1 LQUE TEMÁTIC 10 Problemas Problema 10.1. Qué compuestos de los que se indican a continuación estarán más activados que el benceno en la reacción S Er? Los compuestos que contengan grupos electrón-dadores unidos al anillo aromático estarán más activados (reaccionarán a mayor velocidad) que el benceno en la en la reacción SEr. El orden de reactividad, tomando al benceno como punto de referencia, sería el siguiente: Problema 10.2. Qué compuestos de los que se indican a continuación estarán menos activados que el benceno en la reacción S Er? Este problema es similar al anterior. El orden de reactividad, tomando al benceno como punto de referencia, sería el siguiente: Problema 10.3. Qué anillo, ó, será atacado preferentemente cuando cada uno de los compuestos que se indican a continuación sea sometido a una reacción S Er. a) d) 3 C N N 3 C b) e) C 3 N S N c) f) C 3 C3
2 El anillo que será atacado preferentemente en la reacción SEr será el que esté unido a un grupo electrón-dador. En la siguiente figura se indican los anillos que serán atacados preferentemente. a) b) C 3 N S taque S E r en el anillo taque S E r en el anillo taque S E r en el anillo c) 3 C N C 3 d) e) N f) C 3 N 3 C taque S E r en el anillo taque S E r en el anillo taque S E r en el anillo Problema 10.4. El grupo nitroso, cuyo nitrógeno tiene un nivel de oxidación intermedio entre el del grupo nitro y el del grupo amino, es desactivante pero es orto/para dirigente. Con estos datos explique mecanísticamente, mediante la adecuada participación de estructuras resonantes, la reacción anterior. Por qué no se forma el isómero meta? El mecanismo SEr consta de dos etapas. En la primera de ellas se produce el ataque del anillo aromático a la especie electrofílica. Esta reacción forma un carbocatión ciclohexadienilo (catión arenio o intermedio de Wheland) que se estabiliza mediante deslocalización de la carga positiva. En la segunda etapa del mecanismo SEr la especie catiónica recupera la aromaticidad mediante eliminación de un protón. La etapa que determina la velocidad global de la reacción, y la formación de los diferentes isómeros, es la primera. Si este primer paso puede elegir diferentes caminos de reacción se eligirán aquéllos que tengan menor energía de activación. El primer paso del mecanismo SEr es endotérmico, puesto que en este paso se pierde la estabilidad termodinámica asociada a la aromaticidad y, por ello, se pueden estimar cualitativamente las energías de activación de este paso evaluando las estabilidades de los cationes ciclohexadienilo. sí, el carbocatión ciclohexadienilo más estable estará asociado a una menor energía de activación y su formación será preferente en relación con otros carbocationes ciclohexadienilo isoméricos que eventualmente se puedan formar. En el primer paso de la reacción de bromación SEr del nitrosobenceno se pueden formar los intermedios de Wheland que se indican a continuación:
3 Se puede observar en el esquema anterior que los intermedios de Wheland que se forman como consecuencia de los ataques en orto y en para están más estabilizados que el que se forma en el ataque meta, porque aquéllos tienen una estructura resonante más debido a la deslocalización de la carga positiva sobre el átomo de nitrógeno del grupo nitroso. Por tanto, los intermedios de Wheland orto/para se forman con preferencia sobre el intermedio de Wheland meta y son los que explican la formación mayoritaria de los correspondientes productos finales orto/para. Problema 10.5. La cloración del m-xileno forma el 1-cloro-2,4-dimetilbenceno (compuesto ). En esta reacción el 2-cloro-1,3-dimetilbenceno (compuestos ) o el 1- cloro-3,5-dimetilbenceno (compuesto C) se forman en muy poca proporción. Explique por qué el producto mayoritario es el 1-cloro-2,4-dimetilbenceno. El método a seguir para resolver este problema es similar al anterior. En el esquema que se indica más abajo se dibujan las estructuras resonantes asociadas a los intermedios de Wheland que conducen a la formación de los diferentes compuestos. Se puede ver en este esquema que el intermedio de Wheland que formaría el compuesto C es un híbrido de resonancia de tres estructuras resonantes de tipo carbocatión secundario mientras que los intermedios