BLQUE TEMÁTI VI ALLE, FENLE Y ÉTEE
Química rgánica I-www.sinorg.uji.es 3 BLQUE TEMÁTI VI: ALLE, FENLE Y ÉTEE Unidad temática VI.1. Alcoholes VI.1.1. Acidez de los alcoholes VI.1.2. xidación de alcoholes VI.1.3. Alcoholes como nucleófilos y electrófilos VI.1.3.1. Formación y uso de los ésteres de ácidos sulfónicos (tosilatos y mesilatos) VI.1.4 íntesis de haluros de alquilo a partir de alcoholes VI.1.5. eacciones de deshidratación de alcoholes Unidad Temática VI.2. Fenoles Unidad temática VI.3. Éteres VI.3.1. íntesis de Williamson de éteres VI.3.2. íntesis de éteres por deshidratación de alcoholes VI.3.3. eacciones de los éteres con hidrácidos VI.3.4. Epóxidos VI.3.4.1. íntesis de epóxidos por reacción de alquenos con peroxiácidos VI.3.4.2. íntesis de epóxidos a partir de halohidrinas VI.3.4.3. eacciones de los epóxidos
4 Bloque Temático VI-Alcoholes, fenoles y éteres (www.sinorg.uji.es) Unidad temática VI.1. Alcoholes La estructura de un alcohol se asemeja a la del agua puesto que un alcohol procede de la sustitución formal de uno de los hidrógenos del agua por un grupo alquilo. En la siguiente figura, y a modo de comparación, se indican los ángulos y las distancias de enlace del agua y del metanol. 114º o o 1.43A 0.96A 3 o 0.96A 104.5º 108.9º Agua Metanol El ángulo del enlace -- en el agua es de 104.5º y el ángulo que forman los dos pares de electrones no compartidos es de 114º. Estos ángulos de enlace se pueden explicar admitiendo una hibridación sp 3 en el átomo de oxígeno. Ahora bien, no hay ninguna razón para que un átomo (oxígeno, nitrógeno, carbono, etc) forme un conjunto de orbitales híbridos equivalentes cuando no todos los orbitales se van a utilizar del mismo modo. En el agua los orbitales híbridos sp 3 que se van a emplear en los enlaces con los átomos de hidrógeno tienen un menor carácter s, lo que explica la disminución del ángulo de enlace tetraédrico desde 109.5º a 104.5º. Por otra parte, los dos orbitales híbridos sp 3, que contienen a los dos pares de electrones no enlazantes, tienen un mayor carácter s, lo que explica el aumento del ángulo de enlace desde 109.5º a 114º. El aumento del ángulo de enlace entre los pares de electrones no compartidos tiene un efecto estabilizante al disminuir la repulsión electrónica entre los mismos. En el metanol el ángulo del enlace -- es de 108.9º. Este ángulo es mayor que en el agua debido a la presencia del grupo metilo, mucho más voluminoso que el átomo de hidrógeno, que contrarresta el efecto de compresión del ángulo de enlace que provocan los dos pares de electrones no enlazantes. Las longitudes de enlace - son aproximadamente las mismas en el agua que en los alcoholes, pero la distancia de enlace - es bastante mayor (1.4 Å) debido al mayor radio covalente del carbono en comparación con el del hidrógeno. En la siguiente figura se representa el diagrama de interacción orbitálica en la formación del enlace - en los alcoholes y las energías de enlace en el metanol:
Química rgánica I-www.sinorg.uji.es 5 Diagrama de interacción orbitálica en la formación del enlace - 94 Kcal/mol σ 104 Kcal/mol sp 3 () 92 Kcal/mol sp 3 () σ Nomenclatura de los alcoholes Para nombrar a los alcoholes se elige la cadena más larga que contenga el grupo hidr oxilo () y se numera dando al grupo hidroxilo el localizador más bajo posible. El nombre de la cadena principal se obtiene cambiando la terminación o del alcano por ol. 3 3 2-propanol 3 2 2 2 3 2 2-etil-1-pentanol 2 3 1-ciclopropil-1-propanol Una manera de organizar la familia de los alcoholes es clasificar a los alcoholes en primarios, secundarios o terciarios de acuerdo con el tipo de átomos de carbono enlazados al grupo. En la siguiente tabla se indican las estructuras de los alcoholes según su grado de sustitución: Tipo Estructura Ejemplos alcohol primario 3 (etanol) 3 alcohol secundario 3 2 (2-butanol) 3 alcohol terciario 3 3 (2-metil-2-propanol)
6 Bloque Temático VI-Alcoholes, fenoles y éteres (www.sinorg.uji.es) VI.1.1. Acidez de los alcoholes Al igual que el protón del hidroxilo del agua, el protón del hidroxilo de un alcohol es débilmente ácido. Una base fuerte puede sustraer el protón del hidroxilo de un alcohol para generar un alcóxido. B B alcohol (ácido) base alcóxido (base conjugada) La constante de disociación de un alcohol queda definida por el siguiente equilibrio: K a 2 3 K a = 3 La constante de disociación ácida de los alcoholes varía según su estructura desde aproximadamente 10-16 para el metanol hasta aproximadamente 10-19 par la mayor parte de los alcoholes terciarios. La acidez de los alcoholes disminuye a medida que aumenta el grado de sustitución en el resto alquílico. Variación de la acidez de los alcoholes con el grado de sustitución 3 3 3 3 3 > > > 3 metanol etanol isopropanol t-butanol En la siguiente tabla se indican los valores de pk a, medidos en disolución acuosa, de los alcoholes anteriores. ompuesto Fórmula pk a Agua 2 15.7 Metanol 3 15.5 Etanol 3 2 15.9 Isopropanol ( 3 ) 2 16.5 t-butanol ( 3 ) 3 18.0
Química rgánica I-www.sinorg.uji.es 7 Este orden de acidez en disolución se explica mediante el diferente grado de solvatación de la base conjugada del alcohol, el ión alcóxido. La solvatación tiene un efecto estabilizante sobre el anión alcóxido de manera que cuanto más solvatado esté el anión más desplazado hacia la derecha estará el equilibrio ácido-base. 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: B B metanol ión metóxido (fácil de solvatar) El anión t-butóxido es mucho más voluminoso que el anión metóxido y la aproximación de las moléculas de agua del disolvente al átomo de oxígeno que transporta la carga negativa se ve muy impedida. 3 3 3 B 3 B 3 3 t-butanol ión t-butóxido (difícil de solvatar) En consecuencia, el anión t-butóxido está menos solvatado que el anión metóxido; la carga negativa del anión t-butóxido solvatado está menos repartida que en el anión metóxido solvatado y por tanto el anión t-butóxido se estabiliza menos por solvatación. El equilibrio ácido-base del t-butanol se desplaza menos a la derecha que en el metanol y como consecuencia el t-butanol es un ácido más débil que el metanol. La sustitución de átomos de hidrógeno por átomos de halógeno, que son electrónatrayentes, aumenta la acidez de los alcoholes. Por ejemplo, el 2,2,2,-trifluoroetanol (F 3 2, pk a =12.8) es mas de mil veces más ácido que el etanol (pk a = 15.9), porque el anión trifluroetóxido está más estabilizado que el etóxido debido al efecto atrayente sobre la carga negativa que ejercen los átomos de halógeno.
8 Bloque Temático VI-Alcoholes, fenoles y éteres (www.sinorg.uji.es) 3 2 2 3 2 3 pka = 15.9 F 3 2 2 F 3 2 3 pka = 12.8 En la siguiente tabla se comparan las constantes de disociación ácida de algunos alcoholes. Alcohol Estructura K a pk a Metanol 3-3.2 x 10-16 15.5 Etanol 3 2-1.3 x 10-16 15.9 2-loroetanol l- 2 2-5.0 x 10-15 14.3 2,2,2-Tricloroetanol l 3-2 - 6.3 x 10-13 12.2 Isopropanol ( 3 ) 2-3.2 x 10-17 16.5 t-butanol ( 3 ) 3-1.0 x 10-18 18.0 iclohexanol 6 11-1.0 x 10-18 18.0 Fenol 6 5-1.0 x 10-10 10.0 comparación con otros ácidos Agua 2 1.8 x 10-16 15.7 Ácido acético 3 1.6 x 10-5 4.8 Ácido clorhídrico l 1.6 x 10 2-2.2 Los alcóxidos metálicos derivados de metanol y etanol se suelen generar mediante la reacción del correspondiente alcohol con sodio metálico. Na Na 1/2 2 on estos dos alcoholes primarios, metanol y etanol, la reacción con el sodio metálico es relativamente rápida. Los alcoholes secundarios reaccionan más lentamente que los primarios. on los alcoholes terciarios, como el t-butanol, la reacción con el sodio es muy lenta y por ello se emplea potasio, más reactivo que el sodio, para generar el anión t-butóxido. La reacción de alcoholes con hidruros metálicos, como Na o K, también permite transformar cuantitativamente a los alcoholes en los correspondientes alcóxidos: Na TF Na 2 VI.1.2. xidación de alcoholes La oxidación de los alcoholes es una reacción orgánica muy común porque, según el tipo de alcohol y el oxidante empleado, los alcoholes se pueden convertir en aldehídos, en cetonas o en ácidos carboxílicos. La oxidación de un alcohol se consigue cuando el número de enlaces - aumenta en el átomo de carbono del carbinol (-). A continuación, se comparan los
Química rgánica I-www.sinorg.uji.es 9 distintos estados de oxidación que pueden adquirir los alcoholes primarios, secundarios y terciarios. alcohol primario aldehído ácido alcohol secundario cetona (no hay oxidación ulterior) (no hay oxidación ulterior) alcohol terciario a) xidación de alcoholes secundarios La oxidación de alcoholes secundarios proporciona cetonas. Uno de los oxidantes más empleados para efectuar esta conversión es el ácido crómico. Na 2 r 2 7, 2 4 ciclohexanol El ácido crómico se prepara disolviendo dicromato sódico o potásico en una mezcla de ácido sulfúrico y agua. El agente de oxidación es probablemente el ácido crómico 2 r 4, o bien el cromato ácido, r 4 -. Na 2 r 2 7 2 2 4 2 r Na 2 4 ácido crómico La oxidación de los alcoholes también se puede conseguir utilizando el reactivo r 3 en una disolución acuosa diluida de ácido sulfúrico.
10 Bloque Temático VI-Alcoholes, fenoles y éteres (www.sinorg.uji.es) r 3 2 r ácido crómico r ion cromato ácido El mecanismo de la oxidación de un alcohol secundario implica primero la formación de un éster del ácido crómico (un cromato de alquilo). A continuación, se produce una reacción de eliminación en el cromato que origina la cetona. La reacción de eliminación es similar mecanísticamente al proceso de eliminación E2 que se ha visto en el tema anterior. 6 6 r r 2 éster de ácido crómico r 6 4 r 2 3 El cromo (IV) que se forma en el proceso de oxidación continua reaccionando para dar la forma reducida estable cromo (III). Tanto el dicromato de sodio como el ácido crómico son de color naranja, mientras que le ión crómico es de color azul verdoso. El cambio de color observado en las reacciones con el ácido crómico se puede emplear como ensayo de la presencia de un alcohol oxidable. b) xidación de alcoholes primarios La oxidación de un alcohol primario conduce a un aldehído. in embargo, a diferencia de las cetonas, los aldehídos se pueden continuar oxidando para dar lugar a ácidos carboxílicos. Muchos agentes oxidantes no son quimioselectivos porque no permiten parar la oxidación de un alcohol primario en la etapa de aldehído, de manera que el alcohol primario, a través del aldehído, acaba oxidándose hasta ácido carboxílico. Uno de los reactivos que convierten directamente a los alcoholes primarios en ácidos carboxílicos es precisamente el ácido crómico. 2 Na 2 r 2 7, 2 4 alcohol bencílico ácido ciclohexanocarboxílico Para conseguir la oxidación controlada de alcoholes primarios a aldehídos se deben emplear otros oxidantes basados en r(vi), como el reactivo de ollins, que es un complejo de r 3 con dos moléculas de piridina, o el clorocromato de piridinio (P), que es una versión del anterior pero mucho más soluble en diclorometano ( 2 l 2 ).
Química rgánica I-www.sinorg.uji.es 11 N r 3 N r 3 l 2 eactivo de ollins lorocromato de piridinio A continuación se indican unos ejemplos de síntesis de aldehídos mediante oxidación quimioselectiva de alcoholes primarios. 3 ( 2 ) 5 2 r 3 2 piridina 3 ( 2 ) 5 1-heptanol heptanal (93%) 3 ( 2 ) 3 2 3 2 P 2 l 2 3 ( 2 ) 3 2 3 2-etil-1-hexanol 2-etilhexanal (87%) eguridad en las carreteras por medio de la química El cambio de color que se produce cuando el cromo VI (naranja) se reduce al cromo III (verde) es la base de la prueba del análisis del aliento. e ha demostrado que existe una relación directa entre la concentración del alcohol en sangre y el alcohol que exhalan los pulmones. El paso de un volumen definido de aire a través de un tubo que contiene ión cromato (cromo (VI) de color naranja) causa la oxidación del etanol ( 3 2 ) a ácido acético ( 3 ) y la reducción del cromo (VI) a cromo (III), de color verde. uanto mayor es la concentración del alcohol en el aliento, mayor es la distancia que el color verde avanza en el tubo. 3 2 r(vi) 3 r(iii) etanol ácido acético VI.1.3. Alcoholes como nucleófilos y electrófilos Los alcoholes son compuestos químicos muy empleados en síntesis orgánica ya que se pueden transformar en otros grupos funcionales ya sea aprovechando su carácter nucleofílico o electrofílico. Un alcohol es un nucleófilo débil y tiende a reaccionar con especies electrofílicas muy reactivas, como los carbocationes, tal y como se ha visto en las reacciones N 1. alcoholes como nucleófilos
12 Bloque Temático VI-Alcoholes, fenoles y éteres (www.sinorg.uji.es) Por otra parte, el alcohol puede convertirse en un ión alcóxido, mucho más nucleofílico, que puede atacar a electrófilos débiles y por tanto participar en reacciones N 2. alcóxidos como nucleófilos N2 X X Un alcohol es un mal electrófilo porque el grupo hidroxilo, muy básico, es un mal grupo saliente. Nu Nu (mal grupo saliente) Para convertir a los alcoholes en especies electrofílicas hay que transformar el grupo en un buen grupo saliente. En el esquema que se da a continuación, el alcohol se convierte en un derivado, simbolizado como Z. Para que este derivado pueda ser atacado por un nucleófilo el grupo Z debe ser electrón-atrayente, porque de esta forma el grupo saliente (Z - ) es muy poca básico. Z alcohol derivado de alcohol Nu Z Nu Z Una forma, basada en la metodología anterior, de activar a los alcoholes en el proceso N 2 consiste en convertirlos en sulfonatos (ésteres de ácidos sulfónicos, Z= 2 ). tra forma más simple de convertir un grupo hidroxilo en un buen grupo saliente es mediante su protonación. En este caso el grupo saliente ya no es el ión hidróxido sino el agua, que es mucho menos básica. VI.1.3.1. Formación y uso de los ésteres de ácidos sulfónicos (tosilatos y mesilatos) Los ésteres de ácidos sulfónicos se obtienen mediante la reacción de los alcoholes con los correspondientes cloruros de ácidos sulfónicos. A continuación se indican las estructuras del ácido p-toluensulfónico y del ácido metanosulfónico así como la de sus correspondientes cloruros: el cloruro de p-toluensulfonilo, denominado también cloruro de tosilo, y el cloruro de metanosulfonilo, denominado también cloruro de mesilo.
Química rgánica I-www.sinorg.uji.es 13 3 ácido p-toluensulfónico 3 l Tsl cloruro de p-toluensulfonilo = cloruro de tosilo 3 3 l Msl ácido metansulfónico cloruro de metanosulfonilo = cloruro de mesilo Los alcoholes se transforman en sulfonatos (tosilatos o mesilatos) mediante la reacción con cloruro de tosilo (Tsl) o de cloruro de mesilo (Msl) en una disolución de piridina. La piridina cumple un doble papel: por una parte es el disolvente de la reacción y por otra es la base que neutraliza el l que se forma en el proceso. El mecanismo para la formación de tosilatos es el siguiente: alcohol l 3 cloruro de tosilo l 3 3 l tosilato de alquilo 3 l El l que se forma en el proceso de tosilación queda neutralizado por la piridina: l N N l piridina Los grupos tosilato y mesilato son excelentes grupos saliente porque son muy poco básicos. u carga negativa se encuentra deslocalizada sobre tres átomos de oxígeno. A continuación se representa una reacción N 2 sobre un mesilato de alquilo con indicación de las estructuras resonantes del anión mesilato que ponen de manifiesto la eficiente deslocalización de la carga negativa.
14 Bloque Temático VI-Alcoholes, fenoles y éteres (www.sinorg.uji.es) Nu 3 Nu 3 3 3 anión metanosulfonato con la carga negativa deslocalizada sobre tres átomos de oxígeno Las reacciones que se indican en la siguiente tabla ilustran el empleo de los ésteres de sulfonato en las reacciones N 2: íntesis de nitrilos Ts N N cianuro nitrilo íntesis de haluros Ts Ts Ts bromuro haluro de alquilo íntesis de éteres Ts Ts alcóxido éter íntesis de sales de amonio Ts N 3 N 3 Ts amoniaco sal de amonio íntesis de azidas Ts N 3 N 3 Ts ión azida azida de alquilo íntesis de sales de alcanos Ts LiAl 4 Ts alcano VI.1.4. íntesis de haluros de alquilo a partir de alcoholes omo se acaba de ver en uno de los ejemplos de la página anterior, los haluros de alquilo se pueden obtener mediante una reacción N 2 entre el correspondiente tosilato y un ión halogenuro. Los haluros de alquilo también se pueden obtener mediante la reacción del propio alcohol con un hidrácido (X). Por ejemplo, el alcohol t-butílico reacciona con concentrado transformándose rápidamente en bromuro de t-butilo
Química rgánica I-www.sinorg.uji.es 15 3 3 3 3 2 3 3 Esta transformación se explica mediante el mecanismo N 1. En disolución ácida el alcohol está en equilibrio con su forma protonada. La protonación convierte al grupo hidroxilo, que es un mal grupo saliente, en un buen grupo saliente: el 2. El t-butanol protonado se escinde heterolíticamente para dar lugar al carbocatión t-butilo y a 2. En un segundo paso, el ión bromuro ataca al carbocatión intermedio dando lugar al bromuro de t-butilo. Paso 1: protonación del alcohol y formación del carbocatión 3 3 3 3 3 3 3 3 3 Paso 2: ataque del ión bromuro al carbocatión 3 3 3 3 3 3 El mecanismo de la reacción depende de la estructura del alcohol. En el caso del 1- butanol, un alcohol primario, la reacción sigue el mecanismo N 2. Los alcoholes secundarios reaccionan con para formar bromuros de alquilo generalmente mediante mecanismos N 1. El l reacciona con los alcoholes en la misma forma que el. Por ejemplo, el t- butanol reacciona con l concentrado para proporcionar cloruro de t-butilo: 3 3 3 3 l 3 3 l 2 Las reacciones de los hidrácidos con los alcoholes no siempre dan buenos rendimientos de haluros de alquilo. Por ejemplo, los alcoholes secundarios y sobre todo los primarios reaccionan con l muy lentamente debido a la menor nucleofilia del ión cloruro en comparación con el ión bromuro. Al calentar un alcohol en ácido concentrado como l o con frecuencia se producen reacciones de eliminación debido a que el grupo hidroxilo protonado es un buen candidato tanto para la sustitución como para la eliminación. i la reacción de sustitución procede a través del mecanismo N 1 es posible la formación de productos resultantes de la transposición del carbocatión intermedio.
16 Bloque Temático VI-Alcoholes, fenoles y éteres (www.sinorg.uji.es) Un mejor procedimiento, que permite evitar las limitaciones expuestas anteriormente en la síntesis de haluros de alquilo, es la reacción de los alcoholes con halogenuros de fósforo como el Pl 3, P 3 o el Pl 5. 3 Pl 3 3 l P() 3 3 P 3 3 P() 3 Pl 5 l Pl 3 l Para la síntesis de yoduros de alquilo no se emplea el triyoduro de fósforo porque es inestable y no puede almacenarse. En su lugar se emplea una mezcla de fósforo y yodo que genera in situ el PI 3 en la mezcla de reacción. 6 2 P 3 I 2 6 I 2 P() 3 El P 3 es el mejor reactivo para la conversión de alcoholes primarios y secundarios en bromuros de alquilo. Los alcoholes terciarios dan bajos rendimiento. El mecanismo que permite explicar la conversión de alcoholes en bromuros de alquilo empleando P 3 se da a continuación: Paso 1: desplazamiento del ion bromuro P P Paso 2: ataque N 2 del ion bromuro P P bromuro de alquilo grupo saliente En el segundo paso del mecanismo se produce una reacción N 2 en la que el ión bromuro ataca al alcohol activado. Este ataque está impedido si el alcohol es terciario. El grupo saliente de este proceso, el P 2, puede continuar la reacción dando lugar a bromuro de alquilo y a P 2, que a su vez continúa la reacción para dar lugar bromuro de alquilo y a P() 3 :
Química rgánica I-www.sinorg.uji.es 17 P P P P La síntesis de bromuros de alquilo con P 3 transcurre mediante el mecanismo N 2 y por tanto en estas reacciones no se observan transposiciones. El Pl 3 y el PI 3, generado in situ con P y I 2, reaccionan de modo semejante al P 3. Un reactivo que se emplea para convertir alcoholes en cloruros de alquilo es el cloruro de tionilo. on este reactivo los subproductos del proceso son 2 y l gaseosos, por lo que el equilibrio se desplaza hacia la formación del cloruro de alquilo. l l l 2 l cloruro tionilo Muy a menudo la reacción anterior se lleva cabo en piridina para neutralizar el l formado. En estas condiciones se observa la inversión de la configuración en alcoholes quirales lo que apunta a un mecanismo N 2 en el paso de sustitución. La reacción se inicia con la conversión del alcohol en un clorosulfito de alquilo, un compuesto que posee un buen grupo saliente. El ataque N 2 del ión cloruro origina el cloruro de alquilo: 2 1 3 l l 1 2 3 l l 2 1 3 l l 1 l 1 l N 2 2 l 3 N l 3 clorosulfito de alquilo l 2 1 l N 2 l 1 2 l 3 3
18 Bloque Temático VI-Alcoholes, fenoles y éteres (www.sinorg.uji.es) VI.1.5. eacciones de deshidratación de alcoholes La deshidratación de alcoholes proporciona alquenos: 2 alcohol alqueno Esta reacción de eliminación necesita un catalizador ácido cuya misión es la de protonar al grupo hidroxilo y convertirlo en un buen grupo saliente. La reacción de deshidratación es reversible: la olefina que se forma en el proceso se puede hidratar y reconvertir en el alcohol de partida. Para desplazar el equilibrio hacia la derecha se puede eliminar alguno de los productos de la reacción a medida que se va formando. En algunos procesos se introduce un agente deshidratante que elimina el agua a medida que se va formando. En otros se aprovecha el bajo punto de ebullición de la olefina para eliminarla de la mezcla de reacción mediante destilación. El ciclohexeno se obtiene mediante la reacción de deshidratación del ciclohexanol en presencia de ácido fosfórico o ácido sulfúrico destilándolo a medida que se va formando. 3 P 4 2 iclohexanol (p. eb. = 161º) iclohexeno (p. eb. = 83º) Por lo general, si la reacción se lleva a cabo en medio ácido, y la estructura del alcohol lo permite, el proceso sigue un mecanismo E1. El mecanismo de la deshidratación del ciclohexanol se indica a continuación: 1) P P ciclohexanol ciclohexanol protonado 2) 2 ciclohexanol protonado carbocatión ciclohexilo 3) 2 ciclohexeno 3
Química rgánica I-www.sinorg.uji.es 19 El proceso de deshidratación se inicia con la protonación del grupo hidroxilo, que se convierte así en un buen grupo saliente (etapa 1). A continuación se produce la ruptura heterolítica del enlace - en el ciclohexanol protonado (etapa 2). Esta reacción forma el carbocatión ciclohexilo que, en la etapa 3 pierde un protón para dar lugar al ciclohexeno. El paso que determina la velocidad del proceso es el de la formación del carbocatión por tanto, la facilidad de deshidratación de alcoholes en medio ácido sigue el mismo orden que el de facilidad de formación de carbocationes: Facilidad de deshidratación de alcoholes en medio ácido alcohol terciario > alcohol secundario > alcohol primario a) Formación de éteres mediante deshidratación bimolecular de alcoholes En algunos casos un alcohol protonado puede ser atacado por otra molécula de alcohol mediante un mecanismo N 2. Esta reacción tiene lugar cuando la deshidratación se efectúa sobre alcoholes primarios no impedidos. El resultado del proceso es la formación de agua y un éter. La síntesis industrial del dimetil éter ( 3 -- 3 ) y del dietil éter ( 3 2 -- 2 3 ) se lleva a cabo mediante calentamiento de los correspondientes alcoholes en presencia de 2 4. 2 3 2 2 4, 140º 3 2 2 3 2 etanol dietil éter La obtención del dietil éter a partir del etanol se explica mediante el mecanismo N 2 dibujado en el siguiente esquema: 1) 3 2 3 2 base ácido alcohol protonado 2) 3 2 3 N 2 3 2 3 3) 3 3 2 3 2 2 3 dietil éter 3
20 Bloque Temático VI-Alcoholes, fenoles y éteres (www.sinorg.uji.es) En primer lugar se establece un equilibrio ácido-base entre el etanol y el etanol protonado (etapa 1). A continuación, se produce el ataque nucleofílico del etanol sobre el alcohol protonado (etapa 2). Esta reacción forma el éter etílico protonado, el cual se transforma en el éter neutro por pérdida de protón (etapa 3). Unidad temática VI.2. Fenoles e denominan fenoles a un grupo de compuestos orgánicos que presentan en su estructura un grupo funcional hidroxilo unido directamente a un anillo aromático (arílico Ar-). Por lo tanto, la fórmula general para un fenol se escribe como Ar-. Los fenoles sencillos son líquidos o sólidos, de olor característico, poco hidrosolubles y muy solubles en solventes orgánicos. Algunos se usan como desinfectantes, pero la mayoría son tóxicos e irritantes. Los fenoles son más ácidos que el agua y los alcoholes alifáticos (-), debido a la estabilidad por resonancia del anión fenóxido. Al contrario que en los aniones alcóxido, en los cuales la carga negativa se encuentra localizada sobre el átomo de oxígeno, en los aniones fenóxido la carga negativa se deslocaliza sobre el anillo aromático por efecto resonante. Esta deslocalización estabiliza al anión, y explica el aumento de la acidez del fenol por desplazamiento del equilibrio ácido-base hacia el anión fenóxido (base conjugada del fenol). 3 2 B 3 2 B B B Estructuras resonantes del anión fenóxido Los fenoles y los aniones fenóxido exhiben reactividades nucleofílicas similares a las de los alcoholes y aniones alcóxido. Por otro lado, la presencia del anillo aromático en los fenoles hace que estos compuestos intervengan en reacciones de sustitución electrofílica aromática. Este tipo de reacciones se estudiarán en el bloque temático X.
Química rgánica I-www.sinorg.uji.es 21 Unidad temática VI.3. Éteres Los éteres son compuestos de fórmula -- en la que y pueden ser grupos alquilo o arilo (fenilo). Los éteres podrían considerarse derivados del agua, por simple sustitución de los átomos de hidrógeno por grupos alquilo. En la siguiente figura se indican, a modo de comparación, las estructuras del agua, el metanol y el dimetil éter. 114º o 0.96A o 1.43A 3 o 0.96A 1.43A o 3 3 104.5º 108.9º Agua Metanol 110º Dimetil éter 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. El éter de mayor importancia comercial es el dietil éter, llamado también éter etílico o simplemente éter. El éter etílico se empleó como anestésico quirúrgico pero es muy inflamable y con frecuencia los pacientes vomitaban al despertar de la anestesia. Actualmente se emplean varios compuestos que son menos inflamables y se toleran con más facilidad, como el óxido nitroso (N 2 ) y el halotano (lf 3 ). Los éteres carecen del grupo hidroxilo polar de los alcoholes pero siguen siendo compuestos polares. El momento dipolar de un éter es la suma de cuatro momentos dipolares individuales. ada uno de los enlaces - está polarizado y los átomos de carbono llevan una carga positiva parcial. Además, los dos pares de electrones no compartidos contribuyen al momento bipolar general. La suma vectorial de esos cuatro momentos individuales es el momento dipolar general de la molécula. Momentos dipolares de un éter y Momento dipolar general Los éteres tienen momentos dipolares grandes que causan atracciones dipolo-dipolo. in embargo, estas atracciones son mucho más débiles que las interacciones por puentes de hidrógeno. Los éteres, al no poder formar enlaces de hidrógeno entre sí, son más volátiles que los alcoholes con pesos moleculares semejantes, como se pone de manifiesto en la tabla que se da a continuación.
22 Bloque Temático VI-Alcoholes, fenoles y éteres (www.sinorg.uji.es) ompuesto Estructura Peso molecul. P.eb.( ) agua 2 18 100 1.9 etanol 3 2-46 78 1.7 dimetil éter 3 -- 3 46-25 1.3 propano 3 2 3 44-42 0.1 n-butanol 3 2 2 2-74 118 1.7 dietil éter 3 2 -- 2 3 74 35 1.2 pentano 3 2 2 2 3 72 36 0.1 Momento dipolar (D) Una de las aplicaciones más importantes de los éteres es su empleo como disolventes en las reacciones orgánicas. Los más empleados son el dietil éter, y el tetrahidrofurano. 3 2 2 3 dietil éter tetrahidrofurano (TF) tros éteres, como el dioxano y el 1,2-dimetoxietano, aunque no tan empleados como los dos anteriores, también se suelen utilizar como disolventes en las reacciones orgánicas. 1,4-dioxano (dioxano) 3 2 2 3 1,2-dimetoxietano (DME) Una ventaja que presentan los éteres con respecto a los alcoholes es que aquéllos no son ácidos. De hecho, una de las limitaciones de los alcoholes, en cuanto a su empleo como disolventes en las reacciones orgánicas, es que no se pueden utilizar con reactivos que sean más básicos que el anión alcóxido (base conjugada del alcohol), porque en estos casos el grupo hidroxilo del alcohol protona a la base y destruye al reactivo. B B alcohol base fuerte alcóxido base protonada uando un compuesto iónico, como el yoduro de litio, se disuelve en un alcohol el catión litio queda rodeado de una esfera de solvatación debido a la atracción que se establece con los pares de electrones no enlazantes del átomo de oxígeno del alcohol. Al mismo tiempo, el anión yoduro también queda solvatado por formación de puentes de hidrógeno con las moléculas de alcohol, como se indica gráficamente a continuación:
Química rgánica I-www.sinorg.uji.es 23 Efectos de solvatación en la disolución del LiI en un alcohol Li I- Los éteres son menos polares que los alcoholes y por tanto, su capacidad de disolución de sustancias iónicas es bastante menor. De hecho, las sustancias iónicas con aniones pequeños y duros, que necesitan de una buena solvatación para superar sus intensas fuerzas de enlace iónico, generalmente son insolubles en los éteres. i el compuesto iónico está constituido por aniones grandes y difusos, como los yoduros, los acetatos etc, la atracción electrostática entre los iones es menor y se puede conseguir la solubilización de esta clase de compuestos en los éteres. uando se disuelve el yoduro de litio en un éter, el catión litio queda rodeado de una esfera de solvatación por atracción con los pares de electrones no compartidos del átomo de oxígeno del éter. Por otro lado, el anión yoduro queda en la disolución libre de solvatación, porque los éteres no pueden formar puentes de hidrógeno con los aniones. Esta es una situación ventajosa si el anión yoduro se va a emplear como nucleófilo, por ejemplo en un proceso N 2. A continuación, se representa un esquema de solvatación del yoduro de litio en un éter. Efectos de solvatación en la disolución del LiI en un éter Li I- Nomenclatura de los éteres Los éteres se nombran indicando primero los dos grupos hidrocarbonados unidos al oxígeno y añadiendo a continuación la palabra éter. 3 2 2 3 dietiléter 3 2 ( 3 ) 2 etil isopropil éter 3 2 2 3 metil n-propil éter Los éteres que contienen un grupo hidrocarbonado sencillo y otros complejos pueden nombrarse como alcoxi (-) derivados del grupo más complejo.
