UNIDAD IV: REACCIONES DE SUSTITUCIÓN NUCLEOFÍLICA Y ELIMINACIÓN PRIMERA PARTE: MECANISMOS. Química Orgánica I USAC Primer Semestre 2017 Sección D

Documentos relacionados
DERIVADOS HALOGENADOS. Estructura

Reacciones de Eliminación 26/06/2012

F FA AC C U ULTAD LTAD D D E

Lección 9: HALUROS DE ALQUILO I

Ecuación de Hammett 1

REACTIVIDAD DE LOS COMPUESTOS ORGÁNICOS

TEMA 02 CONVERSIÓN, TERMODINÁMICA, CINÉTICA REACTIVIDAD

UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS QUIMICA FARMACÉUTICA ORGANICA III ACIDOS CARBOXILICOS

MOMENTO DIPOLAR DE ENLACE. La polaridad de un enlace se mide con el momento dipolar de enlace, µ.

Los enlaces C F son polares pero la geometría tetraédrica

Lección 11: HALUROS DE ALQUILO III

Adición. Eliminación. Sustitución

Estructura del grupo carbonilo

Tema 11. CONCEPTOS FUNDAMENTALES EN QUÍMICA ORGÁNICA

IES Atenea (S.S. de los Reyes) Departamento de Física y Química. PAU Química. Septiembre Fase específica OPCIÓN A

MÓDULO A: ácido-base y espectroscópicas de los compuestos orgánicos

Tema 12. PREPARACIÓN DE ALQUENOS

Desconexión del cloruro de t-butilo

TEMA 8. MECANISMOS DE LAS REACCIONES ORGÁNICAS

UNIDAD IV ALCOHOLES. Alcoholes: Usos, propiedades y aplicaciones. Pte. M. en C.Q. Macaria Hernández Chávez

IES Atenea (S.S. de los Reyes) Departamento de Física y Química. PAU Química. Junio 2008 PRIMERA PARTE

QUÍMICA. 2º Bachilerrato orgánica Estereoisomería:

SGUICEL009QM11-A16V1. Ácido base I: conceptos y teorías

JUNIO FASE GENERAL QUÍMICA. OPCIÓN A

LA TABLA PERIÓDICA. 1

PROBLEMAS RESUELTOS SELECTIVIDAD ANDALUCÍA 2010 QUÍMICA TEMA 3: ENLACES QUÍMICOS

Unidad 1 (Parte XXIII) Adición de Alcoholes a Alquenos. Adición sigue la ley de Markovnikov No presenta estéreoselectividad.

Material elaborado por F. Agius, O. Borsani, P.Díaz, S. Gonnet, P. Irisarri, F. Milnitsky y J. Monza. Bioquímica. Facultad de Agronomía.

2x = x = M. 100 = α = % NOCl eq K C =

Hibridación de orbitales.

Definición Bronsted-Lowry

2.- Enuncie los principios o reglas que controlan el llenado de los niveles de energía atómicos permitidos.

Reacciones de Sustitución Electrofílica Aromática (S E Ar) Halogenación: Bromación y Cloración. Alquilación de Friedel-Crafts

ACADEMIA DE QUÍMICA TURNO VESPERTINO

SOLUCIONARIO Guía Estándar Anual

CONJUGACIÓN, RESONANCIA Y ESTABILIDAD DE ALQUENOS

PROPIEDADES PERIÓDICAS DE LOS ELEMENTOS. LA TABLA PERIÓDICA.

ORGÁNICA I. 1.- Escribir y nombrar el compuesto obtenido por reacción entre a) el ácido acético y el 2-propanol. b) cloruro de acetilo con agua.

Unidad 1 (Parte XXIII) Adición de Alcoholes a Alquenos. Adición sigue la ley de Markovnikov No presenta estéreoselectividad.