de Wheland que conducen a los compuestos y son híbridos de resonancia de tres estructuras resonantes, dos de ellas de tipo carbocatión terciario y una de ellas de tipo carbocatión secundario. Los carbocationes terciarios son más estables que los secundarios por tanto los intermedios de Wheland que conducen a los compuestos y son más estables que el intermedio de Wheland que formaría el compuesto C y por esta razón el compuesto C se formará en muy poca proporción en la reacción de cloración del m-xileno. Las estructuras resonantes de los intermedios de Wheland asociados a los compuestos y son cualitativamente similares ya que ambos híbridos de resonancia resultan de la contribución de dos estructuras resonantes de tipo carbocatión terciario y una de tipo carbocatión secundario. Sin embargo, el compuesto se forma en muy baja proporción. Esto se explica
4 por el impedimento estérico que experimenta la entrada del electrófilo entre los dos grupos metilo. Esta interacción desestabilizante incrementa la barrera de energía que forma el correspondiente intermedio de Wheland y explica la formación minoritaria del compuesto. Problema 10.6. Cada una de las secuencias sintéticas que se indican a continuación contiene un paso que es erróneo. Indique cuál es y explique por qué es erróneo. Secuencia a. El paso erróneo de la secuencia a es el segundo en el cual se produce un desplazamiento nucleofílico del anión cloruro por el anión bromuro. Esta reacción no puede funcionar ya que las reacciones SN2 solo tienen lugar sobre carbonos con hibridación sp 3 no sobre carbonos con hibridación sp 2. Existe un mecanismo de sustitución nucleofílica en anillos aromáticos denominado SNr, pero este mecanismo tampoco podría funcionar sobre el 1-cloro- 3-(trifluorometil)benceno porque para ello se requiere la presencia de grupos electrónatrayentes en las posiciones orto y/o para con respecto al grupo saliente, lo que no se da en el 1-cloro-3-(trifluorometil)benceno, cuyo grupo triflurometilo electrón-atrayente se encuentra
5 colocado en meta con respecto a grupo saliente. Secuencia b. El paso erróneo de la secuencia b es el primero ya que la nitración se produciría en orto/para con respecto al grupo metoxilo, porque este es un grupo electrón-dador que orienta a orto/para. b) Me N 3, 2 S 4 Me r 2, Fer 3 r Me Paso erróneo N 2 N 2 Secuencia c. Cuando un anillo aromático contiene dos grupos con orientación diferente en la reacción SEr, como en el 1-metil-4-nitrobenceno, es el grupo electrón-dador (en este caso el grupo metilo) el que marca la entrada del electrófilo. Por tanto, el paso erróneo de la secuencia c es el primero ya que la acetilación se producirá en orto con respecto al grupo metilo (la posición para no resulta atacada porque se encuentra bloqueada por la presencia del grupo nitro). Problema 10.7. Proponga un mecanismo que explique la formación de los compuestos enantioméricos y ent- en la reacción entre el t-butilbenceno y el (S)-1,1,1-trideuterio- 2-propanol en presencia de F 3. El mecanismo de la reacción anterior consta de dos etapas claramente diferenciadas. En la primera de ellas se genera el electrófilo, que en este caso es un carbocatión. Este especie se forma por interacción ácido-base de Lewis entre el (S)-1,1,1-trideuterio-2-propanol y el F3, tal y como se puede ver en el siguiente esquema: El carbocatión es plano y en el primer paso del mecanismo SEr es atacado desde ambos lados por el anillo aromático. En el segundo paso del mecanismo se produce la recuperación de la aromaticidad con la consiguiente formación de la mezcla enantiomérica constituida por
6 por y ent-, tal y como se indica en el siguiente esquema: Problema 10.8. Proponga mecanismos que expliquen las siguientes reacciones: partado a. El producto de esta reacción se forma mediante un proceso SEr intramolecular. En primer lugar se genera la especie electrofílica, que es un carbocatión, mediante interacción ácido-base de Lewis entre tricloruro de aluminio y el átomo de cloro del (3-cloro-3- metilbutil)benceno. Sobre la especie carbocatiónica se produce la reacción SEr intramolecular tal y como se indica a continuación:
7 partado b. El compuesto que se forma en este apartado se genera mediante la intervención de un mecanismo SEr intramolecular seguido de un mecanismo de eliminación E1. El mecanismo SEr intramolecular se indica a continuación y se inicia con la activación del grupo carbonilo mediante protonación con el r. Esto permite el ataque nucleofílico intramolecular del anillo aromático y la formación del correspondiente complejo de Wheland el cual, por desprotonación, genera el alcohol tricíclico que se dibuja en el esquema: La eliminación E1 sobre el alcohol resultante del proceso SEr intramolecular conduce al producto final tal y como se describe a continuación:
8 Problema 10.9. Proponga un mecanismo para la siguiente reacción: El mecanismo que opera en la reacción anterior es el SEr pero el grupo que resulta sustituido no es el protón sino un carbocatión t-butilo tal y como se describe a continuación:
9 Problema 10.10. Deduzca mecanísticamente la estructura de los compuestos mayoritarios que se obtendrán en cada una de las siguientes reacciones. N C 3 a) + l 3 (C 14 19 N) + b) C N 3 P 4 + (C 13 15 N) partado a. El producto de esta reacción es el resultante de un proceso SEr. El grupo acetamido orienta a orto/para y es lógico que el compuesto sea el resultante del ataque en para debido al impedimento estérico de las posiciones orto. En primer lugar se genera la especie electrofílica, que es el carbocatión ciclohexilo, mediante interacción ácido-base de Lewis entre el tricloruro de aluminio y el átomo de cloro del clorociclohexano Sobre la especie carbocatiónica se produce la reacción SEr tal y como se indica a continuación: 1) Generación del carbocatión + l 3 + l 4 2) taque nucleofílico del anillo aromático al carbocatión (orientación para) N C 3 N C 3 N C 3 N C 3 N C 3 + 3) Recuperación de la aromaticidad N C 3 N C 3 l + + l 3 (C 14 19 N) partado b. El producto de esta reacción es el resultante de un proceso SEr con entrada el electrófilo en la posición meta que es la posición a la que dirige el grupo ciano. En primer lugar se genera la especie electrofílica, que es también el carbocatión cilcohexilo, pero que en este caso se forma mediante protonación del doble enlace del ciclohexeno. Sobre la especie carbocatiónica se produce la reacción SEr tal y como se indica a continuación:
10 Problema 10.11. La nitración del compuesto proporciona mayoritariamente un único compuesto de mononitración (C 14 19N 2). Cuál será la estructura de? Explique mecanísticamente por qué se forma preferentemente este compuesto (3 puntos). Los productos de la reacción de nitración SEr de pueden ser los dos que se dibujan a continuación, que se han denominado como 1 y 2. Los intermedios de Wheland para la formación de 1 y 2 se indican a continuación: Intermedio de Wheland para la formación del compuesto de 1 N 2 2 N 2 N 2 N Carbc. 2º Carbc. 2º Carbc. 3º Intermedio de Wheland para la formación del compuesto 2 N 2 2 N 2 N 2 N Carbc. 2º Carbc. 3º Carbc. 2º Las estructuras resonantes de los intermedios de Wheland asociados a los compuestos 1 y 2 son cualitativamente similares ya que ambos híbridos de resonancia resultan de la contribución de dos estructuras resonantes de tipo carbocatión secundario y una de tipo carbocatión terciario. Sin embargo, la formación del compuesto 1 presenta un fuerte impedimento estérico debido a la entrada del grupo nitro en orto con respecto al grupo gemdimetilo. Por esta razón, es lógico suponer que el compuesto resultante de la reacción SEr será el 2, por el menor impedimento estérico asociado a la entrada del electrófilo en esta posición
11 Problema 10.12. Para la siguiente reacción S Er: a) Proponga un mecanismo que explique la formación del compuesto. b) Por qué se produce la reacción de bromación en orto/para con respecto al grupo acetamida? Por qué no se obtiene el producto de bromación en orto/para con respecto al grupo metilo? c) Las reacciones S Er requieren, normalmente, del empleo de ácidos protónicos fuertes o ácidos de Lewis que catalicen el proceso. Por qué en la obtención de a partir de no se emplea catalizador, por ejemplo l 3, que sería lo habitual?. partado a. El compuesto es el resultante de un doble proceso SEr cuyo mecanismo se indica a continuación: partado b. En el siguiente esquema se dibujan las estructuras resonantes del intermedio de Wheland correspondiente al ataque en para con respecto al grupo metilo: Se puede observar en el esquema anterior que el número de estructuras resonantes del ataque en para respecto del metilo son sólo 3 y de tipo carbocatiónico. Si esto se compara con las
12 estructuras resonantes del intermedio de Wheland resultante del ataque en para respecto del grupo acetamido, se verá que este ataque genera un intermedio que se describe mediante la participación de 4 estructuras resonantes (1 más que en el ataque en para respecto del metilo). demás, la estructura adicional del intermedio de Wheland del ataque en para respecto del grupo acetamido contiene la carga positiva sobre el átomo de nitrógeno, y esta estructura resonante es la que más contribuye al híbrido de resonancia, ya que en esta estructura todos los átomos de la segunda fila del sistema periódico tienen los octetos completos. Por tanto, el ataque en para con respecto al grupo metilo no puede competir con el ataque en para con respecto al grupo acetamido y el producto de la reacción es el compuesto. El mismo razonamiento sirve para explicar por qué no se produce el ataque en orto con respecto al grupo metilo. En el siguiente esquema se puede ver que este ataque genera también un intermedio de Wheland que se describe únicamente con 3 estructuras resonantes: partado c. La bromación del compuesto (N-(o-tolil)acetamida) no requiere de activación del bromo debido a la elevada nucleofília del anillo aromático, que se ve incrementada por la presencia del grupo acetamido y el grupo metilo, que son grupos electrón-dadores. Problema 10.13. En la reacción de nitración S Er de una serie de sales de amonio se obtiene, para cada uno de los sustratos, el porcentaje de isómero meta que se indica a continuación: Proponga una explicación mecanística para los diferentes porcentajes de isómero meta obtenidos sobre cada sustrato. Los intermedios de Wheland para los ataques en meta y en orto/para sobre el catión trimetilfenilamonio se describen más abajo. El intermedio de Wheland que se genera en el ataque en meta se describe mediante 3 estructuras resonantes, todas ellas de tipo carbocatión secundario. Los intermedios de Wheland que resultan de los ataques en orto y en para sobre el catión trimetilfenilamonio se describen también mediante 3 estructuras resonantes. Sin embargo, cada uno de los intermedios contiene una estructura resonante que coloca dos cargas positivas en átomos contiguos. Estas estructuras resonantes no deben contribuir prácticamente nada al híbrido de resonancia, por lo que los correspondientes intermedios de Wheland deben estar mucho menos estabilizados, debido a la menor deslocalización de la carga positiva. Ello explica porque la reacción SEr sobre el catión trimetilfenilamonio se produce exclusivamente en la posición meta.
13 En el otro extremo se encuentra el catión N,N,N-trimetil-2-feniletan-1-amonio cuya reacción SEr proporciona minoritariamente el producto de ataque en meta. En el esquema de más abajo se indican las estructuras resonantes asociados a los intermedios de Wheland que se generan en los ataque meta y orto/para. Se puede ver en este esquema que el intermedio de Wheland que se forma en el ataque meta es un híbrido de resonancia de tres estructuras resonantes de tipo carbocatión secundario mientras que los intermedios de Wheland que se forman en los ataques orto y para son híbridos de resonancia de tres estructuras resonantes, dos de ellas de tipo carbocatión secundario y una de ellas de tipo carbocatión terciario. Estas estructuras resonantes de tipo carbocatión terciario contribuyen de forma muy significativa al híbrido de resonancia porque las cargas positivas están suficientemente alejadas. Por ello, los intermedios de Wheland que resultan de los ataques en orto y en para son más estables que el del ataque en meta y por esta razón el producto de ataque meta es el minoritario en la reacción. En la zona intermedia se sitúa el catión N,N,N-trimetil-1-fenilmetanamonio. La reacción
14 SEr proporciona mayoritariamente el producto de ataque en meta. En el esquema de más abajo se indican las estructuras resonantes asociados a los intermedios de Wheland que se generan en los ataque meta y orto/para. Se puede ver en este esquema que el intermedio de Wheland que se forma en el ataque meta es un híbrido de resonancia de tres estructuras resonantes de tipo carbocatión secundario mientras que los intermedios de Wheland que se forman en los ataques orto y para son híbridos de resonancia de tres estructuras resonantes, dos de ellas de tipo carbocatión secundario y una de ellas de tipo carbocatión terciario. Sin embargo, las estructuras resonantes de tipo carbocatión terciario contienen dos cargas positivas relativamente cercanas por lo que su contribución al híbrido de resonancia será escasa. Por ello, el intermedio Wheland del ataque en meta es más estable que los de los ataques en orto y en para y por esta razón el producto de ataque meta es el mayoritario en la reacción. C 3 N C 3 C 3 E C 3 N C 3 C 3 taque en meta C 3 N C 3 C 3 C 3 N C 3 C 3 E E E Carboc. 2º Carboc. 2º Carboc. 2º taque en orto C 3 C 3 C 3 C 3 N C 3 C 3 E N C 3 C 3 E Carboc. 2º N C 3 C 3 E Carboc. 2º N C 3 C 3 E Carboc. 3º taque en para C 3 N C 3 C 3 E C 3 N C 3 C 3 C 3 N C 3 C 3 E E E N C 3 C 3 Carboc. 2º Carboc. 3º Carboc. 2º C 3 Problema 10.14. La reacción del benceno con el alcohol deuterado, en presencia del ácido de Lewis F 3, produce una mezcla de los compuestos y C. Explique la formación de los compuestos y C. El mecanismo de la reacción anterior se inicia con la generación de la especie electrofílica que se forma por interacción ácido-base de Lewis entre el alcohol y el F3. Esta reacción genera un carbocatión secundario el cual, mediante transposición 1,2-, se convierte en otro carbocatión secundario. Como los dos carbocationes son de igual estabilidad el proceso de transposición es una reacción de equilibrio, tal y como se puede ver en el siguiente esquema.
15 Como el proceso anterior forma dos carbocationes la reacción SEr del benceno formará dos productos mediante el mecanismo que se indica a continuación: Reacción S E r 1) taque nucleofílico del benceno a los carbocationes C 3 D C 3 D C 3 C 3 D C 3 C 3 D C 3 C 3 C 3 D C 3 C 3 C 3 C 3 C 3 C 3 C 3 D D D 2) Recuperación de la aromaticidad D C 3 C 3 D C 3 C 3 F 3 + 2 + F 3 + C 3C3 C 3C3 D F 3 D C + 2 + F 3 Problema 10.15. Explique mecanísticamente la conversión del ácido en la tetralona. C 1) S 2, tolueno 2 ) l 3, CS 2 Cuando el compuesto se trata con cloruro de tionilo se forma el correspondiente cloruro de ácido. El tratamiento de este compuesto con l3 provoca la reacción SEr intramolecular que conduce a la formación del compuesto, tal y como se indica en el siguiente esquema (en el paso b del proceso SEr sólo se dibuja una estructura resonante del complejo de Wheland).
16 La reacción SEr intramolecular es regioselectiva ya que el proceso de ciclación tiene lugar sobre el anillo de fenilo y no sobre el anillo de diclorofenilo. Esto se debe a que el anillo de fenilo es más nucleofílico que el anillo de diclorofenilo, debido al efecto electrón-atrayente de los dos átomos de cloro en este último anillo. Problema 10.16. La tetralona del problema anterior se puede sintetizar mediante la secuencia de reacciones que se indica a continuación: Explique mecanísticamente las reacciones S Er implicadas en la secuencia anterior. La primera reacción de la secuencia sintética es una SER. Su mecanismo se inicia con la generación de la especie electrofílica por interacción del anhídrido succínico con el tricloruro de aluminio. Luego se produce el ataque nucleofílico del anillo de 1,2-diclorofenilo sobre la especie electrofílica. El ataque tiene lugar con orientación para con respecto de uno de los átomos de cloro, ya que la orientación orto tiene impedimento estérico. El mecanismo del proceso se indica a continuación:
17 1) Generación de la especie electrofílica. 3 l 3 l + l 3 2) Reacción S E r a) 3 l -l 3 -l 3 -l 3 -l 3 b) -l 3 + + l 3 El último paso de la secuencia sintética, que forma la tetralona, consta de dos reacciones SEr consecutivas: la primera de ellas es intermolecular y la segunda es intramolecular. El mecanismo de la SEr intermolecular es el siguiente: 1) Generación de la especie electrofílica + 2 S 4 + S 4 2) Reacción S E r intermolecular a) C C C b) C C + S 4 + 2 S 4
18 Los pasos mecanísticos de la reacción SEr intramolecular se dibujan en el siguiente esquema: