U N I V . W I E N E R F A C U L T A D D E

F A R M A C I A Y B I O Q U I M I C A

[ E s c r i b i r l a d i r e c c i ó n d e l a c o m p a ñ í a ]

[ E s c r i b i r e l n ú m e r o d e t e l é f o n o ]

[ E s c r i b i r e l n ú m e r o d e f a x ]

[ S e l e c c i o n a r f e c h a ]

AUTOR: MsC. DANILO CHAVEZ ROJAS

MODULO QUIMICA ORGANICA

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MODULO DE APRENDIZAJE

UNIDAD ACADEMICA: FARMACIA Y BIOQUIMICA

ASIGNATURA: QUIMICA ORGANICA I

AUTOR(ES): MsC. DANILO CHAVEZ ROJAS

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INDICE

1) NOMENCLATURA DE ALCANOS2) a) NOMENCLATURA DE ALQUENOS

b) NOMENCLATURA DE ALQUINOS3) NOMENCLATURA DE COMPUESTOS BICICLICOS Y CICLICOS4) ACIDOS CARBOXILICOS Y DERIVADOS5) NOMENCLATURA DE ALCOHOLES6) NOMENCLATURA DE AMIDAS,ESTERES, LACTONAS Y

LACTAMAS.7) NOMENCLATURA DE HALUROS DE ALQUILO Y

AMINAS 8) SEMANA DE EXAMENES 9) REACCIONES DE ALCANOS, MECANISMO POR RADICALES   LIBRES. 10) DESHIDRATACION Y DESHIDROHALOGENACION DE HALUROS DE ALQUILO. 11) SUSTITUCION NUCLEOFILICA Sn1, Sn2 12) HIBRIDACION Y ANALISIS CONFORMACIONAL 13) ISOMERIA CONFIGURACIONAL Y ACTIVIDAD OPTICA. 14) CONFIGURACION ABSOLUTA (R, S) ENANTIOMEROS. 15) DIASTEROMEROS .

4

INTRODUCCION

La Química Orgánica

¿Qué es la química orgánica?

La química orgánica es la química del carbono y de sus compuestos.

Importancia de la química orgánica

Los seres vivos estamos formados por moléculas orgánicas, proteínas, ácidos nucleicos, azúcares y grasas. Todos ellos son compuestos cuya base principal es el carbono. Los productos orgánicos están presentes en todos los aspectos de nuestra vida: la ropa que vestimos, los jabones, champús, desodorantes, medicinas, perfumes, utensilios de cocina, la comida, etc.

Desarrollo sostenible y la química orgánica

5

Los productos orgánicos han mejorado nuestra calidad y esperanza de vida. Podemos citar una familia de compuestos que a casi todos nos ha salvado la vida, los antibióticos. En ciertos casos, sus vertidos han contaminado gravemente el medio ambiente, causado lesiones, enfermedades e incluso la muerte a los seres humanos. Fármacos como la Talidomida, vertidos como el de Bhopal en la India ponen de manifiesto la parte más negativa de de la industria química.

¿Cómo se construyen las moléculas?

La parte más importante de la química orgánica es la síntesis de moléculas. Los compuestos que contienen carbono se denominaron originalmente orgánicos porque se creía que existían únicamente en los seres vivos. Sin embargo, pronto se vio que podían prepararse compuestos orgánicos en el laboratorio a partir de sustancias que contuvieran carbono procedentes de compuestos inorgánicos. En el año 1828, Friedrech Wöhler consiguió convertir cianato de plomo en urea por tratamiento con amoniaco acuoso. Así, una sal inorgánica se convirtió en un producto perteneciente a los seres vivos (orgánico). A día de hoy se han sintetizado más de diez millones de compuestos orgánicos.

Grupos funcionales en química orgánica

Esta trabajo comienza con el estudio de los alcanos, los compuestos más simples de la química orgánica, formados sólo por carbono e hidrógeno. Se describe su nomenclatura, propiedades físicas y reactividad. Después se estudian los cicloalcanos, especialmente el ciclohexano. En el tema de estereoisomería se consideran las distintas formas espaciales que los compuestos pueden adoptar y las relaciones que existen entre ellos. Continuamos el estudio de la química orgánica con dos reacciones básicas: sustitución y eliminación, que son la base para la obtención de gran parte de los compuestos orgánicos. A partir de este punto se describen los principales tipos de compuestos orgánicos clasificados según su reactividad: alquenos, alquinos, alcoholes, éteres, aldehídos, cetonas, benceno, ácidos carboxílicos, haluros de alcanoilo, anhídridos, ésteres, nitrilos, amidas, aminas........

Modelos moleculares

Es muy importante en química orgánica desarrollar la visión espacial, para poder imaginar la forma espacial que tiene una molécula dibujada en el plano. Los modelos moleculares como el incluido en esta portada

6

permiten visualizar la molécula en el espacio, girarla, pulsar sobre un átomo e identificarlo en la barra de estado del explorador. Al pulsar con el botón derecho del ratón sobre la molécula se despliega un menú con múltiples opciones. Si no puedes visualizar las moléculas debes descargar el chime en www.mdl.com

TEMA 1: NOMENCLATURA DE ALCANOS

1.1COMPETENCIAS A DESARROLLAR: El alumno será capaz de nombrar con nomenclatura IUPAC los diferentes alcanos.

1.2 CONTENIDO: Nomenclatura de Alcanos

Estructura del nombre

El nombre de un alcano está compuesto de dos partes, un prefijo que indica el número de carbonos de la cadena seguido del sufijo -ano que caracteriza este tipo de compuestos, (met-ano, et-ano, prop-ano, but-ano).

Elección de la cadena principal

Encontrar y nombrar la cadena más larga de la molécula. Si la molécula tiene dos o más cadenas de igual longitud, la cadena principal será la que tenga el mayor número de sustituyentes.

Numeración de la cadena principal

7

Numerar los carbonos de la cadena más larga comenzando por el extremo más próximo a un sustituyente. Si hay dos sustituyentes a igual distancia de los extremos, se usa el orden alfabético para decidir cómo numerar.

