BLOQUE TEMÁTICO 5 Haluros de alquilo Problemas

Transcripción

1 aluros de alquilo 1 BLQUE TEMÁTIC 5 aluros de alquilo Problemas Cuestión 5.1. Un nucleófilo es una especie química que contiene, al menos, un par electrónico no compartido y que participa en una reacción cediendo un par de electrones a otra especie química denominada electrófilo. Un electrófilo es una especie química que participa en una reacción química aceptando un par de electrones de un nucleófilo. De acuerdo con las definiciones anteriores indique cuáles de las siguientes especies químicas son electrofílicas y cuáles son nucleofílicas. El metano no es ni nucleofílico ni electrofílico. Problema 5.2. Indique qué sustratos de los que se indican a continuación reaccionarán mediante un mecanismo S N2 cuando se traten con NaS en DMF. El mecanismo SN2 es muy sensible al impedimento estérico en el sustrato. Los compuestos que reaccionarán mediante el mecanismo SN2 son A, C y D. Los sustratos terciarios, como el compuesto B, presentan mucho impedimento estérico al ataque del nucleófilo y no reaccionan mediante el mecanismo SN2. El compuesto F tampoco reacciona porque es un sustrato de tipo neopentílico y los grupos metilo que flanquean al carbono unido al bromo impiden el acercamiento del nucleóófilo. El sustrato E no reacciona porque el bromo está situado sobre un carbono con hibridación sp 2 y el mecanismo SN2 solo es operativo sobre carbonos con hibridación sp 3. Problema 5.3. Explique qué reactivo, para cada una de las parejas de compuestos que se dan a continuación, será más nucleofílico en una reacción S N2. a) Cuando se comparan dos especies nucleofílicas cuyo átomo nucleofílico es el mismo nucleofília y basicidad correlacionan, siendo la especie más básica la más nucleofílica. En el apartado a el anión hidróxido es más básico y, por tanto, más nucleofílico que el agua. b) En el Sistema Periódico la nucleofilia aumenta de derecha a izquierda lo que explica que las aminas sean más nucleofílicas que los alcoholes. c) y d) En el Sistema Periódico la nucleofilia aumenta al bajar en una columna. Por tanto, las trifenilfosfina es más nucleofílica que las trimetilamina y el yoduro más nucleofílico que el cloruro.

2 2 aluros de alquilo Problema 5.4. Escriba la estructura, con indicación de su estereoquímica, del producto resultante en cada una de las siguientes reacciones: Las condiciones para que opere el mecanismo SN2 son las siguientes: 1) Sustrato sin impedimento estérico. 2) Nucleófilo fuerte. 3) Buen grupo saliente (base débil). 4) Además, el mecanismo SN2 se favorece si se emplean disolventes polares próticos cuando el nucleófilo se introduce en forma de anión salino (cianuro sódico, azida sódica, metanotiolato sódico etc). Formación de A. El sustrato de la reacción es un bromuro secundario sobre el que puede operar el mecanismo SN2. En la formación de A se emplea el anión cianuro (nucleófilo fuerte) y N,N-dimetilformamida (DMF) que es un disolvente polar aprótico favorecedor del mecanismo SN2. Por tanto, las condiciones de reacción que conducen al compuesto A son favorecedoras del mecanismo SN2. Si este mecanismo es el que opera en la reacción el nucleófilo atacará al centro estereogénico del (R)-2-bromohexano provocando inversión de la configuración. Por tanto, la estructura de A y la reacción que lo forma es la siguiente: Formación de B. En la reacción que forma B se emplea el anión acetato, que no es un nucleófilo fuerte. Sin embargo, la potencia nucleofílica del anión acetato aumenta cuando se emplea en el seno de DMF, por lo que es lógico deducir que el compuesto B se formará mediante una reacción de tipo SN2. La reacción que forma B es la siguiente: Formación de C. El mismo razonamiento que se ha aplicado para deducir el mecanismo en el caso del compuesto A es de aplicación en la formación del compuesto C. Por tanto, la reacción que forma C seguirá el mecanismo SN2 y, consiguientemente, la estructura de C es la que se indica a continuación:

3 aluros de alquilo 3 Problema 5.5. Deduzca el mecanismo de sustitución que operará en cada una de las siguientes reacciones. Dibuje la estructura del producto de reacción Será el producto de sustitución ópticamente activo? Todos los sustratos son haluros secundarios sobre los que puede funcionar el mecanismo SN2. Todos los nucleófilos empleados en las reacciones del problema son fuertes y los disolventes (DMF y DMS) son polares apróticos, favorecedores del mecanismo SN2. De acuerdo con este análisis es lógico deducir que el mecanismo que operará en todas las reacciones de este problema será el SN2, produciéndose inversión de configuración. Las estructuras de los productos A, B y C serán las que se indican a continuación: El compuesto A es ópticamente activo pero B y C no lo son, ya que estos compuestos tienen plano de simetría (de hecho los compuestos de partida que generan B y C tampoco son ópticamente inactivos porque también tienen plano de simetría). La reacción del apartado d se lleva a cabo sobre una mezcla racémica y el ataque SN2 del anión metanotiolato provocará la inversión de la configuración sobre cada uno de los 2- yodohexanos enantioméricos. Por tanto, el producto de la reacción será también una mezcla racémica, tal y como se indica en el siguiente esquema: Problema 5.6. rdene los siguientes sustratos según su velocidad relativa en una reacción S N1. El mecanismo SN1 consta de dos etapas. La primera es la de formación del carbocatión que es una etapa lenta que determina la velocidad global del proceso. La segunda es el ataque rápido

4 4 aluros de alquilo del nucleófilo al carbocatión. Por tanto, aquella reacción que exhiba una menor barrera de activación en la formación del carbocatión será la reacción más rápida. La reacción que genera el carbocatión es endotérmica y, por tanto, aquellos efectos que estabilicen al carbocatión también estabilizarán al estado de transición que lo forma (postulado de ammond). Por todo ello se puede deducir que las reacciones que formen los carbocationes más estables serán las más rápidas. Los carbocationes que se generan a partir de cada uno de los cloruros de alquilo se indican en el siguiente esquema. A partir del cloruro de t-butilo (2-cloro-2-metilpropano, apartado a) se genera el carbocatión t- butilo, que es terciario. A partir del (2-cloro-2-fenilpropano, apartado b) se genera un carbocatión terciario bencílico, que deslocaliza la carga positiva por el anillo aromático. A partir del 2-clorobutano se genera un carbocatión secundario. Por tanto, el orden de estabilidad de los carbocationes es: Y el orden de reactividad SN1 es: Problema 5.7. Dada la siguiente reacción: Explique cuál será mecanismo de sustitución nucleofílica (S N2 ó S N1) que operará en la misma e indique el producto (o productos) de sustitución que se formará(n). El sustrato de la reacción es un bromuro secundario bencílico sobre el que puede operar el mecanismo SN2 o el SN1. El nucleófilo de la reacción es el agua, que es un nucleófilo débil, y el disolvente es el agua, que es polar prótico favorecedor del mecanismo SN1. Por tanto, las

5 aluros de alquilo 5 condiciones de reacción son favorecedoras del mecanismo SN1. El mecanismo de la reacción se inicia con la formación del carbocatión, que es de tipo secundario bencílico (etapa 1 del mecanismo que se indica más abajo). El carbocatión es plano en el carbono catiónico y es atacado desde ambos lados por el agua (etapa 2). La desprotonación forma una mezcla de alcoholes diastereoisoméricos (etapa 3). Problema 5.8. La reacción de hidrólisis del 2-bromo-3-metilbutano proporciona el 2- metilbutan-2-ol. Explique la formación de este compuesto. El 2-metilbutan-2-ol se explica mediante un mecanismo SN1 en el cual el carbocatión secundario, generado en la heterólisis del enlace C-Br, experimenta una transposición, por migración 1,2-, para dar lugar a un carbocatión terciario. Esta reacción va seguida del ataque nucleofílico del agua y de la formación del 2-metilbutan-2-ol por desprotonación, tal y como se indica en el siguiente esquema:

6 6 aluros de alquilo Problema 5.9. Cuando se hace reaccionar el (S)-1-bromo-1-fenilbutano con acetato sódico (NaAc) en dimetilformamida se obtiene un compuesto A, ópticamente activo. Sin embargo, cuando el (S)-1-bromo-1-fenilbutano se calienta a ebullición en ácido acético se obtiene el compuesto A, pero la disolución que lo contiene es ópticamente inactiva. Proponga una explicación para los anteriores hechos experimentales. El sustrato es un bromuro secundario bencílico que puede reaccionar mediante el mecanismo SN2 o el SN1. El anión acetato no es un nucleófilo fuerte. Sin embargo, la potencia nucleofílica del anión acetato aumenta cuando se emplea en el seno de DMF, por lo que es lógico deducir que el mecanismo será de tipo SN2, con lo consiguiente inversión de la configuración en el estereocentro atacado. La reacción que formará A, en su forma ópticamente activa, será la siguiente: Cuando la reacción se lleva a cabo en ácido acético, el nucleófilo es el propio ácido acético, mucho menos nucleofílico que el anión acetato, y el disolvente es el ácido acético, que es polar prótico favorecedor del mecanismo SN1. Por tanto, las condiciones de reacción son favorecedoras del mecanismo SN1 y la reacción transcurrirá con formación de una mezcla

7 aluros de alquilo 7 racémica por ataque del ácido acético a ambos lados del carbocatión, tal y como se dibuja en el siguiente esquema: 1) Formación del carbocatión Br Ph + Br Carbocatión secundario bencílico 2) Ataque nucleofílico del ácido acético al carbocatión a a + b b 3) Desprotonación + - Ph (R) + (S) Enantiómeros Problema Cuando el compuesto A se trata con metanol se obtiene el compuesto B por sustitución del cloro en C-2. Explique mecanísticamente la formación de B por qué no se sustituye el átomo de cloro en C-3? La reacción se lleva a cabo en metanol, que es nucleófilo débil y un disolvente polar prótico favorecedor del mecanismo SN1. Por tanto, la formación de B transcurrirá mediante el mecanismo mecanismo SN1. En la primera etapa de este mecanismo se producirá la ruptura heterolítica del enlace C2-Cl y la formación del correspondiente carbocatión, que resulta muy estabilizado por resonancia de la carga positiva sobre el átomo de oxígeno contiguo. De hecho la estructura resonante de catión oxonio contribuye más al hibrido de resonancia que la estructura resonante de carbocatión porque en aquélla todos los átomos de C y tienen el octeto completo (véase el mecanismo más abajo). En la segunda etapa del mecanismo tendrá lugar el ataque nucleofílico del metanol al catión oxonio. Por último, la etapa de desprotonación formará el compuesto B.

8 8 aluros de alquilo El átomo de cloro en C-3 no resulta sustituido porque la ruptura heterolítica del enlace C3-Cl generaría un carbocatión secundario mucho menos estable que el carbocatión oxonio. Problema a) Prediga si las reacciones que se dan a continuación elegirán un mecanismo de eliminación E1 o E2. b) Cuál será el producto mayoritario en cada una de estas reacciones? a) La clave para determinar si una reacción de eliminación seguirá el mecanismo E1 o E2 es la base empleada en el proceso. Si la base es fuerte (hidróxido, metóxido, etóxido) el mecanismo será E2 y si la base es débil (agua, metanol, etanol) el mecanismo será E1. De acuerdo con estas premisas las anteriores reacciones se clasificarán del siguiente modo: mecanismo E1 = apartados a y c. mecanismo E2 = apartados b y d. b) La eliminación sobre el 2-cloro-2-metilpropano forma únicamente el 2-metilpropeno, independientemente del mecanismo que sigue la reacción. Formación del propeno a partir del 2-cloro-2-metilpropano a) 2 (E1) C Cl b) 2 C K (E2) DMF La eliminación sobre el 2-bromobutano forma, independientemente del mecanismo seguido, una mezcla de but-2-eno (isómeros E y Z) y but-1-eno. El producto mayoritario será el (E)- buteno por ser el alqueno más sustituido y además de configuración E.

9 aluros de alquilo 9 Problema La reacción de eliminación del 3-bromo-2,3-dimetilbutano, mediante calentamiento con etóxido sódico en DMS, proporciona un único alqueno A (C 61 2). Sin embargo, la reacción de eliminación del mismo bromoalcano por calentamiento en etanol conduce a la obtención de un alqueno B, isómero de A. Prediga mecanísticamente las estructuras de A y de B. Formación de A. La reacción de eliminación con etóxido sódico en DMS debe seguir el mecanismo E2 ya que la base empleada es una base fuerte. La estructura de A, y el mecanismo E2 que forma este alqueno, se indican a continuación: Formación de B. La reacción de eliminación mediante calentamiento en etanol debe seguir el mecanismo E1 ya que la base empleada es una base débil. En el mecanismo E1 se generan carbocationes que pueden experimentar reacciones de transposición. Así, en la heterólisis del 3-bromo-2,2-dimetilbutano se forma un carbocatión secundario (paso 1 del esquema que se da más abajo). El carbocatión secundario experimenta una transposición 1,2-C3 que lo convierte en carbocatión terciario (paso 2). Finalmente, la eliminación forma el 2,3-dimetilbut-2-eno (alqueno B), como producto muy mayoritario (alqueno tetrasustituido) en el proceso de eliminación. Formación de B mediante mecanismo E1/transposición 1) Formación del carbocatión C C Br 2) Transposición 3 C 3 C 3) Eliminación 3 C 1,2-3 C + Br 3 C Carbocatión secundario 3 C Carbocatión terciario + 3 C B (2,3-dimetilbut-2-eno)

10 10 aluros de alquilo Problema Qué haluro de alquilo, de los que se indican a continuación, proporciona un único alqueno cuando se trata con NaEt en etanol? Los alquenos que se originan a partir de cada cloroalcano se indican a continuación. El cloroalcano que genera un único alqueno en la eliminación es el 3-cloro-3-etilpentano (reacción b), que forma únicamente el 3-etilpent-2-eno. Problema Cuando el compuesto A se calienta a reflujo de metanol, en presencia de metóxido sódico, se obtiene el alqueno B (C 11 14). Por otro lado, cuando el compuesto C se calienta a reflujo de metanol, en presencia de metóxido sódico, se obtiene el alqueno D (C 11 14), isómero de B. Deduzca mecanísticamente la estructura de los alquenos B y D. En la eliminación se emplea metóxido sódico, que es una base fuerte, por lo que el mecanismo será E2. La conformación reactiva coloca al bromo (grupo saliente) y al átomo de hidrógeno en posición anticoplanar. La eliminación sobre el bromoalcano A y la estructura del producto de eliminación B se indican en el siguiente esquema:

11 aluros de alquilo 11 La eliminación sobre el bromoalcano C proporciona la olefina isomérica D, de configuración Z, tal y como se indica a continuación: Problema Prediga las estructuras de los alquenos A y B que se formarán en las siguientes reacciones: a) En la eliminación se emplea etóxido sódico, que es una base fuerte, por lo que el mecanismo será E2. En estos mecanismos, la conformación reactiva de los haluros de ciclohexilo coloca al grupo saliente y al hidrógeno en posición trans-diaxial. Las dos conformaciónes del trans-1-cloro-2-metilciclohexano se indican a continuación. Conformaciones del trans-1-cloro-2-metilciclohexano Cl Cl 3 C La reacción E2 sobre la conformación reactiva del trans-1-cloro-2-metilciclohexano proporciona un único alqueno, cuya estructura se indica a continuación: b) Las dos conformaciones del cis-1-cloro-2-metilciclohexano se indican a continuación. Conformaciones del cis1-cloro-2-metilciclohexano Cl Cl La reacción E2 sobre la conformación reactiva del cis-1-cloro-2-metilciclohexano proporciona una mezcla de alquenos, cuyas estructuras se indica a continuación:

12 12 aluros de alquilo Problema Cuando el (1S,2S)-1-bromo-1,2-dimetilciclohexano (compuesto A) se calienta en metanol se obtienen los tres productos de eliminación que se indican a continuación: a) Explique mecanísticamente la formación de estos tres compuestos. b) Cuando el compuesto A se calienta con NaMe en Me sólo se forman dos de los productos de eliminación anteriores. Cuáles son? Explique mecanísticamente su formación? a) En la eliminación se emplea metanol, que es una base débil, por lo que el mecanismo será E1. El proceso se iniciará con la formación del carbocatión por heterólisis del enlace C-Br. La formación de los tres alquenos se explica por la presencia de tres carbonos contíguos al centro carbocatiónico, que contienen átomos de hidrógeno eliminables en el mecanismo E1. En el esquema que se indica a continuación se explica la formación de los tres alquenos. b) En la eliminación del apartad b se emplea metóxido sódico, que es una base fuerte, por lo que el mecanismo será E2. La conformación reactiva en este mecanismo sólo contiene dos hidrógenos eliminables, por lo que la reacción formará únicamente los alquenos B y C que se indican a continuación. El alqueno D, que es el producto mayoritario en el mecanismo de

13 aluros de alquilo 13 eliminación E1, no se forma cuando la reacción transcurre mediante el mecanismo de eliminación E2. Problema Cuál de las dos reacciones que se indican a continuación es más apropiada para la preparación del isopropil metil éter. Por qué? En el proceso a el isopropil metil éter se forma por el ataque nucleofílico SN2 del anión metóxido sobre el 2-yodopropano. El anión metóxido es nucleofílico, pero también tiene carácter básico y su reacción con el 2-yodopropano también puede formar propeno, como consecuencia de una eliminación E2. Por tanto, el proceso a puede formar la mezcla que se indica a continuación: El anión isopropóxido, al igual que el anión metóxido, también es nucleofílico y básico, pero cuando reacciona con el yoduro de metilo en el proceso b sólo puede formar el producto SN2, ya que la eliminación E2 no puede tener lugar. Por tanto, el mejor método para preparar el isopropil metil éter es el b. Problema Explique por qué cuando el cloruro de mentilo se calienta a reflujo de etanol, en presencia de etóxido sódico, se obtiene el compuesto A como único producto de reacción. En la reacción de eliminación del cloruro de mentilo se emplea etóxido sódico, que es una base fuerte, por lo que el mecanismo será E2. La conformación reactiva del cloruro de mentilo en el

14 14 aluros de alquilo proceso E2 sólo contiene un hidrógeno eliminable, por lo que la reacción formará únicamente el alqueno A, tal y como se indica a continuación: Problema Explique por qué cuando el cloruro de neomentilo se calienta a reflujo de etanol, en presencia de etóxido sódico, se obtiene una mezcla formada por el compuesto A y el compuesto B. En la reacción de eliminación del cloruro de neomentilo se emplea etóxido sódico, que es una base fuerte, por lo que el mecanismo será E2. La conformación reactiva del cloruro de mentilo en el proceso E2 contiene dos hidrógenos eliminables, por lo que la reacción formará el alqueno A (minoritario por ser disustituido) y el alqueno B (mayoritario por ser trisustituido), tal y como se indica a continuación: Eliminación E2 Cl 3 C a b Cloruro de neomentilo - a 3 C b - b a 3 C 3 C A 3 C B Problema Tanto el cis-1-bromo-4-isopropilciclohexano como el trans-1-bromo-4- isopropilciclohexano reaccionan con etóxido de sodio en etanol a reflujo para dar el 4- isopropilciclohexeno. Sin embargo, el isómero cis reacciona mucho más rápidamente que el isómero trans. Proponga una explicación para estos hechos experimentales. Se obtendrá el 4-isopropilciclohexano en forma ópticamente activa? Por qué? En la reacción de eliminación se emplea etóxido sódico, que es una base fuerte, por lo que el mecanismo será E2. Las dos conformaciones del cis-1-bromo-4-isopropilciclohexano se dibujan a continuación. De las dos conformaciones, la más abundante en el equilibrio es la que coloca al grupo isopropilo en ecuatorial. Además, esta conformación más abundante también es la reactiva en E2, puesto que coloca al bromo en axial.

15 aluros de alquilo 15 Las dos conformaciones del trans-1-bromo-4-isopropilciclohexano se dibujan más abajo. De las dos conformaciones, la más abundante en el equilibrio es la que coloca al grupo isopropilo en ecuatorial pero esta conformación no es reactiva en el proceso E2 porque el bromo está en ecuatorial: La reacción E2 sigue una cinética de segundo orden y su velocidad depende de la concentración de la base y de la concentración del sustrato reactivo. Por tanto, la eliminación E2 sobre el cis-1-bromo-4-isopropilciclohexano será mucho más rápida que sobre el isómero trans porque la concentración de la conformación reactiva en el cis es mucho mayor que en el trans. La eliminación E2 sobre el cis-1-bromo-4-isopropilciclohexano forma una mezcla racémica, tal y como se indica a continuación: La misma mezcla, aunque a menor velocidad, forma la reacción de eliminación E2 sobre el trans-1-bromo-4-isopropilciclohexano.