24 Bloque Temático VI-Alcoholes, fenoles y éteres (www.sinorg.uji.es) 2 3 3 2 3 3 3-etil-2-metoxipentano 3 2 2 2 2 3 1,2-dietoxietano VI.3.1. íntesis de éteres de Williamson Uno de los métodos más empleados en la preparación de éteres implica el ataque N 2 de un ión alcóxido sobre un halogenuro primario, o tosilato de alquilo primario. A este método se le conoce como síntesis de Williamson. X N 2 X alcóxido haluro de alquilo éter omo ejemplo, se indica en la figura 20 la síntesis de Williamson del ciclohexil etil éter. El proceso se compone de dos etapas. En la primera se genera el alcóxido a partir del alcohol y en la segunda tiene lugar la formación del enlace - mediante un proceso N 2. 1º. eacción de formación del alcóxido Na, TF Na ciclohexanol 2º. eacción N2 Na 3 2 I 2 3 NaI ciclohexil etil éter on los halogenuros o tosilatos secundarios los rendimientos del proceso suelen ser bajos y con los terciarios la reacción no funciona, como corresponde a una reacción que tiene que transcurrir a través de un mecanismo N 2. Para la síntesis de fenil éteres hay que emplear al fenol como componente nucleofílico del proceso y nunca como componente electrofílico, puesto que las reacciones N 2 no tienen lugar sobre carbonos con hibridación sp 2. omo los fenoles son más ácidos que los alcoholes alifáticos se puede conseguir la formación del ión fenóxido con Na: 1º Na, 2, TF 2º 3 I 3 fenol fenil metil éter
Química rgánica I-www.sinorg.uji.es 25 VI.3.2. íntesis de éteres por deshidratación de alcoholes El método más barato para la síntesis de éteres simples es la deshidratación bimolecular catalizada por ácidos. La síntesis industrial del dimetil éter ( 3 -- 3 ) y del dietil éter ( 3 2 -- 2 3 ) se efectúa de este modo mediante calentamiento de los correspondientes alcoholes en presencia de 2 4. 2 3 2 2 4, 140º 3 2 2 3 2 etanol dietil éter El mecanismo de este proceso ya se ha explicado en la página 19 de este bloque temático. VI.3.3. eacciones de los éteres con hidrácidos Los éteres no se emplean como intermedios de síntesis debido a su inercia química. in embargo, una de las pocas reacciones que sufren los éteres es la ruptura del enlace - cuando se calientan en presencia de o I. Los productos de la reacción son bromuros o yoduros de alquilo. Por ejemplo, el dietil éter forma bromuro de etilo cuando se trata con. 3 2 2 3 dietil éter exceso 2 2 3 2 bromuro de etilo El mecanismo que explica esta transformación se indica en la figura 21, y se inicia con la protonación del éter, lo que permite el subsiguiente ataque N 2 del ión bromuro. Esta reacción forma bromuro de etilo y etanol, que se convierte también en bromuro de etilo por reacción con el exceso de : 1º. Protonación del éter 3 2 2 3 3 2 2 3 2º. Ataque N 2 del ión bromuro sobre el éter protonado 3 2 2 3 N 2 3 2 3 2 3º. onversión del etanol en bromuro 3 2 3 2 N 2 3 2 2
26 Bloque Temático VI-Alcoholes, fenoles y éteres (www.sinorg.uji.es) Los éteres reaccionan del mismo modo con I. omo el ión yoduro es un nucleófilo más fuerte que el ión bromuro la ruptura del éter con I tiene lugar a mayor velocidad. VI.3.4. Epóxidos Los epóxidos son éteres cíclicos de tres eslabones. La presencia del anillo tensionado de tres eslabone hace que los epóxidos sean mucho más reactivos que los éteres acíclicos, o que los éteres no tensionados. El epóxido más simple es el denominado óxido de etileno, que se prepara industrialmente por oxidación catalítica del etileno con aire. 2, Ag, 250º 2 2 Etileno 2 2 Óxido de etileno VI.3.4.1. íntesis de epóxidos por reacción de alquenos con pe roxiácidos Este tipo particular de éter se puede obtener por reacción de alquenos con peroxiácidos ( 3 ). El peroxiácido reacciona con el alqueno mediante una reacción electrofílica concertada en la que los enlaces se forman y se rompen al mismo tiempo. alqueno peroxiácido estado de transición epóxido ácido La reacción entre la olefina y el peroxiácido tiene lugar mediante un único paso mecanístico y los productos del proceso son el epóxido y el ácido carboxílico. omo la reacción de epoxidación tiene lugar en un solo paso la estereoquímica presente en el alqueno se retiene en el epóxido. El ácido peroxibenzoico (Ph 3 ) y el ácido m-cloroperoxibenzoico (m- l 6 4 3, MPBA) son dos de los reactivos de más empleados en reacciones de epoxidación. 3 Ph 3 3 Ph 2 3 3 enantiómero e puede considerar la epoxidación como una reacción entre el doble enlace nucleofílico y el peroxiácido electrofílico. En este sentido, la epoxidación será más rápida cuanto más nucleofílico sea el doble enlace. omo las cadenas alifáticas ceden densidad electrónica, los dobles enlaces más sustituidos son más nucleofílicos que los menos sustituidos y se epoxidan con más rapidez. Esto permite conseguir reacciones de epoxidación regioselectivas en sustratos que contengan mas de un enlace doble, como en el ejemplo que se da a continuación:
Química rgánica I-www.sinorg.uji.es 27 3 3 MPBA (1 equiv.) 3 3 VI.3.4.2. íntesis de epóxidos a partir de halohidrinas Las halohidrinas se preparan por reacción de los alquenos con disoluciones acuosas de halógenos. uando la halohidrina se trata con una base se produce una reacción N 2 intramolecular que da lugar a un epóxido (figura 23). 1º. Formación de la clorohidrina 2 l 2 2 l - l ion cloronio clorohidrina 2º. eacción de formación del epóxido Na Na N 2 Nal l l epóxido VI.3.5. eacciones de los epóxidos 1) Apertura de epóxidos mediante catálisis ácida. Los epóxidos reaccionan con 2 en medio ácido para formar glicoles con estereoquímica anti. El mecanismo del proceso se indica a continuación, y supone la protonación del oxígeno del anillo epoxídico seguida de un ataque nucleofílico de la molécula de agua: 3 2 2 3 i la reacción anterior se lleva a cabo en un alcohol, el nucleófilo que provoca la apertura del epóxido protonado es el propio alcohol y el producto de la reacción contiene una función éter:
28 Bloque Temático VI-Alcoholes, fenoles y éteres (www.sinorg.uji.es) 3 3 3 3 3 2 2) Apertura de epóxidos en medio básico La gran mayoría de los éteres no participan en reacciones de sustitución o eliminación nucleofílica porque el ion alcóxido es un mal grupo saliente. in embargo, los epóxidos si que participan en reacciones N 2. Los epóxidos tienen una tensión de anillo de unas 25 kcal/mol, que se libera al abrir el anillo y esta tensión es más que suficiente para compensar la formación del alcóxido, que es un mal grupo saliente. En el siguiente diagrama 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 N 2 sobre el epóxido es más rápida al tener menor energía de activación. Ea menor energía tensión de anillo 25 kcal/mol Ea mayor coordenada de reacción Por ejemplo, el óxido de ciclopenteno es capaz de reaccionar con Na acuoso para dar el trans-1,2-ciclopentanodiol. La reacción se explica mediante un ataque N 2 del ión hidróxido sobre el anillo oxiránico seguida de protonación del alcóxido.
Química rgánica I-www.sinorg.uji.es 29 Na N 2 Na Na trans-1,2-ciclopentanodiol 3) rientación en la apertura de epóxidos Los epóxidos simétricamente sustitutidos dan el mismo producto, tanto en la apertura catalizada por ácidos como en la apertura catalizada por bases. in embargo, un epóxido asimétricamente sustituido da productos distintos si las condiciones de apertura son diferentes. Por ejemplo, el 2-metil-1,2-epoxipropano reacciona con etanol en medio ácido para dar el 2- etoxi-2-metil-1-propanol. in embargo, cuando la reacciona se efectúa con etóxido sódico en etanol se obtiene el 1-etoxi-2-metil-2-propanol:, 3 2 2 3 3 2 3 2 3 2-etoxi-2-metil-1-propanol 3 2-metil-1,2-epoxipropano 3 2 Na 3 2 3 2 2 3 3 1-etoxi-2-metil-2-propanol Bajo condiciones de reacción básicas tiene lugar una reacción de apertura del epóxido mediante un mecanismo N 2 y por tanto el nucleófilo ataca al átomo de carbono epoxídico estéricamente menos impedido, como se pone de manifiesto en el siguiente esquema de reacción: Apertura N2 del epóxido en medio básico 3 2 3 N2 2 3 2 3 3 3 2 2 3 2 3 3 2 2 3 3 1-etoxi-2-metil-2-propanol
30 Bloque Temático VI-Alcoholes, fenoles y éteres (www.sinorg.uji.es) Bajo condiciones ácidas, la especie reactiva es el epóxido protonada que se puede representar mediante las tres estructuras resonantes que se dan en la siguiente figura: 3 2 3 2 3 2 3 3 3 I II III La estructura I es la convencional para el epóxido protonado, mientras que en las estructuras II y III se aprecia cómo los carbonos oxiránicos comparten parte de la carga positiva. in embargo, la contribución al híbrido de la resonancia de las estructuras resonantes II y III no es igual. De hecho la estructura II, es un carbocatión terciario y contribuye mucho más al híbrido de resonancia que la estructura III, que es un carbocatión primario. El ataque nucleofílico al epóxido protonado se produce sobre el átomo de carbono con más carga positiva, generalmente el átomo de carbono más sustituido. En el siguiente esquema se describe la apertura regioselectiva del epóxido protonado por el ataque del etanol. 3 3 2 3 2 3 3 2 3 2 2 3 3 3 2 3 2 2 3 4) Apertura de epóxidos con reactivos organometálicos Determinados reactivos organometálicos, como los reactivos de Grignard y los reactivos organolíticos, atacan a los epóxidos dando lugar, después de la hidrólisis de la mezcla de reacción, a alcoholes. omo la reacción sigue un mecanismo N 2 la apertura del epóxido es regioselectiva, como se pone de manifiesto en el siguiente esquema de reacción:
Química rgánica I-www.sinorg.uji.es 31 1º. Apertura N2 del epóxido por ataque nucleofílico del reactivo organometálico Mg 2 3 TF 2 Mg 3 alcóxido 2º. idrólisis del alcóxido 2 Mg 3 2 2 3 alcohol