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0-2011

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1

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PRACTICA 1. SNTESIS MALNICA: SINTESIS DEL CIDO 5-n-BUTILBARBITRICO (2 sesiones) PRCTICA 2: REACCIONES DE WITTIG Y KNOEVENAGEL: APLICACIN A LA OBTENCIN DE POLMEROS Y OLIGMEROS p-CONJUGADOS CON PROPIEDADES FOTOLUMINISCENTES. (2 sesiones) PRACTICA 3: EL ACOPLAMIENTO DE SUZUKI. UNA APLICACIN DE GREEN CHEMISTRY (1 sesin) PRCTICA 4: ACILACIN DE COMPUESTOS CARBONLICOS VA ENAMINAS. (2 Sesiones)

PRCTICA 5: QUMICA Y LUZ: SNTESIS DE FLUORESCENA. QUIMIOLUMINISCENCIA. (1 Sesin) PRCTICA 6: REACCIN DE DIELS-ALDER REGIOSELECTIVA. SNTESIS DE -TERPINEOL (3 Sesiones) PRCTICA 7: INTRODUCCIN A LA MODELIZACIN MOLECULAR (1 Sesin)

PRACTICA 1. SNTESIS MALNICA: SINTESIS DEL CIDO 5-n-BUTILBARBITRICO (2 sesiones) 1. INTRODUCCIN Y FUNDAMENTO

El cido barbitrico se obtiene por reaccin de condensacin entre el cido malnico y

la urea. Fue preparado por primera vez en 1864 por Adolph von Baeyer.

Entre los derivados del cido barbitrico (utilizados normalmente en forma de sus

correspondientes sales llamadas barbituratos) se encuentran los frmacos hipntico-sedantes

ms utilizados. El primer medicamento fisiolgicamente activo, el barbital o veronal, fue

introducido en 1903. El mtodo de sntesis de este compuesto y otros anlogos aparecidos

posteriormente ha experimentado pocas variaciones. El mtodo usual parte del malonato de

dietilo. Este diester tiene propiedades cidas debido a los protones en a respecto al grupo

carbonilo. Una base puede captar uno de estos protones, dando lugar a un anin, que puede

experimentar reacciones de alquilacin, con un derivado halogenado adecuado. Dado que hay

dos hidrgenos en a, este proceso puede repetirse para dar lugar a un derivado dialquilado del

malonato de dietilo. Este producto condensa con urea para dar un cido 5,5-dialquilbarbitrico.

Ambos hidrgenos deben sustituirse por grupos alquilo para que el compuesto

presente propiedades hipnticas o sedantes. Esto, probablemente, obedece a la

susceptibilidad de los hidrgenos en a frente a un posible ataque metablico dentro del

organismo, con la subsiguiente degradacin del compuesto.

Los qumicos han sintetizado y los farmaclogos ensayado muchos de estos

compuestos. Los barbitricos producen una amplia variedad de respuestas dentro del

organismo en funcin, principalmente, de la identidad de los grupos alquilo. Pueden hacerse

algunas generalizaciones: aumentando la longitud de una cadena alqulica hasta 5 o 6

carbonos, se incrementa la accin sedante; fuera de esta longitud disminuye la accin

depresiva y los productos se hacen ms efectivos como anticonvulsionantes para el control de

los ataques epilpticos. Las cadenas ramificadas o insaturadas en la posicin 5 producen

generalmente un efecto de duracin ms breve. De hecho los cidos barbitricos o sus sales,

los barbituratos, se clasifican en tres grandes categoras en funcin del tiempo que tardan en

producir efecto y del tiempo que dura su actividad. Los compuestos con grupos fenilo o etilo en

la posicin 5 parecen presentar un tiempo de accin ms largo.

Las aplicaciones mdicas y fisiolgicas de los barbituratos dependen de las dosis

empleadas. En pequeas dosis, tienen un efecto sedante suave y actan aliviando la tensin y

la ansiedad. (Sin embargo, en este tipo de aplicaciones han sido sustituidos, en la actualidad,

por otras drogas tranquilizantes ms modernas.) Si se consume una dosis de 3 a 5 veces

mayor que la dosis sedante, se induce el sueo, y en dosis ms grandes actan como

anestsicos. El pentotal sdico -la sal de sodio del tiopental- se encuentra entre los anestsicos

ms usados en ciruga, siendo uno de los de accin ms rpida y corta.

El pentotal sdico fue utilizado en dosis ms bajas durante la segunda guerra mundial

como "droga de la verdad". Con una dosis correcta, se induca un tipo de sueo narctico o

hipnosis del paciente, dejndolo slo semiinconsciente. En este estado, el sujeto tena poco

autocontrol y se haca muy susceptible a la sugestin. No poda ocultar las respuestas

verdaderas, aunque lo deseara.

Los barbituratos se recetan extensamente como pldoras para inducir el sueo. Muchas

personas consideran que el sueo provocado por estos frmacos es tan relajante como el

sueo natural. Sin embargo, en ocasiones se despiertan con sensacin de resaca, mareo,

modorra y dolor de cabeza. Las pruebas han demostrado que, independientemente de los

sntomas experimentados por el paciente, ste ve reducida su capacidad de concentracin.

Los elevados niveles de barbituratos causan la muerte. El uso de este tipo de frmacos

puede causar dependencia e intoxicacin crnica. Lamentablemente, an no se conoce la

forma de accin de los barbituratos como causantes de la narcosis, la sedacin y la anestesia.

2. OBJETIVO En esta prctica se sintetizar un derivado del cido barbitrico, con escaso poder

como hipntico o sedante y relativamente ineficaz para el hombre. Sin embargo el producto es

txico y debe manejarse con cuidado. Se trata del cido 5-n-butilbarbitrico, y el esquema

sinttico que se utilizar es el siguiente:

El primer paso consiste en la alquilacin del malonato de dietilo con bromuro de

n-butilo. El elevado punto de ebullicin del butilmalonato de dietilo exige utilizar una destilacin

a presin reducida para aislarlo. El papel que juega el KI es el de desplazar el tomo de bromo

en el derivado halogenado por uno de yodo que es mejor grupo saliente, lo que facilita la

reaccin de SN2.

En la etapa de alquilacin se utiliza etanol como disolvente. Esto se debe a que

se est trabajando con el ster dietilico del cido malnico. Con otro alcohol tendra lugar una

transesterificacin y se obtendra una mezcla ms compleja de productos.

La etapa final consiste en una reaccin de condensacin entre la urea y el

butilmalonato de dietilo. El producto -el cido 5-n-butilbarbitrico- puede presentar varias

formas tautmeras, entre las que se pueden resaltar las siguientes:

3. EXPERIMENTAL:

3.1. n-Butilmalonato de dietilo. En un matraz de 250 ml provisto de refrigerante de reflujo y tubo de cloruro

clcico, se ponen 2 g de etxido sdico, 20 ml de etanol absoluto y 0.5 g de yoduro potsico.

Se adapta el refrigerante y se calienta el contenido del matraz hasta disolucin total. A

continuacin se aaden por la parte superior del refrigerante 4,4 g de malonato de dietilo y se

refluye durante diez minutos. Transcurrido este tiempo se adicionan 3,5 g de 1-bromobutano

por la parte superior del refrigerante. La mezcla se calienta a reflujo durante otros 45 minutos.

El producto forma un aceite amarillo en la superficie de la mezcla. Se enfra el contenido del

matraz a temperatura ambiente y se rota hasta sequedad. A continuacin se aaden 25 ml de

agua y 0.5 ml de cido HCl cc y se agita hasta disolucin total. Cuando la mezcla se haya

enfriado se pasa a un embudo de decantacin y se extrae sucesivamente con dos porciones de

25 ml de ter dietlico. La fase orgnica se lava sucesivamente con 10 ml de agua, con 15 ml

de solucin de NaHCO3 al 5% y finalmente con otros 15 ml de agua, se seca sobre MgSO4, se

filtra y se concentra en el rotavapor para eliminar el ter. El crudo as obtenido se destila a

presin reducida (Figura 2). Se recoge la fraccin que destila entre 170-180C a 140 mm de

Hg. Se pesa el contenido del matraz, se calcula el rendimiento de la reaccin y se hace una

placa fina utilizando Hexano: AcOEt al 5% como eluyente.

3.2. cido 5-n-butilbarbitrico. En un matraz de 250 ml se ponen 0,91 g de etxido sdico, 30 ml de etanol absoluto,

2,65 g de n-butilmalonato de dietilo y 0,72 g de urea libre de agua (se puede secar

mantenindola 45 minutos en una estufa a 105C) Se adapta al matraz un refrigerante de

reflujo y un tubo de cloruro clcico. Se refluye la mezcla durante dos horas. Finalizado este

tiempo se apaga la calefaccin y se aaden por la boca superior del refrigerante 20 ml de agua

templada (aprox. a 50C). A continuacin y tambin a travs del refrigerante se adicionan 1,5

ml de cido HCl cc. Se espera a que la disolucin se enfre lo suficiente como para poder

manipularla sin riesgo de quemaduras y se concentra hasta unos 20-25 ml aproximadamente,

se enfra con un bao de hielo y el slido as formado se recoge por filtracin a vaco. El slido

se lava con ter de petrleo, se recoge y se recristaliza de agua caliente. La recristalizacin se

lleva a cabo con 20 ml de agua por gramo de n-butilmalonato de dietilo utilizado inicialmente. El

cido barbitrico se recoge por filtracin a vaco, se seca, se pesa, se determina su punto de

fusin y se calcula el rendimiento.

Equipo: Aparato para reflujo, extraccin-separacin, destilacin a presin reducida.

PRCTICA 2: REACCIONES DE WITTIG Y KNOEVENAGEL: APLICACIN A LA OBTENCIN DE POLMEROS Y OLIGMEROS p-CONJUGADOS CON PROPIEDADES FOTOLUMINISCENTES. (2 sesiones)

1. INTRODUCCIN Y FUNDAMENTO

Una de las reas ms activas dentro de la investigacin en qumica orgnica est

constituida por el desarrollo de los llamados materiales orgnicos. Estos compuestos se

denominan as porque tienen una estructura fundamentalmente orgnica, pero presentan

propiedades fsicas tradicionalmente relacionadas con compuestos de tipo inorgnico

(semiconductores, superconductores, compuestos fluorescentes, componentes de lseres,

etc). La ventaja fundamental de estos nuevos derivados frente a sus anlogos inorgnicos

tradicionales se basa en la posibilidad de alterar o modular las propiedades del material de

sntesis a travs de modificaciones qumicas simples en la estructura del compuesto. Otra

ventaja aadida es su solubilidad en disolventes orgnicos, lo que lleva consigo una mayor

facilidad de procesado que permite la fabricacin de bloques y de pelculas flexibles de material

homogneo.

En la actualidad, la preparacin de compuestos orgnicos con propiedades

fotoluminiscentes y electroluminiscentes constituye un campo de investigacin de creciente

importancia. Entre las aplicaciones ms importantes, destaca su empleo en la fabricacin de

diodos electroluminiscentes (utilizados en letreros luminosos y todo tipo de pantallas), sondas

fotoluminiscentes para anlisis medioambiental, marcadores de billetes de banco, etc. El

concepto de electroluminiscencia se basa en que, al aplicar una diferencia de potencial, se

produce la emisin de luz por excitacin de los electrones situados en el orbital HOMO del

compuesto orgnico. Cuando se habla de fotoluminiscencia (o fluorescencia), la excitacin

tiene lugar cuando el compuesto absorbe una luz de longitud de onda adecuada. Al volver a su

estado original, se produce la emisin de una luz cuya longitud de onda se sita en la zona del

visible y que generalmente es similar en ambos casos. Por lo tanto, la secuencia a seguir para

conocer las propiedades de un compuesto sera: a) Conocer la longitud de onda de mxima

absorcin, a travs del espectro de UV; b) Realizar la medida de la fotoluminiscencia, utilizando

como longitud de onda de excitacin la correspondiente a la mxima absorcin; c) Medir la

electroluminiscencia, conociendo ya la zona aproximada en la que puede darse el mximo de

emisin.

En los ltimos aos, se han ensayado diferentes tipos de materiales luminiscentes,

especialmente derivados aromticos -conjugados como el poli(p-fenilenvinileno), ms conocido como PPV. Los estudios se llevan a cabo partiendo tanto de polmeros como de

oligmeros (compuestos de cadena corta utilizados como modelos). Introduciendo distintos

sustituyentes, y variando su posicin en los anillos, puede controlarse tanto la diferencia

energtica existente entre los orbitales HOMO y LUMO del compuesto, y, por tanto, la longitud

de onda de la luz emitida, como la eficacia de la emisin o la solubilidad (y por tanto la facilidad

de procesado).

2. OBJETIVO Aplicar dos reacciones clsicas de formacin de enlaces C-C, como son la reaccin de

Wittig y la reaccin de Knoevenagel, a la sntesis de materiales orgnicos derivados del PPV

con interesantes propiedades fotoluminiscentes y electroluminiscentes.

Modular las propiedades de los productos obtenidos (solubilidad, color, caractersticas

de la luz emitida por fotoluminiscencia) a travs de modificaciones qumicas en la estructura del

compuesto.

3. PLANIFICACIN

El trabajo se estructura en dos niveles:

Trabajo individual: Cada alumno debe llevar a cabo la sntesis de dos oligmeros, uno

mediante reaccin de Knoevenagel, y otro a travs de una reaccin de Wittig. Antes de

comenzar el proceso sinttico, es imprescindible:

1) Formular las reacciones conducentes a la formacin de los compuestos elegidos.

2) Formular los mecanismos de los dos procesos estudiados.

3) Calcular las cantidades de cada reactivo, y preparar el material necesario.

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En un matraz de dos bocas, provisto de refrigerante de reflujo1 y pieza de agitacin, se

introducen 3 mmol del monmero difuncionalizado central (1), 6 mmol del monmero lateral (A,

B C) y 6 mL de diclorometano. A continuacin, se aaden 6 mL de NaOH al 50%. La mezcla

bifsica se agita vigorosamente durante 30 minutos y, transcurrido este tiempo, se aaden 20

mL de diclorometano y 30 mL de agua. La fase orgnica se separa en un embudo de

decantacin y la fase acuosa se extrae con diclorometano (2 x 10 mL). Las fases orgnicas

reunidas se lavan con 30 mL ms de agua y, despus de secar la fase orgnica con sulfato

magnsico anhidro, se filtra y se elimina el disolvente en el rotavapor. Para eliminar el xido de

trifenilfosfina formado como subproducto de la reaccin, el producto resultante se lava con

etanol fro (2 x 10 mL) filtrando a travs de un Bchner. Despus de secar y pesar, se calcula el

rendimiento global y el slido obtenido se guarda en un lugar oscuro hasta el momento de

anotar sus propiedades.

5. REACCIN DE KNOEVENAGEL 5.1. Fundamento

La reaccin de Knoevenagel puede considerarse una variante de la condensacin

aldlica. Consiste bsicamente en una condensacin de aldehidos o cetonas, que no

contengan hidrgenos enolizables, con compuestos de la frmula Z-CH2-Z, Z-CHR-Z o Z-

CH2R, siendo Z, Z = CHO, COOH, CN, NO2, etc. El proceso se lleva a cabo en presencia de

una base que acta como catalizador. Una vez formado el compuesto de adicin, y tras la

prdida de una molcula de agua, el producto de la reaccin es un derivado ,-insaturado con un grupo Z como sustituyente del nuevo enlace C=C creado.

5.2. Aparatos y material

(M.U.: material comn del grupo)

(M.G.: material general del laboratorio)

2 Erlenmeyer de 50 mL

1 Erlenmeyer de 25 mL

Pieza de agitacin

Pipeta de 1 mL (M.G.)

Pipeta de 5 mL

Probeta de 25 mL

Embudo de slidos

Embudo Bchner de 4 cm Magnetoagitador (M.U.)

Lmpara UV de 366 nm (porttil; M.G.)

1 La reaccin se mantiene a temperatura ambiente por lo que no es necesario el uso de gomas en el refrigerante.

monmero lateral

monmero central

Ar = Ph, p-MeoC6H4, naftilo

+2 Ar CN

CO

H

CO

H

Ph

Ph

H

CN

CN

HEtOH

CCH3

H3C

CH3

O- , K+

5.3. Reactivos y disolventes: Tereftaldehido

4-Metoxifenilacetonitrilo

1-Naftilacetonitrilo

Fenilacetonitrilo

Etanol absoluto

terc-Butxido potsico

Metanol

cido actico

Diclorometano

5.4. Procedimiento experimental

Procedimiento para obtener el compuesto 2D

En un erlenmeyer de 25 mL, provisto de pieza de agitacin, se introducen 2,5 mmol del

monmero central, 5,25 mmol del monmero lateral y 5 mL de EtOH absoluto. Se conecta la

agitacin magntica, y se aade una punta de esptula pequea de terc-butxido potsico. La

reaccin comienza casi instantneamente,1 formndose un precipitado de aspecto llamativo.

Pasados 10 minutos desde la aparicin del slido, se adicionan 10 mL de metanol fro al que se

ha aadido una gota de cido actico. El precipitado obtenido se filtra y se lava con metanol

fro (2x3 mL). A continuacin, se seca y se pesa para calcular el rendimiento. El slido se

guarda en lugar oscuro hasta el momento de anotar sus propiedades.

Procedimiento para obtener los compuestos 2E-F

En un erlenmeyer de 25 mL, provisto de pieza de agitacin, se introducen 2,5 mmol del

monmero central, 5,25 mmol del monmero lateral y 5 mL de EtOH absoluto. Se conecta la

agitacin magntica, y se aade una punta de esptula pequea de terc-butxido potsico. La

reaccin se colorea casi instantneamente,2con aspecto llamativo. Pasados 10 minutos desde

la aparicin del color amarillo, se adiciona una gota de cido actico. Se elimna el diolvente en

el rotavapor, obtenindose un aceite amarillo, que se pesa para calcular el rendimiento. El

aceie se guarda en lugar oscuro hasta el momento de anotar sus propiedades.

6. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES OBTENIDOS Se pretende relacionar la estructura de los compuestos de sntesis con la solubilidad de

los mismos en acetona, hexano y DCM. Asimismo, debern establecerse las relaciones

estructura/propiedades pticas de los compuestos: lmx de emisin/color e intensidad de la

emisin (fuerte, media o dbil).

6.1. Procedimiento de anlisis

Preparar en distintos viales, convenientemente etiquetados, disoluciones o

suspensiones de cada uno de los compuestos en acetona, hexano y DCM, utilizando en cada

caso una puntita de esptula del producto y 2 mL de disolvente 1 Si transcurren cinco minutos y no se observa la formacin de ningn precipitado, se aade otra punta de esptula de terc-butxido potsico 2 Si transcurren cinco minutos y no se observa la formacin de ningn precipitado, se aade otra punta de esptula de terc-butxido potsico

Anotar en la Tabla 1 del guin la solubilidad de los productos (total, parcial, nula) en

acetona, hexano y DCM.

Sobre una tira de papel de filtro, trazar con un lpiz dos lneas paralelas distanciadas 2

cm y, sobre stas, depositar con un capilar de puntos de fusin abierto por ambos extremos,

muestras de cada una de las disoluciones o suspensiones de los compuestos en acetona,

guardando una distancia entre cada una de las aplicaciones de 2 cm, aproximadamente

(Cuadro 2).

Cuadro 2

1A 1B 1C

2D 2E 2F

NOTA: Algunos productos no estn muy puros y al aplicar la muestra sobre el papel de

filtro se delimita en el centro de gravedad de la mancha, por difusin, un depsito de slido

relativamente puro, lo que permitir visualizar el color en este punto e identificarlo sobre la

escala del espectro visible (Cuadro 3).

nm 400 425 450 490 510 530 550 590 640 730

Color Violeta Azul

ndigo Azul

Azul-

verde Verde

Verde-

amarillo Amarillo Naranja Rojo Prpura

Cuadro 3

Colocar el muestrario bajo una lmpara de UV de 366 nm y anotar en la Tabla 1 el

color de la luz emitida por cada compuesto.

Asociar el color de la luz emitida al valor de la l en el espectro visible (vase NOTA del

punto 3) y anotarlo en cada caso.

Establecer en cada caso una escala aproximada de intensidad de la luz emitida (fuerte,

media, dbil) y anotar esta caracterstica.

Utilizar los espectros de absorcin y emisin de luminiscencia de los compuestos de

sntesis que se incorporan al final del guin para completar sus propiedades pticas (mximo

UV y mximo FL) y anotar estos datos bibliogrficos o de referencia en la Tabla 1 del guin.

Observar la concordancia de estos datos bibliogrficos y los resultados experimentales

(puntos 4, 5 y 6).

6.2. Relaciones estructura/propiedades

Utilizar los datos experimentales determinados en 4.1 (puntos 2, 4, 5 y 6) y las

diferencias estructurales de la serie de productos que se han obtenido (Cuadro 1), para

establecer las siguientes relaciones:

Influencia de la naturaleza del aldehido sobre las propiedades pticas.

Comparar las propiedades de los compuestos (cules?) y/o (cules?).

Influencia de la naturaleza de X (CN H) sobre las propiedades pticas.

Comparar las propiedades de los compuestos (cules?) .............

Influencia de la presencia del grupo CH3O en el anillo aromtico sobre las propiedades pticas.

Comparar las propiedades de los compuestos (cules?)...............

Influencia del nmero de unidades p conjugadas sobre las propiedades pticas.

Comparar las propiedades de los compuestos (cules?) ...............

Comparar la solubilidad de los compuestos obtenidos en acetona, hexano y DCM utilizando los

criterios anteriores (puntos 1 a 5).

PRACTICA 3: EL ACOPLAMIENTO DE SUZUKI. UNA APLICACIN DE GREEN CHEMISTRY(1 sesin) 1. INTRODUCCIN Y ANTECEDENTES

Las reacciones de acoplamiento catalizadas por metales de transicin constituyen hoy

en da uno de los procesos ms importantes de la sntesis orgnica para la formacin de

enlaces carbono-carbono o carbono-heteroatomo. Dada la enorme versatilidad alcanzada,

estos acoplamientos se han utilizado para la obtencin de una gran variedad de compuestos

orgnicos, especialmente productos naturales.3

La utilizacin de Paladio frente a otros metales presenta varias ventajas como una

elevada tolerancia a la presencia de distintos grupos funcionales que permite la eliminacin de

etapas de proteccin y desproteccin, ser menos sensibles al oxgeno o la humedad que los de

otros metales, el precio relativamente bajo de los catalizadores de paladio o la menor toxicidad

del paladio frente a otros metales de transicin como por ejemplo el Osmio.

Todas estas caractersticas han permitido incluso el desarrollo de procesos industriales que

utilizan acoplamientos catalizados por paladio.

Muchas de las reacciones desarrolladas sobre esta base son actualmente bien

conocidas y entre ellas destacan los conocidos como acoplamiento de Migita-Stille (Sn),

Suzuki-Miyaura (B), Kumada (Mg), Negishy (Zn), Mizoroki-Heck, Hiyama (Si), Ullmann,

Hartwig-Buchwald y Sonogashira-Hagihara.

La enorme contribucin de este tipo de reacciones al desarrollo de la Qumica ha

quedado patente con la concesin del premio Nobel de Qumica de 2010 a los Profesores

Suzuki, Negishi y Heck.

La reaccin conocida como acoplamiento de Suzuki-Miyaura, se descubri en 1979 y

es, hoy en da uno de los mtodos ms utilizados para la formacin de enlaces C-C. Las

condiciones ms usuales para llevar a cabo este proceso implican la reaccin entre un haluro

aromtico o vinlico con un cido o ster bornico en condiciones bsicas y en presencia de

una cantidad cataltica de una especie de Pd(0).Todo ello en un disolvente orgnico o una

3 Tsuji, J. en Palladium Reagents and Catalysts: Innovations in Organic Synthesis, Wiley, Chichester 1995.

mezcla de disolvente orgnico y agua. El Pd(0) se genera normalmente in situ desde PdCl2 o

Pd(OAc)2.

El mecanismo ms aceptado para esta reaccin constituye un ciclo cataltico como el

que se muestra en la siguiente figura:

Uno de los campos en los que ms se ha aplicado esta metodologa es la sintesis de

biarilos, en concreto la sntesis de antiinflamatorios no esteroidicos con esta tipologa

molecular. Un buen ejemplo lo constituye la obtencin, como comentabamos anteriormente, a

nivel industrial delDiflunisal, un medicamento cuya estructura base es el 4-phenylphenol.

La inmensa importancia que esta reaccin tiene en la sntesis qumica ha hecho que la

bsqueda de condiciones de reaccin ms respetuosas con el medioambiente (green

chemistry) hayan sido uno de los objetivos de los grupos de investigacin centrados en este

tipo de qumica.

Gracias a estos estudios, la prctica que vamos a realizar se lleva a cabo con agua

como nico disolvente. La especie de paladio (0) que utilizaremos ser simplemente Pd(C) y el

proceso de purificacin se realizar por simple recristalizacin del producto final. (Esquema II).

Que ventajas supone este mtodo frente a una qumica ms clsica?

La implementacin del agua como disolvente tiene varias ventajas: Es un disolvente no

inflamable, no tiene toxicidad y es el disolvente ms barato.

El catalizador utilizado (Pd(C)) es uno de los compuestos de Paladio ms econmicos

y, una vez terminada la reaccin, se elimina por simple filtracin.

Los mtodos de purificacin usuales suponen la extraccin de los crudos de reaccin

con disolventes orgnicos y la posterior utilizacin de tcnicas cromatogrficas, con el

consiguiente gasto de disolventes orgnicos y el problema aadido de su almacenamiento para

posterior destruccin. En nuestro caso la purificacin se realizar mediante la tcnica de

recristalizacin.

2. EXPERIMENTAL: SNTESIS DEL 4-HIDROXIBIFENILO 122 mg (1.0 mmol) de cido fenilbornico, 414 mg (3.0 mmol) de K2CO3y 220 mg (1.0

mmol) de 4-yodofenol se mezclan en un matraz de fondo redondo de 25 ml. Sobre esta mezcla

se aaden 10 mL de agua. En un vial se pesan tres miligramos (3.0 mg) de paladio sobre

carbono y se aade un mililitro (1 mL) de agua para crear una suspensin. Esta suspensin se

aade al matraz anterior. La reaccin se agita y refluye vigorosamente durante 30 minutos.

Pasado este tiempo se deja enfriar a temperatura ambiente. El crudo as obtenido se precipita

acidulando con HCl 2M y se recoge por filtracin. El slido (que an contiene el catalizador) se

disuelve en metanol, se filtra para eliminar el Pd/C y se elimina el disolvente a vaco. La

recristalizacin del producto con una mezcla de metanol y agua al 50% permite obtener el

producto puro con rendimientos que oscilan entre el 55 y el 80%. (P.f. = 164-165C)

NOTA: Para asegurar una buena cristalizacin, juntar el producto obtenido por cada tres

alumnos.

PRCTICA 4: ACILACIN DE COMPUESTOS CARBONLICOS VA ENAMINAS. (2 Sesiones) La acilacin de compuestos carbonlicos (aldehidos y cetonas) es un buen mtodo para la

obtencin de compuestos 1,3 dicarbonlicos. Sin embargo, la acilacin directa de los

correspondientes enolatos con cloruros de cido tiende a producirse en el oxgeno en lugar de

en el correspondiente carbono (Figura 1)

Si lo que nos interesa es obtener los compuestos de C-acilacin podemos recurrir a una de las

siguientes opciones:

1. Utilizacin de equivalentes sintticos de enolatos y menos reactivos que stos

(enaminas, silil enol eteres) y su reaccin con agentes acilantes muy reactivos (haluros de

cido).

2. Reaccin de los enolatos con agentes acilantes ms dbiles como los steres.

La reaccin de un aldehdo o una cetona con una amina secundaria permite obtener una

enamina a travs del siguiente mecanismo:

El mecanismo de formacin de la enamina es idntico al de la sntesis de iminas hasta la

formacin del in iminio. En este caso el in iminio no tiene ningn protn para eliminar y por

eso se pierde uno de los unidos al carbono contiguo formndose as la enamina. Cuando el

compuesto carbonlico no es simtrico, normalmente se obtiene la enamina menos sustituida.

Al igual que las iminas, estos productos son inestables en medio cido acuoso.

La reactividad de enaminas frente a agentes alquilantes y acilantes permite, despus de

hidrlisis, la obtencin del correspondiente compuesto carbonlico alquilado o acilado en la

posicin contigua al grupo carbonilo (posicin ). Utilizando la secuencia enamina-alquilacin o enamina-acilacin se evita la necesidad de utilizar bases fuertes para generar los enolatos, la

formacin de productos de autocondensacin del compuesto carbonlico y los de O-acilacin.

El problema ms importante que se presenta cuando utilizamos enaminas es la posibilidad de

reaccin en el nitrgeno en lugar del carbono. As, la alquilacin puede darse tanto en uno

como en el otro tal como se muestra en el siguiente esquema.

La acilacin de enaminas con cloruros de cido puede seguir tambin estos dos caminos de

reaccin, pero con una gran diferencia.

Los productos de N-acilacin son sales inestables y la N-acilacin es reversible mientras que la

acilacin en el carbono es irreversible. Por esta razn la C-acilacin de enaminas es un mtodo

eficaz.

EXPERIMENTAL 1. Obtencin de la enamina derivada de ciclopentanona y morfolina.

En un matraz de 100 mL se mezclan 3 g (35,66 mmol) de ciclopentanona, 3,1 g de morfolina

(35,66 mmol) y 0,1 g de cido p-toluensulfnico en 50 mL de tolueno. El matraz se conecta a

un aparato separador de agua (Dean-Stark) y a un condensador y la mezcla se refluye durante

1,5 horas observando inmediatamente la separacin de agua (0,6 mL tericos al final del

proceso). Pasado este tiempo, la mezcla puede ser destilada sin ningn tratamiento previo.

Para ello se conecta el matraz a un aparato de destilacin y una vez eliminado el tolueno a

presin atmosfrica, se obtiene el producto por destilacin a vaco (P. Eb. 99C, 10 Torr).

2. Acilacin de la enamina. Obtencin de 2-acetilciclopentanona

En un matraz de 100 ml y dos bocas se hace una disolucin de 3 g (19,57 mmol) de la enamina

anteriormente obtenida en 30 mL de cloroformo seco. Sobre esta disolucin se aaden 2 g

(19,80 mmol) de trietil amina.

Por otro lado, se prepara una disolucin con 1,69 g (21,53 mmol) de cloruro de acetilo en 10 ml

de cloroformo.

La disolucin del cloruro de cido se aade sobre la de enamina gota a gota muy despacio y

con agitacin y la mezcla resultante se refluye durante dos horas. Una vez transcurrido el

tiempo, se enfra y se aaden 5 ml de agua y 5 ml de acido clorhdrico concentrado y se vuelve

a refluir durante otras dos horas para hidrolizar la sal de iminio. Se enfra y se separan las

fases orgnica y acuosa. La fase orgnica se lava dos veces con agua (2 x 20 mL), se evapora

el disolvente a vaco y el residuo se destila a presin reducida (P. Eb. 72-75C, 8 mm Hg).

PRCTICA 5: QUMICA Y LUZ: SNTESIS DE FLUORESCENA. QUIMIOLUMINISCENCIA. (1 Sesin)

5.1. Fluorescencia y Quimioluminiscencia La fotoqumica orgnica constituye un amplio campo de la qumica orgnica. Los

procesos fotoqumicos son intrnsecamente fsicos y conllevan la absorcin de cuantos de luz

(fotones) por parte de una molcula y la produccin de estados electrnicos excitados muy

reactivos. La fotoqumica ofrece la posibilidad de someter a las molculas a procesos distintos

a los que nos encontramos en condiciones trmicas.

Qu le ocurre a una molcula al ser irradiada si no sufre una reaccin qumica?

La molcula no puede quedarse en un estado excitado indefinidamente ya que este

representa una situacin inestable comparado con el estado fundamental. El exceso de energa

se libera de forma trmica o por radiacin. Aquellas transiciones que suponen una

desexcitacincon emisin de radiacin se denominan transiciones radiativas. Si sta se

produce desde un estado excitado con la misma multiplicidad de spin que el estado

fundamental, se habla de fluorescencia mientras que si se produce desde un estado excitado

con distinta multiplicidad de spin, el fenmeno se conoce como fosforescencia.

Todas las posibles transiciones entre los distintos niveles de energa se pueden ver

grficamente en el conocido como diagrama de Jablonski.

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1. Preparacin de la disolucin de bis-oxalato: En funcin del nmero de alumnos y bajo la supervisin del profesor, se prepara la

cantidad necesaria de disolucin de oxalato de bis(2,4-dinitrofenilo) segn las siguientes

proporciones:4 150 mg de diester se disuelven en 90 mL de una mezcla 80:20 de acetato de

etilo/acetonitrilo.

2. Preparacin de la disolucin de perxido de hidrgeno (H2O2): Se aaden 1.5 ml de agua oxigenada H2O2 al 30% en un matraz aforado de 50 mL y se

enrasa hasta 50 mL con acetonitrilo.

3. Quimioluminiscencia:Se preparan cuatro tubos de ensayo limpios y se depositan en ellos, unos miligramos de cada uno de los siguientes fluorforos:

Tubo 1: Rodamina B (Luz roja)

Tubo 2: Rodamina 6G (Luz naranja)

Tubo 3: 9,10-Bis(Feniletinil)-antraceno (Luz verde)

Tubo 4: 9,10-Diphenylantracene (Luz azul)

Sobre estos compuestos se aaden 15 mL de la disolucin de bis-oxalato previamente

preparada. La quimioluminiscencia se inicia tras la adicin de 1-2 ml de la disolucin de

perxido de hidrgeno en acetonitrilo.

El fenmeno se observa mejor en una habitacin oscurecida o en las cajas preparadas

a tal efecto en el laboratorio.

El alumno debe buscar la estructura correspondiente a todos los reactivos utilizados en

la prctica as como la longitud de onda a la que emite cada uno de los fluorforos.

Amongst the many colours produced, the yellow emission from rubrene is the most

easily observed for larger audiences or in rooms that are not completely dark.

NOTAS ESPECIALES DE SEGURIDAD: Las disoluciones que contengan disolventes

orgnicos y perxido de hidrgeno, no deben evaporarse a sequedad para evitar la posibilidad

de que se formen perxidos orgnicos potencialmente explosivos. Los fluorforos utilizados en

esta prctica son considerados como potencialmente carcingenos y por lo tanto debern

manipularse con el equipo de proteccin adecuado y siempre en vitrina. El perxido de

hidrgeno al 30% es caustico por lo que deben utilizarse guantes en la preparacin de la

disolucin stock.

Referencias particulares para esta prctica:

1. A.G. Mohan and N.J. Turro, A facile and effective chemiluminescence

demonstration, J. Chem. Educ., 1974, 51, 528.

4 El oxalato de bis(2,4-dinitrofenilo) es un producto extremadamente caro y por eso habr de prepararse estrictamente la cantidad de disolucin stock necesaria para la realizacin del experimento.

2. B.Z. Shakhashiri, L.G. Williams, G.E. Dirreen and A. Francis, A cool-light

chemiluminescence, J. Chem. Educ., 1981, 58, 70.

3. D. Potrawa and A. Schleip, Die Chemilumineszenz von Oxalestern - Lightsticks,

MNU Mathematische und Naturwissenshaftliche Unterricht, 1983, 36, 284; Chem. Abstr., 1983,

99, 193921.

4. A.G. Hadd and J.W. Birks, in Selective Detectors: Environmental, Industrial, and

Biomedical Applications, ed. R.E. Sievers, Wiley, New York, 1995, pp. 209-239.

5. P.J.M. Kwakman and U.A.T. Brinkman, Anal. Chim. Acta., 1992, 266, 175.

6. A.G.Hadd, D.W.Lehmpuhl, L.R.Kuck, J.W.Birks and G.P.Mell, Chemiluminescence

demonstration illustrating principles of ester hydrolysis reactions, J. Chem. Educ., 1999, 76,

1237.

7. B.Iddon, The Magic of Chemistry, Poole, BDH, 1985 p. 37.

8. Tested Demonstrations in Chemistry, ed. L.Gilbert, et al., Denison University,

Granville, OH, 1994, vol. 1, p. H-42.

PRCTICA 6: REACCIN DE DIELS-ALDER REGIOSELECTIVA. SNTESIS DE -TERPINEOL (3 Sesiones)

1. INTRODUCCIN

El objetivo de esta prctica es realizar la sntesis de un producto natural,

concretamente un terpeno (-terpineol) mediante la secuencia sinttica que se muestra en el esquema 1. Asimismo, se estudiar la regioselectividad de la reaccin de Diels-Alder utilizada

mediante modelizacin molecular (Prctica de Introduccin a la Modelizacin Molecular).

MeMgI

CO2Me OHCO2Me

AlCl3

DCM Et2O

Esquema 1

El terpineol, tambin llamado terpilenol, es un terpeno ampliamente utilizado en la

industria por su carcter organolptico. Est presente en diversos aceites aromticos y su

campo de aplicacin es amplio y variado. Su fuerte olor a lila hace que sea utilizado como

perfume en cosmtica. Tambin presenta propiedades como pesticida y se utiliza en la

industria minera en la extraccin de oro, plata, cobre, wolframio e incluso uranio, debido a su

capacidad de generar espumas que favorecen la flotacin de dichos metales y por tanto su

separacin de otras sustancias no deseadas. Sus propiedades como desinfectante sirven para

aliviar congestiones asociadas a resfriados en combinacin con otras sustancias voltiles. En la

industria textil se utiliza para producir tintes de alta calidad.

En general, el terpineol, como otros terpenos relacionados, suele obtenerse de fuentes

naturales (resinas de conferas). Muchas de estas sustancias aromticas, tales como geranial,

nerol, citral, mentol, etc., pueden tambin prepararse a partir de terpineol, lo cual mejora la

calidad del producto.

Todas estas propiedades hacen que la demanda de terpineol en el mercado sea

elevada y por tanto hacen a su vez de esta sustancia de estructura sencilla un producto muy

valioso.

2. PROCEDIMIENTO (Nota1)

SNTESIS DE 4-METILCICLOHEX-3-ENILCARBOXILATO DE METILO (Nota 2)

En un matraz de dos bocas de 100 mL provisto de septum, refrigerante y tubo de

cloruro clcico se introducen 0,68 g (0,005 moles) de tricloruro de aluminio (Nota 3) y 30 mL de

Diclorometano anhidro. A continuacin se adicionan lentamente, con una jeringa, 3.8 mL de

acrilato de metilo. Tras aproximadamente 5 minutos de agitacin, se adicionan con una jeringa

gota a gota (aproximadamente en un intervalo de 5 minutos) 4,5 mL de isopreno. La mezcla se

deja agitando toda la noche. Al da siguiente se vierte sobre una disolucin de cido clorhdrico

2 M (aproximadamente 35 mL), la disolucin lechosa se decanta y la fase acuosa se extrae con

diclorometano.

Los extractos orgnicos se lavan con agua y se secan sobre sulfato magnsico. El

desecante se elimina por filtracin y el disolvente a presin reducida. El residuo es un lquido

ligeramente amarillo que se purifica por destilacin a presin reducida obtenindose un lquido

incoloro de olor persistente. (b.p.17 80-82 C). (Nota 4)

Notas

Es necesario tener en cantidad suficiente ter etlico y diclorometano anhidros

El material utilizado para llevar a cabo la reaccin debe estar rigurosamente seco.

Todos los productos deben manipularse en vitrina y las jeringas, guantes y material

utilizado deben dejarse en una caja en la vitrina, para que se evaporen los restos de producto

(las agujas deben dejarse con su funda puesta en el contenedor especfico, slo de agujas). La

vitrina debe quedarse funcionando toda la noche.

Los residuos de lavado deben ser recogidos en una botella debidamente etiquetada

con la indicacin de producto maloliente y depositada en la vitrina del almacn.

La manipulacin del Tricloruro de Aluminio debe realizarse con guantes, evitando lo

ms posible su exposicin al aire (El tricloruro de aluminio causa quemaduras y es irritante a

los ojos, la piel y el sistema respiratorio, ya que en presencia de humedad descompone

desprendiendo cloruro de hidrgeno).

Debido a la formacin de espumas durante la destilacin, es conveniente utilizar lana

de vidrio abundante en lugar de astilla (material general), y controlar que no haya excesivo

vaco. El residuo polimrico que queda en el matraz de destilacin se disuelve por tratamiento

con diclorometano, seguido de tratamiento con solucin concentrada de NaOH si es necesario.

SNTESIS DE 2-(4-METILCICLOHEX-3-EN-1-IL)-PROPAN-2-OL (-TERPINEOL)

En un matraz de dos bocas de 100 mL provisto de refrigerante de bolas, embudo de

adicin y entrada y salida de gases, se introducen 1,21 g (0,05 moles) de magnesio (Nota 1) y 25 mL de ter etlico anhidro bajo atmsfera de argn. A continuacin desde el embudo de adicin se aaden unas gotas de yoduro de metilo y la mezcla se agita vigorosamente hasta

que se observa el inicio de la formacin del magnesiano (la disolucin refluye y el magnesio

comienza a disolverse).Tras varios minutos de agitacin s continua la adicin gota a gota del

resto de la disolucin de yoduro de metilo (3,1 mL, 0,05 moles) en ter etlico anhidro (15 mL) de tal forma que se mantenga el reflujo constante. Una vez finalizada la adicin, la mezcla se

refluye 30 minutos y se deja enfriar a temperatura ambiente. A continuacin se adiciona, gota a

gota, el ster (3 g, 0,02 moles) disuelto en 10 mL de ter etlico anhidro desde el embudo de adicin (la mezcla refluye vigorosamente durante la adicin) y posteriormente se refluye

durante 1 h, tras lo cual se deja agitando a temperatura ambiente hasta el da siguiente

(manteniendo la atmsfera de argon con un globo). La mezcla de reaccin se enfra a 0C

(bao de hielo) y se adiciona muy despacio (gota a gota) una disolucin saturada de cloruro

amnico hasta completar la hidrlisis. Se extrae con ter etlico y los extractos etreos se lavan

con agua y se secan sobre sulfato magnsico. Tras eliminar el disolvente a presin reducida,

se obtiene un aceite amarillo que se purifica por cromatografa de columna en gel de slice a

presin media. Encontrar condiciones optimas. (a ttulo orientativo, empezar con Hexano/ter

1:1 y optimizar). Las placas se revelan con I2. Tambin puede destilarse a vaco con lana de

vidrio para dar un aceite incoloro con olor a trementina (b.p15. 94-95 C).

Nota 1: La formacin del magnesiano es mejor si el Mg una vez introducido en el matraz y con

corriente de Ar, se calienta suavemente con la pistola. A continuacin se deja enfriar y se adiciona el ter anhidro.

L. F. Tietze and T.H. Eiches, Reactions and Syntheses in the Organic Chemistry

Laboratory,1989, University Science Book.

O OCH3

OH

PRCTICA 7: INTRODUCCIN A LA MODELIZACIN MOLECULAR5 (1 Sesin)

La Qumica Computacional es una disciplina que ha adquirido mucha popularidad en

las ultimas dcadas y es usada como una herramienta para comprender mejor los procesos y reacciones qumicas. Permite predecir la estructura y estabilidad de sistemas qumicos, estimar la diferencia de energa entre estados diferentes, explicar el curso de una reaccin y su mecanismo ...etc.

HyperChem 5.1 de Hypercube (el software que se utiliza en esta prctica) es un programa de modelizacin molecular muy verstil, y un potente paquete computacional que dispone de diversos mtodos de clculo de mecnica molecular y mecnica cuntica. 1.- Optimizacin geomtrica de una molcula Para calcular las propiedades de una molcula, se necesita generar en primer lugar una estructura bien definida que represente un mnimo de energa potencial. HyperChem cuenta con diversos mtodos para realizar la optimizacin geomtrica de una molcula.

Ejemplos de optimizacin geomtrica por mecnica molecular.

O

O

1

a) Dibujar el esqueleto de la molcula 1 en dos dimensiones (2D).

Uso del icono DRAW clic izda. selecciona clic dcha. borra o deselecciona

b) Introducir los heterotomos Abrir tabla peridica por doble clic en el icono DRAW o en el men Build seleccionar Select Default Element

c) Construir la estructura 3D

Uso del icono SELECT (doble clic) o men BuildAdd H & Model Build d) Minimizacin energtica

Elegir el campo de fuerza: men SetupMolecular MachanicsMM+OK Optimizacin geomtrica en el nivel elegido:

menCompute Geometry Optimization Aparece un cuadro de dialogo donde debe seleccionarse: Algorithm ..... Polar-Ribiere RMS gradient ......0.1 kcal/mol

In vacuo Screen refresh .......1 Cuando todo este correcto seleccionar OK.

El programa empieza la optimizacin geomtrica y cuando acaba, aparece en la parte

inferior de la pantalla Converged=Yes y un valor de la energa en Kcal/mol (no es un calor de

formacin).

La geometra obtenida no tiene que corresponder a la conformacin ms estable de la

molcula. Es la conformacin ms cercana al dibujo de partida.

e) Medida de distancias y ngulos

Uso del icono SELECT: seleccionar dos tomos contiguos o no (medida de distancia en );

seleccionar tres tomos contiguos (medida de ngulo en grados); seleccionar cuatro tomos (

medida de ngulo de torsin o diedro en grados). Los valores aparecen en la parte inferior de la

pantalla en la barra de tareas.

5 Todos los clculos debern quedar reflejados en el cuaderno de laboratorio.

f) Informacin sobre los tomos

Men Display Labels Se elige la informacin que se desea ( p.e. quiralidad, tipo de tomo, carga

....etc)

g) Visualizacin de la molcula

Men Display Rendering Se elige el tipo de visualizacin ( p.e. bolas, varilla ...etc)

Optimizacin geomtrica de un compuesto bicclico

N

O

NH2

HbHa

H3C

12

345

6

7

89

10

2

Dibujar la molcula 2 lo mas parecida posible al dibujo anterior, pasar a estructura 3D y

comprobar que tenemos el diasteremero deseado. Si no es as, hacer los cambios necesarios.

Optimizar geomtricamente la molcula por Mecnica Molecular (MM+) de manera anloga al

ejemplo anterior.

Valor de la Energa? Determinar la estereoqumica de todos los centros quirales. Qu ocurre con la

quiralidad del tomo 1?

Comparar y discutir las distancias N-C (1-2 y 3-10) Comparar los ngulos : H-C9-C7, C8-C4-C3, y H-C5-C4. Segn esto qu tipo de

hibridacin tienen respectivamente los carbonos C9, C4 y C5?.

Medir los ngulos diedros: H-C4-C8-Ha, H-C4-C8-Hb, H-C7-C8-Ha y H-C7-C8-Hb.

Anlisis conformacional

El anlisis conformacional de una determinada sustancia, puede en ciertos casos ser

fundamental a la hora de establecer sus propiedades, sus aplicaciones, su reactividad ...etc. La

optimizacin geomtrica de las diferentes conformaciones de una molcula por giro alrededor

de un enlace sencillo, es un mtodo simple de realizar dicho anlisis conformacional.

Estudio conformacional de la bromohidrina del trans-estilbeno

HO

C C

Br

HPh

HPh

a) Dibujar en 2D uno de los enantimeros (RS) o (SR) (los anillos bencnicos hay que dibujarlos. Dibujar un ciclohexano plano y hacer doble clic en uno de los enlaces),

que se forman al tratar el trans-estilbeno con N-bromosuccinimida y pasar a 3D

(doble clic en el icono SELECT).

b) Comprobar quiralidad de los carbonos en men SelectLabelChiralityOK. Debe ser RS o SR y si no lo es, debe invertirse la configuracin de uno de los

carbonos.

c) Invertir la configuracin de un carbono:

- Seleccionar el carbono a invertir

- MenSelectName SelectionPointOK - Deseleccionar el carbono en cuestin

- Seleccionar los dos sustituyentes del carbono a invertir que queramos

cambien de posicin

- Men EditInvert (si no hay seleccin, Invert, invierte la totalidad de la molcula)

- Deseleccionar todo y aplicar de nuevo el Model Build (doble clic en el icono

SELECT)

- Comprobar de nuevo la quiralidad de los carbonos

d) Optimizar geomtricamente la estructura por mecnica molecular (MM+). Tomar nota de la Energa. Medir el ngulo diedro HO-C-C-Br y dibujar en el cuaderno la

conformacin obtenida en forma tridimensional y en proyeccin de Newman.

e) Pasar a otra conformacin alternada:

- Seleccionar el ngulo diedro HO-C-C-Br

- Men EditSet Bond Torsion entre valor deseado del ngulo en grados OK

- Deseleccionar ngulo diedro, optimizar geomtricamente repitiendo el

apartado d)

f) Repetir para la tercera conformacin alternada. Los ngulos diedros HO-C-C-Br seleccionados para las tres conformaciones deben ser 60, +60 y 180.

Cul es la conformacin ms estable de las tres?. Cul es la conformacin reactiva en

MeOH/base para formar el epxido?. Por qu?.

2.- Clculo de calores de formacin y calores de reaccin

El calor de formacin 0fH de una molcula es la entalpa necesaria para su formacin a partir de sus elementos constituyentes. Medir de forma directa dicho calor de

formacin es slo posible en casos muy sencillos, de modo que para la mayora de las

molculas este dato se determina de forma indirecta. La mayora de los compuestos orgnicos

tienen 0fH negativos, es decir se libera energa cuando se forman a partir de sus elementos constituyentes. Es una medida de su estabilidad relativa.Por otra parte, a partir de los calores

de formacin de los reactivos y de los productos de una reaccin, podemos estimar el calor de

reaccin de la misma.

aA + bBcC + dD

( ) ( )( ) ( ) ( )( )BHbAHaDHdCHcH ffffr 00000 ++= HyperChem estima con un alto grado de fiabilidad los calores de formacin de cualquier molcula orgnica. Para calcular el calor de formacin de una determinada molcula,

se requiere un calculo energtico por mecnica cuntica (semiemprico o ab initio).

Para ello, previamente se realiza una optimizacin geomtrica por mecnica molecular

(MM+) (ver apartado 1) y a continuacin sobre la estructura minimizada se repite el clculo

semiemprico. Calculo semiemprico:

a) menSetupSemi-empiricalAM1Options

Total charge: 0 Convergence limit: 0.01

Spin multiplicity: 1 Iteration limit: 50

RHF Accelerate convergence Lowest

comprobar que estos son los parmetros elegidos y aceptar (OK)

b) Men Compute Geometry Optimization aparece el cuadro de dialogo de la optimizacin geomtrica y las opciones deben ser las mismas que se

seleccionaron para el mtodo MM+ ( ver apartado 1) OK c) Crear un archivo para guardar informacin sobre los clculos realizados:

Men File Starlog nombrar el fichero por ejemplo A:\ benceno.log (nombre relacionado con la molcula y en el disquete A:) con la opcin

Quantum Print Level = 0 OK MenCompute Single Point OK Cuando termina el proceso:

MenFileStoplog

El fichero de extensin .log puede leerse con cualquier editor de texto ( p.e. Microsoft Word) y contiene todos los parmetros de la minimizacin, el n de electrones implicados en el

clculo, el n de orbitales y su funcin de ondas, las diferentes energas consideradas, el calor de formacin, el momento dipolar.etc.

o Calcular los calores de formacin del BENCENO, del 1,3-CICLOHEXADIENO y del CICLOHEXENO. Comentar las diferencias.

o Calcular los calores de hidrogenacin de:

BENCENO 1,3-CICLOHEXADIENO 1,3-CICLOHEXADIENO CICLOHEXENO

o Comentar las diferencias.

3.- Investigando la Reactividad de las Molculas.

El HyperChem puede ser usado para predecir la reactividad de las molculas y de sus

grupos funcionales. Un mtodo es usar la Teora de los Orbitales Frontera. Podemos calcular la

energa de los orbitales moleculares, los coeficientes, las propiedades nodales y con ello

estimar la reactividad relativa de diferentes sustituyentes moleculares, la regioselectividad de

una reaccin ..etc. Estos clculos deben hacerse con los mtodos de mecnica cuntica

(semiempricos o ab initio)

De acuerdo con la teora de los orbitales frontera, en el caso de una reaccin de cicloadicin, como la reaccin de Diels-Alder, es necesario establecer que pareja de orbitalesfrontera (HOMO de un reactivo y LUMO del otro) debe ser considerado.

R2

+

R2

R2

R1 R1 R1

I II

Esquema 1

Es decir, tenemos que establecer si la velocidad de reaccin ser mayor por interaccin del HOMO del dieno y el LUMO del dienfilo o al revs (LUMO del dieno y HOMO del dienfilo). El proceso ser mas rpido, cuanto menor sea el valor de E = ELUMO - EHOMO de la pareja de orbitales frontera implicados.

A ttulo de ejemplo, en el esquema 2 se encuentra representado el diagrama de energas del HOMO y el LUMO del caso concreto del metoxibutadieno y la acroleina, del que se deduce que la reaccin transcurrir por interaccin del HOMO del dieno y el LUMO de la acroleina

CHO

OMeHOMO

HOMO

LUMO2,5 eV

-10,9 eV

LUMO0 eV

-8,5 eV

E (eV)

ELUMO -EHOMO = 8,5 eV

ELUMO -EHOMO = 13,4 eV

Esquema 2

Los programas de modelizacin molecular, utilizando mtodos de mecnica cuntica (semiempricos o ab initio) nos permiten estimar las energas de todos los orbitales moleculares de una determinada molcula. Por tanto podremos conocer las energas

del HOMO y el LUMO de los reactivos y predecir que pareja de orbitales frontera debemos considerar.

En el esquema 1,

observamos que en la

cicloadicin planteada existe la

posibilidad de formacin de

dos aductos diferentes. La

explicacin de la

regioselectividad del proceso

(uno de ellos se forma

preferentemente) puede ser

justificada por los coeficientes

de los orbitales atmicos del

dieno y del dienfilo.

Los coeficientes de los orbitales atmicos que contribuyen a la formacin del HOMO y el LUMO influyen en la regioselectividad, la locoselectividad y la periselectividad de las reacciones de cicloadicin. Los coeficientes son una medida de la contribucin de cada orbital atmico al orbital molecular correspondiente. Centrndonos solo en la regioselectividad, si miramos los coeficientes de los orbitales atmicos de un dieno monosustituido y de un dienfilo tambin monosustituido encontraremos una distribucin asimtrica y diferente en los extremos (esquema 3). El tamao de los crculos es proporcional al tamao de los coeficientes. Los crculos representan los lbulos de los orbitales p sobre el plano del papel y el color su signo.

HOMO HOMOCHO

CHO

OMe OMe

LUMO LUMO

A B

Esquema 3

La teora de los orbitales frontera demuestra que la interaccin estabilizante es grande-

grande/pequeo-pequeo (opcin A, esquema 3) y que el producto que se forma mayoritariamente en este caso es el compuesto I (Esquema 1).No obstante, no hay que olvidar que el signo es un factor ms importante que el tamao.

Sntesis del -Terpineol.

La sntesis del -Terpineol realizada en el laboratorio (Prctica 3) se comenz con la reaccin de Diels-Alder entre el isopreno y el acrilato de metilo, para en una segunda etapa

acceder al producto.

COOMe COOMe

+

1

4

1

2

En el presente ejercicio:

9 Calcularemos en primer lugar las energas del HOMO y el LUMO del isopreno y el acrilato de metilo.

9 De acuerdo con las energas, seleccionaremos la pareja de orbitales frontera a considerar.

9 Considerando los coeficientes de los orbitales atmicos de los carbonos 1 y 4 del dieno y 1 y 2 del dienfilo (de los orbitales frontera considerados), predeciremos

que regioismero debe formarse preferentemente y comprobaremos si coincide

con el obtenido experimentalmente en la Prctica 3

Clculo de orbitales moleculares.

a) Dibujar el isopreno en 2D. Pasar a 3D y comprobar que es el confrmero S-cis. Si tenemosel S-trans, cambiar girando el enlace central

b) Optimizar geomtricamente por mecnica molecular con el mtodo MM+ (Apartado 1).

c) Comprobar numeracin asignada por el programa a cada tomo y tomar nota:

DisplayLabelNumberOK d) Optimizar geomtricamente por mecnica cuntica con AM1 como se indico en el

apartado 2a y 2b

e) Crear un archivo .log:

Men File Starlog nombrar el fichero por ejemplo A:\ isopreno.log con la opcin Quantum Print Level = 1OK

MenCompute Single Point OK Cuando termina el proceso:

MenFileStoplog f) Men ComputeOrbitals aparece un cuadro de dialogo que nos da los valores

de los orbitales:

Al sealar con el ratn sobre las lneas que representan los niveles energticos, vemos

a la izquierda la energa de cada orbital en eV y tomaramos nota del HOMO y del LUMO. Al

pulsar OK, veremos la representacin 3D del correspondiente orbital. Si marcamos Labels

nos situar los electrones en los orbitales ocupados... etc. Probar y ver las distintas opciones,

ensayando antes de comenzar el ejercicio siguiente.

Repetir el proceso para el acrilato de metilo.

En Microsoft Word abrir el fichero a:\isopreno.log y buscar en el orbital HOMO y LUMO

los coeficientes de los orbitales atmicos 2pz de los carbonos 1 y 4 del dieno (o el n que les

haya asignado el programa) y apuntar su valor. Repetir el proceso con el fichero a:\acrilato de

metilo.log

Representar en el cuaderno unos esquemas similares al 2 y al 3 con los datos

obtenidos y predecir que regioismero debe formarse preferentemente. Es el que se obtiene

experimentalmente?.