IES Atenea (S.S. de los Reyes) Departamento de Física y Química. PAU Química. Septiembre 2006 PRIMERA PARTE

PRIMERAS CLASIFICACIONES PERIÓDICAS

OTRAS REACCIONES DE LOS ALCOHOLES

UNIVERSIDADES PÚBLICAS DE LA COMUNIDAD DE MADRID

C/ Fernando Poo 5 Madrid (Metro Delicias o Embajadores).

ALCOHOLES. Estructura: grupo

Capítulo 4. Reacciones orgánicas.

H 2 SO 4 + Cu CuSO 4 + SO 2 + H 2 O. SO H e - SO H 2 O. Cu Cu e - Cu Cu e - +

Carbocationes. sp 3. Formación de Carbocationes

Actividad: Cómo ocurren las reacciones químicas?

GUÍA DE EJERCICIOS # 17 PRINCIPIOS DE REACTIVIDAD EN QUÍMICA ORGÁNICA Y TIPOS DE REACCIONES

Colegio San Lorenzo - Copiapó - Región de Atacama Per Laborem ad Lucem

C Cl 2sp 3 3p. C Br 2sp 3 4p C X = C X

TEMA 6. LAS REACCIONES EN EL ENLACE COVALENTE

Reactividad de los compuestos orgánicos: Aspectos cinéticos y termodinámicos Tema 9

ESTRUCTURA, VALORACIÓN Y CONTENIDOS DEL EXAMEN DE QUÍMICA DE LAS PRUEBAS DE ACCESO A LA UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE CARTAGENA PARA MAYORES DE 25 AÑOS.

La tabla periódica es la estrella orientadora para la exploración en el capo de la química, la física, la mineralogía y la técnica.

TEMA 4. ESTRUCTURA DE LAS MOLÉCULAS ORGÁNICAS

IES Atenea (S.S. de los Reyes) Departamento de Física y Química. PAU Química. Junio 2009 PRIMERA PARTE

Ácido carboxílico Halogenuro de ácido Anhídrido de ácido Ester Amida O O R SR' O - R O O -

ESTRUCTURA DE LA MATERIA QCA 01 ANDALUCÍA. 1.- Defina: a) Energía de ionización. b) Afinidad electrónica. c) Electronegatividad.

SEGUNDO DE BACHILLERATO QUÍMICA. a A + b B c C + d D

CINÉTICA QUÍMICA. Dr. Hugo Cerecetto. Prof. Titular de Química

ESTRUCTURA DE LA MATERIA QCA 05 ANDALUCÍA

Biopolímero s (4831)

Las que tienen relación con el de tamaño: LAS PROPIEDADES PERIÓDICAS. Se pueden separar en dos grupos: PERIODICIDAD

Capacidad de combinación. Capacidad de combinación La última capa de electrones de un átomo, se le conoce como capa de electrones de valencia

TEMA 7: REACCIONES DE TRANSFERENCIA DE PROTONES

Enlace Químico. Colegio San Esteban Diácono Departamento de Ciencias Química Iº Medio Prof. Juan Pastrián / Sofía Ponce de León

Plan de Estudios Licenciatura en Química

Tabla Periódica y Propiedades Periódicas

Fuerzas Intermoleculares. Materia Condensada.

Guía Temática de Química

Clase 17: Reactividad de los Haluros de Alquilo y algo de estereoquímica en Reacciones

QUÍMICA. OPCIÓN A. 1. (2,5 puntos)

ACIDOS Y BASES. QUÍMICA ORGÁNICA I (Q) Facultad de CC.QQ. y Farmacia USAC Segundo Semestre 2014

UNIDAD 2. CINÉTICA QUÍMICA

QUÍMICA.SEPTIEMBRE (FE). OPCIÓN A

Enlaces químicos I: conceptos básicos. Capítulo 9

PRÁCTICA 15 CÁLCULO TEÓRICO Y EXPERIMENTAL DE ph DE DISOLUCIONES DE ÁCIDOS, BASES Y SALES. DISOLUCIONES REGULADORAS.

1.- Reactividad de los compuestos orgánicos: Aspectos cinéticos y termodinámicos

PRUEBA ESPECÍFICA PRUEBA 201

GUÍA DE EJERCICIOS CONCEPTOS FUNDAMENTALES

Composición química de los seres vivos

TEMA 8 SISTEMA PERIÓDICO Y ENLACES

Elementos ordenados según su número atómico (Z, número de p + ) Hay 18 PERÍODOS

Física y Química 3º ESO

Departamento de Ciencia y Tecnología QUIMICA 1. Comisión B. Dra. Silvia Alonso Lic. Evelina Maranzana

Reacciones de reducción

Interacciones químicas de no enlace. Fuerzas de van der Waals

Guía para el docente

JUNIO FASE ESPECÍFICA. QUÍMICA. OPCIÓN A

FÍSICA Y QUÍMICA 3º ESO ACTIVIDADES DE RECUPERACIÓN

Conceptos basicos del equilibrio de quimico en medio acuoso

Prefacio... ix COMO UTILIZAR ESTE LIBRO... 1 QUE ES LA QUIMICA... 2 EL METODO CIENTIFICO... 3 LAS RAMAS DE LA QUIMICA... 3

BALANCEO DE ECUACIONES QUÍMICAS

Modelo Pregunta 1A a) b) Septiembre Pregunta A1.- a) b) c) d) Junio Pregunta 1A a) b) c) d) Solución. Modelo Pregunta 1B.

QUÍMICA. [ΔH afinidad Cl(g)] = -349 kj mol -1 (0,25 puntos) K + (g) + Cl - (g)

2ª Parte: Estructura y reactividad de

UNIVERSIDADES PÚBLICAS DE LA COMUNIDAD DE MADRID PRUEBA DE ACCESO A LAS ENSEÑANZAS UNIVERSITARIAS OFICIALES DE GRADO.

Concepto de ph. Bases

Transcripción:

UNIDAD IV: REACCIONES DE SUSTITUCIÓN NUCLEOFÍLICA Y ELIMINACIÓN PRIMERA PARTE: MECANISMOS Química Orgánica I USAC Primer Semestre 2017 Sección D

Familias de compuestos que sufren reacciones de Sustitución Nucleofílica Halogenuros de alquilo Alcoholes Éteres alifáticos

El enlace C-X y C-O- El enlace C-X y C-O- es un enlace polar. El carbono es un sitio deficiente en electrones y reaccionará con reactivos nucleofílicos (bases de Lewis)

Reacción de sustitución: ecuación general C-G + :Nu C-Nu + :G Carbono sp3 deficiente en electrones (ᵟ+). Es el sitio reactivo de la molécula Reactivo nucleofílico (base de Lewis) neutro o aniónico Producto de sustitución Grupo saliente: es una base de Lewis MAS DÉBIL que :Nu Además debemos considerar el disolvente con el cual se trabaja y la temperatura de reacción, es decir, las condiciones de reacción

(En casos como los anteriores, cuando el nucleófilo presenta carga negativa, se sobreentiende que hay un catión en el medio para balancear las cargas,(p.ej. Na +, K + ) pero puesto que la identidad del mismo no tiene consecuencias, generalmente se omite en el momento de escribir las ecuaciones.)

Los nucleófilos Nucleófilos y bases son estructuralmente similares: poseen pares de electrones libres para compartir. Se diferencian en los átomos a los que atacan preferentemente. Las bases atacan protones. Los nucleófilos atacan otros átomos deficientes en electrones, por lo general átomos de carbono.

Basicidad y nucleofilia Basicidad es una medida de la facilidad con la que un átomo dona su par de electrones a un protón. Se puede medir mediante Ka, una constante de equilibrio en una reacción ácido base, por lo que se puede considerar una propiedad termodinámica. Nucleofilia es una medida de la facilidad con la que un átomo dona su par de electrones a otro átomo (distinto del protón). Se caracteriza por su constante de velocidad, k, por lo que se considera una propiedad cinética.

Fuente: McMurry, J. (2000) Organic Chemistry. 5th. Ed. Thomson

Nucleofilia y basicidad La nucleofilia va paralela con la basicidad en tres situaciones: Dos nucleófilos diferentes pero que tienen el mismo átomo nucleofílico: la base mas fuerte será mejor nucleófilo: Si comparamos HO - (pka de H 2 O 15.7)y CH 3 COO - (pka de CH 3 COOH 4.8) vemos que el hidroxilo es una base mas fuerte y será mejor nucleófilo. Un nucleófilo con carga negativa es un nucleófilo más fuerte que su ácido conjugado HO - es una base mas fuerte y mejor nucleófilo que H 2 O

Nucleofilia y basicidad Para elementos del mismo período (fila), la nucleofilia aumenta paralela a la basicidad Para elementos del segundo período con la misma carga

Nucleofilia y basicidad: diferencias El impedimento estérico es un factor importante en algunos casos. Bases voluminosas (impedidas estéricamente) son malos nucleófilos, aunque la fuerza básica no se ve afectada. Se consideran bases no nucleofílicas.

Nucleofilia y basicidad: diferencias El disolvente en el cual se lleva a cabo la reacción afectará la nucleofilia del reactivo. Disolventes polares próticos como el agua y los alcoholes, son aquellos capaces de formar puentes de hidrógeno y de solvatar aniones (y cationes). Disolventes polares apróticos, como la acetona y el dimetilsulfóxido (DMSO), no tienen protones disponibles para formar puentes de hidrógeno y no solvatarán aniones, pero sí pueden solvatar cationes.

Disolventes polares próticos. Afectan la nucleofilia de la siguiente manera: Para elementos de una misma columna Aumento de la nucleofilia en DISOLVENTES POLARES PRÓTICOS. (orden inverso de basicidad) En disolventes polares próticos, la nucleofilia aumenta al aumentar el tamaño del ión (en elementos de la misma columna de la tabla periódica)

Los disolventes polares próticos son capaces de solvatar tanto aniones como cationes.

Disolventes polares apróticos La nucleofilia se mantiene paralela a la basicidad para elementos de la misma comuna: Al no solvatar a los aniones, éstos resultan más disponibles como nucleófilos.

Los aniones quedan sin solvatar, pero los cationes son solvatados por disolventes polares apróticos.

Disolventes polares próticos comunes: Disolventes polares apróticos:

Cuando el nucleófilo inicial es neutro, generalmente el producto de sustitución presenta una carga positiva: Si el nucleófilo inicial es neutro y el producto presenta un H unido a N o a O, generalmente se da una transferencia de protones para dar como resultado un producto neutro.

GRUPO SALIENTE La basicidad del elemento disminuye de izquierda a derecha en una fila o período de la tabla periódica, así, aumenta la estabilidad del grupo saliente La basicidad del elemento disminuye hacia abajo en una columna de la tabla periódica, así, aumenta la estabilidad del grupo saliente.

El grupo saliente Podemos definirlo como el átomo o grupo de átomos que son desplazados por el nucleófilo. Este grupo desplazado, partirá con su par de electrones ya que las reacciones que veremos se llevan a cabo mediante rupturas de enlace heterolíticas. El grupo saliente debe ser capaz de estabilizar la densidad electrónica resultante de esa ruptura heterolítica. El grupo saliente será una especie estable.

Grupo saliente Un mal grupo saliente puede transformarse en un buen grupo saliente mediante una reacción previa. Esto es de utilidad sobre todo en el caso de los alcoholes, ya que el HO - es un mal grupo saliente:

Otra alternativa es trabajar en medio ácido, de esta manera el alcohol se protona y el grupo saliente sería agua, pero no se puede emplear nucleófilos cargados negativamente en esas condiciones.

Los datos anteriores nos indican que se trata de una reacción compleja, puesto que se han obtenido productos tanto de sustitución (alcohol) como de eliminación (alquenos) Los datos de actividad óptica indican que el alcohol en realidad es una mezcla de enantiómeros, uno en mucha mayor proporción que otro. La concentración del nucleófilo determina la velocidad de reacción, por lo que debe estar involucrado en el paso determinante de la reacción

Un análisis detallado de los productos de la reacción da los siguientes resultados

Formación del producto mayoritario S-2- octanol La única explicación para el hecho de obtener un producto con inversión de la configuración implica que el nucleófilo debe aproximarse al sitio reactivo del lado opuesto a donde se encuentra el grupo saliente. La reacción es estereoespecífica. La cinética de la reacción debe tener esta expresiön: Velocidad = k[ C 8 H 17 Br ][ OH - ] mol L-1 s-1 Puesto que la concentración del nucleófilo afecta la velocidad de reacción

Estereoquímica de la reacción SN2

Sustitución Nucleofílica Bimolecular En el estado de transición de SN2 el carbono que sufre el ataque está momentáneamente pentacoordinado, en hibridación sp 2

Efecto estérico en SN2

Reactividad del sustrato en SN2

Perfil de energía de una SN2

Efecto del disolvente en SN2 O C H 3 C CH 3 Acetone H 3 C N CH 3 O C H DMF Dimethylformamide H 3 C O S CH 3 DMSO Dimethyl Sulfoxide (H 3 C) 2 N O P N(CH 3 ) 2 N(CH 3 ) 2 HMPA Hexamethylphosphoramide

Características del sustrato: grupo saliente. Los grupos salientes deben cumplir las siguientes características: Electronegativos, porque así polarizan el enlace con el carbono. Polarizables, porque así estabilizan el estado de transición. Bases débiles (estables) una vez que se liberan.

Características de una reacción SN2 Característica Estereoquímica Cinética Sustrato Grupo saliente Disolvente Resultado Ocurre con inversión de la configuración De segundo orden, la velocidad se ve afectada por la concentración de reactivo y de sustrato Sin impedimento estérico. Los factores electrónicos no son importantes Debe ser un buen grupo saliente (base débil) Polar aprótico favorece la reacción

Por qué se forman los otros productos en nuestro experimento? Debe haber otros mecanismos de reacción que justifican la aparición de otros productos. Estos mecanismos compiten entre sí por el sustrato, que en este caso es un halogenuro de alquilo secundario.

La reacción S N 1 En esta reacción, se forma un intermediario reactivo (un carbocatión) Sigue una cinética de primer orden v=k[sustrato] Ocurre con racemización del centro reactivo.

Racemización en la S N 1

El sustrato Los efectos electrónicos son importantes, porque se trata de estabilizar al intermediario reactivo (un carbocatión). Por lo tanto, la reactividad del sustrato será la inversa de la que corresponde a una S N 2:

Estabilidad de los carbocationes

Grupos alílicos y bencílicos Son igualmente reactivos frente a reacciones S N 2 y S N 1. Se muestra la energía necesaria para romper el enlace C-halógeno.

El disolvente: polar prótico Al solvatar el carbocatión, lo estabilizan.

El nucleófilo Los nucleófilos neutros (sin carga neta) favorecen la reacción S N 1. Nucleófilos como agua, alcoholes, aminas o amoniaco además tendrán la función de disolventes polares próticos y la reacción será una solvólisis. Los efectos del nucleófilo son mas evidentes en sustratos secundarios, ya que éstos pueden reaccionar por cualquiera de los dos mecanismos, y las condiciones de reacción favorecerán uno u otro.

Grupo saliente Debe cumplir las mismas características que para la S N 1

S N 1 S N 2 Buenos grupos salientes (bases débiles) favorecen la reacción. El efecto electrónico es determinantes en la velocidad de reacción: sustratos más sustituidos reaccionarán más rápido porque el carbocatión formado es más estable. El carbocatión puede sufrir reordenamientos si con eso incrementa su estabilidad. Buenos grupos salientes (bases débiles) favorecen la reacción. El efecto estérico es determinante en la velocidad de reacción: sustratos poco sustituidos reaccionarán más rápido, porque no impiden el ataque del nucleófilo.

S N 1 S N 2 El nucleófilo debe ser una base de Lewis. Los nucleófilos neutros son efectivos. La concentración del nucleófilo no afecta la velocidad de reacción, porque se sigue una cinética de primer orden: V=k[sustrato] El nucleófilo debe ser una base de Lewis. Los nucleófilos neutros son menos efectivos que los cargados. La concentración del nucleófilo sí afecta la velocidad de reacción, porque se sigue una cinética de segundo orden: v=k[sustrato][:nu]

S N 1 S N 2 Los disolventes polares próticos favorecen la reacción, pudiendo funcionar también como nucleófilos en reacciones de solvólisis. El disolvente polar prótico estabilizará al estado intermediario y al carbocatión. Los disolventes polares apróticos favorecen la reacción. Al no formarse cargas netas, no hay necesidad de estabilizar cationes. Un disolvente prótico puede enmascarar al nucleófilo y disminuir la velocidad de la reacción

S N 1 S N 2 La reacción sigue un mecanismo de dos pasos Puesto que el intermediario reactivo es plano, se produce con racemización del producto. La reacción sigue un mecanismo de un paso. Como el ataque del nucleófilo se da del lado opuesto a donde se encuentra el grupo saliente, se produce con inversión de la configuración en el producto.

Sustrato S N 1 S N 2 metil primario secundario terciario Nunca se da en disolución. Nunca se da en disolución. Lenta. Se acelera con un buen grupo saliente y en disolventes próticos. Muy rápida, sobre todo en disolventes polares próticos y con buenos grupos salientes. Muy rápida con buenos nucleófilos y buenos grupos salientes. Igual al anterior. Difícil cuando el carbono contiguo está ramificado. Lenta. Se acelera con una concentración alta de un buen nucleófilo y en disolventes apróticos. Extremadamente lenta.

Reacciones de eliminación. Darán como producto un compuesto con un doble enlace carbono-carbono. Eliminarán una molécula pequeña, neutra (sin carga), como HX, H 2 O, ROH. Compiten con las sustituciones. Se ven favorecidas por temperaturas elevadas.

Los carbocationes pueden a. Reaccionar con el Grupo Saliente y regenerar el sustrato. b. Reaccionar con el Nucleófilo y formar el producto de sustitución. c. Reordenarse para dar un carbocatión más estable y luego, seguir reaccionando como en a o b. d. Perder un protón y formar un producto de eliminación E1 (eliminación unimolecular): En la E1 se pierde tanto el Grupo Saliente como un protón. El nucleófilo actúa también como una base. Se forman tanto los productos de sustitución como los de eliminación.

Mecanismo de la E1 Primer paso: formación del carbocatión. Segundo paso: la base abstrae un protón del carbocatión y se forma un doble enlace.

Qué tipo de alqueno se forma? Se forma el alqueno más estable (más sustituido) como producto mayoritario (Regla de Zaitzev).

Eliminación bimolecular E2 Es un ejemplo de una reacción concertada. Requiere de una base fuerte y con impedimento estérico, para disminuir la nucleofilicidad. La reactividad de los sustratos es 3 >2 >1 El producto mayoritario sigue la regla de Zaitzev.

Consideraciones de estereoquímica El grupo saliente y el protón deben formar un ángulo de 180 entre sí, para que la reacción pueda darse. Este arreglo anti-coplanar disminuye cualquier impedimento estérico entre el grupo saliente y la base y Alinea los orbitales del hidrógeno y el grupo saliente para que se pueda formar el doble enlace.

Referencias Ver los libros de texto recomendados en el programa.