Derivados halogenados: Reacciones de Sustitución Nucleofílica y Eliminación

Transcripción

1 Derivados halogenados: Reacciones de Sustitución Nucleofílica y Eliminación Cátedra Química Orgánica I Facultad de Farmacia y Bioquímica. UBA 2012 Dra. M. Gabriela Lorenzo

2 Qué compuestos halogenados conocemos? Solventes Halogenados PRODUCTO GENERAL HIDROCARBUROS ALIFATICOS HIDROCARBUROS AROMATICOS 2 ESPECIFICOS Cloroformo, Cloruro de Metileno, Tricloroetileno, Tetracloruro de Carbono, Triclorotrifluoretano, Bromometano, Iodometano Clorobenceno, Diclorobenceno, Diclorofenol, Bromobutano, Bromotolueno, Clorotolueno, Hexafluorobenceno, Iodobenceno

3 Usos de los derivados halogenados - La sigla PCB (PolyChlorinated Biphenyls = Bifenilos Policlorados). Se la usa en forma genérica la sigla en inglés - en casi todos los idiomas - no sólo para los bifenilos sino también para otros compuestos halogenados aromáticos relacionados con ellos, como p. ej.los Terfenilos Policlorados, Difenilos Policlorados, etc. Los PCB son una clase de compuestos químicos orgánicos clorados (organoclorados) de muy alta estabilidad, no corrosivos y muy baja inflamabilidad, que se comenzaron a elaborar por primera vez en 1929 a escala comercial. - Líquidos refrigerantes 3

4 El Teflón (PTFE), patentado por la multinacional DuPont, es un polímero similar al polietileno, en el que los átomos de hidrógeno han sido sustituidos por átomos flúor. La fórmula química del monómero, tetrafluoroeteno, es CF 2 =CF 2. 4

5 Reacciones de Sustitución y de Eliminación Sustrato R H Productos H R H H Nu H H H Nu Sustitución H X Base R H Eliminación H H 1- Cuáles pueden ser los sustratos? 2- Qué átomos o grupo de átomos puede ser X? 3- Qué relación existe entre el nucleófilo y la base? 4- Cuál será el tipo de reacción predominante? 5

6 Sustitución Nucleofílica Cualquier reacción en la cual un nucleófilo(nu: - ) es sustituido por otro y X es un grupo saliente. Reacción ácido-base donde: el Nu: - es la base Lewis, dona un par de electrones para formar un nuevo enlace covalente (OH -, CH 3 CH 2 O -, NH 3 ) el electrófilo es el ácido Lewis 6

7 Ejemplos de Reacciones SN Conocen algún otro Nu? 7

8 Ejemplos de Nucleófilos Factores que inciden sobre la nucleofilicidad Concentración de la carga negativa Relación con la basicidad (del Nu y de su base conjugada) Impedimento estérico del Nu Solvatación 1- Por qué el OH - es mejor Nu que el H 2 O? 2- Por qué los derivados del amoníaco no son tan buenos nucleófilos como los alcoxilos? 8

9 Nucleofilicidad de haluros 1- Cómo explica los órdenes dados? 2- Por qué varía el orden con el tipo de solvente? 9

10 Carácter Nucleofílico Nucleofilicidad vs Basicidad 10

11 Solventes para las reacciones de sustitución nucleofílica Constante dieléctrica: Medida de la habilidad del solvente para aislar cargas opuestas. 15 Solventes POLARES < 15 Solventes NO-POLARES Próticos Dona un ión hidrógeno. Los más comunes contienen el grupo OH. Ejemplo: H 2 O Alcoholes de bajo peso molecular Apróticos No pueden donar iones hidrógeno. No tienen H enlazados a átomos electronegativos. Ejemplo Diclorometano (CH 2 Cl 2 ) Éter etílico 11

12 Ejemplos de solventes próticos apróticos 12

13 Nucleofilicidad de solventes apróticos Estos solventes son efectivos para solvatar cationes, los pares de electrones en los átomos de O y N actúan como bases de Lewis: Acetona acetonitrilo Los aniones son pobremente solvatados en estos solventes por lo que participan libremente en reacciones de sustitución nucleofílica F->Cl->Br->I- 13

14 Ejercicio 1, p. 68 1) El producto principal de la mezcla de la reacción del (R)-2-bromooctano con NaOH es el (S)-2-octanol. a) Formule la ecuación de la reacción mencionada. Qué tipo de reacción es? b) Qué hecho estereoquímico puede deducir a partir de los datos experimentales proporcionados por la transformación? c) Experimentalmente se observa que la velocidad de reacción depende de la concentración de cada uno de los reactantes. Sobre la base de estos resultados experimentales, escriba la expresión de velocidad para esta transformación. d) Plantee un mecanismo probable que permita la interpretación de los resultados experimentales observados. e) Esquematice el diagrama energético correspondiente al mecanismo postulado formulando las especies presentes en cada punto de inflexión. 14

15 SN2 Velocidad de una reacción S N 2 15

16 Estereoquímica de una reacción S N 2 1. Cómo es la estereoquímica de una reacción S N 2 2. Analice la reacción que se presenta a continuación. Indique la configuración de los compuestos. Qué puede decir respecto de la estereoquímica de la reacción en este ejemplo? H 3 C OCH 3 NaCN CN OCH 3 Cl H H 3 C H 16

17 Ejercicio 4, p. 69 4) La reacción del R-3-cloro-3-metilhexano con propanol rinde una mezcla de productos siendo un éter su componente principal. a) Cuál es la fórmula estructural y el nombre del éter obtenido? b) A qué tipo de reacción corresponde la transformación observada? c) Experimentalmente se observa que la velocidad depende EXCLUSIVAMENTE de la concentración del derivado halogenado. Sobre la base de estos resultados experimentales, escriba la expresión de velocidad de esta transformación. d) Proponga un mecanismo para interpretar la reacción teniendo en cuenta que, además, se observa racemización parcial como resultado estereoquímico. Plantee el diagrama energético correspondiente e) Qué función cumple el alcohol en esta reacción? Justifique su respuesta. 17

18 S N 1 Velocidad de una reacción S N 1 Estabilidad de carbocationes 18

19 Ejemplos de ejercitación 2) La reacción de 1-bromopropano con etóxido de sodio en DMSO está constituida por 91% de etil propil éter y 9% de propeno. a) Indique tipo de reacción en cada caso b) Plantee el mecanismo probable para interpretar la reacción de formación del alqueno. c) Si se cambia el sustrato de la reacción por 1-bromo-2-metilpropano, se observa que el rendimiento del compuesto insaturado aumenta a 60%. Cuál es el alqueno obtenido en este caso? Cómo puede explicar este hecho experimental? 3) El tratamiento de cualquiera de los enantiómeros (R,R) o (S,S) del 1- bromo-1,2-difenilpropano con KOH/ol rinde un alqueno de configuración Z. a) Escriba la fórmula del alqueno obtenido. Indique tipo de reacción b) Plantee un mecanismo que permita explicar la formación del producto y su configuración. c) Si se plantea la misma reacción partiendo de cualquiera de los enantiómeros (R,S) o (S,R), cuál será la configuración del alqueno resultante? 19

20 Reacciones de Eliminación Aparecen cuando el nucleófilo se comporta como base y compiten con la SN En general las altas temperaturas favorecen la Eliminación. Mecanismos: E 1 (eliminación unimolecular) E 2 (eliminación bimolecular) 1) Las reacciones de Eliminación: Son regioselectivas? Son estereoselectivas? Son estereoespecíficas? Explique utilizando un ejemplo apropiado. 2) Cómo es la estereoquímica de las reacciones de Eliminación? Existen diferencias entre la E1 y la E2? 3) Puede haber reordenamientos en una reacción de Eliminación? De qué depende? 4) La obtención de alquenos por deshidratación de alcoholes es una reacción de eliminación. Cuál? Plantee detalladamente su mecanismo. 20

21 Ejemplo de reacciones de E Producto E2 21

22 La reacción de Eliminación normalmente compite con la Sustitución, sin embargo no hay posibilidad de eliminación si no hay H en posición Beta 22

23 Mecanismo E 1 23

24 Un ejercicio diferente para practicar Qué sustratos pueden sufrir reacciones de E1? Formule un ejemplo de cada uno. Dadas las siguientes proposiciones relativas a una reacción de eliminación unimolecular E1: I. Se forma como intermediario un carbocatión. II. III. IV. El primer paso de la reacción se ve favorecido por solventes polares. Las bases fuertes aceleran la reacción. En su transcurso se producen reordenamientos moleculares hacia estructuras más estables. V. La facilidad para actuar como grupo saliente en estas reacciones es Cl > Br > I Son correctas: a) I, III y IV b) II, III y V c) I y IV d) I, II y IV e) III y V 24

25 Mecanismo E 2 25

26 Mecanismo E 2 26

27 Mecanismo E 2 27

28 Orientación de la Eliminación. Regla de Saytzeff 28

29 Un ejercicio diferente para practicar Dadas las siguientes proposiciones relativas a una reacción de eliminación bimolecular E2: I. Se ven favorecidas por altas concentraciones de base. II. No se producen transposiciones en el transcurso de estas reacciones. III. La velocidad de estas reacciones disminuye al aumentar la temperatura. IV. Una base voluminosa como el terbutóxido de sodio favorece una reacción E2 sobre la competitiva SN2. V. Las reacciones E2 muestran una cinética de primer orden VI. Las reacciones E2 son estereoespecíficas Son correctas: a) I, II yiii b) III y V c) I, II, IV y VI d) I, III, V y VI e) II, IV y VI 29

30 Ejemplos de ejercitación 5) Analice y justifique las siguientes observaciones experimentales empleando las fórmulas correspondientes: a) La velocidad de la reacción del 1-cloro-3-metil-2-buteno en agua es 1000 veces mayor que la del 1-cloro-2-buteno en el mismo medio. b) El producto de la primera reacción es una mezcla de 1-hidroxi-3-metil- 2-buteno y de 2-hidroxi-2-metil-3-buteno. c) La escasa reactividad del cloruro de vinilo frente a la misma reacción. 6) La reacción de los halogenuros de alquilo con AgNO 3 /ol es de suma utilidad ya que permite la caracterización de este tipo de compuestos. a) Dadas las características de esta reacción, qué tendría que visualizar? b) Cómo ordenaría los siguientes derivados halogenados de acuerdo a la velocidad de reacción con AgNO 3 /ol? Cloruro de ter-butilo, cloruro de vinilo, cloruro de isopropilo, cloruro de alilo, cloruro de n-pentilo. c) Cómo justifica el ordenamiento propuesto? Formule las estructuras de los intermediarios de reacción. 30

31 DESPLAZAMIENTOS NUCLEOFÍLICOS TIPO SN 1 y SN 2 RX + :Nu - RNu + X - RX + NuH RNu + XH ETAPAS 1) R:X LENTO R + + :X - SN 1 SN 2 carbocatión 2) R + +Nu - RÁPIDO RNu o R + + Nu RNu + R:X + Nu - RNu + X - o R:X + :Nu RNu + + X - CINÉTICA v=k[rx] (1 er orden) v=k[rx] [:Nu] (2 do orden) d + d - d - d - ET DEL PASO C :X :Nu ---- C ----X (con Nu - ) LENTO MOLECULARIDAD Unimolecular Bimolecular ESTEREOQUÍMICA Inversión parcial Inversión (ataque por la retaguardia) REACTIVIDAD: Estructura de R Factor determinante Naturaleza de X Efecto del solvente sobre la velocidad EFECTO DEL NUCLEÓFILO 3 o > 2 o > 1 o > CH 3 Estabilidad de R + RI > RBr > RCl > RF Aumenta en solventes polares próticos RX reacciona con nucleófilos débiles (generalmente solventes) CH 3 > 1 0 > 2 o > 3 o Impedimento estérico de R RI >RBr > RCl > RF Aumenta en solventes polares apróticos RX reacciona con nucleófilos fuertes. La velocidad depende del carácter nucleofílico: I - >Br - > Cl - ; RS - > RO - COMPETENCIA Eliminación (E 1 ) Eliminación (E 2 ), especialmente RX 3 0 con bases fuertes POSIBILIDAD DE REORDENAMIENTO 31 SÍ NO

32 REACCIONES DE ELIMINACIÓN E 1 y E 2, INDUCIDAS POR BASES ETAPAS E 1 E 2 Uno: ESTADO DE TRANSICIÓN d + d - H C C X CINÉTICA V=k[RX] (1 er orden) V=k[RX].[:B - ] (2 do orden) La ionización determina la velocidad MOLECULARIDAD Unimolecular Bimolecular ESTEREOQUÍMICA No estereoespecífica Eliminación anti REACTIVIDAD: Estructura de R Factor determinante Naturaleza de la base Concentración de la base RX 3 0 > 2 o > 1 o Estabilidad de R + Débil Baja RX 3 0 > 2 0 > 1 0 Estabilidad del alqueno. (Regla de Saytzeff) Fuerte Alta POSIBILIDAD DE REORDENAMIENTO Sí No COMPETENCIA SN32 1 Dra. María Gabriela SN 2 Lorenzo

33 Resumen RX Nu D Nu F 1º - SN2 2º SN1 + E1 SN2 + E2 3º SN1 (E1) E2 Bencílico/Alílico SN1 SN2 Arílico/Vinílico - - Paso limitante C+ (reord.) Edo Trans. C pentav. Dependencia Ef. Electrónicos (I y M) Ef. Estéricos Estereoquímica Racemización (p.) SN2: Inversión E2: anti periplanar Orden

34 Bibliografía Bruice, P. (2008). Química Orgánica. (5TA Edición). Brunet, E. La química orgánica transparente. (lecciones) _red/qo/l00/pral.html (visitado 28/03/2012) 34