Formación del nombre

El nombre del alcano se escribe comenzando por el de los sustituyentes en orden alfabético con los respectivos localizadores, y a continuación se añade el nombre de la cadena principal. Si una molécula contiene más de un sustituyente del mismo tipo, su nombre irá precedido de los prefijos di, tri, tetra, ect.

1.3 PREGUNTAS DE APLICACION

Problema 1

Da el nombre IUPAC de la siguiente molécula:

Solución - Problema 1

8

Problema 2

Da el nombre IUPAC de la siguiente molécula:

Solución - Problema 2

Problema 3

Da el nombre IUPAC de la siguiente molécula:

Solución - Problema 3

9

1.4 ANEXOS

DodecaedranoModelo molecular del Dodecaedrano : la síntesis total del dodecaedrano fue realizada en 1983 por Leo A. Paquette , Robert J. Ternansky, Douglas W. Balogh y Gary Kentgen .

CubanoModelo molecular del cubano: sólido cristalino sintetizado en 1964 por el profesor Philip Eaton de la Universidad de Chicago

10

TEMA 2: NOMENCLATURA DE ALQUENOS Y ALQUINOS2.1 COMPETENCIAS: Realizar la nomenclatura de alquenos y alquinos.

2.2 CONTENIDO: NOMENCLATURA DE ALQUENOS.

Para nombrar los alquenos, es necesario: Se busca la cadena más larga que contenga el doble enlace. La cadena se numera de tal forma que al doble enlace le queden los

números localizadores más pequeños posibles (excepto cuando hay otra función que domine)

Si hay sustituyentes, se les asigna los números localizadores que les correspondan. En caso de haber dos numeraciones equivalentes, se tomará aquella que da los números localizadores más pequeños a los sustituyentes.

En cicloalquenos, la numeración comienza por el doble enlace y se sigue el sentido de giro que da los números localizadores más pequeños posibles a los sustituyentes.

11

4-Metil-2-hexeno 2-Metil-3-hexeno

3-Bromociclohexen

o

2-Propen-1-ol (alcohol alílico)

En alquenos disustituidos hay que anteponer la estereoquímica cis ó trans de los sutituyentes.

cis-1,2-Dibromoeteno (ileno)

trans-3-Ciclohexil-1- (2-

metilciclopentil)propeno (ileno)

trans-

 cis-Ciclodece

no

En alquenos con dos sustituyentes también puede emplearse la nomenclatura E/Z (E= entgegen o separados, Z= zusammen o juntos) para designar su estereoquímica relativa. Esta nomenclatura es imprescindible para alquenos tri- o tetrasustituídos. (Se aplican las mismas reglas de prioridad para los sustituyentes que en la nomenclatura R/S).

¿Recuerdas que la luna es una

mentirosa?. Cuando está en forma de D

es creciente y cuando en C,

decreciente. A los alquenos les pasa

igual: cuando recuerdan una E,

resulta que son Z y viceversa

12

Los grupos de mayor prioridad están cis: (Z)-1-Bromo-1-fluor-2-cloroeteno

Cuando un doble enlace actúa como sustituyente se denomina alquenil:

vinilbenceno (estireno)

(1-metil-2-propenil)

ciclopentano2-

etilidenciclopentanol

cis-1-propenil- 1-ciclohexeno

Ciclopentiliden- ciclopentano Metilidenciclohexano

2.4 APLICACIÓN:1. Escribe la estructura correspondiente a cada uno de los nombres siguientes: a) (E)-3,4-dietil-2-hexeno g) 4-etil-3-hexen-1-olb) (R)-cis-4-metil-2-hexeno h) cloruro de viniloc) 1-clorociclopenteno i) (S)-3-metilciclopentenod) (E)-2-iodo-2-buteno j) (Z)-3-ciclopropil-2-pentenoe) 3,3-dimetil-trans-ciclodeceno k) 3,3-dimetil-cis-ciclodecenof) trans-3,4-diciclohexilciclobuteno l) (Z)-2,3-difenil-2-buteno

SOLUSION

13

) g)

 

b) h)

 

c)

i)

 

d)

 

j)

 

e) k)

f) l)

14

 

2.4 ANEXOS

15

2.3 CONTENIDO: NOMENCLATURA DE ALQUINOS

Un compuesto con un enlace triple posee dos insaturaciones: (fórmula general CnH2n-2).

Se busca la cadena más larga que contenga el triple enlace. La cadena se numera de tal forma que al triple enlace le queden los números

localizadores más pequeños posibles (excepto cuando hay otra función que domine).

Si hay sustituyentes, se les asigna los números localizadores que les correspondan. En caso de haber dos numeraciones equivalentes, se tomará aquella que da los números localizadores más pequeños a los sustituyentes.

Los sustituyentes que poseen un enlace triple se denominan alquinil-. Cuando hay una cadena abierta con enlaces triples y dobles

(alqueninos) la numeración se empezará por el extremo más próximo a alguno de ellos. Si el doble y el triple enlaces se encuentran equidistantes, el doble enlace toma la prioridad.

En caso de haber otro sustituyentes con orden de prioridad mayor, la numeración empezará por ellos.

4-Bromo-3,3-dimetil- 1-butino

2-Butinilciclopentano

2-propinilbenceno (propargilbenceno)

(Z)-5-Metil-4-hepten- 2-ino

2-Metil-2- hexen-4-ino

trans-4-Etinil ciclohex-2-en-1-ol (trans-3-acetilen

ciclohex-2-en-1-ol)

16

2.4PROBLEMAS DE APLICACIÓN:

  Formular los siguientes compuestos:

1.        3-etil-6-metil-2-hepteno

2.        trans-2-buteno

3.        Z-3-etil-2,4-dimetil-3-hepteno

4.        1,3-pentadieno

5.        1,4-ciclohexadieno

6.        6-metil-6-pentil-2,4,7-nonatrieno

7.        1-butino

8.        3-propil-1,5-heptadiino

9.        5,7-decadien-2-ino

10.     1-buten-3-ino

11.     radical 2-alil-2-etinil-3,5-dimetil-3-vinil-4,6-heptadienilo

12.     4-(4,4-dimetil-2-ciclohexenil)-7-metil-5-octen-1-ino

13.     4-sec-butil-7-vinil-2,8-dodecadien-5-ino

14.     3-(3-hexenil)-ciclohexeno

15.  1,2-dietil-3-metil-4-(3-metil-2-hexen-5-inil) ciclopenteno

2.5ANEXOS

Hidrogenación catalítica

17

La hidrogenación de alquinos puede llevarse a cabo de manera total, hasta llegar al alcano, por incorporación de dos moles de hidrógeno. La transformación en alqueno es más exotérmica que la de alqueno a alcano. Por ello, en condiciones estandard de hidrogenación catalítica, es difícil detenerse en el alqueno

Para reducir eficientemente alquinos a alquenos con metales es necesario limitar la actividad de éstos. Un ejemplo es el catalizador de Lindlar, en el que el Pd se envenena con diversas sustancias para hacerlo menos activo. La adición de los hidrógenos se produce, como es habitual con estos catalizadores, por la misma cara, resultando el alqueno cis.

18

REACCIONES DE ADICION ELECTROFILICA

1-ADICION DE ACIDO HIDRACIDO

19

2- ADICION DE AGUA

20

TEMA 3: NOMENCLATURA DE COMPUESTOS BICICLICOS Y CICLICOS3.1-COMPETENCIAS:El alumno será capaz de nombrar en notación IUPAC los compuestos cíclicos.3.2-CONTENIDO

Construcción del nombre

Se nombran precediendo el nombre del alcano del prefijo ciclo- (ciclopropano, ciclobutano, ciclopentano, etc.). También se pueden nombrar como radicales cicloalquilo (ciclopropilo, ciclobutilo, etc.)

Numeración de la cadena

La numeración se realiza de modo que se asignen los localizadores más bajos a los sustituyentes. En caso de no decidir, se numera teniendo en cuenta el orden alfabético de los sustituyentes.

21

Isomería cis/trans

Los cicloalcanos presentan estereoisomería y dependiendo de la posición de los grupos en el espacio podemos tener isómeros cis o trans. Cuando los sustituyentes se encuentran del mismo lado del anillo se denomina cis al estereoisómero, y si están a lados opuestos trans.

CiclopropilciclohexanoSe nombra el ciclopropano como sustituyente (ciclopropilo) y el ciclohexano como cadena principal.

22

3.3-PROBLEMAS DE APLICACION

  Nombrar los siguientes compuestos:

(a) (b)

(c) (d)

3.4 ANEXOS

LactosaMolécula cíclica, perteneciente a la familia de los azúcares, que se encuentra en la leche.

23

GlucosaEs el compuesto orgánico más abundante en la naturaleza y la principal fuente de energía de las células.

TEMA 4: ACIDOS CARBOXILICOS Y DERIVADOS

4.1- COMPETENCIAS

Los alumnos realizaran la nomenclatura IUPAC de los ácidos carboxílicos y sus derivados.

4.2-CONTENIDO:

Cómo se nombran los ácidos carboxílicos?

La IUPAC nombra los ácidos carboxílicos cambiando la terminación -o de los alcanos por -oico y anteponiendo la palabra ácido. La numeración de la cadena asigna el localizador 1 al ácido y busca la cadena de mayor longitud.

24

Grupo carboxílico unido a un ciclo

Los ácidos cíclicos se nombran terminando el nombre del ciclo en -carboxílico precedido de la palabra ácido.

Síntesis de haluros de alcanoilo

El cambio del grupo hidroxilo en los ácidos carboxílicos por un halógeno genera un compuesto llamado haluro de alcanoilo (acilo). Los reactivos empleados son los mismos que para transformar un alcohol en haloalcano, SOCl2 y PBr3. Este tipo de reacciones no se pueden realizar con ácido metanoico, HCOOH, ya que los haluros de metanoilo, HCOCl, son inestables.

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Síntesis de anhídridos

Los haluros de alcanoilo tienen una gran reactividad y son atacados por ácidos carboxílicos generando anhídridos. Los anhídridos derivan de la condensación de dos moléculas de ácido con perdida de agua.

Mecanismo de la síntesis de anhídridos

El mecanismo de esta reacción consiste en una primera etapa de adición del ácido carboxílico al haluro de alcanoilo, con posterior eliminación de ácido clorhídrico.

26

Reacción de esterificación

Mecanismo de la esterificación

27

Formación de Lactonas

Formación de amidas a partir de ácidos carboxílicos

Amidas

Mecanismo

28

Síntesis de Lactamas

Una molécula que contenga un grupo ácido y una amina se cicla generando una amida cíclica llamada lactama.

29

4.3- Ejercicios de aplicación

Nombrar:

a)

b)

c) Dibujar las estructuras correspondientes a:

3-cloropentanoato de de fenilo

3-butenoato de isopropilo

propanoato de fenilo

d)Nombrar:

30

d) Nombrar

4.4 ANEXOS

31

SacarinaLa sacarina fue sintetizada en 1878, utilizándose como edulcorante desde principios del presente siglo. Es varios cientos de veces más dulce que la sacarosa

Polimetacrilato de metilo

El polimetacrilato de metilo es un plástico duro, resistente y transparente. Se conoce comercialmente como vidrio acrílico o plexiglass.

32

Butanoato de metilo ( olor a manzana)

TEMA 5: NOMENCLATURA DE ALCOHOLES

5.1 COMPETENCIAS

El alumno será capaz de nombrar a los alcoholes, epóxidos, éteres, aldehidos y cetonas

5.2 CONTENIDO

33

Función principal Función secundaria

La cadena principal es la más larga que contenga el grupo hidroxilo (OH).

El nombre de la cadena principal se hace terminar en -ol.

El número localizador del grupo OH debe ser el más pequeño posible.

Pueden utilizarse nombres no sistemáticos en alcoholes simples.

Cada OH presente se nombra como hidroxi.

Si hay varios grupos OH se utilizan los prefijos di-, tri-, tetra-, etc.

El (Los) número(s) localizador(es) debe(n) ser lo más pequeño(s) posible respecto de la posición de la función principal.

Algunos ejemplos:

3,6,7-Trimetil-4-nonanolCiclohexanol cis-3-bromociclohexanol

3-Buten-1-ol4-Metil-2-ciclohexen-

1-ol3-Ciclopentenol

2-Aminoetanol Ácido 2,3-dihidroxipropiónico 4-Hidroxiciclohexanona

Dependiendo de la sustitución del carbono al que se une el grupo hidroxilo, un alcohol será:

34

PROBLEMAS DE APLICACIÓN

1- Nombra los siguientes compuestos incluyendo la estereoquímica, si ha lugar:

a)

d)

b) e)

c) f)

a) 3,3-dimetil-1-butanol b) 4-bromopent-1-en-3-ol c) 2,3,4,5,6-heptanopentol d) 2-feniletanol e) (R)-1,3,4-trimetilciclohex-3-en-1-ol f) (1R, 3S, 5S)-5-bromo-1-metil-1,3-ciclohexanodiol

2) llene el siguiente cuadro:

 Nomenclatura Sustitutiva Nomenclatura Radicofuncional Ejemplo

  ……………………………….

 ……………………………………..

 CH3-O-CH2CH3

     

35

………………………………. …………………………………….. CH2=CH-O-CH2CH3

 ……………………………….

 ……………………………………..

 C6H5-O-CH3

3) Nombrar:

a)

b)

c)

d)

5.3 NOMENCLATURA DE ALDEHIDOS Y CETONAS

Aldehído y cetonas se caracterizan por tener un doble enlace carbono-oxígeno (grupo carbonilo) en su estructura. La diferencia entre aldehído y cetonas reside en que en los primeros ese grupo carbonilo se encuentra en el extremo de la cadena carbonada: Fórmula general de los aldehídos     R-CHO Fórmula general de las cetonas         R-CO-R’ ALDEHÍDOS:             Para nombrarlos se emplea la terminación -al. en los ejemplos siguientes se indica, junto al nombre sistemático, el nombre trivial aceptado en algunos aldehídos. 

 metanal

 formaldehído 

36

 etanal

 acetaldehído

propanal propionaldehído

butanal butiraldehído

CETONAS:                                    Para nombrar las cetonas, o compuestos carbonílicos no terminales, puede utilizarse la nomenclatura sustitutiva o la radicofuncional, tal como veremos en los siguientes ejemplos: 

Ejemplo Nom. sustitutiva Nom. radicofuncional 

 propanona

 dimetil cetona (acetona) 

 butanona

 etil metil cetona 

 2-pentanona

 metil propil cetona 

 3-pentanona

 dietil cetona

EJERCICIOS DE APLICACIÓNa)

 ácido 3-formilpentanodioico

b)

37

 3-formilpentanodial       o1,2,3-propanotricarbaldehído

 3,6-diformiloctanodial

 ciclopentanocarbaldehído

 2,3-naftalenodicarbaldehído

 benzaldehído (bencenocarbaldehído)

c) ciclohexanona 

 

 2-ciclopentenona 

 

 ciclohexil ciclopentil cetona 

 

 difenil cetona 

 

 2,4-pentanodiona 

 

38

 1,3-ciclohexanodiona

5.4 ANEXO

R-SalbutamolBroncodilatador empleado en el tratamiento del asma. Los tres grupos hidroxilo le confieren su actividad. (Se administra con inhalador, ventolin)

Éteres coronaÉter corona (18-corona-6).     Sus seis oxígenos (rojo) complejan los iones K+ eliminándolos del medio de reacción.

39

Anhídrido maleicoEs un anhídrido cíclico muy empleado en reacciones como Diels Alder

40

cis-3-hexenal

El cis-3-hexenal es la sustancia dominante del aroma emitido cuando se

corta la hierba verde.

Ciprofloxacino

Antibiótico sintético de amplio espectro.

41

TEMA 6: NOMENCLATURA DE AMIDAS,ESTERES, LACTONAS Y LACTAMAS.

6.1 COMPETENCIAS:El alumno será capaz de nombrar por IUPAC , las amidas,esteres lactonas y lactamas.

6.2 CONTENIDO:

1)Amidas como grupo funcional

Las amidas se nombran reemplazando el sufijo -o del alcano por -amida.

Grupo amida unido a ciclos

En compuestos cíclicos se nombra el ciclo y se termina con el sufijo -carboxiamida.

Amidas como sustituyentes

42

Cuando no es grupo funcional se ordena alfabéticamente con el resto de sustituyentes utilizando el prefijo carbamoíl.......

2-Éster como grupo funcional

Se termina el nombre del alcano en -ato de alquilo. Cuando va unido a un ciclo el grupo éster se nombra como -carboxilato de alquilo .

43

Éster como sustituyente

Cuando en la molécula existe un ácido carboxílico, el éster pasa a ser un mero sustituyente y se ordena por orden alfabético con el resto de sustituyentes de la molécula denominándose alcoxicarbonil.

6.3 EJERCICIOS DE APLICACIÓN:

1) NOMBRAR:

a)

b)

c)

d)

e)

44

2) NOMBRAR:

a) CH3-COO-CH2CH3

b)

c)

d)

e)

f)

45

6.4 ANEXOS

A)

B)

C)

46

D)  

E)  

47

TEMA 7: NOMENCLATURA DE HALUROS DE ALQUILO Y AMINAS

7.1COMPETENCIAS

El alumna será capaz de escribir el nombre IUPAC de los Haluros de alquilo y las Aminas.

7.2 CONTENIDO

a)En la nomenclatura de la IUPAC el halógeno se considera como un sustituyente, con su número localizador, de la cadena carbonada principal. Sólo en casos especialmente sencillos los compuestos pueden nombrarse como halogenuros de alquilo.

48

2-Bromo-2-metilpropano (bromuro de terc-butilo)

(2-Iodopropil)-cicloheptano

trans-1-Bromo-2-clorociclohexano1,1,1-Trifluor-3-cloro-

4,7-dimetiloctano

 

b)   Las aminas y sus correspondientes sales derivan del amoniaco: 

 amoniaco

 cloruro de amonio

 metilamina

 cloruro de metilamonio

 dimetilamina

  Cloruro de dimetilamonio

 trimetilamina

 cloruro de trimetilamonio

Aminas primarias Aminas secundarias Aminas terciarias

fenilamina o anilinadifenilamina trifenilamina

propilamina(propanoamina)

N-metilpropilamina(N-metilpropanoamina) N-etil-N-

metilpropilamina(N-etil-N-

metilpropanoamina)

1,3-propanodiamina N,N’-dimetilpropanodiamina

N,N-dietil-N’,N’-dimetil-1,3-

propanodiamina

49

  7.3 PROBLEMAS DE APLICACIÓN

A) NOMBRAR:a)CH3-CH2-CH2-Clb)(CH3)3C-Clc)

d)CH3-CH=CH-CHCl-CH3

e) 

f)

7.4 ANEXOS

Los compuestos halogenados son de uso corriente en la vida cotidiana: disolventes, insecticidas, intermedios de síntesis, etc.  No es muy común encontrar compuestos de origen natural que sólo tengan halógenos pero sí con otras funciones. Hay algunos importantes.

Tiroxina Sustancia segregada por la glándula tiroides: influye sobre el

crecimiento, el desarrollo y maduración del organismo, regulación del metabolismo basal, etc.

50

Los haluros pueden ser de alquilo, arilo o alquenilo. En este capítulo sólo estudiaremos los haluros de alquilo, es decir, los compuestos donde el halógeno está unido a un carbono sp3. Los otros tienen una reactividad muy diferente y se estudiarán más

adelante.

Haluros de alquilo Haluros de ariloHaluros de alquenilo

 Los haloalcanos tienen puntos de ebullición mayores que los correspondientes alcanos: CH3(CH2)3X

(H) -0.5ºC (F) 32.5ºC (Cl) 78.4ºC (Br) 101.6ºC (I) 130.5ºC

La polaridad del enlace carbono-halógeno hace que aparezcan fuerzas intermoleculares dipolo-dipolo más fuertes.

A medida que descendemos en el SP dentro de los halógenos, el punto de ebullición del correspondiente haloalcano aumenta ya que, al descender, el peso atómico y la polarizabilidad del halógeno aumentan y así lo hacen las fuerzas de London.

Mientras que muchos compuestos orgánicos son más ligeros que el agua, los haluros de alquilo son más densos que ella. 

     

51

TEMA 9: REACCIONES DE ALCANOS, MECANISMO POR RADICALES   LIBRES.

9.1 COMPETENCIAS

Realizar las reacciones de los alcanos y dominar el mecanismo de radicales libres de la halogenación de alcanos.

9.2 CONTENIDOS

La halogenación de alcanos se produce por ruptura homolítica del enlace C-H.¿Cómo se puede conseguir en la práctica la ruptura homolítica de un enlace

C-H en un alcano? La funcionalización de un alcano se puede llevar a cabo por reacción con cloro, dando una reacción de sustitución de hidrógeno por cloro (recordar

el “baile” de Dumas), resultando un cloruro de alquilo y cloruro de hidrógeno.

El balance energético es favorable:

Pero a pesar de ser exotérmica, la reacción no se produce espontáneamente: se necesita irradiar la mezcla de los gases con luz

ultravioleta o “calentar” a 3000C. ¿Por qué?.

Debe haber una etapa de la reacción con una energía de activación alta que impide que la reacción sea espontánea.

52

MECANISMO DE REACCION.

1ª Etapa: INICIACIÓN

En la mezcla metano/cloro, el enlace más débil es el Cl-Cl pero ésta es una molécula estable que no se rompe sin más. Necesitamos calor o irradiar con luz adecuada para promocionar un electrón a un orbital antienlazante (Cl2*) y así debilitar el enlace. Esta es la etapa que impide que la reacción sea espontánea.

2ª Etapa: PROPAGACIÓN I

Los átomos ·Cl producidos son muy inestables porque no tienen el octete completo. Son capaces de abstraer un hidrógeno del metano y procudir la ruptura homolítica C-H. Así se forma el radical metilo, muy reactivo, y cloruro de hidrógeno 

3ª Etapa: PROPAGACIÓN II

Los radicales metilo, muy energéticos, son capaces de romper otra molécula de Cl2. Así se forma clorometano y se regenera el radical ·Cl que se consumió en la etapa-anterior. Este paso permite que la reacción progrese por sí sola.

4ª Etapa: TERMINACIÓN

53

Los radicales pueden colapsar entre sí con lo que evitan la deficiencia electrónica. Pero, como son especies que están en muy baja concentración por ser difíciles de producir y muy reactivas, la probabilidad de que colapsen es muy baja.  Sin embargo, la obtención de trazas de etano prueba la formación del radical ·CH3

y apoya el mecanismo propuesto.

9.3 PROBLEMAS DE APLICACIÓN

1-Escriba el mecanismo de las siguientes reacciones, que se dan en presencia de luz ultravioleta:

a)

b)

c)  

9.4 ANEXOS

PREPARACIÓN DE LOS ALCANOS 

1.-        Hidrogenación de alquenos. 

54

Ejemplo:

 2.-        Reducción de halogenuros de alquilo.             (a) Hidrólisis de reactivos de Grignard. 

Ejemplo:

             (b) Reducción con metal y ácido. 

Ejemplo:

55

3.-        Acoplamiento de halogenuros de alquilo con compuestos organometálicos. 

 Ejemplos: 

  

TEMA 10: DESHIDRATACION Y DESHIDROHALOGENACION DE HALUROS DE ALQUILO

10.1 COMPETENCIAS

El estudiante domina los mecanismos de deshidratación de alcoholes y de deshidrohalogenacion de haluros de alquilo. Prepara el ciclohexeno.

10.2 CONTENIDOS

56

Cuando un nucleófilo o una base de Lewis atacan a un halogenuro de alquilo, son posibles dos tipos de reacciones. El reactivo puede atacar al átomo de carbono y sustituir al halogenuro, o puede atacar a un hidrógeno y causar la eliminación de HX para formar un alqueno. 

las reacciones de eliminación inducidas por base generalmente tienen como producto el alqueno más sustituido; es decir, el alqueno con más sustituyentes alquilo en los carbonos del doble enlace, conocida como regla de Zaitsev. En los siguientes dos ejemplos el alqueno predominante es el alqueno más sustituido cuando se usa como base  etóxido de sodio en etanol.

 

57

Por otro lado para que un sustrato experimente una reacción E1 es necesario que posea un buen grupo saliente, cuya marcha origine un carbocatión estable. Los alcoholes no sufren eliminación en condiciones neutras o alcalinas, debido a que el -OH no es un buen grupo saliente. No obstante, en un medio ácido los alcoholes se protonan en el oxígeno para dar iones oxonio, capaces de perder agua (H2O), un excelente grupo saliente. 

             Así, la reacción de los alcoholes 2ario y 3ario con un exceso de un ácido fuerte constituyen un método establecido para la síntesis de alquenos. Suelen emplearse los “ácidos sulfúricos y fosfóricos”. La temperatura elevada acelera la reacción y favorece la eliminación, además, permite que el alqueno destile a medida que se forma, lo que evita las reacciones secundarias. Ejemplos: 1.-       

2.-

3.-

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            En los ejemplos 2 y 3, los resultados están de acuerdo con lo esperado, es decir la obtención del alqueno más sustituido. Los productos predominantes en el ejemplo 3 se han formado a través de una transposición, lo que demuestra que en la reacción han intervenido carbocationes como intermedios. 

            Transposiciones a través de carbocationes : Una propiedad común de los carbonaciones es experimentar transposiciones, siempre y cuando sean capaces de generar un carbonación mucho más estable que el precursor. 

 Transposición de Hidrógeno

59

  Transposición de Metilo

9.3 PROBLEMAS DE APLICACIÓN

A) Como explicaría la siguiente situación de las siguientes reacciones:

a) Cloro axial : H y Cl son periplanar anti

 Cloro ecuatorial: H y Cl no son periplanar anti 

b) Escriba los mecanismos de los ejemplos 1, 2, 3 del tema 10.

10. 4ANEXOS

OTRAS REACCIONES DE ELIMINACIÓN:             En las reacciones de eliminación E1 y E2, el producto obtenido mayoritariamente resulta ser el alqueno más sustituido, pero en muchas ocasiones por interés sintético es necesario obtener un alqueno menos sustituido en forma mayoritaria. En tal caso, los métodos anteriores no

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resultan útiles, y hay que recurrir a otros métodos descritos en la literatura científica, de los cuales resumiremos algunos. A.- ELIMINACIÓN DE HOFMANN             La pérdida de una trialquilamina y un átomo de hidrógeno en respecto del nitrógeno a partir de una sal de amonio cuaternario conduce a un alqueno mediante la reacción conocida generalmente como eliminación de Hofman. 

             La reacción transcurre normalmente por mecanismo E2 y sigue la preferencia estereoelectrónica para la eliminación anti. Cuando existen dos tipos diferentes de hidrógenos en respecto al nitrógeno cuaternario, la eliminación conduce generalmente al predominio del alqueno menos sustituido. De hecho, Hoffman propuso su regla sobre la orientación de la eliminación en 1851 como consecuencia de sus estudios sobre eliminaciones a partir de sales de amonio cuaternario. 

             La eliminación puede conseguirse tratando una sal de amonio cuaternario con una base fuerte, si bien es más normal utilizar el hidróxido de  amonio cuaternario como reactivo, con lo que se requiere base externa. El rendimiento en alqueno es generalmente alto. La reacción posee una utilidad limitada para la síntesis de alquenos, ya que a menudo es más fácil emplear productos de partida más asequibles. (el mecanismo será estudiado en el capítulo dedicado a las aminas). B.- ELIMINACIÓN PIROLÍTICA 

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            Ciertos precursores de alquenos no requieren un reactivo externo que promueva la eliminación. Los éteres y los óxidos de amina constituyen dos ejemplos de tales sustratos. En esos casos, la calefacción aporta suficiente energía para que el grupo saliente actúe como una base intermolecular. La ruptura térmica de una molécula se conoce como pirólisis.            Cuando se calienta un éster (300 - 600º), generalmente un acetato que contiene un átomo de hidrógeno en en su porción alcohólica, se forman un alqueno y un ácido carboxílico. Se cree que la reacción transcurre de forma concertada a través de un estado de transición cíclico de seis miembros. Tales reacciones de eliminación piro-lítica se designan a menudo como Ei-eliminación, interna. La reacción es estereoespecifica, el mecanismo cíclico intramolecular requiere coplanaridad sin de los grupos que se pierden. 

 Mecanismo: de la pirólisis de ésteres.

             La pirólisis de óxidos de amina (La Reacción de Cope) es un método de síntesis de alquenos muy relacionado con la pirólisis de ésteres. El átomo de oxígeno de un óxido de amina posee una carga negativa formal y puede actuar como una base interna. Otros ejemplos: 

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                         Acetato de treo-2-deuterio                 E-Estilbeno (trans)                              -1,2-difeniletilo

                    Acetato de Eritro-2-deuterio          E-1-Deuterioestilbeno (trans)                         -1,2-difeniletilo El mecanismo de la reacción de Cope será estudiado en capítulo dedicado a las amina. C.- DESHALOGENACIÓN             En las reacciones de 1,2-eliminación más comunes, el protón es uno de los dos grupos que se pierde. Cuando en un sustrato están presentes dos átomos de halógeno, la reacción con base puede conducir a una doble deshidrohalogenación. El ciclohexadieno se prepara de esta manera a partir del 1,2-dibromociclohexano.             No obstante, si se trata el mismo 1,2-dihalogenuro con yoduro potásico, un reactivo relativamente no básico, se obtiene ciclohexeno, una monoolefina. La eliminación de dos átomos de halógeno produce una deshalogenación. 

             La deshalogenación mediante ion yoduro es un proceso estereoespecífico que transcurre con un curso estereoquímico anti. El yoduro actúa de la misma manera que la base en la deshidrohalogenación. En esta reacción E2, la pérdida de los dos átomos de halógeno está sincronizada con la formación del doble enlace. 

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             El ion yoduro y el cinc metálico son los reactivos más comúnmente utilizados para la deshalogenación.

TEMA 11: SUSTITUCION NUCLEOFILICA Sn1, Sn2

11.1 COMPETENCIAS

El alumno estará capacitado para realizar los mecanismos de sustitución nucleofilica y conocerá los factores que determinan dichos mecanismos.

11.2 CONTENIDOS

Mecanismo de la SN2Reacción concertada

Es una reacción que transcurre en un sólo paso (concertada). El nucleófilo ataca al carbono del sustrato expulsando al grupo saliente. La aproximación del nucleófilo al carbono se produce por el lado opuesto al grupo saliente, llamado ataque dorsal.

Diagrama de energía en la SN2

Mecanismo de la SN2

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Diagrama de energía

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Mecanismo de la SN1

Diagrama de energía

La SN1 presenta un diagrama de energía con dos estados de transición, correspondientes a las etapas de disociación del sustrato y ataque del nucleófilo.

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La primera etapa del mecanismo controla la velocidad del proceso puesto que presenta la mayor energía de activación.

11.3 PROBLEMAS DE APLICACIÓN

a) Escriba el mecanismo de obtención del cloruro de ter-butilo a partir del ter-butanol y el HCL (Q.P) a temperatura ambiente.

b) Escriba el mecanismo del ejercicio anterior a 100ºC.

c) Interprete el diagrama de energía (perfil de reacción), para sustitución nucleofilica Sn1.(ver grafico).

11.4 ANEXOS

PRIMER CASO.

Grupo saliente

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La reacción SN2 requiere buenos grupos salientes, aumentando su velocidad al aumentar la aptitud de éste.

Influencia del sustrato

Los haloalcanos primarios y secundarios dan reacciones de sustitución del tipo SN2. Los terciarios no permiten el ataque del nucleófilo, debido a los impedimentos estéricos.

Influencia del nucleófilo

La velocidad de la SN2 aumenta a medida que mejora la nucleofilia de la especie atacante. Esta reacción no transcurre con nucleófilos malos como agua, alcoholes, ácido acético......

El disolvente

Los disolventes apróticos dejan libre el nucleófilo permitiéndole atacar y favorecen la velocidad de la SN2

SEGUNDO CASO.

Grupo saliente

La reacción SN1 requiere buenos grupos salientes, aumentando su velocidad al aumentar la aptitud de éste.

Influencia del sustrato

Los haloalcanos secundarios y terciarios dan reacciones de sustitución del tipo SN1.

Influencia del nucleófilo

La velocidad de la SN1 no se ve afectada por el tipo de nucleófilo. El paso determinante de la velocidad es la perdida del grupo saliente.

El disolvente

Los disolventes próticos estabilizan el carbocatión y favorecen la velocidad de la SN1.

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Competencia SN1 - SN2Mecanismo esperado según el tipo de sustrato

Sustrato SN1 SN2

CH3BrNo se observa 

(el carbocatión metilo es muy inestable)

Rápida

PrimarioNo se observa

(carbocationes primarios son inestables)

Rápida

Secundario

Relativamente lenta, mejora en disolventes

próticos (agua y alcoholes). No depende del

nucleófilo.

Relativamente lenta, mejora con disolventes

apróticos (acetona, DMF)

  Terciario

RápidaNo se produce (o

extremadamente lenta)

TEMA 12: HIBRIDACION Y ANALISIS CONFORMACIONAL

12.1 COMPETENCIAS

El alumno será capaz de realizar el análisis conformacional de los alcanos :Etano, propano, butano; también realizará el análisis conformacional de los cicloalcanos. Reconocerá la hibridación de los compuestos orgánicos.12.2 CONTENIDO

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HIBRIDACION SP3sp3

(Cuatro regiones de densidad electrónica alrededor del C)

HIBRIDACION SP2

sp2 (Tres regiones de densidad electrónica alrededor del C)

HIBRIDACION SP

sp (Dos regiones de densidad electrónica alrededor del C)

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ANALISIS CONFORMACIONAL DE ALCANOS

En el etano, el enlace C-C está formado por el solapamiento frontal de dos orbitales híbridos sp3. Utilizando como eje la línea que une ambos carbonos enlazados. Se entiende bien de forma intuitiva que si giramos un orbital híbrido respecto del otro, a lo largo del eje mencionado y manteniendo los carbonos a la misma distancia, el solapamiento de los orbitales híbridos es siempre el mismo y el enlace, en principio, no sufre merma alguna.

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La posibilidad de girar a lolargo de un enlace simple C-C , origina diversas proyecciones de las conformaciones del etano.

Representación

Alternadas Eclipsadas Alternadas

Líneas y cuñas

Caballete

Newman

Ciclohexano

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En realidad el ciclohexano no es plano sino que adopta una conformación denominada silla, donde los ángulos internos son próximos a los ideales de la hibridación sp3. En esta conformación todos los hidrógenos están alternados

Distribución de los hidrogenos Axial (A) y Ecuatorial (E) en el ciclohexano

A continuación se muestran las diversas conformaciones del ciclohexano en un perfil de energía potencial:

73

12.3 APLICACIÓN

a-Realice las proyecciones NEWMAN del butanob-Dibuje el diagrama de energía potencial del butanoc-Indique la estructura menos estable y explique porque.d-Dibuje la estructura de la COCAINA y determine la hibridación de cada uno de los elementos.

12.4 ANEXOSA)

Tetra-terc-butiltetraedrano

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B)

Cubano

C)

Dodecaedrano

TEMA 13: ISOMERIA CONFIGURACIONAL Y ACTIVIDAD OPTICA.

13.1 COMPETENCIAS

El alumno conoce la isomería configuracional y la actividad óptica de los enantiómeros.

13.2 CONTENIDO

ENANTIOMEROS

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Los enantiómeros son imágenes especulares no superponibles. La rotación de la primera molécula no permite superponerla a su imagen especular.

Ejemplo de enantiómeros: (R) y (S)-Alanina

La (R) y (S)-Alanina son otro ejemplo de enantiómeros:

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Los enantiómeros y la actividad óptica

comportamiento frente a la luz polarizada. Un enantiómero gira el plano de la luz polarizada en el sentido de las agujas del reloj, es dextrógiro (+). El otro enantiómero provoca rotación en el sentido contrario al de las agujas del reloj, es levógiro (-). Este fenómeno asociado a sustancias quirales se conoce como actividad óptica.

Medida de la rotación de la luz

Los enantiómeros presentan propiedades físicas idénticas, con la excepción de suLa rotación óptica se mide con un polarímetro que consta de de una fuente de luz, un polarizador del que sale luz oscilando en un único plano, la cubeta que contiene el enantiómero y un analizador que permite medir la rotación de la luz.

Imagen tomada de Carey, Química Orgánica

Rotación óptica observada y específica

La rotación medida en el polarímetro se llama rotación óptica observada y se representa por a. Su valor depende de numerosas variables como temperatura, longitud de onda, concentración, disolvente y tipo de sustancia. Para evitar estas dependencias se define la rotación óptica específica [a].

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13.3 APLICACIÓN

a) Dibuje tres estructuras de medicamentos que presenten actividad óptica.

b) Compare los conceptos de actividad óptica y enantiómero, que diferencia existe entre uno u otro concepto.

c) Que entiende Ud., por configuración relativa?

d) Determine la actividad óptica de una mezcla racemica.

13.4 ANEXOS

Polarímetro

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El polarímetro mide la rotación de la luz polarizada al pasar a través de una sustancia ópticamente activa.

(R)-PropranololLos enantiómeros R y S del Propranolol actúan de modo muy diferente en el organismo. Así, el (R)-propranolol se emplea como anticonceptivo, mientras que el (S)-propranolol es un antidepresivo.

(S)-PropranololAntihipertensivo, β-bloqueador. Indicado para tratar la hipertensión arterial, arritmias cardiacas, arritmia e intoxicación digitálica, prevención del infarto de miocardio.

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TEMA 14: CONFIGURACION ABSOLUTA (R, S)ENANTIOMEROS.

14.1 COMPETENCIAS

El estudiante será capaz de determinar la configuración absoluta de los diferentes enantiómeros mediante la aplicación de las reglas de CAHN, INGOLD y PRELOG.

14.2 CONTENIDO

Reglas para nombrar enantiómeros

Para dar notación R/S a un centro quiral es necesario asignar prioridades a los sustituyentes mediante las siguientes reglas:

Regla 1

Las prioridades de los átomos unidos al quiral se dan por números atómicos. En el caso de isótopos, tiene prioridad el de mayor masa atómica.

Las prioridades se dan por orden de número atómico de los átomos unidos directamente al carbono asimétrico (dibujados en rojo)

Regla 2

Cuando dos o más sustituyentes unidos al centro quiral tengan la misma prioridad, se continua comparando las cadenas átomo a átomo hasta encontrar un punto de diferencia.

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Regla 3

Los enlaces dobles y triples se desdoblan considerándolos como si fueran enlaces sencillos.

Para asignar notación R/S seguimos el orden de prioridades a, b, c de los sustituyentes. Si esta sucesión se realiza en el sentido de las agujas del reloj se dice que el centro es R (rectus, latín derecha). Si se sigue el sentido

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contrario a las agujas al recorrer las prioridades a, b, c se dice que es S (sinester, latín izquierda). Esta regla sólo es válida cuando el grupo d está hacia el fondo del plano (enlace a trazos), si d sale hacia nosotros (cuña) la notación es la contraria (R giro a la izquierda, S giro a la derecha).

14.3 PREGUNTAS DE APLICACIÓN

a) Dibuje la estructura de un enantiómero, halle su imagen especular y determina la configuración absoluta de dichas estructuras.

b) En la siguiente estructura determine la configuración absoluta de los centros quirales :

c) Que entiende Ud., por diasteromero?

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14.4 ANEXOS

Moléculas con varios centros quirales

Máximo número de estereoisómeos

El número máximo de estereoisómeros que presenta una molécula puede calcularse con la fórmula (2n), donde n representa el número de carbonos asimétricos. Así una molécula con 2 centros quirales presenta 4 estereoisómeros.

Estereoisómeros de 2-Bromo-3-clorobutano

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Estereoisómeros de 1,2-Dimetilciclohexano

TEMA 15: DIASTEROMEROS MEZCLAS RACEMICAS Y ESTRUCTURAS MEZO.

15.1 COMPETENCIAS

El estudiante será capaz de determinar la configuración absoluta de los diasterómeros, reconocer las mezclas racemicas y las estructuras mezo

15.2CONTENIDO

Definición de Diastereoisómeros.

Son moléculas que se diferencian por la disposición espacial de los grupos, pero que no son imágenes especulares. Un tipo de diastereoisómeros son los isómeros geométricos (alquenos cis y trans). Para que dos moléculas sean diastereoisómeros es necesario que al menos tengan dos centros quirales. En uno de los centros los sustituyentes están dispuestos igual en ambas moléculas y en el otro deben cambiar.

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Pareja de diastereoisómeros

15.3 PREGUNTAS DE APLICACIÓN

a) Dibuje las estructuras de un par de diasterómeros y determine su configuración absoluta.

b) Dibuje una molécula que represente una estructura mezo y determine su configuración absoluta.

c) Cuál es la aplicación de los enantiómeros?

15.4 ANEXO

Separación via diastereoisómeros

85

Vamos a buscar una reacción que convierta la mezcla racémica en una mezcla de diastereoisómeros, por unión de cada enantiómero a un reactivo quiral. Esta mezcla se separa por cristalización fraccionada, destilación o cromatografía de los diastereoisómeros. Para finalizar se rompe el enlace que une cada enantiómero con el reactivo quiral y se separan ambos, obteniéndose los enantiómeros puros.

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