Presentaci

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JPERALTA18
Facultad de Ciencias
Q U Í M I C A O R G Á N I C A Mecanismos de
reacción
2
Clases de reacciones orgánicas
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2. HALOGENUROS DE ALQUILO
2.0. El experimento
2.1. La reacción SN2
2.2. La reacción SN1
2.3. La reacción E1
2.4. La reacción E2
2.5. Factores que gobiernan las reacciones de
sustitución y eliminación
2.6. Síntesis de otros compuestos a partir de
halogenuros de alquilo.
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2.0. El experimento Se ha puesto a reaccionar el
(R)-2-bromooctano, ópticamente puro, con
hidróxido sódico (un nucleófilo) en DMF
(dimetilformamida) como medio disolvente
El resultado es la obtención mayoritaria (80) de
un alcohol con actividad óptica, junto a una
serie de alquenos ópticamente inactivos. Es
razonable pensar que el nucleófilo (HO-) ataca al
carbono deficiente en electrones del
2-bromooctano, que es el que está unido al bromo.
Por tanto, el alcohol será 2-octanol.
Consultamos un handbook y encontramos los datos
siguientes
El alcohol obtenido es mayoritariamente (no
exclusivamente) el enantiómero S.
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El Br se sustituyó por un grupo OH en su mayor
parte. El Br se eliminó en una pequeña parte. Se
formó una mezcla de varios alquenos. La
configuración del alcohol es mayoritariamente S,
la contraria del haluro de alquilo de partida,
por tanto, la sustitución se produjo
mayoritariamente con inversión de la
configuración. Se obtuvo una pequeña cantidad de
alcohol R, lo que sugiere que ocurrió una
racemización. La velocidad de reacción depende de
los dos reactivos, RX y nucleófilo. Ambos deben
intervenir en la etapa limitante de la velocidad.
Estas deducciones deben permitir proponer un
mecanismo de reacción, es decir, una secuencia
razonable de procesos que describa con precisión
cómo y cuando se rompen y forman los enlaces.
2.0. El experimento El análisis de la mezcla de
olefinas, permite hacer las siguientes
deducciones
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2.1. La reacción SN2 La reacción del Et-Br con
OH para dar etanol y el ion Br es una típica
reacción SN2. Cualquier RX 1 desarrolla
reacciones SN2 con nucleófilos como OH, OR,
SR, CN. Los RX 2 también desarrollan
reacciones SN2 sin embargo, los RX 3 no lo
hacen.
Mecanismo de la reacción SN2 Para que se lleve a
cabo una reacción, primero deben chocar las
moléculas. La orientación de las moléculas es un
factor importante para determinar como ocurrirá
la reacción estereoquímica. Para llevar a cabo
una reacción, las moléculas en colisión deben
contener cierta energía potencial para que ocurra
el rompimiento de enlaces.
Estereoquímica de una reacción SN2
Cuando un nucleofílico choca con la parte
posterior de un átomo de carbono tetraédrico
unido a un halógeno, dos cosas ocurren
simultáneamente (1) un nuevo enlace comienza a
formarse, y (2) el enlace CX comienza a
romperse. El proceso se lleva cabo en una etapa,
es decir, es concertado.
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Para que los reactantes sean convertidos a
productos, deben pasar por un estado intermedio
que tiene la máxima energía potencial. Este
estado se llama estado de transición (ET), o
complejo activado. Debido a que el ET está
compuesto de 2 partículas (Nu- y RX), la reacción
se llama bimolecular (SN2)
Energía de una reacción SN2 Las moléculas en una
solución contienen cierta energía potencial en
sus enlaces y cierta cantidad de energía cinética
para su movimiento. Las moléculas que ganan
energía cinética, chocan, e intercambian alguna
energía cinética por energía potencial. La
energía potencial requerida para llegar al ET
forma una barrera energética. Esta cantidad
mínima de energía se llama energía de activación
Eact.
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Velocidad de una reacción SN2 La cinética de la
reacción depende principalmente de dos variables
(1) la concentración de los reactantes, y (2) la
estructura de los reactantes.
Efecto de la concentración sobre la velocidad Al
incrementar la concentración de reactantes, bajo
una reacción SN2, se incrementa la velocidad de
formación de productos debido al incremento de la
frecuencia de las colisiones moleculares.
Debido a que la velocidad de una SN2 depende de
la concentración de 2 partículas (RX y Nu), la
velocidad es de segundo orden cinético.
Efecto de la Eact sobre la velocidad y sobre los
productos Bajos las mismas condiciones, la
reacción de más baja Eact tiene una mayor
velocidad. Si se parte del mismo material por 2
diferentes reacciones, predominará el producto de
la reacción más rápida (de más baja Eact).
En reacciones en competencia a partir del mismo
material, la reacción con el ET de más baja
energía será la reacción más rápida. La reacción
con una estructura del estado de transición más
estable será la reacción más rápida
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Efecto de la estructura sobre la velocidad Se
compararon las reacciones (1) OH? CH3Br ?
CH3OH Br? (2) OH? CH3CH2Br ? CH3CH2OH
Br? Se midieron las velocidades de ambas
reacciones bajo las mismas condiciones (solvente,
concentración, temperatura), y se encontró que el
CH3Br reaccionó 30 veces más rápido que el
CH3CH2Br. La reacción con el bromuro de etilo
tiene un ET de más alta energía.
Impedimento estérico de las reacciones SN2 3 RX
? 2RX ? 1RX ? CH3X Incremento de la
velocidad en reacciones SN2 Si se incrementa el
número de grupos alquilo unidos al carbono
central, el ET se incrementa. La presencia de
grupos CH3 impide el ataque del nucleófilo. La
energía del ET de una reacción SN2 de un RX 3 es
tan relativamente alta que no procede. La
dificultad de ataque del nucleófilo al carbono
central por el amontonamiento de átomos se llama
impedimento estérico.
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2.2. La reacción SN1 Por al impedimento
estérico, el (CH3)3CBr y otros RX 3, no
desarrollan reacciones SN2. Pero, si el (CH3)3CBr
se trata con una solución diluída de NaOH, se
forma rápidamente el alcohol t-butílico. No se
observa en las reacciones inversión de la
configuración de los RX 3 enantioméricos se
obtienen generalmente productos racémicos. Un
cambio en la OH? no tiene efecto sobre la
velocidad de reacción.
Los RX 3 desarrollan la sustitución por un
mecanismo SN1 (sustitución nucleofílica
unimolecular) (CH3)3CBr OH? ? (CH3)3COH
Br? La reacción SN1 de un RX 3 es una reacción
de dos etapas. La etapa 1 es el rompimiento del
RX en un par de iones el ion X? y un
carbocatión. La etapa 2 es la combinación del
carbocatión con el nucleófilo para dar el
producto.
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La etapa 1 en la reacción tiene una alta Eact, es
la etapa lenta en el proceso total. El
carbocatión es un intermediario, una estructura
que se forma durante la reacción y luego
reacciona para dar productos (un intermediario no
es un estado de transición). La etapa 2 es la
etapa rápida de la reacción total.
Estereoquímica de una reacción SN1 Un carbocatión
(o ion carbonio) es un átomo de carbono con 3
grupos unidos. Los enlaces de estos grupos están
en un plano, y los ángulos entre enlaces son de
?120
Cuando el (S)-3-bromo-3-metilhexano se trata con
una solución de NaOH, el reactante enantiomérico
desarrolla racemización para producir una mezcla
racémica de alcoholes. No se observa inversión de
la configuración porque el carbocatión
intermediario es plano. El nucleófilo puede
atacar cualquier lóbulo del orbital p vacío, o
sea, que el Nü puede atacar por cualquier lado.
La mitad de las moléculas del producto invierten
la configuración original y la otra mitad la
mantiene.
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Velocidad de una reacción SN1 La velocidad de
reacción de una SN1 depende solamente de la
RX. Velocidad SN1 k RX La etapa de
ionización (etapa 1) se llama la etapa
determinante de la velocidad de reacción
(EDVR). Una reacción SN1 es de primer orden
cinético porque su velocidad es proporcional a la
reactante. Es una reacción unimolecular porque
solamente una partícula (RX) está implicada en el
ET de la EDVR.
Reactividades relativas en reacciones SN1 Metilo
CH3Br OH ? CH3OH Br 1
CH3CH2Br OH ? CH3CH2OH Br 2
(CH3)2CHBr OH ? (CH3)2CHOH Br 3
(CH3)3CBr OH ? (CH3)3COH Br
Las velocidades que diferentes RX desarrollan
bajo reacciones SN1 dependen de las Eact
relativas que alcanzan diferentes carbocationes.
La energía del ET está determinada por la
estabilidad del carbocatión.
El carbocatión de un RX 3 es más estable que el
carbocatión de un RX 1.
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Estabilidad de carbocationes Un carbocatión es
inestable y rápidamente lleva a cabo una
reacción. Sin embargo, se puede hablar de
estabilidades relativas de carbocationes. Los
tipos de carbocationes son metil catión,
carbocationes primarios, carbocationes
secundarios y carbocationes terciarios. La
estabilidad del carbono cargado positivamente se
incremanta por la dispersión de la carga
positiva. La dispersión de la carga positiva se
da por efecto inductivo (atracción de los
electrones del enlace ? en una molécula por un
centro positivo.
Rearreglo de carbocationes Un cloruro de alquilo
secundario puede desarrollar reacción SN1 con un
ión bromuro como nucleófilo, pero además del
producto esperado se obtiene otro producto.
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Estabilidad de carbocationes Un carbocatión es
inestable y rápidamente lleva a cabo una
reacción. Sin embargo, se puede hablar de
estabilidades relativas de carbocationes. Los
tipos de carbocationes son metil catión,
carbocationes primarios, carbocationes
secundarios y carbocationes terciarios. La
estabilidad del carbono cargado positivamente se
incremanta por la dispersión de la carga
positiva. La dispersión de la carga positiva se
da por efecto inductivo (atracción de los
electrones del enlace ? en una molécula por un
centro positivo.
Rearreglo de carbocationes Un cloruro de alquilo
secundario puede desarrollar reacción SN1 con un
ión bromuro como nucleófilo, pero además del
producto esperado se obtiene otro producto.
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El carbocatión intermediario de esta reacción es
secundario. Un carbocatión 2 es de más alta
energía que un carbocatión 3. La energía del
carbocatión de este ejemplo puede disminuirse por
la transferencia o desplazamiento de un grupo
metilo con sus electrones de enlace al átomo de
carbono adyacente. El resultado es el rearreglo
del carbocatión 2 a un carbocatión 3 más
estable.
carbocatión secundario
carbocatión terciario
El desplazamiento de un átomo o de un grupo a un
carbón adyacente se denomina transferencia-1,2.
El desplazamiento del grupo metilo se llama
transferencia de metiluro (CH3 es un anión). El
rearreglo del carbocatión ocurre si un grupo
alquilo, o arilo, o un átomo de hidrógeno (con
sus electrones de enlace cada uno) puede
transferirse a un carbono adyacente para dar un
carbocatión más estable.
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El carbocatión intermediario de esta reacción es
secundario. Un carbocatión 2 es de más alta
energía que un carbocatión 3. La energía del
carbocatión de este ejemplo puede disminuirse por
la transferencia o desplazamiento de un grupo
metilo con sus electrones de enlace al átomo de
carbono adyacente. El resultado es el rearreglo
del carbocatión 2 a un carbocatión 3 más
estable.
carbocatión secundario
carbocatión terciario
El desplazamiento de un átomo o de un grupo a un
carbón adyacente se denomina transferencia-1,2.
El desplazamiento del grupo metilo se llama
transferencia de metiluro (CH3 es un anión). El
rearreglo del carbocatión ocurre si un grupo
alquilo, o arilo, o un átomo de hidrógeno (con
sus electrones de enlace cada uno) puede
transferirse a un carbono adyacente para dar un
carbocatión más estable.
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2.3. La reacción E1 Un carbocatión es un
intermediario de alta energía, inestable, que
rápidamente reacciona. Una forma de que el
carbocatión dé un producto estable es por
combinación con un nucleófilo (SN1). Otra forma
es que el carbocatión pierda un protón con el
nucleófilo en una reacción de eliminación (E1),
para dar un alqueno.
La etapa 1 en una reacción E1 es igual a la 1a
etapa de una SN1 la ionización del RX. Es la
etapa lenta y por lo tanto la EDVR. También la E1
es de 1er orden cinético, ya que la velocidad
depende sólo de la RX . Sólo un reactante está
implicado en el estado de transición de la EDVR,
la reacción E1, al igual que la SN1, es
unimolecular.
En la segunda etapa de una reacción de
eliminación, la base remueve un protón de un
carbono que es adyacente al carbono positivo. Los
electrones del enlace sigma CH se transfieren a
la carga positiva, el carbono adyacente se
rehibridiza del estado sp3 al estado sp2, y se
forma el alqueno.
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Una reacción E1, al igual que SN1, procede a
través de un carbocatión intermediario, entonces
un RX 3 llevará a cabo la reacción más
rapidamente que un RX 1.
Mezcla de alquenos Si los grupos alquilo
alrededor de carbono positivo del carbocatión son
diferentes, la eliminación puede originar más de
un alqueno. La reacción E1 del 2-bromo-2-metil-but
ano produce dos alquenos porque dos tipos de
átomos de H (hidrógenos ?) pueden ser eliminados
un H del grupo CH3 o un H del grupo CH2.
Cuál de los 2 alquenos se formará en mayor
cantidad?
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Alqueno predominante Alexander Saytseff (1875)
formuló la regla
En reacciones
de eliminación, predominará el alqueno con el
mayor número de grupos alquilo sobre los átomos
de carbono del doble enlace (regla de Saytseff).
Los alquenos más sustituídos son más estables que
los menos sustituídos.
El alqueno más estable se forma en mayor cantidad
que el alqueno menos estable. Después de que se
forma el carbocatión, el ET 2 para cada uno es de
diferente energía. El alqueno más sustituído
tiene un ET 2 de menor energía y procede con
mayor velocidad. La energía del ET de la etapa 1
determina la velocidad de la reacción, la energía
del ET de la etapa 2 determina la estructura del
producto.
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Estequiometría de E1 (cis o trans? El alqueno
más sustituído predominará en la mezcla de
productos E1, pero pueden existir isómeros
geométricos de éste. En reacciones E1 el alqueno
trans se forma preferentemente al alqueno cis.
Los grupos metilo están eclipsados en ET-cis,
pero alternados en el ET-trans. Debido a que el
eclipse de grupos da lugar a repulsiones, el
ET-trans es de más baja energía. Por lo anterior,
la velocidad de la reacción que lleva al alqueno
trans es más rápida, y el trans-2-buteno se
formará en mayor abundancia.
Rearreglos en reacciones E1 Al igual que en las
reacciones SN1, las E1 proceden mediante
carbocationes. Por lo tanto, un carbocatión se
rearreglará si eso dá un carbocatión más estable.
Mediante la transferencia-1,2 de un metiluro o de
un hidruro el carbocatión podrá rearreglarse para
dar un carbocatión más estable. Las reacciones E1
pueden dar una mezcla de alquenos.
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2.4. La reacción E2 La reacción E2 (eliminación
bimolecular) es una ?-eliminación, que ocurre en
una sóla etapa, esto es, de manera concertada.
(1) La base forma un enlace con el hidrógeno ?
(2) Los electrones de CH forman un enlace pi
(3) El bromuro sale con el par de electrones del
enlace sigma CBr
En una E2 los RX 3 reaccionan rápidamente y los
RX 1 reaccionan lentamente. En una reacción E2
el alqueno más estable se forma preferentemente,
siguiendo la regla de Saytseff. No se observan
rearreglos en E2. La E2 es una reacción de
segundo orden cinético, esto es, la velocidad es
proporcional a las concentraciones del RX y de la
base. V k RX B
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2.5. Factores que gobiernan las reacciones de
sustitución y eliminación
SN2 SN1 Cinética segundo
orden primer orden Rearreglos no son
posibles son posibles Estereoquíimica
Inversión completa Mezcla de retención e
inversión Efecto del sustrato CH3X gt1 gt 2
3 gt 2 Efecto del nucleófilo Nü fuerte
hidróxido, Nü débil agua, metanol, fluoruro,
acetato yoduro, metoxi, cianuro, Efecto
del solvente solvente menos polar solvente
ionizante agua, metanol, etanol
E2 E1 Cinética segundo orden primer
orden Rearreglos no son posibles comunes Orien
tación alqueno más sustituído alqueno más
sustituído Efecto del sustrato 3 gt 2 gt1
3 gt 2 Base base fuerte OH, CH3O base
débil Cl , Br , Efecto del solvente variedad
de solventes solvente ionizante agua, metanol,
etanol
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Condiciones favorables para las reacciones de
halogenuros de alquilo Cómo se predice cual de
las posibles reacciones SN2, SN1, E2 o E1, se
llevará a cabo en un caso determinado? Se
proponen algunas directrices

• La fuerza de la base o del nucléofilo determina
  el orden de reacción. Un nucléofilo o base fuerte
  forzará a una cinética de 2 orden SN2 o E2. Si
  no está presente, la reacción más rápida será de
  primer orden, SN1 o E1. Si se agregan sales de
  plata, se puede forzar una ionización.

• Los halogenuros primarios participan en la
  reacción SN2, y a veces en la reacción E2 . Con
  buenos Nü, se observará la reaccion SN2. Si una
  base muy fuerte está presente, también se
  observará la E2. Si el grupo alquilo del RX 1 es
  voluminosos, habrá más eliminación.

• Los halogenuros terciarios participan en la
  reacción E2 (base fuerte) o una mezcla de E1 y
  SN1 (base débil) . Los RX 3 no pueden
  participar en SN2. Las altas temperaturas
  favorecen la eliminación.

• Las reacciones de los halogenuros secundarios son
  las más difíciles de predecir. Con base fuerte,
  son posibles tanto SN2 como la E2, Con una base
  débil y un buen solvente ionizante, son posibles
  tanto la SN1 como la E1. La mezcla de productos
  son comunes. Las altas temperaturas favorecen la
  eliminación.

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2.6. Síntesis de otros compuestos a partir de RX