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Éteres, epóxidos y
sulfuros
Estructura del dimetil éter
El ángulo C-O-C de los éteres es de alrededor de 110º. Hay un dipolo a lo largo del enlace C-O porque el oxígeno es más electronegativo que el carbono.
Los enlaces en los alcoholes y
los éteres.
Las moléculas de agua o de alcohol pueden actuar como donantes o como aceptores de enlaces de hidrógeno. Las moléculas de éter no tienen grupos hidroxilo, por lo que no pueden ser donantes en la formación de enlaces de hidrógeno. Si hay un donante de enlaces de hidrógeno, los éteres pueden actuar como aceptores de enlaces de hidrógeno.
Mientras que las moléculas de agua y de alcohol pueden tener enlaces de hidrógeno entre sí, los éteres no pueden tener enlaces de hidrógeno con otras moléculas de éter. Las moléculas que no pueden tener enlaces de hidrógeno intermolecularmente poseen un punto de ebullición más bajo. Las moléculas de éteres pueden interactuar el enlace de hidrógeno con las moléculas de agua y alcohol.
Disolución de iones con
éter.
Una sustancia iónica como el yoduro de litio es ligeramente soluble en éteres, ya que el pequeño catión litio está fuertemente solvatado por los pares de electrones solitarios del éter. Al contrario que los alcoholes, los éteres no son donantes de enlaces de hidrógeno, por lo que no solvatan a los aniones
El oxígeno del éter puede tener una interacción dipolar con cationes, pero no con aniones, por lo que las sales no serán muy solubles en los disolventes con éter.
Coordinación de un éter con un
reactivo de Grignard.
La coordinación de un éter con un reactivo de Grignard estabiliza al reactivo y ayuda a mantenerlo en disolución.
Los pares solitarios del oxígeno interactúan con el magnesio. Lo mismo ocurre con el borano (BH3.THF) en el que el THF estabiliza al boro.
Complejos de los éteres
corona.
El nombre del éter corona proviene del número total de átomos en el éter y el número de átomos de oxígeno que tenga. Por ejemplo, 18-corona-6 es un éter cíclico con 18 átomos, seis de los cuales son átomos de oxígeno
Los poliéteres cíclicos se denominan frecuentemente éteres corona. Estos éteres pueden tener la complejación de los cationes metálicos dentro del anillo; el tamaño del catión determinará el tamaño del anillo que se necesite. La complejación con éteres corona con frecuencia permite que las sales inorgánicas polares se disuelvan en disolventes orgánicos no polares
La síntesis de Williamson
de éteres.
La síntesis de éteres de WIlliamson es la síntesis de éteres más fiable y versátil. Este método implica un ataque SN2 de un ión alcóxido a un haluro de alquilo primario no impedido o tosilato.
El alcóxidodesplazará al haluro o tosilato y se puede preparar fácilmente mediante la reacción de un alcohol con Na, K o NaH
Reacción de
alcoximercuriación-
desmercuriación.
En el proceso de alcoximercuriación-desmercuriación se añade una molécula de un alcohol a un doble enlace de un alqueno obteniendo un éter.
Análoga a la reacción de oximercuriación-desmercuriación, la alcoximercuriaciónse lleva a cabo utilizando un alcohol como disolvente. La adición seguirá la regla de Markovnikov, por lo que el alcohol estará sobre el carbono más sustituido del doble enlace.
Reacción de un éter con
halohidrácidos
Los éteres reaccionan con HBr y HI concentrado, ya que estos reactivos son lo suficientemente ácidos para protonar al éter, y el ión bromuro y yoduro son buenos nucleófilos para la sustitución.
Después de la protonación de la molécula de éter, el haluro atacará a uno de los átomos de carbono y desplazará a una molécula de alcohol.
Mecanismo de ruptura de un
éter con HBr
Después de la protonación del éter, el bromuro atacará al átomo de carbono y desplazará a una molécula de alcohol. La molécula de alcohol obtenida se puede protonar con HBr y atacar de nuevo para producir más bromuro de alquilo
Oxidación de éteres.
Cuando los éteres se almacenan en presencia de oxígeno atmosférico, se oxidan lentamente dando lugar a hidroperóxidos y dialquilperóxidos (los dos son explosivos). Esta oxidación espontánea, producida por el oxígeno atmosférico, se denomina «autooxidación».
La distilación de los éteres se debería realizar utilizando un éter que no contenga peróxido.
Síntesis de los tioéteres.
Los sulfuros se sintetizan fácilmente por el método de Williamson, utilizando un ión tiolato como nucleófilo.
La reacción es SN2, pero los haluros secundarios proporcionarán buenos rendimientos de sustitución.
Utilización de los sulfuros como
agentes reductores
Puesto que los sulfuros se oxidan fácilmente, se suelen utilizar como agentes reductores
Los sulfuros se utilizan como un segundo paso en las reacciones de la ozonólisispara reducir el ozónido al compuesto dicarbonilo. En el proceso, el disulfuro se oxidará a dimetil sulfóxido (DMSO).
Oxidación de los
peroxiácidos.
Los peroxiácidos se utilizan para transformar alquenos en epóxidos. Si la reacción transcurre en medio ácido (acuoso), el epóxido se transforma en un glicol; por lo tanto, para obtener un epóxido, se utiliza un peroxiácido débilmente ácido que sea soluble en disolventes apróticos.
El ácido meta-cloroperoxibenzoico (MCPBA) es el peroxiácido más utilizado para llevar a cabo las epoxidaciones
Mecanismo de epoxidación
La epoxidación transcurre en un solo paso, siendo una reacción concertada que mantiene la disposición relativa de los sustituyentes del doble enlace
Uno de los átomos de oxígeno del peroxiácido se transfiere al doble enlace
Ejemplos de epoxidación
La epoxidación de un doble enlace (rico en electrones) utilizando un peroxiácido es bastante general, siendo una reacción muy rápida. Las reacciones siguientes son transformaciones posibles gracias a la estereoespecificidad de la epoxidación
MCPBA y MMPP son los peroxiácidos más utilizados frecuentemente. MMPP se utiliza a menudo en epoxidaciones a gran escala
Ciclación de halohidrinas
promovida por bases.
Una segundo síntesis de epóxidos y de otros éteres cíclicos se realiza mediante una variación en la síntesis de éteres de Williamson. Si en una molécula está localizado un ión alcóxido y un átomo de halógeno, el alcóxido puede desplazar al ión haluro y formar un anillo. El tratamiento de una halohidrina con una base da lugar a un epóxido, a través de un ataque interno SN2 (SNi, sustitución nucleófila intramolecular).
Las halohidrinas se sintetizan mediante el tratamiento de los alquenos con soluciones acuosas de halógenos (X2/H2O). En términos de formación de éter cíclico, un anillo de 3 miembros se forma más rápidamente que uno de 5 ó 6 miembros.
Síntesis de las
clorohidrinas.
El agua de bromo y el agua de cloro se añaden al
doble enlace con orientación de Markovnikov.
En el mecanismo se añade un átomo de cloro al
doble enlace formando el intermedio del ión
cloronio. La apertura del intermedio de 3
miembros por medio de agua (ataque anti)
produce una mezcla enantiomérica de
clorohidrinas. La adición de la base a las
halohidrinas desprotona al grupo hidroxilo que
desplazará al cloro formando el epóxido
Síntesis de las
clorohidrinas.
Mecanismo de apertura de un
epóxido catalizada por un ácido
La hidrólisis de los epóxidos catalizada por ácidos daba lugar a glicoles con estereoquímica anti. La estereoquímica anti se debe al ataque del agua por el lado posterior del epóxido protonado
El ácido protona al oxígeno del epóxido y el agua ataca y abre el anillo en una reacción SN2 seguida de una desprotonación. La reacción produce una mezcla enantiomérica de trans-1,2-diol.
Apertura de un epóxido
catalizada por un ácido en una
solución alcohólica.
Cuando la apertura catalizada por ácido de un epóxido se produce con alcohol como disolvente, la molécula de alcohol actúa como nucleófilo. Esta reacción da lugar a un -alcoxi-alcohol con estereoquímica anti. Éste es un método excelente para obtener compuestos con grupos funcionales éter y alcohol en átomos de carbono adyacentes.
El ácido protona al epóxido. El alcohol presente ataque y abre el anillo. La desprotonación del producto permite una mezcla enantiomérica de -alcoxi-alcohol.
Apertura de los epóxidos con
halohidrácidos.
Cuando un epóxido reacciona con un halohidrácido (HBr, HCl o HI), un ión haluro ataca al epóxido protonado. Esta reacción es análoga a la ruptura de éteres por HBr o HI.
El ácido protona al epóxido, y el ión haluro desplazado actuará como un nucleófilo atacando y abriendo el epóxido para formar una halohidrina.
Diagrama de la energía potencial
para la apertura de epóxidos
catalizada por bases.
Un epóxido es más alto en energía que un éter
acíclico aproximadamente en 25 kcal/mol, debido a la
tensión de anillo. La tensión de anillo se libera en la
formación del producto. La desaparición de la tensión
de anillo hace que la SN en un epóxido esté
termodinámicamente favorecida.
La apertura de epóxidos catalizadas por base está
más favorecida que la ruptura de un éter acíclico
porque se libera la energía de la tensión de anillo. La
apertura catalizada por bases requiere condiciones
más duras que la apertura catalizada por ácidos.
Diagrama de la energía potencial
para la apertura de epóxidos
catalizada por bases.
Mecanismo de apertura de un
epóxido catalizada por una
base.
La base ataca y abre el anillo.
El ión hidróxido (HO-) ataca al epóxido abriendo el anillo. El agua protona al alcóxido. El producto final de la reacción es una mezcla enantiomérica de trans-1,2-diol.
Orientación en la apertura de
epóxidos.
Los epóxidos sustituidos no simétricamente dan
lugar a productos diferentes en las aperturas de
anillo catalizadas por ácidos y en las aperturas de
anillo catalizadas por bases.
Bajo condiciones ácidas, el nucleófilo atacará al
átomo de carbono más sustituido del epóxido.
Bajo condiciones básicas, el nucleófilo atacará al
átomo de carbono menos sustituido
Orientación en la apertura de
epóxidos.
Reacciones de epóxidos con
reactivos de Grignard.
Lo mismo que otros nucleófilos fuertes, los reactivos de Grignard y los compuestos organolíticos atacan a los epóxidos para dar lugar (después de hidrólisis) a alcoholes de cadena abierta.
Los nucleófilos aniónicos, tales como los reactivos de Grignard y los compuestos organolíticos, atacarán a los epóxidos no simétricos sobre el átomo de carbono menos sustituido. Los compuestos organolíticos son más selectivos al atacar al átomo de carbono menos impedido.
CETONAS Y
ALDEHIDOS
Compuestos carbonilos
comunes
Traslapamiento de orbitales en
los grupos carbonilo.
El orbital sin hibridar p del carbono se solapa con un orbital p del oxígeno para formar un enlace pi. El doble enlace entre el carbono y el oxígeno es similar al doble enlace C=C en un alqueno, excepto en que el doble enlace carbonilo es más corto, más fuerte y está polarizado
El enlace C=O es más corto porque está polarizado. Esta polarización también es responsable de la reactividad del grupo carbonilo
Polarización del grupo
carbonilo.
El doble enlace del grupo carbonilo tiene mayor momento dipolar debido a que el oxígeno es más electronegativo que el carbono y los electrones enlazantes no están igualmente compartidos.
Los nucleófilos atacarán al grupo carbonilo porque es electrofílico, como sugiere la estructura de resonancia minoritaria.
Puntos de ebullición de las
cetonas y los aldehídos
La cetona y el aldehído son más polares, y tienen puntos de ebullición más altos que el éter y el alcano, pero puntos de ebullición más bajos que los de los alcoholes, los cuales forman enlaces de hidrógeno.
El momento dipolar del grupo carbonilo es responsable de los puntos de ebullición más altos para los aldehídos y las cetonas. El enlace de hidrógeno tiene una interacción más fuerte, por lo que los alcoholes tendrán una ebullición a temperaturas más elevadas
Oxidación de los alcoholes
secundarios a cetonas.
Los alcoholes secundarios se oxidan a cetonas utilizando dicromato de sodio (Na2Cr2O7) en ácido sulfúrico o utilizando permanganato de potasio (KMnO4).
Los alcoholes primarios no se pueden oxidar a aldehído utilizando dicromato de sodio (Na2Cr2O7) o permanganato de potasio (KMnO4).
Oxidación de los alcoholes
primarios a aldehídos.
La oxidación de un alcohol primario a aldehído requiere una selección cuidadosa de un agente oxidante. Como los aldehídos se oxidan fácilmente a ácidos carboxílicos, los oxidantes fuertes como el ácido crómico con frecuencia dan lugar a una sobreoxidación. El clorocromato de piridinio (PCC), complejo de trióxido de cromo con piridina y HCl, proporciona buenos rendimientos de aldehídos, sin sobreoxidación.
El PCC puede oxidar alcoholes secundarios a la correspondiente cetona, pero se utiliza con mayor frecuencia para oxidar selectivamente alcoholes primarios a aldehídos.
Obtención de cetonas y aldehídos a
partir de la ozonólisis de alquenos.
La ozonólisis, seguida de una reducción suave, rompe los alquenos dando lugar a cetonas y aldehídos
Zn/HCl se podría utilizar como un agente reductor en lugar de sulfuro de dimetilo.
Acilación de Friedel-Crafts.
La acilación Friedel-Crafts es un método excelente para la obtención de alquil aril cetonas o diaril cetonas; sin embargo, no se puede utilizar con sistemas aromáticos muy desactivados.
Se debe utilizar un catalizador para que se lleve a cabo la reacción
Hidratación de los alquinos
catalizado por Mercurio .
El producto inicial de hidratación Markovnikov es un enol, que rápidamente se tautomeriza hacia la forma ceto. Los alquinos internos se pueden hidratar, pero generalmente se obtienen mezclas de cetonas
Los alquinos terminales producirán metil cetonas después de la tautomerización.
Hidroboración-oxidación de
alquinos.
La hidroboración seguida de oxidación de un alquino da lugar a una adición anti-Markovnikov de agua al triple enlace.
Los alquinos terminales dan lugar a aldehídos después de la tautomerización
Síntesis de cetonas y aldehídos a partir
de 1,3-ditianos.
El 1,3-ditiano puede ser desprotonado por bases fuertes, como el n-butillitio. El carbanión resultante se estabiliza por el efecto sustractor de electrones de dos átomos de azufre altamente polarizables. La alquilación del anión ditiano por un haluro de alquilo primario o tosilato da lugar a un ditioacetal que se puede hidrolizar mediante una solución ácida de cloruro de mercurio (II).
Doble alquilación de 1,3-
ditiano
El ditioacetal se puede volver a alquilar para dar lugar a un ditiocetal. La hidrólisis del ditiocetal da lugar a la obtención de una cetona.
La monoalquilación de 1,3-ditiano da lugar a aldehídos y la doble alquilación produce cetonas después de la hidrólisis.
Síntesis de cetonas a partir de
ácidos carboxílicos.
Se pueden utilizar reactivos organolíticos para sintetizar cetonas a partir de ácidos carboxílicos. Los reactivos organolíticos son tan reactivos respecto a los grupos carbonilo que atacan a las sales de litio de los aniones carboxilato para formar dianiones. La protonación del dianión da lugar al hidrato de una cetona, que rápidamente pierde agua para formar la cetona
Los hidratos no son especies estables, por lo que pierden agua para formar el producto cetona más estable.
Síntesis de cetonas a partir
de nitrilos.
Un reactivo de Grignard u organolítico ataca al nitrilo para formar la sal magnésica de una imina. La hidrólisis ácida de la imina da lugar a la cetona
La cetona solamente se produce después de la hidrólisis del intermedio de imina
Reducción de los cloruros de
ácido con el hidruro tri(terc-
butoxi)aluminio y litio
Los agentes reductores fuertes reducen a los cloruros de ácido a alcoholes primarios. El hidruro de tri(terc-butoxi)aluminio y litio es un agente reductor suave que reacciona más rápidamente con cloruros de ácido que con aldehídos.
El hidruro tri(terc-butoxi)aluminio y litio es un hidruro de aluminio y litio modificado que es menos reactivo y más selectivo.
Síntesis de cetonas utilizando
reactivos dialquilcuprato de
litio.
Para que la reacción se pare en la cetona, se necesita un reactivo organometálico más débil: que reaccione más rápidamente con los cloruros de ácido que con las cetonas; un reactivo de este tipo es un dialquilcuprato de litio (reactivo de Gilman)
El organocuprato transfiere un de sus grupos alquilo al cloruro de ácido.
Adiciones nucleofílicas a los
grupos carbonilo.
Cuando un nucleófilo ataca al grupo carbonilo, el átomo de carbono pasa de tener hibridación sp2 a sp3. Los electrones del enlace pi son desplazados hacia el átomo de oxígeno, formándose un anión alcóxido, que se protona para dar lugar al producto de adición nucleofílica
El carbono es electrofílico debido a la polarización del doble enlace C=O.
Activación del grupo carbonilo
para el ataque nucleofílico
El grupo carbonilo protonado (o enlazado a algún electrófilo) es fuertemente electrofílico, lo que permite que sea atacado por un nucleófilo débil
Una vez haya sido protonado el carbonilo, una molécula de agua puede atacar al carbonilo formando el hidrato. El hidrato no es estable y pierde fácilmente agua para obtener la cetona.
Mecanismo de las adiciones
nucleofílicas a grupos carbonilo.
Los nucleófilos pueden añadirse en condiciones ácidas o básicas a los grupos carbonilo
La reacción de Wittig.
La reacción de Wittig transforma el grupo carbonilo de una cetona o un aldehído en un doble enlace C=C.
En la reacción se utiliza un iluro de fósforo como nucleófilo. el óxido de trifenilfosfina es un producto de la reacción
Preparación de los iluros de
fósforo.El carbanión estabilizado por el fósforo es un iluro de fósforo (molécula que no posee una carga global, pero que tiene un átomo de carbono cargado negativamente enlazado a un átomo de fósforo cargado positivamente).
La trifenilfosfina se alquila con un haluro de alquilo formando una sal fosfonio. El butillitio desprotona la sal fosfonio produciendo el iluro.
Mecanismo de la reacción
de Witting.
Hidratación de cetonas y
aldehídos.En solución acuosa, una cetona o un aldehído están en equilibrio con su hidrato, un diol geminal. En la mayoría de las cetonas, el equilibrio está desplazado hacia la forma ceto, sin hidratar, del carbonilo.
La hidratación puede producirse en un medio ácido o básico.
Mecanismo de hidratación de
cetonas y aldehídos.
Mecanismo de la formación
de cianohidrinasEl mecanismo corresponde a una adición nucleofílica en medio básico: ataque del ión cianuro al grupo carbonilo, seguido de la protonación del intermedio
La formación de cianohidrinas es reversible. Los aldehídos están más favorecidos que las cetonas para la formación de cianohidrinas.
Formación de iminas.
En condiciones adecuadas, el amoniaco o una amina primaria reaccionan con una cetona o un aldehído para formar una imina. Las iminas son análogos nitrogenados de las cetonas y aldehídos, con un doble enlace carbono-nitrógeno en lugar del grupo carbonilo
La amina se añade al carbonilo formando un intermedio de carbinolamina, el cual pierde agua para proporcionar una imina.
Mecanismo de la formación
de iminas.El mecanismo de formación de iminas comienza con la adición de un nucleófilo básico de la amina al grupo carbonilo. El ataque de la amina, seguido de la protonación del átomo de oxígeno da lugar a un intermedio inestable denominado carbinolamina
La reacción se debe llevar a cabo en condiciones débilmente ácidas.
Mecanismo de la formación
de iminas.
Un carbinolamina se transforma en una imina mediante la pérdida de agua y la formación de un doble enlace: deshidratación. La protonación del grupo hidroxilo lo transforma en un buen grupo saliente (agua). La pérdida de un protón da lugar a la imina.
La velocidad de formación de una imina es más rápida para un pH de alrededor de 4.5
Condensaciones de aminas con
cetonas y aldehídos.
Dependiendo del sustituyente en la amina primaria, se pueden formar los distintos tipos de iminas.
Formación de los acetales.
De la misma forma que las cetonas y los aldehídos reaccionan con agua para formar hidratos, también reaccionan con alcoholes para formar acetales. En la formación de un acetal, se adicionan dos moléculas de alcohol al grupo carbonilo y se elimina una molécula de agua.
Los acetales solamente se forman en condiciones ácidas.
Mecanismo de formación
de acetalesLa primera parte del mecanismo es una adición al grupo carbonilo catalizada por un ácido. El catalizador ácido protona al grupo carbonilo y el alcohol (nucleófilo débil) ataca al grupo carbonilo protonado activado. La pérdida de un protón del intermedio cargado positivamente da lugar a un hemiacetal.
La mayoría de los hemiacetales son demasiado inestables para ser aislados.
Mecanismo de formación
de acetales.En la segunda parte del mecanismo, el hemiacetal se transforma en acetal, más estable. La protonación del grupo hidroxilo, seguida de la pérdida de agua, da lugar a un carbocatión estabilizado por resonancia. El ataque del metanol al carbocatión, seguido de la pérdida de un protón, da lugar al acetal.
Acetales cíclicos.
Para obtener acetales cíclicos se suele utilizar etilenglicol y a sus acetales se les denomina acetales etilénicos. El ditiano y sus derivados alquilados son ejemplos de ditioacetales cíclicos (acetales sulfurados).
La formación de los acetales cíclicos está más favorecida que la formación de acetales. Los acetales cíclicos se utilizan para proteger a los grupos carbonilo del ataque nucleofílico y otras reacciones
Oxidación de aldehídos.
Al contrario que las cetonas, los aldehídos se pueden oxidar fácilmente a ácidos carboxílicos utilizando oxidantes comunes, como el ácido crómico, trióxido de cromo, permanganato y peroxiácidos. Como los aldehídos se oxidan tan fácilmente, agentes oxidantes tan débiles como el Ag2O los pueden oxidar selectivamente en presencia de otros grupos funcionales.
Desoxigenación de cetonas y
aldehídos.
La desoxigenación consiste en sustituir el átomo de oxígeno del grupo carbonilo de una cetona o aldehído por dos átomos de hidrógeno, reduciendo el grupo carbonilo a grupo metileno pasando por alcohol.
La reducción de Clemmensen o la reducción de Wolff-Kishner se pueden utilizan para desoxigenar las cetonas y los aldehídos
Mecanismo de la reducción
de Wolff-KishnerEl mecanismo para la formación de una hidrazona es el mismo que el mecanismo para la formación de una imina. El paso de reducción implica a dos intermedios tautoméricos en los que se transfiere un átomo de hidrógeno del nitrógeno al carbono.
Se pierde una molécula de nitrógeno en el último paso de la reacción.
Mostrar cómo se podrían sintetizar los siguientes éteres usando (1)
alcoximercuriación-desmercuriación y (2) la síntesis de Williamson. (Cuando
uno de estos métodos no se pueden utilizar para el éter dado, señalar por
qué no va a funcionar)
(a) 2-metoxibutano
(c) 1-metoxi-2-metilciclopentano
(e) 1-isopropoxi-1-metilciclopentano
(b) etil ciclohexil éter
(d) 1-metoxi-1-metilciclopentano
(f) ter-butil fenil éter
Predecir los principales productos de las siguientes reacciones, incluyendo
la estereoquímica.
(a) 2,2-dimetiloxirano + H + H218O
(b) 2,2-dimetiloxirano + H18Oˉ / H218O
(c) (2S, 3R)-2-etil-2,3-dimetiloxirano + CH3Oˉ / CH3OH
(d) (2S, 3R)-2-etil-2,3-dimetiloxirano + H+ / CH3OH
Dar los productos que se esperan de las siguientes reacciones. Incluir un
paso protonación en caso necesario.
(a) 2,2-dimetiloxirano + bromuro de isopropilmagnesio
(b) óxido de propileno + n-butil litio
(c) ciclopentiloxirane + etil litio
Proponer un mecanismo para la siguiente reacción.
La ciclación del escualeno mediante el epóxido es un excelente ejemplo (y
extraordinario) de cómo la naturaleza utiliza la química orgánica en su beneficio. En
una etapa enzimática, la naturaleza forma cuatro anillos y ocho centros quirales.
Fuera de 256 posibles estereoisómeros, sólo uno se forma.
Da las estructuras de los compuestos intermedios A - H en la siguiente
síntesis de trans-1-ciclohexil-2-metoxiciclohexano
