SUSTITUCIONES NUCLEOFÍLICAS y...
Transcript of SUSTITUCIONES NUCLEOFÍLICAS y...
Derivados halogenados:Reacciones de Sustitución Nucleofílica
y Eliminación
Cátedra Química Orgánica I
Facultad de Farmacia y Bioquímica. UBA
2012
Dra. M. Gabriela Lorenzo
Dra. María Gabriela Lorenzo2
Solventes Halogenados
¿Qué compuestos halogenados conocemos?
PRODUCTO GENERAL
ESPECIFICOS
HIDROCARBUROS ALIFATICOS
Cloroformo, Cloruro de Metileno, Tricloroetileno, Tetracloruro de Carbono, Triclorotrifluoretano, Bromometano, Iodometano
HIDROCARBUROS AROMATICOS
Clorobenceno, Diclorobenceno, Diclorofenol, Bromobutano, Bromotolueno, Clorotolueno, Hexafluorobenceno, Iodobenceno
- La sigla PCB (PolyChlorinated Biphenyls = Bifenilos Policlorados). Se la usa en forma genérica la sigla en inglés - en casi todos los idiomas - no sólo para los bifenilos sino también para otros compuestos halogenados aromáticos relacionados con ellos, como p. ej.los Terfenilos Policlorados, Difenilos Policlorados, etc. Los PCB son una clase de compuestos químicos orgánicos clorados (organoclorados) de muy alta estabilidad, no corrosivos y muy baja inflamabilidad, que se comenzaron a elaborar por primera vez en 1929 a escala comercial.
Dra. María Gabriela Lorenzo3
Usos de los derivados halogenados
- Líquidos refrigerantes
El Teflón (PTFE), patentado por la multinacional DuPont, es un polímero similar al polietileno, en el que los átomos de hidrógeno han sido sustituidos por átomos flúor. La fórmula química del monómero, tetrafluoroeteno, es CF2=CF2.
Dra. María Gabriela Lorenzo4
R
H
H
H
H
X
R
HH
H
HNu
Nu
Base R
H
H
H
Sustitución
Eliminación
Reacciones de Sustitución y de Eliminación
Dra. María Gabriela Lorenzo5
SustratoProductos
1- ¿Cuáles pueden ser los sustratos?2- ¿Qué átomos o grupo de átomos puede ser X?3- ¿Qué relación existe entre el nucleófilo y la base?4- ¿Cuál será el tipo de reacción predominante?
Sustitución Nucleofílica
• Cualquier reacción en la cual un nucleófilo(Nu:-) es sustituido por otro y X es un grupo saliente.
• Reacción ácido-base donde:
–el Nu:- es la base Lewis, dona un par de electrones para formar un nuevo enlace covalente (OH-, CH3CH2O
-, NH3)
–el electrófilo es el ácido Lewis
Dra. María Gabriela Lorenzo6
Dra. María Gabriela Lorenzo7
Ejemplos de Reacciones SN
¿Conocen algún otro Nu?
Ejemplos de Nucleófilos
Dra. María Gabriela Lorenzo8
1-¿Por qué el OH- es mejor Nuque el H2O?2- ¿Por qué los derivados del amoníaco no son tan buenos nucleófilos como los alcoxilos?
• Concentración de la carga negativa
• Relación con la basicidad (del Nuy de su base conjugada)
• Impedimento estérico del Nu
• Solvatación
Factores que inciden sobre la nucleofilicidad
Nucleofilicidad de haluros
Dra. María Gabriela Lorenzo9
1- ¿Cómo explica los órdenes dados?2- ¿Por qué varía el orden con el tipo de solvente?
Carácter Nucleofílico
Dra. María Gabriela Lorenzo10
Nucleofilicidad vs Basicidad
Solventes para las reacciones de sustitución nucleofílica
Dra. María Gabriela Lorenzo11
Constante dieléctrica: Medida de la habilidad del solvente para aislar cargas opuestas.
≥ 15 Solventes POLARES< 15 Solventes NO-POLARES
Próticos
–Dona un ión hidrógeno.–Los más comunes contienen el grupo OH. Ejemplo:
•H2O•Alcoholes de bajo peso molecular
Apróticos
–No pueden donar iones hidrógeno.–No tienen H enlazados a átomos electronegativos.–Ejemplo•Diclorometano(CH2Cl2)•Éter etílico
Ejemplos de solventes
Dra. María Gabriela Lorenzo12
próticos apróticos
Nucleofilicidad de solventes apróticos
• Estos solventes son efectivos para solvatarcationes, los pares de electrones en los átomos de O y N actúan como bases de Lewis:
– Acetona
– acetonitrilo
• Los aniones son pobremente solvatados en estos solventes por lo que participan libremente en reacciones de sustitución nucleofílica
• F->Cl->Br->I-
Dra. María Gabriela Lorenzo13
Ejercicio 1, p. 68
1) El producto principal de la mezcla de la reacción del (R)-2-bromooctano
con NaOH es el (S)-2-octanol.
a) Formule la ecuación de la reacción mencionada. ¿Qué tipo de reacción es?
b) ¿Qué hecho estereoquímico puede deducir a partir de los datos
experimentales proporcionados por la transformación?
c) Experimentalmente se observa que la velocidad de reacción depende de la
concentración de cada uno de los reactantes. Sobre la base de estos
resultados experimentales, escriba la expresión de velocidad para esta
transformación.
d) Plantee un mecanismo probable que permita la interpretación de los
resultados experimentales observados.
e) Esquematice el diagrama energético correspondiente al mecanismo
postulado formulando las especies presentes en cada punto de inflexión.
Dra. María Gabriela Lorenzo14
SN2
Dra. María Gabriela Lorenzo15
Velocidad de una reacción SN2
Estereoquímica de una reacción SN2
1. ¿Cómo es la estereoquímica de una reacción SN2
2. Analice la reacción que se presenta a continuación. Indique la configuración de los compuestos. ¿Qué puede decir respecto de la estereoquímica de la reacción en este ejemplo?
Dra. María Gabriela Lorenzo16
Cl
CH3
H
OCH3 NaCN
CH3
CN
H
OCH3
4) La reacción del R-3-cloro-3-metilhexano con propanol rinde una mezcla de
productos siendo un éter su componente principal.
a) ¿Cuál es la fórmula estructural y el nombre del éter obtenido?
b) ¿A qué tipo de reacción corresponde la transformación observada?
c) Experimentalmente se observa que la velocidad depende
EXCLUSIVAMENTE de la concentración del derivado halogenado. Sobre
la base de estos resultados experimentales, escriba la expresión de
velocidad de esta transformación.
d) Proponga un mecanismo para interpretar la reacción teniendo en
cuenta que, además, se observa racemización parcial como resultado
estereoquímico. Plantee el diagrama energético correspondiente
e) ¿Qué función cumple el alcohol en esta reacción? Justifique su
respuesta.
Dra. María Gabriela Lorenzo17
Ejercicio 4, p. 69
SN1
Dra. María Gabriela Lorenzo18
Velocidad de una reacción SN1
Estabilidad de carbocationes
2) La reacción de 1-bromopropano con etóxido de sodio en DMSO está constituida por 91% de etil propil éter y 9% de propeno.
• a) Indique tipo de reacción en cada caso
• b) Plantee el mecanismo probable para interpretar la reacción de formación del alqueno.
• c) Si se cambia el sustrato de la reacción por 1-bromo-2-metilpropano, se observa que el rendimiento del compuesto insaturado aumenta a 60%. ¿Cuál es el alqueno obtenido en este caso? ¿Cómo puede explicar este hecho experimental?
3) El tratamiento de cualquiera de los enantiómeros (R,R) o (S,S) del 1-bromo-1,2-difenilpropano con KOH/ol rinde un alqueno de configuración Z.
• a) Escriba la fórmula del alqueno obtenido. Indique tipo de reacción
• b) Plantee un mecanismo que permita explicar la formación del producto y su configuración.
• c) Si se plantea la misma reacción partiendo de cualquiera de los enantiómeros (R,S) o (S,R), ¿cuál será la configuración del alquenoresultante?
Dra. María Gabriela Lorenzo19
Ejemplos de ejercitación
Reacciones de Eliminación
• Aparecen cuando el nucleófilo se comporta como base y compiten con la SN
• En general las altas temperaturas favorecen la Eliminación.
• Mecanismos:
– E1 (eliminación unimolecular)
– E2 (eliminación bimolecular)
Dra. María Gabriela Lorenzo20
1) Las reacciones de Eliminación: ¿Son regioselectivas? ¿Son estereoselectivas? ¿Son estereoespecíficas? Explique utilizando un ejemplo apropiado.
2) ¿Cómo es la estereoquímica de las reacciones de Eliminación? ¿Existen diferencias entre la E1 y la E2?
3) ¿Puede haber reordenamientos en una reacción de Eliminación? ¿De qué depende?
4) La obtención de alquenos por deshidratación de alcoholes es una reacción de eliminación. ¿Cuál? Plantee detalladamente su mecanismo.
Ejemplo de reacciones de E
Dra. María Gabriela Lorenzo21
Producto E2
Dra. María Gabriela Lorenzo22
La reacción de Eliminación normalmente compite con la Sustitución, sin embargo no hay posibilidad de eliminación si no hay H en posición Beta
Mecanismo E1
Dra. María Gabriela Lorenzo23
• ¿Qué sustratos pueden sufrir reacciones de E1? Formule un ejemplo de cada uno.
• Dadas las siguientes proposiciones relativas a una reacción de eliminación unimolecular E1:
I. Se forma como intermediario un carbocatión.
II. El primer paso de la reacción se ve favorecido por solventes polares.
III. Las bases fuertes aceleran la reacción.
IV. En su transcurso se producen reordenamientos moleculares hacia estructuras más estables.
V. La facilidad para actuar como grupo saliente en estas reacciones es Cl > Br > I
Son correctas:
a) I, III y IV
b) II, III y V
c) I y IV
d) I, II y IV
e) III y V
Dra. María Gabriela Lorenzo24
Un ejercicio diferente para practicar
Mecanismo E2
Dra. María Gabriela Lorenzo25
Dra. María Gabriela Lorenzo26
Mecanismo E2
Dra. María Gabriela Lorenzo27
Mecanismo E2
Orientación de la Eliminación. Regla de Saytzeff
Dra. María Gabriela Lorenzo28
• Dadas las siguientes proposiciones relativas a una reacción de eliminación bimolecular E2:I. Se ven favorecidas por altas concentraciones de base.II. No se producen transposiciones en el transcurso de estas
reacciones.III. La velocidad de estas reacciones disminuye al aumentar la
temperatura.IV. Una base voluminosa como el terbutóxido de sodio
favorece una reacción E2 sobre la competitiva SN2.V. Las reacciones E2 muestran una cinética de primer ordenVI. Las reacciones E2 son estereoespecíficasSon correctas:
a) I, II yIIIb) III y Vc) I, II, IV y VId) I, III, V y VIe) II, IV y VI
Dra. María Gabriela Lorenzo29
Un ejercicio diferente para practicar
5) Analice y justifique las siguientes observaciones experimentales empleando
las fórmulas correspondientes:
a) La velocidad de la reacción del 1-cloro-3-metil-2-buteno en agua es
1000 veces mayor que la del 1-cloro-2-buteno en el mismo medio.
b) El producto de la primera reacción es una mezcla de 1-hidroxi-3-metil-
2-buteno y de 2-hidroxi-2-metil-3-buteno.
c) La escasa reactividad del cloruro de vinilo frente a la misma reacción.
6) La reacción de los halogenuros de alquilo con AgNO3/ol es de suma utilidad
ya que permite la caracterización de este tipo de compuestos.
a) Dadas las características de esta reacción, ¿qué tendría que
visualizar?
b) ¿Cómo ordenaría los siguientes derivados halogenados de acuerdo
a la velocidad de reacción con AgNO3/ol? Cloruro de ter-butilo, cloruro
de vinilo, cloruro de isopropilo, cloruro de alilo, cloruro de n-pentilo.
c) ¿Cómo justifica el ordenamiento propuesto? Formule las estructuras
de los intermediarios de reacción.
Dra. María Gabriela Lorenzo30
Ejemplos de ejercitación
Dra. María Gabriela Lorenzo31
RX + :Nu- RNu + X-
RX + NuH RNu + XH
SN1 SN2
ETAPAS 1) R:X LENTO R++ :X-
carbocatión
2) R+ +Nu- RÁPIDO RNu
o R+ + Nu RNu+
R:X + Nu- RNu + X-
o R:X + :Nu RNu+ + X-
CINÉTICA v=k[RX] (1erorden) v=k[RX] [:Nu] (2doorden)
ET DEL PASO
LENTO
d+ d-
C ------ :X
d- d-
:Nu ---- C ----X (con Nu-)
MOLECULARIDAD Unimolecular Bimolecular
ESTEREOQUÍMICA Inversión parcial Inversión (ataque por la retaguardia)
REACTIVIDAD:
Estructura de R
Factor
determinante
Naturaleza de X
Efecto del solvente
sobre la velocidad
3o > 2o > 1o > CH3
Estabilidad de R+
RI > RBr > RCl > RF
Aumenta en solventes
polares próticos
CH3 > 10 > 2o > 3o
Impedimento estérico de R
RI >RBr > RCl > RF
Aumenta en solventes pola-
res apróticos
EFECTO DEL
NUCLEÓFILO
RX reacciona con nucleó-
filos débiles (generalmen-
te solventes)
RX reacciona con nucleófi-
los fuertes. La velocidad de-
pende del carácter nucleofí-
lico:
I- >Br-> Cl- ; RS-> RO-
COMPETENCIA Eliminación (E1 ) Eliminación (E2 ), especial-
mente RX 30 con bases fuertes
POSIBILIDAD DE
REORDENAMIENTO
SÍ NO
DESPLAZAMIENTOS NUCLEOFÍLICOS TIPO SN1 y SN2
Dra. María Gabriela Lorenzo32
REACCIONES DE ELIMINACIÓN E1 y E2, INDUCIDAS POR BASES
E1 E2
ETAPAS
Uno:
ESTADO DE
TRANSICIÓN
d+ d-
H C C X
CINÉTICA V=k[RX] (1erorden)
La ionización determina la velocidad
V=k[RX].[:B-] (2doorden)
MOLECULARIDAD Unimolecular Bimolecular
ESTEREOQUÍMICA No estereoespecífica Eliminación anti
REACTIVIDAD:
Estructura de R
Factor determinante
Naturaleza de la base
Concentración de la base
RX 30 > 2o > 1o
Estabilidad de R+
Débil
Baja
RX 30 > 20 > 10
Estabilidad del alqueno.
(Regla de Saytzeff)
Fuerte
Alta
POSIBILIDAD DE
REORDENAMIENTO
Sí No
COMPETENCIA SN1 SN2
Resumen
RX Nu D Nu F
1º - SN2
2º SN1 + E1 SN2 + E2
3º SN1 (E1) E2
Bencílico/Alílico SN1 SN2
Arílico/Vinílico - -
Paso limitante C+ (reord.) Edo Trans. C pentav.
Dependencia Ef. Electrónicos (I y M)
Ef. Estéricos
Estereoquímica Racemización (p.) SN2: InversiónE2: anti periplanar
Orden 1 2
Dra. María Gabriela Lorenzo33
Bibliografía
• Bruice, P. (2008). Química Orgánica. (5TA Edición).
• Brunet, E. La química orgánica transparente. (lecciones)
• http://www.uam.es/departamentos/ciencias/qorg/docencia_red/qo/l00/pral.html (visitado 28/03/2012)
Dra. María Gabriela Lorenzo34