Reacciones de alcoholes con halogenuros de hidrógeno

I. Reacciones con ácido bromhídrico:

Ejemplos:

H3C

H3C

H3C

O H + H+

H3C

CH3C

H3C

O H

H+

CH3

C

CH3

+

H3C

alcohol t-butílico protonado carbocatión terciario

a) Protonación y pérdida del grupo hidroxilo:

b) Ataque por bromuro:

CH3

C

CH3

+

H3C Br-

C

CH3

H3C

CH3

Br

carbocatión terciariobromuro de t-butilo

Mecanismo SN1

R OH + HBr/H2O R Br

CH4(CH4)2 CH2OH NaBr

H2SO4

CH4(CH4)2 CH2Br

1-butanol 1-bromobutano (90 %)

C

HH

O H

CH3CH2CH2

+ H+ C

HH

O

CH3CH2CH2 H

H

+

C

HH

O

CH3CH2CH2 H

H

+Br-

C

H H

O

CH3CH2CH2 H

H

+Br

estado de transición

CH

H

O

CH2CH2CH3 H

H

Br +

a) Protonación del alcohol:

b) Desplazamiento por bromuro:

Mecanismo SN2

Consideraciones:

Los alcoholes secundarios reaccionan también con HBr para formar bromuros de alquilo, generalmente por el mecanismo SN

1.

Bajo ciertas condiciones el mecanismo SN2 también puede

presentarse.

Ejemplo:H

OH

H

BrHBr

ciclohexanol bromociclohexano(80 %)

II. Reacciones con ácido clorhídrico:

R OH + HCl/H2OZnCl2

R Cl

Ejemplos:

(CH3)3C OH + HCl/H2O (CH3)3C Cl + H2O

alcohol t-butílico cloruro de t-butilo

(Ejercicio)

Consideraciones:

El ion cloruro es menor y menos polarizable que el ion bromuro, haciendo del cloruro un nucleófilo más débil.

Se necesita un ácido de Lewis adicional, como el ZnCl2, para promover la reacción del HCl con los alcoholes 1°y 2°.

El ZnCl2 se coordina con el átomo de oxígeno del alcohol del mismo modo que lo hace un H+ con la excepción de que el ZnCl2 se coordina más fuertemente.

Reactivo de Lucas (HCl y ZnCl2)

Los alcoholes 2° y 3° reaccionan generalmente con el reactivo de Lucas mediante el mecanismo SN

1.

Ejemplo:

H C O

CH3

CH3

H + ZnCl2 H C O

CH3

CH3

H

ZnCl2

+

-

H C

CH3

CH3

+O

ZnCl2

H

: :

-

+Cl-

H C Cl

CH3

CH3

En un alcohol primario, con el reactivo de Lucas, no es posible la ionización por la inestabilidad del carbocatión formado. Los substratos 1° reaccionan mediante el mecanismo SN

2, más lento que la reacción SN

1 de los substratos 2° y 3°.

Ejemplo:

C

HH

O

CH3CH2CH2 ZnCl2

H

+

Cl-

-

C

H H

O

CH3CH2CH2 ZnCl2

H

+Cl

estado de transición

CH

H

O

CH2CH2CH3

ZnCl2

H

Cl

+

-

-

Limitaciones en el empleo de los hidrácidos con alcoholes:

1.- Limitada posibilidad para sintetizar yoduros de alquilo. La mayor parte de los alcoholes no reaccionan para dar rendimientos aceptables de yoduros de alquilo. Sin embargo, son intermediaros valiosos en porque los yoduros son los halogenuros de alquilo más reactivos.

2.- Rendimientos bajos de R-X a partir de alcoholes 1° y 2°.

3.- Eliminaciones. Cuando se calientan alcoholes en HCl concentrado o HBr, con frecuencia se tienen eliminaciones. Una vez protonado el OH y convertido en grupo saliente, es un buen candidato para la sustitución y la eliminación.

4.- Transposiciones. Los carbocationes intermediarios siempre están expuestos a transposiciones. Los átomos de hidrógeno y los grupos alquilo pueden migrar de un átomo de carbono a otro para formar un carbocatión más estable.

(Ejercicio 10-1)

Reacciones de alcoholes con halogenuros de fósforo

R OH + PCl3 R Cl + P(OH)33 3

R OH + PBr3 R Br + P(OH)33 3

R OH + PCl5 R Cl + POCl3 + HCl

•El triyoduro de fósforo no es muy estable por lo que no se puede almacenar, pero se puede generar in situ mediante la reacción del fósforo y el yodo.

+ P(OH)3R OH + R I2 P + 3 I26 6 2

•Se obtienen buenos rendimientos en la mayor parte de los halogenuros 1° y 2°•No funcionan bien con los alcoholes 3°.•Los dos halogenuros de fósforo que más se usan son el PBr3 y la combinación fósforo/yodo.•El PBr3 es el mejor reactivo en la conversión de alcoholes 1° o 2° a los R-Br correspondientes, especialmente si el alcohol se puede rearreglar en presencia de un ácido fuerte.•El fosforo y yodo es uno de los mejores reactivos en la conversión de alcoholes 1° o 2° a R-I

Mecanismo de la reacción con trihalogenuros de fósforo

Desplazamiento del ion bromuro:

R O

H

P Br

Br

Br

R O

H

P Br

Br

Br

++ -

Ataque SN2 del grupo alquilo:

P

Br

Br

R O

H

PBr

Br

Br

++-Br R O

H

grupo saliente

•No hay carbocatión implicado y por lo tanto no hay oportunidad de rearreglo.

•Este mecanismo explica los bajos rendimientos con los alcoholes terciarios. El paso final es un desplazamiento SN

2 donde el ion bromuro ataca por la parte posterior al grupo alquilo.

•Este ataque esta impedido si el grupo alquilo es terciario.

Reacciones con cloruro de tionilo

R OH S ClCl

O

calorR Cl SO2 HCl++ +

El cloruro de tionilo es con frecuencia el mejor reactivo para convertir un alcohol en un cloruro de alquilo.

Mecanismo

1er paso

R O

H

+

+-

S

Cl

Cl

O R O

H

S

Cl

Cl

O +R O

H

S

Cl

O

Cl-

R O S

Cl

O

HCl

éster clorosulf ito

-

RO

S

Cl

O RO

S

Cl

O+

par ionico

R

Cl

O

S O

2do paso:

El mecanismo anterior se asemeja al mecanismo SN1, con la excepción de que

el nucleófilo que ataca al carbocatión proviene del grupo saliente lo que provoca retención de la configuración.

Ejemplo:

C

CH3

OHH

CH3(CH2)4CH2

SOCl2

dioxano C

CH3

ClH

CH3(CH2)4CH2

(R)-2-octanol (R)-2-clorooctano

Tipo de alcohol Cloruro Bromuro Yoduro

primario SOCl2 PBr3 o HBr* P/I2*

secundario SOCl2 PBr3 P/I2*

terciario HCl HBr HI

Resumen de los reactivos más idóneos para conversión de alcoholes en los halogenuros de alquilo correspondientes

*Sólo trabaja en determinados casos

(Ejercicios 10-19 al 10-21)

Síntesis de Williamson

R O H + Na R O Na + 1/2H2

- +

R O H + K R O K + 1/2H2

- +

ion alcóxido

ion alcóxido

La reactividad de los alcoholes hacia el sodio o potasio decrece en el orden siguiente:

CH3- > 1° > 2° > 3°

•El ion alcóxido es un nucleófilo fuerte y una base potente.

•El ion alcóxido reacciona con los halogenuros de alquilo y tosilatos primarios para formar éteres. A esta reacción se le llama Síntesis de Williamson para éteres.

•La síntesis es un desplazamiento SN2.

•El halogenuro de alquilo (o tosilato) debe ser 1° para que no se estorbe el atque por la parte posterior de la molécula.

•Si el R-X no es primario, por lo general resulta una eliminación.

Mecanismo:

R O Na- +

ion alcóxido

R'H2C X

halogenuro de alquilo 1°

R OH2C R' + NaX

H3C

H2C

O- +Na + CH3IH3C

H2C

O

CH3+ NaI

etóxido de sodio yoduro de metilo

metil etil éter

Ejemplo:

(Ejercicios 10-31 a 10-34)

REACCIONES DE DESHIDRATACIÓN

a) Formación de alquenos

C C

OHH

H+

C C + H2O

La deshidratación de alcoholes por lo general se lleva a cabo mediante el mecanismo E1; rara vez se observa el mecanismo E2.

Mecanismo:H

OH

H2SO4H

OH

H

+

HSO4-

H

HH

+

H2O

H

H

La facilidad de deshidratación de alcoholes sigue el mismo orden que la facilidad de formación de carbocationes:

3° > 2° > 1° > -CH3

Como en otras reacciones de carbocatión, son comunes las transposiciones.

En la deshidratación de un alcohol 1°, tiene que presentarse un rearreglo al formarse un carbocatión para evitar producir un carbocatión 1° energéticamente desfavorable.

Como ejemplo, el 1-butanol se deshidrata con transposición para dar una mezcla de 1-buteno y 2-buteno.

HOH+

+

1- butanol 2- buteno (principal 70%)

1- buteno(secundario, 30%)

De acuerdo a la regla de Saytzeff, el 2-buteno (que es el alqueno más sustituído) es el producto principal.

(actividad: desarrollar el mecanismo)

Resumiendo:

1. La deshidratación funciona muy bien con los alcoholes 3° y también con los alcoholes 2°. Son comunes transposiciones y rendimientos bajos con los alcoholes 1°.

2. Regla de Saytzeff: Si se pueden formar dos o más alquenos por desprotonación del carbocatión, predomina el alqueno más sustituído.

(Ejercicio 10-2)

Deshidratación bimolecular para formar éteres

En algunos, casos un alcohol protonado primario puede ser atacado por otra molécula de alcohol y sufrir un desplazamiento SN

2 La reacción neta es una deshidratación que se lleva acabo entre 2 moléculas para formar el éter.

Ejemplo:

CH3CH2 O

H

C O

H

H

H3C

H

H

+ SN2

CH3CH2 O

H

C

CH3

HH

+O

HH

CH3CH2 O C

CH3

HH

+ H3O+

nucleóf iloelectróf ilo

éter protonado agua

dietiléter

Sustitución para dar el éter, deshidratación bimolecular

2 CH3CH2OH CH3CH2 O CH2CH3 + H2OH2SO4, 140°C

etanol dietil éter

Eliminación para dar el alqueno, deshidratación unimolecular

CH3CH2OHH2SO4, 180°C

H2C CH2 + H2O

etanol etileno

Bajo las condiciones ácidas de deshidratación compiten dos reacciones: eliminación para dar un alqueno y sustitución para dar un éter

¿Cómo controlar estos dos tipos de deshidrataciones?

Consideraciones:

1.- La ecuación de sustitución (síntesis del éter) indica que 2 moléculas del alcohol producen 2 moléculas: una éter dietílico y una de agua.

2.- La ecuación de eliminación indica que una molécula de alcohol produce dos moléculas: una de etileno y una de agua.

3.- La eliminación ocasiona el aumento en el número de moléculas y, por lo tanto, un aumento en el desorden (entropía) del sistema.

4.- Es claro que la eliminación tiene un cambio más positivo en la entropía que la sustitución, y el término –TΔS en la energía libre de Gibbs se hce más favorable a medida que aumenta la temperatura.

5.- La sustitución para producir el éter se favorece a unos 140 °C o menos y la eliminación se favorece aunos 180 °C o más.

Rearreglo pinacólico

La reacción siguiente es un ejemplo del rearreglo pinacólico

H3C C C

OH

CH3 CH3

OH

CH3 H3C C C

O

CH3

CH3

CH3 + H2O

pinacol(2,3-dimetil-2,3-butanodiol)

pinacolona3,3-dimetil-2-butanona

H2SO4

100 °C

Ésteres de ácidos inorgánicos

Los alcoholes puede formar ésteres inorgánicos con los ácidos minerales. Por ejemplo, el tosilato de un alcohol se deriva del ácido para-toluensulfónico y el alcohol con pérdida de agua. En la práctica, los ésteres tosilato se sintetizan por reacción entre los R-OH y el cloruro de tosilo en piridina.R OH + CH3SHO

O

O

CH3SO

O

O

R + H2O

alcohol

ácido para-toluensulfónico(TsOH)

éster para-toluensulfonato(ROTs)

Ésteres de sulfonato

Ésteres de sulfato

Un éster sulfato es como un sulfonato, con la excepción de que no haygrupo alquilo enlazado directamente al átomo de azufre. En un éster sulfato de alquilo están los grupos alcoxi enlazados al azufre a través de átomos de oxígeno

+ H2OOHSHO

O

OCH3-OH

OHSO

O

O

H3CCH3-OH

+ H2OOSO

O

O

H3C CH3

ácido sulfúrico sulfato de metilo sulfato de dimetilo

El ion sulfato es un excelente gpo. saliente. Como los ésteres sulfonato, los de sulfato son buenos electrófilos. Los nucleófilos reaccionan con los ésteres de sulfato para dar productos alquilados. Por ejemplo:

H N

H

H

OSO

O

O

H3C CH3 OSO

O

O

CH3-

H N

H

H

CH3

++

amoniaco sulfato de dimetilo metilamonio metilsulfato

R OH +

alcoholácido nítrico

+ H2O-

+H O N

O

O -+R O N

O

O

éster nitrato de alquilo

Ésteres nitrato

Los ésteres que se forman con alcoholes y ácido nítrico se llaman ésteres nitrato

El éster más conocido es la “nitroglicerina” cuyo nombre sistemático es nitrato de glicerilo. Se obtiene por reacción del glicerol, o glicerina (1,2,3-propanotriol) con tres moléculas de ácido nítrico.

H2C

HC

H2C

O

O

O

H

H

H

+ HO NO23

H2C

HC

H2C

O

O

O

NO2

NO2

NO2

+ 3 H2O

glicerol

ácido nítrico

trinitrato de glicerilo(nitroglicerina)

Reacciones de oxidación

La oxidación de alcoholes conduce a las cetonas, aldehídos y ácidos carboxílicos correspondientes.

Se puede decir que se ha verificado la oxidación o reducción de un alcohol cuando consideramos el número de enlaces entre el átomo de carbono del carbinol (C-OH) y los átomos de oxígeno; un alcano no tiene ninguno; un aldehído tiene dos, y un ácido tiene tres.

La oxidación de un alcohol produce la eliminación de dos átomos de hidrógeno: uno del carbono del carbinol y otro del oxígeno del hidroxilo.

Un alcohol terciario no puede oxidarse fácilmente porque no hay un átomo de hidrógeno disponible en el carbono del carbinol. Los alcoholes se pueden reducir para formar alcanos sustituyendo el grupo hidroxilo por un átomo de hidrógeno.

H

CR H

H

O

OH

CR H

H

O

O

CR H

+ H2O

O

O

CR OH

no hay enlace a O 1 enlace a O 2 enlaces a O3 enlaces a O

Alcano Alcohol 1° Aldehído Ácido

OXIDACIÓN

H

CR R'

H

O

OH

CR R'

H

O

O

CR R'

+ H2O

no hay enlace a O 1 enlace a O 2 enlaces a O

Alcano Alcohol 2° Cetona

No hay oxidación ulterior

H

CR R'

R''

O

OH

CR R'

R''

no hay enlace a O 1 enlace a O

Alcano Alcohol 3°

No hay oxidación ulterior

REDUCCIÓN

El ácido crómico (H2CrO4) es un buen agente oxidante y se forma cuando se acidulan disoluciones que contienen cromato (CrO4

2-) o dicromato (Cr2O7

2-)

FCH2CH2CH2OH FCH2CH2 COH

O

K2Cr2O7

H2SO4, H2O3- fluoro- 1- propanol ácido 3- fluoropropanoico

(74%)

Las condiciones que permiten el aislamiento fácil de aldehídos con un buen rendimiento por oxidación de R-OH 1°, emplean varis especies de Cr (VI) como el oxidante en medios anhidros. Dos de tales reactivos son el clorocromato de piridinio (PCC), C5H5NH+ ClCrO3

- y el dicromato de piridinio (PDC), (C5H5NH)2

2+ Cr2O72-; ambos se usan en

diclorometano.

CH3(CH2)5CH2OHPCC

CH2Cl2CH3(CH2)5 CH

O

1- heptanol heptanal (78%)

(H3C)3C CH2OHPDC

CH2Cl2

(H3C)3C CH

O

alcohol p- ter- butilbencílico p- ter- butilbenzaldehído

Oxidación de alcoholes secundarios

Los R-OH 2° se oxidan fácilmente para dar rendimientos excelentes de cetonas. El ácido crómico constituye el procedimiento más eficiente para oxidar alcoholes 2° en el laboratorio.

H

OH Na2Cr2O7/H2SO4

O

ciclohexanol ciclohexanona(90%)

Los R-OH 3° no tienen hidrógeno en el carbono que lleva al hidroxilo y no experimentan oxidación con facilidad:

R C

R'

R''

OHoxidación No hay reacción, excepto bajo

condiciones forzadas

(Problema 15.12)

Mecanismo de la reacción de oxidación con H2CrO4-Oxidación del 2-propanol

Paso 1: Formación del cromato de alquilo

C OH

H

H3C

H3C+ HO Cr OH

O

O

C

H

H3C

H3C +O Cr OH

O

O

H2O

2- propanol ácido crómico cromato de isopropiloagua

Paso 2: El paso de oxidación puede verse como una eliminación. El agua actúa como una base para eliminar un protón del carbono mientras se rompe el enlace O-Cr

+ +

cromato de isopropiloagua

H O

H

C

H

H3C

H3CO Cr OH

O

O

H O

H

H

C O

H3C

H3C

Cr OH

O

O-

++

ion hidronio acetona ion cromito

Paso 3: Una serie de reacciones redox convierten el cromo del estado de oxidación 4+ en el HCrO3

- en el estado de oxidación 3+

El reactivo de Jones, que es una disolución diluída de ácido crómico en acetona, es más suave que el reactivo normal de ácido crómico. Oxida algunos R-OH 1° a aldehídos con rendimientos aceptables. La oxidación de Jones necesita de un procedimiento cuidadoso, porque un exceso de reactivo oxidará la aldehído.

R

OH

H

HNa2Cr2O7/H2SO4

CH3COCH3

R C H

O

exceso de reactivoR C OH

O

alcohol 1°

aldehído ácido

CH3(CH2)5 CH2OHK2Cr2O7/H2SO4

CH3COCH3

CH3(CH2)5 C

O

OH

1- heptanol heptanal(50%)

Ejemplo:

Un reactivo más adecuado para la oxidación limitada de alcoholes es el reactivo de Collins, que es un complejo de CrO3 con dos moléculas de piridina. El clorocromato de piridinio es una versión más soluble del reactivo de Collins. Es un complejo de CrO3 con una molécula de piridina y una de HCl.

NCrO3 2. N CrO3 HCl..

Reactivo de Collins Clorocromato de piridinio

trióxido de cromo 2 piridina piridina trióxido de cromo HCl. ..

R

OH

H

H R C H

O

alcohol 1°

aldehído

reactivo de Collins

o clorocromato de piridinio

CH3(CH2)5 CH2OH CH3(CH2)5 C

O

OH

1- heptanol heptanal(93%)

reactivo de Collins

clorocromato de piridinio

OH H

O

2- etil- 1- hexanol 2- etilhexanal (87%)

Ejemplos: