerida para este compuesto. Si el proceso de construcción hubiera conducido a la estructura de configuración R, la estructura de configuración S se habría obtenido mediante intercambio de dos de los grupos unidos al estereocentro R. La estructura de A indicada en el esquema anterior cumple todos los requisitos del enunciado: su fórmula molecular es C612, el compuesto es ópticamente activo al poseer un estereocentro y su proceso de hidrogenación conduce al compuesto B que ya no tiene actividad óptica al tener dos grupos iguales (grupos etilo). Problema Proponga mecanismos que expliquen las siguientes transformaciones: Apartado a. Esta transformación se inicia con la protonación del átomo de oxígeno. Esta reacción incrementa la electrofilia de los átomos de carbono del anillo oxiránico lo que posibilita el ataque intramolecular de la parte de alqueno con la consiguiente formación del sistema

10 10 cíclico. La desprotonación final forma el producto de la reacción, tal y como se puede ver en el siguiente esquema: Apartado b. El mecanismo de este apartado se inicia con la yodación electrofílica del doble enlace. A continuación, el catión yodonio cíclico es atacado intramolecularmente por el ácido carboxílico generando un intermedio que por desprotonación forma la yodolactona final, como se puede ver en el siguiente esquema; Apartado c: El mecanismo del apartado c comienza con la protonación regioselectiva del doble enlace. Esta reacción forma un carbocatión secundario que experimenta una transposición de enlace que lo convierte en un carbocatión secundario pentacíclico. La fuerza que impulsa esta transposición es la conversión de un sistema catiónico que contiene un anillo tensionado de 4 eslabones en un sistema catiónico que contiene un anillo de 5 eslabones mucho más estable. El ataque final del anión bromuro al centro carbocatiónico forma el producto de la reacción, como se indica en el siguiente esquema:

11 11 Problema Dados los compuestos: Cuál de ellos proporcionará los siguientes compuestos en la reacción de ozonolisis? A continuación se dibujan los productos de la reacción de ozonolisis para cada uno de los compuestos: El compuesto que proporciona los productos de ozonolisis indicados en el enunciado es el II.

12 12 Problema Deduzca cuáles debe ser las estructuras de A y de B para que se produzcan las siguientes reacciones. Explique su elección. La reacción de hidroxilación de A proporciona el (1R,2S)-1,2-difeniletano-1,2-diol. La dihidroxilación es concertada y el s4 se adiciona al alqueno desde ambos lados del doble enlace. El compuesto A tiene que ser (Z)-1,2-difeniletano ya que su hidroxilación, como se puede ver en el siguiente esquema, proporciona únicamente el (1R,2S)-1,2-difeniletano-1,2- diol. La reacción de epoxidación de alquenos con perácidos también es un proceso concertado de manera que el epóxido resultante reproduce la estereoquímica del alqueno de partida. Los dos epóxidos que se obtienen a partir de B presentan a los grupos fenilo (y a los átomos de hidrógeno en trans). Por tanto el alqueno de partida tiene que tener la configuración trans y debe ser el (E)-1,2-difeniletano, como se puede ver en el siguiente esquema:

13 13 Problema Dados los siguientes dioles: Cuáles de ellos se formarán en la siguiente reacción? La dihidroxilación del (E)-pent-2-eno se indica en el esquema que se da más abajo. Se puede ver que la reacción forma una mezcla racémica constituida por el (1R,2R)-pentano-2,3-diol y (1S,2S)-pentano-2,3-diol. Las configuraciones de los dioles que se indican en el enunciado del problema son las siguientes: Por tanto, los dioles que se forman en la dihidroxilación del (E)-pent-2-eno son el II y el IV. Problema Proponga un mecanismo para la siguiente reacción: En esta reacción se generan cationes hidronio por reacción ácido-base entre el ácido sulfúrico y el agua. El proceso de ciclación se inicia con la protonación regioselectiva doble enlace más nucleofílico, que es el trisustituido. Esta reacción forma un carbocatión terciario que es atacado intramolecularmente por el doble enlace disustituido, generándose el anillo de seis eslabones que contiene un centro carbocatiónico secundario. La desprotonación de este intermedio forma el producto de la reacción, tal y como se indica en el siguiente esquema:

14 14 Problema Explique mecanísticamente la siguiente reacción: En esta reacción se generan cationes hidronio por reacción ácido-base entre el ácido sulfúrico y el agua. El proceso se inicia con la protonación regioselectiva doble lo que conduce a la formación de un carbocatión terciario. Esta especie experimenta un proceso de transposición de enlace, cuya fuerza impulsora es la liberación de la tensión asociada al ciclo de cuatro eslabones lo que conduce a la formación de un nuevo carbocatión terciario. Este carbocatión genera la mezcla de productos finales por desprotonación, como se puede observar en el siguiente esquema:

15 15 Problema Un compuesto A (C 6 12) reacciona con 2 en presencia de Pd/C para dar B (C 6 14). La reacción de A con s 4 forma un diol C racémico, de fórmula molecular C Cuando A se somete a ozonolisis, seguida de reacción con Zn/Ac, se obtiene propanal y cetona. Con estos datos deduzca las estructuras de A, B y C. De la fórmula molecular de A se deduce que este compuesto tiene 1 insaturación que podría deberse a 1 doble enlace o a 1 ciclo. El compuesto A se hidrogena para dar el compuesto B que ya no tiene insaturaciones, por tanto la insaturación de A se debe a la presencia de 1 doble enlace en su estructura. Los productos de ozonolisis de A se dibujan a continuación. La unión de los dos productos de ozonolisis por los grupos carbonilo proporciona la estructura de A que es el 2-metilpent-2-eno: En el siguiente esquema se dibuja la reacción de dihidroxilación del 2-metilpent-2-eno que conduce a una mezcla racémica constituida por el (R)-pentano-2,3-diol y el (S)-pentano-2,3- diol.

16 16 Problema Dos compuestos A y B, de fórmula molecular C 7 14, ópticamente activos, giran el plano de la luz polarizada en la misma dirección. La hidrogenación de A, con 2 en presencia de Pd/C, proporciona el (S)-3-metilhexano. La hidrogenación de B, con 2 en presencia de Pd/C, también proporciona el (S)-3-metilhexano. Por otro lado, tanto la ozonolisis de A como la de B, proporciona una mezcla equimolecular formada por acetaldehído y por (S)-2-metilbutanal. Con estos datos deduzca las estructuras de A y B. De la fórmula molecular de A y de B se deduce que estos compuestos tienen 1 insaturación que podría deberse a 1 doble enlace o a 1 ciclo. La hidrogenación de A y de B proporciona (S)-3-metilhexano, que ya no tiene insaturaciones. Por tanto la insaturación de A y la de B se debe a la presencia de 1 doble enlace en su estructura. El compuesto A proporciona en la ozonolisis acetaldehído y (S)-2-metilbutanal. A partir de estos dos fragmentos de la ozonolisis se puede proponer para A la estructura de (S,Z)-4-metilhex-2-eno, tal y como se dibuja en el siguiente esquema: Estructura de A A(C 7 14 ) ozonolisis 3 C + C 3 C 3 3 C A (S,Z)-4-metilhex-2-eno El compuesto B es un isómero de A que genera los mismos compuestos que éste en la reacción de ozonolisis, por lo que la estructura de B tiene que ser la del isómero de configuración en el doble enlace, esto es el (S,E)-4-metilhex-2-eno, como se indica en el siguiente esquema: La hidrogenación de A y la hidrogenación de B conducen al mismo compuesto, el (S)-3- metilhexano, porque en esta reacción se pierde la diferenciación entre A y B debida a la diferente configuración isomérica del doble enlace:

17 17 Problema Un alqueno trisustituido A (C 7 12) por hidrogenación proporciona metilciclohexano. Cuando A se trata con 2, en presencia de una cantidad catalítica de 2S 4, se obtiene un alcohol B (C 7 14), ópticamente inactivo. Sin embargo, cuando el proceso de hidratación de A se lleva a cabo mediante hidroboración-oxidación se obtiene una mezcla racémica formada por el alcohol C (C 7 14) y su enantiómero ent-c. Con estos datos deduzca las estructuras de A, B, C y ent-c y explique por qué el proceso de hidroboración-oxidación proporciona una mezcla de enantiómeros. De la fórmula molecular de A se deduce que este compuesto tiene 2 insaturaciones que podrían deberse a 2 dobles enlaces, a 2 ciclos o a 1 doble enlace + 1 ciclo. La hidrogenación de A proporciona metilhexano, que contiene 1 insaturación debida al ciclo. Por tanto, las 2 insaturaciones de A se deben a 1 doble enlace + 1 ciclo y la estructura base de este compuesto debe ser la del esqueleto de 3-metilciclohexano y contener en alguna zona de este esqueleto 1 doble enlace. Con estas consideraciones se pueden proponer 4 estructuras para el compuesto A, las cuales se dibujan a continuación: De las 4 estructuras anteriores sólo la II es un alqueno trisustituido, condición indicada en el enunciado del problema. Por tanto, el compuesto A deber ser el 1-metilciclohex-1-eno. El mecanismo de hidratación de A con agua en presencia de ácido sulfúrico se ha descrito en el apartado a del problema 8.1. Esta reacción proporciona el compuesto B que es 1- metilciclohexan-1-ol, ópticamente inactivo: Formación de B mediante hidratación de A con 2 / 2 S 4 C S 4 C 3 A B (1-Metilciclohexan-1-ol) El mecanismo de hidratación de A mediante hidroboración-oxidación se describe en el apartado b del problema 8.6. Esta reacción proporciona una mezcla racémica formada por (1R,2R)-2-metilciclohexan-1-ol (compuesto C) y por (1S,2S)-2-metilciclohexan-1-ol (compuesto ent-c)

18 18 Problema La ozonolisis del alqueno A en diclorometano genera el ozónido B. Sin embargo, la ozonolisis en acetona disolvente forma el ozónido C. Explique mecanísticamente la formación de los ozónidos B y C. La primera reacción del proceso de ozonolisis es la cicloadición 1,3-dipolar del ozono al doble enlace. Esta reacción forma el correspondiente molozónido. Esta especie se descompone para dar lugar a la bromometil metil cetona y a un óxido de carbonilo, que es también un compuesto de tipo 1,3-dipolar como el ozono. Por ello, el óxido de carbonilo experimenta cicloadición 1,3- dipolar, en este caso sobre el doble enlace carbonílo, para dar lugar al ozónido B, como se describe en el siguiente esquema: Si el disolvente es la acetona, el óxido de carbonilo ataca a ésta y forma el ozónido B, como se puede ver en el siguiente esquema.

19 19 Problema Explique mecanísticamente le proceso de polimerización catiónica del estireno con un ácido de Brönsted A. Respuesta Este proceso es similar al de las reacciones de polimerización radicalaria y consta de tres etapas: iniciación, propagación y terminación. En la etapa de iniciación se forma el carbocatión bencílico por adición regioselectiva Markovnikov del protón al doble enlace del estireno. En las etapas de propagación es donde se forma el polímero. En la primera reacción de la etapa de propagación el doble enlace del estireno se adiciona de manera regioselectiva al carbocatión generando un nuevo carbocatión bencílico. En la segunda reacción de la etapa de propagación el nuevo carbocatión es atacado por otra molécula de estireno. El proceso sigue hasta que las etapas de terminación empiezan a jugar su papel. La terminación puede tener lugar de varias maneras, por ejemplo, por adición del contraión al centro carbocatiónico. El proceso de polimerización catiónica se representa en el siguiente esquema: